본 연구에서는 1-펜탄올/경유 혼합유를 직분사 디젤엔진의 연료로 사용하여 엔진의 연소 및 배기 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 실험 장치의 개요는 Fig. 1에 나타내었으며, 엔진의 주요 제원은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 엔진은 단기통 자연 흡기 방식으로 흡입 공기량과 부하를 조절하여 다양한 조건에서 연소 실험을 수행하였다. 배기가스 온도, 제동 토크, 공기 및 연료 유량 등 주요 물리량에 대한 계측기는 모두 계기판에 연결되며, 엔진의 제동 출력, 열효율, 제동 연료 소비율 등 성능 및 연소 특성 관련 물리량은 측정된 데이터를 기반으로 MT-502E 소프트웨어 (ESSOM, Bangkok, Thailand)를 사용하여 계산하였다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of experimental apparatus

연소 후 발생하는 주요 배기가스 측정을 위해 비분산 적외선 방식의 QRO-402 가스 분석기(QroTech, Bucheon, Korea)를 사용하였고, 매연 불투명도 측정을 위해 광투과식 OPA-102 스모크 측정기(QroTech)를 사용하였다. Table 2는 배출가스 성분별 농도 측정 범위, 정확도 및 분해능을 나타낸다.

본 연구에서는 1-펜탄올의 혼합 비율에 따른 디젤 엔진의 연소 및 배기 특성 변화를 관찰하기 위해, 1-펜탄올을 부피 기준 5, 10, 15, 20%를 혼합하였으며 각각의 혼합유는 D95P05, D90P10, D85P15, D80P20으로, 순수 경유는 D100으로 명명하였다. Table 3은 실험에 사용된 경유와 1-펜탄올의 물리화학적 특성을 나타내며, lower heating value (LHV), 연료 내 산소 농도, CN 등에서 명확한 차이를 확인할 수 있다. 실험은 엔진 속도 2,000 rpm에서 제동 토크 6, 8, 10, 12 Nm의 조건에 대해 수행하였으며, 연료의 변화에 따라 엔진에 흡입되는 공기량과 부하를 조절하여 엔진 속도와 제동 토크를 동일한 조건으로 보정하였다.

제동 열효율(brake thermal efficiency, BTE), 제동 에너지 소비율(brake specific energy consumption, BSEC) 및 제동 연료 소비율(brake specific fuel consumption, BSFC)은 다음과 같이 정의된다.

여기서 Pb는 제동 출력, m˙f은 연료 유량을 나타낸다. Fig. 2는 5종의 연료유를 사용했을 때 발생하는 BTE의 변화를 나타낸 것으로 모든 연료에 대해 brake mean effective pressure (BMEP) 증가에 따라 BTE는 증가하는 경향을 나타낸다. 1-펜탄올/경유 혼합유의 경우 D80P20의 고부하 조건을 제외한 나머지 조건에서 D100보다 BTE가 감소하였다. Table 3에 나타난 것처럼 펜탄올의 LHV는 경유보다 약 18% 정도 낮고, 기화열은 약 15% 크기 때문에 증발 과정에서의 냉각 효과로 연소 반응이 억제되고 낮은 발열량에 의해 경유 대비 BTE가 감소하는 것으로 이해할 수 있다. 반면, 연료에 포함된 산소는 국부적으로 연소 반응을 촉진하는 요인이 되고, 낮은 CN의 영향으로 점화가 지연되면서 균일한 혼합기가 형성되면 점화 초기 연소 효율이 개선되는 긍정적인 효과도 있다. 따라서 1-펜탄올의 혼합 비율 변화에 따라 연소 과정에서의 지배적인 요인이 바뀌면 BTE에 대해서도 상반된 결과가 나타날 것으로 예상된다. 동일한 엔진 속도와 BMEP에서 1-펜탄올의 혼합 비율을 변화시켰을 때 BTE는 D90P10에서 가장 나쁘게 나타나며, 1-펜탄올의 혼합 비율을 10%로부터 20%까지 증가시키면 BTE가 다시 증가하는 경향을 보인다. 혼합유를 사용한 대부분의 조건에서 D100보다 BTE가 감소하며, D80P20을 사용했을 경우에는 높은 BMEP (0.412, 0.494 MPa)에서 D100보다 BTE가 증가한다. 이는 해당 조건에서 D100에 비해 공연비(air/fuel ratio, AFR)가 높아지고, 펜탄올에 함유된 산소 성분이 연소 반응에 기여하면서 보다 완전한 연소가 촉진되는 것으로 해석될 수 있다. 실험에서 측정된 AFR은 공기와 연료의 질량비로 정의되고, Fig. 3에 나타난 것과 같이 BMEP가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내며 혼합유를 사용하면 전반적으로 D100보다 AFR이 증가한다. AFR은 엔진 성능 및 배출가스 농도에 영향을 미치는 중요한 변수이며, 1-펜탄올의 이론적인 AFR은 경유보다 약 21% 낮다. BMEP가 낮은 조건(0.247, 0.330 MPa)에서는 모든 혼합유에 대해 이론적인 AFR보다 약 두 배 이상 높은 AFR이 형성되면서 희박 연소가 전개되고, 과잉 흡입된 공기로의 열손실이 증가한다. 연료의 증발 과정에서도 혼합유는 더 많은 기화열을 요구하므로 불완전한연소가 발생할 가능성이 있고, 이것으로 저부하 조건에서 1-펜탄올 첨가로 인한 BTE 감소 경향을 설명할 수 있다. 반대로 BMEP가 높은 조건(0.412, 0.494 MPa)에서는 모든 연료유에 대한 AFR이 감소하여 보다 완전한 연소 반응이 진행되며, 혼합유와 경유 사이의 AFR 차이가 감소함에 따라 BTE 차이도 감소함을 확인할 수 있다.

Fig. 2. 
Variations of BTE against BMEP

Fig. 3. 
Variations of AFR against BMEP

BSEC는 단위 출력을 생산하기 위해 소비되는 에너지로 1-펜탄올/경유 혼합유의 경제성을 나타내는 중요한 지표다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 BMEP 증가에 따라 BSEC는 감소하는 경향을 보이는데, 이는 더 높은 엔진 부하에서 연료의 효율성이 향상되었음을 의미한다. 낮은 BMEP (0.247, 0.330 MPa)에서 혼합유의 BSEC는 D100보다 높으며 혼합유 사용 시 저부하 조건에서 동일한 출력을 생산하는 데 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미한다. 그러나 BMEP가 증가할수록 혼합유와 D100 사이의 BSEC 격차는 좁혀지며, 최고 BMEP인 0.494 MPa에서 D80P20의 BSEC는 D100보다 작다. 혼합유 중에서는 전반적으로 D80P20의 BSEC가 가장 작게 나타나는데, 혼합유 내부의 산소 성분이 증가할수록 연소 효율이 높아져 낮은 LHV에 의한 효율 감소를 상쇄하는 것으로 보인다.

Fig. 4. 
Variations of BSEC against BMEP

BSFC는 단위 출력을 생산하는 데 필요한 연료량을 의미하며 연료의 경제성에 대해 보다 직관적으로 이해할 수 있도록 해준다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 모든 연료에 대해 BMEP 증가에 따라 BSFC는 감소하는 경향을 나타낸다. BSEC와는 달리 혼합유를 사용한 모든 실험에서 D100보다 높은 BSFC를 확인할 수 있으며, D95P05의 BSFC가 혼합유 중에서는 제일 낮게 관찰된다. D95P05보다 높은 농도의 혼합유는 더 높은 CN 및 산소 함량으로 향상된 연소 특성을 기대할 수 있지만 더 낮은 LHV에 의한 효율 저하가 발생하여 BSFC가 D95P05보다 증가하는 것으로 보인다.

Fig. 5. 
Variations of BSFC against BMEP

Fig. 6은 BMEP 증가에 따른 배기가스 온도(exhaust gas temperature, EGT)의 변화를 나타내며, EGT 분석을 통해 엔진의 열부하, 연소 상태, 배기가스 특성에 대한 이해를 높일 수 있다. 본 실험에 사용된 모든 연료에 대해 EGT는 BMEP가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 엔진에 작용하는 부하가 증가하면 출력을 높이기 위해 연료 분사량이 증가하면서 AFR이 낮아진다. 따라서 혼합기의 연소 반응이 보다 완전하게 진행되면서 효율이 증가하고, 과잉 흡입된 공기로의 열손실이 줄어들어 EGT가 증가하게 된다. 혼합유 중에서는 D95P05의 EGT가 전반적으로 높게 나타나며, 높은 BMEP (0.412, 0.494 MPa) 조건에서는 D100보다도 더 높은 EGT를 보여준다. 혼합유 사용 시 EGT 증가는 연료 내부의 산소 함량 증가로 인한 연소 반응 촉진이 주요한 원인이지만, 1-펜탄올의 혼합 비율이 증가할수록 혼합유의 LHV도 감소하여 특정 비율을 넘어서면 EGT를 감소시키기도 한다. 따라서 EGT를 적절한 수준으로 관리하기 위해서는 연료의 정교한 배합이 필요하며, AFR을 포함한 엔진 매개변수에 대한 최적화가 요구된다.

Fig. 6. 
Variations of EGT against BMEP

디젤엔진에서 발생하는 주요 오염 물질인 NOx는 고온 연소 반응의 부산물로 Fig. 7에 나타난 바와 같이 BMEP가 증가할수록 NOx 배출 농도가 증가함을 알 수 있다. 혼합유 사용 시 NOx 농도는 전반적으로 D100보다 낮게 측정되었으며, D90P10과 D85P15을 사용한 모든 조건에서 NOx 농도의 유의미한 감소가 관찰된다. 디젤엔진에서 발생하는 대부분의 NOx가 thermal NOx인 점을 고려할 때, NOx 배출 경향은 EGT의 변화 경향과 유사함을 예상할 수 있으나, 혼합유 사용 시 D100보다 높은 기화열과 AFR 증가에 따른 연소실 냉각 효과로 점화 지연 기간이 증가해 NOx 농도가 감소하는 것으로 추정된다. NOx 농도가 제일 많이 감소하는 D90P10의 경우 BTE는 제일 낮으므로, 환경적 측면과 경제성 사이의 적절한 균형점을 찾기 위한 다방면의 노력이 필요해 보인다.

Fig. 7. 
Variations of NO_X emissions against BMEP

Fig. 8은 CO 배출 농도의 변화를 보여준다. D100의 경우 BMEP 증가에 따라 CO 농도가 증가하는 경향을 보여주지만 혼합유 사용 시 BMEP가 낮을 때의 CO 농도는 D100과 유사한 수준이거나 증가하는 반면, BMEP가 높을 때는 전반적으로 D100보다 감소한다. D90P10의 경우 D100보다 CO 농도가 높게 측정되는데, D90P10의 BTE가 제일 낮다는 점을 고려하면 불완전 연소로 인해 D90P10의 CO 배출이 증가하고, NOx 배출이 감소한 것으로 이해된다. 펜탄올의 점도는 경유보다 크기 때문에, 연료 분사 후 미립화 과정이 지연되어 불균일 혼합기가 증가할 우려가 있고, 고부하 조건에서는 AFR이 감소하기 때문에 국부적으로 불완전 연소의 가능성이 높아진 것으로 보인다.

Fig. 8. 
Variations of CO emissions against BMEP

Fig. 9는 부하에 따른 스모크 불투명도(smoke opacity)의 변화를 나타내고 있으며, BMEP 증가에 따라 스모크 불투명도가 증가하는 경향이 관찰된다. 스모크 불투명도는 PM의 배출 척도가 되는데 수치가 높을수록 가시성과 대기질이 나빠짐을 의미한다. 스모크 불투명도는 AFR이 너무 낮거나 연료 분사 후 미립화 과정이 불량하여 균일 혼합기가 형성되지 못하는 등 국부적으로 농후한 영역이 형성되면서 불완전연소가 발생할 때 수치가 높아진다. 혼합유 사용 시 모든 조건에서 스모크 불투명도가 D100대비 감소하였으며, 펜탄올 혼합 비율이 증가할수록 전반적으로 스모크 불투명도 감소율이 높다. 이를 통해 에탄올이나 메탄올과 마찬가지로 펜탄올도 함산소연료로 스모크 불투명도 감소에 효과적임을 알 수 있으며, BTE가 가장 낮았던 D90P10의 경우에도 최대 46%까지 스모크 불투명도가 감소하였다.

Fig. 9. 
Variations of smoke opacity against BMEP