[논문]디젤기관에서 바이오디젤 혼합유의 배기배출물 특성에 미치는 연료분사시기의 영향

임재근; 조상곤

doi:10.5916/jkosme.2012.36.5.603

디젤기관에서 바이오디젤 혼합유의 배기배출물 특성에 미치는 연료분사시기의 영향
Effects of Fuel Injection Timing on Exhaust Emissions Characteristics of Biodiesel Blend Oil in Diesel Engine 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.5, 2012년, pp.603 - 608

초록
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요즈음 환경오염 문제와 대체에너지 문제에 관심이 증대되고 있다. 디젤기관은 일반적으로 육상과 해상에서 동력을 생산하는데 사용되고 있는데, 디젤기관의 연소특성과 배기배출물 특성은 기관의 운전시간이 증가함에 따라 연료계통의 마모와 연소실 주위상태의 변화로 달라진다. 본 논문은 약 20여년 사용한 디젤기관에 바이오디젤혼합유를 사용할 경우, 연소특성과 배기배출물 특성에 미치는 연료분사시기의 영향을 고찰하기 위하여 실험적으로 연구하였다. 실험기관의 원래 연료분사시기는 BTDC $22^{\circ}$ CA이었는데, 20여년 운전한 후에 연료소비율과 배기배출물 특성에 대하여 실험적으로 최적의 연료분사시기를 분석한 결과, BTDC $26^{\circ}$ CA로 변경되었음을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently we have a growing interest in environmental pollution and alternative energy. Diesel engine is generally used to produce the power on shore and sea. However, the combustion characteristics and exhaust emissions of the engine are changed on account of the wear of fuel system and the altered ambient condition of the combustion chamber by the increment of the engine operation hour. Therefore the combustion characteristics and exhaust emissions on the fuel injection timing were experimentally investigated to find out the optimum fuel injection timing in case of the about 20 years used diesel engine using biodiesel blend oil. The original fuel injection timing of the engine is BTDC $22^{\circ}$ CA. However, it is found that the optimum fuel injection as a result of analyzing the specific oil consumption and exhaust emissions of 20 years used the engine is BTDC $26^{\circ}$ CA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 안내책에 기록된 기관성능은 시운전시의 가장 양호한 성적이며, 기관의 운전시간이 증가함에 따라 연료계통의 마모와 연소실 주위의 상태변화로 연소특성과 배기배출물 특성이 달라질 것으로 생각된다. 따라서, 본 연구에서는 제작 후 20여년지난 디젤기관에 바이오디젤혼합유를 연료로 사용하여 부하와 연료분사시기를 변경하면서 실험적으로 분석해서 배기배출물 특성에 미치는 연료분사시기의 영향을 고찰하고자 한다.

제안 방법

기관의 출력은 와전류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력은 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기로, 연료소비량은 고정도 연료소비량계(FM- 257)로, 흡입공기량은 오리피스식 공기 유량계(50MC2-4F)로, 배기배출물은 독일제 배기가스 분석기(Signal emirak rag4873)로, 실린더내의 연소가스 온도는 열전대 온도계(R-type)로, 매연은 Bosch식 매연측정기로 측정하였다. 그리고 기관의 공기 흡입측에 서지탱크(Serge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하도록 하였으며, 실험기관이 오랫동안 운전한 기관이므로 피스톤링과 연료분사펌프 및 분사밸브를 신품으로 교환했다.
기관의 출력은 와전류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력은 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기로, 연료소비량은 고정도 연료소비량계(FM- 257)로, 흡입공기량은 오리피스식 공기 유량계(50MC2-4F)로, 배기배출물은 독일제 배기가스 분석기(Signal emirak rag4873)로, 실린더내의 연소가스 온도는 열전대 온도계(R-type)로, 매연은 Bosch식 매연측정기로 측정하였다. 그리고 기관의 공기 흡입측에 서지탱크(Serge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하도록 하였으며, 실험기관이 오랫동안 운전한 기관이므로 피스톤링과 연료분사펌프 및 분사밸브를 신품으로 교환했다.
본 연구에서는 경유에 바이오디젤유(유채유) 30%를 혼합한 BDF30을 연료로 사용하였고, Table 2는 경유와 BDF30의 물리적 성질을 비교한 것이다. 기관회전속도 1800rpm의 경우에, 기관부하는 25%에서 100%까지 25% 간격으로, 연료 분사시기는 원래 BTDC 22 〬 CA 이었으므로 전후로 18 〬 CA에서 28 〬 CA까지 2 〬 CA 간격으로 변화시키면서 실험하였다. 동일한 조건에서 기관회전수의 변동율은 ±0.
또 배기가스분석기와 매연측정기를 “0”점 조정하고 표준가스(측정범위의 80%인 보정용가스) 농도와 일치하도록 보정을 한후 각종 배기배출물을 측정하였고, 동력계는 표준 중량(5kg)의 추를 사용하여 압축∙인장에 대한 보정을 하여 정확한 토오크값을 확인한 후 동력을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 경유에 바이오디젤유(유채유) 30%를 혼합한 BDF30을 연료로 사용하였고, Table 2는 경유와 BDF30의 물리적 성질을 비교한 것이다. 기관회전속도 1800rpm의 경우에, 기관부하는 25%에서 100%까지 25% 간격으로, 연료 분사시기는 원래 BTDC 22 〬 CA 이었으므로 전후로 18 〬 CA에서 28 〬 CA까지 2 〬 CA 간격으로 변화시키면서 실험하였다.

성능/효과

1. 연료소비율은 부하 75%에서 가장 적었고, BTDC 22° CA보다 BTDC 26° CA에서 평균 7.05% 감소했으며, 배기가스 온도는 BTDC 22° A°보다 BTDC 26° CA에서 평균 6.76% 감소했다.
2. 일산화탄소(CO)는 부하 75%에서 가장 적었고, BTDC 22 〬 CA보다 BTDC 26 〬 CA에서 평균 39.42% 감소했다.
3. 질소산화물(NOx)은 부하 100%에서 가장 많았고, BTDC 22 〬 CA보다 BTDC 26 〬 CA에서 평균 59.52% 증가했다.
4. 매연(Soot)은 부하 100%에서 가장 많았고, BTDC 22° CA보다 BTDC 26° CA에서 평균 18.55% 감소했다.
NOx의 배출량은 Figure 4와 같으며, 연료분사시기가 빠를수록 NOx의 배출량이 증가하는 경향이 나타났으며, 실험기관 제작 당시의 연료분사시기인 BTDC 22 〬 CA보다 BTDC 24 〬 CA에서는 평균 53.06%증가했고, BTDC 26 〬 CA에서는 59.52 %, BTDC 28 〬 CA에서는 136.62% 증가하였다.
그 온도는 BTDC 22° CA 비하여 BTDC 24° CA에서 평균 3.35% 감소했고, BTDC 26° CA에서는 6.76% 감소했으며, BTDC 28° CA에서는 8.16% 감소했다.
그리고 BTDC 20° CA에서는 평균 10.96% 증가했고, BTDC 18° CA에서는 15.83% 증가했다.
매연의 배출량은 Figure 5와 같고, 연료분사시기가 빠를수록 약간 감소하는 경향이 나타났으며, 원래의 연료분사시기인 BTDC 22 〬 CA보다 BTDC 24 〬 CA에서는 평균 9.27% 감소했고, BTDC 26 〬 CA에서는 18.55 %, BTDC 28 〬 CA에서는 26.37%감소하였다.
부하가 증가함에 따라 배기가스 온도가 상승하였고, 연료분사시기가 빠를수록 배기가스 온도가 거의 직선적으로 감소하였다.
연료분사시기에 따른 부하별 연료소비율의 값을 Figure 2에 나타냈다. 연료소비율은 부하가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 부하 75%에서 가장 적게 나타났다. 부하 75%의 경우 BTDC 24 〬 CA에서 186.
정해진 범위내에서 연료분사시기가 빠를수록 연료소비율이 감소되다가 BTDC 26 〬 CA에서 BTDC 28 〬 CA보다 약간 적게 나타났다. 그것은 BTDC 26〬 CA에서 다른 경우보다 연소조건이 가장 양호하여 열발생량이 많고 실린더압력이 증가할 뿐만 아니라, 그 압력이 동력발생에 가장 많이 기여했기 때문으로 생각된다.
제작 후 20여년 운전한 선박용 디젤기관에 기관 회전속도를 1800rpm으로 일정히 유지하고, 부하와 연료분사시기를 변경할 경우 연료소비율과 배기배출물 특성에 미치는 영향을 분석․고찰한 결과, 최적의 연료분사시기는 제작당시의 값보다 4 〬 CA 앞당겨진 BTDC 26 〬 CA임이 발견되었으며, 자세한 내용은 아래와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경연료를 찾기 위해 노력하는 데에 배경은 무엇인가?	각종 연소기관에 사용되는 화석연료는 매장량이 한정되어 있고 유해한 배출가스가 많으며 원자력 에너지는 위험성이 크고 핵폐기물을 처리하는 적합한 방법이 없기 때문에 최근에 친환경연료를 찾기 위하여 많은 노력을 하고 있다. 그런데 바이오디젤유는 연속적으로 재배하여 얻을 수 있고, 농가 고소득도 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 사용하는데 위험성이 적으며 유해한 배출가스 역시 적으므로, 대체에너지로 활용하기 위하여 많은 연구가 계속되고 있다[1-5].
	요즈음 핵에너지의 위험성이 전세계를 긴장시키는 이유는 무엇인가?	요즈음 중동 산유국들의 정치적 불안으로 유가가 급격히 상승하고 있으며, 일본 원자력발전소의 대형사고로 핵에너지의 위험성이 더욱 전 세계를 긴장시키고 있다. 그리고 지구온난화로 인하여 자연재해와 생태계 파괴 및 해수면 상승 등의 문제가 중대한 관심이 되고 있으며, 이제 지구온난화로 인한 기후변화는 생활의 어려움보다 생존의 문제로 부각되고 있다.

참고문헌 (14)

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Kyunghyun Ryu and Youngtaig Oh, "Combustion characteristics and durability of diesel engines burning BDF 20", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 15, no. 3, pp. 18-28, 2007.
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전효중, "선박용 디젤기관의 환경문제", 한국박용기관학회지, 제20권, 제3호, pp. 187-205, 1996.
Soon-Ik Kwon, et. al., "Effects of cylinder temperature and pressure on ignition delay in direct injection diesel engine", Bulletin of the Journal of the Marine Engineering Society in Japan, vol. 18, no. 1, pp.3-16, 1990.
Plee, S.L., Ahamed, T. and Myers, J.P. "Flame temperature correlation for the effects of EGR on diesel particulate and NOx Emissions, Journal of Society of Automotive Engineers, 811195.

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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