An Experimental Study on High-pressure Spray Characteristics of Ammonia by Using Schlieren & Mie-scattering Method

Abstract

암모니아는 세계에서 가장 많이 생산되는 화합물 중 하나로, 다양한 분야에서 이용되어 왔다. 연구적인 측면에서도 수소의 운반체, 연료전지의 직접적인 연료, 내연기관에서 연료의 사용 등으로 많은 노력이 있어 왔다. 그러나 내연기관 등에서 암모니아를 이용하기 위한 기반이 되는 암모니아 스프레이 분사특성에 대한 연구는 진행되지 않았다. 암모니아를 연료로 사용하기 위하여, 특정 온도에서 다양한 분위기압력 조건에서의 암모니아 스프레이의 형상을 고속카메라를 이용하여 슐리렌법과 미 산란 기법으로 촬영하였고, 결과물을 토대로 그 특성을 분석하였다. 나아가 널리 사용되고 있는 연료를 암모니아와 같은 챔버 분위기 압력 조건에서 분사하여 암모니아의 스프레이를 비교하였다. 실험 결과, 챔버 분위기 압력이 증가하거나 배경 온도가 증가하게 되면, 암모니아 스프레이의 관통 거리가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 정해진 온도에서의 증기압력보다 챔버 분위기 압력이 매우 클 때, 암모니아 스프레이는 플래시 비등이 일어나 마치 하나의 구멍에서 나오는 것처럼 각각의 플럼이 합쳐져서 분사되는 것을 관측하였다. 메탄 스프레이에 비해 암모니아 스프레이는 같은 조건에서 더 넓은 스프레이 분무 각을 형성하는 것을 보여준다. 또한, 암모니아가 정적연소실에 분사될 때 액체상태로 분사되지만, 분사된 스프레이의 형태는 기체연료인 메탄의 연료와 비슷한 형태를 보이는 것을 알 수 있었다. 같은 온도 및 압력 조건에서 iso-octane 스프레이 실험과 비교하여 암모니아는 iso-octane에 비해 모든 압력조건에서 더 빠른 증발을 일으키는 것을 관찰 할 수 있었다.

Ammonia is one of the most produced compounds in the world and has been used in various fields. In addition, many research efforts have been made on hydrogen carriers, direct fuel cells, and the use of fuel in internal combustion engines. However, research on the ammonia spray characteristics as the basis for using ammonia in internal combustion engines has not been conducted. In order to use ammonia as a fuel, the shape of ammonia spray under various chamber ambient pressure conditions at a specific temperature was photographed by a schlieren and mie-scattering technique using a high-speed camera, and its characteristics were analyzed based on the results. Furthermore, the widely used fuels were sprayed under chamber ambient pressure conditions such as ammonia to compare the spray of ammonia. Experimental results show that the penetration length of the ammonia spray decreases when the chamber atmosphere pressure increases or the background temperature increases. When the chamber ambient pressure was much higher than the vapor pressure at a given temperature, the ammonia spray was flash-boiling and observed that each plume was injected as if it were coming out of one hole. Compared to methane spray, the ammonia spray shows a wider cone angle under the same conditions. Also, despite the fact that ammonia is a liquid in the injector when injected to CVCC, ammonia spray shows spray characteristics similar to methane fuels. Compared with the iso-octane spray experiment, ammonia showed faster evaporation than iso-octane under all pressure conditions.