ECN 연구용 고온 고압 정적 연소실에서의 n-dodecane 분무 및 연소 특성
김재헌*·박현욱*·배충식*,†
Spray and Combustion Characteristics of n-dodecane in a Constant Volume Combustion Chamber for ECN Research
Jaeheun Kim, Hyunwook Park and Choongsik Bae
Key Words: ECN (Engine combustion network), CVCC (constant volume combustion chamber), n-dodecane, liquid penetration, shadowgraph, lift-off length
Abstract
The spray and combustion characteristics of n-dodecane fuel were investigated in a CVCC (constant volume combustion chamber). The selection of ambient conditions for the spray followed ECN (engine combustion network) guidelines, which simulates the ambient condition of diesel engines at start of fuel injection. ECN is a collaboration network whose main objec- tive is to establish an internet library of well-documented experiments that are appropriate for model validation and the advancement of scientific understanding of combustion at conditions specific to engines. Therefore repeatability of the exper- iments with high accuracy was important. The ambient temperature was varied from 750 to 930 K while the density was fixed at around 23 kg/m
3. The injection pressure of the fuel was varied from 500 to 1500 bar. The spray was injected in both non-reacting (O
2concentration of 0%) and reacting conditions (O
2concentration of 15%) to examine the spray and the combustion characteristics. Direct imaging with Mie Scattering was used to obtain the liquid penetration length. Shadowgraph was implemented to observe vapor length and lift-off length at non-reacting and reacting conditions, respectively. Pressure data was analyzed to determine the ignition delay with respect to the spray and ambient conditions.
1. 서 론
날로 엄격해진 환경 규제로 인하여 수송 분야의 주요 동력기관인 엔진의 효율 증대 및 저 배기 배출을 위해 지속적인 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 엔진 효율을 결정 짓고 배기 배출물 생성에 근본적을 역할을 하는 연료의 분무 특성 및 연소과정에 많은 연구가 진행 되
어 왔다.
엔진 내에서 직접적으로 계측하기 어려운 분무 특성 은 주로 가시화 챔버에서 많이 진행 되었다. 압축비가 높은 디젤 엔진에서는 비교적 고온 고압의 분위기 환경 조건에서(상사점 근방) 연료가 분사되기 때문에, 최근 위와 같은 분위기 환경을 모사할 수 있는 고온 고압 정 적 연소 챔버에서의 분무 및 연소 특성에 초점을 두고 많은 연구가 진행되어 왔다
(1-3).
연구 기관마다 보유하고 있는 시설 장비 등 차이가 존재하고, 실험 조건의 선정과 실험 내용의 범위 등이 상이하기 때문에 정량적인 결과 보다는 정성적인 결과 에 보다 편중되어 있다. 이를 해결하고 보다 효과적인 연구를 위하여 Sandia National Laboratories(SNL)에서는
Recieved: 24 Sep 2014, Recieved in revised form: 15 Dec2014, Accepted: 16 Dec 2014)
*한국과학기술원 기계공학과
†책임저자, 회원, 한국과학기술원 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (042) 350-3044 FAX : (042) 350-5044
고압 조건에서 연료의 분무 특성 및 연소 특성을 파악 하고자 한다. 분위기 온도 및 연료의 분사 압력을 제어 하여, 연료의 액상 분무 거리, LOL(lift-off length) 및 점 화 지연 기간에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험 장치
2.1 정적 연소실(CVCC, constant volume combustion chamber)
Figure 1 은 실험 개략도를 나타낸 것이다. CVCC의 체적은 약 1.4 L이며 100 mm의 가시창을 통해 내부 가 시화를 할 수 있다. 매 차례 실험마다 진공 펌프를 이용 하여 챔버내의 공기를 제거 후, 예혼합기의 조성 가스들 을 비율에 맞게 순차적으로 주입하여 예연소를 진행하 였다. 본 실험에서 사용된 조성가스는 아세틸렌, 수소, 산소와 질소로 구성되어 있다.
챔버내로 분무되는 연료는 n-dodecane을 사용하였다.
단일 성분의 연료를 사용하게 되면 연료 성분 차이로 인한 영향을 배제할 수 있고 보다 신뢰성 있는 실험 데 이터를 제공할 수 있기 때문에, 모델링 검증 용도로 용 이하게 사용될 수 있다는 장점이 있다.
2.2 CVCC 에서 예혼합기의 예연소 특성
본 실험에 사용될 CVCC의 예혼합기 연소특성을 파 악하기 위해, Fig. 2과 같이 예혼합기의 초기 온도를 458 K 로 고정하고, 초기 압력을 9, 14, 30 bar로 변화하 여 예연소 화염전파 이미지를 취득하였다. 분위기 밀도 증가에 따라 화염 전파 속도가 낮아지는 것을 알 수 있 었다. 또한, 챔버 하단에서 시작되는 화염의 크기가 상 단보다 빠르게 성장하는데 이는 부력의 효과로 인한 결 과로 기인된다
(5).
예혼합기의 예연소를 통해 챔버의 내부 압력과 온도
를 상승 시킨 후, 내부 기체의 온도가 서서히 감소되면 서 쿨다운(cool down) 과정으로 진입하게 된다. 쿨다운 과정에서 원하는 분위기 조건에 다다르게 되면 연료를 분사하여 해당 분무 및 연소 특성을 연구하게 된다. 그 렇기 때문에 분무 결과의 신뢰성을 위해 예연소 과정 자체의 반복성 및 재현성이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
Figure 3 은 6회의 예연소 실험을 거친 챔버 압력 곡선 의 평균값(검은 선)과 압력 곡선의 표준 편차(빨간 선) 값을 나타낸 것이다. 예연소 후 챔버 벽면으로부터의 열 손실로 인하여 내부 기체 온도가 서서히 감소되는 쿨다 운 과정을 거치게 된다. 예연소 과정의 압력 변동은 다
Fig. 1 Schematic diagram of the CVCC
소 높게 나타났지만, 분무 실험이 이루어지는 쿨다운 영 역에서의 챔버압력 변동은 비교적 적게 나타났다. 그러 므로 분무 실험의 반복성 및 재현성을 보장할 수 있다 고 판단 하였다.
예연소 후, 챔버내의 압력은 비교적 빠른 평형을 이루
지만, 챔버내의 온도는 균질하지 않고 심한 온도 구배를 띄게 된다. Fig. 2의 후반부(500~1000 ms)에서 보이는 것과 같이 심한 온도 구배(밀도 구배)로 인하여 벽면에 서 빛의 굴절이 심하게 발생되는 것을 알 수 있다.
그렇기 때문에 챔버내의 온도를 계측하여 온도 분포 를 파악할 필요가 있다. 빠른 응답성을 위해 약 75 µm 의 열전대 소선을 이용하여 열전대를 제작하였고, Fig.
4 와 같이 챔버의 정중앙 온도 (TC3 위치)와 함께 상, 하, 좌, 우 각각 25 mm 떨어진 위치(TC1, TC5, TC2와 TC4 위치)의 온도를 취득하였다.
TC3 의 온도를 코어 온도 (T
core, core temperature) 로 정 의하고, 나머지 위치의 온도를 T
core기준으로 normalize 하 면 Fig. 5와 같은 결과를 얻을 수 있다. 가로축의 온도 값은 쿨다운 과정의 TC3의 온도값이며, 주위 온도가 TC3 대비 어느정도 차이가 발생하는지를 나타낸 것이다.
Fig. 2 Shadowgraph images of pre-mixture pre-combus- tion process
Fig. 3 Pressure history of the chamber after the pre-com- bustion (initial states are listed in the figure)
Fig. 4 Schematic diagram of the temperature measure-
ment positions
TC1 과 TC5의 값이 T
core대비 가장 큰 차이를 보였으며, 이는 T
core의 각각 상, 하단에 위치하고 있다. 온도에 따 른 기체 밀도 차이가 발생하기 때문에 밀도가 낮은 기 체는 챔버 위쪽에, 밀도가 높은 기체는 챔버 아래쪽에 분포되기 때문이다. 이러한 현상으로 인해 챔버 수직면 의 온도 변화는 약 15%의 차이를 보였다. TC2와 TC4 의 경우 비록 동일 수평면에 위치하지만 온도값이 서로 다르게 측정된 것을 알 수 있는데, 이는 Fig. 2와 같이 예혼합기의 화염전파로 인하여 연소된 부분과 아직 연 소가 되지 않은 부분간의 온도(밀도)차이 때문에 내부 유동이 형성되어 온도 차이를 보인 것으로 판단된다. 하 지만 수직 방향의 온도 편차보단 작게 나타나였다.
2.3 실험 수행을 위한 실험 조건의 선정
실험에 사용된 인젝터는 ECN에서 제공한 3-hole spray B 인젝터이다. 2.2절에 언급된 수직면상의 온도 구배의 영향을 최소화하기 위해 3개의 분무 중 1개를 수평면에 위치하여 실험하였다.
Spray B 인젝터의 제원 및 외관은 각각 Table 1과 Fig.
6 과 같다. 인젝터의 아답터는 Fig. 7과 같이 설계하였으며 그 이유는 분무가 가시창의 중앙을 통과하게끔 하여 가 시영역을 최대화 하기 위해서이다. 온도 구배의 영향을 최소화 하기 위해 Fig. 6의 표시된 3번 노즐에서 나오는 분무가 챔버의 수평면을 지나도록 인젝터를 장착하였다.
인젝터 아답터의 돌출 형상으로 인하여 예혼합기 예연 소 후 쿨다운 과정에서 온도 분포가 다를 수 있다. 또한, ECN 실험 조건 가이드라인에 의하면, 노즐팁의 온도를 363 K 조건으로 유지시켜야 하기 때문에 추가적으로 아 답터 내부에 냉각수도 순환되게 되어 있다. 이는 노즐팁 의 온도를 연료의 온도로 가정하고 있기 때문이다
(5). Fig.
8 의 Shadowgraph 이미지와 같이 돌출된 아답터 주위에 심한 빛의 굴절이 발견되며 이는 벽면과의 열전달 손실 이 발생하고 있는 것을 의미한다. 빛의 굴절로 인하여 이 미지에서 벽면과의 경계가 뚜렷하게 취득되지 않았지만, 기상 분무 도달거리 측정에 미치는 영향은 미미하였다.
챔버 내의 온도 구배를 다시 측정하기 위해 Fig. 9과 같이 분무 방향을 고려하여 point 1과2의 온도를 측정하 였다.
Fig. 5 Normalized temperature distribution inside the cham- ber with respect to the core temperature
Table 1 Specification for Spray B injector for ECN
(4)Fuel injector nominal nozzle
outlet diameter [mm] 0.090
Nozzle K factor K = (d
inlet– d
outlet) / 10 = 1.5 Nozzle shaping Smoothed by hydro-erosion Mini-sac volume [mm
2] 0.2
Discharge coefficient at 100 bar pressure drop
C
d= 0.86 (room temperature using diesel fuel)
Fig. 7 Spray B injector adopter configurations
Figure 10 와 같이 Spray B 아답터 장착시의 point 1과 2 의 온도 및 챔버내 압력을 취득하였다. 3회의 반복실험 의 평균값 및 데이터 오차를 표시하였다. Point 1과 2가 같은 수평면에 위치하여 있기 때문에 두 지점간의 온도
차이가 크게 발생하지 않았다. Fig. 10에서 화살표로 가 리키는 1, 2와 3지점은 연료 (n-dodecane)를 분사한 시 점을 의미하며 point 1위치 기준 1, 2와 3번 연료 분사 시점의 분위기 온도, 압력 및 밀도 조건을 Table 2과 같 이 정리하였다. 밀도의 계산은 이상기체방정식(식 (1)) 을 이용하였으며, Z의 값은 1.010으로, R의 값은 295.49 J/(kg.K) 로 계산하였다
(5).
(1) 비록 ECN에서 제시하는 표준 밀도값 22.8 kg/m
3과 최대 6.8%의 차이가 발생하지만, 분위기 밀도 조건 자 체의 변화폭은 5% 정도로써 재현성이 있다고 판단하고 실험을 수행하였다.
Table 3 는 본 연구에서 수행한 실험 조건을 정리한 것 이며 모든 조건은 산소 농도 0%와 15% 환경에서 수행 하여 분무와 연소 특성을 동시에 살펴보았다.
Figure 11 는 본 연구에 사용된 가시화 기법의 개략도 를 나타냈다. Mie scattering을 이용한 direct imaging을 통 해 비연소 조건(산소 농도 0%)에서 액상 분무 길이를
ρ p
ZRT ---
= Fig. 8 Shadowgraph images of pre-mixture pre-combus-
tion process with Spray B injector adopter
Fig. 9 Schematic diagram of the temperature measure- ment positions with Spray B injector adopter
Fig. 10 (a) Temperature distribution and (b) chamber pres- sure history of the pre-combustion with Spray B injector adopter
Table 2 Ambient conditions of point 1 position
Conditions 1 2 3
Injection signal delay after pre-burn [s] 2.489 3.009 3.728
Core temperature (point 1) [K] 930.28 ± 3.090 850.63 ± 6.020 753.73 ± 3.080
Vessel pressure [bar] 67.03 ± 0.88 60.51 ± 0.89 53.77 ± 0.38
Core density (point 1) [kg/m
3] 24.35 ± 0.67 23.10 ± 0.54 23.15 ± 0.34
Error from standard target value, 22.8 kg/m
3(point 1) [%] 6.82 1.30 1.54
(Liquid length), 연소 조건(산소 농도 15%) 조건에서 연소 화염을 가시화 할 수 있었다. Shadowgraph기법을 이용하 여 비연소 조건에서 기상 분무 거리(Vapor length)와 연소 조건에서 LOL(lift-off length)를 측정할 수 있었다.
3. 실험 결과
3.1 액상 분무 거리
Figure 12 은 연료 분사 압력 및 분위기 온도에 따른
액상 분무 길이 발달 과정을 나타낸 것이고, Fig. 13는 충분히 발달되어 안정화된 액상 분무 길이의 값을 분위 기 온도 및 분사압력에 대해 정리한 것이다. 예상과 같 이 액상 분무 거리가 분위기 온도의 증가 또는 분사압 력의 증가에 따라 짧아지는 것을 알 수 있다. 분사압력 의 증가에 따라 미립화가 촉진되기 때문에 증발이 쉽게 발생하여 액상 분무가 짧아지는 것으로 판단된다.
하지만 분위기 온도 상승에 따라 분사압의 영향이 미 미해지는데(Fig. 13의 930 K 조건) 이는 비교적 높은 분 위기 온도로 의한 증발 특성이 더욱 지배적으로 나타나 기 때문에 분사압력의 효과가 감소한 것으로 생각된다.
3.2 LOL (Lift-off length)
ECN 의 가이드라인에 의하면, 연소 조건에서 분무 지 름방향 너비가 해당 비연소 조건에서 분무 지름방향 너 비의 25%를 초과되는 지점과 노즐로부터의 최단거리를 LOL 로 정의를 하였다. 통상적으로 고온 산화 반응의 지 표인 OH chemilumi-nescence를 이용하여 LOL를 판단 하게 되는데
(2), Shadowgraph 기법을 이용하여 LOL 측정 값과 비교한 결과, 비연소 조건의 분무 대비 연소 조건 분무의 지름방향 너비의 25%를 초과하는 지점과 유사 하다는 결과가 있었다
(4). Figure 14 와 같이 비연소 조건 (a) 와 연소 조건 (b)의 분무 이미지를 분석하여 (c)와 같 이 LOL를 결정할 수 있게 된다.
이미지 프로세싱을 통해 Fig. 15와 LOL결과를 나타 냈다. 분위기 온도의 상승 또는 분사압력의 감소에 따라 LOL 이 감소하는 경향을 보였다. 3.1절의 액상 분무길이 분석 결과와 유사하게 분위기 온도의 증가에 따라 분사 7 24.35 ± 0.67 930.28 ± 3.09 67.03 ± 0.88 1500 0 / 15 8 23.10 ± 0.54 850.63 ± 6.02 60.51 ± 0.89 1500 0 / 15 9 23.15 ± 0.34 753.73 ± 3.08 53.77 ± 0.38 1500 0 / 15
Fig. 11 Optical setup for the experiments
압력의 영향력이 감소하게 되는 것을 알 수 있고 분위 기 온도 상승에 따라 온도 인자가 더욱 지배적으로 작 용됨을 의미한다.
3.3 점화지연 (ignition delay)
점화지연은 여러가지 계측 기법으로 구할 수 있다. 본 문에서는 ECN 가이드라인에서 제시한 압력데이터 기 반으로 계측하는 방법을 이용하고자 한다. 분무가 분사 된 후 연소가 일어나면서 발생되는 압력파는 챔버 내부 에서 음속으로 압력센서에 전달 후 데이터가 취득되게 된다. 그러므로 정확한 점화지연을 계산하기 위해서는 압력파가 압력센서로 전달되는 지연을 고려하고 이를 보상해줘야 한다.
Figure 16 과 같이 spray 방향에서 압력파가 발생하는 Fig. 12 Liquid length vs. time at various ambient temper-
atures and injection pressures of (a) 500, (b) 1000, and (c) 1500 bar
Fig. 13 Steady liquid length with respect to various injec- tion pressures and ambient temperatures
Fig. 14 Lift-off length determination procedure. (Images
were acquired at the condition of T
amb= 750 K,
p
inj= 500 bar)
지점과 압력센서간의 거리를 녹색선으로 표시 하였다.
압력파가 발생하는 지점과 노즐로부터의 거리 차값과 분위기 온도에 따라 보상해줘야 되는 지연 시간을 Fig. 17 과 같이 나타냈다. 음속을 계산하기 위해 분위 기 온도값이 필요한데 이는 식 (2)를 이용하여 계산하 였다
(6).
(2)
식 (2)의 T
core는 챔버 중앙의 온도(Fig. 9의 point 1의 온도), T
transducer은 압력센서의 온도, 그리고 T
eff는 유효 온도를 의미한다.
챔버 내의 온도 구배로 인해 압력파가 전달되는 과정 에서 음속은 지속적으로 변화하게 된다. 계산의 편의를 위해 식 (2)와 같이 유효온도 T
eff를 도입하였으며 문헌 에 따라 T
transducer의 값은 T
core보다 15% 낮은 값으로 가 정하여 계산하였다
(6).
Figure 18(a) 와 (b)는 각각 압력 데이터와 shadowgraph 를 이용하여 점화지연을 계측한 것이다. Shadowgraph를 이용한 점화지연 분석 방법은 3.2절의 LOL측정한 방법 과 유사하며, 연소 조건 분무의 지름방향 너비가 비연소 조건 분무 지름방향 너비의 25%를 초과하기 시작하는 시점까지의 시간을 점화지연으로 판단하였다. 정성적 분석 결과, 분위기 온도의 증가 또는 분사압력의 증가에 따라 점화지연이 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만 정
T
effT
core+ T
transducer( )
--- 4
= Fig. 15 Lift-off length with respect to various injection pres-
sures and ambient temperatures
Fig. 16 Schematic diagram of the distance between flame position and the pressure transducer
Fig. 17 Time delay to pressure transducer versus axial flame location beyond injector tip
Fig. 18 Ignition delay measured through (a) pressure data,
and (b) shadowgraph
량적 분석 결과 두 기법의 점화지연 값이 크게 상이하 게 되는데, 이는 압력 데이터 기반으로 계산된 점화지연 의 오차가 크기 때문이다. 본 실험에서는 1개의 압력센 서를 이용하여 예혼합기의 예연소 압력 및 연료 분무의 연소압을 계측하고 있다. 예연소로 인한 챔버 압력 상승 은 150 bar정도의 order인 반면, 연료 분무의 연소로 인 한 압력 상승은 2 bar정도의 order이기 때문에 압력 데 이터 계측에서 signal-to-noise ratio가 매우 낮게 형성된 다. 그렇기 때문에 압력파가 압력센서에 도달하는 시간 을 보정했음에도 불구하고 연소 시작 시점(SOC, start of combustion) 의 판단이 어렵고 점화 지연 기간 계산 오차 가 크게 나타났다. 이는 문헌
(6)에서 언급한 바와 같이 2 개의 압력센서를 이용하여 연료 분무 연소로 인한 챔버 압력 상승분을 보다 정확하게 계측하는 등 실험 방법의 개선이 필요할 것으로 생각된다.
4. 결 론
고온 고압 정적 연소 챔버에서 분위기 온도와 연료 (n-dodecane) 분사 압력이 액상 분무 거리, LOL (lift-off length) 및 점화 지연 기간에 대한 영향을 파악하였다.
1) 분위기 온도의 증가 또는 연료 분사압력의 증가에 따라 액상 분무 거리는 감소하였다. 또한, 분위기 온도 가 증가할수록 온도가 액상 분무 거리에 미치는 영향이 연료 분사압력 보다 지배적으로 작용하였다.
2) 분위기 온도의 증가 또는 연료 분사압력의 증가에 따라 LOL도 감소하였다. 액상 분무거리와 유사하게, 분 위기 온도가 증가할수록 온도가 LOL변화에 있어서 연 료 분사 압력보다 지배적인 인자로 작용하였다.
3) 압력데이터 기반으로 점화지연 시기 판단 시, 연소 시작 시점 (SOC, start of combustion)의 판단이 매우 중 요하다. 본 실험에는 1개의 압력센서를 이용하여 예혼 합기의 예연소 및 연료 분무로 인한 연소를 모두 계측 하기 때문에 연료 분무로 인한 압력 데이터의 signal-to-
noise ratio 가 취약한 것으로 나타났다. 이를 해결하기 위 해 문헌
(6)에 언급한 바와 같이 2개의 압력센서를 이용 하여 실험 계측 측면의 개선이 필요하다.
후 기
본 연구는 산업융합원천기술 개발 사업 [과제번호:
10039673] 의 일환으로 수행된 연구로써, 산업통상자원 부의 지원을 받아 수행되었습니다. 지식경제부에 감사 의 뜻을 표합니다.
참고문헌
