Journal of the Korean Society for Power System Engineering
바이오연료의 디젤엔진 적용에 관한 실험연구
An Experimental Study on Application of Biofuel to Diesel Engine
염정국*†․하형수**
Jeong-Kuk Yeom*†and Hyeong-Soo Ha**
(접수일 : 2013년 10월 04일, 수정일 : 2013년 02월 19일, 채택확정 : 2013년 04월 01일)
Abstract: Compared to gasoline engines, diesel engines with a relatively simple ignition system are more advantageous in the application of biodeisel fuel to engine. Then in this study the comparative analysis on the spray characteristics and combustion emissions characteristic between the biodiesel(soybean oil) and diesel, the fuel for commercial diesel engine, was performed with common rail injection system. Injection pressure and ratio of biodiesel blended fuel were selected as main experimental variables. Consequently, it can be 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 soybean oil and diesel at a fixed injection pressure, in particular, soot creation in combustion emissions in the region of low pressure was greatly affected by the blend ratio of soybean oil, however, the creation in the region of high pressure was almost unaffected by the blend ratio because of promoted atomization.
Key Words：Biodiesel, Blended Ratio, Emission Characteristics, Soybean Oil, Spray Characteristics
*†염정국(교신저자) : 동아대학교 기계공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640
** 하형수 : 동아대학교 기계공학과 대학원
*†Jeong-Kuk Yeom(corresponding author) : Department of Mechanical Engineering, Dong-A University.
E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640
― 기 호 설 명 ―
BD : 바이오디젤 p : 압력 [bar]
T : 온도 [K]
1. 서 론
석유자원의 고갈로 인해 고유가시대가 지속되 고 석유자원의 의존성으로 인한 환경문제가 대두 됨에 따라 기후변화협약에 따른 온실가스 감축목 표에 관한 교토의정서 등이 채택되어 현재 자동 차 내연기관에서 배출되는 배기가스를 줄이고자
많은 연구가 활발히 진행되고 있다.
1,2)바이오디젤 은 바이오매스에너지 중의 하나로서 식물성지방 과 동물성지방으로부터 에스테르교환방법을 통해 트리글리세리드 지방을 에스테르로 전환함에 의 해 만들어진, 산소를 함유한 디젤연료이다.
3)바이 오디젤은 세탄가가 높고 연소 시 입자상 물질 (PM)과 유해가스의 배출이 기존 경유보다 적다.
그리고 물성이 경유와 거의 비슷하여 경유와의
혼합연료로 사용하거나 경유를 대체하여 바이오
디젤만을 사용하기도 한다. 특히 바이오디젤은 순
환성 에너지로서 기후변화협약 또는 국제환경변
화 규제에도 효과적으로 대응할 수 있는 대체연
료로 부각되고 있어 이에 관한 많은 연구가 진행
중이다. Lim 등
4)은 바이오디젤 구성분자와 유도
세탄가 상관관계를 연구하여 자동차의 출력 및 연비 배출가스 개선을 위해 고 세탄가를 지니는 원료 별 바이오디젤 선택에 응용 가능함을 밝혀 내었다. 현재 전 세계적으로 바이오디젤 보급률을 높이기 위한 노력이 지속되고 있으며 우리나라에 서도 바이오디젤 등 석유대체연료의 보급기반을 구축하고, 보급을 제도적으로 뒷받침하기 위하여 2004년 10월 [석유 및 석유 대체 연료 사업법]을 개정하였다. 2006년 7월에 자동차용 바이오 디젤 상용화 개시
5)이후, 정부는 2010년 ‘2차 바이오 디젤 중장기 보급 계획’
6)에 따라 원료수급의 안정 화를 진행하며 2012년까지 당분간 국내에 유통되 는 바이오디젤의 혼합 비율을 2.0%로 유지할 계 획이다. 이처럼 바이오 디젤 연료는 국내외에서 신재생에너지로서 각광 받고 있는 실정이지만 바 이오 디젤 연료는 현재 상용되는 차량에 적용 시 연료필터계통에서의 막힘 현상과 분무 미립화 등 에 문제점이 있다. 이에 관해 Park 등
7)은 노즐 형 상비 및 분사압력이 바이오 디젤 연료의 노즐 내 의 캐비테이션(cavitation) 및 노즐 외부 유동에 미 치는 영향을 실험적으로 연구하여 캐비테이션이 분사된 연료의 미립화를 촉진시키는 결과를 얻어 내었고, Kim 등
8)은 커먼레일 시스템을 바탕으로 바이오 디젤연료의 혼합비율 연료 온도 변화에 따른 연료 필터 양단의 압력 변화 및 분무 및 분 무거동을 연구하여 분무에 있어 점성이나 밀도에 의한 차이보다는 분사압력의 영향을 지배적으로 받았다는 연구결과를 보였다. 또한 Park 등
9)및 Lim 등
10)은 바이오디젤을 상용 엔진에 적용해 연 료의 경유와의 혼합비와 엔진부하를 변화시킴에 따른 엔진성능과 배기특성을 평가하였고, Lee 등
11)
은 커먼레일 디젤엔진에 경유와 BD20 연료를 사용하여 연소특성 및 배출물저감특성을 연료 분 사압력과 엔진회전수 변화에 따른 연소특성실험 을 실시하여 함산소연료인 바이오디젤의 경우가 연소가 활발하여 그 결과 NO
x발생을 증가시키 고, Soot 배출은 감소되었고, 분사압력의 증가 역 시 NO
x증가와 Soot 감소의 결과를 얻었다.
따라서 이 연구에서는 차후 바이오디젤의 차량 적용을 위한 기초실험연구로써 바이오디젤 연료 중대두유를 선택하고 그 바이오연료를 경유에 혼
Injection nozzle
Type : 7 holes bosch nozzle Diameter of hole : 0.12[mm]
Ambient gas Air Ambient temperature T
a[K] 298
Injection pressure p
inj[bar]
500, 1000, 1500, 1600Injection duration t
inj[ms] 500
Injection fuel
-Diesel only(BD2) -Diesel + Soybean
oil by volume % (BD3, 5, 20, 30, 50, 100) Table 1 Experimental conditions for spray analysis
합하여 가시화장비를 이용한 분무거동과 실제 엔 진을 이용한 엔진 배출물특성 해석연구를 실시하 였다. 대두유는 현재 국내에서 사용되고 있는 바 이오디젤에 대한 바이오연료의 혼합비 및 분사압 력을 선택하였다. 그리고 그 실험변수가 분무거동 및 엔진배출특성에 어떠한 영향을 미치고, 특히 연소배출 특성에 분사압력변화와 함께 연료혼합 변화가 미치는 영향을 상호 비교하여 상세히 알 아보고자 한다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 분무가시화 실험
이 연구에서는 경유와 바이오디젤 혼합연료의
분무 거동특성을 분석하기 위하여 가시화 장치를
구성하였다.(장치에 대한 상세는 참고문헌
12)을 참
조.) 실험에 사용된 연료는 필터를 통하고, Pride
U-engine 고압펌프와 보쉬 커먼레일을 통해 인젝
터로 공급되었다. 인젝터의 분사기간 및 분사압력
은 ECU로 각각 100ms에서 4000ms, 500bar에서
1600bar까지 제어할 수 있도록 하였다. 실험연료
의 분무는 고속카메라인 Phantom사의 Miro-4C와
1000W 용량의 텅스텐-할로겐 램프 2대를 사용하
여 가시화 하였다. 일반적으로 가시화를 위한 '광
원선택에 있어서는 연속광
13,14)과 단속광
15)을 사용
하나 이 연구에 있어서는 촬영기간 동안 연속광
을 사용하였고, 실내조명(형광등)
13,14)에서 촬영한
이미지의 결과보다 더 선명한 이미지를 얻기 위
하여 텅스텐-할로겐 램프를 설치하여 실험을 실시 하였다. 모든 실험은 대기압, 상온상태에서 실시 하였고, 분사기간은 500ms로 고정하였다. 분사 압 력, 사용연료 및 연료 혼합비율을 실험 변수로 설 정하였고, 분사압력은 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 변화시켰다. 사용연료는 경유(BD2), 경 유(BD2)+대두유를 원료로 하는 혼합바이오디젤을 사용하였으며, 각각의 혼합비를 BD3, BD5, BD20, BD30, BD50 및 BD100으로 설정하여 실험하였다.
분사압력, 분사기간 및 사용 혼합연료의 상세는 Table 1에 나타낸다.
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus for engine combustion analysis
2.2 엔진 배기특성 실험
이 실험에서는 바이오디젤을 커먼레일 디젤엔 진에 적용하여 배기특성을 경유의 경우와 비교하 여 분석하였다. Fig. 1에 나타낸 실험 장치는 직분 사식 커먼레일 디젤엔진과 연료공급장치, 엔진제 어장치, 엔진의 부하를 제어하는 EC동력계, 데이 터 취득 시스템, 배기가스 분석장치 및 매연측정 기로 구성되었다. 엔진제어는 INCA V5.4 프로그 램과 ECU를 사용하여 실시하였고, 배출가스는 배 기가스 분석장치(Horiba, MEXA-554JK)와 매연 측 정기(AVL, smoke meter 415S)를 사용하여 측정하 였다. 사용연료는 경유와, 대두유를 베이스로 하 는 바이오디젤-경유 혼합유를 사용하였고 실험변 수로써 각 연료의 혼합비를 설정하였다. 또한 분
사 당 1.6mg의 파일럿 분사와 함께, 분사압력을 각각 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200 bar 로 설정하고 각 혼합연료를 분사해 엔진 배기특 성 실험을 실시하였다. 자세한 실험조건은 Table 2에 나타내었다.
Table 2 Experimental conditions for emissions analysis
Engine Type : CRDI Engine speed [rpm] 1500
Engine load [Nm] 80 Injection timing
[deg.]
pilot BTDC 10 main TDC Compression ratio 10.5 Coolant temperature [℃] 90
Injection pressure [bar] 400,600,800,1000,1200
Test fuels
- Diesel only (BD2) - Diesel + Soybean oil
by volume %
(BD3, 5, 20, 50, 100)
3. 결과 및 고찰
3.1 분무거동 특성 해석
3.1.1 분무선단 도달거리변화 결과 고찰
Fig. 2는 연료 분사노즐 정면에서 촬영한 이미
지이다. 분무선단도달거리는 분무거동에서 관통성
과 혼합기형성의 공기이용률과 관계되어 실제 디
젤엔진의 설계 시 연소실의 크기와 형상 등을 결
정하는 중요한 요인으로, 이 논문에서는 정면도로
써 그 경향을 나타내었고 거리 계측은 이미지 상
에서 시각으로 확인 가능한 분무를 선택하여 실
측하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 분무선단도
달거리는 분사압력에 지배적인 영향을 받고 고압
인 경우가 저압인 경우와 비교해 보다 신속하게
분무가 성장하는 기존의 경유 단일성분 연료의
분무특성과 일치하나 바이오디젤 혼합연료의 혼
합비 변화에 따른 분무거동특성은 관측하기 어려
웠다. 이는 높은 점도를 가지는 바이오디젤 연료
의 원료가 바이오디젤 제조과정에서 에스테르 교
환 반응을 거치며 비교적 경유와 물성이 유사해
(a)
pinj=500bar (b) p
inj=1000bar
(c)
pinj=1500bar (d) p
inj=1600bar Fig. 2 Images of spray behavior of soybean oil with injection pressure (front view) 졌기 때문이라고 판단된다.
16)3.1.2 분무각변화 결과 고찰
분무각은 다공홀 노즐의 형상 및 분사압력 등 에 영향을 받으며 이 실험에서는 Fig. 3에 나타냈
듯이 측면 이미지 상에서 노즐로부터 정의한 가
상의 수직선으로부터 분사 액주의 중심까지의 각
도 q를 고속 카메라를 통해 획득한 이미지를 모니
터 상에서 부속 프로그램을 이용하여 직접 측정
하였다. 측정한 결과는 시간변화에 따라 Fig. 4에
(a) p
inj=500bar (b) p
inj=1000bar
(c) p
inj=1500bar (d) p
inj=1600bar
Fig. 3 Images of spray behavior of soybean oil with injection pressure (side view)
(a) p
inj=500bar (b) p
inj=1000bar
(c) p
inj=1500bar (d) p
inj=1600bar
Fig. 4 Comparisons of spray angle and spray penetration in each injection pressure taken from images 분무선단도달거리와 함께 나타냈다. 그림중의 범
례는 혼합비변화에 대한 y축의 분무각(좌) 및 분 무선단도달거리(우)를 각각 나타낸다. 분무각은 전체적으로 약 13° 부근에 분포하며 연료의 종류 나 혼합비에 따른 변화는 거의 나타나지 않았고, Fig. 4에서 굵은 점선으로 나타낸 값은 분사 후 동일한 시간에 있어 각 연료에 해당하는 측정 분 무각의 단순 산술평균치로써 압력이 증가함에 따 라 미소하게 감소하는 경향을 알 수 있으나 뚜렷 한 변화는 나타나지 않았다.
3.2 엔진 배기특성 해석
3.2.1 분사압력 증가에 따른 배기특성
바이오연료인 대두유를 실제 엔진에 적용한 실
험에서는 엔진 내 노즐의 분사압력을 각 연료에 대하여 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200bar 로 설정하고 연소실험을 실시하였고, 그 배기특성 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5의 x축에 는 분사압력의 변화를 y축에는 측정한 각 배출물 들을 나타내었다.
그리고 그림중의 범례는 혼합비변화에 대한
좌․우 y축의 배출물 들을 각각 나타낸다. 우선
분사압력의 증가에 따라 NO
x와 CO
2배출은 증가
하는 경향을 보였고 Soot와 O
2는 감소하는 경향을
보였다. 이는 기존의 연구결과
8)와 마찬가지로 분
사압력의 증가에 따른 분무의 미립화개선으로 분
사 연료의 부피에 대한 전체 표면적이 증가하고
산화제와의 접촉이 수월해짐으로 인한 연소반응
이 보다 활발하게 일어나기 때문이다. 이러한 과 정으로 인해 CO
2생성 반응이 촉진되고, 반응 산 소 부족으로 인한 Soot 발생은 감소하며 활발한 연소로 NO
x생성조건인 1500℃ 이상의 고온에 신 속하게 도달하게 되어 NO
x생성이 촉진됨을 알 수 있다.
3.2.2 바이오디젤 혼합비 변화에 따른 배기 특성
이 실험에서 바이오디젤 혼합연료의 혼합비를 각각 체적비 3%(BD3), 5%(BD5), 20%(BD20), 50%(BD50), 100%(BD100, biodiesel only)로 설정, 제작하여 현재 시중에 유통되고 있는 바이오디젤 2% 포함 경유 BD2와 비교하여 연소실험을 실시 하였다. 결과는 Fig. 5에 각각의 혼합비에 해당하 는 연료를 각 심볼로써 표현했다. 바이오디젤 함 량이 높아질수록 Soot와 HC 배출은 감소하는 경 향을 보였으며 NO
x와 CO
2배출은 증가하는 경향 을 보였다. 특히 Soot 배출은 저압에서 확연한 차 이를 보였다. 이는 바이오디젤 연료 내 포함된 산 소에 의한 영향으로 보이며, 바이오디젤 함량이 높아질수록 연소반응이 수월해져 산소와 반응하 지 않은 연료가 줄어들게 되어 결과적으로 Soot와 HC 배출량이 줄어든 것으로 판단된다. 또한 함산 소연료인 바이오디젤의 함량증가로 보다 급격한 연소가 NO
x생성을 촉진시켰음을 알 수 있다. 전 술한 분사압력 및 바이오디젤 혼합비 변화에 따 른 엔진 배출물특성을 정리하면, 먼저 NO
x와 CO
2의 경우는 각 바이오디젤연료 혼합에 따른 영향 보다는 분사압력의 영항이 크고, Soot의 경우는 저압분사영역(p
inj≤600bar)인 경우는 연료혼합비와 분사압력의 영항이 크나, 고압분사쪽으로 갈수록 그 영향은 작아진다. 그리고 O
2의 경우는 연료혼 합의 영향이 분사압력 보다 조금 크며, HC의 경 우는 분사압력의 영향은 거의 받지 않고, 연료의 혼합에 영향을 받음을 알 수 있다. 이러한 결과들 을 종합하면 바이오연료를 디젤엔진에 적용 시 요구되는 배출물특성의 목표를 달성하기 위해서 는 적절한 연료의 혼합비 및 그것에 대응하는 분 사압력이 존재할 것이며, 그 정량적인 정확한 값
은 바이오연료 적용대상 엔진의 종류 및 사용목 적에 따라 달라질 것이다.
Fig. 5 Combustion characteristics of engine with blended ratio of the biodiesel
4. 결 론
이 연구에서는 분무가시화 장치와 실제 엔진을
이용하여 바이오디젤 연료의 혼합비 변화 및 분
사압력변화에 대해서 분무거동특성 및 엔진배기 특성을 해석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 바이오디젤연료 분무거동 특성 해석의 결과 로서 분사압력 및 바이오디젤 연료 혼합비율에 따른 분무선단도달거리는 분사압력이 고압의 경 우가 저압인 경우와 비교해 증가하는 기존의 단 일 경유사용 실험결과와 동일하였으나, 분사압력 이 동일한 경우 바이오디젤 연료 혼합비 변화에 따른 분무선단도달거리 변화특성은 거의 동일함 을 보였고, 분무각은 연료의 종류나 혼합비에 따 른 변화는 거의 나타나지 않았다. 이러한 혼합연 료의 혼합비에 따른 물성변화가 분무거동에 미치 는 영향이 미미한 이유는 바이오디젤의 원료가 제조공정 중 에스테르 교환반응을 거치며 점도가 낮아지는 등 물성이 경유화 되었기 때문이라고 판단된다.
(2) 바이오디젤 연료 적용 엔진 배기특성 해석 의 결과로서 먼저 NO
x와 CO
2의 경우는 각 바이오 디젤연료 혼합비 변화에 따른 영향 보다는 분사 압력의 영항이 크고, Soot의 경우는 저압분사영역 (p
inj≤ 600bar)인 경우는 연료혼합비와 분사압력의 영항 모두 크나, 고압분사쪽으로 갈수록 그 영향 은 작아진다. 그리고 O
2의 경우는 연료혼합비의 영향이 분사압력보다 약간 크며, HC의 경우는 분 사압력의 영향은 거의 받지 않고, 연료의 혼합에 지배적 영향을 받음을 알 수 있다. 이러한 결과들 은 바이오연료를 디젤엔진에 적용 시 요구되는 배출물특성의 목표를 달성하기 위해서는 적절한 연료의 혼합비 및 그것에 대응하는 분사압력이 존재하는 것을 나타내고, 차후 보다 많은 실험조 건에서의 연구가 필요하다고 판단된다.
후 기
이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재 원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받 아 수행된 것임(2012-0003650).
참고문헌
