세계적으로 석유 수급의 악화와 산유국의 정세불안으로 유가가 급등하고 매년 에너지 소비 증가와 지구온난화에 대비한 온실가스 배출절감에 대한 전 세계적 노력과 교토의정서로 대변되는 기후변화협약 발효 등으로 화석연료의 대안으로서 바이오에너지에 대한 국제적 관심이 고조되고 있다. 바이오에너지 중 바이오디젤과 바이오에탄올은 수송용 대체연료 중심으로 최근 수년간 연구개발 투자가 집중되고 있는 친환경 녹색성장의 핵심 기술이다. 이 연구는 기술의 개요와 국내외 현황을 살펴보고, 바이오디젤분야 연구논문의 연도별 발표현황, 주제 카테고리, 저널 패턴, 국가별 논문 수, 연구기관별 분석, 키워드 등을 분석하여, 국내 관련 산업 및 기술정책 수립과 연구개발에 유용한 학술자료로 활용될 수 있도록 하였다.
본 연구는 경유와 바이오디젤(대두유) 혼합연료의 디젤엔진 배기특성을 조사하였고, 연료 혼합비는 BD(biodiesel)3, BD5, BD20, BD50 및 BD100이며, 분사압력 조건을 400 bar, 600 bar, 800 bar, 1000 bar 및 1200 bar로 변화시켰다. 그리고 연료 혼합비 및 분사압력에 따른 엔진배출물인 NOx와 Soot의 정량적인 분석을 위해 통계학에 기초한 피어슨 상관계수와 스피어만 상관계수를 이하였다. 본 연구의 결과로서 실험변수인 혼합비와 분사압력에 대한 NOx 및 Soot 발생량의 피어슨 상관계수는 -0.811이며, 스피어만 상관계수는 -0.884로 NOx와 Soot 발생량 관계가 선형적이며, 이것은 trade-off관계를 나타낸다. 또한 각각의 분사압력 조건에서 피어슨 상관계수가 음의 상관 관계를 나타내며 이것은 NOx와 Soot 배출관계가 반비례적인 것을 나타낸다.
It is known that the content of saturated fatty acids methyl ester (SFAME) affect the pour point of biodiesel at low temperature. In this study, biodiesel (BD) was produced from beef tallow (TAL) by alkali catalyst. To reduce the saturation in BD, acetone fractionation was applied. Besides, TAL was also solvent-fractionated to reduce the saturated fatty acid (SFA) content for further producing BD. With acetone, TAL or TAL methyl ester (5:1 v/w) were fractionated at 10, 0, -10, and $-15^{\circ}C$, respectively. At $-10^{\circ}C$, 17.35% of SFA was observed in fractionated TAL (liquid part, -10TAL) when 5:1 solvent ratio was used for 24 hr. Under the same condition, fractionated BD (liquid part, -10BD) showed SFA (33.14%) with 78wt % yield. Also, fractionation of BD with different concentration of crystallizer 209 (0.1, 0.5, and 1%) along with different time (2, 6, 12, and 24 hr.) was observed. The best condition for reducing the SFA was 0.5% of crystallizer 209 addition for 12 hr of fractionation time at $-10^{\circ}C$, in which 30.14% of SFA content was observed in BD (liquid part). Among different crystallizer, ps 66 showed the least content of SFA content (23.28%) in BD after fractionation ($-10^{\circ}C$ and 24 hr) with 0.5wt% addition.
Diesel engine is most suitable one for biodiesel fuel because the compression-ignition diesel engine has desirable fuel consumption due to higher thermal efficiency and in addition, the improvement of the fuel consumption also leads to a reduction of $CO_2$ emission and then it does not need to have spark-ignition system, which means that there is less charge on the technic and complexity. In this study, the spray behavior characteristics of the vegetable palm oil were analyzed by using a common-rail injection system of commercial diesel engine and the results were compared with those obtained for the diesel fuel. The injection pressures and blend ratios of palm oil and diesel(BD3, BD5, BD20, BD30, BD50, and BD100) were the main parameters. The experiments were conducted for different injection pressures: 500bar, 1000bar, 1500bar, and 1600bar by setting injection duration to $500{\mu}s$. Consequently, it was found that there is no significant difference in the macro characteristics of the spray behavior(spray penetration and spray angle) in response to change in the blend ratio of palm oil and diesel at a fixed injection pressure. In particular, all experiments showed the spray angle about $12^{\circ}{\sim}13^{\circ}$.
본 총설에서는 국내 바이오디젤 생산과 소비, 품질기준 및 시장현황 등에 대해 살펴보았다. 국내에서 생산되는 바이오디젤의 원료물질은 대부분 대두유와 폐식용유이고 바이오디젤 생산 업체 중 원료물질 다변화를 위한 시도들이 진행되고 있다. 농림부에서도 바이오디젤 국내 생산을 위해 2007년부터 3년간 바이오디젤용 유채생산 시범사업을 추진하고 있다. 2006년 7월 이래로 산업자원부와 정유사간 자발적 협약에 의해 현재 시중에 유통되고 있는 경유는 BD0.5이며, 2007년과 2008년에 158400 MT이 공급될 것으로 예상된다. 산업자원부에서 바이오디젤 보급 확대를 위해 2012년까지 경유에 혼합되는 바이오디젤을 매년 0.5%씩 확대하여 3%까지 늘리겠다는 계획을 발표하였으며, 앞으로 바이오디젤의 보급이 크게 확대될 것으로 전망된다.
본 연구는 4실린더 커먼레일 디젤엔진에 바이오디젤 혼합 디젤연료를 적용하였을 경우 엔진의 연소특성과 배출물 저감효과를 실험적으로 구한 것이다. 실험 연료는 바이오디젤 20%와 디젤연료 80%(체적분율)를 혼합한 BD20과 저유황디젤연료(ULSD)를 사용하였으며, 연료분사압과 엔진회전수를 변수로하여 실험을 수행하였다. 실험결과 B20과 ULSD 모두 연료분사압력이 증가함에 따라 NOx 배출농도는 증가하고, Soot 배출량은 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 BD20의 경우 ULSD와 비교하여 NOx 배출농도는 다소 증가하였으나, Soot 배출량은 현저하게 감소하였다. 또한, 회전속도가 1000rpm에서 2000rpm으로 증가함에 따라 NOx 배출농도는 감소하고, Soot 배출량은 낮은 분사압력에서 현저히 증가하는 경향을 나타내었다.
An experimental study was carried out to investigate the emission characteristics for various alternative fuels in a 2.0 liter 4-cylinder turbo-charged diesel engine. The conventional diesel fuel, neat GTL (Gas to Liquid), blends of diesel and biodiesel(BD20), and blends of GTL and biodiesel(G+BD20 and G+BD40) were applied, and their emission characteristics were compared at various steady-state engine operating conditions. A noticeable reduction of exhaust emissions compared to conventional diesel fuel, except for NOx emission, was observed for G+BD40, where there is a maximum 30% averaged reduction for gaseous emissions (THC and CO) and 70% for PM mass concentrations. When comparing PM size distributions for biodiesel blended fuels, the PM number concentration in accumulation mode, where the diameter of PM is greater than 50 nm, decreased due to additional oxygen content in the biodiesel fuel; in nucleation mode, where the diameter of PM is less than 50nm, there was a slight increase or decrease in the PM number concentration depending on the amount of oxygen available in the combustion chamber.
Diesel engines have the superior combustion efficiency and fuel economy that they are widely used for industry, heavyduty vehicles, etc. However, its exhaust emissions have become the major concerns due to their environmental impacts. Moreover, the depletion of fossil fuels is the main issue. Therefore, it is important to look for alternative sources of energy. Bio-diesel is one of the ideal energy which has proved to be ecofriendly for more than fossil fuels. The experimental tests analysed the engine performance and emission characteristics of a diesel engine using diesel and biodiesel blended of BD25, BD45 and BD65, in order to study the use of clean fuel to meet the increasingly stringent emission regulations. The engine performance was examined by using engine dynamometer while an exhaust gas analyzer was used to examine the emission characteristics. The effect of biodiesel on engine performance were lower to diesel through comparing their HP and torque but fuel consumption was slightly increased because of biodiesel has lower heating value and higher density than diesel. However, due to the better lubricity, the brake thermal efficiency of biodiesel was higher than diesel. The emission characteristics were strongly affected by the blending ratio of diesel and biodiesel. The results showed that the smoke opacity, hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) emissions decreased while the nitrogen oxides (NOX) slightly increased.
본 연구는 경유를 2차 분사연료로 사용하는 HC-SCR 후처리장치에서 2차 분사연료의 바이오디젤 함량 변화(BD0, BD10, BD25)에 다른 NOx 변환특성을 분석하였다. 시험조건은 HC-SCR 장치의 특성, 2차 분사연료의 distillation 등을 고려하여 장치 전단온도는 $290^{\circ}C$, $320^{\circ}C$, $350^{\circ}C$로 설정하였으며, 공간속도는 55,000(1/h)으로 고정하고 연료분사량을 조절하였다. Distillation 시험결과, T90은 약 $350^{\circ}C$로 동일한 수준이었으며 바이오디젤 함량이 증가할수록 $350^{\circ}C$보다 낮은 조건에서 증발량이 감소한다는 결과를 얻었다. 2차 분사연료에 혼합된 바이오디젤 함량이 증가할수록 NOx 저감효율은 감소하는 것을 확인하였으며 저온조건($290^{\circ}C$)보다 고온조건($320^{\circ}C$, $350^{\circ}C$)에서 NOx 저감율의 차이가 더 크게 발생했다. 이러한 결과는 바이오디젤의 열악한 증발특성(Distillation)과 높은 분자량인 것으로 추측된다.
The enormous increase in the use of fossil energy sources throughout the world has caused severe air pollution and a depletion of energy. Besides, it seems very difficult to comply with the upcoming stringent emission standards in vehicles. In order to develop low emission engines, research on better qualified fuels as alternative fuels to secure high engine performance becomes a more important issue than ever. Since sulfur contained in diesel fuel is transformed in sulfate-laden particulate matters when a catalyst is applied, it is necessary to provide low sulfur fuels before any Pt-based oxidation catalysts are applied. But the excessive reduction of sulfur levels may cause the lubricity of fuel and engine performance to degrade. In this aspect, biodiesel fuel derived from rice bran is applied to compensate viscosity lost in the desulfurization treatment. This research is focused on the performance of an 11,000cc diesel engine and the emission characteristics by the introduction of ULSD(Ultra Low Sulfur Diesel), BD20(Diesel 80%+Biodiesel 20%) and a diesel oxidation catalyst, where BD20 is used to improve the lubricity of fuel in fuel injection systems as fuel additives or alternative fuels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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