J. Korean Soc. Combust. 23(4) (2018) 8-14 학술논문 DOI: https://doi.org/10.15231/jksc.2018.23.4.008 ISSN 1226-0959 eissn 2466-2089 ETBE 함량및점화시기변화에따른성능및미세입자배출특성에관한실험적연구 송호영 *, ** 김홍집 ** * 한국석유관리원석유기술연구소 ** 충남대학교기계공학과 The Experimental Study about a Performance and Fine Particle Number Emissions with Several ETBE Contents and a Different Ignition Timing Hoyoung Song *, ** and Hongjip Kim ** * Research Institute of Petroleum Technology, Korea petroleum Quality & Distribution Authority ** Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University (Received 22 August 2018, Received in revised form 10 September 2018, Accepted 18 September 2018) ABSTRACT It has been known that oxygenates increase octane number of gasolines. There are MTBE and bio-ethanol known as typical oxygenates and a lot of increasing interests have been given to the researches on ETBE to alternate these oxygenates. In this study, the performance and emissions of fine particle number with changing ETBE contents and spark ignition timing in single cylinder engines have been studied. There were trends that oxygen contents and RON increased with increasing ETBE contents of gasolines. And the ignition delay became longer and the burning velocity was reduced with increasing oxygen contents. Net caloric value and RON of gasoline has affected BMEP and BSFC for various ignition timings. Knocking intensity sharply increased with advancing ignition timing, but the difference in the knocking intensity of high RON fuels was relatively low. And fine particle number emissions rapidly increased with advancing ignition timing. Key Words : Particle number, ETBE(Ethyl Tertiary-Butyl Ether), MPI(Multi-Point Injection), Single cylinder engine, Knocking, RON(Research Octane Number) 1. 서론 전세계적으로엔진개발에서연비향상은중요한이슈로부각되고있다. 불꽃점화방식엔진에서연비향상을위해압축비를증가시킨다. 하지만압축비를증가시키면연소실내온도가크게상승하여노킹발생이증가하기때문에불꽃점화방식엔진의연비향상에큰제약이생긴다. 이러한노킹문제를해결 Corresponding Author, khongjip@cnu.ac.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licences/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 하기위해서옥탄가를올리는방법등이대두되고있다. 톨루엔과같은방향족화합물함유량이높은연료는옥탄가가높으나입자상물질과같은유해한배출가스를다량배출하는단점이있어혼합비율을높일수없다. 방향족화합물이외에 MTBE(Methyl Tert-Butyl Ether), Bio-ethanol 등과같은함산소기재는연소를촉진하고옥탄가를증가시키는효과가있다. 하지만 MTBE 는친수성이높아수질오염의위험성이있으며, Bio-ethanol 은연비가저하되는단점이있다 [1]. 함산소기재에대한연구는활발하게이루어지고있으며연비, 배출가스등다양한결과들이보고되
ETBE 함량및점화시기변화에따른성능및미세입자배출특성에관한실험적연구 9 고있으나 [2,3] 이들은대부분 MTBE 나 Bio-ethanol 에대한연구들이고 ETBE(Ethyl Tert-Butyl Ether) 에대한연구결과는찾기어렵다. ETBE 는수질오염등과같은환경문제가상대적으로적어 MTBE 를대체할수있는물질로주목받고있으며이에대한연구가필요해보인다. 본연구에서는 MTBE 를대체할수있는물질로주목받고있는 ETBE 의혼합량을달리하여불꽃점화방식단기통엔진에서점화시기의변화에따른성능및미세입자배출특성을연구하였다. 이를통해함산소기재로서 ETBE 의활용가능성을검토하고자하였다. 2.1. 시험용엔진 2. 시험장치및방법 자연흡입방식의단기통엔진에휘발유를 MPI(Multi Point Injection) 방식으로공급하였으며, 압축비는 10.5 : 1 이고세부제원은 Table 1 과같다. 그리고실험장치의개략도는 Fig. 1 과같다. 흡입공기는 25 ± 2, 공기과잉률 (λ) 은 1.0 ± 0.1, 엔진회전수는 1,500 rpm, 냉각수및엔진오일은 90 ± 5, 1/2 부하로유지하였다. 점화시기는 BTDC(Before Top Dead Center) 10 CA(Crank angle) 부터 BTDC 40 CA 까지 5 CA 씩증가시키며성능및미세입자배출특성을분석하였다. 연료의분사시기및분사량제어, 점화시기제어등은엔진제어시스템 (MOTEC M800) 을이용하였다. 2.2. 엔진동력계 점화시기및산소함량변화에따른 BMEP(Brake Table 1. Specifications of a single cylinder engine Injection type MPI Displacement(cc) 499 Bore stroke [mm mm] 86 86 Compression ratio 10.5 : 1 Aspiration NA Valve train type DOHC Intake valve Open ATDC 11 Close ABDC 67 Exhaust valve Open BBDC 34 Close ATDC 10 Table 2. Specifications of a dynamometer Max Torque Max speed 190 Nm 8,000 rpm Mean Effective Pressure), 제동열효율 (BTE, Brake Thermal Efficiency) 등성능을측정하기위해 AVL 社의 60 kw 급 AC type 엔진동력계를사용하였으며세부제원은 Table 2 와같다. 이동력계는엔진오일공급및온도제어장치, 냉각수공급및온도제어장치가부착되어있다. 2.3. 미세입자측정장치 미세입자배출특성을분석하기위해 TSI 社의 EEPS (Engine Exhaust Particle Spectrometer) 3090 을사용하였다. 이장비는희석된배출가스를전기적으로대전시키고전기장이있는컬럼으로유도하여입자가가 Fig.1. Schematic of test devices.
10 송호영 김홍집 진전기적특성에따라크기별로미세입자를분류하는 electric mobility 특성을이용한다. 희석기는 DEKATI 社의 DEED 를사용하였으며희석비는 10 : 1 이며희석기에내장된 evaporation tube(350 ) 를이용하여희석공기중휘발성입자를제거하였다. DEED 에공급되는희석공기의수분및먼지를제거하기위해수분제거장치 ( 실리카켈 ) 와 HEPA filter 를사용하였다. 2.4. 연소해석기 연소압력, knocking factor 등측정하기위해서 DEWETRON 社의 DEWE-2010 모델을사용하였다. 회전수측정은 KISTLER 社의 encorder(type 2613B1) 를이용하였으며 0.1 CA 의분해능으로연소압력을측정하였다. 연소압력측정을위해 KISTLER 社의 6052C 모델을사용하였다. 공연비는 ETAS 社의 Lambda meter 를사용하여측정하였으며연료물성치를반영하였다. 연소실내부의노킹 (knocking) 을측정하기위해서다음과같은방법을사용하였다. 노킹이발생하면연소압력곡선에고주파파형이발생한다. Filter 를통해걸러진고주파파형을모두적분하는방식으로노킹의강도를측정하기도하지만이경우잡음 (noise) 에취약하다. 그래서본연구에서는연소압력곡선에서최대압력이전의고주파를적분하고최대압력이후의고주파를적분하여이를비교하였다 (Fig. 2)[4]. 이경우잡음이두파형에모두반영되기때문에잡음의영향이상쇄된다. 본연구에서사용된 knocking factor 는노킹이없을경우 1 이며, 노 Fig. 2. Schematic of knocking factor. 킹이발생한경우 1 보다크다. Knocking factor = INT Knock / INT Reference 2.5. 시험용연료 시험용연료는 RON(Research Octane Number) 90 인 Suboctane 에 RON 118 인 ETBE 를산소함량을기준으로혼합하여제조하였다. 주요물성치는 Table 3 과같다. 시험에사용된연료는 Suboctane, ETBE 2.0, ETBE, 4.0, ETBE 8.0 이며이연료들의 RON 은 90, 93.1, 96.9, 103 이며산소함량 (ETBE 함량 ) 이증가할수록 RON 은증가하였다. 방향족화합물 (aromatic hydrocarbon content), 벤젠, 올레핀은산소함량이증가함에따라감소하였다. 이물질들의함량이높을수록입자상물질의배출량이증가하는것으로알려져있다. ETBE 의발열량이 Subotctane 보다약 18% 낮기때문에산소함량이증가할수록발열량은감소하는결과를보였다. Table 3. Properties of test fuels Items Suboctane ETBE ETBE2.0 ETBE4.0 ETBE8.0 RON 90 118 93.1 96.9 103 Oxygen content (wt%) 0.1 15.5 2.0 3.9 7.8 10 vol% ( ) 58.1 68.4 59.6 60.3 65.0 50 vol% ( ) 99.8 71.1 92.1 85.7 79.4 Distillation 90 vol% ( ) 164.3 72.5 158.1 151.0 135.4 End point ( ) 198.3 78.9 192.0 190.5 189.9 Residue (vol%) 1.0 0.9 1.1 1.1 1.0 Aromatic content (vol%) 20.0 0.1 16.9 14.6 9.9 Benzene content (vol%) 0.5 0.1 0.4 0.4 0.3 Olefin content (vol%) 11.4 1.8 9.6 8.5 5.8 Sulfur (mg/kg) 9.6-8.5 7.6 5.8 Net calorific value (MJ/kg) 43.3100 35.5400 42.6490 41.7819 39.7867 CH (wt%) C 85.7000 70.5000 83.6478 81.9461 78.1546 H 14.3000 13.8000 14.3314 14.1732 14.0949 Density (g/cm 3 ) 0.72900 0.75000 0.72891 0.73090 0.73574
ETBE 함량및점화시기변화에따른성능및미세입자배출특성에관한실험적연구 11 Fig. 3. The profile of In-cylinder pressure. 3.1. 압력선도 3. 연구결과 Fig. 3 은 Suboctane 과 ETBE 4.0 의연소실압력을점화시기별로나타낸결과이다. 점화시기가진각됨에따라연소최고압력이증가하고노킹이많이발생하였다. 그리고 Suboctane 은 ETBE 4.0 보다노킹의강도가높았으며연소압력도높았다. 3.2. 열방출율 Fig. 4 는점화시기가 BTDC 25 CA 일때 4 개연료의열방출율결과를 crank angle 로나타낸결과이다. 여기에서 I10 은전체열방출의 10% 에도달한시간 (CA) 을나타내며 I50 은 50%, I90 은 90% 도달시간이다. Suboctane 의경우상사점을약 0.3 CA 지난시점에서 I10 에도달했으며다른연료들에비해서빨랐다. 그리고 I90 까지의시간이가장짧았다. 즉화 Fig. 5. Heat release with respect to oxygen contents on BTDC 25 CA. 염전파시간이가장짧았다. 반면연료의 ETBE 함량이증가함에따라 I10 이지연되었으며 I90 에도달하는시간도길어졌다. E. Hu 의연구결과에서도 isooctane, gasoline, ETBE, MTBE 의화염전파속도는당량비에따라비슷하거나 ETBE 가조금느리다는결과를발표한바있으며 [5] 이러한특성과정성적으로일치한다고하겠다. Fig. 5 는점화시기 BTDC 25 CA 에서산소함량에따른열방출율결과이다. 연소초기에는연료별로큰차이가없었지만연소후반부는 ETBE 함량이증가함에따라연소속도가감소하였다. 3.3. BMEP BMEP 결과는 Fig. 6과같으며 Suboctane의 BMEP 는 BTDC 25 CA에서가장높았다. 산소함량이높은 ETBE 4.0과 ETBE 8.0 연료의경우 MBT(Minimum Spark Advance for Best Torque) 는진각되었다. 이는 RON이높아노킹에의한에너지손실이감소하고화염전파속도가감소했기때문인것으로판단된다. Fig. 4. heat release rate characteristics with respect to oxygen contents. Fig. 6. Brake mean effective pressure.
12 송호영 김홍집 BTDC 25 CA 를기준으로지각된조건인 BTDC 10 CA 에서 BTDC 25 CA 에서는발열량이높은연료의 BMEP 가높게나타났으며진각된조건에서는 RON 이높은연료의 BMEP 가전반적으로높았다. ETBE 8.0 의경우 ETBE 4.0 보다 RON 이높음에도불구하고 BMEP 가낮았다. 이는노킹의발생강도가비슷한점 (Fig. 9) 을고려하면 ETBE 8.0 의발열량이낮기때문인것으로판단된다. ETBE 2.0 은 BTDC 25 CA 보다지각된조건에서는 Suboctane 보다발열량이적어낮은 BMEP 를보이고진각된조건에서는노킹의강도가유사한것 (Fig. 9) 으로보아노킹에의한에너지손실에차이가적어비슷한 BMEP 를보인것으로판단된다. 연료에따른 BMEP 결과를연료물성과연관시켜분석하면다음과같다. MBT 는 ETBE 함량에따라변화가있었으며지각된조건에서는발열량의영향이크게작용하고진각된경우에는 RON 의영향이더크게작용한것으로보인다. 그리고진각된조건에서는 RON 93.1 인연료 (ETBE 2.0) 와 96.9 인연료 (ETBE 4.0) 의 BMEP 마진 (margin) 이큰것으로나타났다. 이러한결과는 BMEP 는 RON 에비례하지않는다는반증이며노킹결과 (Fig. 9) 에서도비슷한결과가도출되었다. 시킨결과로보인다. 그리고진각된조건에서그차이는더크게나타났으며, 이는노킹에의한에너지손실의차이가반영되었기때문인것으로보인다. 3.5. IMEP 변동계수 Fig. 8 은점화시기 BTDC 25 CA 에서 100 cycle 에대한 IMEP(Indicated Mean Effective Pressure) 의변동계수 (CoV, Coefficient of Variation) 이다. Suboctane 의경우, MBT 인 25 CA 에서가장낮은값을보였으며, 진각되거나지각되면증가하는경향을보였다. ETBE 를함유한연료도 MBT 를기준으로진각되거나지각되었을때 CoV 는증가하였다. 점화시기별로연료별 CoV 에차이는있었지만그차이는미미하였으며전반적으로 CoV 값은낮았다. 3.6. Knocking factor. 개별조건에서측정된 knocking factor는 Fig. 9와같이점화시기가진각됨에따라증가하는결과를보였다. 그리고 RON이높은연료인 ETBE 4.0과 ETBE 8.0의경우진각되어도노킹의발생강도가상대적 3.4. BTE 각연료에대한 BTE 결과를 Fig. 7 에나타내었다. 모든연료는 MBT 에서효율이가장높았다. Suboctane 의경우대부분의점화시기에서다른연료보다효율이낮았으며 ETBE 함량이가장높은연료인 ETBE 8.0 연료는대부분의점화식에서효율이가장높았다. 전반적으로 ETBE 함량이증가함에따라효율이증가하는경향을보였다. 이는 ETBE 함유량이증가함에따라증발특성이우수하여혼합기의균일도가향상되고 ETBE 에함유된산소성분이연소를촉진 Fig. 8. CoV of IMEP. Fig. 7. Brake thermal efficiency. Fig. 9 Knocking factor characteristics.
ETBE 함량및점화시기변화에따른성능및미세입자배출특성에관한실험적연구 13 으로낮았다. Table 3 에서보는바와같이산소함량이증가함에따라 RON 은거의선형적으로증가하였다. 하지만노킹에대한측정결과에서는 RON 90 과 93.1 이비슷한경향을보였다. 그리고 RON 96.9 와 103 이비슷한수치와경향을보였다. 이를통해엔진에서노킹의강도는 RON 에선형적으로비례하지않는다는사실을확인할수있었다. 또한, RON 93.1 과 96.9 사이의노킹마진이많음을확인하였다. 최대로진각된조건인 BTDC 40 CA 에서 RON 이높은연료의 knocking factor 가미세하게높은결과를보였다. 이는최대압력점을기준으로 knocking 의강도를측정하는방식에서발생한오차로판단된다. 특히, 최대압력점에서압력변동이크기때문에노킹의강도가클수록오차는더커질수있다. 3.7. Fine particle number concentration 단위출력및단위시간당입자개수배출량결과는 Fig. 10 과같다. BTDC 10 CA 에서 BTDC 25 CA 까지진각될경우, 입자개수배출량은모든연료에서미미하게증가하거나감소하는경향을보였다. 반면더진각될경우입자개수배출량이급격하게증가하는경향을보였다. 이는점화시기가진각됨에따라공기와연료가혼합되는시간이짧아져균일한혼합기가형성되지않았기때문에농후한혼합기조건에서미세입자발생이증가했을수있다. 하지만혼합기의균일성 (homogeneity) 만으로급격한입자개수배출량증가를설명하기엔부족하다. S.H Lee 의연구 [6] 에따르면혼합기가농후한조건 (=0.8) 에서입자상물질배출량이증가하지만본연구결과와같이최대 100 배까지증가하지않았다. 또한, S. Sakai 의연구 [7] 에서도당량비가증가함에따라입자개수배출량이증가하지만본연구결과와같은급격한증가를보이지않았다. Fig. 10. Fine particle number concentration. 혼합기의균일성이외에노킹에의한영향을고려할수있다. 과도한노킹 (Heavy knocking) 이발생할경우, 연료가가진에너지의약 40% 정도를열전달을통해일어버릴수있다 [8]. 이는출력의감소와더불어단열화염온도를감소시키고불완전연소를발생시켜미세입자의생성을촉진할수있다. 마지막으로라디칼 (Radical) 종의분포를고려해야한다. 화염전파에의한정상연소가이루어진영역에서는 OH 라디칼이많이분포하고노킹이발생하는지점에는 CHO 라디칼이발생한다 [9]. 탄소 (C) 입자를가진 CHO 라디칼은미세입자의전구체로작용하고노킹에의해발생한 supersonic[10] 을동반한강력한압력변동으로인해입자개수생성이촉진될수있다. 전반적으로산소함량이높은연료의미세입자배출량이적었다. 이는미세입자생성에영향을주는방향족화합물, 올레핀, 황함량이산소함량이증가함에따라감소했기때문이다. 그리고산소함량이증가함에따라연료의증발특성이개선되어더균일한혼합기가형성되었기때문인것으로보인다. 반면, 산소함량이가장높은 ETBE 8.0 의경우 ETBE 4.0 보다모든조건에서미세입자배출량이많았다. 이는 ETBE 8.0 의발열량이낮아단열화염온도가감소하고이로인해연소후반부에산화반응이활발하지않아미세입자생성이증가한것으로판단된다. 4. 결론 본연구에서는휘발유의옥탄가를증가시키는것으로알려져있는함산소기재중 ETBE 의함량을달리하여점화시기변화에따른단기통엔진의성능및미세입자배출특성을분석하였다. 주요연구결과는다음과같다. 1) 산소 (ETBE) 의함량이증가함에따라점화지연시간이길어지고화염전파속도는감소하였다. 2) Suboctane 의 MBT 인 BTDC 25 CA 보다지각된조건에서는발열량이높은연료의 BMEP 가높고진각된조건에서는 RON 이높은연료의 BMEP 가높았다. 3) ETBE 함량이증가함에따라 BTE 는전반적으로증가하는경향을보였다. 4) 점화시기가진각됨에따라노킹의강도가급격히증가하는결과를보였다. 그리고산소함량이높고 RON 이높은연료의노킹강도는그렇지않은연료보다낮았다. 5) 점화시기에따른미세입자배출특성결과는다음과같다. 노킹이발생하지않는 BTDC 25 CA 까지는미미한증감을보였다. 하지만진각된조건
14 송호영 김홍집 에서는미세입자배출량이급격히증가하는경향을보였다. 그리고동일한점화시기에서산소함량이높은연료의미세입자배출량이전반적으로낮았다. 6) ETBE 를함유한연료는옥탄가가높아노킹에대한저항력이컸으며 BTE 도높았다. 전반적으로성능이개선되었으며입자개수배출량도감소하는특성을보였다. References [1] H.Y. Song, K.K. Kim, T.Y. Lim, H.J. Kim, The Experimental Study of the Effect of Oxygenates on Exhaust Emissions and Fuel Economy of MPI and GDi Vehicles, Trans. Korean Soc. Auto. Eng., 25(5) (2017) 632-640. [2] C. OH, G. Cha, Influence of Oxygenate Content on Particulate Matter Emission in Gasoline Direct Injection Engine, Int. J. Automot. Techn., 14(6) (2013) 829-836. [3] M.H. Lee, S.W. Kim, J.G. Kim, J.R. Kim, E.S. Yim, D.G. Kim, The Fuel Properties and Exhaust Emission Characteristics according to the Oxygenated Fuel Additive Type, KSAE Spring Conference, 2009, 470-476. [4] Combustion Analyser User Manual 7.0.6, Version 1.5, DEWETRON, 27-35. [5] E. Hu, J. Ku, G. Yin, C.C. Li, X. Lu, Z. Huang, Laminar Flame Characteristics and Kinetic Modeling Study of Ethyl Tertiary Butyl Ether compared with Methyl Tertiary Butyl Ether, Ethanol, Iso-Octane and Gasoline, Energy Fuels, 32(3) (2018) 3935-3949. [6] S.H. Lee, S.M. Oh, K.Y. Kang, J.H. Cho, K.O. Cha, Particulate Emissions from a Direct Injection Spark-Ignition Engine Fuelled with Gasoline and LPG, Trans. Korean Soc. Auto. Eng., 19(3) (2011) 65-72. [7] S. Sakai, M. Hageman, D. Rothamer, Effect of Equivalence Ratio on the Particulate Emissions from a Spark-Ignited, Direct-Injected Gasoline Engine, SAE Technical Paper, 2013, 2013-01- 1560 [8] Z. Wang, Y. Wang, R.D. Reitz, Pressure Oscillation and Chemical Kinetics Coupling during Knock Processes in Gasoline Engine Combustion, Energy Fuels, 26(12) (2012) 7107-7119. [9] S.S. Merola, B.M. Vaglieco, Knock Investigation by Flame and Radical Species Detection in Spark Ignition Engine for Different Fuels, Energy Convers. Manage., 48 (2017) 2897-2910. [10] Pan J, Sheppard DGW, Tindall A, Berzins M, Pennignton SV, and Wake JM, End Gas Inhomogeneity, Autoignition and Knock, SAE Technical Paper, 1998, 982616.