디젤엔진에서 바이오디젤-바이오에탄올 혼합연료의 연소 및 배기특성

Abstract

본 논문은 대체에너지로 연구되고 있는 청정연료인 바이오디젤과 바이오에탄올을 혼합하여 다양한 운전조건에서 연소시켰을 경우의 연소특성, 연비 및 진동특성, 배기특성을 기존 디젤유(ULSD, Ultra low sulfate diesel)의 특성과 비교분석하여 그 특징에 대해 연구한 논문이다. 본 연구를 수행하기 위한 실험장치는 엔진과 동력계 시스템, 엔진제어장치, 연소 해석 및 배출가스 측정 장치로 구성하였으며, 실험엔진에는 연료분사 최고압력이 160MPa인 4기통 CRDI엔진을 사용하였다. 본 연구에서는 바이오디젤에 바이오에탄올을 체적비로 10%, 20%, 30%를 혼합하여 실험하였다. 실험은 주로 혼합비율의 변화에 따른 특성 분석, 파일럿 분사 유무 및 분사시기 변화에 따른 특성 분석, 부하 변동시의 특성 분석 등을 수행하였다. 실험 결과 바이오에탄올 혼합비율이 높아질수록 세탄가가 낮아져 ULSD 대비 착화시점이 늦어지고, 연소최고압력과 열 발생률은 높아지는 결과를 얻었다. 특히 혼합비율이 높아질수록 착화지연기간이 길어지면서 연료-공기 혼합기 형성시간이 길어지게 되어, 급격한 예혼합 연소가 이루어지게 되고 이로 인하여 NOx의 배출량은 증가됨을 보였다. 그러나 분사시기를 지각시킬 경우에는 동일 부하 및 동일 속도를 유지하기 위하여 연소실내 공급되는 연료가 많아짐에 따라 예혼합 연소구간은 짧아지고 확산연소구간이 길어짐에 따라 CO의 배출량은 증가하고 HC의 배출량은 감소하는 결과를 나타내었다. 연료의 분사조건 변화에 따른 특성을 분석하기 위하여 실시한 파일럿 분사시에는 파일럿 분사의 분사시기를 진각시킴에 따라 연소실내 연소압력은 낮아지게 되어 단 분사 대비 낮아지는 결과를 나타내었으며, 이로 인하여 주 분사시 예혼합 연소가 아닌 확산연소가 발생되고 이에 따라 열 발생률이 감소한 결과를 나타내었으며, 급격한 열발생이 줄어들게 되어 NOx의 배출량은 감소하였으나, soot 배출량에는 큰 영향을 미치지 못하는 결과를 나타내었다. 또한 고부하에서 바이오에탄올 혼합비율에 따른 연소특성은 저부하와는 다르게 많은 연료의 공급과 고압으로 분사된 연료가 공기와 혼합이 잘 이루어져 바이오에탄올 혼합비율이 커질수록 열 발생률이 커지는 결과를 나타내었으며, 저부하인 경우 바이오에탄올 혼합량이 많은 경우 연소실내 공급된 연료가 연료분사압력이 낮아 연료의 미립화가 잘 이루어지지 않고 이로 인하여 연료-공기 혼합기 형성이 불균일하게 형성되어 원활히 연소되지 않고 배출되어 CO와 HC의 발생량은 연료분사시기가 지각될수록 급격히 많은 배출량을 보이는 결과를 나타내었다. 그러나 고부하인 경우 연소실내 온도상승에 따른 영향으로 CO와 HC의 배출량이 저감되었다. NOx는 고부하인 경우 바이오에탄올 혼합비율이 증가할수록 다소 증가하였으나, 부하 전체 영역에서 soot 배출량은 연료분사시기와 관계없이 ULSD와 비교하여 모든 실험조건에서 저감되는 결과를 나타내었다.