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문제 정의
- 가솔린 기관에서 가솔린-암모니아 혼합연료를 적용할 경우 암모니아가 연소 및 배출가스 특성에 미치는 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 암모니아는 자발화 온도가 매우 높고 발열량이 낮아 암모니아만 전소시켜 엔진 출력을 확보하기에는 아직 해결해야할 문제점이 많다. 따라서 본 연구에서는 암모니아의 연소특성을 고찰하기 위해 암모니아를 점화시킬 수 있도록 착화연료로 가솔린을 사용하였다. 착화 연료인 가솔린을 공급하기 위하여 CFR 엔진에 장착된 가솔린 분사펌프와 Bosch형 인젝터를 그대로 사용하였으며, 소비된 연료는 전자저울을 이용하여 측정하도록 시스템을 구성하였다.
제안 방법
- Table 1은 본 연구에 사용된 엔진의 제원을 나타낸 것으로, 일반적인 가솔린 엔진의 압축비를 고려하여 압축비를 10으로 설정하였고, 흡입공기는 서지탱크 가압방식을 이용 하여 교축밸브가 없는 상태에서 일정한 압력으로 공급하였으며, Bosch형 분사펌프와 인젝터를 이용하여 주 연료인 가솔린을 흡입행정 중에 흡기관으로 분사하였다. CFR 엔진의 회전속도와 부하는 유도형 동력계(HDM-365, Harnischfeger Corporation, USA)를 이용해 1800 rpm의 일정한 속도에서 엔진부하를 제어하고 엔진 출력을 측정하였다.
- Fig. 2에서와 같이 암모니아를 액체 상태에서 기화시키기 위한 연료통과 연료라인을 설치하고, 기체상태의 암모니아를 1.24 MPa의 압력으로 분사하기 위하여 암모니아 연료통을 전기가열기를 이용하여 약 45°C로 가열하였으며, 연료라인내의 암모니아가 액화되지 않도록 히팅테이프를 이용하여 연료라인을 가열하였다.
- 본 연구에서는 암모니아의 연소 및 성능을 고찰하기 위해 연료의 연구에 전문적으로 사용하는 단기통, 수냉, 과급기 방식의 가솔린 CFR(co-operative fuel research) 엔진을 사용하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 엔진의 제원을 나타낸 것으로, 일반적인 가솔린 엔진의 압축비를 고려하여 압축비를 10으로 설정하였고, 흡입공기는 서지탱크 가압방식을 이용 하여 교축밸브가 없는 상태에서 일정한 압력으로 공급하였으며, Bosch형 분사펌프와 인젝터를 이용하여 주 연료인 가솔린을 흡입행정 중에 흡기관으로 분사하였다. CFR 엔진의 회전속도와 부하는 유도형 동력계(HDM-365, Harnischfeger Corporation, USA)를 이용해 1800 rpm의 일정한 속도에서 엔진부하를 제어하고 엔진 출력을 측정하였다.
- 가솔린-암모니아 혼합연소의 효과를 규명하기 위해 먼저 기본 엔진 부하에 따라 암모니아가 엔진 출력에 미치는 영향을 고찰하였고, 엔진 출력에 대한 암모니아의 기여도가 가장 큰 기본 엔진 부하를 기준으로 최적의 암모니아 분사시기와 분사량을 적용한 가솔린-암모니아 혼합연료의 엔진 성능 특성을 가솔린만을 사용한 경우와 비교하여 보았다.
- 배기다기관 2m 후단 배기가스 파이프에 배기가스 샘플링 튜브를 삽입하고 배기가스 분석기(DeJEYE Technologies) 를 이용하여 CO, NH3, CO2, NOx, HC 등의 배출가스를 측정하였다. 교축밸브 제어에 한계가 있는 CFR 엔진의 특성으로 전개쓰로틀로 운전하였으며, 공연비는 Fig. 2에서와 같이 2단 서지탱크 사이에 장착된 차압계를 이용하여 측정한 흡입공기량과 연료소비량을 이용하여 계산하였다. 모든 실험은 1800 rpm의 일정한 엔진 회전속도에서 수행하였으며, 암모니아가 미치는 엔진 성능, 연소 및 배기가스 특성은 기준 연료인 가솔린만을 사용한 경우와 비교하여 분석 및 평가하였다.
- 32 bar로 설정하고 각 기본 엔진 부하 조건에서 암모니아의 공급량에 따른 특성을 분석하였다. 또한, 암모니아 기여도가 가장 좋은 기본 엔진부하 조건에서 최적의 암모니아 분사시기를 적용한 가솔린-암모니아 혼합연료의 성능 실험을 엔진 부하 변화(1.25, 1.5, 1.75, 2, 2.25, 2.5, 2.7 bar)에 따라 실시하였다.
- 24 MPa의 압력으로 분사하기 위하여 암모니아 연료통을 전기가열기를 이용하여 약 45°C로 가열하였으며, 연료라인내의 암모니아가 액화되지 않도록 히팅테이프를 이용하여 연료라인을 가열하였다. 또한, 전자저울을 이용하여 2분동안 소비된 암모니아 무게를 측정하여 에너지소비율을 계산하였다. 암모니아는 5 MPa의 압력까지 분사할 수 있는 암모니아 전용 기체 인젝터(parker사)를 사용하여 분사하였고, 분사시기 및 분사폭은 Compact-RIO real-time controller(NI cRIO-9022, NI instrument)를 사용하여 제어하였다.
- 2에서와 같이 2단 서지탱크 사이에 장착된 차압계를 이용하여 측정한 흡입공기량과 연료소비량을 이용하여 계산하였다. 모든 실험은 1800 rpm의 일정한 엔진 회전속도에서 수행하였으며, 암모니아가 미치는 엔진 성능, 연소 및 배기가스 특성은 기준 연료인 가솔린만을 사용한 경우와 비교하여 분석 및 평가하였다.
- 실린더 압력 및 열발생율은 실린더 헤드에 삽입된 압력센서(Kistler 6052CU20)로부터 취득한 증폭기(Kistler 5010)를 거쳐 DAQ 보드(NI PCI-6259)를 통해 컴퓨터에 저장한 후 분석하였다. 배기다기관 2m 후단 배기가스 파이프에 배기가스 샘플링 튜브를 삽입하고 배기가스 분석기(DeJEYE Technologies) 를 이용하여 CO, NH3, CO2, NOx, HC 등의 배출가스를 측정하였다. 교축밸브 제어에 한계가 있는 CFR 엔진의 특성으로 전개쓰로틀로 운전하였으며, 공연비는 Fig.
- 본 연구에서 가솔린-암모니아 혼합연료의 연소특성을 고찰하기 위해 암모니아의 착화 연료로 사용하는 가솔린은 CFR 엔진에 부착된 분사펌프와 인젝터를 이용하여 8.2 MPa의 압력으로 흡기 행정중 50°CA ATDC에서 흡기관으로 분사하였으며, 점화시기는 폭발행정 전 30 deg BTDC로 고정하였다.
- 실린더 압력 및 열발생율은 실린더 헤드에 삽입된 압력센서(Kistler 6052CU20)로부터 취득한 증폭기(Kistler 5010)를 거쳐 DAQ 보드(NI PCI-6259)를 통해 컴퓨터에 저장한 후 분석하였다. 배기다기관 2m 후단 배기가스 파이프에 배기가스 샘플링 튜브를 삽입하고 배기가스 분석기(DeJEYE Technologies) 를 이용하여 CO, NH3, CO2, NOx, HC 등의 배출가스를 측정하였다.
- 암모니아 분사압력은 1.24 MPa이었으며, 암모니아의 분사시기는 밸브오버랩이 30° 임을 감안하여 흡기 행정 전 10° (폭발행정 TDC 기준 370° BTDC), 흡기행정 후 40° (폭발행정 TDC 기준 320° BTDC), 흡기 행정 후 90° (폭발행정 TDC 기준 270° BTDC) 로 50° 간격으로 설정하였고, 분사 지속시간은 각 분사시기 조건에서 10 ms, 14 ms, 18 ms, 22 ms, 26 ms 로 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다.
- 또한, 전자저울을 이용하여 2분동안 소비된 암모니아 무게를 측정하여 에너지소비율을 계산하였다. 암모니아는 5 MPa의 압력까지 분사할 수 있는 암모니아 전용 기체 인젝터(parker사)를 사용하여 분사하였고, 분사시기 및 분사폭은 Compact-RIO real-time controller(NI cRIO-9022, NI instrument)를 사용하여 제어하였다.
- 암모니아는 액체 분사시 발생하는 증발 잠열로 인해 연소실내 온도저하가 발생하므로, 본 연구에서는 기체 분사 방식을 고려하였다. Fig.
- 엔진 효율이 낮은 CFR엔진의 특성을 고려하여 가솔린의 공급량은 가솔린에서 얻어진 엔진 부하를 기준으로 설정하였으며, 기본 엔진부하(base BMEP) 를 0.65, 1.55, 2.52, 3.32 bar로 설정하고 각 기본 엔진 부하 조건에서 암모니아의 공급량에 따른 특성을 분석하였다. 또한, 암모니아 기여도가 가장 좋은 기본 엔진부하 조건에서 최적의 암모니아 분사시기를 적용한 가솔린-암모니아 혼합연료의 성능 실험을 엔진 부하 변화(1.
- 한편, 이론 공연비에 가깝고 엔진 출력에 대한 암모니아 효과가 큰 0.65 bar의 기본 엔진부하 조건에서 최적의 암모니아 분사시기 및 분사량을 이용하여 가솔린-암모니아 연소시 엔진성능을 가솔린만 사용한 경우와 비교하여 보았다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 암모니아의 연소 및 성능을 고찰하기 위해 연료의 연구에 전문적으로 사용하는 단기통, 수냉, 과급기 방식의 가솔린 CFR(co-operative fuel research) 엔진을 사용하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 엔진의 제원을 나타낸 것으로, 일반적인 가솔린 엔진의 압축비를 고려하여 압축비를 10으로 설정하였고, 흡입공기는 서지탱크 가압방식을 이용 하여 교축밸브가 없는 상태에서 일정한 압력으로 공급하였으며, Bosch형 분사펌프와 인젝터를 이용하여 주 연료인 가솔린을 흡입행정 중에 흡기관으로 분사하였다.
- 따라서 본 연구에서는 암모니아의 연소특성을 고찰하기 위해 암모니아를 점화시킬 수 있도록 착화연료로 가솔린을 사용하였다. 착화 연료인 가솔린을 공급하기 위하여 CFR 엔진에 장착된 가솔린 분사펌프와 Bosch형 인젝터를 그대로 사용하였으며, 소비된 연료는 전자저울을 이용하여 측정하도록 시스템을 구성하였다. 점화플러그가 흡기 매니폴드와 90°C 각도의 위치에 설치된 CFR엔진의 구조로 인해 암모니아 인젝터는 Fig.
성능/효과
- (a)에서 살펴볼 수 있는 것처럼 암모니아의 분사시기가 빠른 370 °BTDC의 경우, 기본 엔진 부하가 적은 경우에 암모니아의 분사량이 증가할수록 엔진 출력의 증가가 크게 나타났으며, 기본 엔진 부하가 증가할수록 암모니아의 공급분사량이 증가하여도 엔진 출력의증대는 작게 나타남을 알 수 있다.
- 0.65 bar의 가솔린 기본 엔진 부하조건에서 암모니아를 370 °BTDC의 분사시기에서 17ms를 분사한 가솔린-암모니아 혼합연소의 경우, 가솔린만을 연소시킨 경우보다 연소시작 시기는 동일하였으나 연소실 압력 피크와 열발생율 피크가 낮게 나타났으며 연소기간이 약간 길게 나타났다.
- 1) 가솔린-암모니아 혼합연소시 가솔린에 의한 기본 엔진부하조건에서 암모니아의 분사시기가 진각되고 분사량이 증가할수록 엔진 출력은 증가하였으나, 가솔린에 의한 기본 엔진부하가 증가함에 따라 암모니아로 인한 최대 엔진 출력에 대한 기여도는 감소하였다.
- 2) 최대 출력을 얻기 위한 가솔린-암모니아 혼합연료의 최적 분사시기는 저부하 영역에서 320 °CA BTDC, 고부하영역에서 370 °CA BTDC로 나타났다.
- 3) 엔진 출력에 대한 암모니아의 기여도가 가장 높은 0.65 bar의 기본 엔진부하 조건에서 가솔린-암모니아 혼합연료의 연소효율은 가솔린만을 사용한 경우보다 약간 떨어지고 엔진부하가 증가함에 따라 감소하였으나, 제동에너지소비율(BSEC)는 가솔린만을 사용한 경우와 비슷하게 나타났다.
- 4) 가솔린-암모니아 혼합 연료의 연소시 가솔린에 의한 기본 엔진 부하가 증가함에 따라 NH3, CO, HC의 배출은 증가하였고, NOx는 감소하였다.
- 5) 가솔린-암모니아 혼합 연료의 출력 모드시 엔진부하가 증가함에 따라 가솔린만을 사용한 경우와 비교하여 NOx와 HC의 배출은 증가하였으나 CO와 CO2는 감소하였다.
- 12-15는 가솔린-암모니아 혼합연소시 기본 엔진부하 변화에서 암모니아의 분사량 증가에 따른 NH3, NOx, CO 및 HC의 배출특성을 각각 나타낸 것이다. NH3의 경우(Fig. 12), 기본 엔진부하가 작은 경우에는 암모니아의 배출량이 암모니아의 분사량 증가와 무관하게 일정하게 배출되나 기본 엔진부하가 증가함에 따라 암모니아 배출량도 증가하고 암모니아의 분사량이 증가함에 따라서도 배기되는 암모니아도 약간씩 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 Fig.
- 3을 통해서 나타난 엔진 출력에 미치는 암모니아의 기여도를 고찰한 것으로, 기본 엔진 부하 조건의 변화에 따른 최대 엔진출력을 나타낸 것이다. 기본 엔진 부하가 작을 때 가솔린 출력대비 가장 큰 엔진출력 증가율을 보였으나 기본 엔진 부하가 증가할수록, 즉 가솔린의 양이 증가할수록 엔진 출력에 대한 암모니아의 기여도가 약간씩 감소함을 알 수 있다. 이는 앞서 언급한 것처럼 엔진부하가 증가할수록 전개쓰로틀로 운전되는 CFR엔진 특성상 기본 부하가 높은 경우 충전효율이 작아져 공기의 이용율이 충분하지 못하였기 때문으로 분석된다.
- 이는 연소특성에서도 살펴보겠지만 가솔린만을 연소시킨 경우 엔진부하가 증가함에 따라 연소실내 혼합가스의 에너지밀도가 높아져 연소기간이 짧아져 연소가 일찍 종료되었지만 가솔린-암모니아 혼합연소시에는 연소속도가 느린 암모니아의 존재로 연소가 늦게까지 지속되었기 때문으로 분석된다. 이러한 결과로 Fig. 8에 나타낸 것처럼, 가솔린-암모니아 혼합연소의 연소효율이 가솔린의 경우보다 낮게 나타났고, 엔진부하가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
- 65bar)를 형성하는데 많은 에너지가 요구되었기 때문으로 사료된다. 따라서, 마찰마력이 작은 엔진에서 가솔린-암모니아 혼합연료가 적절한 공연비로 운전된다면 더 큰 CO2 감소가 이루어질 것으로 판단된다.
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