[논문]혼합비율 변화 및 EGR 적용이 노말헵탄/수소 혼합연료의 점화지연시간에 미치는 영향

심태영; 강기중; 최경민; 김덕줄

문제 정의

따라서 본 연구에서는 위 연소제어기법의 기초연구로써 정표준연료인 노말헵탄과 최근 대체에너지원으로 관심이 모아지고 있는 수소를 혼합하여 혼합비율변화와 배기가스 재순환을 통한 연소실 내 산소농도 변화가 점화지연에 미치는 영향에 대해 수치적으로 고찰하였다.
이를 통해 상대적인 저온영역과 중온영역에서는 헵탄이 지배적인 역할을 하며, 상대적인 고온영역에서는 헵탄이 지배적인 역할을 한다는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 헵탄이 지배적인 중 저온 영역에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.

제안 방법

5은 압력 15atm, 당량비 1,, 혼합비율 5:5인 조건에서 EGR적용에 따른 점화지연 시간을 나타내고 있다. 보다 명확한 분석을 위해 혼합물을 EGR 가스와 같은 비율로 N₂를 사용하여 희석한 경우와 비교하였다. N₂ 희석 비율이 증가함에 따라 즉, 혼합물 내의 산소 농도가 감소함에 따라 점화지연시간이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
하지만 EGR을 적용하였을 경우 혼합물 내의 산소농도가 감소함에도 불구하고 점화지연시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인을 분석하고자 중간 화학종 분석을 진행하였다.
중 저온 영역에서 혼합물 내의 수소 농도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 증가하는 현상의 원인을 분석하기 위해 경로분석과 민감도분석이 수행되었다. 경로 분석 결과 순수 수소의 연소과정에서 가장 큰 영향을 미치는 반응은 H2+OH<=>H2O+H라는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

수치해석에 사용된 연료는 노말헵탄/수소 혼합연료로 각 연료에 대한 특성은 Table 1에 나타나있다.

이론/모형

해석프로그램으로는 CHEMKIN-PRO[10]를 사용하였으며 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. 노말헵탄/수소 혼합연료에 대한 화학반응모델은 Mehl 등과 Aggarwal 등의 선행연구에서 충분히 검증된 654개의 화학종과 2827개의 화학 반응으로 이루어진 LLNL모델을 사용하였다[11,12].
해석프로그램으로는 CHEMKIN-PRO[10]를 사용하였으며 피스톤이 상사점에 도달했을 때의 압력과 온도를 초기조건으로 하는 정적 연소반응 모듈을 적용하였다. 노말헵탄/수소 혼합연료에 대한 화학반응모델은 Mehl 등과 Aggarwal 등의 선행연구에서 충분히 검증된 654개의 화학종과 2827개의 화학 반응으로 이루어진 LLNL모델을 사용하였다[11,12].

성능/효과

6는 시간에 따른 헵탄의 소모율과 주요중간 화학종들의 생성량 및 소모량을 나타내고있다. A)와 B)에서 확인할 수 있듯이 혼합물을 N₂로 희석을 함에 따라 즉, 혼합물 내의 산소 농도가 감소함에 따라 주요 중간 화학종의 생성과 소비에 걸리는 시간이 증가하는 것을 확인할 수있다. 이를 통해 전체적인 점화지연 시간이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
보다 명확한 분석을 위해 혼합물을 EGR 가스와 같은 비율로 N₂를 사용하여 희석한 경우와 비교하였다. N₂ 희석 비율이 증가함에 따라 즉, 혼합물 내의 산소 농도가 감소함에 따라 점화지연시간이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 EGR을 적용하였을 경우 혼합물 내의 산소농도가 감소함에도 불구하고 점화지연시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
중 저온 영역에서 혼합물 내의 수소 농도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 증가하는 현상의 원인을 분석하기 위해 경로분석과 민감도분석이 수행되었다. 경로 분석 결과 순수 수소의 연소과정에서 가장 큰 영향을 미치는 반응은 H2+OH<=>H2O+H라는 것을 확인할 수 있었다. 이 반응에서는 OH라디칼이 소모가 되는데 OH 라디칼의 경우 헵탄의 초기 수소 추출반응에 사용된다.
상대적인 저온영역과 중온영역(T1000K)에서는 혼합물 내의 수소 농도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 증가하는 역전 현상이 나타남을 확인할 수 있었다.
2는 압력 15atm, 당량비 1, 산소농도 21% 조건에서 압축온도와 노말헵탄/수소 혼합연료의 혼합비율 변화에 따른 점화지연시간을 나타낸 그래프이다. 온도가 증가함에 따라 점화지연시간이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 노말헵탄의 점화특성인 2단 착화와 NTC 영역을 각혼합연료 조건에서 확인할 수 있었다. 상대적인 저온영역과 중온영역(T<1000K)에서는 혼합물 내의 수소 농도가 증가함에 따라 점화지연 시간이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해 상대적인 저온영역과 중온영역에서는 헵탄이 지배적인 역할을 하며, 상대적인 고온영역에서는 헵탄이 지배적인 역할을 한다는 것을 확인할 수 있다.
N₂ 희석 비율이 증가함에 따라 즉, 혼합물 내의 산소 농도가 감소함에 따라 점화지연시간이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 EGR을 적용하였을 경우 혼합물 내의 산소농도가 감소함에도 불구하고 점화지연시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인을 분석하고자 중간 화학종 분석을 진행하였다.

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