휘발유 연료용 함산소 첨가제 종류에 따른 성능 특성 연구 Part 1. 연료물성 및 증발가스 배출 특성 A study on the characteristics of fuel performance according to the oxygenated additive type for gasoline fuel Part 1. Fuel properties and evaporative emission characteristics원문보기
대기오염에 관한 관심은 국내 외에서 점진적으로 상승하고 있으며, 자동차와 연료 연구자들은 청정(친환경 대체연료) 연료와 연료품질 향상 등을 이용하여 새로운 엔진 설계, 혁신적인 후 처리 시스템 등의 많은 접근을 통하여 차량 유해 배기가스를 감소시키려고 노력하고 있다. 이러한 연구들은 가솔린 자동차의 배출가스 및 가솔린 차량의 PM 입자 배출 등의 두 가지 이슈로 진행되고 있다. 자동차의 배출가스 및 PM(입자상 물질) 입자는 환경오염과 인체에 악영향을 주는 많은 문제를 일으키고 있다. 추가로, 함산소 첨가제로서 연료에 포함된 MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)에 대한 환경 문제점을 연구하고 있다. 연구자들은 MTBE가 건강에 미치는 영향에 대한 많은 데이터를 가지고 있다. 이러한 데이터는 높은 MTBE 용량에서 잠재적인 발암 물질 임을 결론짓고 있다. 함산소 연료첨가제 유형 (MTBE, 바이오 ETBE, 바이오 에탄올, 바이오 부탄올)에 기초하여, 본 논문은 가솔린 연료 물성 및 증발가스 배출 특성에 대해 산소함량의 영향을 검토하였다. 또한, 연료물성에 대한 휘발유 차량의 가속 및 출력 성능을 평가하였다.
대기오염에 관한 관심은 국내 외에서 점진적으로 상승하고 있으며, 자동차와 연료 연구자들은 청정(친환경 대체연료) 연료와 연료품질 향상 등을 이용하여 새로운 엔진 설계, 혁신적인 후 처리 시스템 등의 많은 접근을 통하여 차량 유해 배기가스를 감소시키려고 노력하고 있다. 이러한 연구들은 가솔린 자동차의 배출가스 및 가솔린 차량의 PM 입자 배출 등의 두 가지 이슈로 진행되고 있다. 자동차의 배출가스 및 PM(입자상 물질) 입자는 환경오염과 인체에 악영향을 주는 많은 문제를 일으키고 있다. 추가로, 함산소 첨가제로서 연료에 포함된 MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)에 대한 환경 문제점을 연구하고 있다. 연구자들은 MTBE가 건강에 미치는 영향에 대한 많은 데이터를 가지고 있다. 이러한 데이터는 높은 MTBE 용량에서 잠재적인 발암 물질 임을 결론짓고 있다. 함산소 연료첨가제 유형 (MTBE, 바이오 ETBE, 바이오 에탄올, 바이오 부탄올)에 기초하여, 본 논문은 가솔린 연료 물성 및 증발가스 배출 특성에 대해 산소함량의 영향을 검토하였다. 또한, 연료물성에 대한 휘발유 차량의 가속 및 출력 성능을 평가하였다.
As the interest on the air-pollution is gradually rising up at home and abroad, automotive and fuel researchers have been working on the exhaust emission reduction from vehicles through a lot of approaches, which consist of new engine design, innovative after-treatment systems, using clean (eco-frie...
As the interest on the air-pollution is gradually rising up at home and abroad, automotive and fuel researchers have been working on the exhaust emission reduction from vehicles through a lot of approaches, which consist of new engine design, innovative after-treatment systems, using clean (eco-friendly alternative) fuels and fuel quality improvement. This research has brought forward two main issues : exhaust emission and PM (particulate matter) particle emissions of gasoline vehicle. Exhaust emission and PM particle of automotive had many problem that cause of ambient pollution, health effects. In addition, researcher studied the environment problems of the MTBE contained in the fuel as oxygenate additives. The researchers have many data about the health effects of ingestion of MTBE. However, the data support the conclusion that MTBE is a potential human carcinogen at high doses. Based on the oxygenated fuel additive types (MTBE, Bio-ETBE, Bio-ethanol, Bio-butanol), this paper discussed the influence of oxygen contents on gasoline fuel properties and evaporative emission characteristics. Also, this paper assessed the acceleration and power performance of gasoline vehicle for the fuel property.
As the interest on the air-pollution is gradually rising up at home and abroad, automotive and fuel researchers have been working on the exhaust emission reduction from vehicles through a lot of approaches, which consist of new engine design, innovative after-treatment systems, using clean (eco-friendly alternative) fuels and fuel quality improvement. This research has brought forward two main issues : exhaust emission and PM (particulate matter) particle emissions of gasoline vehicle. Exhaust emission and PM particle of automotive had many problem that cause of ambient pollution, health effects. In addition, researcher studied the environment problems of the MTBE contained in the fuel as oxygenate additives. The researchers have many data about the health effects of ingestion of MTBE. However, the data support the conclusion that MTBE is a potential human carcinogen at high doses. Based on the oxygenated fuel additive types (MTBE, Bio-ETBE, Bio-ethanol, Bio-butanol), this paper discussed the influence of oxygen contents on gasoline fuel properties and evaporative emission characteristics. Also, this paper assessed the acceleration and power performance of gasoline vehicle for the fuel property.
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문제 정의
MTBE를 대체할 수 있는 함산소 기재 연료에 대하여 연료물성에 대한 특성을 확인하고, 이러한 연료가 휘발유 차량의 증발가스 및 가속, 출력 성능에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
연료 첨가제로서 금지 규제가 확실시 되는 MTBE 물질을 대체할 수 있는 함산소 기재를 검토, 도입할 필요성이 대두하여, 본 연구에서는 MTBE를 대체할 수 있는 여러 종류의 함산소 기재 중 친환경 연료로 주목받고 있는 바이오 연료 (바이오 에탄올, 바이오 ETBE, 바이오 부탄올)에 대하여 먼저 연료물성에 대한 특성을 확인하고, 이러한 연료 특성이 휘발유 차량의 증발가스 및 가속, 출력 성능에 어떠한 영향을 주는지 알아봄으로써 향후 대체물질을 도입하는데 있어 도움이 되고자 하였다.
제안 방법
바이오부탄올, 에탄올의 수산기(-OH)에 의한 연료부식성 영향에 대해 평가하기 위해 휘발유 산화안정성 실험을 적용하여 평가하였다.
Table 1은 MTBE 대체물질로 성능평가 실험에 사용된 함산소 기재 종류와 부피 비를 나타낸 것이고, Table 2는 물성시험용 시료로 제조한 함산소 기재 연료의 산소함량 결과이다. 여기서 각각의 연료는 서브옥탄 가솔린에 「석유제품의 품질기준과 검사 방법 및 검사수수료에 관한 고시」상의 휘발유 산소함량 기준을 참고하여 0.8, 1.4, 2.3, 2.7 wt %로 맞추어 시료를 제조하였다.
이에 본 연구에서는 자체적으로 가속성 실험방법을 만들어서 사용하였다. 먼저, 차대동력계의 차량실험 설정은 Road-load simulation (차량 주행모드)으로 설정하고 차량의 기어변속은 AT이기 때문에 자동으로 변속이 되었다.
휘발유 및 가스연료를 사용하는 자동차에서 배출되는 증발가스를 측정하기 위한 실험으로서 실험 장치는 자동차를 넣을 수 있는 밀폐실과 밀폐실 내의 탄화수소를 측정하기 위한 측정 장치를 구성하여 실험하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 연료의 종류는 함산소 기재가 포함되어 있지 않은 서브옥탄 가솔린과 바이오에탄올, 바이오 ETBE, 바이오 부탄올이며, 실험 연료의 산소 함량은 Table 1과 같다. Table 1은 MTBE 대체물질로 성능평가 실험에 사용된 함산소 기재 종류와 부피 비를 나타낸 것이고, Table 2는 물성시험용 시료로 제조한 함산소 기재 연료의 산소함량 결과이다.
이론/모형
연료 물성을 측정하는 방법은 Table 3의 방법을 사용하였으며, 옥탄가는 KS M 2039 실험방법을 적용하였으며, 실험에 사용된 장비는 단일 실린더로 4행정 사이클이며, 가변 압축비 및 기화식 정속운전 기관을 사용한 Waukesha사의 CFR / F-1 엔진을 이용하였다[13]. 엔진은 600 r/min ± 6 r/min으로 측정되어 졌으며, 이때 윤활유의 온도는 57 ± 1.
5 ℃로 유지 하였다. 증기압은 KS M ISO 3007 실험방법을 적용하였고, 일정량의 시료를 증기압실험장비(ERAVAP, Eralytic)에 주입하여 시료의 증기압을 측정하였다[14]. 부피를 알고 있는 냉각된 공기 포화 시료를 자동 온도 조절이 가능한 실험 챔버에 주입하여 챔버 내 압력 상승에 의해 압력 변환기 센서와 지시계로 측정하였다.
증발손실 실험은 환경부 고시「제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정」[별표 1] FTP-75모드 측정방법을 사용하여 측정하였다. 실험은 먼저 캐니스터 충전을 위하여 부탄 및 질소 혼합가스(50 : 50) 충전방법을 사용하였으며, 충전속도는 40 ± 2 부탄 g/h, 충전종료시점은 2nd 캐니스터가 2 g을 초과하였을 경우 또는 충전한계를 초과한 경우이다.
성능/효과
함산소 함량에 따른 실험연료를 차량에 주유하여 증발가스 측정시험결과, 모든 시험연료에 대해서 국내 휘발유 차량의 배출가스 허용기준 (2 g / test)을 만족하였다. 이는 「석유제품의 품질기준 과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시」상의 휘발유 산소함량 기준 범위내의 연료에서는 실험 차량의 증발가스가 국내 휘발유 차량의 배출가스 허용기준을 만족함을 확인하였다.
후속연구
위의 결론을 통하여 MTBE를 대체할 수 있는 바이오 연료 (바이오 에탄올, 바이오 ETBE, 바이오 부탄올)의 가능성을 확인하였고, 환경적인 측면(배출가스 및 미규제 물질 등)의 검토를 더 추가하게 된다면 향후 대체물질을 도입하는 것이 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
휘발유의 증기압이 높으면 발생하는 문제는 무엇인가?
휘발유의 증기압이 낮으면 휘발되는 연료의 양이 적어 엔진 내 공기와 혼합기의 비율이 적합하지 않게 되어 시동이 불량하게 된다. 또한, 증기압이 높을 경우는 고온 시동성에 악영향을 미치며, 증발가스의 증가로 대기 중의 오존 생성을 촉진하여 광화학 스모그 발생의 원인이 된다. 우리나라는 물론 각국에서 대기환경 정책상 여름철 증발가스(VOCs) 발생을 감소시키기 위하여 자동차용 가솔린 증기압을 보다 낮게 하려는 방향으로 규제하고 있다.
MTBE의 특징은 무엇인가?
자동차용 휘발유의 배합기재로서 대기오염 저감과 휘발유 옥탄가 향상을 위해 사용되고 있는 MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)는 옥탄가가 106 ∼ 110인 고옥탄 기재로서 휘발유에 완전 용해되어 산화안정도가 높고, 저장안정성이 우수하여 휘발유용 옥탄가 향상 첨가제 용도로서 오랫동안 사용되어왔다. 또한 자동차 유해 배출가스를 줄이기 때문에 자동차용 휘발유 기재로 주목 받아 왔다.
MTBE의 문제점은 무엇인가?
하지만, MTBE는 물에 대해 높은 용해도를 가지며, 휘발유 성분보다 생물 분해 저항력이 훨씬 강하고, 인체에 유해하다. 그러므로 자동차용 휘발유가 외부로 누출되면 MTBE는 연료 성분에 비해 극성성질을 지니고 있어 연료 성분으로부터 분리되는 경향이 있다.
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