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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 코먼 레일식 고압 분사 시스템을 사용하여 채종유, 현미유, 대두유 세가지 종류의 바이오디젤 연료의 분무를 분사 압력과 혼합비에 따라 가시화하고, 분무의 속도와 SMD등의 분무 미립화 특성을 일반 디젤 연료와 비교하여 바이오 디젤 연료의 미립화 특성을 실험적으로 연구하였다.
제안 방법
- PDPA 시스템의 데이터는 두 개의 채널이 동시에 취득한 데이터가 30000개가 되도록 하였으며, 2㎛에서 l00㎛로 유효 입경의 범위를 고정하였다. 레이저의 출력은 데이터의 출력율과 산란 등을 고려하여 1W로 실험을 수행하였고 분사압력은 60MPa로 고정하여 실험하였다.
- 1과 같이 구성하였다. 고압의 연료를 안정적 으로 코먼레일로 공급하기 위하여 두 개의 고압연료 펌프(Haskel, HSF-300)를 병렬로 연결하였으며, 펌프로 공급되는 압축 공기의 압력을 이용하여 코먼 레일 내의 압력을 조정하였다.
- 1과 같이 구성하였다. 광원으로는 Nd:YAG레이 저를 사용하였고, 광학계로부터 형성된 레이져 시트빔을 이용하여 분무의 단면을 가시화하였다. 또한ICCD 카메라와 이미지 그래버를 이용하여 분무 이미지를 취득하였다.
- 그림에서 음영 영역은 석유 사업법에 명시된 자동차용 경유의 품질 기준이다. 동점도의 측정은 석유 사업 법의 품질 기준과 비교하기 위해 4VC에서 측정하였다. 그림에서 나타난 바와 같이 혼합비가 증가할수록 바이오 디젤유의 동점도는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 광원으로는 Nd:YAG레이 저를 사용하였고, 광학계로부터 형성된 레이져 시트빔을 이용하여 분무의 단면을 가시화하였다. 또한ICCD 카메라와 이미지 그래버를 이용하여 분무 이미지를 취득하였다. 분무의 가시화 시스템의 구체적인 제원은 Table 1에 나타나 있다.
- 레이저의 출력은 데이터의 출력율과 산란 등을 고려하여 1W로 실험을 수행하였고 분사압력은 60MPa로 고정하여 실험하였다. 또한PDPA 실험의 측정점 Fig. 3과 같이 인젝터 축방향 하류 10mm에서 70mm까지 10mm간격으로, 반경 방향의 경우 최대 12mm까지 2mm 간격으로 측정하였다.
- 바이오 디젤과 일반 디젤의 동일 분사 압력에서 분사되는 연료량을 비교하기 위하여 분사량을 측정하였다. 훈사 압력 60MPa과 인젝터 솔레노이드 통전 기간 1.
- 실험에 사용된 연료는 총4가지 종류로서 일반 디젤 연료와 바이오 디 젤 연료의 분무 미립화 특성을 비교하기 위하여 혼합비를 변화해가며 실험을 수행하였다. 본 연구에서 바이오 디젤과 일반 디젤과의 혼합은 체적비를 기준으로 하였으며, 예를 들어 채종유 20%(Seed-gathering oil 20%)란 채종유에서 추출한 오일 20%와 일반 디젤 80%를 체적 기준으로 혼합한 연료를 나타낸다. 실험에 사용된 바이오 디 젤유의 종류는 채종유(Seed-gathering oil), 현미유 (Unpolished rice oil), 대두유(Soybean oil)의 세 종류이며, 구체적인 실험 조건은 Table 2와 같다.
- 실험 장치는 고압 분사가 가능한 연료 분사 장치와 PDPA시스템으로 구성된다. 분사 후 시간의 경과에 따른 입경 및 속도를 취득하기 위해, 디지털 신호 발생기를 이용하여 분무시 인젝터와 PDPA시스템의 신호 분석기를 동기 하였다.
- 실험에 사용된 연료는 총4가지 종류로서 일반 디젤 연료와 바이오 디 젤 연료의 분무 미립화 특성을 비교하기 위하여 혼합비를 변화해가며 실험을 수행하였다. 본 연구에서 바이오 디젤과 일반 디젤과의 혼합은 체적비를 기준으로 하였으며, 예를 들어 채종유 20%(Seed-gathering oil 20%)란 채종유에서 추출한 오일 20%와 일반 디젤 80%를 체적 기준으로 혼합한 연료를 나타낸다.
- 11에 나타내었다. 전체 분무의 SMTm는 특정 시간에 각 측정점들을 지나는 입자들을 평균하여 구하였다. 분사 시작 후 미립화가 진행됨에 따라 SMD는 감소하는 경향을 보였으며 혼합비가 증가할수록 전체 SMD의 크기는 다소 높은 경향을 보였다.
- 코먼 레일식 고압 디젤 인젝터를 이용하여 디젤 연료와 바이오디젤 연료의 종류에 따른 분무 미립 화 특성에 대한 실험 결과로부터 바이오디젤 연료는 높은 점도로 인해 일반 디젤보다 미립화가 어려운 것으로 나타났으며, 본 연구의 구체적인 결론은 다음과 같다.
- 코먼 레일식 고압 분사 시스템의 분무 미립화 특성인 입경과 분무 속도를 측정하기 위해 Fig. 2와 같이 PDPA시스템을 구성하였다. 실험 장치는 고압 분사가 가능한 연료 분사 장치와 PDPA시스템으로 구성된다.
- 바이오 디젤과 일반 디젤의 동일 분사 압력에서 분사되는 연료량을 비교하기 위하여 분사량을 측정하였다. 훈사 압력 60MPa과 인젝터 솔레노이드 통전 기간 1.0ms에서 100회 분사된 량을 정밀 저울로 측정하였으며, 실험의 정확도를 높이기 위하여 5회 반복 실험하여 평균하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 인젝터는 노즐의 지름이 0.3mm이고 직경 비(L/D)가 2.67인 코먼 레일식 단공 인젝터이며, 가시화 실험 조건은 분사 압력은 40MPa, 60MPa, 80MPa, 분사 기간 (인젝터 솔레노이 드. 통전 기간)은 LOms, 가시화 촬영은 0.2ms부터 2ms까지 0.2ms 간격으로 실험 하였다.
- 2와 같이 PDPA시스템을 구성하였다. 실험 장치는 고압 분사가 가능한 연료 분사 장치와 PDPA시스템으로 구성된다. 분사 후 시간의 경과에 따른 입경 및 속도를 취득하기 위해, 디지털 신호 발생기를 이용하여 분무시 인젝터와 PDPA시스템의 신호 분석기를 동기 하였다.
- 본 연구에서 바이오 디젤과 일반 디젤과의 혼합은 체적비를 기준으로 하였으며, 예를 들어 채종유 20%(Seed-gathering oil 20%)란 채종유에서 추출한 오일 20%와 일반 디젤 80%를 체적 기준으로 혼합한 연료를 나타낸다. 실험에 사용된 바이오 디 젤유의 종류는 채종유(Seed-gathering oil), 현미유 (Unpolished rice oil), 대두유(Soybean oil)의 세 종류이며, 구체적인 실험 조건은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1) 현미유와 대두유 혼합 연료의 경우, 연료의 동점도는 디젤 엔진에 적용 가능한 것으로 나타났다. 그러나 상용 디젤에 채종유를 혼합할 경우, 동점 도가급격히 증가하였다.
- 2) 채종유를 40% 혼합하였을 경우 분사 말기에 분무 도달 거리가 상용 디젤에 비해 14%정도 짧아 지는 경향을 보인 반면 다른 두 종류의 바이오 디젤 연료는 큰 차이를 보이지는 않았다.
- 3) 바이오디젤 연료는 일반 디젤 연료에 비해 높은 점도로 인해 속도가 낮고, 입경이 큰 것으로 나타났다. 또한 혼합비가 증가할수록 일반 디젤과의 차이가 더 커졌다.
- SMD 분포의 경우에는, 바이오 디젤의 SMCe가 일반 경유보다 큰 것으로 나타났으며, 특히 축방향 상류와 반경 방향 분포에서 큰 차이를 보였다.
- 실험에 사용된 현미유의 경우에는 일반 디젤 연료와 비교하여 분무 도달 거리의 차이는 없었으나, 분무의 발달 과정이 매우 불안정한 정맥류형 파형을 보였다. 또한 대두유의 경우에는 시간이 경과할수록 분무 도 달 거리의 증가폭이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 채종유의 경우 혼합비가 40%가 되면, 다른 연료에 비해 분무의 발달이 현저하게 느린 것으로 나타 났는데, 이는 높은 점도로 인해 분사 연료량이 적고, 분사 속도 또한 낮기 때문인 것으로 판단된다.
- 그림에서 나타난 바와 같이 분사 압력이 증가할수록 바이오 디젤 연료의 분무 도달 거리는 연료의 종류에 무관하게 증가하는 경향을 보였다. 또한 분사 초기에는 도달 거리가 급격히 증가하며, 그 증가폭은 시간의 경과에 따라 점차 감소되는 경향을 나타내었다. 그림에서 나타난 바와 같이, 혼합비가 20%인 경우에는 바이오 디젤의 종류가 분무 선단의 도달 거리에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 전체 분무의 SMTm는 특정 시간에 각 측정점들을 지나는 입자들을 평균하여 구하였다. 분사 시작 후 미립화가 진행됨에 따라 SMD는 감소하는 경향을 보였으며 혼합비가 증가할수록 전체 SMD의 크기는 다소 높은 경향을 보였다. 이는 바이오 디젤 연료의 혼합비가 증가할수록 점도도 높아지고 표면장력이 증가하여 분무의 미립화를 방해하여 전체 SMD가 큰 값을 가지는 것으로 판단된다.
- 축방향 거리 30mm 지점에서 분사 시작 후 시간의 경과에 따라 가장 높은 속도의 입경을 가진 연료는 PDPA실험결과와 동일하게 디젤 연료로 나타났다. 속도 분포를 비교한 결과 디젤 연료에서 다른 연료와는 달리 약 0~20ms정도의 속도를 가진 입자가 조밀하게 분포하는 것을 볼 수 있는데, 이것은 점도와 관련이 있는 것으로 생각된다. 액체의 점도가 커지면 레 이 놀즈수가 감소하고 인젝터 팁으로부터의 분사된 액주나 액막의 안정화를 가져와 미립화를 방해하고 입 경 이 커진다고 판단된다.
- 반면, 혼합비가 40%로 증가하였을 경우에는 분무의 발달 과정이 상당한 차이를 보였다. 실험에 사용된 현미유의 경우에는 일반 디젤 연료와 비교하여 분무 도달 거리의 차이는 없었으나, 분무의 발달 과정이 매우 불안정한 정맥류형 파형을 보였다. 또한 대두유의 경우에는 시간이 경과할수록 분무 도 달 거리의 증가폭이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 9는 분사압력 60MPa, 혼합비 20%인 경우, 축방향과 반경방향 거리에 따른 분무 속도와 입경의 분포를 PDPA 시스템을 이용하여 측정한 결과이다. 전체적으로 축방향 거리에 따른 분무 속도의 경향 은 디젤 연료가 가장 빠른 속도의 값을 가졌고, 바이오 디젤 연료의 분무 속도는 분무 초기에 높은 값이 축방향 거리 20mm 지점 상류에서 급격히 감소하고 하류에서는 거의 일정한 값을 가지는 것으로 나타났다. 축 방향거리 60mm 지점에서 측정한 반경 방향 거리 따른 분무 속도의 경향 역시 동일한 경향을 보였는데 디젤 연료의 속도가 가장 높은 값을 나타내었고 모든 연료가 반경 방향 거리가 증가함에 따라 속도가 감소하였다.
- 8에 나타내었다. 채종유의 경우에는 혼합비가 증가할수록분무 도달 거리가 짧아지는 경향을 보였으며, 다른 두 종류의 바이오 디젤 연료의 혼합비 증가에 따른 분무 도달 거리는 큰 차이를 보이지 않았다. 채종유의 경우 혼 합비가40%가 되면, 급격한 점도의 증가로 인해, 노즐과의 마찰력이 커지게 되며, 분사 속도와 분사량이 감소하기 때문에 이러한 경향이 나타나는 것으로 보인다.
- 전체적으로 축방향 거리에 따른 분무 속도의 경향 은 디젤 연료가 가장 빠른 속도의 값을 가졌고, 바이오 디젤 연료의 분무 속도는 분무 초기에 높은 값이 축방향 거리 20mm 지점 상류에서 급격히 감소하고 하류에서는 거의 일정한 값을 가지는 것으로 나타났다. 축 방향거리 60mm 지점에서 측정한 반경 방향 거리 따른 분무 속도의 경향 역시 동일한 경향을 보였는데 디젤 연료의 속도가 가장 높은 값을 나타내었고 모든 연료가 반경 방향 거리가 증가함에 따라 속도가 감소하였다.
- 그림에서 나타난 바와 같이 혼합비가 증가할수록 바이오 디젤유의 동점도는 증가하는 경향을 나타내었다. 현미유와 대두유의 경우에는 혼합비가 증가하여도 석유 품질 기준을 만족하였으나, 채종유의 경우에는35% 이상에서는 품질 기준을 벗어나는 것으로 나타났다. 채종유의 혼합비의 증가에 따른 급격한 동점도 증가는 연료의 표면장력 또한 증가시켜 분무의 미립화를 방해하는 요소로 작용할 것으로 판단된다.
후속연구
- 디젤 엔진에서 배출물을 저감시키기 위한 노력의 일환으로 기존의 디젤 연료에 비해 유황 성분이 적고 함산소 연료인 바이오 디젤 연 료가 주목을 받고 있다. 바이오 디 젤 연료는 동물이나 식물의 기름에서 생산이 가능한 재생 연료로서 디젤 엔진의 효율적인 대체 연료로 사용될 것으로 기대되고 있다.
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