Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Dual-injection Diesel Engine

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이중분사기가 장착된 디젤 엔진에서 목질계 열분해유의 적용 가능성에 관한 연구

이 석 환^*1)․장 영 운¹⁾․김 호 승²⁾․김 태 영¹⁾․강 건 용¹⁾․임 종 한²⁾

한국기계연구원 그린동력연구실¹⁾․가천대학교 기계공학과²⁾

Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Dual-injection Diesel Engine

Seokhwan Lee^*1)․Youngun Jang¹⁾․Hoseung Kim²⁾․Taeyoung Kim¹⁾․Kernyong Kang¹⁾․Jonghan Lim²⁾

1)Engine R&D Team, KIMM, 156 Gajeongbuk-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-338, Korea

2)Department of Mechanical Engineering, Gachon University, Gyeonggi 461-701, Korea (Received 14 February 2013 / Revised 17 June 2013 / Accepted 24 June 2013)

Abstract : The vast stores of biomass available in the worldwide have the potential to displace significant amounts of petroleum fuels. Fast pyrolysis of biomass is one of several paths by which we can convert biomass to higher value products. The wood pyrolysis oil (WPO) has been regarded as an alternative fuel for petroleum fuels to be used in diesel engine. However, the use of WPO in a diesel engine requires modifications due to low energy density, high water contents, high acidity, high viscosity, and low cetane number of the WPO. One possible method by which the shortcomings may be circumvented is to co-fire WPO with other petroleum fuels. WPO has poor miscibility with light petroleum fuel oils; the most suitable candidates fuels for direct fuel mixing are methanol or ethanol. Early mixing with methanol or ethanol has the added benefit of significantly improving the storage and handling properties of the WPO.

For separate injection co-firing, a WPO-ethanol blended fuel can be fired through diesel pilot injection in a dual-injection dieel engine. In this study, the performance and emission characteristics of a dual-injection diesel engine fuelled with diesel (pilot injection) and WPO-ethanol blend (main injection) were experimentally investigated. Results showed that although stable engine operation was possible with separate injection co-firing, the fuel conversion efficiency was slightly decreased due to high water contents of WPO compare to diesel combustion.

Key words : Fast pyrolysis(급속열분해), Wood pyrolysis oil(목질계 열분해유), Biomass(바이오매스), Diesel engine(디젤엔진), Co-firing(혼합소각), Dual-injection(이중 분사)

1. 서 론¹⁾

지구 온난화의 주범인 화석 연료의 사용을 대체 하기 위한 재생 가능한 에너지원(Renewable energy) 에 대한 중요성이 부각되고 있는데 이 중에서 목재 등의 바이오매스를 이용하여 액체, 고체, 기체상의 연료를 제조하는 기술들이 근래에 연구되고 있다.¹⁾

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

특히 목재가 풍부한 나라들을 중심으로 목재를 원 료로 생산되는 열분해유를 적용한 열병합 발전소가 건설되고 있으며, 가스 터빈²⁾ 및 디젤엔진에도 열분 해유를 사용하여 발전하는 기술들이 많이 연구되었 다.³⁾ 또한, 바이오원유를 수송용 디젤엔진의 연료로 직접 사용하고자 하는 연구들도 근래에 진행되고 있는데 열분해유와 디젤연료의 연소특성 및 배출가 스 배출특성을 비교하는 연구가 수행되었다.⁴⁾ 열분

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이석환․장영운․김호승․김태영․강건용․임종한

해유를 디젤 엔진에 적용하기 위하여 세탄가 향상 제를 첨가하여 디젤 동등 수준의 연소성능을 확보 하였다는 연구결과⁵⁾ 및 열분해유를 최대 30%까지 디젤과 혼합한 유상액(Emulsion)을 디젤엔진에 적 용한 결과 배출가스 중에 NOx가 저감되었다는 연 구결과들도 발표되었다.⁶⁾ 열분해유의 경우 낮은 세 탄가로 인하여 디젤 엔진에 단독으로 사용 시 자발 화 되지 않으므로 파일럿 분사를 하거나 세탄가가 높은 연료와 혼합하여 사용하여야 한다.⁷⁾ 근래에는 열분해유를 적절한 계면활성제를 이용하여 디젤유 혹은 바이오디젤유와 유화한 유상액을 디젤엔진에 적용하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.^8-10)

흡기온도를 200°C 이상으로 가열하는 경우 열분 해유 단독으로 연소가 가능하지만 이 경우에도 연 료공급계가 마모되며 분사계에 카본계 퇴적물이 침 적되는 결과들이 보고되었다.¹¹⁾ 열분해유는 점도가 매우 높으며 중합작용(Polymerization)이 발생하므 로 에탄올이나 메탄올 같은 알코올계 연료와 혼합 하여 희석하게 되면 점성이 낮아지며 중합작용도 막을 수 있어서 연료의 저장성이 향상 된다.^12,13) 또 한, 열분해유와 알코올을 혼합한 혼합연료와 디젤 유를 이중분사 시스템을 통하여 각각 엔진에 공급 하게 되면 연료공급계의 빠른 파손 없이 안정적인 연소성능을 얻을 수 있다.¹⁴⁾

본 연구에서는 목재에서 생산된 열분해유와 에탄 올을 질량 대비 6 : 4 비율로 혼합한 혼합연료를 디 젤유와 각각 독립적으로 디젤엔진에 공급하여 혼합 소각을 하는 경우 엔진의 연소성능 및 배출가스 성 능을 파악하였다.

2. 실험장치 및 방법 2.1 실험연료

본 연구에서 사용된 열분해유는 톱밥을 재료로 500°C 정도의 온도에서 급속 열분해 반응을 통하여 생산된 것이다.¹⁵⁾ 생산된 열분해유는 특유의 짙은 검갈색을 지니고 있으며 탄 냄새가 심하게 나지만 아직 인체위해성에 대한 영향은 보고되고 있지 않다.

일반적으로 열분해유의 경우 수분이 약 20 ~ 30% 함 유되어 있으며 일반 디젤유에 비하여 발열량이 1/3 수준이고 연료 조성에서 산소 성분의 비율이 50%에

이를 정도로 매우 높다. 열분해유는 발열량이 낮고 산성을 지니고 있으며 윤활성도 낮고 점도도 디젤 유에 비해서 훨씬 높으므로 열분해유를 단독으로 디젤엔진에 적용하게 되면 짧은 시간 내에 연료공 급계의 파손이 발생한다. 열분해유를 단독으로 사 용하기 위해서는 연료공급계를 이루고 있는 소재 교환, 분사기 분공 확장 등의 개조를 거쳐야한다.^2,3) 열분해유를 기존 엔진에 쉽게 적용하기 위한 방법 으로는 열분해유를 다른 화석 연료와 혼합하는 것 인데 화석계 연료들은 대부분 서로 잘 혼합되는 반 면에 바이오매스에서 생산되는 열분해유는 화석 연 료와 극성(Polarity)이 달라서 완전하게 혼합되지 않 고 층이 지므로 두 연료를 혼합하여 엔진에 공급할 수 없다. 극성이 다른 두 연료는 계면활성제를 이용 하여 유화한 후 유상액을 만들어 주는 방법이 일반 적으로 사용되는데 이 경우 계면활성제 사용에 의 한 추가적인 비용 및 시간이 지남에 따라서 두 연료 가 조금씩 분리되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 디젤유 및 열분해유를 독립적인 두 개의 분사기를 통하여 각각 공급하는 방법을 사용 하였는데 열분해유의 점도를 낮추고 중합작용을 막 기 위하여 열분해유와 완벽하게 혼합되는 에탄올을 40% 비율로 혼합하였다.

디젤유, 열분해유, 에탄올에 대한 물성치를 측정 하여 비교한 결과를 Table 1에 나타내었다. 본 물성 치는 공인분석기관인 한국석유관리원에 의뢰하여 분석한 결과이다. 열분해유는 디젤 대비 저위발열 량(LHV; Lower Heating Value) 값이 1/3로 이는 단위

Table 1 Fuel properties of test fuels

Fuel LHV

(kJ/g) Water

(%) C (%)

H (%)

O (%)

Density (kg/m³)

Diesel 45.8 - 85.0 12.6 - 821.0

WPO 15.9 33.62 41.0 10.1 48.8 1193.5 Ethanol 26.9 ≤0.3 52.1 13.2 34.7 772.0

Table 2 Base diesel engine specifications

Specification Resource

Displacement 1,858 cc

Cylinders 1

Intake system Natural aspiration

Bore×Stroke 130×140 mm

Compression ratio 17.1

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Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup 중량당 에너지 함유량이 1/3밖에 되지 않는다는 의 미이다. 또한 열분해유는 수분함유율이 33%에 달해 내연기관에 단독으로 사용하기에는 적합하지 않은 연료이다. 하지만 디젤유에 비하여 열분해유와 에 탄올 모두 산소 성분을 포함하고 있으므로 혼합소 각을 하게 되면 연소 안정성이 증가하고 검댕이 저 감될 것으로 기대된다.

2.2 실험방법

실험에 사용된 엔진 시스템의 제원을 Table 2에 나타내었다. 엔진은 배기량 1,858 cc, 압축비 17.1인 직접분사식(DI; Direct Injection) 단기통 디젤엔진을 사용하였으며, 분사 시스템은 고압분사가 가능한 커먼레일(Common-rail) 분사시스템을 사용하였다.

디젤유 및 혼합연료를 각각 엔진에 공급하기 위하 여 엔진 헤드에 전자식 분사기가 이중으로 장착되 었으며 독립적인 2개의 연료 공급 시스템이 사용되 었다. 전자식 분사기는 보쉬사의 솔레노이드 타입 분사기이며 최대분사압력은 1600 bar이고 0.124 mm 의 직경을 가지는 8개의 분공이 뚫려있다. Fig. 1은 실험장치의 개략도를 나타내고 있다. 단기통 디젤 엔진의 동력 제어를 위하여 100 kW급 DC 동력계를 사용하였으며, 연소 특성 분석을 위하여 실린더의 글로우 플러그 위치에 압력 센서(Kistler, 6052C)와 이의 설치를 위한 어댑터(Kistler 6542Q27)를 장착 하였다. 연소실 압력은 엔코더 신호와 동기 시켜 크

랭크각 1도 단위로 측정하였으며, 이를 바탕으로 열 방출율 곡선을 계산하였다. 흡입 공기량을 측정하 기 위하여 흡기 레져버(reservoir)의 상단에 층류 유 량계(Meriam Inst. Co.)를 설치하였으며, 연료량과 공연비는 각각 코리올리 효과를 이용한 연료 유량 계(DASAN R&D)와 광대역 공연비 센서(ETAS, LA4)를 이용하여 측정하였다. 배출가스 측정을 위 하여 THC, CO/CO2, NO/NO2의 동시 측정이 가능한 배출가스 분석기(AVL, AMA i-60)를 사용하였으며, 검댕(Soot)을 측정하기 위해 광투과 방식의 매연측 정장치인 Opacimeter(AVL)를 사용하였다.

본 연구에서 사용된 엔진은 대형 디젤엔진을 베 이스로 단기통으로 개조한 엔진이므로 엔진의 성능 및 안정성을 고려하여 엔진 회전 속도를 1,000 rpm 으로 고정하였다. 분사기로 공급되는 연료의 분사 압을 디젤유 1200 bar, 혼합연료 900 bar로 고정한 후 분사시기 및 엔진 부하 변화(IMEP 2 ~ 8 bar)에 따라 서 수행되었으며 연소 특성, 배출가스의 배출특성 을 파악하였다.

연료공급계 보호를 위하여 엔진 시동 후 10분 동 안 디젤유만을 사용하여 엔진을 구동하였으며 실험 을 종료한 후에는 잔류하고 있던 열분해유에서 중 합작용이 발생되어 연료공급계가 고착될 수 있으므 로 에탄올 연료만을 공급하여 열분해유가 공급되었 던 연료공급계를 세척해 주었다.

열분해유는 기존의 커먼레일용 고압펌프를 사용

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Seokhwan Lee․Youngun Jang․Hoseung Kim․Taeyoung Kim․Kernyong Kang․Jonghan Lim

하여도 고압의 분사조건을 생성해 주는 데에는 별 다른 문제가 없다. 하지만 디젤유 대비 점도가 높으 며 타르 성분이 포함되어 있으므로 장시간 운전시 펌프에 타르가 점착되어 유로가 점차적으로 막히게 되며 최대 공급압도 감소하는 현상이 발생하였다.

이를 해결하기 위해서는 기존 펌프를 개조하여 부 식성에 견딜 수 있는 재료를 사용하여야 하며 열분 해유를 알코올 계통의 연료와 희석하는 비율을 더 높 여서 고압펌프의 내구성을 확보하여야 할 것이다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 디젤 및 혼합연료 분사시기에 따른 엔진연소 및 배출가스 특성

엔진회전속도를 1,000 rpm로 고정한 후 디젤유를 0.53 mg/inj, 열분해유-에탄올 혼합연료를 4.85 mg/inj 으로 분사하는 경우 디젤유 및 혼합연료의 분사시 기에 따른 엔진 연소특성을 살펴보았다.

Fig. 2와 3에서는 디젤유의 파일럿 분사시기가 BTDC 4, 12, 20°CA인 경우 혼합연료의 분사시기에 따른 엔진의 도시평균 유효압력(Indicated mean effective pressure; IMEP) 및 변동계수(Coefficient of variance in indicated mean effective pressure; COV)를 나타내 었다. 디젤유의 파일럿 분사시기가 BTDC 12, 20°CA인 조건에서는 혼합연료의 분사시기가 BTDC 20 ~ 0°CA의 범위에 존재하는 경우 최적의 엔진 성 능을 보여주었다. 혼합연료를 BTDC 20°CA 이전이 나 ATDC 조건에서 분사하게 되면 출력이 감소하고

Fig. 2 Indicated mean effective pressure according to injection timing of diesel & blended fuel at 1,000 rpm

연소안정성이 나빠졌다. 디젤유를 BTDC 4°CA 조 건에서 파일럿 분사하는 경우에는 연소안정성은 BTDC 8 ~ ATDC 4°CA의 매우 좁은 영역에서 안정 적인 경향을 보여 주었으며 이전 두 경우에 비하여 출력이 감소하였다.

Fig. 4, 5에서는 디젤유 및 혼합연료의 분사시기 에 따른 미연탄화수소(THC), 일산화탄소(CO)의 배 출 경향을 나타내었다. 디젤유의 파일럿 분사시기 가 BTDC 12, 20°CA인 조건에서는 혼합연료의 분사 시기가 BTDC 12 ~ 0°CA의 범위에서 THC 및 CO의 배출량이 낮았으며 이 조건은 엔진의 출력 및 연소 안정성도 최적인 조건이다. 혼합연료의 분사시기가 BTDC 12°CA 보다 진각 되는 경우 THC와 CO가 급 증하는 결과를 보여주었는데 이는 열분해유의 휘발

Fig. 3 Coefficient of variance according to injection timing of diesel & blended fuel at 1,000 rpm

Fig. 4 Total hydrocarbon emissions according to injection timing of diesel & blended fuel at 1,000 rpm

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Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Dual-injection Diesel Engine

Fig. 5 Carbon monoxide emissions according to injection timing of diesel & blended fuel at 1,000 rpm

Fig. 6 Nitrogen oxides emissions according to injection timing of diesel & blended fuel at 1,000 rpm

성이 낮아서 미리 분사된 연료가 디젤 파일럿 분사 로 발생된 화염에 의해 연소 되지 않고 미연된 연료 로 배출되면서 발생하는 현상이다. 디젤유의 파일 럿 분사시기가 BTDC 4°CA인 조건에서는 혼합연료 를 ATDC 4°CA에서 분사하는 조건 외에는 모두 THC와 CO의 배출량이 높게 측정되었다.

디젤유 및 혼합연료의 분사시기에 따른 질소산화 물(NOx)의 배출경향을 Fig. 6에 나타내었다. 디젤유 의 파일럿 분사시기가 BTDC 12°CA인 조건에서는 혼합연료의 분사시기가 BTDC 16°CA, 디젤유의 파 일럿 분사시기가 BTDC 20°CA인 조건에서는 혼합 유의 분사시기가 BTDC 20°CA인 조건에서 NOx의 배출량이 최대로 나타났다. 이 조건들에서는 디젤 유와 혼합연료가 거의 동일한 시기에서 분사되는데

Fig. 7 Soot emissions according to injection timing of diesel

& blended fuel at 1,000 rpm

디젤유 파일럿 분사로 인하여 발생한 화염에 의해 서 동시에 혼합연료도 연소되게 되므로 급격한 열 방출이 발생하면서 NOx가 많이 배출되는 것이다.

혼합연료의 분사시기를 지각하는 경우에는 혼합연 료가 디젤유의 연소 이후에 연소되므로 열방출율이 완만하게 형성되어 NOx 가 감소하게 된다.

Fig. 7에서는 디젤유 및 혼합연료의 분사시기에 따른 검댕의 배출경향을 보여주고 있다. 열분해유 및 에탄올은 함산소 연료이므로 연소 과정에서 발 생하는 검댕의 산화가 활발하게 일어나서 검댕 발 생량이 매우 적다. 따라서 분사시기에 따라서 검댕 의 발생량이 큰 차이는 없으나 혼합연료를 BTDC 24°CA 이전에 분사하게 되면 미연된 연료들에 의해 서 검댕 발생량이 증가하는 경향을 보여주었다.

Fig. 8에서는 디젤유 파일럿 분사시기가 BTDC 12°CA일 때 혼합연료의 분사시기에 따른 열방출율 곡선을 보여주고 있다. 혼합연료의 분사시기가 BTDC 28°CA인 경우 미리 분사된 혼합연료가 연소 실 내에 예혼합되어 있고 디젤유 파일럿 분사에 의 해서 발생된 화염에 의해서 연소가 일어나는데 열 분해유의 낮은 휘발성으로 인하여 혼합연료의 일부 분이 미연 되면서 손실 되므로 열방출율 곡선의 최 대값이 낮게 측정된다. 디젤유와 혼합연료가 동시 에 분사되는 BTDC 12°CA 조건에서는 디젤유를 단 독으로 분사하는 경우와 비슷한 모습으로 열방출율 곡선이 형성되었다. 이 조건은 디젤유와 혼합연료 가 동시에 연소되어 급속하게 열방출이 일어나므로

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이석환․장영운․김호승․김태영․강건용․임종한

Fig. 8 Heat release rate curve according to injection timing of blended fuel at fixed diesel injection timing of BTDC 12°CA

NOx가 비교적 많이 배출되지만 미연된 연료가 없 으므로 THC, CO는 적게 배출되며 출력 및 연소안정 성이 뛰어난 조건이다. 혼합연료의 분사시기가 ATDC 4°CA인 조건으로 지각되는 경우에는 디젤유 의 파일럿 분사에서 발생하는 화염이 나중에 분사 되는 혼합연료를 연소시키게 되며 이로 인하여 독 립적인 열방출율 곡선이 측정되었다. 이로 인하여 열방출율의 최대값이 낮아져서 NOx의 발생량이 낮 아지지만 너무 많이 지각하는 경우에는 최적 시점 보다 너무 지각된 시점에서 혼합연료가 연소되므로 출력 및 연소안정성이 저해된다.

위의 엔진 성능 및 배출가스 결과들을 종합하였 을 때 효율적인 엔진 연소를 구현하기 위해서는 디 젤유와 혼합연료를 동시에 분사하거나 디젤유의 파 일럿 분사를 혼합연료보다 4°CA 정도 이른 시점에 분사하여 디젤유에 의하여 생성된 화염이 혼합연료 를 연소시키는 것이 최적의 전략이라고 판단된다.

3.2 엔진부하에 따른 연소성능 특성

엔진회전속도 1,000 rpm, 엔진부하 IMEP 6 bar 조 건에서 디젤유를 단독으로 사용하는 경우와 혼합연 료와 같이 혼합 소각하는 경우 연소실 압력과 열방 출율 곡선을 Fig. 9에 나타내었다. 혼합소각의 경우 디젤유의 파일럿 분사량은 0.53 mg/inj으로 고정되 었으며 혼합연료의 분사량을 조절하여 부하를 IMEP 6 bar로 고정하였다. 디젤유 및 혼합연료의 분 사시기는 BTDC 12°CA로 동일하게 고정하였다. 연

Fig. 9 Cylinder pressure and heat release rate curve at 1,000 rpm and IMEP 0.6 MPa conditions

소실 압력 선도를 살펴보면 디젤 연소의 경우 혼합 소각에 비해서 연소압의 최대값이 더 높다. 이러한 압력 증가는 디젤 대비 혼합유의 낮은 발열량에 기 인한 결과로 동일 속도, 부하 조건을 만족시키기 위 해 연료 분사량의 증가와 연료 내의 산소 함유량 증 가에 따른 결과이다. 열방출율 계산 결과를 살펴보 면 디젤유의 분사시기가 두 경우 모두 BTDC 12

°CA로 동일하므로 점화시기(Start of ignition)는 동 일하게 측정되었다. 하지만 열방출율의 최대값은 디젤유 단독연소의 경우 혼합소각에 비해서 높게 측정이 되며 TDC 이전에 열방출량이 많다. 혼합 소 각의 경우 디젤유의 파일럿 분사로 생성된 화염에 의하여 혼합연료의 연소가 발생되며 TDC 이후에 열방출량이 많은 것을 확인할 수 있다. 열방출량의 최대값이 디젤단독 연소가 혼합소각에 비해서 높으 므로 질소산화물이 디젤단독 연소를 하는 경우 더 많이 발생할 것으로 사료된다.

엔진 부하에 따른 도시평균 유효압력 변동계수를 디젤유 단독으로 사용하는 경우와 디젤유와 혼합연 료를 혼합 소각하는 경우에 대하여 Fig. 10에 나타내 었다. 디젤유 단독으로 분사하는 경우와 혼합 소각 을 하는 경우 모두 부하의 증가에 따라서 변동계수 가 감소하여 연소가 안정화 되는 경향을 보여 주었 으며 저 부하 조건에서는 혼합소각을 하는 경우 연 소안정성이 약간 더 좋은 결과를 보였다. 혼합소각 을 하는 경우 모든 부하 조건에서 변동 계수가 5%

이내로 매우 안정적인 연소가 발생하였다.

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Fig. 10 Coefficient of variance in indicated mean effective pressure according to engine loads

Fig. 11 Indicated specific energy consumption according to engine loads

Fig. 12 Fuel conversion efficiency according to engine loads

도시에너지소비율(Indicated specific energy consumption)과 연료 전환 효율(Fuel conversion efficiency)

을 Fig. 11과 12에 나타내었다. 혼합 소각을 하는 경 우에는 디젤유, 열분해유, 에탄올의 세 가지 연료가 동시에 공급되므로 연료량을 비교하기 보다는 총 공급되는 에너지를 디젤유 단독 연소하는 경우와 비교하였다. 혼합소각을 하게 되면 디젤유 단독으 로 연소하는 경우에 비해서 도시에너지소비율이 6

~ 15% 정도 증가하는 경향을 보여주고 있으며 이에 따라서 연료 전환 효율도 최대 5% 정도 낮은 결과를 보였다. 이는 디젤유가 1200 bar로 분사하는데 비해 서 혼합소각을 하는 경우 혼합연료를 900 bar로 낮 게 분사하여 효율이 감소할 수 있으며 IMEP 8bar 조 건에서는 혼합연료의 분사시간이 너무 길어 최적 시점에서 연소가 이루어지지 못한 연료가 존재할 수 있다. 또한 열분해유의 경우 연료 내의 수분함유 량이 30% 이상 포함되어 있기 때문에 연소가 발생 하여 생기는 열에너지의 일정 부분을 수분이 흡수 하므로 효율이 낮게 나오는 것이다.

3.3 엔진 부하에 따른 배출가스 배출특성 엔진 부하 증가에 따른 THC, CO 및 NOx의 배출 량 결과를 Fig. 13 ~ 15에 나타내었다. 디젤유를 단독 으로 분사하는 경우에 비하여 혼합 소각을 하는 경 우에는 저 부하 조건에서 THC가 더 높았으며 CO 의 경우 IMEP 8bar 조건에서 급증하는 경향을 보였다.

이는 IMEP 8bar 조건에서는 혼합연료의 분사량이 너무 많아서 일부 연료가 최적 시점에서 연소되지 못하고 미연 되는 것으로 판단된다. 혼합연료의 분 사압을 더 높여서 연료를 최적시점에서 모두 연소 할 수 있게 조정할 필요성이 있지만 열분해유에 포 함된 타르 성분이 고압펌프의 성능을 차츰 저하 시 키기 때문에 분사압을 더 올리는 경우 펌프의 성능 저하가 너무 빨리 발생하게 된다.

NOx의 경우 혼합 소각을 하면 디젤유 단독 분사 에 비하여 최대 60%가 감소되는 결과를 보여주었 다. 이는 열분해유에 포함된 수분 성분이 연소 시 생 기는 열에너지의 일부분을 흡수하게 되어서 연소 온도가 낮아지므로 Thermal NOx의 발생량이 적어 지기 때문이다. 디젤유 단독 분사의 경우 부하의 증 가에 따라서 공급되는 연료량이 증가하므로 NOx의 발생량이 증가하지만 혼합 소각의 경우 부하의 증

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Seokhwan Lee․Youngun Jang․Hoseung Kim․Taeyoung Kim․Kernyong Kang․Jonghan Lim

Fig. 13 Total hydrocarbon emissions according to engine loads

Fig. 14 Carbon monoxide emissions according to engine loads

Fig. 15 Nitrogen oxides emissions according to engine loads

가에 따라서 공급되는 열분해유의 양도 증가하여 수분 성분도 함께 증가하므로 NOx의 발생량은 600 ppm 수준을 계속 유지하였다.

Fig. 16 Soot emissions according to engine loads

Fig. 16에서는 광투과식 검댕측정기로 측정한 엔 진 부하에 따른 검댕의 배출량을 나타내고 있다. 열 분해유 및 에탄올은 연료 내의 탄소 분자 결합 사이 에 포함된 산소 분자로 인하여 탄소 결합이 잘 끊어 지므로 탄소 덩어리들이 생기지 않아서 검댕 발생 량이 낮다. 또한 풍부한 산소 분자로 인하여 연소 시 발생된 검댕들이 산화할 수 있는 분위기가 쉽게 만 들어지므로 검댕의 배출량은 디젤유 단독으로 사용 하는 경우에 비하여 최대 75% 저감되는 결과를 얻 었다.

4. 결 론

디젤유의 대체연료로써 근래에 연구가 진행되고 있는 목재 열분해유의 연료 안정성을 향상시키기 위하여 이중 분사기가 장착된 디젤 엔진에서 에탄 올과 혼합한 혼합연료를 디젤유와 같이 혼합 소각 하였다. 연료 분사시기 및 엔진 부하에 따른 엔진의 연소성능, 배출가스를 측정하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 혼합연료를 너무 이른 시기에 분사하게 되면 미 연된 연료들로 인하여 THC와 CO가 급증하게 되 며 너무 늦은 시기에 분사하게 되면 연료가 최적 시점에서 연소되지 못하므로 엔진의 출력 및 연 소안정성이 저하된다.

2) 엔진 성능 및 배출가스 결과들을 종합하였을 때 효율적으로 엔진 연소를 구현하기 위해서는 디 젤유를 혼합연료와 동시에 분사하거나 디젤유

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Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Dual-injection Diesel Engine

파일럿 분사를 혼합연료보다 4°CA 정도 이른 시 점에서 분사하는 것이 최적이라고 판단된다.

3) 혼합 소각을 하는 경우 모든 부하 조건에서 안정 적인 연소가 발생하였지만 디젤유 단독으로 연 소하는 경우에 비하여 효율이 최대 5% 감소하였 다. 이는 디젤유에 비하여 길어진 분사시간 및 열 분해유에 포함된 수분성분이 열에너지를 흡수 하는 현상에서 기인한다.

4) 혼합 소각을 하는 경우 열분해유에 포함된 수분 성분이 열에너지를 흡수하기 때문에 디젤유 단 독 연소에 비하여 NOx가 최대 60% 저감되었다.

5) 혼합연료를 이루고 있는 열분해유 및 에탄올은 함산소 연료이기 때문에 디젤유 단독 연소에 비 하여 혼합 소각을 하는 경우 검댕의 배출량이 최 대 75% 저감되었다.

후 기

본 연구는 한국기계연구원의 일반사업인 “미활 용에너지 청정 고밀도화 기계기술 기반구축” 사업 의 연구비로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합 니다.

References

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