An Experimental Study on the Ignition Probability and Combustion Flame Characteristics of Spark-Ignited Direct-Injection CNG

스파크점화직분식 CNG의 점화성 및 연소화염 특성에 대한 연구

황성일^†·정성식^*·염정국^*·전병열^**·이진현^**

An Experimental Study on the Ignition Probability and Combustion Flame Characteristics of Spark-Ignited Direct-Injection CNG

Seongill Hwang, Sungsik Chung, Jeongkuk Yeom, Byongyeul Jeon and Jinhyun Lee

Key Words: CNG(압축천연가스), Ignition probability(점화성), Visualization system(가시화 시스템), Flame propagation characteristics(화염전파특성)

Abstract

For the SI engines, at only full load, the pumping loss has a negligible effect, while at part load conditions, the pumping loss increases. To avoid the pumping loss, the spark-ignited engines are designed to inject gasoline directly into the combustion chamber. In the spark-ignited direct-injection engines, ignition probability is important for successful combustion and the flame propagation characteristics are also different from that of pre-mixed combustion. In this paper, a visualization experiment system is designed to study the ignition probability and combustion flame characteristics of spark-ignited direct- injection CNG fuel. The visualization system is composed of a combustion chamber, fuel supply system, air supply system, electronic control system and data acquisition system. It is found that ambient pressure, ambient temperature and ambient air flow velocity are important parameters which affect the ignition probability of CNG-air mixture and flame propagation characteristics and the injected CNG fuel can be ignited directly by a spark-plug under proper ambient conditions. For all cases of successful ignition, the flame propagation images were digitally recorded with an intensified CCD camera and the flame propagation characteristics were analyzed.

1. 서 론

자동차 배기가스 배출로 인한 환경문제가 심각해질수 록 배출허용기준과 연비규정이 엄격해진다^(1-2). 디젤엔 진은 높은 열효율이라는 장점이 있지만, 그러나 특히 NOx와 PM 배출이 대단히 높은 편이다^(3-4). 스파크점화 (SI) 엔진은 엔진 노킹과 불가피한 펌핑손실이라는 제약

때문에 낮은 열효율을 갖는다. 지난 20년 동안 디젤엔 진과 SI 엔진 각각의 최고의 특징을 결합한 내연기관을 자동차에 적용할 수 있도록 발전시키기 위한 시도가 계 속되어 왔고, 많은 연구가 이 문제를 해결하기 위해 수 행되어 왔다. 근래에는 가솔린 직분식 GDI 엔진이 주도 하고 있다^(5-11).

스파크점화 직분식(SIDI) 엔진은 GDI 엔진의 한 종류 이다. 이 엔진에서 연료 분무는 실린더 내부로 직접 분 사되어 점화 시점에 점화간극에서 점화 가능한 조성의 연료-공기 혼합기를 발생시킨다.^(12-13)엔진의 등급은 직 분식 성층급기(DISC) 엔진으로 지정되었다. 압축천연가 스(CNG)는 연소기관을 위한 가장 청정한 연료 중 하나 로 간주된다⁽¹⁴⁾. 많은 연구에서 드러난 바, 압축천연가스 를 사용함으로써 저공해가 실현될 수 있을 것이다^(14-17). (Recieved: 12 Jan 2016, Recieved in revised form: 6 March

2016, Accepted: 7 March 2016)

*동아대학교 기계공학과

**현대자동차 서부산서비스센터, 부산서비스센터

†책임저자, 회원, 기아자동차 부산서비스센터 E-mail : [email protected]

TEL : (051)200-7654 FAX : (051)200-7656

한편 CNG의 고옥탄가는 엔진이 고압축비 조건 하에서 작동하도록 하여 고효율에 이르도록 한다^(17-18). 현재까 지 직분식 천연가스 엔진에 대한 연구는 천연가스 균질 급기 스파크점화 엔진과 직분식 스파크점화 CNG 엔진 의 측면에서 진행된 연구 등이 있다^(19-20).

본 연구의 목적은 스파크점화 직분식 CNG 엔진의 설 계를 위한 기본적인 데이터를 제공하는 것으로, 스파크 점화 직분식 CNG 연료의 점화성과 연소화염특성을 조 사하는 데 초점을 맞추고 있다. 연소실, CNG 공급시스 템, 급기시스템, 전자제어장치, 자료취득장치로 구성되 는 가시화 실험장치를 제작하여, ICCD 카메라를 이용 해 화염전파 이미지를 디지털 방식으로 기록했다.

CNG-공기 혼합기의 점화성은 분위기 압력, 분위기 온 도, 분위기 공기유속이라는 변수에 따라 조사하였고, 다 양한 분위기 조건 하의 화염전파 특성을 분석하였다.

2. 실험장치 및 방법

Figure 1은 연소실, 연료공급시스템, 급기시스템, 전자 제어장치, 자료취득장치로 구성되는 가시화 실험 장치 의 개략도이다. 본 가시화 시스템에서는 연소실 설계가 중요하다. Fig. 2는 연소실 조립도이며, Fig. 3은 단면도 이다. 연소실의 외형은 직육면체로, 길이는 300 mm이 며 너비와 높이는 모두 180 mm이다. 내부에는 CNG 연

료의 분사와 연소가 일어나는 실린더가 있고 실린더의 직경은 100 mm이다.

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Assembling drawing of the combustion chamber

Fig. 3 Sectional view of the combustion chamber

연소화염의 거동과 구조가 다양한 분위기 압력 및 온 도 조건 하에서 측정되었다. 가능 최대 분위기 압력과 분위기 온도가 각각 1 MPa와 420K이기 때문에, 강도 조건을 맞추기 위해 알루미늄을 선택하였다. 압력게이 지, 점화플러그, 인젝터, 열전대 등이 설치되었고, 연소 실 측면의 석영창은 화염전파 가시화를 위해 설치하였 다. 공기 주입구와 배출구 양측의 벌집형 구조는 흡입공 기를 안정되고 순조롭게 얻기 위해 필요하며, O-Ring과 개스킷은 연소실을 밀봉하는 데 사용되었다.

본 실험에서는 분무유도 연소시스템을 모델로 적용하 기 위해 연소실 측면에서 연료를 분사하는 방식을 적용 하였고, L형 Nozzle을 GDI용 인젝터에 부착하였다.

Nozzle의 Tip 또한 연소실 중앙까지 연장하여, 연료는 연소실 중앙에 분사 후 점화된다. “L” Nozzle의 내부 직 경은 3 mm이다. 분사 지점과 점화 지점 사이의 간격 역 시 조절될 수 있다. 두 개의 점화플러그를 적용하였고, 이들의 접지전극은 제거 후 중심전극을 연소실의 중앙 까지 확장시켰다.

급기시스템은 압축기, 필터, 공기탱크, 공기유량계, 밸 브와 히터로 구성하였으며, 두 개의 밸브는 공기유속과 분위기 압력을 조절하기 위해 사용되었다. 공기유속 범 위는 0 m/s에서 2 m/s까지로 조절될 수 있다. 히터, K- 타입 열전대, 히터 컨트롤러는 분위기 온도를 조절하기 위해 사용되었고, 분위기 온도는 실온에서부터 420K까 지 조절될 수 있다.

연료공급시스템은 CNG 탱크, 고압 레귤레이터, 서지 탱크, 솔레노이드 안전밸브로 구성하였고, 고압 레귤레 이터는 CNG 분사압력을 조절하기 위해 사용되었다. 전

자제어부는 분사, 점화 및 고속 카메라 신호 등의 제어 신호를 발생시키기 위해 사용되었으며, Fig. 4는 이러한 신호를 보여준다.

CNG의 화염전파 이미지는 8비트 해상도에서 800×600 픽셀 이미지를 제공하는 ICCD 카메라를 이용 하여 디지털 방식으로 기록되었다.

Exposure는 523 이고 Interval은 527 이며, gain값은 1 로 설정하여 이미지 그래버를 통해 PC와 연결되었다.

Table 2 Combustion related properties of CNG Properties Volumetric % Motor octane number 120 Molar mass (kg/mol) 16.04 Carbon weight fraction (mass%) 75

(A/F)S 16.79

Stoichiometric mixture density (kg/m³) 1.24 Lower heating value (MJ/kg) 47.377 Lower heating value of stoic.

Mixture (MJ/kg) 2.72 Flammability limits (vol% in air) 5-15 Spontaneous ignition temperature (^oC) 645

Table 1 Typical composition (vol%) of CNG Component Symbol Volumetric %

Methane CH₄ 94.42

Ethane C₂H₆ 2.29 Propane C₃H₈ 0.03 Butane C₄H₁₀ 0.25 Carbon dioxide CO₂ 0.57

Nitrogen N₂ 0.44

Others (H₂O⁺) 2.0

Table 3 Experimental conditions

Item Conditions Unit Injection pressure 1 MPa Ambient pressure 0.1 ~ 0.7 MPa Ambient temperature 320, 370, 420 K

Ambient air flow 0.2, 0.25, 0.3 m/s Injection duration 5 ms

Spark timing 4 ms

Distance 20 mm

Fig. 4 Electronic control signals

CNG의 연료물성치 및 연소 관련 특성은 Table 1과 2에 나타내었고, Table 3은 실험조건을 나타내었다.

3. 실험결과 및 논의

3.1 CNG-공기 혼합기의 점화성

본 실험에서 분사된 연료는 분사 지점 가까이에서 점 화플러그에 의해 직접 점화되도록 설계하였기 때문에 연료분사압력이 점화성에 큰 영향을 미친다. 그런데 분 사압력이 높으면 분무제트 속도도 높아져서 점화성이 눈에 띄게 감소한다는 점이 발견되었으며, 따라서 분사 압력은 1 MPa로 설정하였다.

분사 후 수 ms 이내에 분사된 연료는 점화 지점 가까 이에서 공기유속과 분위기 온도, 분위기 압력의 영향 아 래 공기와 혼합된다. 오직 적절한 연료공기 혼합기만이 점화될 수 있으며, 과농하거나 과희박한 혼합기는 점화 될 수 없다. 따라서 공기유속, 분위기 온도, 분위기 압력 이 연료 점화성에 미치는 영향은 매우 크다.

본 연구에서 성공적인 점화란 화염핵의 형성으로 정 의된다⁽²¹⁾. 이때 화염핵은 불꽃방전의 결과로 형성되고, 안정된 화염을 이끌어내는 화염전파가 뒤따라야 한다.

100회를 측정하여 점화성(Ignition probability)이 80%를 넘는다면 혼합기는 이러한 조건 하에서 점화될 수 있는 것으로 여겨지며, 그 조건의 표준이라고 규정하였다.

Figure 5는 다양한 조건 하에서의 CNG-공기 혼합기 의 점화성을 보여준다. 20 mm 간격은 분사 지점에서 점화 지점까지의 길이(Distance)를 의미한다. 분위기 압 력은 0.1 MPa에서 0.7 MPa까지로 설정되었고, 분위기 온도는 각각 320K, 370K, 420K로 설정되었다.

Figure 5에서 보는 바와 같이, 혼합기는 점화시기가 적절할 때 분위기 압력 0.4~0.7 MPa 범위에서 점화될 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 점화 시의 순간속도 (instantaneous velocity) 값이 점화의 성공을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다.

높은 분위기 압력은 분사된 연료의 관통속도를 제어 하고 분위기 압력이 낮을 때는 분무제트 속도가 높아 점 화성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 적절한 점화시기 도 점화성에 중요한 요인으로 볼 수 있는데, 점화시기가 분사 후 2~5 ms일 때 성공적인 점화가 일어날 수 있다.

만일 점화시기가 빠르다면 혼합기가 적절한 시점에 스파크방전 위치까지 도달할 수 없으므로 혼합기는 점 화될 수 없고, 반면 만일 점화시기가 너무 늦다면 혼합

기는 스파크방전 위치를 지나칠 것이며 이때에도 역시 점화는 불가능해진다.

Fig. 5 Ignition probability of CNG-air mixture under dif- ferent conditions

높은 분위기 온도는 점화성 향상에 도움을 주는 것을 알 수 있는데, 이는 고온의 분위기가 점화 이전에 CNG- 공기 혼합기를 가열하여 높은 점화성을 이끌어낸 것으 로 판단된다.

3.2 화염전파 과정

Figure 6은 전형적인 화염전파과정을 보여준다. 분사 압력은 1 MPa이고 분사기간은 5 ms이며, 분위기 온도 는 320K이고 분위기 압력은 0.6 MPa이다. 분사방향에 대하여 역류공기 속도는 0.25 m/s이며 점화시기는 분사 후 4 ms로 설정하였다.

획득한 이미지와 같이, 스파크 방전이 일어난 이후 점 화 및 화염전파가 3개의 주요 단계로 구분하여 고찰되 었으며, 그 단계는 (1) 초기 화염발달, (2) 화염전파, (3) 화염소멸로 구성된다.

초기 화염발달 단계에서 스파크 방전이 발생한 이후 연소화염은 청염이며 그 형태는 대체로 원형을 이룬다.

높은 분무제트 속도의 영향으로 연소화염은 빠른 속도 로 하류로 이동한다. 스파크 방전 시 점화플러그 주변 혼합기의 운동과 조성이 초기 화염의 발달을 상당히 좌 우하며, 이 단계는 평균적으로 약 10 ms가 소요된다.

화염전파 단계에서는 난류 화염면이 원형 형태 대신 불규칙한 형태로 나타난다. 연소화염은 황백색으로 나 타났고, 화염의 전면부는 특정한 위치에 이를 때까지 전 파되며 그 위치는 분위기 변수에 따라 결정된다. 이 단 계에 소요되는 시간은 평균적으로 약 15~20 ms 이다.

세 번째 단계는 연소화염이 소멸될 때까지의 시기이 다. 이 단계에서는 역류공기 속도의 영향 아래 화염이 상류로 이동한다. 이 단계는 평균적으로 약 10~15 ms가 소요된다.

Figure 7은 난류의 영향에 의한 wrinkled flame을 보 여준다. wrinkled flame의 과정은 이미지 처리 소프트웨 어의 “Edge Hipass 3×3” 방식으로 구하였고, 밝기는 -22 까지로 설정하였다. 불꽃 방전 후 11183 µs가 지난 시점

Fig. 6 Combustion flame propagation

에서 초기의 화염은 이미지로 가시화되며, 난류의 eddy 에 의한 영향으로 매우 빠르게 성장하여 각각의 wrin- kled flame으로 분리된다. 하나의 이미지 속에 여러 격 렬한 각각의 화염이 존재하기 때문에, 각 연소의 중심은 곧 다른 중심들에 의해 교란되어 화염의 형태가 빠르게 변화한다. 이 때문에 뚜렷한 난류 화염의 특성을 보인다.

연소온도가 상승하면 화염소멸 단계 동안 화염은 주 변의 역류공기의 영향 때문에 상류로 이동한다.

난류 화염의 이미지를 기초로, 화염면 위치나 화염전 파 속도와 같은 몇몇 화염전파 특성이 측정될 수 있다.

성공적인 점화 이후 다양한 순간마다 화염면 위치가 측 정되었다.

본 연구에서 화염면 위치는 연소화염의 전면부의 위 치로 정의되며, 그 데이터는 난류 연소화염이 얼마나 빨 리 소모되는지를 정량화하는 데 중요한 역할을 한다. 난 류화염의 측정에서 중요한 것은 정확하게 측정된 화염 면 위치와 화염전파 속도를 취득하기가 어렵다는 점인 데, 화염의 발달과 그에 뒤이은 전파는 명백하게 사이클 에 따라 변동한다. 화염전파 특성의 변동은 화염면 위치 의 비교를 통해 관찰된다. 연소화염 전파 이미지가 동일 분위기 조건 하에서 5회에 걸쳐 ICCD 카메라를 통해 기록되었으며, Fig. 8은 이 비교 결과를 보여준다.

Figure 8을 보면, 초기 화염발달 단계와 화염전파 단 계에서는 화염면 위치가 대부분 동일하다. 이때 화염면 위치의 변동은 10 mm이내로 불꽃 방전 후 약 25 ms가

Fig. 7 Wrinkled flame according to the effect of turbulence

Fig. 8 Variation of flame propagation distance under the same condition

Fig. 9 Average flame front position after spark discharge

지난 시점에 일어나며, 화염면 위치는 점화플러그 위치 와 가장 멀리 떨어져 있다. 반면 화염소멸 단계에서는 화염면 위치의 변동이 보다 크며, 그 변화량은 약 25 mm이다. 이 변동과 유사한 현상이 또한 다른 분위기 온 도와 분위기 압력 조건 하에서도 관찰될 수 있다. 따라 서 결론적으로 화염전파 특성의 변동, 즉 사이클 변화는 주로 화염소멸 단계에서 나타난다고 할 수 있다.

Figure 9는 성공적인 점화 후 나타나는 다양한 순간의 평균 화염면 위치를 나타내었다. 역류공기 0.25 m/s 분 위기에서 분무의 진행 방향에 따라 화염면의 속도와 위 치가 증가하였으나, 최대 도달거리에서 약 25 ms 후에 는 난류의 경향을 보이며 서서히 소멸하였다.

Figure 10은 성공적인 점화 후 나타나는 다양한 순간 의 평균 화염전파 속도를 보여준다. 역류공기 0.25 m/s 분위기에서 최대 화염전파 속도는 점화 후 약 3 ms일 때 4.6 m/s로 나타났으며, 10 ms 이후 화염전파 속도는 서서히 감소하였다.

3.3 분위기 조건의 영향

분위기 온도, 분위기 압력 및 분위기 공기유속은 연소 화염의 거동과 구조에 큰 영향을 미치며, 화염전파 특성 의 일반적인 몇몇 경향을 고찰할 수 있었다.

3.3.1 분위기 온도의 영향

고온 분위기의 연소에서 공기의 특성변화는 CNG-공 기 혼합기의 연소속도에 영향을 미칠 것이라는 점이 예 상되었으며, 이는 CNG 연료 시스템의 성능을 평가하는 데에도 중요한 자료로 사용될 것이다.

Figure 11은 분위기 온도가 화염면 위치에 미치는 영

향을 나타며, Fig. 12는 분위기 온도가 화염전파 속도에 미치는 영향을 보여준다.

화염면 위치와 화염전파 속도는 분위기 온도에 의존 한다. Fig. 11과 Fig. 12를 보면, 분위기 온도가 높을수 록 화염면 위치와 화염전파 속도가 일부 증가함을 알 수 있다. 초기 화염발달 단계에서 분위기 온도가 320K 와 370K일 때의 화염면 위치는 점화플러그 위치 보다 멀리 떨어져 있다.

알려진 바와 같이, 초기 화염발달 단계에서는 예혼합 된 CNG-공기 혼합기가 중요한 역할을 담당하며, 대부 분이 예혼합연소의 형태를 띤다. 화염면 위치와 화염전 파 속도의 차이는 점화시점에서 점화플러그 부근 분위 기 온도의 차이에 영향을 받는 혼합기의 운동과 그 조 성으로부터 발생한 결과일 것이다.

분위기 온도는 320K~370K일 경우 연소화염 특성에 보다 작은 영향을 미치는 반면, 420K의 경우는 화염면 Fig. 10 Average flame propagation speed after spark dis-

charge

Fig. 11 Effect of ambient temperature on the flame front position

Fig. 12 Effect of ambient temperature on the flame prop- agation speed

위치와 화염전파 속도가 상당히 달라진다.

Dent⁽²²⁾가 분무에 대한 가스제트 혼합모델에 기초하 여 전개한 공식에 따르면, 관통거리는 분위기 온도와 지 수함수적 관계를 갖는다. 이는 분위기 온도가 높을 때는 분위기 온도가 연소화염 특성에 미치는 영향이 명백하 다는 것을 의미한다. 이것이 분위기 온도가 320K~370K 일 때는 그 차이가 보다 작아지고, 반면 370K~420K일 때는 보다 커지는 이유일 것이다.

또한 분위기 온도가 가장 먼 화염면 위치에 영향을 미치나, 분위기 온도의 차이 때문에 가장 먼 화염면 위 치에 도달하는 데 걸리는 시간이 평균적으로 약 25 ms 라는 점을 알 수 있다.

또한, 분위기 온도가 320K~370K일 때는 초기 화 염발달 단계에서 화염전파 속도가 상대적으로 빠르 지만, 그러나 분위기 온도가 420K일 때는 화염전파 단계에서 화염전파 속도가 상대적으로 상승함을 알 수 있다.

3.3.2 분위기 압력의 영향

분위기 압력은 예혼합기의 형성과 CNG-공기 혼합기 의 확산 및 이후의 연소속도에까지 중요한 영향을 미치 게 된다.

Figure 13과 14는 분위기 압력의 증가에 따라 화염면 위치의 감소를 나타내고 있으며, 분위기 압력에 따른 화 염면 위치의 변화가 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있다.

초기 화염발달 단계에서 분위기 압력 0.5 MPa과 0.6 MPa에서의 화염전파속도는 0.7 MPa의 경우보다 더 빠 르게 나타났다. 이것으로 분위기 압력 0.5 MPa과 0.6 MPa에서 CNG-공기 혼합기의 예혼합이 잘 이루어져 화 염전파에 유리하게 작용한다는 것을 알 수 있다.

분위기 압력 0.5 MPa, 0.6 MPa, 0.7 MPa의 가장 빠 른 화염면의 위치는 각각 35 mm, 30 mm, 27.5 mm였 다. 그리고 가장 빠른 화염면에 도달하는데 소요되는 시 간은 각각 20 ms, 25 ms, 27.5 ms였다.

3.3.3 분위기 역류공기 유속의 영향

다양한 역류공기 속도에 따른 점화성과 화염전파 특 성을 고찰하였다. 가스의 운동은 스파크점화 직분식 엔 진에서 연료-공기 혼합과 연소 과정을 좌우하는 주요한 요소 중 하나로 알려져 있다.

Figure 15와 16을 보면, 화염발달 단계에서 화염면의 위치는 다양한 분위기 공기유속에 대하여 대부분 동일 한데, 이는 분위기 공기와 분무제트 사이의 상대적인 속 도차에 따른 결과이다.

역류공기의 속도는 너무 낮아서 높은 분무제트 속도 에 영향을 미치지 못한다. 그러나 분무제트가 관통하면 서 그 속도가 감소하면, 주변 공기의 영향력이 명백해짐 Fig. 13 Effect of ambient pressure on the flame front posi-

tion

Fig. 14 Effect of ambient pressure on the flame propaga- tion speed

Fig. 15 Effect of ambient counter air flow on the flame front position

을 알 수 있다. 역류공기 속도가 0.2 m/s일 때 화염면 위 치가 가장 멀어지며, 그 화염전파 속도는 화염전파 단계 에서 가장 빨라진다.

4. 결 론

본 연구에서는 스파크점화 직분식 CNG 연료의 기초 연소특성 즉, CNG 분사시작 후의 화염전파 과정, 점화 성 등을 조사하기 위하여 가시화 실험장치를 설계제작 하여 실험적인 연구를 수행하였다. 점화가 성공하는 모 든 경우에 대해 화염전파 이미지가 디지털 방식으로 기 록되었으며, 그 화염전파 특성을 분석하였다. 결과는 아 래와 같이 요약된다.

1. 실험에서 혼합기는 점화시기가 적절하면 분위기 압 력이 0.4~0.7 MPa 범위일 때 점화가 가능하며, 분위기 온 도가 높을수록 점화성이 양호한 결과를 도출하였다.

2. 연소화염 전파 이미지를 보면, 스파크방전 이후 (1) 초기화염발달, (2) 화염전파, (3) 화염소멸로 구성된 주 요 3단계 연소과정이 관찰되었다.

3. 화염발달과 그에 뒤따르는 화염전파에 기인하는 사이클 변동은 주로 화염소멸 단계에서 나타난다는 점 을 발견하였다.

4. 화염면 위치와 화염전파 속도는 분위기 온도가 상 승할수록 증가하는 반면 분위기 압력의 상승에 따른 화 염면 위치는 감소되었다.

5. 고속의 분무제트에 미치는 역류공기의 속도는 미 미하지만 분무제트가 관통할 때는 주변 공기의 영향은

매우 크다.

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propagation speed

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