[논문]13L급 LNG-디젤 혼소엔진의 기초 성능 특성 연구

이석환; 이진욱; 허성준; 윤성식; 노윤현

문제 정의

본 연구에서 13L급 전자제어식 혼소 엔진 시스템이 가지는 경제성과 출력성능, 배출가스 배출특성을 살펴본 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 기존 전자제어식 디젤엔진을 기본으로 하여 dual-fuel 연료제어시스템을 구성하고 엔진 구동을 위한 인젝터 드라이버, ECU 등의 하드웨어를 제작하였으며 이를 구동하기 위한 알고리즘 및 소프트웨어를 개발하였다[6]. 이와 같이 개조한 혼소엔진의 실제 차량 주행성능과 ND-13 모드에서의 배출가스 배출 특성을 살펴보았다.
개발하였다[6]. 이와 같이 개조한 혼소엔진의 실제 차량 주행성능과 ND-13 모드에서의 배출가스 배출 특성을 살펴보았다.
THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료 소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다. 저부하에서 THC가 다량 배출되므로 산화촉매를 설치하여 배출량을 저감하고자 하였다. Fig.

제안 방법

먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다. THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료 소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다. 저부하에서 THC가 다량 배출되므로 산화촉매를 설치하여 배출량을 저감하고자 하였다.
각 연료포트와 인젝터간의 연료 이동 거리를 동일하게 하여 실린더별 연료 공급 시간 편차를 제거하였고 연료 이송거리를 최소화 하도록 하였다. 각 실린더별 K-type 온도센서와 람다(Lambda) 센서를 장착하여 배기온도와 공연비 확인을 통해 분배특성을 확인할 수 있도록 하였다.
2bar의 연료 압력, 듀티 100%조건에서 천연가스 인젝터가 분사하는 연료량을 간섭 없이 분사될 수 있도록 노즐을 설계하였다. 각 연료포트와 인젝터간의 연료 이동 거리를 동일하게 하여 실린더별 연료 공급 시간 편차를 제거하였고 연료 이송거리를 최소화 하도록 하였다. 각 실린더별 K-type 온도센서와 람다(Lambda) 센서를 장착하여 배기온도와 공연비 확인을 통해 분배특성을 확인할 수 있도록 하였다.
엔진시험은 4가지 엔진회전수(idle, 1280, 1495, 1795 rpm)와 4가지 엔진부하(24, 50, 75, 100%) 의 조건을 가지는 ND-13 모드에서 수행되었다. 먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다. THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료 소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다.
기관만을 동력계에 설치하여 시험한다. 본 연구에 사용되는 베이스 엔진이 디젤 엔진이므로 ND-13 모드에서 배출가스 배출량을 측정하였다. 현재 국내에서 적용되는 배출가스 규제는 K-2006으로 유럽의 Euro-4 규제와 동일하다.
엔진시험은 4가지 엔진회전수(idle, 1280, 1495, 1795 rpm)와 4가지 엔진부하(24, 50, 75, 100%) 의 조건을 가지는 ND-13 모드에서 수행되었다. 먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다.
시험 차량은 매일 250 km의 거 리로 2006년 5월부터 총 22,000 km를 주행하였다. 차량 시험 주행에서 먼저 혼소운전 모드와 디젤 운전 모드시 연료 경제성을 측정하였다. Table 2에서의 결과를 살펴보면 85%의 대체율 조건에서는 혼소 운전시 디젤에 비해 37% 정도의 비용 절감이 가능하다.
치와의 간섭 없도록 하였으며 디젤연료시스템의 변경 없이 독립적으로 장착되도록 하였다. 천연가스 인젝터 및 인젝터 블록은 어셈블러로 구성되어 6개의 인젝터가 직렬로 고정브라켓에 장착되며 고정브라켓은 엔진 측면에 천연가스 공급레일과 함께 장착되도록 하였다. 천연가스는 레귤레이터를 통해 약 8bar로 감압되어 연료 레일에 공급되어 각 인젝터로 천연가스를 공급하게 된다.
탱크로부터 연료를 공급받는 레일에는 연료온도센서와 연료 압력 센서를 장착하여 연료의 온도 및 압력에 따른 밀도 변화를 감지할 수 있도록 하였다. 천연가스공급 포트는 엔진의 홉입매니폴드 형상을 고려하여 천연가스 인젝터와 별개의 분사노즐을 설계 . 제작하여 흡입 매니폴드 내에 각 실린더별로 장착하였으며 흡기밸브 전단까지 삽입되도록 하였다.
제작하여 흡입 매니폴드 내에 각 실린더별로 장착하였으며 흡기밸브 전단까지 삽입되도록 하였다. 천연가스분사노즐은 8.2bar의 연료 압력, 듀티 100%조건에서 천연가스 인젝터가 분사하는 연료량을 간섭 없이 분사될 수 있도록 노즐을 설계하였다. 각 연료포트와 인젝터간의 연료 이동 거리를 동일하게 하여 실린더별 연료 공급 시간 편차를 제거하였고 연료 이송거리를 최소화 하도록 하였다.
연료 구성 장치는 연료공급 포트, 천연가스 인젝터, 인젝터 블록, 연료 이송라인, 고압 레귤레이터, 센서 등으로 구성되며 실차 탑재를 고려하여 주변 징.치와의 간섭 없도록 하였으며 디젤연료시스템의 변경 없이 독립적으로 장착되도록 하였다. 천연가스 인젝터 및 인젝터 블록은 어셈블러로 구성되어 6개의 인젝터가 직렬로 고정브라켓에 장착되며 고정브라켓은 엔진 측면에 천연가스 공급레일과 함께 장착되도록 하였다.
특정한 운전 조건에서 엔진 성능, 배출가스 배출 특성, 열효율 등을 파악하기 위하여 엔진 벤치 시험을 수행하였다. 엔진시험은 4가지 엔진회전수(idle, 1280, 1495, 1795 rpm)와 4가지 엔진부하(24, 50, 75, 100%) 의 조건을 가지는 ND-13 모드에서 수행되었다.
혼소모드 운전시 LNG 일회 충전으로 주행가능거리, 연료경제성, 주행성능, 개조 엔진의 안정성 등을 측정하기 위하여 실제 필드에서 차량 운전 시험을 실시하였다. 모든 시험결과는 디젤 운전에서의 결과와 비교하였다.

대상 데이터

부근을 200, 000km 주행하였다. 430/ 용량의 HLNG 119 탱크를 장착하였으며 20톤의 모래를 컨테이너에 적재하여 차량의 총 중량을 30톤으로 맞추었다. Fig.
3. Test route of POWERTEC 410 ps truck.
대전 대덕특구단지 부근의 도로에서 차량 주행 성능시험을 수행하였다. 시험의 정확도를 위하여 세 번 이상 시험을 수행하였다.
현재 국내에서 적용되는 배출가스 규제는 K-2006으로 유럽의 Euro-4 규제와 동일하다. 본 시험에 사용된 베이스 디젤 엔진은 Euro-3 규제를 만족시키는 엔진으로써 혼소 엔진으로 개조한 엔진이 K-2006 규제를 만족시킨다면 엔진 개조로 인하여 친환경성을 확보하였다고 할 수 있다.
본 실험에서는 국내 H 사에서 개발한 13L 급 POWERTEC 디젤엔진을 사용하였다. 이 엔진은 터보차쳐가 부착된 대형엔진으로 전자적으로 시스템이 제어된다.
현재 국내에서는 평택, 대전, 포항의 3군데에 LNG 충전소가 있다. 본 연구를 수행하는 연구기관이 대전에 위치하고 있으므로 충전 편의를 위하여 Fig. 3 과 같이 대전-평택간 국도를 주행하면서 시험을 수행하였다. 시험 차량은 매일 250 km의 거 리로 2006년 5월부터 총 22,000 km를 주행하였다.
3 과 같이 대전-평택간 국도를 주행하면서 시험을 수행하였다. 시험 차량은 매일 250 km의 거 리로 2006년 5월부터 총 22,000 km를 주행하였다. 차량 시험 주행에서 먼저 혼소운전 모드와 디젤 운전 모드시 연료 경제성을 측정하였다.
시험차량은 410마력 POWERTEC 엔진을 장착한 6X4형 트레일러 차량으로 지난 5년간 디젤 모드로 서해안 부근을 200, 000km 주행하였다. 430/ 용량의 HLNG 119 탱크를 장착하였으며 20톤의 모래를 컨테이너에 적재하여 차량의 총 중량을 30톤으로 맞추었다.
천연가스는 LNG 저장용기에서 공급되는데 대형트럭에서는 단위체적당 연료저장량을 고려하면 LNG 상태의 연료를 사용하는 것이 적합하다. 연료 구성 장치는 연료공급 포트, 천연가스 인젝터, 인젝터 블록, 연료 이송라인, 고압 레귤레이터, 센서 등으로 구성되며 실차 탑재를 고려하여 주변 징.치와의 간섭 없도록 하였으며 디젤연료시스템의 변경 없이 독립적으로 장착되도록 하였다.

데이터처리

모든 시험결과는 디젤 운전에서의 결과와 비교하였다.

성능/효과

1) 차량 주행 시험 결과, 혼소모드로 운전시 일반 디젤 모드 운전에 비해 37%의 비용 절감이 가능함을 알 수 있었다.
2) 이때, 일반 주행성능은 디젤 모드 운전시와 유사하였으며 추월 가속 성능이 저하되었다. 이는 향후 천연가스 분사량을 증가하여 향상시킬 수 있을 것이다.
이는 향후 천연가스 분사량을 증가하여 향상시킬 수 있을 것이다. 3) ND-13 모드에서 배출가스 배출량 측정 실험을 수행한 결과, 산화촉매를 장착한 혼소모드에서의 배출가스 배출량은 디젤모드에서와 출력은 동일하게 유지하면서 K2006 규제를 만족함을 알 수 있었다.
4) 혼소모드에서의 열효율은 고부하 운전시 디젤엔진과 비슷할 정도로 고효율을 보이지만 저부하 조건에서는 열효율이 상당히 낮다. 이것은 불완전 연소 및 밸브 오버랩 그리고 과다한 가스 분사로 인한 연료손실 등에 기인한 것으로 판단된다.
CO는 촉매의 정화효율이 99%에 이를 정도로 매우 높아서 거의 배출이 되지 않았다. 혼소엔진은 NOx 배출량의 저감이 큰 장점으로 알려져 있으며 본 연구에서도 46%에 이르는 저감율을 보여주었다.

후속연구

추월 가속 성능이 저하되었다. 이는 향후 천연가스 분사량을 증가하여 향상시킬 수 있을 것이다. 3) ND-13 모드에서 배출가스 배출량 측정 실험을 수행한 결과, 산화촉매를 장착한 혼소모드에서의 배출가스 배출량은 디젤모드에서와 출력은 동일하게 유지하면서 K2006 규제를 만족함을 알 수 있었다.

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