정적연소기 내 바이오디젤-에탄올 혼합연료의 분사압력에 따른 연소 및 배출가스에 관한 연구
엄동섭*·박경균*·동윤희*·이성욱†
An Experimental Study on the Combustion an Emission Characteristics with Injection Pressure of Biodiesel-Ethanol Blending Fuel in CVC
Dongseop Eom, Kyounggyun Park, Yoonhee Dong and Seangwook Lee
Key Words :Biodiesel-ethanol blending(바이오디젤-에탄올혼합유), Constant volume chamber(정적연소기), Visualization (가시화)
Abstract
Ethanol has properties of a lower setting point, higher oxygen contents, lower cetane numbers, and also higher volatility compared to biodiesel. Thus, biodiesel fuel can be improved in the fluidity of blending fuel and exhaust emissions by blended ethanol fuel. This research aims to understand combustion characteristics of biodiesel-ethanol blending fuel inside a constant volume chamber. High speed camera was applied to visualize the physics of development of combustion processes, and combustion pressure and exhaust emissions were measured at several blending ratios of ethanol and biodiesel fuel. This information may contribute to improve the performance of biodiesel engine and reduce emissions in future.
Subscripts ASOI : after start of injection CFPP : cold filter plugging point
BD20 : 20% biodiesel blended with diesel fuel BD20 + E20 : 20% ethanol blended with BD20 BD100 : 100% biodiesel
1. 서 론
식물성기름으로 제조가가능한바이오디젤은재생 가능한에너지인 동시에지구온난화억제에효과적인
카본뉴트럴(Carbon-Neutral) 연료로써주목을받고 있
다. 또한, 인체에대하여무해하며생분해성이높은것
역시낮은환경부하측면에서 이상적인연료의하나라 고말할수있다. 바이오디젤은물리적인성질대부분이 디젤연료와비교해서비슷하거나더우수하다.특히바
이오디젤은일반디젤연료와 열량값도거의같다(1).그 러나바이오디젤은저온유동성이경유에비해대폭떨어 지기때문에상용화에있어서걸림돌이되고있어이를 개선하기위한최근의연구에서는바이오디젤에에탄올 을첨가함으로써저온유동점저하및 PM저감에효과적 이라고보고되고있다. 한편, 첨가된에탄올역시식물로 부터제조가가능하며, 그혼합에있어서바이오디젤의
카본뉴트럴(Carbon-Neutral)한특징이손상될일은없
(2010년 8월 29일접수~2010년 9월 27일심사완료, 2010년 9월
28일게재확정)
*국민대학교자동차공학전문대학원
†국민대학교자동차공학
E-mail : [email protected] TEL : (02)910-4819 FAX : (02)910-4839
다(2).본연구에서사용된에탄올은바이오에탄올과동일
한특성을가지는 99.9% 에틸알콜을사용하였다(3).
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험장치
본연구에서사용한실험기기의개략도를 Fig. 1에나 타내었다. 분무및연소현상을가시화하기위하여실제 대형기관과 유사한 조건으로 bore 123 mm, length
34~77 mm로조절이가능한정적연소기를제작하였다.
정적연소기주변에고속디지털카메라를설치하여 연 료분무및화염의확산형상을촬영하였다. 또한정적 연소기주변장치에흡배기밸브, 압력센서, 점화를 위한
스파크플러그를장착하였고, 촬영을위해양측에직경
153 mm, 두께 68 mm의가시화창을설치하였다. 연소
기내의잔류가스는진공펌프와감압탱크를이용하여 제거하였다.
커먼레일시스템은고압형성을위한고압펌프, 고압 연료를축압하여보내는고압레일, 정밀제어를위한전
자제어식 인젝터로구성되어 있다. Fig. 2는커먼레일
시스템의사진을나타낸것으로인젝터드라이버를사 용하여연료분사량및분사시기를제어하였으며, 정적
연소기내에서압력변화측정을위해피에조식압력센
서를사용하였다.
2.2 실험연료
시험에사용한연료는바이오디젤 20%, 100%와각연
료에에탄올을 부피비로 20%, 40% 첨가한혼합연료
이다. 디젤과바이오디젤의비교시험은기존에많은연 구를통해진행되었기때문에대조군으로디젤연료는제
외하였다. Table 1은두연료의물성치를나타내고있다.
또한각각의혼합연료의 물성치를 Table 2에나타내 었고이는선행연구에서검사한 성적서이다(5). ULSD
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus
Fig. 2 Common rail system
와비교하면바이오디젤 함량비가증가할수록 동점도,
밀도가증가하였고다고리방향족과 지방산메틸에스테 르의함량도많아지는경향을볼수있다. 반면황분, 세 탄지수와윤활성은감소하는경향을 나타내었다. 또한
바이오디젤에에탄올을 첨가하면황분에는 큰변화가 없지만나머지특성은모두감소하는 경향을나타내었 다. 특히인화점의경우는 디젤연료시험기준으로는측 정이불가하였다.
2.3 실험방법
2.3.1 실험조건
Table 3에실험조건들을나타내었다. 연료분사압에따
른혼합연료의특성을보기위하여연료분사압력을 70,
120 MPa 두가지조건으로분무하였고연료분사기간은
1 ms로고정하였다.
정적연소기내에서의디젤기관의연소실조건을구현 하기위해수소와산소, 질소를예혼합연소시켜연소실
내의분위기압이 3 MPa이되었을때혼합연료를분사
하여분무의거동및연소의모습을관찰하였다. 분무가 시화실험에서는고온고압상태의연소실로 분사된연
료가자기착화를일으키지않기위해서예혼합연소후 연소실내존재하는산소가스가 2% 정도되도록예혼합 기의가스분압을조정하였고연소가시화시험시에는 잔존산소의농도가대기중의 상태와동일한조건인
21%가되도록하였다. Fig. 3에수소예혼합연소와혼
합연료의분사개념을나타내었다.
혼합연료의분무및화염발달의실사촬영에는고속 디지털카메라를사용하였으며촬영속도는각각 2,000,
4000 fps로설정하였다. 또한피에조식압력센서를이용
Table 2. Fuel Quality Assurance Report(5)
Clause Fuel ULSD BD5 BD20 BD50 BD100 BD20
+ E40 BD50
+ E20 BD100
+ E20 BD100 + E40
Sulfur Component Wtppm 7.00 6.00 3.00 5.00 1.00 3.00 3.00 1.00 1.00
Kinematic Viscosity@40oC, cSt 2.86 2.903 3.018 3.338 4.066 1.946 2.572 3.019 2.612 Density @ 15oC g/cm3 0.8302 0.8329 0.8409 0.8565 0.8848 0.8229 0.8455 0.8707 0.8553
CETANE INDEX 55 54.6 54.5 52.6 - - - - -
Lubrication µm 356 305 317 260 241 196 177 150 125
Content of Polycyclic aromatic wt% 1.7 3.2 8.5 16.6 30.71 3.36 8.29 26.13 16.72 Content of fatty acid methyl ethyl Vol% 0.5 5.8 21.9 49.2 - 4.7 23.2 38.4 20.9
Table 3. Experimental conditions
Bore × Length 123 × 77 mm
Displacement 915 cm3
Fuel Delivery Direct Injection Injection Pressure 70, 120 MPa Injection Duration 1 ms Ambient O2
Concentration 2(Spray), 21(Combustion) %vol Nozzle Diameter 0.2 mm
Table 1. The properties of two fuels
Fuel Biodiesel Ethanol
Cetane number 57.9 8
Oxygen content(wt %) 11.24 34.8
Boiling point(oC) 200~350 78.4
Density(g/cm2) 0.8815 0.7893
Lower heating value
(MJ/kg) 39.16 26.82
Fig. 3 Pre-ignition of hydrogen
하여압력변화를측정한뒤열발생율을계산하여 연소 를해석하고각혼합연료별착화지연시간을구하였다.
연소압력 데이터는 Labview를 기반으로 하는 DAQ
(Data Acquisition: DAQ Card-6024E)를사용하여수집
하였다. 커먼레일압력조절과인젝터구동전류는인젝 터드라이버를사용하여제어하였으며, 점화시기, 촬영
시기등의모든신호는 CodeVision AVR C언어를사용
하여제어하였다. 연소가종료된후연소생성물분석을
위해서 HORIBA사의 Portable 가스분석기 MEXA-
554JKNOx를사용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 분무 가시화 실험 결과
각연료의분무형태를관찰하기위해정적연소기내 에분사압력에따른바이오디젤, 바이오디젤-에탄올혼
합연료의분무거동을고속카메라를이용하여가시화하
였다. Fig. 4는분사압력에따라각연료의분무발달과
정을분사직후부터 0.5 ms 단위로동일한시간동안촬
영한실제사진이다.
기존에바이오디젤연료와에탄올을각각첨가한혼 합연료의분무발달과정을살펴보면큰차이가 없이 동일한경향을보였다. 이는현재디젤기관에사용되는 고압직접분사방식인 CRDI 시스템의적용으로연료분
사압이높아진결과로생각된다. 이는점도가높은바이
오디젤의분무를원활하게하기위해서에탄올을혼합
한다는것은 CRDI 시스템에서는큰영향을미치지못
한다고판단된다.
3.2 연소 가시화 실험결과
Fig. 5는분사압 70, 120 MPa, 인젝터의분사기간을 1
Fig. 4 Developing Spray process of biodiesel-ethanol fuels in the ethanol ratios (Pamb=3 MPa, Temp.=800oC)
Fig. 5 Developing combustion process of biodiesel-etha- nol fuels in the ethanol ratios (Pamb=3 MPa, Temp.=
800oC)
ms로일정하게유지하였을때연소결과인연소가시화 사진이다.
연소과정을보면분사압이높을수록착화가빨리일 어나며, 연료중바이오디젤의함량이높을수록연소속 도가빠르게일어나는것을확인할 수있었다. 이것은
바이오디젤의높은함산소특성때문에연소가촉진되
는것으로판단된다.
Fig. 6은실험을통해측정된연료별착화지연시간을
나타낸것이다. 여기서착화지연기간은분사가시작되 고인지가능한열발생율이시작되는 시간까지의간격 을측정하여계산하였다.
우선, 연료의 분사압력이높을수록연료입자의무화 및공기와의혼합성이좋아져서점화지연기간이짧아지 는것을 알수있었다(4). 바이오디젤은 디젤보다높은 점도를가지지만, 세탄가가상대적으로높은특징을가 지며, 혼합연료내에바이오디젤의함량이높을수록점
화지연시간이줄어드는것을확인할수있었다. 바이오 디젤에에탄올혼합 시에도에탄올함량이늘어날수록 점도가상대적으로낮아져서 무화특성이개선됨을 예 측할수있으나, 점화지연기간이더늘어나는현상을보
인다. 이것은커먼레일의 고압분사에서는에탄올에의 한점도개선효과보다상대적으로줄어든바이오디젤의 양과낮은세탄가를가진에탄올의증가에대한영향이 더크다고판단할수있다.
Fig. 6 Ignition delay of biodiesel-ethanol fuels
Fig. 7 (a) Heat release rates of biodiesel-etanol fuels (BD20),
(b) Heat release rates of biodiesel-etanol fuels (BD100) Fig. 8 (a) Heat release rates of biodiesel-etanol fuels (BD20), (b) Heat release rates of biodiesel-etanol fuels (BD100)
3.3 열발생율 결과
Fig. 7, 8은각각연료분사압이 70 MPa, 120 MPa일때
바이오디젤 20, 100에서의에탄올혼합에따른열발생
율그래프이다. 분사압 70 MPa일때에탄올의혼합율이
증가함에따라기존의바이오디젤의발열량이줄어들게 되어전체적인열발생량은줄어드는모습을보이고있
다. 하지만이차이는기관의성능에영향을미칠만큼
의양은아니라고판단된다.
분사압이 120 MPa일때는분사압이 70 MPa일때와
마찬가지로에탄올혼합율이 높을수록열발생량이 줄 어든것을확인하였다. 하지만그차이는 70 MPa로분
사했때보다매우적었다. 또한 120 MPa이라는고압으
로연료를분사하기 때문에 70 MPa보다동일한분사
Fig. 9 Emission characteristics of biodiesel-ethanol fuels
(P_inj 70 MPa) Fig. 10 Emission characteristics of biodiesel-ethanol fuels
(P_inj 120MPa)
기간 동안 더 많은 연료가 분사되어서 전체적으로 발생 되는 열량은 많았다.
착화지연의 기간 및 열발생율의 최고점은 예혼합된 연료의 양이 많아짐에 따라 커지게 된다. 선행 연구에서 확인할 수 있듯이 디젤연료에 비하여 바이오디젤과 에 탄올 혼합연료의 경우 열발생율의 감소폭이 상대적으로 작게 나타난다. 이것은 바이오디젤과 에탄올이 가지고 있는 함산소량에 의해 연소가 지속적으로 이루어지고 있음을 알 수 있다.
3.3 배출가스 결과
에탄올 혼합 연료 연소 후 배출되는 가스에 대한 특 성을 Fig. 9, 10에 나타내었다.
전체적으로 연료의 분사압력의 차이와 에탄올율에 따 라서 기존 BD20, BD100연료의 배출가스와 큰 차이를 보이고 있지 않았다. BD20에 에탄올 혼합한 경우를 제 외하고 CO2의 배출은 에탄올 혼합으로 인해 완전연소 가 이뤄진 것으로 판단된다. 나머지 CO, HC, NOx는 에 탄올 혼합율에 따라 큰 변화를 보이지 않았으며, 그 차 이는 0~5% 수준이었다.
4. 결 론
바이오디젤-에탄올 연료의 분무 및 연소 특성에 대해 서 정적연소기와 커먼레일 시스템을 사용하여 바이오디 젤연료의 에탄올혼합비율에 따른 분무 및 연소의 가시 화로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 바이오디젤의 경유대비 높은 점도특성은 바이오 디젤에 에탄올의 혼합율 증가에 의해 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.
2) 연료의 분사압력이 높을수록 연료입자의 무화 및
공기와의 혼합성이 좋아져서 점화지연기간이 짧아지는 것을 알 수 있었다.
3) 바이오디젤의 에탄올 혼합시 함산소량 증가 및 점 도특성에 변화를 가져오게 되며, 연소시에는 에탄올의 혼합량보다는 연료 내에 존재하고 있는 바이오 디젤의 연료특성이 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
4) 연소후 배기가스분석결과 에탄올 혼합율이 증가함 에 따라서 HC, CO, CO2, NOx는 기존 바이오 디젤과 대 비하여 0~5% 차이를 보임을 확인 하였다.
본 실험 결과 기존의 바이오디젤의 단점인 높은 점도 와 동점성을 개선하기 위한 에탄올 혼합 시험으로 분무 에 대한 차이와 발열량의 차이 그리고 배출가스에 대한 차이가 현저히 작으므로 바이오디젤의 단점을 보완한 신 에너지원으로 활용하기 무리 없을 것으로 생각된다.
참고문헌
(1) D. Y. Kim, I. E. Cho and S. W. Lee, “A Study on Spray and Combustion Characteristics Affected by Tempera- tures of Bio-Diesel fuel”, KSAE07-S0082.
(2) Toshio Shudo, Toshiya Nakajima, Hideyuki Ogawa
“Reduction of Smoke and NOx in Biodiesel Combus- tion by Ethanol Blending and EGR”, JSAE, No. 258.
(3) Y. T. Seo, H. K. Suh, S. H. Bang and C. S. Lee, “A Study on the Injection Characteristics of Biodiesel Fuels Injected through Common-rail Injection System”, Jour- nal of KSAE, pp.570~575, 2006.
(4) John B. Heywood, “Internal Combustion Engine Fun- damentals”, McGraw-Hill, Inc. 1988.
(5) D. S. Eom, Y. S Choi, Y. S Cho and S. W. Lee, “Spray and Combustion Characteristics of Biodiesel-Ethanol Blending Fuel”, KSAE pp.1~7, 17th, May, 2009.
