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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 대두유 기반의 바이오디젤을 단기통 압축착화엔진에 적용함과 동시에 모사가스(simulated EGR)을 이용하여 과급함으로서 실린더 내의 산소농도와 과급 압력에 따른 엔진 성능 및 배기 특성 변화를 살펴보았으며, 이를 통한 저온연소 운전영역의 확대와 출력 향상 가능성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 대두유 기반의 바이오디젤을 단기통 압축착화엔진에 적용했을 때 과급압 변화에 따른 저온연소 특성 변화에 대해 알아보았으며 바이오디젤과 과급을 동시에 적용을 통한 출력 향상과 배기 특성 개선을 동시에 달성할 수 있고 이로부터 운전영역 확대가 가능함을 확인하였다. 이번 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 분사시기는 각 연료 및 조건에 따라 분사시기 스윕을 통해 MBT(Maximum brake torque) 조건을 결정하여 사용하였다. 과급압은 절대압 기준 1, 2, 2.5bar로 변화시켰으며 각각의 과급압에 대해 공급되는 신기 및 EGR 가스 혼합기의 산소농도가 7~19%가 되도록 모사 EGR 가스를 공급하였다. 저온연소에 대한 영향인자 수를 최소화하기 위하여 흡기쪽 Surge tank에 Heater를 설치함으로써 폭발 TDC(Top dead center)에서의 실린더 압축온도가 930K으로 일정하도록 흡기온도를 제어하였다.
- 저온연소 운전 시 배기성능을 평가하기 위해 배기 매니폴드에 sampling probe를 설치하고 배기가스 분석기(MEXA-8000, HORIBA)와 opacimeter(4390G004, AVL)에 연결하여 배기 배출물 및 smoke를 측정하였다. 또한 흡기 및 배기 매니폴드에는 열전대(K-type)를 설치하여 흡배기 온도를 측정하였으며, 과급압 측정을 위해 흡기 매니폴드 입구에 압력센서를 장착하였다.
- 바이오디젤과 과급압이 저온연소에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 일반디젤과 바이오디젤의 연료 분사량을 엔진의 50% 부하조건을 기준으로 동일하게 설정하였다. 분사시기는 각 연료 및 조건에 따라 분사시기 스윕을 통해 MBT(Maximum brake torque) 조건을 결정하여 사용하였다.
- 바이오디젤과 과급압이 저온연소에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 일반디젤과 바이오디젤의 연료 분사량을 엔진의 50% 부하조건을 기준으로 동일하게 설정하였다. 분사시기는 각 연료 및 조건에 따라 분사시기 스윕을 통해 MBT(Maximum brake torque) 조건을 결정하여 사용하였다. 과급압은 절대압 기준 1, 2, 2.
- 엔진에 유입되는 흡기의 온도를 제어하기 위해서 흡기 라인 상의 Surge tank 내부에 히터를 설치한 후 PID 제어를 수행하였으며, 연료 온도가 연소에 미치는 영향을 최소화하기 위해서 열교환기 및 히터를 설치하여 연료의 온도를 40℃로 일정하게 유지하였다.
- 0, AVL)를 이용하여 기록 및 연소 해석을 수행하였다. 연료 분사를 위한 커먼레일 시스템의 경우 연료 분사압 제어를 용이하게 하기 위해 기계식에서 PCV(Pressure control valve)방식으로 수정하였으며 PCV 제어를 위한 커먼레일 driver로는 ZB-1100(Zenobalti Co.)를 사용하였다. 그리고 인젝터 분사시기 및 분사기간의 제어에는 Engine timing unit (ETU 427, AVL)과 Injection driver(ZB-5000, Zenobalti Co.
- Figure 1은 이번 연구에서 사용한 시험 및 평가 장비의 개략적인 구성도이다. 연소실의 연소현상 해석을 위하여 압전 방식의 압력 센서(6043Asp, Kistler)를 장착하였으며 측정된 연소압력은 연소 해석기(Indicom 2.0, AVL)를 이용하여 기록 및 연소 해석을 수행하였다. 연료 분사를 위한 커먼레일 시스템의 경우 연료 분사압 제어를 용이하게 하기 위해 기계식에서 PCV(Pressure control valve)방식으로 수정하였으며 PCV 제어를 위한 커먼레일 driver로는 ZB-1100(Zenobalti Co.
- 이번 연구에서는 또한 엔진에 공급되는 EGR량 및 흡기압과 흡기온도를 정확하게 제어하기 위해 흡기온도 컨트롤러를 포함하는 모사 EGR gas 공급 장치를 제작, 사용하였다. 이 장치는 Choked flow 원리를 이용하는 오리피스 유량계에 하나로 엔진 운전 상태와 관계없이 원하는 유량을 정밀하게 보낼 수 있는 장점이 있다.
- 저온연소 운전 시 배기성능을 평가하기 위해 배기 매니폴드에 sampling probe를 설치하고 배기가스 분석기(MEXA-8000, HORIBA)와 opacimeter(4390G004, AVL)에 연결하여 배기 배출물 및 smoke를 측정하였다. 또한 흡기 및 배기 매니폴드에는 열전대(K-type)를 설치하여 흡배기 온도를 측정하였으며, 과급압 측정을 위해 흡기 매니폴드 입구에 압력센서를 장착하였다.
- 5bar로 변화시켰으며 각각의 과급압에 대해 공급되는 신기 및 EGR 가스 혼합기의 산소농도가 7~19%가 되도록 모사 EGR 가스를 공급하였다. 저온연소에 대한 영향인자 수를 최소화하기 위하여 흡기쪽 Surge tank에 Heater를 설치함으로써 폭발 TDC(Top dead center)에서의 실린더 압축온도가 930K으로 일정하도록 흡기온도를 제어하였다. 연료 분사 압력은 1600bar로 고정하여 단분사로 실험을 수행하였으며 엔진 회전수는 1400rpm으로 고정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 대형 디젤 엔진을 피스톤 및 해당 흡배기 밸브의 비활성화, 흡배기 매니폴드 개조, 플라이휠의 설계 및 장착, 냉각수 유로 개선 등을 통해 단기통화한 엔진을 사용하였으며 그제원은 Table 1과 같다.
- 실험에 사용된 연료는 바이오디젤이 전혀 첨가되지 않은 디젤(SK에너지)과 대두유 기반의 바이오디젤((주)엠에너지)을 사용하였으며 이에 대한 물성치는 Table 2와 같다.
성능/효과
- (1) Simulated EGR supply system을 이용하여 대용량 EGR을 공급함으로써 각 연료 및 과급 조건에 대해 약 5~7% 산소농도에서 저온연소가 구현됨을 관찰하였다.
- (2) 바이오디젤 연료 적용 시 바이오디젤의 낮은 발열량으로 인해 출력 및 연료소비율은 악화되었지만 과급을 통해 이를 어느 정도 보상 할 수 있다.
- (3) EGR 공급량이 증가함(연소실 내 산소농도가 감소함)에 따라 질소산화물의 배출량은 크게 감소하여 산소농도 12% 이하에서는 연료 종류에 상관없이 거의 배출되지 않았다.
- (4) Smoke은 산소농도 8~10%에서 최대치를 보인 후 급격히 감소하며 산소농도 5~7%에서는 soot과 NOx가 동시에 배출되지 않는 저온연소 영역으로 들어간다. 또한 과급을 적용함에 따라 그리고 바이오디젤 연료를 사용함에 따라 smoke 배출량이 크게 감소하는데 이를 동시에 사용하는 경우 산소농도 약 11~12%에서부터 smoke이 거의 배출되지 않는다.
- (5) 결론 3)과 4)로부터 과급과 바이오디젤의 동시 적용으로 산소농도 11~12%에서도 저온연소와 유사한 NOx-Soot 동시 저감을 달성할 수 있으며 이로부터 운전영역의 확대가 가능함을 확인하였다.
- (6) THC와 CO의 경우 EGR 공급이 늘어남에 따라 급격하게 증가하지만 과급압이 커짐에 따라 그리고 바이오디젤 연료 사용에 따라 감소함을 관찰하였다.
- 또한 Figure 9를 보면 과급압 증가에 따라 Soot의 배출은 감소하는데 이는 흡기압 증가에 따라 연소실에 이용가능한 산소분자의 수가 증가하여 soot의 산화를 촉진하기 때문이다. 그림에서는 특히 바이오디젤을 사용하였을 경우 바이오디젤 연료에 포함된 산소원자의 영향으로 smoke의 배출이 최고 45% 정도 줄어서 과급압 2~2.5bar에서는 바이오디젤을 사용하여 운전할 경우 기존의 저온연소 영역뿐만 아니라 산소 농도 약 11~13%에서도 저온연소에 상응하는 배기성능을 보여주는 것을 확인할 수 있는데 이를 다시 말하면 바이오디젤 연료와 과급을 동시에 사용할 경우 출력뿐만 아니라 배기성능 또한 향상시킬 수 있으며 이는 추후 운전 영역의 확대로 이어질 수 있음을 확인할 수 있다.
- 또한 그림에서 바이오디젤 사용으로 인한 NOx 배출 특성을 살펴보면 바이오디젤 연료의 대표적인 두 가지 특성인 낮은 발열량 및 함산소 성질이 모두 NOx 생성에 영향을 주는 것을 알 수 있는데, 먼저 투입되는 EGR 가스의 양이 적은 19% 산소농도에서는 동일 연료량에 대해 과급압이 1bar인 경우 공연비가 상대적으로 이론공연비에 가깝기 때문에 발열량이 낮은 바이오디젤 연료 사용 시 더 낮은 연소온도 (참고로 디젤의 배기온도는 452℃이며 바이오디젤의 배기온도는 420℃로 약 30℃의 차이를 보임)를 얻을 수 있고 그 결과 더 낮은 NOx 배출량을 보인다. 이와는 반대로 과급압 2bar의 경우 반응에 참여하지 않는 불활성가스가 연소실 내에 이미 많이 존재하여 연소온도가 충분히 낮기 때문에 (디젤 배기온도는 241℃, 바이오디젤의 배기온도는 223℃로 1 bar 운전 대비 약 200℃ 정도 낮아짐) 발열량 보다는 연료 내 포함된 산소원자로 인한 영향이 NOx 생성에 더 지배적인 영향을 주고 그 결과 바이오디젤 연료가 더 많은 NOx를 배출함을 볼 수 있다.
- 저온연소 영역에 근접함에 따라 THC와 CO 모두 급격히 증가하며 전체적으로 과급을 할수록 가용 산소가 많아짐으로 인한 연소 효율 증가로 그 발생량이 감소함을 볼 수 있다. 또한 바이오디젤을 사용하는 경우 상대적으로 높은 세탄가와 연료 내에 포함된 산소로 인한 불완전 연소 감소로 일반디젤의 경우보다 THC 및 CO의 배출량이 더 적은 것을 관찰할 수 있다.
- Figures 10과 11은 산소농도와 과급압 그리고 연료에 따른 THC와 CO의 배출 특성을 나타낸 그림이다. 저온연소 영역에 근접함에 따라 THC와 CO 모두 급격히 증가하며 전체적으로 과급을 할수록 가용 산소가 많아짐으로 인한 연소 효율 증가로 그 발생량이 감소함을 볼 수 있다. 또한 바이오디젤을 사용하는 경우 상대적으로 높은 세탄가와 연료 내에 포함된 산소로 인한 불완전 연소 감소로 일반디젤의 경우보다 THC 및 CO의 배출량이 더 적은 것을 관찰할 수 있다.
- Figure 5는 산소농도와 과급압 변화에 따른 디젤과 바이오디젤 연료의 IMEP(Indicated mean effective pressure) 결과를 나타낸 것이다. 전체적으로 EGR 공급이 늘어남에 따라 연소에 참여하지 않는 비활성가스의 비율이 높아지면서 연소 효율과 연소 최고압력이 감소하고 그 결과 IMEP가 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 바이오디젤을 사용하였을 경우 전 영역에서 일반디젤보다 낮은 IMEP 값을 보이는데, 이것은 바이오디젤의 발열량이 디젤에 비해 낮기 때문이다.
후속연구
- (4) 또한 Colban 등과 Lee 등은 저온연소 구현 시 과급을 통한 출력 보상과 배출 가스 특성에 대하여 보고하였다.(1,7) 상기 연구들로부터 바이오디젤을 저온연소에 적용하였을 경우 배기성능의 향상으로 운전영역의 확대효과가 클 것으로 판단되며 또한 저온연소 시 낮아지는 엔진 출력을 과급을 통해 일반연소 수준으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 하지만 이러한 대용량 EGR의 적용은 엔진 출력을 저하시키고 저온연소 운전영역을 제한하며 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)의 배출을 증가시키는 단점 역시 야기하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이와 같은 저온연소의 장점을 극대화 하는 동시에 단점을 해결하는 방안에 하나로 바이오디젤을 저온연소에 적용하는 것은 연료 내 포함된 산소 성분으로 인해 연소실 내 혼합기의 연소를 상대적으로 향상시킬 수 있기 때문에 PM 및 HC, CO 배출의 동시 저감뿐만 아니라 운전영역 확장까지도 가능할 것으로 기대된다.
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