우주발사체용 액체추진기관 개발에 있어서, 분사기는 연소성능과 안정성을 결정짓는 매우 중요한 요소로써 이에 대한 분무특성 이해는 필수적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서 알아보고자 하는 분사기는 중앙에서 기체산화제를 제트로 분사하고 외부에서 액체연료를 와류(스월)형으로 분사하는 형태이다. 분무형상은 리세스별로 CCD 카메라를 이용한 직접사진기법을 통해 측정하였다. 실제 연소조건과의 모사를 위해 기체질소와 물을 사용하였고, 운동량비를 주요 상사인자로 두어 대기압 수류 시험조건을 도출하여 분무특성을 알아보았다. 또한 기체-액체 운동량비의 영향을 알아보기 위한 연구가 추가적으로 이루어졌다.
The swirl spray for direct-injection spark-ignition (DISI) engines was investigated using a nozzle whose exit surface shape was cut with a certain tapered angle. The reason for the change in spray's characteristics at various tapered angles was explained by the data correlating the taper and flow angles. The spray tended to shift its characteristics from the symmetric to asymmetric when the tapered angle was increased; furthermore, the spray penetration and spray cone angle were also increased. When the tapered angle was greater than the $90^{\circ}$ minus flow angle, an opened hollow cone spray was formed because of the fuel impingement against the tapered surface area of the nozzle exit. This behavior indicates that the reduction in the air pressure difference between the inner and outer spray of the spray can be achieved. This behavior also promises the potential use of the tapered nozzle for the case where the independence of the spray performance from atmospheric pressure and fuel temperature is desired.
In this paper, high-pressure injection characteristic of servo hydraulic injector as the key component of diesel CRDi system, which is driven by solenoid and piezo-actuator were examined by experimental analysis. High-pressure injection characteristic of standard diesel fuel injected at high pressure up to 160 MPa was investigated at high-pressure chamber by using a high-speed camera for spray visualization and quantitative analysis. By this study, we found that the piezo-driven injector has better performances in controlling the fuel injection with the high pressure, including fuel quantity, spray penetration length and spray velocity, than that of a solenoid-driven injector. In particular, the needle response time for start of injection in piezo-driven injector was faster of about $125{\mu}s$ than that of solenoid-driven injector. Consequently, it is known that the piezo-driven injector has more degrees of freedom in controlling the fuel injection with the high pressure than solenoid-driven injector.
Performance of DI diesel engine with high-pressure fuel injection equipment is directly related to its emission characteristics and fuel consumption. So, the electro-hydraulic injector for the common-rail injection system should be designed to meet the precise high fuel delivery control capability. Currently, most high pressure injector in use has a needle driven by the solenoid coil energy or the piezo actuator controlled by charge-discharge of output pulse current. In this study, macroscopic spray approaching method was applied under constant volume chamber to research the performance of three different injectors : solenoid, indirect-acting piezo and direct-acting piezo type for CR direct-injection. LED back illumination for Mie scattering was applied on the liquid spray visible of direct-acting piezo injector, including hydraulic-servo type solenoid and piezo-driven injectors. As main results, we found that a direct-acting piezo injector had better a spray tip penetration than hydraulic-servo injectors in spray visualization.
Combustion chamber systems using spray impinged on walls have been studied for improving combustion characteristics in high speed direct injection diesel engines. The fuel spray injected in a small combustion chamber may be easily impinged and deposited on the wall. The fuel deposit has been considered as the cause for unburned emission due to difficulty of fuel-air mixing. In this paper w-shaped combustion chamber which has four raised pips on the side wall is introduced and discussed by comparing with conventional chamber with no pips. The computer code employing new spray-wall interaction model in general non-orthogonal grids is used in here. The model is applied into the new chamber shape with raised pips. In this chamber system four-hole nozzle is used, and the sprays injected from the each hole impact on lands raised from the chamber wall surface. After impacting, the sprays break up into much smaller drops and distribute over all the chamber space, instead of distributing just near the wall surface in conventional omega-shape. The results showed the potential of the w-shaped chamber employing pips for dispersing droplets so as tn avoid the fuel deposit regions.
This paper presents the effects of ambient pressure on atomization characteristics of high-Pressure injector in a direct injection gasoline engine both experimentally and numerically. The atomization characteristics such as mean droplet size, mean velocity, and velocity distribution were measured by phase Doppler particle analyzer. The spray development, spray penetration, and global spray structure were visualized using a shadowgraph technique. In order to investigate the atomization process numerically, the LISA-DDB hybrid model was utilized. This breakup model assumes that the primary breakup occurs when the amplitude of the unstable waves is equal to the radius of the ligament of liquid sheet near the nozzle and the droplet deformation induces the secondary breakup. The results provide the effect of ambient pressure on the macroscopic and microscopic behaviors such as spray development, spray penetration, mean droplet size, and mean velocity distribution. It is also revealed that the accuracy of prediction of LISA-DDB hybrid model is pretty good in terms of spray developing process, spray tip penetration, and SMD distribution.
Many countries are striving to reduce carbon emissions with the goal of net zero by 2050. Accordingly, vehicles are rapidly being electrified to reduce greenhouse gases in the transportation sector. However, many organizations predict that internal combustion engines of LDV (light-duty vehicle) will exist even in 2050, and it is difficult to electrify aircraft and large ships in a short time. Therefore, synthetic fuel (i.e., e-Fuel) that can reduce carbon emissions and replace existing fossil fuels is in the spotlight. The e-Fuel refers to a fuel synthesized by using carbon obtained through various carbon capture technologies and green hydrogen produced by eco-friendly renewable energy. The purpose of this study is to compare and analyze the injection and spray characteristics of the simulated e-Gasoline. We mixed the hydrocarbon fuel components according to the composition ratio of the synthetic fuel produced based on the FT(Fischer-Tropsch) process. As a result of injection rate measurement, simulated e-Gasoline showed no significant difference in injection delay and injection period compared to standard gasoline. However, due to the low vapor pressure of the simulated e-Gasoline, the spray tip penetration (STP) was lower, and the size of spray droplets was larger than that of traditional gasoline.
분무유도식 DISI엔진의 성층연소운전조건에서 분무 및 화염특성에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 연소가시화를 통하여 성층연소 DISI의 연소는 희박 예혼합 연소와 확산연소의 성격을 모두 가지고 있는 것으로 확인되었다. 분사시기에 따른 혼합기 형성특성이 연소의 특성을 결정하는 중요한 인자임을 관찰하였다. 분무와 혼합기 가시화를 통해 낮은 분위기압에서의 over-mixing, 높은 분위기압에서의 under-mixing이 발생하는 것을 확인하였으며 이러한 혼합기 형성과정의 결과에 따라 화염특성, 연소효율 등의 연소특성이 결정되는 것을 살펴볼 수 있었다. 또한, NOx, IMEP도 분사시기에 따른 경향성을 보였으며, 분사시기에 따른 연소상의 변화에 의한 영향임을 확인하였다.
본 연구에서는 분무화염의 기초적인 물리현상을 해명하기 위하여 층류 대향류장에 형성된 분무 화염에 2차원 직접 수치계산(Direct numerical simulation, DNS)을 적용하여, 당량비 및 연료종이 분무화염 구조에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다. 기상에 대해서는 질량 보존식, 운동량 보존식, 에너지 보존식을 오일리안(Eulerian) 법으로 계산하였으며, 액적에 대해서는 화염중의 모든 개개의 유적을 라그란지안(Lagrangian) 법으로 추적하였다. 액체 연료로는 n-데칸 ($C_{10}H_{22}$)과 n-헵탄($C_7H_{16}$)을 이용하였으며, 연소반응 모델에는 총괄반응식을 이용하였다. 당량비가 증가함에 따라 착화가 빠르며, 고온영역도 넓게 분포하고 있다. 그러나, 최대 온도치는 당량비가 증가함에 따라 한번 증가한 후 감소하는 경향을 나타내고 있다. 당량비가 클수록 최대 온도가 감소하는 것은 분무화염 내부의 군연소 거동에 의한 냉각효과 때문이라고 생각된다. 또한, n-헵탄은 n-데칸과 비교하여 증발속도가 빠르기 때문에 넓은 고온 영역을 형성하지만 최대 온도는 거의 같은 값을 나타내었다.
SNCR 기술은 SCR에 비해 탈질 효율은 떨어지지만 촉매없이 고온 배출가스에 NH3 또는 요소수를 직접 분사하여 질소와 물로 환원시키는 방법이므로 초기 투자비 및 운영비가 적어 최근 국내 대다수의 소각장, 산업용 보일러 등에 널리 적용되고 있다. 단, SNCR 기술은 급격한 온도 강하나 접근의 불용이성, 불균일한 혼합, 액적의 증발시간 지연, 불균일한 운전 조건 등의 영향을 크게 받으며, 특히 반응 온도가 가장 중요한 변수로서 최적 반응 온도 영역대가 약 800~$1,000^{\circ}C$라는 점에서 이상적인 반응 온도 조건을 찾아서 환원제를 분무하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 열유동 전산해석을 통해 스토커식 소각로의 폐기물 성상별 화염 온도 분포를 예측하고 적정 반응 온도 영역을 확인하여 요소수 주입 고도를 선정, 폐기물 성상별 분무 조건을 확립하고자 수치 해석적 연구를 수행하였다. 폐기물 성상(고질/중질/저질 폐기물)별로 화염 온도를 예측한 결과, 최적 반응 온도 영역대가 약 800~$1,000^{\circ}C$, 폐기물 성상의 심한 변화 때문에 소각로의 효율적인 연소 조건 제어에 어려움 등을 고려하여 약 700~$1,000^{\circ}C$ 온도 영역대를 환원제 분무 온도로 선정하였다. 폐기물별로 발열량에 따른 화염 온도가 모두 다르기 때문에 환원제 분무 위치를 3지점으로 선정하여 각 지점별로 분무 운전 조건을 확립하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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