A Study on Spray Behavior of DME-LPG Blended Fuels in a Common-rail Injection System

커먼레일 분사 시스템에서 DME-LPG 혼합연료의 분무거동에 관한 연구

김웅일

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A Study on Spray Behavior of DME-LPG Blended Fuels in a Common-rail Injection System

W. I. Kim, S. C. Woo, C. S. Lee and K. H. Lee

Key Words: DME(디메틸에테르), LPG(액화석유가스), Spray Visualization(분무가시화), SMD(분무 액적 크기), PDPA(위상 도플러 입자 분석기)

Abstract

This study is to investigate the spray behavior of DME-LPG blended fuels in common rail injection system for die- sel engines. The visualization experiment was performed to analyze the macroscopic spray behavior of test fuels. In addition, the experiment using BOS(Background Oriented Schlieren) method is performed to compare liquid phase and gas phase. The test fuels are injected in high pressure chamber. The ambient pressure of high pressure chamber was formed by nitrogen gas. Spray tip penetration, spray cone angle and spray area were measured using high speed cam- era. SMD(Sauter Mean Diameter) and spray particle velocity were measured using the PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) system to analyze the microscopic properties of test fuels. The results of this experiment showed that spray tip penetration, spray cone angle and spray area of DME-LPG fuels are similar to those of DME fuel. When compared to results of experiment using BOS, significant differences of spray tip penetrations, spray cone angle and spray area are showed because of gas phase. The results of experiment using BOS method showed higher values. SMD of DME- LPG blended fuels is smaller than that of DME fuel. Velocity of DME-LPG blended fuels is faster than that of DME fuel.

1. 서 론

기술산업의 발달은 인류문명의 생활을 윤택하고 편 리하게 해주고 있으나, 환경을 오염시키는 원인도 되 고 있다. 이 때문에 여러 연구기관과 산업체에서는 환 경오염을 줄이기 위해 많은 연구가 진행되고 있고^(1~3), 자동차분야 또한 엔진의 연비를 향상시키고 배기배출

물을 줄이기 위해 연구가 많이 이루어지고 있다⁽⁴⁾. 배 기가스규제의 강화로 인해 THC, NOx, soot와 같은 배 기배출물을 줄여야 하며, 이를 위해 연소가 일어난 뒤 후처리를 하는 장치를 이용하여 오염물질을 저감시키 는 방법이 개발되고 있다^(5,6). 하지만 고갈되는 화석연 료로 인하여 오염물질이 적은 DME, LPG, CNG와 같 은 천연가스, 바이오연료, 수소연료 등의 친환경 대체 연료를 내연기관에 사용하는 방법도 많이 연구되고 있 다^(7~9).

DME는 스프레이와 같은 분사제로 많이 사용되고 있 으나, Table 1에서와 같이 세탄가가 약 55~66으로 ULSD(Ultra-low-sulfur diesel)보다 높기 때문에 약간의 연료분사펌프 및 고무류 등의 개조만으로 압축착화엔진

Recieved: 3 Mar 2015, Recieved in revised form: 17 Mar

2015, Accepted: 18 Mar 2015)

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회원, 한양대학교 대학원

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회원, 한양대학교 기계공학부

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책임저자, 회원, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (031)400-5251 FAX : (031)400-4064

에 적용할 수 있다. 또한, 착화 온도가 낮으며 증발이 우 수하고 자발점화 특성과 함께 상온, 상압에서 기체로 존 재하는 장점을 가지고 있다. 34.8%의 함산소율로 인해 매연이 발생하지 않고, 유황분을 비롯하여 질소분과 벤 젠을 함유하고 있지 않기 때문에 인체에 무해한 연료이 다. DME를 생산함에 있어, 메탄올 탈수 반응을 통해 천 연가스, 원유, 석탄 등으로부터 대량생산이 가능하므로 생산비용이 크게 필요하지 않는다.

LPG는 취사 및 난방 연료로 사용되고 있는 청정연 료로서, 가솔린 대비 오염물질이 적다는 장점이 있다.

LPG는 상온에서 0.5 MPa으로 가압되었을 때 액화되 는 성질이 DME와 유사하기 때문에 LPG를 DME와 혼합하기가 용이하다. LPG는 발열량이 45.6 kJ/kg으 로 높기 때문에 DME의 낮은 발열량(28.8 kJ/kg)을 보 완할 수 있다. 또한 국내에는 LPG 연료의 공급 인프 라가 갖추어져 있기 때문에 DME-LPG 혼합연료를 공 급하는 것에 있어 추가 비용이 필요하지 않게 된다.

내연기관에서 연료의 분무특성과 미립화 성능은 자동 차엔진의 연소 및 배기 특성에 중요한 역할을 한다. 연 비 향상 및 배기배출물 저감을 위해서 연소실 내에서는 효율적인 연소가 일어나야 하며, 효율적인 연소를 위해 서는 연소실의 형상과 분무 형상 및 점화 시기가 중요 한 요소가 된다^(10~12).

본 연구에서는 친환경 대체연료인 DME와 LPG를 혼 합한 연료를 사용하여 기존의 DME의 낮은 발열량 문 제를 해결하기 위한 기초자료로 구하고자 커먼레일 분 사 시스템에서 DME-LPG 혼합연료를 거시적 및 미시

적 분무거동에 관하여 실험을 수행하였다.

2. 실험장치 및 방법

본 실험에서 사용된 실험연료는 Table 2와 같이 DME 연료를 기초로 하여 LPG 연료를 10%, 20%, 30%의 질 량비율로 혼합한 DME-LPG 혼합연료를 사용하였다.

Lee 등⁽¹³⁾이 30%이상의 n-butane이 혼합될 경우 연소의 불안정성을 보인바와 같이 본 연구도 압축착화 엔진에 적용하는 것을 기초로 하기 때문에 LPG연료의 혼합비 율을 더 이상 높이지 않았다.

2.1 분무 가시화 실험장치 및 방법

본 연구에서는 실험연료의 거시적인 분무거동을 파 악하기 위해 고속카메라를 이용한 가시화 실험을 수행 하였다. 상온에서 기체로 존재하는 실험연료를 안정적 으로 공급하기 위해 연료탱크에 압력을 질소로 가압하 였다. 약 2.0 MPa의 압력으로 가압하여 실험연료를 액 Table 1 Properties of test fuels

Property ULSD DME LPG (isobutene)

Chemical structure C₁₂H₂₆ CH₃OCH₃ C₄H₁₀

Molar weight (g/mol) 170 46.07 58

Oxygen content (Wt. %) - 34.8 -

Liquid density (kg/m³) 828 660 550

Liquid kinematic viscosity (cSt) 3.0 <0.1 0.278

Liquid surface tension (dyne/cm) 11.36 9.81

Auto ignition temperature (^oC) 250 235 544

Lower heating value (kJ/kg) 42.7 28.8 45.6

Cetane number 40-55 >>55 10

Stoichiometric air/fuel ratio (kg/kg) 14.60 8.95 15.39

Table 2 Composition and notation of blending fuels Composition Notation

DME DME

DME 90% + LPG 10% DL10 DME 80% + LPG 20% DL20 DME 70% + LPG 30% DL30

체상태로 유지하고 이것을 공기 압축식 고압펌프 (Haskel, HSF-300)를 이용하여 커먼레일에 공급하였다 . 실험연료의 압력은 레귤레이터로 공기량을 조절하여 분사압력을 조절하였다. 실험에 사용된 인젝터는 보쉬 솔레노이드 인젝터로 0.126 mm의 노즐 직경을 갖는 6홀의 인젝터이며, 이를 인젝터 드라이버(National Instruments, Compact RIO)를 이용하여 1.0 ms의 통전 기간으로 인젝터를 구동시켰으며, 자세한 제원은 Table 3에 나타내었다.

실험연료의 거시적 분무거동을 알아보기 위해 Fig. 1 과 같이 분무 가시화 실험장치를 구성하였다. 실험연료 는 공기압축식 고압펌프로 압력을 높였으며 커먼레일을 통해 인젝터로 공급되어 고압챔버내에 분사하였다. 고 압챔버 내의 압력은 질소를 이용하여 분위기압력을 조 성하였다. 분사된 연료는 메탈-할라이드 램프(Photron,

HVC-SL)를 광원으로 하는 고속카메라(Photron, Fast cam-APX RX)를 이용하여 분무영상을 취득하여 취득된 분무영상은 영상 취득 및 분석 장치가 장착된 컴퓨터에 저장하였으며, 인젝터 드라이버와 고속카메라를 디지털 신호발생기(Berkeley Nucleonics Corp, Model 575)로 연 료의 분사기기와 분무영상 촬영 시간을 동기화하였으며, 분무 가시화 실험장치의 자세한 제원은 Table 4와 같다.

취득된 분무이미지를 LabVIEW 프로그램을 이용하여 DME 연료와 DME-LPG 혼합연료의 분무 도달 거리와 분무각 및 분무면적을 비교 분석하였다. Fig. 2에서와 같이 분무 도달 거리는 노즐 팁에서 분무 선단의 끝까 지의 최대 거리로 정의하고, 분무각은 분무 도달 거리의 1/2 지점에서의 최대각도를 분무각으로 정의하였다. 또 한 취득된 이미지에서의 픽셀 넓이를 분무면적으로 정 의하였다. 취득된 이미지에서와 실제 분무 이미지의 비 율을 고려하여 계산하였으며 각 이미지간의 오차를 줄 이기 위해 Threshold 값을 일치시켜 측정되는 분무 이미 지의 경계를 일치시켰다.

또한 Bang 등⁽¹⁴⁾은 밀도차이에 의한 현상으로 기화된 연료를 관찰할 수 있는 BOS법을 이용한 가시화실험으 로 연료의 기화된 정도와 특성에 대해 관찰하였다. 본 연구에서도 DME-LPG 혼합연료가 인젝터 노즐을 통해 분사된 후에 기화된 분무의 거동을 관찰하기 위해 BOS Table 3 Conditions of the injection system

Injection system Common rail direct injection Injection pressure (MPa) 30, 40, 50, 60 Energizing duration (ms) 1.0

Injector type Bosch Solenoid Injector

Number of hole 6

Nozzle hole diameter (mm) 0.126 Spray angle (degrees) 156

Fig. 1 Schematic diagram of the spray visualization experi- ment

Table 4 Specifications of the spray visualization experi- ment

High speed camera

Frame rate (fps) 10000 Shutter speed 1/10000

Resolution 512

× 512

Light source Metal halide Power (W) 150 Cooling method Air-cooling

Fig. 2 Definitions of the spray tip penetration, spray cone angle and spray area

법을 이용하여 실험을 진행하였다. Fig. 3과 같이 실험 장치를 구성하고, 액상과 기상을 구별하기 위해 실험조 건은 이전과 동일하게 진행하였다.

2.2 분무 미립화 실험장치 및 방법

실험연료의 미시적인 실험을 위해 Fig. 4와 같이 Ar- ion 레이저를 광원으로 하는 위상 도플러 입자 분석기 (PDPA)를 이용하여 분무 액적 크기(SMD)와 분무 입자 속도를 측정하였다. 분사압력은 동일하게 30~60 MPa이 며, 각 홀에서 분사되는 분무간의 간섭에 의한 영향을

막기 위해 단공 인젝터를 사용하였다. 분무 액적 크기와 분무 입자 속도의 원활한 비교분석을 위해 통전기간을 3.0 ms로 하여 분사하고, 측정 지점은 노즐 팁으로부터 수직으로 100 mm 되는 지점에서 측정하였다. PDPA 실 험의 조건은 Table 5에 표시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 분무 가시화 실험결과 및 고찰

Fig. 5를 통해 분무 가시화 장치를 통한 실험 실험연 료의 분무거동을 관찰한 결과, Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)와 같이 분사압력이 증가할수록 모든 연료의 분무 도달 거 리가 증가하는 경향을 나타내며, DME 연료에 비해 DME-LPG 혼합연료의 분무 도달 거리가 짧게 나타나는 경향을 보였다. LPG 연료의 혼합율이 증가할수록 분무 도달 거리가 짧은 경향을 나타내며, DME 연료에 LPG 연료를 혼합할수록 Table 1에 나타낸 바와 같이 DME 연료(660 kg/m³)에 비해 LPG 연료(550 kg/m³)의 낮은 밀도로 인해 운동량이 감소하여 나타는 결과로 판단된 다. 분무각의 경우 분사압력에 따른 분무각의 변화는 나 타나지 않았고, 대체로 DME-LPG 혼합연료의 분무각이 LPG 연료가 증가할수록 작아지는 경향이 Fig. 5(c)와 Fig. 5(d)와 같이 나타났다. 이는 밀도가 작은 DME-LPG 혼합연료의 적은 분사량의 차이에 따른 결과로 보이며⁽¹⁵⁾, 분무 도달 거리와 분무각의 결과로 인해 분무면적의 결 과도 Fig. 5(e)와 Fig. 5(f)와 같이 DME-LPG 혼합연료가 DME 연료에 비해 작은 경향을 보였다.

BOS법을 이용하여 취득한 결과와 분무이미지는 Fig.

6과 Fig. 7에 나타내었으며, 취득한 이미지를 이전과 같 은 방법으로 분석하여 액상과 기상의 차이를 분석하였 다. BOS법으로 촬영한 실험결과는 이전의 결과와 마찬 가지로 DME-LPG 혼합연료의 분무 도달 거리가 LPG 연료의 혼합율이 증가할수록 짧은 경향을 나타냈으며, 액상과 기상과의 차이는 약 13~17%의 차이가 나는 것 을 Fig. 6(a)와 Fig. 6(b)에 나타내었다. 기화된 연료로 인해 분무각의 경향이 크게 다르지 않을 것을 Fig. 6(c) 와 Fig. 6(d)를 통해 나타냈으며, 기화된 연료가 약 10~20°로 더 퍼지는 것을 볼 수 있었다. Fig. 6(e)와 Fig.

6(f)의 결과를 보면, 분무가 진행됨에 따라 BOS법을 이 용한 분무면적의 그래프와의 차이가 더욱 증가하는 것 을 볼 수 있었다. 분무가 진행됨에 따라 기화가 되는 양 도 함께 증가하는 것으로 보이고 그 차이는 최대 50%

Fig. 3 Schematic diagram of the BOS experiment

Fig. 4 Schematic diagram of the PDPA experiment

Table 5 Conditions of the PDPA experiment Injector type Bosch solenoid injector

Number of hole 1

Hole diameter (mm) 0.3 Injection pressure (MPa) 30, 40, 50, 60 Energizing duration (ms) 3.0

Measuring point LZ: 100 mm

로 나타났다.

3.2 분무 미립화 실험결과 및 고찰

PDPA를 이용한 미시적인 실험결과, Fig. 8(a)과 같이 분사압력이 증가할수록 실험연료의 분무 액적 크기가 감소하는 경향을 보이며, 이는 분사압력이 증가할수록 미립화가 촉진되며 이에 따라 미립화된 액적이 측정된

것으로 보인다. LPG 연료의 혼합율이 증가할수록 분무 액적 크기가 증가하는 경향을 나타낸다. DL30 연료의 분무 액적 크기가 가장 큰 결과를 보였으며, LPG 연료 (9.81dyne/cm)에 비해 DME 연료(11.36 dyne/cm)의 큰 표면 장력이 분무 액적 크기를 작게 만드는 원인으로 판단된다. 이러한 결과로 인해 Fig. 8(b)과 같이 분무 액 적의 크기가 큰 DME-LPG 혼합연료의 운동량이 늘어남 Fig. 5 Results of the spray visualization experiment. (a) Spray tip penetration (Pinj : 40 MPa), (b) Spray tip penetration (Pinj : 60 MPa), c) Spray cone angle (P_inj : 40 MPa), (d) Spray cone angle (P_inj : 60 MPa), (e) Spray area (P_inj : 40 MPa), (f) Spray area (Pinj : 60 MPa)

에 따라 LPG 연료의 혼합율이 증가할수록 DME-LPG 혼 합연료의 분무 입자 속도가 증가하는 것으로 판단되며, 분사압력이 증가할수록 운동량이 증가하기 때문에 실험 연료의 분무 입자 속도가 빨라지는 것을 보였다.

4. 결 론

본 연구는 커먼레일 분사 시스템에서 DME-LPG 혼 Fig. 6 Results of the BOS experiment. (a) Spray tip penetration (Pinj : 30 MPa), (b) Spray tip penetration (Pinj : 50 MPa), (c) Spray cone angle (Pinj : 30 MPa), (d) Spray cone angle (Pinj : 50 MPa), (e) Spray area (Pinj : 30 MPa), (f) Spray area (Pinj : 50 MPa)

Fig. 7 Spray images of BOS and non-BOS

합연료의 거시적 및 미시적 분무거동을 실험적으로 규 명하였고, 그 결과는 다음과 같다.

(1) 밀도가 작은 LPG 연료로 인해 LPG 연료의 혼합 율이 증가할수록 DME-LPG 혼합연료의 분무 도달 거 리가 증가하는 경향을 보였다.

(2) LPG 연료의 혼합율이 많은 실험연료일수록 분무 각이 작게 나타났으며, 분무 도달 거리와 분무각이 작아 지는 결과로 인해 DL30 연료의 분무면적 또한 가장 작 은 결과를 나타냈다.

(3) BOS 방법을 이용하여 분무거동을 관찰한 결과, 기화되는 연료가 최대 50%로 상당히 많은 것을 볼 수 있었으며, 기화되는 연료로 인한 DME 연료와 DME- LPG 혼합연료의 경향성은 이전과 변하지 않았다.

(4) DME 연료에 비해 DME-LPG 혼합연료의 분무 액 적 크기가 큰 경향을 나타냈고, DL30 연료의 분무 액적 크기가 가장 크게 관찰되었다.

(5) 분무 액적 크기가 작은 DME 연료가 가장 느린 분 무 입자 속도를 보이며, DL30 연료가 큰 분무 액적 크 기로 인한 운동량 증가로 가장 빠른 분무 입자 속도를 보였다.

후 기

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.

NOR-2014R1A2A2A01005055)

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