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문제 정의
- 본 연구에서는 바이오디젤을 보쉬식 연료분사펌프를 장착한 직접분사식 디젤 엔진에서 연료분사시기 변화와 바이오디젤과 경유와의 혼합비를 변경했을 때의 연소특성과 배기배출물에 대해서 조사하였다.
제안 방법
- 배기가스 분석을 위하여 전기화학적 셀방식의 배기분석기(testo 350)를 사용하였다. 그리고 광투과 방식을 이용한 스모크 분석기(BOSCH, RTM430)를 이용하여 그을음 농도를 계측하였으며, 분석기 입구측에 수냉식 배기냉각기를 설치하였다. 엔진 흡․배기온도, 냉각수 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치가 설치되어 있으며, 연소실 압력은 피에죠 압력센서(KISTLER 6067B, 0~25MPa)를 이용하여 크랭크 각도 0.
- 5도 간격)를 비교하면서 캠축을 회전시켜 연료분사시기를 실험조건에 맞도록 조정하였다. 그리고 실험은 엔진을 충분히 워밍시킨 후 냉각수의 온도가 80℃를 유지할 때 행하였으며, 한 연료를 사용해서 부하 변화와 연료분사시기 변화에 대한 모든 실험을 끝낸 후, 다른 연료로 교체하여 파이프에 남아 있는 연료의 2.5배 정도 소비되도록 엔진을 운전시킨 후 실험을 실시하였다. 그리고 연료와 연료분사시기 변화에 따른 배기가스특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 배기분석기를 이용하여 NOX 배출량을 측정하고, 배기메니폴드에서 배기를 추출하여 배기냉각기를 거친 후 그을음의 배출농도를 계측하였다.
- 5배 정도 소비되도록 엔진을 운전시킨 후 실험을 실시하였다. 그리고 연료와 연료분사시기 변화에 따른 배기가스특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 배기분석기를 이용하여 NOX 배출량을 측정하고, 배기메니폴드에서 배기를 추출하여 배기냉각기를 거친 후 그을음의 배출농도를 계측하였다.
- 동력계는 와전류식 동력계가 설치되어 있으며, 연소실압력 측정장치, 연료분사압력 측정장치 등이 설치되어 있다. 배기가스 분석을 위하여 전기화학적 셀방식의 배기분석기(testo 350)를 사용하였다. 그리고 광투과 방식을 이용한 스모크 분석기(BOSCH, RTM430)를 이용하여 그을음 농도를 계측하였으며, 분석기 입구측에 수냉식 배기냉각기를 설치하였다.
- 실험조건은 엔진 회전수를 1800rpm으로 일정하게 유지하고, 부하는 25%, 50%, 75%, 100%로 변화시켰으며, 실험에 사용된 연료는 경유에 바이오디젤 원액을 체적분율로 각각 20%, 40%, 60%로 혼합한 BDF20, BDF40, BDF60을 교반기를 이용해 30분이상 교반시킨 후 실험에 사용하였다. 연료분사시기는 BTDC 6deg에서 BTDC 14deg까지 2deg씩 변경시키며 실험을 진행하였다.
- 그리고 광투과 방식을 이용한 스모크 분석기(BOSCH, RTM430)를 이용하여 그을음 농도를 계측하였으며, 분석기 입구측에 수냉식 배기냉각기를 설치하였다. 엔진 흡․배기온도, 냉각수 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치가 설치되어 있으며, 연소실 압력은 피에죠 압력센서(KISTLER 6067B, 0~25MPa)를 이용하여 크랭크 각도 0.5도마다 측정하였으며, 10사이클의 압력을 평균한 값을 사용하여 연소실 압력, 압력상승율, 열발생율 등을 계산하였다. 연소실 압력을 정확하게 측정하기 위하여 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하였으며, 캠축에는 포토 커플러를 설치하여 피스톤의 TDC 시점부터 데이터 수집이 되도록 하였다.
- 연료분사시기는 BTDC 6deg에서 BTDC 14deg까지 2deg씩 변경시키며 실험을 진행하였다. 연료분사시기 조정을 위해 노즐에서 170mm 떨어진 고압파이프에 압력센서를 설치하였으며, 실험하고자 하는 연료분사시기 조정은 고압파이프에서 측정된 파이프내의 압력이 보쉬연료펌프의 압축에 의해 압력이 상승하기 시작하는 시점을 정확히 파악하기 위해 크랭크축과 직결된 엔코더의 Z펄스(TDC)와 B펄스(0.5도 간격)를 비교하면서 캠축을 회전시켜 연료분사시기를 실험조건에 맞도록 조정하였다. 그리고 실험은 엔진을 충분히 워밍시킨 후 냉각수의 온도가 80℃를 유지할 때 행하였으며, 한 연료를 사용해서 부하 변화와 연료분사시기 변화에 대한 모든 실험을 끝낸 후, 다른 연료로 교체하여 파이프에 남아 있는 연료의 2.
- 실험조건은 엔진 회전수를 1800rpm으로 일정하게 유지하고, 부하는 25%, 50%, 75%, 100%로 변화시켰으며, 실험에 사용된 연료는 경유에 바이오디젤 원액을 체적분율로 각각 20%, 40%, 60%로 혼합한 BDF20, BDF40, BDF60을 교반기를 이용해 30분이상 교반시킨 후 실험에 사용하였다. 연료분사시기는 BTDC 6deg에서 BTDC 14deg까지 2deg씩 변경시키며 실험을 진행하였다. 연료분사시기 조정을 위해 노즐에서 170mm 떨어진 고압파이프에 압력센서를 설치하였으며, 실험하고자 하는 연료분사시기 조정은 고압파이프에서 측정된 파이프내의 압력이 보쉬연료펌프의 압축에 의해 압력이 상승하기 시작하는 시점을 정확히 파악하기 위해 크랭크축과 직결된 엔코더의 Z펄스(TDC)와 B펄스(0.
- 5도마다 측정하였으며, 10사이클의 압력을 평균한 값을 사용하여 연소실 압력, 압력상승율, 열발생율 등을 계산하였다. 연소실 압력을 정확하게 측정하기 위하여 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하였으며, 캠축에는 포토 커플러를 설치하여 피스톤의 TDC 시점부터 데이터 수집이 되도록 하였다. 그리고 연소실 압력, 압력상승율, 연료분사압력, 열발생율 등의 데이터는 A/D Board(NI PCI-6110)와 LabVIEW 프로그램을 이용하여 데이터 수집을 하고 계산되도록 프로그래밍하였다.
대상 데이터
- 실험장치 개략도를 Fig. 1에 나타내었으며, 실험에 사용된 엔진은 3기통 직접분사식 과급 디젤엔진으로서 배기량은 2,591cc이다10). 동력계는 와전류식 동력계가 설치되어 있으며, 연소실압력 측정장치, 연료분사압력 측정장치 등이 설치되어 있다.
- 직접분사식 과급 디젤기관에서 경유와 바이오디젤을 혼합한 BDF20, 40, 60을 연료로 사용하고, 연료분사시기 변화에 따른 연소특성과 배기배출물에 관한 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
데이터처리
- 연소실 압력을 정확하게 측정하기 위하여 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하였으며, 캠축에는 포토 커플러를 설치하여 피스톤의 TDC 시점부터 데이터 수집이 되도록 하였다. 그리고 연소실 압력, 압력상승율, 연료분사압력, 열발생율 등의 데이터는 A/D Board(NI PCI-6110)와 LabVIEW 프로그램을 이용하여 데이터 수집을 하고 계산되도록 프로그래밍하였다.
성능/효과
- 이는 연료분사시기를 진각시킬수록 착화지연기간이 길어지고, 그에 따라 예혼합연소량도 많아지기 때문이라 생각된다. 그리고 연료변화에 따른 열발생율선도에서 예혼합연소와 확산연소의 비율을 비교해보면, 바이오디젤을 혼합한 그림(a), (b)보다 그림(c)의 경유를 사용했을때 예혼합연소 비율이 높게 나타나며, BDF60은 BDF20보다 예혼합연소 비율이 작음을 알 수 있다. 이는 연료 점도에 의한 증발속도 차이 때문으로 생각된다.
- 1) 연소실 최대압력상승율의 변동폭은 엔진부하가 클수록, 바이오디젤의 혼합비율이 높을수록, 연료분사시기가 늦어질수록 작아졌다.
- 2) 바이오디젤의 점성이 경유보다 높기 때문에 바이오디젤의 혼합비율이 높을수록 확산연소량이 많아져 최고압력상승율은 낮아졌다.
- 3) 실험에 사용된 모든 연료에서 연료분사시기를 진각시킬수록 예혼합연소비율이 커지고, 누적 열발생량이 높게 나타났다.
- 4) NOX의 배출량은 연료변화에 따른 NOX 배출량의 차이는 별로 없는 반면, 연료분사시기를 지연시킬수록 적게 배출되며, 부하가 증가할수록 NOX 배출량은 증가하였다.
- 5) 그을음 배출은 부하가 증가할수록 연료분사시기에 따른 영향이 더 커지며, 배출농도는 연료 분사시기가 늦어질수록, 부하가 증가할수록 증가한 반면에 함산소연료인 바이오디젤의 혼합비율이 높을수록 현저히 감소하였다.
- 6은 엔진회전수 1800rpm에서 부하와 연료분사시기 변화에 따른 NOX 배출량을 나타낸 것이다. NOX의 배출량은 연료분사시기를 지연시킬수록 낮게 나타났으며, 부하 25%, 50%, 75%에서는 연료변화에 따른 NOX 배출의 차이가 별로 없 었으며, 부하 100%에서 연료변화에 따라 NOX 배출량이 약간의 변화가 나타났다. Fig.
- 연료분사시기 BTDC 14deg에서 BTDC 6deg 범위내에서는 부하와 연료의 변화와는 관계없이 분사시기가 늦어질수록 압력상승율 최대값은 감소되었다. 그리고 연료변화에 따른 압력상승율 최대값의 변화를 비교해 보면, 바이오디젤 혼합유보다 경유를 사용한 경우에 분사시기나 부하와 관계없이 항상 높게 나타나고 있으며, 바이오디젤의 혼합비율이 높아질수록 압력상승율 최대값이 작아지고 있다. 이것은 바이오디젤의 점도가 경유보다 높기 때문에 증발 속도가 경유보다 늦고, 바이오디젤의 함유량이 많아질수록 확산연소량이 많아지기 때문으로 판단된다10).
- 실험범위내에서 연료분사시기가 늦어질수록 그을음 배출이 증가되는 것은 확산연소의 비율이 증가하여 불완전연소가 더욱 증가되기 때문으로 판단된다. 그리고 함산소 연료인 바이오디젤의 함유량이 증가할수록 그을음 배출량은 현저히 감소하였다.
- 부하 100%에서 연료분사시기를 진각시킬수록 총누적열발생량이 증가되었으며, 그림(d)에서 부하를 변화시켜도 연료분사시기를 진각시킬수록 누적열발생량이 높게 나타났다. 실험 엔진에 적용된 연료분사시기 변동 범위내에서 연료분사시기를 진각시키면 연료소비율이 감소하지만 오히려 누적열발생량이 증가하는 것은 착화지연기간이 길어져 예혼합연소량이 증가하여 연소개선에 의한 누적열발생량이 증가되었다고 생각된다.
- 부하 100%에서 연료분사시기를 진각시킬수록 총누적열발생량이 증가되었으며, 그림(d)에서 부하를 변화시켜도 연료분사시기를 진각시킬수록 누적열발생량이 높게 나타났다. 실험 엔진에 적용된 연료분사시기 변동 범위내에서 연료분사시기를 진각시키면 연료소비율이 감소하지만 오히려 누적열발생량이 증가하는 것은 착화지연기간이 길어져 예혼합연소량이 증가하여 연소개선에 의한 누적열발생량이 증가되었다고 생각된다.
- 3은 사이클당 압력상승율 최대값을 200 cycle 평균하여 연료분사시기, 연료 및 부하변화에 따른 변화를 각각 나타낸 것이다. 연료분사시기 BTDC 14deg에서 BTDC 6deg 범위내에서는 부하와 연료의 변화와는 관계없이 분사시기가 늦어질수록 압력상승율 최대값은 감소되었다. 그리고 연료변화에 따른 압력상승율 최대값의 변화를 비교해 보면, 바이오디젤 혼합유보다 경유를 사용한 경우에 분사시기나 부하와 관계없이 항상 높게 나타나고 있으며, 바이오디젤의 혼합비율이 높아질수록 압력상승율 최대값이 작아지고 있다.
- 그림(c)와 (d)는 연료와 부하를 일정하게 하고 연료분사시기를 변화시켰을 경우를 비교한 것으로 분사시기를 늦춘 BTDC 6deg일 때 최대압력상승율의 변동폭이 적고, 압력상승율 최대값들은 낮게 나타나며, 엔진의 운전이 매우 안정된 운전상태를 보여주고 있다. 즉, 연료분사시기를 지연시키면 엔진의 예혼합 연소량이 줄어들고 확산연소의 비율이 높아짐으로 인해 완만한 연소실 압력이 형성되어 압력상승율의 최대값은 작아지며 그 변동폭도 작아졌다.
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