압축착화엔진에서 폐식용유 바이오디젤의 연소 및 배기특성에 관한 연구

Abstract

본 논문은 친환경적 대체에너지인 폐식용유 바이오디젤(biodiesel) 연료를 기존의 압축착화 엔진에 적용하였을 경우 다양한 운전조건에서 엔진의 연소성능 및 배기배출물 특성을 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 폐식용유 바이오디젤의 연료 분무실험과 압축착화 엔진을 적용하여 연소와 배기측정 결과를 분석하기 위한 연소실험으로 구분된다. 폐식용유 바이오디젤의 분무특성을 파악하기 위한 실험은 인젝터 통전기간에 따른 연료의 분사량 실험, Bosch법을 적용하여 단위시간당 연료의 질량 및 에너지 공급특성을 파악하기 위한 분사율 실험, 분무영상을 취득하여 거시적 분무의 거동 및 미립화 특성을 파악하기 위한 분무 가시화 실험으로 나누어 수행하였다. 분사의 제어는 공기 압축식 고압펌프를 이용하여 200MPa의 고압분사가 가능한 커먼레일 시스템을 적용하였다. 연소실험은 DOHC방식의 단기통 압축착화엔진에서 폐식용유 바이오디젤의 혼합비율과 엔진속도, 분사시기를 실험조건으로 하였다. 모든 엔진 실험에서 연료의 분사량은 동일한 에너지량을 공급해주기 위하여 실 에너지량을 기준으로 실험되었다. 또한, 배출물 특성을 비교하기 위하여 배기라인에 매연측정기와 배기가스 분석기를 설치하여 NOX, soot, CO, HC배출량을 실시간으로 측정하였다. 실험결과, 폐식용유 바이오디젤의 높은 점도는 인젝터 통전기간이 짧거나 분사압력이 낮을 때 연료의 유동을 방해하는 작용을 하여 분사량과 분사율을 감소시켰다. 또한, 통전기간이 길며 고압의 분사압력 조건에서는 점도의 영향이 줄어들어 밀도가 큰 바이오디젤의 분사량과 최대분사율이 증가하는 결과를 나타내었다. 분무 가시화 이미지와 가시화 이미지로부터 측정된 분무도달거리, 분무각, 분무면적을 분석해 보았을 때 분사압력 120MPa에서 폐식용유 바이오디젤의 미립화 특성은 디젤과 비교하여 대부분 개선되는 것을 확인하였다. 연소실험결과, 폐식용유 바이오디젤 연료 내에 산소성분은 연소를 활발하게 하여 디젤보다 최대 연소압력과 최대 열발생율이 상승하였으며 이는 분사된 연료의 에너지 공급율과도 밀접한 상관관계에 있음을 확인하였다. 또한, 완전연소가 촉진된 폐식용유 바이오디젤은 디젤과 비교하여 soot와 HC를 40%이상 저감시켰으며 NOx는 약 20%증가되는 결과를 나타내었다. HC배출량과 비교하여 soot배출량은 20%의 낮은 혼합비율에서도 30%이상 큰 저감효과를 보였으며 함산소 성분이 연소의 착화성능보다 완전연소 촉진에 더 큰 효과를 내는 것으로 판단된다.