CopyrightⒸ2009 KSAE 1225-6382/2009/097- 14 Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 1, pp.105-113 (2009)
Swirl Groove Piston에 의한 바이오 디젤연료의 연소과정에 관한 연구
방 중 철*1)․김 성 훈2)
금오공과대학교 기계공학부1)․금오공과대학교 대학원 기계공학과2)
A Study on Combustion Process of Biodiesel Fuel using Swirl Groove Piston
Joongcheol Bang*1)․Sunghoon Kim2)
1)School of Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gyeongbuk 730-701, Korea
2)Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Kumoh National Institute of Technology, Gyeongbuk 730-701, Korea
(Received 14 May 2008 / Accepted 11 September 2008)
Abstract : The performance of a direct-injection type diesel engine often depends on the strength of swirl or squish, shape of combustion chamber, the number of nozzle holes, etc. This is of course because the combustion in the cylinder was affected by the mixture formation process. In this paper, combustion process of biodiesel fuel was studied by employing the piston which has several grooves with inclined plane on the piston crown to generate swirl during the compression stroke in the cylinder in order to improve the atomization of high viscosity fuel such as biodiesel fuel and toroidal type piston generally used in high speed diesel engine. To take a photograph of flame, single cylinder, four stroke diesel engine was remodeled into two stroke visible engine and high speed video camera was used.
The results obtained are summarized as follows;
(1) In the case of toroidal piston, when biodiesel fuel was supplied to plunger type injection system which has very low injection pressure as compared with common-rail injection system, the flame propagation speed was slowed and the maximum combustion pressure became lower. These phenomena became further aggravated as the fuel viscosity gets higher.
(2) In the case of swirl groove piston, early stage of combustion such as rapid ignition timing and flame propagation was activated by intensifying the air flow in the cylinder.
(3) Combustion process of biodiesel fuel was improved by the reason mentioned in paragraph (2) above. Consequently, the swirl grooves would also function to improve the combustion of high viscosity fuel.
Key words : Biodiesel fuel(바이오 디젤연료), Swirl groove piston(스월홈 피스톤), D. I. diesel engine(직접분사식 디젤기관), Visible engine(가시화 기관), High speed flame photographs(고속도 화염사진)
1.
서 론1)최근 고유가의 지속과 전세계적으로 강화되고 있 는 환경규제는 기관의 배기저감 뿐만 아니라 출력 성능과 연비면에 있어서도 우수한 기관을 요구하고 있는 실정이다. 시대에 따라 주목을 받는 기관의 종
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
류도 바뀌어져 왔지만 근래에 들어서는 직접분사식 디젤기관의 소형 경량화, 고속화 및 고출력화에 관 심이 모아지며 다시 주목을 받고 있다.
기관 성능에 있어 가장 큰 영향을 미치는 요인은 기관의 연소특성이며 고속화나 고출력화를 위해서 는 무엇보다도 혼합기의 형성에서부터 착화지연기 간, 후연소기간 등의 연소과정 전기간에 걸쳐 단축
방중철․김성훈
이 일어날 수 있도록 공기의 원활한 공급과 유동을 제공하여야 한다. 이러한 배경 하에 스월유동의 적 용에 의한 연소 및 배기특성의 향상을 목적으로 많 은 연구들이 진행되어져 왔으며 주된 연구수단으로 서는
① 스월제어밸브(swirl control valve)를 사용하는 방법1)
② 직분식 디젤기관의 4밸브화 및 가변스월방식2)
③ 흡기포트의 형상개선3) 등을 들 수 있다.
한편, 기존의 화석연료는 연료자체내에 산소성 분이 전혀 존재하지 않는 탄화수소 화합물이기 때 문에 디젤기관의 특성상 저속고부하영역 및 연소말 기에 불완전 연소를 유발시킨다. 함산소 연료중의 하나인 바이오 디젤유는 경유와 연료성상이 비슷하 고 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 현재의 상용디 젤기관에 구조변경없이 사용가능하다는 것이 입증 되었으나 점도가 높고 저온유동성이 낮아 순수 바 이오 디젤유는 동절기와 같이 저온환경 하에서 사 용하는 데에는 불리한 입장이다. 따라서 현재까지 는 바이오 디젤유를 경유와 혼합하여 사용하는 방 법이 보편적이며, 국가 정책상 2006년 7월부터 경유 95%와 바이오 디젤유 5%를 혼합시킨 연료(이하 BDF5로 칭함)를 시판 중에 있다. 바이오 디젤유의 디젤기관 적용에 관한 연구 동향은 연료혼합에 따 른 분무특성이나 기관출력, 연료소비율, 배기배출 물 농도 등의 기관성능을 비교측정하여 대체연료로 서의 이용가치를 평가하는 것이 주류를 이루고 있 으며, 최근에는 바이오 디젤유의 고점성에 의한 분 무성 저하를 극복하기 위하여 분사압 100MPa 이상 의 커먼레일 분사시스템을 이용하고 있다.4-9)
본 연구에서는 기존의 기계식 분사시스템(플런 저형)을 채용하는 디젤기관에 있어서도 경유는 물 론 바이오 디젤유 등 고점성연료의 무화성 열세에 의한 혼합기 형성지연을 개선시킬 수 있도록 압축 행정시에도 스월이 발생될 수 있는 피스톤의 상부 구조를 고안하고 소형 고속디젤기관에서 주로 사용 되는 toroidal type piston과 이 피스톤에 고안된 구조 를 적용시킨, 두 종류의 피스톤을 사용하여 바이오 디젤유의 연소과정을 가시화기관에서 비교, 고찰함 으로써 연소개선효과를 입증하였다.
2.
실험 장치 및 방법실험기관은 원래 수냉식 단실린더의 4행정 예연 소실식 디젤기관이었으나, 실린더헤드를 떼어내고 실린더라이너에 6개의 소기공과 2개의 배기공을 가 공하여 Schnu¨rle 소기방식의 직접분사식 2행정기관 으로 개조하였다. 떼어낸 실린더헤드 대신에 Fig. 1 과 같이 화염의 발달경과를 직접 촬영할 수 있도록 강화유리를 사용하여 관찰창을 설치한 별도의 헤드 를 제작하여 결합시켰다. 2행정의 가시화기관으로 개조한 경우, 연료분사노즐의 장착제한으로 인해 실린더헤드의 측면에 노즐을 설치하여 하향분사하 는 경우10)가 많았으나, 본 연구에서는 보다 실기에 가까운 분사조건을 재현하기 위하여 실린더헤드의 상부에 다공노즐을 설치하여 연료가 캐비티 내에 분사되도록 하였다. 단, 분사노즐의 상부장착으로 인하여 전 연소실 면적의 약 70% 가시화를 실현하 였다.
실린더내에서의 소․배기 유동은 Fig. 2에 나타 내었으며 소기효율을 높이기 위하여 라이너벽면을 이용하여 소기공의 측면과 윗면에 45°의 각도를 주
Fig. 1 Remodeling test engine and cylinder head
Fig. 2 Scavenging flows of experimental engine
Swirl Groove Piston에 의한 바이오 디젤연료의 연소과정에 관한 연구
어 가공하였다. 일반적으로 직접분사식 디젤기관에 사용되는 피스톤에는 스퀴시와 같은 공기유동이 얻 어질 수 있도록 다양한 형상의 캐비티를 가지고 있 어 스월과 스퀴시를 병용하여 혼합기의 형성을 촉 진시킨다. 그러나 스월은 압축행정중에 감쇠되어 약 30% 정도만이 남아 연소에 관여하게 되므로 연 소에 미치는 영향이 줄어들게 된다.11)
Fig. 3은 본 연구에서 고안된 피스톤의 형상을 나 타낸 것이다. toroidal type의 연소실을 기본으로 하 여 피스톤 크라운(crown)의 캐비티(cavity) 둘레에 경사면을 가진 홈(groove)을 가공하고(이하 swirl gr- oove piston으로 칭함) 상부에서 3개의 볼트로 고정 시켰다.
이 피스톤에서는 압축행정시 피스톤이 상사점에 근접하게 됨에 따라 압축간극부내의 공기가 홈의
Fig. 3 Shape of swirl groove piston and air flow motions
경사면을 따라 선회류를 형성하면서 캐비티내로 유 입된다. 이 선회류를 흡입행정시 발생하는 스월의 선회방향과 일치되도록 홈을 가공하게 되면 스월의 강도가 더욱 증가되어 혼합기의 형성을 촉진시킬 것으로 생각된다. 뿐만 아니라 팽창행정시에도 캐 비티로부터의 분출화염이 홈의 경사면을 따라 선회 하면서 압축간극부 전역으로 확산되므로 실린더내 의 공기이용률을 높이게 되어 연소과정이 크게 개 선될 것으로 기대된다.
연소화염은 기관을 충분히 난기운전 시킨 후 고 속 비디오 카메라(motion analyzer, Xtra HG-TH)를 사용하여 5,000frames/sec의 속도로 촬영하였다. 이 촬영속도에서는 기관의 회전속도가 1,000rpm이면 1 frame 당의 간격은 1.2°CA이다. 또한 화상에서 TDC 위치를 확인하기 위하여 플라이휠의 TDC마크 에 맞추어 설치한 포토다이오드로부터의 신호를 발 광다이오드(LED)로 점멸시키고 연소화염과 동시 에 촬영하여 TDC를 나타내었다. 뿐만 아니라, 실린 더내의 압력변화도 동시에 측정하여 화염발달상태 에 따른 특징을 비교하였다.
한편, 2행정기관으로 개조함에 따른 유효압축비 의 저하를 보충하고 소기효율을 높이기 위하여 루 츠블로워를 설치하고 회전속도를 제어하여 소기압 을 110kPa로 유지시켰다. 실험기관의 회전속도는 차량의 출발시에 상당하는 1,000rpm에 고정시켰으 며 이와 같은 저속회전에서는 실린더내에서 발생되 는 공기유동이 적어 고안된 피스톤의 유동강화효과 를 보다 명확히 읽을 수 있을 것으로 생각된다.
Fig. 4는 실험장치의 개략도이며, Table 1과 Table 2 및 Table 3은 실험기관의 제원 및 실험조건, 사용 연료의 물성치를 각각 나타낸 것이다.
3.
실험 결과 및 고찰3.1
바이오 디젤유의 연소특성연소경과의 고속도 사진촬영에 의한 광학적인 해 석법은 실린더내 연소과정의 해명 및 연소개선책의 모색을 위한 유효한 방법중의 하나이다.
Fig. 5는 toroidal type piston을 사용하였을시의 바 이오 디젤유 첨가량에 따른 연소경과를 경유를 분 사한 경우와 비교하여 나타낸 것이다. 본 실험에 사
Joongcheol Bang․Sunghoon Kim
Fig. 4 Schematic diagram of experimental apparatus
Table 1 Specifications of experimental engine
Items Specifications
Engine type 2-stroke D.I. Diesel Engine Bore × Stroke 92 mm × 95 mm Compression ratio 16.4
Scavenging port open ATDC 120° CA Scavenging port close ABDC 60° CA Exhaust port open ATDC 108° CA Exhaust port close ABDC 72° CA Coloing type Air-cooling
Table 2 Experimental conditions
Items Conditions
Engine speed 1,000 rpm
Piston type Toroidal type piston Swirl groove piston Test fuels Diesel fuel, BDF5
BDF20, BDF100
Fuel delivery 14 mg/st
Fuel injection timing BTDC 22° CA Scavenging pressure 110 KPa
Nozzle holes 3
Nozzle opening pressure 17.6 MPa
Table 3 Physical properties of test fuels
Properties Diesel fuel BDF5 BDF20 BDF100 Density (15°C, kg/m3) 837 839 846 880 Viscosity (40°C, mm2/s) 2.99 3.02 3.15 4.26 Pour point(°C) -25.0 -22.5 -20 -5.0
용한 연소실처럼 좁고 깊은 캐비티를 가진 연소실 의 경우, 연소실 구경비가 작기 때문에 분무의 도달 거리는 매우 짧아 분사초기에는 대부분의 연료가 직접 캐비티 벽면에 충돌한다. 이 충돌과정에서 분 무는 재미립화되거나 일부의 연료는 캐비티 벽면을 따라 선회하면서 증발하여 주변의 공기와 빠른 속 도로 혼합되어진다.
Fig. 5에서 살펴보면 각 연료에서 최초의 착화는 TDC 혹은 ATDC 1.2°CA 를 전후하여 분무의 충돌 이 일어난 캐비티내의 몇 곳에서 발생된 발화핵으 로부터 시작된다. 이후 가벼워진 연소가스가 열혼 합효과에 의해 캐비티 중심부로 이동하면서 혼합이 촉진되어 캐비티 전역으로 화염이 확산된 후 압축 간극부로 분출되는 형태를 띠고 있다. 그러나 경유 를 분사한 경우에 비하여 바이오 디젤유를 분사한 경우에는 함유량이 많아질수록 발화핵의 크기나 개 수가 줄어들고 있으며 BDF100의 경우에는 착화시 기도 약 1.2°CA 정도 지연되고 있다. 뿐만 아니라 착 화후의 연소진행속도에 있어서도 큰 차이를 보이고 있다. 경유의 화염은 캐비티 내에서의 확산속도나 캐비티로부터 압축간극부로의 분출시기가 빠르고 분출력 또한 강력할 뿐 아니라 화염의 중심부에서 발달하는 황백색 열염의 발생시기나 발생영역에 있 어서도 매우 활성화되어 있음을 볼 수 있다. 이러한 황백색의 휘염은 가연혼합기 내에서도 가장 연료증 기의 농도 및 온도가 발화에 최적인 조건에 달한 부 분에서 발생된다. 여기에 비하여 바이오 디젤유의 화염은, 함유량이 많아질수록 화염의 농담이 짙어 지고 연소실 전역으로의 확산도 느려지고 있다. 특 히 BDF100의 경우에는 다량의 잔존산소가 있는 압 축간극부로 화염이 분출된 이후에도 오랜 기간동안 각 분공별로 형성된 화염군을 유지하고 있어 연소 기간이 매우 길어지고 불완전연소가 예상된다.
Fig. 6은 Fig. 5와 동일한 조건에서 취득한 실린더 내의 압력변화를 TDC를 중심으로 나타낸 것으로
A Study on Combustion Process of Biodiesel Fuel using Swirl Groove Piston
Fig. 5 High speed flame photographs of each fuel in toroidal type piston
Fig. 6 Cylinder pressure diagrams of each fuel in toroidal type piston
매 사이클마다의 변동성을 고려하여 20 사이클분을 평균한 값이다.
압축행정중의 모터링 압력은 동일하나 착화 이후 의 압력상승률과 최고압력은 경유를 분사한 경우가 가장 높으며 BDF5에 비해서는 약 4bar, BDF100에 비해서는 약 8bar정도 높다. 본 연구처럼 기계식 분
사시스템을 사용치 아니하고 커먼레일 분사시스템 을 채용한 상용 디젤기관을 사용한 연구보고서12)에 서도 50 MPa의 분사압(본 연구에서의 분사압 : 17.6 MPa)에서는 BDF20 및 BDF40의 연소최고압력과 열발생률이 경유를 분사한 경우에 비하여 낮았지 만, 100MPa의 분사압에서는 바이오 디젤유의 함유 량이 높아질수록 연소최고압력과 열발생률이 증가 하였으며, 이는 고압분사에 의한 미립화의 향상과 바이오 디젤유 자체의 함산소량 증가로 인한 연소 효율의 향상에 기인한 것으로 기술하고 있다.
따라서 커먼레일 분사시스템에 비해 분사압력이 낮은 기계식 연료분사장치를 채용하고 있는 직분식 디젤기관에 바이오 디젤유와 같은 점도가 높고 표 면장력이 큰 연료를 사용하면 분무의 분열이 늦어 져 혼합기 형성이 지연되기 때문에 외기온도가 떨 어질수록, 저속 고부하 운전일수록 연비가 악화되 고 출력이 저하되는 등의 우려가 되므로 분사시기 를 앞당겨주던지, 연료의 가열이나 실린더 내의 공 기유동을 보다 적극적으로 유발시켜 혼합기의 형성
방중철․김성훈
Fig. 7 High speed flame photographs of each piston using Diesel fuel
Fig. 8 High speed flame photographs of each piston using BDF5 을 촉진시킬 수 있는 장치의 고안이 필요할 것으로 생각된다.
3.2 Swirl groove piston에 의한 연소과정의
평가바이오 디젤유는 세탄가가 경유보다 높고 함산 소연료 임에도 불구하고 높은 점성으로 인하여 화 염의 발달이 양호하지 못하고 연소최고압력이 경 유에 미치지 못함을 앞 절에서 확인하였다. 본 절 에서는 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 고안 된 swirl groove piston에 의한 각 연료의 연소경과 를 고찰한다.
Fig. 7~Fig. 10은 각각 경유, BDF5, BDF20, BDF 100을 분사한 경우에 있어서 toroidal piston과 swirl
groove piston에서의 연소경과를 나타낸 일례로써 각 그림에 있어서 상단의 화염사진들은 Fig. 5에서 제시하였던 사진이나 하단의 swirl groove piston에 서의 연소경과와 한번 더 대비시켰다.
먼저 Fig. 7의 경유를 분사한 경우의 화염발달상 태를 살펴보면, swirl groove piston에서는 홈의 체적 만큼 압축비의 감소가 일어났음에도 불구하고 발화 핵의 발생 개수 및 범위가 많고 넓을 뿐 아니라 캐비 티 내에서의 팽창속도도 빨라 압축간극부로의 분출 시기가 빠르고 분출력도 크며, 무엇보다도 캐비티 의 전둘레에 걸쳐 분출이 일어나고 있어 각 분공별 로 분무의 진행방향으로만 분출이 시작되는 toroidal piston에서의 초기 연소형태와는 확실히 다른 양상 을 보이고 있다. 이러한 모습은 ATDC 3.6°CA를 전
Swirl Groove Piston에 의한 바이오 디젤연료의 연소과정에 관한 연구
Fig. 9 High speed flame photographs of each piston using BDF20
Fig. 10 High speed flame photographs of each piston using BDF100
후하여 잘 고찰된다. 이는 압축행정중 실린더내에 존재하던 다량의 공기가 피스톤이 상사점에 근접하 게 됨에 따라 홈의 경사면을 따라 선회류를 형성하 면서 캐비티내로 유입되어 분무의 미립화 뿐만 아 니라 증발, 산화 등의 화염전반응(pre-reaction)을 촉 진시킨 결과라고 생각된다. 이와 같은 초기연소의 양호한 발달은 실린더내의 공기유동이 적어 초기연 소과정에 많은 단점을 가진 직접분사실식 기관의 연소개선에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.
또한, 캐비티로부터 분출이후의 연소경과도 살 펴보면, toroidal piston에서는 각 분공별로 형성된 화 염들의 독립적인 팽창에 의해 서서히 확산되면서 일정시간 경과 후 비로소 화염들간의 경계가 없어 지나 swirl groove piston에 있어서는 캐비티 전둘레
에 걸쳐 분출이 일어났음으로 인해 화염이 분류되 지 아니하고 바로 하나의 화염띠를 형성하면서 급 속으로 확산하여 연소실 전역으로 전파된다. 이 경 우 실린더내의 공기이용률이 높아져 배기배출물의 저감은 물론이고, 기관출력의 향상이 기대된다.
한편, 바이오 디젤유를 분사한 Fig. 8~Fig. 10에 있 어서는 연료의 점성이 증가할수록 양 피스톤간의 연소과정은 더욱 현저한 차이를 보인다. 즉, toroidal piston의 경우에는 바이오 디젤유의 혼합율이 높아 질수록 분공별 생성된 화염간의 공간면적이 증대하 고 팽창력도 떨어져 화염덩어리를 형성하며 연소하 는 기간이 더욱 길어지고 있어 다공노즐의 필요성 이 더욱 절실해진다. 반면, swirl groove piston의 경 우에는 연소초기에 있어서 캐비티로부터의 분출력
Joongcheol Bang․Sunghoon Kim
Fig. 11 Comparison of mean flame area-speed between each fuel and each piston
이 조금 저하되는 경향을 보이나 압축간극부로 분 출된 이후에는 바로 화염띠를 형성하며 급팽창하고 있어 toroidal piston에서처럼 점성증가의 영향을 크 게 받지 않고 있다. 연소압력을 측정한 결과, Fig. 6 에서 나타낸 toroidal piston에서의 연소최고압력에 비하여 경유는 약 2bar, BDF5는 약 4bar, BDF100은 약 7bar 증가하여 모든 연료의 연소최고압력이 63~65bar 사이로 좁혀들었다.
Fig. 11은 전술한 Fig. 7~Fig. 10에 있어서 화염의 확산속도를 정량적으로 비교하기 위하여 TDC에서 ATDC 13.2°CA에 이르기까지 촬영된 연소화염의 총면적을 크랭크각도 1°당의 픽셀수로 나타낸 평균 화염면적-속도이다. 참고로 1 frame당의 픽셀수는 320×240이다.
그림에서 알 수 있듯이 toroidal piston에 있어서는 바이오 디젤유의 함유량이 높아질수록 경유를 분사 한 경우에 비하여 화염의 확산속도가 현저히 떨어 지고 있으나 swirl groove piston에 있어서는 각 연료 간의 확산속도 저하율이 매우 미미하고 BDF100의 경우에도 toroidal piston에 경유를 분사한 경우와 동 등한 수준의 화염전파속도를 가진다.
이상의 결과로 미루어 볼 때 swirl groove piston과 같이 연소실내에 공기유동을 적극적으로 유발시킬 수 있는 구조의 피스톤을 사용하면 바이오 디젤유 뿐만 아니라 에멀젼 연료나 저급 고점성연료의 연 소개선에 큰 역할을 할 것으로 생각된다.
4.
결 론본 연구에서는 압축행정시에도 연소실내에 스월
을 발생시킬 수 있도록 고안된 swirl groove piston과 toroi- dal type piston을 사용하여 바이오 디젤유의 연 소과정을 비교․고찰하였다. 얻어진 성과를 요약하 면 아래와 같다.
1) (커먼레일 분사장치에 비해) 분사압력이 낮은 기 계식 분사장치를 채용한 디젤기관에 바이오 디 젤유와 같은 고점성연료를 사용하면 화염의 확 산속도가 느려지고 연소최고압력이 저하되어 연비악화나 기관출력저하 등이 우려된다.
2) 바이오 디젤유의 혼합율이 높아질수록 발화핵 의 발생이 늦고 분포성의 저하에 기인한 노즐분 공별로 형성된 화염덩어리를 유지한 채 연소하 므로 연소기간이 길어지고 실린더내의 공기이 용률이 저하된다. 따라서 보다 분공수가 많은 다 공노즐의 사용이 바람직할 것으로 생각된다.
3) swirl groove piston은 실린더내의 공기유동을 강 화시킴으로써 혼합기 형성이 촉진되어 캐비티로 부터의 화염분출력이 강하고 확산속도가 빨라지 는 등 초기연소과정이 활성화되었다. 뿐만 아니 라 toroidal type piston을 사용하였을 시와는 달리 연료점성증가의 영향을 크게 받지 않았다. 따라 서 바이오 디젤유 뿐만 아니라 기타 고점성연료 의 연소개선에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
4) swirl groove piston을 스월의 발생이 어려운 2행 정기관이나 기관의 구조상 공기유동이 적은 기 관 등에 적용시키면 기관성능의 개선효과가 뚜 렷할 것으로 기대된다.
후 기
본 연구는 금오공과대학교에서 지원하는 학술연 구비에 의해 수행되었습니다. 아울러 화염사진들은 원래 컬러이었으나 인쇄과정에서 흑백으로 전환되 었음을 양해하여 주시기 바랍니다.
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