Vol. 19, No. 4, pp. 56-68, August 2015
직접분사 조건에서 충돌벽면이 미치는 영향에 대한 LPG와 CNG의 분무 및 연소 특성 연구
A Study on Characteristics of Spray and Combustion of LPG and CNG about the Effect of Impingement-wall under
Direct Injection Condition
정성식*․황성일**†․염정국*․김성희**
Sung-Sik Chung*, Seong-Ill Hwang**†, Jeong-Kuk Yeom* and Sung-Hee Kim**
(Received 06 June 2015, Revision received 07 July 2015, Accepted 08 July 2015)
Abstract: Liquefied petroleum gas and compressed natural gas haven been regarded as promising alternative fuels because of no smoke, and they are also clean fuel for spark-ignited engine. In spark-ignited direct-injection engine, direct injection technology can increase engine volumetric efficiency significantly and also reduce necessity of throttle valve. This study designed combustion chamber equipped with visualization system. To improve ignition probability, the study designed to help three types of impingement-walls to form mixture. In doing so, LPG·CNG-air mixture could be easily formed after spray-wall impingement and ignition probability increased too. The results of this study could contribute as basic resources of spark-ignited direct injection LPG and CNG engine design and optimization extensively.
Key Words：Liquefied petroleum gas(LPG), Compresed naturel gas(CNG), Spark-Ignited(SI), Direct Injection(DI), Impingement-wall, Ignition Probability
**†황성일(교신저자) : 동아대학교 기계공학과 대학원 E-mail : [email protected], Tel : 010-4558-1494
* 정성식, 염정국 : 동아대학교 기계공학과
** 김성희 : 동아대학교 기계공학과 대학원
**†Seong-Ill Hwang(corresponding author) : Department of Mechanical Engineering, Graduate School, DongA University.
E-mail : [email protected], Tel : 010-4558-1494
* Sung-Sik Chung, Jeong-Kuk Yeom : Department of Mechanical Engineering, DongA University.
** Sung-Hee Kim : Graduate School, DongA University.
1. 서 론
자동차에 대한 엄격한 오염방지법을 만족시 키기 위해, 또 내연기관의 열효율을 계속해서 향상시키기 위해, 더욱 효율적이고 경제적인 내 연기관의 발전에 관한 연구 작업이 수행되어야
한다.
1,2)가솔린 직분식(GDI) 엔진 역시 연비를 향상시
키기 위해 발전해 왔다. GDI 엔진에서 DI 기술은
엔진의 체적효율을 강력하게 증가시키며, 펌핑손
실(pumping loss) 사이클을 감소시킨다고 알려져
있다. SI 엔진의 경우 부분부하 조건 하에서 펌핑
손실은 엔진효율에 큰 영향을 미치며, DI 엔진의
저부하와 속도조건에서 연소실 내의 성층급기는
높은 사이클 변동 없이도 초희박 연소(Ultra-lean combustion)를 가능하게 한다.
3,4)압축천연가스(CNG)는 가장 유망한 대체연료 중 하나로 여겨지며,
5)성분은 주로 메탄(CH
4)으 로 구성된다.
6)자동차용 LPG의 경우 프로판 (C
3H
8)과 부탄(C
4H
10)으로 이루어져 있으며,
7)다 른 대체 연료들에 비해 인프라가 잘 구축되어 있 는 편이다.
CNG와 LPG는 높은 옥탄가를 가지므로 SI 엔 진에 쉽게 이용될 수 있으며, 고옥탄가 덕분에 엔 진은 보다 고압축비로 작동하여 열효율이 한층 향상된다.
8,9)LPG와 CNG는 배기가스의 측면에서 기존 가솔린이나 디젤 대비 좀 더 청정한 연료이 며, 가솔린에 비해 H/C비가 높아서 CO
2배출량이 적고 황화합물 등의 공해요소가 적은 장점이 있 다. 이에 따라 LPG와 CNG는 SI 엔진을 위한 우 수한 연료로 등장하게 되었다.
7,10,11)현재까지 SIDI CNG 엔진 연구는 CNG 균질급 기에 집중
12,13)되어 왔고, 성층급기 SIDI CNG 엔진 과 관련된 연구는 거의 이루어지지 않았다.
14,15)LPG 연료는 액상연료분사(LPi; Liquid Phase injection) 방식이 적용되고 있지만, 아직까지 연소 실에 LPG를 직접 분사하는 방식이 적용된 예는 극히 적다.
16)본 연구의 대상인 스파크 점화 직분식(SIDI) 엔 진은 SI 엔진에 DI(Direct injection) 기술을 채택한 엔진의 한 종류이며, 연료는 LPG와 CNG를 사용 하였다. 우리는 선행연구
17,18,19)에서 연소실, 가스 공급시스템, 급기시스템, 전자제어장치, 광학장치, 데이터 취득장치로 구성된 가시화 실험장치를 설 계·제작하여 분사압력, 공기유동 속도, 분위기 온 도 및 압력 등 연소실의 다양한 분위기 조건 하에 서 SIDI LPG·CNG의 분무발달과정, 점화성, 화염 전파과정을 고찰하였다.
본 연구는 가스직분식엔진(Gas Fuel Direct Injection Engine)의 개발을 위한 기초정보를 얻기 위하여 시도한 연구이다. 이를 위해 엔진의 연소 실을 묘사한 가스 연료 직분사 연소기를 제작하 고, 연소실 내에 세 종류의 충돌벽면을 설계·제작 하였다.
분무와 벽면, 공기 간의 상호작용이 일으키는 분무-벽면충돌 과정은 혼합기 형성 및 그에 뒤잇 는 연소에 영향을 미치는 중요한 문제이므로, 가 시화 시스템을 이용하여 최적화된 연소 조건을 실현하기 위한 인자들을 실험적 방법을 통해 규 명하였다. 분무-벽면충돌 과정의 LPG와 CNG의 연소 특성을 고찰한 결과 분무-벽면충돌 과정은 점화성을 상당히 향상시킬 수 있다는 결론을 도 출하였다.
2. 실험장치 및 방법
Fig. 1은 본 연구에서 LPG와 CNG의 분무와 연 소특성을 고찰하기 위해 이용한 가시화 실험의 전체 장치도이다.
Fig. 1 Schematic apparatus of visualization experiment
2.1 연소실
본 연구에서 이용된 가시화 실험을 위해 특별 히 고안된 연소실을 설계하였다. Fig. 2는 원형 충 돌벽면이 설치된 연소실의 단면도이다. 길이 300 mm, 너비 180 mm, 높이 180 mm, 부피 2355 ㎤이 며 재질은 알루미늄을 선택하였다. 압력게이지, 점화플러그, 열전대(Thermo-Couple)가 연소실에 설 치되었고, 불꽃방전 위치는 연소실 중앙이다. 연 료분사기는 가솔린 전용인 GDI 인젝터를 채택하 였다.
DI 연소시스템은 혼합기가 형성되는 방식에 따
라 공기유도, 벽면유도, 분무유도의 3가지로 분류
할 수 있다. 공기유도 및 벽면유도 연소시스템의
Spark plug ground electrode Spark plug center electrode Injector
Fig. 2 Combustion chamber with impingement-wall
경우, 연료가 점화플러그에서 상당히 원거리에 서 분사되며, 연료분무는 실린더 내부 기류 혹은 피스톤 캐비티를 통해 점화플러그 쪽으로 유도 된다.
분무유도 연소 시스템의 경우, 연료가 인젝터에 서 점화플러그 쪽으로 분사되며, 인젝터와 점화플 러그의 거리가 가깝고, 인젝터와 점화플러그를 가 깝게 배치하면 연료 준비와 점화 과정을 안정되 게 결합시킬 수 있다.
본 실험에서는 분무유도 연소 시스템을 모델로 적용하기 위해 연소실 측면에서 연료를 분사하는 방식을 적용하였고, L형 nozzle을 GDI용 인젝터에 부착하였다. nozzle의 출구 또한 연소실 중앙까지 연장시켰으며, nozzle의 내부 직경은 1 mm로 설 계·제작하였다.
본 실험에서 최대가능 분위기 압력 및 온도는 각각 1 MPa와 400K였다. 공기는 연소실의 한 쪽 에서 다른 한 쪽으로 관통하도록 설계하였고, 안 정되고 원활한 흡기유량을 얻기 위하여, 2개의 벌집형 플레이트(Honeycomb-shaped plate)를 연소 실 양측에 각각 배치하였다. 광학장치가 가스 연 료 분무와 연소의 이미지를 얻을 수 있도록 2개 의 석영유리(Quartz Window)를 관찰창으로 설치 하였다.
Fig. 3 Structure of impingement-wall
2.2 충돌벽면 설계
Fig. 3은 원형, 사각형, 평평한 벽면을 이용한 세 종류의 충돌벽면의 형상을 나타낸다. nozzle의 출구와 충돌벽면의 간격은 35 mm이다. 분사개시 후 연료는 우선 L형 nozzle을 통과한 후 연소실을 관통한다. 연소실 관통과 함께 분사된 가스연료는 충돌벽면에 충돌한다.
이 분무-벽면충돌 과정이 혼합기의 형성을 도 와, 적절한 조성의 연료-공기 혼합기가 불꽃방전 위치 주변에서 형성될 수 있다. 불꽃방전 위치는 L형 nozzle의 출구로부터 수평방향으로 20 mm 지 점에 설치했으며, 연료-공기 혼합기를 점화시키는 데 사용되었다.
2.3 실험방법
본 실험에서 급기시스템은 주로 압축기, 공기탱 크, 2개의 밸브, 히터로 구성된다. K형 열전대와 히터 컨트롤러는 분위기 온도를 조절하기 위해 함께 작동하며, 2개의 밸브는 분위기 압력과 공기 유속을 조절하기 위해 사용되었다. 연료공급 장치 는 주로 GDI 인젝터, 가스탱크, 압력조절기로 구 성되며, 인젝터의 분사압력은 압력조절기를 사용 하여 조절하였다.
전자제어장치(ECU)는 분사시기, 분사기간, 점화 시기, ICCD 카메라 시기 등의 제어 신호를 발생 시키기 위해 사용되었으며, 가스 연료 분무-벽면 충돌과 그에 이은 화염전파 과정은 ICCD 카메라 를 통해 디지털 방식으로 기록되었다.
Table 1은 LPG와 CNG의 연료 물성치를 보여주
며, Table 2는 실험 조건을 나타내었다.
Table 1 Physical properties of LPG and CNG Description Value
LPG CNG Unit Hydro Density
(20℃) 550 420 kg/m
Gas Specific
Gravity (15℃)
1520~
2000 650 kg/m
heating value 46.3 47.3 mJ/kg boiling point -42 -161.5 ℃ Octane Number 96~111 120 -
self ignition
temp. 504 632 ℃
combustion limit 1.8~8.4 5~15 - amount of
combusible air 15.6 16.79 kg molecular weight 49700 18700 g/mol
C/H ratio by
weight 4.6 3.26 -
storage density (20℃)
540 (6bar)
130
(200bar) kg/m
Parameter Value
LPG CNG
Spark plug position 20 mm from the L-shaped nozzle exit Impingement-wall
type
Circle-shaped, square-shaped, flat Ambient temperature
(K) 300
Spark plug gap
(mm) 0.5
Injection duration
(ms) 5
Injection pressure
(MPa) 0.5~0.7 1, 3, 5 Ambient pressure
(MPa)
0.1, 0.12, 0.14, 0.16,
0.18
0.1~0.7 Spark timing (ms) 0~9 0.2 L-shaped nozzle inner
diameter (mm) 2 1 Table 2 Experimental conditions
3. 결과 및 논의
3.1 분무 과정
Fig. 4는 충돌벽면이 없을 때의 LPG와 CNG의 전형적인 분무과정을 나타내고 있다. Fig. 5, 6, 7 은 원형, 사각형, 평면 충돌벽면이 있을 때, 각각 의 분무-벽면충돌 과정을 나타내고 있다.
각각의 실험 결과를 보면 LPG와 CNG의 전반 적인 분무 거동은 유사성이 높다는 것이 확인된 다. 충돌벽면이 없을 때와 있을 때 모두 실험조건 은 동일하였으며, LPG의 경우 분사압력 0.6 MPa, 분위기 압력 0.1 MPa이었고, CNG의 경우 분사압 력 5 MPa, 분위기 압력 0.5 MPa이었다.
3.1.1 원형 충돌벽면이 있을 때의 분무-벽면 충돌 과정
Fig. 5는 원형 충돌벽면이 있을 때의 연료 분무 -벽면 충돌과정을 보여준다. 분사된 가스 연료는 분사개시로부터 CNG는 약 3 ms 후, LPG는 약 4 ms 후에 충돌벽면까지 관통하여 벽면에 충돌하였 다. 충돌이 일어난 후, 가스 연료의 분무는 원형 벽면을 따라 이동하였다. 이때 분무 중심선 양 옆 에서 서로 반대방향으로 회전하는 두 개의 큰 와 류가 원형 캐비티를 채운다는 것이 관찰되었다.
분무-벽면충돌로부터 CNG는 약 1 ms 후, LPG의 경우 약 2 ms 후, 분무는 원형 벽면의 가장자리 에서부터 벗어나기 시작했다.
이 원형 벽면 가장자리에 가스 연료 분무의
재유입(Re-entrain) 흐름이 발생하여, 가스 연료
분무는 불꽃방전 위치 주변의 난류 방향으로 흘
러들었다. 연료 분무의 재유입 흐름이 공기 유입
을 증가시켜 연료-공기 혼합비를 향상시킬 수 있
었다. CNG는 분사개시 7 ms 후, LPG는 분사개
시 10 ms 후, 분무는 원형 캐비티에서 빠져 나와
상류 방향으로 확산되었다. 이후 캐비티 안의 연
료 질량 분율은 차츰차츰 작아지는 것으로 관찰
되었다.
LPG Fuel Experiment Condition : P
i= 0.6 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 2.052 ms 3.078 ms 4.104 ms 5.130 ms 6.156 ms
8.208 ms 10.260 ms 12.312 ms 41.040 ms 51.300 ms 61.560 ms CNG Fuel Experiment Condition : P
i= 6 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 1.494 ms 2.284 ms 3.075 ms 3.865 ms 4.656 ms
5.446 ms 6.237 ms 7.027 ms 7.818 ms 8.608 ms 9.399 ms Fig. 4 Spray process without any impingement-wall
3.1.2 사각형 충돌벽면이 있을 때의 분무-벽 면 충돌 과정
Fig. 6은 사각형 충돌벽면이 있을 때의 연료 분 무-벽면 충돌 과정을 보여준다. 사각형 충돌벽면 에서의 분무-벽면 충돌 과정은 원형 충돌벽면의 과정과 유사하였다.
사각형 캐비티 안에 두 개의 큰 와류가 존재하 여 불꽃방전 위치 주위로의 재유입 흐름이 관찰 되었다. 그러나 원형 벽면과는 달리, 작은 와동과 같은 몇몇 특이한 유동 패턴이 사각형 벽면 모서 리에서 형성되었다.
작은 와동은 유동장을 좀 더 난류로 만들 수 있으므로 연료-공기 혼합 비율에 좋을 것이라고 판단된다. 이는 분사된 연료가 스파크방전 위치로 모이는 성층화 효과로 점화플러그 주변의 연료를 농후하게 하여 화염형성에 유리한 조건이 된다.
즉, 성층화 효과로 인한 강력한 초기 화염에 의해
나머지 초희박 혼합기도 완전 연소하여 점화성을 좋게 할 것이라 판단된다.
3.1.3 평평한 충돌벽면이 있을 때의 분무-벽 면 충돌 과정
Fig. 7은 평평한 충돌벽면이 있을 때의 LPG와 CNG의 분무-벽면충돌 과정을 나타낸다. 충돌거리 는 35 mm이다.
충돌 후 대부분의 분무는 평평한 벽면을 따라 거동하였기 때문에, 불꽃방전 위치로 향하는 축 방향에서 상류로 확산될 수 없었다.
연료 분무 농도가 높은 곳은 평평한 벽면과 가
까운 곳에 나타났으며, 가스 연료 분무가 관통하
면서, 분무는 상류로 확산되기 시작하여 불꽃방전
위치 가까운 곳으로 이동했다.
LPG Fuel Experiment Condition : P
i= 0.6 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 2.052 ms 4.104 ms 6.156 ms 8.208 ms 10.260 ms
12.312 ms 14.364 ms 22.572 ms 43.092 ms 53.352 ms 63.612 ms CNG Fuel Experiment Condition : P
i= 5 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 2.057 ms 2.847 ms 4.428 ms 6.009 ms 7.59 ms
9.171 ms 10.752 ms 13.914 ms 17.867 ms 21.819 ms 25.772 ms Fig. 5 Spray-wall impingement process with a circle-shaped impingement-wall
LPG Fuel Experiment Condition : P
i= 0.6 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 2.052 ms 4.104 ms 6.156 ms 8.208 ms 10.260 ms
12.312 ms 14.877 ms 27.702 ms 43.092 ms 53.352 ms 63.612 ms CNG Fuel Experiment Condition : P
i= 5 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 1.714 ms 2.505 ms 3.295 ms 4.876 ms 6.457 ms
8.038 ms 11.2 ms 12.781 ms 15.943 ms 19.105 ms 24.639 ms
Fig. 6 Spray-wall impingement process with a square-shaped impingement-wall
LPG Fuel Experiment Condition : P
i= 0.6 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 2.052 ms 5.130 ms 7.182 ms 9.234 ms 11.286 ms
13.338 ms 17.442 ms 27.702 ms 43.092 ms 53.352 ms 63.612 ms CNG Fuel Experiment Condition : P
i= 5 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s
0 ms 1.739 ms 2.53 ms 3.32 ms 4.111 ms 4.901 ms
5.692 ms 6.482 ms 8.854 ms 10.135 ms 13.597 ms 15.968 ms Fig. 7 Spray-wall impingement process with a flat impingement-wall
3.2 충돌벽면이 있을 때의 연소과정 3.2.1 화염 전파 과정
Fig. 8은 충돌벽면이 없을 때의 전형적인 화염 전파 과정을 보여준다. Fig. 9, 10, 11은 원형, 사 각형, 평면 충돌벽면이 있을 때의 화염전파 과정 을 각각 보여준다. 실험조건은 LPG의 경우 분사 압력 0.7 MPa, 분위기 압력 0.1 MPa, 분사기간(ID, Injection duration) 5 ms, 점화시기(ST)는 분사 시 작 후 5 ms로 설정하였고, CNG의 경우 분사압력 5 MPa, 분위기 압력 0.5 MPa, 점화시기는 분사 시 작 후 7 ms로 설정하였다.
3.2.2 원형 및 사각형 충돌벽면이 있을 때의 화염 전파 과정
Fig. 9는 원형 충돌벽면이 있을 때, Fig. 10은 사 각형 충돌벽면이 있을 때의 LPG와 CNG의 화염 전파 과정을 각각 보여준다.
각각의 실험 결과를 보면 원형 충돌벽면이 있
을 때의 화염전파 과정은 사각형 충돌벽면이 있 을 때와 유사하며, LPG와 CNG의 전반적인 화염 의 형상은 유사함이 확인된다.
불꽃방전과 함께 화염핵이 형성되고 나면, 이 화염핵은 성장하면서 난류 유동장과 함께 상호 작용하였다. 캐비티 안의 난류 유동장은 연소화 염을 매우 주름지게 하였으며, LPG의 연소화염 은 청색 화염으로 나타났고, CNG는 청염에 둘 러싸인 황백색으로 나타났다. 불꽃방전 위치 주 변의 유동장의 영향으로 연소화염은 하류로 전 파되어 충돌벽면과 충돌하였으며, 이 화염은 연 소실을 가로질러 계속 전파되다가 소멸하기 시 작하였다.
3.2.3 평평한 충돌벽면이 있을 때의 화염 전 파 과정
Fig. 11은 평평한 충돌벽면이 있을 때의 화염전
파 과정을 보여준다. 평평한 충돌벽면이 있을 때는
LPG Fuel Experiment Condition
P
i= 0.7 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST = 5 ms ID = 5 ms
0 ms 1.026 ms 2.052 ms 3.078 ms 4.104 ms 5.130 ms
6.156 ms 7.182 ms 8.208 ms 9.234 ms 10.260 ms 12.312 ms CNG Fuel Experiment Condition
P
i= 5 MPa P
a= 0.6 MPa T
a= 300K V
air= 1.5 m/s ST: 4 ms SDPr: 0 mm SDPa: 20 mm
0.906 ms 4.068 ms 8.021 ms 15.135 ms 18.297 ms 23.04 ms
26.202 ms 34.107 ms 38.060 ms 42.012 ms 45.965 ms 53.079 ms Fig. 8 Flame propagation process without impingement-wall
LPG Fuel Experiment Condition
P
i= 0.7 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST = 5 ms ID = 5 ms
0 ms 1.026 ms 1.539 ms 2.052 ms 3.078 ms 4.104 ms
4.617 ms 5.130 ms 5.643 ms 6.156 ms 8.208 ms 9.234 ms CNG Fuel Experiment Condition
P
i= 5 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST: 7 ms SDPr: 0 mm SDPa: 20 mm
1.456 ms 3.037 ms 3.828 ms 4.618 ms 5.409 ms 6.199 ms
8.571 ms 10.152 ms 14.104 ms 17.266 ms 19.638 ms 23.59 ms
Fig. 9 Flame propagation process with a circle-shaped impingement-wall
LPG Fuel Experiment Condition
P
i= 0.7 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST = 5 ms ID = 5 ms
0 ms 1.026 ms 1.539 ms 2.052 ms 2.565 ms 3.591 ms
4.104 ms 4.617 ms 5.130 ms 5.643 ms 6.156 ms 6.669 ms CNG Fuel Experiment Condition
P
i= 5 MPa P
a= 0.5 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST: 7 ms SDPr: 0 mm SDPa: 20 mm
1.342 ms 2.923 ms 3.713 ms 4.504 ms 5.294 ms 6.875 ms
8.456 ms 10.037 ms 11.618 ms 16.361 ms 19.523 ms 23.476 ms Fig. 10 Flame propagation process with a square-shaped impingement-wall
분무 농도가 평평한 충돌벽면 가까이에 집중되는 것이 연료가 분무되고 충돌하는 과정으로부터 관 찰되었다.
불꽃방전 위치 주변의 분무 농도는 상대적으로 보다 낮아서, 평평한 충돌벽면이 있을 때는 점화 에 성공하기가 어려웠다. 또한, 평평한 충돌벽면 이 있을 때의 연소기간은 다른 종류의 충돌벽면 의 조건과 비교할 때 상당히 짧은 것으로 관찰되 었다.
이러한 결과는 분사된 연료의 오직 작은 일부 만이 연소되었다는 점을 시사하며, LPG와 CNG의 전반적인 화염의 거동 또한 유사함이 확인된다.
3.3 충돌벽면이 있을 때의 화염면적
Fig. 12는 세 종류의 충돌벽면이 있는 조건에서 스파크 방전 이후 LPG와 CNG의 충돌벽면의 화 염면적을 보여준다. 실험조건은 Fig. 13과 동일하 다. 원형과 사각형 충돌벽면의 최대 화염면적은 평면 충돌벽면의 최대 화염면적보다 훨씬 큰 것
으로 나타났다. 이는 원형 및 사각형 충돌벽면에 서 연료-공기 혼합기가 충돌벽면의 캐비티에 적절 히 집중될 수 있었기 때문이다. 따라서 많은 연료 -공기 혼합기는 분무-벽면 충돌로 점화될 수 있다 고 판단된다. 그러나 평면 충돌벽면에서는 충돌 이후에 대부분의 연료가 충돌벽면을 따라 이동하 였기 때문에 스파크방전 위치 주변의 LPG·CNG- 공기 혼합기의 농도가 과희박(too lean) 상태가 되 어 혼합기를 점화하기가 매우 어려워졌다. 간헐적 인 점화가능 시에도 혼합기가 안정된 점화상태에 이르기가 매우 어려웠다.
LPG와 CNG의 충돌연소의 화염면적과 연소기
간을 고찰해본 결과 평면 충돌벽면의 점화가 가
장 어렵고, 연소가 가장 완료되지 않았다. 원형과
사각형 충돌벽면의 화염면적을 비교하면, 사각형
충돌벽면의 최대 화염면적이 약간 더 컸다. 이는
사각형 충돌벽면의 충돌과정 이후 연료가 더 많
이 연소될 수 있으며, 분무-벽면충돌 과정에서
LPG·CNG-공기 혼합기가 조금 더 잘 형성된다는
LPG Fuel Experiment Condition
P
i= 0.7 MPa P
a= 0.1 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST = 5ms ID = 5ms
0 ms 1.026 ms 2.052 ms 3.078 ms 4.104 ms 5.130 ms
6.156 ms 7.182 ms 8.208 ms 9.234 ms 10.260 ms 11.286 ms CNG Fuel Experiment Condition
P
i= 5 MPa P
a= 0.6 MPa T
a= 300K V
air= 0 m/s ST: 7 ms SDPr:0mm SDPa:20mm
1.269 ms 2.85 ms 3.641 ms 4.431 ms 5.222 ms 6.012 ms
6.803 ms 7.593 ms 8.384 ms 9.174 ms 9.965 ms 10.755 ms Fig. 11 Flame propagation process with a flat impingement-wall
는 것을 의미한다. 실험결과 LPG와 CNG의 이러 한 과정의 패턴은 유사하게 나타났다.
3.4 충돌벽면이 있을 때의 점화성
본 연구에서 성공적인 점화란 화염핵의 형성으 로 정의된다. 이때 화염핵은 불꽃방전의 결과로 형성되며, 안정된 화염을 이끌어내는 화염전파가 뒤따라야 한다. 만일 점화성이 80%를 넘는다면 혼합기는 이러한 조건 하에서 점화될 수 있는 것 으로 여겨지며, 따라서 Fig. 13의 그래프 상에 표 시된다고 규정될 수 있다.
우리는 LPG의 선행연구
19)에서 분사압력 0.5 MPa, 0.6 MPa일 때 보다 0.7 MPa일 때의 변수 조건에서 원형 충돌벽면이 있을 때의 점화와 사 각형 충돌벽면이 있을 때의 점화 양쪽 모두에서 분사압력의 증가에 따라 점화성이 높았으나, 더이 상의 높은 분사압력 조건에서의 점화성 결과는 낮게 나타났다.
CNG의 선행연구
20)에서 충돌벽면이 없을 때는 1 MPa 이하의 낮은 분사압력에서만 성공적인 점 화를 얻을 수 있었으나, 충돌벽면이 있을 때는 분 사압력 3~5 MPa에서 성공적인 점화를 얻을 수 있 었다. 분사압력 5 MPa일 때는 원형 충돌벽면이 있을 때의 점화와 사각형 충돌벽면이 있을 때의 점화 양쪽 모두에서 분사압력의 증가에 따라 점 화성이 증가했다. 평평한 충돌벽면이 있을 때의 점화에서는 CNG-공기 혼합기가 0.5~0.7 MPa의 분위기 압력 하에서 분사압력이 오직 5 MPa일 때에만 점화될 수 있었다.
본 연구실의 이러한 선행연구
19,20)결과는 높은
분사압력은 높은 분무속도로 이어지며, 따라서 충
돌벽면이 없는 점화에서는 높은 분무속도로 인해
화염핵의 소염으로 점화성이 낮았으나, 충돌벽면
이 있을 때에는 분무-벽면충돌 과정이 운동에너지
의 손실을 야기하기 때문에 분무속도가 감소하여
화염핵의 소염이 더 이상 중요하지 않게 됨을 의
미한다.
Fig. 13은 충돌벽면이 없을 때와 원형과 사각형 의 충돌벽면이 있을 때 LPG와 CNG 점화성 결과 를 나타내었다. LPG와 CNG의 동일한 실험 조건 을 위해 분사압력은 0.8 MPa, 분위기 온도 300K 로 설정하였다. LPG의 경우, 분위기 압력은 0.1 MPa∼0.18 MPa 범위에서 0.02 MPa 단위로 증가 시켰고, 점화시기(Spark timing)는 0 ms∼9 ms 범 위에서 1 ms 단위로 증가시켰다. CNG의 경우, 분 위기 압력 0.1~0.7 MPa로 설정하였다. 분위기 압 력 0.4~0.7 MPa에서 점화성이 양호하였다.
알려져 있다시피, 불꽃방전 위치에서의 분무속 도 순간값과 분무농도는 점화의 성공을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 또 높은 분위기 압력은 분사된 연료의 분무 속도를 제어하고 분무 농도 를 향상시킨다. 따라서 상대적으로 더 높은 분위 기 압력 하에서 혼합기는 더욱 쉽게 점화될 수 있 었다. 하지만 분사압력 대비 상대적으로 높은 분 위기 압력에서는 분무 농도가 희석되어 점화성이 낮아지는 것을 확인하였다.
본 연구에서 점화시기는 분사 개시에 따라 점 화가 일어나게 되는 시간이다. 점화시기(Spark Timing)는 성공적인 점화에 있어 중요한 매개변수 이다. 충돌벽면이 없는 점화에서 LPG의 적절한 점화시기는 0~5 ms, CNG의 적절한 점화시기는 3~4 ms 범위였다. 충돌벽면이 있는 점화에서 LPG 의 적절한 점화시기는 0~6 ms, CNG의 적절한 점 화시기는 6~7 ms 범위였다.
적절한 점화시기의 이러한 차이는 혼합기를 형 성하는 서로 다른 메커니즘 때문이다. 충돌벽면이 있는 점화에서는 적절한 조성의 혼합기가 분무-벽 면충돌 과정에 의해 형성되므로, 충돌벽면이 없는 점화에서보다 연료-공기 혼합기를 형성하는 데 더 많은 시간이 소요된다.
원형 충돌벽면이 있을 때의 점화성은 LPG와 CNG 모두 사각형 충돌벽면에서와 대부분 동일한 것으로 드러났다. 그러나 사각형 충돌벽면에서의 점화성이 약간 더 좋았다. 앞에서 논의했던 바, 사 각형 벽면의 모서리에는 작은 와동과 같은 몇몇 특이한 유동 패턴이 형성되며 이 작은 와동은 유 동장을 더욱 난류로 만들 수 있다. 이것이 사각형 충돌벽면이 더 좋은 이유이다.
Fig. 12 Flame area comparison with different impingement–walls
Fig. 13 Ignition probability comparison with 0.8 MPa injection pressure
5. 결 론
본 연구에서는 세 종류의 충돌벽면을 설계하여 LPG·CNG 분무-벽면충돌 과정 및 화염전파 과정 과 점화성에 미치는 영향을 조사하였다. 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.
원형과 사각형 벽면에 충돌 후에는 캐비티가 서로 반대방향으로 회전하는 두 개의 큰 와류로 채워졌고, 불꽃방전위치 주변으로 분무의 재유입 흐름이 발생하였으며, 사각형 벽면의 모서리는 작 은 와류들이 관찰되었다. 평평한 충돌벽면은 분무 가 대부분 벽을 따라 이동하였다.
원형과 사각형 충돌벽면에서 난류 유동장은 성
층화 효과를 유발하여 불꽃방전위치 주변의 연료
를 농후하게 하였고 연소화염이 대단히 주름 잡
히도록 만들었다. 하지만 평평한 충돌벽면에서는
점화성이 낮았다.
분무-벽면충돌 연소에 있어 적절한 점화시기는 혼합기를 형성하는 메커니즘의 차이 때문에 충돌 벽면이 없는 경우의 점화시기보다 지연되었다.
충돌벽면이 없을 때의 높은 분사압력은, 분무속 도가 높아져 화염핵이 소염되었으나, 충돌벽면이 있을 때는 점화성에 더 좋다는 것이 관찰되었다.
높은 분위기 압력은 분사된 분무의 속도를 제 어하고 분무 농도를 향상시킨다. 따라서 상대적으 로 분위기 압력이 더 높을수록 혼합기는 보다 쉽 게 점화될 수 있었다.
후 기
이 논문은 동아대학교 교내연구비 지원에 의하 여 연구되었음.
References
