에탄올-디젤 혼합 연료를 사용하는 압축 착화 엔진의 분무 및 연소 특성에 관한 연구 = Experiments and Simulation on Spray and Combustion Characteristics of Ethanol-Diesel Blended Fuels in Compression Ignition Engine

국문 초록 (Abstract)

에탄올-디젤 혼합 연료를 사용하는 압축 착화 엔진의 분무 및 연소 특성에 관한 연구 울산대학교 일반대학원 기계자동차공학과 정 세 원 본 연구는 에탄올의 압축착화 엔진 적용 가능성을 평가하기 위해, 낮은 윤활성 및 상분리 문제를 보완하고자 디젤을 혼합한 에탄올-디젤 혼합 연료의 분무 및 미립화 특성, 연소 및 배기 특성이 어떻게 변화하는지를 규명하는 것을 목적으로 한다. 에탄올은 높은 산소 함량과 낮은 밀도·점도·표면장력 특성으로 인해 연소 효율 향상, 미립화 개선, 배출 저감에 기여할 수 있는 유망한 대체 연료로 평가되지만, 저온 환경에서 상분리와 낮은 윤활성으로 인해 압축착화 엔진에 직접 적용하기에는 제약이 존재한다. 이에 따라 본 연구에서는 디젤을 보조적으로 혼합한 고농도 에탄올 연료의 물성 변화가 고압 분사 방식의 압축 착화 엔진에 미치는 영향을 시뮬레이션 기법과 실험적으로 조사하였다. 따라서 본 연구에서는 에탄올-디젤 혼합 연료를 상온에서 30일간 보관하여 상부리 테스트를 진행하고, 정적 챔버(Constant Volume Chamber, CVC)를 이용하여 고속카메라 촬영, 그리고 MATLAB 기반 이미지 처리를 수행하여 분무 침투 길이, 분무각, 분무 둘레, 분무 속도 등 분무 특성을 상세히 해석하였다. 또한 미립화 특성(Sauter Mean Diameter, 능)을 알아보기 위해 CONVERGE 기반 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 더불어 단기통 압축착화 엔진과 고압 분사 시스템을 구성하고 FTIR을 활용하여 연소 및 배기 특성을 측정하였다. 실험 결과, 에탄올 혼합비 증가에 따라 분무 침투 길이는 124.8 mm에서 106.2 mm로 감소한 반면 분무각과 분무 둘레는 크게 증가하였으며, 이는 낮은 밀도·점도에 따른 분무 운동량 감소와 공기 유입 증가로 인한 미립화 촉진 효과 때문이다. 또한 에탄올의 낮은 관성과 높은 휘발성으로 인해 분무 속도 감소가 빠르게 나타났고, CFD에서도 에탄올 함량 증가에 따라 SMD가 지속적으로 감소함을 확인하였다. 에탄올–디젤 혼합 연료(DE50)는 순수 디젤 대비 최적 분사시점이 BTDC 43°로 조기화되었으며 최대 열효율을 나타냈다. 분사시기 증가에 따라 D100에서는 NOx가 증가한 반면, DE50에서는 에탄올의 증발 냉각 및 연소 분산 효과로 NOx가 감소하였다. THC와 CO는 두 연료 모두에서 최적 분사시점에서 최소값을 보였고, 분사시기 이탈 시 증가하였다. 결론적으로, 고농도 에탄올–디젤 혼합연료는 낮은 점도·밀도와 높은 산소 함량 특성에 기반하여 분무 확산성과 연료–공기 혼합 균질도를 향상시키며, 압축 착화 기반 엔진의 연소 효율 개선 및 배기 배출 저감 측면에서 높은 잠재력을 가진 대체 연료로 평가된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약ⅰ
• 목 차ⅱ
• 그림목차ⅳ
• 표 목차ⅵ
• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경1
• 1.2 연구 목적3
• 제 2장 기존 연구 동향4
• 제 3장 실험 장치 및 해석 방법 7
• 3.1 고농도 에탄올-디젤 혼합 연료의 분무 거동 분석을 위한 CFD 모델링7
• 3.2 에탄올 혼합비에 따른 연료 물성 변화 및 상분리(상안정성) 실험9
• 3.3 정적 챔버(Constant Volume Chamber) 및 광학 장치 구축 11
• 3.4 MATLAB을 활용한 분무 이미지 후처리 14
• 3.5 배기 및 연소 특성 실험을 위한 단기통 엔진 실험 16
• 제 4장 실험 결과 및 해석 18
• 4.1 고혼합 에탄올-디젤 혼합 연료의 상분리(상안정성) 실험 결과 분석 18
• 4.2 에탄올 혼합비별 다양한 압력 조건에서의 분무 거동 분석20
• 4.2.1 혼합비별 다양한 압력 조건에서의 분무 침투 길이 분석 22
• 4.2.2 혼합비별 다양한 압력 조건에서의 분사 각도 분석25
• 4.2.3 혼합비별 다양한 압력 조건에서의 분무 면적 분석30
• 4.3 분무 시뮬레이션과 실험 결과값의 교차 검증 분석 33
• 4.4 에탄올 혼합비에 따른 미립화 특성34
• 4.5 착화 지연 시간에서의 분무 형상의 둘레 분석 37
• 4.6 에탄올 함량에 따른 분무 선단 속도 분석41
• 4.7 에탄올-디젤 혼합 연료를 사용한 압축 착화 엔진에서의 연소 특성 45
• 4.8 에탄올-디젤 혼합 연료를 사용한 압축 착화 엔진에서의 배기 특성 51
• 제 5장 결론54
• 참고문헌(References) 55
• Abstract65