Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. 30 June 2022. 39-45
https://doi.org/10.15231/jksc.2022.27.2.039

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 장치 및 방법

  •   2.1 액적 연소 실험 장치

  •   2.2 연소 실험 데이터 분석 방법

  •   2.3 실험 연료와 물성치

  • 3. 실험 결과 및 고찰

  •   3.1 에멀젼 연료 액적의 미소 폭발 특성

  •   3.2 순수 연료와 에멀젼 연료 액적의 점화지연 비교

  •   3.3 액적 화염 소멸 및 수명 시간 비교

  • 4. 결 론

1. 서 론

내연기관 엔진에서 사용되고 있는 대표적인 에너지원은 가솔린(Gasoline)과 디젤(Diesel) 연료이다. 최근 배기 배출물 규제 및 배터리 기술 향상으로 가솔린을 주로 사용하는 자동차 수송 산업은 전기 동력원을 사용할 수 있는 차량으로 전환되고 있지만, 장거리 주행거리와 지속적인 운행이 필요한 수송용 상용 대형 차량은 긴 충전시간이 요구되는 전기를 보조 또는 주 동력원으로 사용하기 어려운 문제가 따른다[1, 2].

이러한 문제점을 개선하고자 친환경 에너지 개발 및 환경 오염 물질 저감을 위한 다양한 연구가 수행되었다. 이러한 연구 분야 중, 디젤 엔진의 매연 저감을 위한 대체 에너지 연구가 활발히 수행되고 있다[3, 4]. 이와 관련된 다양한 연구 분야 중 하나로 기존 탄화수소 연료의 배기 배출물 저감을 극대화하기 위한 연료(Fuel)와 물(H2O)을 혼합한 에멀젼(Emulsion) 연료 연구가 활발히 수행되었다. 에멀젼 연료는 서로 다른 두 액체(Liquid)의 혼합물로 연소 특성 변화를 위해 사용하며 주요 특성 변화로 미소 폭발(Micro-explosion) 현상이 있다. 미소 폭발은 액적(Droplet) 안에서 서로 다른 물성을 갖는 액체 간의 비등점 차이로 인하여 먼저 기화된 액체에 의해 액적이 팽창하다가 폭발하는 현상이며, 이로 인해 연료가 미립화되는 대표적인 특성을 갖는다[5].

이 과정에서 미소 폭발로 미립화된 연료는 공기와의 접촉 면적이 증가해 연소 효율이 증가되며, 연소 과정에서 물의 증발 잠열에 의해 단일 연료 연소보다 화염의 최대 온도가 낮아진다[6]. 이러한 효과로 인해 에멀젼 연료를 적용했을 때 기존보다 낮은 온도로 연소하기 때문에 고온에서 발생하는 질소 산화물(Nitrogen oxide, NOX)과 입자상 물질(Particulate matter, PM)의 발생량이 각각 40%와 35% 감소하는 연구 결과가 보고되었다[7]. 이러한 NOX와 PM의 저감 효과는 환경 오염에 대한 대안으로 에멀젼 연료가 주목받는 가장 주요한 요인으로 사료된다.

바이오디젤 연료는 디젤 연료보다 CO(Carbon monoxide), HC(Hydrocarbon), PM및 Soot 저감에 효과적이지만 질소 산화물 배출이 증가하는 단점이 있다[8]. 이러한, 바이오디젤과 물을 혼합한 에멀젼 연료를 사용하면 에멀젼 연료의 효과인 NOX 저감이 발생함을 선행 연구를 통해 확인 가능하다[9].

또한, 디젤 에멀젼 연료를 적용한 선행 연구에서 디젤-물 에멀젼 연료 연소 시 발생하는 NOX와 PM 저감에 효과를 입증한 실험적 연구 및 디젤 에멀젼 연료가 토크와 출력에 미치는 영향 분석 등 다양한 선행 연구가 수행되었다[10, 11].

하지만 배기 배출 저감에 더 효과적인 바이오디젤 에멀젼 연료의 연소 특성에 관한 연구는 미비하다. 이에 따라, 연료의 기초적인 연소 특성 연구에 특화된 액적 연소 실험을 수행하여 바이오디젤 에멀젼 연료 연소 특성 분석이 필요하다. 또한, 실험으로 얻은 디젤 에멀젼과 바이오디젤 에멀젼 연료의 특성이 비슷하면 디젤 에멀젼 연료에서 진행된 선행 연구 결과들로 바이오디젤 에멀젼 연료에서의 적용 가능성을 판단할 수 있을 것이다.

따라서, 본 연구에서는 디젤, 바이오디젤 단일 연료와 물을 혼합한 에멀젼 연료의 연소 특성 및 기초 화염 특성을 비교 분석하기 위해 단일 액적 연소 실험을 적용하여 실험 연구를 중점으로 수행하였다. 에멀젼 연료의 경우, 물의 함량 증가에 따라 발생하는 강한 미소 폭발 및 실화(Misfire) 문제를 최소화할 수 있는 5 Vol% 함량을 적용하였고, 에멀젼 연료 액적이 연소를 시작한 후 생성된 화염이 소멸하기까지의 전체 연소 기간을 분석하였다. 이에 따라, 액적 연소 시 나타나는 적용 연료의 연소 특성 및 화염 거동 특성인 미소 폭발, 점화지연(Ignition delay), 화염 소멸(Flame Extinction), 수명 시간(Life time)을 디젤, 바이오디젤 순수 연료 및 디젤, 바이오디젤 에멀젼 연료 두 종류와 액적 직경 변화에 따른 실험 연구 결과로 비교하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 액적 연소 실험 장치

본 실험 연구에서 사용된 장치는 Fig. 1과 같이 두 개의 알루미늄 레일과 실험용 고정대(Wood panel)를 제작하였고, 지름 6.0 mm 저항 4.33 /m 열선을 활용하여 코일 형태의 점화기로 사용하여 구성하였다. 연료 액적의 연소를 위해 강선(Fiber)을 사용하여 액적을 고정하였으며, 전원 공급 장치(Power supply; TPE-3010S)와 직접 연결된 코일 점화기를 활용하여 액적 연소를 위한 열원이 공급되도록 하였다. 실험에 사용된 전원 공급 장치는 출력 전류와 전압을 최대 10 A, 30 V만큼 인가시킬 수 있으며 전원 공급 장치에 대한 제원(Specification)은 Table 1과 같다. 점화기로부터 공급된 열원은 고정된 연료 액적에 자발화(Auto-ignition) 현상으로 점화되어 연소를 진행하는 실험을 수행하였다. 본 연구에서 단일 액적 연료 연소를 위해 적용된 출력 전류와 전압은 각각 9.0 ~ 9.4 A 및 10.5 V로 실험 장치를 구성하였다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of droplet combustion systems [12].

Table 1.

Specification of power supply system

Content Condition
Current (A) 10
Watt (W) 300
Voltage (V) 30
Mode Constant current (9.0 ~ 9.4 A)
Constant voltage (10.5 V)
Dimension
(W × H × D, mm)
213 × 88 × 362

액적 연소 과정은 고해상도 초고속 카메라(High speed camera; Phantom Miro Lab110)를 통해 촬영 속도 1000 fps, 이미지 해상도 780 × 780 조건을 적용하여 전체 연소 과정에 대한 이미지를 취득하였다. 이미지 취득 과정은 전원 공급 장치에서 전원 공급과 동시에 오실로스코프(Oscilloscope; DLM2022)에서 초고속 카메라로 신호가 전달되어 전체 연소 과정을 촬영한 후 실험 이미지를 취득하였다.

2.2 연소 실험 데이터 분석 방법

초고속 카메라로 취득한 액적 연소 이미지들은 MATLAB을 사용하여 이미지를 후처리하였다. Fig. 2의 후처리 과정에서 명도 임계값(Threshold value)을 설정하여 원본 이미지에서 0.6 이상의 명도 영역만 추출하여 필터링하기 때문에 필터링을 거친 화염의 길이는 원본보다 다소 축소된 경향이 있다. 또한, 미소 폭발로 미립화된 액적의 경우에는 명도가 충족되지 않기 때문에 이미지 후처리 과정에서 화염에 비해 식별에 어려움이 있어, 미소 폭발에 대한 이미지는 원본 이미지를 사용하여 분석하였다. 이러한 후처리 과정을 통해 점화지연, 화염 소멸, 액적 연소 수명을 분석하였다.

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Fig. 2.

Image post-processing with MATLAB [12].

점화지연은 열선에 전류가 공급된 시점부터 연료 액적이 산화하여 화염 발생까지 소요된 기간이다. Fig. 3(a)에서 전원 공급 장치가 작동하여 전류를 인가받은 열선으로부터 가열된 연료 액적이 자발화되어 화염이 발생하는 시점인 Fig. 3(b)까지 측정된 시간이 점화지연을 의미한다. 또한, 액적 연소 시작 이후 화염이 소멸되는 Fig. 3(c)를 화염 소멸로 정의하였다. 이때, 화염 소멸 시점과 점화지연 사이의 시간 차를 계산하여 수명 시간으로 정리하였다.

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Fig. 3.

Definition of combustion process.

미소 폭발 발생 시기는 Fig. 4와 같이 액적에서 미립화가 발생되는 시간을 측정하여 정리하였다. 이러한 과정으로 얻어진 실험 데이터들은 본 실험 연구에 적용된 6가지 연료 종류의 단일 액적 연료에 대한 증발 및 화염 거동 특성 분석을 위해 기초 실험 연구 자료로 사용하였다.

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Fig. 4.

Micro-explosion image during the combustion process.

Fig. 5는 미소 폭발이 강하게 발생하여 연소가 중단되거나 급격한 연료 소모로 인한 실화 현상이 발생하는 결과를 나타낸다. 강한 미소 폭발로 퍼져나가는 연료들이 연소하면서 화염의 크기가 순간적으로 팽창되어 연소하고, 폭발 후 남아있는 연료 액적 직경이 작아 연소가 짧게 진행되거나 폭발과 함께 화염이 소멸하였다. 이러한 이유로 강한 미소 폭발이 발생하면 분석에 필요한 데이터를 얻지 못하였다. 이에 따라, 물의 함량이 높을수록 미소 폭발의 강해짐을[13] 억제하기 위해 에멀젼 연료 혼합 시 물 함량을 5.0 Vol%로 설정하였다.

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Fig. 5.

Powerful micro-explosion characteristics after ignition.

2.3 실험 연료와 물성치

본 실험 연구에서는 디젤, 팜유, 카놀라 및 에멀젼 연료를 적용한 액적 연소 실험을 수행하였다. 각 연료가 갖는 대표적인 물성치는 인화점, 밀도, 점도, 세탄가이며, 두 연료의 물성치를 Table 2와 같이 정리하였다. 바이오디젤 연료는 인화점, 밀도, 점성, 세탄가 등의 물성치가 디젤 연료에 비해 높게 나타나는 특성이 있다.

Table 2.

Properties of fuels

Content Diesel Biodiesel (Canola) Biodiesel (Palm)
Flash point (°C) 65 ~ 88 172 172
Density (kg/m3) 838 883 874
Viscosity
(@40°C, mm2/s)
2.4 4.2 4.2
Cetane number 38 ~ 53 55 ~ 70 55 ~ 70
FAME content
(Wt. %)
98.6 98.6
H2O content
(Wt. %)
0.01 0.02
Boiling point (°C) 180 ~ 380 338.13 303.6

연료-물 에멀젼 연료는 균일한 혼합이 중요하며 이를 위해 계면활성제를 사용하는 방법을 본 연구에 적용하였다. 계면활성제는 친수성(Hydrophilic) 머리와 소수성(Hydrophobic) 꼬리가 결합한 화합물로 물과 기름을 혼합하는 특성이 있어 에멀젼 연료 혼합에 사용되었다.

본 실험 연구에서 사용된 에멀젼 연료는 디젤, 바이오디젤 연료 부피의 5.0 Vol% 물(Water)과 0.5 Vol%의 CA-90 계면활성제를 연료에 첨가하여 균일한 혼합을 위해 자석 교반기를 사용하여 300 rpm, 35°C로 30 min 동안 연료를 혼합하여 사용하였다. 에멀젼 연료는 순수 연료와 비교를 위해 D-W, BDP-W, BDC-W로 정의하였다. 실험에 적용된 연료들의 액적 연소 특성을 비교하기 위한 실험 연료 및 실험 조건은 Table 3과 같다.

Table 3.

Experimental conditions

Description Specification
Test fuel Diesel, Bio-diesel (Palm, Canola)
D-W, BDP-W, BDC-W
Planned initial diameter (mm) 1.4 ~ 1.7
Actual initial diameter (mm) 1.387 ~ 1.731
Voltage (V) 10.5
Current (A) 9.0 ~ 9.4
Igniter temperature (°C) 200 ~ 220
Fuel type Diesel
(Vol%)
Palm
(Vol%)
Canola
(Vol%)
Water
(Vol%)
Mixing
ratio
Diesel 100 - - -
BDP - 100 - -
BDC - - 100 -
D-W 95 - - 5
BDP-W - 95 - 5
BDC-W - - 95 5

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 에멀젼 연료 액적의 미소 폭발 특성

Fig. 6은 디젤 에멀젼 연료와 바이오디젤 에멀젼 연료의 연소 거동 과정으로 점화, 미소 폭발, 미소 폭발 후 연소, 화염 소멸을 관찰할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 미소 폭발은 에멀젼에 함유된 물이 액적 안에서 기화되어 팽창하다 폭발하는 현상이기 때문에 베이스 원료의 물성이 중요하다. 디젤 연료의 경우, 상대적으로 낮은 점성으로 인해 팽창을 억제하는 힘이 약해져 미소 폭발이 상대적으로 약하게 일어나며 액적의 미립화가 적게 발생한다.

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Fig. 6.

Combustion behavior of emulsion fuels.

하지만, 바이오디젤 연료의 경우 상대적으로 높은 점성에 의해 디젤 에멀젼 연료보다 더 오랜 시간 팽창 가능하며 이를 통해 더 강한 폭발과 분열이 발생한다[14]. 따라서 바이오디젤 에멀젼 연료는 디젤 에멀젼 연료보다 미소 폭발의 발생 빈도와 미소 폭발과 함께 미립화가 많이 발생하기 때문에 액적 직경 감소에 더 크게 영향을 받는다. 점화지연이 빠른 액적은 미소 폭발이 점화보다 빠르거나 동시에 발생하지만, 점화지연이 증가한 액적은 점화지연 이후 미소 폭발이 발생하는 결과를 Fig. 7에서 확인 가능하다.

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Fig. 7.

Micro-explosion and ignition delay of emulsion fuel.

미소 폭발은 에멀젼 연료 혼합을 위해 사용된 물이 실험 연료의 점도나 표면 장력과 같은 물리적 물성 변화에 영향을 미치고, 연료의 특성이 결과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서, 후속 연구를 통해 에멀젼 연료의 물성 변화가 미소 폭발과 점화지연 결과에 미치는 영향을 분석하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.

3.2 순수 연료와 에멀젼 연료 액적의 점화지연 비교

Fig. 8에서 (a)와 (b)는 각각 디젤, 바이오디젤과 에멀젼 연료의 점화지연을 그래프로 나타냈다. 바이오디젤 에멀젼 연료는 순수 바이오디젤 연료보다 점화지연이 감소하는 경향을 보였다. 이는 상대적으로 강하게 발생하는 미소 폭발이 점화지연을 감소시키는 현상을 야기하여 나타난 것으로 사료된다.

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Fig. 8.

Ignition delay of pure fuel and emulsion fuel.

하지만, 디젤 에멀젼 연료는 순수 디젤 연료보다 점화지연이 증가하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 디젤 에멀젼 연료의 미소 폭발의 영향으로 인한 점화지연의 감소보다 액적 내 물의 증발 잠열이 열을 흡수하여 점화지연 시간이 증가하기 때문에 나타난 것으로 사료된다[16].

3.3 액적 화염 소멸 및 수명 시간 비교

Fig. 9는 화염 소멸 시간에 대해 비교한 그래프이다. 앞서 언급했듯이 강한 미소 폭발이 발생하는 바이오디젤 에멀젼 연료는 미소 폭발로 화염에 공급되는 연료량이 감소하여 순수 바이오디젤 연료보다 화염 소멸 시간이 감소하는 결과가 나타났다. 이러한 현상은 Fig. 10과 같이 수명 시간에 영향을 미친다. 수명 시간은 화염 소멸과 점화지연 시간의 차이기 때문에 화염 소멸 시간의 감소는 수명 시간 감소로 이어진다. 따라서, 미소 폭발로 인한 미립화가 발생하는 에멀젼 연료들은 화염에 공급되는 연료량이 줄어들어 화염 소멸 시간과 수명 시간이 순수 연료에 비해 상대적으로 감소하였다. 또한, 실험에 적용된 모든 연료의 화염 소멸과 수명 시간 결과에서 초기 액적 직경이 증가하면 초기에 공급되는 연료의 양의 증가해 화염 소멸 시간과 연소 수명이 증가하는 모습을 보였다[12].

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Fig. 9.

Flame extinction of pure fuel and emulsion fuel.

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Fig. 10.

Life time of pure fuel and emulsion fuel.

디젤 에멀젼 연료는 액적 직경이 1.4 mm 일 때, 순수 디젤 연료보다 수명 시간이 짧게 나타났지만 액적 직경이 1.6 mm 일 때 수명 시간은 길어진 결과를 보였다. 본 실험 연구의 특성상 액적 연료의 화염이 생성될 때까지 열원이 공급되기 때문에 Fig. 8(a)에서와 같이 점화지연은 초기 액적 직경에 상관없이 평균적으로 비슷한 경향을 갖는다. 하지만, Fig. 8(b)를 통해 확인 가능하듯이, 일부 실험 결과에서 액적 직경이 작을수록 점화지연이 다소 증가하는 경향을 보였고 동시에 화염 소멸 시간이 감소하는 결과를 보였다. 이는 점화지연이 증가하면 연료의 증발이 길어짐으로[15] 점화 시 액적에 남은 연료량이 적어져 화염 소멸 시간이 감소한 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구는 디젤, 바이오디젤 연료와 디젤, 바이오디젤 에멀젼 연료의 액적 연소 실험을 수행하여 점화지연, 미소 폭발, 화염 소멸, 수명 시간에 대한 각 연료의 연소 특성의 차이점을 비교 분석하였고, 다음과 같은 결론들을 얻었다.

1) 에멀젼 연료의 연소 거동 특성인 미소 폭발은 점성이 높을수록 미소 폭발이 강해지는 경향을 보이며, 상대적으로 점성이 낮은 디젤 에멀젼 연료의 미소 폭발은 바이오디젤 에멀젼 연료에 비해 상대적으로 약한 경향을 나타냈다.

2) 바이오디젤 에멀젼 연료는 순수 연료보다 점화지연이 감소하며 이는 미소 폭발로 발생한 미립화 현상때문에 액적 크기가 감소하여 나타난 현상으로 사료된다. 하지만, 미소 폭발이 약하게 발생할 경우, 미립화로 인한 액적 직경 감소가 크지 않고, 물의 잠열이 열을 흡수하여 순수 연료보다 점화지연이 증가된 것으로 판단된다.

3) 미소 폭발이 강하게 일어난 바이오디젤 에멀젼 연료는 화염에 공급되는 연료량이 감소하여 화염 소멸 시간이 감소하였다. 이와 반대로, 모든 연료 액적에서 초기 액적 직경이 증가함에 따라 화염 소멸 시간이 증가하는 결과를 보였다.

4) 미소 폭발 발생은 액적의 크기와 화염 소멸 시간 감소에 영향을 미쳤으며, 이러한 화염 소멸 시간 감소는 수명 감소에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 초기 액적 직경 증가는 공급되는 연료의 양을 증가시켜 화염 소멸 시간 증가와 함께 수명 시간이 증가하는 결과를 보였다.

기호설명

BDP: Palm based biodiesel

BDC: Canola based biodiesel

Emulsion fuel:Mixture of fuel and water

D-W: Diesel water emulsion

BDP-W: BDP based water emulsion

BDC-W: BDC based water emulsion

Acknowledgements

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2020R1A2C1011641).

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