Comparison of combustion characteristics between esterified and non-esterified bio-diesel oil on CRDI diesel engine with turbocharger

1.서 론

바이오 매스는 탄소의 증감이 0이 된다는 탄소중립(Carbon neutral)의 이점을 가지고 있다. 그래서 탄소배출의 규제에 맞추어 탄소배출의 상당 부분을 차지하는 수송기계의 연료에 사용할 수 있는 바이오 연료에 대한 연구[1]-[3]가 활발하며 그 사용량 또한 증가되어 가고 있다. 특히, 디젤기관에 사용되는 경유의 대체 바이오 연료인 바이오 디젤유는 2009년 우리나라 전체 디젤유의 1.5%가 될 정도로 많이 사용되고 있고 장기적으로는 경유(GO)에 5% 혼합하여 사용할 계획을 세워 놓았다[4]. 그러나 현재의 바이오 디젤유는 식물유 또는 폐식용유를 메탄올과 반응시켜 에스테르화하는 공정 때문에 경제적 단점을 지니고 있다. 이에 폐식용유를 단순히 정제시켜 GO와 혼합한 비에스테르화 바이오 디젤유를 사용하여 캠타입 디젤기관에 이용, 경제적 측면에서의 장점을 부각시킨 연구가 진행되었었다[5][6]. 그러나 현재의 디젤 엔진은 대부분 전자 제어 방식을 채택하여 사용조건에 최적화를 원하고 있기 때문에 전자제어 방식의 디젤엔진에서의 실험적 연구가 필요하다. 한편 비에스테르화 바이오 디젤유로 이용할 수 있는 폐식용유는 수급량에 문제가 있기 때문에 생산량이 많은 식물유로 대두유를 선정하였다. 앞서 언급한 것처럼 바이오 디젤유를 경유에 5%까지 혼합하여 사용할 예정이기 때문에 본 연구에서는 에스테르화 바이오 디젤유(TVO:Transeste- rified Vegetable Oil) 및 비에스테르화 바이오 디젤유, 대두유(SO:Soybean Oil)를 GO에 5% 혼합한 혼합유를 이용하여 전자제어 방식 디젤엔진에서의 연소 및 배기특성을 비교 분석하였다.

2. 실험장치 및 방법

Figure 1에 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 실험에 사용한 기관은 현대자동차㈜ 제작의 D4EA이며 Table 1에 기관사양에 대해서 상세하게 나타내었다. 연료분사시기 및 연료분사압력의 제어는 MOTEC사의 M800이라는 ECU를 컴퓨터에 연결하여 실시간으로 제어할 수 있도록 장치를 구성하였다. 운전부하는 환웅(주) 제작의 와전류식 동력계 HE-130을 이용하여 조정하였다. 연소압력 측정은 키슬러사의 6052A를 사용하였고, 720p/r의 로터리 엔코더를 이용하여 크랭크 각 0.5˚ 간격으로 연소압력을 취득하였다.

Figure 1

Schematic diagram of experiment.

실험에 사용한 연료는 GO와 GO에 TVO와 SO를 각각 체적비로 5% 섞은 TVO5, SO5의 세 종류로, 한국고분자시험연구소(주)에 각 연료의 성분 시험 의뢰한 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험은 기관 회전수 2000rpm에서 각 연료를 이용하여 분사시기(Tinj), 커먼레일 압력(Pcr), 부하(load)를 변화시키며 실행하였다. 분사시기는 15˚, 10˚, 5˚BTDC, 커먼레일 압력은 30, 40, 50MPa, 부하는 8.7, 17.5, 26.3kW으로 변화시켰다. 각 실험은 10분의 안정 기간을 거친 후 연소압력, 연료 소비량, 배기가스 데이터를 측정하여 PC에 저장하였다.

Table 1

Specification of tested engine.

Table 2

Components of tested fuels.

Table 3

Ignition point and maximum combustion pressure in CRDI diesel engine with diesel oils blended bio diesel oils.

3. 결과 및 고찰

3.1 분사시기에 따른 연소특성

분사시기를 15˚, 10˚, 5˚BTDC로 변화시켜 실험한 각 연료의 연소이력을 Figure 2에 나타내었다. 그래프 내에서 위쪽이 연소압력을, 아래쪽이 열발생률을 나타내고 있다. 또 짧은 점선은 TVO5, 긴 점선은 SO5,실선은 GO를 각각 나타낸다. Table 3 에 나타낸 착화점(IP:Ignition Point)은 예혼합 연소기의 열발생률에대한 접선과 세로축의 0점과의 교점으로 정의하였고, MCP(Maximum Combustion Pressure)는 최대연소압력을, IT(Injection Timing)는 분사시기를 나타낸다. 세 연료의 착화점은 분사시기가 5˚씩 빨라짐에 따라 약 5˚정도 빨라지고 있으며 연료의 종류에 상관없이 거의 일정하다. 압력 및 열발생률 곡선에 있어서 TVO5와 SO5는 GO에 비해 최대연소압력이 약간 낮으면서 연소기간이 길어지는 형태로 거의 비슷한 특성을 나타내고 있다. 이는 예혼합 연소량이 약간 적고 확산 연소량이 많아지는 것을 의미한다. 바이오 디젤유는 원재료에 따라 지방산 메틸 에스테르의 성분 및 함량이 달라진다[7]고 하지만 본 실험에서는 Table 2에 나타낸 것처럼 TVO5와 SO5의 화학성분의 차이가 거의 없기 때문에 두 연료의 특성이 비슷한 것으로 사료된다. Figure 3에는 분사시기에 따른 정미 에너지 소비율 (a), CO (b), NOx (c)의 변화를 각각 나타내었다. 마름모의 짧은 점선이 TVO5, 삼각형의 긴 점선이 SO5, 원형의 직선이 GO를 각각 나타낸다. 연료의 종류에 관계없이 분사시기가 빨라질수록 정미 에너지 소비율(BSEC)과 일산화탄소(CO)는 선형적으로 감소하고 질소산화물(NOx)는 증가하는 경향을 나타내고 있다. BSEC과 CO에 있어서는 TVO5와 SO5가 거의 비슷한 값을 나타내는 반면 NOx의 경우는 SO5가 다른 연료에 비해 40-60ppm 작은 값을 나타낸다. NOx의 배출량에 대해서는 3.3절에서 고찰한다.

Figure 2

Change in combustion history due to injection timing (load:17.5kW, Pcr:40MPa)

Figure 3

Change in fuel consumption, CO and NOx emissions due to injection timing (load: 17.5kW, Pcr:40MPa)

Figure 4

Change in combustion history due to common rail pressure. (load:17.5kW, Tinj : 10° BTDC)

3.3 운전부하에 따른 연소특성

세 연료의 운전 부하에 따른 연소이력을 Figure 6에 나타내었다. 저부하에서는 세 연료가 거의 비슷하게 예혼합 연소만 일어나기 때문에 Figure 7 (a)에서 보는 바와 같이 세 연료의 BSEC가 거의 같은 것과 일치한다. 그러나 고부하로 갈수록 TVO5와 SO5는 GO에 비해 최고압력이 떨어지면서 확산 연소가 많아져 BSEC과 CO의 양이 많아지고 있다. 따라서 TVO5와 SO5는 GO에 비해 저부하에서 좋은 특성을 지니는 것을 알 수 있다. NOx의 양은 SO5가 다른 연료에 비해 30-100ppm 감소하는 추세를 나타낸다. 앞선 다른 조건들을 포함해서 SO5가 TVO5에 비해 NOx가 낮게 배출되고 있는데 이는 열발생율에서는 거의 차이가 없기 때문에 Table 2에 나타낸 것처럼 연료의 성분 내에 포함된 질소성분의 차이 때문으로 판단된다. 즉, TVO5가 SO5에 비해 질소성분을 0.5%wt. 더 많이 가지고 있으며, 이로부터 생성되는 Fuel NO가 TVO5의 NOx 배출량을 증가시키는 원인으로 고려된다.

Figure 5

Change in fuel consumption, CO and NOx emissions due to common rail pressure (load:17.5kW, Tinj:10˚BTDC)

Figure 6

Change in combustion history due to engine load (Pcr:40MPa, Tinj:10˚BTDC)

Figure 7

Change in fuel consumption, CO and NOx emissions due to engine load (Pcr:40MPa, Tinj:10˚BTDC)

4. 결 론

에스테르화한 바이오 디젤유에 비해 경제성이 좋은 비에스테르화 바이오 디젤유를 전자분사식 디젤기관에 적용하여 분사시기, 커먼레일 압력, 부하를 변수로 하여 실험한 결과는 다음과 같다.

[1] 에스테르화와 비에스테르화 바이오 디젤 혼합유는 모든 조건에서 경유와 다른 연소형태를 나타내었고 정미 에너지 소비율과 CO의 배출량이 높았으나 두 연료의 특성은 비슷하였다.

[2] NOx에 있어서는 TVO5에 비해 SO5가 전반적으로 30-100ppm 낮은 값을 나타내었고 이는 Fuel NO에 의한 것으로 사료된다.

References

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