Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil

(1)

Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 5, pp.102-112 (2012)

목질 열분해유를 사용하는 디젤엔진의 성능 및 배기특성에 관한 연구

이 석 환^*․박 준 혁․최 영․우 세 종․강 건 용

한국기계연구원 그린동력실

Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil

Seokhwan Lee^*․Junhyuk Park․Young Choi․Sejong Woo․Kernyong Kang

Engine R&D Team, KIMM, 171 Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-338, Korea (Received 15 December 2011 / Revised 16 January 2012 / Accepted 26 January 2012)

Abstract : The vast stores of biomass available in the worldwide have the potential to displace significant amounts of fuels that are currently derived from petroleum sources. Fast pyrolysis of biomass is one of possible paths by which we can convert biomass to higher value products. The wood pyrolysis oil (WPO), also known as the bio crude oil (BCO), have been regarded as an alternative fuel for petroleum fuels to be used in diesel engine. However, the use of BCO in a diesel engine requires modifications due to low energy density, high water contents, low acidity, and high viscosity of the BCO. One of the easiest way to adopt BCO to diesel engine without modifications is emulsification of BCO with diesel and bio diesel. In this study, a diesel engine operated with diesel, bio diesel (BD), BCO/diesel, BCO/bio diesel emulsions was experimentally investigated. Performance and gaseous & particle emission characteristics of a diesel engine fuelled by BCO emulsions were examined. Results showed that stable engine operation was possible with emulsions and engine output power was comparable to diesel and bio diesel operation. However, in case of BCO/diesel emulsion operation, THC & CO emissions were increased due to the increased ignition delay and poor spray atomization and NOx & Soot were decreased due to the water and oxygen in the fuel. Long term validation of adopting BCO in diesel engine is still needed because the oil is acid, with consequent problems of corrosion and clogging especially in the injection system.

Key words : Fast pyrolysis(급속열분해), Wood pyrolysis oil(목질 열분해유), Biomass(바이오매스), Diesel engine (디젤엔진), Bio crude oil(바이오원유), Alternative fuel(대체연료)

1. 서 론¹⁾

지구 온난화의 주범인 화석 연료의 사용을 대체 하기 위한 재생 가능한 에너지원(renewable energy) 에 대한 중요성이 부각되고 있는데 이 중에서 목재 등의 바이오매스를 이용하여 액체, 고체, 기체상의 연료를 제조하는 기술들이 근래에 연구되고 있다.¹⁾ 특히 목재가 풍부한 나라들을 중심으로 목재를 원

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

료로 생산되는 열분해유를 적용한 열병합 발전소가 건설되고 있으며, 가스 터빈²⁾ 및 디젤엔진을 사용하 여 발전하는 기술들이 많이 연구되었다.³⁾ 또한, 바 이오원유를 수송용 디젤엔진의 연료로 직접 적용하 고자 하는 연구들도 근래에 진행되고 있는데 열분 해유와 디젤연료의 연소특성 및 배출가스 배출특성 을 비교하는 연구가 수행되었으며,⁴⁾ 열분해유를 디 젤 엔진에 적용하기 위하여 세탄향상제를 첨가한 연료를 사용하여 디젤 동등 수준의 연소성능을 확

(2)

보하였다는 연구결과⁵⁾ 및 열분해유를 최대 30%까 지 디젤과 혼합한 혼합연료를 디젤엔진에 적용한 결과 배출가스 중에 NOx가 저감되었다는 연구결과 들이 발표되었다.⁶⁾ 하지만, 열분해유는 디젤 엔진에 적합하지 않은 연료 물성치를 가지며,⁷⁾ 열분해유를 이용하여 엔진 연소는 가능하지만 연료공급계가 마 모되는 결과들이 보고되었다.⁸⁾

열분해유의 물성치는 원료가 되는 바이오매스의 종류 및 생산 공정에 따라서 큰 차이를 보이는데 보 통 18-30%의 수분이 포함되어 있으며 화석계 연료 에 비하여 연료 내에 산소 성분이 많이 포함되어 있 다. 이와 같이 디젤유와는 물성치가 매우 상이하므 로 연료미립화, 점화 및 연소 특성, 배출가스의 배출 특성도 다르다. 열분해유가 가지는 특성들을 요약 하면 다음과 같다.⁹⁾

열분해유는 낮은 세탄가로 인하여 단독으로 사용 시 자발화 되지 않으므로 파일럿 분사나 세탄가가 높은 연료와 혼합하여 사용하여야 한다.

∙열분해유의 구성성분 중 산소성분은 42-50%를 이루고 있으며 탄소 성분의 비율이 석유계 연료 에 비해서 낮으므로 에너지 함유량도 낮다.

∙열분해유의 점도는 중유와 경유의 중간 정도에 위치하는데 열분해유의 원재료와 공정에 따라서 차이가 나며 열분해유 내의 수분함유량 및 연료 의 온도에 의해서 큰 차이가 난다. 점도가 디젤유 에 비하여 높기 때문에 연료의 미립화 특성이 저 하된다.

∙열분해유는 산성(pH 2-3)의 성질을 가지고 있으 므로 장시간 운전을 하는 경우 분사계가 부식될 수 있으며 연료 내의 높은 수분함유량 또한 분사 계 손상의 요인이다.

∙열분해유에는 타르가 포함되어 있는데 중합 작용 (polymerization)에 의해서 점착성의 물질로 변환 된다. 중합작용은 실온에서도 일어나며 특히 90°C가 넘는 고온에서 매우 빠르게 일어난다. 이 로 인하여 발생되는 중합체(polymer), 타르, 고체 입자 등은 분사계에 퇴적되어 성능을 저하시키게 된다. 또한, 열분해유가 연소되면 탄소계 퇴적물 이 생성되어 분사계 뿐만 아니라 연소실, 배기밸 브, 피스톤 등에 퇴적되어 성능 저하를 일으킨다.

위에서 언급한 특성들에 의하여 열분해유를 디젤 엔진에 단독으로 사용하는 것은 어렵다. 따라서 위 의 단점을 보완하기 위해 열분해유를 디젤유 및 바 이오디젤유와 혼합한 혼합유를 사용하여 디젤엔진 에 적용하는 연구들이 진행되고 있다.^10,11) 본 연구 에서는 목재에서 생산된 바이오원유에 디젤과 바이 오디젤을 각각 혼합한 혼합유들을 디젤엔진에 적용 하여 연소성능 및 가스상, 입자상 배출가스의 배출 특성을 파악하였다.

2. 실험장치 및 방법 2.1 실험연료

본 연구에서 사용된 바이오원유는 톱밥을 재료로 급속 열분해 반응을 통하여 생산된 것이다.¹²⁾ 생산 된 바이오원유는 열분해유 특유의 짙은 검갈색을 지니고 있으며 탄 냄새가 심하게 난다. 바이오원유 의 경우 수분이 약 33% 함유되어 있으며 일반 디젤 유에 비하여 발열량이 1/3 수준이고 연료 조성에서 산소 성분의 비율이 50%에 이를 정도로 매우 높다.

바이오원유는 발열량이 낮고 산성을 지니고 있으며 밀도 및 점도(viscosity)도 디젤유에 비해서 훨씬 높 으므로 100% 바이오원유를 디젤엔진에 적용하게 되면 짧은 시간 내에 연료공급계의 손상이 일어난 다. 100% 바이오원유를 사용하기 위해서는 연료공 급계를 이루고 있는 소재 교환, 분사기 분공 확장 등 의 개조를 거쳐야한다.^2,3) 따라서 기존의 연료공급 계의 개조 없이 그대로 이용하기 위해서는 바이오 원유에 디젤유 및 바이오디젤유를 적정량 혼합한 혼합유를 적용하는 것이 가장 쉬운 방법이다. 원유 에서 생산되는 탄소계 연료들은 대부분 서로 잘 혼 합되는 반면에 바이오매스에서 생산되는 바이오원 유는 화석 연료와 극성(polarity)이 달라서 완전하게 혼합되지 않고 층이 지게 된다. 바이오매스 연료와 화석연료를 완전하게 혼합하기 위해서는 적절한 계 면활성제를 사용하여야 한다.

바이오원유를 디젤엔진에 적용하기 위하여 우선 100% 콩으로 제조된 바이오디젤유와 혼합하였다.

질량 기준으로 바이오디젤유 60%에 바이오원유 40%를 혼합한 뒤 계면활성제인 Octanol을 4% 첨가 하고 교반기를 사용하여 30°C, 1,200 rpm 모터 회전

(3)

Seokhwan Lee․Junhyuk Park․Young Choi․Sejong Woo․Kernyong Kang

(a) Fuel A (b) Fuel B

Fig. 1 Emulsification of bio crude oil with bio diesel and diesel

수 조건에서 15분간 교반을 하였다.¹⁰⁾ 교반한 후 24 시간 동안 혼합연료를 방치하게 되면 Fig. 1의 왼쪽 그림과 같이 두 연료로 층이 나누어지는데 상층 연 료인 혼합유 Fuel A를 얻을 수 있다. 하층 연료는 바 이오원유 중에 무거운 성분으로 이루어져 있으며 가벼운 성분의 경우 바이오디젤유 대비 10~15% 정 도의 혼합비로 바이오디젤유와 혼합되어 에멀젼 형 태로 윗부분에 섞여서 Fuel A를 이룬다. 바이오디젤 유와 바이오원유의 가벼운 성분이 섞여 있는 혼합 연료 Fuel A는 Char 등의 입자들도 거의 없으며 점 도도 높지 않아서 그대로 디젤 엔진에 적용이 가능 하다. 바이오원유의 무거운 성분들은 에너지 밀도 가 낮으며 점도도 매우 높아서 그대로 디젤엔진에 적용하기 어려우므로 디젤유 70%를 혼합한 혼합유 를 제조하여 엔진에 적용하고자 하였다. 계면활성 제로 Hypermer B246SF와 Hypermer 2234 두 가지 약 품을 메탄올과 5:2로 희석한 액체를 5% 첨가 하였으 며 70°C, 2,000 rpm의 교반기 회전조건으로 20분간 교반하여 혼합연료를 만들었다.¹¹⁾ Fig. 1의 오른쪽 그림은 바이오원유와 디젤유가 질량 기준으로 3:7 로 혼합된 Fuel B 혼합유를 나타내고 있는데 디젤유 와 바이오원유가 균일하게 잘 혼합된 것을 확인할 수 있다. 두 연료가 균일하게 혼합은 되었지만 시간 이 약간 경과하게 되면 바이오원유 성분 중 무거운 성분인 촤(Char)나 미세한 입자들이 바닥에 가라앉 아 있는 것을 볼 수 있었다.

디젤유, 바이오디젤유, 바이오원유, Fuel A와 Fuel B 혼합유에 대하여 물성치를 측정하여 비교한 결과

Table 1 Base diesel engine specifications

Type LHV

(kJ/g) Water

(%) C (%)

H (%)

O (%)

Density (kg/m³)

Diesel 45.8 - 85.0 12.6 2.3 821.0

BD

(Soybean) 39.5 0.14 77.4 12.1 10.1 833.3 BCO 15.9 33.62 41.0 10.1 48.8 1193.5 Fuel A 38.6 0.38 76.4 12.1 11.5 905.3 Fuel B 34.2 8.92 69.2 10.9 19.8 935.2

를 Table 1에 나타내었다. 본 물성치는 공인분석기 관인 한국석유관리원에 의뢰하여 분석한 결과이다.

바이오원유는 디젤 대비 저위발열량(LHV; Lower Heating Value) 값이 1/3로 이는 단위 중량당 에너지 함유량이 1/3밖에 되지 않는다는 의미이다. 또한 바 이오원유는 수분함유율이 33%에 달해 내연기관에 사용하기에는 적합하지 않은 연료라고 할 수 있다.

이에 비해서 Fuel A 혼합유의 경우 바이오디젤유에 비해서 에너지 함유량도 거의 동일하며 수분함유율 도 1% 내로 매우 낮게 측정되어서 바이오디젤유와 거의 동일한 성능을 나타낼 것으로 예측된다. Fuel B 혼합유의 경우에는 디젤에 비해서 에너지 함유율 이 낮기는 하지만 저위발열량 값이 75% 수준이며 수분함유율도 10% 내로 측정이 되어서 디젤엔진에 적용이 가능하리라 예상된다. 또한 연료 내부에 산 소(Oxygen) 성분이 많이 포함되어 있으며 수분함유 율이 디젤 대비 높으므로 연소 시 검댕(Soot)과 질소 산화물(NOx)의 배출이 낮을 것으로 예상된다.

2.2 실험방법

실험에 사용된 엔진 시스템의 제원을 Table 2에 나타내었다. 엔진은 배기량 2,874cc, 압축비 22인 간 접분사식(IDI; Indirect Injection) 디젤엔진을 사용하 였으며, 바이오원유 내에 포함된 촤 등의 입자가 연 료분사계에 고착될 수 있으므로 분사 시스템은 퇴 적물에 민감한 전자식 분사시스템이 아닌 기계식 펌프 및 분사기가 장착된 시스템을 사용하였다. Fig. 2 는 실험장치의 개략도를 나타내고 있다. 디젤엔진 의 동력 특성 제어를 위하여 230 kW급 EC 동력계 (Schenk사)를 사용하였으며, 연소 특성 분석을 위하 여 1번 실린더의 글로우 플러그 위치에 압력 센서

(4)

Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil

Table 2 Base diesel engine specifications

Specifications Resources

Displacement 2,874 cc

Intake system Natural aspiration

Max. Power 70 kW@4000 rpm

Max. Torque 185 N-m@3000 rpm

Bore × Stroke 89.0 × 92.4 mm

Compression ratio 22

Fig. 2 Schematic diagram of experimental setup

(Kistler, 6052C)와 이의 설치를 위한 어뎁터(Kistler 6542Q27)를 장착하여 엔코더 신호와 동기시켜 연소 실 압력을 크랭크각 1도 단위로 측정하였으며, 이를 바탕으로 열방출율 곡선을 계산하였다. 흡입 공기 량 측정을 위해 흡기 레져버(reservoir)의 상단에 층 류 유량계(Meriam Inst. Co.)를 설치하였다. 연료량 과 공연비는 각각 코리올리 효과를 이용한 연료 유 량계(DASAN R&D)와 광대역 공연비 센서(ETAS, LA4)를 이용하여 측정하였다. 가스상 배기배출물 분석을 위하여 배기가스 분석기(AVL, AMA i-60)를 사용하였으며, 검댕(Soot)을 측정하기 위해서는 광 투과 방식의 매연측정장치인 Opacimeter(AVL)을 사용하였다. 입자상 배출가스의 개수농도 및 입경 별 개수 농도를 측정하기 위해 DMA(Dynamic Mobility Analyzer)와 응축 입자 계수기(Condensation particle counter)로 구성된 Grimm사의 SMPS(Scan- ning Mobility Particle Sizer)를 이용하였다.

실험은 디젤유, 바이오디젤유, Fuel A 및 Fuel B 혼합유에 대하여 1,500 rpm의 엔진 회전 속도 조건 에서 부하 변화(BMEP 0.1 ~ 0.6 MPa)에 따라서 수행 되었으며 연소 특성, 가스상 및 입자상 배출가스의 배출특성을 측정하였다. 각 연료의 연소 특성 및 배

출가스 특성을 살펴보기 위해 연료 교체 시 연료 분 사계 및 연료라인에 남아 있는 연료들을 완전히 제 거하여 엔진 내에 남아있는 잔류 연료들과의 혼합 을 방지하였다. 바이오원유를 사용하여 엔진을 구 동하게 되면 연료펌프와 분사기 내부에 코크가 생 기며 탄소계열의 퇴적물이 연소실 및 배기밸브에 퇴적되어 엔진이 파손될 가능성이 있다. 이러한 현 상을 방지하기 위하여 본 연구에서는 혼합유로 엔 진을 구동한 후 디젤유를 사용하여 엔진 및 분사계 를 세척해주었다.

3. 실험결과 및 고찰 3.1 전부하 엔진성능

Fig. 3 ~ Fig. 5에는 디젤유, 바이오디젤유, Fuel A, Fuel B 혼합유를 연료로 사용하는 경우 1000 ~ 4000 rpm의 엔진 회전수 조건에서 엔진의 전부하 토크값, 제동연료소비율(BSFC; Break Specific Fuel Con- sumption), 배출가스 온도 값을 측정한 결과를 나타 내었다. 디젤유에 비하여 다른 연료를 사용하는 경 우 전부하 조건에서 최대 토크 값은 감소하는 경향 을 나타내고 있는데 이는 디젤유가 저위발열량이 가장 높으므로 동일한 양의 연료를 분사하는 경우 출력이 가장 높은 것이다. 바이오디젤유와 Fuel A 혼합유의 경우 Table 1에서와 같이 저위발열량이 39.5 kJ/g과 38.6 kJ/g으로 거의 동일하므로 비슷한 수준의 출력을 나타내고 있다. Fuel B의 경우 저위 발열량이 가장 낮으므로 디젤유 대비 최대 토크 값 이 10% 이상 낮게 측정되었다. 시험연료에 따른 제 동연료소비율을 비교한 Fig. 4를 살펴보면 저위발열 량이 높은 연료가 제동연료소비율은 낮게 측정되는 것을 알 수 있다. 이는 동일한 출력을 내기 위해서는 에너지밀도가 높은 연료가 연료소모율이 낮으므로 디젤 연료가 타 연료에 비해서 제동연료소모율이 낮게 측정되었으며 Fuel B를 사용하는 경우 가장 높 게 측정되었다.

Fig. 5에 나타낸 배출가스의 온도를 측정한 결과 를 보면 Fuel B를 사용하는 경우 배출가스의 온도가 가장 낮게 측정되었는데 이는 Fuel B의 수분함유량 이 높아서 연소가 되는 경우 많은 열이 연료내의 수 분에서 흡수되기 때문에 배출가스의 온도가 낮은

(5)

이석환․박준혁․최 영․우세종․강건용

Fig. 3 Maximum engine torque according to test fuels at various engine speed

Fig. 4 Brake specific fuel consumption at maximum torque according to test fuels

Fig. 5 Engine-out exhaust gas temperature at maximum engine torque according to test fuels

것이다. 이로 인하여 질소산화물(NOx)의 배출량도 낮게 측정될 것으로 판단된다.

3.2 엔진연소 특성

엔진회전속도 1,500 rpm, 엔진부하 BMEP 0.2 MPa 조건에서 디젤유, 바이오디젤유, Fuel A, Fuel B혼합 유의 네 가지 연료를 사용하는 경우 연소실 압력과 열방출율 곡선을 Fig. 6에 나타내었다. 모든 실험 조 건에서 연료 분사시기는 BTDC 16°CA로 고정되었다.

연소실 압력 선도를 살펴보면 디젤유, 바이오디 젤유, Fuel A, Fuel B 혼합유를 사용하는 경우에는 연소압의 최대값이 거의 동일함을 알 수 있다. Fuel B 혼합유의 경우 타 연료에 비해서 세탄값이 낮기 때문에 자발화 성능이 떨어져서 동일한 분사시기에 서 연료를 분사하지만 연소압의 최대값을 나타내는 지점이 지연된 것을 확인할 수 있으며 연소실 최고 압력은 약간 더 높은 것으로 측정되었다. 이러한 압 력 증가는 Fuel B 혼합유의 낮은 발열량에 기인한 결과로 동일 속도, 부하 조건을 만족시키기 위해 연 료 분사량의 증가와 연료 내의 산소 함유량 증가에 따른 결과이다.

열방출율 계산 결과를 살펴보면 점화시기는 디 젤: BTDC 5 °CA, BD : BTDC 6 °CA, Fuel A : BTDC 4

°CA, Fuel B : BTDC 4 °CA로 모든 연료에서 거의 동 일하게 측정이 되었다. 일반적인 탄소계 연료를 혼 합하는 경우 층이 지지 않고 완벽하게 혼합이 되지 만 바이오원유를 디젤과 혼합하는 경우 극성이 다 르므로 계면활성제를 사용하여서 혼합하더라도 에 멀젼 형태로 단지 섞여 있으며 각각의 고유 특성은 가지고 있다. 따라서 연소를 하는 경우 디젤 부분과 바이오원유 부분이 각각 연소가 되는 것이며 디젤

Fig. 6 Cylinder pressure & heat release curve according to test fuels at 1,500 rpm, BMEP 0.2 MPa

(6)

부분에 의해서 혼합연료라고 하더라도 디젤유와 거 의 동일한 시기에 점화가 되는 것으로 판단된다. 디 젤유, 바이오디젤유, Fuel A 혼합유의 경우 간접분 사식 디젤엔진의 전형적인 열방출율 곡선을 보여주 고 있지만 Fuel B 혼합유의 경우에는 열방출율 곡선 의 피크값이 두 군데에서 나타나는 것을 확인하였 다. 이는 Fuel B의 경우 바이오원유와 디젤이 에멀 젼 상태로 혼합되어 있기 때문에 두 연료가 각기 독 립적으로 연소된 것으로 판단된다. 바이오원유와 디젤유의 연소 메커니즘은 다른 양상을 보인다. 디 젤유의 경우 자발점화에 의한 노란색 불꽃을 가지 는 연소(Sooty burning of ignition) 현상만 발생하지 만 바이오원유의 경우 먼저 파란색 불꽃을 가지는 1 차 연소(Microexplosion)를 일으킨 후 노란색 불꽃을 가지는 2차 연소(Sooty burning of droplet fragments) 가 일어난다.¹³⁾ 따라서 혼합유의 경우 디젤유와 다 르게 초반에 열방출 현상이 발생하는 것이다.

위에서 보여준 현상을 정확하게 이해하기 위하여 열방출율 곡선에서 연소되는 연료의 10% 에너지 발 산점을 지칭하는 MFB10(Mass Fraction Burned) 시 점 및 MFB10 시점과 MFB 90 시점 사이의 시간을 나타내는 전체적인 연소시간(Combustion duration) 을 측정하였으며 이 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 낮 아진 세탄가에 의해서 전체적인 연소시간은 Fuel B 혼합유가 가장 길게 측정이 되었지만 연소 시작 시 점은 가장 빠르게 나타났다. 모든 실험에서 분사시 기를 동일하게 고정하였으므로 이는 혼합유에 포함 된 바이오원유의 특성에 의해서 발생하는 현상으로

Fig. 7 MFB 10 & combustion duration according to test fuels at 1,500 rpm

Fig. 8 Break specific fuel consumption according to test fuels at various engine loads

Fig. 9 Fuel conversion efficiency according to test fuels at various engine loads

파악된다. 바이오원유의 경우 디젤과는 연소 구조 가 약간 다르므로 1차 연소(Micro explosion)에 의하 여 디젤유에 비하여 MFB 10 시점이 빠른 것이다.

제동연료소비율과 연료 전환 효율(Fuel conversion efficiency)을 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다. Table 1에서 살펴본 바와 같이, 디젤유에 비해서 바이오디 젤유 및 바이오원유의 저위발열량은 낮다. 따라서 바이오디젤유 및 바이오원유가 포함된 Fuel A와 Fuel B 혼합유의 경우 동일 속도 부하 조건을 충족 시키기 위해서 더 많은 연료를 소비하는 것을 확인 할 수 있다. Fuel A의 경우 바이오디젤을 사용하는 경우와 거의 동일한 수준의 연료소비율을 보이고 있지만 Fuel B의 경우 제동연료소비율이 가장 높으

(7)

며 디젤 대비 30% 이상 높은 값을 보이고 있다. 제동 연료소비율과 저위발열량과의 비로 계산할 수 있는 연료 전환 효율은 모든 시험연료에 대하여 동등 수 준으로 측정되었다. 저위발열량이 낮은 Fuel B의 경 우에도 일단 공급된 연료에 대해서는 디젤유 수준 의 효율을 가지고 출력을 내는 것으로 측정되었다.

본 연구의 경우 바이오원유가 디젤 대비 30% 혼합 되어 있는 Fuel B 혼합연료를 사용하는 경우에도 디 젤 대비 점화시기는 거의 동일하므로 엔진의 효율 이 저하되지 않는 것이다.

3.3 가스상 배출물질 측정결과

사용 연료에 따른 단위 출력당 미연탄화수소 (THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 및 검댕 (soot)의 배출량 결과를 Fig. 10 ~ Fig. 13에 나타내었 다. 디젤연료의 THC 배출물 특성과 비교한 결과 바 이오디젤유 및 Fuel A 혼합유의 경우 THC 배출량이 거의 비슷한 수준이었으며 부하의 증가에 따라서 연소실 내의 압력 및 온도의 증가로 연료의 증발 및 자발화 특성이 좋아져서 THC이 감소하는 경향을 보인다. 하지만 Fuel B의 경우에는 BMEP 0.4 MPa 이상의 운전 조건에서 THC의 배출량이 높았으며 고부하 조건으로 갈수록 배출량은 급증하는 현상을 보였다. 이는 Fuel B의 경우 세탄가가 가장 낮으므 로 연소 지연 시간이 증가하여 미연된 연료들이 증 가하며 연소실 내부의 온도가 높은 경우 Fuel B에 포함된 바이오원유에서 중합현상이 발생하여 바이

Fig. 10 Break specific THC emission according to test fuels at various engine loads

Fig. 11 Break specific CO emission according to test fuels at various engine loads

Fig. 12 Break specific NOx emission according to test fuels at various engine loads

오원유들이 껌처럼 뭉치기도 하고 연소현상으로 발 생하는 퇴적물로 인하여 분사계가 고착되면서 연료 들이 분사기에서 새어나가게 되면서 THC이 증가하 게 된다. 이로 인하여 엔진에서 노킹현상이 관찰되 기도 하였다.

CO의 경우에는 디젤유에 비해서 나머지 연료들 의 배출량이 높은 경향을 보이고 있다. CO의 주된 발생요인 중 하나로 엔진 연소실로 분사된 연료의 미립화 성능이 있는데 디젤유에 비해서 나머지 연 료들의 점도가 높아서 연료의 미립화 성능이 좋지 않아서 CO의 발생량이 높은 것으로 판단된다. 또한 Fuel B 혼합유의 경우 고부하 영역으로 갈수록 CO 발생량은 매우 높아지는데 앞에서 언급한 바와 같 이 분사계 고착이 진행되면서 발생하는 불완전 연 소 가스에 의하여 CO의 배출량이 급증하게 된다.

(8)

Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil

Fig. 13 Engine out smoke emission according to test fuels at various engine loads

NOx 배출 특성의 경우, 디젤에 비하여 바이오디 젤을 사용하는 경우에는 산소 함유량이 증가하여 연소실 내에서의 NOx 형성을 촉진시켜 NOx 배출 량이 5 ~ 10% 증가하는 경향을 보였으며 Fuel A의 경우 디젤과 거의 동등한 경향을 보이다가 BMEP 3 bar 이상의 운전조건에서는 NOx 배출량이 약간 감 소하는 경향을 보였다. Fuel B의 경우 연료 내 수분 함유율이 다른 연료에 비해서 월등히 높으므로 연 소를 일으키기 위해서 더 많은 열에너지를 흡수하 여야 한다. 이로 인하여 Thermal NOx의 발생량이 낮 아져서 디젤유에 비하여 NOx의 배출량은 고부하에 서 최대 30% 정도 저감되는 것으로 측정되었다.

Fig. 13에서는 광투과식 검댕측정기(Opacimeter) 로 측정한 시험연료에 따른 검댕의 배출량을 나타내 고 있다. 검댕의 경우 디젤유 이외의 연료는 C-C 결 합 사이에 O 분자가 포함되어 있으므로 검댕의 배출 량은 디젤유 대비하여 낮게 측정되었으며 Fuel B 연 료의 경우 산소성분이 가장 많이 포함되어 있으므로 검댕의 배출량이 가장 낮았다. 하지만 BMEP 0.4 MPa 이상의 조건에서는 Fuel B에서 검댕의 농도가 급격하게 증가하는 경향이 나타났는데 이는 연료분 사계의 고착이 진행되면서 미연 가스들이 많이 생성 되며 이로 인하여 국부적으로 농후한 영역이 많이 존재하게 되어서 검댕이 급증하는 것으로 판단된다.

3.4 입자상 배출물질 측정결과

시험연료에 따른 미세입자의 개수농도 측정 결과 를 Fig. 14에 나타내었다. 광투과식 매연측정기로 측

Fig. 14 Particle number concentration according to test fuels at various engine loads

정한 검댕 배출결과와 마찬가지로 디젤유에 비하여 나머지 연료의 경우 산소성분이 포함되어 있어서 미세입자의 개수농도는 낮게 측정되었다. 연료 내 에 산소 함유량이 높은 Fuel B의 경우 개수농도가 가장 낮게 측정이 되다가 BMEP 0.3 MPa 이상의 운 전 조건에서 미세입자의 개수농도가 바이오디젤유 와 동등 수준으로 배출되었으며 BMEP 0.6 MPa의 조건에서는 디젤유 다음으로 미세입자의 개수농도 가 높았다. 이는 연소실 내의 미연탄화수소와 같은 휘발성 물질이 미세입자로 변환되면서 미세입자의 개수농도가 증가하는 것이다.

Fig. 15는 엔진회전수 1,500 rpm 조건에서 비교적 저부하 조건인 BMEP 0.1 MPa과 비교적 고부하 조 건인 BMEP 0.5 MPa 조건에서 측정한 미세입자의 입경별 개수농도 분포를 나타낸 그래프이다. BMEP 0.1 MPa 조건에서 측정한 결과를 살펴보면 산소가 함유된 연료의 경우 입경 크기가 50 nm 이하인 핵생 성모드(Nucleation mode) 영역에서 디젤유에 비하여 미세입자의 배출량이 많다. 특히 바이오원유가 포 함된 Fuel A, Fuel B 혼합유의 경우 극미세입자의 발 생량이 많다. 이는 바이오원유에 포함된 촤와 같은 고체입자들에 의해서 극미세입자들이 많이 발생할 가능성이 있다. 하지만 실제로 검댕이 생성되는 입 경영역인 50 nm 이상의 축척모드(Accumulation mode) 영역에서는 디젤유를 사용하는 경우 미세입자의 배 출량이 많으며 Fuel A, Fuel B 혼합유의 경우 농도가 매우 낮다. 따라서 혼합유를 사용하는 경우 검댕의 발생량은 낮으며 이 결과는 Fig. 13에서 측정한 검댕

(9)

이석환․박준혁․최 영․우세종․강건용

(a) BMEP 0.1 MPa

(b) BMEP 0.5 MPa

Fig. 15 Particle number density size distribution according to test fuels at BMEP 0.1 MPa, 0.5 MPa

측정결과와 일치한다.

고부하 조건인 BMEP 0.5 MPa에서의 실험결과를 살펴보면 부하의 증가로 인하여 100 nm 이상의 영 역에서 발생하는 입자의 농도가 증가한 것을 알 수 있다. 50 nm 이상의 입경을 가지는 입자들은 검댕을 생성하게 되므로 부하의 증가에 따라서 검댕의 농 도가 증가하는 것이다. Fuel B의 경우 고부하 조건 에서 휘발성 가스가 많이 생성되며 불완전 연소된 연료들이 검댕을 생성하게 되므로 Fuel A 혼합유보 다 50 nm 이상의 영역에서 입자의 개수 농도값이 높 게 나타났다. 50 nm 이하의 영역에서는 저부하 결과 와 마찬가지로 산소를 함유한 연료들의 개수 농도 값이 높게 측정되었다.

3.5 바이오원유 장기 운전에 따른 연료공급계 손상현상

바이오원유를 엔진에 적용하는 경우 바이오원유 자체가 가지고 있는 여러 가지 문제점에 의해서 연 료분사계에 이상이 생긴다는 문제점들이 여러 차례 보고되었다.^1,2,7,8) 우선 바이오원유의 경우 pH가 산 성을 가지고 있으므로 연료공급계를 이루고 있는 부품 중 고무류를 부식시킬 수 있으며 윤활성이 낮 기 때문에 분사기의 니들을 급속하게 마모시키는 문제점도 있다. 이를 최소화하기 위하여 디젤 및 바 이오디젤과 혼합한 혼합유를 사용하였는데도 장시 간 엔진을 구동하는 경우 연료 공급계 계통에 심각 한 문제가 발생하였다. 바이오원유의 경우 연료 내 부에 큰 사이즈의 액적인 촤가 포함되어 있는데 이 는 연료계에 좋지 않은 영향을 미치므로 실험 전에 4μm 사이즈의 필터를 사용하여 제거하였다. 하지만 4 μm 이하의 액적들이 통과되고 이는 또 다른 큰 사 이즈의 액적으로 뭉치는 중합현상이 발생한다. 또 한 바이오원유가 엔진 내에서 연소되고 나면 카본 계열의 입자들이 형성되게 되고 이는 분사기 내부 에 침전물로 퇴적되게 된다. 이로 인하여 분사기 내 부의 니들 등이 고착되게 되면서 분사기가 제 성능 을 발휘하지 못한다. 바이오원유로 장시간 운전 시 바이오연료 내에 포함된 촤 및 타르는 고압 펌프 내 부의 연료 공급 통로를 막아 공급 연료량을 감소시 키면서 분사압도 낮아지게 하는 문제점을 발생시킨다.

Fig. 16에는 바이오원유가 30% 함유된 Fuel B 혼 합유를 사용하면서 발생하는 문제점인 엔진 출력감 소 현상 및 분사계에 고착된 카본 계열의 침전물을 나타내고 있다. 신품 상태의 연료공급계를 사용하 여 엔진을 구동한 경우와 바이오원유로 장시간 구 동한 뒤 엔진을 구동한 경우 동일한 디젤유를 사용 하였지만 연료 공급계 이상으로 인하여 엔진 출력 감소현상이 발생하는데 특히 저속 엔진회전수 조건 에서 토크 값이 50% 이상 낮아진 것을 확인할 수 있 었다. 출력 감소 현상을 규명하기 위하여 연료펌프 및 분사기를 직접 분해하였는데 아래 그림을 살펴 보면 분사기 내부에 장착된 니들이 연소 때 생긴 입 자들로 인하여 퇴적된 후에 완전 고착되어 있는 것 을 확인하였다. 위의 현상은 Fuel B 혼합유를 사용 하는 경우 특히 심하게 발생하였는데 이를 방지하

(10)

Fig. 16 Long-term running problem on bio crude oil to fuel supply system of diesel engine

기 위하여 연료 내부에 Char 성분이 거의 없는 Fuel A 혼합유만을 이용하거나 Fuel B 연료를 제조할 때 바이오원유의 혼합율을 낮추어야 할 것이다. 또한 혼합유로 실험하는 경우 10분 실험 후 디젤 연료를 이용하여 연료공급계를 반드시 세척하여야 한다.

4. 결 론

디젤유의 대체연료로써 근래에 연구가 진행되고 있는 목재 열분해유(바이오원유)를 사용하여 디젤 엔진에서 엔진의 연소성능, 배출가스 배출량 및 미 세입자 배출량을 측정하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

디젤유에 비하여 바이오디젤유, 바이오원유 혼 합유를 사용하는 경우 최대 토크 값은 감소하는 경 향을 나타내고 있는데 이는 디젤유가 저위발열량이 가장 높으므로 동일한 양의 연료를 분사하는 경우 출력이 가장 높은 것이다.

동일한 출력을 내기 위해서는 에너지밀도가 높은 연료가 연료소모율이 낮으므로 디젤유가 타 연료에

비해서 제동연료소모율이 낮게 측정되었으며 Fuel B를 사용하는 경우 가장 높게 측정되었다.

열방출율 계산 결과를 살펴보면 Fuel B 혼합유의 경우 곡선의 피크 값이 두 군데에서 나타나는 것을 확인하였다. 이는 혼합유의 경우 바이오원유와 디 젤이 에멀젼 상태로 혼합되어 있기 때문에 두 연료 가 각기 독립적으로 연소된 것으로 판단된다.

바이오원유가 포함된 연료 중 Fuel B를 연소하는 경우 점화지연시기가 증가하고 연료의 미립화성능 이 저하되며, 연료의 증발특성도 좋지 않으므로 THC와 CO의 배출량은 디젤 대비 급증한다.

NOx의 경우 바이오원유 혼합유는 수분함유율이 높으므로 Thermal NOx의 배출량이 감소하여 디젤 유에 비하여 감소하는 경향을 가진다. Fuel B의 경 우 연료 구성 성분에서 산소성분이 20%를 차지하므 로 연소 시 검댕의 배출량도 디젤유에 비하여 50%

이하로 저감된다.

산소가 함유된 연료의 경우 입경 크기가 50 nm 이 하인 핵생성모드 영역에서 디젤유에 비하여 미세입 자의 배출량이 많다. 하지만 실제로 검댕이 생성되 는 입경영역인 50 nm 이상의 축척모드 영역에서는 디젤유를 사용하는 경우 미세입자의 배출량이 많으 며 Fuel A, Fuel B 혼합유의 경우 농도가 매우 낮다.

Fuel B 혼합유를 엔진에 장시간 적용하는 경우 연 료 공급계 계통에 심각한 문제가 발생하였다. 바이 오원유의 경우 연료 내부에 큰 사이즈의 액적인 촤 가 포함되어 있으며, 바이오원유가 엔진 내에서 연 소되고 나면 카본 계열의 입자들이 형성되게 되고 이는 분사기 내부에 침전물로 퇴적되게 된다.

후 기

본 연구는 한국기계연구원의 일반사업인 “미활 용에너지 청정 고밀도화 기계기술 기반구축” 사업 의 연구비로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합 니다.

References

1) M. Ringer, V. Putsche and J. Scahill, “Large- scale Pyrolysis Oil Production: A Technology Assessment and Economic Analysis,” Technical

(11)

Report, NREL/TP-510-377779, 2006.

2) D. Chiaramonti, A. Oasmaa and Y. Solantausta,

“Power Generation Using Fast Pyrolysis Liquids from Biomass,” Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol.11, pp.1056-1086, 2007.

3) Y. Solantausta, N. Nylund, M. Westerholm, T.

Koljonen and A. Oasmaa, “Wood-pyrolysis Oil as Fuel in a Diesel-power Plant,” Bioresource Technology, Vol.46, pp.177-188, 1993.

4) C. Bertoli, J. D'Alessio, N. Giacomo, M.

Lazzaro, P. Massoli and V. Moccia, “Running Light-duty DI Diesel Engines with Wood Pyrolysis Oil,” SAE 2000-01-2975, 2000.

5) R. Prakash, R. Singh and S. Murugan, “Perfor- mance and Emission Studies in a Diesel Engine Using Bio Oil-diesel Blend,” 2011 2nd Inter- national Conference on Environmental Science and Technology, Vol.6, pp.428-433, 2011.

6) A. Shihadeh and S. Hochgreb, “Diesel Engine Combustion of Biomass Pyrolysis Oils,” Energy

& Fuels, Vol.14, pp.260-274, 2000.

7) S. Frigo, R. Gentili, L. Tognotti, S. Zanforlin and G. Benelli, “Feasibility of Using Wood Flash-pyrolysis Oil in Diesel Engines,” SAE 982529, 1998.

8) D. Chiaramonti, M. Bonini, E. Fratini, G.

Tondi, K. Gartner, A. Bridgwater, H. Grimm, I.

Soldaini, A. Webster and P. Baglioni, “Deve- lopment of Emulsions from Biomass Pyrolysis Liquid and Diesel and Their Use in Engines- Part 2: Tests in Diesel Engines,” Biomass &

Bioenergy, Vol.25, pp.101-111, 2003.

9) L. Qiang, L. Wen-Zhi and Z. Xi-Feng, “Over- view of Fuel Properties of Biomass Fast Pyro- lysis Oils,” Energy Conversion and Manage- ment, Vol.50, pp.1376-1383, 2009.

10) X. Jiang and N. Ellis, “Upgrading Bio-oil through Emulsification with Biodiesel: Mixture Production,” Energy & Fuels, Vol.24, pp.1358- 1364, 2010.

11) M. Ikura, M. Stanciulescu and E. Hogan,

“Emulsification of Pyrolysis Derived Bio-oil in Diesel Fuel,” Biomass & Bioenergy, Vol.24, pp.221-232, 2003.

12) H. Choi, Y. Choi and H. Park, “The Influence of Fast Pyrolysis Condition on Biocrude-oil Yield and Homogenity,” Korean J. Chem. Eng., Vol.27, pp.1165-1169, 2010.

13) M. Wornat, B. Porter and Y. Yang, “Single- droplet Combustion of Biomass Pyrolysis Oils,”

Energy & Fuels, Vol.8, pp.1131-1142, 1994.