본 연구에 사용된 디젤엔진은 상용 수냉식, 4기통 직접분사식 디젤엔진을 단기통으로 개조한 것이다. 기존 엔진의 4번 실린더를 제외한 나머지 실린더의 피스톤, 커넥팅로드 및 흡배기 밸브시스템을 모두 탈거하였고, 단기통에 맞는 관성에너지를 갖도록 기존 플라이휠(Flywheel)을 농업용 단기통 디젤엔진(ND 130DI)의 플라이휠로 대체하였다. 실험 엔진은 시동모터에 의해서 시동이 되고 와전류(Eddy current) 엔진 동력계(110 kW)에 의해 기관부하와 회전속도를 임의로 조정할 수 있도록 하였다. Table 1은 실험에 사용된 엔진의 주요 사양을 나타낸 것이다.

압축비 변화에 따른 바이오디젤-CNG 혼합연료 연소 특성을 파악하기 위하여 압축비는 실린더 헤드 가스켓의 두께에 변화를 주어 변경하였으며, 기존 엔진의 압축비와 비교하여 압축비의 변경에 따른 영향을 평가하였다.

파일럿(Pilot) 연료를 분사하기 위한 고압연료분사시스템은 엔진에 장착된 커먼레일(Common-rail) 시스템을 사용하였으며, 고압펌프를 이용하여 커먼레일에 연료를 가압하고 커먼레일 PCV Driver(ZB-1100, Zenobalti)로 설정한 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 파일럿 인젝터(Injector)는 7-hole 솔레노이드 인젝터(Solenoid injector)를 사용하였으며 연료 분사량은 크랭크축에 장착된 엔코더로부터 받은 신호를 이용하여 엔진 크랭크각도를 기준으로 1° 단위로 제어하였다.

혼소엔진시스템의 주 연료인 천연가스는 흡입행정 시에 공급할 수 있도록 흡기관에 CNG 인젝터를 별도로 장착하였으며, 고압연료탱크에서 공급된 천연가스가 CNG 압력조정기를 통하여 6 bar의 일정한 압력으로 CNG 레일로 공급되도록 하였고, CNG의 분사량은 연료 공급량에 따라 주 제어기(Main controller)에서 펄스(Pulse)를 조절하는 방법으로 제어하였다. 또한, CNG의 공급유량은 천연가스 전용 질량 유량계(TSM-140, MKP)를 사용하여 측정하였으며, 경유나 바이오디젤의 Pilot 연료량은 별도로 설치된 계량병을 이용하여 측정하였다.

실린더 내의 압력신호를 검출하기 위해 실린더 헤드에 피에조 압력센서(6051B1, Kistler)를 설치하였고, 측정된 압력은 증폭기(5015A, Kistler)와 DAQ 보드(PCI-6143, National Instrument)를 통해 컴퓨터에 저장하였으며, 200 cycles의 압력을 측정하여 연소특성을 해석하였다.

배출가스 성능을 평가하기 위하여 엔진동력계에 장착된 실험용 엔진의 배기다기관으로부터 후방 3 m 위치에 Opacimeter(OP-130, EplusT)와 배기가스 분석기(Vario plus, MRU)를 설치하여 배기가스를 채취하여 분석하였다. Fig. 1은 실험장치의 개략도를 나타낸 것이다. Table 2와 Table 3은 실험에 사용된 Pilot 연료인 경유, 바이오디젤, 그리고 CNG의 물성치를 각각 나타낸 것이다.

Fig. 1 
Schematic diagram of experimental apparatus

본 연구에서는 바이오디젤-CNG 혼합 연료 연소시스템에서 압축비의 영향을 고찰하기 위하여 압축비는 기존 엔진의 압축비가 16.5인 경우와 압축비를 낮춘 14.5의 경우를 고려하였고, 연소 모드는 단일 연료 연소(SFC, Single-Fuel Combustion)와 혼합 연료 연소(DFC, Dual-Fuel Combustion)로 구분하여 실험을 하였다. 단일 연료 연소의 기준 연료로는 경유를 사용하였으며, 혼합 연료 연소 시 파일럿 연료(Pilot fuel)는 경유(Diesel fuel)과 바이오디젤(Biodiesel)을 사용하였다.

단기통엔진의 연료경제적인 측면과 안정적인 운전 범위를 고려하여 엔진 회전수는 1,700 rpm으로, 엔진부하는 전부하를 기준으로 0 %, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %로 설정하였으며, 모든 실험은 엔진 냉각수 온도를 70±2 ^oC로 일정하게 제어한 상태에서 수행하였다. 파일럿 분사량은 엔진회전속도 1,700 rpm과 파일럿 연료의 분사압력 100 MPa 상태에서 안정적인 연소가 형성될 수 있는 최소량을 분사하였으며, 최대 제동토크(MBT, Maximum Brake Torque)가 발생할 수 있는 크랭크 각도를 고려하여 파일럿 연료의 분사시기를 제어하였다. 엔진 회전수 및 부하의 제어는 주 연료인 CNG의 공급량을 변화시켜가면서 조절하였다. 일반적으로 혼소시스템의 경우, 공기과잉율 값을 1.6~1.9의 범위에서 조정하나 본 연구에서는 쓰로틀을 전개한 상태(WOT, Wide-Open Throttle)에서 실험을 수행하였으며, 그 상태에서의 공기과잉율 값의 변화를 고찰하였다. Table 4는 실험 조건을 정리하여 나타낸 것이다.

Fig. 2는 엔진의 압축비를 14.5에서 16.5로 변경하였을 경우 모터링(Motoring) 상태에서의 실린더 내 압력 특성을 나타낸 것이다. TDC에서 최대 압력을 갖는 정규분포 곡선의 압력 상태를 나타내었으며, 압축비가 14.5일 경우에는 실린더 내 최대 압력이 TDC에서 약 33.80 bar까지 상승하였으나, 압축비를 16.5로 변경하였을 경우에는 약 37.2 bar까지 상승함을 알 수 있다. 이는 압축비가 더 높을 경우, 실린더 내의 압력 상승으로 분위기 온도가 상승하여 분사된 연료를 더 용이하게 착화시킬 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 2 
Cylinder pressure vs crank angle according to the compression ratio during motoring test

Fig. 3은 50 %의 엔진 부하와 1,700 rpm의 엔진 회전속도에서 단일 연료 연소 시 압축비 변화에 따른 실린더 내의 압력 거동을 나타낸 것이다. 압축비가 상대적으로 낮은 14.5에서보다 압축비 16.5에서 착화시기가 더 빠르고 연소 최고 압력이 더 높음을 알 수 있었다. 이는 Fig. 2에서 살펴본 바와 같이 압축비가 높아짐에 따라 실린더 내의 최고 압력이 높아지고, 그에 따라 압축 말기의 연소실 내 온도가 높아져 연료의 착화지연기간이 짧아지기 때문으로 분석된다.

Fig. 3 
Cylinder pressure vs crank angle for compression ratio in conventional diesel combustion at engine load of 50 %

한편 동일한 압축비 상태에서 단일연료 연소와 혼합연료 연소 시 연소실 압력 특성을 비교하여 보았다. Fig. 4는 1,700 rpm의 엔진속도와 50 %의 엔진부하 조건에서 압축비 16.5인 경우에 경유를 단일연료로 사용한 연소(Diesel SFC), 경유-CNG 혼합연료 연소(Diesel+CNG DFC), 그리고 바이오디젤-CNG 혼합연료 연소(Biodiesel+CNG DFC)의 실린더 내 압력 거동을 비교하여 나타낸 것이다. 전체적으로 혼합연료를 사용한 경우보다 단일연료를 사용한 경우의 연소가 더 일찍 시작하고 연소 최고압력도 더 크게 나타남을 알 수 있었다. 이는 혼합연료의 경우, 주연료인 CNG가 자발화 온도가 높고, CNG의 유입으로 연소실 내 온도 강하에 따른 파일럿 연료의 착화가 늦게 나타났기 때문으로 분석된다. 한편 혼합연료 연소의 경우, 파일럿 연료로 경유를 사용한 경우와 바이오디젤을 사용한 경우를 비교한 결과, 바이오디젤을 사용한 경우가 더 빠르게 연소를 시작하고 더 높은 연소 최고압력을 보였다. 이는 바이오디젤이 연료 자체 내에 산소를 함유하고 있기 때문에 착화가 더 빠르게 나타났기 때문으로 판단된다.²¹⁾

Fig. 4 
Cylinder pressure vs crank angle for compression ratio in dual fuel combustion at engine load of 50 %

Fig. 5는 1,700 rpm의 엔진속도와 50 %의 엔진부하 조건에서 압축비 변화에 따른 경유-CNG 혼합연료와 바이오디젤-CNG 혼합연료의 연소 압력 거동을 나타낸 것이다. 전체적으로 압축비가 높을 경우, 연소가 더 일찍 시작하고 연소 최고압력도 높게 나타나는 전형적인 특성을 나타냈었다. 또한 압축비가 14.5인 경우에도 경유-CNG 혼합연료의 경우보다 바이오디젤-CNG 혼합연료의 경우에 더 빠르게 연소가 시작되고 최고 압력도 더 높게 나타나는 특성을 보였다.

Fig. 5 
Cylinder pressure vs crank angle for compression ratio in dual fuel combustion at engine load of 50 %

Fig. 6은 1,700 rpm의 엔진속도에서 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소 시의 연소 최고압력과 연소 최고압력이 발생할 때의 크랭크 각도를 나타낸 것이다. Fig. 6(a)의 연소 최고압력을 살펴볼 때, 전반적으로 압축비 14.5일 경우보다 압축비 16.5일 때, 연소 최고압력이 더 높음을 알 수 있으며, 압축비가 동일할 경우에는 파일럿 연료로 바이오디젤을 사용하는 바이오디젤-CNG 혼합연료 연소에서 더 큰 연소 최고압력을 보였다. 주목할 것은 경유 단일연료 연소 시에는 전부하(100 % 엔진 부하)에서 연소 최고압력이 약간 감소하지만, 혼합연료 연소 시에는 전부하에서도 연소 최고압력이 감소하지 않는다는 것이다. 이는 단일연료 연소 시에 발생하는 전부하에서의 출력 감소를 혼합연료 연소방식을 통해 보완할 수 있다는 의미로 해석된다. 한편, 압축비를 14.5로 낮출 경우, 압축비 16.5와 비교하여 바이오디젤-CNG 혼합연료의 연소 최고압력 감소폭이 경유-CNG 혼합연료의 연소 최고압력 감소폭보다 적게 나타났다.

Fig. 6 
Combustion characteristics of Biodiesel-CNG dual fuel combustion at the pilot injection timing of BTDC 5 ^oCA

Fig. 6(b)는 연소 최고압력이 발생할 때의 크랭크 각도를 나타낸 것이다. 파일럿 연료의 분사시기를 BTDC 5 ^oCA로 일정할 때, 전체적으로 압축비가 높은 경우(압축비 16.5)보다 낮은 경우(압축비 14.5)에서 연소 최고압력이 더 지각된 상태에서 발생함을 알 수 있었다. 이는 압축비가 낮아짐에 따라 착화에너지가 감소되었기 때문으로 분석되며, 일반적으로 최대출력을 얻을 수 있는 최고압력 발생시기가 ATDC 10~15 ^oCA임을 고려할 때, 압축비를 낮출 경우에는 최대 출력 면에서 파일럿 연료의 분사시기를 약 5 ^oCA 정도 진각시키는 것이 바람직하다고 판단된다. 한편, 압축비가 14.5로 낮은 경우에도 무부하를 제외하고는 전체적으로 파일럿 연료로 경유를 사용한 경우보다 바이오디젤을 사용한 경우가 연소 최고압력 발생시점이 약간 더 진각되는 특성을 보였다.

혼합연료를 사용한 경우와 압축비 변화에 따른 연소특성을 고찰하기 위하여 Fig. 7과 같이 착화지연기간을 분석하여 보았다. 단일연료를 사용한 경우, 무부하 상태에서 약 10 ^oCA의 착화지연을 보이면서 부하가 증가할수록 약간 낮아지는 특성을 보였다. 하지만 혼합연료를 사용한 경우, 단일연료를 사용한 경우보다 착화지연기간이 더 길어짐을 알 수 있었고, 압축비가 낮아질 때 착화지연기간이 약 2 ^oCA 더 길어짐을 알 수 있었다. 이는 압축비가 낮아짐에 따라서 착화에너지 생성을 위한 실린더 내부의 온도 상승이 지연되었기 때문으로 판단된다.²³⁾ 한편, 압축비가 16.5인 경우에는 파일럿 연료의 종류에 따라 착화지연기간이 큰 차이를 보이지 않았으나, 압축비가 14.5로 낮아질 경우에는 파일럿 연료로 바이오디젤을 사용한 경우가 경유를 사용한 경우보다 착화지연기간이 더 길게 나타났다. 이는 경유가 바이오디젤에 비해 증류온도가 낮은 성분을 많이 함유하고 있어 낮은 온도에서도 착화에 더 유리했기 때문으로 판단된다.

Fig. 7 
Ignition delay period with different compression ratio under various combustion modes

Fig. 8은 압축비 변화에 따른 파일럿 연료와 주연료(CNG)간의 에너지소비율을 나타낸 것이다. 압축비가 16.5일 경우보다 14.5일 때 전체적으로 전체 에너지 중 파일럿 연료의 비율이 더 높아지고, 경유와 비교하여 바이오디젤의 공급량이 더 많게 나타났다. 이는 압축비가 낮아진 경우, 안정적인 혼합 연료 연소 운전을 위해서는 압축비가 높을 때와 비교하여 파일럿 연료를 더 많이 분사해야 하고, 발열량이 상대적으로 작은 바이오디젤이 경유보다 더 많이 공급되어만 했기 때문으로 분석된다.

Fig. 8 
Energy consumption ratio of pilot fuel and CNG with different compression ratio under dual fuel combustion modes

Fig. 9는 엔진부하 변화조건에서 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소 시의 도시평균유효압력(IMEP, Indicated Mean Effective Pressure)의 사이클 변동(COV_IMEP, Coefficient of Variation of IMEP) 특성을 나타낸 것이다. 전체적으로 엔진 부하가 증가할수록 사이클변동이 낮아지는 전형적인 특성을 보였으며, 무부하를 제외하고는 대부분의 조건에서 모두 3 % 이하의 사이클 변동 수치를 보여 매우 안정적인 연소 특성이 있음을 알 수 있었다. 압축비 변화에 따라서는 특정한 경향을 보이지 않았으며, 파일럿 연료의 특성에 따라서도 특정한 경향을 보이지 않았다. 이는 파일럿 연료의 종류와 엔진 부하에 따라서 최대제동토크(MBT, Maximum Brake Torque)를 위한 최적의 분사시기가 존재하나, 본 연구에서는 해당 사항을 고려하지 않고 파일럿연료의 분사시기를 BTDC 5 ^oCA로 고정시켰기 때문으로 사료된다.

Fig. 9 
COV _IMEP of dual fuel combustion according to compression ratio at the pilot injection timing of BTDC 5 ^oCA

Fig. 10은 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소 시의 제동에너지소비율(BSEC, Brake Specific Energy Consumption)을 나타낸 것으로, 전체적으로 단일 연료 연소시보다 혼합연료 연소시에 BSEC가 증가함을 알 수 있었다. 한편 엔진 부하가 증가할수록 BSEC가 전체적으로 감소하는 전형적인 특성을 보였으며, 압축비가 낮아짐에 따라 BSEC도 약간 감소하는 특성을 보였다.

Fig. 10 
BSEC characteristics of Biodiesel-CNG dual fuel combustion at the pilot injection timing of BTDC 5 ^oCA

이를 종합하여 볼 때, 바이오디젤-CNG 혼합 연료 연소를 위해 압축비를 낮출 경우, 최대 출력을 위한 안정적인 연소를 위해서는 착화지연기간을 고려하여 파일럿 연료의 분사시기를 약 5 ^oCA 정도 진각시킬 필요가 있으며 파일럿 분사율도 약간 증가시킬 필요가 있다고 사료된다.

Fig. 11은 1,700 rpm과 다양한 엔진부하 조건에서 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소의 매연 배출 특성을 나타낸 것이다. 압축비가 16.5인 경우, 경유를 단일 연료로 사용하거나 혼합 연소의 파일럿 연료로 사용하면 매연 발생량은 큰 차이를 나타내지 않았다. 그러나 압축비를 14.5로 낮출 경우, 저부하 이하에서는 혼합연소가 단일연소보다 매연이 감소하지만 중부하 이상에서는 매연이 증가하는 것을 알 수 있었다. 한편, 바이오디젤을 혼합연료의 파일럿 연료로 사용한 경우, 압축비와 관계없이 전체적으로 10 % 이하의 낮은 매연을 배출하였고, 경유 단일 연소모드나 경유-CNG 혼소 모드보다 매연을 크게 저감시키는 것으로 나타났다. 또한 일반적으로 압축비가 낮아질 경우 착화에너지의 감소로 연료의 불완전연소를 초래하여 매연을 증가시키는 전통적인 단일 연료 연소의 특성과 다르게, 바이오디젤-CNG 혼소 모드에서는 압축비가 14.5일 때가 압축비 16.5일 때보다 더 적은 매연을 배출하는 특성을 보였다. 이는 압축비가 낮아지면 바이오디젤 함량이 증가(Fig. 8)하고, 바이오디젤 자체 속에 산소를 함유하고 있어 연소 후반부에 완전 연소를 촉진시켰기 때문으로 분석된다.

Fig. 11 
Smoke with different compression ratio in dual fuel combustion

Fig. 12는 1,700 rpm과 다양한 엔진부하 조건에서 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소의 NOx 배출 특성을 나타낸 것이다. 전체적으로 엔진 부하가 증가할수록 NOx의 배출량이 증가하다가 전부하에서 떨어지는 전통적인 특성을 보였다. 그러나 저부하에서는 단일연료 연소 모드보다 혼합연료 연소모드에서 NOx 배출이 적게 나타난 반면, 고부하에서는 단일연료 연소보다 혼합연료 연소에서 더 많은 NOx를 배출하였다. 또한 압축비 16.5에서는 경유-CNG 혼합 연소보다 바이오디젤-CNG 혼합 연소에서 NOx 배출량이 많았으나, 압축비 14.5에서는 중부하 이하에서만 경유-CNG 혼합 연소모드보다 바이오디젤-CNG 혼합 연소모드에서 더 많은 NOx를 배출하여 혼합연소에서는 전통적인 매연과 NOx의 상반관계가 나타나지 않음을 알 수 있었다.

Fig. 12 
NOx with different compression ratio in dual fuel combustion

Fig. 13과 Fig. 14는 다양한 엔진부하 조건에서 압축비 변화에 따른 혼합연료 연소의 CO와 CO₂의 배출 특성을 각각 나타낸 것이다. CO의 경우, 전체적으로 전부하에서 매우 크게 증가하는 경향을 보였으나, 바이오디젤-CNG 혼합연소에서는 압축비 14.5에서 상대적으로 작게 증가하는 특성을 보였다. 한편, 압축비가 16.5에서 압축비 14.5로 낮아질 경우, 저부하에서 CO 배출량이 증가하였으며 고부하에서는 감소하는 특성을 보였다. 이는 압축비가 낮을 때는 저부하에서 연소가 활발하지 못하여 상대적으로 연소온도가 낮았기 때문으로 분석된다.

Fig. 13 
CO with different compression ratio in dual fuel combustion

Fig. 14 
CO₂ according to compression ratio in dual fuel combustion

CO₂의 경우, 전체적으로 단일연소보다 혼합연료 연소시에 더 적게 배출하였으며, 압축비가 낮을 때 고부하에서 약간 더 적게 배출하는 특성을 보였다.