Fuel jet analysis
- Research
Study of Ammonia fuel spray & combustion characteristics using CVCC 정적연소실을 이용한 암모니아 연료 스프레이 및 연소 특성에 대한 연구
전 세계적으로 전통적인 화석연료를 태우는 주요 제품에 대한 규제가 강화되고 있음. 지상의 운송수단에 대한 배출규제와 더불어 연료를 많이 사용하는 발전소 및 선박에 대한 배출규제도 나날이 강화되고 있음. 이러한 규제가 강화됨에 따라 규제기준에 부합하도록 배출관리 및 연료 연소효율을 개선하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있음. 특히, 분자 내 탄소를 갖고있지 않은 수소를 연료로써 이용하는 탈탄소화의 움직임은 세계 각국에서 일어나고 있음. 그러나 수소는 수송 및 저장이 용이하지 않아 다양한 수소 운반체를 개발하기 위한 연구가 진행되는 중임.
암모니아는 하나의 질소 원자와 세 개의 수소 원자로 구성된 분자임. 분자 내에 탄소 원자가 없기 때문에 암모니아는 완전 연소 시 탄소 산화물(일산화탄소, 이산화탄소 등)을 생성하지 않음.
또한 상온에서 암모니아의 증기압이 약 7bar로 낮아 가압 및 보관이 용이하고 운반을 위한 인프라도 이미 잘 갖춰져 있음. 따라서, 암모니아는 근래 수소의 운반체로서 크게 각광받고 있음.
하지만 수소를 암모니아로 변환하고 목적지까지 이동한 후 다시 암모니아를 수소로 바꾸는 일은 마찬가지로 연소 시 탄소를 전혀 발생시키지 않는 암모니아를 직접 연료로 사용하는
에너지 변환 장치를 이용하는 것에 비해 비효율적일 수 있음.
이 연구에서는 암모니아를 직접 연료로 에너지변환장치에 사용하기 위한 기반이 될 수 있는 고압분사 시 암모니아 분무 거동을 초고속카메라 등의 광학적 요소를 이용하여 측정 및 분석하고,
정적연소실 내의 환경을 예연소를 통하여 압축착화 엔진의 연료 분사 시기(SOI)의 환경으로 모사하고, 해당하는 고온고압의 환경에 암모니아를 분사하여 암모니아의 연소 특성에 대해 살펴보려 함.
해당 실험적 연구를 통해 암모니아가 인젝터 노즐로부터 분사되었을 때의 스프레이 형상을 다양한 촬영 기법으로 촬영하여, 실제 application에서 암모니아가 실린더 내로 분사될 때
어떻게 분사될 것인지를 모델링을 통해 예측할 수 있게 하여, 연소 효율을 높이기 위한 다양한 분무 방식 혹은 실린더 형상을 디자인하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 예상되며,
고온고압의 환경으로 분사된 암모니아의 자발화 시 나타나는 연소 특성들을 통해 마찬가지로 다양한 암모니아의 연소 전략 등을 실증할 수 있게 되고,
이를 통해 암모니아를 직접 연료로 사용하는 에너지 변환 장치의 개발을 꾀할 수 있음.
연소실 배경 압력이 증가할수록 스프레이가 나아가지 못하는 것을 보이며, 배경압력이 연료의 증기압력보다 일정 수준 아래일 때는 분사된 연료의 줄기가 하나로 합쳐지는 것을 관측할 수 있음.
정적연소실에 암모니아를 분사할 때 diffusion flame이 발생하기 위해서는 충분히 높은 온도와 압력(엔진 내부 모사)가 필요함.
이에 정적연소실 내에 가연성 혼합기체(아세틸렌, 산소, 수소, 질소의 혼합기)를 일정 분율에 따라 채운 후 정적연소실 내에
설치된 스파크 플러그를 통해 점화하여 암모니아를 분사했을 때 탈 수 있는 고온 고압의 환경을 조성함.