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동하 장
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1 Chapter 1 Fuel Properties Prof. B.C.Choi School of Mechanical Engineering Chonnam Nat. Univ. Chapter 1 Fuel Properties 1. 탄화수소계연료. 석유계연료의기본성질 3. 자동차용연료 - 가솔린 - 디젤유 4. 대체연료 - 수소 - 함산소연료 ( 알코올, DME, Bio-Diesel etc.) - 천연가스 -LPG 1

2 탄화수소계연료의분자구조

3 3-3 Hydrocarbon Fuels - Gasoline SIE에주로쓰이는연료 탄화수소성분의혼합물 원유를정제하여얻음 분자량이클수록높은도에서증발 저온휘발성분 ( 낮은온도에서증발 ) 과고온휘발성분 ( 높은온도에서증발 ) 으로분류된다 가솔린온도-증발율곡선. 증발율 ( 온도 ): % 57C 5% 81C 9% 3C 3.3 탄화수소연료 파라핀 ( 알칸 ) 가장간단하고안정된탄화수소분자 CnHn+ Ex) 메탄 (CH4), 프로판 (C3H8), 부탄 (C4H) 메탄의구조 3

4 올레핀 하나의 중탄소-탄소결합을포함하는사슬분자로구성되어있고불포화되어있다. CnHn Ex) 에텐 (CH4), 부텐-1(C4H8), 부텐-(C4H8) 이소부텐 (C4H8) 3.3 탄화수소연료 디올레핀 3.3 탄화수소연료 개의 중탄소 - 탄소결합을가지고있는올레핀과비슷한사슬분자 CnHn- CH Ex).5-헵타디엔, 부타디엔 CH CH CH 4

5 3.3 탄화수소연료 아세틸렌 3 중탄소 - 탄소결합을가진불포화사슬분자 CnHn- Ex) 아세틸렌 (C H ) H-C C-H 3.3 탄화수소연료 시클로파라핀 단일연결고리 C n H n 의화학식을가진불포화분자 수소대신다양한라디칼이나부사슬을대체함으로써매우많은변형분자들이가능하다. Ex) 시클로부탄 (C4H8) 시클로펜탄 (C5H) 시클로부탄 5

6 3.3 탄화수소연료 방향족 중탄소 - 탄소결합으로이루어져있고불포화고리구조를가짐 ( 벤젠고리 ) CnHn-6 Ex) 벤젠 - 수소원자대신다양한집단으로대체 3.3 탄화수소연료 - 둘이상의수소원자대체로이성질체 방향족 - 둘이상고리결합 - 자동차엔진용가솔린성분으로서방향족 : 밀도가높아단위체적당에너지밀도가높다. 용해성 ( 다른성분과같이운반시주의 ), 물용해가용이 ( 저온에서물이나와동결 ) 6

7 3.3 탄화수소연료 ( 알코올 ) 알코올 분자구조가파라핀족과유사하며수소하나가수산화기 (OH) 로대체된분자구조를가진다. Ex) 메틸알콜 (CH3OH), 에틸알콜 (CH5OH) 3.4 옥탄가 옥탄가의정의 연료가얼마나잘자발화하는지를나타내는정도 ( 연료의자발화저항성 ) 옥탄가가높을수록자발화하기어렵다. 옥탄가를정하는방법 옥탄가 인이소옥탄 (,,4- trimethyllpentane) 과옥탄가 인 n-헵탄을표준연료로하여옥탄가를정한다. 7

8 3.4 옥탄가 옥탄가측정을위한시험조건 RON MON 기관속도 6 rpm 9 rpm 흡기온도 냉각제온도 오일온도 점화타이밍 13 btdc 19-6 btdc 스파크플러그간극.58 mm.58 mm 흡기압력 대기압 공연비 최대노크를위해조절 압축비 (3-3) 표준노크를가지도록조절. 석유계연료의기본성질 (1) 휘발성 V apor pressure at 5 mmhg Olefin Paraffine Naphthene Aromatic Heat of vaporization at boiling point kcal/mol 5 증기압 ( 동일탄소수 ) 올레핀 > 파라핀 > 나프텐 > 방향족 비등점 boiling point 올레핀 < 파라핀 < 나프텐 < 방향족 그림 1.3 증기압과증발잠열의비등점과의관계 8

9 () 착화점 : 외부착화원없이연소가지속 Ignition point 8 6 방향족 4 Paraffin Naphthene aromatic Olefin ---- Increas e in branch Carbon number 그림 1.4 착화점과탄화수소와의관계 Ignition point 6 5 Paraffin Naphthene Aromatic Olefin 방향족 Research octane number 그림 1.5 착화점과옥탄가와의관계 9

10 3. 자동차용연료 - 가솔린, 디젤유 5 NOx volumetric (ppm ) Premium grade 5 HC volumetric (ppm ) Permium grade Alkylate Alkylate speed : 15 rpm air/fuel ratio brake mean effective pressure(bemp) : 5kpa compression ratio : speed : 15 rpm air/fuel ratio brake mean effective pressure(bemp) : 5kpa compression ratio : 11 Fig.1.6 방향족함유율에따른 NOx의배출농도의변화Fig.1.7 방향족함유율에따른 HC의배출농도의변화 PAH emission (μg/kg fuel) Anthracene Fluoranthene 1-Methylanthracene Pyrene Benzo(a) anthracene Benzo(a) Py rene Benzo(ghi) Perylene PAH(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) Aromatic HC content of fuel(%vol) 그림 1.8 방향족함유율및종류에따른 PAH 의배출농도변화

11 옥탄가 Χ 14 1 NOx (ppm) air/fuel (1) 13.9 () 1. (3) knock none low intense (1) () (3) Research Octane Number(RON) 그림 1.9 옥탄가가가속시의차량성능에미치는영향 그림 1. NOx 에대한옥탄가의영향 함유량 (g 함산소화합물파라핀올레핀방향족 Bag Bag Bag 유황 (ppm) 그림 1.11 가솔린내의유황분이탄화수소의형태에미치는영향 11

12 CO 정화율 (%) NO 3 mg Pb/l HC x 3 주행거리 (mile) 그림 1.1 가솔린내의납성분이배기에미치는영향 디젤연료 particulate emission (g particulates/liter of fuel) Caterpillar diesel engine 3 17 ppm, mode 5 brake mean effective pressure (BEMP):585 kpa volume dilution 1:1 5:1 8:1 particulate emission (mg/m3 of exhaust gases) 4 caterpillar diesel engine 38 17rpm, mode 3 brake mean effective pressure 16 (BEMP) : 19 kpa fuel volume dilution 5:1 8:1 5:1 1 8 fuel 1 fuel1 fuel fuel3 4 fuel specific gravity 그림 1.14 PM 에대한밀도의영향 % weight > 6 그림 1.15 중질분유의 PM 에대한영향 1

13 그림 1.16 방향족의배기에대한영향 particulates(mg/m 3 ) Caterpillar diesel engine rpm, mode 3 brake mean effective pressure (BEMP) : 19kPa DI fuel 1 fuel volume dilution 5:1 8:1 5:1 fuel aromatics % weight 그림 1.17 DI 엔진의방향족에따른오염물배출경향 13

14 Motor octane number Octane-Heptane Benzene-Naphtha Benzene-Gasoline Alcohol-Gasoline Gas oil-industrial naphtha Ger ma S.O. fuel Hydrocarbon mixture Cetane number 그림 1.18 옥탄가와세탄가의관계 CO (g/kwh) 15 5 natural aspiration Turbo charged HC (g/km) turbo charged natural aspiration NOx (g/kwh) cetane number turbo charged natural aspiration cetane number particulates (g/km) cetane number turbo charged natural aspiration cetane number 그림 1.19 세탄가에따른배기의변화 14

15 white s moke initiation point (mm Hg x ) 4 vechicle at 5rpm 3 1 γ = cetane number 그림 1. 세탄가의스모크에대한영향 particulate emission(g/kwh) cruising speed..9 DI tuirbo engine solid carbon.8 composition water.7 sulfates.6 soluble organic fraction diesel fuel (S:.%) fuel+direct buty l disulfide(s:.55%) 그림 1.1 PM 에대한황성분의영향 15

16 1 without additive with additive particulates without additive with additive CO particulates (g/test) CO (g/test) C B E fuel without additive HC - NOx with additive C B E fuel without additive with additive HC 6 3 HC-NOx (g/test) HC (g/test) C B E fuel C B E fuel 그림 1. 표면첨가제의배출가스에대한영향 CO (ppm) 16 8 % water CO 5% water disel without water air/fuel ratio UHC % water HC 5% water disel without water air/fuel ratio % reuction particulates % % % reduction of SOF % 5% load (%) load (%) 그림 1.3 물첨가에따른배기농도의변화 16

17 HC ppmc Two-stroke gasoline rpm 45 rpm 3 rpm HC ppmc 1 Two-stroke H engine L-3rpm L-45rpm 15.5 L-rpm H-3rpm Power PS Power PS 그림 1.4 수소연료의연소배출물의특성 four-storke H engine four-storke gasoline engine ( =1.) NOx (ppm) Two-stroke engine L-method 3 G H-meth 5 15 power rat 그림 1.5 LH 에너지밀도 17

18 37 질량당에너지밀도 (MJ/kg) 8 체적당에너지밀도 (MJ/l) Gasoline LH MH HP Gasoline LH MH HP 그림 1.6 수소의고압저장법에너지밀도 NOx emission (g/kwh) 1 unburnt HC emissions (g/kwh) gasoline gasoline 15 8 M1 6 M15 meth 4 5 meth air/fuel ratio λ air/fuel ratio λ 1.7 알콜엔진의배출가스배출특성 18

19 BSFC Original 정제유.5 大豆해바라기땅콩유면실유 그림 1.8 식물류엔진의내구특성 배출가스의배출율 (g/km) Gasoline regulation Pilot Mixer CO THC NOx 그림 1.9 천연가스전용의경량차량및매출가스특성 19

20 그림 1.3 중량차용, CNG 예혼합불꽃점화엔진의구성 3 혼합기 4 감압변 5 에어필터 6 가스차단변 7 가스엔진 8 가스탱크 11 전자제어 1 람다센서제어 13 산화촉매 14 터보차저 15 공기식 그림 1.31 린번방식엔진시스템의구성

21 Homework 1 우리나라의과거 3년동안자동차용연료 (1) 가솔린 () 디젤유연료성분 ( 옥탄가, 세탄가, S, Pb, etc.) 의변화과정을법규기준으로조사하여보라. Due date : 일주일이내 1

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ePapyrus PDF Document Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2013. 4), Vol. 24, No. 2, pp. 136~141 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2013.24.2.136 흡기관 분사식 수소 SI기관의 희박과급 적용에 관한 연구 이광주 1 ㆍ이종구 1 ㆍ이종태 2 1 성균관대학교