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工學 學 學碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文
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목 목 목 차 차 차
Listoftables···ⅲ Listoffigures···ⅳ Nomenclatures···ⅵ 국문요약 ···ⅶ
Ⅰ.서 론 ···1
1.1연구배경 ···1
1.2연구개요 및 목적 ···4
Ⅱ.바이오디젤 기관의 개요 ···6
2.1.바이오디젤 개요 ···6
2.2.바이오디젤의 제조공정 및 동향 ···10
2.2.1.제조공정 ···10
2.2.2.바이오디젤 국내․외 동향 ···13
2.3.바이오디젤 성능 및 특성 ···17
2.3.1.연료특성 ···17
2.3.2.배출가스 특성 ···18
2.3.3.윤활특성 ···20
2.3.4.성능특성 ···21
Ⅲ.실험장치 및 방법 ···22
3.1.실험장치 ···22
3.1.1.가시화 실험장치 ···22
3.1.2.고압분사 시스템 ···23
3.1.3.계측장치 ···24
3.2.실험방법 ···37
3.2.1.연소특성해석 ···37
3.2.1.분무가시화 ···38
3.2.1.연소가시화 ···39
Ⅳ.실험 결과 및 고찰 ···41
4,1.정적연소기 실험 결과 ···41
4.1.1.분무가시화 결과 ···41
4.1.2.연소가시화 결과 ···47
Ⅴ.결 론 ···53
References···54
Abstract···57
L L
Li i is s st t to o of f ft t ta a ab b bl l le e es s s
Table2.1Propertycomparisonbetweenbiodieselanddiesel···7
Table2.2Improvementitem comparedwithdiesel···7
Table2.3Thespecificationsoftestfuel···17
Table2.4Bio-Dieselemissionscomparedtoconventionaldiesel···18
Table2.5Effectsofbiodieselontailpipeemission···19
Table3.1Specificationofhighspeedcamera···27
Table3.2Specificationofpressuresensor(KistlerInc.)···34
Table3.3Specificationsofportablegasanalyzer(HoribaInc.)···36
Table3.4Experimentalconditions···40
L L
Li i is s st t to o of f ff f fi i ig g gu u ur r re e es s s
Fig.2.1Photographyofthemixtureofeachbiodiesel···6
Fig.2.2Basicequationofmethyl-esterprocess···10
Fig.2.3Bio-Dieselbaseprocess···11
Fig.2.4Batchprocess ···11
Fig.2.5Continuousprocess···12
Fig.2.6CD process···13
Fig.2.7Thestatusofmixofbiodieselworldwide···14
Fig.2.8TotalproductioncapacityinEurope···15
Fig.3.1Schematicdiagram ofexperimentalapparatus···22
Fig.3.2Commonrailfuelsystem···23
Fig.3.3Commonrailsystem···24
Fig.3.4Injector ···24
Fig.3.5Injectordriver···24
Fig.3.6Constantvolumechamber···25
Fig.3.7Sparkplug···25
Fig.3.8Theimageofbiodieselinjector···26
Fig.3.9Highspeedcamera···26
Fig.3.10Lightsource···28
Fig.3.11Thermalbath···28
Fig.3.12Vacuum pump···29
Fig.3.13AVR microprocessor···29
Fig.3.14Exampleoffrontpanel···31
Fig.3.15Combustionpressuredataacquisitionprogram···32
Fig.3.16LabVIEW DAQ board···33
Fig.3.17Photographofconstantchamber ···35
Fig.3.18Piezopressuresensor ···35
Fig.3.19Portablegasanalyzer···36
Fig.3.20Combustionprocess···39
Fig.4.1Spraypenetrationbetweendieselandbiodiesel···41
Fig.4.2SpraypenetrationbetweendieselandBD20 ···42
Fig.4.3ComparisonofdevelopmentprocessbetweendieselandBD···45
Fig.4.4ComparisonofdevelopmentprocessbetweendieselandBD···46
Fig.4.5ComparisonofcombustionprocessbetweendieselandBD···49
Fig.4.6ComparisonofcombustionprocessbetweendieselandBD···50
Fig.4.7Combustionpressureatvariousfuelsandinjectionpressure ···52
Fig.4.8Combustionpressureatvariousfuelsandinjectionpressure···52
N N
No o om m me e en n nc c cl l l a a at t tu u ur r re e es s s
Symbol Definition Unit
Pressure kPa
Specificheat J/kg․K
Local specific heat at constant pressure and at
temperature J/kg․K
HC HydroCarbon NOx NitricOxide
P PressureinConstantChamber
Fluidtemperature K
국 국 국문 문 문 요 요 요약 약 약
인류문명의 발달과 더불어 자동차의 고성능화와 사용대수의 급증으로 인하여 자동차에서 배출하는 배출가스에 대한 심각성이 고조되고 있는 것이 현실이다.
한편,전 세계적으로 그 유해배출가스를 저감시키기 위하여 국제적인 규제도 갈수록 강화하고 있으며 국내 규제치 또한 선진국 수준으로 크게 심화하고 있 다.또한 화석연료의 유한성으로 석유를 대체할 새로운 연료에 관한 연구의 모 색도 깊이를 더해가고 있는 실정이다.
특히 가솔린 자동차에 비해 디젤자동차의 배출가스가 국내는 물론 세계적으 로 깊은 관심의 대상이 된지 오래이며,이러한 배출가스 중에서도 질소산화물 과 입자상물질 저감기술이 절실히 요구되고 있다.따라서 인류는 석유 대체에 너지로써의 역할과 배출물의 저유독성의 역할을 동시에 만족할 수 있는 연구에 박차를 가하고 있다.
따라서 본 연구에서는 바이오디젤의 친환경적인 요소를 고려하여 정밀제어가 가능한 커먼레일에 바이오디젤 연료를 사용하여 바이오디젤의 분무 및 연소특 성을 실험적으로 조사하였다.특히 저온시 연료의 유동성에 문제가 있는 바이 오 디젤의 연소특성을 알아보기 위해 연료의 온도를 -20℃와 20℃에서 실험을 했다.
고온 고압 분위기 조건을 만들기 위해 수소를 예연소 연료로 사용하였다.즉, 수소와 공기를 정적연소기 내에서 혼합,스파크플러그에 의해 연소시킨 후 고 온 고압 조건이 형성 되었을 때 바이오 디젤을 분사하여 분무 및 연소 과정을 가시화하였다.바이오 디젤의 가시화 실험 조건으로는 분위기 압력은 2MPa, 분사 압력은 40 MPa,100 MPa로 변화시켜가며,연료온도를 20℃,-20℃에서 실험을 수행하였다.인젝터의 분사기간은 1ms로 고정시켰다.분사압력,연료온 도 등을 조정하면서 디젤과 BD20,BD100의 연소압력 및 배출가스를 측정하였 다.
바이오디젤 연료의 연소특성,출력성능과 배출가스 중의 질소산화물,탄화수 소,일산화탄소 등의 배출 농도를 실험적으로 구하고 기존 디젤연료의 성능 및
배출가스 특성과 비교하여 바이오디젤 연료의 적용특성을 규명하고자 하였다.
이것으로부터 분무 및 점화에 관한 여러 조건에 따른 연구를 통해서 저온에 서의 바이오디젤의 분무 및 연소에 대한 기초적인 자료를 제공하며,배출가스 를 줄이고,성능을 높인 바이오 디젤 개발에 기초자료를 제공하고자 한다.
I I I. . .서 서 서론 론 론
111...111연연구연구구의의의 배배배경경경
인류 문명은 더 나은 세계를 추구하려는 인간의 욕구 속에서 오늘날까지 경 제성장 위주의 개발정책에 편중되어 눈부신 발전을 이루어 왔으나 환경오염으 로 인한 생존자체의 위협과 에너지 고갈이라는 위기에 직면해 있다.현재 인류 에게 주어진 과제는 환경오염문제 해결과 대체에너지 개발로서 주 연료로 사용 하고 있는 석유의 가채량은 1조 1천 5백억 배럴정도로 추산하고 있어,향후 43 년 후면 완전 고갈할 것으로 예상하고 있다1).또한 화석연료 사용으로 인한 배 기가스는 대기오염,산성비,오존층 파괴 및 지구온난화 등으로 생태계파괴와 각종질병을 유발시키고 있으며,특히 지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO2: Carbon dioxide)의 농도는 지난 수년간 전례가 없을 정도로 증가하고 있어 현 상태로 지속될 경우 2010년이면 대기온도가 현재보다 약 2℃ 상승하여 해수면 이 50cm나 높아지게 하며,입자상물질(PM:Particulate Matters),질소산화물 (NOx:Nitric Oxide),황산화물(SOx:Sulfur Oxide),일산화탄소(CO:Carbon monoxide)및 탄화수소(THC:TotalHydroCarbon)에 의한 인체 산소결핍,폐 기능 저하 및 광화학스모그 등의 발생으로 각종질병을 유발하는 심각한 문제를 예고하고 있다.
이러한 환경오염문제에 적극 대처하기 위하여 선진국을 중심으로 1987년 몬트리올 의정서를 시작으로 1997년 일본 교토에서 열린 기후협약 등 전 세계 적으로 배출가스 저감 및 대체에너지 개발을 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다.특히 가솔린기관에 비해 디젤기관의 경제성 및 효율성의 우수성이 입증 되어 기술개발을 활발히 진행하고 있으나 주요 오염물질이 NOx와 PM 동시저 감기술에 대한 난제로 인해 많은 어려움을 겪고 있다.따라서 이러한 문제 해 결을 위한 방안으로 전자제어식 Cooled-EGR(ExhaustGasRecirculation)시스 템,DPF(DieselParticulateFiltertrap)및 De-NOx 촉매개발 및 초저황 경유 (ULSD:UltraLow SulfurDiesel)등을 사용하고 있다.더욱이 유럽연합(EU)
에서는 2008년부터 EURO Ⅴ 기준을 요구하고 있어 이에 대한 상용화가 시급 한 실정이다1-3).
현재 국내 디젤기관의 배기가스저감기술은 기관개량,후처리장치개발,대체 에너지 및 청정연료개발 등을 연구하고 있으며,원천적으로 CNG 자동차,하이 브리드자동차,연료전지자동차,태양열자동차,수소자동차 및 바이오디젤 등 화 석연료를 대체할 수 있는 청정연료개발이 이루어지고 있으며 단기적 측면에서 는 전자제어식 Cooled-EGR 시스템, SCR(Selective Catalytic Reduction), CR-DPF(Continuously Regeneration DieselParticulateFilter)및 De-NOx 촉 매 등 후처리장치를 개발하여 상반관계(Trade-off)인 NOx와 PM의 동시저감에 중점적인 연구개발이 이루어지고 있다4).
이에 따라 청정대체연료로서 가장 활발히 연구하고 있는 바이오디젤은 1895년 Dr.RudolfDiesel에 의해 세계 최초로 디젤기관 개발 시 사용된 연료가 석유계의 경유가 아닌 바이오디젤이었다는 사실과 함께 바이오디젤이 청정 및 대체연료로 사용될 수 있는 가능성에 대해 EU와 미국 등에서 연구를 활발히 진행하고 있다5-6).국내에서도 청정연료로 인천광역시에서는 2003년 6월부터 산 업자원부에서 인가받은 22개 바이오디젤 공급 주유소를 지정해 운영하고 있다.
특히 관용차량 745대 전체와 청소차량 380대에 바이오디젤을 사용하고 있으며 수원시와 전라북도 등에서 바이오디젤의 사용이 확산되어 대체연료 및 청정에 너지로서 가능성을 더해가고 있다7).바이오디젤은 대체에너지로서 기관개량 없 이 디젤기관에 직접 적용할 수 있는 장점이 있고 CO,THC,SOx,다고리방향 족(PAHs:PolycycleAromaticHydrocarbons)및 PM 등을 근본적으로 감소시 킬 수 있다8).현재 적용중인 바이오디젤은 경유와 바이오디젤 비율을 8:2로 혼합한 BD20이 가장 많이 사용하며 50%,75% 및 순수바이오디젤(100%)에 대 해서도 많은 연구를 진행하고 있다8-10).바이오디젤은 고체 탄소화물을 줄이고 황 분율을 줄이는데 효과가 있지만 근본적으로 NOx가 증가하고 용해성 유기물 질(SOF:SolubleOrganicFraction)을 감소시키지 못하므로 이를 저감하기 위 해서 EGR 시스템과 CR-DPF 등을 장착하여 이러한 문제점을 해결 할 수 있 다11).따라서 인류의 에너지 관련 숙원 사항인 청정대체 에너지 개발이라는 관
점에서 바이오 디젤의 각종 후처리 장치(EGR 시스템,CR-DPF,De-NOx촉매) 적용과 더불어 단점으로 지적되는 한냉시의 시동성 악화 개선 및 점화시기 조 정 등 다양한 방법을 통하여 바이오 디젤이 화석연료를 대체할 수 있도록 기초 자료를 제시하고자 한다.
111...222연연연구구구의의의 개개개요요요와와와 목목목적적적
최근 고유가와 지구 환경문제가 국제 사회의 주요 이슈가 됨에 따라 이를 해 결하기 위한 방안으로 다양한 대체에너지 개발과 환경오염에 대한 연구가 활발 히 진행되고 있다.특히 자동차 배출가스에 의한 대기오염의 저감은 매우 중요 한 과제가 되고 있으며,디젤기관의 경우 높은 열효율과 경제성 및 내거성면의 장점에도 불구하고 인체에 악영향을 미치는 NOx(질소산화물)와 PM(입자성물 질),HC(탄화수소)등의 배출로 인하여 이를 저감고자 하는 연구가 진행되고 있다.디젤기관에서 유해 배출가스를 저감시키기 위한 노력의 일환으로 기존의 디젤연료에 비해 유황 성분이 적고 함산소 연료인 바이오디젤 연료가 주목을 받고 있다.
바이오디젤 연료는 동물이나 식물의 기름에서 생산이 가능한 재생성 에너지 이고,성분중 발암성 공해물질인 방향족 고분자나 황을 포함하고 있지 않을 뿐 만 아니라,연료로 전환되는 경우 11～ 15%의 산소를 포함하기 때문에 연소 중 완전연소를 도와 디젤기관의 효율적인 대체연료로 사용될 것으로 기대되고 있다.따라서 청정연료인 바이오디젤은 환경보존과 대체에너지 개발의 두 목적 을 동시에 충족하는 차원에서 연구개발이 이루어지고 있다.바이오디젤 연료는 환경 친화적이며 재생 가능하다는 두 가지를 충족시키는 측면에서 많은 각광을 받고 있다.바이오디젤 연료의 연소와 배출가스에 대한 연구로서 Ramahas등 은 디젤기관에 바이오디젤을 사용,연소실험을 통해 대체연료로의 가능성을 입 증하였고12),서 등은 커먼레일식 분사 시스템을 이용하여 바이오디젤 연료의 2 종류에 따른 분무 미립화 특성에 대하여 연구하였다13).Grimal와 Postrioti는 커 먼레일 분사시스템과 기존 분사시스템에 바이오디젤을 적용하여 분무특성과 거 동에 대하여 발표하였다14).Goering등은 식물성 연료 11개에 대한 연소실험에 서 디젤연료의 대체연료로의 가능성을 입증하였다15).
본 연구에서는 바이오디젤의 친환경적인 요소를 고려하여 정밀제어가 가능한 커먼레일에 바이오디젤 연료를 사용하여 바이오디젤의 분무 및 연소특성을 실 험적으로 조사하였다.특히 저온시 연료의 유동성에 문제가 있는 바이오 디젤
의 연소특성을 알아보기 위해 연료의 온도를 -20℃와 20℃에서 실험을 하여 기 존 디젤연료의 성능과 비교하여 바이오디젤 연료의 연소특성,출력성능과 배출 가스 중의 질소산화물,탄화수소,일산화탄소 등의 배출 농도를 실험적으로 구 하고 기존 디젤연료의 성능 및 배출가스 특성과 비교하여 바이오디젤 연료의 적용특성을 규명한 것이다.
I
I II I I. . .바 바 바이 이 이오 오 오디 디젤 디 젤 젤 기 기 기관 관 관의 의 의 개 개 개요 요 요
222...111바바바이이오이오오디디디젤젤젤 개개개요요요
고유가가 지속되면서 전 세계적으로 바이오 연료 도입이 확산되고 있다.바 이오 연료는 동․식물 등 바이오매스(biomass)에서 추출되는 신․재생에너지로 서,각각 경유와 휘발유를 대체할 수 있는 바이오 디젤과 바이오 에탄올이 대 표적인 예다.이미 1970～ 1980년대부터 바이오 연료 도입을 선도해온 브라질, 미국,EU 등 바이오 연료 강국은 물론이고,최근에는 일본,중국 등 후발국도 적극적인 바이오 연료 도입 정책을 추진하고 있다.이렇게 바이오 연료가 각광 받고 있는 것은 고유가에 대한 대응뿐 아니라 환경 개선(대기오염 및 온실가스 감축),농가소득 증대,에너지 안보 강화 등 일석사조의 효과를 기대할 수 있기 때문이다.한국도 지난 2년간의 시범사업 기간을 거쳐 2006년 7월부터 바이오 디젤의 상용화를 시작하였으며,바이오 에탄올에 대해서도 2008년 도입을 목표 로 평가를 진행 중이다.
바이오디젤에는 대두유,채종유(유채꽃 씨앗,해바라기 씨앗 및 향료겨자 씨 앗 등),현미유,폐식용유 및 동물성 지방유 등이 있다.Fig.2.1은 바이오 디젤 의 종류를 구분하여 나타낸다.
Fig.2.1Photographyofeachbiodieselmixture
Table2.1에서는 바이오디젤과 디젤비교 연료 특성을,Table2.2에서는 디젤 사용 시와 비교하여 개선되는 사항을 나타낸다.
Table2.1Propertycomparisonbetweenbiodieselanddiesel16)
◉ :Almostnot ◎ :High ○ :Low
Item Characteristicscompared
withdieselfuel Effects
Sulfurcontents ◉ NoformationSO2andSulfate
Aromaticcontents ◉ NOx↓,PM↓,PAH↓
Oxygencontents Around11% NOx↑,PM↓
Cetanenumber ◎ NOx↑,PM↓
Lubricity ◎ Advantageonfuelinjectionsystem
Caloricvalue ○ WorseonFueleconomy
Toxicity ○ Acceptable
Corrosion Dependoncondition Worseonfuelinjectionsystem Low temperatureflow
characteristic ○ Worseoncoldstart
Table2.2.Improvementitem comparedwithdiesel17)
Item BD20 BD100
THC -7.3 -36.7
SOx -17.6 -100
NOx +1.8 +8.9
CO -9.3 -46.2
PM -13.6 -68.1
OFP -10 -50
PAH -13 -80
nPAH -50 -90
LifeCycleCO2 -15.66 -78.45
바이오디젤은 메탄올이나 에탄올과 같은 알콜에 자연오일이나 지방을 화학 적으로 결합하여 만든 대체연료로 주로 식물성오일이나 동물성지방과 같은 재 생가능한 자원인 자연자원으로 만든다18).유럽에서는 1990년대 초 프랑스를 필 두로 바이오디젤 혼합유가 버스,트럭용 연료로 사용된 이래,독일,오스트리아, 스웨덴 등지에서 차량 연료계 부품을 일부 수정한 바이오디젤유 전용차량(고무 계 부품 등 재질 변경)을 대상으로 100% 바이오디젤유를 보급하고 있으며,프 랑스와 이태리 등지에서는 플릿차량을 대상으로 BD30을 보급하고 있고,최근 에 개정된 유럽의 경유 규격인 EN 590에서 경유에 바이오디젤유 5% 이내의 포함을 허용함에 따라서 일반적인 경유 연료로서 전 유럽지역을 대상으로 BD5 의 판매가 실시되고 있다.미국의 경우에는 바이오디젤유의 약 90%가 대두유 를 원료로 하여 생산되고 있다.미국에서는 이 1992년에 국립 BiodieselBoard 가 설립된 이래,1998년에는 국회 및 EPA에서 BD20을 디젤 차량연료로서 승 인하였고,2006년에는 부시 대통령이 바이오디젤유를 포함한 신재생에너지의 보급 확대를 천명한 바 있다.석유에너지의 지배적 사용으로 원유공급의 위축 이 예상될 때 바이오디젤은 재생가능 한 식물자원(바이오매스)에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없고,폐식용유 등의 폐자원을 유효하게 이용할 수 있다.또한 생태사이클(lifecycle)에서 볼 때 차량 연료 사용에 따라서 배출된 CO2는 바이오작물의 생산과정에서 식물의 광합성 작용으로 회수 되므로 CO2의 순 배출량이 매우 적다.산성비의 주범인 SOx를 전혀 배출하지 않고,함 산소 연료이므로 발암물질인 입자상물질이나 CO,HC 등 디젤기관의 유해 배출가스 를 크게 저감할 수 있다.
현재,바이오디젤은 일반 경유에 바이오디젤 20%를 혼합한 B20을 기관개조 없이 사용하는 방식이 주류를 이루고 있으며 순수바이오디젤인 B100의 경우 배출가스 감소율은 증가하나 점성이 높아 연료분사 인젝터의 막힘이나 실린더 내부의 퇴적의 증가 및 한냉시 유동성저하에 의한 냉시동성의 악화를 유발할 수 있다.바이오디젤은 연소과정에서 배출가스 중 NOx가 약간 증가될 수 있고, 입자상물질 중에 미규제 물질인 용해성유기물질(SOF)도 조금 증가하는 것으로 알려져 있다.
계속해서 바이오디젤의 적용규모가 증가함에 따라 환경적인 영향과 건강에 대한 효과를 판단하는 것이 필요하다.디젤 배출가스 노출에 의한 발암성문제 는 주로 매연입자를 흡입하기 때문으로19)입자상물질의 질량은 이미 규제하여 왔으나 최근에 와서는 입자상물질의 크기와 수량이 질량보다 더 중요시하고 있 다20).바이오디젤은 화석연료의 혼합비율에 따라 배출물의 변화가 다르게 나타 나나 DOC 및 CR-DPF를 적용함으로서 입자성물질의 수량분포,질량분포 등을 감소시킬 수 있으므로 전체 PM 량을 감소시킬 수 있다21).바이오디젤에서 용 해성유기물질(SOF)의 비율은 디젤보다 높고 비용해성유기물질(ISOF)은 낮다.
PM에 있어서 PAHs는 발암물질로 PM 중 탄소 핵의 표면에 흡수되어 있 으며 디젤연료에 비해 바이오디젤에서 매우 낮게 나타난다22,23).바이오디젤의 배출가스에 대해서 인체에 미치는 영향으로는 순기능과 역기능으로 구분할 수 있으며 순기능으로 PM을 비롯한 CO,CO2,HC가 감소되며 역기능으로 NOx의 증가를 들 수 있다.EGR 시스템 적용,De-NOx촉매사용 또는 분사시기 조정 등으로 NOx를 줄일 수 있으나 국내에서 많은 비용에 따른 탈황시설이 미비한 실정으로 일반 디젤자동차에서는 De-NOx촉매사용이 어려운 상태이지만 바이 오디젤에서는 저황연료로 De-NOx 촉매를 사용하여 추가적으로 NOx 저감이 가능하다.
따라서 바이오 디젤은 생태 사이클로 환경을 살리고 농촌경제를 활성화하 며 에너지 해외 의존도를 줄이는 동시에 에너지원을 다변화 할 수 있으며,에 너지고갈과 지구환경파괴의 절대적 위기에 처해있는 인류에게 바이오디젤의 제 조,유통이 활발히 이루어질 수 있도록 국가적인 차원에서 적극적인 대책이 마 련하여야 하겠다29).
222...222바바바이이이오오오디디디젤젤젤 제제제조조조공공공정정정 및및및 동동동향향향 2
2
2...222...111제제제조조조 공공공정정정
바이오 디젤연료는 새로운 식물성 및 동물성 지방오일이나 사용 중인 폐식용유 등으로부터 만들어지며 무독성으로 미생물 분해와 회복성이 강한 자원이다.
바이오디젤유는 Fig.2.2에 나타낸 바와 같이 식용유에 알콜과 촉매를 첨가한 후 반응시켜 생산하며,Fig.2.3에 나타낸 바와 같이 바이오디젤유 생산 공정은 반응기,생성물의 분리를 위한 침강조,정제 및 증발 단계 등으로 구성된다.반 응 후 바이오디젤유와 부산물로서 글리세린이 생산되며 글리세린은 반응 후 침 강조에서 비중 차이에 의해 분리된다.또한 반응 속도를 높이기 위해 알콜을 과량으로 첨가하며 반응 후 잔여 알콜은 회수하여 다시 사용한다.침강조에서 분리된 글리세린은 정제 과정을 거친 후 화학 산업의 원료로 사용 된다29).
Vegetableoil Methanol Methylester Glycerin
H3C H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
CH2 H2 C
C O
O CH3 Bio-dieselmolecule(Methylester)
Fig.2.2Basicequationofmethyl-esterprocess32)
Fig.2.3Bio-Dieselbaseprocess32)
바이오디젤의 제조공정은 크게 나누어 회분식과 연속식으로 나뉜다.
회분식 공정(Batch process)은 반응조에 식물류,메탄올 및 염기촉매를 동시 에 첨가하여 반응시킨 후 글리세린의 분리공정을 거친 다음 알코올을 제거하고 물로 세정 탈수하여 제조한다.회분식은 설비 투자비가 적으나 효율성,생산성, 반응성 등이 연속식에 비해 떨어지기 때문에 소규모공정에 주로 사용된다.
Fig.2.4Batchprocess(Novance,France)30)
연속식 공정은 원료유지의 성상이 비교적 일정한 대규모 바이오디젤 생산에 적합하며 대표적인 공정으로서 Henkel공정과 CD(ContinuousDeglycerolization) 공정이 있다.Fig.2.5에 나타낸 Henkel공정은 2기의 직렬식 튜브반응기로 구 성되며 각 반응기 후단에는 글리세린을 회수하기 위한 침강조가 설치된다.촉 매의 성능저하를 방지하고 공정의 효율성을 높이기 위하여 친유성 성분에 잘 용해되는 소디움 메톡사이드를 사용하여 친유성 바이오디젤 층에 촉매가 남아 있도록 함으로써 수율을 높인다.단점은 촉매로 소디움 메톡사이드를 사용하 여 글리세린 층으로의 촉매 이동을 적절하게 유지함으로써 반응 후기 수율증가 에 기여하도록 하였으나 반응계가 2상이므로 반응 초기 촉매 성능 저하를 최 소화하고 연속식 관형 반응기의 혼합을 높이기 위해 관형 반응기내에서 유속을 2,300이상으로 유지하도록 하여야 하며,고수율을 얻기 위해 2단계의 에스테르 교환 반응기를 설치해야 하므로 2차 반응 중 촉매와 메탄올의 소모가 불가피 하여 원가 상승의 문제가 있다.또한 바이오디젤의 정제에 증류 공정을 사용하 므로 생산수율이 4 ～ 5% 저하하고 생산된 바이오디젤의 산화 안정성 (oxidationstability)이 낮다는 문제가 있다.
Fig.2.5Continuousprocess(Henkel,Germany)30,33)
CD(ContinuousDeglycerolization)공정은 Fig.2.6에서와 같이 컴팩트화로 투 자비를 낮추고 상압운전으로 에너지소비량을 줄임으로써 Henkel공정에서 나 타난 대부분의 문제점을 해결할 수 있으나 지방산 함량이 높은 저가의 원료(지 방산 함량 2% 이상의 폐식용유 등)에는 적용할 수 없는 단점이 있다.또한 바 이오디젤의 정제에 수세공정을 적용함으로써 다량의 폐수가 발생하는 문제가 있다.
Fig.2.6CD process30,31)
2 2
2...222...222바바바이이이오오디오디디젤젤젤 국국국내내내․․․외외외 동동동향향향
바이오디젤은 높은 생산비용에도 불구하고 환경친화성이 좋고 재생에너지라 는 장점 때문에 1988년 오스트리아의 소규모 공장(500톤/년)에서 세계 최초 로 상용 생산된 이래 유럽연합을 중심으로 생산용량이 급격히 증가하고 있 다.바이오디젤의 세계적인 이용현황을 살펴보면,Fig.2.7에 나타낸 바와 같 이 유럽,북미 및 중남미,아시아,오세아니아 제국 등 세계 각국에서 BD100(순수 바이오디젤),BD30,BD20,BD5,BD2등 다양한 형태로 사용되 고 있다34).
Fig.2.7Thestatusofmixofbiodieselworldwide(2005,IFQC)
유럽에서는 1990년대 초 프랑스를 필두로 바이오디젤 혼합유가 버스,트럭용 연료로 사용된 이래,Fig.2.8에서와 같이 독일,오스트리아,스웨덴 등지에서 차량 연료계 부품을 일부 수정한 바이오디젤유 전용차량을 대상으로 100%
바이오디젤유를 보급하고 있고,프랑스,이태리,체코,슬로바키아,스위스 등 지에서는 대형트럭 또는 버스회사 차량을 대상으로 BD30을 보급하고 있다.
유럽 국가 중에서 바이오디젤의 보급에 가장 활발한 독일의 현황을 살펴보 면 정부 차원에서 적극 지원에 따라서,2005년 총 1백9십 만 톤/년의 생산능 력을 구비하여 이중에서 1백8만 톤/년을 판매하였으며 2006년에는 생산능 력이 2백4십 만 톤으로 증가하고 있다.2003년도까지는 승용차와 플릿차량 (트럭 등)을 대상으로 BD100을 보급하여 왔으나,2004년도 이후에는 BD5의 보급에 착수하여 2004년도 총 바이오디젤 판매량의 25%가 BD5의 형태로 일반차량을 대상으로 보급되고 있다.2005년도에는 BD5의 보급이 확대되어 총 바이오디젤 판매량의 40%가 BD5로 혼합되어 있고,BD100은 승용차,플 릿차량,농업기계를 대상으로 보급되고 있다.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Germany Italy
France
United Kingdom Austria
Poland Spain
Slovakia
Czech Republic Denmark
Sweden Ireland
Production Capacity in 1000 tonnes/year
Fig.2.8TotalproductioncapacityinEurope35)(2005.6)
유럽의 2번째 바이오디젤 소비국인 이탈리아는 난방연료에 바이오디젤을 5% 차량용 경유에 25%까지 혼합하여 사용되고 있다.이태리에서는 1994년 이래 바이오 디젤에 대하여 완전 면세하는 제도를 시행하고 있다.
바이오디젤을 유럽에서 세번째로 많이 사용하는 프랑스에서는 바이오디젤 의 보급 유통에 정유업체가 적극적인 역할을 하는 데에 특징이 있다.즉 바 이오디젤 생산업체는 생산된 바이오디젤을 정유업체 또는 운수업체에 공급 하고 정유업체는 공급받은 바이오디젤을 경유에 5% 이내 혼합하여 일반 경 유로서 판매하고 있다.
미국의 경우에는 바이오디젤유의 약 90%가 대두유를 원료로 하여 생산되 고 있다.미국에서는 1992년에 국립 BiodieselBoard가 설립된 이래,1998년 에는 국회 및 EPA에서 BD20을 디젤차량 연료로서 승인하였고,2006년에는 부시 대통령이 바이오디젤유를 포함한 신재생에너지의 보급 확대를 천명한 바 있다.이러한 정부차원의 적극적인 도입책에 따라서 바이오디젤유의 보급
실적이 매년 증가하여,2006년 53개소의 생산설비에서 30억 gallon/year를 생산하고 있다36).
그밖에 캐나다에서는 1994년에 바이오연료의 보급을 촉진하기 위하여 CRFA(Canadian RenewableFuelsAssociation)을 설립하였고,2003년 12월 에는 정부의 바이오디젤 보급 활동 지원이 개시되어 BAC(Biodiesel AssociationCanada)가 설립되었다.호주에서는 2003년 9월 바이오디젤에 대 해 비과세를 부여하고 품질규격을 설정하는 등 보급을 확대하고 있으나 아 직까지는 시범보급 단계에 있다.남미(브라질,아르헨티나),동남아시아(말레 이시아,태국),일본,중국 등지에서도 현재 바이오디젤의 시범 보급을 추진 하고 있다.
산업자원부에서 지정한 국내 바이오디젤유 생산기업은 2002년에 BDK(구 신양 현미유)와 가야에너지(구 신한에너지)의 2 개소이었으나,2007년 현재 바이오대체에너지,에코에너텍,B&D,쓰리엠 안전개발,단석산업,무등 바이 오에너지 등이 추가되어 공식적으로는 약 30만 톤의 생산능력을 갖추고 있 다.
정부에서는 2002년 5월 ～ 2006년 6월 사이 수도권과 전라북도 지역의 지 정 주유소를 통해 바이오 디젤을 판매하는 시범사업을 실시하였고,시범사업 의 결과를 토대로 2006년 7월부터 전국적으로 바이오 디젤공급을 확대함으 로써 전국 대부분 주유소의 ‘일반 경유’는 바이오 디젤 혼합 경유를 사용 중 이다.
하지만 현재 정부가 판매를 허용한 바이오 디젤 혼합 경유는 시범사업 기 간 판매된 BD20이 아닌 바이오디젤 5%를 혼합한 수준에 불과하며,기존 경 유 시장의 잠식을 우려하는 정유 업체들의 미온적인 반응으로 바이오 디젤 보급에 비효율성이 발생하고,바이오 디젤의 제조와 판매가 이원화됨으로써 혼합 및 판매를 담당한 정유 업체에 대한 인센티브가 부족하여 목표 달성의 성패가 불확실하다24).
222...333바바바이이이오오오디디디젤젤젤 성성성능능능 및및및 특특특성성성 2
2
2...333...111연연연료료료 특특특성성성
미국의 바이오 디젤청(NBB:NationalBiodieselBoard)에 의하면 순수 바 이오 디젤은 소금보다 독성이 적고 설탕만큼 미생물 분해성이 강하다.일반디 젤과 혼합이나 바이오 디젤만으로 사용이 가능하고 무독성으로 입자상물질 중 고체탄소물질을 줄이고 용해성유기물질(SOF)은 증가하는 반면 황 성분을 감소 시킬 수 있다.Table2.3은 바이오 디젤의 물성치(properties)를 일반 경유와 비 교하여 나타낸다.
Table2.3Thespecificationsoftestfuel
Item oftest Biodieselspec. Basefuel (500ppm below)
Resultoftest Biodiesel
20%
Biodiesel Flashpoint 100%
(PM,℃) below 100 59 90 140
Pourpoint(℃) below 0.0 -21 -15 -5
Distillation90%
(℃) below 360 350 360 370
Carbonresidue
(on10% residue) below 0.15 0.01 0.01 0.009 Ash(%) below 0.02 under0.001 under0.001 above0.001 Viscosity
(40℃,cst) 1.9～ 5.5 2.8 2.92 4.12
Sulfurcontent
(weight)ppm below 50ppm 390ppm 30ppm 10ppm
Cetaneindex above40 43 46 47.5
Low heating
value(MJ/kg) - 43 42 40
바이오 디젤은 경유에 비해 낮은 발열량을 갖고 있지만 일반 경유보다 세탄 가가 높으며 더 인화점이 높아 취급이 용이하고 경유보다 탄소함유량이 10%
적으며 경유가 갖고 있지 않는 산소를 약 11% 함유하고 있다.
바이오디젤은 B20으로 기관 개조 없이 사용하는 방식이 주류를 이루고 있으 며 B100의 경우 배출가스 감소율은 증가하나 점성이 높아 연료분사 인젝터의 막힘이나 실린더내부의 퇴적의 증가 및 한냉시 유동성저하에 의한 냉시동성의 악화를 유발할 수 있다.바이오디젤은 연소과정에서 배출물중 NOx가 약간 증 가될 수 있고,입자상물질 중 미규제 물질인 용해성유기물질(SOF)도 조금 증가 하는 경향이 있다.
2
22...333...222..배.배배출출출가가가스스스 특특특성성성
바이오디젤은 미국 환경보호청에서 최초로 배출가스평가 결과 건강효과를 줄 수 있는 유망한 유일한 대체에너지로 제시되어 미국의 연료첨가제나 연료보증서에 대해 미국 환경보호청(EPA)에 의해 요구되는 가장 엄격한 시험규약을 포함하고 있으며 배출 가스는 팝콘이나 프렌치 프라이 같은 일반 식용유 냄새가 난다.
Table2.4Bio-Dieselemissionscomparedtoconventionaldiesel
Emissiontype
Characteristics B100 B20
Regulated
Totalunburnedhydrocarbons -93% -30%
Carbonmonoxide -50% -20%
Particulatedmatter -30% -22%
NOx 13% 2%
Non- Regulated
Sulfates -100% -20%
PAH(Polycyclicaromatichydrocarbons) -80% -13%
nPAH(nitratedPAH's) -90% -50%
OzonePotentialofspeciatedHC -50% -10%
Table2.5EffectsofBiodieselontailpipeemission(g/bhp-h)
Emission
Effects DieselFuel
Baseline
20% Biodiesel Blend
100% Neat Biodiesel Carbondioxide(fossil) 633.28 534.1 136.45
Carbondioxide(biomass) 0 108.7 543.34
Carbonmonoxide 1.2 1.089 0.6452
Hydrocarbons 0.1 0.09265 0.06327
Particulatematter(PM10) 0.08 0.0691 0.02554
Sulfuroxides(asSO2) 0.17 0.14 0
Nitrogenoxides(asNO2) 4.8 4.885 5.227
바이오디젤의 오존(스모그)생성 가능성이 디젤연료보다 적으며 HC 배출물의 오존 생성가능성은 디젤연료에서 측정된 것보다 거의 50%(B20 :10%)정도였 다.
황은 순수 바이오디젤에서 근본적으로 제거되어 산성비의 주요 성분인 산화 황과 황산염의 배출 가스는 디젤연료에 비교하여 거의발생하지 않으며 (B20:
20% 감소)바이오디젤은 함 산소연료이므로 CO의 배출은 B100을 기준으로 거 의 50%(B20:20%)가 낮으며 PM은 디젤에서 보다 30%(B20:22%)정도 낮게 나타난다.NOx는 연료중의 바이오디젤에서 배출되는 비율이 높은데 이는 산소 함량증가에 따라 완전연소에 기인된다.미국 EPA규정에 의하면 매연은 디젤연 료보다 약 50% 정도 낮은 수준으로 평가되며 미량규제물질은 순수바이오디젤 이 일반연료에 비해 10배정도 낮은 수준 이며 lowerheatingvalue에 의해 기 관 power가 약간 감소하나 무시할 정도이며 오일의 점성이 기본연료보다 크므 로 윤활성이 좋아 마찰력이 감소할 수 있다.
그러나 바이오디젤에서 황의 감소로 일반디젤에서 적용될 수 없는 NOx제어 기술로 더 많은 감소가 가능하다.따라서 바이오디젤의 NOx는 연료 이용기술 에 따라 효과적으로 제어할 수 있다.
2 2
2...333...3.33..윤윤윤활활활특특특성성성
바이오 디젤은 윤활성 측면에서 일반경유나 저황유보다 우수하다는 것이 입 증되었다.디젤기관은 연료 펌프나 인젝션 시스템의 과도한 마찰에 의해 인젝 션 펌프나 기관수명을 감소시키므로 윤활성 증대가 시급하다.바이오디젤은 종 류에 따라 윤활성에 약간의 차이가 있으며 이것을 평가하는 기준은 식물의 종 류와 오일의 성분에 따라 윤활효과가 다르게 나타난다.
바이오디젤의 윤활성 평가기준은 마모자국의 범위,마찰계수 및 윤활넘버 등을 고려하여 윤활첨가제의 비율을 조절하고25)그 종류에 따라 기본성능을 평 가하며 윤활성이 양호한 오일을 찾기 위한 최적화 노력을 활발히 진행하고 있 다.윤활성 시험은 벤치 테스터나 단품에 의한 시험을 수행하고 있으나 테스트 에 소요되는 시간과 비용을 고려하여 적절한 테스트조건과 모드를 선정하는 것 도 중요하다25).또한 테스트시 오염에 대한 원인을 찾고 신뢰성 확보가 선행되 어야 하는 문제점을 안고 있다.
커먼레일 디젤기관은 연료펌프나 인젝션 시스템에 과도한 마모가 일어날 수 있으며 이를 방지하기위해 연료의 윤활성 향상을 요구한다.
초기에는 디젤연료를 사용할 때 기관의 마모와 인젝션 펌프의 고장율이 높았 으나 바이오 디젤에서 황이나 방향족의 감소로 이러한 문제점을 해소하고 환경 오염을 줄이는 결과를 가져온다.
아울러 일반경유에 지나치게 황을 감소하면 연료의 점성에 영향을 주며 기관 출력감소와 기밀성불량을 일으킬 수 있으며 ULSD의 경우 점성 및 기밀성문제 로 어려움이 있으나 이를 해결하기위해 바이오디젤을 이용하여 해결할 수 있 다.
바이오 디젤이 일반경유 보다는 윤활성이 뛰어나 기관수명을 증기사키며 연 소시 SO2를 배출하여 산성비를 생성하는 주요인인 황을 대체하여 이용되므로 프랑스에서는 모든 디젤연료는 황 성분을 대신할 수 있도록 5%의 바이오 디젤 을 포함시켜 사용하고 있다.
2 2
2...333...44.4..성성성능능능특특특성성성
바이오디젤은 현재 적용중인 디젤연료와 비교하여 에너지 균형은 약간 떨어 지나 거의 무시할 만한 수준이며 기관의 주요 개량이나 설비투자 없이 출력, 토크 및 연료소비량에 있어 저황경유와 매우 유사한 성능을 가진다.또한 기관 성능에 영향을 주지 않으면서,연료분사장치를 변경하지 않고 현재 적용중인 기관에 그대로 적용할 수 있는 장점이 있다.높은 세탄가에 의한 완전연소로 연소효율을 증가시킬 수 있고,이미 필드시험을 통하여 25만 ㎞ 이상의 내구시 험을 완료하였으며,기존의 기관과 비교하여 연료소비량과 소비동력이 거의 유 사하다.일반적으로 바이오 디젤을 적용하면 윤활성은 뛰어나지만 고무제품을 적용하는 실린더내부의 피스톤 오일링이나 오일패킹 등에 합성고무나 천연고무 를 적용하게 되면 품질이 떨어질 수 있어 경쟁력 있는 합성고무로 대체하여야 한다26).
Ⅳ
Ⅳ Ⅳ. . .실 실 실험 험 험 장 장치 장 치 치 및 및 및 방 방 방법 법 법
333...111..실.실실험험험 장장장치치치 3
3
3...111...111...가가가시시시화화화 실실실험험험장장장치치치
본 연구에서 사용한 실험기기의 개략도는 아래 Fig.3.1에 나타내었다.
Fig.3.1Schematicdiagram ofexperimentalapparatus
바이오 디젤기관의 분무 및 연소현상을 가시화하기 위하여 정적연소기를 이 용하였다.정적연소기는 실제 기관을 대상으로 하기 위해 대형기관에 유사한 조건에서 분무,연소를 관찰하기 위하여 보어는 123㎜,폭은 30～ 140㎜로 조절이 가능하도록 제작하였으며 그 주변에 레이저와 각종 광학기기를 설치하 여 고속 카메라로 분무 및 연소가시화를 실시하였다.또한,정적연소기 주변장 치로 흡기밸브,배기밸브,압력센서,점화를 위한 전극 및 연료분사를 위한 인 젝터를 장착하였고,분무 및 연소가시화를 위해 양측에는 직경 153㎜,두께 40
㎜의 강화유리를 설치하였다.연소기내의 잔류가스를 제거하기 위한 진공펌프 를 설치하고,중간에 감압탱크를 통해 잔류가스를 제거하였다.정적 연소기의 구성은 실제 기관에서 불가능한 각종 실험 조건(점화 위치,분사위치,연소실
형상 등)을 자유로이 변경시킬 수 있도록 설계하였다.
3 3
3...111...222...고고고압압압 분분분사사사 시시시스스스템템템
디젤기관은 압축착화를 기본 시스템으로 하기 때문에 가솔린 기관과 비교하 여 연료와 공기의 혼합시간이 매우 짧다.따라서 국부적인 혼합기 농후화가 발 생하며 결과적으로 다량의 PM을 배출하게 된다.하지만 현재는 종전의 기계식 가버너 시스템에서 커먼레일 시스템으로 변화하면서 이와 같은 단점이 상당 부 분 보완되었다.커먼레일 시스템은 고압분사를 기본으로 하기 때문에 인젝터에 서 연소실로 연료 분사시 고압분사에 의한 연료의 무화가 쉬워서 단시간 내에 균일한 혼합기 형성을 가능하게 한다.커먼레일 시스템은 고압형성을 위한 고 압펌프,고압연료를 축압하여 보내는 고압레일,정밀제어를 위한 전자제어식 인 젝터 및 ECU로 구성되어 있다.Fig.3.2는 커먼레일 시스템을 나타내고 있으 며,Fig.3.3은 실험에 사용된 커먼레일 장치이다.커먼레일 시스템은 분사압력 에 따라 1세대부터 3세대까지 나누어지며 현재는 2000bar이상의 초고압 분사 시스템이 연구되고 있다.
Fig.3.2CommonrailfuelSystem27)
Fig.3.4Injector
Fig.3.3Commonrailsystem Fig.3.5Injectordriver
커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버에 의하여 통전시간을 조절하여 원하는 분사량 및 분사시기를 제어할 수 있도록 하였다.Fig.3.4는 실험에 사 용된 인젝터이며,Fig.3.5는 인젝터 드라이버를 나타내고 있다.
3 3
3...111...33.3..계계계측측측 장장장치치치
( (
(111)))정정정적적적연연연소소소기기기
디젤 기관의 최고 연소 압력은 6∼ 7MPa에 이른다.실린더 내에 분사되는 연료의 특성을 알기 위해서는 분위기 압력 하에서의 분무 및 연소 특성에 관한 연구가 중요하기 때문에,정적연소기를 이용하여 분위기 압력을 일정하게 유지 하였다.분위기 압력에 사용된 가스는 질소를 사용하였으며,레귤레이터를 장착 하여 정적연소기 내 압력을 일정하게 유지 하였다.또한,분무 및 연소가시화를 위해 양측에는 직경 153㎜,두께 40㎜의 강화유리를 설치하였다.Fig.3.6은 정적연소기를 나타낸 것이다.
Fig.3.6Constantvolumechamber
( (
(222)))점점점화화화장장장치치치
점화장치(spark plug)는 수소 기관의 직접분사방식에서 연료분무 후 연소를 위해 사용하였고 정적연소기내의 중심에서 점화가 일어나도록 하기위하여 점화 장치의 끝단을 63㎜ 텅스텐 봉으로 개조하여 연소기의 중심의 양쪽 끝에 각각 +,-전원을 연결하여 장착하였고 간극은 1.0㎜가 되게 하였다.Fig.3.7은 점화 플러그의 외형을 나타낸다.
Fig.3.7Sparkplug
( (
(333)))분분분사사사장장장치치치
커먼레일 인젝터는 별도의 인젝터 드라이버에 의하여 통전시간을 조절하여 원하는 분사량을 제어 할 수 있도록 하였으며,Fig.3.8에 나타내었다.노즐의 지름이 0.2mm이고 직경비(L/D)가 2.67인 커먼레일식 5공 인젝터이다.
Fig.3.8Theimageofbiodieselinjector
( (
(444)))고고고속속속디디지디지지털털털카카카메메메라라라
가시화를 위하여 고속디지털카메라를 사용하였으며 그 제원은 Table 3.1과 같다.
Fig.3.9Highspeedcamera
Table3.1Specificationofhighspeedcamera
Sensor,Color CMOS,Color/Black/UV ~VIS(MCP) Basicresolution 1,024×1,024px@ 3,000fps
Photograph 17×17㎛
Sensorsize 17.4×17.4mm
Maxim photographingspeed 3,000fps Exposurehours 4μs& 20ns(MCP)
Lensmount C-mount,F-mount,Hi-G mount
Control Keypad,PC
Interface Ethernet,FireWire,OpticalLink Outputreflectionsignal Digital,Analogvideo
Digitalreflection BMP,TIFF,JPEG,PNM,RAW,RAWW,AVI
Maxim.memory 6,144frames
Trigger Ground,TTL(+/-)
Mode Start,Center,End,Manual,Random,R-Reset,R-Manual
( ( (555)))광광광원원원
바이오 디젤의 분무는 매우 짧은 시간에 이루어지며 이는 압력이 증가할수록 더욱 빠른 양상을 뛴다.이러한 순간적인 분무현상을 고해상의 영상으로
취득하기 위해서는 지속광원과 초고속 카메라를 이용하여 암실상태에서
분무가시화를 하였다.이때 지속적이고 밝은 광원을 위해 metalharaidolight 을 사용하였다.Fig.3.10에 광원을 나타내었다.
Fig.3.10Lightsource
( (
(666)))항항항온온온수수수조조조
바이오디젤의 온도를 -20℃부터 20℃까지의 온도 범위에서 온도 조절 센서 (Pt-100 Ω)와 제어기(PID)를 이용하여 ±0.1℃이내에서 온도를 유지하였다.연 료통 내부의 온도 변화가 ±0.05℃이하로 맞추기 위해 30분간 평형상태를 유지 하였다.
Fig.3.11Thermalbath
( (
(777)))진진진공공공펌펌펌프프프
정적연소기내의 잔류가스를 제거하기 위하여 0.25～ 0.3㎾의 회전속도 1400
～ 1660rpm 진공펌프를 사용하였으며,Fig.3.12는 외형이다.
Fig.3.12Vacuum pump
( (
(888)))마마마이이이크크로크로로 컨컨컨트트트롤롤롤러러러
AVR microprocessor를 이용하여 분사기간, 점화시기를 조절하고, data acquisition과 고속카메라 입출력을 제어한다.
Fig.3.13 AVR microprocessor
( (
(999)))LLLaaabbbVVIVIIEEEWWW ---DDDaaatttaaaaaacccqqquuuiisissiiitttiiiooonnn
LabVIEW는 여러 범용의 C 또는 BASIC 개발 시스템처럼 프로그램 개발 도 구이다.다른 프로그래밍 시스템들이 코드를 생성하기 위하여 텍스트 기반의 언어를 사용하는데 반하여 여러 가지 문법적인 사항들을 없애고 블록 다이어그 램이라 불리는 흐름도를 사용하여 프로그램을 생성한다.프로그래밍을 하기 위 해 문자화된 언어를 사용하기보다는 그림 기호에 의존한다.LabVIEW는 대부
분의 프로그래밍 업무에 도움이 되는 서부루틴(subroutine)과 광범위한 함수들 의 라이브러리를 가지고 있다.또한 데이터 수집(dataacquisition),GPIB,시리 얼(serial)계측기 제어,데이터 해석,데이터 표현 및 데이터 저장 등을 위한 라이브러리도 포함되고 있다.GUI(GraphicalUserInterface)성질로 인하여 데 이터 표현을 위한 패키지로 많이 사용된다.따라서 데이터를 표현하기 위한 다 양한 도구를 가지고 있으며,원하는 형태로 나타내기 양호하다는 장점을 가진 다.
① LabVIEW의 구성
LabVIEW는 그 모양이나 작동이 실제의 계측 장치와 매우 유사하기 때문에 가상 계측기(VI:VirtualInstrument)라 불린다.그러나 화면 뒤에서는 C나 BASIC과 같은 일반적인 프로그래밍 언어가 사용하는 메인 프로그램,함수,부 프로그램 등을 사용한다.VI는 대화식의 사용자 인터페이스와 소스 코드를 가 지고 있으며 그들 사이에 데이터를 주고받을 수 있다.VI는 3개의 주요 부분을 가지고 있다.
가 가
가...프프프론론론트트트 패패패널널널(((FFFrrrooonnntttpppaaannneeelll)))
프론트 패널은 VI의 대화식 사용자 인터페이스이며 이것은 실제의 계측 장치 패널을 묘사하고 있다.프론트 패널은 스위치,누름단추,노브(knob),그리고 여 러 가지 다른 컨트롤과 인디케이터를 포함하고 있다.여러분은 키보드나 마우 스를 이용하여 데이터를 입력하고 프로그램이 생성한 결과를 스크린을 통하여 볼 수 있다.Fig.3.14는 프론트 패널의 구성을 나타낸다.
Fig.3.14Exampleoffrontpanel
프론트 패널은 사용자가 프로그램과 대화하는 창이라고 말할 수 있다.VI를 실행하고 입력 값을 주기 위해서는 프론트 패널을 열어야 한다.또한 프로그램 의 결과를 보기 위해서도 프론트 패널이 필요하다.프론트 패널은 컨트롤과 인 디케이터로 구성되어 있다.컨트롤은 종래의 계측기에서 발견할 수 있는 노브 (knob)라든가 스위치 등과 같은 전형적인 입력 장치들을 모사하고 있다.컨트 롤은 VI의 블록 다이어그램에 데이터를 공급해 준다.인디케이터는 프로그램이 수집하거나 발생시키는 데이터를 보여 주는 출력 표시기를 나타낸다.
나 나
나...블블블록록록 다다다이이이어어그어그그램램램(((BBBlllocoocckkkdddiiiagaaggrrraaammm)))
블록 다이어그램 창은 LabVIEW VI소스 코드를 나타내는 데 사용된다.Fig.
3.15는 실험에 사용된 프로그램의 블록 다이어그램을 나타내고 있으며,블록 다 이어그램은 실제 실행 가능한 코드인 C나 BASIC에서의 문자들로 구성된 프로 그램에 대응된다.여러분은 특수한 기능을 수행하는 오브젝트들을 서로 연결하 여 줌으로써 블록 다이어그램을 구성할 수 있다.종래의 프로그래밍에서 사용 되는 흐름도와 비슷하게 보이는 그림 표현으로 LabVIEW의 프로그램을 구성한
다.블록 다이어그램은 터미널,노드,와이어들로 구성되어 내부에서 처리되어 야 할 정보의 계통을 입력하는 구조로 되어 있다.터미널은 프론트 패널 상에 컨트롤과 인디케이터를 위치시키면 블록 다이어그램에 이것들에 대응하여 생성 된다.블록 다이어그램에서 이 컨트롤 또는 인디케이터에 속하는 터미널을 지 워 버릴 수는 없다.터미널은 프론트 패널에 있는 컨트롤 또는 인디케이터를 지울 때 사라진다.블록 다이어그램에서 컨트롤 터미널은 윤곽이 두꺼운 선이 고 인디케이터 터미널은 얇은 선으로 되어 있다.
Fig.3.15Combustionpressuredataacquisitionprogram
② DAQ-card
DAQ(DataAcquisition)란 우리가 원하는 물리적 신호의 발생을 얻어 이것을 처리하는 것을 말한다.컴퓨터를 이용하여 DAQ를 수행하기 위해서는 센서를 이용하여 얻은 물리적 신호를 전압과 전류와 같은 전기적 신호로 바꾸어 주어 야 한다.가끔 우리는 DAQ 보드를 DAQ 시스템의 전체로 간주하는 경우가 있 는데,DAQ 보드는 하나의 DAQ 요소일 뿐이다.일반적으로 DAQ를 소프트웨
어적으로 처리해 주는 LabVIEW와 같은 소프트웨어를 사용하기 전에는 오실로 스코프와 같은 전용의 계측기기를 사용하였다.
그러나 이제는 DAQ 보드와 LabVIEW와 같은 소프트웨어를 사용하여 다양 한 처리를 할 수 있게 되었다.이러한 전용 기기와 다르게 DAQ 보드는 물리적 신호를 직접 연결하여 사용할 수 없을 때가 있다.컴퓨터는 디지털 정보를 취 급하므로 아날로그 신호를 디지털로 신호를 바꿔 줄 수 있는 기기가 필요한 것 이다.비단 디지털로 바꾸어 주는 것뿐만 아니라 여러 가지를 처리해 줄 필요 가 있으므로 이를 위하여 내셔널인스트루먼트(NI)에서는 다양한 처리장치를 준 비하고 있다.위의 그림은 일반적인 DAQ 시스템의 개략도이다.이렇게 준비한 후에 데이터를 얻고 분석하고 표시할 수 있는 것이다.
일반적으로 데스크탑(desktop) 컴퓨터는 DAQ 보드를 내장하고, 랩탑 (laptop)형의 컴퓨터는 외장형 DAQ 보드를 이용하여 시스템을 구성한다.외장 형 시스템구성은 DAQ 보드를 끼울만한 슬롯(slot)이 없을 경우에 주로 사용하 며,직렬,병렬 및 GPIB 형태의 데이터 버스를 사용한다.
Fig.3.16LabVIEW DAQ board(6024-E)
( (
(888)))압압압력력력센센센서서서
연소 압력은 정적연소기에서 전달되는 열에 의한 변형과 손실이 일어나지 않 는 피에조식 압력센서를 정적 연소기에 설치하여 측정하였으며,Fig.3.17은 압 력 센서의 부착위치가 표시된 모습을,Fig.3.18은 압력센서를 나타내고 있으며, Table3.2는 압력센서의 제원을 나타낸 것이다.
Table3.2Specificationofpressuresensor(KistlerInc.)
Range
Calibratedpartialranges bar
0～250 0～50 0～2.5
Overload bar 300
Sensitivity pC /bar ≈–25
Naturalfrequency kHz ≈ 90
Linearity,allranges % FSO ≤ ±0.5
Accelerationsensitivity axial(withcooling) radial(withcooling)
bar/g < 0.01
< 0.001 Sensitivityshift
50±35°C 50...350°C
%
% /°C
≤ ±0.5
≤ 0.01 Thermoshock
at1500min-1,9barIMEP Δp
ΔIMEP
bar
%
< ±0.2
< ±1
Fig.3.17Photographofconstantchamber
Fig.3.18Piezopressuresensor
( (
(999)))휴휴휴대대대용용용 배배기배기기가가가스스스 측측측정정정기기기
정적연소기내의 직접분사 연소에 따른 배기가스를 측정하기 위하여,CO, HC 및 NOx의 측정이 가능한 Horiba의 휴대용 가스분석기 모델 (MEXA-554JKNOX)를 사용한다.휴대용 배기가스의 제원과 외형은 Table3.3 과 Fig.3.19에 각각 나타낸다.
Table3.3Specificationsofportablegasanalyzer(HoribaInc.)
Items Specification
Component CO HC NOx
Measuring
principle NDIR NDIR CLD
Measuring concentration
range
0.0∼ 10.0
%vol
0.00∼ 10.000 ppm
0.0∼ 5000 ppm Repeatability ±0.06%vol ±12ppmvol ±20ppmvol
90%
response within10sec
Ambient temperature
Temperature10～ 40℃
Relativehumidity:lessthan90%
Fig.3.19Portablegasanalyzer
배기가스 측정기 사용 시 주의할 점은 약 30분 이상의 워밍업을 한 후 측정 을 해야 하며,실험 때마다 배기가스 분석기의 연결 장치 점검과 측정센서 및 필터의 점검이 필요하다.
