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바이오 오일-에탄올 혼합 연료의 고압축비 디젤엔진에서의 연소 및 배기특성
Combustion and Emission Characteristics of High-Compression-Ratio Diesel Engine Fueled with Bio Oil-Ethanol Blended Fuel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.6 = no.345, 2014년, pp.501 - 511  

김태영 (한국기계연구원 그린동력연구실) ,  이석환 (한국기계연구원 그린동력연구실) ,  장영운 (한국기계연구원 그린동력연구실) ,  김호승 (가천대학교 대학원 기계공학과) ,  강건용 (한국기계연구원 그린동력연구실)

초록
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바이오매스 원료로부터 급속열분해 반응을 통하여 생산되는 바이오 오일은 화석연료를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 하지만, 바이오 오일은 에너지 밀도와 세탄가가 낮고 점성도가 높은 연료의 한계성이 있으므로 디젤엔진에 적용하기에는 제한적이다. 따라서, 안정적인 연소를 얻기 위해서는 바이오 오일을 세탄가가 높은 연료와 유화하거나 혼합하여 사용하여야 한다. 하지만 바이오 오일과 화석연료는 극성이 달라서 서로 혼합되지 않으며 가장 손쉽게 혼합되는 연료는 알코올계 연료이다. 본 연구에서는 바이오 오일의 연료특성을 향상시키기 위하여 에탄올 연료와 혼합하였으며, 연료의 자발화 특성을 향상시키기 위하여 세탄가 향상제인 PEG 400, 2-EHN 도 첨가하였다. 또한 최대 15%의 바이오 오일이 혼합된 혼합연료를 디젤엔진에서 안정적으로 연소시키기 위하여 고압축비 피스톤도 적용하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Bio-oil derived from biomass through fast pyrolysis process has the potential to displace a significant amount of petroleum fuels. However, the use of bio-oil in a diesel engine is very limited because of its poor properties, e.g., its low energy density, low cetane number, and high viscosity. There...

주제어

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문제 정의

  • (2)바이오 오일-에탄올 혼합 연료는 세탄가 향상제를 첨가하더라도 기존 디젤 엔진에서 자발화 되지 않기 때문에 본 연구에서는 고압축비 엔진으로 고온의 환경을 조성하여 바이오 오일-에탄올 혼합 연료의 연소를 가능케 하였다.
  • 1)에서 자발하지 않는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 엔진의 압축비를 증가시켜서 바이오 오일-에탄올 혼합 연료가 안정적으로 자발할 수 있는 환경을 조성하였다. 기본 엔진에 사용되는 피스톤 형상으로부터 피스톤 보울(Bowl)의 깊이와 직경을 감소시켜 보울의 공간을 94.
  • 본 연구에서는 디젤의 대체 연료로서 최근에 다양한 연구가 진행되고 있는 바이오 오일의 엔진 적용 가능성에 대해 살펴보았다. 바이오 오일의 연료로서의 물성을 향상시킬 수 있는 첨가제를 찾아 적용하였고 고압축비 엔진에 적용하였다.
  • 본 연구에서는 바이오 오일과 혼합되었을 때 서로간의 분리가 일어나지 않고 안정적인 상태를 유지하면서 연료의 발열량, 동점도, 세탄가를 향상시키기 위하여 알코올계 용매 및 세탄가 향상제를 혼합하여 바이오 오일의 연료 물성치를 향상시켰다. 이에 더하여 파일럿 분사 없이 바이오 오일 혼합 연료가 연소실 내에서 자발화(Auto-ignition)할 수 있는 환경을 조성할 수 있는 고압축비 엔진을 활용함으로써 실차 적용성을 향상시키는 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 바이오 오일을 알코올계 용매와 세탄가 향상제와 혼합하여 물성을 향상시켜 연료분 사계의 고장 없이 엔진에 적용할 수 있도록 하였다.혼합에 사용된 알코올계 용매는 에탄올이며, 에탄 올은 유기용매로서 바이오 오일 내에 존재하는 고체상의 물질을 용해할 수 있고 바이오 오일의 중합 작용에의한 고체상 물질 발생을 억제할 수 있다.
  • 본 연구에서는 바이오 오일과 혼합되었을 때 서로간의 분리가 일어나지 않고 안정적인 상태를 유지하면서 연료의 발열량, 동점도, 세탄가를 향상시키기 위하여 알코올계 용매 및 세탄가 향상제를 혼합하여 바이오 오일의 연료 물성치를 향상시켰다. 이에 더하여 파일럿 분사 없이 바이오 오일 혼합 연료가 연소실 내에서 자발화(Auto-ignition)할 수 있는 환경을 조성할 수 있는 고압축비 엔진을 활용함으로써 실차 적용성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 바이오 오일 함량이 다른 4 종류의 혼합 연료를 제조하여 고압축비 디젤엔진에서의 연소 및 배출가스특성을 파악하였으며 디젤 연료의 연소와 비교 분석하였다.
  • 이것은 바이오 오일 혼합 연료에서 바이오 오일이 차지하는 비중이 높지 않기 때문이며, 연료의 상당 부분을 차지하는 에탄올과 세탄가 향상제에의한 효과가 크게 나타났을 것으로 보고 있다. 이와 관련하여 본 연구 그룹에서는 에탄올 보다 연소특성이 우수한 알코올 연료를 적용하고 보다 높은 압축비의 엔진을 사용하여 혼합 연료 중 바이오 오일이 차지하는 비중을 증가시킴으로써 바이오 오일에의한 연소 및 배기특성에 대한 연구를 수행하고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 사용중인 바이오 디젤, 바이오 에탄올과 같은 1 세대 바이오 연료의 한계는 무엇인가? 화석연료의 고갈, 지구온난화, 환경오염 문제가 전세계적인 이슈로 대두됨에 따라 화석연료를 대체할 수 있는 재생 가능한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만, 현재 사용중인 바이오 디젤, 바이오 에탄올과 같은 1 세대 바이오 연료는 식용작물로부터 생산되므로 전세계적인 곡물값 증가, 기아 문제 유발 등과 같은 부작용이 발생할 우려가 있다. 반면에, 본 연구에서 사용하는 바이오 오일은 폐목재, 억새, 갈대, 폐휴지 등의 비식용 작물로부터 생산되기 때문에 1 세대 바이오 연료의 단점을 극복할 수 있는 2 세대 바이오 연료이다.
바이오 오일은 어떤 과정을 통해서 생산되는가? 반면에, 본 연구에서 사용하는 바이오 오일은 폐목재, 억새, 갈대, 폐휴지 등의 비식용 작물로부터 생산되기 때문에 1 세대 바이오 연료의 단점을 극복할 수 있는 2 세대 바이오 연료이다. 바이오 매스를 연료로 전환하는 방법에는 물리적인 방법, 생물학적인 방법, 열화학적인 방법 등이 존재하며 바이오 오일은 열화학적 방법 중급속 열분해 과정을 통해서 생산된다. 고체상의 바이오 매스를 급속열분해 장치로 공급하면 산소가 없는 환경 속에서 2 초 이내에 열분해 되어 증기상으로 배출되며, 그 중 휘발성 물질(Volatiles)이 열교환기를 통과하여 액상으로 응축되는 것이 바이오 오일이다.
바이오 오일이 세탄가가 낮아 기존의 디젤엔진에서 자발화하지 않는 것을 보완하기 위한 방법에는 어떤 방법이 있는가? 바이오 오일은 세탄가가 낮기 때문에 기존의 디젤엔진에서는 자발화되지 않는다.(15)따라서 세탄가 향상제 등의 첨가를 통해 자발화 특성을 향상시키거나 자발화 특성이 우수한 연료를 파일럿 분사하여 고온의 분위기를 만들어 주어야 연소가 가능하다.
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참고문헌 (21)

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  3. Boucher, M. E., Chaala, A. and Roy, C., 2000, "Bio-Oils Obtained by Vacuum Pyrolysis of Softwood Bark as a Liquid Fuel for Gas Turbines. Part I: Properties of Bio-Oil and Its Blends with Methanol and a Pyrolytic Aqueous Phase," Biomass Bioenergy, Vol. 19, pp. 337-350. 

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  20. Lee, S., Jang, Y., Kim, T. and Kang, K., 2013, "Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fueled with Pyrolysis Oil-Ethanol Blend with Diesel and Biodiesel Pilot Injection," International Journal of Fuel and Lubricants, Vol. 6, pp. 785-793. 

  21. Lee, S., Park, J., Choi, Y., Woo, S. and Kang, K., 2012, "Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil," Trans. KSAE, Vol. 20, No. 5, pp. 102-112. 

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