Basic Study on Spray Behavior for Application of Biofuel to Diesel Engines (Palm Oil-Considering Viscosity)

기호설명

- -

p : 분사압력, bar T : 주위온도, K

하첨자

a : 주위 분위기( ) inj : 분사

w : 물

1. 서 론

천연 자원 고갈과 환경오염의 심각성이 부각되 고 있는 현재, 세계 각국에서는 내연기관에서의 배기가스 감소에 대한 관심이 커지고 있을 뿐만 아니라 배기가스 규제가 강화되면서, 관련연구기 관 및 기업에서는 대체에너지 개발이 활발히 진행 중이다. 그 중 바이오디젤 연료는 동물성 지방이 나 식물성 기름으로부터 에스테르 교환방법⁽¹⁾으로 얻어내 사용하는데, 이는 기존의 경유와 비교해 물성치가 비슷하며, 특히 점도가 비교적 낮고, 세탄가가 높아 기존의 경유 대신 사용하거나 경 학술논문

< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.7.745 ISSN 1226-4881

바이오연료의 엔진 적용을 위한 분무거동 기초연구 팜유 점성고려 ( - )

염 정 국^* 하 형 수^*

동아대학교 기계공학과

*

Basic Study on Spray Behavior for Application of Biofuel to Diesel Engines (Palm Oil-Considering Viscosity)

Jeong Kuk Yeom^* and Hyung Soo Ha^**

* Dept. of Mechanical Engineering, Dong-A Univ.

(Received February 28, 2012 ; Revised April 2, 2012 ; Accepted April 3, 2012)

Key Words: Biodiesel(바이오디젤), Engine(엔진), Palm Oil(팜유), Spray(분무), Viscosity(점성)

초록: 디젤엔진은 바이오연료 적용을 위한 엔진으로서 가솔린엔진과 비교해 사용연료가 바이오연료와 유사 한 높은 세탄가를 가지며 가솔린엔진과 달리, 점화계통 장치의 불필요 등 기존 엔진의 개조비용 등에서 유 리한 장점이 있다 따라서 본 연구에서는 상용. 디젤 엔진의 커먼레일 분사시스템을 사용하여 바이오연료인 식물성 팜유의 분무거동특성을 해석하고 그 결과를 기존의 디젤엔진 연료인 경유와 비교 분석하였다, ․ . 실험 변수로서는 분사압력과 경유에 대한 바이오디젤 연료의 혼합비율(BD3, BD5, BD20, BD30, BD50, BD100)을 달리하였다 분사압력은. 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 설정하고 분사기간은 500µ 로 동일하게 하였s 다 본 연구의 결과로서 분사압력이 동일한 경우 사용한 바이오디젤 연료의 혼합비 변화에 대한 거시적 분. , 무거동특성 분무선단도달거리 및 분무각 의 변화는 뚜렷하지 않았다 특히 분무각의 경우 본 연구의 모든( ) . 실험조건에 있어서 약 15°의 값을 나타내었다.

Abstract: Diesel engines are most suitable for biodiesel fuel because diesel fuel has a higher cetane number compared to gasoline and diesel engines have no spark ignition system; hence, engine conversion is easy and cost effective. For these reasons, in this study, the spray behavior characteristics of vegetable palm oil were analyzed by using a common-rail injection system of a 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 fuel (BD3, BD5, BD20, BD30, BD50, and BD100) were the main parameters. The experiments were conducted for different injection pressures 500 bar, 1000 bar, 1500 bar, and 1600 bar by setting the injection duration at 500 µs. We— — determined there is no significant difference in the macro characteristics of the spray behavior (spray penetration and spray angle) in response to any change in the blend ratio of palm oil and diesel fuel at a fixed injection pressure. In particular, all experiments showed a spray angle of approximately 15°.

Corresponding Author, [email protected]

2012 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

유와 섞어 디젤엔진에 추가적인 과정 없이 바로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한 바이오디젤은 재생 가능한 자원으로 대기 중의 탄소문제를 해 결하며 디젤연료에 비해 발암성 공해물질인 방, 향족 고분자나 유황성분이 없고 연료자체에 산소 를 11~15% 함유하고 있어 유해 배출물을 감소시 키는 효과가 있다 그리고 기존의 경유 공급 체. 계의 큰 수정 없이 인프라를 활용 가능해 고유가 가 지속되고 있는 현재 대체에너지로 각광을 받 고 있다 이러한 바이오디젤 연료에 관한 연구로. 서 Jeon 등⁽²⁾은 세계 각 국의 바이오디젤 사용 확 대 추세를 보고하며, 연소 시 바이오연료 함량에 따른 엔진에서 마모도 등의 영향을 연구하였고, Choi 등⁽³⁾은 CRDI에서의 바이오디젤 적용 실험을 실시하여 바이오디젤의 함량 비율이 높을수록 연 료 내 함산소량이 많아져 NOx가 약간 증가하지 만 매연이 큰 폭으로 감소함을 보고하였고 BDF

연료의 적용 시 와 매연의

5vol-% EGR 5% NOx

동시저감을 보고하였다 그리고. Lim 등⁽⁴⁾은 디젤- 바이오디젤 혼합유를 직접분사식 디젤기관에 사용 하여 바이오디젤 혼합비별 연소실험을 통해 열발 생률, 실린더압력 및 압력상승률은 바이오디젤 혼합유가 기존의 경유에 비해 감소하고 연료소, 비율은 바이오디젤 혼합유가 약간 증가하는 결과 를 얻었다 그리고. Soot 발생은 고부하에서 바이 오디젤 혼합유가 현저히 감소함을 보고하였다.

연료분사장치를 기존의 기계 조절식에서 전자제 어식으로 바꾸어 분사압력과 분사시기를 개별적 으로 제어 가능하게 한 커먼레일엔진은 각 인젝 터 분사를 최적의 조건으로 할 수 있게 해 연소 효율과 배기가스 문제 해결에 큰 효과를 가져와 획기적인 차세대 엔진으로 평가받으며 1998년부 터 실용화 되어 대부분의 디젤차량에 사용되고 있다. Kim 등⁽⁵⁾은 커먼레일 시스템에서 바이오디 젤 분무특성에 관한 연구를 통하여 바이오디젤 함량 차이에 따른 변화는 분사압력 변화에 따른 변화에 비해 분무각과 분무도달거리 분무도달거, 리의 성장속도 등에 있어 차이가 거의 없다고 보 고하였다 또. Cha 등⁽⁶⁾은 바이오디젤에 점도와 표 면장력이 낮은 DME(Dimethyle ether)를 섞어 커먼 레일 시스템에 사용하여 분무 및 연소특성을 각 각 비교하였다 현재 바이오디젤 연료는. 2002년 월 산업자원부에서 수도권매립지에 출입하는 특 5

정 차량을 대상으로 바이오디젤 혼합유(BD20) 시

범보급을 시작으로 2007년 9월 제 차 바이오디젤1 중장기 보급계획⁽⁷⁾을 수립 바이오디젤 경유 혼합, - 비율을 매년 0.5%씩 상향조정하여 2010년까지 를 경유에 혼합 보급하였다 그리고 년 제

2% . 2010

차 바이오디젤 중장기 보급계획

2 ⁽⁸⁾을 수립하여

년부터 바이오디젤의 의무혼합제도를 도입할 2012

계획이며 현재 국내에 유통되는 바이오디젤 비, 율은 당분간 2%를 유지할 계획이다 이러한 관련. 정책 및 바이오디젤 연료의 국내보급 현황을 기 초로 하여 본 실험에서는 바이오디젤 경유의 혼- 합비를 앞으로 국내 바이오디젤 경유 혼합비가- 증가할 것이 예상됨에 따라 선진국의 사용실태⁽⁹⁾ 를 참고하여 혼합비 체적 를 현재 시중에 공급 판( ) ․ 매 되고 있는 바이오디젤 연료 2% 포함 경유 (BD2)와 3%(BD3), 5%(BD5), 20%(BD20), 30%(BD30), 50%(BD50) 및 100% (BD100, 의 바이오디젤 경유 혼합유를 가지 biodiesel only) -

고 실험연구를 실시하였다 또한 현 시점에서 여. , 러 바이오디젤 연료가 지속적인 연구에 의해 기 존의 디젤연료인 경유를 대체할만한 차세대 연료 로서의 가능성을 보이고 있지만 경유 등과의 혼, 합에 의해 예상되는 바이오디젤 혼합연료 물성변 화에 따른 노즐구조개선이나 연소실 구조변화 최 적화 등에 관한 보다 상세한 연구가 필요한 시기 라고 판단된다.

따라서 본 논문은 바이오연료의 엔진 적용을 위한 연구의 제 단계로서 바이오연료 분사노즐의1 최적화를 위한 기초 실험연구이며 커먼레일 분, 사 시스템을 사용하여 경유와 바이오연료 혼합연 료의 분무거동특성을 비교 분석하였고 바이오연료․ 로서는 팜유를 이용하였다. 이러한 실험결과는 차후 제 단계 연구인 연소해석 및 수치해석 연구2 의 기초 자료로서 활용할 예정이다 본 논문에서. 실험해석을 위하여 분사압력 경유와 바이오디젤, 연료인 팜유의 혼합비를 주요 실험변수로 설정하 였고 또한 연료혼합에 따라 변화가 예상되는 연, 료물성치중 특히 점도변화도 고려하였다.

실험장치 및 방법 2.

본 연구에서 경유와 바이오디젤 연료인 팜유 혼합연료를 Fig. 1의 분무거동 가시화 광계측 장 비에 사용하여 노즐 정면과 측면에서 분무이미지 를 획득하여 분무거동특성을 관찰했다 고속 카.

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus⁽¹⁰⁾

Fig. 3 Photo of Ostwald viscometer experiment

Diesel BD3 BD5 BD20 BD30 BD50 BD100 0.0

0.5 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Kinematic viscosity[mm^2/s]

M ixed fuels

3.85 3.86 3.92

4.11 4.3 4.46

5.27

Fig. 4 Kinematic viscosity change in biodiesel blended fuels

메라는 Phantom사의 Micro-4C이며 광원은, 1kW 용 량의 텅스텐 할로겐 조명 대를 동시에 사용하였다- 2 . 연료 분사 시스템에는 세대 보쉬 피에조 인젝터와3

세대 보쉬 커먼레일 펌프 순정품을

3 , Pride U-engine

사용했고 연료필터는 타 연료 혼입을 방지하기 위 해 사용연료가 바뀔 때 마다 교체하였다.

에 나타낸 는 실험을 위해 제작된 Fig. 2 ECU

의 으로서 기통 분사

SmarTek Co. SCR-TDA8000 4

를 위한 인젝트 드라이버가 4개가 각각 장착되어 있고 분사기간을, 100µ 에서s 4000µs, 분사압력을 에서 까지 조절할 수 있게 설계되었 300bar 1600bar

다 분사기간 제어는 인젝터가. ECU에 직접 연결 되어 ECU로부터 약 20A의 피크전류와 약 10A의 홀드전류의 아날로그신호로 구성된 인젝터로의 을 분사기간으로 설정하였고 분사 Energizing time

압력은 커먼레일에서의 연료압으로 커먼레일 한, 단에 장착된 센서가 일정 압력 이상을 감지하면 리턴밸브인 압력제어밸브가 열리는 방식의 개념 을 P-I방식으로써 제어하였다 모든 실험은 대기. 압 상온 상태에서 실시하였고 분사기간은, , 500µs 로 고정하였다. 분사압력은 500bar, 1000bar,

및 로 설정하였고 사용연료는

1500bar 1600bar ,

Distilled water (25°C, 1atm)

Viscosity mw [cp]

Density rw [kg/m³]

Kinematic viscosity nw [mm²/s]

0.894 997.1 0.897

(1)

Table 1 Properties of water used in calculation

_ __

_

 ^ 

_

  × _  ^

Injection nozzle

Type : 5 holes bosch nozzle(piezo type) Diameter of hole : 0.17[mm]

Ambient gas Air

Ambient temperature

Ta[K] 298

Injection pressure pinj[bar] 500,1000,1500,1600 Injection duration tinj[s] 500 Injection fuel

- Diesel only(BD2) - Diesel + Palm oil by

volume %

(BD3, 5, 20, 30, 50, 100)

Table 2 Experimental conditions Fig. 2 Injection control unit with injector drivers(ECU)

경유(BD2)와 바이오디젤 + 경유의 혼합비를

및 으로 변

BD3, BD5, BD20, BD30, BD50 BD100

화시키며 분무거동을 촬영하였다 또한 각 연료. 의 동점성계수는 Ostwald viscometer(Fig. 3참조 로) 항온수조를 이용해 온도를 25°C로 유지하여 측정

하였고 그 결과를 Fig. 4에 나타낸다 식. 1은 동 점도 계산에 사용한 식을 나타낸다 물성치와 식. 에서 µ는 점도, ρ는 밀도이고, ν는 동점도를 나타 낸다. t는 Ostwald viscometer에서 유체의 액면이 관의 일정길이를 지나는 액면도달시간을 나타내 Fig. 5 Images of spray behavior of each experimental fuels with injection pressure(front view)

(a) pinj = 500bar

(b) pinj = 1000bar

(c) pinj = 1500bar

(d) pinj = 1600bar

(a) pinj = 500bar

(b) pinj = 1000bar

(c) pinj = 1500bar

(d) pinj = 1600bar

Fig. 6 Images of spray behavior of each experimental fuels with injection pressure(side view)

고, 하첨자 w는 비례식의 비교대상인 물의 물성 치와 액면도달시간을 하첨자, 1은 구하고자 하는 대상의 물성치와 액면도달시간을 각각 나타낸다.

Table 1은 동점도 계산을 위한 기준으로 필요한 물의 물성치이며, Table 2에 본 연구의 실험조건 을 나타낸다.

결과 및 고찰 3.

본 논문에서 실험은 분사압력을 저압분사영역 을 500bar, 중간영역을 1000bar, 그리고 고압분사 영역을 1500bar, 1600bar로 설정하고 각 바이오디 젤 연료의 혼합비율의 변화에 따른 분무거동특성 을 조사하였다. 또한 분무거동해석에 있어 거시 적 분무고찰 대상을 분무선단도달거리와 분무각 으로 설정하고 각 사용연료 및 분사압력 변화에 대한 해석을 실행하였다. 또한 분무거동특성 해 석을 위한 이미지 획득을 위하여 분무의 정면과

측면에 대하여 가시화 촬영실험을 하였다 이미. 지의 가시화는 분사된 연료에 직각으로 광원을 입사시켜 반사된 산란광을 카메라로 촬영하였다.

분무선단도달거리 거동특성 고찰 3.1

Fig. 5에 분사압력과 바이오디젤 연료 혼합비에 대한 각 분무 정면도를 나타낸다 그림. 에서 알 수 있듯이 분사압력 변화에 대한 분무특성은 기 보고된 많은 결과와 동일하게 분사압력이 고압일 수록 분무의 선단도달거리는 증가하는 것을 알 수 있다 그러나 본 실험에서 설정한 경유에 대. 한 바이오디젤인 팜유의 혼합비에 대한 분무선단 도달거리는 거의 차이가 없음을 알 수 있다 이. 러한 결과는 Kim 등⁽⁵⁾의 연구의 결과와 일치하 며 이러한 이유는 바이오디젤 연료 제조공정에, 서 바이오디젤의 원료인 팜유가 에스테르화 공정 을 거치면서 팜유의 연료 물성치들이 경유화되었 (a) pinj = 500bar (b) pinj = 1000bar

(c) pinj = 1500bar (d) pinj = 1600bar

Fig. 7 Comparison of spray angle and spray penetration in each injection pressure taken from images

기 때문이라고 판단된다.

분무각 거동특성 고찰 3.2

본 연구에서는 다공인 5홀 노즐을 사용하였고, 액체 연료의 일반적 거시적 분무거동특성인 분무 각에 초점을 두고 각 실험조건에 있어서의 분무, 각 거동 변화를 조사하였다 설정한 각 분사압력. 및 바이오디젤 연료 혼합비에 대한 분무각 측정 을 위한 분무측면도 이미지를 촬영하였고 그 결, 과를 Fig. 6에 나타내었다 본 연구에서 분무각은. 노즐팁에 수선을 세워 시계방향으로 정의하였고, 이해를 돕기 위하여 공간적 측정위치를 범례와 실제 이미지 중에 직접 표시하였다 분무각 측정. 을 위한 분무의 선택은 공간적인 위치오차를 줄 이기 위하여 각 이미지에서 노즐 아랫부분의 가 장 긴 분무를 선택하였고 그 측정값은 본 연구, 에서 사용한 카메라 Phantom miro-4C의 제어를 위한 부속 프로그램을 이용하여 컴퓨터 스크린 상에서 직접 구하였다.

분무각 및 분무선단도달거리 결과 고찰 3.3

전술한 각 분사압력 및 바이오디젤 혼합비에 대한 분무선단도달거리와 분무각 측정결과를 Fig.

에 정리하여 나타내었다 의 종축은 분무

7 . Fig. 7

각과 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 분사압력 및 분사개시 후 동일시간에 있어서 각 혼합비율에 따른 분무각의 산술평균값을 나타 낸다 그 분무각의 평균값은 분사압력 및 바이오. 연료 혼합비 변화에 상관없이 약 15° 근방에 집 중하고 있음을 알 수 있다 특히 저압 및 중압분. 사의 경우(pinj=500bar, 1000bar) 분사개시 후 초기 영역(t 200µ 에 있어서 분무각의 측정값이 흔들s) 리는 등 많은 변동을 보이고 있다 이러한 이유. 로는 본 실험연구에서 사용한 분사실험장치 중 커먼레일시스템 내의 안정작동 압력범위가 이상이기 때문에 저압으로 갈수록 시스템 500bar

작동특성 상 특히 분사개시 후 초기 영역에 있, 어 분무발달이 불안정함을 보인다고 판단된다.

다음으로 분무선단도달거리의 거동특성의 경우, 분사압력 및 바이오디젤 혼합비율에 따른 분무선 단도달거리는 분사압력이 고압의 경우가 증가하

고 저압의 경우는 감소하는 기존의 단일 경유사, 용 분무실험의 결과와 동일하였다 그리고 분사. 압력이 동일한 경우 바이오디젤 연료 혼합비변화 에 따른 분무선단도달거리 변화특성은 거의 나타 나지 않았다 또한 바이오디젤 혼합 연료의 점도. 변화를 고려한 분무 거동특성의 경우는 전술한 에서 알 수 있듯이 의 경우가 경유

Fig. 4 BD100

의 경우에 비하여 약 정도 점도 측정

(BD2) 37%

값이 높다 본 연구에서는 경유와 바이오디젤 연. 료 혼합에 따라 예상되는 물성치변화 중 점도에 주목하고 그 변화가 분무거동에 미치는 영향을, 조사하고자 하였다 그 결과로 전술한 분무선단. 도달거리와 분무각의 거동특성과 같이 큰 차이점 은 나타나지 않았고 분사압력이 동일한 경우 분, 무거동특성에 미치는 연료혼합에 따른 점도변화 의 영향은 미미하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 바이오디젤 연료분사노즐의 최 적화를 위한 기초 실험연구로서 커먼레일 분사시 스템과 분무가시화 장치를 이용하여 바이오디젤 연료의 혼합비 변화, 분사압력변화 및 혼합연료 물성치변화 중 점성변화를 고려하여 분무거동특 성을 해석하였으며 그 결과는 다음과 같다, .

분사압력 및 바이오디젤 연료 혼합비율에 (1)

따른 분무선단도달거리는 분사압력이 고압의 경 우가 증가하였고 저압의 경우는 감소하는 기존, 의 단일 경유사용 실험결과와 동일하였다 또한. 분사압력이 동일한 경우 바이오디젤 연료 혼합비 변화에 따른 분무선단도달거리 변화특성은 크게 나타나지 않았다.

분사압력 및 바이오디젤 혼합비율에 따른 (2)

분무각 변화 특성은 분사압력 및 바이오디젤 연 료 혼합비변화에는 관계없이 약 15°의 측정값을 나타내었다.

혼합연료사용에서 예상되는 연료혼합에 따 (3)

른 물성치변화를 고려한 분무거동특성 결과로 경 유에 바이오디젤 연료 혼합에 따른 점도변화가 디젤분무의 거시적 거동특성인 분무선단도달거리 와 분무각 발달에 미치는 영향은 미미하였으나, 본 연구의 결과는 상온에서 실시한 분무거동 결 과이며 보다 상세한 정보를 위해서는 실제엔진 환경에서와 같은 고온 운전 시 과 저온 시동 시( ) ( ) 에서의 점도변화가 분무거동특성에 미치는 영향

에 관한 연구도 차후 필요하다고 판단된다.

후 기

이 논문은 2011년도 정부 교육과학기술부 의 재( ) 원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받 아 수행된 것임(2011-0005567).

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