함정용 디젤 연료와 바이오디젤 연료를 적용한 단기통 디젤엔진에서 연료분사시기가 연소 및 질소산화물 배출특성에 미치는 영향 Effect of fuel injection timing on the combustion and NOx emission characteristics in a single cylinder diesel engine applied with diesel fuel for naval vessel and biodiesel원문보기
본 논문에서는 해군함정의 추진용 디젤엔진의 연료로 사용되는 선박용 디젤연료와 바이오디젤을 단기통 엔진에 적용시켜 연료분사시기에 따른 실린더 내 연소특성, 엔진성능 및 질소산화물 배출 특성을 분석하고, 초고속 카메라를 이용하여 선박용 디젤연료와 바이오디젤연료의 연소과정을 분석하는데 초점을 두었다. 연료분사시기가 $BTDC25^{\circ}CA$에서 $BTDC5^{\circ}CA$까지 지각될수록 실린대 내 연소최고압력은 점점 떨어졌으나, 토크는 증가하는 경향을 보였다. 질소산화물은 $BTDC15^{\circ}CA$에서 가장 높게 측정되었으며, $BTDC15^{\circ}CA$를 기준으로 지각 및 진각조건에서는 저감되는 것으로 분석되었다. 연료분사시기가 $BTDC5^{\circ}CA$일 때 선박용 디젤연료와 바이오디젤연료의 연소과정을 비교한 결과 산소가 포함된 바이오디젤연료의 착화시기가 선박용 디젤연료보다 빠르나, 화염이 확산되어 발달할수록 화염강도는 선박용 디젤연료가 큰 것으로 분석되었다.
본 논문에서는 해군함정의 추진용 디젤엔진의 연료로 사용되는 선박용 디젤연료와 바이오디젤을 단기통 엔진에 적용시켜 연료분사시기에 따른 실린더 내 연소특성, 엔진성능 및 질소산화물 배출 특성을 분석하고, 초고속 카메라를 이용하여 선박용 디젤연료와 바이오디젤연료의 연소과정을 분석하는데 초점을 두었다. 연료분사시기가 $BTDC25^{\circ}CA$에서 $BTDC5^{\circ}CA$까지 지각될수록 실린대 내 연소최고압력은 점점 떨어졌으나, 토크는 증가하는 경향을 보였다. 질소산화물은 $BTDC15^{\circ}CA$에서 가장 높게 측정되었으며, $BTDC15^{\circ}CA$를 기준으로 지각 및 진각조건에서는 저감되는 것으로 분석되었다. 연료분사시기가 $BTDC5^{\circ}CA$일 때 선박용 디젤연료와 바이오디젤연료의 연소과정을 비교한 결과 산소가 포함된 바이오디젤연료의 착화시기가 선박용 디젤연료보다 빠르나, 화염이 확산되어 발달할수록 화염강도는 선박용 디젤연료가 큰 것으로 분석되었다.
The objective of this work presented here was focused on analysis of in-cylinder combustion characteristic, engine performance, and nitrogen oxides emission characteristic from marine gas oil for propulsion diesel engine of naval vessels and biodiesel with fuel injection timing in a single cylinder ...
The objective of this work presented here was focused on analysis of in-cylinder combustion characteristic, engine performance, and nitrogen oxides emission characteristic from marine gas oil for propulsion diesel engine of naval vessels and biodiesel with fuel injection timing in a single cylinder diesel engine. In addition, combustion process was analyzed with a high speed camera of marine gas oil and biodiesel fuel. Retarding the fuel injection timing from $BTDC25^{\circ}CA$ to $BTDC5^{\circ}CA$, in cylinder peak combustion pressure was gradually decreased, however, engine torque showed a tendency to increase. The highest nitrogen oxides level was measured at $BTDC15^{\circ}CA$, they were reduced at retarded and advanced condition on the basis of $BTDC15^{\circ}CA$. Comparing with combustion process of marine gas oil and biodiesel fuel at $BTDC5^{\circ}CA$, self-ignition timing of biodiesel fuel included oxygen content was faster than marine gas oil, however, a cautious observation indicates a slightly higher flame intensity for marin gas oil than biodiesel as a diffusion flame is developing.
The objective of this work presented here was focused on analysis of in-cylinder combustion characteristic, engine performance, and nitrogen oxides emission characteristic from marine gas oil for propulsion diesel engine of naval vessels and biodiesel with fuel injection timing in a single cylinder diesel engine. In addition, combustion process was analyzed with a high speed camera of marine gas oil and biodiesel fuel. Retarding the fuel injection timing from $BTDC25^{\circ}CA$ to $BTDC5^{\circ}CA$, in cylinder peak combustion pressure was gradually decreased, however, engine torque showed a tendency to increase. The highest nitrogen oxides level was measured at $BTDC15^{\circ}CA$, they were reduced at retarded and advanced condition on the basis of $BTDC15^{\circ}CA$. Comparing with combustion process of marine gas oil and biodiesel fuel at $BTDC5^{\circ}CA$, self-ignition timing of biodiesel fuel included oxygen content was faster than marine gas oil, however, a cautious observation indicates a slightly higher flame intensity for marin gas oil than biodiesel as a diffusion flame is developing.
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문제 정의
본 연구에서는 해군함정 추진용 디젤엔진에 사용되는 MGO와 바이오디젤 연료의 연소특성, 엔진 성능, 질소산화물 배출특성 및 연소과정을 분석하기 위하여 연료분사시기 제어가 가능한 시험용 단기통 엔진에 적용시킨 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구의 목적은 해군함정의 추진용 디젤엔진에 사용되는 선박용 디젤연료와 바이오디젤연료를 시험용 단기통 엔진에 적용시켜 파일럿 분사가 고려되지 않은 조건에서 연료분사시기에 따른 실린더 내 연소 특성, 엔진성능, 질소산화물 배출 특성 분석 및 디젤연료와 바이오디젤 연료의 연소 과정을 초고속 카메라를 이용하여 화염의 발달과정과 착화 특성 등을 분석하는 것이다.
제안 방법
, Ltd, MT-7002S)를 이용하여 500 cycle 동안 측정된 결과를 평균화하여 분석하였으며, 질소산화물은 Siemens 의 NOx sensor module을 이용하여 측정하였다. 엔진회전수는 공회전 상태인 800rpm으로 설정하여 시험을 진행하였고, 솔레노이드 방식의 디젤엔진 인젝터의 연료분사기간은 1.0ms, 연료분사압력은 30MPa로 고정시켰다. 연료분사시기는 BTDC25°CA부터 BTDC5°CA까지 5°CA간격으로 변경하였고, 파일럿 분사는 고려하지 않았다.
연료분사시기에 따른 연소특성을 신호증폭장치와 연결된 연소해석기(Mobiltek Eng. Co., Ltd, MT-7002S)를 이용하여 500 cycle 동안 측정된 결과를 평균화하여 분석하였으며, 질소산화물은 Siemens 의 NOx sensor module을 이용하여 측정하였다. 엔진회전수는 공회전 상태인 800rpm으로 설정하여 시험을 진행하였고, 솔레노이드 방식의 디젤엔진 인젝터의 연료분사기간은 1.
연료분사시기에 따른 연소특성을 파악하기 위하여 신호증폭장치(charge amplifier, Kistler, 5018)와연결된 예열플러그식 압전소자(piezoelectric) 연소 압력센서(Kistler, 6056A )를 장착하였고, 연소가시 화를 위해 quartz window를 부착한 확장된 피스톤과 초고속 카메라(Table 3)를 이용하여 연소과정을 촬영할 수 있는 가시화 시스템을 구성하였다.
초고속 카메라를 이용하여 연소 과정 촬영 시 frame rate와 shutter speed는 16,000 (resolution: 256×256) fps (frame per second) 및 1/32,000초로 각각 설정하였고, 연료분사신호와 동기화시켜 촬영하였다.
대상 데이터
Figure 1은 해군함정에서 사용하는 선박용 디젤 연료와 바이오디젤연료(Table 1)의 연소특성 분석 및 연소 가시화를 위한 시험장치의 개략도를 나타낸 것이다. 시험장치는 커먼레일 단기통 디젤엔진 (Table 2)과 연료공급 시스템, 시험엔진의 회전수를 제어하기 위한 22kW급 전기모터, Labview로 프로그램화된 엔진제어장치, 연소가시화를 위한 가시화 시스템, 연소 특성 분석을 위한 연소해석기 및 질소산화물 측정 센서 등으로 구성되어 있다.
성능/효과
(1) 연료분사시기를 BTDC25°CA에서 BTDC5°CA까지 변경했을 때 지각조건으로 이동할수록 실린더 내 최고연소압은 떨어지나, 바이오디젤 연료보 다는 MGO를 적용시켰을 때 연소최고압력은 높은 것으로 분석되었다.
(2) 연료분사시기를 지각시킬수록 토크는 증가하는 것으로 분석되었다. 이는 연료분사시기가 지각될수록 압축행정중의 음의 일이 감소되기 때문에 토크는 증가한다.
(3) 질소산화물의 경우 BTDC15°CA에서 가장 높게 측정되었으며, BTDC15°CA를 기준으로 진각 또는 지각될수록 질소산화물의 배출 수준은 저감된다.
(4) 연소가시화 시스템을 적용시켜 MGO와 바이오디젤 연료의 연소과정을 분석한 결과 산소성분이 포함된 바이오디젤의 착화지연이 MGO보다 짧은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 화염이 확산되어 발달할수록 화염강도는 MGO에서 높게 나타났다.
MGO와 BD100의 연소과정을 비교했을 때 BD100 에서 먼저 착화되는 현상을 확인할 수 있으며, 이는 연료속의 포함된 산소 성분의 영향과 MGO보다 높은 세탄가가 착화지연을 줄이는데 영향을 미쳤다고 생각된다. MGO의 경우 착화지연기간이 BD100보다 길지만 착화된 후 화염이 발달되는 강도는 BD100보다 큰 것으로 관찰되었다. 이것은 화염이 확산되는 과정에서 생성되는 soot과 연관시킬 수 있다.
이는 함산소 연료인 BD100에 포함되어 있는 산소성분이 초기연소에 영향을 미쳤다고 판단된다. 그러나 연료의 발열량의 차이로 실린더 내 연소압력과 열발생율은 BD100에서 다소 떨어지는 결과를 확인할 수 있다.
배기가스 온도는 토크와 동일하게 지각조건으로 이동할수록 증가하는데, 이는 분사된 연료가 TDC 이후까지 연소되는 후연소의 원인이라고 생각된다. 또한 발열량의 차이로 BD100에서 토크 및 배기가스 온도가 MGO에 비해 떨어지는 결과를 확인할 수 있다.
시험결과에서 연료분사시기가 BTDC15°CA인경우 실린더 내 연소압력이 가장 높았고, 이후 지각 될수록 낮아지는 경향을 보였다.
연료분사시기에 따라 BD100의 연소압력과 비교했을 때 MGO의 연소압력이 다소 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 동일한 연료분사기간(1.
연소과정을 분석해보면 연료분사신호가 적용된 후 연료분사장치(fuel injector) 니들 밸브의 열림시간과 분사된 연료의 착화지연으로 일정시간이 경과한 후 착화되는 현상을 확인할 수 있으며, 화염의 확산은 분사된 연료의 하단부에서 연료분사장치 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이후 연소가 진행될수록 확산되는 화염의 구조는 구별이 불가능할 정도로 연소실 전체로 발달하게 된다.
질소산화물은 연료분사시기가 진각되면서 점차 증가하다가 BTDC15°CA에서 가장 높은 배출특성을 보였으며, BTDC15°CA 이후 질소산화물의 배출 수준은 확연히 줄어드는 경향을 나타냈다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
군함의 주요 추진 동력원인 디젤엔진이 갖는 문제점은 무엇인가?
디젤엔진은 우수한 열효율 등의 이유로 과거부터 선박 및 군함을 포함한 다양한 운송수단의 주 추진 동력원으로 사용되어 왔으며, 최근에는 커먼레일 시스템의 지속적인 발전으로 엔진 운전조건에 따라 연료 분사압력, 연료분사 시기 및 연료분사량 등을 정밀하게 제어할 수 있게 되어 연소품질은 더욱더 향상되게 되었다. 그러나 디젤엔진에서 배출되는 유해물질 중 광화학 스모그를 유발하는 질소산화물(NOx)과 인간의 건강에 악영향을 미치는 입장상 물질(PM) 배출은 여전히 해결해야하는 과제로 남아있다[1]-[3].
바이오디젤의 어떤 점이 질소산화물 배출 증가의 원인으로 작용하는가?
연료의 분무와 무화 적인 관점에서 바이오디젤 사용 시 높은 밀도가 분무의 관통거리는 증가시키나, 동점도가 크기 때문에 연료의 무화 성능은 떨어지게 된다. 그러나 바이오디젤의 높은 세타가의 영향으로 soot을 포함한 입자상 물질의 배출은 줄어들고 실린더 내의 높은 연소온도가 질소산화물 배출 증가의 원인으로 작용한다[4][5].
디젤엔진에 사용될 대체연료로 각광 받는 것은 무엇이며 그 이유는 무엇인가?
현재 사용되고 있는 디젤엔진에 개조없이 일정 비율로 혼합하여 사용할 수 있는 연료로 가장 각광을 받고 있는 연료는 높은 세탄가와 산소성분을 가지고 있는 바이오디젤이다. 연료의 분무와 무화 적인 관점에서 바이오디젤 사용 시 높은 밀도가 분무의 관통거리는 증가시키나, 동점도가 크기 때문에 연료의 무화 성능은 떨어지게 된다.
참고문헌 (12)
A. K. Agarwal, D. K. Srivastava, A. Dhar, R. K. Maurya, P. C. Shukla, and A. P. Singh, "Effect of fuel injection timing and pressure on combustion, emissions and performance characteristics of a single clinder diesel engine," Fuel, vol. 111, pp. 374-383, 2013.
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S. H. Park, S. H. Yoon, and C. S. Lee, "Effect of multiple-injection strategies on overall spray behavior, combustion, and emissions reduction characteristics of biodiesel," Applied Energy, vol. 88, pp. 88-98, 2011.
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S. K. Hoekman and C. Robbins, "Review of the effects of biodiesel on NOx emissions," Fuel Processing Technology, vol. 96, pp. 237-249, 2012.
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J. Jeon, J. T. Lee, Y. S, Lim, S. I. Kwon, Y. H. Park, J. Cha, K. Lee, and S. Park, "Flame temperature distributions of biodiesel fuel in a single-cylinder diesel engine," Fuel Processing Technology, vol. 110, pp. 227-234, 2013.
F. Tiegang and C. F. Lee, "Spray and combustion visualization in an optical HSDI diesel engine fuelled with biodiesel and diesel using multiple injection strategy," ILASS Americas, 21st Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, pp. 1-11, 2008.
J. Pan, W. Yang, S. Chou, D. Li, H. Xue, J. Zhao, and A. Tang, "Spray and combustion visualization of biodiesel in a direct injection diesel engine," Thermal Science, vol. 17, no. 1, pp. 279-289, 2013.
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