바이오디젤-에탄올 혼합연료의 혼합 조성비에 따른 분무거동 및 미립화 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구의 목적은 차세대 대체연료 중 하나인 바이오디젤과 에탄올 혼합연료의 온도변화 및 혼합비율의 변화에 따른 물성(밀도, 점도 등)의 변화를 조사하고, 다양한 분사조건에서 분사율 특성, 거시 및 미시적 분무특성을 파악하는데 있다. 거시적 분무특성의 조사를 위해 분무 도달 거리, 분무각 등을 조사하고, SMD(Sauter mean diameter), 축 방향 및 반경방향 평균 속도, 분무 도달 시간 등을 분석하여 미시적 분무특성을 연구하였다. 밀도 및 비중, 절대점도 및 동점도의 측정을 위해 회전식 점도계와 비중계를 각각 이용하였으며, 온도변화에 따른 물성 변화의 측정을 위해 가열 및 냉각장치를 각각 이용하였다. 실험연료는 바이오디젤 연료에 에탄올을 부피비로 0~50% 비율로 혼합하여 총 8가지의 혼합연료를 사용하였으며, 연료온도에 따른 물성치 연구는 에탄올의 증발온도(약 78℃)를 고려하여, 0℃ ~ 70℃의 온도범위에서, 5℃단위로 각각의 물성을 측정하였다. 또한, 분무 도달 거리 및 분무각 특성을 비교 · 분석하기 위하여, 고해상도 ICCD(intensified charge couple device) 카메라를 이용한 분무 가시화 장치를 구성하고, 광원으로 Nd:YAG 레이저를 이용하여 분무 영상을 획득하였다. 바이오디젤 - 에탄올 혼합연료의 미시적 분무 특성은 Ar-ion 레이저를 광원으로 하는 PDPA(phase Doppler particle analyzer) 시스템을 이용하여 분무 액적의 크기(SMD), 축 방향 및 반경방향의 평균속도, 분무 도달 시간 등을 측정하여 혼합연료의 미립화 특성에 관한 에탄올 연료의 영향을 비교 · 분석하였다. 본 연구에서는 각각의 실험연료의 온도가 상승하였을 때, 밀도와 비중은 선형적으로 감소하고, 절대점도 및 동점도는 지수함수로 감소함을 밝혔으며, 혼합연료 내 에탄올 함량이 증가할수록, 물성(밀도, 비중, 절대점도, 동점도 등)의 값은 감소하는 것을 관찰하였다. 이와 같이 에탄올 첨가로 인한 물성 특성의 변화는 다양한 분사조건에서의 분사특성에도 영향을 미치게 된다. 순수 바이오디젤연료에 에탄올을 첨가한 혼합연료의 경우, 에탄올의 함량이 증가할수록, 분사 지연 기간은 다소 짧아졌으며, 최고 분사율은 낮아지는 실험결과를 얻을 수 있었다. 이러한 실험결과의 원인은 혼합연료의 낮아진 점도로 인해 인젝터 노즐 벽면과 연료 사이의 마찰력이 감소하게 되고, 혼합연료의 낮은 밀도로 인해 순간 운동량이 감소했기 때문이다. 반면, 바이오디젤-에탄올 혼합연료는 밀도와 운동량은 감소하였지만, 실제 분사시간은 증가하게 되어 실제 분사량에는 큰 차이가 없으며, 이로 인해 분무 도달 거리는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 분사 압력을 증가시켰을 경우, 초기 운동량과 초기 분사속도의 증가는 분무 도달 거리가 증가하는데 영향을 주는 것으로 관찰되었다. 혼합 연료의 분무 시, 고압 체임버의 분위기 온도를 증가시킬 경우, 주변 공기의 밀도가 낮아지게 되어, 분무 도달 거리는 다소 증가하게 되며, 분위기 압력을 증가시켰을 때, 주변 공기 밀도의 증가로 인해 분무 도달 거리는 감소하였다. 특히, BDE30과 같이 다량의 에탄올이 바이오디젤 연료에 첨가될 경우, 에탄올의 낮은 증발온도 등의 영향으로 혼합연료의 증발온도 또한 낮아지게 되어, BDE30의 경우, 주변 온도를 400K 으로 증가시켰을 때, 다른 혼합연료와는 다르게, 분무 도달 거리가 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 에탄올 혼합 비율의 증가에 따라 혼합연료의 분무각 또한 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 분무의 미시적 특성에서는, 에탄올 첨가로 인해 동점도 및 표면장력이 낮아진 혼합연료의 활발한 미립화 활동으로 인해 SMD는 작아지는 경향을 보였으며, 작아진 액적의 크기는 분무 도달 시간이 길어지는데 영향을 미쳤다. 또한, 분무 시간이 경과할수록, 축 방향 및 반경방향속도는 급격히 감소하게 되며, 에탄올 첨가량이 많아질수록, 속도는 작아졌음을 알 수 있었다. 이것은 연료의 미립화로 인해 액적크기가 감소하게 되고, 이로 인해 액적의 운동량이 감소하였기 때문이다.; The purpose of this study is to investigate the effect of the temperature variation and blending ratios on fuel properties of biodiesel and biodiesel blended with ethanol fuel, and to study the effect of the ethanol addition to biodiesel fuel on macro spray behavior and atomization characteristics in a common-rail injection system. Test fuels used in this work are a neat biodiesel and various ethanol blended biodiesel fuels as a volumetric ratio. Adding the ethanol to biodiesel fuel can be improved the disadvantage of cold-starting of biodiesel fuel. Futhermore, properties which depend on the change of fuel temperature affect the spray behavior, combustion and emission characteristics in combustion chamber. The kinematic viscosity and density were obtained by the measured dynamic viscosity and specific gravity, respectively. In order to analyze the spray evolutions, spray frozen images were obtained from the visualization system including Nd:YAG laser as light source, and the spray tip penetration and spray angle were investigated and compared with under various blending ratio. In the case of fuel atomization characteristics, the droplet mean size such as Sauter mean diameter (SMD) and velocity were studied by using the droplet analyzer system (PDPA, phase Doppler particle analyzer) including Ar-ion laser as light source at various measuring points. It revealed that the specific gravity and density decreased linearly when the fuel temperature and the ethanol blending ratio increased. Empirical equation can be derived from the measured values and it is the function of the second order of blending ratio and first order of fuel temperature. On the other side, the dynamic and kinematic viscosity decreased exponentially as rising of the fuel temperature. In cases of the macro and micro spray characteristics, it was revealed that ethanol blended fuels have a similar tip penetration compared to biodiesel fuel and a wider spray angle than that of a neat biodiesel fuel. It can be also observed that as the ethanol blending ratio increases, the injection delay is shorter and the real injection duration is longer. As the ambient gas temperature increased, the spray tip penetration of blending fuels increased a little due to the reduction of ambient gas density. Moreover, the spray tip penetration decreased as rising the ambient gas pressure due to the increment of ambient gas density. The result of droplet size measurement showed that the SMD of biodiesel fuel is larger than that of ethanol blended fuels. It can be concluded that the atomization performance of biodiesel fuel can be improved by the addition of ethanol. The spray arrival time of ethanol blended fuels is longer than that of biodiesel fuel, because of the reduction of droplet momentum by decreased droplet size.