커피박 열분해유-부탄올 혼합연료를 적용한 발전용 디젤엔진 및 트랙터의 연소 및 배출가스 특성에 관한 연구 :Study on the Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engine Generator and Tractor Operated with Coffee Ground Oil-Butanol Blended Fuel

임준빈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임준빈 (한남대학교, 한남대학교 대학원)

지도교수: 윤천석

발행연도: 2018

저작권: 한남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2019

커피박 열분해유-부탄올 혼합연료의 디젤 트랙터 적용 가능성에 관한 연구

임준빈 , 윤천석 , 이석환 외 1명 한국자동차공학회논문집 2019.02 학술저널

2018

커피박 열분해유-부탄올 혼합연료를 사용하는 디젤 트랙터의 주행성능 및 배출가스 특성에 관한 연구

임준빈 , 이석환 , 김기백 외 1명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2018.06 학술대회자료

커피박 열분해유-부탄올 혼합연료를 적용한 발전용 디젤엔진 및 트랙터의 연소 및 배출가스 특성에 관한 연구

임준빈 기계공학과 2018.01 학위논문

2017

커피박 열부해유-부탄올 혼합연료 적용을 통한 발전용 디젤엔진의 연소 및 배출가스 특성에 관한 연구

임준빈 , 이석환 , 김기백 외 2명 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2017.11 학술대회자료

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최근 무분별한 화석연료 사용으로 인해 지구온난화, 환경오염에 대한 우려가 전 세계적으로 증가하였고, 이에 따른 배출가스 규제는 점점 강화되고 있다. 이러한 배출가스 규제를 만족하기 위해 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), RCCI (Reactivity Charge Compression Ignition), 저온연소, 이종연료혼소와 같은 신 연소법을 개발하거나 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 신재생에너지 중 바이오매스를 이용한 연구들이 최근 활발하게 진행되고 있으며, 일부 연료는 상용화 되어 기존의 화석 연료를 대체하고 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 바이오디젤, 바이오에탄올은 콩, 옥수수, 감자 등의 식용작물로부터 제조되기 때문에 곡물가격의 폭등 및 기아나 기근과 같은 2차적인 문제를 가지고 있다. 따라서 비식용작물로부터 제조되는 바이오연료에 대한 이목이 집중되고 있다. 국내의 경우 2017년 기준 총 커피 소비량은 230만 팩 (60kg/bag)으로 세계 7위를 기록할 정도로 커피시장은 빠르게 성장하고 있어 커피박은 바이오연료를 제조하기 위한 원료로 주목받고 있다. 커피박 열분해유는 추출하고 남은 커피박을 24시간 동안 건조시킨 후 500℃ 이상의 고온에서 무산소 조건으로 2초 이내의 짧은 시간 동안 노출시키는 급속열분해공정을 통해 발생한 휘발성 성분들을 응축시켜 얻어진 연료이다. 커피박 열분해유는 디젤에 비해 낮은 발열량과 세탄가, 높은 점도, 산도, 수분 및 산소성분을 포함하고 있어 엔진에 단독으로 적용하기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이런 커피박 열분해유의 단점을 보완하기 위해 알코올계 연료인 부탄올과 세탄가 향상제인 PEG400, 2-EHN을 혼합한 혼합연료를 제조하여 상용화된 발전용 디젤엔진 및 트랙터에 적용한 후 연소 및 배출가스 특성을 파악하였다.

In order to reduce global warming and environmental pollution caused by exhaust emissions from internal combustion engines or caused by emissions from consumption of conventional fossil fuels, extensive researches regarding renewable energy have been carried out showing commercialization potential of bio-fuels that could be used as an alternative to the conventional fossil fuels. Bio-diesel and bio-ethanol can be produced from a large variety of biomass-derived feedstock such as corn, soybean, and potato. However, the drawbacks of development of bio-fuels were also found showing increases in grain prices and famine issues. In this study, coffee ground oil(CGO) was produced from coffee waste through fast pyrolysis process after extracting and drying the remaining coffee beans for 24 hours. CGO has lower energy density and cetane number but higher viscosity, acidity, oxygen element and water contents compared to those of the conventional diesel fuels. To overcome such as disadvantages, the blended fuel of butanol, PEG400, and 2-EHN was added to CGO. The CGO is blended increasing 0, 10, 20, and 30% on a mass basis.
The main objective of this study is to evaluate the practical feasibility of application of CGO-butanol blended fuel in the conventional diesel engine and also to characterize their consequent combustion and emission behaviors. This study is composed of following three parts. First, CGO-butanol blended fuel was studied to examine the possibility of actual application, combustion and emission characteristics in the conventional diesel engine. Comparison was performed between blended fuel contained CGO and diesel fuel. Second, driving and emission characteristics of conventional diesel tractor were investigated with the same fuel used in the first experiment, under on-road condition. Third, the compatibility of blended fuel was evaluated through the continuous operation for 12 hours in order to consider the actual operating conditions in the future, when the diesel fuel and CGO30 containing the highest mixing ratio of CGO was applied to diesel engine generator.
Experimental results showed that CGO-butanol blended fuels have similar combustion stability compared to diesel and its oxygen elements contents can cause higher NOx(nitrogen oxide) emission. However, relatively higher contents of oxygen in the blended fuel led to more efficient combustion of HC(hydro carbon), so it make an impact on PM(particle matter) reduction.

1.서론 1
1.1연구 배경 1
1.2연구 동향 3
1.3연구 목적 5
2.이론적 배경 6
2.1급속열분해유 6
2.1.1열분해유의 연료특성 6
2.1.2열분해유의 제조공정 8
2.2엔진 성능 특성 11
2.2.1연소압력(Combustion pressure) 11
2.2.2열 방출율(Heat release rate) 12
2.2.3도시평균유효압력(Indicated mean effective pressure) 14
2.2.4도시연료전환효율(Indicated fuel conversion efficiency) 14
2.2.5도시연료소비율(Indicated specific fuel consumption) 15
2.2.6도시에너지소비율(Indicated specific energy consumption) 15
2.3배출가스 특성 16
2.3.1탄화수소(HC) 16
2.3.2일산화탄소(CO) 17
2.3.3질소산화물(NOx) 18
2.3.4입자상물질(PM) 21
3.실험장치 및 방법 23
3.1실험장치 23
3.1.1실험연료 조성 23
3.1.2실험엔진 26
3.1.3측정장비 30
3.2실험방법 44
4.실험결과 및 고찰 45
4.1열분해유 혼합율에 따른 발전용 디젤엔진의 연소 및 배출가스 특성 45
4.1.1엔진 연소 특성 46
4.1.2가스상 배출가스 특성 54
4.1.3입자상 배출가스 특성 57
4.2열분해유 혼합율에 따른 디젤 트랙터의 주행성능 및 배출가스 특성 61
4.2.1디젤 트랙터의 주행성능 62
4.2.2가스상 배출가스 특성 68
4.2.3입자상 배출가스 특성 78
4.3혼합연료의 적합성 평가 86
4.3.1가스상 배출가스 특성 88
5.결론 90
참고 문헌 93

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