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문제 정의
- 본 연구에서는 바이오디젤유의 일종인 현미유를 에스테르 전환한 연료를 디젤기관의 연료로 사용할 경우, 기관 성능 및 배기가스 배출 특성을 디젤 기관의 상용연료인 경유와 비교.분석하여 바이오디젤유가 디젤기관의 대체 연료로서의 이용가능성을 확인하고자 하였으며, 바이오디젤유 적용 시 약간 증가되는 NOx의 저감대책 '2)으로서 배기가스 재순환(EGR; exhaust gas recirculation) 방법을 적용하여 매연과 NOx의 동시 저감 을 실 현함으로써 바이오디젤유의 디젤기관의 대체연료로서의 위치를 확고히 하고자 하였다.
- 또 다른 방법의 하나로는 연료 자체의 성상을 변화시키는 방법을 들 수가 있다. 이는 기존의 화석연료는 연료 자체 속에 산소 성분이 전혀 존재하지 않는 탄화수소화합물이기 때문에 디젤기관의 특성상 저부하 영역에서는 물론 고부하 영역 즉, 농후한 혼합기 영역 및 연소 말기에 불완전 연소가 될 가능성이 농후하므로 연료 자체에 산소를 다량 함유하고 있는 함산 소연료를 기존의 경유와 혼합하여 사용함으로써 배출가스의 저감을 시도하고자 하는 것이다.
- 이와 같은 상황을 살펴보기 위하여 각 실험조건에서 에너지 소비율(BSEC)을 조사하여 보았다.
제안 방법
- CO2, O2, 및 NOx의 즉 정은 배기 매니폴드로부터 약 400 mm 하류에서 배기가스 분석기(Mod. 588)로 일정량의 배기가스를 흡입하여 측정하였다. 배기가스는 분석기의 다이어 프 램 펌프로 흡입하여 측정셀로 이동시켰고, 샘플링 튜브 중간에 필터를 설치하여 측정 조건의 변화에 따라 새로운 필터로 교환하여 배기가스 샘플링 농도의 오차를 줄였다.
- 기관부하를 변화시키는 경우에는 스로틀을 완전히 개도한 상태를 전부 하로 설정하고, 전부하의 토크 값을 측정하여, 기관 회전 속도를 일정하게 유지시키며 부하를 %별로 변화시키면서 실험하였다. 매연농도의 측정은 매연 측정장치(HBN-1500)를 사용하여 기관으로부터 300 mm 하류에서 일정량의 배기가스를 흡입한 후, 여과지에 흡착된 매연의 농도를 측정하였으며, 매연농도는 동일 조건에서 각각 3회 측정하여 평균값을 취하였다.
- 농업용 디젤기관에 적용되는 수냉식, 단기통, 4행정, 직접 분사식 디젤기관의 연료로서 경유, BDF 및 일정한 체적비율로 경유에 BDF를 혼합한 연료를 사용하여, 이들 연료들이 기관 성능 및 배기 배출물에 미치는 영향에 대하여 조사한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 또한, NOx 저감 대책으로서 적용된 EGR율을 구하기 위하여 전체 연소실 흡기량에 대한 EGR된 양, 즉 새로운 흡입공기량의 감소율로 서 식(1)을 이용하였다.
- 여기에서, V0는 EGR을 수행하지 않았을 경우의 흡입공기량(n?/h), %는 EGR을 수행했을 경우의 새로운 흡입공기량이다. 또한, 각 기관 부하에서 303-845 K까지 변화하는 배기가스의 온도는 냉각순환시스템을 거쳐 297 K 정도로 일정하게 유지하였으며, 재순환되는 배기가스 중의 미립자를 제거하기 위하여 필터를 설치하였다.
- 또한, 기관이 일정량의 연료를 소모하는 시간을 측정하여 단위시간당의 에너지 소비율(MJ/kW-h)로 계산하였으며, 정적분사시기는 실험조건에 관계없이 BTDC 23℃A로 고정하였다. 실험조건이 변경될 때마다 냉각수, 윤활유, 연료 등의 온도를 일정하게 유지하였으며 동력계 및 기관의 냉각수는 강제순환방식을 채택하여 적용하였다.
- 기관부하를 변화시키는 경우에는 스로틀을 완전히 개도한 상태를 전부 하로 설정하고, 전부하의 토크 값을 측정하여, 기관 회전 속도를 일정하게 유지시키며 부하를 %별로 변화시키면서 실험하였다. 매연농도의 측정은 매연 측정장치(HBN-1500)를 사용하여 기관으로부터 300 mm 하류에서 일정량의 배기가스를 흡입한 후, 여과지에 흡착된 매연의 농도를 측정하였으며, 매연농도는 동일 조건에서 각각 3회 측정하여 평균값을 취하였다.
- 본 실험은 일반적인 상용경유와 바이오디젤유(이하 BDF), 그리고 이들 각각의 혼합비율에 따른 혼합연료를 기관의 각 회전 속도에서 무부하, 25%, 50%, 75%, 90% 및 전부 하 경우의 기관 성능과 배기 배출물을 측정하였다.
- 본 연구에서는 바이오디젤유의 일종인 현미유를 에스테르 전환한 연료를 디젤기관의 연료로 사용할 경우, 기관 성능 및 배기가스 배출 특성을 디젤 기관의 상용연료인 경유와 비교.분석하여 바이오디젤유가 디젤기관의 대체 연료로서의 이용가능성을 확인하고자 하였으며, 바이오디젤유 적용 시 약간 증가되는 NOx의 저감대책 '2)으로서 배기가스 재순환(EGR; exhaust gas recirculation) 방법을 적용하여 매연과 NOx의 동시 저감 을 실 현함으로써 바이오디젤유의 디젤기관의 대체연료로서의 위치를 확고히 하고자 하였다.
- 실험 연료는 경유 100%와 BDF 100% 및 BDF를 20, 40% 혼합한 연료로 실험하여 비교하였다.
- 또한, 기관이 일정량의 연료를 소모하는 시간을 측정하여 단위시간당의 에너지 소비율(MJ/kW-h)로 계산하였으며, 정적분사시기는 실험조건에 관계없이 BTDC 23℃A로 고정하였다. 실험조건이 변경될 때마다 냉각수, 윤활유, 연료 등의 온도를 일정하게 유지하였으며 동력계 및 기관의 냉각수는 강제순환방식을 채택하여 적용하였다. 특히, 연료 공급 계통, 연료필터 및 연료탱크 속의 모든 연료를 완전히 교체하고, 전 실험이 다음의 실험에 영향을 미치지 않도록 충분한 시간 동안 예비운전을 실시한 후 실험을 수행하였다.
- 실험조건이 변경될 때마다 냉각수, 윤활유, 연료 등의 온도를 일정하게 유지하였으며 동력계 및 기관의 냉각수는 강제순환방식을 채택하여 적용하였다. 특히, 연료 공급 계통, 연료필터 및 연료탱크 속의 모든 연료를 완전히 교체하고, 전 실험이 다음의 실험에 영향을 미치지 않도록 충분한 시간 동안 예비운전을 실시한 후 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 기관은 단기통, 수냉식, 4행정, 농용 직접 분사식 디젤기관이며, 기관부하와 회전 속도는 엔진 동력계에 의해 임의로 조정할 수 있도록 하였다.
이론/모형
- 이상의 실험 결과에서와 같이 경유에 BDF를 혼합하여 사용할 때 매연은 현저히 감소하며, 에너지 소비율도 약간 개선되는 경향을 나타내지만, 디젤기관의 주요 규제 대상으로 부각되는 NOx의 배출농도는 BDF의 혼합율이 증가함에 따라 꾸준히 증가되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 BDF 20%를 적용한 경우에 농업용 디젤기관에서 NOx 저감방법의 하나로 알려진 EGR방법을 병행하여 사용하였다.
성능/효과
- (1) BDF 혼합연료의 출력은 경유만을 기관에 적용한 경우와 큰 차이를 보이지 않았으며, 에너지 소비율은 BDF의 혼합율이 증가할수록 경유보다 다소 개선됨을 확인할 수 있어 농업용 디젤기관의 대체연료로서 BDF의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
- (2) BDF를 농업용 디젤기관의 연료로 사용하였을 경우, 연료 내 BDF의 함유량이 증가할수록 매연 배출의 감소량이 증가하며, BDF lOOvol%를 적용한 경우에 경유만을 연료로 사용한 경우와 비교하여 25% 이하의 저부하에서는 최대 약 75%, 90% 이상의 고부하에서는 48%의 매연저감 효과를 확인하였다.
- (3) BDF에 대한 NOx 배출 특성은 BDF의 함유량이 증가함에 따라, 즉 연료 내의 산소량이 증가함에 따라 경유만을 사용한 경우보다 증가함을 알 수 있었으며, 20vol%의 BDF를 적용한 경우에 경유만을 사용한 경우와 비교하여 2000 rpm, 전부하의 경우에 약 6%, 2500 rpm, 전부하의 경우에 약 7%가 증가됨을 확인하였다.
- (4) 2500 rpm, 전부하의 경우에 BDF를 경유에 20vol%혼합 사용하고 5%의 EGR율을 적용한 경우 매연 14.6%와 NOx 5%, 10%의 EGR율을 적용한 경우에 매연9.2%와 NOx 20%가 동시에 저감됨을 확인하였다.
- 그림 9는 그림 8과 동일한 조건에서 NOx 배출량에 대한 EGR의 영향을 나타낸 경우이다. EGR을 적용하지 않은 경우에 비하여 비교적 소량인 EGR 5%만을 적용한 경우에도 경유만을 연료로 사용한 경우보다 NOx가 저감됨을 확인할 수 있다.
- 그림8은 농업용 디젤 기관에 BDF 적용 시 매연배출에 대한 EGR의 영향을 정량적으로 나타낸 경우이며, BDF 20vol-%를 혼합하여 사용한 경우에 90%의 부하에서 각 회전 속도 변화에 따른 매연의 배출 특성을 경유만을 사용한 경우와 비교하여 나타낸 것이다. 그림 8에서 나타낸 바와 같이 15%까지의 EGR율을 적용한 경우에는 경유만을 사용한 경우보다 매연 배출량이 저감되었으며, 20%의 EGR이 적용된 경우에는 경유만을 연료로 사용한 경우보다 매연 배출이 증가하기 시작함을 확인할 수 있다.
- 그림에서와 같이, 연료 중의 BDF 함유량의 차이에 따른 에너지소비율의 변화는 각 회전수별로 거의 유사한 경향을 나타내었으며, 고부하 영역의 경우는 BDF 100%를 연료로 사용한 경우가 경유의 경우에 비하여 약간 악화되었으나, 고회전 속도 영역일수록 BDF의 함유량이 증가할수록 에너지 소비율은 거의 동일하거나 약간 개선됨을 알 수 있으며, 특히 BDF 20% 혼합연료의 경우는 거의 모든 영역에서 경유의 경우보다 개선됨을 알 수 있다.
- 그림에 나타난 바와 같이 EGR 율이 증가함에 따라서 BDF를 혼합하여 사용한 경우에도 매연의 증가폭이 커지는 것을 알 수 있으며, 저회전속도 영역에서의 저감율이고회전속도영역의 저감율보다 커짐을 알 수 있다. 또한 20% 이상의 높은 EGR율이 적용된 경우에는 중고부하 영역에서 경유를 사용한 경우보다도 매연 배출이 증가되기 시작함을 알 수 있다. 이는 재순환되는 배출가스가 연소실내로 흡입되는 신기중의 산소량을 감소시켜 연소에 충분한 산소의 공급이 어려워지고 동시에 연료입자의 산화가 불충분하기 때문으로 생각된다.
- 또한, 경유의 경우는 고회전일수록 부하변화에 따른 매연배출 특성이 현저하게 차이를 보이고 있으나, BDF를 혼합한 경우에는 혼합율이 증가함에 따라 부하변화에 따른 매연배출 출특성의 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
- 이상의 실험 결과에서와 같이 경유에 BDF를 혼합하여 사용할 때 매연은 현저히 감소하며, 에너지 소비율도 약간 개선되는 경향을 나타내지만, 디젤기관의 주요 규제 대상으로 부각되는 NOx의 배출농도는 BDF의 혼합율이 증가함에 따라 꾸준히 증가되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 BDF 20%를 적용한 경우에 농업용 디젤기관에서 NOx 저감방법의 하나로 알려진 EGR방법을 병행하여 사용하였다.
- 또한, BDF 20% 혼합.적용 시 NOx의 증가율이 크지 않았기 때문에 5% 이상의 EGR율을 적용한 모든 경우에 경유만을 사용한 경우보다도 NOx 배출량이 저감됨을 알 수 있다.
- 그림에서와 같이 40% 미만으로 BDF 를 혼합한 경우 공히 전회전속도 및 부하 범위에 걸쳐 기관 출력특성은 경유만을 사용한 경우와 거의 유사함을 알 수 있으며, 순수 BDF만을 적용한 경우 경유와 비교하여 약간 저하됨을 알 수 있다. 즈BDF를 본 연구에서 적용한 디젤 기관의 연료로 사용시에, BDF의 발열량이 경유의 것에 비해 약 12% 정도가 낮지만, 함산소 성분의 영향에 기인한 열효율의 향상으로 전체적인 기관 작동 영역에서의 기관 출력에는 3% 미만의 차이를 보여 실제로는 그 차이가 거의 없음을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한, 경유에 필수적으로 함유되어 있는 유황성분이 전혀 없어 산성비의 주요 원인인 SOx와 같은 유해배기배출물의 저감이 더욱 가능할 것으로 보인다.
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