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문제 정의
- 특히 유독성이나 암을 유발하는 화합물 및 산성비의 주범인 SOx를 거의 배출하지 않을 뿐만 아니라, 식용 오일과 알콜로 만들어졌기 때문에 땅에 버리면 자연 유기물로 전환된다. 그리고 디젤유에 비해 바이오디젤은 윤활 성이 우수하므로 저유황유의 활성화 대책으로 사용할 수 있다 따라서 본 논문에서는 황함량을 감소시킨 연료로서 ULSD 와 바이오디젤을 적용, ULSD와 바이오디젤의 혼합 적용 및 경유적용의 경우로 나누어서 주행모드에 따른 배출가스저감 특성과 부하조건에 따른 배출가스 저감특성을 확인하였으며, 각각의 연료가 기관성능 및 매연배출농도에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 기관성능 실험은 기관부하율을 100%에 맞추어 1000rm~ 2000rpm에서 200rpm씩 변화시키면서, 전부하 조건에서 3분 동안 안정시킨 상태에서 30초 동안 안정된 데이터를 수집, 산술평균하여 측정 . 분석하였다.
- 또한, 국내 배출가스 규제모드인 D-13을 선정하여 CO, THC 및 NOx를 측정하였으며, 그 운전조건은 Table 4와 같다. 최고속도와 최대 토크 및 최대부하를 고려한 단일모드를 사용하여 1200rpm, 2000rpm에서 50% 부하와 100%부하에서 CO, HC, NOx 및 PM을 측정하여 비교하였으며, 실험조건을 Table 5에 나타내었다.
- 또한, 국내 배출가스 규제모드인 D-13을 선정하여 CO, THC 및 NOx를 측정하였으며, 그 운전조건은 Table 4와 같다. 최고속도와 최대 토크 및 최대부하를 고려한 단일모드를 사용하여 1200rpm, 2000rpm에서 50% 부하와 100%부하에서 CO, HC, NOx 및 PM을 측정하여 비교하였으며, 실험조건을 Table 5에 나타내었다. Table 4의 D-13모드는 전 구간에 걸쳐 기관회전수와 부하율에 의한 가중치를 고려하여 배출가스 값을 비교하여 선정한 것이며 Table 5의 시험조건은 최대토크 점과 최대속도지점에서 중부하와 고부하시에 배출가스특성을 확인 하였다.
- U, 000cc 대형디젤기관에서 기관의 토크, 출력 및 연비에 대한 결과를 현재 국내시판용 경유를 기준으로 유황함유량이 적은 ULSD(15ppm), 바이오디젤(B20) 그리고 15ppm ULSD 80%와 순수 바이오디젤 20%를 혼합한 연료를 사용하여 각각의 경우에 대해 다음과 같은 시험결과를 얻었다.
- 대형디젤기관에서 경유 대비, ULSD(15ppm), 바이오디젤(B20)그리고 15ppm ULSD 80%와 순수 바이오디젤 20% 혼합한 연료를 사용하여 D-13모드와 단일모드에서 배기가스 특성을 실험한 결과를 Fig. 5에 도시하였다.
- 대형디젤기관에서 일반경유 대비 UISD와 바이오디젤을 적용하여 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- ll.OOOcc 급 대형디젤기관을 사용하였으며 Table 1에 그 제원을 나타내었다.
- 실험에 사용한 연료는 기본연료인 경유와 ULSD와 바이오디젤 20% 및 ULSD와 바이오디 젤 혼합유를 사용하였으며 바이오디젤 연료는 환경제품으로 공급되는 순수 콩류를 기본 연료로 사용하였다. Table 2와 같이 바이오디젤은 ULSD 와 비교시 점성이 크고 발열량이 작은 것을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 기관동력계는 전기식 동력 계(nedd-14H Type, NISHI- SIBA Co.)를 사용하였고 매연측정장치는 여지반사식 필터 타입이며, 가스상 물질(CO, THC, NOx)의 농도를 측정하기 위해 일본 HORIBA사 배출가스 측정기(MEXA-8120D)를 사용하였다. 또한 디젤기관에서 주요 오염물질인 입자상물질(PM)을 측정하기 위한 장비로 AVL사의 Mini Dilution Tunnel(MDT474)을 사용하였다.
성능/효과
- 그리고 기관출력 감소요인에 있어 일반 상용경유보다 WSD는 Table 2와 같이 세탄가가 높아 연소조건은 향상되지만 연료의 점성이 부족으로 분사시 연료 입자가 너무 작아 실린더 내에서 연료입자가 구석구석까지 도달하는 관통력이 약해지고 또한, 윤활성이 떨어지는 문제점이 있다. 바이오디젤의 경우는 저속에서 약 3.5%, 고속에서 3%정도의 출력감소를 나타내었으며, 점성이나 세탄가는 높지만 열량(Calorific value)이 경유보다 작아서 출력이 감소하는 현상이 나타났다.
- 4는 연료소비율의 변화를 보여주고 있다. 기관성능과 마찬가지로 미소한 변화폭을 보여주고 있으며 경유 연료 대비 USD의 연료소비율은 평균적으로 약 1%정도 저감되었고 바이오디젤은 약 2~3%정도 증가됨을 알 수 있었다. 또한 ULSD와 바이오디젤을 함께 적용하면 1 ~2% 정도 증가되어 비례적인 향상을 확인할 수 있다.
- 기관성능과 마찬가지로 미소한 변화폭을 보여주고 있으며 경유 연료 대비 USD의 연료소비율은 평균적으로 약 1%정도 저감되었고 바이오디젤은 약 2~3%정도 증가됨을 알 수 있었다. 또한 ULSD와 바이오디젤을 함께 적용하면 1 ~2% 정도 증가되어 비례적인 향상을 확인할 수 있다. USD 적용 시 기본사양대비 연료소비율이 향상되는 이유는 연료의 관통력은 작지만 연료의 무화가 촉진되어 기관효율이 향상되는 것으로 판단된다.
- Fig. 5에서 보는 바와 같이 ULSD의 경우는 CO의 배출량이 경유에 비해 6%의 저감을 바이오디젤의 경우 17.2% 의 저감을 보였으며 바이오디젤과 USD의 혼합유를 적용하면 17.84% 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
- 6은 THC의 경향을 나타내고 있다. 기본연료인 경유와 비교할 때 ULSD는 15.2%정도의 저감을 바이오디젤은 15.4%정도의 저감을 나타내며 바이오디젤과 ULSD의 혼합유를 적용하면 18.7%정도의 저감을 나타낸다. USD는바이오디젤과는 달리 세탄가향상에 대한 점화지연 기간의 단축으로 착화성이 향상되고 유황함량의 저하에 따른 점성이 낮아져서 분사시 연료의 미립화가 중요인자로 작용하였고 바이오디젤의 경우는 산소함량의 증가 및 세탄가의 영향으로 THC가 저감됨을 알 수 있다.
- 7은 NOx의 경향을 나타낸 것이다. 경유와 비교하여 ULSD는 1.82%정도 저감되었고 바이오디젤의 경우는 약3.4%정도 증가하였다. ULSD와 바이오디젤의 혼합유를 적용할 경우 평균적으로 약 1%정도 증가하였다.
- 4%정도 증가하였다. ULSD와 바이오디젤의 혼합유를 적용할 경우 평균적으로 약 1%정도 증가하였다.
- 3% 정도의 저감효과를 나타냈다. 또한 ULSD와 바이오디젤의 혼합유를 적용하면 PM이 약 20%정도 저감되었다.
- 9는 경유, USD와 바이오디젤을 혼합한 연료를 사용하여 단일모드 1200rpm, 2000rpm에서 50%부하, 100%부하에서 CO의 배출경향을 나타내고 있다. 각 연료의 경우에 있어서 최대부하 및 최대속도 영역에서 연료가 농후해지며 이때 CO함량이 최대임을 알 수 있었다. 또한 1200rpm에 100%부하, 2000rpm에 100%부하가 1200rpm에 50% 부하와 2000rpm에 100%부하 보다 CO함량이 높게 나타나므로 CO는 부하에 큰 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다.
- 각 연료의 경우에 있어서 최대부하 및 최대속도 영역에서 연료가 농후해지며 이때 CO함량이 최대임을 알 수 있었다. 또한 1200rpm에 100%부하, 2000rpm에 100%부하가 1200rpm에 50% 부하와 2000rpm에 100%부하 보다 CO함량이 높게 나타나므로 CO는 부하에 큰 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다. 경유를 사용할 때 보다 혼합유를 사용할 때 CO의 배출량이저감되 었다.
- 따라서 대형 디젤에 후처리장치인 디젤산화촉매장치를 장착하지 않았을 때 경유와 ULSD를 비교하면 약 15%정도의매연저감율을 보이고 있다. 또한 바이오디젤의 경우는 23% 정도 매 연감소를 보이고 있다.
- (1) ULSD 적용시 경유와 비교하여 13~2% 정도 출력 및 토크가 감소하였고 바이오디젤은 3%정도의 출력 및 토크가 감소하였다. 그러나 바이오디젤과 ULSD의 혼합유를 적용할 때 출력저감은 4%로 나타났다.
- (2) 경유연료 대비 UISD의 연료소비율은 약 1%정도 저감되었고 바이오디젤은 약 2~3%정도 증가됨을 알 수 있었다. 그리고 ULSD와 바이오디젤의 혼합유를 적용하면 연료소비율이 1 ~2% 정도 증가됨을 확인할 수 있다.
- 그리고 ULSD와 바이오디젤의 혼합유를 적용하면 연료소비율이 1 ~2% 정도 증가됨을 확인할 수 있다.
- (3) PM의 경우 ULSD는 5% 바이오디젤은 18.3%의 저감되며, CO와 HC는 6%~ 17% 저감효과를 보였다. ULSD 와 바이오디젤의 혼합유를 적용하면 PM 및 CO, HC는 20% 저감 되었다.
- 3%의 저감되며, CO와 HC는 6%~ 17% 저감효과를 보였다. ULSD 와 바이오디젤의 혼합유를 적용하면 PM 및 CO, HC는 20% 저감 되었다.
- (4) 단일모드시험에서 배출가스특성은 부하조건과 운전속도에 따라 HC는 속도증가시 더 많은 배출가스가 발생되고 CO 및 NOx는 부하증가시 배출가스 발생이 증가함을 알 수 있으며, 경유와 비교하여 바이오디젤과 ULSD 연료에서 배출가스가 저감됨을 확인하였다.
- (5) 매연 규제 시험방법인 D-3모드에서 기관의 매연농도를 측정한 결과 경유와 UISD를 비교하면 경유보다 약 15%정도의 매연 저감율을 보이고 있다. 또한 바이오 디젤의 경우는 경유보다 약 23% 정도 매연이 저감되었다.
- 바이오디젤과 ULSD를 각각 적용하면 약 4.8~5%의 출력 저감이 예상되나, 바이오디젤과 ULSD 혼합 적용시 출력감소율이 4.5%로 나타났다. 이는 ULSD와 바이오디젤 모두 기관의 출력 및 토크가 감소되지만, 바이오디젤은 윤활성 증대효과에 의해 혼합 적용시 보다 큰 감소율을 어느 정도 상쇄시키는 결과를 초래했다.
- 둔화되어 NOx의 감소를 초래하였다. 바이오디젤은 착화지연이 길어져 착화직후의 열발생량이 증가하여 연료 중의 산소함량과 함께 NOx 발생량이 증가함을 알 수 있었다.
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