A Study on the Injection Characteristics of Diesel-water Emulsion Fuels according to Compositions

(1)

디젤-워터 에멀젼 연료의 조성에 따른 분무 특성에 관한 연구

우 승 철․김 형 익․박 장 수․이 기 형^*

한양대학교 기계공학과

A Study on the Injection Characteristics of Diesel-water Emulsion Fuels according to Compositions

Seungchul Woo․Hyungik Kim․Jangsoo Park․Kihyung Lee^*

Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 426-791, Korea (Received 22 August 2014 / Revised 17 December 2014 / Accepted 22 December 2014)

Abstract : Using Diesel-Water Emulsion fuel in commercial diesel engine can reduce NOx and soot when it is injected through the injector. Because water in Diesel-Water Emulsion fuel is vaporized ahead of diesel particle and it cause decrease of combustion temperature. Furthermore, research about the possibility of applicating Diesel-Water Emulsion fuels to commercial diesel engine is demanded in order to prove that Diesel-Water Emulsion fuel is able to apply commercial diesel engine without any replacement of equipments. This research analyzed applicable possibility of Diesel-Water Emulsion fuels to commercial diesel engine’s fuel injection system refering injection and spray characteristics. In this research, there are 3 experiments, that is injection quantity, spray visualization, and injection rate.

Diesel-Water Emulsion fuel has less injection quantities compared to diesel fuel, and spray penetration length is more longer than diesel. Furthermore, emulsion fuels have less dispersed than diesel fuel. In conclusion, comparing with diesel fuel with only spray characteristics, Diesel-Water Emulsion fuel has bad effects about dispersion and vaporization.

Key words : DWE(디젤 워터 에멀젼), Injection duration(분사기간), Injection quantity(분사량), Spray penetration length(분무 도달 거리), Injection rate(분사율)

1. 서 론¹⁾

전 세계적으로 온실가스에 대한 문제가 대두되고 있으며 자동차업계 또한 강력한 자동차 배기가스 규제에 대응하기 위한 기술이 필요 시 되고 있다. 이 에 따라서 유한한 화석 연료를 대신할 수 있고 배기 가스 저감에 효율적인 대체연료에 대한 연구가 활 성화되고 있다.

자동차 내연기관 중 디젤엔진은 연비가 좋고 낮 은 회전수에서도 높은 토크를 낼 수 있어 운송용 트 럭, 플랜트 등 여러 분야에서 사용되고 있지만, NOx (질소산화물) 및 Soot(미연탄소미립자)의 높은 배출

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

량으로 인하여 배기 배출물 저감에 대한 연구가 가 장 많이 활성화되고 있다. 대표적인 저감 기술로는 고압 연료 분사 및 다단 연료 분사 시스템, EGR (Exhaust Gas Recirculation), LNT(Lean NOx Trap), DPF(Diesel Particle Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등의 기술과 바이오 매스 에너지, DME (Dimethyl Ether), 디젤 워터 에멀젼 등의 대체 연료 기술이 있다. 대체 연료기술은 연료의 점도와 부식 성질, 연소 특성을 감안하여 기존 디젤엔진 시스템 에 적용시키기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.^1-3) 대체연료 기술 중 에멀젼 연료는 잘 혼합되지 않 는 두 가지의 액체에 계면활성제(Surfactant)를 첨가 하여, 원하는 비율로 한 종류의 액체가 다른 액체 내

(2)

우승철․김형익․박장수․이기형

에 존재하고 있는 상태를 말한다. 물과 연료를 에멀 젼 연료로 제작 시, 크게 연료 내에 물이 존재하는 유중수적형(O/W : Oil in water)과 물 내에 연료가 존 재하는 수중유적형(W/O : Water in oil)로 나뉜다.

유중수적형의 디젤 워터 에멀젼 연료는 인젝터를 통해 실린더 내로 분사 시 물과 연료의 끓는점 차이 로 인하여 물 입자들이 먼저 증발하면서 미소폭발 이 발생한다. 평상시 대기 조건에서 물의 끓는점은 100˚C, 그리고 디젤 연료의 끓는점은 160 ~ 400˚C로 서 포함 성분에 따라서 범위가 넓다. 연료가 분사될 시 실린더 내 압력이 30bar로 가정한다면, 물의 끓는 점은 약 135˚C이고, 어떤 분위기 조건에서도 디젤 연료보다 물이 먼저 증발하게 된다. 물이 미소폭발 을 하게 되면 물 입자들을 감싸고 있던 연료들이 잘 게 나뉘게 되고, 최종적으로 연료의 미립화를 촉진 시키게 된다.⁴⁾ 이렇듯 미립화가 촉진되면 연소 개선 효과로 인하여 Soot을 저감시킬 수 있다. 그리고 물 이 기화된 후 물의 높은 증발잠열로 인하여 연소실 내 열에너지를 흡수하게 되고, 연소 온도를 낮추는 효과를 얻을 수 있어 NOx를 저감하는 효과를 꾀할 수 있다.^5,6) 또한 기존 디젤엔진에 별도의 추가 장치 가 필요 없이 적용할 수 있기 때문에 디젤엔진의 적 용성에 대하여 초점이 맞춰지고 있다. 하지만 저부 하 조건에서는 THC나 CO와 같은, 주로 불완전 연소 로 인하여 발생되는 배기배출물이 기존 디젤 연료 보다 많이 발생하고, 고부하 조건으로 올라갈수록 기존 디젤 연료와 비슷한 양을 배출⁷⁾하는데, 이는 저부하 조건에서 상대적으로 낮은 분위기 온도 및 압력으로 인하여 연료 내 물 입자의 증발이 늦어지 는 것이라 판단할 수 있다. 즉, 에멀젼 연료의 분무 특성 자체만으로 비교하였을 때 디젤 연료의 미립 화 및 증발 특성이 더 좋지 않을 것이라는 가능성을 제기할 수 있다.

본 연구에서는 세라믹 멤브레인을 이용하여 유중 수적형 디젤 워터 에멀젼 연료를 제작하고 기존 디 젤엔진의 연료 분사 시스템에 적용했을 때 나타나 는 분무 특성을 파악하였다. 또한 디젤 연료의 분무 특성과의 차이점을 분석하고, 에멀젼 연료의 적용 가능성을 분석하였다. 실험은 분사량, 분무가시화, 분사율 실험을 진행하고 결과를 분석하였다.

2. 실험 장치 및 방법 2.1 에멀젼 연료의 조성 선정

에멀젼 연료를 제작하는 방법은 여러 가지가 있 지만 본 연구에서는 다공성 세라믹 멤브레인을 이 용하여 제작하였다. 세라믹막을 이용한 제조법은 물과 연료를 세라믹막에 투과시켜, 다른 제조법보 다 간편하다는 장점이 있다. Fig. 1은 멤브레인을 이 용한 에멀젼 연료의 제조 원리이다.

Table 1은 계면활성제의 종류에 따른 물과 연료 의 질량 조성비 및 밀도, 그리고 동점도를 나타내었 다. 계면활성제는 총 2종인 S1, S2를 사용했고 물과 연료의 조성비를 달리하여 계면활성제 별로 4가지 의 에멀젼 연료를 제작하였다. 제작한 총 8가지의 에멀젼 연료를 입도 분석기를 이용하여 입경을 측 정하였으며, 각 계면활성제의 종류별로 입경이 작 은 2가지의 에멀젼 연료를 선정하여 분무 특성 실 험에 사용하였다. 총 4종의 연료의 물성치를 살펴 보면, 연료의 함수량이 높을수록 높은 밀도()를 나 타내었고, S1의 계면활성제가 포함되었을 때보다 S2의 계면활성제가 포함된 연료의 동점도()가 더 높았다. 이렇게 선정된 총 4종의 에멀젼 연료들과 디젤 연료와의 분무 특성의 차이점을 파악하기 위 한 실험으로 분사량, 분무가시화, 분사율 실험으로 진행하였다.

Fig. 1 Fundamental of manufacturing DWE using membrane

Table 1 Compositions and properties of DWE (wt%) Fuels Diesel Water S1 S2 ^

(kg/m³)

 (mm²/s)

DE_10_2% 88% 10% 2% 836.9 2.693

DE_20_2% 78% 20% 2% 847.9 2.86

DE_20_1% 89% 10% 1% 838.2 3.074

DE_20_2% 78% 20% 2% 854.3 4.183

(3)

2.2 에멀젼 연료의 분사량 실험

Fig. 2는 분사량 실험 장치의 개략도이다. 고압 펌 프의 구동은 출력 5.5kW 모터를 사용하였으며, 커 먼레일과 인젝터, 고압 펌프로 구성되어진다. 연료 의 분사는 pulse generator에서 발생시킨 신호가 인 젝터 드라이버로 입력되어 분사된다.

Table 2는 실험 조건을 나타내었다. 레일압력 400bar부터 1200bar까지 200bar단위로, 분사기간은 0.2ms부터 1.2ms까지 0.1ms단위로 단분사하여 측정 하였으며, 각 실험 조건별 200회의 분사를 수행하여 평균을 내었다. 연료의 분사량은 인젝터와 밀폐된 용기를 연결하여 측정하였다.

Fig. 2 Schematic of injection quantity experiment system Table 2 Experimental conditions

Injection quantity

Rail pressure (bar) 400, 600, 800, 1000, 1200 Injection duration (msec) 0.2 ~ 1.2 (step-size 0.1)

Spray visualization

Rail pressure (bar) 800, 1000, 1200 Injection quantity (mm³) 20

Ambient pressure (bar) 40

Ambient temperature (˚C) 25 Injection rate

Rail pressure (bar) 400, 600, 800, 1000, 1200 Injection duration (msec) 0.2 ~ 0.8 (step-size 0.1)

2.3 에멀젼 연료의 분무가시화 실험

Fig. 3은 분무가시화 실험 장치의 개략도이다. 그 림과 같이 실제 엔진 연소실의 압력을 모사하기 위

Fig. 3 Schematic of spray visualization experiment system

하여 고압 챔버와 분무영상 취득을 위한 고속카메 라, 제논 광원으로 구성되어진다, 고압 챔버는 연료 의 착화를 방지하기 위하여 불활성 가스인 질소를 사용하여 가압하였다. 분무가시화는 고압 챔버 측 면에 장착되어 있는 강화석영을 통해 연속광원인 제논등과 고속 카메라를 사용하여 촬영하였다.

분무가시화의 실험 조건은 레일압력 800bar, 1000bar, 1200bar에서 진행한 분사량 실험 결과를 토 대로 동일한 분사량 20mm³을 갖는 분사기간을 산출 하여 단분사 실험을 진행하였다. 고압 챔버의 압력 은 연소실내 압력을 모사하기 위하여 40bar로 유지 하였고, 연소실 온도는 상온 조건인 25˚C를 유지하 였다.

2.4 에멀젼 연료의 분사율 측정 실험 본 연구에서는 분사율 측정 방법 중 하나인 Zeuch 법을 사용하여 측정하였다. Zeuch법은 밀폐된 챔버 내에 인젝터가 연료를 분사하여 얻는 압력 변화율 로부터 분사율을 측정할 수 있는 방법이다. 여기서

_는 연료의 밀도이고, V는 체적, K는 연료의 체적 탄성 계수이다. 식 (1), (2), (3)에서와 같이, 챔버 내 압력변화율과 여러 상수들을 통하여 분사율을 도출 할 수 있다. 또한 분사가 시작되는 시간과 끝나는 시 간에 대하여 압력 변화율을 적분하여 상수들을 곱 하면, 인젝터에서의 1회 분사량을 역산할 수 있다.

Fig. 4는 분사율 실험 장치의 개략도이다.



 _⋅ 

⋅ 

≈_{⋅ }



 (1)

(4)

Seungchul Woo․Hyungik Kim․Jangsoo Park․Kihyung Lee

Fig. 5 Experimental results of injection quantity Fig. 4 Schematic of injection rate experiment system

 ≈⋅



_^^^_^ ⁽²⁾

 _⋅



 (3)

분사율 실험의 조건은 레일압력 400bar부터 1200bar까지 200bar단위로, 분사기간은 0.2ms부터 0.8ms까지 0.1ms단위로 측정하였으며, 각 실험조건 별로 200회 실험하여 평균값을 도출하였다. Table 2 는 분사량, 분무가시화, 분사율 실험 조건들을 나타 낸 표이다.

3. 실험 결과

3.1 에멀젼 연료의 분사량 실험 결과 Fig. 5는 에멀젼 연료와 디젤 연료간 분사량을 나 타낸 그래프이다. 동일한 계면활성제를 사용한 에 멀젼 연료들을 비교하였을 때, 함수율이 높은 연료 일수록 동일 조건에서 분사하는 분사량이 더 적은 것을 확인할 수 있었으며, 제작된 연료 4종을 모두 비교하였을 때, 동점도가 높은 연료일수록 동일한

(5)

A Study on the Injection Characteristics of Diesel-water Emulsion Fuels according to Compositions

조건에서의 분사량이 적어지는 것을 확인할 수 있 었다. 디젤 연료와의 분사량 차이가 가장 큰 S2 계면 활성제를 살펴보면, 디젤 연료보다 평균 12.8% 정도 의 분사량이 적게 분사되는 것을 확인할 수 있었다.

이는 연료의 물성치 중 하나인 동점도가 인젝터 내 부 유동 측면에서 마찰을 일으켜, 결과적으로 분사 를 덜 하게 영향을 끼친다고 판단할 수 있다. 위의 결과들을 통하여, 계면활성제의 선택이 에멀젼 연 료의 제작 시 매우 중요하며, 동점도가 낮은 계면활 성제가 포함된 에멀젼 연료는 함수율을 유지하면서 낮은 동점도를 유지할 수 있기 때문에 디젤과 유사 한 분무특성을 가질 것으로 판단된다.

3.2 에멀젼 연료의 분무가시화 실험 결과 분무가시화 실험은 분사량 실험 결과를 토대로 레일압력 800, 1000, 1200bar 조건에서 동일한 분사 량 20mm³을 갖는 분사기간을 추출하여 진행하였다.

각 연료들의 분사기간을 Table 3에 나타내었다.

Table 4는 각 연료별 분무 영상을 RMS(Root Mean Square) 평균 이미지 처리한 그림이다. RMS 이미지 처리방법은 분무의 시작부터 마지막까지의 전체 기 간 동안 입자의 분포를 평균적으로 측정할 수 있는 방법으로써, 실린더 내 분무 기간 동안 분포 대비를 제시하여 분무면적과 분무 분포도를 쉽게 확인할 수 있는 방법이다.⁸⁾ 밀집도는 파란색부터 빨간색까 지 0에서 255단계까지 나뉘어서 색이 표현된다.

Table 4에서와 같이, 동일한 계면활성제의 경우 함 수율이 높은 연료일수록 연료의 분무 밀집도가 더 높고, 모든 조건에서 계면활성제 2(Surfactant 2)를 첨가하여 제작한 연료의 분무 밀집이 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 상온조건이라는 점도 영향이 있으나, 표면장력이 높은 물이 함유되어 있기 때문에 분자

Table 3 Injection durations injecting 20mm³ in each fuels (단위 : msec) Rail_pressure (bar)

Fuels 800 1000 1200

Diesel 0.549 0.488 0.450

Surfactant 1 DE_10_2% 0.567 0.499 0.462 DE_20_2% 0.574 0.503 0.467 Surfactant 2 DE_20_1% 0.577 0.507 0.474 DE_20_2% 0.596 0.521 0.485

Table 4 RMS images of diesel and emulsion fuels Diesel

800bar 1000bar 1200bar

Area using fixel number (mm²)

506.1581 561.5156 770.8456

DE_W10%_2% (Surfactant 1)

457.1531 268.9225 559.9225

820.985 1320.2 1507

685.6919 1426.4 1460

895.0219 1242.2 1836.5

(6)

우승철․김형익․박장수․이기형

Fig. 6 Mean spray penetration length of diesel and emulsion fuels

들이 서로 밀집하려는 경향이 상대적으로 더 크기 때문이라 판단된다.

이에 대한 정량적인 근거로, Table 4에 특정 기준 을 만족하는 빨간색 부분의 픽셀 수를 면적으로 환 산하여 나타내었다. 빨간색 부분의 면적이 많다는 것은 그만큼 밀집도가 많다는 것이기 때문에 분무

후 밀집도에 대한 정량적인 판단 기준이 될 수 있다.

픽셀은 0에서 255까지 나뉘어지는, 파란색부터 빨 간색의 단계에서 200 이상인 픽셀들을 대상으로 필 터링을 진행하였고, 픽셀 하나당 면적을 0.275mm² 으로 선정하여 면적을 구하였다. 구한 면적들 또한 동일한 계면활성제의 경우 함수율이 높은 연료일수 록 면적이 높은 것을 확인할 수 있었고, 계면활성제 2가 첨가된 연료의 면적이 큰 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 레일압력에 따른 분무 도달 거리를 나타 낸 그래프이다. 그래프에서와 같이 레일압력이 증 가할수록 모든 연료들의 분무 도달 거리가 길어지 는 것을 알 수 있고, 디젤 연료의 분무 도달 거리보 다 에멀젼 연료의 분무 도달 거리가 더 길게 나타나 는 것을 확인할 수 있다. 가장 분무길이가 높게 나타 난 에멀젼 연료와 디젤 연료와의 차이를 살펴 보면, 분사 후 3000μs일 때 레일압력 800bar 조건에서 41.7%, 1000bar 조건에서 22.4%, 그리고 1200bar 조 건에서 24.7%의 분무 길이 감소를 나타내었다. 이는 에멀젼 연료의 높은 동점도가 분무 후 연료가 흩어 지면서 확산되려는 경향성을 방해하면서 연료들이 뭉친 상태를 유지하면서 진행하기 때문에 분무 길 이가 길어지는 것이라 판단된다. 또한 분무가시화 실험 조건에서는 분위기 온도조건이 25˚C인 상온 조건이므로 물 입자들의 기화가 일어나지 않기 때 문에 상대적으로 높은 밀도와 큰 관성을 가진 에멀 젼 연료가 결론적으로 연료가 뭉친 상태로 유지되 어 분무 도달 거리가 더 길어지는 것으로 사료된다.

3.3 에멀젼 연료의 분사율 실험 결과 Fig. 7은 레일압력 1000bar 조건에서 각 연료별로 진행한 분사율 실험에 대한 그래프이다. 디젤 연료 와 에멀젼 연료 4종 모두 비슷한 경향성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8은 레일압력 1200bar, 분사기간 0.6ms의 조 건에서 5가지 연료들의 분사율을 표시해 놓은 그래 프이다. 연료의 분사가 시작되는 구간을 확대해보 면, 동점도가 가장 높은 Surfactant 2_DE_W20%_2%

의 연료가 0.005ms 분사 지연이 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 이 기간을 크랭크각으로 환산할 경우, 1000rpm일 때 0.03°, 2000rpm일 때는 0.06°이므로 함

(7)

Fig. 7 Injection rate of diesel & emulsion fuels at 1000bar of rail pressure

Fig. 8 Injection delay at rail pressure 1200bar / injection duration 0.6ms

수량 20% 이하의 에멀젼 연료 사용시 연료의 동점 도는 분사 지연에 거의 영향을 끼치지 않는 것으로 판단할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 디젤 워터 에멀젼 연료의 기존 디 젤 엔진에 대한 적용 가능성을 판단하기 위하여 연

(8)

Seungchul Woo․Hyungik Kim․Jangsoo Park․Kihyung Lee

료의 분무 및 분사율 특성 실험을 진행하였고 디젤 연료와의 차이점을 분석하였다. 진행한 실험 결과 로부터 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1) 에멀젼 연료의 분사량 실험 결과, 동점도가 높은 에 멀젼 연료일수록 동일한 시간에서 디젤에 비하여 분사량이 감소하며, 연료에 포함된 함수율과 계면 활성제의 종류에 따라서 평균 12.8%까지 감소한다.

2) 에멀젼 연료의 분무가시화 실험 결과, 함수율이 높고 동점도가 높은 연료일수록 분무 후 거동만 을 파악하였을 때, 액적이 밀집된 형태로 계속 유 지되고 미립화가 잘 일어나지 않는다.

3) 디젤 연료와 에멀젼 연료 모두 레일 압력이 증가 하면 분무 도달 거리가 길어지는 것을 확인하였 고, 동일 조건에서 에멀젼 연료의 분무 도달 거리 는 디젤 연료의 분무 도달 거리보다 더 길어짐을 알 수 있었다. 연료의 종류에 따라서 디젤 연료 대 비 최대 41.7%의 분무 길이 증가가 발생하였다.

4) 에멀젼 연료의 분사율 실험 결과, 제시된 실험 조 건에서 디젤 연료와 에멀젼 연료 4종 모두 비슷한 경향성을 나타내었고, 레일 압력 1200bar, 분사기 간 0.6ms 의 실험 조건에서 계면활성제 2를 사용 한 DE_W20%_2%의 연료를 사용하였을 때 0.005ms의 분사지연이 발생했다.

이상과 같은 결과들은 디젤 워터 에멀젼 연료가 공급되고, 분사가 이루어진 후 연소가 시작하기 직 전까지의 기존 디젤엔진에 대한 적용 가능성을 판 단하는데 중요한 인자라고 판단된다. 디젤 연료와 의 분무 특성을 비교한 결과 오히려 디젤 연료보다 연료의 미립화나 확산 쪽에서 좋지 않은 것으로 판 단되었다. 추후 높은 분위기 온도 조건을 추가하여 실제 연료가 기화되면서 연소 되기 까지의 가시화 실험을 진행한다면, 에멀젼 연료의 미소 폭발이나 연소 시 연소 온도에 대한 변화가 배기배출물들의 특성 변화를 규명할 수 있을 것이라 판단된다. 또한 연료 분사 시스템을 그대로 적용함으로써 기존 디 젤엔진에 별다른 추가 장치 없이도 적용 하는데 무 리가 없을 것으로 기대된다.

후 기

본 연구는 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재

원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었고 지 원기관에 감사드립니다.

(No. NRF-2014R1A2A2A01005055)

References

1) T. Omori, A. Tanaka, K. Yamada and S.

Bunne, “Biodiesel Fuel Effects on Injection System and Establishment of the Evaluation Method,” SAE 2011-28-0057, 2011.

2) A. Bertola, R. Li and K. Boulouchos, “Influ- ence of Water-diesel Fuel Emulsions and EGR on Combustion and Exhaust Emissions of Heavy Duty DI-diesel Engines Equipped with Common-rail Injection System,” SAE 2003-01- 3146, 2003.

3) M. Y. E. Selim and M. T. Ghannam, “Perform- ance and Engine Roughness of a Diesel Engine Running on Stabilized Water Diesel Emulsion,”

ICE2007 of SAE Naples Section, 2007.

4) J. W. Park, K. Y. Huh and K. H. Park, “Experi- mental Study on the Combustion Characteristics of Emulsified Diesel in a RCEM,” Seoul FISITA World Automotive Congress, 2000.

5) J. K. Park, J. M. Oh, H. I. Kim, C. H. Lee and K. H. Lee, “Combustion Characteristics of MDO and MDO Emulsion in Automotive Diesel Engine,” Transactions of KSME, Vol.36, No.9, pp.945-951, 2012.

6) M. C. Kim and C. S. Lee, “It’s Effects for Engine Emission of Water/Oil Emulsified Fuel,” Ana- lytical Science & Technology, Vol.21, No.3, pp.159-166, 2008.

7) D. H. Han, J. H. Kang, M. C. Kim, K. B. Lee and H. H. Roh, “A Study on Emission Charac- teristics of MDO Emulsion Using the FT-IR Spectroscopy,” KSAE Spring Conference Proceedings, pp.554-559, 2013.

8) H. I. Kim, Y. J. Kim and K. H. Lee, “An Expe- rimental Study on the Spray, Combustion, and Emission Characteristics of Two Types of Biodiesel Fuel,” Energy & Fuels, Vol.27, Issue 9, pp.5182-5191, 2013.