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문제 정의
- 본 연구에서는 유동점의 향상을 위하여 알코올을 혼합한 바이오디젤연료를 제조하고 산업용디젤엔진에 적용하여 엔진성능 및 배기배출물에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 글리세린과 분리된 에스테르는 점성이 높기 때문에 연료로 사용하기 부적합 하다. 따라서 점성을 낮추기 위해서 에스테르에 물을 8.3% 첨가 하였다. 이 후 30분 교반기로 혼합하여 바닥에 가라앉는 하얀 물질과 깨끗한 바이오 디젤을 분리 해준다.
- 대두유를 이용하여 알코올을 혼합한 바이오디젤 연료를 제조하였다. 메탄올(Methanol)과 수산화나트륨을 1: 0.045 비율로 혼합하여 촉매를 제조 하였으며, 제조된 촉매를 대두유(triglyceride)에 17%첨가한 후에 55℃에서 3시간 교반기로 혼합하여 호일을 씌운 뒤에 6시간이 경과 하도록 하였다. 이 후 바닥에는 글리세린이 가라앉게 되고 윗부분에는 바이오 디젤로 사용되는 에스테르가 남게 된다.
- 실험조건은 Table 2와 같이 바이오디젤을 전혀 첨가하지 않은 BD0, 10%첨가한 BD10과 20% 첨가한 BD20의 3가지 경우로 하였다. 모든 경우에 대하여 부하를 0%(Idle), 50%, 100%(Max), 엔진 속도를 700, 1000, 1300, 1600, 1900rpm로 변화하며 실험을 수행하였다.
- 실험조건은 Table 2와 같이 바이오디젤을 전혀 첨가하지 않은 BD0, 10%첨가한 BD10과 20% 첨가한 BD20의 3가지 경우로 하였다. 모든 경우에 대하여 부하를 0%(Idle), 50%, 100%(Max), 엔진 속도를 700, 1000, 1300, 1600, 1900rpm로 변화하며 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 대두유를 이용하여 알코올을 혼합한 바이오디젤 연료를 제조하였다. 메탄올(Methanol)과 수산화나트륨을 1: 0.
- 실험엔진은 4 실린더, 배기량이 3.3리터이며 압축비 16, 분사타이밍이 상사점전 16도인 산업용 디젤 기관으로 상세한 제원은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 장치는 엔진속도와 토크제어를 위한 동력계시스템, 연료공급과 측정을 위한 연료공급시스템, 배기계측을 위한 배기시스템과 연소실압력계측시스템으로 크게 구분된다. 연료계측은 400㎖ 유리관을 설치하고 그 소모시간을 측정하여 시간당소모량을 계산하였으며, 연소실압력은 Kistler사의 압력센서의 신호를 데이터처리장치(Labview)로 받아들여 분석하였다. 사용한 동력계는 200마력 6000rpm의 Tokyo Plant사의 수동력계이며, 배기측정은 TESTO-330 모델을 사용하였다.
이론/모형
- 연료계측은 400㎖ 유리관을 설치하고 그 소모시간을 측정하여 시간당소모량을 계산하였으며, 연소실압력은 Kistler사의 압력센서의 신호를 데이터처리장치(Labview)로 받아들여 분석하였다. 사용한 동력계는 200마력 6000rpm의 Tokyo Plant사의 수동력계이며, 배기측정은 TESTO-330 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 최대토크: 저속에서는 최대토크의 변화가 거의 없었지만 엔진속도의 증가와 함께 저감되었다.
- 2.연료소모량: 무부하와 중부하에서는 큰 변화가 없었지만 최대부하에서는 BD10의 경우 3%, BD20의 경우 7%가 증가되었다.
- 3.실린더 압력: 전체적인 압력변화 곡선의 특성은 유사하지만 바이오디젤 혼합율이 증가하면서 최대압력이 낮아졌으며, BD10의 경우 착화지연기간이 소량 감소되었다.
- 4.스모크: 50% 부하에서 매우 큰 저감효과가 있었으며 최대부하의 경우도 10% 바이오디젤혼합에서 5.98%, 20% 바이오디젤혼합에서 15.47%의 저감효과가 있었다.
- 5.일산화탄소: 무부하, 토크50% 구간에서는 큰 변화를 보이지 않았지만 최대부하에서 BD10의 경우 9.67%, BD20의 경우 16.40%가 저감되었다.
- 6.질소산화물: 무부하 영역에서는 큰 변화를 보이지 않았고, 최대부하에서 BD10의 경우 2.47%, BD20의 경우 7.67% 증가되었다.
- Figure 9는 바이오디젤연료 함유량(BD0, BD10, BD20)변화 시 회전수, 토크변화에 따른 질소산화물의 변화량을 나타낸 그래프이다. 무부하에서는 큰 변화를 보이지 않았고, 토크50%의 경우 BD10에서 3.86%, BD20에서 6.29%의 증가를, 최대토크의 경우 BD10에서 2.47%, BD20에서 7.69% 증가되었다.
- 4% 의 저감률을 보였다. 특히 1600rpm, 1900rpm구간에서 각각 15.8%, 25.8%의 저감률을 보였는데 이는 바이오디젤의 함 산소성에 기인한 연소의 활성화가 고 부하, 고속에서 두드러져 일산화탄소 저감에 크게 기여한 것으로 사료된다.
- 무 부하와 50%부하의 경우 일산화탄소 배출량이 매우 적으며 바이오디젤의 영향도 크지 않았다. 하지만 최대토크에서는 함 산소연료인 바이오디젤의 연소 활성화에 의하여 많은 저감특성을 나타내는데 BD10에서 평균 9.67%, BD20에서 16.4% 의 저감률을 보였다. 특히 1600rpm, 1900rpm구간에서 각각 15.
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