Effect of Diesel Injection Characteristics on Biogas-Diesel Dual Fuel Engine Performance

디젤 분사 특성이 Biogas-디젤 혼소엔진 성능에 미치는 영향

이선엽

^†

^*

^*

Effect of Diesel Injection Characteristics on Biogas-Diesel Dual Fuel Engine Performance

Sunyoup Lee, Young-min Kim and Jang Hee Lee

Key Words: Biogas( ^{바이오가스} ), Dual Fuel Engine( ^혼소엔진 ), Diesel Pilot Injection( ^{디젤 파일럿 분사} ), Injection Pressure( 분사압력 ), Low Heating Value Fuel( 저발열량 연료 )

Abstract

Due to its carbon-neutral nature, biogas generated from anaerobic digestion or fermentation of biodegradable wastes is one of the important renewable energy sources to reduce global warming . It is mainly composed of methane and various inert gases such as CO² and N², and the actual composition of biogas significantly varies depending on the origin of anaerobic digestion process. Therefore, in order to effectively utilize this fuel as an energy source for elec- tricity, it is important to develop power generation engines which can successfully apply biogas with significant com- position variations. In this study, efforts have been made to develop a diesel-biogas duel fuel engine as a way to achieve such a stable power generation. The effects of diesel fuel injection quantity and pressure on stable combustion and engine performance were investigated, and an impact of diesel fuel atomization was discussed. The engine test results show that there exists a 2 stage combustion which consists of diesel pilot fuel burning and premixed biogas/air mixture burn- ing in dual fuel engine operation and optimum diesel injection parameters were suggested for biogases with various compositions and heating values.

1. 서 론

최근 전 세계적으로 에너지이용에서 가장 화두가 되 고 있는 것은 지구 온난화 방지를 위한 온실가스

(GHG) 의 지속적인 감축이며 그 중에서도 온실가스를

대표하는 CO

^{의 저감은 특히 관심이 초점이 되고 있}

다 . 현재 CO

저감에 가장 효과적인 방법으로 평가받 고 있는 것은 에너지 효율이 높은 분산형 열병합 발전

보급과 탄소중립적인 Biomass 를 포함한 대체에너지원 개발이라고 할수 있는데 , 그 중에서도 음식물 쓰레기 처리장 , ^{쓰레기 매립지 등에서 발생하는 바이오가스는}

약 40~70% 정도의 메탄과 그 외의 불활성 성분으로

이루어진 가스연료로 화석연료와는 달리 대기 중의

CO

^{를 증가시키지 않고 순환되는 탄소중립형 연료이}

기 때문에 CO

를 저감할 수 있는 청정에너지원이면서 동시에 미래 에너지 고갈에 대응할 수 있는 재생에너 지원으로서의 가능성을 높게 평가 받아왔다 . ^하지만

바이오가스의 저발열량 및 불균일한 가스 성분 그리고 소량으로 산재되어 생성되는 공급 측면에서의 특성으 로 인해 대부분의 경우 이를 활용하지 못하고 단순 소 각처리 내지 보일러의 열원으로 사용하고 있으며 , ^일

부 시설에서는 단순 방출하고 있는 실정이다 . 특히 후 (2010

10

29

~2010

12

09

, 2010

12

15

)

*한국기계연구원

†책임저자

,

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (042)868-7025 FAX : (042)868-7305

고 할 수 있다

.

바이오가스가 소량 생산되는 경우 가장 효율이 높은 발전 방법은 왕복동 내연기관 엔진을 이용하는 것으로 알려져 있으며 , 엔진에 적용하는 형태에 따라 크게 전소 형과 혼소형으로 나눌 수 있다 .

그 중 혼소형 바이오 가스 엔진은 바이오가스의 연소를 위해 소량의 디젤 연 료를 강력한 점화원으로 이용하는 방식으로 , 디젤 사용 에 따른 배기 오염성분이 증가한다는 단점에도 불구하 고 연료성분의 변화와 저에너지밀도 변화에도 비교적 안정적으로 대응이 가능하다는 장점이 있다 .

지금까지의 디젤 혼소엔진 연구는 주로 천연가스 - 디

젤 혼소

또는 합성가스 - 디젤 혼소

등을 중심으로

이루어져 왔다 . ^{하지만 천연가스는 바이오가스에 비해}

발열량이 높고 불활성가스가 포함되지 않는 양질의 연 료이고 합성가스의 경우 발열량은 낮으나 수소가 포함 되어 있어 연소 효율이 월등히 좋은 연료이기 때문에 이런 연구결과들을 바이오가스 혼소엔진에 적용하는 데 는 한계가 있는 것이 사실이다 .

따라서 본 연구에서는 다양한 바이오가스 발생 현장

에 유연하게 적용할 수 있는 60 kW 급 발전용 고효율

바이오가스 - 디젤 혼소엔진을 개발하기 위한 노력의 일 환으로 디젤 연료의 분사압력 및 분사량이 혼소엔진 성능에 미치는 영향을 살펴보았다 . 그리고 바이오가스 의 다양한 발열량의 변화가 엔진 성능에 주는 영향을 조사하였다 . 먼저 다양한 메탄 함유량을 갖는 바이오 가스를 모사하기 위해 메탄에 N

^{를 희석하여 연료로}

사용하였으며 디젤 연료 분사를 제어하기 위해 개발한 인젝터 드라이버 장치 및 ECU 를 적용하였다 . 엔진 시 험 결과 디젤 파일럿 분사량 및 분사압의 변화가 디젤

- 바이오가스 혼소를 안정화시키는데 미치는 영향을 조 사하여 최대 효율 및 대체율을 위한 최적 분사량 및 분사압력을 결정하였으며 , ^{바이오가스 발열량 변화에}

따른 최적 분사시기를 제시하였다 . 특히 혼소운전에 대한 연소압력 및 열방출률 결과로부터 연소실 내에서 는 디젤 파일럿 연료 연소 - ^{바이오가스 예혼합기 연소}

의 2 단계로 이루어지는 2 단 연소가 발생함을 확인하 였다 .

이 낮은 바이오가스에서 60 kW 의 출력성능을 구현하기 위해 엔진의 높은 배기량은 필수적이며 그 제원은 Table 1 ^{과 같다} .

2.2 혼소 엔진 실험장치 구성

Figure 1 ^{은 이번 연구에서 사용한 바이오가스} - ^{디젤 혼}

소 엔진과 시험 장비 및 평가 장치의 대략적인 구성도 이다 . 그림에서 볼 수 있는 것처럼 혼소용 엔진 시스템 에는 디젤 연료압력 , ^{연료 분사기간 및 분사 시기의 조}

절이 가능한 디젤 커먼레일 분사시스템과 이를 정밀하 게 제어하기 위해 개발한 혼소엔진 제어시스템이 장착

되어 있으며

, 바이오가스 모사 및 공급을 위해 개발

한 바이오가스 공급용 Mixer ^{와 바이오가스 모사용 도시}

가스 / 질소 공급 시스템 및 희석비 제어시스템이 설치되 어 있고 , 과급을 위한 터보차저가 적용되어 있다 . 엔진 운전상태 확인을 위한 모터링 및 엔진 회전수 제어를 위해 DC 동력계를 사용하였으며 , 연소상태 확인 및 출 력계산을 위한 연소 압력을 측정하기 위해 1 번 실린더 에 High-temperature Pressure sensor ^와 Charge amplifier

(Kistler Co.) 를 장착하여 압력파형을 샘플링하고 연소해

석기 (Mobiltech) 를 설치하여 이를 실시간 측정하고 분석

하였다 .

엔진의 정상상태 운전 시 디젤 연료 소모율 측정을 위해 체적식 연료소모율계 (Schenk) 를 장착하였으며 공 연비 측정을 위해 wide-band O

sensor(ETAS co.) 를 설 치하고 이를 Lambda meter(ETAS co.) ^{에 연결하였다} . ^터

Table 1. Specifications of a base diesel engine

Type Description

Number of cylinders 6

Bore (mm) 103

Stroke (mm) 118

Displacement volume (cc) 5,899

Compression ratio 17.0

Fuel Diesel

Max. power 170 kW/1800 rpm

보차져 후단의 배기관에 배기가스 측정을 위한 Probe 를

설치하고 이를 배기가스 분석 장치 (HORIBA Mexa

8200) 에 연결하였으며 , 과급된 흡입공기의 온도를 40

C

로 제어하기 위한 Intercooler 온도제어 시스템을 설계 ,

제작 및 장착하였다 .

2.3 바이오가스 모사 및 공급시스템

혼소엔진용 바이오가스 모사 및 공급 시스템 구축을 위해 바이오가스 모사 가스 공급용 Mixer 를 설계 및 제 작하고 과급 전의 흡기와 만나도록 장착하였다 . 이때

Mixer ^{의 입출구부는 엔진 흡기부의 크기와 동일하게 하}

였고 , 바이오가스 공급 쪽에 다공성 환형 유로를 설치 ,

흡입공기와 원활한 혼합이 이루어지도록 하였다 . 또한

Mixer 의 연료 측 입구 전단에는 바이오가스 공급량 제

어를 위한 전자식 Throttle ^{제어장치를 설계 및 제작} , ^설

치하였으며 , 이때 전체적인 합성가스 유량을 제어하기

위한 대용량 밸브는 기존 SI 엔진용 Throttle body 를 이용

하였고 , 공연비를 정밀하게 맞추기 위한 연료량 미세제 어는 ISA(Idle speed actuator) 를 사용하도록 제작하였다 .

실제 바이오가스를 사이트에서 수송해 오거나 실험실 환경에서 합성하는 것은 큰 어려움이 따르기 때문에 이 번 연구에서는 Fig. 2 ^{에서 볼 수 있는 것처럼 실제 바이}

오가스 대신 메탄에 질소를 희석하는 방식으로 바이오 가스 모사가스를 합성하여 연료로 사용하였다 . 이때 바 이오가스의 엔진 적용에 있어 가장 큰 난관인 메탄 함 유량 변화를 모사하기 위해 도시가스 / 질소 희석비를 단 위 부피당 발열량을 기준으로 결정하였으며 그 정의는 다음과 같다 .

Table 2 은 질소 희석비에 따른 발열량을 목표 바이오

가스 발열량과 비교한 것이다 . Table 3 ^{에서 볼 수 있는}

것처럼 천연가스의 발열량은 약 9393 kcal/Nm

이고 이 번 연구에서 궁극적으로 사용하고자 하는 바이오가스의

--- 100 ×

=

질소희석비 질소함유량

Biogas 모사가스량

Fig. 1 Schematic of experimental setup

Table 2. Low heating values of simulated biogases with various N

content rates (%) Biogas

(Kimpo site) Nitrogen % in each simulated biogas (%)

0 20 40 60 80

LHV (kcal/Nm

) 3000 9393 7514 5636 3757 1878

발열량은 약 4000 kcal/Nm

^{이며 메탄함유량의 변화가}

심한 경우 ±50% 의 변화를 보이기 때문에 질소 희석비

를 80% 까지 사용하였다 .

바이오가스 모사를 위한 N

의 공급은 액화질소 및 강 제기화기를 통해 이루어졌으며 희석비 제어를 위해 질

소 공급라인 쪽에 MFC(Bronkhorst) 와 전용 제어시스템

을 설치하였다 . 마지막으로 엔진에 의한 연료 유량 맥동 방지를 위해 바이오가스 모사가스는 대용량 Mixer ^연료

측 전단에 설치된 Surge tank 를 통과한 후 공급되도록

하였고 Surge tank 입구부에는 메탄과 질소의 혼합을 위

한 Mixer(IMPCO, model 200) ^{를 장착하였다} .

2.4 실험 조건

일반적으로 4 극 발전기를 구동하는 왕복동 엔진에서 엔진회전수는 계통주파수 (60 Hz) 와의 동기화를 위해

1800 rpm 을 사용한다 . 따라서 이번 연구에서는 엔진회

전수 1800 rpm, 목표 출력 60 kW 의 조건 하에서 디젤

3. 실험결과

3.1 디젤 파일럿 분사량 변화의 영향

Figure 3 은 디젤 분사시기 18 CAD, BTDC, 디젤 분사

압력 1000 bar ^{조건에서 디젤 연료의 파일럿 분사량 변}

화가 연소 특성에 미치는 영향을 보여주는 것으로 각각

디젤 분사량 변화에 따른 열방출률 변화 (Fig. 3(a)) 와 연

소압력 변화 (Fig. 3(b)) 를 나타낸다 . 먼저 Fig. 3(a) 에서는

Fig. 2 A simulated biogas supply system

Table 3. Dual fuel engine test conditions Test conditions Description Diesel injection quantity

(mg/cycle) 4.4, 8.8, 13.2

Engine speed (rpm) 1800

Power output (kW) 60

N

content (%) 0, 20, 60, 80

Fuel injection pressure (bar) 1000, 1200, 1400 Table 4. Energy from diesel pilot fuel for different injec-

tion quantities Diesel injection quantity

(mg/cycle) 4.4 8.8 13.2

Energy from pilot fuel (%) 10 20 30 Fig. 3 Cylinder pressure and heat release for various injec-

tion quantities (N

60%, injection pressure 1000 bar)

디젤 파일럿 분사량이 증가할수록 디젤연료의 연소로 인한 열방출 효과도 증가 , ^{초기에 더 많은 열방출이 일}

어남을 볼 수 있는데 그 결과 연소실 내의 연소 압력 역 시 상승하는 것을 확인할 수 있다 .

Figure 3 은 또한 열방출률 선도에 두 개의 극대점이

나타남을 보여주는데 이는 주어진 파일럿 분사량 조건 하에서의 디젤 - 바이오가스 혼소가 2 단 연소 (2-stage combustion) 로 이루어짐을 의미한다

. 여기서 2 단 연 소는 디젤 연료의 점화 및 연소로 급격한 열방출과 함

께 연소실 압력 및 온도가 올라가는 1st stage combus-

tion 과 이로부터 증가된 연소실 압력 및 온도 그리고 화

염핵으로 인해 예혼합된 바이오가스 / ^{공기 혼합기가 연}

소되는 2nd stage combustion 으로 구성되는 2 단계의 연 소를 지칭하는 것으로 이번 연구에서는 분사시기 18

CAD, BTDC ^{뿐만 아니라 대부분의 안정적인 혼소영역}

에서 관찰할 수 있었다 .

파일럿 분사량이 가장 적은 4.4 mg/cycle 조건의 경우

소량의 디젤연료의 1 단계 연소로부터 비롯된 화염이 바 이오가스 / ^{공기 예혼합기로 전파되어 상대적으로 느린} 2

단계 연소가 이루어는 과정을 명확히 나타내는데 , 이때 디젤 파일럿 분사로 인한 열방출 효과가 상대적으로 작

아서 연소압 증가의 대부분이 TDC ^{이후에 이루어지는}

바이오가스의 연소로 달성되기 때문에 연소 최대 압력 또한 상당히 낮아짐을 알 수 있다 .

Figure 3(a) ^{에서는 또한 디젤 파일럿 분사량이 변화하}

더라도 열방출 시작점 ( 점화지연 기간 ) 은 거의 일정함을 볼 수 있는데 이는 디젤연료만을 사용하는 압축착화엔 진에서 관찰할 수 있는 일반적인 거동과 일치하는 결과 이다

.

Figure 4 는 디젤 분사시기 18 CAD, BTDC 에서 디젤

파일럿 분사량 변화에 따른 효율 변화를 나타내는 것이

다 . 그림에서 볼 수 있는 것처럼 분사량 4.4 mg/cycle 조

건이 다른 분사량 조건에 비해 약 1.5% 정도 낮은 효율

을 보이는데 이것은 앞서 살펴본 것처럼 바이오가스 / 공

기 혼합기의 연소가 TDC ^{이후팽창과정에서 대부분 이}

루어지기 때문이다 .

3.2 디젤 분사압력의 영향

Figure 5 는 디젤 연료 분사압력의 변화가 연소특성에

미치는 영향을 살펴보기 위한 열방출율 선도 (Fig. 5(a))

와 연소 압력 선도 (Fig. 5(b)) ^이다 . ^먼저 Fig. 5(a) ^에서는

디젤 연료 분사압이 증가하면 초기 열방출도 증가함을 볼 수 있는데 , 이는 높아진 분사압으로 인해 분사 시 디 젤 연료의 미립화가 촉진되고 그 결과 초기에 연소 가 능한 디젤 연료의 양 역시 증가하기 때문이다 . 이 같은

Fig. 4 Effect of injection quantity on engine efficiency (N

60%, injection pressure 1000 bar) Fig. 5 Cylinder pressure and heat release for various injec-

tion pressures (CH

100%, m

= 8.8 mg/cycle)

초기 열방출의 증가는 또한 실린더 내 연소 최고압력을 증가시키며 이는 Fig. 5(b) 에서 확인할 수 있다 . Figure 3 과 마찬가지로 Fig. 5 에서도 모든 디젤 분사압에 대해

2 ^{단 연소를 관찰할 수 있었으며} , ^{열 방출 시작점} ( ^점화지

연 기간 ) 역시 기존의 디젤 압축착화 엔진에서처럼 분 사압 변화에 따른 미립화 특성 변화의 영향을 받지 않 는 것을 볼 수 있다

.

Figure 6 은 디젤 파일럿 연료 분사압 변화에 따른 엔

진 효율의 변화를 나타내는 것이다 . 그림에서 볼 수 있 는 것처럼 디젤 분사압이 증가할수록 효율은 조금씩 감 소는데 , ^{이 같은 현상은 동일한 연료 분사시기에서 연료}

미립화 특성의 향상으로부터 얻을 수 있는 이득보다는 높은 연료 레일압을 유지하기 위해 소모되는 에너지가 더 높기 때문에 발생하는 것으로 판단된다 .

3.3 바이오가스 발열량 변화의 영향

지금까지 살펴본 디젤 파일럿 분사량 및 분사압 변화 에 따른 엔진 성능 및 연소 특성 변화 결과로부터 효율 및 연소안정성을 최대화하는 동시에 이산화탄소 저감을 극대화할 수 있는 기준 엔진 운전조건으로 분사압 1000

bar, 분사량 8.8 mg/cycle 을 선택하여 각 바이오가스 발

열량에 대해 디젤 분사시기 변화가 연료 전환 효율에

미치는 영향을 Fig. 7 에 나타냈다 . 그림에서 보듯이 이

번 연구에서 개발한 혼소엔진은 넓은 범위의 분사시기

및 발열량 변화에 대해서도 상당히 높은 29~34% 전후

의 효율을 유지함을 알 수 있는데 이는 혼소운전 도중 연료성분이 변화하더라도 30% ^{이상의 효율을 안정적으}

로 달성할 수 있음을 의미한다 . Figure 7 에서는 또한 바

이오가스 모사 가스 내의 질소희석비가 높아질수록 , ( 즉 발열량이 낮을수록 ) 효율이 감소하는 것을 알 수 있는 데 이는 낮은 발열량 조건에서는 동일 출력을 내기 위 해 필요한 바이오가스 양이 증가하고 이렇게 증가된 바 이오가스만큼 흡기공기가 치환되어 흡기량이 감소되는 효과가 발생하여 연소실 내 산소 농도가 저하되기 때문 이다 . 모든 발열량 조건에 대해 분사시기를 진각 시킬수 록 효율도 증가하는 모습을 볼 수 있는데 특히 발열량 이 가장 낮은 바이오가스의 경우 ( ^{질소희석비} 80%) ^바이

오 모사가스에 포함된 상당량의 질소 때문에 최대 효율 을 찾기 위해서는 분사시기를 상당히 진각시켜야 할 것 으로 예측되나 , ^{이럴 경우 지나치게 높은 실린더 연소압}

(~150 bar 이상 ) 을 초래하여 엔진 내구성에 문제가 생길

Fig. 6 Effect of diesel fuel injection pressure on engine

efficiency (N

60 %, m

= 8.8 mg/cycle) Fig. 7 Effect of injection timing on efficiency for differ- ent simulated biogases with various CH

/N

ratios (m

= 8.8 mg/cycle, injection pressure 1000 bar)

Fig. 8 Effect of injection timing on COV

for differ-

ent simulated biogases with various CH

/N

ratios

(m

= 8.8 mg/cycle, injection pressure 1000 bar)

수 있기 때문에 그림에서처럼 24 CAD, BTDC로 제한 하였다.

바이오가스 모사 가스의 발열량 변화가 디젤 혼소운전 시 연소 안정성에 미치는 영향은 Fig. 8에서 볼 수 있 는데, 모든 발열량 및 분사시기 조건에 대해 COV

=1.5% 이하의 매우 안정된 연소가 이루어짐을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 60 kW급 발전용 고효율 바이오가스- 디젤 혼소엔진에서 다양한 발열량을 갖는 바이오가스 연료가 공급되었을 때 바이오가스 발열량의 변화 및 디 젤 연료의 분사압력과 분사량의 변화가 혼소엔진 성능 에 미치는 영향을 조사하였으며 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 디젤-바이오가스 혼소 운전 시 연소실에서는 디젤 파일럿 연료의 연소-바이오가스 예혼합기의 연소 순으 로 이루어지는 2단 연소를 관찰할 수 있다.

2) 디젤 파일럿 분사량이 적은 경우에도 2단 연소가 이루어지나 연소 압력 상승은 대부분 2단계 바이오가스 예혼합기 연소로 달성되며 그로 인해 효율이 감소할 수 있다.

3) 디젤 분사압의 증가는 디젤 연료 미립화 특성을 향 상시켜 초기 열방출율을 증가시키고 그 결과 연소압을 높이는 역할을 하지만 연료압을 유지하기 위한 일 손실 때문에 전체적인 효율 증가는 미미했다.

4) 디젤 파일럿 분사량 및 분사압력 변화로 인해 미립 화 특성이 향상되더라도 동일 분사시기에 대해서는 점 화지연 기간은 거의 변하지 않고 일정한 모습을 보인다.

5) 바이오가스의 발열량이 감소하면 불활성가스의 흡 기 치환 효과로 인해 연소실 내 산소 농도가 감소하기 때문에 엔진 효율은 감소한다.

6) 질소희석비가 증가(즉, 연료의 발열량이 감소)하더 라도 COV

값은 1.5 이하로 매우 안정적인 연소가 일어남을 알 수 있다.

후 기

이 연구는 한국기계연구원 기관 고유사업(NK156D) 의 지원을 받아 이루어졌습니다.

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