정적연소실에서 마이크로파 보조 플라즈마 점화가 화염핵 생성과 발달에 미치는 영향

2.1 실험 장치

2.1.1 마이크로파 보조 점화 장치

본 연구에서 개발한 마이크로파 보조 플라즈마 점화장치는 세가지 부분으로 나뉠 수 있다(마이크로파 신호 발생기, 마이크로파 전달장치, 점화장치). Fig. 1은 본 연구에서 사용한 마이크로파 보조 점화 장치의 구성도를 보여준다.

Fig. 1

Schematic diagram of microwave-assisted plasma ignition system

마이크로파를 발생시키기 위해서 가정용 전자레인지에 탑재된 700 W급 마그네트론(Goldstar, 2M214)을 펄스구동형으로 구동하기 위해 고전압 스위칭 회로를 구성하였다. 전자레인지의 구동 회로에서 사용하고 있는 변압기(Electric transformer)를 그대로 이용하여 220 V의 교류를 5000 V로 승압하고 이를 정류시켜 전기에너지를 축전지에 충전시킨 뒤 고전압 스위칭 회로(High frequency switching circuit)로 -5000 V를 마그네트론의 음극에 인가하여 마이크로파를 발생시켰다. 고전압 스위칭 회로로부터 입력되는 신호에 따라 마이크로파가 발생되는지 알아보기 위하여 파워미터(Power meter, Agilnt, E4417A)를 이용하여 측정해본 결과 인가 신호 대비 실제 마이크로파는 8 ㎲ 정도 지연기간을 가지고 발생됨을 확인하였다. 마이크로파의 부하는 펄스 폭 변조(PWM: pulse width modulation)을 이용하여 제어하였으며 입력신호를 기점으로 10 kHz의 주파수로 신호 폭을 제어할 수 있도록 구성되어있다. 따라서 마이크로파의 에너지를 펄스 폭과 펄스 수 두가지 변수로 제어가 가능하였다. 마그네트론에서 생성된 전자기파를 점화기 시스템으로 이동시키기 위해서 구리재질의 도파관(Waveguide)이 사용되었다. 전자기파는 직류와 달리 전파되는 공간이 회로의 역할을 함으로 형상에 따라 저항(Resistance), 캐패시턴스(Capacitance) 그리고 인덕턴스(Inductance) 값이 존재하기 때문에 도파관 내부의 크기와 모양에 따라서 전자기파의 진행 형상이 바뀌게 된다.⁹⁾ 본 연구에서는 도파관의 중심축을 대칭으로 전기장의 세기가 강하게 형성되는 TE010모드를 가진 도파관을 사용하였으며 도파관 끝으로부터 파장의 1/4 지점 (약 3 cm) 안테나와 동축케이블(Coaxial cable)의 아답터를 설치하였다. 도파관에서 송신된 마이크로파는 고출력 동축 N-type 케이블로 전송이 되었다. 최종적으로 마이크로파(AC)와 고전압 직류(DC) 성분이 서로간의 간섭 없이 점화기로 동시에 전달이 되어야하기 때문에 혼합기(Mixer)를 제작하였다. 본 연구에서는 일반 스파크 플러그를 구동하기 위해 인가되는 최대 15 kV정도의 값을 가지는 직류 성분과 마이크로파를 혼합하여 전달시킬 수 있는 혼합기를 설계하였다. 혼합기 전체 임피던스는 50옴으로 맞추었으며 두께는 2 mm이다. 혼합기의 출력단에서 점화기까지 연결되기 위해서는 N-type동축케이블을 연결할 수 있는 중간 매개체가 필요하게 된다. 하지만 일반적으로 사용되고 있는 스파크 플러그의 경우에 점화 코일과 연결할 수 있도록 애자부분(Insulator)과 그 위의 금속부분으로 이루어져 있기 때문에 본 연구에서는 저항이 없는 일반 스파크 플러그(NGK, BP6ES-11)의 하단을 개조하여 N-type 동축케이블이 연결될 수 있도록 커넥터를 설치하였다. 점화기의 애자부분을 잘라내고 N-type 커넥터의 중심전극과 접지 그리고 중간의 유전체인 테플론(Teflon)의 크기에 맞게 원통형으로 제작하여 연결하였다. Fig. 2는 실험에 실제로 사용된 스파크 플러그의 사진을 보여준다.

Fig. 2

Non-resistor microwave-assisted ignitor

2.2 정적 연소실 시스템

개발된 마이크로파 보조 점화기의 연소특성을 알아보기 위하여 정적 연소실을 이용하였다. Fig. 3은 정적 연소실 시스템의 개략도를 보여준다.

Fig. 3

Constant volume combustion chamber system

본 연구에서 사용된 정적연소실은 1.4리터의 체적을 가지고 있으며 상온에서 1500 K의 온도 조건과 최대 150 MPa의 압력 범위내에서 사용이 가능하도록 설계가 되어있다. 정적 연소실 시스템은 연소를 위한 혼합기를 만드는 혼합기 형성 부분과 연소실 그리고 흡/배기 부분으로 이루어져 있다. 본 실험에서는 아세틸렌과 압축공기를 이용하여 혼합기를 조성하여 당량비에 따른 연소 특성을 조사하였다. 아세틸렌과 공기의 분압을 이용하여 혼합기의 당량비를 계산하였다. 실험 조건에 알맞은 혼합기를 형성하기 위해서 먼저 진공펌프를 이용하여 정적 연소실 내부의 가스를 흡입한 후 아세틸렌과 공기를 주입하였으며 연소 후에도 마찬가지로 소기 과정과 진공 작업을 거쳐 새로운 실험을 수행하였다. 연소실은 6개의 면을 가지고 있는데 스파크 플러그를 장착하는 면을 제외한 2개의 면에 쿼츠 창(Quartz window)을 설치하여 화염 전파의 모습을 관찰이 가능하였다. 점화 방법에 따른 화염핵의 형성과 발달과정을 살펴보기 위하여 스파크 플러그의 끝부분이 연소실 중앙부분에 오도록 스파크 플러그 아답터를 제작하였으며 연소실 한쪽 벽면에 스파크 플러그 아답터를 설치하였다. 스파크 점화에 의한 초기 화염핵의 이미지를 취득하기 위하여 화염이 전파되는 방향의 수직한 두 면에 쿼츠 창을 설치하였고 다른 세면은 금속재질로 된 더미 아답터를 설치하였다. 실험 도중에 마이크로파가 외부로 유출되지 않도록 화염 가시화를 위한 최소한의 부분 약 26 mm × 26 mm부분을 남겨둔 쿼츠 부분을 알루미늄 포일(Aluminum foil)로 덮었다.

실험은 연소실 벽면의 가열을 하지 않은 상온조건에서 초기 혼합기 압력이 상압, 0.3, 0.5, 0.7 MPa 조건에서 수행되었으며 각 조건당 5번의 반복실험이 수행되었다. 점화신호를 기점으로 정적 연소실 내의 압력은 장치 내부에 장착된 압전형 압력센서(Piezo-electric pressure tranducer, Kistler, 6141B)와 전하 증폭기(Charge amplifier, Kistler)를 이용하여 측정하였다. 압력센서로부터 생성된 신호는 DAQ 보드(I/O tech)를 이용하여 50 kHz의 샘플링 주파수(Sampling rate)로 취득하였으며 총 데이터 취득 기간은 6초로 설정하였다. 정적 연소실 내부에서 발달하는 화염은 그림자 기법(Shadowgraph)을 이용하여 이미지를 취득하였다. 할로겐 램프와 오목거울을 이용여 램프의 빛을 평행하게 만든 뒤 망원렌즈 (Nikkor, f2.8 80-200 mm)와 고속 카메라(MIRO, M 110)를 이용하여 촬영하였다. 이미지는 38,000 fps (Frame per second)의 속도와 2 μs 의 노출시간으로 촬영하였으며 해상도는 192 픽셀 × 192 픽셀로 설정하였다. 고속 카메라로 입력되는 신호는 점화 신호와 동기화 시켜 스파크가 시작되는 시점부터 촬영을 시작하였다.

2.3 실험 조건

일반 스파크 플러그와 마이크로파 보조 플라즈마 점화기의 성능을 다양한 분위기 조건에서 평가하기 위하여 혼합기의 당량비와 초기 압력이 제어되었다. 혼합기의 당량비는 아세틸렌과 공기의 분압을 통해 제어하였으며 수준은 실화(Misfire)가 발생하는 시점부터 1.6까지 0.2 단위로 변화시켜 약 7가지 수준을 가지도록 하였다. 당량비는 실험 조건에서의 연료와 공기의 비율을 이론 연료/공기 비율로 나누어 계산하였다. 혼합기 초기 압력은 0.1 MPa부터 0.7 MPa까지 0.2 MPa 단위로 4가지 수준을 가졌다. 마이크로파신호는 펄스 폭 변조기에 의해 10 kHz로 발생되었으며 부하는 50 %로 고정되었다. 마이크로파가 인가되는 시간이 총 2.5 ms가 되도록, 펄스 수를 50번으로 설정하였다. 마이크로파가 발생되는 시점에 따른 연소 특성을 살펴보기 위하여 스파크 점화 신호 대비 500 μs전부터 500 μs후까지 250 μs 단위로 5가지 수준으로 변경시켰다. 점화 신호는 실제 가솔린 엔진 운행 조건에서 주로 쓰이는 2 ms로 고정하였다. Table 1은 실험 조건을 보여준다.

Table 1

Experimental conditions

3.1 당량비에 따른 연소 특성

동일한 당량비 조건 하에 두 점화기의 연소 특성을 알아보고자 정적 연소실 내부 압력으로부터 가연한계와 연소상을 파악하였다. Fig. 4는 당량비에 따른 화염 생성 시간과 화염 성장 시간을 나타낸다. 화염 생성시간은 총열방출량의 10 %가 되는 지점으로 정의하였고 화염 성장시간은 10 %부터 90 %가 되는 지점으로 정의하였다. 일반 스파크 점화와 마이크로파 보조 점화 모두 당량비 0.4 조건에서는 실화가 발생하여 정적챔버 내부의 압력상승은 일어나지 않았다. 이는 점화 후 연소는 일어났지만 화염에서 발생한 에너지가 화학반응을 지속적으로 일으키는데 사용되지 못하고 주변의 공기로 소산되어 화염이 소멸되었기 때문이다. 일반 스파크 점화만을 적용한 경우 가연한계가 당량비 0.6 조건에서 형성된 반면 마이크로파를 적용한 경우 당량비 0.5 조건에서도 연소가 가능하여 가연한계가 확장됨을 확인할 수 있었다. 한편, 당량비가 농후한 경우 두 점화 방식간의 결과 차이는 크지 않았다.

Fig. 4

Comparison of (a) flame development time and (b) flame rise time

Michael 등¹⁰⁾에 의해 수행된 이전 연구에 따르면 부상 화염에 마이크로파를 적용할 경우 당량비 0.3 조건까지 가연한계를 확장시킬 수 있었다. 이는 마이크로파 보조 점화를 엔진에 적용할 시에 가연한계 확장을 통한 연비개선의 가능성을 보여주는 바이다. 또한 Ikeda 등¹¹⁾이 발표한 연구에 따르면 마이크로파 보조 점화기를 가솔린 엔진에 적용하였을 때 배기가스 재순환(EGR: exhaust gas recirculation)등과 같이 혼합기가 희박한 상황에서도 사이클 (Cycle) 별 도시 평균 유효 압력의 변동계수를 낮게 유지시킬 수 있어 연소 안정성이 개선됨을 확인하였다. 이와 동시에 연비를 약 4 %정도 향상시킬 수 있었다고 보고된 바 있다.^11-13) 화염속도는 당량비에 따라서 달라지는데 이론 당량비보다 약간 과농한 쪽에서 최대 화염속도를 나타내므로 화염 생성 시간과 화염성장 시간은 당량비 약 1.2에서 1.4 사이에서 최소 값을 가졌다. 마이크로파를 조사하였을 때 연소상이 진각되는 효과는 혼합기가 희박해 질수록 커 졌으나 농후한 상태에서는 큰 차이가 없었는데 이는 혼합기가 과농한 생태에서는 화염속도가 매우 빠르기 때문에 마이크로파가 화염의 발달과 전파에 미치는 영향이 줄어들었기 때문이다. Ikeda 등¹²⁾이 보고한 결과에 따르면 조사된 마이크로파의 출력은 스파크 플러그의 끝 부분으로부터 거리의 세제곱에 반비례하기 때문에 화염이 스파크 플러그로부터 빠르게 멀어질수록 화염에 미치는 영향은 줄어들기 때문에 화염속도가 낮은 희박한 혼합기를 가질 때 효과가 더 크게 나타났다고 판단된다.

3.2 초기압력에 따른 연소 특성

일반적으로 이전 실험 결과에 의하면 화염 속도는 압력에 대하여 반비례 관계를 갖는다고 알려져 있다. 본 실험 결과에서도 정적 연소실의 초기 압력이 높아짐에 따라서 생성되는 화염의 크기가 작아진 것을 확인할 수 있었다. Fig. 5는 동일한 시간에서 초기 분위기 압력과 점화 방식에 따른 화염의 형상을 보여준다.

Fig. 5

Images of flame kernel according to ambient air conditions

분위기 압력이 낮은 0.1 MPa조건에서는 화염핵 크기의 차이가 큰 것에 반하여 정적 연소실의 초기 압력이 높아짐에 따라 마이크로파의 적용에 따른 화염 크기 향상이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 이는 유효 전기장(Reduced electric field)으로 설명 할 수 있다. 유효 전기장이란 전기장(E)을 밀도(N)으로 나눠준 값으로 표현된다. 동일한 마이크로파의 파워를 가지는 조건일 때 외부 압력이 높아지면 화염면에서 전자가 가지는 평균 에너지는 줄어든다. 그 이유는 압력이 높아짐에 따라 마이크로파의 변화하는 전기장에 의해 전자가 가속을 받는 기간에 다른 기체 분자들과 충돌을 통해 에너지가 방출되기 때문이다. 즉, 전자들의 평균자유행로(Mean free path)가 짧아짐에 따라서 일정 에너지 수준에 도달할 때까지 가속을 받지 못하게 되어 연소 개선 효과가 줄어든 것이라고 판단된다.

DeFilippo¹⁴⁾의 이전 연구에서 분위기 압력을 증가시키면서 방전이 일어날 때 기체분자의 전자온도를 측정해 본 결과 압력이 높아질수록 전자온도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었고 연소과정을 촉진시킬 수 잇는 산소 O₂(a^1Δ_g) 활성종의 생성이 줄어들었다고 보고하였다. 이러한 결과는 분위기 압력이 높아짐에 따라 마이크로파 에너지가 기체분자의 에너지나 전자온도를 효과적으로 올리지 못하여 연소촉진이 더뎌진 것을 보여준다. 고압의 분위기 조건에서의 결과를 바탕으로 실제 가솔린 엔진 연소실과 같은 고압의 조건에서 마이크로파에 의한 효과를 가지려면 마이크로파 발생 신호의 부하를 높이거나 입력되는 출력을 증가시켜 전달 에너지를 크게 할 필요성이 있는 것을 알 수 있었다.

3.3 마이크로파 조사 시기에 따른 화염 특성

마이크로파 조사 시점에 따라서 공기와 연료 혼합기 또는 점화 자체에 미치는 영향이 달라지기 때문에 일반 스파크 점화 시점을 기준으로 마이크로파 조사 시기를 변경하여 그에 따른 영향을 살펴보았다. 마이크로파 조사 시기를 스파크가 일어나는 시점으로부터 500 μs 전부터 스파크가 일어난 후의 500 μs까지 250μs 단위로 변경하여 실험을 수행하였다. Fig. 6은 상압 하에서 당량비가 1.0인 조건의 마이크로파 조사 시기에 따른 연소상 결과를 보여준다.

Fig. 6

Combustion phase results according to microwave ejection timing

연소상 결과를 살펴보면 마이크로파 조사 시기와 관계없이 일반 스파크 점화를 하였을 때 보다 마이크로파를 조사 하였을 때 빠른 연소가 일어나면서 연소상이 진각된 것을 알 수 있다. 또한 스파크 점화 시점 대비 마이크로파 조사 시기가 빨라질수록 연소상이 진각되는 것을 알 수 있으며 스파크 점화 시기와 마이크로파 조사 시기가 같은 지점을 경계로 연소상에 대한 효과가 차이나는 것을 알 수 있다. 이러한 결과가 도출된 까닭은 마이크로파가 미리 조사될수록 연소 전의 혼합기에도 마이크로파 에너지를 전달할 수 있을 뿐만 아니라 화염핵이 생성된 후에 화염에 미치는 영향이 더해지기 때문으로 판단된다. 이전 Wolk 등¹⁵⁾의 연구에서 마이크로파 조사 시기를 변경하여 실험 해 본 결과에서도 비슷한 경향을 보였는데 스파크 점화 대비 마이크로파 조사 시기가 빠를수록 화염 생성 시간이 빨라졌으며 스파크 점화가 일어난 후 1.2 ms 이후부터 마이크로파를 조사한 경우 화염 생성 속도나 화염핵 크기 증가 측면에서 효과가 급격하게 떨어졌으며 약 2 ms 이후에 조사한 경우에는 효과가 완전히 없어지는 것을 확인하였다. 따라서 초기 화염핵 확장과 연소속도 증가를 위해서는 스파크 점화 시기 보다 더 이른 시점에 마이크로파를 조사하는 것이 연소 촉진에 유리한 것을 알 수 있었다. 마이크로파의 조사 시기에 따른 연소촉진 결과를 정량화하기 위하여 연소 지수를 계산하였다. 연소지수가 1보다 크면 일반 스파크 점화 대비 연소촉진의 효과가 있는 것이며 1에 가까울수록 영향이 미미 하다는 것을 의미한다. Fig. 7은 정적챔버 실험에서 취득한 압력을 바탕으로 계산한 연소지수를 보여준다. 검은색으로 표시한 부분은 일반 스파크 플러그로 실험한 결과이며 십자모양의 원형은 마이크로파를 조사하였을 경우 인데 검은 원형보다 클수록, 파란색을 가질수록 효과가 큰 조건이다.

Fig. 7

Combustion index results

그래프를 살펴보면 앞서 당량비에 따른 연소결과에서 확인 할 수 있었듯이 연소지수가 점차 감소하여 당량비 1.2 이상조건에서는 효과가 큰 폭으로 줄어드는 것을 알 수 있다. 하지만 당량비가 낮은 조건 즉, 연료가 희박한 상태에서는 연소지수가 1.2 이상으로 큰 효과를 보여주었다. 이러한 연소 촉진의 효과는 마이크로파 조사 시기와 관계없이 줄어들었으나 마이크로파가 스파크 점화 대비 미리 조사될수록 효과의 감소폭을 줄여 과농한 상황에서도 약 1.1 정도의 연소지수를 유지할 수 있었다. 마이크로파를 스파크 점화 대비 250 이상 시점에서 조사한 경우 매우 희박한 혼합기인 당량비 0.6 조건에서만 효과를 보였으며 이보다 농후해진 경우 연소지수가 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 한편 마이크로파의 조사 시점을 스파크 점화 대비 500 이전으로 설정한 경우에는 당량비가 약 1.4인 지점까지 효과를 확장시킬 수 있었다.