Experimental study of evaporation and combustion characteristics for various single fuel droplets under rapid compression machine conditions

Abstract

스프레이 연소 시스템은 내연기관, 터빈 및 액체 로켓 등 다양한 연소 장치에 사용되고 있으며, 특유의 단순성, 안정성으로 인한 여러 가지 장점을 가지고 있다. 액체 연료가 연소실에 스프레이 형태로 분사될 때 연료는 작은 액적으로 미립화 되며, 이후 액적 주위 환경에 따른 액적의 증발 및 연소가 발생하게 된다. 이러한 액적의 증발 및 연소 특성은 연소 기관의 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나로 알려져 있다. 본 연구는 급속압축장치(RCM) 내부에서 단일 연료 액적의 증발 및 연소 특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 급속압축장치는 Homogeneous charge compression ignition (HCCI) 환경에서 단일 압축행정을 모사하는 장치로써, 압축행정 과정 동안 내부의 압력 및 온도가 상승하게 되고 피스톤의 상사점(Top dead center) 이후 압력 및 온도가 감소하는 환경을 만들어 내게 된다. 비정상 상태에 노출된 액적의 증발은 주위 환경의 영향을 받게 되고, 이후 충분한 연료 증기가 형성되게 되면 액적의 자발화가 발생하게 된다. 본 연구에서는 단일 액적을 급속압축장치 연소실의 가운데에 위치하도록 설치하여 실험을 진행하였다. 액적은 소선 직경 50 μm의 열전대 끝에 설치되어 액적의 내부 온도를 측정할 수 있도록 하였으며, 액적의 증발 현상에 따른 액적 직경 변화는 초고속 카메라를 통하여 500 fps 의 속도로 측정되었다. 액적의 순수한 증발을 위해 연소실 내부를 질소로 충전하였으며, 연소실험을 위해서는 건조 공기를 주입하였다. Chapter 2에서는 단일 n-헵탄(heptane) 액적의 증발 특성에 관한 연구가 수행되었다. 실험결과는 시간에 따른 액적 주위의 온도 및 압력 변화에도 불구하고 증발 과정 중 액적 직경의 변화가 시간에 따라 일정함을 보여주었다. 액적의 증발율은 액적의 열용량 차이로 인해 액적의 초기 직경이 감소할수록 증가하였다. 압축비가 증가할수록 높은 챔버 내부 공기 온도로 인해 증발율이 증가하였으나, 구동시간은 증발율에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다. Chapter 3 를 통하여 n-헵탄 액적의 자발화 특성에 관한 연구가 수행되었다. 실험 결과를 통해 액적 초기 직경이 증가할수록 액적 가열 지연으로 인해 점화지연은 증가함을 확인하였다. 액적 직경이 일정 이상으로 증가하면 액적 주위의 연료 증기 형성 지연으로 점화가 발생하지 않았다. 구동시간이 짧아질수록 비정상 액적 증발 특성으로 인해 점화지연이 감소하였다. Chapter 4 에서는 이성분 연료 액적의 자발화에 관한 연구를 진행하였다. n-헵탄에 iso-옥탄(octnae) 을 첨가하였을 때, 액적 주위의 n-헵탄 증기 소산 효과 및 자발화 온도 증가로 인해 점화지연이 증가하였다. 점화 지연과 최대 액적 점화 직경은 iso-옥탄 부피비 0.5 근처에서 급격하게 변화하였고, 부피비가 0.5보다 줄어들수록 iso-옥탄의 영향은 감소하였다. n-헵탄에 n-데칸(decane)의 첨가는 증발 억제로 인해 점화지연의 증가를 가져왔다. iso-옥탄의 경우와 비교 하였을 때, n-데칸 부피비의 증가는 점화지연과 최대 액적 점화 직경의 완만한 변화를 보여주었으며, 이는 점화 억제 메커니즘의 차이 때문이다. 마지막으로 Chapter 5 에서는 물/n-데칸 에멀젼 액적의 자발화 및 연소에 관한 연구가 진행되었다. 연료의 유변학적(Rheological) 성질을 관찰하기 위해 유동계 (Rheomentaer)를 사용하였다. 점도와 전단 응력은 물의 부피비가 증가함에 따라 증가하였으며, 대부분 뉴턴 유체 거동(Newtonian fluid behavior) 을 나타냈으나, 물 부피비 0.3 에서 비뉴턴 유동(Non-Newtonian) 의 특징을 보여주었다. 에멀젼 액적의 연소는 네 단계로 나누어 졌으며, 각각의 단계는 물의 부피비에 따라 다소 차이가 발생하였다. 초기 액적 직경 및 물 부피비가 증가할수록 액적의 점화지연은 증가하였고, 물 부피비가 증가할수록 물의 증발열로 인해 액적 온도 증가는 지연되었으나 미소폭발(micro-explosion) 강도는 증가하였다. 액적의 평균 연소율은 액적 초기 직경이 증가할수록 증가 하였으나 미소폭발과 액적 온도의 보상작용으로 인해 물의 부피비는 액적의 평균 연소율에 큰 영향을 미치지 않았다.