Effects of Fuel Injection Conditions on Spray Characteristics of Commercial Biodiesel Fuel

상용 바이오 디젤의 분사 조건 변화에 따른 분무 특성

홍연기

^*

^†

Effects of Fuel Injection Conditions on Spray Characteristics of Commercial Biodiesel Fuel

Yeon Ki Hong and Mun Soo Chon

Key Words: Biodiesel( 바이오 디젤 ), Spray Characteristics( 분무 특성 ), Blending Ratio( 혼합비 ), Injection Condition ( ^{분사 조건} )

Abstract

The objective of this study was to investigate the spray characteristics of commercial biodiesel fuel at various fuel injection conditions. To examine the effect of various factors on the development of a biodiesel sprays, experiments were conducted at the various injection pressures, ambient pressures and blending ratio of bio-diesel fuels. As a result of experimental study, it was shown that the increase of blending ratio of biodiesel had little influence on spray behaviors under applied fuel injec- tion condition in this study. Because macroscopic characteristics of biodiesel-blended diesel fuel were almost same as that of petrodiesel fuels, it was found that the commercial biodisel is applicable to conventional diesel engine.

1. 서 론

최근 화석 연료 사용 및 수송용 차량의 급증으로 대 기질의 오염이 더욱 심각해지고 있다 . 국내의 경우 에너 지 총 사용량의 25% 를 수송 부문이 차지하고 있으며 대 기 오염의 80% ^{는 수송 차량의 배출 가스에 의해 유발}

되는 것으로 알려져 있다 . 수송 부문에 의한 대기 오염 원 중 가장 심각한 것은 미세 먼지로 보고되고 있으며 ,

이는 화물 차량 , ^{대형 차량 및} SUV ^{차량에 장착된 디젤}

기관으로부터 대부분 배출된다 . 뉴욕 , 런던 , 도쿄와 같

은 해외 주요 도시들의 미세먼지 오염도가 대략 20~30

μ g/m

인데 비해 우리나라 수도권은 60~68 μ g/m

인 것 으로 측정되어 그 오염도가 심각한 것으로 나타났다 . ^또

한 화석 연료를 사용하

는 차량의 증가는 미세먼지 증가 뿐 아니라 이산화탄 소 배출에 의한 지구온난화를 가속화 시키므로 이산화 탄소 배출 절감 및 이산화탄소 배출권 거래를 위한 대 책이 시급한 실정이다

.

바이오 디젤은 일반적으로 연소 기관 적용을 목적으 로 식물성 , ^{동물성 유지와 같은 재생 가능한 생물학적 자}

원을 화학적으로 변환하여 얻어지는 긴 사슬 지방산 모 노알킬에스터로서 기존의 디젤유를 대체하기 위한 연료 유를 말한다 . ^{식물유의 경우 보통 자유 지방산} , ^인지질 ,

스테롤 , 물과 기타 불순물이 존재할 뿐 아니라 점도가 높 아 연료유로의 직접적 사용은 어렵다 . 따라서 이러한 문 제점들을 극복하기 위해 전이에스테르화 (transesterifi-

cation), ^열분해 , ^{에멀젼화와 같은 화학적 변환을 거쳐야}

한다 . 이 중 전이에스테르화는 식물유로부터 환경적으 로 안전하고 내연기관에 적합한 연료를 생산하는데 있 어 가장 많이 이용되는 과정중 하나이다

.

이러한 바이오 디젤은 생분해성이 있고 독성이 없으 며 기존 디젤에 비해 미세먼지 배출량이 대폭 낮아진다 는 장점을 가지고 있다 . ^{기존 디젤에 바이오 디젤} 20%

(2008

3

15

~ 2008

3

22

)

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (043)841-5292 FAX : (043)841-5280

*

를 혼합한 BD

^{을 사용할 경우 기존 디젤만 사용했을}

경우에 비해 미세먼지의 약 20%, 일산화탄소의 약

20%, 탄화수소의 약 30% 를 감소시킬 수 있다는 결과가

보고되었다

.

따라서 바이오 디젤의 생산에 필요한 촉매 및 공정 개발을 통한 지속적인 품질 확보 , 연료의 장기간 저장에 대한 품질 안정성에 관한 연구와 더불어 자동차용 디젤 기관에 적용하기 위한 연료의 분무 특성 , 기관의 성능

및 배기 특성에 관한 많은 연구가 진행되고 있다

.

본 연구에서는 상용을 목적으로 전이에스테르화 반응 ,

알칼이 촉매반응 및 증류 공정 등의 상업 공정을 통해 생산된 바이오 디젤의 연료 분사압력 , 혼합비 변화 및 분위기 압력변화에 따른 연료의 분사율을 측정하고 분 무 특성을 가시화함으로써 거시 분무 특성을 실험적으 로 규명하였다 .

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

상용화 바이오 디젤 제조공정을 통하여 생산된 바이 오 디젤 연료의 분사 특성에 필요한 측정 자료를 확보 하고 , ^{분사율이 미치는 영향을 예측하여 기관 적용 검토}

성을 확인하고자 연료 분사율 특성을 파악하였다 . 연료

분사율 특성은 Bosch 법을 이용한 단위시간당 분사율 측

정 장치를 사용하였다

.

한편 , Fig. 1 ^{은 바이오 디젤 연료의 분사 조건 변화에}

따른 분무 가시화 및 분무발달과정을 촬영하기 위한 가 시화 시스템의 개략도를 나타낸다 . 광원으로는 수냉식

5W Ar-ion ^{레이저를 사용하였고} , ^{광학계로부터 형성된}

레이져 시트빔을 이용하여 분무의 단면을 가시화하였다 .

가시화된 연료의 분무 이미지는 256(H)×512(V) 의 해상

도 및 15,000 fps ^{시간 분해능을 갖는 고속 카메라}

(FastCam-APX RS 250KC, Photron) 를 이용하여 취득하 였다 . ^{또한 인젝터 드라이버로 분사 신호를 조절하였으}

며 , 신호 발생기 (digital pulse/delay generator 555, BNC)

를 이용하여 인젝터의 분사신호와 카메라 노출 시간을 동기시켰다 . ^{분무 가시화 시스템의 구체적인 제원은} Table 1 에 나타내었다 .

실험에 사용된 인젝터의 노즐 지름과 깊이는 각각

0.3, 0.8 mm ^인 2.67 ^{의 형상비} (L/D) ^{를 갖는 커먼레일식}

전자 제어 단공 인젝터로 개변압이 12 MPa 이고 최고

160 MPa 까지 고압 분사가 가능하도록 설계되었다

.

2.2 실험 조건 및 방법

바이오 디젤과 일반 디젤의 연료 분사율을 비교하기

위한 연료 분사율 실험 조건을 Table 2 에 나타내었다 .

연료 분사율 측정 실험의 경우 , ^{동일한 분사량 조건을}

만족시키기 위하여 연료 분사량을 일정하게 유지시키면 서 분사압력을 80 MPa 에서 100 MPa 로 증가시켰다 . 또 한 바이오 디젤 연료의 혼합비 변화에 따른 분사율 특 성을 고찰하기 위하여 일반 상용 디젤 연료와의 혼합

비율을 각각 0%, 20%, 40% 로 변화시켰다 .

한편 , ^{분무의 발달과정을 가시화하고} , ^{분무의 도달 거}

Fig. 1 Schematics of a spray visualization system

Table 1 Specifications of a spray visualization system Light source Water cooled Ar-ion laser

Wavelength 488 nm, 514.5 nm

Laser power 5W (max.)

Beam thickness ≤ 1 mm

Camera resolution 256(H)×512(V) pixels Time resolution 15,000 fps

Table 2 Experimental conditions Injection system common rail type

Number of holes 1

Hole diameter 0.3 mm

Inection pressure 60, 80, 100 MPa Injection quantity 8 mg

Blending ratio 0, 5, 10, 20, 40, 100%

Ambient condition 0.1 MPa, 3 MPa, 293K Energizing duration 0.511 msec at 80 MPa

0.452 msec at 100 MPa

1.0 msec (only visualization)

리를 정량화하기 위한 분무 가시화 실험의 경우 분사압

력을 60 MPa, 80 MPa, 100 MPa 로 변화시켜 분사압력

변화에 따른 분무 특성을 확인하였다 . 또한 분위기 압력 변화에 따른 분무 거동을 살펴보기 위하여 분위기 압력 을 각각 0.1 MPa, 1.0 MPa, 3.0 MPa 로 변화 시켰으며 ,

바이오디젤과의 혼합비는 0%, 5%, 10%, 20%, 100% 로 변화시켰다 . ^{이 때} , ^{분사 기간인 인젝터의 솔레노이드}

통전 시간은 1.0 ms, 가시화 촬영은 초당 15,000 프레임

으로 100 프레임을 연속 촬영하였다 . 자세한 실험 조건

을 Table 2 ^{에 정리하여 나타내었다} .

3. 바이오 디젤 제조공정

본 연구에 적용된 국내 A 사의 바이오 디젤 제조공정을

Fig. 2 에 나타내었다 . 제조공정은 식물유에 알콜과 촉매

를 첨가한 후 진행되는 전이에스테르화 반응 공정과 부 산물 또는 미량의 불순물을 제거하기 위한 침강 , 정제 및 증류 단계로 구성된다 . 본 연구에서 사용된 식물유는 대

두유로서 디검 (degum) ^{과정과 탈산 과정을 거친 정제유이}

다 . 식물유의 대부분을 차지하는 트리글리세라이드는 알 카리 촉매를 이용하여 모노알킬에스터로 변환되며 본 연

구에서는 촉매로써 sodium methoxide ^{를 이용하였다} .

반응 이후에는 반응 중 형성된 비누성분 뿐 아니라 각

종 염과 미반응 메탄올 제거를 목적으로 수세 (washing) 를

거쳐 국내 바이오 디젤 품질 규격을 최종적으로 만족하 기 위한 증류 공정을 거치게 된다 . ^{증류는 감압 조건하}

에서 실시되며 해당 공정에서는 미반응 유지 성분 , 금속 염 , 그리고 잔류 탄소분을 비롯한 중질 오염물등이 분리 되고 최종 제품의 색도를 향상시킴은 물론 황성분 및 잔류 글리세린을 제거가 이루어진다

.

이상의 공정을 거쳐 제조하여 측정한 바이오디젤의

주요 물성치를 Table 3 ^{에 나타내었다} .

4. 결과 및 고찰

4.1 연료 분사율 특성

Figure 3 및 Figure 4 는 각각 바이오 디젤 연료의 혼

합비가 각각 0%, 20% ^{인 조건에서 일정량의 연료}

(= 8 mg) 를 분사할 경우 , 분사압력변화에 따른 분사율

특성을 측정하여 나타낸 것이다 . 선도에 나타나 있듯이 동일한 양의 연료를 분사할 경우 , ^{분사압력이 높을수록}

분사 기간이 짧아지고 있는 것으로 나타났으며 , 이러한 경향은 바이오 디젤 연료를 혼합한 경우에도 동일하게 나타나 바이오 디젤 연료의 첨가로 인한 연료 분사량 특성의 변화는 무시할 수 있음을 알 수 있다 .

Fig. 2 Block diagram of biodiesel manufacturing process

Table 3 Properties of the biodiesel in this study

Properties Biodiesel Diesel

Ester contents (%) ≥ 96.5 97.7

Density (kg/m

, 15°C) 860~900 885

Carbon residue (%) ≤ 0.1 0.02

Sulfur content (mg/kg) ≤ 10 2

CFPP (°C, BD

) -15~0 -13

Viscosity (mm

/s, 40°C) 1.9~5.0 4.337

Flash point (°C) ≥ 120 54

Cetane number TBD* 51.8

CFPP: Cold Filter Plugging Point

TBD, To be determined

한편 , 바이오 디젤 연료의 혼합비 변화가 분무 도달거 리에 미치는 영향은 Fig. 11 ^및 Fig. 12 ^{에 나타내었다} .

이 때 , 연료의 분사압력은 80 MPa 및 100 MPa 이며 , 바

이오 디젤 연료의 혼합비는 0%, 5%, 10%, 20%, 40%

및 100% 로 변화시켰다 . 선도에 나타나 있듯이 바이오

디젤 연료의 혼합비가 증가할수록 최고 분사율은 떨어 지고 분사 기간은 조금씩 길어지고 있음을 알 수 있다 .

이러한 결과는 바이오 디젤의 혼합비가 증가할수록 연 료의 점도가 증가하기 때문에 나타나는 현상으로 판단 할 수 있으며 , 혼합비가 증가하여도 분사 기간이 길어져 분사량의 변화는 없는 것을 확인할 수 있다 .

4.2 분무 발달과정

Figure 5 는 바이오 디젤의 혼합비가 0% 인 경우 분사

압력을 각각 60 MPa, 80 MPa, 100 MPa ^{로 변화시켰을}

때 동일 분무를 연속 촬영하여 나타낸 것이다 . 분사 기 간이 경과할수록 분무 도달 거리가 증가하고 있으며 , 분 사압력이 증가할수록 분무 도달 거리가 증가하고 있음

을 알 수 있다 . 또한 분사압력이 60 MPa 인 경우에는 상 대적으로 분사압력이 낮아 초기 분무가 늦게 나타나고 있으며 , 분무 도달 거리도 다소 작게 나타나고 있음을 알 수 있다 .

바이오 디젤의 혼합비가 0% 인 경우의 분위기 압력변

화에 따른 분무 가시화 결과는 Fig. 6 에 나타내었다 . 이

때 연료의 분사압력은 100 MPa, ^{분위기 압력은 각각} 0.1 MPa, 1.0 MPa, 3.0 MPa 이다 .

분위기 압력이 대기압인 경우에는 주위 압력의 영향 이 상대적으로 작기 때문에 분사 기간이 경과에 따른 분무 도달 거리가 빠르게 증가하고 있다 . 분위기 압력이

1.0 MPa 인 경우를 살펴보면 , 분무 시간 경과에 따른 분

무 도달 거리가 상대적으로 작게 나타나고 있으며 , ^분무

시간이 많이 경과할수록 그 영향은 더욱 크게 작용하여

분사 기간이 0.867 msec 인 경우에는 분무 도달 거리가

0.1 MPa 인 경우의 약 70% 수준인 것으로 나타났다 . 이

Fig. 3 Effect of injection pressure on fuel injection rate (BD

)

Fig. 4 Effect of injection pressure on fuel injection rate (BD

)

Fig. 5 Effect of injection pressure on spray development (BD

, P

= 0.1 MPa)

Fig. 6 Effect of ambient pressure on spray development

(BD

, P

= 100 MPa)

러한 경향은 분위기 압력이 3.0 MPa 인 경우에 더욱 현

저하게 나타나고 있어 분무 도달 거리가 0.1 MPa 인 경

우의 약 40~50% 수준인 것으로 나타났다 .

한편 바이오 디젤의 혼합비가 20% ^{인 경우의 연료의}

분사압력 및 분위기 압력변화에 따른 분무 가시화 결과 를 각각 Fig. 7 과 Fig. 8 에 나타내었다 . 가시화 결과에서 알 수 있듯이 바이오 디젤 연료의 혼합비가 20% ^{인 경}

우의 연료 분사압력 및 분위기 압력변화에 따른 분무

도달 거리와 분무폭은 Fig. 5 와 Fig. 6 에 나타낸 혼합비

가 0% ^{인 경우와 거의 동일한 경향을 갖는 것으로 나타}

나 바이오 디젤의 혼합비 변화가 거시적인 분무 특성에 미치는 영향은 크지 않음을 알 수 있다 .

이러한 가시화 결과를 종합적으로 정리하기 위하여

Fig. 9 와 Fig. 10 에 바이오 디젤 연료의 혼합비 변화에

따른 분무 발달과정을 정리하여 나타내었다 . 이때의 연 료 분사압력은 각각 80 MPa, 100 MPa 이며 , 분위기 압

력은 1.0 MPa ^이다 .

가시화 결과를 살펴보면 , 분부 초기에는 분무 도달 거

리가 급격하게 증가하다 분사 시작 후 약 0.6 msec 를 지

Fig. 7 Effect of injection pressure on spray development (BD

, P

= 0.1 MPa)

Fig. 8 Effect of ambient pressure on spray development (BD

, P

= 100 MPa)

Fig. 9 Effect of blending ratio on spray development (P

= 80 MPa, P

= 1.0 MPa)

Fig. 10 Effect of blending ratio on spray development (P

= 100 MPa, P

= 1.0 MPa)

나면서 분위기 압력의 영향으로 인하여 그 증가폭이 점 차로 완화되는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다 . 또 한 , 분무 도달 거리 , 분무폭 등과 같은 거시적 분무 특 성은 동일 분사

압력에서 바이오 디젤의 혼합비와 관계없이 거의 동 일한 경향을 나타내고 있어 바이오 디젤 혼합비 변화에 따른 연료의 점성 변화가 거시 분무 특성에 미치는 영 향은 미미하다는 것을 확인할 수 있다 .

이와 같은 가시화 결과를 정량화하기 위하여 인젝터 노즐 선단으로부터 분무 도달 거리인 분무 관통도를 구 하였으며 , ^{그 결과를} Fig. 11 ^과 Fig. 12 ^{에 나타내었다} .

선도에 나타나 있듯이 본 연구에 사용된 바이오 디젤 연료의 분무 관통도는 동일 분사 조건에서 혼합비와 관 계없이 거의 동일한 값을 갖는 것으로 나타나 바이오 디젤 연료의 혼합에 의한 점성의 변화가 분무의 거시 특성에 미치는 영향은 미미하다는 것을 다시 한 번 확 인할 수 있다 .

5. 결 론

본 연구에서는 상업 공정을 통해 생산된 바이오 디젤 의 연료의 자동차용 디젤 기관에 적용하기 위한 가능성 을 확인하기 위하여 연료의 분사압력 , 혼합비 변화 , 분 위기 압력변화 등과 같은 분사 조건 변화에 따른 분무 특성을 연료 분사율 측정 장치 및 분무 가시화 실험 장 치를 이용하여 규명하였으며 , 그 결과 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다 .

1) ^{본 연구에 사용된 바이오 디젤 연료는 혼합비가 증}

가할수록 최고 분사율은 떨어지고 분사 기간은 증가하 는 경향을 보였으며 , 혼합비 가 증가하여도 분사 기간이 길어져 분사량의 변화는 없는 것을 확인할 수 있다 .

2) ^{분사압력이 증가할수록 분무 도달 거리는 증가하}

였으며 , 분위기 압력이 증가할수록 분무 도달 거리는 감

소하는 것으로 나타났다 . 한편 , 분위기 압력이 1.0 MPa

인 경우 , ^{분사 후} 0.867 msec ^{에서 분무 도달 거리는 분}

위기 압력이 0.1 MPa 인 경우의 약 70% 수준인 것으로

나타났다 . 이러한 경향은 분위기 압력이 3.0 MPa 인 경

우에 더욱 현저하게 나타나고 있어 분무 도달 거리가

0.1 MPa 인 경우의 약 40~50% 수준인 것으로 나타났다 .

3) 분무 가시화 결과 , 동일 분사압력 및 동일 분위기

압력 조건에서 본 연구에 사용된 바이오 디젤 연료의 혼합 정도에 관계없이 분무 도달 거리 및 분무폭 등과 같은 거시 분무 특성이 거의 동일한 값을 갖는 것으로 나타났다 .

4) ^{이상의 결과로 볼 때} , ^{본 연구에 적용된 바이오 디}

젤 연료는 기존의 디젤 엔진에 적용 가능성이 매우 높 은 것으로 판단되며 , 분위기 압력의 증가가 분무 도달 거리를 현저하게 감소시켜 실제 엔진에서는 이에 따른 분사 시기 및 연소실 형상 등에 대한 최적화가 이루어 져야 될 것으로 판단된다 .

후 기

이 논문은 충주대학교 대학구조개혁 지원사업비 ( 교육 인적자원부 지원 ) 의 지원을 받아 수행한 연구입니다 .

참고문헌

(1) “대기 오염물질 배출량 통계”, 국립환경과학원, 2005.

Fig. 11 Effect of blending ratio on spray tip penetration (P

= 80 MPa, P

= 1.0 MPa)

Fig. 12 Effect of blending ratio on spray tip penetration

(P

= 100 MPa, P

= 1.0 MPa)

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(3) “

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