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문제 정의
- 본 연구에서 13L급 전자제어식 혼소 엔진 시스템이 가지는 경제성과 출력성능, 배출가스 배출특성을 살펴 본 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 혼소엔진은 디젤 파일럿 분사시기를 지각하여 NOx를 저감할 수 있다는 장점이 있는데 너무 지각하는 경우에는 출력의 감소가 있을 수 있다. 본 연구에서는 출력을 디젤대비 동등하게 유지하면서 천연가스 분사 및 디젤 파일럿 분사시기 및 분사량을 최적화하여 디젤 대비 41%에 이르는 NOx 저감율을 보여주었다. 혼소모드로 엔진을 구동하는 경우 디젤의 대체율이 높을수록 예혼합된 천연가스가 주연료로 작용하기 때문에 국부적으로 농후한 영역이 줄어들게 된다.
- . 이를 바탕으로 해서 본 연구에서는 LNG-디젤 혼소엔진의 실제 차량 주행성능과 ND-13 모드에서의 배기성능 특성을 살펴보았다.
- THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다. 저부하에서 THC가 다량 배출되므로 산화촉매를 설치하여 배출량을 저감하고자 하였다. 혼소엔진에서는 디젤 연료를 대체하여 천연가스를 공급하게 되는데 ND-13 모드에서 각 영역의 엔진회전수, 부하에 따라서 동력성능과 배기성능에 최적화된 대체율을 사용하게 된다.
제안 방법
- 13L급 대형엔진의 구동을 위해 엔진의 크랭크축에 600마력급 엔진 동력계(Dynamometer)를 연결하여 엔진 회전속도와 부하를 임의적으로 제어 하였다. 디젤유 및 천연가스의 분사시기와 분사량은 엔진 구동 조건에 따라서 자체 개발한 ECU를 사용하여 제어하였으며, 연료 조성 변화에 따른 엔진의 공연비를 측정하기 위하여 광역산소센서(Wide band O2 sensor)를 배기 매니폴드에 장착하였다.
- 먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다. THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다. 저부하에서 THC가 다량 배출되므로 산화촉매를 설치하여 배출량을 저감하고자 하였다.
- 2 bar의 연료압력, 듀티 100%조건에서 천연가스 인젝터가 분사하는 연료량을 간섭 없이 분사될 수 있도록 노즐을 설계하였다. 각 연료포트와 인젝터간의 연료 이동거리를 동일하게 하여 실린더별 연료 공급 시간 편차를 제거하였고 연료 이송거리를 최소화 하도록 하였다.
- 혼소모드로 운전할 때 엔진 제원표 대비 토크 및 출력특성을 5% 이내로 적합화하는 목표로 엔진 매핑을 하였다. 내구성을 고려하여 배출가스 온도를 디젤엔진 대비 동등 이하로 관리하였으며 기통별 천연가스 분배특성을 고려하여 시스템을 구성하였다. 그 결과 기존 디젤대비 1% 이내로 적합화하였으며 출력이 약간 상승하는 결과를 보였다.
- 질소산화물(NOx), 미연탄화수소(THC), 일산화탄소(CO)는 배출가스 분석장치(HORIBA MEXA7100-DEGR)를 사용하여 분석하였으며, 디젤 입자상물질(PM)은 여지에 샘플링 된 PM의 무게를 직접 측정하는 Microtrol 방식의 장비(Nova Nicrotrol 5), 검댕의 경우는 광투과 방식인 Opacimeter(AVL)를 사용하여 측정하였다. 디젤 연료의 대체율은 디젤연료통과 LNG 연료통의 무게 변화를 저울을 사용하여 측정한 뒤 계산하였다. 실험은 대형 디젤 엔진의 배기인증을 위하여 규정된 모드인 ND-13 모드에서 정해진 엔진회전수와 부하 조건에서 수행되었다.
- 13L급 대형엔진의 구동을 위해 엔진의 크랭크축에 600마력급 엔진 동력계(Dynamometer)를 연결하여 엔진 회전속도와 부하를 임의적으로 제어 하였다. 디젤유 및 천연가스의 분사시기와 분사량은 엔진 구동 조건에 따라서 자체 개발한 ECU를 사용하여 제어하였으며, 연료 조성 변화에 따른 엔진의 공연비를 측정하기 위하여 광역산소센서(Wide band O2 sensor)를 배기 매니폴드에 장착하였다. 질소산화물(NOx), 미연탄화수소(THC), 일산화탄소(CO)는 배출가스 분석장치(HORIBA MEXA7100-DEGR)를 사용하여 분석하였으며, 디젤 입자상물질(PM)은 여지에 샘플링 된 PM의 무게를 직접 측정하는 Microtrol 방식의 장비(Nova Nicrotrol 5), 검댕의 경우는 광투과 방식인 Opacimeter(AVL)를 사용하여 측정하였다.
- 엔진시험은 4가지 엔진회전수(idle, 1280, 1495, 1795 rpm)와 4가지 엔진부하(24, 50, 75, 100%)의 조건을 가지는 ND-13 모드에서 중점적으로 수행되었다. 먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다. THC, NOx, CO 등의 배출가스 및 배출가스 온도, 흡입공기량, 연료소모율, 토크값, 공연비, 디젤 분사시기 및 분사량, 천연가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다.
- 본 연구에 앞서, 기존 전자제어식 디젤엔진을 기본으로 하여 dual-fuel 연료제어시스템을 구성하고 엔진구동을 위한 인젝터 드라이버, ECU 등의 하드웨어를 제작하였으며 이를 구동하기 위한 알고리즘 및 소프트웨어를 개발하였다(6). 이를 바탕으로 해서 본 연구에서는 LNG-디젤 혼소엔진의 실제 차량 주행성능과 ND-13 모드에서의 배기성능 특성을 살펴보았다.
- 특정한 운전 조건에서 엔진 성능, 배출가스 배출특성, 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 중점적으로 수행되었다. 먼저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다.
- 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 장치와의 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.
- 디젤유 및 천연가스의 분사시기와 분사량은 엔진 구동 조건에 따라서 자체 개발한 ECU를 사용하여 제어하였으며, 연료 조성 변화에 따른 엔진의 공연비를 측정하기 위하여 광역산소센서(Wide band O2 sensor)를 배기 매니폴드에 장착하였다. 질소산화물(NOx), 미연탄화수소(THC), 일산화탄소(CO)는 배출가스 분석장치(HORIBA MEXA7100-DEGR)를 사용하여 분석하였으며, 디젤 입자상물질(PM)은 여지에 샘플링 된 PM의 무게를 직접 측정하는 Microtrol 방식의 장비(Nova Nicrotrol 5), 검댕의 경우는 광투과 방식인 Opacimeter(AVL)를 사용하여 측정하였다. 디젤 연료의 대체율은 디젤연료통과 LNG 연료통의 무게 변화를 저울을 사용하여 측정한 뒤 계산하였다.
- 연료 구성 장치는 연료공급 포트, 천연가스 인젝터, 인젝터 블록, 연료 이송라인, 고압 레귤레이터, 센서 등으로 구성되며 실차 탑재를 고려하여 주변 장치와의 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.
- 천연가스공급 포트는 엔진의 흡입매니폴드 형상을 고려하여 천연가스 인젝터와 별개의 분사노즐을 설계 · 제작하여 흡입 매니폴드내에 각 실린더별로 장착하였으며 가스분사노즐은 8.2 bar의 연료압력, 듀티 100%조건에서 천연가스 인젝터가 분사하는 연료량을 간섭 없이 분사될 수 있도록 노즐을 설계하였다.
- 특정한 운전 조건에서 엔진 성능, 배출가스 배출특성, 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 중점적으로 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.
- 3은 전부하 조건에서 디젤모드와 혼소모드 운전시 출력과 토크값을 비교한 것이다. 혼소모드로 운전할 때 엔진 제원표 대비 토크 및 출력특성을 5% 이내로 적합화하는 목표로 엔진 매핑을 하였다. 내구성을 고려하여 배출가스 온도를 디젤엔진 대비 동등 이하로 관리하였으며 기통별 천연가스 분배특성을 고려하여 시스템을 구성하였다.
- 디젤 분사시기의 경우 엔진회전수 및 부하조건에 따라서 변하는데, 아이들의 경우 BTDC 10 deg이며, 부하조건의 경우 BTDC 22-27 deg 사이의 영역에서 디젤의 분사시기가 정해진다. 혼소엔진의 경우 디젤 분사는 단지 예혼합된 천연가스를 연소시키기 위한 Igniter로 작용하기 때문에 다단분사의 개념은 본 연구에서는 적용하지 않았다.
대상 데이터
- 시험차량으로는 엔진동력계에 설치한 엔진과 동일한 엔진을 장착한 6×4형 트레일러 차량을 선정하였다. 430 l용량의 HLNG 119 탱크를 장착하였으며 25톤의 모래를 컨테이너에 적재하여 차량의 총 중량을 40톤으로 맞추었다. Fig.
- 시험 차량은 매일 250 km의 거리로 총 30,000 km를 주행하면서 내구 주행시험을 수행하였다. 대전 대덕특구단지 부근의 도로에서 차량 주행 성능 시험을 수행하였는데 시험의 정확도를 위하여 세 번 이상 시험을 수행하였다. 디젤모드와 혼소모드 시 차량의 발진, 추월, 등판 성능을 측정한 결과를 Table 5에 나타내었는데 모든 성능 시험에서 혼소모드로 주행 시 디젤과 동등한 수준의 성능을 보여주었다.
- 디젤유 및 가스(천연가스, LPG)를 연료로 사용하는 대형자동차의 배출가스 인증시험을 할 때 사용하는 자동차의 엔진만을 엔진동력계에 설치하여 13개의 정해진 엔진회전수와 부하 조건인 ND-13 모드에서 시험하게 된다. 본 연구에 사용되는 베이스 엔진이 대형자동차용으로 설계된 디젤 엔진이므로 ND-13 모드에서 배출가스 시험을 수행하였다.
- 본 실험에서는 베이스 디젤 엔진으로 국내 H사에서 개발한 13L급 POWERTEC 디젤엔진을 사용하였다. 이 엔진은 터보차져가 부착된 대형엔진으로 전자적으로 시스템이 제어되며 Euro-3 배기규제를 만족하는 엔진이다.
- 현재 국내에서는 평택, 대전, 포항의 3군데에 LNG 충전소가 있다. 본 연구를 수행하는 연구기관이 대전에 위치하고 있으므로 충전 편의를 위하여 평택-대전-통영 노선의 국도를 주행하면서 시험을 수행하였다. 시험 차량은 매일 250 km의 거리로 총 30,000 km를 주행하면서 내구 주행시험을 수행하였다.
- 디젤유 및 가스(천연가스, LPG)를 연료로 사용하는 대형자동차의 배출가스 인증시험을 할 때 사용하는 자동차의 엔진만을 엔진동력계에 설치하여 13개의 정해진 엔진회전수와 부하 조건인 ND-13 모드에서 시험하게 된다. 본 연구에 사용되는 베이스 엔진이 대형자동차용으로 설계된 디젤 엔진이므로 ND-13 모드에서 배출가스 시험을 수행하였다. 현재 국내에서 적용되는 배출가스 규제는 유럽의 Euro-5 규제와 동일하다.
- 실험은 대형 디젤 엔진의 배기인증을 위하여 규정된 모드인 ND-13 모드에서 정해진 엔진회전수와 부하 조건에서 수행되었다. 본 연구에서 사용된 디젤-LNG 혼소엔진을 Fig. 1에 나타내었다.
- 본 연구를 수행하는 연구기관이 대전에 위치하고 있으므로 충전 편의를 위하여 평택-대전-통영 노선의 국도를 주행하면서 시험을 수행하였다. 시험 차량은 매일 250 km의 거리로 총 30,000 km를 주행하면서 내구 주행시험을 수행하였다. 대전 대덕특구단지 부근의 도로에서 차량 주행 성능 시험을 수행하였는데 시험의 정확도를 위하여 세 번 이상 시험을 수행하였다.
- 시험차량으로는 엔진동력계에 설치한 엔진과 동일한 엔진을 장착한 6×4형 트레일러 차량을 선정하였다.
- 디젤 연료의 대체율은 디젤연료통과 LNG 연료통의 무게 변화를 저울을 사용하여 측정한 뒤 계산하였다. 실험은 대형 디젤 엔진의 배기인증을 위하여 규정된 모드인 ND-13 모드에서 정해진 엔진회전수와 부하 조건에서 수행되었다. 본 연구에서 사용된 디젤-LNG 혼소엔진을 Fig.
데이터처리
- 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.
성능/효과
- 1) 혼소모드에서의 열효율은 고부하 운전시 디젤엔진과 비슷할 정도로 고효율을 보이지만 저부하 조건에서는 열효율이 상당히 낮다. 이것은 불완전 연소 및 밸브오버랩 그리고 과다한 가스 분사로 인한 연료손실 등에 기인한 것으로 판단된다.
- 2) ND-13 모드에서 배출가스 배출량 측정 실험을 수행한 결과, 산화촉매를 장착한 혼소모드에서의 배출가스 배출량은 디젤모드에서와 출력은 동일하게 유지하면서 Euro-4 규제를 만족함을 알 수 있었다.
- 3) 특히 혼소모드 운전시 디젤모드에 비하여 입자상 물질은 75%, 검댕은 61% 저감되는 결과를 얻을 수 있었다.
- 4) 차량 주행 시험 결과, 혼소모드로 운전하는 경우 디젤모드와 비교하여 차량의 발진, 가속, 등판 성능이 거의 동일하였다.
- 5) 천연가스가 디젤유에 비해서 발열량 대비 연료의 가격이 저렴하므로 혼소모드로 운전시 일반 디젤 모드 운전에 비해 38%의 비용 절감이 가능함을 알 수 있었다.
- 내구성을 고려하여 배출가스 온도를 디젤엔진 대비 동등 이하로 관리하였으며 기통별 천연가스 분배특성을 고려하여 시스템을 구성하였다. 그 결과 기존 디젤대비 1% 이내로 적합화하였으며 출력이 약간 상승하는 결과를 보였다.
- 따라서 노후화된 대형 차량의 기존 디젤엔진을 디젤-LNG혼소엔진으로 개조하여 한단계 위의 배출가스 규제를 만족하므로 대기정화에 도움이 되며, 천연가스 사용에 따른 CO2 저감 및 연료비 저감 효과가 매우 지대함을 알 수 있었다.
- 6에 그래프로 표현하여 비교해 보았다. 본 연구에서는 NMHC (nonmethane hydrocarbon)와 CO의 저감을 위하여 산화촉매를 장착하였는데 NMHC는 규제치의 50% 수준으로 규제를 만족하였지만 디젤 대비 64% 증가하는 결과를 보였다. 천연가스와 디젤을 동시에 사용하는 혼소모드로 연소 시 희박한 연소 환경으로 인하여 가스연료의 불완전연소가 발생하는 등 연소효율의 저하가 NMHC 발생의 주원인이다.
- 혼소모드로 엔진을 구동하는 경우 디젤의 대체율이 높을수록 예혼합된 천연가스가 주연료로 작용하기 때문에 국부적으로 농후한 영역이 줄어들게 된다. 이로 인하여 디젤 입자상물질 및 검댕의 발생량이 감소하게 되는데 본 실험에서도 디젤 대비 입자상물질은 75%, 검댕은 61% 저감되었다. CO2의 경우는 현재 배출가스 규제 대상에 포함되어 있지는 않지만 지구온난화 문제와 연관되어 발생량을 줄이고자 하는 기술들이 현재 큰 이슈이다.
- 이것은 저부하 조건에서는 연소온도가 낮으므로 혼소모드로 연소시 천연가스가 불완전연소 될 수 있으며 밸브오버랩이나 과도한 가스 분사로 인한 연료손실이 원인이 될 수 있다. 즉, 혼소엔진의 경우 부하 조건에 따라서 열효율이 다른데 일반적으로 저부하 조건에서는 혼소엔진의 열효율이 낮고 고부하 조건에서는 디젤모드와 비슷하거나 약간 높은 특징이 있음을 알 수 있었다. 혼소모드의 경우 열효율이 디젤모드보다 높기 위해서는 95% 이상의 높은 대체율 조건에서 엔진이 운전되어야 하는데 본 연구에서는 평균 열효율이 87% 정도이며 흡기계와 연료분사계의 최적화가 아직 완벽하지 않아서 고부하에서도 열효율이 디젤모드에 비해서 약간 낮았다.
- CO2의 경우는 현재 배출가스 규제 대상에 포함되어 있지는 않지만 지구온난화 문제와 연관되어 발생량을 줄이고자 하는 기술들이 현재 큰 이슈이다. 혼소모드로 운전하는 경우 탄소대비 수소원자의 구성비가 높은 메탄 계열이 주연료이므로 디젤 연료를 사용하는 경우에 비해서 CO2 발생량이 14% 저감하는 효과가 있었다.
- 즉, 혼소엔진의 경우 부하 조건에 따라서 열효율이 다른데 일반적으로 저부하 조건에서는 혼소엔진의 열효율이 낮고 고부하 조건에서는 디젤모드와 비슷하거나 약간 높은 특징이 있음을 알 수 있었다. 혼소모드의 경우 열효율이 디젤모드보다 높기 위해서는 95% 이상의 높은 대체율 조건에서 엔진이 운전되어야 하는데 본 연구에서는 평균 열효율이 87% 정도이며 흡기계와 연료분사계의 최적화가 아직 완벽하지 않아서 고부하에서도 열효율이 디젤모드에 비해서 약간 낮았다. 또한 저부하 조건의 경우 예혼합되는 천연가스가 연소실로 들어오는 경우 연소실 전체의 공연비가 매우 희박한 조건을 가지게 되므로 디젤 연료로 파일럿 분사를 하여도 연소가 잘 되지 않는 영역이 생길 수 있다.
후속연구
- 이로 인하여 미연탄화수소 및 일산화탄소가 증가하고 열효율도 디젤모드에 비하여 상당히 낮게 나타났다. 따라서 향후 연소증진 및 분사시기 최적화를 통해, 이에 대한 개선 및 실질적으로 사용가능한 대체율 범위내에서 연료 경제성을 분석할 예정이다.
- 이미 언급한대로 본 연구는 디젤 엔진을 혼소엔진으로 개조한 후, 동력성능 및 배출가스 성능을 비교하는 것이 가장 큰 목적이기에 우선, 성능에 중점을 두어서 실험적 연구를 진행하였으며 향후에는 연소 데이터를 습득하여 이론적인 해석을 수행할 예정이다. 이에 대한 사전 예측 및 참고를 위해 Fig.
- 현재 국내에서 적용되는 배출가스 규제는 유럽의 Euro-5 규제와 동일하다. 하지만 본 시험에 사용된 베이스 디젤 엔진은 Euro-3 규제를 만족시키는 엔진으로써 혼소 엔진으로 개조한 엔진이 Euro-4 규제를 만족시킨다면 엔진개조로 인하여 친환경성을 확보하였다고 할 수 있다.
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