Experimental Study on the Soot Formation Characteristics of Alkane-based Single Fuel Droplet

(1)

알케인계 단일 연료 액적의 Soot 생성 특성에 관한 실험적 연구

임영찬

^*

ㆍ서현규

^†

Experimental Study on the Soot Formation Characteristics of Alkane-based Single Fuel Droplet

Young Chan Lim and Hyun Kyu Suh

Key Words: Alkane fuel(알케인 연료), Droplet combustion(액적 연소), Polycyclic aromatic hydrocarbons(다환 방향족 탄화수소, PAH), Soot formation(매연 생성 특성), Soot volume fraction(매연 체적 분율)

Abstract

The soot formation characteristics of various alkane-based single fuel droplets were studied in this work. Also, This study was performed to provide the database of the soot behavior and formation of alkane-based single fuel droplet. The experimental conditions were set to 1.0 atm of ambient pressure (P

_amb

), 21% of oxygen concentration (O

₂

) and 79% of nitrogen concentration (N

₂

). Combustion and soot formation of single fuel droplet was visualized by visualization system with high speed camera. At the same time, ambient pressure, oxygen concentration and nitrogen concentration were maintained by ambient condition control system. Soot formation characteristics was analyzed and compared on the basis of intensity ratio (I/I

₀

) of background image. The results of toluene fuel droplet showed the largest soot generation. Soot volume fraction (f

_v

) was almost the same under the identical fuel types regardless of various initial droplet diameter (d

₀

) since thermophoretic flux was not much changed under the same ambient conditions.

기호설명

Avg. f

_vmax

: averaged maximum soot volume fraction C

₆

H

₆

: benzene ring

d

₀

: initial droplet diameter f

_v

: soot volume fraction

f

_vmax

: maximum soot volume fraction O

₂

: oxygen concentration

P

_amb

: ambient pressure

1. 서 론

탄화수소 연료(Hydrocarbon fuel)의 연소 과정에서 생성되는 Soot은 연료와 공기의 산화 과정 중 복잡한 화학 반응을 통해 초기 전구체(Precursor) 형성부터 다 환 방향족 탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)로 성장하며 그을음(Soot) 입자로 배출된다

^(1,2)

. 특히, Soot 생성은 연료가 농후(Rich)한 높은 당량비 (Equivalence ratio) 운전 조건에서 불완전한 연소로 인 하여 생성되고 입자의 크기가 매우 다양하다

^(3,4)

. 이러 한 Soot의 입자 크기가 2.5 µm 보다 작을 경우, Soot 을 거르기 위한 후처리(After-treatment) 방법으로 충분 한 여과가 어렵기 때문에 미처 여과되지 못한 Soot이 배출되어 주변 환경과 인체에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다

^(5~7)

. 또한, 내연기관의 피스톤 및 실린더 내부의 틈새 영역과 흡·배기 포트에 흡착되어

(Recieved: 27 Feb 2017, Recieved in revised form: 1 Apr

2017, Accepted: 11 Apr 2017)

*

공주대학교 기계공학과 대학원

†

서현규, 회원, 공주대학교 기계자동차공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (041)521-9264 FAX : (041)555-9123

(2)

쌓인다면 연소실 체적 감소 현상과 연소 장치의 오작 동을 야기하여 엔진 작동의 불안정성과 효율 저하를 초래하게 된다. 이와 같은 문제로 여러 연구 기관에서 는 Soot 생성 문제를 개선하기 위해 전처리(Pre-pro- cess) 및 후처리 방법을 적용한 연구가 활발히 진행되 고 있다

^(8~11)

.

일반적으로 화염 내부에서의 Soot 생성은 탄화수소 연료의 열분해(Pyrolysis)를 거쳐 전구체 형성을 시작으 로 벤젠(C

6

H

₆

) 고리를 형성하며 다환 방향족 탄화수소 로 성장하는 복잡한 생성 과정을 따른다

^(12~15)

. 이렇듯 Soot 생성 및 거동 특성에 관한 연구는 연소 화학 반응 이 복잡하고, 다양한 연소 기관의 운전 조건에 따라 Soot의 생성 특성이 달라짐으로 쉽게 예측하는데 어려 움이 있다. 이에 따라 연소 현상의 단순화가 가능하여 연료의 연소 특성을 예측할 수 있는 액적 연소(Droplet combustion) 연구가 진행되어왔다

^(16~18)

.

특히, 액적 연소 연구는 선행 연구자인 Godsave

⁽¹⁹⁾

, Spalding

⁽²⁰⁾

등이 제안한 액적 연소 및 증발 이론인 d

²

- law를 바탕으로 현재까지 많은 연구가 수행되었다. 이에 Law는

^(21,22)

액적 연소 이론에서 고려되지 않았던 부분 들을 규명하며 단일 연료 액적 연소 과정을 지배하는 기본 메커니즘을 연구하였다. 또한, 이 등은

⁽²³⁾

정상 중 력장(Normal gravity)내에서 압력 변화에 따른 화염 구 조 및 단열 화염 온도의 변화가 Soot 발생 영역 구조에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 통해 화염내의 Soot 농 도에 대한 정확한 측정의 필요성을 보고하였다. 선행 연 구들을 통해 연소 실험의 간편화가 가능한 장점을 갖는 단일 연료 액적 실험 연구를 적용하여 다양한 종류의 연료들이 갖는 Soot 생성 특성 비교 분석 연구를 수행 한다면 탄화수소 연료들이 나타내는 기본적인 연소 특 성과 특히, Soot 생성 특성을 예측함에 있어 정확도를 향상시킬 것으로 사료된다. 이러한 이유로 본 저자는 Decane과 Toluene 단일 연료 액적 연소시 분위기 압력 (P

_amb

), 산소 농도(O

2

), 초기 액적 직경(d

0

)의 변화가 Soot 생성 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험적 연구 를 수행하였다

^(24,25)

.

따라서 본 연구에서는 단일 연료 액적의 Soot 해석 모델 데이터베이스 구축을 위한 후속 연구로 알케인 (Alkane) 계열의 연료 물성(Fuel properties)에 따른 Soot 생성 특성을 비교 분석하였다. 또한, 연구 결과를 액적 종류별 최대 매연 체적 분율(f

vmax

) 및 평균 매연 체적 분 율 결과로 정리하여 현재까지 수행된 연구 결과를 비교 분석하였다.

2. 실험 장치 및 매연 체적 분율 분석 방법

2.1 실험 장치의 구성

본 연구에서는 단일 연료 액적(Single fuel droplet) 연 소 실험을 수행하기 위해 연소 조건인 분위기 압력 (P

_amb

)과 산소 농도(O

2

) 제어가 가능한 정적 연소 챔버 (Constant volume combustion chamber)를 사용하여 실험 연구를 수행하였다.

실험 과정은 연료 공급 장치인 실린지 펌프를 사용하 여 챔버 내부에 설치된 강선(Wire)에 단일 연료 액적을 고정 시킨 후 두 개의 점화 장치를 통해 강선에 형성된 액적을 가열하여 자발화 하는 방식으로 연소 실험을 수 행하였다. 또한, 액적 연소(Droplet combustion) 과정 및 Soot 생성 특성을 가시화하기 위해 고해상도 초고속 카메 라(Phantom Lab110 6G color camera)를 사용하여 촬영하 였다. 이때 Soot 생성 특성을 비교 분석하기 위해 가시화 장치를 통해 얻어진 액적 연소 과정의 이미지를 이용하 여 단일 연료 액적의 중심으로부터 0

^o

에서 315

^o

까지 총 여덟 방향에 대한 매연 체적 분율(f

v

)을 측정하였다.

Fig. 1 Schematics diagram of single fuel droplet combustion visualization system

Table 1 Experimental conditions

Type of fuel Decane, Isooctane, n-heptane, Octane, Toluene Ambient pressure (P

_amb

) 1.0 atm Oxygen concentration(O

₂

) 21%

Initial droplet diameter(d

₀

) 1.5~6.0 mm

(3)

또한, 본 실험 연구에 적용된 연료의 종류는 알케인 (Alkane) 계열의 연료인 Decane, Isooctane, n-heptane, Octane, Toluene 연료를 사용하였고, 분위기 압력 1.0 atm, 산소 농도 21%, 초기 액적 직경 1.5~6.0 mm를 각각 적 용하여 연소 실험 후 측정된 매연 체적 분율 최댓값 (f

_vmax

) 결과를 비교 연구하였다. 자세한 실험 장치 구성 및 실험 조건은 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다.

2.2 매연 체적 분율 분석 방법

알케인 연료 액적의 매연 체적 분율(f

v

) 계산 과정에 서는 선행 연구를 통해 보고된 광소멸법 측정 기법

⁽²⁶⁾

과 토모그래피 기법

⁽²⁷⁾

을 적용하여 액적 연소시 생성되는 Soot을 매연 체적 분율의 결과로 나타냈었다. 이를 통 해 시간 변화에 따라 액적 반경 방향으로 발생하는 Soot 생성량을 매연 체적 분율의 결과로 표현하였고, 선행 연구

^(24,25)

와 동일한 방법으로 본 실험 연구를 수행 하였다.

3. 연료 종류에 따른 Soot 생성 특성

본 연구에서는 앞서 수행한 선행 연구

^(24,25)

들을 통해 액적 연소시 Soot 생성에 영향을 미치는 실험 인자인 분 위기 압력(P

amb

), 산소 농도(O

2

), 초기 액적 직경(d

0

) 변 화에 대한 결과를 비교 분석하였다. 이에 따라 본 실험 연구에 적용된 알케인(Alkane) 계열의 연료인 Decane, Isooctane, n-heptane, Octane, Toluene 연료 및 n-heptane 과 Toluene, n-heptane과 Isooctane 혼합 연료에 대한 매 연 체적 분율(f

v

)을 각각 비교 연구하였다. 또한, 동일한 분위기 압력과 산소 농도 조건에서 알케인 연료 종류에 따른 Soot 생성량을 액적 종류별 결과와 연료 물성별 최 대 매연 체적 분율의 평균 분포 결과로 정리하였다.

3.1 단일 연료 액적의 매연 체적 분율 비교 결과 Fig. 2는 동일한 분위기 압력 조건에서 산소 농도 변 화에 따른 n-heptane 연료의 최대 매연 체적 분율(f

vmax

) 및 최대 매연 체적 분율의 평균값(Avg. f

vmax

) 결과를 나 타낸 그래프이다. 산소 농도가 증가할수록 n-heptane 연 료의 초기 액적 직경과 무관하게 최대 매연 체적 분율 및 평균값 결과가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 는 액적 연소시 산소 농도의 증가가 화염면의 성장을 도와 온도 구배에 따라 외력으로 작용하는 Thermopho- retic flux를 증진시키게 되어 Soot 생성량이 증가된 것

으로 사료된다.

Fig. 3은 동일한 산소 농도 조건에서 분위기 압력 변 화에 따른 Decane 연료의 최대 매연 체적 분율 및 최대 매연 체적 분율의 평균값 결과를 나타낸 그래프이다. 산 소 농도 증가의 경우와 마찬가지로 분위기 압력이 증가 할수록 더 높은 매연 체적 분율 결과를 보였다. 이는 연 소시 높은 분위기 압력이 Soot 확산을 방해하는 외력으 로 작용하기 때문에 Soot이 확산되지 못하고 누적되는 현상을 야기하여 매연 체적 분율 결과가 높게 나타난 것으로 사료된다.

Fig. 4를 통해 확인 가능하듯이, 알케인 계열의 연료 중 Toluene 단일 연료 액적 연소시 가장 높은 매연 체적 Fig. 2 Effect of oxygen concentration (O

₂

) on the maximum soot volume fraction (f

_vmax

) and average value of maximum soot volume fraction (Avg. f

_vmax

) of n-heptane single fuel droplet

Fig. 3 Effect of ambient pressure (P

_amb

) on the maximum soot volume fraction (f

_vmax

) of decane single fuel droplet

(4)

분율 결과를 보였다. Toluene 연료의 경우 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)의 초 기 고리 형태인 벤젠(C

6

H

₆

) 고리를 갖고 있기 때문에 연 소시 생성되는 Soot의 성장이 다른 연료에 비해 쉽게 이 루어져 Soot 생성량이 증가된 것으로 사료된다

⁽²⁸⁾

.

Fig. 5와 6은 초기 액적 직경 변화에 따른 Octane과 Isooctane 연료의 최대 매연 체적 분율 및 최대 매연 체 적 분율의 평균값 결과이다. 동일한 분위기 조건에서 Octane과 Isooctane 초기 액적 직경 변화가 Soot 생성량 에 미치는 영향은 일정한 변화를 보이는 경향으로 나타 나지 않았다.

이외에 본 실험 연구에 적용된 알케인 계열의 모든 연료 또한 마찬가지로 초기 액적 직경 변화에 따른 영 향은 일반적인 경향을 갖는 결과로 나타나지 않았다. 이 는 액적 생성 과정에서 실험을 수행하기 위해 계획한 액적 직경과 실제 연료 공급 이후의 액적 직경 차이가 발생하여 연소된 액적의 Soot 생성량이 일정한 경향을 보이지 않아 매연 체적 분율의 결과가 다양하게 나타난 것으로 사료된다. 또한, 일부 실험 결과에서 액적 크기 가 감소할수록 급격한 연소로 인해 상대적으로 많은 양 의 Soot이 생성되어 다소 높은 매연 체적 분율 결과를 보이는 경우가 발생하였다. 따라서 이러한 오차들을 보 완하고자 최대 매연 체적 분율의 평균값 결과를 적용하 여 비교 분석 연구를 수행하였다.

3.2 Mixing fuel 연료의 매연 체적 분율 비교 결과 Fig. 7은 Toluene 연료와 n-heptane 연료를 1:1의 비율 로 혼합한 연료의 최대 매연 체적 분율 결과이다. 앞서 언급한바와 같이, Toluene, n-heptane 혼합 연료 또한 마 찬가지로 초기 액적 직경에 따른 매연 체적 분율 결과 는 크게 나타나지 않았다. 하지만, 알케인 계열의 연료 들 중 가장 적은 Soot 생성량을 보인 n-heptane 연료의 특성이 Toluene 연료의 영향으로 Soot 생성량이 급증한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 Toluene 연료가 갖는 다환 방향족 탄화수소의 초기 고리 형태가 Soot 성장을 증진시킨 결과로 판단된다.

Fig. 8은 n-heptane 연료와 Isooctane 연료를 1:1 비율 로 혼합한 연료의 최대 매연 체적 분율 결과이다. n- Fig. 4 Effect of initial droplet diameter (d

₀

) on the maxi-

mum soot volume fraction (f

_vmax

) of toluene single fuel droplet

Fig. 5 Effect of initial droplet diameter (d

₀

_vmax

) of octane single fuel droplet

₀

_vmax

) and average value of maximum soot volume fraction (Avg.

f

_vmax

) of isooctane single fuel droplet

(5)

heptane, Isooctane 혼합 연료의 경우에도 액적 직경의 영향은 적었으나, 연소시 n-heptane 단일 연료 액적보다 높은 Soot 생성량을 보였다. 이는 Isooctane 연료가 n- heptane 연료보다 탄소 사슬 구조가 길기 때문에 상대적 으로 많은 양의 Soot이 생성되어 높은 매연 체적 분율 이 측정된 것으로 사료된다

⁽²⁹⁾

. 이와 반대로 n-heptane과 Toluene, n-heptane과 Isooctane 혼합 연료에 대한 결과에 서 n-heptane 연료를 혼합할 경우 Soot 생성량이 감소되 는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, n-heptane 혼합비가 Soot 생성량에 미치는 영향은 두 혼합 연료 액적의 혼합 비 변화와 다양한 혼합 연료 조건에 대한 결과가 아니 기 때문에 선행 연구

^(28,29)

들의 결과와 같이 Soot 생성량

에 대한 결과로 일반화하기에 어려울 것으로 사료된다.

따라서 n-heptane 혼합비 변화가 Soot 생성량에 미치는 영향을 파악하기 위한 후속 연구가 반드시 필요한 것으 로 판단된다.

3.3 액적 종류별 최대 매연 체적 분율 분포 Fig. 9는 다양한 알케인 연료 액적의 연소 실험을 통 해 측정된 Soot 생성량을 최대 매연 체적 분율(f

vmax

) 결 과로 비교 분석한 그래프이다. 실험 연구에 사용된 알케 인 계열의 연료 중 Toluene 단일 연료 액적 연소시 가장 높은 매연 체적 분율 결과를 보였다. 이는 전술한바와 같이, Toluene 연료의 경우 다환 방향족 탄화수소의 초 기 고리 형태인 벤젠 고리를 갖고 있기 때문에 Soot 생 성량이 증가되어 다른 연료에 비해 높은 매연 체적 분 율(f

v

)의 결과가 나타난 것으로 사료된다

⁽²⁸⁾

. 또한, Dec- ane과 Octane 단일 연료 액적 연소시 각각의 연료가 갖는 탄소 사슬 구조가 길기 때문에 많은 양의 Soot이 생성되 어 높은 매연 체적 분율이 측정된 것으로 판단된다

⁽²⁹⁾

.하 지만, 초기 액적 직경(d

0

)에 따른 Soot 생성량 변화는 증 가·감소의 경향을 보이지 않았으며 일부 실험 결과에서 액적 직경이 작을수록 급격한 연소로 인해 다소 높은 매 연 체적 분율 결과를 보이는 경향을 확인할 수 있었다.

3.4 알케인 연료 물성별 평균 매연 체적 분율 분포 Fig. 10은 연료 물성에 따른 Soot 생성량을 최대 매연 체적 분율의 평균 분포도로 나타낸 그래프이다. 앞서 언 급한바와 같이, 동일한 분위기 조건에서 알케인 단일 연 료 액적이 연소하였을 때 측정된 Soot의 생성량은 항상 Fig. 7 Effect of initial droplet diameter (d

₀

) on the maxi-

mum soot volume fraction (f

_vmax

) of toluene and n-heptane mixing fuel

₀

_vmax

) of n-heptane and isooctane mixing fuel

Fig. 9 Comparison of measured maximum soot volume fraction (f

_vmax

) of various alkane fuel droplets (d

₀

= 1.5 mm~6.0 mm, P

_amb

= 1.0 atm, O

₂

= 21%)

(6)

일정한 결과를 보이지 않기 때문에 이와 같은 오차를 줄이고자 각각의 연료가 나타내는 최대 매연 체적 분율 결과에 대한 평균값 분포를 나타낸 것이다. 이를 통해 알케인 연료 물성에 따른 Soot 생성 특성 결과는 평균 분포도를 통해 쉽게 확인 가능하다.

알케인 단일 연료 액적의 Soot 생성량은 Toluene 연 료가 가장 높은 것을 확인할 수 있었으며, Toluene 연료 가 혼합될 때 Soot 생성량의 증가로 인하여 매연 체적 분율 결과가 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, n-heptane과 Isooctane 혼합 연료 연소시 측정된 매연 체적 분율 결과를 통해 알케인 연료가 갖는 탄소 사슬 구조가 길수록 Soot 생성량이 증가하는 경향을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 알케인(Alkane) 계열의 연료 물성(Fuel properties)에 따른 단일 연료 액적의 Soot 생성 특성을 비교 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 알케인 단일 연료 액적 연소 실험을 통해 초기 직 경(d

0

)의 변화가 Soot 생성량에 미치는 영향은 미비한 것으로 사료된다. 하지만, 연소 조건인 분위기 압력 (P

_amb

)과 산소 농도(O

2

)의 영향은 Soot 생성량에 큰 영향 을 미치는 것으로 판단된다.

2. Toluene 단일 연료 액적 연소시 다환 방향족 탄화 수소(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)의 초기 고 리 형태인 벤젠(C

6

H

₆

) 고리의 영향으로 높은 매연 체적

분율(f

v

)의 결과가 나타난 것으로 사료된다.

3. Decane, Octane 단일 연료 액적 연소시 긴 탄소 사 슬 구조의 영향으로 많은 양의 Soot이 생성되어 높은 매 연 체적 분율이 측정된 것으로 판단된다. 이러한 연료의 물성 변화는 혼합 연료 실험 결과에서 나타난 Soot 생 성 특성을 통해 확인 가능하다.

4. 최대 매연 체적 분율(f

vmax

)의 평균 분포 결과를 통 해 Toluene 연료가 혼합될수록 Soot 생성량이 급격히 증 가된 것을 확인할 수 있었다. 이와 반대로 실험 연구에 사용된 알케인 연료 중 n-heptane 연료가 가장 낮은 Soot 생성량 결과를 보였다.

후 기

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (NRF-2014R1A1A1005201).

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Fig. 10 Comparison of average value distribution of maximum soot volume fraction (f

_vmax

) of alkane fuel properties (d

₀

= 1.5 mm~6.0 mm, P

_amb

= 1.0 atm, O

₂

= 21%)

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