[논문]디젤-에탄올 혼합연료의 에탄올 함량이 미세 그을음(Soot) 입자 배출특성에 미치는 영향

박수한; 차준표; 권석주; 박성욱; 이창식

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.12.1359

디젤-에탄올 혼합연료의 에탄올 함량이 미세 그을음(Soot) 입자 배출특성에 미치는 영향
Effect of Ethanol Content on Fine Soot Particle Emission from a Diesel-Ethanol Blended Fuel Diesel Engine 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.12 = no.315, 2011년, pp.1359 - 1365

박수한 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 차준표 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 권석주 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 박성욱 (한양대학교 기계공학과) , 이창식 (한양대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 연구의 목적은 디젤-에탄올 혼합연료로 운전되는 디젤엔진에서 에탄올 혼합비율이 나노 크기 입자 배출 특성에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 엔진의 연소 및 배기 배출물 특성은 배기량 373cc 의 단기통 디젤엔진과 배기 배출물 측정 장치, SMPS 를 이용하여 실험하였다. 그을음(soot) 배출은 착화지연 기간이 길어짐에 따라 증가하였다. 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 나노 입자의 총 개수 및 질량은 대체로 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 에탄올이 30% 혼합되었을 때 그을음(soot) 입자의 응결로 인해 큰 입자의 수 분포가 증가하였으며, 질량 또한 크게 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the effect of ethanol content on the emission of nanosized particles from a diesel-ethanol blended fuel engine. The engine combustion and exhaust emission characteristics of a singlecylinder diesel engine were analyzed using an emission analyzer and an SMPS(scanning mobility particle sizer). The analysis revealed that soot emission increased with the ignition delay. When the ignition delay was fixed, an increase in the ethanol content caused a decrease in the soot emission. With an increase in the ethanol blending ratio, the number concentration and mass distribution of nanosized particles generally decreased. However, for 30% ethanol blending, large particles were observed because of the agglomeration of soot particles, and consequently, the particle mass increased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 디젤-에탄올 혼합연료로 운전되는 단기통 디젤엔진을 이용하여 에탄올 혼합비율이 나노 크기의 입자상 물질 배출특성에 미치는 영향을 측정하고 분석하였다. 실험결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 디젤-에탄올 혼합연료로 운전되는 디젤엔진에서 에탄올 혼합비율이 입자상 물질의 배출 특성에 미치는 영향을 분석하는데 목적이 있으며, 이를 위해 동일한 엔진 운전조건에서 각 실험연료로부터 배출되는 입자상 물질의 입자 크기에 따른 개수 및 질량 분포 특성을 측정하고 분석하였다.
본 연구에서는 디젤-에탄올 혼합연료에서 에탄올 혼합비율이 미세 그을음(soot)입자 배출에 미치는 영향을 분석하였다. 배기 후단의 샘플링 프로브를 통해 포집된 배기가스를 약 80℃ 의 희석 온도에서 300:1 로 희석하고, EC (electrostatic classifier), CPC (condensation particle counter), DMA (differential mobility analyzer)로 구성된 SMPS (scanning mobility particle sizer, Model 3936, TSI)를 이용하여 크기가 10.

제안 방법

9%의 에탄올을 부피비로 10%, 20%, 30% 혼합한 혼합연료를 이용하였다. 디젤-에탄올 혼합연료의 상 분리를 방지하기 위해 대두유로부터 만들어진 바이오디젤 5%를 혼합하였다.
본 연구에서는 디젤-에탄올 혼합연료에서 에탄올 혼합비율이 미세 그을음(soot)입자 배출에 미치는 영향을 분석하였다. 배기 후단의 샘플링 프로브를 통해 포집된 배기가스를 약 80℃ 의 희석 온도에서 300:1 로 희석하고, EC (electrostatic classifier), CPC (condensation particle counter), DMA (differential mobility analyzer)로 구성된 SMPS (scanning mobility particle sizer, Model 3936, TSI)를 이용하여 크기가 10.4nm ~ 392.4nm 인 입자를 측정하였다. 미세 그을음(soot) 입자 배출물 측정장치의 개략도는 Fig.
본 연구에서 나노 크기의 입자 측정을 위한 배기가스의 희석비는 300:1 로 하였으며, 희석온도는 80℃ 로 고정하였다.
3 은 분사시기가 BTDC 5°, BTDC 15°, BTDC 25° 일 때, 에탄올 혼합비율에 따른 연소압력 및 열 발생률 특성을 나타낸 것이다. 분사압력, 분사량 및 엔진 회전 속도는 120MPa, 8mg, 1200rpm 으로 고정하였다. Fig.
1 과 같은 실험장치를 이용하여 측정하였다. 실험 장치는 단기통 디젤엔진, 엔진 제어 시스템, 연료 공급 및 분사 시스템, 흡입 공기 제어 시스템, 연소 데이터 취득 시스템, 배기 배출물 분석 시스템, 미세 그을음(soot) 입자 측정 시스템으로 구성하였다. 실험용 디젤 엔진의 실린더 지름과 행정은 각각 75mm 와 84.
엔진의 연료 분사시기는 크랭크 각 센서(1800 pulse/rev)와 캠 축 위치 센서에 의해 발생되는 두 신호를 신호발생기에서 논리연산에 의해 TDC 를 인식하도록 하고, 이 시점을 기준으로 0.1° 단위로 분사시기 제어가 가능하도록 했다.
인젝터 드라이버 (TDA-3300, TEMS)를 이용하여 통전 기간을 조절함으로써 연료 분사량을 제어하였다. 연소해석을 위해 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서를 설치하여 실린더 내의 압력 신호를 받고 이를 통하여 DAQ 보드와 Labview 소프트웨어를 사용하여 실시간으로 취득하였다. 한편, 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 HC/CO/NO_x 분석기 (MEXA-554JKNOx, Horiba)를 이용하였으며, 그을음(soot) 측정은 필터법을 적용한 매연측정기 (415S, AVL)를 이용하였다.
1° 단위로 분사시기 제어가 가능하도록 했다. 인젝터 드라이버 (TDA-3300, TEMS)를 이용하여 통전 기간을 조절함으로써 연료 분사량을 제어하였다. 연소해석을 위해 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서를 설치하여 실린더 내의 압력 신호를 받고 이를 통하여 DAQ 보드와 Labview 소프트웨어를 사용하여 실시간으로 취득하였다.
연소해석을 위해 엔진 헤드에 피에조 압전 소자 방식의 압력 센서를 설치하여 실린더 내의 압력 신호를 받고 이를 통하여 DAQ 보드와 Labview 소프트웨어를 사용하여 실시간으로 취득하였다. 한편, 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 HC/CO/NO_x 분석기 (MEXA-554JKNOx, Horiba)를 이용하였으며, 그을음(soot) 측정은 필터법을 적용한 매연측정기 (415S, AVL)를 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 연료는 100% 저유황 디젤연료 (16.3 wt.ppm, 0.003%)와 디젤연료에 순도 99.9%의 에탄올을 부피비로 10%, 20%, 30% 혼합한 혼합연료를 이용하였다. 디젤-에탄올 혼합연료의 상 분리를 방지하기 위해 대두유로부터 만들어진 바이오디젤 5%를 혼합하였다.
실험 장치는 단기통 디젤엔진, 엔진 제어 시스템, 연료 공급 및 분사 시스템, 흡입 공기 제어 시스템, 연소 데이터 취득 시스템, 배기 배출물 분석 시스템, 미세 그을음(soot) 입자 측정 시스템으로 구성하였다. 실험용 디젤 엔진의 실린더 지름과 행정은 각각 75mm 와 84.5mm 이며, 압축비는 17.8:1 이다.

성능/효과

(1) 그을음(soot)은 착화지연기간이 길어짐에 따라 증가하는 경향을 나타냈으며, 동일한 착화지연기간에서 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 그을음(soot) 배출은 감소하였다.
(2) BTDC 15°에서 HC 및 CO 의 배출량은 가장 낮게 나타났으며, 에탄올 혼합 비율이 증가함에 따라 HC 및 CO 배출량은 증가하는 경향을 나타냈다.
(3) 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 나노 입자의 총 개수 및 질량은 대체로 감소하는 경향을 나타냈으나, 착화지연기간이 길어져 팽창행정에서 연소가 진행되는 DE30 은 반대의 경향을 나타냈다.
(4) 긴 착화지연기간을 갖는 DE30 의 경우 팽창 과정에서의 그을음(soot) 입자 응결로 인해 큰 크기의 입자 수가 많이 분포하며, 질량 또한 크게 나타났다.
Fig. 7(a)에서 보는 바와 같이 에탄올 혼합비율이 20%까지 증가했을 때 나노 입자 개수의 최대 빈도수는 낮아지는 것을 확인할 수 있었으나, 혼합비율이 30%가 되었을 때 최고 빈도수가 다시 증가하며, 모드값(가장 빈도수가 높은 입자의 크기)이 커지는 것을 확인할 수 있었다(D100: 96.48nm, DE10: 111.17nm, DE20: 109.58nm, DE30: 135.12nm). 순수 디젤의 경우 모드 값은 가장 낮았으나, 빈도수는 가장 높게 나타났다.
⁽¹³⁾ 한편, Fig. 7(b)는 누적 입자 개수 분포를 나타낸 것으로 디젤과 DE30 연료의 총 입자 개수가 가장 많았으며, 에탄올 혼합비율이 10%, 20% 일 때 누적 입자 개수는 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
7(b)의 누적 입자 개수 분포 곡선을 Normalizing 하여 입자 크기의 총 입자 개수에 대한 누적 입자의 비를 나타낸 것이다 그림에서 보는 바와 같이 D100, DE10, DE20 은 동일한 누적 패턴을 나타낸 반면, DE30 은 조금 다른 패턴을 나타냈다. 그래프의 Median 값은 전체 누적 분율의 50%에 해당하는 지점의 입자 크기를 나타낸 것으로 DE30 의 Median 이 약 104.4nm 로 다른 연료에 비해 약 16% 큰 것을 확인할 수 있다. 이것은 Fig.
9(b)는 입자 크기에 대한 누적 질량 분포를 나타낸 것이다. 누적 질량값 역시 DE30 연료가 가장 높은 값을 나타냈으며, D100, DE10, DE20 은 에탄올 혼합비 증가에 따라 누적 질량 값도 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
5 내의 실선과 점선의 화살 표는 각각 분사시가가 BTDC 25°, BTDC 15° 일 때의 ISsoot 값을 나타낸 것으로 동일한 분사시기에서의 에탄올 혼합비율에 따른 착화지연기간과 ISsoot 의 관계를 확인할 수 있다. 대체로 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 그을음(soot) 배출량은 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 착화지연기간이 짧은 영역에서는 에탄올 혼합의 영향이 거의 나타나지 않았다.
3 에서 기술한 바와 같이 연소가 가장 활발히 일어났기 때문이다. 또한 에탄올 혼합비율이 증가함에 따라 HC 와 CO 의 배출량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험 조건 (Pinj=120MPa, mfuel=8mg, SOE=BTDC 15°)에서 DE30 연료는 D100 연료에 비해 착화지연기간이 약 108% 증가 (5.96 deg. → 12.4 deg.)하게 되고, 이에 따라 착화 직전 분무 도달 거리는 약 44.5% 길어진다.
한편, 세 가지 분사시기 중 BTDC 15° 일 때, 가장 높은 최고 연소압력 특성을 나타냈으며, 이로부터 연료를 BTDC 15° 에서 분사했을 때 연소가 가장 활발히 일어나는 것으로 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유럽의 배기 배출물 규제인 Euro-V 는 언제부터 시행되었는가?	또한 유럽의 배기 배출물 규제인 Euro-V 는 2009년부터 시행되었으며, 2011 년부터 입자상 물질의 질량뿐만 아니라 개수 규제를 더함으로써 디젤엔진의 배기 배출물에 대한 규제가 점차 강화될 전망이다. 차량으로부터 배출되는 입자상 물질은 대기오염뿐만 아니라 호흡기 질환 및 심혈관 질환 등 인체에 유해하며, 입자 크기가 작아질수록 그 표면적이 증가하여 유해물질의 흡착율 등에 대한 반응성이 증가하여 독성을 일으키기 쉽다.
	높은 열효율을 갖는 디젤엔진은 어떤 치명적인 단점을 가지고 있는가?	높은 열효율을 갖는 디젤엔진은 다량의 질소산화물 및 입자상물질 배출이라는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이러한 디젤엔진의 유해 배기 배출물을 저감하기 위한 노력으로 균일 예혼합 압축착화(HCCI, homogeneous charged compression ignition), 저온 연소(LTC, low temperature combustion), 배기 재순환(EGR, exhaust gas recirculation)과 같은 신 연소 전략을 통한 엔진 내 배출물 생성 저감방법과 매연 여과 장치(DPF, diesel particulate filter) 및 선택적 촉매변환 시스템(SCR, selective catalytic reduction)과 같은 생성된 유해 배출물을 후 처리하는 방법 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (13)

Choi, N. H., Kim, K. S., Jang, B. J. and Kim, K. A., 2005, "Defining the Mechanism of Pulmonary Disease Induced by Air-Borne Particulate Matters and Development of Treatment Methods," KOSEF.
Kasper, M., 2004, "The Number Concentration of Nonvolatile Particles Design Study for an Instrument According to the PMP Recommendation," SAE technical paper, SAE 2004-01-0960.
Kim, S., Lee, J., Kim, G., Cho, N., Sung, Y. and Jeong, Y., 2005, "Measurement of Size Distribution of Diesel Particles: Effects of Instruments, Dilution Methods, and Measuring Positions," International Journal of Automotive Technology, Vol. 6, No. 2, pp.119-124.

원문보기 상세보기
Kim, H., and Choi, B., 2008, "Effect of Ethanol- Diesel Blend Fuels on Emission and Particle Size Distribution in a Common-Rail Direct Injection Diesel Engine with Warm-up Catalytic Converter," Renewable Energy, Vol. 33, pp.2222-2228.

상세보기
Pang, X., Shi, X., Mu, Y., He, H., Shuai, S., Chen, H., and Li, R., 2006, "Characteristics of Carbonyl Compounds Emission from a Diesel-Engine Using Biodiesel-Ethanol-Diesel as Fuel," Atmospheric Environment, Vol. 40, pp.7057-7065.

상세보기
Leahey, D. M., Jones, B. C., Gilligan, J. W., Brown L. P., Hamilton, L. J., Gutteridge, C. E., Cowart, J. S., and Caton, P. A., 2007, "Combustion of Biodiesel- and Ethanol-Diesel Mixtures with Intake Injection," SAE technical paper, SAE 2007-01-4011.
Lee, J., Patel, R., and Ladommatos, N., 2009, "Emission Characteristics of Nano-Sized Particles in Bio-Ethanol Fuelled Engine with Different Injection Type," Transaction of KSAE, Vol. 17, No. 4, pp. 55-62.
Moon, G., Lee, Y., Choi, K., and Jeong, D., 2009, "An Experimental Study on the Combustion and Emission Characteristics of Blends of GTL/Biodiesel in Diesel Engine," Transaction of KSAE, Vol. 17, No. 5, pp.39-45.
Ko, A., Hwang, I. G., Myung, C., Park, S., and Choi, H., 2010, "Study of Particle Emission Contour Construction & Characteristics and Reduction Efficiency of Exhaust-Treatment System of Diesel Engine," Transaction of KSME (B), Vol. 24, No. 8, pp.755-760.

원문보기 상세보기
Lee, M., Park, J., Kim, J., Jung, C., and Cha, K., 2009, "The Study on the PM Particle Characteristics of Vehicle According to the Fuel Type and Test Mode," KSAE 2009 Annual Conference, KSAE09-A0113.
Park, S. H., Kim, S. H., and Lee, C. S., 2009, "Mixing Stability and Spray Behavior Characteristics of Diesel- Ethanol-Methyl Ester Blended Fuels in a Common-Rail Diesel Injection System," Energy&Fuels, Vol. 23, pp.5228-5235.

상세보기
Rakopoulos, C. D., and Giakoumis, E. G., 2009, Diesel Engine Transient Operation - Principles of Operation and Simulation Analysis, Springer, London, pp.149-155.
Eastwood, P., 2008, Particulate Emissions from Vehicles, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, pp.144, 391-394.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증