에탄올/가솔린 혼합연료의 물리적 특성에 따른 분무 특성 비교
김웅일
*
ㆍ김영근*
ㆍ이황복**
ㆍ이기형†
Comparison of Spray Characteristics according to Physical Properties of Ethanol/Gasoline Blended Fuel
Woong Il Kim, Youngkun Kim, Hwang Bok Lee and Kihyung Lee
Key Words: Anhydrous ethanol(무수에탄올), Hydrous ethanol(함수에탄올), Injection rate(분사율), Spray visualization (분무가시화), Spray Pattern(분무패턴)
Abstract
The aim of this study is to investigate the effect of physical properties of fuels on spray characteristics in the gasoline direct injection system. Injection rate, spray visualization, and spray pattern experiments were performed to analyze the spray characteristics of ethanol, gasoline, and ethanol/gasoline blends. We measured injection rate of each fuel via the Bosch method. The spray visualization experiment was also carried out at atmospheric pressure using a high-speed camera. Finally, the average of drop surface area per unit volume was measured using the optical patternator. The experimental results from Bosch method showed that peak injection rate increased when the volume fraction of ethanol increased. In addition, higher viscosity of ethanol than that of gasoline leads to longer injection delay. At the initial injection region before reaching 0.8 ms, the spray tip penetration becomes longer as increasing the volume fraction of ethanol, but reversely shorter after 0.8 ms.
It was found that ethanol makes spray angle become larger. The surface area per unit volume of the drop was decreased as the distance from the injection tip or the concentration of the gasoline increased.
1. 서 론
강화되는 배기규제, CO2 (Carbon dioxide) 및 연비규 제로 인해 대체 연료 사용의 필요성이 증대되고 있다.
이 때문에 하이브리드 차량, 전기 차량과 더불어 에탄올, 수소, 바이오디젤, DME(Dimethyl Ether), LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 연료를 사용하는 친환경 차량이 여 러 기관에서 개발되고 있다(1-5). 이와 같은 여러 대체 연
료 중 에탄올은 기존의 가솔린과 디젤 연료에 비해 화 학적 구조가 단순하여 유해 배출물 저감이 가능하다(6). 에탄올은 연료 내에 함유된 산소 원자가 연소에 순기능 을 하는 장점이 있으며, 가솔린을 혼합하여 연소할 경우 에탄올 혼합비 증가에 따라 HC(Hydrocarbon)와 CO (Carbon monoxide)가 감소하는 경향이 나타난다(7). 또한 높은 증발 잠열로 인한 흡입 공기의 냉각 효과로 가솔 린 대비 약 3~5배의 충전효율이 증가한다(8,9).
에탄올 연료를 SI(Spark Ignition) 엔진에 사용하였을 때, 가솔린에 비해 제동출력, 제동평균유효압력이 향상 되고 HC, CO 및 NOx(Nitrogen Oxide)의 배출농도가 감 소하는 결과를 보인바 있으며(10), 성층 연소조건에서의 에탄올/가솔린 연료를 모사한 PLIF(Planar Laser- Induced Fluorescence) 실험에서 에탄올이 가솔린을 모 사한 이소옥탄에 비하여 분무의 균질성이 우수하고 분
(Recieved: 8 Mar 2017, Recieved in revised form: 14 May
2017, Accepted: 16 May 2017)
*
한양대학교 기계설계공학과
**
현대자동차(주) 남양연구소
†
책임저자, 회원, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (031)400-5251 FAX : (031)400-4064
무끝단 와류부근에서 액상의 분포가 적은 것을 관찰한 결과를 보인바 있다(11).
해외의 경우 FFV(Flexible Fuel Vehicle) 차량의 생산 량이 증가되는 추세이며, 운전자의 운전 패턴에 따른 에 탄올/가솔린의 혼합율을 결정하여 주유할 수 있는 인프 라가 구축되어 있다. 하지만 혼합연료 사용 시 혼합연료 를 주유할 때마다 연료 탱크의 잔여 연료로 인해 비율 이 달라지고 연료의 특성이 변하면서 연소 특성이 달라 지는 단점이 존재한다.
이러한 단점을 보완하기 위해 에탄올 연료 성분 감지 가 가능하고 성분비에 따른 연소 최적화가 가능한 엔진 개발이 필요하며, 대상 엔진의 연소 최적화를 위해 흡기 유동과 연료의 분무 평가가 이루어져야 한다.
또한 FFV의 지속적인 경쟁력 확보를 위해서 기존 간 접분사 방식의 차량을 다운사이징 기술을 적용하여 터 보 직접분사 FFV으로 대체 하기 위한 기술개발이 필요 하다. 직접분사 시스템의 경우 간접분사 방식의 엔진보 다 연비와 출력 개선의 효과가 있기 때문에 다운사이징 기술과 터보 기술을 같이 이용하면 배기 개선 효과도 함께 볼 수 있다.
그러나 실린더 내에 직접 분사하는 시스템의 경우, 가 솔린과 에탄올의 물리화학적 특성 차이로 인해 혼합연 료의 혼합율에 따른 연소차이가 발생하게 되고, 점도 및 기화잠열의 차이가 분무 도달 거리와 연료분사면적에 직접적인 영향을 주게 되어 분무 도달 거리의 증가로 인한 Wall wetting 현상이 발생하여 엔진 연소에 악영향 을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 가솔린과 에탄올 의 혼합율에 따른 분사압력 및 분사 패턴 등을 분석하 여 연소 최적화에 적합한 분무 특성에 대한 기초 자료 를 획득하고자 한다.
2. 실험 장치 및 방법
본 연구에 사용된 실험연료는 에탄올연료와 가솔린연 료를 부피기준으로 혼합한 연료이며, 각 연료의 자세한 특성은 Table 1(12)과 같다. 이와 같은 에탄올/가솔린 혼 합연료는 FFV 차량이 많이 사용되고 있는 브라질 시장 을 고려하여 무수에탄올과 함수에탄올을 구분하여 혼합 하였으며, 자세한 연료 혼합비와 명명은 Table 2에 나타 내었다. 브라질 시장의 경우 에탄올 혼합율에 따라 생산 되는 에탄올의 종류가 다르기 때문에 이와 같이 실험 연료를 구분하여 실험을 진행하였다. 실험연료의 분사
를 위해 사용된 인젝터는 6공 GDI (Gasoline Direct Injection) 인젝터를 사용하였다. 또한 각 실험별 분사 조
Table 1 Characteristics of Gasoline and Ethanol Properties Gasoline Ethanol Chemical formula C8H18 C2H5OH Molecular weight (kg/kmol) 114.15 46.07
Oxygen (%wt) 0 35
Octane number 86~94 98~100 Density@20oC (kg/m3) 732 792 Latent heat of vaporization (kJ/kg) 289 854 Auto-ignition temperature (oC) 257 423 Lower heating value (MJ/kg) 43.47 26.87
Air-fuel ratio 14.7 9
Table 2 Nomenclature and ethanol type of test fuel accord- ing to blended ratio
Blended ratio Nomen- clature
Ethanol type Ethanol 0% + Gasoline 100% E0
Anhydrous Ethanol 10% + Gasoline 90% E10
Ethanol 20% + Gasoline 80% E20 Ethanol 30% + Gasoline 70% E30
Hydrous Ethanol 40% + Gasoline 60% E40
Ethanol 50% + Gasoline 50% E50 Ethanol 60% + Gasoline 40% E60 Ethanol 70% + Gasoline 30% E70 Ethanol 80% + Gasoline 20% E80 Ethanol 90% + Gasoline 10% E90 Ethanol 100% + Gasoline 0% E100
Table 3 Conditions of injection system Dimensions Conditions Injection system Gasoline Direct Injection
Injector type Solenoid injector
Number of hole 6
Injection pressure (MPa) 15 Energizing duration (ms) 1.5 Peakup/Holding Current (A) 6.3 / 3.0
건은 SAE J2715 STANDARD TEST CONDITIONS(13) 을 기준으로 하여 실험을 진행하였다. Table 3은 본 연 구에서의 분사조건을 나타내었다.
2.1 분사율 실험 장치 및 방법
본 연구에서는 에탄올/가솔린 혼합연료의 분사율을 측정하기 위해 Fig. 1과 같이 분사율 실험장치를 이용하 여 분사율을 측정하였다. 본 실험은 Bosch 장관법(14)을 이용하여 측정하였으며, 관 내부의 압력변화를 압력센 서 (Kistler, 4045A)를 이용하여 측정하였으며, 압력 변 화와 인젝터 신호를 취득하여 Labview 기반의 프로그램 을 이용하여 분석하였다. 분사압력은 15 MPa, 통전기간 은 1.5 ms로 동일하게 분사하였으며, 관내의 압력은
Relief 밸브로 모든 실험조건에서 1.0 MPa로 유지하여 실험연료의 성분비에 따른 분사율 특성의 차이를 관찰 하였다.
2.2 분무 가시화 실험 장치 및 방법
에탄올/가솔린 혼합연료의 분무형상을 비교하기 위해 Fig. 2와 같은 분무 가시화 실험장치를 구성하였다. 분 사 조건은 이전과 동일하며, 분사된 연료를 LED 램프 를 광원으로 하는 고속카메라(Phantom, V7.0)를 이용하 여 10,000fps로 촬영하였다. 분위기압력은 모든 연료가 동일하게 대기압조건에서 진행되었으며, 촬영된 영상을 통해 Fig. 3과 같은 정의에 의하여 Matlab 프로그램을 이용하여 분무 도달 거리와 분무각을 산출하여 분무특 Fig. 1 Schematic diagram of injection rate experiment
Fig. 2 Schematic diagram of spray visualization experi- ment
Fig. 3 Definitions of spray tip penetration and spray angle
Fig. 4 Principle of Patternator measurement
성을 분석하였다.
2.3 분무 패턴 실험 장치 및 방법
실험연료의 분무 단면적 형상과 단위 면적당 분무 표 면의 크기를 측정하기 위해 Fig. 4와 같이 발산된 Laser 를 이용하여 분무된 입자의 굴절정도를 Array detector 로 받아 Laser sheet의 단위 면적당 지나는 입자 표면 크 기를 분석하는 원리를 이용하는 분무 패턴 측정 장비 (Setscan, OP-600)를 이용하였다. 측정 위치는 인젝터 팁 으로부터의 거리를 기준으로 하였으며, 대기압조건에서 동일하게 Fig. 5와 같은 방법으로 실험을 진행하였다.
3. 실험 결과
3.1 에탄올/가솔린 혼합연료의 분사율 특성
에탄올/가솔린 혼합연료의 분사율을 측정하기 위해 분사량 실험이 선행되었다. 그 결과는 Fig. 6과 같이 나 타났으며 에탄올 성분비가 높을수록 분사량이 많은 것
을 알 수 있다. 이에 따른 에탄올/가솔린 혼합연료의 분 사율을 측정한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 결과 그림 에서 알 수 있는 바와 같이 SOE(Start of Energizing) 이 후 약 1.8 ms 지점에서 순간 분사율이 최대값을 가지며, 에탄올의 성분비가 높을수록 분사율 측정값이 높은 결 과를 나타내었다. 이러한 결과는 가솔린에 비해 에탄올 의 높은 밀도로 인해 순간 분사량의 증가에 기인한 결 과로 여겨진다.
또한, 분사초기에는 에탄올의 성분비가 높을수록 분 사율이 늦게 상승하는 결과를 보였는데, 이는 가솔린에 비해 에탄올이 높은 점도를 가지고 있기 때문에 분사 초기에 지연현상이 나타나는 것으로 판단된다. 분사지 연시간은 SOE 이후 약 0.35~0.45 ms의 결과를 나타내 었다. 점도로 인한 연료별 분사지연 결과차이는 약 1.0 ms 이후 역전이 되는 결과를 보였다.
3.2 에탄올/가솔린 혼합연료의 분무 특성 비교 고속카메라를 이용하여 에탄올/가솔린 혼합연료의 분 무 가시화 실험을 통해 분무 도달 거리를 측정한 결과 를 Fig. 8과 같이 나타내었다. 분사 초기에는 에탄올 성 분비가 높을수록 분무 도달 거리가 길게 나타나며, Fig. 5 Schematic diagram of spray pattern experiment
Fig. 6 Injection quantity of ethanol/gasoline blended fuel
Fig. 7 Injection rate curve of ethanol/gasoline blended fuel
Fig. 8 Spray tip penetration of ethanol/gasoline blended fuel Fig. 9 Spray angle of ethanol/gasoline blended fuel
Fig. 10 Spray pattern contour of ethanol/gasoline blended fuel
ASOI(After Start of Injection) 약 0.5~0.8 ms 이후에서는 가솔린 성분비가 높은 연료의 분무 도달 거리가 길게 나타나는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 가솔린에 비 해 높은 밀도를 가지고 있는 에탄올로 인해 분사 초기 에는 에탄올 성분비가 많은 연료의 분무 도달 거리가 길게 나타나는 것으로 보이며, ASOI 0.5~0.8 ms 이후의 구간에서는 분무가 진행되면서 에탄올 연료의 증발로 인하여 분무도달 거리가 감소하는 결과로 판단된다.
Fig. 9는 에탄올/가솔린 혼합연료의 분무각을 비교한 결과그림이다. 에탄올의 성분비가 높을수록 분무각이 크게 나타나는 경향을 보였다. 이는 에탄올 연료가 증발 하면서 분무 진행 방향과 수직인 방향으로 확산되어 분 무각이 크게 나타나는 결과로 판단된다.
이와 관련하여 좀 더 다양한 조건에서 혼합연료의 성 분비에 따른 비교분석이 필요할 것으로 보인다.
3.3 분무 단면적 및 입경 분포 특성
분무 패턴 측정 장비를 이용하여 에탄올/가솔린 혼합연 료의 분무 단면적에 대한 입경 분포를 관찰한 결과, Fig.
10과 같이 에탄올의 성분비가 높은 연료의 단면적이 대체 로 크게 나타나는 경향을 보였다. 결과에서 붉은 색으로 나타날수록 단위 면적당 입자의 크기가 큰 결과를 나타낸 것이다. 가솔린에 비해 에탄올 성분비가 높을수록 분무 중앙에 붉은 부분이 작게 나타났다. 이는 분무 거동에서 에탄올에 비해 가솔린이 좀 더 분무 중앙에 집중되어 분 사가 되며 분무각의 결과를 통해 유추해 봤을 때, 에탄올 의 영향으로 인해 에탄올 성분비가 높을수록 분무가 확산 되어 단면적이 크게 나타나는 결과로 판단된다.
반면에, 에탄올의 성분비가 높을수록 전체적인 입자 표면 크기가 크게 나타나는 경향을 보였다. 에탄올의 분 자식을 살펴보면 수소결합이 생기는 것을 알 수 있으며, 이러한 이유로 인해 점도 또한 높은 것으로 추정된다.
입자 표면의 크기가 크게 나타나는 결과도 이러한 이유 라고 판단된다.
또한 인젝터 팁으로부터 80 mm에서 측정한 입자들 이 20 mm에서 측정한 입자들보다 작은 경향을 나타냈 다. 이러한 경향은 분무가 진행되면서 미립화가 됨에 따 라 나타나는 결과로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 GDI 시스템에서 에탄올/가솔린 혼합연료
의 분무특성을 실험적으로 규명하였으며, 그 결과는 다 음과 같다.
(1) 에탄올의 높은 점도로 인해 에탄올 성분비가 높은 연료는 초기 분사가 지연되지만 이후에 에탄올의 높은 밀도로 인해 순간적으로 많은 분사량 특성을 가진다.
(2) 분무 가시화를 통해 분사 초기에 에탄올 성분비가 높은 연료의 분무가 빠르게 진행됨을 알 수 있으며, 이 후에 에탄올의 증발로 인해 분무 발달이 지연된 결과를 보인다.
(3) 분무 진행 방향과 수직인 방향으로 에탄올이 확산 되어 에탄올 성분비가 높은 연료가 큰 분무각을 가진다.
(4) 큰 분무각을 가지는 에탄올은 분무 단면적을 측정 하였을 때 넓은 단면적을 가진다.
(5) 에탄올의 수소결합으로 인해 가솔린보다 높은 점 도와 큰 입자 표면 크기를 갖는다.
(6) 분무의 미립화가 진행됨에 따라 인젝터 팁으로부 터 멀어질수록 작은 입자 크기를 가진다.
후 기
본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기 술개발사업단의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드 립니다.
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