본 실험에 사용된 실험장치의 구성도는 Figure 1과 같고, 실험기관은 실습선발전기용 디젤기관으로 주요 제원은 Table 1과 같다.

Figure 1: 
Schematic diagram of experimental apparatus

기관의 출력은 발전기에서 생산된 전력을 이용하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 계측기기(MIP2000)를 설치하여 계측하였으며, 연료소비율의 측정은 고정도 연료소비량계(OVAL, Flow PET-EN)를 사용하였고, 또한 배기배출물의 측정은 배기분석기(Testo 350M-XL)를 사용하였으며, 매연은 광투과식(MEXA-130S) 및 Bosch식 측정기를 사용하였다.

실험에 사용된 연료유의 화학적 성분과 물리적 성질은 Table 2와 같고, 본 연구에서는 기관회전속도 1200rpm으로 일정히 유지하고, 바이오연료 체적비율 0%~30%로 10% 간격으로 변화를 주고, 기관부하를 부분 저부하 0kW에서 90kW까지 30kW간격으로 변화시키면서 실험하였다.

실험을 하는 동안 수냉식 열교환기를 사용하여 기관의 냉각수와 윤활유 온도를 일정하게 유지하였고 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 연소실 압력상승률 선도 등을 취득하였으며, 각 부위(배기관 입‧출구, 냉각수 입‧출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다. 연소압력 측정방법은 실린더 1번에 계측기기(MIP 2000)연결하여 계측하였고, 신호는 크랭크 축에 연결된 회전엔코더 등으로부터 데이터를 계측하였다.

또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0”점 조정하고, 표준가스(측정범위의 80%인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였다.

Figure 2는 기관회전수 1200rpm에서 부하의 변화와 바이오연료 비율 변화에 따른 연료소비율을 나타낸 것이다. 연료소비율은 부하가 30kW에서 90kW로 증가함에 따라 감소하고, 비율이 증가할수록 점점 증가했으며, 바이오연료 체적비율 BDF 10%는 부하 60kW에서 최고 1.68% 증가하였고, 평균은 1.12% 증가하였다. BDF 20%는 부하 60kW에서 최고 3.62% 증가하였고, 평균은 2.31% 증가하였다. BDF 30%는 부하 60kW에서 최고 4.86% 증가하였고, 평균은 3.46% 증가하였다. 동일한 출력을 발생시키기 위해서는 그 만큼의 발열량이 필요한데 바이오연료는 약 14% 작으므로, 연소실의 압력이 저하가 되어서 더 많은 연료가 필요하여 증가하였다[6]. 이것은 바이오연료에 함유되어 있는 약 9.7%의 용존산소가 연소과정에서 산소와 접촉하는 량이 많아지므로 완전연소에 좀 더 가깝게 할 수 있기 때문으로 생각된다. 실험결과도 바이오연료 첨가하는 비율에 비하여 연료소비율이 산소함유량 영향으로 크게 증가하지 않음을 알 수 있었다.

Figure 2: 
Specific fuel consumption of various biodiesel fuel at 1200rpm

NO_X의 배출량은 Figure 3와 같으며, 30kW에서 90kW로부하가 증가할수록 NOX의 배출량이 증가하는 경향으로 나타났고, 바이오연료비율이 증가 할수록 더욱더 많이 발생되었다. 바이오연료 체적비율 BDF 10%는 부하 90kW에서 최고 2.52% 증가하였고, 평균 1.63% 증가하였다. BDF 20%는 부하 90kW에서 최고 4.97% 증가하였고, 평균 3.01% 증가하였다. BDF 30%는 부하 90kW에서 최고 7.48% 증가하였고, 평균 4.35% 증가하였다. NOx는 고온연소 과정 동안에 질소와 산소가 고온으로 반응하여 생성되므로 용존산소가 연소를 활성화하여 고온을 발생시켰고, 또한 바이오연료에는 세탄가가 높아 연소실내의 순간온도가 상승되어 배출량이 증가된 것으로 생각된다[7]. 이것은 실린더내의 압력이 상승하므로 연소실 온도가 증가되어 NOx의 생성량이 많아진 것으로 사료된다[8].

Figure 3: 
NOx emission characteristics of various biodiesel fuel at 1200rpm

CO의 배출량은 Figure 4와 같으며, 부하가 증가하면 할수록 부하 75%에 일반적으로 아래로 볼록한 형태로 감소하는 경향인데, 실습기관의 운전이 저부하 부분이기에 그 형상은 나타나지 않고, 바이오연료 비율이 증가에 따라서 약간 씩 감소하는 경향이다. 바이오연료 체적비율 BDF 10%는 평균 –3.91% 감소하였으며, BDF 20%는 평균 –6.60% 감소하였고, BDF 30%는 평균 –11.27% 감소하였다. 산소가 부족하여 CO가 발생하고, 발생한 CO가 완전한 연소를 하지 못한 상태에서 배출되기 때문이다[9]. Lim은 CO가 연소되어야할 연료에 대하여 산소가 부족한 상태에서 발생하며, 일반적으로 디젤기관에서는 전부하시 CO농도가 급증하지만, 저 부하에서도 CO농도가 많이 발생하여 증가한다. 본 실험결과에서 산소함유량이 완전연소를 촉진하여 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.

Figure 4: 
CO emission characteristics of various biodiesel fuel at 1200rpm

매연의 배출량은 Figure 5와 같다. 부하가 증가할수록 많이 증가하였으며, 바이오연료 비율이 증가함에 따라서 매연배출물은 감소하는 경향을 나타내었다. 바이오연료 체적비율 BDF 10%의 평균 –4.51% 감소하였으며, BDF 20%는 평균 –12.78% 감소하였고, BDF 30%는 평균 –20.50% 감소하였다. 그것은 바이오연료에 포함된 산소함유량이 연소과정에서 분사된 연료의 증발이 지속되어 연료증기의 양이 많아지게 되고 급격한 연소로 실린더 내의 온도가 증가하여 매연입자가 산화될 수 있는 기간이 증가하기 때문이다[10]. 본 실험결과에서도 바이오연료의 첨가비율이 증가 할수록 매연미립자는 많이 감소함을 알 수 있었다.

Figure 5: 
Soot emission characteristics of various biodiesel fuel at 1200rpm

Figure 6, 7은 크랭크 각도에 대한 실린더 압력을 나타낸 그림이며, 부하가 증가함에 따라 압력이 상승하는 경향이 나타났다. 바이오연료 비율이 증가함에 따라 약간의 감소와 비슷한 경향을 보이고 있다.

Figure 6: 
Cylinder pressure and rate of pressure rise of various load at 1200rpm and BDF 0%

Figure 7: 
Cylinder pressure and rate of pressure rise of various load at 1200rpm and BDF 30%

연소실 최고압력 시점이 부하가 증가하면서 약간 빠른 것은 연소실 온도의 상승으로 인해 착화시기가 빨라진 것으로 판단된다. 그리고 바이오연료에는 디젤경유 비해서 특정 성분이 포함하고 있는데, 이것은 높은 점도와 세탄가 등이 있어서 연소에 미치는 영향이 크다. 또한 발열량이 14% 적고, 산소함유량은 9.7%가 많은 특징이 있다. 이런 부분에 많은 연구자들이 기관의 회전수와 부하 등의 영향으로 압력이 높은 경우가 있고, 낮은 경우가 있다고 하였다[11]. 본 연구결과에서도 바이오연료의 비율이 증가하였을 때 연소실 압력이 비슷하거나 약간 감소하는데, 그 이유는 바이오연료에 적은 발열량으로 압력이 많이 낮을 거라고 생각했지만, 실제로 약간 낮거나 비슷하였기에 산소함유량과 세탄가가 높아서 연소과정을 촉진시켜서 완전연소를 형성하는데 기인하였기 때문으로 생각된다.