Chapter 1 Fuel Properties

Chapter 1 Fuel Properties

Prof. B.C.Choi

School of Mechanical Engineering Chonnam Nat. Univ.

Chapter 1 Fuel Properties

1. 탄화수소계 연료

2. 석유계 연료의 기본성질 3. 자동차용 연료

- 가솔린 - 디젤유 4. 대체연료

- 수소

- 함산소연료(알코올, DME, Bio-Diesel etc.) - 천연가스

- LPG

탄화수소계 연료의 분자구조

3-3 Hydrocarbon Fuels - Gasoline

– SIE에 주로 쓰이는 연료 – 탄화수소 성분의 혼합물 – 원유를 정제하여 얻음 – 분자량이 클 수록 높은

도에서 증발

– 저온 휘발성분(낮은 온 도에서 증발)과 고온 휘 발성분(높은 온도에서

증발)으로 분류된다 ^{.증발율(온도):} _{10%  57C} 50%  81C 90%  103C 가솔린 온도-증발율 곡선

3.3 탄화수소 연료

• 파라핀(알칸)

– 가장 간단하고 안정된 탄화수소 분자 – C n H 2n+2

– Ex) 메탄(CH 4 ), 프로판(C 3 H 8 ), 부탄(C 4 H 10 )

※메탄의 구조

3.3 탄화수소 연료

• 올레핀

– 하나의 2중 탄소-탄소 결합을 포함하는 사슬 분자로 구성되어 있고 불포화되어 있다.

– CnH2n

– Ex) 에텐(C2H4), 부텐-1(C4H8), 부텐-2(C4H8) 이소부텐(C4H8)

3.3 탄화수소 연료

• 디올레핀

– 2개의 2중 탄소-탄소 결합을 가지고 있는 올 레핀과 비슷한 사슬 분자

– C n H 2n-2

– Ex) 2.5-헵타디엔, 부타 디엔

CH2

∥ CH

｜ CH

∥

CH2

3.3 탄화수소 연료

• 아세틸렌

– 3중 탄소-탄소 결합을 가진 불포화 사슬 분 자

– C n H 2n-2

– Ex)아세틸렌(C ₂ H ₂ ) H-C≡C-H

• 시클로파라핀 – 단일 연결 고리

– C _n H _2n 의 화학식을 가진 불 포화 분자

– 수소 대신 다양한 라디칼이 나 부사슬을 대체함으로써 매우 많은 변형 분자들이 가 능하다.

– Ex) 시클로부탄(C4H8) 시클로펜탄(C5H10)

※ 시클로부탄

3.3 탄화수소 연료

3.3 탄화수소 연료

• 방향족

– 2중 탄소-탄소결합으로 이루어져 있고 불포화 고리 구조를 가짐(벤젠고리) – CnH2n-6

– Ex)벤젠

- 수소원자 대신 다양한 집단으로 대체

3.3 탄화수소 연료

• 방향족

- 둘 이상의 수소원자 대체로 이성질체

- 둘 이상 고리결합

-자동차 엔진용 가솔린 성분으로서 방향족 : 밀도가 높아 단위체적당 에너지 밀도가 높다.

용해성 (다른 성분과 같이 운반 시 주의), 물용해가 용이(저온에서 물이 나와 동결)

• 알코올

– 분자구조가 파라핀족과 유사하며 수소 하나가 수산화 기(OH)로 대체된 분자구조를 가진다.

– Ex)메틸알콜(CH3OH), 에틸알콜(C2H5OH)

3.3 탄화수소 연료(알코올)

3.4 옥탄가

• 옥탄가의 정의

– 연료가 얼마나 잘 자발화하는지를 나타내는 정도

(연료의 자발화 저항성)

– 옥탄가가 높을 수록 자발화 하기 어렵다.

• 옥탄가를 정하는 방법

– 옥탄가 100인 이소옥탄(2,2,4-

trimethyllpentane)과 옥탄가 0인 n-헵탄을

표준연료로하여 옥탄가를 정한다.

3.4 옥탄가

RON MON

기관 속도 600 rpm 900 rpm

흡기 온도 52℃ 149℃

냉각제 온도 100℃ 100℃

오일 온도 57℃ 57℃

점화 타이밍 13˚ bTDC 19-26˚ bTDC 스파크 플러그 간극 0.508 mm 0.508 mm

흡기압력 대기압

공연비 최대 노크를 위해 조절

압축비(3-30) 표준 노크를 가지도록 조절

※옥탄가 측정을 위한 시험 조건

그림 1.3 증기압과 증발잠열의 비등점과의 관계 0

100 200 300 400 500 600 700

0 50 100 150 200 250

boiling point ℃

V a p o r p re s s u re a t 2 5 ℃ m m H g

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

H e a t o f v a p o ri z a ti on a t boilin g p o in t kc a l/ m ol

Paraffine Naphthene Aromatic

2. 석유계 연료의 기본성질

(1) 휘발성

증기압(동일 탄소수)

올레핀>파라핀>나프텐>방향족 비등점

올레핀<파라핀<나프텐<방향족

그림 1.4 착화점과 탄화수소와의 관계 0

200 400 600 800

0 2 4 6 8 10 12 14

Carbon number

Ig n it ion p oi n t ℃

Paraffin Naphthene aromatic Olefin

---- Increas e in branch (2) 착화점 : 외부 착화원 없이 연소가 지속

방향족

200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120 140 Res earch octane number Ig ni ti o n p o int ℃ Paraffin

Naphthene Aromatic

Olefin 방향족

0 25 50

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51.6 air/fuel ratio

Permium grade Alkylate HC volumetric

(ppm×100)

speed : 1500 rpm brake mean effective pressure(BEMP) : 50kpa compression ratio : 11

Fig.1.7 방향족 함유율에 따른 HC의 배출농도의 변화 0

25 50

0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 air/fuel ratio

Premium grade Alkylate NOx volumetric

(ppm×100)

speed : 1500 rpm brake mean effective pressure(BEMP) : 500kpa compression ratio : 11

Fig.1.6 방향족 함유율에 따른 NOx의 배출농도의 변화

3. 자동차용 연료

- 가솔린, 디젤유

0 25 50 75 100 125 150

-5 10 25 40 55

Aromatic HC content of fuel(%vol) Anthracene

Fluoranthene 1-Methy lanthracene Py rene

Benzo(a) anthracene Benzo(a) Py rene Benzo(ghi) Pery lene

그림 1.8 방향족 함유율 및 종류에 따른 PAH의 배출농도변화 PAH emis s ion (μg/kg fuel)

PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)

그림 1.10 NOx에 대한 옥탄가의 영향 0

2 4 6 8 10 12 14

75 80 85 90 95

Res earch Octane Number(RON) none

low intens e

air/fuel (1) 13.9 (2) 12.0 (3) 11.7 NOx (ppm)

knock Χ 10²

(1)

(3) (2)

그림 1.9 옥탄가가 가속시의 차량성능에 미치는 영향

옥탄가

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

44 138 258 350 443

Ba g 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

44 138 258 350 443

Ba g 3 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

44 138 258 350 443

함산소화합물 파라핀 올레핀 방향족

Ba g 1 함유량(g

그림1.12 가솔린내의 납성분이 배기에 미치는 영향 CO

20 40 60 80 100

3 mg Pb/l

10 5

NO

20 40 60 80 100

정화율 (%)

3

5 10

HC

20 40 60 80 100

0 5 10 15

주행거리 (mile) x 10³ 3

10 5

그림 1.14 PM에 대한 밀도의 영향 0

1 2

0.75 0.8 0.85 0.9

specific gravity volume dilution 12:1 50:1 8:1 particulate emission

(g particulates/liter of fuel)

Caterpillar diesel engine 32 1700 ppm, mode 5 brake mean effective pressure (BEMP):585 kPa

fuel1

fuel3 fuel2

그림 1.15 중질분유의 PM에 대한 영향 0

40 80 120 160 200 240

0 20 40 60 80 100

% weight > 260℃

volume dilution 25:1

8:1

50:1 particulate emission

(mg/m3 of exhaust gases)

caterpillar diesel engine 3208 1700rpm, mode 3 brake mean

effective pressure (BEMP) : 192 kPa

fuel 1

fuel 2

fuel 3

디젤연료

그림 1.16 방향족의 배기에 대한 영향

0 40 80 120 160 200 240

10 15 20 25 30

aromatics % weight particulates(mg/m³)

volume dilution 25:1

8:1

50:1 Caterpillar diesel engine 3208 1700 rpm, mode 3

brake mean effective pressure (BEMP) : 192kPa

DI

fuel 1

fuel 2

fuel 3

그림 1.17 DI엔진의 방향족에 따른 오염물 배출경향

-50 -20 10 40 70 100 130 160 190 220 250

-20 0 20 40 60 80 100 120

Cetane number

M o to r o c tan e n u m b e r

Octane-Heptane Benzene-Naphtha Benzene-Gasoline Alcohol-Gasoline Gas oil-Industrial naphtha Ger ma

S.O. fuel Hydrocarbon mixture

그림 1.18 옥탄가와 세탄가의 관계

0 5 10 15 20

40 42 44 46 48 50 52 54 cetane number

CO ( g /k W h )

Turbo charged

0 2 4 6 8

40 42 44 46 48 50 52 54 cetane number

HC ( g /k m )

natural as piration turbo charged

0 4 8 12

40 42 44 46 48 50 52 54 cetane number

NO x ( g /k W h )

natural as piration turbo charged

0 1 2 3 4

40 42 44 46 48 50 52 54 cetane number

pa rtic u la te s ( g/ km )

natural as piration turbo charged

그림 1.19 세탄가에 따른 배기의 변화

그림 1.20 세탄가의 스모크에 대한 영향 0

1 2 3 4

20 30 40 50 60

cetane number white s moke initiation point (mm Hg x 100)

vechicle at 2500rpm

γ = 0.796

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

dies el fuel fuel+direct buty l (S:0.20%) dis ulfide(S:0.55%)

s olid carbon compos ition water s ulfates

s oluble organic fraction particulate emis s ion(g/kW h)

cruis ing s peed.

DI tuirbo engine

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

C B E

fuel

particulates (g/test)

without additive

with additive particulates

0 2 4 6 8 10

C B E

fuel

CO (g/test)

without additive

with additive CO

0 1 2 3 4 5 6 7 8

C B Efuel

HC-NOx (g/test)

without additive with additive

HC - NOx

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

C B E

fuel

HC (g/test)

without additive

with additive HC

그림 1.22 표면첨가제의 배출가스에 대한 영향

400 800 1200 1600

0 20 40 60 80

air/fuel ratio

CO (ppm)

10% water

5% water

dis el without water

CO

0 20 40 60 80 100

0 25 50 75

load (%)

% reuction particulates

5%

10%

20 40 60 80 100

0 25 50 75 100

load (%)

% reduction of SOF

10%

5%

0 20 40 60 80 100 120 140

0 20 40 60 80

air/fuel ratio

UHC

10% water

5% water

dis el without water

HC

그림 1.23 물첨가에 따른 배기농도의 변화

5 10 15 20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Power PS

H C ppm C

2000 rpm 3000 rpm 4500 rpm

0 0.5 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Power PS

H C ppm C

L-2000rpm

L-4500rpm L-3000rpm

H-3000rpm

그림 1.24 수소연료의 연소배출물의 특성

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 5 10 15

power rat

N O x ( ppm )

four-storke

gasoline engine (￠=1.0) four-storke

H2 engine

Two-stroke engine L-method

G

H-meth

37

22

1.7 4.8

Gas oline LH2 MH HP

질량당 에너지밀도 (MJ/kg)

28

7.8 4.4

2.5 Gas oline LH2 MH HP

체적당 에너지밀도 (MJ/ℓ)

그림 1.26 수소의 고압저장법 에너지 밀도

0 2 4 6 8 10 12

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

air/fuel ratio λ unburnt HC emissions (g/kWh)

gasoline

M15

meth

0 5 10 15 20

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 air/fuel ratio λ NOx emis s ion (g/kWh)

gas oline

M1

meth

1.27 알콜엔진의 배출가스 배출 특성

그림 1.28 식물류 엔진의 내구특성 10.5

10.75 11 11.25

大豆 해바라기 땅콩유 면실유

BS FC

Original 정제유

그림 1.29 천연가스 전용의 경량차량 및 매출가스 특성 2.7

0.39 0.18

0.23 0.15 0.11 0.07 0.15 0.02

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

CO THC NOx

배출 가스 의 배 출 율 ( g /k m )

Gasoline regulation Pilot

M ixer

그림 1.30 중량차용, CNG 예혼합불꽃점화엔진의 구성

③ 혼합기 ⑪ 전자제어

④ 감압변 ⑫ 람다센서제어

⑤ 에어필터 ⑬ 산화촉매

⑥ 가스차단변 ⑭ 터보차저

⑦ 가스엔진 ⑮ 공기식

⑧ 가스탱크

그림 1.31 린번방식 엔진시스템의 구성

Homework 1

– 우리나라의 과거 30년 동안 자동차용 연료 (1) 가솔린

(2) 디젤유

연료 성분(옥탄가, 세탄가, S, Pb, etc.)의 변 화 과정을 법규 기준으로 조사하여 보라.

Due date : 일주일 이내