KR101430436B1 - 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치 - Google Patents

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Abstract

연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료 단일단계 반응으로서 취득하는 반응 메카니즘 해석공정(S1)과, 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 연료의 연소 특성을 산출함과 동시에 해당 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 옥탄가를 결정하는 옥탄가 결정공정(S2)을 가진다.

Description

연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치{Method for determining fuel property and device for determining fuel property}
본 발명은, 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치에 관한 것이다. 본원은 2010년 1월 19일에 일본에 출원된 일본특원2010-009369호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
연료의 물성을 나타내는 값 중 하나에, 연료의 내폭성을 나타내는 지수인 옥탄가가 있다. 이 옥탄가는 내폭성이 높은 이소옥탄을 100, 내폭성이 낮은 노말헵탄을 0으로 한다. 그리고 연료의 옥탄가는, 연료의 내폭성이 일치하는 이소옥탄과 노말헵탄과의 혼합 연료(표준 연료)에서의 이소옥탄의 부피%에 상당하는 값으로 되어 있다. 즉, 연료의 내폭성이, 이소옥탄의 혼합 비율이 부피 비율에서 50%의 상기 혼합 연료와 일치할 경우에는 연료의 옥탄가는 50으로 나타난다.
그런데 옥탄가는 그 결정수법 등에 따라 다양한 종류가 존재한다. 예를 들면 일본 등에서 지표로서 채용되는 리서치법 옥탄가나 독일 등에서 지표로서 채용되는 모터법 옥탄가가 그 대표예이다.
그리고 옥탄가가 미지인 연료의 옥탄가를 결정할 경우에는 상술한 결정수법에 준한 실험을 함으로써 옥탄가가 결정된다.
구체적으로는, 리서치법 옥탄가 및 모터법 옥탄가로는 옥탄가를 측정하기 위해 전용으로 설계된 CFR엔진이 상기 연료로 구동된다. 그리고 그 때의 연소실의 압력 변동 특성을 표준 연료로 구동한 경우와 비교함으로써 옥탄가가 결정된다.
내연기관의 연소실의 압력치는 노킹에 의해 변화된다. 따라서 연소실의 압력치를 측정함으로써 노킹의 유무가 측정된다. 또한 그 측정 타이밍이나 측정값을 측정 대상의 연료와 표준 연료로 비교함으로써 상술한 옥탄가가 결정된다.
비특허문헌 1: JIS(일본공업규격) K2280
그러나 연소실의 압력치는 CFR엔진 연소실의 오염 상태에 따라 변화된다. 따라서 정확한 옥탄가를 결정하기 위해서는 연료의 옥탄가를 결정하기 위한 실험에 앞서 연소실의 오염 상태를 취득하기 위한 예비 실험을 할 필요가 있다.
예를 들면 리서치법 옥탄가를 결정할 경우에는 톨루엔계 점검 연료를 사용하여 CFR엔진이 가동되고, 이 가동 상황에서 연소실의 오염 상태를 구하는 예비 실험이 행해진다.
그리고 이 예비 실험에 의해 구해진 연소실의 오염 상태를 감안하여 옥탄가를 결정하기 위한 실험을 할 필요가 있다.
즉, 종래의 옥탄가 결정수법에서는, 옥탄가를 결정하는 실험을 할 때마다 상기 예비 실험을 할 필요가 있으며 그 작업이 번잡하다.
아울러 종래에는 리서치법 옥탄가나 모터법 옥탄가뿐 아니라 옥탄가를 결정할 경우에는 내연기관을 대상의 연료와 표준 연료로 실제로 가동시켜 그 가동 상황으로 옥탄가가 결정되고 있다. 따라서 내연기관의 연소실 등의 상황에 따라 측정값이 변화되기 때문에 정확한 옥탄가를 결정하기는 어렵다.
또 종래의 옥탄가 결정방법에서는, 실제 내연기관의 사용환경에 따른 옥탄가를 결정할 경우에는 그때마다 실제로 그 환경을 만들어 내고 그 환경 중에서 상술한 실험을 함으로써 옥탄가를 결정할 필요가 있다. 예를 들면 연료의 온도에 따른 옥탄가를 결정할 경우에는 실제로 연료의 온도를 바꿔 실험을 할 필요가 있다.
따라서 종래의 옥탄가 결정방법에서는, 그때마다 내연기관을 준비하고 또한 환경을 형성하기 위한 설비를 정비하고 또한 대규모의 실험을 수차례 할 필요가 있다. 따라서 작업이 번잡하다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 보다 용이하게 연료의 물성(옥탄가 등)을 결정 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 이하의 구성을 채용한다.
제1 발명은, 연료의 물성을 결정하는 연료 물성 결정방법으로서, 상기 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료 단일단계 반응으로서 상기 단일단계 반응의 해석결과를 취득하는 반응 메카니즘 해석공정과, 상기 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 연료의 연소 특성을 산출함과 동시에 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 연료의 물성을 결정하는 물성 결정공정을 가진다.
제2 발명에서는, 상기 제1 발명에서 상기 연료의 물성이 옥탄가이고, 상기 물성 결정공정이 상기 연료의 옥탄가를 결정하는 옥탄가 결정공정이다.
제3 발명에서는, 상기 제2 발명에서 상기 반응 메카니즘 해석공정에서, 상기 화학 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식 및 해당 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 가진 단일단계 반응 데이터, 및 단일단계 반응 데이터로부터 시뮬레이션 데이터를 산출하기 위한 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 가진 연산 데이터를 사용하여 시뮬레이션 데이터를 산출하는 산출공정과, 상기 시뮬레이션 데이터가 실험에 의해 얻어진 상기 화학 반응시의 공간 1차원의 온도 분포를 가진 실험 데이터를 도출할 수 있는지 여부를 판정하는 판정공정과, 상기 단일단계 반응 데이터에 포함되는 상기 파라미터를 조정 가능한 파라미터 조정공정을 행하고, 상기 판정공정에서 상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출 가능하다고 판정될 때까지 상기 파라미터 조정공정 및 조정 후의 상기 파라미터를 사용한 상기 산출공정을 반복하여 수행한다.
제4 발명에서는, 상기 제2 또는 제3 발명에서 상기 옥탄가 결정공정에서, 상기 연료의 연소 특성과 사전에 조성이 규정된 표준 연료의 연소 특성을 비교하여 상기 옥탄가가 결정된다.
제5 발명에서는, 상기 제4 발명에서 상기 반응 메카니즘 해석공정에서, 상기 표준 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 표준 연료 단일단계 반응으로서 취득하고, 상기 옥탄가 결정공정에서, 상기 표준 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 표준 연료의 연소 특성을 산출한다.
제6 발명에서는, 상기 제2∼제5 중 어느 한 발명에서 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염(冷炎) 및 열염(熱炎)의 발열량, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염의 발열량과 열염의 발열량의 비, 및 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 옥탄가를 결정한다.
제7 발명은, 연료의 물성을 결정하는 연료 물성 결정장치로서, 상기 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료 단일단계 반응으로서 상기 단일단계 반응의 해석결과를 취득하는 반응 메카니즘 해석수단과, 상기 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 연료의 연소 특성을 산출함과 동시에 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 연료의 물성을 결정하는 물성 결정수단을 구비한다.
제8 발명에서는, 상기 제7 발명에서 상기 연료의 물성이 옥탄가이고 상기 물성 결정수단이 상기 연료의 옥탄가를 결정하는 옥탄가 결정수단이다.
제9 발명에서는, 상기 제8 발명에서 상기 반응 메카니즘 해석수단이, 실험에 의해 얻어진 상기 화학 반응시의 공간 1차원의 온도 분포를 실험 데이터로서 기억하는 실험 데이터 기억수단과, 상기 화학 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식 및 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 단일단계 반응 데이터로서 기억하는 단일단계 반응 데이터 기억수단과, 상기 단일단계 반응 데이터로부터 시뮬레이션 데이터를 산출하기 위한 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 연산 데이터로서 기억하는 연산 데이터 기억수단과, 상기 단일단계 반응 데이터 및 상기 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 사용하여 상기 시뮬레이션 데이터를 산출하는 산출수단과, 상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출할 수 있는지 여부를 판정하는 판정수단과, 상기 단일단계 반응 데이터에 포함되는 상기 파라미터를 조정 가능한 파라미터 조정수단과, 상기 판정수단으로 상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출 가능하다고 판정될 때까지 상기 파라미터 조정수단에 의한 상기 파라미터의 조정 및 조정 후의 상기 파라미터를 사용한 상기 산출수단에 의한 상기 시뮬레이션 데이터의 산출을 반복하여 실행시키는 제어수단을 구비한다.
제10 발명에서는, 상기 제8 또는 제9 발명에서 상기 옥탄가 결정수단이, 상기 연료의 연소 특성과 사전에 조성이 규정된 표준 연료의 연소 특성을 비교하여 상기 옥탄가를 결정한다.
제11 발명에서는, 상기 제10 발명에서 상기 반응 메카니즘 해석수단이, 상기 표준 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 표준 연료 단일단계 반응으로서 취득하고, 상기 옥탄가 결정수단이, 상기 표준 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 표준 연료의 연소 특성을 산출한다.
제12 발명에서는, 상기 제8∼11의 발명에서 상기 옥탄가 결정수단이, 상기 연료의 연소 특성 중 하나인, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 발열량, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염의 발열량과 열염의 발열량의 비, 및 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 옥탄가를 결정한다.
본 발명에 의하면, 대상이 되는 연료를 구성하는 물질이 연소할 때의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응이 해석된다. 그리고 이 해석 결과에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 대상이 되는 연료의 연소 특성이 산출된다. 그리고 이 연소 특성에 기초하여 물성(옥탄가)이 결정된다.
즉, 본 발명에 의하면 종래 물성(옥탄가)을 결정할 때에 행해지던 내연기관을 사용한 실험을 하지 않고 물성(옥탄가)을 결정할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 보다 용이하게 연료의 물성(옥탄가)을 결정할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에서의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치에 사용되는 실험 데이터를 얻기 위한 마이크로 플로우 리액터의 개략 구성을 도시한 모식도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 마이크로 플로우 리액터에서 화염이 안정되고 또한 공급되는 예(豫)혼합 가스의 유속에 의존하지 않는 유량이 존재하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에서의 연료 물성 결정장치의 하드웨어 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시형태에서의 연료 물성 결정장치의 기능 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태에서의 연료 물성 결정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 연료 물성 결정방법 중에서 수행한 표준 연료를 사용한 시뮬레이션 결과를 시각화한 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 제2 실시형태에서의 연료 물성 결정장치의 하드웨어 구성을 도시한 블럭도이다.
도 8은, 본 발명의 제2 실시형태에서의 연료 물성 결정장치의 기능 구성을 도시한 블럭도이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태에서의 연료 물성 결정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치의 일실시형태에 대해서 설명하기로 한다.
(제1 실시형태)
본 실시형태의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치는, 옥탄가가 미지인 연료(이하, 미지 연료라고 칭한다)의 연소 반응에서의 단일단계 반응(素反應, elementary reaction)을 해석하고, 이 단일단계 반응에 기초한 시뮬레이션을 행함으로써 미지 연료의 옥탄가(물성)를 결정한다.
여기에서 보다 정확한 옥탄가를 결정하기 위해서는, 실현상에 입각한 정확한 시뮬레이션을 실행할 필요가 있다. 따라서 정확한 시뮬레이션을 실행하기 위한 단일단계 반응 데이터를 얻을 것이 요구된다. 또 현실적으로는 이 단일단계 반응 데이터를 가능한 한 단시간에 취득할 것이 요구된다.
그래서 본 실시형태의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치는, 이들 요구를 만족하기 위해 후술하는 마이크로 플로우 리액터(실험 장치)를 사용하여 얻어진 공간 1차원의 온도 분포(실험 데이터)와, 단일단계 반응식, 단일단계 반응식에 관련된 파라미터, 및 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 사용하여 얻어진 시뮬레이션 데이터를 비교한다. 그리고 본 실시형태의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치는 시뮬레이션 데이터가 실험 데이터를 도출할 수 있을 때까지 상기 파라미터를 조정하면서 수렴 계산(收束計算, convergence calculation)을 함으로써 파라미터의 해답을 얻는다는 단일단계 반응 해석 수법을 사용하여 미지 연료와 산소와의 연소 반응(화학 반응)을 풀케미스트리 해석한다.
또한 본 실시형태의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치는, 미지 연료와 마찬가지로 표준 연료(이소옥탄과 노말헵탄과의 혼합 연료, 이소옥탄으로만 이루어진 연료, 혹은 노말헵탄으로만 이루어진 연료)에 대해서도 풀케미스트리 해석한다.
우선 정확한 시뮬레이션을 행하기 위한 실험 데이터의 취득에 사용되는 본 실시형태의 상기 마이크로 플로우 리액터 및 마이크로 플로우 리액터를 사용하여 공간 1차원의 온도 분포를 취득하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은, 마이크로 플로우 리액터(100)의 개략 구성을 도시한 모식도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이 마이크로 플로우 리액터(100)은 관(110)과, 공급 장치(120)과, 히터(130)과, 온도 측정 장치(140)과, 측정 처리부(150)을 구비하고 있다.
관(110)은 원통형의 직관(直管)이다. 그리고 관(110)의 내부 유로(111)의 직경은 상온에서 내부 유로(111)에 형성되는 화염을 전파할 수 없게 소염(消炎)되는 한계치인 소염 거리보다 작게 설정되어 있다. 즉, 관(110)의 내부 유로(111)는 상온에서의 소염 직경보다 작은 직경으로 설정되어 있다.
공급 장치(120)는, 연소되는 초기 물질인 연료(미지 연료 혹은 표준 연료)와 산화제(예를 들면, 산소나 외기(外氣))가 혼합된 예혼합 가스(G)를 관(110)에 공급하는 부재이다. 그리고 공급 장치(120)는, 관(110)의 일단에서 관(110)의 내부 유로(111)에 예혼합 가스(G)를 유입시켜 관(110)에 예혼합 가스(G)를 공급한다.
공급 장치(120)는 관(110)에 공급하는 예혼합 가스(G)의 유량을 조절할 수 있다. 따라서 공급 장치(120)는 관(110)에 공급하는 예혼합 가스(G)의 유량을 연속적으로 감소시켜 그 유량이, 관(110)의 내부 유로(111)에 형성된 화염이 안정되고 또한 화염의 형성 위치가 예혼합 가스(G)의 유속에 영향을 받지 않는 조건을 충족시키는 유량이 되도록 설정한다. 아울러 관(110)의 내부 유로(111)에 형성된 화염이 안정되고 또한 화염의 형성 위치가 예혼합 가스(G)의 유속에 영향을 받지 않는 조건을 충족시키는 유량에 대해서는 나중에 상세히 설명하기로 한다.
또 공급 장치(120)는 측정 처리부(150)와 전기적으로 접속되어 있다. 따라서 공급 장치(120)는 측정 처리부(150)로부터의 지령에 기초하여 예혼합 가스(G)의 유량, 온도 및 압력 등 예혼합 가스(G)에서의 연료와 산화제의 비율(즉, 연료와 산화제의 초기 농도)을 조절할 수 있다.
히터(130)는, 관(110)을 가열하는 부재이다. 그리고 히터(130)는 내부 유로(111)의 온도가 상온에서 예혼합 가스(G)의 흐름 방향으로 연속적으로 승온하여 도중 부위에서 예혼합 가스(G)의 상정 착화 온도 이상이 되도록 관(110)을 가열한다.
온도 측정 장치(140)는, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 가스 온도를 계측하는 부재이다. 온도 측정 장치(140)는 측정 처리부(150)와 전기적으로 접속되어 있고 측정 결과를 측정 처리부(150)에 입력한다.
측정 처리부(150)는, 온도 측정 장치(140)에서 입력되는 측정 결과를 관(110)의 위치에 대응시켜 기억함으로써 온도 분포를 취득하는 부재이다. 또 측정 처리부(150)는 공급 장치(120)에서 관(110)으로 공급되는 예혼합 가스(G)의 유량이나 온도, 예혼합 가스(G)에 포함되는 연료나 산화제의 종류 및 연료와 산화제의 초기 농도 등의 실험 조건을 기억하고 있다.
다음으로, 상술한 마이크로 플로우 리액터(100)을 사용하여 공간 1차원의 온도 분포를 취득하는 실험 방법(이하, 본 실험이라고 칭한다)에 대해서 설명하기로 한다.
연료와 산화제가 소정의 초기 농도로 혼합된 예혼합 가스(G)가 공급 장치(120)에서 관(110)의 내부 유로(111)에 공급된다.
관(110)은, 내부 유로(111)의 온도가 예혼합 가스(G)의 착화 온도 이상이 되도록 가열되어 있다. 따라서 관(110)의 내부 유로(111)에 공급된 예혼합 가스(G)는 관(110)의 내부 유로(111)의 일단부에서 타단부를 향하면서 가열된다. 그리고 예혼합 가스(G)는 착화 온도 이상으로 가열된 시점에서 착화된다.
예혼합 가스(G)가 착화되어 형성된 화염은, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 예혼합 가스(G)의 유속이 빠른 경우에는 진동한다. 이 현상은, 예혼합 가스(G)의 착화와 소화가 단시간에 반복되는 것에 기인한다.
한편, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 예혼합 가스(G)의 유속이 느린 경우에는 연속적으로 연소 상태가 유지되어 화염이 안정된다.
그래서 본 실험에서는, 우선 먼저 관(110)의 내부 유로(111)에서의 유속이 충분히 빨라지는 유량의 예혼합 가스(G)가 관(110)에 공급된다. 그리고 예혼합 가스(G)의 유량을 서서히 감소시킬 수 있어 화염이 안정될 때까지 예혼합 가스(G)의 유량을 감소시킬 수 있다.
아울러 내부 유로(111)에서의 혼합 가스(예혼합 가스로만 이루어진 가스, 혹은 예혼합 가스와 중간 생성물이 혼합된 가스 모두의 의미를 포함한 본 발명의 혼합체에 상당한다)의 온도는 화염이 형성되는 위치에서 급격하게 상승한다. 따라서 본 실험에서는 내부 유로(111)에서의 혼합 가스 온도가 급상승하는 위치가 온도 측정 장치(140)에서 입력되는 측정 결과에 기초하여 해석된다. 그리고 본 실험에서는 상기 위치가 변동되지 않게 될 때까지 예혼합 가스(G)의 유량을 감소시킴으로써 화염이 안정된다.
또 관(110)의 내부를 눈으로 볼 수 있는 재료로 형성하여 촬상장치 등에 의해 화염의 형성 위치를 확인하면서 화염의 형성 위치가 안정될 때까지 예혼합 가스(G)의 유량을 감소시켜도 좋다.
아울러 예혼합 가스(G)의 유량이 화염이 안정될 때까지 감소되면 화염의 형성 위치는 예혼합 가스(G)의 유속에 영향을 받지 않게 된다.
도 2는, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 예혼합 가스(G)의 유속과, 화염이 안정되는 위치, 착화 위치 및 소화 위치와의 관계를 도시한 그래프이다. 아울러 도 2에 도시한 그래프는, 직경이 2mm인 관(110)에 대해 메탄과 공기의 양론비의 예혼합 가스(G)를 공급함으로써 얻어진 데이터에 기초한다.
이 도면에 도시한 바와 같이 예혼합 가스(G)의 유속이 빠른 경우(40∼100cm/s)에는 화염은 안정되지만, 화염의 형성 위치가 유속에 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 또 예혼합 가스(G)의 유속이 상기 유속보다 느린 경우(5∼40cm/s)에는 화염이 진동한다는 것을 알 수 있다. 그리고 예혼합 가스(G)의 유속이 상기 유속보다 더 느린 경우(0.2∼5cm/s)에는 화염이 안정됨과 동시에 화염의 형성 위치가 유속에 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 관(110)의 내부 유로(111)에서의 예혼합 가스(G)의 유속에 따라 화염의 상태가 변화된다.
그리고 본 실험에서는, 예혼합 가스(G)의 유속이, 화염이 안정됨과 동시에 화염의 형성 위치가 유속에 영향을 받지 않는 유속이 되도록 예혼합 가스(G)의 유량이 설정된다.
이와 같이 하여 화염이 형성 위치가 예혼합 가스(G)의 유속에 의존하지 않도록 안정한 후에 측정 처리부(150)는 온도 분포를 취득하여 출력한다.
그리고 본 실험에서는, 내부 유로(111)가 상온에서의 소염 직경보다 작은 직경으로 설정된 매우 가늘고 긴 직관인 관(110)의 내부 유로(111)에서 연소 반응이 일어나고 있다. 따라서 본 실험에서의 실험 공간은 삼차원으로 넓어지는 실험 공간과는 달리 흐름 방향으로만 확대된다. 따라서 본 실험의 실험 결과로서 취득된 온도 분포는 공간 1차원에서의 온도 변화라고 생각할 수 있다.
또 본 실험에서는, 화염의 형성 위치가 예혼합 가스(G)의 유속에 의존하지 않고 히터(130)에 의한 관(110)의 가열에 의해 내부 유로(111)가 외부에서 열관리된다. 따라서 내부 유로(111)에서의 열의 수수에 의한 영향은 명확하다. 또한 예혼합 가스(G)의 유속이 작아 투입 열량이 관(110)의 열용량에 대해 충분히 작다. 따라서 연소 반응에 의한 관(110)의 온도 변화는 무시할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 실험 환경에서의 불확정 요인의 영향을 배제하고 온도 분포를 취득할 수 있다.
이와 같이 본 실험에서는, 실험 환경에서의 불확정 요인의 영향이 배제된 공간 1차원의 온도 분포를 취득할 수 있다.
계속해서 본 실시형태의 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정장치에 대해서 설명하기로 한다.
도 3은, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치의 하드웨어 구성을 도시한 블럭도이다. 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)는, 예를 들면 워크스테이션이나 슈퍼 컴퓨터 등의 컴퓨터에 의해 구현화되는 장치이다. 그리고 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)는, 도 3에 도시한 바와 같이 외부 기억장치(10)와, 내부 기억장치(20)와, 입력장치(30)와, 출력장치(40)와, CPU(Central Processing Unit)(50)를 구비하고 있다.
아울러 외부 기억장치(10)와, 내부 기억장치(20)와, 입력장치(30)와, 출력장치(40)와, CPU(50)는 시스템 버스(60)에 의해 서로 접속되어 있다.
외부 기억장치(10)는, CPU(50)의 연산 처리에 사용되는 각종 데이터 및 프로그램 등을 기억하는 장치이다. 본 실시형태에서는, 외부 기억장치(10)는 실험 데이터(11), 단일단계 반응 데이터(12), 연산 데이터(13) 및 옥탄가 결정 프로그램(14)을 저장하고 있다.
그리고 이와 같은 외부 기억장치(10)로서는, 예를 들면 하드 디스크 장치나 리무버블 미디어 장치를 사용할 수 있다. 아울러 실험 데이터(11), 단일단계 반응 데이터(12), 연산 데이터(13) 및 옥탄가 결정 프로그램(14)은 사전에 광디스크나 메모리 등의 리무버블 미디어에 기억되어 있다. 그리고 상기 리무버블 디스크가 외부 기억장치(10)의 1구성요건으로서 반응 메카니즘 해석 장치에 접속됨으로써 외부 기억장치(10)에 기억되어도 좋다. 또 상기 리무버블 디스크가 네트워크를 통해 다운로드되거나 또는 입력장치(30)를 통해 입력됨으로써 외부 기억장치(10)의 1구성요건인 하드 디스크에 기억되어도 좋다.
실험 데이터(11)는, 상술한 마이크로 플로우 리액터(100)에 의해 얻어진 실험 데이터 및 실험 조건을 가지고 있다. 더욱 상세하게는 실험 데이터(11)는, 실험 환경에서의 불확정 요인의 영향이 배제된 공간 1차원의 온도 분포, 공급 장치(120)에서 관(110)으로 공급되는 예혼합 가스(G)의 유량, 온도 및 압력 등 예혼합 가스(G)에 포함되는 연료나 산화제의 종류 및 연료와 산화제의 초기 농도 등을 가지고 있다.
그리고 도 3에 도시한 바와 같이, 실험 데이터(11)에는 미지 연료에 관한 데이터인 미지 연료 데이터(11a)와, 표준 연료에 관한 데이터인 표준 연료 데이터(11b)가 포함되어 있다.
단일단계 반응 데이터(12)는, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 반응 메카니즘을 해석하는(즉, 풀케미스트리 해석을 하는) 대상인 연료(미지 연료 혹은 표준 연료)와 산화제의 연소 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식과, 이들 단일단계 반응식에 관련된 파라미터(예를 들면 빈도 계수나 활성화 에너지)가 모인 데이터베이스이다. 아울러 이하의 설명에서 해당 데이터베이스를 단일단계 반응기구라고 칭한다.
이 단일단계 반응기구는 기존 기구를 사용할 수도 있다. 또 기존 단일단계 반응기구가 존재하지 않는 경우에는 분자 동력학법 등에 의해 얻을 수 있다.
또 도 3에 도시한 바와 같이, 단일단계 반응 데이터(12)에는 미지 연료에 관한 단일단계 반응기구인 미지 연료 데이터(12a)와, 표준 연료에 관한 단일단계 반응기구인 표준 연료 데이터(12b)가 포함되어 있다.
연산 데이터(13)는, CPU(50)가 단일단계 반응 데이터(12) 및 입력장치(30)에서 입력되는 파라미터에 기초하여 중간 생성물의 농도 변화나 혼합 가스의 온도 변화를 산출하기 위한 계산식인 식(1),(2)를 가지고 있다.
아울러 여기에서 말하는 혼합 가스란, 미반응 예혼합 가스나 연소 반응 과정에서 생성되는 중간 생성물이 혼합된 가스이다.
[수식 1]
Figure 112012059833500-pct00001
(1)
Yk: 화학종k(중간 생성물)의 질량분율
v: 비체적(比體積)
t: 시간
wk: 화학종k(중간 생성물)의 몰 생성 속도
Wk: 화학종k(중간 생성물)의 분자량
[수식 2]
Figure 112012059833500-pct00002
(2)
cp: 혼합 가스의 정압비열
T: 혼합 가스의 온도
K: 화학종(중간 생성물)의 수
hk: 화학종(중간 생성물)의 비엔탈피
λ: 혼합 가스의 열전도율
Nu: 넛셀수
Tw: 벽면 온도
그리고 식(1)은, 통상의 공간 0차원에서 시간 1차원 정압연소에서의 질량 보존의 식이다. 또 식(2)는, 에너지 보존의 식으로서, 좌변 제1항이 혼합 가스의 내부 에너지를 나타내는 항이고, 좌변 제2항이 단일단계 반응에 의해 이동하는 에너지를 나타내는 항이고, 좌변 제3항이 혼합 가스와 외부와의 열전달에 의해 이동하는 에너지(즉, 혼합 가스와 마이크로 플로우 리액터(100)의 벽면(관(110)의 내면) 사이의 열전달에 의해 이동하는 에너지)를 나타내는 항이다.
식(1)과 식(2)의 연립 방정식에 의해 중간 생성물의 농도 변화나 혼합 가스의 온도 변화가 산출된다. 여기에서 식(1)과 식(2)는 독립 변수가 시간이고, 종속 변수가 농도와 온도이고, 또한 위치를 파라미터로서 포함하지 않는, 공간 0차원에서 시간 1차원의 방정식이다. 그리고 중간 생성물의 농도 변화나 혼합 가스의 온도 변화는 상술한 바와 같이 공간의 개념이 제외되어 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식에 의해 산출된다.
또 연산 데이터(13)는, 상술한 식(1),(2)를 사용하여 산출된 혼합 가스의 온도 변화를 공간 1차원화하기 위한 식(3),(4)를 가지고 있다.
아울러 마이크로 플로우 리액터(100)에서의 관(110)의 열용량은 소(小)유량의 예혼합 가스에 의한 발열량보다 충분히 크다. 따라서 화염에 의한 관벽 온도 분포 변화는 무시할 수 있다. 따라서 관벽 온도 분포는 관(110)의 위치에 대한 함수로서 주어진다. 따라서 식(3),(4)에 의해 상술한 식(1),(2)를 사용하여 산출된 혼합 가스의 온도 변화를 공간 1차원화할 수 있다.
[수식 3]
Figure 112012059833500-pct00003
(3)
U: 이동속도(혼합 가스의 밀도 변화)
U0: 예혼합 가스의 공급속도
T0: 예혼합 가스의 초기 온도
[수식 4]
Figure 112012059833500-pct00004
(4)
x: 위치
아울러 연산 데이터(13)는 연소 특성을 산출하는 시뮬레이션에 필요한 각종 계산 조건을 포함하고 있다.
옥탄가 결정 프로그램(14)은, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)를, 다음에 설명하는 도 4에 도시한 각 기능 구성으로서 기능시키기 위한 프로그램이다.
아울러 옥탄가 결정 프로그램(14)에 대해서는, 다음의 도 4를 참조하는 연료 물성 결정장치(A1)의 기능 구성 설명에서 함께 상세히 설명하기로 한다.
내부 기억장치(20)는, CPU(50)의 동작 프로그램을 기억함과 동시에 CPU(50)의 제어하에서 외부 기억장치(20)에 기억된 각종 데이터 및 프로그램을 일시적으로 기억하고, 또한 CPU(50)의 연산 결과를 일시적으로 기억하는 장치이다. 그리고 이 내부 기억장치(20)로서는 RAM(Random Access Memory)나 ROM(Read Only Memory) 등이 사용된다.
입력장치(30)는, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에 대해 외부에서 데이터를 입력하기 위한 장치로서, 예를 들면 키보드나 마우스가 사용된다. 단, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에 대해 통신로를 통해 데이터의 입력이 이루어지는 경우에는 통신로와의 인터페이스가 되는 통신장치가 입력장치(30)로서 사용되는 경우도 있다.
출력장치(40)는, CPU(50)의 제어하에서 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 데이터를 출력하는 장치로서, 예를 들면 데이터를 가시화하기 위한 디스플레이나 프린터가 사용된다. 단, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 통신로를 통해 데이터의 출력이 이루어지는 경우에는 통신로와의 인터페이스가 되는 통신장치가 출력장치(40)으로서 사용되는 경우도 있다.
CPU(50)는, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)의 동작 전체를 제어하는 장치이다. 그리고, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 CPU(50)는, 옥탄가 결정 프로그램(14)에 기초하여 중간 생성물의 농도 변화나 혼합 가스의 온도 변화 산출, 시뮬레이션 데이터와 실험 데이터의 비교 및 판정, 단일단계 반응기구가 포함한 파라미터의 조정, 또 단일단계 반응기구를 사용한 시뮬레이션 및 미지 연료의 옥탄가 결정 등을 행한다.
도 4는, 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)의 기능 구성을 도시한 블럭도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)는, 상술한 옥탄가 결정 프로그램(14)에 의해 실험 데이터 기억부(1)(실험 데이터 기억수단), 단일단계 반응 데이터 기억부(2)(단일단계 반응 데이터 기억수단), 연산 데이터 기억부(3)(연산 데이터 기억수단), 산출부(4)(산출수단), 판정부(5)(판정수단), 파라미터 조정부(6)(파라미터 조정수단), 제어부(7)(제어수단) 및 옥탄가 결정부(8)(옥탄가 결정수단)로서의 기능을 구비한다.
아울러 본 실시형태에서는, 본 발명에서의 반응 메카니즘 해석수단이 실험 데이터 기억부(1)와, 단일단계 반응 데이터 기억부(2)와, 연산 데이터 기억부(3)와, 산출부(4)와, 판정부(5)와, 파라미터 조정부(6)과, 제어부(7)로 구성되어 있다.
실험 데이터 기억부(1)는 상기 실험 데이터(11)를 기억한다. 또 단일단계 반응 데이터 기억부(2)는 상기 단일단계 반응 데이터(12)를 기억한다. 또 연산 데이터 기억부(3)는 상기 연산 데이터(13)를 기억한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은 실험 데이터(11)와, 단일단계 반응 데이터(12)와, 연산 데이터(13)를 기억하는 외부 기억장치(10) 혹은 실험 데이터(11)와, 단일단계 반응 데이터(12)와, 연산 데이터(13)를 옮긴 내부 기억장치(20)를, 실험 데이터 기억부(1), 단일단계 반응 데이터 기억부(2) 및 연산 데이터 기억부(3)으로서 기능시킨다.
산출부(4)는, 연산 데이터 기억부(3)에 연산 데이터(13)로서 기억된 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식인 상기 식(1),(2)와, 실험 데이터 기억부(1)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 실험 조건과, 단일단계 반응 데이터 기억부(2)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)를 사용하여 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스의 온도 변화를 산출한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 실험 데이터(11)와, 단일단계 반응 데이터(12)와, 연산 데이터(13)에 기초하여 CPU(50)에 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스의 온도 변화를 산출시킴으로써 연료 물성 결정장치(A1)를 산출부(4)로서 기능시킨다.
판정부(5)는, 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화(시뮬레이션 데이터)와 실험 데이터(11)를 비교한다. 그리고 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포(내부 유로(111)에서의 가스 온도 분포)를 도출할 수 있는지 여부를 판정한다.
구체적으로는, 판정부(5)는 연산 데이터 기억부(3)에 연산 데이터(13)로서 기억된 상기 식(3),(4)를 사용하여 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화를 공간 1차원화하고 시뮬레이션 온도 분포를 산출한다. 그리고 판정부(5)는 시뮬레이션 온도 분포와, 실험 데이터 기억부(1)에 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 비교한다. 판정부(5)는 비교 결과, 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포와 일치 또는 허용되는 변동 범위에 수렴되어 있는 경우에는, 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정한다. 그리고 판정부(5)는 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포로부터 허용되는 변동 범위에 수렴되지 않은 경우에는 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화(즉, 시뮬레이션 데이터)가 실험 데이터에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 없다고 판정한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은, 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 연산 데이터(13) 및 산출된 혼합 가스의 온도 변화에 기초하여 CPU(50)에 시뮬레이션 온도 분포를 산출시킨다. 또한 옥탄가 결정 프로그램(14)은, CPU(50)에 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포와 시뮬레이션 온도 분포를 비교시킨다. 그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은, 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터에 포함되는 온도 분포를 도출 가능한지 여부를 판정시킴으로써 연료 물성 결정장치(A1)를 판정부(5)로서 기능시킨다.
파라미터 조정부(6)는, 단일단계 반응 데이터 기억부(2)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터(빈도 계수나 활성화 에너지)를 조정한다.
구체적으로는, 파라미터 조정부(6)는 미리 정해진 순서대로 단일단계 반응 데이터에 포함되는 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 소정의 치분(値分)만큼 증가 혹은 감소시켜 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터를 조정한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은, 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터를 CPU(50)에 조정시킴으로써 연료 물성 결정장치(A1)를 파라미터 조정부(6)로서 기능시킨다.
제어부(7)는 실험 데이터 기억부(1), 단일단계 반응 데이터 기억부(2), 연산 데이터 기억부(3), 산출부(4), 판정부(5) 및 파라미터 조정부(6)의 동작 순서 등을 제어한다.
그리고 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 제어부(7)는, 판정부(5)가 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정한 경우에는 풀케미스트리 해석이 완료되었다고 판단한다. 그리고 제어부(7)는, 그 시점에서 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 최신의 중간 생성물의 농도 변화, 혼합 가스의 온도 변화 및 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터를 해석 결과로서 출력장치(40)에 입력한다.
한편 제어부(7)는, 판정부(5)가 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 없다고 판정한 경우에는 파라미터 조정부(6)에 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터를 조정시킨다. 그리고 제어부(7)는 재차 산출부(4)에 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스의 온도 변화를 산출시키고, 또한 판정부(5)에 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 관벽 분포 온도를 도출 가능한 것인지를 판정하게 한다.
그리고, 옥탄가 결정 프로그램(14)은 CPU(50)를 제어부(7)로서 기능시킨다.
옥탄가 결정부(8)는, 풀케미스트리 해석이 완료되어 얻어지는 파라미터 조정 후의 단일단계 반응 데이터에 기초하여 시뮬레이션(예를 들면, CFD해석)을 함으로써 연료의 연소 특성을 산출한다. 또한 옥탄가 결정부(8)는 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 옥탄가를 결정한다.
그리고 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 옥탄가 결정부(8)는, 연료와 산화제와의 예혼합 가스를 연소시킨 경우의 냉염과 열염의 발생 상황을 연료의 연소 특성으로 하는 시뮬레이션을 한다.
아울러 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1)에서 옥탄가 결정부(8)는, 상술한 마이크로 플로우 리액터에 사용된 관(110)과 동일한 소염 직경보다 작은 직경을 가진 관을 사용한다. 그리고 옥탄가 결정부(8)는, 관에 대해 길이 방향으로 온도 경사를 주어 유량이 화염의 형성 위치가 유속에 영향을 받지 않는 유속으로 설정된 예혼합 가스(G)를 관에 공급하는 것을 상정하여 시뮬레이션을 실행한다. 그리고 옥탄가 결정부(8)는 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비 및 냉염과 열염의 착화 온도를 연료의 연소 특성으로서 산출한다.
또한 옥탄가 결정부(8)는, 미지 연료를 사용한 경우의 시뮬레이션에 의해 얻어진 상기 연소 특성과, 표준 연료를 사용한 경우의 시뮬레이션에 의해 얻어진 상기 연소 특성을 비교함으로써 미지 연료의 옥탄가를 결정한다.
구체적으로는, 옥탄가 결정부(8)는 이소옥탄과 노말헵탄의 혼합 비율이 다른 여러 개의 표준 연료를 사용한 경우를 시뮬레이션하여 각각에 관한 연소 특성을 산출한다. 또 옥탄가 결정부(8)는 미지 연료를 사용한 경우를 시뮬레이션하여 미지 연료의 연소 특성을 산출한다. 그리고 옥탄가 결정부(8)는 미지 연료와 연소 특성이 합치되는 표준 연료를 특정한다. 그리고 옥탄가 결정부(8)는 특정된 표준 연료에 포함되는 이소옥탄의 부피 비율이 나타내는 값을 미지 연료의 옥탄가로서 결정한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은 CPU(50)에 의해 연산을 한다. 또한 옥탄가 결정 프로그램(14)은 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 일시적인 연산 결과를 기억시킴으로써 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 옥탄가를 결정한다. 즉, 옥탄가 결정 프로그램(14)은 CPU(50), 외부 기억장치(10) 및 내부기억장치(20)를 상기 옥탄가 결정부(8)로서 기능시키는 프로그램이다.
아울러 제어부(7)는, 옥탄가 결정부(8)에서 미지 연료의 옥탄가가 결정된 경우에는 그 옥탄가를 출력장치(40)에 입력한다. 이때 제어부(7)는, 옥탄가 외에 옥탄가 결정부(8)에서 실행된 시뮬레이션에 의해 얻어진 연산 결과를 함께 출력장치(40)에 입력해도 된다.
계속해서 상술한 연료 물성 결정장치(A1)를 사용한 연료 물성 결정방법에 대해서, 도 5의 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다.
아울러 본 실시형태에서의 연료 물성 결정방법에서는 실험 데이터(11), 단일단계 반응 데이터(12) 및 연산 데이터(13)가 이미 실험 데이터 기억부(1), 단일단계 반응 데이터 기억부(2) 및 연산 데이터 기억부(3)(외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20))에 기억되어 있다.
우선 최초로 제어부(7)의 제어하에서 미지 연료의 연소 반응을 나타내는 단일단계 반응기구와, 표준 연료의 연소 반응을 나타내는 단일단계 반응기구를 해명하는 반응 메카니즘 해석공정(단계S1)이 행해진다.
그리고 반응 메카니즘 해석공정(단계S1)에서는, 미지 연료를 구성하는 물질과 산화제를 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응기구가 해석된다. 그리고 반응 메카니즘 해석공정(단계S1)에서는, 해석 결과가 미지 연료 단일단계 반응기구(본 발명에서의 연료 단일단계 반응)로서 취득된다.
또 반응 메카니즘 해석공정(단계S1)에서는, 표준 연료를 구성하는 물질과 산화제를 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응기구가 해석된다. 그리고 반응 메카니즘 해석공정(단계S1)에서는, 해석 결과가 표준 연료 단일단계 반응기구(본 발명에서의 표준 연료 단일단계 반응)로서 취득된다. 아울러 본 실시형태에서는, 표준 연료 단일단계 반응기구로서 이소옥탄100%인 표준 연료의 연소 반응을 나타내는 경우와, 노말헵탄100%인 표준 연료의 연소 반응을 나타내는 경우의 2개가 취득된다.
그리고 구체적으로는, 각 연료에 대해 도 5에 도시한 예비 산출공정(단계S11)과, 판정공정(단계S12)과, 파라미터 조정공정(단계S13)을 행함으로써 각 연료의 단일단계 반응기구가 해석되어 취득된다.
보다 상세히 설명하면, 우선 산출부(4)에 의해 연소 반응에서의 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스(상술한 바와 같이 중간 생성물이 미연소 연료 등이 혼합된 가스)의 온도 변화가 산출된다(예비 산출공정S11).
이때 산출부(4)는, 연산 데이터 기억부(3)에 연산 데이터(13)로서 기억된 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식인 식(1),(2)와, 실험 데이터 기억부(1)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 실험 조건과, 단일단계 반응 데이터 기억부(2)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)를 사용하여 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스의 온도 변화를 산출한다.
아울러 구체적으로는, CPU(50)가 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 실험 조건과, 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터와, 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 연산 데이터(13)에 포함되는 식(1),(2)를 사용하여 식(1)과 식(2)를 연립시켜 농도 변화와 온도 변화에 대해 풂으로써 중간 생성물의 농도 변화 및 혼합 가스의 온도 변화가 산출된다.
계속해서 제어부(7)의 제어하에서 판정부(5)에 의해, 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 있는지 여부가 판정된다(판정공정S12).
이때 판정부(5)는 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화를, 연산 데이터 기억부(3)에 연산 데이터(13)으로서 기억된 식(3),(4)를 사용하여 공간 1차원화하여 시뮬레이션 온도 분포를 산출한다. 그리고 판정부(5)는 시뮬레이션 온도 분포와, 실험 데이터 기억부(1)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 비교한다. 판정부(5)는, 비교 결과 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포와 일치 또는 허용되는 변동 범위에 수렴되어 있는 경우에는, 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정한다. 또 판정부(5)는, 비교 결과 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포로 허용되는 변동 범위에 수렴되지 않은 경우에는, 산출부(4)에 의해 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 없다고 판정한다.
구체적으로는, CPU(50)가 산출된 혼합 가스의 온도 변화를, 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 연산 데이터(13)에 포함되는 식(3),(4)를 사용하여 공간 1차원화함으로써 시뮬레이션 온도 분포가 산출된다. 그리고 CPU(50)가 시뮬레이션 온도 분포와 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 비교한다. 계속해서 CPU(50)가 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 있는지 여부를 판정한다.
판정공정S12에서, 산출공정S11에서 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출할 수 없다고 판정된 경우에는, 제어부(7)의 제어하에서 파라미터 조정부(6)에 의해 단일단계 반응 데이터 기억부(2)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터가 조정된다(파라미터 조정공정S13).
구체적으로는, CPU(50)가 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터를 조정한다.
그리고 파라미터 조정공정S13이 완료되면 재차 산출공정S11이 행해진다.
이러한 예비 산출공정(단계S11)과, 판정공정(단계S12)과, 파라미터 조정공정(단계S13)을 반복함으로써 판정공정S12에서, 산출공정S11에서 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정된다.
그리고 제어부(7)(CPU(50))는 판정공정S12에서, 산출공정S11에서 산출된 혼합 가스의 온도 변화가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정된 경우에는 풀케미스트리 해석이 완료되었다고 판단한다. 그리고 도 5에 도시한 바와 같이 옥탄가 결정공정(단계S2)이 행해진다. 아울러 옥탄가 결정공정은, 본 발명에서의 물성 결정공정에 상당한다.
아울러 상술한 바와 같이 예비 산출공정(단계S11)과, 판정공정(단계S12)과, 파라미터 조정공정(단계S13)은 연료마다 행해지기 때문에 옥탄가 결정공정(단계S2)이 행해질 때에는 미지 연료 단일단계 반응기구 및 표준 연료 단일단계 반응기구가 전부 취득된 상태로 되어 있다. 그리고 이러한 미지 연료 단일단계 반응기구 및 표준 연료 단일단계 반응기구는 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억되어 있다.
다음으로 옥탄가 결정공정(단계S2)는, 단일단계 반응기구에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 연료의 연소 특성을 산출하는 공정이다. 또한 옥탄가 결정공정(단계S2)는, 연료의 연소 특성에 기초하여 미지 연료의 옥탄가를 결정하는 공정이다.
구체적으로는 옥탄가 결정공정(단계S2)에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 본 산출공정(단계S21)과, 결정공정(단계S22)과, 출력공정(단계S23)을 행함으로써 옥탄가가 결정되고, 그 결정한 값이 출력된다.
보다 상세히 설명하면, 옥탄가 결정부(8)가 단일단계 반응기구를 사용함으로써 시뮬레이션에 의해 연료의 연소 특성이 산출된다(본 산출공정S21).
예를 들면, 옥탄가 결정부(8)는 표준 연료 단일단계 반응기구를 사용함으로써, 표준 연료를 연소 반응시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비 및 냉염과 열염의 착화 온도를 연료의 연소 특성으로서 산출한다.
도 6은, 옥탄가 결정부(8)에서 표준 연료를 연소 반응시키는 시뮬레이션을 행하고 그 결과 얻어진 시뮬레이션 결과를 시각화한 도면이다. 아울러 도 6에는, 옥탄가0(PRF0)인 표준 연료의 연소 특성과, 옥탄가20(PRF20)인 표준 연료의 연소 특성과, 옥탄가40(PRF40)인 표준 연료의 연소 특성과, 옥탄가60(PRF60)인 표준 연료의 연소 특성과, 옥탄가80(PRF80)인 표준 연료의 연소 특성과, 옥탄가100(PRF100)인 표준 연료의 연소 특성이 도시되어 있다. 또 도 6에서 Tw는, 시뮬레이션에 사용한 관의 관벽 온도(즉, 관 내부의 가스 온도)를 도시하고 있다. 또 도 6의 횡축은, 관의 길이 방향에서의 위치를 도시하고 있다.
그리고 표준 연료를 연소 반응시킬 때에 발생하는 냉염의 발열량은, 도 6에서의 왼쪽에 군집하는 그래프 각각이 둘러싸는 면적에 의해 나타난다. 또 열염의 발열량은, 도 6에서의 우측에 군집하는 그래프 각각이 둘러싸는 면적에 의해 나타난다. 즉, 예를 들면 옥탄가0의 표준 연료를 연소 반응시켰을 때에 발생하는 냉염의 발열량은, 도 6에서의 왼쪽에서 PRF0으로 나타나는 그래프가 둘러싸는 면적에 의해 나타나 있다.
또 표준 연료를 연소 반응시킬 때에 발생하는 냉염의 착화 온도는, 도 6의 왼쪽에 군집하는 그래프의 상승 위치에 의해 나타나 있다. 또 열염의 착화 온도는, 도 6의 오른쪽에 군집하는 그래프의 상승 위치에 의해 나타나 있다.
아울러 실제로 미지 연료가 사용되는 환경은 통상 고압 환경이다. 그러나 도 6을 얻기 위한 시뮬레이션은 연소 특성을 설명하기 위해 행한 시뮬레이션이므로 압력 조건을 대기압으로 설정하여 계산이 이루어졌다. 따라서 옥탄가40∼100인 표준 연료에 대해서는 냉염이 발생하지 않는다.
단, 실제로 미지 연료가 사용되는 환경과 같은 압력 조건으로 시뮬레이션을 한 경우에는, 옥탄가40∼100의 표준 연료에 대해서도 연소 반응시에 냉염이 발생하여 상기 연소 특성(냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비 및 냉염과 열염의 착화 온도)가 산출된다.
또한 도 6에서는, Tw로 나타나는 온도 경사가, 상술한 마이크로 플로우 리액터(100)의 관(110)에 주어진 온도 경사와 동일하게 설정되어 있다. 따라서 Tw가 단순한 직선은 아니다.
그러나 옥탄가 결정부(8)에서 행해지는 시뮬레이션에서는, 온도 경사Tw를 마이크로 플로우 리액터에 맞출 필요는 없으며 자유롭게 설정할 수 있다. 따라서 설정된 온도 경사에 따른 시뮬레이션 결과가 얻어진다.
이와 같이 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1) 및 연료 물성 결정방법에서는, 단일단계 반응기구만 해석할 수 있다면, 옥탄가 결정부(8)의 시뮬레이션에서는, 단일단계 반응기구 이외의 파라미터를 임의로 설정할 수 있다.
따라서 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1) 및 연료 물성 결정방법은, 압력 환경이나 연료의 온도를 용이하게 변경하여 시뮬레이션을 할 수 있다. 따라서 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A1) 및 연료 물성 결정방법은, 미지 연료의 실제 사용환경에 맞춘 시뮬레이션 결과를 용이하게 산출할 수 있다.
도 5으로 되돌아가 본 산출공정(단계S21)에서는, 옥탄가 결정부(8)는 미지 연료 단일단계 반응기구를 사용함으로써 미지 연료를 연소 반응시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비 및 냉염과 열염의 착화 온도를 연료의 연소 특성으로서 산출한다.
아울러 구체적으로는, CPU(50)가 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 단일단계 반응기구를 사용하여 옥탄가 결정 프로그램에 기초하여 연료의 연소 특성을 산출한다.
계속해서 제어부(7)의 제어하에서 옥탄가 결정부(8)에 의해 본 산출공정S21에서 산출된 미지 연료의 연소 특성과 표준 연료의 연소 특성이 비교되어 미연소 연료의 옥탄가가 결정된다(결정공정S22).
이때 옥탄가 결정부(8)는 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비, 그리고 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 하나를 미연소 연료와 표준 연료 사이에서 비교한다. 그리고 옥탄가 결정부(8)는 미지 연료와 연소 특성이 합치되는 표준 연료를 특정하고, 이 특정된 표준 연료에 포함되는 이소옥탄의 부피 비율이 나타내는 값을 미지 연료의 옥탄가로서 결정한다.
아울러 구체적으로는, CPU(50)가 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20)에 기억된 연소 특성끼리 비교하여 미지 연료의 옥탄가가 결정된다.
마지막으로 제어부(7)의 제어하에서 옥탄가 결정부(8)에 의해 결정공정S22에서 결정된 미지 연료의 옥탄가가 출력된다(출력공정S23).
구체적으로는, CPU(50)가 미지 연료의 옥탄가를 출력장치(40)에 입력함으로써 출력장치(40)에서 미지 연료의 옥탄가가 시각화되어 출력된다.
이상과 같은 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 미연소 연료를 구성하는 물질이 연소할 때의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응이 해석된다. 그리고 해석 결과에 기초하여 시뮬레이션이 행해짐으로써 미연소 연료의 연소 특성이 산출된다. 그리고 연소 특성에 기초하여 옥탄가가 결정된다.
즉, 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 종래 옥탄가를 결정할 때에 행해졌던 내연기관을 사용한 실험을 하지 않고 옥탄가를 결정할 수 있다.
따라서 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면 보다 용이하게 연료의 옥탄가를 결정할 수 있다.
또 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 풀케미스트리 해석시에 시뮬레이션 데이터가 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식에 기초하여 산출된다. 따라서 계산량을 감소시킬 수 있다.
또 본 실시형태의 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 마이크로 플로우 리액터에 의해 얻어진 실험 환경에서의 불확정 요인에 영향을 받지 않는 공간 1차원의 온도 분포에 맞도록 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터의 조정이 이루어진다. 따라서 실험 환경에서의 불확정 요인에 영향을 받지 않고 실현상인 연소 반응을 정확하게 예측 가능하게 하는 파라미터의 해답을 얻을 수 있다. 따라서 정확한 풀케미스트리 해석을 할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 계산 부하가 작고 또한 정확한 풀케미스트리 해석이 가능하다.
또 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 종래의 옥탄가 결정방법과 마찬가지로 미지 연료의 연소 특성과, 사전에 조성이 규정된 표준 연료의 연소 특성을 비교하여 옥탄가가 결정된다. 따라서 결정한 옥탄가를 종래 수법으로 얻어진 옥탄가와 동일하게 취급할 수 있다.
또 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 미지 연료의 연소 반응을 구성하는 단일단계 반응(미지 연료 단일단계 반응기구)뿐만 아니라 표준 연료의 연소 반응을 구성하는 단일단계 반응(표준 연료 단일단계 반응기구)의 풀케미스트리 해석도 이루어진다.
따라서 옥탄가를 결정할 때의 시뮬레이션을 보다 정확하게 계산할 수 있어 보다 정확하게 미지 연료의 옥탄가를 결정할 수 있다.
단, 표준 연료는 사전에 그 조성이 알려져 있기 때문에 이미 충분히 정밀도가 높은 단일단계 반응기구가 준비되어 있는 경우도 생각할 수 있다. 이와 같은 경우에는 단일단계 반응기구를 사용함으로써 표준 연료에 대한 풀케미스트리 해석을 생략해도 좋다. 이와 같은 경우에는 표준 연료를 사용한 마이크로 플로우 리액터(100)에서의 실험도 하지 않아도 된다.
또 본 실시형태에서의 연료 물성 결정장치(A1), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 미지 연료의 옥탄가를 결정하기 위해 미지 연료의 연소 특성과 표준 연료의 연소 특성을 비교할 때에 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비, 그리고 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 하나가 미연소 연료와 표준 연료 사이에서 비교된다.
냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비, 그리고 냉염 및 열염의 착화 온도는 모두 노킹의 주원인이 되는 냉염에 관한 것이다. 따라서 냉염 및 열염의 발열량, 냉염과 열염의 발열량 비, 그리고 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 하나를 미연소 연료와 표준 연료 사이에서 비교함으로써 신뢰도가 높은 옥탄가를 얻을 수 있다.
(제2 실시형태)
다음으로 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 설명하기로 한다. 아울러 본 제2 실시형태의 설명에서 상기 제1 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략 혹은 간략화한다.
본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A2)는, 도 7에 도시한 바와 같이 외부 기억장치(10)에 옥탄가 결정부(8)에서 행해지는 시뮬레이션의 해석 조건(15)이 저장되어 있다. 아울러 여기에서 말하는 해석 조건은, 옥탄가 결정부(8)에서 행해지는 시뮬레이션(CFD해석 등)에서 허용되는 계산량이나, 시뮬레이션에 의해 해석하고자 하는 중간 생성물의 종류 등의 정보를 포함한다.
그리고 도 8에 도시한 바와 같이, 옥탄가 결정 프로그램(14)은 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A2)를 해석 조건 기억부(9a)와, 선택부(9b)로서 기능시킨다.
해석 조건 기억부(9a)는 상기 해석 조건(15)를 기억한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은, 해석 조건(15)를 기억하는 외부 기억장치(10), 혹은 해석 조건(15)를 옮긴 내부 기억장치(20)를 해석 조건 기억부(9a)로서 기능시킨다.
선택부(9b)는, 화학 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식을 해석 조건(15)에 기초하여 선택함과 동시에 선택된 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 조정하는 부재이다.
구체적으로는, 선택부(9b)는 해석 조건 기억부(9a)에 기억된 해석 조건(15)에 기초하여 선택해야 할 단일단계 반응식(옥탄가 결정부(8)의 시뮬레이션에 의해 해석하고자 하는 중간 생성물을 포함한 단일단계 반응식)을 우선적으로 선택한다. 또한 선택부(9b)는 옥탄가 결정부(8)의 시뮬레이션을 할 경우에 허용되는 계산 부하를 만족하도록 선택하는 단일단계 반응식의 수를 결정하고, 이들에 기초하여 단일단계 반응식을 선택한다.
또 선택부(9b)는 선택한 단일단계 반응식만을 사용하여 재차 시뮬레이션 온도 분포를 산출하여 실험 데이터(11)가 포함한 온도 분포와 비교한다. 그리고 선택부(9b)는 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포에 대해 허용범위에 수렴되지 않는 경우에는 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포에 대해 일치 또는 허용범위에 수렴될 때까지 반복하여 선택한 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 조정하여 상기 계산을 반복한다.
그리고 옥탄가 결정 프로그램(14)은 외부 기억장치(10) 혹은 내부 기억장치(20) 및 CPU(50)를 사용하여 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A2)를 선택부(9b)로서 기능시킨다.
그리고 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A2)에서, 제어부(7)는 판정부(5)에서 시뮬레이션 온도 분포가 실험 데이터(11)에 포함되는 온도 분포를 도출 가능하다고 판정된 경우에 선택부(9b)에 의한 단일단계 반응식의 선택 및 파라미터의 조정을 실행시킨다.
즉, 본 실시형태의 반응 메카니즘 해석 방법에서는, 도 9에 도시한 바와 같이 반응 메카니즘 해석공정S1과 옥탄가 결정공정S2 사이에 단일단계 반응식의 선택 및 선택된 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 조정하는 선택 공정S3이 실행된다.
이와 같은 본 실시형태의 연료 물성 결정장치(A2), 연료 물성 결정방법 및 연료 물성 결정 프로그램에 의하면, 정확한 풀케미스트리 해석에 의해 얻어진 단일단계 반응식을, 해석된 단일단계 반응을 토대로 행해지는 시뮬레이션의 해석 조건으로 최적화할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는 것은 물론이다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지(主旨)에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.
예를 들면 상기 실시형태에서는, 연료와 산화제의 연소 반응을 구성하는 단일단계 반응 해석이 이루어진다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 연료와, 산화제 이외의 다른 물질과의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료의 물성을 결정해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 실험 데이터(11)로서 포함되는 온도 분포는 마이크로 플로우 리액터(100)에 의해 취득되어 있다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 연소 반응시의 정확한 공간 1차원의 온도 분포를 취득 가능한 장치라면, 공간 1차원의 온도 분포를 다른 실험 장치에 의해 취득해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 내부 유로(111)을 흐르는 가스의 온도 분포를 공간 1차원의 온도 분포로서 사용하였다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 화염의 형성 위치가 예혼합 가스(G)의 유속에 영향을 받지 않는 조건을 충족시킬 경우에는 내부 유로(111)를 흐르는 가스와 관(110)의 관벽 온도가 거의 동일해지기 때문에 관(110)의 벽면 온도 분포(관벽 온도 분포)를 공간 1차원의 온도 분포로서 사용해도 좋다.
또 예혼합 가스(G)의 유속이 빠른 경우에는 화염의 형성 위치가 진동하는데, 이 경우의 실험 결과를 실험 데이터(11)에 포함시켜 실험 결과를 단일단계 반응 데이터(12)에 포함되는 파라미터의 조정에 사용해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 사용하여 산출된 혼합 가스의 온도 변화를 1차원화함으로써 시뮬레이션 온도 분포가 산출되고, 시뮬레이션 온도 분포와 실험에 의해 얻어진 온도 분포를 비교하여 판정했다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 예를 들면 실험에 의해 얻어진 온도 분포를 공간 0차원에서 시간 1차원화하여 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 사용하여 산출된 혼합 가스의 온도 변화와 비교하여 판정해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는, 최종적으로 해석이 완료된 후에 중간 생성물의 농도 변화, 혼합 가스의 온도 변화 및 단일단계 반응 데이터에 포함되는 파라미터가 해석 결과로서 출력되었다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 최종적으로 해석이 완료되기 전의 각종 데이터(예를 들면, 판정공정에서 NG가 된 파라미터 및 이 파라미터에 기초한 중간 생성물의 농도 변화, 혼합 가스의 온도 변화 등)를 출력해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 혼합 가스의 온도 변화로부터 혼합 가스의 시뮬레이션 온도 분포가 산출되고, 실험 데이터로서 관(110)의 내부 유로(111)에서의 혼합 가스의 온도 분포가 취득되었다. 그리고 상기 시뮬레이션 온도 분포와 실험 데이터가 되는 온도 분포가 비교되어 시뮬레이션 데이터가 실험 데이터를 도출 가능한지가 판정되었다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 관(110)의 내부 유로(111)에서의 중간 생성물의 농도 변화로부터 농도 분포를 시뮬레이션 데이터로서 산출하고, 실험 데이터로서 관(110)의 내부 유로(111)에서의 중간 생성물의 농도 분포를 취득하고, 시뮬레이션 데이터로서 산출된 농도 분포와 실험 데이터가 되는 농도 분포를 비교하고, 이로써 시뮬레이션 데이터가 실험 데이터를 도출 가능한지를 판정해도 좋다.
아울러 중간 생성물의 농도는, 관(110)의 내부 유로(111)에서의 혼합 가스를 샘플링하거나 혹은 레이저 계측에 의한 측정을 함으로써 실험 데이터로서 취득할 수 있다. 또 농도 계측은 관(110)의 어느 위치에서 실시해도 좋다. 따라서 예를 들면 냉염과 열염이 발생할 경우 냉염과 열염의 중간 위치에서 농도 계측을 함으로써 냉염으로부터의 중간 생성물 농도만을 계측할 수도 있다.
또 상기 실시형태에서는, 마이크로 플로우 리액터(100)를 상온, 대기압의 환경에 배치하여 실험함으로써 실험 데이터가 취득되었다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 마이크로 플로우 리액터(100)를, 미지 연료가 사용되는 환경에 의해 가까이 하여 실험해도 좋다. 그 결과 실제로 사용되는 환경에서의 미지 연료의 옥탄가를 보다 정확하게 결정할 수 있다.
또 상기 실시형태에서는, 표준 연료의 연소 반응에 대한 풀케미스트리 해석은 이소옥탄100%인 경우와 노말헵탄100%인 경우에 대해서만 행해졌다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 이소옥탄과 노말헵탄이 혼합된 표준 연료의 연소 반응에 대한 풀케미스트리 해석을 해도 좋다.
단, 이 경우에는 마이크로 플로우 리액터(100)에서 풀케미스트리 해석 대상이 되는 표준 연료를 사용한 실험을 할 필요가 있다.
또 상기 실시형태에서는 계산 부하를 줄이기 위해 공간 0차원에서 시간 1차원의 방정식을 사용하여 계산이 이루어졌다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 계산 시간이 허용되는 것이라면 다른 방정식을 사용하여 계산을 할 수도 있다. 예를 들면 공간 삼차원으로 시간 1차원의 방정식을 사용하여 계산해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 미지 연료의 물성으로서 옥탄가가 결정되었다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 미지 연료의 물성으로서 세탄가를 결정하는 경우에 적용해도 좋다. 이 경우에는 상기 실시형태의 옥탄가를 세탄가에 그대로 적용함으로써 실시할 수 있다.
또 상기 실시형태에서는 마이크로 플로우 리액터에서 화염이 진동하지 않고 안정된 상태에서 실험 데이터가 취득되었다. 또 시뮬레이션에서도 화염이 진동하지 않는 조건을 설정하여 계산이 이루어졌다.
그러나 동일 조건에서 실험 및 시뮬레이션을 행함으로써 미지 연료의 물성을 결정할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 반드시 마이크로 플로우 리액터에서 화염이 진동하지 않고 안정된 상태에서 실험 데이터를 취득할 필요는 없다. 또 본 발명에서는 시뮬레이션에서도 화염이 진동하지 않는 조건을 설정하여 계산을 할 필요는 없다.
즉, 본 발명에서는 마이크로 플로우 리액터에서 화염이 진동하는 상태에서 실험 데이터를 취득해도 좋다. 또 본 발명에서는 시뮬레이션에서도 화염이 진동하는 조건을 설정하여 계산해도 좋다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명에 의하면, 보다 용이하게 연료의 물성(옥탄가)을 결정할 수 있다.
A1,A2……연료 물성 해석장치
1……실험 데이터 기억부(실험 데이터 기억수단)
2…… 단일단계 반응 데이터 기억부(단일단계 반응 데이터 기억수단)
3……연산 데이터 기억부(연산 데이터 기억수단)
4……산출부(산출수단)
5……판정부(판정수단)
6……파라미터 조정부(파라미터 조정수단)
7……제어부(제어수단)
8……옥탄가 결정부(물성 결정수단)
14……옥탄가 결정 프로그램

Claims (12)

  1. 연료의 물성을 결정하는 연료 물성 결정방법으로서,
    상기 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료 단일단계 반응으로서 상기 단일단계 반응의 해석결과를 취득하는 반응 메카니즘 해석공정,
    상기 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 연료의 연소 특성을 산출함과 동시에 해당 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 연료의 물성을 결정하는 물성 결정공정을 갖고,
    상기 반응 메카니즘 해석공정에서,
    상기 화학 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식 및 해당 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 가진 단일단계 반응 데이터, 및 해당 단일단계 반응 데이터로부터 시뮬레이션 데이터를 산출하기 위한 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 가진 연산 데이터를 사용하여 시뮬레이션 데이터를 산출하는 산출공정,
    상기 시뮬레이션 데이터가, 실험에 의해 얻어진 상기 화학 반응시의 공간 1차원의 온도 분포를 가진 실험 데이터를 도출 가능한지를 판정하는 판정공정,
    상기 단일단계 반응 데이터에 포함되는 상기 파라미터를 조정 가능한 파라미터 조정공정을 행하고,
    상기 판정공정에서 상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출 가능하다고 판정될 때까지 상기 파라미터 조정공정 및 조정 후의 상기 파라미터를 사용한 상기 산출공정을 반복하여 수행하는 연료 물성 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료의 물성이 옥탄가이고, 상기 물성 결정공정이 상기 연료의 옥탄가를 결정하는 옥탄가 결정공정인 연료 물성 결정방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 옥탄가 결정공정에서, 상기 연료의 연소 특성과 사전에 조성이 규정된 표준 연료의 연소 특성을 비교하여 상기 옥탄가를 결정하는 연료 물성 결정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반응 메카니즘 해석공정에서, 상기 표준 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 표준 연료 단일단계 반응으로서 취득하고,
    상기 옥탄가 결정공정에서, 상기 표준 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 표준 연료의 연소 특성을 산출하는 연료 물성 결정방법.
  6. 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 옥탄가 결정공정에서, 상기 연료의 연소 특성 중 하나인, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 발열량, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염의 발열량과 열염의 발열량의 비, 그리고 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 옥탄가를 결정하는 연료 물성 결정방법.
  7. 연료의 물성을 결정하는 연료 물성 결정장치로서,
    상기 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 연료 단일단계 반응으로서 상기 단일단계 반응의 해석결과를 취득하는 반응 메카니즘 해석수단,
    상기 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 연료의 연소 특성을 산출함과 동시에 해당 연료의 연소 특성에 기초하여 상기 연료의 물성을 결정하는 물성 결정수단을 구비하고,
    상기 반응 메카니즘 해석수단은,
    실험에 의해 얻어진 상기 화학 반응시의 공간 1차원의 온도 분포를 실험 데이터로서 기억하는 실험 데이터 기억수단,
    상기 화학 반응을 기술하는 여러 개의 단일단계 반응식 및 해당 단일단계 반응식에 관련된 파라미터를 단일단계 반응 데이터로서 기억하는 단일단계 반응 데이터 기억수단,
    상기 단일단계 반응 데이터로부터 시뮬레이션 데이터를 산출하기 위한 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 연산 데이터로서 기억하는 연산 데이터 기억수단,
    상기 단일단계 반응 데이터 및 상기 공간 0차원에서 시간 1차원화된 방정식을 사용하여 상기 시뮬레이션 데이터를 산출하는 산출수단,
    상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출 가능한지를 판정하는 판정수단,
    상기 단일단계 반응 데이터에 포함되는 상기 파라미터를 조정 가능한 파라미터 조정수단,
    상기 판정수단에서 상기 시뮬레이션 데이터가 상기 실험 데이터를 도출 가능하다고 판정될 때까지 상기 파라미터 조정수단에 의한 상기 파라미터의 조정 및 조정 후의 상기 파라미터를 사용한 상기 산출수단에 의한 상기 시뮬레이션 데이터의 산출을 반복하여 실행시키는 제어수단을 구비한 연료 물성 결정장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료의 물성이 옥탄가이고, 상기 물성 결정수단이 상기 연료의 옥탄가를 결정하는 옥탄가 결정수단인 연료 물성 결정장치.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 옥탄가 결정수단은, 상기 연료의 연소 특성과, 사전에 조성이 규정된 표준 연료의 연소 특성을 비교하여 상기 옥탄가를 결정하는 연료 물성 결정장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반응 메카니즘 해석수단이, 상기 표준 연료를 구성하는 물질을 포함한 여러 종류의 초기 물질끼리의 화학 반응을 구성하는 단일단계 반응을 해석하여 표준 연료 단일단계 반응으로서 취득하고,
    상기 옥탄가 결정수단이, 상기 표준 연료 단일단계 반응에 기초하여 시뮬레이션을 행함으로써 상기 표준 연료의 연소 특성을 산출하는 연료 물성 결정장치.
  12. 제8항, 제10항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 옥탄가 결정수단은, 상기 연료의 연소 특성 중 하나인, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 발열량, 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염의 발열량과 열염의 발열량의 비, 그리고 상기 연료를 연소시켰을 때에 발생하는 냉염 및 열염의 착화 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 옥탄가를 결정하는 연료 물성 결정장치.
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