본 연구에서는 바이오디젤연료 혼합비변화에 대한 디젤엔진의 배기특성에 대해 조사하였다. 실험에 사용된 연료는 경유와 바이오디젤(폐식용유) 혼합연료 BD3, BD5, BD20, BD50 및 BD100을 사용하였으며, 실험변수로서 분사압력(${\Delta}p_{inj}$)을 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200bar로 설정하였다. 분사압력과 바이오디젤 혼합연료 혼합비에 따른 정량적인 NOx와 Soot의 배기특성 해석을 위하여 통계학에 기초한 피어슨 상관계수와 스피어만 상관계수의 개념을 도입하였다. 본 연구의 결과로서 실험 조건 전체에 대한 피어슨 상관계수는 -0.732, 스피어만 상관계수는 -0.724로 NOx와 Soot 발생의 상관관계가 선형적이다. 특히 분사압력 800bar 조건에서 피어슨 상관계수가 -0.089으로 NOx와 Soot 배출량 상관관계가 0에 가깝기 때문에, 바이오디젤 연료 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능하다고 판단된다.
본 연구에서는 바이오디젤연료 혼합비변화에 대한 디젤엔진의 배기특성에 대해 조사하였다. 실험에 사용된 연료는 경유와 바이오디젤(폐식용유) 혼합연료 BD3, BD5, BD20, BD50 및 BD100을 사용하였으며, 실험변수로서 분사압력(${\Delta}p_{inj}$)을 400bar, 600bar, 800bar, 1000bar 및 1200bar로 설정하였다. 분사압력과 바이오디젤 혼합연료 혼합비에 따른 정량적인 NOx와 Soot의 배기특성 해석을 위하여 통계학에 기초한 피어슨 상관계수와 스피어만 상관계수의 개념을 도입하였다. 본 연구의 결과로서 실험 조건 전체에 대한 피어슨 상관계수는 -0.732, 스피어만 상관계수는 -0.724로 NOx와 Soot 발생의 상관관계가 선형적이다. 특히 분사압력 800bar 조건에서 피어슨 상관계수가 -0.089으로 NOx와 Soot 배출량 상관관계가 0에 가깝기 때문에, 바이오디젤 연료 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능하다고 판단된다.
In this study, the characteristics of exhaust gas as a function of the biodiesel mixing ratio were investigated. Diesel and waste oil were used for preparing mixed fuel, and the ratios of the mixed fuel were varied in the BD3~BD100 range. The injection pressures(${\Delta}p_{inj}$) was con...
In this study, the characteristics of exhaust gas as a function of the biodiesel mixing ratio were investigated. Diesel and waste oil were used for preparing mixed fuel, and the ratios of the mixed fuel were varied in the BD3~BD100 range. The injection pressures(${\Delta}p_{inj}$) was considered as an experimental variable and was set to 400 bar, 600 bar, 800 bar, 1000 bar, and 1200 bar. Furthermore, for quantitatively analyzing the characteristics of exhaust gas(NOx and Soot), the concepts of Pearson correlation coefficient and Spearman rank-order correlation coefficient based on statistics were introduced. Consequently, it was found that the correlation of the emission of NOx and Soot is linear, and the Pearson and Spearman coefficients are -0.732 and -0.724, respectively, under all analysis conditions. Especially, for the injection pressure of 800 bar, a simultaneous reduction in NOx and Soot emission is possible by controlling the biodiesel mixing ratio. This is because the correlation coefficients of NOx and Soot emissions were nearly 0, as the Pearson correlation coefficient was -0.089.
In this study, the characteristics of exhaust gas as a function of the biodiesel mixing ratio were investigated. Diesel and waste oil were used for preparing mixed fuel, and the ratios of the mixed fuel were varied in the BD3~BD100 range. The injection pressures(${\Delta}p_{inj}$) was considered as an experimental variable and was set to 400 bar, 600 bar, 800 bar, 1000 bar, and 1200 bar. Furthermore, for quantitatively analyzing the characteristics of exhaust gas(NOx and Soot), the concepts of Pearson correlation coefficient and Spearman rank-order correlation coefficient based on statistics were introduced. Consequently, it was found that the correlation of the emission of NOx and Soot is linear, and the Pearson and Spearman coefficients are -0.732 and -0.724, respectively, under all analysis conditions. Especially, for the injection pressure of 800 bar, a simultaneous reduction in NOx and Soot emission is possible by controlling the biodiesel mixing ratio. This is because the correlation coefficients of NOx and Soot emissions were nearly 0, as the Pearson correlation coefficient was -0.089.
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문제 정의
이러한 실험 결과로부터 기보고된 결과와 같이 NOx와 Soot 배출량 사이의 관계는 분명한 trade-off 의 관계가 존재한다.(6) 이러한 상관관계로부터 NOx와 Soot의 동시저감을 위한 한 가지 방법으로 다음의 본 연구에서는 해석변수로서 분사압력과 바이오디젤 연료의 혼합비를 선택하고, 통계학에 기초한 정량적인 상관계수(피어슨, 스피어만 상관계수)들을 도입하여 엔진 배출물 저감을 위한 최적의 분사 압력 및 바이오디젤 연료 혼합비 조건을 조사하여 제시하고자 한다.
본 논문은 바이오디젤 연료를 사용하는 커먼레일 엔진을 이용하여 분사압력과 경유와 바이오디젤 혼합비의 변화에 따른 NOx와 Soot의 배기가스 특성을 조사하였다. 또한 배기가스 배출 특성을 보다 정량적으로 해석하기 위하여 피어슨 상관계수와 스피어만 상관계수를 이용하였고, 본 연구에서 구한 결론을 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 상용 커먼레인 디젤엔진에 바이오디젤 연료를 사용하여 배기가스를 측정하고, 연료 분사압력 변화와 바이오디젤 연료혼합비에 따른 NOx와 Soot의 배출특성을 평가하였다. 특히, 배기가스 평가에는 혼합비와 압력변화에 대한 NOx와 Soot의 배출특성을 두 변수 사이의 상관관계를 분석하는 방법인 피어슨(Pearson) 및 스피어만 상관계수(Spearman correlation coefficient)(8,9)를 이용하였다.
특히, 배기가스 평가에는 혼합비와 압력변화에 대한 NOx와 Soot의 배출특성을 두 변수 사이의 상관관계를 분석하는 방법인 피어슨(Pearson) 및 스피어만 상관계수(Spearman correlation coefficient)(8,9)를 이용하였다. 이와 같은 정량적 해석 방법을 도입하여 바이오디젤연료 엔진 배기가스의 특성에 대한 해석방법을 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.
가설 설정
이는 분사압력이 높아질수록 연료액적의 무화가 잘 일어나며(13) 신속하고 균일한 혼합기 형성이 가능하고 이로 인하여 NOx의 생성에 필요한 고온조건(1,500℃ 이상)에 빠르게 도달하여 배출량이 증가된 것으로 판단된다.(14) 그러나 혼합비에 따른 NOx 배출량 변화는 그 차이가 미미한 수준이다. 즉, 바이오디젤 연료의 혼합비 변화는 NOx 변화에 직접적인 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
06이다. 따라서 구한 검정통계량의 값 5.15가 기각역에 속하기 때문에 귀무가설을 기각하며, 대립가설을 채택한다. 상관계수가 0이라고 가정한 귀무가설을 기각함으로 rp=-0.
따라서 상관계수의 확률 1-A(t|v)로 나타낸다. 만약에 1-A(t|v)유의수준 이하면 상관계수 rp는 유의하다고 가정한다.
본 연구의 결과들은 근사적으로 자유도 v=n-2인 t-분포(Student's t-distribution)를 따른다고 가정한다.
상관분석은 데이터의 분포가 정규분포임을 가정 한다. 정규분포의 가정 중 중심극한정리(Central limit theorem)로 인해 데이터 데이터의 개수가 충분히 클 때(보통 n>30, 여기서 n은 데이터 개수를 의미) 데이터의 분포가 정규분포가 된다고 가정하지만, 본 실험에서는 데이터의 개수가 중심극한 정리를 만족하지 못하기 때문에 실험 설정분사압력에 대해 정규성 검정을 실시하였다.
제안 방법
폐식용유를 원료로 하는 바이오디젤 연료에 대한 물성치를 Table 2에 나타내었고, 경유와의 체적 혼합비에 따라 바이오디젤연료의 혼합비율(Biodiesel fuel blend : BD)을 나타낸다. BD3은 바이오디젤연료를 체적으로 3% 포함한 경유를 뜻하며, 경유에 대한 바이오디젤 혼합연료를 BD3와 함께 바이오디젤 혼합비에 따라 각각 5%(BD5), 20%(BD20), 50%(BD50)및 100%(BD100, Biodiesel only)를 제작하여 사용하였다. 배기가스의 측정은 각 실험조건에서 배기가스가 촉매변환기를 거치기 전 단계에서 포집하여 NOx 및 Soot의 배출량을 측정하였다.
본 논문은 바이오디젤 연료를 사용하는 커먼레일 엔진을 이용하여 분사압력과 경유와 바이오디젤 혼합비의 변화에 따른 NOx와 Soot의 배기가스 특성을 조사하였다. 또한 배기가스 배출 특성을 보다 정량적으로 해석하기 위하여 피어슨 상관계수와 스피어만 상관계수를 이용하였고, 본 연구에서 구한 결론을 정리하면 다음과 같다.
또한 엔진의 분사시기는 BTDC 10°, TDC로 설정하였다.
BD3은 바이오디젤연료를 체적으로 3% 포함한 경유를 뜻하며, 경유에 대한 바이오디젤 혼합연료를 BD3와 함께 바이오디젤 혼합비에 따라 각각 5%(BD5), 20%(BD20), 50%(BD50)및 100%(BD100, Biodiesel only)를 제작하여 사용하였다. 배기가스의 측정은 각 실험조건에서 배기가스가 촉매변환기를 거치기 전 단계에서 포집하여 NOx 및 Soot의 배출량을 측정하였다.
본 실험에서는 배기가스 측정 실험에 앞선 선행연구로 동일 인젝터를 사용한 바이오디젤 연료의 분무특성을 조사하였으며 Fig. 3(11)은 분사압력 1,000bar로 실시한 실험결과의 일례로, 바이오디젤 연료 혼합비에 따른 분무거동특성을 나타낸 분무 촬영 이미지이다. x축의 ASOI(After start of injection)는 분사 후 경과 시간을 나타내고, y축은 바이오디젤 연료혼합비를 나타낸다.
5는 커먼레일 디젤엔진의 분무압력과 바이오디젤연료 혼합비에 따른 NOx와 Soot의 배출량의 결과를 나타낸 것이다. 분사압력을 400bar, 600bar, 800bar, 1,000bar 및 1,200bar로 증가시키고 바이오디젤 연료의 혼합비는 BD3, BD5, BD20, BD50 및 BD100 조건에서 각각 실험을 실시하였다. Fig.
(10) 실험장치는 상용 커먼레일 디젤엔진과 연료공급장치, EC 동력계, 엔진 제어 장치 및 배기가스 분석기 등으로 구성되었다. 엔진의 제어는 IVCA V5.4 프로그램과 ECU를 사용하고 가스 배출물은 배기가스 분석장치(Horiba, MEXA-554JK)와 Soot 측정기(AVL, Smoke meter 415S)를 이용하여 측정하였다(Fig. 2참조).
정규분포의 가정 중 중심극한정리(Central limit theorem)로 인해 데이터 데이터의 개수가 충분히 클 때(보통 n>30, 여기서 n은 데이터 개수를 의미) 데이터의 분포가 정규분포가 된다고 가정하지만, 본 실험에서는 데이터의 개수가 중심극한 정리를 만족하지 못하기 때문에 실험 설정분사압력에 대해 정규성 검정을 실시하였다.
대상 데이터
1은 엔진의 배기특성을 측정하기 위한 실험장치의 개략도이다.(10) 실험장치는 상용 커먼레일 디젤엔진과 연료공급장치, EC 동력계, 엔진 제어 장치 및 배기가스 분석기 등으로 구성되었다. 엔진의 제어는 IVCA V5.
데이터처리
(9) 일반적으로 데이터 분포가 선형일 때는 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를, 곡선형태의 비선형일 경우 스피어만 순위 상관계수(Spearman rank-order correlation coefficient)를 이용한다.(15) 피어슨 선형상관계수 rp는 식 (1)과 같다.
또한 스피어만 상관계수는 본 값을 서열점수로 변환하였기 때문에 본 자료가 지니고 있는 데이터 정보를 상실하므로 두 상관계수 값이 약간의 차이를 보인다. 상관계수의 값의 유효성을 확인하기 위해 상관계수의 검정을 식 (3)을 이용하여 양측 검정을 실시하였다. 가설 설정으로는 상관계수가 통계적으로 0이 아닌 값을 갖는지를 검정하는 것이므로 귀무가설을 식 (5)의 H0와 같이 "상관계수가 0과 같다"라고 설정하였고, 대립가설은 식 (5)의 H1과 같이 "상관계수가 0이 아니다"라고 설정하였다.
또한 경유와 바이오디젤 연료 혼합비의 영향은 NOx 발생에서는 작은 반면 Soot 발생에서는 분사압력 400bar에서 바이오연료 혼합비의 영향력이 가장 크고, 분사압력이 고압으로 갈수록 점점 작아져 800bar 이상에서는 혼합비의 영향력이 작아진다. 이러한 경향을 통계학에 기초한 정량적 해석 방법의 하나인 상관계수법을 적용하여 해석하였으며 그 결과로서, 바이오디젤 연료 혼합비의 변화에 대해서 연료 분사압력 전체 영역에 걸쳐 NOx와 Soot의 발생 관계는 서로 음의 선형관계가 나타나며, 이는 두 값의 관계가 반비례적임을 나타낸다. 이것은 NOx와 Soot 발생의 전형적인 trade-off 관계를 나타냄을 정량적으로 확인 할 수 있다.
전술한 바와 같이 분사압력과 바이오디젤 연료 혼합 비율에 대한 NOx와 Soot의 배기가스 특성을 정량적으로 평가하기 위해 상관분석해석을 수행하였다. Table 3는 각각의 설정 압력과 바이오디젤 연료 혼합비에 대한 피어슨 및 스피어만 상관계수의 관계를 나타낸 것이다.
732는 5%오차 이내에서 유효하며 통계적으로 0이 아닌 상관계수라 할 수 있다. 혼합비율이 NOx와 Soot에 미치는 영향을 보다 상세히 해석하기 위해 이원분산분석(Two-way analysis of variance)을 실시하였다. 이원분석법이란, 변수가 2개일 때 각 독립변수의 영향이 있는가와 두 독립변수의 상호작용이 존재하는지를 밝히는 기법이다.
이론/모형
본 연구에서는 상용 커먼레인 디젤엔진에 바이오디젤 연료를 사용하여 배기가스를 측정하고, 연료 분사압력 변화와 바이오디젤 연료혼합비에 따른 NOx와 Soot의 배출특성을 평가하였다. 특히, 배기가스 평가에는 혼합비와 압력변화에 대한 NOx와 Soot의 배출특성을 두 변수 사이의 상관관계를 분석하는 방법인 피어슨(Pearson) 및 스피어만 상관계수(Spearman correlation coefficient)(8,9)를 이용하였다. 이와 같은 정량적 해석 방법을 도입하여 바이오디젤연료 엔진 배기가스의 특성에 대한 해석방법을 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.
성능/효과
(1) 엔진의 연소특성에 있어서 분사압력이 증가할수록 NOx의 발생량은 커지고, 반대로 Soot 발생은 감소하는 전형적인 trade-off 관계를 바이오디젤 연료를 사용한 본 연구에서도 확인할 수 있었다. 또한 경유와 바이오디젤 연료 혼합비의 영향은 NOx 발생에서는 작은 반면 Soot 발생에서는 분사압력 400bar에서 바이오연료 혼합비의 영향력이 가장 크고, 분사압력이 고압으로 갈수록 점점 작아져 800bar 이상에서는 혼합비의 영향력이 작아진다.
(2) 분사압력 800bar 이상의 고압분사영역은 보다 낮은 저압분사영역에 비해 각 설정 분사압력 하에서 NOx와 Soot 간 상관관계수가 0에 가까워 서로의 상관관계가 적다. 즉, 이 조건들에서 두 가지 배출물간의 관계가 선형적이지 않으며 trade-off 관계가 없음을 의미한다.
(3) 분사압력 800bar에서의 피어슨 상관계수는 -0.089로 그 절대값의 크기가 본 실험의 압력조건 중 가장 작고 NOx와 Soot 발생에 있어 선형 관계가 매우 약하다. 이것은 NOx와 Soot의 발생이 서로에게 영향을 적게 미치는 것을 의미하며, 또한 이는 분사압력에 의해 Soot 감소가 상당량 이루어지면서 더 이상의 분사압력증가가 Soot 감소에 미치는 영향이 미미해지기 시작하는 조건이다.
05이상(17)이면 데이터의 분포가 정규분포를 만족하며, 본 연구 해석의 결과인 P-value값을 Table 4에 나타내었다. 그 결과 값들은 나타낸 것과 같이 모든 영역에서 P-value값이 0.05보다 크므로 정규성을 이룬다고 할 수 있고, 즉 본 연구에서 도입한 상관분석 방법이 타당하다는 것을 알 수 있다.
5(a)는 분사압력변화에 따른 NOx의 배출 관계를 나타낸 것이다. 그래프에서 보는 바와 같이 분사압력이 증가 할수록 NOx의 배출량은 선형적으로 증가하며, 분사압력이 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 이는 분사압력이 높아질수록 연료액적의 무화가 잘 일어나며(13) 신속하고 균일한 혼합기 형성이 가능하고 이로 인하여 NOx의 생성에 필요한 고온조건(1,500℃ 이상)에 빠르게 도달하여 배출량이 증가된 것으로 판단된다.
이것은 NOx와 Soot의 발생이 서로에게 영향을 적게 미치는 것을 의미하며, 또한 이는 분사압력에 의해 Soot 감소가 상당량 이루어지면서 더 이상의 분사압력증가가 Soot 감소에 미치는 영향이 미미해지기 시작하는 조건이다. 따라서 본 연구 결과에 있어서는 분사압력 증가에 따라 선형적으로 증가하는 NOx의 증가를 억제하면서 바이오디젤 혼합에 의한 엔진 배기제어가 타 압력조건과 비교해 상대적으로 유효한 분사압력은 800bar이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디젤엔진이 가솔린엔진과 비교했을 때 어떠한 특징을 가지고 있는가?
최근 들어 엔진 제어기술의 발달에 따른 우수한 연비 등의 장점으로 인해 디젤 연료의 사용이 증가되고 있는 추세이다. 디젤엔진은 가솔린엔진과 비교하여 불완전 연소의 발생 빈도가 적고, 뛰어난 연비를 가지며, 적은 불완전 연소로 인해 CO와 탄화수소(Hydrocarbon : HC)는 적게 배출되지만 질소산화물(Nitrogen oxide : NOx)과 입자상 물질(Particulate matter: PM)은 가솔린 엔진과 비교하여 배출량이 많아 이를 저감시키기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.(1,2) 이와 함께 세계적인 석유자원 고갈과 고유가의 지속뿐만 아니라 자동차 배기가스 감소요구 등의 이유로 대체연료의 개발의 중요성은 커지고 있는 실정이다.
분사압력 800bar 조건에서 바이오디젤 연료 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능한 이유는 무엇인가?
724로 NOx와 Soot 발생의 상관관계가 선형적이다. 특히 분사압력 800bar 조건에서 피어슨 상관계수가 -0.089으로 NOx와 Soot 배출량 상관관계가 0에 가깝기 때문에, 바이오디젤 연료 혼합비 제어를 통한 NOx와 Soot의 동시저감이 가능하다고 판단된다.
분사압력이 증가 할수록 NOx의 배출량은 선형적으로 증가하며, 분사압력이 미치는 영향이 큰 이유는 무엇인가?
그래프에서 보는 바와 같이 분사압력이 증가 할수록 NOx의 배출량은 선형적으로 증가하며, 분사압력이 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 이는 분사압력이 높아질수록 연료액적의 무화가 잘 일어나며(13) 신속하고 균일한 혼합기 형성이 가능하고 이로 인하여 NOx의 생성에 필요한 고온조건(1,500℃ 이상)에 빠르게 도달하여 배출량이 증가된 것으로 판단된다.(14) 그러나 혼합비에 따른 NOx 배출량 변화는 그 차이가 미미한 수준이다.
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