Spray combustion systems are widely used for combustion devices, such as internal combustion engines, turbines and liquid rockets. When the fuel is injected into the combustor in the form of spray, the liquid fuel is atomized into fine droplets, which are vaporized and combusted. The evaporation and combustion characteristics of fuel droplets in a combustor are critical parameters that affect device performance, and it is known that several factors are involved in the evaporation and combustion of a fuel droplet. This study investigated the evaporation and combustion characteristics of a single droplet inside a rapid compression machine (RCM). An RCM is an experimental apparatus used to simulate a single compression stroke of an internal combustion engine to observe the combustion phenomena in homogeneous charge compression ignition (HCCI) environments. During the compression stroke, the temperature inside the RCM increases and subsequently decrease after the piston reaches top dead center. When a fuel droplet experiences these transient conditions, evaporation of the fuel droplet occurs depending on the ambient conditions. If sufficient fuel vapor is generated around the droplet, the droplet autoignites.
In this study, a single droplet was placed at the center of the reaction chamber. The droplet was suspended from the tip of a fine thermocouple (50 μm), and the transient bulk temperature of the droplet was measured. The evaporation process was recorded by a high-speed charge-coupled device (CCD) camera at a frame rate of 500 frames per second. To observe the pure evaporation of the droplet, the reaction chamber was filled with N2 gas, and in the case of the droplet combustion experiment, sufficient dry air was supplied to the reaction chamber for each experimental case.
In Chapter 2, the evaporation characteristics of a single n-heptane droplet are investigated. Experimental results showed a constant evaporation rate during the evaporation process, even under time-varying temperature and pressure conditions surrounding the droplet. The evaporation rate of the droplet rose as the diameter of the droplet decreased due to differences in droplet heat capacity. As the compression rate increased, the temperature inside the reaction chamber increased, and an increase in the droplet evaporation rate was observed. The operation time did not appear to affect the droplet’s evaporation rate.
The autoignition characteristics of single n-heptane droplets are described in Chapter 3. The results indicate that the ignition delay was longer when the initial droplet diameter was larger due to the slower heating of the droplet. Ignition did not occur if the droplet exceeded a critical diameter because insufficient fuel vapor was generated during compression. The ignition delay was shorter for the 185-ms compression stroke owing to the droplet evaporation dynamics.
The autoignition characteristics of a binary component fuel droplet are investigated in Chapter 4. In the research, the addition of iso-octane in n-heptane increased the ignition delay by the dissipation of n-heptane vapor and an autoignition temperature change. The ignition delay and maximum droplet diameter ignition limit rapidly changed when the volume fraction of iso-octane was approximately 0.5, and the effect of iso-octane on the ignition delay was diminished for lower volume fractions. The ignition delay also increased with n-decane addition due to suppression of the evaporation process. Compared to iso-octane, the increase in the n-decane volume fraction resulted in a gradual change in the ignition delay and a maximum droplet diameter ignition limit due to the different mechanism of the ignition suppression process.
Lastly, in Chapter 5, the autoignition and combustion characteristics of a single water/n-decane emulsion droplet are examined. A rheometer was used to examine the rheological properties of the emulsion fuels. Viscosity and shear stress increased with the water ratio because of the interaction of water droplets. Non-Newtonian behavior was detected for the water ratio of 0.3, whereas emulsions with other water ratios followed Newtonian fluid behavior. Droplet combustion of emulsion fuel was classified into four stages, and the characteristics of each stage varied little with the water volume ratio. Ignition delay increased monotonically with the initial droplet diameter and water volume ratio. Increasing the water ratio boosted the intensity of micro explosions, while the rise in droplet temperature was hindered by the latent heat of the water. The average burning rate was elevated when the initial droplet diameter increased. However, due to the compensatory effect of micro-explosions and droplet temperature, the average burning rate was not affected much by the water volume ratio.
스프레이 연소 시스템은 내연기관, 터빈 및 액체 로켓 등 다양한 연소 장치에 사용되고 있으며, 특유의 단순성, 안정성으로 인한 여러 가지 장점을 가지고 있다. 액체 연료가 연소실에 스프레이 형태로 분사될 때 연료는 작은 액적으로 미립화 되며, 이후 액적 주위 환경에 따른 액적의 증발 및 연소가 발생하게 된다. 이러한 액적의 증발 및 연소 특성은 연소 기관의 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나로 알려져 있다.
본 연구는 급속압축장치(RCM) 내부에서 단일 연료 액적의 증발 및 연소 특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 급속압축장치는 Homogeneous charge compression ignition (HCCI) 환경에서 단일 압축행정을 모사하는 장치로써, 압축행정 과정 동안 내부의 압력 및 온도가 상승하게 되고 피스톤의 상사점(Top dead center) 이후 압력 및 온도가 감소하는 환경을 만들어 내게 된다. 비정상 상태에 노출된 액적의 증발은 주위 환경의 영향을 받게 되고, 이후 충분한 연료 증기가 형성되게 되면 액적의 자발화가 발생하게 된다. 본 연구에서는 단일 액적을 급속압축장치 연소실의 가운데에 위치하도록 설치하여 실험을 진행하였다. 액적은 소선 직경 50 μm의 열전대 끝에 설치되어 액적의 내부 온도를 측정할 수 있도록 하였으며, 액적의 증발 현상에 따른 액적 직경 변화는 초고속 카메라를 통하여 500 fps 의 속도로 측정되었다. 액적의 순수한 증발을 위해 연소실 내부를 질소로 충전하였으며, 연소실험을 위해서는 건조 공기를 주입하였다.
Chapter 2에서는 단일 n-헵탄(heptane) 액적의 증발 특성에 관한 연구가 수행되었다. 실험결과는 시간에 따른 액적 주위의 온도 및 압력 변화에도 불구하고 증발 과정 중 액적 직경의 변화가 시간에 따라 일정함을 보여주었다. 액적의 증발율은 액적의 열용량 차이로 인해 액적의 초기 직경이 감소할수록 증가하였다. 압축비가 증가할수록 높은 챔버 내부 공기 온도로 인해 증발율이 증가하였으나, 구동시간은 증발율에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.
Chapter 3 를 통하여 n-헵탄 액적의 자발화 특성에 관한 연구가 수행되었다. 실험 결과를 통해 액적 초기 직경이 증가할수록 액적 가열 지연으로 인해 점화지연은 증가함을 확인하였다. 액적 직경이 일정 이상으로 증가하면 액적 주위의 연료 증기 형성 지연으로 점화가 발생하지 않았다. 구동시간이 짧아질수록 비정상 액적 증발 특성으로 인해 점화지연이 감소하였다.
Chapter 4 에서는 이성분 연료 액적의 자발화에 관한 연구를 진행하였다. n-헵탄에 iso-옥탄(octnae) 을 첨가하였을 때, 액적 주위의 n-헵탄 증기 소산 효과 및 자발화 온도 증가로 인해 점화지연이 증가하였다. 점화 지연과 최대 액적 점화 직경은 iso-옥탄 부피비 0.5 근처에서 급격하게 변화하였고, 부피비가 0.5보다 줄어들수록 iso-옥탄의 영향은 감소하였다. n-헵탄에 n-데칸(decane)의 첨가는 증발 억제로 인해 점화지연의 증가를 가져왔다. iso-옥탄의 경우와 비교 하였을 때, n-데칸 부피비의 증가는 점화지연과 최대 액적 점화 직경의 완만한 변화를 보여주었으며, 이는 점화 억제 메커니즘의 차이 때문이다.
마지막으로 Chapter 5 에서는 물/n-데칸 에멀젼 액적의 자발화 및 연소에 관한 연구가 진행되었다. 연료의 유변학적(Rheological) 성질을 관찰하기 위해 유동계 (Rheomentaer)를 사용하였다. 점도와 전단 응력은 물의 부피비가 증가함에 따라 증가하였으며, 대부분 뉴턴 유체 거동(Newtonian fluid behavior) 을 나타냈으나, 물 부피비 0.3 에서 비뉴턴 유동(Non-Newtonian) 의 특징을 보여주었다. 에멀젼 액적의 연소는 네 단계로 나누어 졌으며, 각각의 단계는 물의 부피비에 따라 다소 차이가 발생하였다. 초기 액적 직경 및 물 부피비가 증가할수록 액적의 점화지연은 증가하였고, 물 부피비가 증가할수록 물의 증발열로 인해 액적 온도 증가는 지연되었으나 미소폭발(micro-explosion) 강도는 증가하였다. 액적의 평균 연소율은 액적 초기 직경이 증가할수록 증가 하였으나 미소폭발과 액적 온도의 보상작용으로 인해 물의 부피비는 액적의 평균 연소율에 큰 영향을 미치지 않았다.
