Measurements of Spray Characteristics According to Nozzle Property in Dual Fuel Engine with a Mechanical Fuel Pump

Measurements of Spray Characteristics According to Nozzle Property in Dual Fuel Engine with a Mechanical Fuel Pump

S. H. Cho, S. H. Yoo, B. H. Lee, D. H. Kim and D. Y. Lee

Key Words: Penetration length( 분사길이 ), Mechanical fuel pump( 기계식연료펌프 ), Dual fuel CI engine( 혼소압축착화 엔진 ), Injection amount( ^분사량 )

Abstract

The characteristics of spray behavior and injected amount were studied with two types of nozzles for using in a compres- sion ignition engine with dual fuel technology for construction machines. A penetration length of spray tends to shorten due to a decrease of injected amount of a diesel fuel with dual fuel engine application. In order to ignite the gaseous fuel pre- mixed with air during intake process, a diesel fuel, which was compression ignited, needs to penetrate somehow similar depth compared with the case of a diesel fuel-only-injection. In this work, a nozzle with reduced hole diameter and increased num- ber of holes was tested and demonstrated that, compared to diesel 100% case, its penetration lengths are comparable to 74%

and 79%, respectively, of those of 100% and 50% supply of a diesel fuel with the baseline nozzle that has four holes and 30.4% increased diameter. This will presumably enhancement the combustion in a dual fuel engine. A design suggestion was also made in this work to achieve similar penetration length of spray with diesel 100% case to prevent combustion from being deteriorated in a dual fuel engine.

1. 서 론

2010 년 12 월 현재 건설기계는 약 374,904 대가 등록되 어 있어 전체 자동차 등록대수의 약 2.1% ^{를 점유하고}

있지만 , 자동차를 비롯한 이동오염원과 비도로 이동오 염원 가운데 건설기계에서 배출되는 배출가스의 기여도

는 NO

15.1%, PM 15.5%, CO 6% ^및 VOC 9.1% ^{를 차}

지하고 있다 . 최근 자동차의 배출허용 기준 강화에 따라 자동차로부터의 오염물질이 저감됨에 따라 전체 오염물 질 배출량에서 건설기계가 차지하는 기여도는 증가하고 있다

. 운행 중인 건설기계에서 PM 배출량을 저감하기 위해서는 DPF 와 같은 후처리장치가 많이 적용되고 있

지만 NO

^{저감이 곤란한 점 등으로 인하여 혼소} (Dual

fuel) 기술의 적용이 검토되고 있다 . 본 연구는 경유엔진

의 흡기관에 LPG 를 공급하는 방식으로 혼소 연소를 구 현하였을 경우 배출가스 저감특성을 파악하기 위한 사 전연구로써 , ^{기계식 연료펌프를 사용하는 건설기계용}

디젤엔진에서 혼소 적용 가능성을 확인하기 위한 기반 연구로 수행되었다 .

(2012

4

27

~ 2012

5

11

, 2012

6

13

)

*회원

,

**회원

,

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (032)876-7443 FAX : (032)876-7443

경유 엔진에 혼소 기술을 적용하여 LPG 를 공급할 경 우 , 경유만으로 운전될 경우와 비교하여 동일한 열량을 엔진에 공급해야 한다 . 공급되는 연료의 열량중 LPG 에

서 공급되는 열량의 비율 (LPG ^열량 / ^{전체 열랑} ) ^{로 혼소}

율을 정의하였다 . 즉

혼소율 (%) = (LHV

× M

) ÷

(LHV

× M

+ LHV

× M

)

이고 , 여기서 LHV

는 LPG 의 발열량 (MJ/kg), M

는 LPG ^{의 공급량} (kg), LHV

^{은 경유의 발열량} (MJ/

kg), M

은 경유의 공급량 (kg) 을 나타낸다 . 따라서 전

체 연료중 LPG 연료의 혼소율 ( 저위발열량 (LHV) 비율 )

에 따른 질량 및 부피 비율은 Fig. 1 ^{에서와 같이 나타나}

게 된다 .

혼소기술을 경유 엔진에 적용시 LPG 공급량의 증가에

따라 경유의 분사량이 줄어들게 되어 LPG 40%( 발열량

기준 계산 ) ^혼합시 , ^{경유의 분사량은} 61.75%( ^공급질량

기준 계산 ) 로 감소하게 된다 . 따라서 Fig. 2 에서와 같이

경유만 분사했을 경우와 비교하여 혼소시 경유 분사길 이가 짧아지게 되어 분사된 경유의 분무 및 혼합 특성 이 변화하게 된다 . 혼소 압축착화엔진에서 경유는 기체

연료 (LPG 또는 CNG) 를 착화시키는 역할을 하기 때문

에 혼소전과 동등한 수준의 분사거리를 확보할수 있도

록 경유를 분사하여 예혼합된 기체연료 (LPG 또는

CNG) 를 점화시키고 화염을 전파시킬 수 있는 연소를

구현하는 것이 바람직할 것으로 판단된다

.

LPG(butane 이 주요 구성성분 ) 의 세탄가는 약 5 로 추 정되기 때문에 한꺼번에 연소를 할 경우에 급격한 온도 및 압력상승이 발생하기 때문에 NO

배출량도 증가할

것으로 예상된다 . 따라서 연소개선 및 이에 따른 배출오 염물질 저감을 위해서는 저감된 분사량에 따른 분사 특 성을 이해하는 것이 중요하다 . ^{한편 운행중인 건설기계}

의 디젤엔진에 혼소기술을 적용하는 경우에는 대부분 건설기계가 기계식 연료펌프를 사용하므로 , 기계식 연 료펌프를 사용한 분사시스템에서의 특성을 파악하는 연

구가 중요하게 된다 . 왜냐하면 Common-rail 연료 공급

방식과 비교하여 기계식 연료펌프에서는 분사압 등과 같은 운전변수를 자유롭게 제어하는 것이 상대적으로

용이하지 않기 때문이다

.

본 연구에서는 노즐 홀지름 및 노즐홀 개수가 서로 다른 두 개의 노즐을 대상으로 하여 분사길이 및 분사 량 등의 분사특성을 비교하여 혼소에 적합한 노즐의 특 성을 이해하기 위한 연구를 수행하였다 .

2. 실험방법

2.1 실험 장치

기계식 고압 연료펌프의 분사량 측정을 위한 실험 장

치는 Fig. 3 과 같이 회전속도의 제어가 가능한 모터를

이용하여 기계식 연료펌프를 구동시키면서 챔버에 일정

횟수 (1000 ^회 ) ^{를 분사하여 분사량을 측정하였다} . ^{또한 분}

무 특성을 파악하기 위해서 Fig. 4 에 나타낸 바와 같이

레이저 소스를 이용하여 생성된 평면광과 ICCD 카메라

를 이용하여 분무 특성을 측정하였다 .

분사는 수평방향으로 실시하여 ICCD 카메라를 이용 하여 Fig. 5(a) 와 같이 촬영하였다 . ICCD 에서 측정된 각 화소의 빛의 강도를 분석하여 분무방향의 분무거리를 산출하였다 . 즉 , 분무가 이루어지는 특정 y 좌표에 대해

x 축 방향의 각 화소의 intensity 를 나타내면 Fig. 5(b) 와

같이 분무가 도달한 영역의 화소의 intensity 가 분무가

Fig. 1 LPG mass & volume fractions related LHV frac- tion (a) Diesel 100% injection (b) Dual fuel injec- tion

Fig. 2 Comparison of conceptual spray patterns between

100% diesel and the case of dual fuel injection

2.2 실험 조건

LPG ^{혼소 적용시 경유의 분사량을 감소시켜야 하기}

때문에 이에 맞춰 연료펌프의 분사량 조정기능을 이용 하여 분사량 100%(1,500 rpm 기준 ) 와 분사량 61.75%

( ^혼소율 40% ^{로 가정시} ) ^{의 경우에 대하여 두가지 인젝터}

를 이용하여 분사특성을 Table 1 과 같은 조건에 대해 측 정하였다 . 인젝터의 개변압은 개변압 측정기를 통해

190bar ^{로 동일하게 설정하였다} .

분사시기를 판단하기 위하여 Fig. 6 과 같이 압력파형 으로부터 분사가 시작되기 전후의 화상의 측정 시기를 비교하여 실제로 연료가 분사시작 및 종료되는 시기를 판단하였다 . 인젝터의 개변압은 약 190 bar 로 설정되어 있지만 , 실제 연료가 분사되는 시점은 라인압력 약 400

bar 부근에서 분사기 시작되며 이는 인젝터 니들의 거동

Fig. 3 A schematic diagram of measurement system for injection amount

Fig. 4 A schematic diagram of measurement system for spray penetration length

Fig. 5 Image processing from measured diesel injection

Table 1 Experimental conditions

Nozzle #1 : 0.30 × 4 holes

#2 : 0.21 × 8 holes Fuel pump rack opening(%) 50, 100

Opening pressure(bar) 190

Revolution of engine(rpm) 1,000, 1,500, 2,000

Fig. 6 Analysis for injector opening pressure

및 유체의 압축성 및 유동에서 발생되는 지연으로 판단

된다 . 분사 종료는 동일하게 약 400 bar 부근에서 나타

나게 되며 분사 종료후에도 분사된 연료는 관성으로 인 해 분사를 지속하여 주위 공기로 전파되게 된다 .

3. 분사량 및 분무 특성

3.1 분사량

고압펌프의 유량을 100% 와 61.75% 에 대해서 엔진 회전수와 랙의 개도를 변화시키며 노즐 #1 ^과 #2 ^{에 대해}

분사량을 측정하였고 , 결과를 Fig. 7 과 8 에 각각 나타내

었다 . 각 노즐에서 펌프 유량이 100% 인 경우에 분사량

은 랙의 개도가 100% ^{일 때는 엔진 회전수가 증가함에 따}

라 증가하나 50% 랙 개도에서는 엔진 회전수에 따른 변

화가 크지 않음을 확인할 수 있다 . 고압펌프의 유량조절

장치를 이용하여 유량을 61.75% ^{로 감소시켰을 경우에 엔}

진 회전수 1000 rpm 에서 약 46~50% 및 1500 rpm 에서 약

35~47%, 2000 rpm 에서 약 61% 의 분사량을 보였다 . 노즐

#2 의 분사량은 랙 개도 50% 에서 노즐 #1 의 엔진 회전수

별로 약 85~99% ^{정도 이며} , ^{랙 개도} 100% ^{에서는 엔진}

회전수별로 약 96~99% 의 분사량을 보였다 .

3.2 분무 형상

Fig. 9 는 노즐 #1( 펌프유량 100%) 과 노즐 #2( 펌프유량

61.75%) 의 분사길이를 랙의 개도 100% 와 50% 조건에서

분사길이 비교한 것이다 . 노즐 #2 의 분사길이가 혼소전

경유 100% ^{조건인 노즐} #1 ^{과 비교하면 랙 개도} 50% ^인

경우 분사길이가 약 79% 이고 , 랙개도 100% 조건에서는 약 74% 의 분사길이를 나타냄을 확인할 수 있다 . 이에 비해 Fig. 10 ^{에서 노즐} #2 ^{에 펌프유량} 100% ^{조건과 노즐}

#1 에 펌프유량 61.75% 조건을 비교하면 펌프유량을 낮

춘 경우에 분사거리가 46% 로 감소함을 확인할 수 있다 .

이를 통해 혼소시 펌프유량을 감소시키더라도 노즐 #2 ^를

적용하여 경유 100% 시와 노즐 #1 의 펌프유량 61.75% 보

다 유사한 수준의 분사거리를 확보할 수 있음을 확인하 였다 . ^{이를 통해서 분사된 경유가 착화되면서 예혼합된}

기체연료 (LPG 또는 CNG) 를 점화시키고 화염을 전파시

켜 연소 개선에 기여할 것으로 판단되고 , 엔진 연소를 통한 후속 연구는 현재 진행중에 있다 .

Fig. 11 ^{에는 노즐} #1 ^{의 펌프유량} 100% ^{에서 측정된 화}

상과 노즐 #2 및 펌프유량 61.75% 에서 측정된 화상을 나

타내었다 . 분사공이 4 개인 노즐 #1 을 이용하여 경유

Fig. 7 Injection amount of nozzle#1

Fig. 8 Injection amount of nozzle#2

100% 를 분사할 경우와 분사공이 8 개이고 분사공의 직

경이 약간 (70% 수준 ) 감소된 노즐 #2 를 이용하여 경유

61.75% ^{를 분사할 경우에 전체적인 분무 거동이 유사함}

을 확인할 수 있다 . 그러나 두 노즐간에는 분사공의 개 수가 차이가 나기 때문에 실제 착화된 경유가 스월을

통하여 (Fig. 1 참조 ) 혼합기와 섞이면서 LPG 를 점화시

키게 되는 특성에는 차이가 있을 것으로 예상된다 .

3.3 혼소연소용 노즐 설계의 제안

경유 엔진의 인젝터에서 연료 분사는 피스톤의 케비 티로 형성된 연소실로 분사되게 되고 , 연소 특성 및 배 출가스 특성은 연소실의 형상과 연료 분사 특성과 밀접 한 관계를 갖는다 .

혼소 적용시 연료 분사량이 감소되어 연료 분사 길이 가 짧아져 연소특성이 악화될 가능성이 존재한다 . 이를

개선하기 위해서는 경유 100% ^{와 동등 또는 유사한 수}

준의 분사 거리를 확보하는 것이 중요할 것으로 예상된 다 . 경유 분사에 대한 모델링에서 많이 사용되는 Hiro-

yasu

의 transition 영역 이후의 분사 거리 모델 ( 식

(1)) ^{에서 혼소시와 경유} 100% ^{를 비교해보면 식} (2) ^{에 나}

타낸 바와 같이 표현할 수 있다 . 혼소 적용시 경유와 동 등 또는 유사한 분사기간을 갖기 위해서는 동일 분사공

Fig. 9 A comparison of penetration length between noz- zle#1 and #2

Fig. 10 A comparison of spray penetration length

Fig. 11 Comparison of spray characteristics depending on

nozzle types

개수 조건에서는 (i) 개변압을 조절하여 분사압력을 상 승시키거나 또는 (ii) 노즐의 직경을 증가시키는 등의 방 법의 적용이 가능할 것으로 예상된다.

4. 결 론

1) 본 연구를 통해 건설기계용 디젤엔진에서 혼소 적 용 기술을 적용함으로 인하여 경유 연료량이 감소되었 을 경우에 분사특성과 분사량을 기계식연료펌프 시스템 에서 사양이 다른 두 개의 노즐간에 분사 특성을 측정 및 분석을 수행

2) 혼소에 따라 경유 연료 분사량이 감소하여 경유 연 료의 분사 거리가 짧아지게 되기 때문에 예혼합되어 공 급된 기체상 연료를 분사된 경유가 착화하며 연소시키 는 혼소의 특성상 연소개선을 위해서는 분사길이를 기 존 경유와 유사하게 확보하는 것이 중요함

3) 실험결과 분사 노즐 직경은 작아지고 홀 개수가 많 아진 노즐#2의 경우, 분사거리가 경유 100% 및 50%의 경우 비교하여 각각 약 74%와 79%수준을 나타내어 유 사한 분무 도달거리를 나타내어 혼소 엔진에서 연소 개 선이 가능할 것으로 파악

4) 혼소 적용시 연소 개선을 위해서는 분사량이 감소 하여도 경유 100%와 동등 또는 유사한 분사거리 및 속 도를 나타내도록 노즐 및 분사변수에 대한 설계가 필요 하며 이에 대한 설계 제안을 수행

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