미세버블 디젤 연료의 분사율과 미시적 분무특성에 대한 연구
진해론
*
ㆍ이승우**
ㆍ김기현**,†
Investigation on Injection Rate and Microscopic Spray Characteristics of Fine Bubble Diesel Fuel
Hai-Lun Chen, Seungwoo Lee, and Kihyun Kim
Key Words: Diesel(디젤), Fine bubble(미세버블), Injection rate(분사율), Microscopic spray image(미시적 분무 이미지), Spray penetration(분무 도달 거리)
Abstract
This study aims to investigate injection rate and microscopic spray characteristics of diesel fuel containing fine air bubble (FBD). fine bubble was generated by cavitation theory using bubble generator. Fuel spray was injected into constant volume chamber and visualized by high speed camera. The injection rate data was acquired with bosch tube method. Injection rate of finebubble diesel was very similar with that of diesel. It showed slightly faster injection start by 5 µs attributed to the low viscosity characteristics. In microscopic spray visualization, fine bubble diesel spray showed unsymmetric spray shape compared with diesel spray. It also showed very vigorous spray atomization performance during initial spray development.
Improved atomization was also attributed to the low viscosity and surface tension of finebubble diesel fuel.
1. 서 론
본 연구에서는 미세버블을 함유한 디젤의 엔진 적용 성과 분무 특성에 대해 연구하였다. 디젤엔진에서 발생 하는 질소산화물과 입자상 물질을 저감하는 것은 대기 오염을 줄이기 위한 중요한 이슈이며, 그 동안 이를 해 결하기 위한 많은 연구들이 수행되었다(1). 연료 설계는 그 중 하나의 방법이다.
2013년 일본에서 행해진 연구에서, 직경 1 µm 이하의 나노사이즈 버블을 디젤에 함유시킨뒤 엔진 연소에 적 용하였다. 결과, 저중부하 엔진 운전영역에서 약 3% 수
준의 연비를 저감하였다고 보고하였으며 배기온도, 입 자상물질, 엔진소음 부분은 거의 일정하게 유지하였다 고 보고하고 있다(2,3).
또한 국내 보고된 연구에 따르면, 미세버블을 함유한 디 젤연료를 가열판 위에서 증발시킨 결과, 마이크로 버블 디 젤 연료 내 산소 포화도가 증가하였고, 연료의 점도가 감 소하며 연료의 미세폭발현상과 버블 생성기간의 증가로 인해 증발이 활발해진다고 하였다(4,5). 본 연구에서는 미세 버블 디젤을 디젤 분사시스템에 적용하여 일반디젤에 비 해 갖는 물리적 특성과 분사율 특성, 그리고 초기 분무 분 열과정에 대해 조사하기 위해 미시적 분무 가시화 기법을 이용한 연구를 수행하였고 결과에 대해 논의하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험 장치
2.1.1 미세버블생성 디젤 분사 시스템
(Received: 19 Feb 2020, Received in revised form: 29 Feb
2020, Accepted: 6 Mar 2020)
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Shanwei Polytechnic, 86-18682257997
**
신라대학교 융합기계공학부
†
신라대학교, 융합기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (051)999-6925 FAX : (051)999-5652
본 연구에서는 기존의 디젤분사시스템을 최대한 활용 하고, 미세버블디젤을 생성하기 위하여, 저압펌프단에 미세버블디젤생성기(NBS312, 엔비테크닉스)를 추가하 였다. 미세버블생성기 제작사에서 수행한 미세버블 측 정 시험 결과에 따르면, 유체에 포함되어 있는 미세버블 의 미세버블크기는 0.04~2 µm 이내에 80% 이상의 버 블이 분포하고 있다(6).
Figure 1의 그림은 디젤 분사시스템의 개략도를 나타 낸다. 우선 디젤 연료 탱크에서 미세버블생성기를 거쳐 저압으로 가압된 연료는 고압펌프를 통해 고압으로 가 압되고 커먼레일로 공급된다. 이 때, 미세버블생성기는 저압펌프의 역할을 담당하게 되는데 공기의 유입을 차 단하면 일반적인 디젤 저압펌프와 동일한 역할이며, 공 기를 유입하여 작동시키면 미세버블 생성기이자 저압펌 프의 역할이 되면서 미세버블디젤이 공급된다.
Figure 2에서 보면, 중앙에 기어펌프식 연료저압펌프
가 장착되고 그 전단에서는 이젝터 형식으로 공기가 유 입되어 혼합될 수 있는 관이 위치한다. 연료저압펌프를 통해 저압(3~5 bar)으로 가압된 연료는 미세버블 생성기 로 유입되며 이곳에서 미세버블이 생성되게 된다.
Figure 3의 그림은 미세버블 생성기의 원리를 나타낸 다. 연료와 공기가 혼합된 상태로 미세버블 생성기로 유 입되면 기액 혼합유가 coning double bunker spool을 통 과하면서 기체가 미세사이즈로 쪼개어지게 되며, 이 때 미세버블이 생성되게 된다.
미세버블이 함유된 디젤 연료는 저압 (3~5 bar)로 가 압된 후 고압펌프로 이송되며 고압펌프에서 고압으로 가압된 연료는 커먼레일을 통하여 분사기로 전달된다.
2.1.2 분사율 실험 장치
분사율은 Bosch(1996)가 제안한 보쉬튜브법(Bosch tube method)을 이용하여 취득하였다. Fig. 4는 분사율 실험 장치 구성을 나타낸다. 연료 분사에 의한 튜브 내 압력 변동 해석을 위하여 압전 방식의 압력 센서 Kitsler 社의 Fig. 1 The schematic of diesel fuel injection system
Fig. 2 The image of fine bubble generator
Fig. 3 Principle of fine bubble generator(4)
Type 6052A와 전하증폭기 Kitsler 5011을 이용하여 압 력 센서에서 측정된 신호를 증폭하여 오실로스코프를 통해PC로 데이터를 취득하였다. 실험 조건 별 128회 분 사율을 측정하여 평균한 분사율 데이터를 비교분석을 하였다.
2.1.3 미시적 분무 가시화 시스템
Figure 5는 미시적 분무 가시화 시스템의 개략도를 나 타낸다. 가시화의 용이성 및 분석의 질을 높이기 위하여 단공 인젝터를 사용하였다. 단공인젝터는 Bosch Euro5 인젝터이며, 홀의 직경은 250 µm이다. 단공인젝터에서 분사된 연료분무는 쳄버의 중앙 영역에 분사된다. 분무 의 측면에는 8W 출력, 532 nm의 파장의 레이저가 출력 되어 분무에 조사된다. 반대쪽 측면에는 현미경 렌즈 (K2DistaMax, Infinity Co.)가 고속카메라에 장착되어 레 이저를 마주보게 되고, Back illumination 방법을 이용하 여 분무를 촬영하게 된다. 촬영하는 영역은 노즐 출구 근처의 2.1 mm × 2.1 mm 영역을 설정하였으며, 이 이 유는 노즐 출구 근처영역에서 분무의 초기 분열을 가시 화 하기 위함이다. 고속카메라는 Photron 사의 SA1.1을 사용하였다. 고속카메라와 컴퓨터, 그리고 인젝터의 분 사시그널은 서로 동기화 되어 분사시그널이 인가되면 고속카메라의 녹화가 개시되고, 인젝터의 분사역시 개 시된다. 고속카메라의 성능 특성상, 512 × 512해상도로 20000 frame/sec 로 촬영을 수행하였다. 또한 충분히 선 명하고 정지된 분무 이미지를 얻기 위하여, 고속카메라 의 노출시간을 0.5us 로 최대한 짧게 적용하였다. 미시 적 분무가시화를 통해 얻은 예시 이미지를 Fig. 6에 나 타내었다. 이미지의 왼쪽에는 인젝터 노즐이 위치해 있 으며 노즐로부터 연료분무가 오른쪽 방향으로 분사된다.
Fig. 4 The schematic of injection rate meter
Fig. 5 The schematic of microscopic spray visualization system
Fig. 6 Sample image of microscopic spray
노즐로부터 분무 끝단까지의 분무도달거리, 분무면적, 분무 비대칭성 등을 분석하였다.
2.2 실험 조건
Table 1에 연료 온도, 분사압력, 분사기간 등 실험 인 자를 표시하였다. 연료온도는 40°C에 고정하였다. 연료 온도를 제어하기 위하여 인젝터 어댑터를 가공하여 인 젝터바디 및 노즐팁부를 냉각수를 이용하여 온도를 제 어하였다.
2.3 연료의 물성치
본 실험에 사용된 일반 디젤과 미세버블디젤의 물성 은 Table 2와 같다. 연료의 물성은 밀도계(DMA501, Anton Paar), 점도계(DV1M, BROOKFIELD), 표면장력 계(Sigma 703D, KSV INS)를 사용하여 측정하였다. 미 세버블을 함유한 디젤 연료의 물성이 일반 디젤에 비해 밀도가 낮고, 점도와 표면장력이 소폭 감소하는 것으로 나타났다.
3. 실험 결과 및 논의
3.1 분사율 결과
Figure 7은 미세버블디젤과 디젤의 분사율 시험 결과 를 나타낸다. 시간에 따른 분사율 결과를 살펴보면, 우 선 분무초기의 분사율의 상승 기울기에서 큰 차이를 보
이지 않는 모습을 볼 수 있다. 그리고 거시적으로 분사 율 형상을 살펴보면 두 연료가 거의 비슷한 형태의 분 사율을 보이는 것을 알 수 있다. 이와 같이 분사율에 큰 차이가 없는 이유는 미세버블디젤의 경우 고압으로 가 압될 경우 버블의 크기가 매우 작은 크기로 압축되기 때문에 실질적으로 디젤과 거의 다를바가 없으며, 분사 되는 환경도 파이프 내부가 50 bar의 배압이 형성되어 있기 때문에 분사되고 난 후에도 버블은 여전히 매우 작은 크기로 압축되어 있다. 따라서 많은 기체가 미세버 블디젤안에 용해되어 있다고 해도 밀도나 점도 등의 분 사율 특성에 변화를 가져올 수 있는 물리적 특성에는 큰 차이가 없는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 분사율 시험 결과를 분사시작시점에 대해 미시적으로 살펴보면 미세버블디젤이 일반디젤연료보다 분사개시가 약 5 µs 정도 더 빠르게 나타났다. 이는 미세버블디젤의 낮은 점 도로 인하여 초기 관내유동의 마찰저항 감소로 인한 결 과로 판단된다.
3.2 미시적 분무 발달 비교
Figure 8은 미시적 분무 가시화를 통해 얻은 분무 이 미지들을 나타낸다. 연료온도 40°C, 분사압력 800 bar, 주변 압력 1 bar 대기압 조건에서 분무의 발달을 시간 에 따라 표시하였다. 왼쪽이 디젤, 오른쪽이 미세버블디 젤을 나타낸다. 이미지의 왼쪽에 있는 노즐로부터 시간 이 진행됨에 따라 분무가 발달되어 오른쪽으로 진행되 게 된다. 동일시간대의 분무를 대상으로 비교하면 분무 Properties Diesel Fine bubble diesel
Density [kg/m3] 830 825 Viscosity [mm2/s] 2.65 2.46 Surface tension [mN/m] 25.84 23.55
Fig. 7 injection rate of fine bubble diesel and diesel (Fuel temperature: 40 degC, injection pressure : 40, 80, 160 MPa)
도달거리 및 발달정도를 비교할 수 있지만, 미세버블디 젤 분무의 시작이 분사율 결과에서도 확인한 바와 같이
시작이 조금 더 빠르기 때문에 이미지 비교는 동일한 분무도달거리에 도착한 시점의 이미지로 비교 분석을 수행하였다. 이 경우, 동일한 축방향 도달거리조건에서 분무가 반경방향으로 퍼지는 정도와 미립화 정도를 비 교할 수 있다. 이미지에서 분무발달과정을 보면, 미세버 블디젤분무의 경우 분무 초기부터 분무의 중심부에서 많은 양의 액주와 액적들이 떨어져 분리 되는 현상을 볼 수 있다. 그리고 분무가 디젤 분무보다 더 비대칭적 이고, 비정형화된 모습을 형성하는 것을 알 수 있다. 이 는 분무의 초기 분열이 활발하다는 말과 동일한 의미를 가지고 있다. 초기 분무의 분열은 연소가능한 초기 혼합 기의 형성과정을 의미하는 것이고, 분무의 분열이 활발 하다는 뜻은 주변 공기와 혼합이 활발히 이루어진다는 의 미이므로 미세버블 디젤 분무가 디젤 분무보다 더 활발한 초기 연료 공기 혼합 특성을 나타낸다고 볼 수 있다.
이렇게 더 활발한 초기 혼합을 일으키는 원인은 첫째, 미세버블의 낮은 연료 점도와 표면장력 특성에 기인한 것으로 보인다. 점도와 표면장력은 주변 공기에 의한 저 항으로부터 분무의 형태를 유지하게끔 도움을 주는데, 점도와 표면장력이 낮게 되면 주변 공기의 항력에 의해 분무의 형태를 안정적으로 유지하지 못하고, 쉽게 액주 가 분리되고, 액적이 떨어져 나가는 등 활발한 분열 현 상이 발생하게 된다(7). 그런 의미에서 미세버블의 낮은 점도와 표면장력은 이와 같은 초기 분열현상에 영향을 주었을 것으로 판단된다. 두 번째 이유는 연료속에 포함 되어 있는 미세버블들의 미세 폭발로 인하여 분무 분열 이 촉진되었을 수 있다(4). 그러나 이는 실험적으로 추가 적인 확인이 필요한 것으로 판단된다.
Figure 9와 Fig. 10은 미시적 분무가시화를 통해 얻 은 이미지를 정량적으로 분석한 그래프를 나타내고 있 다. 분무 도달거리, 분무각을 나타낸다. 분무도달거리는
Fig. 8 Microscopic spray images for the spray develop- ment (Fuel : Diesel, fine bubble diesel, Fuel temp : 40 degC, injection pressure : 80 MPa)
Fig. 9 Spray penetration of finebubble diesel and diesel (injection pressure : 80, 160 MPa)
분무가 축방향으로 전파해 나가는 속도를 나타내는 특 성을 나타낸다. 분무도달거리를 비교해보면, 미세버블 디젤이 디젤보다 미세하
게 더 빠른 분사시작을 나타내는 것을 볼 수 있다. 그 러나 분사가 시작되고 가시창의 끝에 도달할 때까지 시 간은 비슷하므로, 초기에 분무가 발달하는 속도는 비슷 한 모습을 알 수 있다.
분무각의 결과를 살펴보면, 모든 조건에서 미세버블 디젤이 순수디젤에 비해서 분무각이 크게 나타나는 경 향을 볼 수 있다. 분무각은 초반에 크게는 약 20도 이상 차이나는 분무도 나타난다. 이는 앞서 이미지 분석에서 기술한 바와 같이, 미세버블디젤의 낮은 점도, 표면장력 그리고 미세버블의 팽창/폭발에 기인하는 것으로 판단 된다. 대부분의 이미지에서 미세버블 분무가 더 활발한 초기 분열과 확장성을 나타내었다. 분무각이 크다는 것 은 반경방향으로 분무가 더 넓게 퍼진다는 것을 의미하 며, 이는 연소실내에서 더 넓은 영역에 분무가 확산될 수 있고, 이로 인해 미립화와 혼합이 개선될 수 있을수 있다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 디젤에 미세사이즈의 버블을 첨가시킨 미세버블디젤을 디젤엔진의 분사시스템에 적용하여, 미 세버블디젤과 일반디젤의 분사율 특성과 미시적 분무발 달특성을 비교분석하였다. 다음과 같은 결론을 도출하
후 기
본 연구는 2018년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.
2017R1C1B5017435).
참고문헌
(1) “미세먼지, 도대체 뭘까?” 환경부 행정간행물 11- 1480000-001435-01, 2016.04.
(2) Y. Nakatake, S. Kisu, K. Shigyo, T. Eguchi and T.
Watanabe, “Effect of nano air-bubbles mixed into gas oil on common-rail diesel engine”, Energy, Vol. 59, 2013, pp. 233~239.
(3) Y. Nakatake, T. Watanabe and T. Eguchi, Experimen- tal investigation on diesel engine performance using nano air-bubbles mixed into gas oil. Energy & Power Engineering, 2012.
(4)동목, 박기영, 이성욱. “마이크로 버블 디젤 연료의 증발 특성 연구”, 2018년 한국자동차공학회 추계학술 대회, 2018.
(5)박기영, 이성욱, Padmanaban Sudakar, 윤성호, “정적 연소기에서 미세 기포 혼합 디젤 연료의 분무 특성에 관한 실험적 연구”, 2017년 한국자동차공학회 추계학 술대회, 2017년.
(6)엔비테크닉스, http://www.nbtechnics.com, 2017.
(7) C. Crua, M. Heika and M. Gold, “Microscopic imag- ing of the initial stage of diesel spray formation”, Fuel, Vol. 157, 2016, pp. 140~150.
