Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2015. 10), Vol. 26, No. 5, pp. 393~401 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2015.26.5.393 ISSN 1738-7264 eissn 2288-7407 정연호 1 ㆍ임옥택 2 1 울산대학교자동차선박기술대학원설계기술학과, 2 울산대학교기계공학부 A Study on Injector Durability Test with Diesel and BD20 Using Common Rail YUNHO JEONG 1, OCKTAECK LIM 2 1 Graduate of Institute of e-vehicle Technology, University of Ulsan, Ulsan 44610, Korea 2 School of Mechanical Engineering, University of Ulsan,, Mugu-dong Nam-gu, Ulsan, 44610, Korea Abstract >> The characteristics of diesel and biodiesel are similar like as cetane number and auto-ignition temperature. High cetane number of diesel and BD could make possible to compression ignition. but BD showed different atomization from diesel due to component like density, viscosity and iodine value etc. Because of this, the biodiesel requires validation. This study using diesel and BD20 investigated effect to durability injector. Durability test were used common rail and bosch solenoid type 5-hole injector. Total test was 672hr but actual running time was 200hr. Spray experiments for spray characteristics were carried out using constant volume combustion chamber. Spray characteristics of diesel and BD showed different result up to durability test time. After 100hr, diesel showed spray shapes were stable but BD was not. After 200hr, difference of diesel and BD spray shapes were grow serious. Key words : Common rail( 커먼레일 ), Biodiesel( 바이오디젤 ), Injector( 인젝터 ), Durability( 내구성 ), Spray Characteristics ( 분무특성 ) Subscripts BD : biodiesel condition CVCC : Constant volume Combustion Chamber CR : Common Rail SEM : Scanning Electron Microscope inj : Injection Corresponding author : otlim@ulsan.ac.kr Received : 2015.6.16 in revised form : 2015.10.27 Accepted : 2015.10.30 Copyright c 2015 KHNES DI : Diesel Iinjector BI : BD20 Injector 1. 서론 현재대한민국은신재생에너지의사용량을늘리기위해서신재생에너지공급의무제 (Renewable Portfolio Standard) 를실시하고있다. 한국에서는디젤에바이오디젤을일정량이상첨가해서사용하고있다 1,2). 바이오디젤의경우대표적인신재생연료이며많 393
394 은곳에서내연기관에적용을위해서연구및개발을진행중이다. 바이오디젤은식물성기름이나동물의지방혹은재활용식용유등을이용해서만든것으로디젤과혼합하여사용한다. 디젤과바이오디젤은특성이비슷하고높은세탄가로인해서디젤엔진에바이오디젤의사용이가능하다 (Table 1). 그렇지만바이오디젤의산소 (O2) 의함유량이높고황 (S) 성분이없기때문에오염물질의배출을상당히저감할수있다. 또한바이오디젤을사용할경우디젤에비해서탄화수소 (HC) 와일산화탄소 (CO) 등의오염물질의발생을감소시킬수있다. 하지만디젤에추가적으로첨가해함으로부대비용의상승등여러부분을염려해야한다. 그리고커먼레일 (CR) 시스템을이용해서연료를이용할때는연료가시스템에미치는영향을고려하여야한다. 엔진을사용함에있어서적정한연료의사용은엔진의수명과직면되는문제이기때문에항상연료를사용하기전에꼭고려하여야한다. 최근신재생에너지등많은대체연료가개발, 사용되고있다. 하지만단순히연소가가능하다는이유만으로는디젤의대체연료가될수없다 3,4). 디젤과바이오디젤은밀도와점도에서차이를보이는데이때문에바이오연료의비율이증가하였을때연료가기존의장비들에어떠한영향을미치는지 알아보기위해서기존의장비와동일한시스템을구성하여서바이오디젤의첨가로인해서장비의내구성이어떠한영향을미치는지알아보기위해서이번실험을진행하였다. 2. 실험장비및방법 본실험은커먼레일 (CR) 을이용해서내구성평가장비를구성하여디젤과바이오디젤혼합연료를총 672시간동안인젝터 (Injector) 를이용해서연료를분사하고기준시간마다분무가시화시스템을이용해서내구성테스트시간경과에따른연료의분무특성에관하여연구하였다 5). 2.1 실험장치 2.1.1 커먼레일내구성평가장비커먼레일내구성평가장비 (Fig. 1) 는커먼레일과고압펌프그리고연료순환시스템등을이용하여인젝터의내구성을평가하기위해서장비를구성하 Table 1 Properties of Diesel and BD20 Fuel Property Diesel Biodiesel Fuel Composition C10 C21 C12 C22 Lower Heating Value, Btu/gal. 131.295 117.093 Kin. Viscosity, @40 degc 1.3 4.1 1.9 6.0 Density, lb/gal @ 15 degc 7.079 7.328 Oxygen, wt % 0 11 Sulfur, wt %.05 max. 0.0 Cloud Point, degc -15 to 5-3 to 12 Pour Point, degc -35 to 15-15 to 10 Cetane Number 40 ~ 55 48 ~ 65 HFRR, microns 685 314 Fig. 1 The ijection durabirity system with CRDI Fig. 2 Injector durability test condition >> 한국수소및신에너지학회논문집
정연호ㆍ임옥택 395 Fig. 3 lay out of CR spray visualization system 였으며디젤과바이오디젤혼합연료를총672시간동안인젝터를이용해서연료를일정한패턴에서분사하였다. 분사된연료는연료탱크로회수하였으며실험을통해서연료의안정도를알아볼수있었다 6). 2.1.2 분무가시화시스템 인젝터내구성평가후연료가인젝터에미친영향을알아보기위하여케먼레일과고속카메라 (CCD), 정적연소기등 (CVCC) 을이용하여분무가시화시스템 (Fig. 3) 을구성하였다. 분무가시화시스템을이용해서내구성실험에따라서연료의분무형상이어떠한차이점을보이는지관찰하였다. 2.2 실험방법 2.2.1 커먼레일내구성평가실험방법커먼레일내구성평가장비를이용하여인젝터의내구성을평가실험의운전조건은다음과같다 7). Fig. 2에서와같은반복운전조건을설정하였으며 2000 rpm과 4000 rpm을사용하여가혹실험조건하에서실험을진행하였다. 이때분사압력은 2000 rpm에서는 900 bar, 4000 rpm에서는 1350 bar로각 Fig. 4 Injector durability test fuel inject condition 각설정하여실험을진행하였다. 내구성평가실험중에서분사조건은 Fig. 4와같으며 rpm마다다른분무조건을적용하였다. 이는높은 rpm에서는엔진에서연료소비량이많아지기때문이다 8). 2.2.2 분무가시화실험방법내구성평가실험을진행한인젝터를디젤을이용해서커먼레일과고속카메라, 정적연소기등을이용해서분무형상을촬영하였다 9,10). 분무형상을촬영하기위한실험시에실험조건은 제 26 권제 5 호 2015 년 10 월
396 3.1 분무형상촬영결과 Fig. 5 Spray visualization fuel inject condition Fig. 5와같으며내구성실험과달리 1500 rpm을이용하였으며내구성실험과같이다단분사를적용하였지만메인분사부분의시간을길게주었으며다른분사들은분사가될수있은최소시간조건을주어서분사가정상적으로가능한지를알아보았다. 3. 실험결과 바이오디젤의첨가비율에따라서디젤과 BD20의내구성평가결과는차이를확실히보여주었다. BD20의경우상용디젤과비교하여분무형상과발달길이, 인젝터에미치는영향등에서차이를보여주었다 11). 분무형상은 Pilot, Pre, Main으로나누어서구별이가능했으며그에따른결과는 Fig. 6~9과같다. 분무실험을진행하면서형상을촬영할때사용한연료는디젤이다. 디젤의경우비교적분무해석에대한결과가많으며바이오디젤의경우연료속에다양한성분이있기때문에분무가시화등에어떤영향을미칠지모르며미립화정도나기화정도가디젤보다작기때문에분무가시화실험에사용한연료는디젤을사용하였다. Fig. 6, 7은디젤을연료로사용하여내구성테스트를진행한인젝터의분무형상이다. Fig. 6은내구성실험전인젝터의분무형상촬영결과로서 Main분사부분의형상이균일하지않다는것을알수있다. 하지만시간이지남에따라서분무형상의변화를보여준다. Fig. 7을보면분무형상이균일화되었다는것을알수있다. 반면 Fig. 8, 9의경우초기 Fig. 8의결과를보면안정적인형상으로분사가되고있지만시간이지나서 Fig. 9의경우오히려 5홀의인젝터홀중형상이 Fig. 6 Diesel 0hr injector spray shapes (PInj : 350bar, rpm : 1500, CPre : ATM) Fig. 7 Diesel 100hr injector spray shapes (PInj : 350bar, rpm : 1500, CPre : ATM) >> 한국수소및신에너지학회논문집
정연호ㆍ임옥택 397 Fig. 8 Diesel 200hr injector spray shapes (PInj : 350bar, rpm : 1500, CPre : ATM) Fig. 9 BD20 0hr injector spray shapes (PInj : 350bar, rpm : 1500, CPre : ATM) 다른홀이모습을보인다. 3.2 분무관통길이측정결과 Fig. 10은연료의분무발달길이를그래프로나타낸것으로그래프에서디젤과 BD20의실험결과를비교하면디젤인젝터의경우에는시간이지날수록안정화되며분무길이가늘어나지만분무의발달이빨리진행된다. 최종적으로디젤인젝터와 BD20 인젝터의분무길이는같지만도달하는시간은약 0.5 ms의차이를보인다. 이차이는같은연료와같은조건하에서진행한실험임으로이러한결과는인젝터내구성실험을진행하면서인젝터에미친영향으로생각된다. 반명 BD20의경우에는 0 hr의분무발달시간이 100 hr과 200 hr과비교하여의분무발달시간이오히려늦어진다. 또한분무발달길이의변화도디젤과비교하여서짧은거리가분사되었다. 이는 BD20에함유된아연 (Zn) 등과같은입자들이영향을미쳐서이와같은결과를나타낸것이다. Fig. 10 Spray penetration length analyzed result of diesel and BD20 또한다단분사중분무발달길이의차이는 Pre 단계에서가장크게나타났다. 디젤의경우 Pre분사의경우에도분사발달이잘나타나는반면에 BD20의경우함유하고있는여러성분으로인해서점도가크기때문에짧은시간동안디젤보다분무발달이잘되지못해서이러한결과를보인다. 제 26 권제 5 호 2015 년 10 월
398 3.3 분무발달각측정결과 이라생각된다. Fig. 11은연료의분무발달에따른분무각을그래프로나타낸것으로그래프에서비교하면디젤을사용한인젝터의경우초기의분무각도는크지만감소하는속도가매우빠르다. 하지만 BD20 인젝터의경우에는최초의분사각도는작지만감소가천천히일어나며최종의분무각도도디젤보다넓은경향을보여준다. 디젤의경우분사시간이지나면서분무각이빠르게줄어들며분무각이줄어드는현상만을보여주지만 BD20 의경우최초 0hr 상황에서는디젤처럼분무각이감소하는형상을보여주지만 100 hr과 200 hr의경우분무각이분무초기에는증가하다가후기에다시감소하는형상을보여준다. 이는디젤보다 BD20 의미립화의속도가늦고인젝터노즐의손상으로더많은양의분사되면서이러한결과를보였을것 3.4 인젝터분무유량실험결과 Table 2, 3는디젤과 BD20을이용하여인젝터의내구성실험중각기준시간마다분무유량을촬영한결과이다. 분무유량실험을위한설정은 Fig. 2-13을그대로적용하였다. 2000 rpm (Table 2) 에서의경우시간이지남에따라서두인젝터모드유량이증가함을보여주었다. 디젤을사용할경우최종적으로디젤인젝터는 2 ml, BD20 인젝터는 8 ml가증가하였으며 BD20을이용한유량측정의경우에는디젤인젝터는변함없이 2 ml였으나 BD20 인젝터의경우 1 ml가감소하여총분사유량이시작보다 7 ml 증가하였다. 2000 rpm의영역은 Fig. 2-9에서도보였듯이 NEDC모드에서도토크가안정되는단계이며실제차량들이운전중에가장사용하는영역임으로이는앞으로도개선이필요한부분이다. 4000 rpm (Table 3) 의경우디젤인젝터는연료유량이오히려 1 ml정도줄어드는현상을보여준다. 인젝터의작동오류를생각할수있지만 Fig. 3-13, 14 에서분무형상및길이와각도또한안정된결과를보여주는것으로알수있듯이오류가아닌정상작동범위에있다고할수있다. 하지만 BD20 인젝터의경우는여전히어떤연료를사용해도분무유량이증가하고있는것을알수있다. 이는분명히내구성실험으로인하여인젝터가영향을받은것이라할수있다. Fig. 11 Spray angle analyzed result of diesel and BD20 Table 2 Result of fuel spray quantity at 2000 rpm Time(Hr) Diesel BD20 DI BI DI BI 0 105 106 108 108 100 106 109.5 109 111 200 107 113 110 115 Table 3 Result of fuel spray quantity at 4000 rpm Time(Hr) Diesel BD20 DI BI DI BI 0 220 220 224 223 100 220.5 223 223 227 200 219 228 223 230 >> 한국수소및신에너지학회논문집
정연호ㆍ임옥택 399 Fig. 12 Surface microstructure of the injector Under 1hr, diesel 200hr and BD20 200hr 3.5 인젝터노즐촬영결과 Fig. 12은인젝터의내구성실험이종료된후인젝터의표면을현미경으로 50배확대하여촬영한결과이다. 기준인젝터의경우최초의분무형상촬영과분사유량측정후사용하지않았으며다른두인젝터의경우는내구성실험후분사실험및유량측정후에찰영한것이다. 내구성실험을진행하는동안연소실험을진행하지않았기때문에 Fig. 12처럼표면에연료의흔적이남았다. 디젤을사용한인젝터의경우는약간의흔적적이남았지만인젝터노즐구멍주위는비교적깨끗하였다. 하지만 BD20을사용한인젝터의경우 BD20의높은점도와연료의산화로인해서인젝터표면에육안으로도감식가능한흔적이남았다. 이결과에대한더정확한결과를얻기위해서전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 을이용하여더욱정밀한촬영을실시하였다. Fig. 13과 Fig. 14은인젝터의표면을 35배확대하여촬영한것이다. 디젤과바이오디젤을사용한인젝터를비교했을때디젤을사용한인젝터 (Fig. 13) 는초음파세척후에는깨끗한표면을보여주는데반해서 BD20을사용한인젝터 (Fig. 14) 의경우에는초음파를이용하여세척했음에도불구하고연료의흔적 (Fuel wet spot) 이인젝터노즐홀주위에몰려있는것이관찰되었다. 이는 BD20의높은점도와연료가산화되면서일정부분고체화되었기때문이다. Fig. 13 SEM micrographs of deposited injector surface fuelled with diesel Fig. 14 SEM micrographs of deposited injector surface fuelled with BD20 Fig. 15과 Fig. 16은인젝터의노즐홀을 SEM을이용하여 300배확대하여촬영한것으로정면이아닌기울여촬영한것은인젝터노즐홀만아니라홀안쪽의변화도알고싶었기때문이다. 그결과인젝터의노즐홀주위뿐만아니라인젝터내부의모습까지알수있었다. Fig. 15의경우노즐홀주면에사용한연료의흔적이약간있을뿐부식이나변형이관찰되지않았다. 또한내부의통로역시잔유물의흔적만있을뿐이다. 하지만 BD20을사용한인젝터 (Fig. 16) 의경우에는노즐홀주위에부식이되어표면이변한흔적이있으며인젝터노즐홀의경계부분이부식되어 제 26 권제 5 호 2015 년 10 월
400 서바이오디젤혼합연료가느리기때문에높은분사압력을이용해서발달속도를높이거나혼합비율을일정수준으로조절해야한다. 2) 디젤과바이오디젤의혼합연료를사용할경우기존의인젝터를이용할경우내구성등문제가발생할수있다. 그럼으로바이오디젤의함유량이높은연료를사용할때는가능한사용시간을짧게하거나일정품질이상의연료를사용해야한다. 3) 바이오디젤을사용할경우산화안정도를고려하 Fig. 15 SEM micrographs of deposited injector hole fuelled with diesel 여기존의인젝터의부품을개조혹은개선후사용이필요하다. 결과를종합해볼때 BD20을사용하기위해서는기존의시스템을그대로사용하기보다는개조를통해서산화도와압력조건을충족시켜야 BD20을사용할수있을것이다. 후기 본연구는지역혁신인력양성사업인고효율 저공 Fig. 16 SEM micrographs of deposited injector hole fuelled with BD20 변형된것이뚜렷하게관찰된다. 이는장시간 BD20 을사용하면서연료가산화되어부식을시킨것으로생각된다. 4. 결론 디젤에바이오디젤을혼합하여인젝터의내구성실험을진행하며분무특성을관찰하여얻은결론은다음과같다. 1) 디젤과바이오디젤의혼합연료의분무특성을비교하면분무발달길이나각도는큰차이를보이지않지만연료의분무발달속도가디젤의비해 해엔진의요소기술개발, 교육부의재원으로지원을받아수행된산학협력선도대학 (LINC) 육성사업의열구결과와중소기업청의클린신연료 DME를연료로하는중대형선박엔진용연료공급시스템의개발의지원수행된연구결과입니다. 지원에감사드립니다. References 1. Karl Lang, Biodiesel on the Road to Fueling the Future National Biodiesel Board, 2001. 2. Tung SC, McMillan ML. Automotive tribology overview of current advances and challenges for the future, Tribol Int, 2004. 3. Daming Huang, Haining Zhou, Lin Lin, Biodiesel: an Alternative to Conventional Fuel, Energy Procedia, 1874-1885, 2012. 4. A.M. Liaquat, H.H. Masjuki, M.A. Kalam, M. Varman, >> 한국수소및신에너지학회논문집
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