A Study of Behavior Characteristics of Biodiesel Fuel Spray

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(1)한국동력기계공학회지 제18권 제5호 pp. 156-163 2014년 10월 (ISSN 1226-7813) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2014.18.5.156 Vol. 18, No. 5, pp. 156-163, October 2014. 바이오디젤 연료 분무의 거동특성 연구 A Study of Behavior Characteristics of Biodiesel Fuel Spray 염정국*† Jeong-Kuk Yeom*† (접수일 : 2014년 6월 14일, 수정일 : 2014년 10월 21일, 채택확정 : 2014년 10월 22일) Abstract: Diesel engine is most suitable one for biodiesel fuel because the compression-ignition diesel engine has desirable fuel consumption due to higher thermal efficiency and in addition, the improvement of the fuel consumption also leads to a reduction of CO2 emission and then it does not need to have spark-ignition system, which means that there is less charge on the technic and complexity. In this study, the spray behavior characteristics of the vegetable palm oil were analyzed by using a common-rail injection system of commercial diesel engine and the results were compared with those obtained for the diesel fuel. The injection pressures and blend ratios of palm oil and diesel(BD3, BD5, BD20, BD30, BD50, and BD100) were the main parameters. The experiments were conducted for different injection pressures: 500bar, 1000bar, 1500bar, and 1600bar by setting injection duration to 500s. Consequently, it was found that there is no significant difference in the macro characteristics of the spray behavior(spray penetration and spray angle) in response to change in the blend ratio of palm oil and diesel at a fixed injection pressure. In particular, all experiments showed the spray angle about 12°~13°. Key Words：Biodiesel, Engine, Palm Oil, Spray, Viscosity. 하첨자. ― 기 호 설 명 ― p. : 압력 [bar]. T. : 온도 [K]. t. : 시간 [s]. w. : 물. 1. 서 론 그리스 문자. . : 점도 [cP]. . : 밀도 [kg/m3]. . : 동점도 [mm2/s]. 바이오디젤 연료는 경유 공급 체계의 큰 변화 없이 기존의 인프라를 활용 가능해 고유가가 지 속되고 있는 현재 대체에너지로 각광을 받고 있 다. 이러한 바이오디젤 연료에 관한 연구로서 Jeon 등1)은 세계 각 국의 바이오디젤 사용 확대 추세를 보고하며, 연소 시 바이오연료 함량에 따 른 엔진에서 마모도 등의 영향을 연구하였고,. *†염정국(교신저자) : 동아대학교 기계공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640. 156 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월. *†Jeong-Kuk Yeom(corresponding author) : Department of Mechanical Engineering, Dong-A University. E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640.

(2) 염 정 국. Choi 등2)은 CRDI에서의 바이오디젤 적용 실험을 실시하여 바이오디젤의 함량 비율이 높을수록 연 료 내 함산소량이 많아져 NOx가 약간 증가하지만 매연이 큰 폭으로 감소함을 보고하였고 BDF 5vol-% 연료의 EGR 5% 적용 시 NOx와 매연의 동시저감을 보고하였다. 그리고 Lim 등3) 은 디젤바이오디젤 혼합유를 직접분사식 디젤기관에 사 용하여 바이오디젤 혼합비별 연소실험을 통해 열 발생률, 실린더압력 및 압력상승률은 바이오디젤. Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus5). 혼합유가 기존의 경유에 비해 감소하고, 연료소비 율은 바이오디젤 혼합유가 약간 증가하는 결과를 얻었다. 그리고 Soot 발생은 고부하에서 바이오디 젤 혼합유가 현저히 감소함을 보고하였다. 본 연 구에서는 바이오디젤-경유의 혼합비를 앞으로 국 내 바이오디젤-경유 혼합비가 증가할 것이 예상됨 에 따라 선진국의 사용현황4)을 참고하여 혼합비 (체적)를 현재 시중에 공급․판매 되고 있는 바이 오디젤 연료 2% 포함 경유(BD2)와 3%(BD3), 5%(BD5), 20%(BD20), 30%(BD30), 50%(BD50) 및. Fig. 2 Kinematic. 100% (BD100, biodiesel only)의 바이오디젤-경유. viscosity. change. in. biodiesel. blended fuels. 혼합유를 대상으로 실험연구를 진행하였다. 따라서 본 논문은 바이오연료의 엔진 적용을. 사용하여 분사기간은 100s에서 4000s, 분사압력. 위한 기초연구로서 커먼레일 분사 시스템을 사용. 은 400bar~1600bar까지 설정할 수 있도록 설계하였. 하여 경유와 바이오연료인 팜유 혼합연료의 분무. 다.. 거동특성을 비교․분석하였다. 또한 본 논문에서는. viscometer로 항온수조를 이용해 온도를 25°C로 유. 또한. 각. 연료의. 동점성계수는. Ostwald. 실험해석에서 구한 결과를 수치해석 결과와 비교․. 지하여 측정했고 그 결과를 Fig. 2에 나타낸다. 식. 해석을 통하여 바이오디젤 연료 해석을 위한 수. (1)은 동점도 계산에 사용한 식을 나타낸다. 식에서. 치해석 기법을 제안한다. 실험변수로서는 분사압. 하첨자 w는 비례식의 비교대상인 물을, 하첨자 1은. 력, 경유와 바이오디젤 연료인 팜유의 혼합비로. 구하고자 하는 대상을 각각 나타낸다. Table 1은 동. 설정하였고, 또한 연료혼합에 따라 변화가 예상되. 점도 계산을 위한 기준으로 필요한 물의 물성치이. 는 연료물성치중 특히 점도변화도 고려하였다.. 며, Table 2에 본 연구의 실험조건을 나타낸다.. 2. 실험 장치 및 방법.                ×      . (1). 2.1 분무 가시화 및 연료물성치 측정 본 연구에서 경유와 바이오디젤 연료인 팜유. Table 1 Properties of water used in calculation. 혼합연료를 Fig. 1의 분무거동 가시화 광계측 장 비를 사용하여 노즐 정면과 측면에서 획득한 분 무 이미지로 분무거동특성을 관찰했다. 촬영은 초 고속카메라와 할로겐램프를 사용하였다. ECU를. Distilled water (25°C, 1atm). Viscosity Density w [cP] w [kg/m3] 0.894. 997.1. Kinematic viscosity w [mm2/s] 0.897. 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월 157.

(3) 바이오디젤 연료 분무의 거동특성 연구. Table 2 Experimental conditions. Injection nozzle. 3.2 분무각 거동특성 고찰. Type : 7 holes Bosch nozzle. 본 연구에서는 다공인 7홀 노즐을 사용하였고, 액체 연료의 일반적 거시적 분무거동특성인 분무. Diameter of hole : 0.12[mm]. 각에 초점을 두고, 각 실험조건에 있어서의 분무. Ambient gas. Air. 및 바이오디젤 연료 혼합비에 대한 분무각 측정. Ambient temperature Ta[K]. 298. 을 위한 분무측면도 이미지를 촬영하였고, 그 결. Injection pressure pinj[bar]. 500, 1000, 1500, 1600. 과를 Fig. 4에 나타내었다. 본 연구에서 분무각은. Injection duration tinj[s]. 500. 노즐팁에 수선을 세워 시계방향으로 정의하였고,. -Diesel only(BD2) -Diesel + palm oil by volume % (BD3, 5, 20, 30, 50, 100). 이해를 돕기 위하여 공간적 측정위치를 범례와. Injection fuel. 각 거동 변화를 조사하였다. 설정한 각 분사압력. 실제 이미지 중에 직접 표시하였다. 분무각 측정 을 위한 분무의 선택은 공간적인 위치오차를 줄 이기 위하여 각 이미지에서 노즐 아랫부분의 가. 3. 결과 및 고찰 본 논문에서 실험변수로 분사압력을 저압분사 영역(pinj=500bar), 중간영역(pinj=1000bar) 그리고 고 압분사영역(pinj=1500bar, 1600bar)으로 설정하고 각 설정분사압력에 있어 바이오디젤 연료의 혼합비 율의 변화에 따른 분무거동특성을 조사하였다. 또 한 분무거동해석에 있어 거시적 분무고찰 대상을 분무선단도달거리와 분무각으로 설정하였다. 또한 분무거동특성 해석을 위한 이미지 획득을 위하여 분무의 정면과 측면에 대하여 가시화 촬영실험을. 장 긴 분무를 선택하였고, 그 측정값은 본 연구에 서 사용한 카메라의 제어를 위한 프로그램을 이 용하여 컴퓨터 스크린 상에서 직접 구하였다.. 3.3 분무각 및 분무선단도달거리 결과 고찰 전술한 각 분사압력 및 바이오디젤 혼합비에 대한 분무선단도달거리와 분무각 측정결과를 Fig. 5에 정리하여 나타내었다. Fig. 5의 종축은 분무각 과 분무선단도달거리를 횡축은 분사 후 시간을 각각 나타낸다. 먼저 분무각의 경우, 그림에서 알 수 있듯이 각 사용연료 및 분사압력에 대한 분무 각의 변화는 뚜렷하지 않다. 그림 중의 점선은 각. 하였다. 이미지의 가시화는 분사된 연료에 광원을. 분사압력 및 분사개시 후 동일시간에 있어서 각. 입사시켜 반사된 산란광을 카메라로 촬영하였다.. 혼합비율에 따른 분무각의 산술평균값을 나타낸 다. 그 분무각의 평균값은 분사압력 및 바이오연. 3.1 분무선단도달거리 거동특성 고찰. 료 혼합비 변화에 상관없이 약 12°~13° 근방에 집. Fig. 3에 분사압력과 바이오디젤 연료 혼합비에. 중하고 있음을 알 수 있다. 다음으로 분무선단도. 대한 각 분무 정면도를 나타낸다. 그림에서 알 수. 달거리의 거동특성의 경우, 분사압력 및 바이오디. 있듯이 분사압력 변화에 대한 분무특성은 기보고된. 젤 혼합비율에 따른 분무선단도달거리는 분사압. 많은 결과와 동일하게 분사압력이 고압일수록 분무. 력이 고압의 경우가 증가하고, 저압의 경우는 감. 의 선단도달거리는 증가하는 것을 알 수 있다. 그. 소하는 기존의 단일 경유사용 분무실험의 결과와. 러나 본 실험에서 설정한 경유에 대한 바이오디젤. 동일하였다. 그리고 분사압력이 동일한 경우 바이. 인 팜유의 혼합비에 대한 분무선단도달거리는 거의. 오디젤 연료 혼합비변화에 따른 분무선단도달거. 차이가 없음을 알 수 있다. 이러한 결과는 Kim 등6). 리 변화특성은 거의 나타나지 않았다. 또한 바이. 의 연구의 결과와 일치하며, 이러한 이유는 바이오. 오디젤 혼합 연료의 점도변화를 고려한 분무 거. 디젤 연료 제조공정에서 바이오디젤의 원료인 팜유. 동특성의 경우는 전술한 Fig. 2에서 알 수 있듯이. 가 에스테르화 공정을 거치면서 팜유의 연료 물성. BD100의 경우가 경유의 경우에 비하여 약 50%. 치들이 경유화되었기 때문이라고 판단된다.. 정도 점도 측정값이 높다. 본 연구에서는 경유와. 158 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월.

(4) 염 정 국. (a) pinj = 500[bar]. (b) pinj = 1000[bar]. (c) pinj = 1500[bar]. (d) pinj = 1600[bar]. Fig. 3 Images of spray behavior of palm biodiesel fuel with injection pressure(front view) 바이오디젤 연료 혼합에 따라 예상되는 물성치변. 이 큰 차이점은 나타나지 않았고 분사압력이 동. 화 중 점도에 주목하고, 그 변화가 분무거동에 미. 일한 경우, 분무거동특성에 미치는 연료혼합에 따. 치는 영향을 조사하고자 하였다. 그 결과로 전술. 른 점도변화의 영향은 미미하였다.. 한 분무선단도달거리와 분무각의 거동특성과 같. 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월 159.

(5) 바이오디젤 연료 분무의 거동특성 연구. (a) pinj = 500[bar]. (b) pinj = 1000[bar]. (c) pinj = 1500[bar]. (d) pinj = 1600[bar]. Fig. 4 Images of spray behavior of palm biodiesel fuel with injection pressure(side view). 160 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월.

(6) 염 정 국. (a) pinj = 500[bar]. (b) pinj=1000bar. (c) pinj = 1500[bar]. (d) pinj = 1600[bar]. Fig. 5 Comparisons of spray angle and spray penetration in each injection pressure taken from images. 3.4 실험과 수치해석을 통한 분무거동특성 고찰 분무선단도달거리는 분무의 관통에 대한 척도 로 상기 다공홀 분사의 측면 이미지 상에서 오차 가 가장 적다고 판단되는 분무 하나를 택하여 분 무 노즐로부터 가장 멀리 떨어진 분무 연료까지 의 거리를 측정하여 시간에 따라 정리하였다. Fig. 6에 바이오디젤 연료 혼합비 경유와 바이 오디젤을 대상으로 CFD 상용프로그램인 ANSYSCFX 13.0을 이용해서 구한 시간에 대한 분무선단 도달거리의 변화를 나타낸다. 시간경과에 따라 분 무선단도달거리가 증가함을 알 수 있고, 또한 경 유에 대한 바이오디젤 혼합비의 증가 가 분무선 단도달거리의 거동특성에 미치는 영향은 매우 미 미하여 그 변화경향은 거의 관찰되지 않았다.. Fig. 6 Results of numerical analysis comparing BD2 and BD100. 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월 161.

(7) 바이오디젤 연료 분무의 거동특성 연구. 물성치변화 중 점성변화를 고려하여 분무거동특 성을 해석하였으며, 그 결과는 다음과 같다. (1) 분사압력 및 바이오디젤 연료 혼합비율에 따른 분무선단도달거리는 분사압력이 고압의 경 우가 증가하였고, 또한 분사압력이 동일한 경우 바이오디젤 연료 혼합비변화에 따른 분무선단도 달거리 변화특성은 크게 나타나지 않았다. (2) 분사압력 및 바이오디젤 혼합비율에 따른 분무각 변화 특성은 분사압력 및 연료 혼합비변 화에는 관계없이 일정한 값을 나타내었다. (a) Diesel(BD2). (3) 본 연구에서는 바이오디젤 연료 혼합비의 변화에 대한 분무선단도달거리의 해석을 상용프 로그램인 ANSYS-CFX 13.0을 이용하여 수치해석 을 진행하였고, 그 결과들은 혼합비에 관계없이 실험결과와 유사하였기 때문에 수치해석을 위한 상용프로그램 적용의 유효성이 확인되었다.. 후 기 이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행 된 것임(NRF-2013R1A1A2011842). (b) Biodiesel(BD100) Fig. 7 Comparison of simulation and experimental. Reference. results on spray penetration 1. K. J. Jean, S. R. Yong and J. K. Rhee, 2010, Fig. 7에 Fig. 6의 두 조건에 대해 실험과 수치. "Global Bio-Fuels Trend and Impacts on Vehicle. 해석으로 구한 분무선단도달거리의 비교결과를. by Blend Ratio", Spring Conference of KSAE,. 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 실험결과와. Vol. 1, pp. 384-388.. 수치해석결과의 변화경향이 거의 동일한 좋은 결. 2. S.. H.. Choi. and. Y.. T.. Oh,. 2007,. "An. 과를 얻었고, 따라서 본 논문에서 적용한 수치해. Experimental Study on Simultaneous Reduction. 석방법의 유효성을 확인할 수 있었다.. of Smoke and NOx with Biodiesel Fuel in a CRDI Type Diesel Engine", Trans. of the KSAE,. 4. 결. 론. Vol. 15, No. 3, pp. 35-40. 3. J. K. Lim, S. Y. Choi and S. G. Cho, 2009,. 본 연구에서는 바이오디젤 연료분사노즐의 최. "Comparative. Analysis. on. Combustion. 적화를 위한 기초 실험연구로서 커먼레일 분사시. Characteristics of Diesel Oil and Biodiesel Blends. 스템과 분무가시화 장치를 이용하여 바이오디젤. in DI Diesel Engine (Using Soybean Oil)",. 연료의 혼합비 변화, 분사압력변화 및 혼합연료. Journal of the Korea Society For Power System. 162 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월.

(8) 염 정 국. Engineering, Vol. 13, No. 6, pp. 29-34. 4. Y. E. Na, 2010, "Policy of Enable. Production. and. Promoting for. Dissemination. of. Bioenergy(biodiesel, bioethanol)", Journal of the KORRA, Vol. 18, No. 3, pp. 13-22. 5. J. K. Yeom, 2011, "Basic Experimental Study on the Application of Biofuel to a Diesel Engine", Trans. of the KSME(B), Vol. 35, No. 11, pp. 1163-1168. 6. J. D. Kim, A. Ghurri, K. K. Song, J. Y. Jung and H. G. Kim, 2011, "An Experimental Study on Spray Characteristics of Diesel and Bio-diesel Fuel", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 1, pp. 53-59.. 한국동력기계공학회지 제18권 제5호, 2014년 10월 163.

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