Spray and Flame Characteristics of Waste Cooking Oil Biodiesel and Diesel in a Compression Ignition Diesel Engine Using In-cylinder Visualization

Copyright

2014 KSAE / 129-14 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 3, pp.105-113 (2014)

가시화 엔진을 이용한 직접 분사식 압축착화 디젤엔진에서 폐식용유 바이오디젤과 디젤의 분무 및 화염 특성 비교

황 준 식․배 충 식^*

한국과학기술원 기계공학과

Spray and Flame Characteristics of Waste Cooking Oil Biodiesel and Diesel in a Compression Ignition Diesel Engine Using In-cylinder Visualization

Joonsik Hwang․Choongsik Bae^*

Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea (Received 31 October 2013 / Revised 15 January 2014 / Accepted 17 January 2014)

Abstract : Spray and combustion process with waste cooking oil (WCO) biodiesel and commercial diesel were analyzed in an optically-accessible single-cylinder compression ignition diesel engine equipped with a high pressure common-rail injection system. Direct imaging method was applied to investigate spray and combustion characteristics.

From the mie-scattering results, it was verified that WCO biodiesel had a longer injection delay compared to diesel.

Spray tip penetration length of WCO biodiesel was longer and spray angle was narrower than those of diesel due to poor atomization characteristics. In terms of combustion, WCO biodiesel showed later start of combustion, while flame was vanished more rapidly. Analysis of flame luminosity showed that WCO biodiesel combustion had lower intensity and lasted for shorter duration.

Key words : Waste cooking oil(폐식용유), Biodiesel(바이오디젤), Emission(배기가스), Spray(분무), Combustion (연소), In-cylinder visualization(연소실내 가시화)

Nomenclature

i,j : pixel position



: flame radiation intensity at pixel position (i,j)

  : normalized flame luminosity for an image at a certain crank angle

   : partial differentiation in ^ direction

   : partial differentiation in  direction

 : total pixel number

*

A part of this paper was presented at the KSAE 2013 Annual Conference and Exhibition

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

Subscripts aTDC : after top dead center CAD : crank angle degree FNH : flame non-homogeneity FSF : flame spatial fluctuation HC : hydrocarbon

CO : carbon monoxide NO

: nitrogen oxide PM : particulate matter WCO : waste cooking oil

1. 서 론

최근 석유자원의 고갈 및 지구 온난화 등의 환경

황준식․배충식

문제로 인하여 열효율이 높은 압축착화엔진에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 더불어 압축착화엔진 에 적용할 수 있는 대체연료에 대해서도 많은 연구 가 진행 중인데 그 중 경유와 물성치가 매우 비슷한 바이오디젤이 압축착화엔진의 대체연료로써 큰 각 광을 받고 있다.

바이오디젤은 유채유, 대두유, 팜유, 코코넛유, 자 트로파 등과 같은 식물성 기름, 우지나 생선기름과 같은 동물성기름을 이용하여 알코올 및 촉매와 반 응시켜 제조하는 에스테르화 기름으로써 물성치가 디젤과 매우 비슷하여 기존의 디젤을 대체하거나 디젤에 섞어서 사용할 수 있다.

이러한 바이오디젤 은 재생가능한 자원에서 생산되므로 에너지 안보에 기여하며 분자 내에 산소를 포함하고 있으므로 엔 진에 적용되어 연소가 일어날 때 불완전연소로 인 해 발생되는 일산화탄소, 탄화수소, 입자상물질을 저감할 수 있다는 가능성이 있다.

따라서 현재 여 러 나라의 정부에서는 디젤에 바이오디젤을 혼합하 여 사용하는 것을 의무화하고 그 비율을 점차 늘려 가고 있는 추세이다. 또한, 바이오디젤 연료에 대해 서 소비세 면제 등 다양한 지원 정책을 마련하여 바 이오디젤의 보급화를 추진하고 있다. 하지만 바이 오디젤을 생산하기 위한 원료 원가의 지속적인 상 승으로 경제적 부담이 높아지고 있으며 식용 가능 한 자원을 사용한다는 윤리적 문제를 동반하고 있 다. 따라서 최근에는 아파트 단지나 대형 음식점 및 학교 등의 기관에서 사용한 후 대부분 버려지는 폐 식용유를 회수 및 정제하여 바이오디젤로 생산하는 사업이 세계적으로 활성화 되고 있다.

특히, 바이 오연료용 에너지작물에 대한 수입 의존도가 높은 우리나라 와 같은 경우에 폐식용유를 바이오디젤의 원료로 사용하는 것은 경제적, 환경적으로 큰 이득 을 줄 수 있을 것이다.

기존의 선행연구들을 살펴보면 대부분 유채유, 대두유, 그리고 팜유 등의 다양한 바이오디젤을 압 축착화 엔진에 적용하여 연소 및 배기 특성을 분석 한 연구가 활발히 진행되었다. 대부분의 연구 결과 로 일산화탄소, 탄화수소, 그리고 입자상물질의 배 출은 줄어들었으나 질소산화물은 증가한 것으로 나 타났다.

이에 따라 배기가스재순환(exhaust gas recir- culation ; EGR)을 적용하여 연소실 내부 온도를 떨

어뜨려 질소산화물의 배출을 줄이고자 한 연구가 진행되고 있다.

또한, 바이오디젤의 분무 특성을 살펴보기 위해 정적챔버(constant volume chamber) 에 연료를 분사 한 뒤 미립화 특성을 살펴보는 연구 가 진행 중에 있다. 하지만 이런 경우에 실제 엔진시 스템에 반영되는 여러 인자들이 고려되지 않으므로 실제 엔진 내에서 연료의 분무특성을 완벽히 재현 할 수 없기 때문에 가시화 엔진을 이용하여 분무 특 성을 살펴보는 연구가 필요한 실정이다. 더불어 화 염 가시화를 통해 배기 배출물의 생성 원인 규명과 분사 인자의 영향에 대한 연구가 부족하다. 따라서 본 연구에서는 최근에 각광을 받고 있는 폐식용유 를 원료로 한 바이오디젤을 이용하여 기본적인 성 능실험을 통해 디젤과 연소 및 배기 특성을 비교해 보았다. 또한, 가시화 엔진에서 분무 및 화염의 직접 가시화를 수행함으로써 실제 엔진의 실린더 내부 분위기 온도와 압력이 고려된 상황에서 두 연료의 분무 및 화염특성을 비교해 보고자 한다.

2. 실험 장치 및 실험 조건

본 실험에서 사용된 실험장치의 개략도 및 제원

을 Fig. 1과 Table1에 나타내었다. 엔진은 배기량 980

cc, 압축비 17.4인 단기통 직접분사식 디젤엔진을

사용하였다. 분사시스템은 분사압력을 최대 180

MPa 범위에서 조절할 수 있는 커먼레일 분사시스

템(Common-rail injection system)을 사용하였으며, 8

공, 분사각이 150°인 분사기를 사용하였다. 단기통

엔진을 구동하기 위해 동력계(DC dynamometer, 80

kW)를 크랭크 축에 연결하여 엔진 회전수를 제어하

였다. 엔진의 캠 축에 장착되어있는 엔코더(Autonics,

1800 pulses/revolution)의 신호를 통해 분사시기를

제어하였으며, 압력센서(KISTLER, 6052C)를 실린

더 내에 장착하여 총 100사이클 동안 매 0.2 CAD 마

다 연소실 내부 압력을 취득한 값을 평균값으로 열

방출율을 계산하였다. 배기가스 중 일산화탄소(CO),

탄화수소(HC), 질소산화물(NO

)는 배기가스 분석

장치(HORIBA MEXA 1500D)를 사용하여 분석하였

으며 입자상물질(PM)은 AVL Smoke Meter (415S)를

사용하여 분석하였다.

가시화 엔진을 이용한 직접 분사식 압축착화 디젤엔진에서 폐식용유 바이오디젤과 디젤의 분무 및 화염 특성 비교

(a)

(b)

Fig. 1 Schematic diagram for (a) engine performance (metallic engine) and (b) direct imaging (optical engine)

Table 1 Engine specification

Item Specification

No. of cylinder Single

Injection type Direct injection

Valve per cylinder 4

Bore X Stroke [mm] 100 × 125 Injection system Common-rail

Conpression ratio 17.4 : 1

Displacement [cc] 980

Fig. 1(b)를 보면 알 수 있듯이 엔진 내부 가시화를 위해 확장피스톤을 45° 거울과 함께 피스톤 쿼츠 (quartz) 아래 설치하였다. 연소실 내부에서 발달하 는 분무와 연소를 통한 자연 발광 화염을 고속 카메 라(FASTCAM SA 1.1)을 이용하여 취득하였고 이미 지는 512×512해상도에서 초당 20,000 프레임, 16μs의 셔터스피드로 취득하였다. 이는 엔진 회전수 800 rpm 조건에서 매 0.24 CAD마다 이미지가 획득 가능한

것을 의미한다.

2.2 실험 조건

본 실험에서 사용된 폐식용유 바이오디젤과 디젤 의 물성치를 Table 2에 나타내었다.

폐식용유 바이오디젤은 디젤에 비해 세탄가, 밀 도, 점도, 인화점이 높았으며 저위 발열량은 디젤의 약 90% 정도 수준이었다.

Table 3은 실험 조건을 보여준다. 엔진 회전 속도 는 전 운전 조건에서 800 rpm으로 고정되었다. 실험 중 연료 온도와 냉각수 온도는 각각 40°C, 80°C로 제 어되었다. 분사 압력은 80 MPa, 160 MPa이었으며 분 사 시기는 -5 CAD aTDC에서 실험이 수행되었다. 분무 가시화 실험에서 분사량은 디젤의 경우 20 mg/cycle, 폐식용유 바이오디젤의 경우 22.1 mg/cycle 이었으 며 성능 및 연소가시화 실험에서 분사량은 디젤의 경 우 40 mg/cycle (Air/fuel ratio=14), 폐식용유 바이오 디젤의 경우 44.3 mg/cycle (Air/fuel ratio = 12.73)로 엔진 내로 분사된 연료의 발열량을 일치시켰다.

Table 2 Properties of tested fuels

Item Diesel Biodiesel

Cetane number 50.9 51.3

Density (15°C) [kg/m³] 820 878 kinematic viscosity (40°C) [mm²/s] 2.187 4.4

Flash point [°C] 55.5 190

LHV [MJ/kg] 42.98 38.85

Sulfur [mg/kg] 3.93 1

Table 3 Experimental conditions

Condition Diesel Biodiesel

Engine speed 800 RPM

Injection pressure 80, 160 MPa Injection timing -5 CAD aTDC Injection quantity [mg/cycle] 20, 40 22.1, 44.3

Fuel temperature 40°C

Coolant temperature 80°C

3. 실험 결과

3.1 바이오디젤과 디젤의 연소 및 배기특성

Fig. 2는 두 연료의 연소특성을 보여준다. 결과를

살펴보면 폐식용유 바이오디젤이 세탄가가 높기 때

Joonsik Hwang․Choongsik Bae

Fig. 2 Comparison of in-cylinder pressure and heat release rate at different injection pressures

Fig. 3 Comparison of emission characteristics (CO, HC, PM, and NOx) at different injection pressures

문에 점화지연 기간이 더 짧을 것으로 예상이 되었 으나, 더 긴 점화지연 기간을 보였다. 이는 바이오디 젤의 높은 밀도와 점성으로 인하여 기화특성이 열 등하므로 분무의 미립화 수준이 디젤보다 낮게 되 어 결과적으로 연소가 일어나기 위한 혼합기 형성 과정이 더 길어졌기 때문이다.

연료를 고압으로 분 사한 경우 점화지연 기간이 짧아진 것을 확인 할 수 있는데 이는 높은 분사 압력으로 인하여 분무의 미 립화가 촉진되어 연소가 일어나기 위한 혼합기 형 성 시간이 줄어들었기 때문이다. 또한, 저압 분사를 한 경우 보다 상대적으로 연소실 내부의 균질한 공 기와 연료의 혼합기 분포를 가지게 되므로 예혼합 연소에서 발생하는 높은 열방출율을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 배기 배출물 결과를 보여준다. 연료 분사

압력에 관계없이 폐식용유 바이오디젤의 연소 결과 일산화탄소, 탄화수소, 그리고 입자상물질은 디젤 연소에 비해 적게 배출되었다. 이는 폐식용유 바이 오디젤 연료 분자 내에 포함되어있는 산소 성분으 로 연소실 내 농후한 지점이 줄어들었으며 이로 인 해 완전 연소가 촉진되어 나타난 결과라고 판단된 다.

또한, 디젤 연료보다 낮은 방향족(aromatics)과 황 성분을 포함하고 있으므로 입자상물질 생성의 배출이 줄어든 것으로 판단된다.

하지만, NO

는 폐 식용유 바이오디젤 연소의 결과 더 많은 양이 배출 되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 폐식용유 바이오디 젤의 산소성분으로 인해 연소 과정 중 질소와 반응 을 일으킬 확률이 높아졌고 적은 입자상물질의 배 출 특성으로 인하여 외부로 열을 배출할 수 있는 매 개체가 줄어들어 연소 과정 중에 연소실 내부 온도 가 높아지게 되기 때문이다.

높은 분사압력으로 연료를 분사 하였을 경우 분 무의 미립화 특성이 향상되어 비교적 균질한 혼합 기 분포를 가지게 되기 때문에 완전연소가 촉진되 기 때문에 일산화탄소, 탄화수소, 그리고 입자상 물 질의 배출은 줄었으나 예혼합 연소의 비중이 늘어 나게 되어 실린더 내부의 높은 압력과 온도가 동반 되어 질소산화물의 배출은 증가 하였다.

3.2 바이오디젤과 디젤의 분무 가시화

Fig. 4는 연소실 내부에서 폐식용유와 디젤연료 의 분무 발달을 고속카메라를 이용하여 촬영된 이 미지를 보여준다. 이미지를 살펴보면 디젤의 분사 시작이 폐식용유 바이오디젤의 분사 시작 보다 이 른 것을 확인할 수 있다. 이는 폐식용유 바이오디젤 의 높은 점성으로 인하여 인젝터 니들(needle)에 더 큰 마찰력이 가해지게 되므로 구동에 있어서 반응 이 더 늦은 것으로 판단된다.

Fig. 5는 거시적 분무 특성을 정량적 측정한분무

도달거리와 분무각을 나타낸다. 각 시점에서 취득

한 다섯 장의 이미지에서 분무도달거리와 분무각의

평균 값을 취득하여 표기하였으며, 이 과정은 분사

기 노즐 홀의 각각에 대하여 수행되었다. 결과를 살

펴보면 연료의 분사압이 증가하였을 때 분무 발달

이 빠르게 진행되었으며 분무도달거리가 증가함을

Spray and Flame Characteristics of Waste Cooking Oil Biodiesel and Diesel in a Compression Ignition Diesel Engine Using In-cylinder Visualization

(a)

(b)

Fig. 4 Macroscopic spray development process according to time after start of injection command ((a)-Pinj : 80 MPa, (b)-Pinj :160 MPa)

(a) (b)

Fig. 5 Comparison of (a) spray tip penetration length and (b) spray angle for fuel type under different injection pressures

확인할 수 있다. 연료에 따른 분무도달거리의 경향 을 살펴보면 분무가 발달함에 따라 바이오디젤의 분무도달거리가 디젤보다 더 길어짐을 확인할 수 있다. 이는 폐식용유 바이오디젤의 높은 밀도, 점성, 표면장력, 증발 온도로 인해 휘발성이 낮기 때문에 분무의 미립화 측면에서 열등하기 때문이다.

분무각의 결과를 살펴보면 분사 압력이 높은 경

우에 두 연료 모두 분무각이 낮은 분사 압력으로 분

사 했을 때 보다 큰 것을 확인 할 수 있다. 이는 분사

압력이 높을수록 분사기 노즐 홀 출구 근처에서 발

생하는 분무와 주변 공기와의 전단층의 불안정성이

커지게 되므로 와류가 증가하여 분무의 반경방향으

황준식․배충식

로 확산이 촉진되어 연료의 분무 내부로 주변 공기 의 유입율이 높아져서 공기와의 혼합 특성이 향상 되기 때문이다.

연료 별 분무각의 차이를 살펴보 면 폐식용유 바이오디젤의 분무각이 디젤의 경우보 다 더 좁은 것을 알 수 있다. 이는 유체의 유동 특성 을 잘 보여주는 무차원 수인 레이놀즈 수(Reynolds number)와 웨버수(weber number)로 설명할 수 있다.

레이놀즈 수와 웨버수는 다음과 같은 식으로 표현 된다.

   

 

    

 (1)

   





 (2)

( 

: fuel density,  : mean injection velocity, 

: nozzle diameter, ^ : absolute viscosity, ^ : kinematic viscosity,  surface tension)

식 (2)와 (3)을 이용하여 계산해 보면 폐식용유 바 이오디젤의 경우 레이놀즈 수가 29.7

, 웨버수가 38.9

가 되고 디젤의 경우 레이놀즈 수가 59.5

, 웨버수가 52.7

이 됨을 알 수 있다. 이 때, 기존 연 구에서 수행된 분무 계산 결과를 통해 바이오디젤 의 분사 속도가 더 늦은 것을 적용해 보면 폐식용유 바이오디젤의 레이놀즈 수와 웨버수가 디젤의 약 50% 정도가 됨을 알 수 있다.

따라서, 레이놀즈 수 가 작은 폐식용유 바이오디젤의 분무에서 불안정성 이 작음으로 와류에 의한 분무의 반경 방향으로의 확산이 적기 때문에 좁은 분무각을 갖게 되는 것이 다. 또한, 작은 웨버 수를 통해 폐식용유 바이오디젤 분무 입자의 직경이 더 큰 것을 예측해 볼 수 있다.

3.3 바이오디젤과 디젤의 연소 가시화

Fig. 6은 분사압 80 MPa 조건에서 고속카메라를 이용하여 촬영된 자연 발광 화염 이미지를 나타낸 다. Fig. 6의 왼쪽에 위치한 컬러바는 이미지의 화염 강도를 나타낸다. Fig. 6의 중앙에 위치한 그래프는 취득된 이미지들의 화염 강도를 연소의 진행에 따 라 각 픽셀 별로 정규화(normalize)하여 나타낸 결과 와 화염 강도의 변화율을 나타낸다. 화염 강도는 화 염 영역 전체에 대한 평균값을 구하였고, 최대 화염 강도를 1로 설정하였다. 아래의 식은 정규화된 화염

Fig. 6 Normalized flame luminosity and flame luminosity variation rate with natural flame luminosity images of WCO biodiesel and diesel at injection pressure of 80 MPa

강도의 계산식을 나타낸다.

  _{ }











(3) (

: 픽셀의 좌표 (i,j)에서의 화염강도,  : 총 픽셀 개수)

이미지를 살펴보면, 디젤의 화염 이미지가 더 이

른 시기에 확인이 되는 것을 알 수 있는데 이는 성능

실험에서 얻은 폐식용유 바이오디젤의 긴 점화지연

을 시각적으로 확인해 주는 바이다. 디젤은 4.8 CAD

aTDC, 폐식용유 바이오디젤은 7.9 CAD aTDC 시점

에서 강한 화염 강도를 가지는 확산화염이 발생하

며 이 시점 이후부터는 화염 강도가 감소하기 시작

하였으며 실린더 벽면 쪽으로 화염이 이동함을 알

수 있다. 이러한 현상은 연료 분사 종류 후, 분무의

모멘텀이 감소함에도 불구하고 분사기 근처에서 많

은 주변 공기가 유입되기 때문인 것으로 판단된

다.

즉, 화염이 단순히 기존에 가지고 있던 모멘텀

에 의해 실린더 벽면으로 이동하는 것이 아니라 분

사기 부근으로의 충분한 공기 유입으로 인해 확산

화염이 산화되어 발생하는 것이다. 연료 별 화염 강

도를 비교해 보면, 폐식용유 바이오디젤의 화염 강

도가 디젤보다 낮은 수준임을 알 수 있다. 이는 폐식

가시화 엔진을 이용한 직접 분사식 압축착화 디젤엔진에서 폐식용유 바이오디젤과 디젤의 분무 및 화염 특성 비교

용유 바이오디젤의 연소에서 연소실 내 혼합기의 산소 농도가 디젤의 경우보다 균일하여 국부적으로 농후한 영역에서의 확산 연소가 줄어들어 입자상물 질의 배출이 적기 때문으로 판단된다. 또한, 폐식용 유 바이오디젤 연소 시 발생하는 화염의 가시 기간 이 짧고 화염 강도 변화율이 작은 것으로부터 디젤 의 경우에서 확산 연소가 더 강하게 일어난 것을 알 수 있다. 연소 후기 과정을 살펴보면, 폐식용유 바이 오디젤의 화염 강도의 감소율이 디젤보다 더 큰 것 을 확인 할 수 있다. 이는 폐식용유 바이오디젤의 연 소 후기 과정에서 화염이 더 빨리 연소가 되었고 화 염의 입자상물질 산화과정이 더욱 활발했다는 것을 의미한다.

결과적으로 이러한 화염 이미지 분석을 통해 폐식용유 바이오디젤의 연소 결과 더 적은 양 의 입자상물질이 배출된 것의 원인을 더욱 정확하 게 알 수 있다.

Fig. 7은 분사압 160 MPa의 조건에서 자연 발광 화염 이미지를 나타낸다. 결과를 살펴보면 성능 실 험 결과와 일치하게 고압분사를 한 경우 점화 지연 기간이 더 짧아진 것을 확인할 수 있다. 또한, 저압 으로 분사한 경우 보다 국부적으로 연료가 농후한 지점으로 추측되며 높은 화염 강도를 가지고 있는 영역이 분사기 주변부에서 멀어진 것을 확인할 수 있다. 이는 분무 실험에서도 확인하였듯이 높은 분 사 압력으로 연료를 분사하였을 때 주변 공기의 분 무 내부로의 유입이 증가하여 화염 부상 길이가 증 가한 것으로 해석할 수 있다.

화염의 강도를 비교 해 보면 전반적으로 화염 강도가 줄어들었는데 이 는 연료를 고압으로 분사함으로써 미립화가 촉진되 어 연소실 내부에 균질한 혼합기가 형성되므로 입 자상물질의 배출이 줄어들었기 때문이다.

연료별 차이를 살펴보면 저압분사의 경우와 마찬가지로 폐 식용유 바이오디젤의 연소 시작점이 디젤의 경우보 다 지각되었으며 화염 강도가 낮은 것을 확인할 수 있다.

앞에서 설명한 정규화 된 화염 강도는 화염의 구 조적인 특징을 반영하지 못하기 때문에 화염 공간 적 변동도(flame spatial fluctuation; FSF)와 화염 비균 질도(flame non-homogeneity; FNH)를 다음과 같은 식을 통해 계산하였다.

Fig. 7 Normalized flame luminosity and flame luminosity variation rate with natural flame luminosity images of WCO biodiesel and diesel at injection pressure of 160 MPa

 ^  ^{ }





 

^{ }  ^

(4)

  



^{    }

^{   }

⁽⁵⁾

화염 공간적 변동도의 의미는 일종의 표준편차의 개념으로 평균값 근처에 있는 값들의 변동성에 대 한 정보를 포함하지 않고 단순히 평균값에서 얻은 편차를 나타낸다. 따라서 각 픽셀의 화염 강도의 공 간적인 해석을 보충하기 위하여 화염 비균질도를 계산함으로써 화염의 공간적 균질성을 나타내었다.

Fig. 8은 분사압 80 MPa, 160 MPa 조건에서 화염 공간 변동과 화염 불균질도를 나타낸다.

결과를 살펴보면 고압분사를 한 경우 더 낮은 수

준의 화염 공간 변동과 화염 불균질성을 가지고 있

음을 확인할 수 있다. 이는 전체적으로 화염 강도의

수준이 낮고 균질한 혼합기 분포로 인하여 각 영역

이 비슷한 수준의 화염 강도를 갖기 때문이다. 또한,

화염 공간 변동과 화염 불균질성이 이른 시기에 급

격하게 증가 하였으며 감소가 빠른 것을 볼 수 있는

데 이는 높은 분사압력으로 인해 예혼합 연소의 비

중이 늘어나면서 화염의 발달이 매우 급격하게 일

어났고, 연소 후반기에는 화염면의 소멸 정도가 빠

르게 발생하여 화염의 형상을 잃어버리고 낮은 수

준의 강도를 보다 균일한 분포로 가지게 되었기 때

Joonsik Hwang․Choongsik Bae

(a)

(b)

Fig. 8 Flame spatial fluctuation and flame non-homogeneity for WCO biodiesel and diesel with different injection pressures ((a)-Pinj : 80 MPa, (b)-Pinj :160 MPa)

문이다. 연료별 결과를 비교해 보면 폐식용유 바이 오디젤이 디젤보다 더 낮은 화염 공간 변동과 화염 불균질성을 가짐을 확인할 수 있다. 이는 폐식용유 바이오디젤의 확산화염의 비중이 낮고 연료 분자 내 포함된 산소성분 때문에 연소실 내의 혼합기 농 도가 비교적 균질하게 분포하여 화염 강도의 차이 가 작았기 때문이다.

4. 결 론

본 연구에서는 커먼레일이 장착된 단기통 대형 디젤 엔진에서 폐식용유와 디젤을 적용하여 성능 및 배기 결과를 분석 하였으며 연소실 내부 가시화 를 통해 분무 및 화염 특성을 파악하였다.

1) 성능 실험 결과 폐식용유 바이오디젤의 높은 세 탄가에도 불구하고 연소상이 디젤에 비해 지각 된 것을 확인하였다.

2) 가시화 엔진에서 분무 가시화를 수행함으로써 폐식용유 바이오디젤의 분사 시작이 디젤보다 지각되었으며 디젤보다 더 긴 분무도달거리와 좁은 분무각을 가지고 있음을 확인하였다.

3) 직접 화염 가시화로부터 얻은 이미지의 화염 강 도분석을 통해 폐식용유 바이오디젤의 연소가 지각된 시점에서 발생 하였으며 더 짧은 기간 동 안 낮은 강도를 유지하는 것을 확인하였다.

4) 화염 공간 변동도와 비균질도 분석을 통해 폐식 용유 바이오디젤의 연소 과정 중 확산 화염의 비 중이 적고 혼합기 농도가 비교적 균질했음을 확 인하였다.

후 기

본 연구는 “건설기계용 저온연소 엔진의 고효율/

저배기 기술 개발” (10033440)의 일환으로 수행되 었습니다.

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