Basic Study of Behavior Characteristics of Emulsified Fuel with Fuel Design

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(1)한국동력기계공학회지 제19권 제3호 pp. 22-28 2015년 6월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2015.19.3.022 Vol. 19, No. 3, pp. 22-28, June 2015. 연료설계에 의한 에멀젼연료의 거동특성에 관한 기초연구 Basic Study of Behavior Characteristics of Emulsified Fuel with Fuel Design 염정국*† Jeong-Kuk Yeom*† (Received 29 January 2015, Revision received 10 April 2015 Accepted 10 April 2015) Abstract: A compression ignition type of diesel engine makes fuel efficiency better and CO2 in the exhaust gas lower. Also it is suitable to apply alternative fuels(blended fuel) to the engine. The objective of this study is the emissions reduction of diesel engine with EF(Emulsified fuel). The emulsified fuel consists of diesel and peroxide(H2O2) and Soot reduction without worsening of NOx emissions can be achieved by using thermal decomposition of the peroxide, i.e. the chemical effect of the OH radical in actual engine. For manufacturing emulsified fuel, a surfactant which is comprised of span 80 and tween 80 mixed as 9:1, was mixed with a fixed with 3% of the total volume in the emulsion fuel. In addition, considering the mixing ratio of the surfactant, the mixing ratio of H2O2 in the emulsified fuel was set as EF0, EF2, EF12, EF22, EF32, and EF42, respectively. Consequently, this study aims to obtain the optimization of fuel design(mixing) for the emulsified fuel applying to the diesel engine. Key Words：Diesel Engine, Emulsified Fuel, Scattered Light, Schlieren Method, Viscosity. 1. 서 론. 그러나 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 질소산화 물(NOx) 및 Soot 등의 배출이 심각한 수준이며,. 현재 내연기관에 있어 주된 관심사는 기관의. 이에 따라 연소 배출물을 저감하기 위한 연구가. 효율 향상과 유해 배기가스의 저감이고 그에 따. 계속되고 있다. 이러한 디젤엔진의 환경오염 관련. 라 관련분야에서 다양한 연구가 진행되고 있으며,. 문제를 해결하기 위한 방법은 연료분무의 구조적. 특히 기관에서의 연소 배출물 감소에 대한 연구. 측면을 최적화하기 위해 분사-착화 과정을 제어하. 가 집중적으로 이루어지고 있다. 그러한 연소 배. 는 분사제어 방법1,2)과 연료의 조성을 변화시키거. 출물 감소를 위해 현재 국내에서도 배기가스 규. 나 첨가제를 이용하는 연료설계 방법3) 등이 있다.. 제가 점차 엄격해져 2011년부터 EURO 5 기준 적. 그 연료설계 방법은 디젤엔진에 있어 연료의 성. 용 차량이 생산되고 있는 상황이고, 특히 가솔린. 질 또한 기관의 성능 및 배기에 영향을 미치기 때. 차량에 비해 엔진효율 및 연료분사 제어기술 발달. 문에 이를 대체 연료로 전환하거나 사용하는 연. 로 디젤차량의 생산이 점차 늘고 있는 추세이다.. 료의 성질을 개선하기 위한 첨가물로써 연료특성. *†염정국(교신저자) : 동아대학교 기계공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640. 22 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월. *†Jeong-Kuk Yeom(corresponding author) : Department of Mechanical Engineering, Dong-A University. E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640.

(2) 염정국. 이용하여 산란광 직접측정과 쉴리렌기법을 적용 하였고, 경유에 대한 과산화수소 혼합비율을 실험 변수로 하였다.. Fig. 1 EURO permissible level for NOx and PM emissions and state of domestic production5) 을 개선시켜 연소효율 개선 및 배기특성개선을 꾀한다. 연료설계 방법으로서 에멀젼연료화 방법4) 은 소수성 연료에 계면활성제 사용으로써 혼합되 는 물 혹은 친수성물질을 첨가하여 분산시킨 연 료로서 기관 내 적용 시 물 등의 기화를 유도하여 물의 증발잠열을 흡수함으로서 NOx 생성의 원인 이 되는 연소실 내 1500℃ 이상 환경의 온도를 낮 추며 물의 급격한 기화로 인한 미세폭발(Micro explosion)에 의해 연료분무의 미립화가 촉진되어 Soot 생성의 원인이 되는 큰 연료의 액적을 분산 시킬 수 있고, 이로 인하여 에멀젼연료는 내연기 관 적용 분야에서 기존 상반(Trade-off) 관계로 알 려진 NOx와 Soot를 동시에 저감시킬 수 있다고 판단된다.. Fig. 3 Schematic diagram of experimental apparatus. 2. 실험 장치 및 방법 실험에 사용한 연료는 경유에 과산화수소를 혼 합한 에멀젼연료를 사용하였다. 경유와 과산화수 소의 혼합을 위한 계면활성제를 에멀젼연료 전체 체적의 3%로 혼합하였고, 과산화수소는 전체 에 멀젼연료의 체적에 대해서 2%, 12%, 22%, 32% 및 42%로 각각 혼합하였다. 논문 중의 각 연료는 에멀젼연료를 나타내는 EF(Emulsified fuel)와 에멀 젼연료에 혼합한 과산화수소의 체적비를 나타내 는 숫자로 나타내었다. 그리고 Fig. 3의 개략도와. Fig. 2 Micro explosion process of emulsified fuel in combustion chamber6). 같이 가열판(MSH-20A)에 연료를 스포이드로 액 적 30 mg(각 연료별 1방울에 대한 질량 10회 측 정 평균값)을 자유낙하 시켜 액적의 가시화 실험. 따라서 본 연구에서는 경유와 과산화수소가 혼. 을 실시하였다. 또한 액적 증발현상을 쉴리렌장치. 합된 에멀젼연료의 증발특성해석 연구를 위해 액. 및 고속카메라(Micro-4C, Phantom Co., Ltd.)를 사. 적증발실험과 에멀젼연료의 혼합기형성과정의 특. 용하여 촬영하였다. Fig. 4는 25℃의 항온수조에서. 성 해석을 위한 기초적 액적증발 수치해석을 실. 점도계(Ostwald viscometer)7)를 이용하여 측정한 에. 시하였다. 또한 실험가시화방법으로 고속카메라를. 멀젼연료의 종류에 따른 동점성계수를 나타낸다.. 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월 23.

(3) 연료설계에 의한 에멀젼연료의 거동특성에 관한 기초연구. 에멀젼연료의 액적실험을 위해 Fig. 5의 영역 1. 3. 결과 및 고찰. (Region 1)과 같이 가열판의 온도를 200℃로 설정 하였고, 이는 경유의 끓는점(250~350℃)을 피하고. 3.1 에멀젼연료 액적 거동특성의 실험 해석. 과산화수소의 끓는점(108℃)을 만족하는 온도이므. Figs. 6과 7에 산란광과 연료의 증발현상을 보. 로 과산화수소에 의한 미세폭발 현상을 관찰할. 다 정확히 측정하기 위하여 쉴리렌계측법을 이용. 수 있는 적정온도라고 판단했기 때문이다. 또한. 해 획득한 경유와 에멀젼연료의 혼합비 변화에. 영역 2(Region 2)와 같이 과산화수소가 경유 안에. 따른 액적 증발특성 이미지를 시간경과에 따라. 액적으로 존재하고, 가열된 연료는 영역 3(Region. 각각 나타내었다. 각 그림에서 알 수 있듯이 시간. 3)과 같이 미세폭발을 일으켜 액적 표면의 변화. 이 경과함에 따라 액적의 증발이 활발해지며, 특. 및 에멀젼연료의 액적분리 현상이 발생한다. 그리. 히 과산화수소가 함유된 에멀젼연료의 경우가 경. 고 영역 4(Region 4)에서는 액적 내 물의 증발 잠. 유 단일 성분의 경우와 비교해 보다 활발한 증발. 열로 인한 엔진연소실의 온도가 하강하여 NOx의. 현상을 보이고 있다. 산란광을 이용한 가시화 이. 생성을 억제하는 효과를 기대할 수 있다고 판단. 미지는 시간이 경과함에 따라 열전달에 의해 액. 된다.. 적의 증발촉진 현상을 알 수 있고, 경유에 과산수 소의 혼합비율이 증가할수록 에멀젼연료 속에 포 함된 과산화수소(H2O2) 성분의 증발로 인해 더욱 신속히 연료증기가 형성됨을 알 수 있다. 또한 Fig. 6에서 경유는 미미한 양의 증발만이 일어나 고, 에멀젼연료의 경우 과산화수소의 혼합비가 증 가할수록 증발이 촉진됨을 알 수 있다. 그리고 Fig. 6에서는 관찰할 수 없으나, Fig. 7의 쉴리렌계 측법을 이용해 구한 이미지에서는 과산화수소가 포함된 에멀젼연료의 모든 경우에 있어서 가열판 위의 액적 내부 미세폭발 발생에 의해 액적의 표 면이 심하게 왜곡되는 현상과 함께 작은 액적들. Fig. 4 Kinematic viscosity change in emulsified blended fuels. 이 생성되어 비산하는 현상을 관찰할 수 있다. 또 한 액적실험의 연료증기 확산 정도를 정량적으로. Fig. 5 Concept of evaporative characteristics of emulsified fuel droplet. 24 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월.

(4) 염정국. Fig. 6 Images of evaporative droplet of emulsified fuel taken from scattered light. Fig. 7 Images of evaporative droplet of emulsified fuel taken from Schlieren method. 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월 25.

(5) 연료설계에 의한 에멀젼연료의 거동특성에 관한 기초연구. 해석하기 위해 이미지 상의 확산면적을 계산하였다. 면적계산을 위하여 쉴리렌계측법을 이용해 촬영 한 이미지를 이미지처리프로그램(Photoshop CS6) 을 이용하여 총 7500픽셀로 분할하였고, 이미지 전체의 넓이에 대하여 단위픽셀 당의 면적을 구 하였다. 그리고 연료증기의 확산면적에 해당하는 픽셀에 단위픽셀 당 면적을 곱하는 방법으로 각 이미지의 총 확산면적을 구하였다. 또한 픽셀계산 을 위한 이미지의 영역을 계산의 신뢰성을 위하 여 이미지 최대광도(Imax=256)의 약 10% 이상에 해당하는 부분으로 결정하였다. 그 결과를 Fig. 8 에 나타내었으며, Figs. 6, 7의 이미지에 대해 정성 적으로만 해석하였던 혼합비 증가에 따른 확산면. Fig. 8 Change in area of droplet of emulsified fuel in images. 적 증가 경향을 정량적으로 해석할 수 있었다. 이 러한 결과들을 근거로 실제의 연소실에서 에멀젼 연료가 분사될 시 에멀젼연료에 함유된 과산화수 소의 급격한 상변화로 인하여 연료 미립화가 촉 진되어 보다 균일한 혼합기 형성이 기대된다.. 내에 존재하는 선명한 모든 과산화수소의 액적 직경을 측정하여 그 평균치로 하였으며, EF2와 EF42의 경우에 대하여 평균치와 가장 근사한 크 기의 대표액적을 Fig. 9에 각각 나타내었다. 한편 경유에 과산화수소를 첨가하여 열을 가하면 비등. 3.2 에멀젼연료 액적 거동특성의 수치 해석 에멀젼연료 액적거동특성 해석을 위한 수치해 석을 실시하기 위해 Fig. 9와 같이 광학현미경을 이용하여 수치해석의 초기조건(Initial condition)으 로 필요한 변수인 에멀젼연료 내에 존재하는 과 산화수소의 액적직경의 크기를 직접 측정하였다. 액적직경의. 값은. 현미경으로. 측정한. 이미지. 점 차이에 의한 미세폭발 현상이 발생하고, 이를 수치해석으로 재현하기 위해서는 벽면 증발 모델 (Wall boiling model)의 적용 및 상변화에 대한 조 건 적용이 필요하다. 또한 액적 내에 과산화수소 체적비 변화에 따른 수치모델링이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 에멀젼연료 미세폭발의 재현을 위 해 수치적 접근법을 Fig. 10과 같이 계획하였고 대표적으로 간략화한 EF2에 대한 모델링을 사전. Fig. 9 Diameter measurement of peroxide in emulsified fuel with an optical microscope. 26 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월.

(6) 염정국. Fig. 10 Algorithm of numerical analysis for emulsified fuel droplet 실시하였다. 본 수치해석에서는 에멀젼연료의 수 치적 접근법을 2가지로 계획하였다. 첫 번째 단계 로 자유낙하한 입자가 미세폭발 현상을 일으키기 직전 형상을 모델링하여 열을 가한 후, 증발한 기 체 및 입자의 영역을 벗어난 액체를 부피로 환산 하여 경유 내부의 과산화수소 입자 수를 결정하 였고, 두 번째 단계로 내부 과산화수소 미립자를 모델링하여 첫 번째 수치해석에서 구한 유량을 적용함으로써 미세폭발에 대한 수치해석을 시도 하였다. Table 1은 수치해석조건표이다. 액적의 표 면장력을 31.6 N/m, 질량유량을 8.964E-8 kg/s로 설정하여 해석을 실시하였다. Fig. 11은 에멀젼연 Table 1 Initial conditions for numerical analysis Parameter Domain (Emulsified Fuel). Value. Unit. Fig. 11 Basic results for evaporative droplet of emulsified fuel with numerical code. Oil, H2O2. -. 료 내부의 과산화수소 직경을 실험적 방법으로 측. Air, Oil, H2O2. -. 정(Fig. 9 참조)하여 모델링한 후 수치해석의 경계. Time step. 0.01. s. 조건을 실험과 동일하게 하여 구한 초기 수치해석. Total time. 2. s. 의 결과이다. 그림에서 알 수 있듯이 액적자체에. Mass flow. 8.964E-8. kg/s. 대한 증발 현상은 확인할 수 있으나 액적주위로 에. Surface tension. 31.6. N/m. 멀젼연료가 증발하는 현상은 재현할 수 없다. 차후. Total droplet volume. 130.9. mm3. 수치해석을 실시할 경우 액적뿐만이 아니고 주위로. H2O2 volume. 2.62. mm3. 의 증발을 고려한 모델링이 추가로 해석되어져야. Domain (Atmosphere). 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월 27.

(7) 연료설계에 의한 에멀젼연료의 거동특성에 관한 기초연구. 한다. 또한 에멀젼연료 내부의 과산화수소 입자수. References. 의 고려와 함께 수치해석 모델 변경에 따른 추가적 인 해석과정이 필요하다고 판단된다.. 1. S. H. Park, H. J. Kim, S. H. Kim and C. S. Lee, 2010,. 4. 결 론. "Spray-atomization. Characteristics. of. Biodiesel Fuel with Multiple Injection", Journal of the Korean Society of Automotive Engineers,. 본 논문은 연료설계에 의한 에멀젼연료의 디젤. Vol. 18, No. 4, pp. 40-47.. 엔진 적용에 관한 기초 실험연구로서 산란광과. 2. D. S. Eom, Y. S. Choi, Y. S. Cho and S. W.. 쉴리렌계측법을 이용해 실험결과를 가시화하였다.. Lee, 2009, "Spray and Combustion Characteristics. 그리고 에멀젼연료의 혼합비 변화를 고려하여 연. of Biodiesel-Ethanal Blending Fuel", Journal of. 료액적 증발 거동특성을 해석하였으며, 또한 상용. the Korean Society of Automotive Engineers,. 프로그램(ANSYS CFX)을 이용하여 수치해석을 실. Vol. 17, No. 3, pp. 1-7.. 시하였고 그 결과는 다음과 같다. (1) 경유에 과산화수소를 혼합한 에멀젼연료에 대해 연료혼합에 따른 에멀젼연료 물성치 변화 특성을 평가하였다. 그 결과 경유에 과산화수소. 3. S. J. Kwon, J. P. Cha, M. G. Kang, C. S. Lee, S. W. Park and Y. K. Lim, 2012, "Effects of DME Additives on Combustion Characteristics and. Nano-particle. Distributions. in. a. Single. 첨가비율이 높아질수록 동점성계수가 점차 증가. Cylinder Compression Ignition Engine", Journal. 하는 경향을 보이나 EF52를 초과하면 다시 감소. of the Korean Society of Automotive Engineers,. 하는 경향을 보였다. 본 연구에서는 총 10종의 혼. Vol. 20, No. 5, pp. 19-25.. 합비율에서 경유와 과산화수소 혼합비가 약 50%. 4. J. K. Lim, S. G. Cho, S. J. Hwang and D. H.. 가 되는 EF42~EF52 사이에서 그 변환점을 확인할. Yoo, 2007, "Effects of Emulsified Fuel on. 수 있었다.. Combustion Characteristics in a Diesel Engine",. (2) 경유에 대한 과산화수소의 혼합이 증가할수 록 에멀젼연료의 증발촉진 및 연료 내에 함유된 물 성분으로 인한 미세폭발 현상을 확인할 수 있 었고 이러한 현상을 근거로 실제 엔진에 에멀젼 연료를 적용 시 신속한 연료증기 확산에 의한 균 일혼합기 형성 및 미립화촉진을 기대할 수 있다.. Journal of the Korea Society For Power System Engineering, Vol. 11, No. 1, pp. 51-55. 5. http://en.wikipedia.org/wiki/Euro5, http://www.kama.or.kr/ 6. H. T. Watanabe, Y. Y. Suzuki, T. K. Harada, Y. S. Matsushita, H. Y. Aoki and T. T. Miura,. (3) 상용 프로그램(ANSYS CFX)을 이용하여 에. 2010, "An Experimental Investigation of the. 멀젼연료 분무거동특성 해석을 위한 수치해석의. Breakup Characteristics of Secondary Atomization. 전단계인 액적증발에 대하여 수치해석을 실시하. of Emulsified Fuel Droplet", Energy, Vol. 35,. 여 그 가능성을 확인하였고, 현 연구수준에서는. Issue 2, pp. 806-813.. 액적자체에 대한 증발 현상을 재현할 수 있었다.. 7. J. K. Yeom and J. H. Yoon, 2014, "A Basic. 차후 액적주위로의 증발을 고려한 모델링이 추가. Study of Spray-Behavior Characteristics of Emulsified Fuel", Journal of the Korean Society. 되고, 그 결과를 기초로 에멀젼연료 분무거동특성 에 대한 연구가 필요하다.. 후 기 이 논문은 동아대학교 교내연구비 지원에 의하 여 연구되었음. 28 한국동력기계공학회지 제19권 제3호, 2015년 6월. of Mechanical Engineers(B), Vol. 38, No. 9, pp. 763-771..

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