압축착화 엔진에서 바이오디젤-에탄올 혼합연료의 연소 및 미세입자 배출물 특성에 관한 연구

Abstract

본 논문은 기존의 디젤 연료의 대체연료인 바이오디젤(biodiesel)과 바이오디젤-에탄올 혼합연료를 압축착화 디젤 기관에 적용하여 연소 및 배기 특성을 실험적으로 연구한 것이다. 바이오디젤은 함산소 연료 이므로 연소 성능과 배기 특성을 향상 시킬 수 있으나 높은 점성과 표면장력은 분무 미립화의 특성에 악영향을 미치므로 이를 개선하기 위하여 에탄올을 혼합한 바이오디젤-에탄올 혼합연료의 적용특성을 연구하였다. 본 연구에서는 압축비가 17.8:1이고 배기량이 373.3cc인 커먼레일 (Common-rail)방식의 단기통 압축착화 기관 (Single-cylinder compression ignition engine)을 이용하여 실험하였고 공압식 고압펌프 (HSF-300, Haskel)를 이용하여 연료를 커먼레일 내에 고압으로 분사하였다. 실험은 디젤엔진에 바이오디젤-에탄올 연료의 다양한 조건에서 배기가스 재순환 (Exhaust gas recirculation, EGR)방법도 적용하여 실험하였다. 기관의 연소 특성을 파악하기 위하여 피에조 압전 소자 방식의 압력센서 (6057A80, Kistler)와 배출물을 분석하기 위하여 매연 및 NOx, HC, CO 등의 유해 배출가스를 분석하였고, 미세입자배출특성을 측정하였다. 본 연구의 결과로 에탄올 첨가에 따른 바이오디젤의 연소 특성은 연료의 분사압력이 증가함에 따라 ULSD와 BE10, BE20의 최대 연소압력과 열발생율은 증가하고 착화지연 기간은 짧아지는 경향을 보였으나 혼합연료의 낮은 발열량으로 인하여 최대 연소압력과 열발생율은 ULSD 보다 낮아지고, 착화시점은 에탄올의 비율이 증가할수록 지각되었다. 그리고 배기 특성으로 에탄올 연료의 함유량이 증가함에 따라 연소압력과 온도가 저하되어 ISNOx 배출량이 감소하고 미연소 배출물의 발생량은 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 혼합연료의 에탄올 비율이 증가함에 따라 미세입자 크기분포는 작은 입자 크기분포 쪽으로 이동하고 입자의 체적과 질량에 중요한 영향을 미치는 입경 150 nm보다 큰 입자들의 개수는 ULSD에 비하여 크게 감소함을 나타내었다. 디젤첨가에 따른 연소 특성은 바이오디젤과 혼합연료인 BDD20과 BDE20은 동일한 조건에서 분사압력을 증가시키면 각 연료 모두 연소압력과 열발생율이 증가하고 착화 지연 기간이 짧아지는 것이 확인되었다. 각 연료의 종별에 따라 분사압력의 영향을 비교해 보면 BDE20은 B100과 BDD20에 비하여 상대적으로 낮은 발열량과 세탄가로 인하여 낮은 연소압력과 지각된 착화시점의 특성을 보이지만 연료 내 높은 산소 함유량으로 인하여 더 높은 열발생율을 보였다. 그리고 배기특성으로는 분사시기 변화에 따라 모든 연료에서 NOx와 soot의 배출이 분사시기가 지각될수록 감소하였으며 특히 BDE20은 두 연료에 비하여 매우 적은 양의 soot 배출 특성을 보였지만 미연소 배출물 (HC, CO)은 증가하는 경향을 보였다. 또한 입경이 50nm 이하의 미세입자 분포에서는 BDD20인 경우에 상대적으로 B100과 BDE20보다 적은 미세입자 배출을 보였고, 체적과 부피에 영향을 미치는 150nm 이상의 미세입자 분포에서는 BDE20인 경우에 다른 두 연료 보다 많은 미세입자 배출을 보였다. EGR의 적용에 따른 바이오디젤의 연소 특성은 EGR율을 증가함에 따라 실린더 내의 산소농도는 줄어들고 배기가스의 증가로 연소를 억제하는 효과에 의하여 착화 지연 기간은 길어지고 최대 연소 압력과 최대 열발생율은 낮아졌다. 또한 배기 특성은 NOx의 배출량은 EGR의 증가에 따라 현저하게 저감되었고, 특히 EGR 60%경우에서는 전 구간에 걸쳐서 NOx의 배출이 거의 되지 않음을 보였다. soot의 배출량은 EGR율의 증가에 따라 급격하게 증가하였으나, 안정적인 연소를 보여주는 TDC근처의 분사시기에서의 배출량은 바이오디젤 연료 자체가 산소를 포함하고 있는 함산소 연료이기 때문에 매우 적었고, 미연소 생성물인 HC와 CO의 배출량은 EGR의 증가함에 따라 배출량 또한 증가하였으며, 특히 EGR율 60%에서는 상대적으로 많은 양이 배출되었다.; The experimental investigation was performed to analyze the effects of biodiesel-bioethanol blended fuel on the combustion and exhaust emission characteristics in a single cylinder common-rail diesel engine. In order to analyze the combustion, exhaust emissions and measurement of size distributions of particulate matter were carried out under various engine operating conditions for biodiesel blended with ethanol by 10% and 20% volume fraction and the results were compared to those of ultra low sulfur diesel (ULSD). In this investigation, combustion of diesel and biodiesel-ethanol blended fuels indicated similar patterns of combustion pressures and rate of heat releases. However, the combustion of biodiesel-ethanol blends showed lower combustion pressures and heat release rates than those of diesel fuel because of its lower heating value. In the case of exhaust gas recirculation (EGR), the indicated specific NOx (ISNOx) and soot concentration results in the low emissions compared to those of conventional diesel fuel. In addition, the particulate size distribution shows that biodiesel-ethanol blends suppress the formation of large particles and lead to increase of small particles. In this work, experimental investigation was conducted to analyze the effects of biodiesel-ethanol and biodiesel-diesel blended fuels on the combustion, exhaust emissions characteristics and size distributions of particulate matter in a single cylinder diesel engine were conducted for various blended fuels. The three types of test fuel were biodiesel and two blended fuels which were added ethanol and diesel by 20 % volume based fraction into biodiesel, respectively. In this study, the injection rate, combustion pressure, exhaust emissions and size distributions of particulate matter were measured under various injection timings and injection pressures. The experimental results show that all test fuels indicated similar trends of injection rate in equal injection pressure, however biodiesel-ethanol blended fuel has retarded ignition delay and low combustion pressure in comparison with those of biodiesel and biodiesel-diesel blended fuel. In addition, the ethanol blended fuel significantly reduced oxidies of nitrogen (NOx) and soot emissions. And then the particulate size distribution shows that blended fuels restrain the formation of particles which were beyond the range of 150nm compared to biodiesel fuel. For the investigation of EGR effect, the experiment was conducted to analyze the effects of EGR ratio on the combustion, exhaust emissions characteristics and size distributions of particulate matter in a single cylinder diesel engine. In order to analyze the combustion, exhaust emissions and measurement of size distributions of particulate matter were carried out under various EGR ratio which was varied from 20~60% and the results were compared to those of results without EGR. The experimental results show that ignition delay was extended and maximum value of ROHR was decreased according to increasing of EGR ratio. In addition, increasing of EGR ratio reduced oxidies of nitrogen (NOx) but soot emissions increased. However, under high EGR ratio region, particulate matter was slightly decreased.