An Investigation on the Spray Characteristics of Diesel-DME Blended Fuel with Variation of Ambient Pressure in the Constant Volume Combustion Chamber

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정적연소기에서 분위기 압력에 따른 Diesel-DME 혼합연료의 분무 특성에 관한 연구

양지웅^*·이세준^**·임옥택^†

An Investigation on the Spray Characteristics of Diesel-DME Blended Fuel with Variation of Ambient Pressure in the

Constant Volume Combustion Chamber

Jiwoong Yang, Sejun Lee and Ocktaeck Lim

Key Words: DME (Di-methly ether, 디메틸에테르), Diesel-DME blended fuel(Diesel-DME 혼합연료), Spray penetration length(분무관통길이), Spray angle(분무각), Ambient pressure(분위기압력), Fuel injection pressure(연료 분사압력), Common rail injection system(커먼레일분사장치), Reactivity(반응성)

Abstract

The aim of this study was to compare the spray characteristics of a typical fuel (100% diesel, DME) and diesel-DME blended fuel in a constant volume combustion chamber (CVCC). The typical fuel (100% diesel, DME) and diesel-DME blended fuel spray characteristics were investigated at various ambient pressures (pressurized nitrogen) and fuel injection pressures using a common rail fuel injection system when the fuel mixture ratio was varied. The fuel injection quantity and spray characteristics were measured including spray shape, penetration length, and spray angle. Common types of injectors were used.

기호설명 Pamb : ambient pressure, MPa Pinj : injection pressure, MPa ASOI : after start of injection, ms

1. 서 론

최근강화된환경규제에따라자동차배출가스에대 한규제또한한층강화되어기존의연료를대체할연 료의연구가활발히진행되고있는상황이다. 또한기존 의연료에새로운연료를첨가하여사용하고자하는연 구가활발히진행되고있다. ^이는^연료^{구성성분들의}^비

율을변경함으로써, 분무및연소시의반응성을조절하 여, 연소와배기특성을훨씬향상시키는데그목적이있 다. Kiyoshi외⁽¹⁾는 DME-Methane 혼합연료를이용하여 연료의엔진내에서의 연소특성을알아보는 실험을진 행하였고, Piotr, Rosa외^(2,3)는 Ethanol-Gasoline 혼합연료 를이용하여엔진성능및배기특성등을실험하였다.

또한 Sivalakshmi^외⁽⁴⁾^는^신^연료인 DME-Biodiesel ^혼합

연료를이용한디젤엔진내에서의성능, 배기특성을연 (2012년 7월 23일접수~ 2012년 8월 12일심사완료, 2012년 9월

21일게재확정)

*울산대학교기계자동차공학과대학원

**울산대학교기계자동차공학과대학원

†임옥택, 회원, 울산대학교기계공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (052)259-2852 FAX : (052)259-1680

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구하였다. ^이러한^일련의 ^{혼합연료를}^이용한^연구들을

통해기존내연기관에혼합연료가 어떠한반응성으로 인하여배기가스내의오염물질을저감하는가에대한연 구가선행되었다.

Diesel-DME 혼합연료에 대한연구는 Jingzhou외^(5~7) 에의해선행되었다. 연구결과 DME의비율이높아질수 록분무각은커지고, ^{분무관통길이는}^짧아지는^것을^확

인할수있었다. 선행된 연구에서는커먼레일시스템을 적용하지않은기계식연료공급시스템을사용하여연구 가이루어졌다. ^하지만, ^{디젤엔진의}^연소효율^향상과^배

기가스의오염물질저감을위하여고압의연료분사를 통하여연료의미립화를향상시키고, 다단분사가가능한 커먼레일시스템의이용이대세를이루고있다. 이에따 라, ^본^{연구에서는}^{커먼레일시스템을}^사용하여^세탄가가

높고(>55) 산소함유율이높으며증발특성이좋은함산

소연료인 DME를 Diesel연료에첨가하였을때, 순수한

DME, Diesel^연료와^어떠한 Reactivity^에^의하여^분무특성

의차이점을보이는가에대한연구를진행하였다.

2. 실험장치

2.1 분무 가시화 및 연료 분사장치

Fig. 1은실험에사용된실험장치의개략도를보인다.

Fig. 1의왼쪽부분은연료분사시스템이다. 본실험에

서는연료분사압력을고압으로일정하게유지시켜주는 커먼레일시스템을사용하였다. DME^는^낮은^점성과^나

쁜윤활성때문에연료개통시스템의누유및마모를야 기시킨다. 이를위해, Haskel pump를사용하였고, DME

의윤활성개선을위하여 2 vol% ^{바이오디젤을}^추가하

였다. DME는낮은증발점때문에대기압에서가스상

태로존재하기때문에액체상태를유지하기위해서상 온에서 0.9 MPa이상으로가압할필요가있다. 0.9 MPa이 상일때액화상태로존재하는 DME는질소가압을통해

압력을 0.9 MPa^이상으로^높인^다음^{연료공급시스템으로}

공급된다. 공급된연료는 Haskel pump를거치면서가압

된후커먼레일전에설치된어큐물레이터에저장된다. DME^는^{어큐물레이터의}^벽면의^열전달로^인해^온도가

상승하여가스형태로저장되는문제가발생할수있다.

이를방지하기위해, 어큐물레이터벽면을동관으로감 싸고, ^{컴프레서와}^냉각팬을^이용하여^냉각된^냉매를^순

환시켜주어어큐물레이터내부의 DME가액체상태로 유지하도록한다. 연료는 PCV(Pressure Control Valve)드 라이버에의해연료의분사압력이조절되는커먼레일에 공급되어일정한압력으로연료가분사되도록한다. ^인

젝터는 BOSCH사의 Solenoid type으로 7홀을가지고있 는인젝터를사용하였다. 인젝터는 Multi-Stage Injection

Engine Controller^에^의해^{분사시간과}^{분사횟수가}^제어된

다. 인젝터에서커먼레일로리턴된연료는다시저압펌

프로돌아가순환된다. Fig. 1의오른쪽부분은분무가시

화시스템을나타낸다. ^오른쪽^부분에^위치한^정적연소

기는질소에의해내부가가압된다. 광원으로는스트로 브라이트가사용되고, Multi-Stage Injection Engine Con-

troller^에서^생성되는^신호에^의해^작동된다. ^{정적연소기}

내부의압력은내부에설치되어 있는압력센서(Kistler

6056A)에의해측정된다. 여기서측정된압력ㅍ신호는

신호증폭기(Kistler 5015)에의해증폭된신호를읽는다.

분무형상을촬영할때사용되는카메라는컴퓨터와연결 되어작동하고촬영된영상은컴퓨터에저장된다.

2.2 연료 분사량 측정장치

Fig. 1의우측하단에연료량을측정할수있는측정

Fig. 1 Schematic of experimental apparatus

(3)

장치에대한개략도가포함되어있다. ^연료^분사량^측정

장치는 DME를액체상태로유지하기위해질소를이용

하여 0.9 MPa이상으로가압 해주어야하는데 이를견

딜수있도록설계되었다. ^{측정장치의}^전면^부는^분사된

연료의양을확인할수있는눈금이새겨진광학창으 로구성되어있다. 연료분사량측정이끝난후에는측 정장치의하단부에 있는배출밸브를개방하여 내부의 액화된연료를배출한다.

3. 실험연료

본연구에서는 Diesel과 DME 혼합연료의분무특성 을알아보기위해저유황 Diesel^연료(Ultra Low Sulfur Diesel, ULSD) 및순도 98% DME(윤활성개선을위해

2 vol% 바이오디젤 첨가)를사용하였다. Diesel-DME

혼합연료의조성은 Table 1^과^같고, ^조성^비율에^대한

식은 (1)과같다.

(1)

4. 실험방법

4.1 연료혼합방법

본연구에서사용된혼합연료는가정에서쓰이는 20

kg LPG ^{가스용기에}^연료를^주입하여^{사용하였다}. ^가스

통을디지털저울에올려놓고, zero점을새롭게맞추고

중량 비(wt%)에 따라 연료를 주입하였다. Diesel과

DME^는 273.15K, 96.1 kPa ^이상에서^완전히^혼합^한다

는결론⁽⁸⁾을 바탕으로 저압펌프를 이용하여 Diesel을

1.1 MPa로가압하여주입하고 DME의기화를막기위

해질소를 0.9 MPa^으로^가압하여^용기 ^내부의^압력을

0.9 MPa이상으로유지시킨다. 마지막으로 1.1 MPa로

질소가압한 DME연료를용기내로주입한다. 안전을위 해서용기용량의 70%이하의용량만 충전하였다. 용기

내의 Diesel^과 DME^가^액체^상태로^잘^혼합되기^위하여

용기를잘흔들어주고, 분무량 측정시스템의광학창을 통해연료의혼합정도를확인하여충분히혼합되어지는

6^시간^후에^{사용하였다}. ^그리고^{혼합연료의}^상태를^연료

공급장치에설치된가시화창을통하여실시간으로확 인하였다.

4.2 연료 분사량 측정방법

본연구에서는연료분사압력은 70.1 MPa, BOSCH사 의 solenoid type 7Hole ^상용^인젝터(Hole size:Ø 0.134)

를사용하여연료분사량을측정하였다. 모든실험조 건에서인젝터의통전시간은 1 ms, 분사횟수는 1000번 으로동일하게수행되었다. 상온에서측정장치내부의

DME^를^액체^상태로^{유지해주기}^위해서는^내부^압력이

0.9 MPa이상이되어야한다. 이를위해장치내부의압

력을질소가압을통하여 1.1 MPa으로만들어주었다.

4.3 분무 가시화 방법

연료는 분사압력이 70.1 MPa일때정적연소기내의 분위기압력이 0.1, 2.6, 5.1 MPa^에서^분사된다. ^모든^조

건에서인젝터통전시간은 1 ms로동일하게사용되었 다. 본실험에서의주요측정인자는분무관통길이와분

무각이고, Fig. 2^와^같이 ^{분무선단길이는} ^인젝터^노즐

팁에서부터분무된액적의끝가지의 길이로정의하여 측정하였고, 분무각은공기와의혼합과터뷸런스의영향 으로측정이어려운분무선단을제외하고순수한분무가 존재하는분무액적의 2/3^되는^곳에서의^액적의^가장^바 DiDm^{( )}% =_{Diesel kg}--- 100^{Diesel kg}_{( )}+^{( )}_{DME kg}_{( )}^×

Table 1 Fuel blending ratio of test fuel Blending ratio

(wt. %) DiDm100 DiDm95 DiDm90 DiDm0

Diesel 100 95 90 0

DME 0 5 10 100 Fig. 2 Definition of Spray penetration and spray angle

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깥부분두점사이의각도로정의하고측정하였다⁽⁹⁾. ^①~

⑦각분공홀의분무관통길이와분무각을측정하여평 균값을구해서결과값으로사용하였다.

5. 실험결과

5.1 분사량 측정결과

Table 2는각혼합연료의분사량을나타내는표이다,

1000^번^분사하여^측정된^양을 1000^으로^나눠^한번^분사

시의분사된양을표시하였다. 가시화창의눈금을눈으

로읽었기때문에측정시의 ±1 ml(±0.1%)정도의오차가

존재한다. 기존의 Diesel 연료를분사하였을때분사되

는양이가장많았고, ^다음으로 DME^의^분사량이 ^크게

나타났다. Diesel연료에 DME 혼합률을높일수록분무

량이작아지는모습을표를통해알수있다. 이는액체 동점성 계수가 Diesel(3 cSt)^에^비해 DME(<0.1 cSt)^가

낮기때문에분사량이작고, 혼합연료의경우 Diesel은 크기가산소보다상대적으로큰탄소분자가주로이루

어져있고, DME^는^{탄소원자에}^비해^{상대적으로}^크기가

작은산소원자가많이 포함된연료로혼합시 Diesel의 분자사이로 DME^분자가 ^침투하여^분사량이^줄어드는

모습일보인다. 또한 DME의함유량이높을수록분사량 또한작아진다.

5.2 분무 가시화결과

Fig. 3~6은연료분사압력 70.1 MPa, 정적연소기내분

위기압력 5.1 MPa^일^때, BOSCH^사의^동일한^인젝터를

사용한각연료의분무형상을나타낸그림이다. Fig. 3

은 DiDm100을, Fig. 4은 DiDm95을, Fig. 5 DiDm90을,

Fig. 6^은 DiDm0^를^사용한^경우이다. ^나타낸^사진은^연

Fig. 3 DiDm 100 Spray shape (Pinj : 70.1 MPa, Pamb : 5.1 MPa)

Fig. 4 DiDm 95 Spray shape (Pinj : 70.1 Mpa, Pamb : 5.1 Mpa)

Fig 5 DiDm 90 Spray shape (Pinj : 70.1 MPa, Pamb : 5.1 MPa)

Fig 6. DiDm 0 Spray shape (Pinj : 70.1 MPa, Pamb : 5.1 MPa)

Table 2 Injection quantity[ml/1 cycle]

Fuel Injection Quantity[ml/1cycle]

DiDm100 0.0909

DiDm0 0.0905

DiDm95 0.0898

DiDm90 0.0893

(5)

료가분무된시점(ASOI)^부터 0.4 ms^간격으로^분무가^완

전 발달할 때까지의 분무발달과정을보여주고 있다. Diesel 연료와 DME 연료를비교하였을때, Diesel 연 료의분무액적이완전히발달하여연소실벽에닿기까

지 3.2 ms라는시간이걸렸고, DME는좋은증발특성

으로인해연소실벽면에분무액적이닿기전 2.8 ms 만 에대부분이 기화되는 모습을 확인할 수있다. ^또한

DME에비해 Diesel연료의분무관통길이가 길고, 분무

각이 작음을 알수있다. Fig. 4, 5에서 볼수있듯이

Diesel ^연료에 DME^연료를^함유율에 ^따라 ASOI ^이후

동일한시간에서의분무관통길이는 Diesel 연료에비해 미소한차이기는하나짧아지고, 분무각은커지며연료 의기화가더잘되는모습을볼수있다. 이는 DME연 료를혼합함으로써 연료의미립화를촉진시켜 실린더 내부의공기와의혼합률이개선되어서연소특성이개 선될것이다.

5.2 분무관통길이 측정결과

분무관통길이를해석함에있어서중요한점은짧은 시간내에분무가완전발달하여얼마나공기와의혼합 이빠르게이루어지는가에대한분석이중요하다. 즉분 무가완전히발달, 빠르게발달하여연료가미립화되고,

공기와섞이는속도가빠른지가 관통길이를해석함에 있어서중요점이된다. Fig. 7은분무압력 70.1 MPa, 분 위기

압력 0.1 MPa일때의각연료의 분무관통길이를나

타낸그래프이다. ^연소실^내부가^가압된^조건이^아닌^상

태여서고압으로분사된연료는대부분이액적상태로

연소실벽에 1.4 ms^만에^도달^하였다. ^하지만^연료에^따

라서다른거동을보이는데, Diesel연료의경우에가장

빠르게발달하였고, DME가가장느린발달속도를보

였다. ^또한 Diesel^연료에 DME^의^혼합률을 5^에서 10%

로늘림에따라 분무발달속도가느려짐을확일 할수 있었다.

Fig. 8, 9^에서는 2.6, 5.1 MPa^로^가압된^{상태에서의}^분

무관통거리를나타낸그래프로 Diesel연료가가장빠르 게분무가발달되었고, DME가가장느리게발달하지만

빠른기화특성으로분무가분위기압력 2.6 MPa^일^때

2.6, 5.1 MPa일때 2.8 ms만에완전증발하였다. 앞에서 와같이 DME의혼합률이높아짐에따라분무관통거리 가짧아짐을확인할수있었다.

Fig. 7 Spray penetration length of fuel at Pamb=0.1 MPa

(6)

5.3 분무 각 측정결과

Fig. 10~12은각연료의분무각을보여준다. 분무각

은분사압력, 분위기압력, 인젝터노즐의형상, 분무액 체의물성치등의여러가지요인들에영향을 받는다.

동일한인젝터를사용하여같은분사압력하에서 분위 기압력을달리하여, 연료에따른분무각을비교분석 하였다. 2.6, 5.1 MPa^로^{가압하였을}^때, ^분무^각이^더^크

게나타나는것을볼수있다. 그이유로는주위압력을 가압해줄경우분무의축방향으로의진행을억제하여 분무각을증가시킨다. ^하지만 2.6, 5.1 MPa ^가압의^정

도가다름에따라서는 끼치는영향이미미하다는것을 볼수있다. Fig. 10-12에서볼수있듯, 분무발달 초반

0.8 ms이하에서는분무각이분무발달후기에비해갑

자기각이커지는불안정한모습을보였고, 이후에서는 분무각이대게일정한안정된분무각을나타내었다. ^그

림에서볼수있듯이 DiDm0의분무 각이가장 크고,

DiDm90, DiDm95, DiDm100순으로분무각이작게나

타났다. 이렇게나타난이유는 DME의좋은증발특성 으로인하여분무액적의미립화를빠르게진행시켜 분 무각을크게만들기때문이다.

6. 결 론

본연구에서는 Diesel과 DME 연료와 Diesel에 DME

를중량비(wt%)^로 5, 10%^를^혼합한^연료를^사용하여,

커먼레일시스템에서다양한분위기압력조건에대한 분무특성을알아보았다. 각연료의분무특성의비교분 석을통해다음과같은결론을내리게되었다.

1) 동일한인젝터를사용하여, 1 ms라는동일한통전

기간동안분사된연료의양은 Diesel이가장많이분사

되었고, DME가다음으로많이분사되었으며, 혼합연료

의 DME ^혼합률이^높을수록^분사량이^작아진다.

2) 연료의분무관통길이는주위압력이높아짐에따 라축방향으로의분무발달을방해받아길이가짧아졌

다. ^연료의^기화도의 ^차이^때문에 Diesel^의^{분무관통거}

리가가장길고, DME가가장짧았다. 혼합연료의경우

DME의혼합률이높을수록분무발달거리가짧아지는 것을확인하였다.

3) 연료의 분무각은 DiDm0가가장크게나타났고,

DiDm 90, DiDm 95, DiDm100 순서로나타났다. DME

의좋은 증발특성에따라, DME^의^함유율을^높일수록 Fig. 10 Spray angle of fuel at Pamb = 0.1 MPa

Fig. 11 Spray angle of fuel at Pamb = 2.6 MPa

Fig. 12 Spray angle of fuel at Pamb = 5.1 MPa

(7)

분무 각이 증가하는 것을 확인하였다.

후 기

본 과제는 교육과학기술부의 재원으로 지원을 받아 수행된 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업과 2012년도 교육과학기술부의 재원으로 한국연구재단의 기초연구 사업 지원(2012044855)을 받아 수행된 것입니다. 지원 에 감사를 드립니다.

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