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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 경유보다 저 등급인 선박 디젤유와 유중수적형(W/O : Water in oil)의 선박 디젤유 에멀젼을 자동차 디젤엔진에 적용하여 기본 연소특성 및 배기 특성을 파악하였다. 위와 같은 연구를 통하여 기존 상용디젤엔진에 대한 저질유의 적용가능성과 물 에멀젼 연료에 관한 연소특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 기존의 디젤유보다 저질 연료인 선박 디젤유와 유중수적형(W/O:water in oil)의 선박 디젤유 에멀젼을 자동차용 디젤엔진에 적용하여 기본 연소 특성과 배기 특성을 파악하였다. 이러한 실험결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 이러한 결과로부터 ME20%에 함유된 물의 미소폭발로 인한 연료의 미립화로 연료의 표면적이 증가하여 연소가 향상되어 짧은 연소기간에도 선박 디젤유보다 많은 열을 발생하는 것으로 판단된다.(9) 열발생량은 RPM 및 부하증가에 따라 증가한다. 이는 Fig.
제안 방법
- 7 은 각 실험조건에서 선박 디젤유와 ME20%의 연소기간을 비교한 그래프이다. MBF(Mass Burned Fraction)의 0~10%는 점화지연기간으로 90~100% 구간은 열발생률에서의 오차율을 감안하여 제외한 MBF 의 10~90%를 연소기간으로 하였다.(8) ME20%의 연소기간이 선박 디젤유의 연소기간보다 평균 7.
- ME20%(MDO80% / W20%)의 연소특성을 파악하기에 앞서 실험엔진으로 선정된 상용 자동차 디젤엔진에 선박 디젤유의 적용가능성 여부를 판단하기 위하여 대상엔진의 최대 토크 성능 구간으로 연소가 안정적으로 이루어지며 사용빈도가 빈번한 2500RPM 의 BMEP 3, 6, 9bar 에서 선박 디젤유의 연소특성을 파악 하였다.
- ME20%의 연소특성을 파악하기 위하여 최대 토크 성능구간을 포함하며, 실제 운전시 사용빈도가 많은 RPM(1500, 2000, 2500RPM)과 부하조건(BMEP 3, 6, 9, 12bar)을 선정하였고, 엔진제어는 보유 중인 연구 개발용 상용 ECU 를 사용하였다. 이에 따른 엔진실험 조건은 Table 7 과 같다.
- 선박 디젤유와 선박 디젤유 에멀젼을 위해 별도의 연료 탱크를 제작하였다. 또한, 기존의 표준 연료필터는 유수분리 기능이 있기 때문에 에멀젼에서 물의 분리를 회피하기 위하여 유수분리 기능이 없는 필터를 사용하여 연료라인을 추 가로 구성하였고, 연료 소모량은 RHEONIK 사의 유량계(RHE-08)를 이용하여 측정하였다.
- 10 은 ME20%의 물 함유량을 제외한 ME20%와 선박 디젤유의 순수 연료의 한번 연소당 소모량을 비교한 그래프이다. 물의 함량은 제조시 혼합량이 아닌 한국석유관리원의 분석결과인 17%를 제외하여 비교하였다. ME20%의 한번 연소당 순수 연료소모량을 선박 디젤유와 비교시 1000RPM 에서는 19.
- 본 연구에 사용된 선박 디젤유 에멀젼 연료는 선박 디젤유와 물의 혼합비를 8:2 로 섞어 계면활성제를 사용하여 유중수적형(W/O : Water in oil)의 에멀젼 연료로 (ME20%) 제조 하였으며, 한국석유관리원에 선박 디젤유와 ME20%의 성분 분석을 의뢰하여 연료의 성상을 파악하였다. 분석결과는 Table 5 와 6 과 같다.
- 선박 디젤유 에멀젼의 경우 냉간 시동성이 불량하여 선박 디젤유 에멸젼 실험전에 디젤유로 엔진을 기동하여 냉각수 온도 80℃까지 워밍운전 후 연료라인을 선박 디젤유 에멀젼 연료용으로 전환하였고 연료의 온도는 40℃로 일정하게 유지하면서 실험을 진행하였으며, 데이터 취득 전 엔진을 충분히 운전하여 NOx, Smoke 등의 배기수치와 배기온도 및 연료 유량 등 연소가 안정된 상태에서 연소 및 배기 데이터를 취득하였다.
- 이에 따른 엔진실험 조건은 Table 7 과 같다. 연료소모량 실험은 경향성 파악을 위하여 1000RPM 조건을 추가하여 실험을 진행 하였으며 1000RPM 은 최대 토크 성능구간이 아니므로 부하조건을 선정함에 있어 다른 RPM 조건보다 제한적이어서 부하조건을 BMEP 1, 3, 5, 7bar 로 선정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 경유보다 저 등급인 선박 디젤유와 유중수적형(W/O : Water in oil)의 선박 디젤유 에멀젼을 자동차 디젤엔진에 적용하여 기본 연소특성 및 배기 특성을 파악하였다. 위와 같은 연구를 통하여 기존 상용디젤엔진에 대한 저질유의 적용가능성과 물 에멀젼 연료에 관한 연소특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 실험엔진은 자동차용으로 VGT(Variable Geometry Turbocharger)가 장착된 2.0L 급 4 기통 커먼레일 디젤엔진이며 자세한 엔진 제원은 Table 1 과 같다.
- Table 2 와 3 은 본 연구에 사용한 동력계와 배기 분석계의 제원이고, 배기온도는 VGT 후단에 온도센서를 장착하여 측정하였다. 선박 디젤유와 선박 디젤유 에멀젼을 위해 별도의 연료 탱크를 제작하였다. 또한, 기존의 표준 연료필터는 유수분리 기능이 있기 때문에 에멀젼에서 물의 분리를 회피하기 위하여 유수분리 기능이 없는 필터를 사용하여 연료라인을 추 가로 구성하였고, 연료 소모량은 RHEONIK 사의 유량계(RHE-08)를 이용하여 측정하였다.
- 연소특성은 NO. 1 Cylinder 예열 플러그에 설치한 Kistler 사 압력센서와 엔진축에 설치한 Encoder 에서 발생한 신호를 연소해석기(A&D Technology, inc. E002.0094 CAS system)를 통하여 취득하였으며, 배기가스 데이터는 배기분석계(HORIBA MEXA8120D)를 이용하여 취득하였다.
성능/효과
- (1) 선박 디젤유 적용가능성 실험결과, 2500RPM의 3, 6, 9bar 에서 연소압력과 열 발생률은 선박 디젤유가 디젤유보다 높고, 연소 지연(Ignition delay)은 선박 디젤유가 늦으며 NOx 와 Smoke 는 선박 디젤유가 약간 높다.
- (2) 연소 압력과 열 발생률의 경우 실험 조건에서 ME20%가 선박 디젤유보다 높고, 연소 기간은 짧다. ME20%의 연소기간은 7.
- (3) ME20%의 연료 소모량은 연소특성 실험조건으로 엔진의 실제 사용빈도가 많은 1500 ~ 2500RPM 구간에서 선박 디젤유보다 14.4% 증가하나, 물 함유량을 제외한 순수 연료 소모량은 5.0% 적다.
- (4) ME20%는 선박 디젤유보다 평균 20%정도 NOx 가 저감되며, ME20%의 Smoke 는 선박 디젤유보다 평균 71.2%적게 나타났다.
- MBF(Mass Burned Fraction)의 0~10%는 점화지연기간으로 90~100% 구간은 열발생률에서의 오차율을 감안하여 제외한 MBF 의 10~90%를 연소기간으로 하였다.(8) ME20%의 연소기간이 선박 디젤유의 연소기간보다 평균 7.3%정도 짧다. 이는 ME20%에 함유 된 물의 증발에 따른 연료의 미립화 효과와 미소 폭발 후 급격한 연소로 인하여 연소 기간이 단축되었기 때문으로 판단된다.
- Fig. 9 는 ME20%와 선박 디젤유의 연료소모량을 비교한 결과로서 모든 실험조건에서 ME20%의 소모량은 선박 디젤유보다 평균 21.7% 많게 나타났다. 각 RPM 조건에서 ME20%의 연료소모 증가량은 1000RPM : 43.
- 물의 함량은 제조시 혼합량이 아닌 한국석유관리원의 분석결과인 17%를 제외하여 비교하였다. ME20%의 한번 연소당 순수 연료소모량을 선박 디젤유와 비교시 1000RPM 에서는 19.3% 증가하나, 1500, 2000, 2500RPM 에서는 반대로 -0.8%, -4.9%, -9.3%로 ME20%의 순수 연료소모량이 선박 연료유보다 적다. 엔진 회전수가 증가함에 따라서 ME20%의 순수 연료소모량이 감소되며 1500RPM 이상의 조건에서는 선박 디젤유의 순수 연료 소모량보다 적으며, 고속영역으로 갈수록 연료소모 감소율이 커진다.
- 7% 많게 나타났다. 각 RPM 조건에서 ME20%의 연료소모 증가량은 1000RPM : 43.7%, 1500RPM : 19.5%, 2000RPM : 14.5%, 2500RPM : 9%로서 엔진의 회전수가 증가함에 따라서 연료소모 증가율이 감소하고 있으며, 엔진의 실제사용 빈도가 많은 1500 ~ 2500RPM 구간에서는 ME20%의 소모량은 선박 디젤유보다 평균 14.4%증가한다. 저 RPM 에서는 고 RPM 보다 연소온도가 낮아 ME20%에 함유된 물의 증발 및 미소폭발이 원활하지 못해 연소가 불안정하여 ME20%의 연료소모 증가량이 큰 것으로 판단된다.
- 12 는 각 실험조건에서 ME20%와 선박 디젤유의 Smoke 를 비교한 그래프이다. 모든 실험조건을 통하여 ME20%의 Smoke 가 선박 디젤유보다 평균 71.2%적게 나타났다. 이는 물의 증발, 급속한 미소폭발로 인한 연료 입자의 미립화 및 분무의 부피팽창과 화염 확산속도 증가와 분무 내 공기의 Swirl 증가로(2) 연소가 향상되기 때문에 Smoke 가 저감되는 것으로 판단된다.
- 분석결과 연료에 물이 함유됨에 따라 발열량 감소와 밀도 증가 등 성상의 변화와 물에 의한 미소폭발 등과 같은 연소과정의 변화로 인한 연료소모량의 증가 및 열발생률, 연소압력, 배기온도등의 연소특성과 NOx, Soot 등의 배기특성의 변화가 있을 것으로 예상된다.
- 3 은 2500RPM 의 3, 6, 9bar 의 실험 조건에서 디젤유와 선박 디젤유의 연소압력과 열발생률을 나타낸 그래프이다. 선박 디젤유가 디젤유보다 모든 부하 구간에서 연소압력이 높고 압력분포가 더 넓게 나타났다. Fig.
- 3%로 ME20%의 순수 연료소모량이 선박 연료유보다 적다. 엔진 회전수가 증가함에 따라서 ME20%의 순수 연료소모량이 감소되며 1500RPM 이상의 조건에서는 선박 디젤유의 순수 연료 소모량보다 적으며, 고속영역으로 갈수록 연료소모 감소율이 커진다. 연소특성 실험 구간인 1500 ~ 2500RPM 구간에서 ME20%의 한번 연소당 순수 연료소모량은 선박 디젤유보다 평균 5.
- 7%정도 많음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 ME20%에 함유된 물의 미소폭발로 인한 연료의 미립화로 연료의 표면적이 증가하여 연소가 향상되어 짧은 연소기간에도 선박 디젤유보다 많은 열을 발생하는 것으로 판단된다.(9) 열발생량은 RPM 및 부하증가에 따라 증가한다.
- 이상과 같은 결과는 선박 디젤유 에멀젼에 함유된 물의 증발과 급속한 미소폭발에 의한 연료의 미립화와 증발잠열 흡수 등에 기인하여 나타났다고 판단된다. 따라서 상용디젤 엔진에 선박 디젤유를 다른 대체연료와 혼합하거나 선박 디젤유 성상에 맞는 분사전략을 세워 적용하면 연비 및 배기저감에 경제성 있게 사용가능 할 것으로 기대된다.
후속연구
- 이상과 같은 결과는 선박 디젤유 에멀젼에 함유된 물의 증발과 급속한 미소폭발에 의한 연료의 미립화와 증발잠열 흡수 등에 기인하여 나타났다고 판단된다. 따라서 상용디젤 엔진에 선박 디젤유를 다른 대체연료와 혼합하거나 선박 디젤유 성상에 맞는 분사전략을 세워 적용하면 연비 및 배기저감에 경제성 있게 사용가능 할 것으로 기대된다.
- 이 결과로 부터 알 수 있는 바와 같이 NOx 는 두 경우에 큰 차이를 보이지 않지만, Smoke 의 경우는 저 부하시 선박 디젤유가 디젤유보다 높은 배출수준을 나타낸다. 이를 통하여 상용 디젤엔진에 디젤유보다 등급이 낮은 선박 디젤유를 적용하여도 연소가 가능한 것으로 판단되며, 선박 디젤유를 다른 대체 연료와 혼합하거나 선박 디젤유 연료 성상에 맞는 분사전략을 세우면 기존 상용디젤 엔진에 구조변경 없이 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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