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Effects of DC Electric Field on Flame Propagation Characteristics in a Constant Volume Chamber
정적 연소실 내 직류 전기장 인가가 연소 특성의 변화에 미치는 영향

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Authors
손경민
Advisor
고상근
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2017-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Electric fieldFlame propagation speedIonic windPremixed flameConstant Volume Chamber
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2017. 2. 고상근.
Abstract
현대 인류가 소모하는 에너지의 80% 이상은 화석연료의 연소과정으로부터 생산되고 있다. 이러한 점에서 보다 효율적이고 깨끗한 연소장치의 개발은 중요한 연구과제로 남아있다. 최근에는 연소장치에 고전압을 인가하여 화염 연소 특성을 개선하려는 신기술들이 연구되고 있다. 이는 비교적 적은 에너지의 소모로 연소 특성을 바꿀 수 있고, 반도체 및 제어기술의 발달에 따라 고전압 제어가 쉬워졌기 때문이다. 그러나 기존의 많은 연구에도 불구하고 전기장 인가로 인한 연소특성의 변화 메커니즘에 대해서는 아직 제한적인 설명만이 가능한 상황이다. 특히 화염이 발달하는 과정 중에 전기장 인가 타이밍이 미치는 영향에 대한 연구는 아직까지 미진한 상태이다.
본 연구의 목표는 전기장 인가 타이밍이 정적 연소실 내 화염전파 특성에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 이를 위하여 본 논문에서는 실린더의 벽면을 고전압 전극으로 활용함으로써 화염 연소 방향과 전기장 인가 방향이 평행한 정적 연소실을 제안하였다. 또한 각 실험간 오차를 줄이기 위해 전기장 인가 시간과 점화시간, 실험결과 측정을 동기화 하고 자동으로 실험을 수행할 수 있는 시스템을 개발하였다.
전기장 인가 극성과 인가 타이밍의 변화에 따른 화염의 거동 및 전류를 관찰한 결과, 그 경향에 따라 다음과 같이 크게 3가지 영역으로 구분 할 수 있었다. Regime I은 양전압을 인가했을 때의 효과가 나타나는 영역이다. 이 영역은 화염핵이 발달하기 시작하는 연소 초기에만 나타나며, 이외의 구간에서는 양전압으로 인한 연소속도 증진효과가 관찰되지 않는다. 이 영역의 연소속도 증진효과는 자유전자에 의한 화학반응속도 변화로 설명이 가능하였다. Regime I 에서 인가 전압의 극성 및 당량비의 변화에 따른 연소 특성의 변화를 관찰하였다. 양전압을 인가하였을 때 및 당량비가 낮은 경우에 연소속도 증진 효과가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. Regime II와 Regime III는 음전압을 인가했을 때의 효과가 나타나는 영역으로, 전류의 흐름에 따라 구분이 가능하다. Regime II는 연소개시로부터 20% burn time 이내에서 관찰 되었다. 전류가 포화되는 현상을 보이는 구간이다. 이 영역의 음전압 인가 효과는 Regime I의 양전압 인가 효과와 비교하였을 때, 단위 시간당 증진효과는 더 떨어진다. 그러나 Regime I 보다 더 긴 시간에 걸쳐 화염 연소특성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 최종적인 연소속도 증진 효과는 regime I에 비해 더 크게 나타난다. Regime III는 Regime II 직후 급격한 전류증가가 관찰되는 영역이다. 이 구간에 인가된 음전압으로 인한 연소속도 증진 효과는 연소 말기의 압력곡선을 급격하게 변화시킨다. 이 현상은 벽면 주변에 존재하는 미연가스가 추가적으로 연소하면서 생기는 것으로 설명 할 수 있다.
본 연구에서는 기존의 DC 전기장 인가로 인한 연소 특성 증진의 주 요 원인으로 거론되었던 이온풍 효과 외에도 자유전자의 여기에 의한 화학 반응속도 증가 메커니즘이나 벽 주변에서 미연가스의 추가적인 연소현상 또한 지배적인 메커니즘으로 동작 할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통하여 전기장 인가장치가 CNG 엔진과 같은 왕복운동 엔진의 성능향상에 응용 될 수 있는 가능성을 제시하였다. 추후 추가적인 연구를 통하여 실제 엔진의 성능향상 연구에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.
In modern times, fossil fuels are used for over 80% of energy consumption in human society. Therefore, developing more efficient and clean combustion systems is an important priority. One of the interesting topics in the combustion research field is the electrically assisted system. It has the advantage of changing combustion characteristics with relatively little energy consumption, and furthermore, control of high voltages becomes relatively easy, as the technology of semiconductor devices develops. Nonetheless, despite extensive previous research, the detailed interpretation of the effects is limited. Especially, the effects of timing and duration of applied electric field on the growth of flame has seldom been reported.
Thus, the goal of this dissertation is to investigate the effect of timing of electric field excitation on the propagation speed in a constant volume chamber. To establish the influence on the growth of flame, a cylindrical constant volume chamber in which the directions of the electric field and the flame propagation are parallel to each other is introduced. Moreover, a control and monitoring system to minimize the deviation is developed.
The three distinct regimes are identified depending on the polarity and timing of the electric field excitation. Regime I is defined as an effective regime under the condition of the positive potential. When a positive potential is applied, the enhancements of combustion characteristics are observed only within the initial stage of flame kernel growth
the improvement on other periods of combustion is negligible. From this phenomenon, it is elucidated that that the free electrons in the flame front trigger the increment of chemical reaction. The effects of the polarity of excitation voltage and the equivalence ratio of the mixture are investigated in regime I. The effect of the electric field is more pronounced at the positive potential and lean condition in this regime. Regimes II and III are classified by the current flow when a negative potential is applied. Regime II shows a slight increment of the current and it is saturated in hundreds of μA when 20% of mass burn. In this regime, the effect per unit time is less effective than that of regime I. Nonetheless, the total effect is better than that for regime I, as the effective duration is relatively longer. Regime III appears just after regime II, and it shows a sharp increase in current flow. The dramatic rise of peak pressure and advance of its timing are observed near the last period of combustion. This result is confirmed as an extra combustion of unburned gas near the wall of the chamber.
In addition to the ionic wind effect which is considered as a major mechanism of the DC electric field, the results of the experiments confirm that the chemical reaction rate and the extra combustion of unburned gas near the wall are able to play an important role. The results presented in this dissertation show a possibility of the electric field excitation for application of the reciprocating engines. Considering that the experimental condition of this study is fixed in premixed air-fuel mixture, it is likely to applicable to engines with low viscosity fuels such as CNG. Further studies will be required to applying the electric field assisted combustion systems to the real engines in the future.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/118587
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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