압축착화기관에서 GTL 혼합연료의 연소 및 배기특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 커먼레일 디젤엔진에서 생성되는 배출 유해가스의 저감을 위해 청정 대체에너지인 GTL 연료를 바이오디젤과 혼합한 GTL 혼합연료의 물리적 특성 및 연료의 분무특성과 연소·배기특성을 분석하여 디젤기관에 GTL-바이오디젤 혼합연료의 적용특성을 규명하기 위한 연구이다. 본 실험에서는 연료의 물성의 변화와 물리적·화학적 특성이 분무거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 단기통 압축착화엔진에 적용하여 연소 및 배기 특성을 분석하였다. GTL 연료와 바이오디젤을 체적비율로 0∼100%까지 20%간격으로 혼합하여 밀도와 점도, 저위발열량과 세탄가를 측정하였으며 온도변화에 따른 밀도와 점도를 측정하였다. 분무거동은 가시화실험을 사용하여 80∼160MPa까지 40MPa간격으로 측정하였으며 분위기압력도 변화하며 분무거동의 변화를 측정하였다. 연소 및 배기 특성은 커먼레일 시스템을 적용한 단기통 압축착화 엔진을 사용하였으며 압축비와 배기량은 각각 17.8:1, 373.3cc이다. 실험은 1200rpm으로 회전속도를 일정하게 하고 연료의 연소특성을 평가하기 위하여 분사량을 10mg으로 고정하였으며 분사압력과 분사시기를 변화시키면서 수행하였다. 실험 결과 바이오디젤의 혼합비가 증가함에 따라 밀도는 선형적으로 증가하였으며 체적기준으로 40% 혼합하였을 경우 디젤연료와 비슷한 밀도를 갖게 된다. 점도의 경우 혼합비가 증가함에 따라 급격하게 증가하였으며 모든 혼합연료의 조건에서 디젤연료보다 높게 측정되었다. 온도가 증가함에 따라 밀도는 선형적으로, 점도는 기하급수적으로 감소하였다. 저위발열량은 낮은 바이오디젤의 저위발열량에 의하여 혼합비가 증가할수록 감소하였으며 세탄가의 경우도 혼합비가 증가할수록 감소하였지만 디젤연료에 비하여 높은 세탄가를 가지는 것으로 나타났다. 증발특성의 결과 바이오디젤의 혼합비가 증가함에 따라 증발하는 온도가 점점 낮아지는 경향을 나타냈으며 모든 연료는 디젤연료에 비해 뛰어난 기화특성을 지니는 것으로 나타났다. 가시화 실험의 결과 분사압력이 증가함에 따라 연료의 운동량이 증가하게 되어 분무 도달거리가 길어졌으며 혼합연료간의 차이는 5%이하로 적게 나타났다. 또한, 분사압력이 증가할수록 분무각은 점점 작아지며 분사압력의 증가는 밀도와 점도에 대한 영향을 감소시키는 것으로 나타났다. 분위기압력이 증가할 경우 분무의 축방향의 진행을 억제하여 분무의 발달이 느리게 진행되었으며 분무각 또한 커져 공기와 연료의 혼합영역을 증가시키는 것으로 나타났다. 연소 실험의 경우 GTL 연료의 높은 세탄가의 영향으로 인하여 모든 실험연료가 디젤연료에 비해 짧은 점화지연기간을 가지고 있으며 분사압력이 증가할 경우 연소가 더욱 활발하게 진행되는 것으로 평가되었다. 점화지연기간이 짧은 GTL 연료가 예혼합연소 구간의 발생이 빠르게 일어났으며 연소압력이 낮게 측정되고 상대적으로 낮은 온도에서 연소하여 NOx배출량이 저감되는 것으로 나타났다. Soot 배출물의 경우 GTL 연료가 방향족성분과 황성분을 포함하지 않아 디젤연료에 비해 낮게 측정되었으며 바이오디젤을 혼합하면 연소구간이 짧아져 Soot의 양이 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 또한 혼합비가 증가할수록 HC와 CO 배출물의 생성량은 디젤연료에 비해 감소하는 것으로 나타났다.