DBPIA-NURIMEDIA

Size: px

Start display at page:

Download "DBPIA-NURIMEDIA"

재민 곡
5 years ago
Views:

1 Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 3, pp (2009) Copyright C 2009 KSAE /2009/ 디젤연소가능청정연료 (ULSD, Bio-Diesel, DME) 엔진의극미세입자정량화및촉매영향 이진욱 *1) 배충식 2) Alessandro Schönborn 3) Nicos Ladommatos 3) 숭실대학교기계공학과 1) 한국과학기술원기계공학과 2) 런던대학교 (UCL) 기계공학과 3) Characteristics of Nano-particle Emitted by Auto-ignited Engine with ULSD, Bio-diesel and DME Fuel and Effects of Oxidation Catalyst on Its Reduction Jinwook Lee *1) Choongsik Bae 2) Alessandro Schönborn 3) Nicos Ladommatos 3) 1) Department of Mechanical Engineering, Soongsil University, Seoul , Korea 2) Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon , Korea 3) Department of Mechanical Engineering, University College London, London, WC1E 7JE, U. K. (Received 24 September 2008 / Accepted 29 October 2008) Abstract : In this experimental study, the effects of clean alternative fuels compatible with diesel combustion on nano-sized particle emission characteristics were investigated in a 0.5L auto-ignited single-cylinder engine with a compression ratio of 15. Because the number concentration of nano-sized particles emitted by automotive engine, that are suspected of being hazardous to human health and environment, might increase with engine fuel considerably and recently attracted attention. So a ultra-low sulfur diesel(ulsd), BD100(100% bio-diesel) and Di-Methyl Ether(DME) fuels used for this study. And, as a particle measuring instrument, a fast-response particle spectrometer (DMS 500) with heated sample line was used for continuous measurement of the particle size and number distribution in the size range of 5 to 1000nm (aerodynamic diameter). As this research results, we found that this measurements involving the large proportion of particles under size order of 300nm and number concentration of allowed a single or bi-modal distribution to be found at different engine load conditions. Also the influence of oxygen content in fuel and the catalyst could be a dominant factor in controlling the nano-sized particle emissions in auto-ignited engine. Key words : Auto-ignited combustion( 자기착화연소 ), ULSD fuel( 초저유황디젤유 ), Bio-diesel fuel( 바이오 - 디젤유 ), DME( 디메틸에테르 ), Oxidation catalyst( 산화촉매 ), Nano-sized particle( 극미세입자 ), Particle number density ( 입자개수농도 ), DMS(Differential Mobility Spectrometer) 1. 서론 1) 대도시대기오염의주원인이경유자동차로부터배출되는매연과입자상물질 (particulate matters) 임을고려할때, 이의생성메카니즘분석및측정방법의확립을통한입자상물질저감기술개발은매우 * Corresponding author, immanuel@ssu.ac.kr 중요하다. 이러한입자상물질측정및저감기술은현재디젤엔진배출가스제어의핵심이며, 이는상대적으로우수한열효율과연비 (CO 2 저감 ) 특성을가지는청정디젤엔진의장래와관련하여반드시해결되어져야한다. 이런맥락에서 2000년 12월유럽연합 (EU) 환경위원회는디젤입자상물질뿐만아니라자동차에서배출되는나노크기 (10억분의 1 81

이진욱 배충식 Alessandro Schönborn Nicos Ladommatos 미터 ) 수준의극미세입자 (nano particles) 로인한대기오염및인체유해영향연구를진행하면서현재의 PM질량측정방법을대체할새로운측정법및기준마련을위해 PMP(Particle Measurement Programme) 진행을결정하였다.

2 이진욱 배충식 Alessandro Schönborn Nicos Ladommatos 미터 ) 수준의극미세입자 (nano particles) 로인한대기오염및인체유해영향연구를진행하면서현재의 PM질량측정방법을대체할새로운측정법및기준마련을위해 PMP(Particle Measurement Programme) 진행을결정하였다. 1) 이러한입자상물질은연료의탄화수소계의불완전연소에기인하며, 일부는엔진윤활유에의한연소에서발생되는데, Fig. 1 과같이대부분의입경은 2.5 μm보다작으며, 이중 0.1 μm미만의극미세입자가 50~90% 를차지하고있다. 이로인한인체유해성 ( 폐암발생율 ) 은이미심각한것으로알려져있는데, 특히극미세입자를포함한디젤입자상물질을발암물질로분류하고있다. 이는작은입자일수록인체내깊숙이침투하여인체호흡기뿐만아니라폐속깊숙이폐포 (alveoli) 까지침착될확률이높은것으로알려져있다. 2,3) 따라서이를통해자동차에서배출되는극미세입자특성을체계적으로파악하여현재질량농도와동시에향후이의크기와개수농도를본격적으로규제할예정이다. 이러한입자상물질의주요성분은크게고체탄소입자 (carbon cluster) 와유기성용제 (organic solvent) 로제거할수있는성분인용해성유기물 (SOF, soluble organic fraction) 그리고황산염 (sulfuric acid; sulfates) 과이산화황등의무기성분 (inorganic species) 으로구성되어져있다. 4) 따라서현재에는청정대체연료사용및후처리기술적용등을통해보다효과적으로이의저감을도모하고있다. 청정대체연료관련연구에서는주로엔진의별도개조없이일정량의바이오디젤을기존경유와혼합한연료의분무및연소성능에대한분석을통해바이오디젤혼합비율의실용가능성에대한연구결과를제시하고있다. 5,6) 또한디메틸에테르 ((Dimethyl Ether, 이하 DME) 는천연가스나석탄그리고바이오매스등의다양한에너지원으로부터제조가능한데, 특히약 35% 의산소함유율과 55이상의높은세탄가로인해디젤차량의청정대체연료로주목받고있다. 7) 현재에는단점인저점도특성으로인한연료계의마모와연료누설그리고주위온도 / 압력조건에따른연료물성치 ( 탄성계수와밀도 ) 변동억제등에대한연구를주로수행하고있다. 이러한연구배경을가지고본연구에서 는연소효율측면에서상대적으로유리한압축자기착화엔진에적용할수있는연료인 100% 순수바이오디젤 ( 이하 BD100), 100% DME 그리고황함유량이 10ppm이하인초저유황디젤연료 (ultra-low sulfur diesel, 이하 ULSD) 를사용하여, 다양한엔진작동조건별로오직이들연료자체로부터발생되는극미세입자의배출특성 ( 크기와개수농도분포 ) 을비교ㆍ분석하고자함이주된목적이다. Fig. 1 Conceptual particle size distribution 2.1 실험장치 2. 실험장치및실험방법 먼저, 본연구에서는 Table 1에나타낸커먼레일을통한고압직접연료분사방식의단기통압축착화엔진 (Ricardo Hydra-설계방식적용 ) 을 DC20kW 동력계에연결하여다양한엔진운전조건에따른각실험인자들의영향을살펴보았다. Fig. 2는본연구에서가장핵심이되는소형고압연료시스템의개략도이다. 실험에필요한일정량의 Table 1 Specification of test engine Displacement volume Bore Stroke Combustion chamber 500 cm 3 (Based on 2.0L Ford Puma diesel engine) mm Four-valve system Central bowl in piston Compression ratio 15:1 Intake air supply Naturally aspiration Fuel equipment Common-rail fuel system Direct injection Max. pressure of 160 MPa 82 한국자동차공학회논문집제 17 권제 3 호, 2009

디젤연소가능청정연료 (ULSD, Bio-Diesel, DME) 엔진의극미세입자정량화및촉매영향 Fig. 2 Schematic of low volume bio-fuel injection system 바이오연료를공급하기위한것으로써, 기존의디젤연료시스템 ( 연료필터, 고압펌프, 커먼레일, 고압파이프 ) 을경유하지않은대신에, 고압화된커먼레일 (Max.

Fig. 3은이소형고압연료시스템을포함한엔진실험장치이며, 특히본연구에서는바이오연료뿐만아니라배기촉매를통한나노입자저감영향을살펴보기위해배기매니폴드로부터 250mm하류지점에서 Table 2와같은산화촉매를설치하였다. 그리고엔진에서배출되는극미세입자측정을위해 DMS(Differential Mobility Spectrometer) 500시스템을사용하였다.

이극미세입자를정확히계측하기위해, 먼저배기관으로부터일정배기유량을진공펌프를통해흡입하며, 흡입된샘플유량내 1μm이상입자는사이클론을통해제거된후, 휘발성입자제거장치를거친 1차 ( 희석비 4:1) 희석장치와 2차 ( 희석비 30:1) 희석장치를통해미세크기의고체상입자만이 Aerosol Charger로들어오게된다.

3 디젤연소가능청정연료 (ULSD, Bio-Diesel, DME) 엔진의극미세입자정량화및촉매영향 Fig. 2 Schematic of low volume bio-fuel injection system 바이오연료를공급하기위한것으로써, 기존의디젤연료시스템 ( 연료필터, 고압펌프, 커먼레일, 고압파이프 ) 을경유하지않은대신에, 고압화된커먼레일 (Max. 160MPa) 에연결하여이를바이오연료의고압분사구동원으로사용하였다. 또한이들바이오연료의액상유지를위해가열부 (200 C이내) 를설치해서최적상태로연료가공급 (fuel-samples of less than 100 ml per test) 되도록설계한특징이있다. 이렇게해서생성된고압바이오연료는상용고압솔레노이드인젝터를통해분사량이정밀하게제어되어바이오연료를분사하게된다. Fig. 3은이소형고압연료시스템을포함한엔진실험장치이며, 특히본연구에서는바이오연료뿐만아니라배기촉매를통한나노입자저감영향을살펴보기위해배기매니폴드로부터 250mm하류지점에서 Table 2와같은산화촉매를설치하였다. 그리고엔진에서배출되는극미세입자측정을위해 DMS(Differential Mobility Spectrometer) 500시스템을사용하였다. 이시스템은 Fast Particulate Spectrometer의일종으로, 입자직경 5nm에서 1000nm까지의극미세입자를실시간으로분석할수있는특징이있다. 이극미세입자를정확히계측하기위해, 먼저배기관으로부터일정배기유량을진공펌프를통해흡입하며, 흡입된샘플유량내 1μm이상입자는사이클론을통해제거된후, 휘발성입자제거장치를거친 1차 ( 희석비 4:1) 희석장치와 2차 ( 희석비 30:1) 희석장치를통해미세크기의고체상입자만이 Aerosol Charger로들어오게된다. 이후, 코로나방전을통해대전된입자는원통형의균일한전극채널을따라각입자의전기적이동 (electrical mobility) 특성 ( 전하량, 유동저항 ) 에의해입자크기가분류되게된다. 2.2 실험방법산소함유율이상대적으로높은 BD100과 DME 연료를압축착화엔진에사용할경우, 일반적으로동ㆍ식물성유지를알코올과반응시켜만든지방산메틸에스테르 (fatty acid methyl ester, FAME) 인 BD100은유지의지방산조성에따라연소특성이좌우된다. 반면에 DME연료의경우, 상대적으로점도가매우낮고사용조건 ( 온도및압력 ) 에따라연료의체적탄성계수와밀도가크게변화하는특성이있다. 본연구에서는 Table 3과같은물성치를가지는 BD100(soy bean) 과 DME연료를사용하여기존 ULSD연료와비교해서실험하였다. Fig. 3 Experimental set-up with bio-fuel injection system Table 2 Specification of oxidation catalyst used ㆍHoneycomb-typed monolithic substrate ㆍCell density of 400 cpsi ㆍDiameter of 130 mm ㆍLength of 150 mm ㆍCoated by Pt-base(2g/L) Table 3 Properties of ULSD, BD100 and DME fuels ULSD BD100 DME Chemical formula C nh 1.8n Methyl ester (CH 3) 2O Carbon (%wt) Hydrogen (%wt) Oxygen (%wt) Density (kg/l at 20 C) Stoichiometric A/F ratio Cetane number 40~ ~60 Kinematic viscosity (mm 2 /s) 2~ Low heating value (MJ/kg) Auto-ignition temp. ( C) Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 17, No. 3,

4 Jinwook Lee Choongsik Bae Alessandro Schönborn and Nicos Ladommatos ULSD를제외한바이오연료는실험직전에소형고압연료시스템내연료샘플부 (Fig. 2의 free piston 기준좌측실린더 ) 에모두채워지며, 이후 1μm연료필터를거쳐인젝터에연결된다. 커먼레일을통해 free piston 우측실린더에공급되는디젤연료압력은 450bar로일정하게유지되도록하였다. 그리고좌ㆍ우측실린더온도가 PID제어를통해 80 C로유지되도록설정하였다. 그리고엔진실험동안에엔진흡입공기온도와엔진냉각수온도는각각 25±3 C 와 85 C를유지하도록하였다. Table 4는실험엔진의연료와촉매영향에따른연소및극미세입자배출특성을다양한엔진운전조건별로살펴보기위한본연구의실험조건인데, 다음과같은절차에따라이를설정하였다. 1 엔진회전속도 1500, 2000 그리고 2500rpm의각부하영역을엔진출력제어 (EmTronix Co. 사용 ) 범위로설정하였다. 2 본연구에서사용한단기통압축착화엔진의기본적인토대가되는상용 4기통디젤엔진 (2.0L Ford Puma diesel engine) 의실제분사압력분포를참고하여, 압축착화엔진의주요실험인자인분사압력을설정하였다 (Fig. 4 참조 ). 3 이렇게해서설정된실험조건 ( 엔진회전수, 부하, 분사압력 ) 하에서먼저 ULSD연료를사용하여, 압축상사점후 (ATDC) 크랭크각도 5~10도 (COV 2% 이하 ) 사이에최대연소압력이발생하도록분사시기를별도실험을통해설정하였다. Fig. 5는엔진회전수 2500rpm 과지시평균유효압력 ( 이하 IMEP) 3.5bar인경우, 실린더내발생된연소압력선도를예로써나타낸것이다. 4 그리고 BD100과 DME연료에의한연소특성과극미세입자배출변화특성을살펴보기위해, ULSD연료와마찬가지의동일실험조건 ( 분사압력및분사시기 ) 을적용하였다. 그리고배기매니폴드와산화촉매의중간지점인촉매전단부 ( 이하 BDOC) 와촉매후단부 ( 이하 ADOC) 에서측정된극미세입자데이터의정확성 ( 재현성 ) 을위해, 먼저 1차희석비와 2차희석비를사용연료에상관없이항상일정하게유지하였다. 이희석장치이전에설치된사이클론내부의오염 ( 입경 1μm이상입자샘플시 ) 영향을최소화하기위해주기적으로세척하였다. 아울러넓은입자계측범위특성을 Table 4 Experimental condition Engine speed (rpm) IMEP (bar) Common-rail injection Pressure (bar) Timing (CAD BTDC) Fig. 4 Mapped data of fuel injection pressure in CRDI engine Fig. 5 In-cylinder combustion-pressure related parameters 감안하여, 실시간으로계측된미세입자의동적거동범위 (dynamic range) 는항상 5% 이내로유지되도록하였다. 이러한극미세입자외의유해배출가스는 BDOC 지점에서측정 (HORIBA 사, MEXA 9100HEGR 사용 ) 하였다. 84 한국자동차공학회논문집제 17 권제 3 호, 2009

Characteristics of Nano-particle Emitted by Auto-ignited Engine with ULSD, Bio-diesel and DME Fuel and Effects of Oxidation Catalyst on Its Reduction 3. 실험적해석결과 3.

이를단위출력및시간당의소비연료량 (specific fuel consumption) 으로전엔진속도범위에서비교해볼때, ULSD의경우, 약 240~ 340 g/kwh인반면에, BD100인경우, 약 285~ 390 g/kwh의연료소비율을가짐을확인할수있었다. Fig. 6은엔진회전수 2000rpm, IMEP 5.

5 Characteristics of Nano-particle Emitted by Auto-ignited Engine with ULSD, Bio-diesel and DME Fuel and Effects of Oxidation Catalyst on Its Reduction 3. 실험적해석결과 3.1 엔진연소특성 Table 5는 ULSD, BD100 그리고 DME연료에대하여엔진회전수와 IMEP별로연료분사기간의변화를나타낸것이다. BD100과 DME연료의경우, ULSD연료에비해상대적으로낮은발열량으로인하여각각 11% 와 60% 분사기간이증가하였는데, 이증가폭은적용한연료분사압력을고려할때, 엔진회전수가증가할수록그리고엔진부하가낮을수록커짐을알수있었다. 이를단위출력및시간당의소비연료량 (specific fuel consumption) 으로전엔진속도범위에서비교해볼때, ULSD의경우, 약 240~ 340 g/kwh인반면에, BD100인경우, 약 285~ 390 g/kwh의연료소비율을가짐을확인할수있었다. Fig. 6은엔진회전수 2000rpm, IMEP 5.7bar, 분사압력 750bar, 분사개시 8 o BTDC의운전조건하에서측정한엔진실린더내연소압력을바탕으로열발생율과질량연소율을 3가지연료별로비교해서나타낸것이다. ULSD연료의연소과정은착화지연과이에따른연료와공기와의혼합지연으로 BD100과 DME연료에비해다소길어짐을알수있었다. 즉바이오디젤의경우, 기존디젤연료보다높은점도를가지지만, 세탄가가상대적으로높아서착화지연시간이줄어들게됨을알수있었다. 그리고 DME 연료에있어서는우수한증발특성을실제분무에반영하여균질혼합물을생성할수있는장점이있기에, 보다최적의연소조건을구현할필요가있음을알았다. Fig. 7은 7가지엔진작동조건에서배기가스중 NOx와 THC의농도변화를 3가지연료별로나타낸 것이다. NOx의농도는연소실내부의연소온도와산소의이용성에좌우된다. DME연료의경우, 연소 Fig. 6 Variation of heat release rate for 3 different fuels (a) NOx emission Table 5 Comparison of fuel injection duration Engine speed (rpm) IMEP (bar) Injection duration ( μs ) ULSD BD100 DME (b) THC emission Fig. 7 Variation of NOx and THC emission Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 17, No. 3,

이진욱 배충식 Alessandro Schönborn Nicos Ladommatos 가빠르고실린더내최고압력이높기에배출가스중의 NOx의농도가전반적으로높게나타나고있다.

8은 DMS상에서실시간으로측정된극미세입자의개수분포스펙트럼 ( 예 ) 을나타낸것이다. 배출되는극미세입자분포패턴은매우일정하며, 이를바탕으로해석시, 각운전조건별로정상상태 200 초동안앙상블평균 (ensemble average) 하였다. Fig.

5 10 7 ~4 10 9 ( 개 /cm 3, 이하단위생략 ) 으로상당히넓으며, 측정된입자의크기는약 300nm이하내임을알수있었다.

이와같이 3가지사용연료에관계없이, 엔진부하별일정범위내로 (IMEP 2.7bar인경우, 4.5 (a) IMEP 2.7bar (b) IMEP 5.7bar (c) IMEP 8.7bar Fig.

6 이진욱 배충식 Alessandro Schönborn Nicos Ladommatos 가빠르고실린더내최고압력이높기에배출가스중의 NOx의농도가전반적으로높게나타나고있다. 그리고불완전연소생성물인 THC의경우, 함산소성의 BD100과 DME연료에있어서낮은배출농도를가짐을알수있었다. 이는연료자체에포함된높은산소량의영향으로, 자기착화방식에따른불완전연소현상이감소된것으로판단된다. 3.2 극미세입자배출특성 Fig. 8은 DMS상에서실시간으로측정된극미세입자의개수분포스펙트럼 ( 예 ) 을나타낸것이다. 배출되는극미세입자분포패턴은매우일정하며, 이를바탕으로해석시, 각운전조건별로정상상태 200 초동안앙상블평균 (ensemble average) 하였다. Fig. 9는 3가지연료별로엔진회전수 2000rpm의 3 가지부하조건에대하여촉매전후에서측정한극미세입자의개수농도분포를나타낸것이다. 3가지엔진부하별로배출되는극미세입자의최대개수범위가 ~ ( 개 /cm 3, 이하단위생략 ) 으로상당히넓으며, 측정된입자의크기는약 300nm이하내임을알수있었다. 즉, 사용연료보다는엔진부하에따라일정값범위내로극미세입자의개수농도분포가존재함을알수있었는데, 이는자기착화가가능한연료의압축착화연소방식에의해결정되는연소실내연소의국부적인특성 ( 엔진부하별 ) 이극미세입자의개수농도분포에주된영향을미침을의미한다. 이와같이 3가지사용연료에관계없이, 엔진부하별일정범위내로 (IMEP 2.7bar인경우, 4.5 (a) IMEP 2.7bar (b) IMEP 5.7bar (c) IMEP 8.7bar Fig. 9 Effect of oxidation catalyst on nano-sized particle number distribution for three different fuels (2000rpm) Fig. 8 Real-time dynamic particle spectrum measured by DMS system (2000rpm, IMEP 8.7bar, BDOC position) 10 7 이내, IMEP 5.7bar 인경우, 이내그리고 IMEP 8.7bar인경우, 이내 ) 배출되는극미세입자개수농도분포패턴을비교해보면, 다음과같 86 한국자동차공학회논문집제 17 권제 3 호, 2009

7 디젤연소가능청정연료 (ULSD, Bio-Diesel, DME) 엔진의극미세입자정량화및촉매영향 다. 먼저, 고부하인 IMEP 8.7bar인경우, 사용연료에관계없이극미세입자의배출영역은 2개로구분 (bi-modal distribution) 되는데, 특히사용연료에의한입자배출량의차이는약 50nm이상입자크기영역에서보다뚜렷함을알수있었다 (ULSD > BD100 > DME순으로많은미세입자배출 ). 그리고이영역내최대입자개수농도를가지는입자의크기 (BDOC기준) 는입자배출량처럼 ULSD, BD100 그리고 DME순으로각각약 170nm, 120nm 그리고 80nm 크기로작아짐을알수있었다. 또한이영역내에서사용한촉매의산화반응으로인한극미세입자의저감정도를최대입자개수농도값으로비교해보면, ULSD의경우, 약 57%, BD100인경우, 약 48% 그리고 DME의경우, 약 50% 감소됨을알수있었다. 반면에, IMEP 5.7bar인경우, IMEP 8.7bar인경우의 10nm이하입자가배출되는영역의최대입자개수농도분포값인 의 20% 에해당되는 범위내입자농도분포를가짐을알수있었다. 또한 IMEP 8.7bar와는다르게, 단일배출영역 (single modal distribution) 을가지는데, 약 20nm이하입자의배출농도는 ULSD보다 DME와 BD100연료를사용할수록점차증가함을알수있었다. 이러한특성은입자개수농도분포가상대적으로적은 ( 최대 ) IMEP 2.7bar조건에서 BD100연료인경우더욱뚜렷해진다. 이는 BD100연료가 ULSD보다세탄가가높고연료내산소함유량이많음에도불구하고상대적으로높은점성과표면장력으로인해분무미립화지연에따른연료의미연소입자발생과배기관내물리적인조건 ( 배기압력및온도 ) 에기인하는것으로, 저부하일수록연료의증발성및사용연료에적합한최적연소제어가매우중요한것으로사료된다. 반면에 DME연료의경우, 연료내산소함유량이 34.8%wt로매우높으며, 화학구조상탄소끼리의결합이없기때문으로, 연소과정중에입자상물질이상대적으로매우적게발생하는현상에기인하는것으로판단된다. 일반적으로바이오연료를사용할경우, 기존디젤연료보다상당히적은양의입자상물질 ( 질량기준 ) 을배출하는것으로알려져있다. 8) 이러한낮은 PM배출은연료내함유된산소량으로인해연소시, 혼합물의산화성을증대시켜불완전연소를최대한억제할수있기때문이다. 이런맥락에서볼때, Fig. 9 는사용연료에의한 1차적원인이미세입자배출에주된영향을끼침과아울러이의저감을위해서는촉매의사용이필수적임을제시하고있다. 현재적용중인입자상물질의질량기준측정에서는 accumulation mode내입자가대부분차지하고있는데, 따라서본연구에서는계측된극미세입자의개수농도분포를나노크기인입자의직경이 5~50nm 범위인 nucleation mode와입경 50~200nm범위인 accumulation mode로각각구분하였다. Fig. 10은 Fig. 9와같은조건하에서, nucleation mode와 accumulation mode로구분된극미세입자개수농도분포를촉매전후별로비교해서나타낸것이다. 엔진부하가증가할수록 accumulation mode내배출되는입자의개수농도가증가함을알수있다. 반면, 엔진부하가낮을수록배기관내미연소연료입자와미세입자의잔류기간증대로인해, nucleation mode내입자의개수농도가증가하는데, 특히 BD100연료인경우, 이의많은배출특성을가진다. 마찬가지로 DME연료의경우, 저부하조건에서는 nucleation mode내낮은입자의개수농도, 그리고고부하조건에서는 accumulation mode내낮은입자의개수농도배출특성을가짐을알수있었다. 또한사용한촉매에의한입자저감성능은 2가지모드내일정한저감성능을가지는데, 특히고부하조건에서의 accumulation mode내배출되는입자의저감특성이상대적으로우수함을알수있었다. Fig. 11은 BD100과 DME연료에비하여, 상대적으로많은입자를배출하는 ULSD연료에대하여 nucleation mode와 accumulation mode별로전엔진운전조건에서촉매전후측정한극미세입자의개수농도분포를나타낸것이다. 엔진회전수가낮을수록 nucleation mode내입자가증가하며, 촉매에의한입자저감성능은 accumulation mode내입자일수록보다우수함을알수있었다. 따라서향후 nucleation mode 내배출되는극미세입자의저감에대해보다집중적인연구 ( 연료별최적연소또는첨단후처리기법적용 ) 가필요함을알았다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 17, No. 3,

8 Jinwook Lee Choongsik Bae Alessandro Schönborn and Nicos Ladommatos (a) IMEP 2.7bar (a) Nucleation mode (b) IMEP 5.7bar (b) Accumulation mode Fig. 11 Comparison of particle number concentration between two modes for ULSD fuel with various engine operating conditions (c) IMEP 8.7bar Fig. 10 Comparison of particle number concentration between nucleation and accumulation mode (2000rpm) 4. 결론 본연구에서는압축착화가능한기존 ULSD연료와 BD100그리고 DME 연료로작동되는디젤엔진 ( 촉매부착 ) 에서배출되는극미세입자 (nano-sized particle) 의배출특성을비교분석하고자, 동일연료분사압력과분사시기를주된실험인자로설정하여연구를수행한결과, 다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 사용한디젤엔진의주된운전영역인엔진회전수 2000rpm조건에서배출되는극미세입자의입자개수범위는약 범위내이며, 측정된미세입자의크기는약 300nm이하내존재함을알수있었다. 2) 엔진부하에따라배출되는극미세입자의개수농도분포형태는달라지며 (single-modal 및 bimodal distribution), 50nm이상입자크기영역에서의미세입자의배출량은사용연료내함유된산 88 한국자동차공학회논문집제 17 권제 3 호, 2009

9 Characteristics of Nano-particle Emitted by Auto-ignited Engine with ULSD, Bio-diesel and DME Fuel and Effects of Oxidation Catalyst on Its Reduction 소량에따라주된영향을받음 (ULSD > BD100 > DME순 ) 을알수있었다. 하지만엔진부하가낮을수록약 20nm이하입자의배출농도는 ULSD 보다 DME와 BD100연료를사용할수록증가함을알수있었다. 3) 특히본연구에서는극미세입자의개수농도분포특성을입경 5~50nm범위인 nucleation mode와 50~200nm범위인 accumulation mode로구분할수있었다. 엔진부하가증가할수록 accumulation mode내배출되는입자의개수농도는증가하였는데, 이는촉매의사용에의해저감할수있음을알았다. 반면에엔진회전속도가저속일수록 nucleation mode내입자는증가하는데, 이는미연소연료입자 (micro-fuel droplet) 와저배기유량으로인해미세입자의잔류기간 (residence time) 증가에따른것으로판단된다. 4) 그리고상대적으로가장적은극미세입자배출량을가지는 DME연료의경우, 저부하조건에서는 nucleation mode내낮은입자의개수농도그리고고부하조건에서는 accumulation mode내낮은입자의개수농도배출특성을가짐을본연구를통해알수있었다. 후기이논문은 2007년정부 ( 교육인적자원부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구 (KRF D00007) 로써, 이에깊은감사를드립니다. References Particle Measurement Programme, 42nd GRPE Agenda-Item(Ⅱ), ) California Environmental Protection Agency, Health Risk Assessment for Diesel Exhaust, Public and Scientific Review Panel(Draft), ) HEI, Understanding the Health Effects of Components of the Particulate Matter Mix: Progress and Next Steps, Health Effects Institute, USA, ) M. KASPER, The Number Concentration of Non-Volatile Particles Design Study for an Instrument According to the PMP Recommendation, SAE , ) H. K. Suh, S. W. Park, S. I. Kwon and C. S. Lee, Macroscopic Behavior and Atomization Characteristics of Bio-diesel Fuel, Transactions of KSAE, Vol.12, No.6, ) R. L. McCormick, J. R. Alvarez, M. S. Graboski, K. S. Tyson and K. Vertin, Fuel Additice and Blending Approaches to Reducing NOx Emissions from Biodiesel, SAE , ) H. W. Wang, L. B. Zhou, D. M. Jiang and Z. H. Huang, Study on Performance and Emissions of Compression Ignition Engine Fueled with Dimethyl Ether, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D, Vol.214, pp , ) J. F. Reyes and M. A. Sepulveda, PM-10 Emission and Power of a Diesel Engine Fueled with Crude and Refined Biodiesel from Salmon Oil, Fuel, Vol.85, pp , ) UN/ECE GRPE, Programme Overview: GRPE Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 17, No. 3,

17(3)-00(282).fm

17(3)-00(282).fm w ywz 17«3y(2012)/ 1 PPS l yw p le * Á * Áh s * Áfld ** Comparison of Nano-particle Emission Characteristics in CI Engine with Various Biodiesel Blending Rates by using PPS System J. W. Kwon, M. S. Kim,