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Spray and combustion characteristics of diesel and JP-8 in a heavy-duty diesel engine equipped with common-rail fuel injection system = 커먼레일을 장착한 대형 디젤엔진에서 디젤과 JP-8 항공유의 분무 및 연소 특성 평가
서명 / 저자 Spray and combustion characteristics of diesel and JP-8 in a heavy-duty diesel engine equipped with common-rail fuel injection system = 커먼레일을 장착한 대형 디젤엔진에서 디젤과 JP-8 항공유의 분무 및 연소 특성 평가 / Jin-Woog Jeon.
저자명 Jeon, Jin-Woog ; 전진욱
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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초록정보

JP-8 military aviation fuel is a kerosene-type jet fuel that is equivalent to civil JET A-1 fuel with the exception of its three military additives. Since the late 1980s, JP-8 has been employed as the primary fuel for all aircraft, vehicles, and equipment in the U.S military and north atlantic treaty organization (NATO) armed forces. The considerable battlefield benefits of using one fuel include simplification of logistics and enhancement of interoperability. This idea is known to as the single fuel concept. The U.S military and NATO armed forces have researched the impact of using JP-8 in diesel engines to realize the single fuel concept. These engines, which are equipped with conventional fuel injection systems such as a mechanical rotary pump, appeared to operate successfully. However, negative effects, including reduction in torque, poor fuel economy, and a reduction in lubrication have been reported. Previous studies on the cumulative effect on performance and emissions of JP-8 are present in the literature. They provide valuable indications of the overall impact of replacing diesel with JP-8. However, the effects of JP-8 on combustion and spray characteristics in diesel engines have not been fully investigated. In terms of fuel injection system, common rail system has accounted for a great portion of the market share in recent years. Accordingly, the common rail diesel engine has been introduced and developed to suit military requirements. Assessments of JP-8 in common rail direct injection diesel engines are also lacking. The objective of the current study is to provide the fundamental spay characteristics of JP-8 and to evaluate the effect of JP-8 on output performance and emissions in a single cylinder optical diesel engine equipped with a common rail system. JP-8 and diesel were injected through an 8-hole solenoid-driven injector installed on the common-rail system. The injection rate was measured via the Bosch tube method. For better understanding of spray development, macroscopic images were obtained using a charge-coupled device (CCD) camera in a constant volume vessel pressurized by inert gas. Experiments were carried out at various injection pressures, injection quantities, and injection timings for both JP-8 and diesel. The injection rate results indicate that, due to its lower viscosity, the actual injection of JP-8 starts and finishes earlier than that of diesel. The spray tip penetration of JP-8 was shorter than that of diesel, while the spray angle of JP-8 was wider than that of diesel. These characteristics result from the lower distillation temperature, viscosity, density, and latent heat of JP-8, and they imply that the vaporization of JP-8 is superior to that of diesel. The lower cetane number of JP-8 results in an extension of the ignition delay period, and an increase in the portion of premixed combustion. The indicated mean effective pressure (IMEP) using JP-8 is lower than that of diesel. JP-8 produced less soot under all conditions possibly through better mixture preparation due to the higher volatility and longer ignition delay of JP-8. This result was confirmed by the combustion images taken with a high-speed camera. Compared to diesel combustion, JP-8 can simultaneously reduce both nitrogen oxide (NOx) and soot when the engine operates at 1200 rpm with a fuel injection pressure of 140 MPa and an injection quantity suitable for low load conditions. In terms of combustion, JP-8 was found compatible with the common-rail diesel engine.

JP-8은 민간 항공기용 표준 연료인 JET A-1에 3가지 첨가제(결빙 방지제, 부식 방지제, 정전기 방지제)를 넣은 군용 항공유이다. JP-8 항공유가 군에 도입되게 된 배경은 군용 유류 단일화 개념(SFC : single fuel concept)으로 거슬러 올라간다. 이는 전장에서 모든 군용 항공기, 차량, 장비에 대해서 동종의 유류를 사용하는 개념으로 연료의 저장 및 취급의 용이, 군수체계 단순화, 전술적인 융통성을 달성할 수 있다. 1980년대 후반부터 미군과 북대서양 조약기구(NATO : north atlantic treaty organization) 연합군을 중심으로 이러한 개념이 적용되어 왔으며 현재 단일 유류로 JP-8이 널리 사용되고 있다. 미군과 북대서양 조약기구 연합군은 JP-8을 사용하여 군용 유류 단일화 개념을 실현하기 위해 많은 연구를 진행해 왔다. 기존의 기계식 펌프 또는 유닛인젝터를 장착한 디젤엔진에 JP-8을 적용했을 때 엔진 구동의 신뢰성은 보장된다고 보고 되었다. 하지만 JP-8의 낮은 점도 특성으로 인해 연료 펌프의 마모, 체적 기준으로 낮은 저위 발열량으로 인한 연비 증가의 문제가 제기되었다. 기존의 연구들은 단순히 연료를 교체하였을 때 나타나는 현상에만 집중했을 뿐 그 결과에 대해 명확히 설명하지 못하였다. 현재까지 JP-8을 디젤엔진에 사용했을 때 그 분무 및 연소 특성에 대해 명확히 규명되지 못하였다. 최근 들어, 연료 분사 시스템 시장은 커먼레일 시스템이 그 주류를 이루고 있다. 이에 상용 엔진뿐만 아니라 군용 디젤 엔진에도 커먼레일 방식이 도입 및 개발되고 있다. 일례로 차기 주력 전차(K2) 엔진도 커먼레일 방식으로 설계되었다. 하지만 JP-8을 이러한 커먼레일 방식의 디젤 엔진에 적용했을 때 나타나는 연소 특성에 대한 연구도 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 커먼레일 연료 분사 시스템을 이용하여 디젤과 JP-8의 분사율과 거시적 분무 특성을 비교하고 각각의 연료를 가시화 모듈로 전환 가능한 대형 단기통 디젤엔진에 적용하여 JP-8의 연소 및 배기 특성을 파악하였다. 분사율 측정 결과 JP-8의 분사는 디젤의 경우에 비해 조기에 시작되고 조기에 종료되었다. 이는 JP-8의 낮은 점도 특성 때문인 것으로 판단된다. 획득한 거시적 분무 이미지로부터 분사압 30 MPa의 저압 분사에서는 JP-8의 분무 선단 도달 거리는 디젤보다 짧았으나 분무각은 디젤보다 넓음을 확인하였으며 이는 JP-8의 낮은 밀도와 점도, 낮은 비등점 구간의 특성으로부터 기인한다. 따라서 저압 분사에서는 JP-8이 디젤에 비해 우수한 기화 특성을 갖는다고 할 수 있다. 모든 엔진 연소 실험 조건에서 JP-8 사용 시 예혼합 급속 연소 구간의 비율이 디젤의 경우에 비해 높게 나타났는데 이는 JP-8의 낮은 세탄가로 인해 긴 점화 지연 기간을 가지기 때문이다. 두 연료는 동일 발열량을 갖도록 분사량을 제어하였으나 JP-8 적용 시 출력(IMEP)은 디젤의 경우에 비해 낮게 측정되었다. JP-8 적용 시 수트(매연) 배출량은 디젤에 비해 낮게 나타나고 있으며 이는 JP-8의 상대적으로 우수한 기화특성과 긴 점화지연기간으로 인해 디젤의 경우에 비해 균일한 혼합기를 형성했기 때문이다. 고속 카메라로 촬영한 화염이미지로부터 확산화염으로 발생한 JP-8의 휘도는 디젤보다 낮았으며 이는 JP-8이 디젤에 비해 수트 저감에 유리하다는 결과를 뒷받침한다. 이러한 결과를 토대로 연소 측면에서 커먼레일을 장착한 디젤 엔진에 JP-8을 사용하는 것은 문제가 없는 것으로 결론지었다. 현 시점에서 한국군의 JP-8으로 군용 유류 단일화 개념 실현은 어렵지만 전시에 디젤유 부족 시 커먼레일을 장착한 군용 디젤 차량에 대해 즉시 적용할 수 있는 비상연료로써 JP-8이 사용 가능함을 본 연구에서 보여주었다. 또한 JP-8을 사용함으로써 디젤에 비해 수트(매연) 저감 효과를 보였는데 이를 통해 보병, 전차 협동 공격 간 매연으로 인한 보병의 전투력 저하를 억제할 수 있다. JP-8이 차후 한국군의 단일 유종으로 검토 시 본 연구는 이에 대한 학문적 바탕을 제공할 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 09054
형태사항 xi, 93 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 전진욱
지도교수의 영문표기 : Choong-Sik Bae
지도교수의 한글표기 : 배충식
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 82-86
주제 JP-8 aviation fuel;Spray characteristics;Combustion performance;Emissons;common rail
JP-8 항공유;분무 특성;연소 특성;배기 특성;커먼레일
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