대형기관 모사 정적연소실에서 메탄의 연소 특성에 관한 연구 = A Study on the Combustion Characteristics of Methane in a Constant Volume Combustion Chamber for Large Displacement Engine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study is the combustion characteristics of the methane gas in a constant volume combustion chamber for a large displacement volume commercial engine, which discusses the fundamental characteristics of the fuel in the aspect of the thermo-chemistry and thermodynamics and compares these results with the experimental ones. In addition, The combustion processes are discussed on the basis of pressure measurement. Also torch device is applied to the constant volume combustion chamber and the effects of orifice diameter and volume of torch device are analyzed through the heat release patterns and the flame visualization.
In the aspect of the thermo-chemistry and thermodynamics, the results show that the final pressures from theoretical analysis are varied under the same heating value due to the change of constant volume specific heat, caused by the difference of the burned gas composition according to the fuel gas compositions and the stoichiometric ratios and the trends of the analytic and experimental pressures coincide very well, however, some minor differences are observed between two. The root cause of the difference is the heat transfer, which changes the specific heat and lowers the temperature considerably, in the real combustion process. In addition, the large chamber volume and the ignition position promote the transfer to the wall. Also, the fuel conversion efficiency increases as the methane mol fraction decreases and is maximum when the stoichiometric ratio is from 0.8 to 0.9. For these increments due to the composition and the stoichiometric ratio could sufficiently compensate the decrement by the specific heat ratio drop, bio fuel like LFG might be more advantageous than pure methane in the real engine.
In the analysis of the combustion process base on the pressure measurement, the bi-modal peak pressure phenomenon, which is caused by the interaction of the heat release and the heat transfer, are more apparent as the mixtures are more favorable to the combustion and the magnitudes of the pressures depend on the unburned fraction. In addition, there exist 4 main inflection points during the heat release due to the variation process of the heat transfer area related to flame propagation from the ignition point. Also, the inflection points increase as the mixture quality is worse because of the extended burn duration. Consequently, the sophisticated interactions between the heat transfer area changing pattern due to the flame propagation and the transfer duration might cause very peculiar heat release patterns.
On the other hands, for the improvement of the combustion, torch devices are applied to the combustion chamber. The results show the there exists optimum orifice-diameter ratio regardless of the torch volume and little or adverse effects on the combustion are observed in case of the excessive small ratio. In addition, the torch ignition reduce the burn duration in the first place and then the decrease of heat transfer caused by shortening time contributes to raise of the peak combustion pressure. Finally, the torch mostly plays positive role in shortening main burn duration as the combustion condition is worse due to lower methane fraction, on the other hand the torch reduces initial burn duration rather than main burn as methane fraction increases.
The torch volume can be changed via adjusting the height. As the torch height increases, the peak combustion pressure is higher and the combustion duration is reduced. Especially, combustion pressure and time is improved regardless of kind of torch in the range of < 0.02 and case of = 0.01 shows the highest improvement.
Finally, the heat release patterns and visualization images show that the jet and/or spout from torch promote combustion by accelerating the flame front in the main combustion chamber. In addition, there exists hot gas jet when the orifice diameter is 4 ㎜, while flame passes through orifice directly if the diameter is 6 ㎜ and over. Also the effect of torch ignition is different according to the combinations of the methane fraction, the torch volume and orifice size because various combustion processes occur due to the interaction of these parameters. Finally, the suitable torch might satisfy not less than 6 ㎜ orifice diameter and not more than 0.15 of area ratio concurrently for securing the consistency of combustion process in the real engine.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 대형 상용기관을 모사한 정적연소실에서 가스연료의 연소 특성에 대한 논문으로 연소특성을 연소화학양론 및 열역학적 측면에서 분석하고 이를 실험적 결과와 비교하였다. 또한 정적연소실의 연소압력 측정을 기반으로 연소과정을 해석하였으며, 토치를 적용하여 토치의 오리피스직경과 체적에 따른 효과를 분석하였다. 열 발생 특성과 가시화 결과로 연료 조성에 따른 연소 특징 및 토치 연소의 특징을 논하였다.
연소화학양론 및 열역학적 분석에서 연료 중 메탄 분율과 당량비에 따라 기연가스의 조성이 변화하고 이에 따라 정적비열이 변화하여 동일 발열량에 최종압력은 변화하며, 이것은 실제 연소압력 측정결과와 대체로 일치한다. 메탄 분율과 당량비에 따른 상대적 압력변화 및 연소기간도 분석결과와 실험결과가 경향 상 일치한다. 분석과 실험 결과 사이의 세부적 차이는 온도와 연소 기간에 의한 열전달량의 차이에 기인한 온도저하 및 이에 따른 정적비열의 변화가 주요 원인이며, 연소실 체적과 점화위치도 연소기간과 온도에 큰 영향을 준다. 최종적으로 정적연소에서 연료변환효율은 메탄 분율이 작을수록 그리고 당량비 0.8 ~ 0.9 사이에서 최대가 되며, 이러한 연료변환효율의 증가는 실물기관에서 비열비 감소의 효과를 상쇄하고 남으므로 순수 메탄보다 불순물이 포함된 매립지가스와 같은 바이오연료의 연소가 효율 면에서 유리하다.
연소압력 측정을 기반으로 연소과정을 해석한 결과 연료에 포함된 메탄의 분율이 높아 연소에 유리한 조건일수록 두 개의 압력 정점이 존재하며, 이는 연소에 의한 열발생과 열전달에 의한 냉각효과의 상호 작용이며 두 정점의 크기는 미연가스 분율에 따라 달라진다. 또한 연소과정 중 열발생에는 4개의 주요 변곡점이 발생하고, 이는 점화위치로부터 화염전파에 따른 전열 면적 변화과정이 주원인이며 연소에 불리한 조건일수록 변곡점은 증가하고 열발생은 복잡한 형태를 지니는데, 이는 연소기간 연장이 주원인이다. 결론적으로 점화위치와 관련된 화염전파 과정 및 전열 면적의 변화과정 그리고 대형 연소실에 의한 연소기간 연장의 효과가 상호 복잡하게 작용하면서 매우 특이한 형태의 열발생 곡선이 생성된다.
화염 생성 및 연소 효율 향상을 위하여 정적연소실에서 토치 장치를 적용하였다. 실험 결과 연소를 개선시키는 최적의 오리피스 비율이 존재하며 오리피스가 매우 작은 경우 압력 상승 비율은 직경 변화에 무관하게 일정 수준을 유지하거나 소폭 감소한다. 아울러 토치의 효과는 일차적으로 연소 시간단축에 영향을 주고 시간단축에 따른 전열량의 감소가 이후 압력상승에 기여한다. 마지막으로 메탄 분율이 적어 연소 조건이 나쁠수록 토치는 주로 주 연소 기간을 단축시키고, 연소 조건이 좋은 경우에는 주로 초기 연소를 단축시키는 효과가 있다.
또한 토치의 높이가 증가함에 따라 연소 압력은 상승되었고, 연소 시간은 개선되었다. 특히 < 0.02에서는 모든 토치에서 압력 향상과 시간단축이 있었으며 토치의 높이에 관계없이 = 0.01에서 최고 압력 상승과 최고 시간 단축율을 보였다. 하지만 토치의 높이(h)가 토치 직경(D)보다 큰 경우(under square)의 형태에서는 토치 내부에서 냉각이 발생하여 압력상승과 시간단축의 폭이 크지 않았으며 토치 내부에서의 과도한 냉각을 피하는 토치의 형태인 정행정(square)의 형태를 유지하는 경우에 효과가 뚜렷하게 났다.
열 발생 특성과 가시화한 결과로 토치의 특성을 살펴본 결과 토치 연소는 주 연소실에 형성된 화염 면을 토치에서 분출되는 가스가 가속시킴으로 연소를 촉진한다. 이때 오리피스 직경이 4 ㎜일 때는 고온의 가스가 분출되며 6 ㎜이상에서는 토치에서 형성된 화염이 직접 오리피스를 통과한다. 또한 토치의 체적이 증가하면 분출되는 화염은 더욱 가속화 되었으며, 연소실 하면에서부터 연소가 진행되었다. 메탄 분율, 토치 체적 그리고 오리피스 크기가 상호 연관적으로 작용하여 다양한 연소 형태를 야기하고 이에 따라 토치 연소의 효과가 매우 다르게 나타난다. 마지막으로 실물기관에서 연소 과정의 일관성을 보장하는 적절한 토치의 조건은 6㎜ 이상의 오리피스 직경과 0.15 이하의 면적비을 동시에 만족시키는 것이다. 토치의 형태는 직경(D)과 높이(h)가 비슷한 형태이어야 연소의 개선이 크다.

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅰ
• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Nomenclature
• I. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 3
• II. 연구방법 5
• 2.1 실험장치 5
• 2.1.1 정적연소실 5
• 2.1.2 예혼합장치 10
• 2.1.3 화염가시화장치 13
• 2.1.4 토치점화장치 14
• 2.1.5 점화장치 15
• 2.2 실험방법 16
• 2.2.1. 열발생율 17
• 2.2.2 질량연소율 17
• III. 열역학적 분석 18
• 3.1 연소화학양론 및 열역학적 분석 18
• 3.2 정적연소 특성 26
• 3.3 결론 41
• IV. 메탄 분율에 따른 특성 42
• 4.1 연소특성 42
• 4.2 화염전파특성 62
• 4.3 결론 75
• Ⅴ. 메탄 분율 변화에 따른 토치 장치 특성 76
• 5.1 분율변화에 따른 토치 장치의 압력특성 76
• 5.2 분율변화에 따른 토치 장치의 연소시간 특성 87
• 5.3 분율변화에 따른 토치 장치의 열 발생과 화염전파 101
• 5.3.1 메탄 분율 80%( = 0.8) 101
• 5.3.2 메탄 분율 90%( = 0.9) 107
• 5.3.3 메탄 분율 100%( = 1.0) 112
• 5.4 토치연소 일반 특성 117
• 5.5 좁은 오리피스( = 4 ㎜) 119
• 5.5.1 작은 토치( = 12 ㎜) 119
• 5.5.2 중간 토치(14 ㎜ ≤ D ≤ 18 ㎜) 119
• 5.5.3 큰 토치( D ≥ 20 ㎜) 124
• 5.6 결론 129
• Ⅵ. 체적 변화에 따른 토치 장치 특성 130
• 6.1 체적 변화 따른 토치 장치의 압력특성 130
• 6.2 체적 변화 따른 토치 장치의 연소 시간특성 146
• 6.3 체적 변화 따른 토치 장치의 열 발생과 화염 전파 185
• 6.4 결론 199
• Ⅶ. 결 론 200
• 참고문헌 202
• 영문초록(Abstract) 207
• 감사의글 210