[논문 리뷰] High-Pressure Autoignition of Binary Blends of Methanol and Dimethyl Ether

Hong‐Fu Wang, Bryan W. Weber외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 05.

Advanced Combustion Engine Technologies참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 30 bar 및 스토이키오메트릭 등가비율에서 고압 자가ignition 거동을 빠른 압축 기계에서 이산화메틸(DME)과 메탄올의 이진 혼합물에 대해 실험적으로 조사한다. 결과로는 메탄올 농도가 증가함에 따라 비선형적인 ignition delay 경향이 나타나며, 교차 반응 경로를 포함하지 않은 통합 화학 동역학 모델이 데이터를 잘 예측함을 보여주어 반응성이 특정 DME–MeOH 상호작용이 아닌 공통 라디칼 풀에 의해 지배됨을 시사한다.

ABSTRACT

Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) is a new advanced engine concept that uses a dual fuel mode of operation to achieve significant improvements in fuel economy and emissions output. The fuels that are typically used in this mode include a low- and a high-reactivity fuel in varying proportions to control ignition timing. As such, understanding the interaction effects during autoignition of binary fuel blends is critical to optimizing these RCCI engines. In this work, we measure the autoignition delays of binary blends of dimethyl ether (C$_2$H$_6$O, DME) and methanol (CH$_4$O, MeOH) in a rapid compression machine. In these experiments, dimethyl ether and methanol function as the high- and low-reactivity fuels, respectively. We considered five fuel blends at varying blending ratios (by mole), including 100% DME-0% MeOH, 75% DME-25% MeOH, 0% DME-0% MeOH, 25% DME-75% MeOH, and 0% DME-100% MeOH. Experiments are conducted at an engine-relevant pressure of 30 bar, for the stoichiometric equivalence ratio. In addition, the experimental results are compared with simulations using a chemical kinetic model for DME/MeOH combustion generated by merging independent, well-validated models for DME and MeOH.

연구 동기 및 목표

• 반응성 제어 압축 점화(RCCI) 엔진에 응용하기 위해 엔진 관련 조건에서 DME–메탄올 이진 혼합물의 자가ignition 특성을 이해하기 위해.
• 고압·고온 환경에서 혼합비가 ignition delay에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• DME와 메탄올에 대한 통합 화학 동역학 메커니즘의 예측 능력을 평가하기 위해(직접적인 교차 반응 경로를 포함하지 않음).
• 공통 라디칼(예: OH)이 DME–메탄올 혼합물의 반응성 조절에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 향상된 연소 제어 및 배기가스 성능을 갖춘 고급 이중연료 RCCI 엔진 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 30 bar 및 스토이키오메트릭 등가비율에서 가열된 빠른 압축 기계(RCM)에서 실험 수행.
• UConnRCMPy 소프트웨어를 사용한 압력 추적 분석을 통해 ignition delay 측정; 압력의 일阶도수 첫 번째 피크 시점부터 압축 종료 시점까지의 시간을 ignition으로 정의.
• 압축 종료(EOC) 온도를 결정하기 위해 비반응성 실험 수행; 등온압축 관계를 이용.
• 검증된 독립된 DME 및 메탄올 메커니즘을 통합하여 화학 동역학 모델 구축; 중복된 종을 제거하고 교차 반응 경로는 포함하지 않음.
• 일정 부피, 단열 조건에서 시뮬레이션 수행하여 다양한 EOC 온도 범위에서 실험적 ignition delay와 비교.
• 데이터 분석은 역온도(1000/T_C) 및 혼합비에 따른 ignition delay에 중점을 두었으며, 모델 예측 결과와의 비교 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 bar 및 스토이키오메트릭 등가비율에서 DME–메탄올 혼합물의 자가ignition 지연 시간은 혼합비 변화에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 고반응성 DME와 저반응성 메탄올 간의 이진 혼합물에서 반응성 상호작용의 성격은 무엇인가?
• RQ3 DME와 메탄올에 대한 통합 동역학 메커니즘이 직접적인 교차 반응 항목 없이도 실험적 ignition 지연 시간을 어느 정도 잘 예측할 수 있는가?
• RQ4 DME–메탄올 조성 범위에서 ignition 지연 시간의 온도 의존성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 직접적인 교차 반응 경로가 없는 상황에서 공통 라디칼(예: OH)이 혼합물의 반응성 조절에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 순수 DME(100% DME)는 가장 짧은 ignition 지연 시간을 보이며, 순수 메탄올(100% MeOH)은 가장 긴 지연 시간을 나타내어 DME의 높은 반응성을 확인한다.
• 메탄올 함량 증가에 따른 ignition 지연 시간 변화는 비선형적이다: DME 함량이 50%에서 0%로 감소할 때의 지연 시간 증가 폭이 100%에서 50%로 감소할 때보다 더 급격하다.
• ~20 ms의 목표 ignition 지연 시간에서, 압축 종료 온도는 100% DME일 경우 약 600 K에서 0% DME일 경우 약 850 K로 증가한다.
• 통합 동역학 모델은 교차 반응 경로를 포함하지 않음에도 불구하고 전체 조성 및 온도 범위에서 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 저온에서는 모델이 ignition 지연 시간을 과소평가하고 고온에서는 과대평가하는 경향을 보였으며, 이는 시뮬레이션에서 압축 후 열손실 및 압축 단계 중 라디칼 축적을 고려하지 못했기 때문일 것이다.
• 결과는 DME–메탄올 혼합물의 반응성이 특정 이분자 반응이 아닌 공통 라디칼 풀(예: OH)에 의해 주로 지배됨을 지지하는 가설을 뒷받침한다.