Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. September 2021. 1-9
https://doi.org/10.15231/jksc.2021.26.3.001

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 방법

  •   2.1 실험 장치 구성

  •   2.2 실험 조건 및 결과 분석 방법

  • 3. 연구 결과 및 고찰

  •   3.1 단일 연료 액적의 연소 특성

  •   3.2 파장 대역 변화에 따른 화염 거리비

  •   3.3 수치 해석을 통한 Mole fraction 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

연소를 통해 동력원을 얻기 위한 에너지원으로 사용되는 탄화수소 연료의 연소 과정은 연소실에 액상으로 공급된 후 증발 및 산화 과정을 통해 점화되는 복잡한 연소 과정을 따른다. 이러한 액상 연료의 증발 및 연소 특성은 내연기관에 매우 중요한 요소로 보고되었다[1, 2]. 선행 연구[3, 4]에서 보고된 연구 결과에 의하면 내연기관에 사용되는 액상 연료의 분사 및 연소 특성은 매우 중요한 요소임을 확인할 수 있다. 이러한 이유로, 연료 분무 및 미립화 효과에 대한 많은 연구가 활발히 수행되었다. 하지만, 액상 연료의 증발 및 연소가 발생하는 실제 연소실 내부의 연소 현상은 흡입 공기 강도와 다양한 분무 형태로 인해 연소 및 화염 분석이 복잡하기 때문에 이러한 연소 형태를 비교적 단순화할 수 있는 단일 연료 액적 연소 실험을 바탕으로 다양한 액적 연소 연구가 수행되었다[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].

앞서 언급한 바와 같이, 일반적인 탄화수소 연료의 연소 과정은 연소실 내부로 공급된 액상 또는 기상의 연료가 증발 및 산화와 같은 물리·화학적인 현상을 통해 발생한다. 이러한 연료의 연소 특성은 액적 증발과 연소 기간에 영향을 미치기 때문에 연소 과정을 분석하기 위해 중요한 요소라고 할 수 있다[1, 2]. 연료의 증발과 관련된 액적 증발 및 연소는 단일 연료 액적을 적용한 실험적 연구로 활발히 수행되었다. 특히, Godsave[13]와 Spalding[14]에 의해 제안된 d2-law를 기반으로 단일 연료 액적의 연소율, 증발률 및 액적 온도 변화와 같은 액적 연소에 대한 기초 연구가 발전하였으며, 이를 바탕으로 현재까지 항공 우주 및 내연기관 분야에서 액적 연소 연구를 통해 기본적인 연소 특성을 파악할 수 있는 다양한 연구가 수행되었다. 이와 같이, 액적 연소와 관련된 다양한 형태의 연구는 액적 연소 속도(Burning rate), 증발 속도(Evaporation rate) 및 혼합 비율(Mixing ratio)과 같은 액적 거동을 근본적으로 이해하는데 중요한 연구 결과를 제공한다[2, 5, 9, 11, 12, 15, 16, 17].

이렇듯, 액적 연소 실험은 기본적인 연소 거동을 모사하고, 연소 해석의 정확도 향상에 있어 연료 증발에 대한 정보를 제공하기 때문에 중요한 연구임을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 탄화수소 기반의 액상 연료에 대한 기초 화염 이해와 저온 연소 및 배기 배출물 형성에 관련된 화학종 검출에 대한 기초 실험 연구 결과를 제공하고자 Biodiesel, Diesel, n-heptane 단일 연료 액적 연소 실험 연구를 수행하였다.

따라서, 본 연구에서는 단일 연료 액적 연소 실험을 통해 정상 중력장 조건에서 단파장 필터링 촬영을 통한 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료 액적의 기초적인 화염 거동 특성을 비교 분석하였다. 화염 거동 특성은 단파장 필터 대역을 변경하여 각각의 연료 액적 직경에 대한 점화지연(Ignition delay), 화염 소멸(Flame extinction), 화염 수명 시간(Flame life-time), 액적 연소 시 생성된 화염의 거리비(Normalized flame distance ratio) 결과로 각각 정리하여 비교 분석하였다. 또한, 화학반응 중점의 연소 해석을 통해 액적 연소 실험에서 확인이 어려운 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료의 연소 과정을 몰분율(Mole fraction) 변화 특성으로 비교하여 주요 화학종 변화를 분석하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험 장치 구성

Fig. 1은 본 연구에 적용된 단일 액적 연소 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 단일 액적 연소 실험은 Diesel, Biodiesel, n-heptane 연료 액적을 각각 적용하여 실험을 수행하였다. 단일 연료 액적을 고정하기 위한 강선(Stainless wire)과 열원 공급을 위해 열선(Hot wire)을 사용하여 히터 코일 형태의 점화 장치(Igniter)를 제작하였다. 열원 공급은 전원 공급 장치(TPE-3010S)를 통해 점화 장치에 전류를 인가하여 고정된 액적이 착화 하는 방식으로 연소 실험을 수행하였다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of visualization experimental apparatus.

전원 공급 장치로부터 출력된 전원은 오실로스코프(DLM2022)를 통해 인가된 전압의 순간 변화량을 측정하였고, 이와 동시에 오실로스코프를 통해 초고속 카메라(HSC)와 동기화를 위한 입력 신호를 제공하도록 연동하였다. 액적 연소의 모든 과정은 초고속 카메라(Phantom Lab110)를 통해 640 × 480 해상도에서 1,000 fps로 촬영하였고, 연소 과정 가시화 및 이미지 분석을 수행하였다. 또한, 단파장 필터링 촬영을 통한 단일 액적의 연소 특성을 분석하기 위해 CCD 카메라와 대역 필터(Bandpass filter)를 동일선상에 배치하여 1,280 × 1,024 해상도에서 15 fps로 촬영하고, 액적 연소 및 화염 생성 과정을 가시화하였다. 본 실험 연구에 적용된 단파장 필터는 선행 연구를 참고하여 CH2O, CH, C2 화학종 분포를 촬영하기 위해 대역 필터를 각각 사용하였고, 적용된 렌즈의 중심 파장은 400 ± 8 nm, 430 ± 2 nm, 514.5 ± 0.6 nm로 각각에 해당하는 화학종 분포 촬영을 위해 사용되었다.

2.2 실험 조건 및 결과 분석 방법

본 연구에서는 단파장 필터링 대역에 따른 Diesel, Biodiesel, n-heptane 연료 액적의 초기 직경(d0)을 변경하며 실험을 수행하였다. 실험을 위해 계획한 초기 액적 직경은 1.5 ~ 1.8 mm이며, 실제 실험에서 측정된 초기 액적 직경은 1.428 ~ 1.899 mm로 측정되었다.

본 연구에 적용된 연료의 물성과 실험 조건은 Table 1, 2와 같다.

Table 1.

The physical properties of biodiesel, diesel, and n-heptane fuels[18, 19]

Fuel properties Biodiesel
(Soybean)
Diesel
(ULSD)
n-heptane
(Purity 95%)
Molecular formula C18.74H34.43O2 C14.09H24.78 n-C7H16
Boiling point (K) 628 533 372
Density
(Kg/m3)
878 840 680
Flash
point (K)
422 328 269
Oxygen
content
(%mass)
10.97 - -
Table 2.

Test conditions of the droplet combustion experiment

Description Specification
Planned initial diameter (mm) 1.5 ~ 1.8
Actual initial diameter (mm) 1.428 ~ 1.899
Voltage (V) 11.0 ~ 11.3
Current (A) 9.4 ~ 9.6

실험 과정에서 얻어진 화염 이미지는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 액적 직경 및 대역 필터 종류별 실험을 각각 수행하여 얻어진 결과를 정리하였다. 여기서 취득된 이미지를 통해 화염의 형상을 확인 가능하며, 일부 실험 과정에서 화염 형상이 완전한 대칭을 이루지 못하는 현상이 발생하였다. 이는 정상 중력장 조건에서 액적 증발과 화염 생성으로 인한 온도 및 밀도 변화에 의해 영향을 받는 부력과 자연대류의 영향으로 화염의 흔들림(Motion)과 위치 변동(Fluctuation)이 발생하여 나타난 현상으로 사료된다. 이와 같은 영향은 화염 형상 변화와 관련된 화염 거동에 직접적인 영향을 미치지만, 화염 생성 및 소멸 시점의 실험 데이터 취득에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

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Fig. 2.

Raw images of droplet flame development using HSC and CCD camera.

Fig. 2와 같이, 단일 연료 액적 연소 실험을 통해 취득된 이미지는 액적 연소 시 발생된 화염의 이미지 후처리 및 분석을 위해 MATLAB을 사용하여 Fig. 3의 이미지 필터링 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 취득된 최종 필터링 이미지를 활용하여 점화지연, 화염 소멸, 화염 수명시간, 화염 거리비 결과로 정리하였다. 또한, 화염 이미지는 촬영된 실험 원본 이미지를 기준으로 시간 변화에 따라 나타나는 각각의 이미지에 대한 임계값(Threshold value) 평균을 각각 고려하여 이진화(Binarization) 하였다. 이는 화염 크기에 따라 이미지 RGB에 대한 채도가 일정하지 않기 때문이며, 모든 이미지에 동일 임계값을 적용할 경우, 화염 이미지 후처리 과정의 불확실성으로 인해 정상적인 이미지 필터링에 대한 문제가 발생한다. 이에 따라, 각각의 이미지에 대한 평균 임계값을 적용하여 화염 이미지 분석의 오차를 최소화하였다. 이러한 이미지 후처리 과정 때문에 발생할 수 있는 실험 원본 이미지와 필터링된 이미지 사이의 점화지연 시간 측정 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

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Fig. 3.

MATLAB image processing for the droplet flame images.

3. 연구 결과 및 고찰

3.1 단일 연료 액적의 연소 특성

Fig. 4는 파장 대역 및 초기 액적 직경 변화에 따른 Biodiesel, Diesel, n-heptane의 점화지연 결과를 나타낸 그래프이다. 점화지연의 정의는 전원 공급 장치에서 전원이 인가되는 시점부터 액적이 증발하여 화염이 생성된 시간으로 정의하였다. Fig. 4에서 확인 가능하듯이, 단일 연료 액적이 갖는 점화지연 특성은 단일 액적의 연료 종류에 따라 n-heptane, Diesel, Biodiesel 순으로 나타났고, 동일한 연료일 경우 액적 직경 변화에 따른 차이는 크지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 연료의 물성인 비등점이 높을수록 액적의 증발을 억제[6]하기 때문에 가장 낮은 비등점을 갖는 n-heptane 연료가 액상 상태의 실험 액적 중 가장 빠르게 증발하여 상대적으로 빠른 점화 특성을 보인 것으로 사료된다. 또한, 본 실험 연구의 특성상 화염이 생성되는 시기까지 열원을 공급하였기 때문에 동일한 실험 연료에 대한 초기 액적 직경 변화에 따른 점화지연 편차가 크지 않고, 연소 시 생성되는 화염은 순간적으로 발생하여 파장 영역에 따라 점화지연 결과가 일정한 분포를 보이는 것으로 판단된다.

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Fig. 4.

Comparison of ignition delay results of droplet combustion.

Fig. 5는 파장 대역 및 초기 액적 직경 변화에 따른 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료 액적의 화염 소멸 시기를 나타낸 그래프이다. 액적 연소 후 화염 소멸은 점화지연이 가장 빠른 n-heptane 연료 액적의 화염이 빠르게 소멸되는 결과를 보였고, 연료 물성이 비슷한 Diesel, Biodiesel 연료 액적 순으로 나타났다. 화염 소멸 시점은 화염 면에 공급 가능한 연료 물질 전달이 이루어지지 않는 액적의 완전한 증발 시기로 볼 수 있다. 이 과정에서 연소로 인한 액적의 증발은 가속화되기 때문에 연소 속도와 관련된 연소율(Burning rate)이 높을수록 단일 연료 액적의 증발이 빠르게 발생한다[20]. 여기서, 연소율은 화염 온도, 증발 잠열, 연료 밀도 및 비등점에 영향을 받기 때문에 액적 연소 이론에 의해 연료 밀도와 비등점이 감소할수록 연소율이 증가한다[18, 21]. 따라서, 연료 밀도 및 비등점이 낮은 n-heptane, Diesel, Biodiesel 연료 액적의 순서로 화염 소멸 시간 결과가 나타난 것으로 사료된다. 또한, 초기 액적 직경이 증가할수록 화염 소멸이 늦게 일어나는 경향을 보였다. 이는 액적 직경 크기의 증가가 액적 직경 반경비 및 연소율을 증가시키기 때문에 연료 유량(Fuel flowrate)의 증가로 인해 나타난 것으로 판단된다.

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Fig. 5.

Comparison of flame extinction time results of droplet combustion.

Fig. 6은 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료 액적의 화염 수명 시간을 점화지연 분포로 정리한 결과 그래프이다. 화염 수명 시간은 액적 화염이 생성된 시점부터 화염이 완전히 소멸되는 시기까지의 시간차로 정의하였다. 이에 따라, 화염이 생성된 시점의 시간차를 측정하였기 때문에 화염이 존재하는 부분에서 파장 영역에 따른 화염 수명 시간은 큰 차이를 보이지 않았고, 점화지연, 화염 소멸 시간, 초기 액적 직경 변화에 따른 결과에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 화염 수명 시간은 Fig. 4, 5, 6을 통해 확인 가능하듯이, n-heptane이 갖는 낮은 비등점으로 인해 빠른 액적 증발 특성과 액적 열평형 온도에 빠르게 도달[2]하기 때문에 짧은 점화지연 및 화염 소멸 시간으로 인하여 화염 수명 시간이 가장 짧게 나타난 것으로 사료된다. 또한, 초기 액적 직경 변화에 따른 화염 수명 시간은 전체적으로 모든 실험 결과에서 증가하는 경향을 보였으며, Biodiesel 연료 및 Diesel 연료 액적의 경우 비슷한 화염 수명 시간의 결과를 보였다. Diesel 연료 액적의 경우, Biodiesel 연료 액적에 비해 빠른 점화지연 특성을 보이지만 화염 수명이 Biodiesel 연료 액적 보다 다소 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다.

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Fig. 6.

Distributions of ignition delay and flame life- time results.

3.2 파장 대역 변화에 따른 화염 거리비

Fig. 7은 단파장 필터링 대역 변화에 따른 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료 액적 연소 시 생성되는 화염 거리비 결과이다. 화염 거리비는 선행 연구[5, 10, 18, 22]를 참고하여 액적이 연소 되면서 생성된 화염의 크기 및 준정상상태(Quasi-steady)의 연소 과정에 중요한 매개변수로 정보 제공이 가능한 화염 직경비(Flame standoff ratio)를 활용하여 화염의 최대 수직 거리와 액적 직경비를 정규화(Normalized)된 결과로 정리하였다. 화염 거리비는 액적 표면에서부터 액적 반경 방향으로 발생된 화염의 최대 수직 거리 지점까지 계산한 최대 수직 거리와 초기 액적 직경 길이비로 정의하였다.

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Fig. 7.

Normalized flame distance ratio on the droplet flame of biodiesel, diesel, n-heptane (d0 = 1.428 ~1.899 mm).

이러한 화염 거리비 결과는 액적 연소 후 생성된 화염의 최대 길이를 갖는 구간의 결과이기 때문에 정상 중력장(Normal gravity) 조건에서 부력의 영향으로 최대 화염 길이가 나타나는 시점을 화염의 완전 발달 시기로 판단하였고, 이와 동시에 단파장 필터링을 통한 가시화 데이터를 활용하여 화학종 분석을 바탕으로 화염의 크기 및 위치와 같은 화염 거동 특성 분석에 활용하고자 기초 실험 결과로 정리 비교하였다.

400 nm 파장은 저온 화염을 추적하기 위한 CH2O 화학종[23, 24]을 검출하기 위해 적용한 파장 대역이다[25]. 해당 파장 대역 필터링을 적용한 액적 연소 화염의 거리비는 전체 액적 연소 기간 동안 CH 화학종의 화염 거리비 결과와 비슷한 경향을 보였으며, 2단 착화(Two-stage combustion) 연소 특성을 갖는 n-alkane 계열의 연료인 n-heptane 연료 액적의 화염 거리비 결과에서 두드러진 경향을 나타냈다. 특히, 필터링 된 CH2O의 가시화 결과는 Biodiesel, Diesel 연료 액적의 실험에서 나타난 화염의 형태가 CH 화학종이 필터링 된 화염의 형상과 비슷한 형태를 보였으나, 화염 면에서 전반적으로 화염이 뚜렷하지 않으며 n-heptane 연료 대비 평균 화염 거리비가 0.78 (Biodiesel), 0.74(Diesel)로 낮은 화염 거리비 결과를 보였다. 하지만, n-heptane 연료 액적의 필터링 된 CH2O 화학종의 가시화 결과 및 화염 거리비 결과는 CH 화학종 필터링 결과와 유사한 특성을 보였다. 앞서 언급한바와 같이, n-heptane 연료 액적의 실험 결과에서 보인 화염 거동 특성은 연료가 갖는 물성으로 인한 액적 증발 특성과 액적 증발 특성을 기반으로 발생하는 연소 특성이 화염 생성과 화염 거동에 동시 복합적으로 영향을 미쳤기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.

430 nm 파장은 기화된 연료의 초기 산화 반응 영역에서 나타나는 CH 화학종의 분포 확인이 가능하다. CH 화학종은 연료의 열분해(Pyrolysis)로 발생하며, 연료의 산화로 인해 발생되는 OH 라디칼 생성에 참여하는 화학종이다[26]. 가시화 결과에서 화염 면의 앞단(Flame front)과 화염의 중심부에서 뚜렷하게 나타났으며, 특히, Diesel, Biodiesel 연료 액적의 실험 결과에서 위와 같은 화염 형태를 보였다. CH 필터링 결과는 Fig. 7에서 확인 가능하듯이, C2 화학종이 화염 내 위치하는 상대적인 화염 거리비 결과보다 작은 거리비를 보였고, 연소 조건이 동일한 연료 및 액적 직경 조건에서 상대적으로 화학종 반응 강도 영역이 화염 내부에 위치함을 시사한다.

514 nm 파장은 주로 화염의 고온 반응 영역에서 존재하는 C2 화학종의 결과를 확인할 수 있다[27, 28]. 실험에 적용된 모든 연료의 액적 화염에서 전반적으로 높은 거리비 결과를 보였다. 이러한 특징은 Fig. 3의 가시화 사진에서 확인 가능하듯이, 모든 연료의 액적 실험에서 514 nm 필터링을 통해 얻어진 화염이 전반적으로 뚜렷하게 나타났으며, 화염 거리비 결과와 동시에 비교할 경우, C2 화학종이 화염의 후단까지 넓게 분포한다는 것을 의미한다. 화염내 C2 화학종은 화염 내 화학반응 영역의 당량비 검출, 연료 반응성, 화염 온도, 그을음(Soot) 감소에 중요한 정보를 제공하는 인자[27, 28]이기 때문에 화염 거리비 결과 대비 화염 이미지 강도 분석을 통한 후속 연구가 수행될 예정이다.

3.3 수치 해석을 통한 Mole fraction 분석

Fig. 8은 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연소 과정에서 연소 반응물 및 연소 온도 변화를 나타낸 해석 결과이다. 액적 연소 실험 결과에서 확인한 CH2O, CH 화학종의 몰분율(Mole fraction) 변화 및 화학반응을 분석하기 위해 연소 화학반응 해석을 수행하였다. 연소 반응이 급격하게 발생하는 점화시기를 기준으로 연소 반응물인 N2, O2, C11H22O2 (MD), C11H20O2, (MD9D), n-C7H16 (n-heptane), n-C12H26 (n-dodecane) 화학종과 연소 생성물인 CH2O, CH, OH, NO 몰분율 결과를 비교하였다. 해석에 적용한 Biodiesel과 Diesel 연료의 모사 화학종은 Biodiesel : n-heptane+MD+MD9D, Diesel : n-dodecane 화학종을 사용하였다.

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Fig. 8.

Changes in the mole fraction of chemical species during the biodiesel (a), diesel (b), and n-heptane (c) combustion.

바이오디젤 연료 조성비와 해당 화학종의 화학반응을 계산하기 위한 메커니즘은 선행 연구[29, 30, 31]를 참고하여 해석 연구에 적용하였다. 연소 해석 모델은 연소 화학반응 메커니즘을 기반으로 0-D 정적 연소 반응 모델을 사용하여, 초기 온도 및 압력에 대한 화학반응을 계산하였다. 연소 해석 시 초기 연소 조건은 실험 조건과 동일한 분위기 압력인 1.0 atm 조건에서 실험 시 측정된 점화지연 결과와 유사한 점화지연 특성을 보이는 분위기 온도 범위인 533.4 ~ 549.5 K 조건을 각각 적용하였다. C2 화학종의 경우, 해석 연구에 적용된 연소 화학반응에 포함되어 있지 않기 때문에 C2 화학종을 제외한 CH2O, CH 화학종에 대해 비교 분석하였다.

연소 해석 결과, 해석에 적용된 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료의 점화지연 결과는 실험을 통해 측정된 점화지연 결과의 평균값과 비슷한 것으로 나타났으며, 이를 바탕으로 실험을 통해 확인하기 어려운 화학종 몰분율 변화 및 화학반응 분석 연구를 수행하였다.

Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료의 연소가 시작되는 점화 시기에 연료 및 산화제가 동시에 감소하며, 화학반응에 의한 연소 온도 증가와 대기 중의 N2 화학종의 고온 반응으로 NO 생성물의 몰분율이 증가하였다. 동시에, 연료 산화 과정에서 생성되는 반응성이 높은 화학종인 OH radical은 전체 연소 기간 중 연소 온도 증가에 따라 급격히 몰분율이 증가하였고, 이후 단열 화염 온도(Adiabatic flame temperature)에 도달하는 상평형 상태일 때 일정 농도를 유지하는 몰분율 결과를 보였다.

또한, Fig. 8의 결과를 통해 Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료 연소 시 저온 연소 특성으로 연소 온도가 급격히 상승하는 주 점화 이전의 연료 산화 반응에서 CH2O 몰분율이 증가하는 반응 특성을 확인할 수 있었다. n-alkane 연료 계열에서 나타나는 저온 연소 반응 특성은 H 원자(Hydrogen atom)의 분리를 시작으로 알킬기 화학종 형성 이후 올레핀(Olefin) 분해 반응, 고리 형태의 에테르(Cyclic ether) 화학종 형성과 β-절단(β-scission)에 의한 연쇄 반응이 저온 반응을 유도하여 발생한다[23, 31]. 이 과정에서 Ketohydroperoxide(HO2CH2OCHO) 화학종의 분해로 생성된 OCH2OCHO radical로부터 CH2OCHO + O2 반응을 통해 CH2O 화학종이 주로 생성되는 것을 확인하였다. 또한, 액적 연소 실험 결과와 마찬가지로 n-heptane 연료에서 CH2O 몰분율이 가장 높게 나타났으며, Biodiesel 연료의 경우, 모사 화학종으로 n-C7H16 화학종이 포함되기 때문에 Diesel 연료보다 높은 몰분율 결과를 보였다. 하지만, CH 화학종의 경우 모든 연료 연소 과정에서 몰분율 변화가 매우 적은 것으로 나타났다.

CH 화학종의 경우, 저온(650 K)과 고온(1400 K) 영역에서 CH2 및 OH radical의 반응을 통해 생성되지만, 대부분 O2, H2O 화학종과 반응하여 HCO + O, H + CH2O가 생성되는 높은 역 반응률을 갖기 때문에 연소 과정에서 CH 몰분율 변화가 크지 않는 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 정상 중력장 조건에서 단파장 필터링 촬영을 통한 Biodiesel, Diesel, n-heptane 단일 연료 액적의 화염 내 CH2O, CH, C2 화학종 및 액적 연소 특성 분석 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 점화지연은 낮은 비등점으로 인해 액적 증발 속도가 빠른 n-heptane, Diesel, Biodiesel 연료 액적 순으로 측정되었으며, 초기 액적 직경 및 파장 대역에 따른 점화지연의 편차는 크지 않는 것으로 나타났다.

2) 화염 소멸 시점은 액적의 초기 직경이 증가하고, 연료 밀도가 상대적으로 높은 연료일수록 화염 소멸 시기가 증가하는 경향을 보였다.

3) 저온 연소 반응을 통해 생성되는 CH2O 화학종 분포는 2단 착화 특성을 갖는 n-heptane 연료 액적에서 뚜렷한 화염 형태와 높은 화염 거리비 특성을 갖는 것으로 나타났다. 또한, C2 화학종은 모든 연료 액적 화염에서 높은 거리비 결과를 보였으며, CH2O 및 CH 화학종은 서로 유사한 결과를 보였다.

4) 연소 해석 결과, Biodiesel, Diesel, n-heptane 연료의 2단 연소 특성에 따른 CH2O 몰분율 변화 및 연료 산화 과정을 확인하였으며, CH 화학종이 CH + O2, CH + H2O 화학반응 경로를 통해 몰분율이 감소하는 것으로 나타났다.

5) 단파장 필터 대역 변화에 따른 화염 거리비 결과 및 필터링 이미지를 통해 액적 화염 형상과 화염 내 CH2O, CH, C2 화학종 분포에 대한 기초 분석이 가능하며, 향후 화염 형상 및 연료 특성 별 액적 화염 거동 특성의 기초 비교 자료로 활용하여 화염의 구조적 특성을 분석할 예정이다.

기호설명

Nomenclature

HSC : high speed camera

ULSD : ultra low sulfur diesel

MD : methyl decanoate

MD9D : methyl-9-decenoate

Subscripts

d0 : initial diameter

Acknowledgements

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2020R1A2C1011641).

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