[논문]바이오연료의 엔진 적용을 위한 실험적 기초연구

염정국

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.11.1163

바이오연료의 엔진 적용을 위한 실험적 기초연구
Basic Experimental Study on the Application of Biofuel to a 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.11 = no.314, 2011년, pp.1163 - 1168

초록
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압축착화 방식의 디젤엔진은 스파크점화 방식의 가솔린 엔진에 비하여 열효율이 높아 연비가 향상되고 그 결과 $CO_2$ 저감효과도 높다. 또한 디젤엔진은 점화계통 장치의 불필요 등 기존 엔진의 개조비용이 적어 세탄가가 높은 바이오연료의 적용엔진으로서 적합한 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 식물성 자트로파유, 대두유 2종의 바이오연료와 경유연료의 분무특성을 비교 분석하였다. 실험변수로서는 분사압력과 자트로파 연료의 경우는 혼합비율(BD3, BD5, BD20)을 달리하였다. 분사압력은 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 설정하고 분사기간은 500ms로 동일하게 하였다. 본 연구의 결과로서, 사용한 바이오디젤 연료의 종류 및 분사압력 변화에 대한 분무거동특성(분무각)의 변화는 뚜렷하지 않으나, 고압분사의 경우가 분무각이 약간 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Compared with the spark-ignition gasoline engine, the compression-ignition diesel engine has reduced fuel consumption due to its higher thermal efficiency. In addition, this reduction in the fuel consumption also leads to a reduction in $CO_2$ emission. Diesel engines do not require spark-ignition systems, which makes them less technically complex. Thus, diesel engines are very suitable target engines for using biofuels with high cetane numbers. In this study, the spray characteristics of biofuels such as vegetable jatropha oil and soybean oil were analyzed and compared with those of diesel oil. The injection pressures and blend ratios of jatropha oil and diesel oil (BD3, BD5, and BD20) were used as the main parameters. The injection pressures were set to 500, 1000, 1500, and 1600 bar. The injection duration was set to $500{\mu}s$. Consequently, it was found that there is no significant difference in the characteristics of the spray behavior (spray angle) in response to changes in the blend ratio of the biodiesel or changes in the injection pressure. However, at higher injection pressures, the spray angle decreased slightly.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

ECU를 분사기간(Injection duration)은 100µs에서 4000µs, 분사압력은 400bar에서 1600bar까지 설정할 수 있도록 설계하였다.
또한 분사압력은 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 설정하고 분사기간은 500µs로 일정하게 하였다. 각 조건에 있어서 광계측 시스템을 이용해 정면과 측면에서 분무촬영을 행하였다.
따라서 본 논문은 연구의 제1단계로 바이오디젤 연료분사노즐의 최적화를 위한 기초 실험연구로서 커먼레일 분사시스템과 분무가시화 장치를 이용하여 바이오디젤의 혼합비 변화 및 분사압력변화에 따른 분무거동을 비교⋅분석하였다.
또한 분사압력은 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 설정하고 분사기간은 500µs로 일정하게 하였다.
나머지 분사압력 중 1600bar인 경우는 1500bar와 분무거동이 매우 유사하여 생략하였고, 1000bar인 경우의 측면도를 <부록>에 수록하였다. 또한 사용연료 및 분사압력 변화에 대한 분무거동특성을 파악하기 위하여 분무의 정면과 측면 이미지에 대하여 가시화 촬영실험을 하였다. 이미지의 가시화는 분사된 연료에 직각으로 광원을 입사시켜 반사된 산란광을 카메라로 촬영하였다.
본 연구에서는 다공인 7홀 노즐을 사용하였고, 연구목적에 보다 관련이 있다고 판단되는 액체연료의 일반적 거시적 분무거동특성인 분무각에 초점을 두고, 각 실험조건에 있어서의 분무각 거동 변화를 조사하였다. 설정한 분사압력에 있어서 사용연료에 대한 분무각 이미지를 측정하였으며, 그 결과를 Figs.
본 연구에서는 바이오디젤 연료분사노즐의 최적화를 위한 기초 실험연구로서 커먼레일 분사시스템과 분무가시화 장치를 이용하여 바이오디젤 연료의 혼합비 변화 및 분사압력변화에 따른 분 무거동을 비교⋅분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서 분무각은 노즐팁에 수선을 세워 시계방향으로 정의하였고, 이해를 돕기 위하여 공간적 측정위치를 범례와 실제 이미지 중에 직접 표시하였다. 분무각 측정을 위한 분무의 선택은 공간적인 위치오차를 줄이기 위하여 각 이미지에서 노즐 아랫부분의 가장 긴 분무를 선택하였고, 그 측정값은 본 연구에서 사용한 카메라 Phantom miro-4C의 제어를 위한 부속 프로그램을 이용하여 컴퓨터 스크린 상에서 직접 구하였다.
5는 분사압력 1500bar, 분사 후 시간 100µs인 경우에 있어서 각 사용연료의 실험결과와 유한요소해석을 이용해 구한 속도분포 이미지 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 수치해석과 비교를 위하여 각 사용연료 실험결과의 정면도를 이용하였다. Fig.
분위기 조건으로 압력은 대기압, 온도는 상온의 상태이다. 실험변수로서는 분사압력 및 사용연료를 변화시켰고, 특히 자트로파 연료의 경우는 경유에 혼합비율을 BD3, BD5, BD20으로 각각 달리하였다. 또한 분사압력은 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar로 설정하고 분사기간은 500µs로 일정하게 하였다.
3에 각 사용연료에 따른 분무가시화 이미지를 보인다. 원래 실험조건은 전술한 것과 같이 분사압력을 500bar, 1000bar, 1500bar 및 1600bar 총 4가지로 하였으나, 그 중 저압(500bar)과 고압(1500bar) 두 조건을 선택하여 Fig. 3에 나타내었다. 나머지 분사압력 중 1600bar인 경우는 1500bar와 분무거동이 매우 유사하여 생략하였고, 1000bar인 경우의 측면도를 <부록>에 수록하였다.
또한 사용연료 및 분사압력 변화에 대한 분무거동특성을 파악하기 위하여 분무의 정면과 측면 이미지에 대하여 가시화 촬영실험을 하였다. 이미지의 가시화는 분사된 연료에 직각으로 광원을 입사시켜 반사된 산란광을 카메라로 촬영하였다.

대상 데이터

고압 정적용기(Constant volume chamber, CVC)의 최대사용압력은 2MPa이며, 카메라와 광원이 서로 90°와 180°가 되도록 변환 가능한 관측용 창은 두께 50mm의 Pyrex를 설치하였다.
ECU를 분사기간(Injection duration)은 100µs에서 4000µs, 분사압력은 400bar에서 1600bar까지 설정할 수 있도록 설계하였다. 본 연구는 3세대 보쉬 피에조 인젝터와 커먼레일, 펌프는 2010년형 Pride U-engine 순정품을 사용하였으며, 연료를 교체하여 실험할 경우, 타 연료의 혼입을 방지하기 위하여 연료필터를 교체하여 실험하였다. 분위기 조건으로 압력은 대기압, 온도는 상온의 상태이다.
2는 본 실험에 사용한 분무거동 광계측 장비의 개략도를 나타낸 것이다. 초고속카메라는 최대 100,000fps까지 촬영 가능한 Phantom miro-4C이며 광원은 1kW의 할로겐램프를 사용하였다. 고압 정적용기(Constant volume chamber, CVC)의 최대사용압력은 2MPa이며, 카메라와 광원이 서로 90°와 180°가 되도록 변환 가능한 관측용 창은 두께 50mm의 Pyrex를 설치하였다.

성능/효과

(1) 실험조건(본 연구의 경우 분사압력)이 동일한 경우, 사용 바이오디젤연료인 자트로파 혼합 비율을 전체연료에 대하여 체적으로 3%, 5%, 및 20%로 설정하여 분무특성 해석실험을 하였으나, 분무의 거시적 거동특성(분무선단도달거리 및 분무각)의 차이점은 거의 존재하지 않았다.
(2) 순바이오디젤(BD 100) 대두유 연료를 분사한 경우는 높은 점도 등 경유와의 물성치차이로 인하여 경유 및 자트로파 혼합 바이오디젤과 비교해 분무발달이 지연되는 등 다소 상이한 분무 발달 거동특성을 보였다.

후속연구

3-(b) 중 분사 후 시간, 특히 t≤400µs의 범위에 있어 대두유의 경우의 분무발달이 타 연료에 비해 지연되고 있는 등 이러한 결과는 전술한 Seo 등⁽³⁾의 연구결과 일치하며, 타 연료와 비교해 분무거동 특성이다소 차이가 발생한다고 판단된다. 그리고 자트로파의 경우, 본 실험에서 설정한 범위인 자트로파 혼합이 전체연료에 대하여 체적으로 3%, 5%, 20%의 혼합비율에 있어서 분무특성 실험을 하였 으나, 이 범위 내에서 분무거동특성의 차이점은 거의 존재하지 않았으며, 차후 혼합비율을 증가시킨 보다 상세한 실험으로 혼합비율이 분무거동 특성에 미치는 영향에 대해 연구할 필요가 있다.
5에서 나타난 것과 같이 경유와 자트로파의 경우, 유한요소해석을 이용한 수치해석 결과는 실험결과와 아주 높은 정도의 일치를 보이며 유한요소해석을 분무거동특성 해석에 적용하는 것이 유효함을 알 수 있으나, 대두유의 경우에는 실험결과와 수치 해석 결과가 다소 차이를 보인다. 따라서 차후 수치해석과정에 있어서는 각 사용연료 물성치의 특성이 고려된 수치해석 프로그램의 수정 및 보완작업이 필요하다고 판단된다.
따라서 본 논문은 연구의 제1단계로 바이오디젤 연료분사노즐의 최적화를 위한 기초 실험연구로서 커먼레일 분사시스템과 분무가시화 장치를 이용하여 바이오디젤의 혼합비 변화 및 분사압력변화에 따른 분무거동을 비교⋅분석하였다. 이러한 실험결과는 현재 동시 진행 중인 연구 제2단계인 연소해석 및 수치해석 연구의 기초자료로서 활용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤 연료분사노즐의 최적화를 위해 커먼레일 분사 시스템과 분무 가시화 장치를 이용하여 바이오디젤 연료의 혼합비 변화 및 분사압력변화에 따른 분 무거동을 비교⋅분석한 결과는 어떠한가?	(1) 실험조건(본 연구의 경우 분사압력)이 동일한 경우, 사용 바이오디젤연료인 자트로파 혼합 비율을 전체연료에 대하여 체적으로 3%, 5%, 및 20%로 설정하여 분무특성 해석실험을 하였으나, 분무의 거시적 거동특성(분무선단도달거리 및 분무각)의 차이점은 거의 존재하지 않았다. (2) 순바이오디젤(BD 100) 대두유 연료를 분사한 경우는 높은 점도 등 경유와의 물성치차이로 인하여 경유 및 자트로파 혼합 바이오디젤과 비교해 분무발달이 지연되는 등 다소 상이한 분무 발달 거동특성을 보였다.
	디젤기관에서 배출되는 인체에 악영향을 미치는 물질은 무엇인가?	최근 세계는 원유가격 상승으로 인한 고유가지속과 이산화탄소 배출 등 환경오염물질의 증가가 중요한 사회적 문제로 부각되면서 바이오디젤을 포함한 대체에너지와 친환경에너지 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 자동차 배출물에 의한 대기오염 물질의 감소는 매우 중요한 과제이며, 디젤기관의 경우 높은 열효율과 경제성 및 내구성의 장점에도 불구하고 인체에 악영향을 미치는 NOx(질소산화물)와 PM(입자상물질), HC(탄화수소) 등의 배출로 인하여 이를 저감시키기 위한 다양한 연구가 진행 중에 있다. 현재 연료전지 자동차, 전기 자동차 등이 대체에너지로 개발되고 있지만 기술성과 경제성부족으로 실용화의 벽을 넘지 못하고 있는 실정이다.
	바이오디젤은 무엇을 촉매와 알코올로 반응시킨 기름인가?	이에 비해 바이오디젤은 경유와 물성이 비슷하여 경유 대신 쓰이거나, 혼합하여 기존의 디젤차량의 연료로 사용할 수 있다. 바이오디젤은 대두유, 유채유, 자트로파유(Jatropha oil) 등의 식물성 기름이나 동물성 지방, 폐식용유를 촉매와 알코올로 반응시켜 전이에스테르화 (1)한 기름으로 기존의 디젤연료에 비해 발암성 공해물질인 방향족 고분자나 유황성분이 없고, 산소를 11~15% 함유하고 있어 유해 배출물을 감소시키는 효과가 있다. 따라서 바이오디젤은 환경보존과 대체에너지 개발을 동시에 충족하며 재생성에너지로서 주목을 받고 있다.

참고문헌 (6)

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Seo, Y. T., Suh, H. K. and Lee, C. S., 2007, "A Study on the Injection Characteristics of Biodiesel Fuels Injected through Common-rail Injection System," Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 5, pp.97-104.
Park, S. H., Suh, H. K., Kim, H. J. and Lee, C. S., 2008, "Spray Characteristics of Biodiesel Fuel by Blending other Fuels in a Common Rail Injection System," Transactions of KSAE, KSAE08-S0075, pp.456-461.
Woo, Y. M., Kim, G. C., Kwon, O. S., Pyo, Y. D. and Lee Y. J., 2007, "An Evaluation of Biodiesel on Diesel Vehicle Performance and FIE Endurance," Transactions of KSAE, KSAE07-S0090, pp.586-591.
Lee, D. G., Roh, H. G., Choi, S. C. and Lee, C, S., 2011, "Combustion and Emission Characteristics of 4 Cylinder Common-Rail DI Diesel Engine with Biodiesel Blended Fuel," Transactions of the KSME(B), Vol. 35, No. 2, pp.137-143.

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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].

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