본 연구는 혼합연료인 바이오디젤과 과산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 디젤엔진 적용을 목적으로 수행되었다. 바이오디젤에 있어, 본 연구에서는 바이오디젤연료 혼합비 변화에 대한 디젤엔진의 배기특성을 ...
본 연구는 혼합연료인 바이오디젤과 과산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 디젤엔진 적용을 목적으로 수행되었다. 바이오디젤에 있어, 본 연구에서는 바이오디젤연료 혼합비 변화에 대한 디젤엔진의 배기특성을 수치해석 방법을 이용하여 정량적으로 해석하였다. 실험에 사용된 연료는 경유와 바이오디젤(대두유, 폐식용유) 혼합연료 BD2(Only diesel), BD3, BD5, BD20, BD50 및 BD100을 사용하였다. 여기서 BD(Biodiesel)3은 전체연료 중에 부피(Vol.%)로 바이오디젤이 3% 혼합된 것을 뜻한다. 실험변수로서 분사압력(pinj)을 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200bar로 설정하였다. 분사압력과 바이오디젤 혼합연료 혼합비 변화에 따른 정량적인 NOx와 Soot의 배기특성 해석을 위하여 통계학에 기초한 표준편차, 피어슨 상관계수 및 스피어만 상관계수의 개념을 도입하였다. 상관계수만으로 알 수 없는 NOx와 Soot 증가 감소 양상을 제시하기 위해 회귀분석법을 도입하였다. 연구결과로서 폐식용유의 경우 400bar 및 600bar 구간에서 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능하며, 800bar 이상의 구간에서 NOx의 배출에 영향을 주지 않고 Soot를 저감할 수 있다고 판단된다. 대두유의 경우 NOx와 Soot의 동시저감은 400bar 구간에서 가능하며, 600bar에서는 NOx의 배출에 영향을 주지 않으면서 Soot를 저감할 수 있다. 에멀젼연료에 있어, 과산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 디젤엔진 적용 적합성 검토를 목적으로 수행되었다. 에멀젼연료(Diesel/H2O2)에 있어 과산화수소의 혼합비가 혼합연료 액적증발 및 분무거동특성에 미치는 영향을 연구하였다. 에멀젼연료의 교반 조건은 디젤 연료와 계면활성제 span 80, tween 80을 각각 9:1로 혼합한 유화제를 제작하여 에멀젼연료 총 부피의 3%로 고정 혼합하였으며 과산화수소의 혼합비율은[EF(Emulsified Fuel)2, EF12, EF22, EF32, EF42, EF52, EF62, EF72, EF82, EF92)]로 설정하였다. 연료의 점도는 과산화수소의 혼합비율이 증가할수록(EF52까지) 점도가 증가하나, 그 이후부터는 점도가 낮아져 기존의 디젤 연료와 같은 점도를 가지게 된다. 이는 디젤의 혼합비율이 큰 EF52까지는 교반 시 수중유형(Water in oil)이 생성되나 과산화수소의 혼합비율이 큰(EF52 이상) 에멀젼연료에서는 유중수형(Oil inwater)이 생성되기 때문이다. 에멀젼연료의 혼합특성인 미세폭발 현상 및 증발특성을 해석하기 위해 가열판에 EF0(Only diesel)과 유중수형 혼합비인 EF2~EF42의 연료액적 방울을 스포이드를 사용하여 200℃로 유지되는 가열판에 자유낙하시켜 산란광 및 쉴리렌방법으로 촬영하였다. 그 결과, 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 증발이 촉진됨을 확인할 수 있었다. 이를 이미지데이터, 연료확산면적 및 엔트로피 해석을 통하여 분석하였다. 또한 이러한 실험을 기초로 하여 이상적인 유중수형 연료를 모델링하여 수치해석을 실시하였으며, 과산화수소의 증발특성으로 인한 연료의 미세폭발 현상 및 혼합비 증가에 따른 증발 촉진 현상을 관찰할 수 있었다. 연료의 점도를 포함한 분무거동특성에 영향을 주는 연료의 물성치(표면장력, 밀도)를 측정하였고 커먼레일시스템을 이용한 분사장치를 사용하여 분사압력 400bar, 600bar, 800bar 및 1000bar인 조건에서 에멀젼연료와 디젤연료의 거시적 분무거동특성인 분무선단도달거리, 분무각을 비교․분석하였다. 혼합비 변화에 따른 분무거동의 특성(분무선단도달거리, 분무각)의 변화는 크지 않았다. 액적 및 대기압조건의 자유분무 실험을 기초로 에멀젼연료 각 혼합비 EF0~EF22에 대해서 과산화수소의 증발조건을 만족하는 150℃로 유지되는 정적용기를 이용하여 자유분무 실험을 하였다. 또한 150℃, 200℃ 및 250℃로 유지되는 가열판을 이용하여 충돌분무실험을 하였다. 그 결과 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 액적 및 분무의 증발이 촉진됨을 확인하였다. 에멀젼연료의 증발거동 특성은 쉘리렌 방법을 이용한 실험과 실험에서 구한 결과를 바탕으로 상용 프로그램(ANSYS CFX)을 이용한 수치해석을 실시하였다. 본 연구의 주요결과로서 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 에멀젼연료의 증발특성인 미세폭발 현상이 활발해짐을 확인하였고, 또한 수치해석으로 에멀젼연료의 증발현상을 정량적으로 모사 가능하였다. 이러한 결과를 기초하여 EF0(Only diesel)과 EF2의 조건에서 엔진테스트를 실시하였고 그 결과는 기초실험(액적, 자유분무, 충돌분무)에서 예측되었던 미세폭발 현상으로 인한 신속한 혼합기형성 및 증발잠열로 인한 엔진 내 온도 감소로 인해 Soot와 NOx의 동시저감효과를 확인 할 수 있었다.
본 연구는 혼합연료인 바이오디젤과 과산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 디젤엔진 적용을 목적으로 수행되었다. 바이오디젤에 있어, 본 연구에서는 바이오디젤연료 혼합비 변화에 대한 디젤엔진의 배기특성을 수치해석 방법을 이용하여 정량적으로 해석하였다. 실험에 사용된 연료는 경유와 바이오디젤(대두유, 폐식용유) 혼합연료 BD2(Only diesel), BD3, BD5, BD20, BD50 및 BD100을 사용하였다. 여기서 BD(Biodiesel)3은 전체연료 중에 부피(Vol.%)로 바이오디젤이 3% 혼합된 것을 뜻한다. 실험변수로서 분사압력(pinj)을 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200bar로 설정하였다. 분사압력과 바이오디젤 혼합연료 혼합비 변화에 따른 정량적인 NOx와 Soot의 배기특성 해석을 위하여 통계학에 기초한 표준편차, 피어슨 상관계수 및 스피어만 상관계수의 개념을 도입하였다. 상관계수만으로 알 수 없는 NOx와 Soot 증가 감소 양상을 제시하기 위해 회귀분석법을 도입하였다. 연구결과로서 폐식용유의 경우 400bar 및 600bar 구간에서 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능하며, 800bar 이상의 구간에서 NOx의 배출에 영향을 주지 않고 Soot를 저감할 수 있다고 판단된다. 대두유의 경우 NOx와 Soot의 동시저감은 400bar 구간에서 가능하며, 600bar에서는 NOx의 배출에 영향을 주지 않으면서 Soot를 저감할 수 있다. 에멀젼연료에 있어, 과산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 디젤엔진 적용 적합성 검토를 목적으로 수행되었다. 에멀젼연료(Diesel/H2O2)에 있어 과산화수소의 혼합비가 혼합연료 액적증발 및 분무거동특성에 미치는 영향을 연구하였다. 에멀젼연료의 교반 조건은 디젤 연료와 계면활성제 span 80, tween 80을 각각 9:1로 혼합한 유화제를 제작하여 에멀젼연료 총 부피의 3%로 고정 혼합하였으며 과산화수소의 혼합비율은[EF(Emulsified Fuel)2, EF12, EF22, EF32, EF42, EF52, EF62, EF72, EF82, EF92)]로 설정하였다. 연료의 점도는 과산화수소의 혼합비율이 증가할수록(EF52까지) 점도가 증가하나, 그 이후부터는 점도가 낮아져 기존의 디젤 연료와 같은 점도를 가지게 된다. 이는 디젤의 혼합비율이 큰 EF52까지는 교반 시 수중유형(Water in oil)이 생성되나 과산화수소의 혼합비율이 큰(EF52 이상) 에멀젼연료에서는 유중수형(Oil in water)이 생성되기 때문이다. 에멀젼연료의 혼합특성인 미세폭발 현상 및 증발특성을 해석하기 위해 가열판에 EF0(Only diesel)과 유중수형 혼합비인 EF2~EF42의 연료액적 방울을 스포이드를 사용하여 200℃로 유지되는 가열판에 자유낙하시켜 산란광 및 쉴리렌방법으로 촬영하였다. 그 결과, 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 증발이 촉진됨을 확인할 수 있었다. 이를 이미지데이터, 연료확산면적 및 엔트로피 해석을 통하여 분석하였다. 또한 이러한 실험을 기초로 하여 이상적인 유중수형 연료를 모델링하여 수치해석을 실시하였으며, 과산화수소의 증발특성으로 인한 연료의 미세폭발 현상 및 혼합비 증가에 따른 증발 촉진 현상을 관찰할 수 있었다. 연료의 점도를 포함한 분무거동특성에 영향을 주는 연료의 물성치(표면장력, 밀도)를 측정하였고 커먼레일시스템을 이용한 분사장치를 사용하여 분사압력 400bar, 600bar, 800bar 및 1000bar인 조건에서 에멀젼연료와 디젤연료의 거시적 분무거동특성인 분무선단도달거리, 분무각을 비교․분석하였다. 혼합비 변화에 따른 분무거동의 특성(분무선단도달거리, 분무각)의 변화는 크지 않았다. 액적 및 대기압조건의 자유분무 실험을 기초로 에멀젼연료 각 혼합비 EF0~EF22에 대해서 과산화수소의 증발조건을 만족하는 150℃로 유지되는 정적용기를 이용하여 자유분무 실험을 하였다. 또한 150℃, 200℃ 및 250℃로 유지되는 가열판을 이용하여 충돌분무실험을 하였다. 그 결과 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 액적 및 분무의 증발이 촉진됨을 확인하였다. 에멀젼연료의 증발거동 특성은 쉘리렌 방법을 이용한 실험과 실험에서 구한 결과를 바탕으로 상용 프로그램(ANSYS CFX)을 이용한 수치해석을 실시하였다. 본 연구의 주요결과로서 과산화수소의 혼합비가 증가할수록 에멀젼연료의 증발특성인 미세폭발 현상이 활발해짐을 확인하였고, 또한 수치해석으로 에멀젼연료의 증발현상을 정량적으로 모사 가능하였다. 이러한 결과를 기초하여 EF0(Only diesel)과 EF2의 조건에서 엔진테스트를 실시하였고 그 결과는 기초실험(액적, 자유분무, 충돌분무)에서 예측되었던 미세폭발 현상으로 인한 신속한 혼합기형성 및 증발잠열로 인한 엔진 내 온도 감소로 인해 Soot와 NOx의 동시저감효과를 확인 할 수 있었다.
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