Basic Study of Spray-Behavior Characteristics of Emulsified Fuel

- 기호설명 -

ASOI : (After start of injection) 분사후 EF : (Emulsified Fuel) 에멀젼연료 Corresponding Author, [email protected]

2014 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

S : 표본분산 T : t-분포 확률변수 v : 카이제곱분포 자유도

 : 표본평균

 : 표준정규분포 학술논문

< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2014.38.9.763 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5234(Online)

에멀젼연료의 분무거동특성에 관한 기초연구

염 정 국^* · 윤 정 환^*

동아대학교 기계공학과

*

Basic Study of Spray-Behavior Characteristics of Emulsified Fuel

Jeong Kuk Yeom^* and Jeong Hwan Yoon^*

* Dept. of Mechanical Engineering, Dong-A Univ.

(Received May 14, 2014 ; Revised July 16, 2014 ; Accepted July 16, 2014)

Key Words: Diesel Engine(디젤엔진), Emulsified Fuel(에멀젼연료 연료), Oil in Water(수중유형), Water in

유중수형 분포

Oil( ), Student's t-Distribution(t- )

초록: 본 연구는 에멀젼연료(diesel/H2O2)의 분무거동특성에 관한 기초 연구로서 에멀젼연료를 제조하여 분무 거동특성에 영향을 주는 연료의 물성치 점도 표면장력 밀도 와 연료액적 증발특성을 조사하였다 또한 에멀( , , ) . 젼연료와 디젤연료의 거시적 분무거동특성인 분무선단도달거리 분무각을 비교 분석하였다, . 에멀젼연료의 교 반 조건은 디젤 연료와 계면활성제 span 80, tween 80을 각각 9:1로 혼합한 유화제를 제작하여 사용 하였으며 과산화수소의 혼합비율은[EF(Emulsified Fuel)2, EF12, EF22, EF32, EF42, EF52, EF62, EF72, EF82, EF92]로 설 정하였고 분사압력은 , 400bar, 600bar, 800bar 및 1000bar로 설정하였다 본 연구의 결과로서 연료의 점도는 과. 산화수소의 혼합비율이 증가할수록(EF52까지 점도가 증가하나 그 이후부터는 점도가 낮아져 기존의 디젤 ) , 연료와 같은 점도를 가지게 된다 이는 디젤의 혼합비율이 큰 . EF52까지는 교반 시 수중유형(Water in Oil)이 생성되나 과산화수소의 혼합비율이 큰(EF52 이상 에멀젼연료에서는 유중수형) (Oil in Water)이 생성되기 때문 이다 또한 혼합비 변화에 따른 분무거동의 특성 분무선단도달거리 분무각 의 변화는 크지 않았다. ( , ) .

Abstract: As a preliminary study on the spray behavior characteristics of emulsified fuel, the fuel properties (viscosity, surface tension, and density) and evaporation characteristics of a fuel droplet were investigated. The emulsified fuel was made by mixing diesel and H2O2. In addition, the macroscopic spray behavior characteristics such as the spray penetrations and spray angles of the emulsified and diesel fuels were compared. The stirring condition of the emulsified fuel was a 9:1 mixture of the diesel fuel and the surfactant span 80. The mixing ratios for the hydrogen peroxide were set at EF2, EF12, EF22, EF32, EF42, EF52, EF62, EF72, EF82, and EF92. The injection pressures were set at 400, 600, 800, and 1000 bar. We found that as the mixing ratio of the hydrogen peroxide was increased from EF2 to EF52, the viscosity of the emulsified fuel increased. However, afterward, the viscosity of the emulsified fuel gradually decreased and approached the viscosity value of the diesel fuel. Therefore, generally oil-in-water emulsions were used for the hydrogen peroxide mixing ratios up to 52 (EF52), and water-in-oil emulsions were used for the hydrogen peroxide mixing ratios above 52. Finally, the spray behavior characteristics (spray penetration and spray angle) of the emulsified fuel were found to be almost independent of the mixing ratio.

량이 생산되기 시작했다 특히 디젤엔진은 가솔. 린엔진에 비해 연소실 내 고온의 압축된 공기에 착화성이 높은 연료를 분사하여 동력을 얻어내는 기관으로 비교적 높은 출력을 가지고 연소실 크 기에 제한이 없어 수송 분야 외에도 다양한 산업 현장에서 동력원으로서 사용되고 있다. 하지만 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 NOx(질소 산화물) 및 Soot(매연 등의 배출이 많아 이를 저감시키기 ) 위한 노력이 계속되어 왔다 이를 해결하기 위한 대. 체 에너지 기술로서 바이오디젤,⁽¹⁾ DME(Dimethyl ether),⁽²⁾ 에탄올 연료 에멀젼연료, (Emulsified fuel)^(3,4) 등이 연구 되었으며 전처리 기술로는 커멘레인 고, 압분사, EGR(Exhaust gas recirculation), 후처리 기술 로는 LNT(Lean NOx trap), DPF(Diesel particle filter), SCR(Selective catalytic reduction) 등이 있다 그 예로 . 대체 에너지인 바이오디젤은 특별한 장치 없이 디 젤엔진에 사용이 가능하고 기존 공급 인프라의 활 용이 용이하여 현재 석유디젤을 대체할 유망한 대 안이었으나 바이오디젤 사용 시 , NOx의 증가와 원 료가 되는 곡물 사용의 상업 윤리 등의 문제와 차, 량 적용 시 연료의 저온 유동에 대한 단점들이 아 직 미해결 과제로 남아있다 따라서. 디젤엔진의 존 속을 보장하기 위하여 또 다른 대안이 요구되는 시점이며, 그 하나로써 물, 연료, 계면활성제를 혼합한 에멀젼연료의 디젤엔진 적용이다.

Fig. 1은 에멀젼연료의 종류인 수중유형(O/W :

유중수형 를

Oil in water), (W/O : Water in oil) 나 타내었고 이 중 유중수형에 대한 많은 연구가 , 진행 중이다 에멀젼연료 디젤과 물 혼합물 는 . ( ) 증 발 잠열로 인해 연소실 온도를 저하 시키고 이러 한 효과로 NOx저감을 기대할 수 있으며 미세폭, 발(Micro-explosion)의 효과로 Soot를 획기적으로 저감시킬 수 있다.⁽⁵⁾ 기존의 에멀젼연료에 사용되

Fig. 3 Properties measurement of emulsified fuels 는 물 대신 과산화수소(H2O2)를 사용하게 되면 물을 사용한 경우와 마찬가지로 연소실 내 미세 폭발 발생 및 증발 잠열효과를 기대할 수 있다.

또한 반응 시 활성산소를 내놓는 과산화수소의 장점이 물을 사용한 에멀젼연료와 비교해 연소 활성화 효과 역시 추가적으로 얻을 수 있다 그. 러나 이러한 장점으로 에멀젼연료는 디젤엔진 분 야에 상용 가능성이 있으나 이에 대한 연구가 국 내에서는 아직 부족한 편이고 특히 물 대신 다른 첨가물을 사용한 연구에 관한 예가 거의 없어 이

(a) Ostwald viscometer (b) Sigma 703 Fig. 2 Schematic of the experimental apparatus

에 대한 연구가 필요한 시점이다.

따라서 본 논문에서는 에멀젼연료의

디젤엔진

적용을 위한 기초 연구로서 에멀젼연료 액적을 대상으로 혼합비에 따른 액적증발의 미세폭발 현 상과 커먼레일 분사시스템을 사용하여 에멀젼연 료의 분무거동특성을 디젤연료와 비교하여 분석 하였다. 에멀젼연료(Emulsified Fuel, EF) 혼합비를 EF0(Diesel only), EF2, EF12, EF22, EF32, EF42,

로 등간격으로 설 EF52, EF62, EF72, EF82, EF92

정하여 액적증발실험을 실시하였고, 에멀젼연료 의 분무거동특성을 해석하기 위한 실험변수로서 는 분사압력 혼합비로 각각 설정하였다, .

실험장치 및 방법 2.

실험연료로 디젤연료와 과산화수소를 혼합한 에멀젼연료를 제작하여 사용하였다. Fig. 2는 분 무거동 가시화 광계측 장비이고 에멀젼연료를 이 용하여 노즐의 정면 및 측면의 이미지를 촬영하 여 분무거동특성을 관찰했다 연료의 점성이 분. 무거동 특성에 미치는 영향을 관찰하기 위해 Fig.

의 로 항온수조를 이용해

3 (a) Ostwald viscometer

온도를 25℃로 유지하여 측정하였다 아래의 식 . 은 동점도 계산에 사용된 식을 나타낸다

(1) .

Fig. 4 Properties of emulsified fuels

Fig. 5 Schematic of droplet experiment according to fuel mixing ratio

(1)

여기서 v는 동점도, t는 유체의 액면이 관의 일 정 기간을 지나는 시간을 나타내고 하첨자 , w,1은 비교대상인 물과 구하고자하는 대상을 나타낸다.

를 기점으로 점성이 바뀌는 현상을 관 42%, 52%

찰 할 수 있었으며 이는 에멀젼연료의 특성인 , 유중수형에서 수중유형으로 바뀌는 분기점⁽⁶⁾이며 이러한 물성치를 토대로 EF42까지 에멀젼연료가 의미를 가진다고 판단하여 실험을 실시하였다.

또한 표면 장력을 측정하기 위해 Wilhelmy mode 법을 사용하는 의 와 같은 calibration Fig. 3 (b) KSV

사의 모델을 사용하였고

INS(FINLAND) Sigma 703 , 사용된 측정 식은 다음 식과 같다.

  ··cos (2) 여기서 l은 접수길이(Wetted perimeter), 는 접 촉각, F는 표면장력, 는 액체의 중량이다.

상기의 식으로 구한 결과들을 Fig. 4에 나타내 었다 또한 분무 실험에 앞서 에멀젼연료의 혼합. 비 변화에 따른 연료의 증발특성을 관찰하기 위 해 가열판을 사용하여 에멀젼연료 액적에 대해 증발가시화실험을 실시하였다. 실험에 사용된 가 열판은 대한과학사의 모델명 MSH-20A를 사용하 였다 고속 카메라는 . Phantom사의 Micro-4C이며, 광원은 1kW 용량의 텅스텐 할로겐 조명을 사용- 하였다 분사실험 장치로는 세대 . 3 Bosch 피에조 인젝터 커먼레일을 사용했다, . Pride 2010년 모델 의 U-engine 펌프 순정품을 사용했고 연료필터는 , 사용연료가 바뀌면 교체하여 연료 혼합을 방지 Fig. 6 Evaporative images of emulsified fuel droplets according to fuel mixing ratio

_ __

_

 ^ 

_

  × _  ^

하였다. 실험에 사용된 ECU는 SmarTek Co.의 을 제작하여 사용했으며 분사시기

SCR-TDA8000 ,

조절 및, 분사압력조절이 가능하게 분사시기 ( 100µs~4000µs, 분사압력 300bar~1600bar) 설계되었 다. 분사실험은 대기압 조건에서 하였다 분사 기. 간은 500µ 로 고정하고 분사압력은 s 400bar,

및 로 설정하였다

600bar, 800bar 1000bar .

결과 및 고찰 3.

에멀젼연료 액적 기초거동 연구 3.1

분무 실험에 앞서 에멀젼연료의 미세폭발 현상 을 관찰하기 위해 사전실험으로 액적 실험을 실 시하였다. Fig. 5의 Region 1과 같이 가열판의 온 도를 200℃로 설정하였다 이는 경유의 끓는점.

을 피하고 과산화수소 끓는점

(250℃~350℃) (10

를 만족하는 온도이므로 과산화수소에 의한 8℃)

미세폭발 현상을 관찰 할 수 있는 적정온도이기 때문이다. Region 2와 같이 과산화수소가 디젤연 료 안 에 액 적 으 로 존 재 하 고, 가 열 된 연 료 는

과 같이 미세폭발을 일으켜 액적 표면의 Region 3

왜곡을 일으키고 디젤연료액적 분리 현상을 일으 킨다. Region 4에서 증발 잠열로 인한 연소실의 온도를 낮추고 이로 인해 , NOx를 억제하는 효과 를 기대할 수 있다.

은 혼합비에 따른 에멀젼연료의 증발 가 Fig. 6

시화 이미지를 나타낸 것이다 그림과 같이 디젤. 의 경우 액적의 폭발 현상을 관찰 할 수 없었으 며 과산화수소가 섞인 에멀젼연료의 경우 액적 , 안에서 미세폭발 발생에 의해 액적의 표면이 일 그러지는 현상과 작은 액적들이 떨어져 나가는 현상을 혼합비가 증가 될수록 더욱 활발해지는 것을 관찰 할 수 있었다 이는 에멀젼연료 내의 . 과산화수소가 가열로 인해 액체에서 기체로의 상 변화를 일으켜 급속한 부피 팽창이 이루어져 나 타나는 현상이라 판단된다 이러한 사전실험으로 . 에멀젼연료의 미세폭발 현상을 기대할 수 있다.

분무거동 특성 해석 방법 분포 방법

3.2 (t- )

미세폭발이 분무거동에 미치는 영향을 알아보 기 위한 사전 실험으로 상온 대기중에 에멀젼연 Fig. 7 Images of spray experiment according to fuel mixing ratio(front view)

(b) pinj = 600[bar]

(c) pinj = 800[bar] (d) pinj = 1000[bar]

(a) pinj = 400[bar]

Fig. 8 Images of spray experiment according to fuel mixing ratio(side view) (a) pinj = 400[bar]

(c) pinj = 800[bar]

(b) pinj = 600[bar]

(d) pinj = 1000[bar]

100

50

0

[mm]

50

100 150

150 Fig. 9 Schematic of measurements on spray penetration

and spray angle

료를 분무하여 그 특성 분무관통거리 분무각 을 ( , ) 측정하여 기존의 경유와 비교 분석하였다 실험. 의 오차를 줄이고 그 신뢰성을 확보하기 위해 t- 분포를 이용해 평균의 95%신뢰구간을 확보하였 으며 혼합비에 따른 분무관통거리의 신뢰구간을 , 비교하여 분석하였다.

t-분포^(7,8)는 어떤 정규 분포의 평균이 이고 분µ

산이 ^일 때 그 분포에서 개의 데이터를 추출n 한 것을 _,… , _라고 할 때 표본 평균과 표본 분산은 다음과 같이 정의한다.

  

_⋯ _ (3)

_^   

 _{  }



(a) pinj = 400[bar] (b) pinj = 600[bar]

(c) pinj = 800[bar] (d) pinj = 1000[bar]

Fig. 10 Spray penetrations and angles with Student's distribution

 ≡ ^

  _µ_

^

(7)

여기서 는 T ^이 사용되지 않으므로 이 분포, 는 분산을 모를 때의 평균값 를 추정하는 데에 µ 사용이 가능하다 이때 의 분포는 자유도 . T n-1인

분포를 따른다

t- .

분무거동 특성 해석 분무각

3.3 ( )

분무선단도달거리 및 분무각은 분무거동에서 분무 관통성 및 혼합기형성의 공기이용률과 관계 되어 실제엔진의 설계 시 연소실의 크기와 형상 등을 결정하는 중요한 요인이다 따라서 본 실험. 에서 홀 노즐을 사용하여 분무거동특성을 해석7 하였고, 에멀젼연료 분무의 정면도와 측면도를

과 에 각각 나타내었다 결과에서 알 Fig. 7 Fig. 8 .

수 있듯이 분사 압력이 증가할수록 분무선단 도 달거리는 증가하는 것을 알 수 있으며 이러한 , 결과는 기 보고된 결과와 동일하다⁽⁹⁾. 그리고 Fig.

에 의 이미지 중에서 다른 분무의 간섭을 9 Fig. 8

가장 적게 받고 실제의 이미지라 판단되는 분무 를 선택하여 분무의 거시적 거동특성인 분무선단 도달거리 및 분무각 측정의 개략을 나타내고 그 , 결과값을 Fig. 10에 정리하여 나타내었다.

에서 노즐 입구부에 수직선과 분사 액주 Fig. 9

의 중심까지의 각도를 가시화 장비를 이용해 촬 영한 이미지로 측정하였다 본 분무실험에 있어 . 분무각의 측정은 연료분사 노즐팁에 수선을 세워 시계방향으로 정의하였고, 이해를 돕기 위하여 공간적 측정위치를 범례와 실제 이미지 중에 직 접 표시하였다 분무각 측정을 위한 분무의 선택. 은 공간적인 위치오차를 줄이기 위하여 각 이미 지에서 노즐 아랫부분의 가장 긴 분무를 선택하

보다 정량적 분무거동 특성을 파악하기 위해 분무촬영에서 얻은 이미지로 분무선단 도달 거리 를 측정하였으며 한 조건에서 10번의 실험을 통 해 이미지를 촬영하여 분무선단도달거리를 측정 하였다 이러한 데이터로 분포를 이용한 . t- 95%신 뢰구간을 추정하였다 구간 비교를 통해 실험의 . 오차를 줄였고 그 범위를 정하여 각각의 조건을 , 비교하였고 그 결과를 , Fig. 10에 나타낸다 그래. 프에서와 같이 에멀젼연료 혼합비에 따른 분무 선단 도달 거리와 분무각의 차이는 신뢰구간이 상당히 겹치는 결과를 토대로 차이가 미미한 것 을 알 수 있었다 분사압력이 증가함에 따라 분. 무선단 도달거리가 신속하게 증가하는 단일성분 연료의 분무특성과 일치하는 경향을 확인 할 수 있었으며 에멀젼연료 혼합비에 따른 분무거동특, 성은 관측하기 어려웠다 이는 분무선단도달거리. 는 분사압력에 지배적인 영향을 받고 에멀젼연, 료의 혼합비에 따른 물성치 변화는 상대적으로 적다고 판단된다 이를 통해 분무선단도달거리에 . 악영향을 미치지 않고 에멀젼연료의 증발특성인 , 미세폭발로 인한 미립화 촉진으로 Soot 감소 및 과산화수소 함유연료의 증발잠열로 인한 NOx 감 소를 동시에 기대 할 수 있다.

결 론 4.

본 연구에서는 에멀젼연료의 디젤엔진 적용을 위한 기초연구로서 에멀젼연료의 증발특성인 미 세폭발 현상을 관찰하기 위해 가열판 및 가시화 장비를 이용해 연료 혼합비가 액적증발에 미치는 영향을 고려하였다 또한 에멀젼연료의 혼합비와 . 분사압력의 변화에 따른 분무거동특성을 파악하 기 위해 커먼레일 분사시스템과 분무가시화 장비 를 이용해 실험하였으며 실험의 오차를 줄이기 ,

위해 분포를 이용해 데이터를 비교 분석하였으t- , 며 그 결과는 다음과 같다, .

에멀젼연료의 점성

(1) 해석으로 인해 연료로서

의미를 가지는 유중수형의 혼합비 EF42를 알아낼 수 있었다 미세폭발에 관한 실험에서는 디. 젤만 의 증발로 인한 미세폭발 현상을 관찰 할 수 없 었으며 과산화수소가 첨가된 에멀젼연료의 경우 , 혼합비가 증가 될수록 과산화수소의 증발에 따른 미세폭발 현상이 두드러지는 것을 관찰 할 수 있 었다 이러한 결과로부터 과산화수소의 증발 잠. 열로 연소실 내 온도를 낮추고 이로 인해 , NOx 의 발생 억제 및 함산소연료로 인하여 Soot 저감 효과를 기대 할 수 있다.

분무각의 변화 특성은 에멀젼연료 혼합비와 (2)

분사압력에 영향을 받지 않고 본 실험연구에서는 약 11°로 측정이 되었다.

에멀젼연료의 혼합비 및 분사압력이 분무선 (3)

단도달거리에 미치는 영향을 알아보기 위해 분무 실험을 통해 측정한 데이터를 분포를 이용해 분t- 석하였다 구간 비교를 통해 혼합비가 분무선단. 도달거리에 미치는 영향은 미미하다는 것을 알 수 있었으며 이를 통해 연료의 혼합비의 변화로 , 인한 물성치 변화는 분무선단도달거리 변화에 영 향을 줄 만큼 상대적으로 크지 않다는 것을 확인 할 수 있었다 또한 혼합비의 . 변화보다는 분사압 력이 분무선단 도달거리에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.

후 기

이 논문은 2013년도 정부 교육부 의 재원으로 ( ) 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행 된 것임(NRF-2013R1A1A2011842).

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