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문제 정의
- 따라서 바이오디젤을 디젤엔진에 적용할 때 기관의 열화원인을 분석하고 열화의 정도를 배출가스 특성으로 확인하여 바이오디젤의 내구성을 확인하고자 한다(5).
제안 방법
- Table 2와 같다. Table 2의 D-13모드는 전 구간에 걸쳐 기관회전수와 부하율에 의한 가중치를 고려하여 배출 가스값을 비교하여 선정한 후 가스특성을 확인 하였다.
- llOOOcc급 대형디젤엔진을 사용하여 엔진의 성능시험으로 엔진출력, 엔진토크, 연료소비량의 변화를 엔진 다이나모에서 확인하였다. 사용연료로는 바이오디젤 20%에 경유 80%를 혼합한 B20과 순수바이오디젤 B100 및 기본 연료로 하였으며 , 모든 시험은 기관성능시험과 배출가스 성능시험을 각각 수행하였다.
- 사용연료로는 바이오디젤 20%에 경유 80%를 혼합한 B20과 순수바이오디젤 B100 및 기본 연료로 하였으며 , 모든 시험은 기관성능시험과 배출가스 성능시험을 각각 수행하였다. 각 시험조건은 1200시간동안 각 시간별 출력 및 연료의 변화를 확인하였다.
- 국내 대형디젤기관의 매연측정은 디젤 산화 촉매(DOC)를 부착하지 않은 상태에서 국내 배출가스 규제모드인 D-13을 선정하여 CO, THC 및 NOx를 측정하였으며, 그 운전조건은 Table 2와 같다. Table 2의 D-13모드는 전 구간에 걸쳐 기관회전수와 부하율에 의한 가중치를 고려하여 배출 가스값을 비교하여 선정한 후 가스특성을 확인 하였다.
- 기관성능 실험은 기관부하율을 100%에 맞추어 1000rm~ 2000rpm에서 200rpm씩 변화시키면서, 전부하 조건에서 3분 동안 안정시킨 상태에서 30초 동안 안정된 데이터를 수집, 산술평균하여 측정 . 분석하였다.
- 내구성 실험의 운전조건중 연비시험과 출력시험은 그 실험의 확인 목적에 따라 다소 차이가 있지만 이 중에서도 가장 가혹한 조건으로 기관 각 부분의 열화를 단시간에 급속히진행시킬 수 있는 전 부하 연속운전법을 사용하였으며 Fig. 2 에 운전 패턴을 나타내었다. 실험진행 중 흡입공기, 냉각수, 연료, 오일 및 인터쿨러 후단의 온도는 환경부 고시 및 제작사에서 정하는 바에 의하여 항시 일정온도를 유지하였다.
- 대형디젤기관에서 경유와 바이오디젤, B20그리고 B100 을 이용하여 D-13모드에서 500시간동안 엔진 열화를 진행한 후 일산화탄소의 함량을 조사하였다.
- 따라서 본 논문에서는 바이오디젤을 이용하여 혼합비율별 배출사스특성을 분석하고 바이오디젤 20%와 바이오디젤 100% 및 기준연료인 경유와 비교하여 기관의 열화에 미치는 영향을 평가한 후 열화원인을 분석하여 바이오디젤을 기관에 적용을 통해 기관내구성을 확인하였다.
- 청정연료로 알려진 바이오 디젤은 유럽과 미국 등지에서 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이것은 환경을 고려한 연료일 뿐만 아니라 대중의 건강을 고려한 연료로 평가되고 있다(6,7). 또한 바이오디젤을 이용한 기관열화를 평가하기 위해 연료를 구분하여 적용하였다.
- 바이오디젤100%인 B100과 바이오디젤20%와 일반경유 80%인 B20을 이용하여 엔진부하조건에 따라 PM이 엔진에 미치는 성능을 확인하였다.
- 바이오디젤의 혼합비율은 체적 당으로 하여 바이오디젤 20%와 디젤연료 80%를 혼합하였으며, 각 연료에 대한 밀도는 혼합하기 전에 측정하였고 혼합된 혼합유는 드럼 형태의 저울을 사용하여 동등한 질량기준으로 산출하였다(9) 각각의 드럼은 충분한 혼합이 이루어질 수 있도록 1시간 30분 동안 혼합하였다.
- 부하조건은 최대부하인 100%와 부분부하인 20% 조건을 적용하였으며 엔진최대 파워와 토크점인 1400rpm 기준에서 필터의 온도를 52°C에 맞추어 시험하였다.
- 확인하였다. 사용연료로는 바이오디젤 20%에 경유 80%를 혼합한 B20과 순수바이오디젤 B100 및 기본 연료로 하였으며 , 모든 시험은 기관성능시험과 배출가스 성능시험을 각각 수행하였다. 각 시험조건은 1200시간동안 각 시간별 출력 및 연료의 변화를 확인하였다.
- 또한 디젤기관에서 주요 오염물질인 입자상물질(PM)을 측정하기 위한 장비로 AVL사의 Mini Dilution Tunnel(MDT474)을 사용하였다. 연료공급방법은 연료탱크 1과 연료탱크2에 별도의 차단밸브를 설치한 후, 기본 연료인 경유는 연료탱크1에서 공급하고 UI几SD와 바이오디젤의 혼합유는 연료탱크2로부터 3Way-valve를 통해 공급하였으며 전체적인 시험 개략도는 Fig. 1과 같다.
- 입자상물질의 전체적인 경향을 확인하기위해 연료중 바이오디젤0%와 50%시험을 B100 및 B50과 함께 수행하였다.
- 정비 . 점검하였으며, 기관의 오일 및 오일필터, 공기필터는 매 100시간 실험마다 교환을 하였다.
- 혼합비율의 확인은 혼합 후 혼합유의 밀도를 통해 확인하였다. Table 3과 같이 B100은 기본연료와 비교하면 pour point가 낮아 겨울철 유동성저하에 의한 냉시동성문제와 필터 막힘을 야기 시킬 수 있지만 세탄가가 높고 황 함량이 적어 배출가스를 적게 발생시키는 장점이 있다.
대상 데이터
- 바이오디젤 적용시 연료성분에 따른 기관성능과 배출가스의 특성을 파악하기 위해 사용된 기관은 ll, 000cc급 대형디젤 기관을 사용하였으며 Table 1에 그 제원을 나타내었다.
- 이러한 세 가지 연료의 물성은 Table 3에 나타내었다. 바이오디젤의 연료는 환경제품으로서 공급되는 순수 콩류를 공급 원료로 하는 메틸에테르를 적용하였다.
- 시험연료로는 디젤연료 100%, 바이오디젤 100% 및 바이오디젤 20%인 세 가지 연료를 사용하였다. 이러한 세 가지 연료의 물성은 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
- 기관동력계는 전기식 동력계(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.
- 또한 배출가스 시험은 각각 25, 125, 250, 500 시간 전 .후에서 열화율이 촉진된 상태인 500시간을 기준으로 하여 규제 실험법인 D-13모드 하에서 실시하였다(8)
성능/효과
- (1) 기관 출력의 경우 열화에 의해 최초출력대비 최고는 약 3.7% 증가하였으며 기관의 출력의 경향은 250시간에 기본 연료와 B20 및 B100연료 모두 출력이 떨어지는 경향을 확인하였다.
- (2) 평균적으로 기본연료는 열화가 진행됨에 따라 약 2〜 3%정도 연료소비량이 감소됨을 알 수 있고 500시간 주행 시에 연료의 저감율이 높게 나타나고 기관이 안정화되어 엔진성능과 연비가 가장 효과적임을 확인하였다.
- (3) 열화에 의한 배출가스특성은 기본연료인 경유대비 B20 은 일산화탄소가 약 18%정도 저감되고 B100의 경우는 약 45%정도 감소되었고 탄화수소는 기본연료인 경유와 B20과 B100의 경향은 무 부하상태에서 배출가스량이 증가하고 부하가 증가하면 배출가스가 감소됨을 확인하였다.
- (4) 열화에 의한 질소산화물의 배출가스특징은 기본 연료인 경유와 B20과 B100의 경향은 무 부하상태에서 배출가스량이 증가하고 부하가 커지면 배출가스가 감소되는경향을 확인하였다.
- (5) 바이오디젤함량을 증가시킬 때, 엔진 부하를 20%로 하면 PM 배출 가스는 오히려 증가하는 경향을 보였고 엔진 부하를 100%로 하면 PM 배출 가스는 감소하는 경향을 확인하였다.
- (6) 차량주행속도에 따라 NOx의 경우는 바이오 디젤이 디젤 연료보다 약 15~20% 높게 나타났고 PM의 경우는 바이오디젤이 약 40%정도 낮게 나타남을 확인하였다.
- 100% 부하 조건에서 바이오디젤의 함량을 증가시키면 입자상물질이 감소하는 경향을 보이고 있으며 연료중 바이오디젤 함량을 0%기준으로 저감비율을 확인하면 바이오디젤 20%이면 10% 감소, 바이오디젤50%이면 35%감소, 바이오디젤 100%이면 55% 감소를 나타내었다(12).
- 있다. Fig. 8과 같이 100%부하조건에서 바이오디젤함량을 증가시키면 입자상물질이 점진적으로 감소하는 경향을 보이지만 20%부하조건에서 바이오디젤함량을 증가시키면 입자상물질이 오히려 증가하는 경향을 보였다.
- 기관 출력의 경우 최초출력대비 최고는 약 3.7% 증가하였으며, 단위 출력당 연료소비량은 1200시간 운전기간중 최대 약 1.3% 감소하였다. 이러한 측정결과에서 보여주듯이 전자제어식 디젤기관의 경우 약 220, 000km에 해당하는 운전 이후에도 출력 및 연비의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 기본연료인 경유대비 B20은 일산화탄소가 약 18% 정도 저감되고 BW0의 경우는 약 45%정도 감소됨을 알 수 있다.
- 7은 NOx의 경향을 나타낸 것이다. 기본연료인경유와 비교하여 B20은 약4%정도 높게 나타났고 B100의 경우는 약11%높게 나타났다.
- 또한 20%부하 조건에서 바이오디젤의 함량을 증가시키면 입자상물질이 다소 증가하는 경향을 보이고 있다. Fig.
- 또한 기본연료인 경유에 비해 B20은 약3%정도 출력이다소 낮은 결과를 보여주었고 B100의 경우는 약 8%정도 낮게 나타났다. 열화는 시간이 진행됨에 따라 기관내의 오일의점성과 온도에 영향을 받으며 기관의 길들이기 시간을 약 500시간으로 보며 250시간이 기관내부의 온도와 연료 및 오일의 점성에 의한 영향으로 출력이 가장 낮게 나타났다.
- 디젤엔진의 특성에 따라 엔진분위기 온도가 높아져 엔진의 효율이 향상됨을 알 수 있다. 또한 바이오디젤, B20 에 비해 B100의 경우는 열화시간이 증가될수록 연료 소비량이 감소하는 이유는 윤활에 의한 점성이 B20에 비해 떨어지므로 연료효율이 높게 나타났다.
- 열화는 시간이 진행됨에 따라 기관내의 오일의점성과 온도에 영향을 받으며 기관의 길들이기 시간을 약 500시간으로 보며 250시간이 기관내부의 온도와 연료 및 오일의 점성에 의한 영향으로 출력이 가장 낮게 나타났다. 바이오디젤의 경우는 저속에서 약 3.5%, 고속에서 3% 정도의 출력감소를 나타내었으며, 점성이나 세탄가는 높지만 열량(Calorific value)이 경유보다 작아서 출력 이 감소하는 현상이 나타났다.
- 나타났다. 열화는 시간이 진행됨에 따라 기관내의 오일의점성과 온도에 영향을 받으며 기관의 길들이기 시간을 약 500시간으로 보며 250시간이 기관내부의 온도와 연료 및 오일의 점성에 의한 영향으로 출력이 가장 낮게 나타났다. 바이오디젤의 경우는 저속에서 약 3.
- 3% 감소하였다. 이러한 측정결과에서 보여주듯이 전자제어식 디젤기관의 경우 약 220, 000km에 해당하는 운전 이후에도 출력 및 연비의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 평균적으로 기본연료는 열화가 진행됨에 따라 약 2〜3% 정도 연료소비량이 감소됨을 알 수 있고 이러한 연료 소비의 감소는 전자제어 엔진이므로 시간에 따라 연료의 무화가 촉진되고 디젤엔진의 특성에 따라 엔진분위기 온도가 높아져 엔진의 효율이 향상됨을 알 수 있다. 또한 바이오디젤, B20 에 비해 B100의 경우는 열화시간이 증가될수록 연료 소비량이 감소하는 이유는 윤활에 의한 점성이 B20에 비해 떨어지므로 연료효율이 높게 나타났다.
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