충격파관을 이용한 액체연료의 점화지연시간 측정에 관한 실험적 연구 :An Experiment Study on Measurement of Ignition Delay Time for Liquid Fuels with a Shock Tube

한희선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 한희선 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 손채훈

발행연도: 2018

저작권: 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2022

액체 연료의 연소 물성치와 점화지연시간에 관한 연구

한희선 , 조천현 , 왕위엔강 외 2명 KOSCO SYMPOSIUM 논문집 2022.05 학술대회자료

2018

충격파관을 이용한 액체연료의 점화지연시간 측정에 관한 실험적 연구

한희선 기계공학과 2018.01 학위논문

2017

혼합 액체 연료인 항공유의 점화지연시간 측정에 관한 연구

한희선 , 왕위엔강 , 김철진 외 1명 한국연소학회지 2017.09 학술저널

충격파관을 이용한 메탄/산소 혼합기의 점화지연시간 측정

한희선 , 왕위엔강 , 김철진 외 1명 한국연소학회지 2017.03 학술저널

2016

충격파관을 이용한 메탄/산소 혼합기의 점화지연에 관한 실험적 연구

한희선 , 김철진 , 손채훈 한국추진공학회 학술대회논문집 2016.12 학술대회자료

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화석을 기반으로 하는 탄화수소 연료는 전 세계에서 소비되는 에너지의 80% 이상을 차지하고 있으며, 이 중 60%가 운송부분에서 사용된다. 세계화의 근간은 교통수단이며, 이러한 원동력은 항공 교통의 성장이다.
현재의 기후 위기는 chemical kinetics의 사용이 필수적이며, 제트엔진의 더 나은 성능과 오염물질 배출량을 줄일 수 있는 연소특성을 파악해야 할 필요성을 증폭시킨다. 대부분의 상업용 항공기 연료는 원유에서 나오는 제트연료(Jet A, Jet A-1)이며, 국내에서는 Jet A-1을 주로 사용한다. 현재의 기술로 수백 가지 화학성분으로 구성된 항공연료의 연소특성을 파악하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 실제 연소 및 물리적 특성을 일부 나타내기 위해서는 모사연료를 구성해야한다. 모사연료에 대한 화학반응 모델을 개발하기 위해서는 실제 제트연료의 개별 구성에 대한 연소 물성치 데이터가 필요하며, 개발된 모사연료의 화학반응 모델을 평가 및 검증하기 위해 유동 반응기(flow reactor), 구형 연소실(spherical bomb), 급속 압축기(rapid compression machine), 충격파관(shock tube) 장치 등을 이용한다.
본 연구에서는 연소 물성치와 연소 특성을 파악하기 위해 충격파관을 이용하여 methane, n-heptane, iso-octane, Jet A-1 총 4가지 연료의 점화지연시간을 측정하였다.
충격파관의 장치를 검증하기 위해 분자구조가 간단한 기체연료인 methane으로 실험을 수행하였다. methane은 고탄화수소 계열의 연소 현상 및 화학반응을 이해하기 위한 기초 연료로 사용되며, 비용이 저렴하여 천연가스의 주성분으로 연료로써 중요한 역할을 한다. 실험 조건은 온도 1450-1850 K, 압력 10, 40 atm, 당량비 0.5-2에서 실험을 수행하였다.
스파크 점화 엔진의 옥탄가를 평가할 때 중요한 연료로 n-heptane, iso-octane은 가솔린 뿐만 아니라 디젤, 제트연료의 구성성분 중 하나로 n-alkane, branched alkane의 대표적인 연료이다. 이 두 연료는 가솔린 엔진의 화학 모델링을 위한 모사연료 개발에 있어, 분율을 조절하여 엔진의 노킹을 감소시키는 것으로 알려져 있다. iso-octane 연료의 실험조건은 온도 900-1300 K, 압력 10 atm, 당량비 1, n-heptane은 온도 800-850 K, 압력 20 atm, 당량비 1 조건에서 점화지연시간을 측정하였다.
해외에서 항공유에 대한 다양한 연구가 진행된 반면에 국내에서는 항공유에 대한 연소 특성 연구가 진행되지 않았으며, 국내에서 사용되는 항공유는 기본적으로 제트연료이나 해외 생산연료와는 물성이 다르다. 따라서 국내 항공유의 특성에 대한 Jet A-1 연료의 점화지연시간을 파악하였다. 온도는 620-1250 K, 압력 20 atm, 당량비 1에서 실험을 수행하였으며, Jet A-1과 유사한 물성치를 갖는 Jet A의 점화지연시간 데이터를 비교하였다. 또한 750-900 K 영역에서 NTC(Negative-Temperature-Coefficient) 거동을 관찰하였다. 위 4가지 연료의 실험으로 충격파관의 장치를 검증하였으며, 각 연료의 점화지연시간 데이터를 확보하였다.

Fossil-based hydrocarbon fuels account for over 80% of the primary energy consumed in the world and nearly 60% of that amount is used in the transport sector. The basis for globalization is transportation and a driving force has been the growth in global air traffic.
The current climate crisis magnifies the need for improving the performance of jet engines by introducing scientific designs in which the use of chemical kinetics will be essential and critical for better performance and reducing pollutant emissions. Jet fuel (Jet A, Jet A-1) which is refined from crude oil is the most commercial aircraft fuels, and Jet A-1 is mainly used in Korea. Figuring out the combustion characteristics of jet fuel which is composed of hundreds of chemical components is practically impossible. Therefore, it is necessary to develop the surrogate fuel to represent some of the actual combustion and physical properties. In order to develop a chemical reaction model for the surrogate fuel, combustion characteristic data for individual components of the actual jet fuel are required. Devices such as the flow reactor, spherical bomb, rapid compression machine, and the shock tube can be used to evaluate and verify the chemical reaction model of the surrogate fuel.
In the present study, the ignition delay time of methane, n-heptane, iso-octane, and Jet A-1 are measured by using a shock tube for the determination of combustion properties and characteristics.
In order to validate the shock tube, experiments are carried out with methane which is a gas fuel with a simple molecular structure. Methane is used as a basic fuel to understand the chemical reactions and combustion phenomena of high hydrocarbon series. It is inexpensive and plays an important role as the main component of natural gas. Experiments are finished under the condition of a temperature of 1450-1850 K, a pressure of 10, 40 atm, and an equivalence ratio of 0.5-2.
When evaluating octane number of spark ignition engine, n-heptane and iso-octane are regarded as the representative fuel of n-alkane and branched alkane which are the components of diesel, jet fuel as well as gasoline. These two fuels are known to reduce engine knocking by controlling the fraction in surrogate fuel development for chemical modeling of gasoline engines. Ignition delay time is measured under the conditions of 900-1300 K, pressure 10 atm, equivalent ratio 1 for iso-octane and 800-850 K, pressure 20 atm equivalent ratio 1 for n-heptane.
Various studies on aviation oil have been carried out overseas, however, the combustion characteristics of aviation oil have hardly been studied in Korea. The jet fuel basically used in Korea is not the same as jet fuel or fuel produced overseas. Therefore, the ignition delay time of Jet A-1 fuel for the characteristics of domestic aviation oil is figured out. Experiments are performed at 620-1250 K, 20 atm, and equivalent ratio 1, and the ignition delay time data of Jet A is compared with Jet A-1 which has similar properties. Negative-Temperature-Coefficient (NTC) behavior is also observed in the 750-950 K region. Our shock tube is validated by the above four fuels tests and the ignition delay time is obtained for each fuel.

#충격파관 #점화지연시간 #Negative-Temperature-Coefficient #Jet A-1

제 1 장 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 충격파관 장치의 기술 현황 4
2.3.1 국내 기술 현황 4
2.3.1 해외 기술 현황 6
제 2 장 실험 장치 및 방법 13
2.1 충격파관 장치 13
2.2 충격파관 실험 기초 이론 16
2.3 기체연료 실험 조건 및 방법 18
2.4 액체연료 실험 조건 및 방법 19
제 3 장 실험 결과 및 고찰 22
3.1 기체연료 점화지연시간 22
3.2 액체연료 점화지연시간 27
3.3 불확도 해석(Uncertainty analysis) 33
제 4 장 결론 36
참 고 문 헌 38
ABSTRACT 41

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