| 초록 |
직분사 디젤엔진에서의 점화지연시간은 분사된 액체 연료를 점화까지 이르게 하는 매우 복잡한 물리 적 그리고 화학적 현상들에 의해 결정된다. 특히, 액체상태에서의 연료는 먼저 더 작은 droplet 으로 부서지는 breakup/atomization, 공기 저항에 의한 감속 (drag), droplet의 모양이 뒤틀리는 distortion, droplet 끼리의 상호작용인 collision/coalescence, 그리고 기체로의 증발 등의 물리적 현상을 겪게 된다. 한편, 기화된 연료가 고온/고압의 산소를 만나게 되면 화학적 산화반응을 통해 점 화에 이르게 된다. 이러한 현상들은 연료의 물리적 물성 (밀도, 점도, 증류특성 등) 은 물론이고 화학 적 반응성에 의해 영향을 받게 된다. 다양한 물성이 점화에 미치는 영향을 모델링을 통해 연구할 경우 각각의 물성의 영향을 분리하여 평가하고 그 상대적인 중요성을 알아낼 수 있다. 이 연구에서는 실제 엔진의 온도/압력 조건 하에서 연료의 물리적 물성과 화학적 반응성이 스프레이 점화에 미치는 상대적 인 영향을 판단하기 위해 수치실험을 수행하였다. 이를 위해 정적 챔버안에서의 연료 스프레이를 모델 링한 3-D CFD 시뮬레이션을 사용하였다. 이 수치실험을 위해서는 연료의 물리적 특성과 화학적 특성을 모두 모사할수 있는 대리연료 (fuel surrogate) 이 필요하다. 이를 위해 물리적 그리고 화학적 물성이 상이한 두가지 연료인 일반 제트연 료와 대체 제트연료의 surrogate 을 사용하였다. 또한 CFD 시뮬레이션에서 surrogate 들의 연소 모델 링을 위한 skeletal mechanism 을 개발하였다. 이후 대리연료와 skeletal mechanism 을 사용하여 구성 한 CFD 스프레이 모델의 검증을 진행하였다. 시뮬레이션에서의 액체침투거리, 기체침투거리, 그리고 점화지연시간을 Sandia National Laboratories 의 실험값과 비교하여 이 모델의 신뢰도를 검증하였다. 이 검증된 CFD 스프레이 모델을 이용하여 수치실험을 디자인 하였다. 이 수치실험의 목표는 baseline 케이스에서 연료의 물리적 물성 혹은 화학적 반응성을 독립적으로 각각 변화시키고, 이에 따 른 점화과정의 변화를 수치화하여 비교하는 것이다. 일반 제트연료 (Jet-A) 케이스를 baseline 으로 하여 대체 제트연료 (S-8)의 물리적 물성 또는 연소 반응성을 각각 baseline 에 적용한 실험케이스들 을 구성하였다. 이 수치실험은 실제 디젤엔진의 운행조건과 유사하게 압축공기의 밀도가 22.8 kg/m3 이 며 온도가 900 K, 1000 K, 1200 K 인 조건에서 수행하였다. 먼저 세가지 온도조건에서 공통적으로 물리적 물성을 변화시킨 케이스 (JetA_chem_S8_phy) 보다 연 소반응성을 변화시킨 케이스 (JetA_phy_S8_chem) 가 점화지연시간의 변화가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 물리적 물성을 변화시켰을 때, 점화지연시간은 baseline 케이스보다 900 K 에서 12.2%, 1000 K 에서 5.6 %, 1200 K 에서 1.0% 변화한 반면, 연소 반응성을 변화시켰을 때는 각 온도조건에서 36.6%, 23.1%, 12.3% 변화된 점화지연시간을 보였다. 물리적 물성 변화는 스프레이가 액체 상태일 때 작용하 는 여러 프로세스에 영향을 미치게 되는데, 그 영향이 기체상태에서의 연소 반응성이 점화지연시간에 미치는 영향보다 작다는 것을 의미한다. CFD 각 셀의 반응성을 계산하여 그 분포를 비교하였을 때, 물 리적 물성의 변화가 초래한 스프레이 전체의 반응성 변화는 기체 연료의 반응성이 변화가 초래한 것보 다 매우 작다는 것을 보일 수 있었다. 한편, Baseline 인 Jet-A 연료의 물리적 물성 (밀도, 점도, 비 열, 증류곡선) 을 S-8 의 것들로 바꾸었을 때 (JetA_chem_S8_phy) 점화지연시간은 늦춰지는 경향을 보 였다. 이는 변화된 물리적 물성들 가운데에서도 특히 낮아진 밀도와 높아진 비열에 의한 것임을 또한 보일 수 있었다. 이 수치실험을 통하여 보일 수 있었던 또 하나의 결론은, 연료 물성의 변화가 초래하는 점화지연시 간의 변화는 압축공기의 온도가 높아질수록 작아진다는 것이다. 이러한 현상의 가장 주된 이유는 1000 K 이상의 고온 조건에서는 여러가지 종류의 연료들이 CN 혹은 ON 로 나타내어지는 연료의 반응성이 매 우 다르더라도 기체상태에서의 화학적 점화지연시간은 차이가 크지 않기 때문이다. 또한 고온 조건에 서는 온도가 올라갈수록 화학적 점화지연시간이 기하급수적으로 짧아지게 되는데, 이로 인해 점화가 일어나기 전 분사되는 연료의 양 자체가 매우 적어 물리적 물성의 변화가 스프레이의 반응성에 영향을 미치기 힘들다. 이는 기존의 엔진을 이용하여 연료 물성 변화에 민감하지 않고 다양한 연료를 운용하 기 위해서는 높은 공기 온도를 사용하게 하는 제어 전략이 필요하다는 것을 의미한다. |
