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문제 정의
- 본 연구에서 선박디젤기관을 리모델링하여 선박기관인 직접분사식 4행정 디젤기관에 유채유4)(BDRF), 대두유5)(BDSF) 그리고 폐유채유6,7)(BDWRF)로부터 바이오디젤연료를 실험실에서 직접 제조하여 경유와 섞은 혼합유를 사용해서 기관의 연소특성에 미치는 영향을 분석·고찰하고자 한다.
- 하지만 현재 많이 사용하는 디젤기관으로부터 배출되는 여러 가지 대기오염물질이 환경오염의 원인이 되므로 대기오염원을 줄이기 위하여 전 세계적으로 다양한 기술이 연구되고 있으며 유해배출가스를 규제하기 위한 규정도 강화되고 있다. 자연의 식물에서 재배하면서 CO2를 흡수하고 있는 친환경 재생에너지인 바이오원료를 선박기관에 적용하여 연구하고자 한다.
제안 방법
- 3개의 파라미터 중 2개를 고정하고 하나만을 변화시키면서 실험하였다. 동일한 조건하에서 기관회전수의 변동율은 ± 0.
- 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기(FTCH-0906)를 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다. 그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하도록 하였다.
- 기관의 출력은 와류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기를 설치하였다. 그리고 크랭크 각 1도마다 측정하였으며, 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하여 피스톤 TDC 시점부터 데이터를 수집하였다.
- 기관의 출력은 와류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기를 설치하였다. 그리고 크랭크 각 1도마다 측정하였으며, 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하여 피스톤 TDC 시점부터 데이터를 수집하였다.
- 또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0” 점 조정하고, 표준가스(측정범위 80%인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기 배출물을 측정하였으며, 동력계는 표준중량(5kg)의 추를 사용하여 압축·인장의 보정실험을 하여 정확한 토오크 값을 확인한 후 동력을 측정하였다.
- 본 연구에서는 기관회전속도 1800rpm의 경우에 대하여 기관부하를 0%에서 100%까지 25% 간격으로 연료온도를 15℃로 일정하게 유지하면서 바이오연료 혼합비율 체적으로 0%, 10%, 20%까지 간격으로 변화시키면서 실험하였다.
- 실험을 하는 동안 수냉식 열교환기를 사용하여 기관의 냉각수와 윤활유 온도를 일정하게 유지하 였고 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 각 부취(배기관 입출구, 냉각수 입출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다.
- 연소온도는 각 실린더의 연소실 내에 열전대 (R-type)를 설치하여 측정하였으며, 연료소비율은 용적식 유량계 및 고정도 연료소비량계(FM-257)를 사용하였다. 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기(FTCH-0906)를 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다. 그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하도록 하였다.
- 연소온도는 각 실린더의 연소실 내에 열전대 (R-type)를 설치하여 측정하였으며, 연료소비율은 용적식 유량계 및 고정도 연료소비량계(FM-257)를 사용하였다. 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기(FTCH-0906)를 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다.
대상 데이터
- 바이오원료를 대형 마트에서 판매하는 곳에서 유채유(BDRF), 대두유(BDSF)를 각각 20통씩 구입 하였고, 폐유채유(BDWRF)는 통닭집에서 회수하여 구입하였다.
- 본 실험기관은 어선에서 사용하던 기관을 개조하여 실험실 장치에 설치하였으며, 선박용 디젤기 관으로 주요 제원은 Table 2에 실험장치도는 Fig. 1에 각각 나타내었다.
이론/모형
- 글리세린 분석은 ASTM 1615-60법을 사용하였고, 다음 식에 의하여 유지의 전환율이 계산되었다.
- 또한 배기배출물 분석기(Signal emirak rag 4873), 매연은 광투과식(Mexa-130S)을 사용하였다.
성능/효과
- 경유에 비해서 바이오연료 10%일 때 부하 100%는 BDRF –1.73% 감소, BDSF –0.53% 감소, BDWRF –2.67 감소하였으며, 바이오연료 20%에서는 BDRF –3.73% 감소, BDSF –2.53% 감소, BDWRF –4.66% 감소하였다.
- 경유에 비해서 바이오연료 10%일 때 부하 100%는 BDRF –20.31% 감소, BDSF –18.13% 감소, BDWRF – 19.69 감소하였으며, 바이오연료 20%에서는 BDRF –29.69% 감소, BDSF –27.50% 감소, BDWRF –29.69% 감소하였다.
- 경유에 비해서 바이오연료 10%일 때 부하 100%는 BDRF –3.77% 감소, BDSF –6.68% 감소, BDWRF –7.23 감소하였으며, 바이오연료 20%에서는 BDRF –7.23% 감소, BDSF –9.56% 감소, BDWRF – 10.11% 감소하였다.
- 경유에 비해서 바이오연료 10%일 때 부하 100%는 BDRF –8.82% 감소, BDSF –1.47% 감소, BDWRF –7.35 감소하였으며, 바이오연료 20%에서는 BDRF –10.29% 감소, BDSF –14.7% 감소, BDWRF –11.75% 감소하였다.
- 01%로 증가하였다. 그 이유는 경유에 비해서 발열량이 14% 정도 바이오연료가 작음으로 연료소비량이 증가하였고, 바이오연료가 가지고 있는 탄소량 따라 일치하게 증가하였다. 그리고 연료소비량이 크게 증가하지 않은 이유는 바이오연료에 산소량 9.
- 매연배출물은 바이오연료 10%의 평균 감소율은 –5.88이고, 20%의 평균 감소율은 –12.25%로 감소하였다.
- 98% 증가하였다. 바이오연료 10%의 평균 증가율은 0.82%이고, 20%의 평균 증가율은 2.01%로 증가하였다. 그 이유는 경유에 비해서 발열량이 14% 정도 바이오연료가 작음으로 연료소비량이 증가하였고, 바이오연료가 가지고 있는 탄소량 따라 일치하게 증가하였다.
- 25%로 감소하였다. 바이오연료에는 세탄가가 경유에 비하여 높기 때문에 착화시점이 빠르게 형성되어 연소기간이 길어짐을 알 수 있었고, 실험의 결과도 바이오연료 10% 첨가했을 경우보다 감소율이 바이오연료 20%에서 많이 감소하였다.
- 또한 바이오연료에 세탄가가 경유에 비하여 높기 때문에 착화시점이 빠르게 형성되어 연소기간이 길어진 이유로 생각된다. 본 실험의 결과도 바이오연료 10% 첨가했을 경우보다 감소율이 바이오 연료 20%에서 많이 감소하였다.
- 연료소비율은 부하가 증가함에 따라 점점 감소 하는 경향이고, 바이오연료 첨가비율이 증가함에 따라서 약간씩 증가했으며, 경유에 비해서 바이오 연료 10%일 때 부하 100%는 BDRF 0.86% 증가, BDSF 0.36% 증가, BDWRF 1.23% 증가하였으며, 바이오연료 20%에서는 BDRF 1.96% 증가, BDSF 1.10% 증가, BDWRF 2.98% 증가하였다. 바이오연료 10%의 평균 증가율은 0.
- 연료소비율은 부하가 증가함에 따라 점점 감소하였으며, 바이오연료 첨가비율이 증가함에 따라서 약간씩 증가하였다.
- 열발생율은 경유에 비해서 바이오연료 10%의 평균 감소율은 –5.89이고, 20%의 평균 감소율은 –8.96%로 감소하였다.
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