[논문]1리터급 엔진을 이용한 암모니아-가솔린 혼소 성능 특성

장진영; 우영민; 윤형철; 김종남; 이영재; 김정환

doi:10.7842/kigas.2015.19.6.1

1리터급 엔진을 이용한 암모니아-가솔린 혼소 성능 특성
Combustion Characteristics of Ammonia-Gasoline Dual-Fuel System in a One liter Engine 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.19 no.6, 2015년, pp.1 - 7

장진영 (한국에너지기술연구원) , 우영민 (한국에너지기술연구원) , 윤형철 (한국에너지기술연구원) , 김종남 (한국에너지기술연구원) , 이영재 (한국에너지기술연구원) , 김정환 (한국석유관리원)

초록
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지구온난화와 화석연료 고갈 문제의 해결을 위하여 대체 연료 개발에 많은 노력을 하고 있다. 암모니아(NH3)는 수소와 마찬가지로 탄소를 포함하고 있지 않으면서 대표적인 수소 캐리어이다. 또한, 상온에서 0.6 MPa 정도의 압력을 가하면 액상을 유지할 수 있어 LPG 충전인프라를 그대로 사용가능한 장점이 있다. 본 연구는 암모니아를 가솔린과 함께 혼소시켰으며, 혼소 비율에 따른 엔진 성능을 비교하였다. 암모니아와 가솔린의 혼소를 위하여 가솔린 인젝터와 암모니아용 인젝터를 각각 사용하였으며, 암모니아는 액상으로 분사시켰다. 암모니아-가솔린 혼소 엔진의 최대 장점은 가솔린 대체량에 비례하여 이산화탄소 배출량을 크 게 감소시킬 수 있다는 것이다. 하지만 암모니아-가솔린 혼소율에 따라 연소가 불안정한 구간이 있었으며, 암모니아 혼소 비율 0.7 이상에서는 연소 불안정성 증가로 인해 토크와 NOx 배출량이 감소하고, THC 배출량이 급증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An ammonia fuel system is developed and applied to a 1 liter gasoline engine to use ammonia as primary fuel. Ammonia is injected separately into the intake manifold in liquid phase while gasoline is also injected as secondary fuel. As ammonia burns 1/6 time slower than gasoline, the spark ignition is needed to be advanced to have better combustion phasing. The test engine showed quite high variation in the power output to lead high increase in THC emission with large amount of ammonia, that is, higher than 0.7 ammonia-gasoline fuel ratios.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인젝터를 사용한 액상분사방식으로 암모니아와 가솔린을 분사할 수 있는 시스템을 이용하여 1 리터급 가솔린 엔진에서 암모니아와 가솔린을 혼소할 경우 나타나는 연소와 배출가스 특성을 확인하여, 암모니아를 연료로 사용하는 엔진 개발에 기여하고자 하였다.

가설 설정

(1) 암모니아 연료시스템 구성시 암모니아의 부식성을 고려하여 변형이 일어나는 부품은 교체해야 한다.

제안 방법

1,400 rpm, 60 N.m 운전 조건에서 암모니아 혼소 비율을 증가시켜 가면서 최대 암모니아 혼소 비율을 확인하여 보았다. 이때 점화시기는 MBT 조건으로 하였다.
1리터급 가솔린 엔진에서 암모니아와 가솔린을 혼소 시킬 수 있도록 연료시스템 및 제어시스템을 구성하였다. 이를 이용하여 암모니아-가솔린 혼소에 따른 연소특성을 1,400 rpm 조건에서 연구하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이때 혼소비율은 공급된 연료의 발열량 비율을 나타낸다. 그리고 이론혼합비에서 연소가 되도록 암모니아와 가솔린 분사량을 제어하였다.
암모니아는 강한 부식성을 가지고 있어 고무와 플라스틱은 물론이고 구리, 알루미늄도 산화시킬 수 있다. 따라서 LPG 연료시스템에 사용되고 있는 부품재질에 대하여 암모니아와의 반응성을 확인한 후 문제가되는 부품에 대하여 교체하였다. 대표적으로 LPG 연료 누설을 막기 위해 사용된 고무 O-ring의 경우 모두 암모니아와 반응하여 녹거나 탄성을 잃어버려 더 이상 연료 누설을 막을 수 없는 상태가 되었다.
실험을 위하여 LPG 연료공급시스템을 암모니아 연료공급시스템으로 수정하였다. 또한 암모니아와 가솔린을 동시에 사용할 수 있도록 엔진제어장치를 교체하였다.
실험을 위하여 LPG 연료공급시스템을 암모니아 연료공급시스템으로 수정하였다. 또한 암모니아와 가솔린을 동시에 사용할 수 있도록 엔진제어장치를 교체하였다.
암모니아는 연소속도가 가솔린의 1/6 정로도 느려 엔진회전수가 높은 경우에 사용하기 어렵고, 그에 따라 암모니아와 가솔린의 혼소 특성을 확인하기 어렵기 때문에 Table 3에 나타낸 것 과 같이 1,400 rpm 운전조건에서 실험을 진행하였으며, 저 · 중 · 고 부하를 대표할 수 있는 20, 40, 60 N · m 운전 조건에서 암모니아와 가솔린의 혼소비율을 3:7, 5:5로 하여 실험을 진행하면서 연소특성을 확인하였다.
암모니아와 가솔린을 혼소하였을 때 어떠한 연소 특성을 보이는지 확인하기 위하여 스파크플러그 타입의 압전소자형 압력센서를 사용하여 연소압력을 측정하였다. Fig.
앞서 설명한 바와 같이 암모니아의 연소속도가 느리기 때문에 기존의 가솔린 또는 LPG 연소를 위한 스파크 점화시기와 맞지 않기 때문에 15 ~ 40 CAD BTDC 사이로 바꾸어 가면서 실험을 진행하였다. 그리고 Table 4와 같은 조건에서 전부하 조건에서 최대 혼소 비율에 대한 성능실험을 실시하였다.
엔진동력계를 이용하여 엔진회전속도와 부하를 제어하면서 실험을 하였다. 암모니아는 연소속도가 가솔린의 1/6 정로도 느려 엔진회전수가 높은 경우에 사용하기 어렵고, 그에 따라 암모니아와 가솔린의 혼소 특성을 확인하기 어렵기 때문에 Table 3에 나타낸 것 과 같이 1,400 rpm 운전조건에서 실험을 진행하였으며, 저 · 중 · 고 부하를 대표할 수 있는 20, 40, 60 N · m 운전 조건에서 암모니아와 가솔린의 혼소비율을 3:7, 5:5로 하여 실험을 진행하면서 연소특성을 확인하였다.
1리터급 가솔린 엔진에서 암모니아와 가솔린을 혼소 시킬 수 있도록 연료시스템 및 제어시스템을 구성하였다. 이를 이용하여 암모니아-가솔린 혼소에 따른 연소특성을 1,400 rpm 조건에서 연구하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

암모니아-가솔린 혼소 엔진 시험을 하기 위하여 LPG와 가솔린을 선택적으로 사용할 수 있도록 LPG 연료공급시스템과 가솔린 연료공급시스템이 모두 장착된 1리터급 엔진을 사용하였다(Fig. 1). Table 1은 대상엔진의 주요제원을 나타내고 있는데, 3기통엔진으로 압축비는 10.
9는 암모니아-가솔린 혼소비율 3:7과 5:5 일 때 연소압력을 비교한 그래프이다. 운전조건은 1,400rpm, 40N.m 이며, 점화시기는 25 CAD BTDC이다. 암모니아의 혼소 비율이 높은 경우에 최고연소압력이 낮으며, 연소기간도 긴 것을 알 수 있다.

성능/효과

(3) 암모니아 혼소 비율이 증가하면 암모니아의 연료특성에 의해 이산화탄소 배출량이 감소하나, 암모니아 혼소 비율 0.7 이상에서는 연소불안정성 증가로 인해 토크와 NOx 배출량이 감소하고, THC 배출량이 급증한다.
13에서 암모니아 혼소율 증가에 따른 연소 불안정성 증가를 다시 한 번 확인 할 수 있다. NOx의 경우 연소가 잘 일어나는 경우 연소온도가 높아 배출량이 증가하게 되는데 암모니아 혼소 비율 0.7 이상에서는 연소불안정성이 증가하여 NOx가 감소하며, 그 때 미연되는 암모니아량도 혼소율 증가에 따라 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
그리고 암모니아는 탄소원자를 포함하고 있지 않는 무탄소연료이므로 혼소율이 증가할수록 이산화탄소 발생량이 감소하는 것을 알 수 있고(Fig. 13), 또한 가솔린 사용량 감소에 따라 탄화수소 배출가스의 감소또한 확인 할 수 있다. 하지만 암모니아 혼소율 0.

후속연구

가격적으로는 암모니아를 생산하는데 드는 비용이 휘발유와 경유를 생산하는데 드는 비용보다 더 비싼 것으로 알려져 있으나, 국내의 경우 휘발유와 경유의 판매가격보다는 암모니아의 가격이 더 싼 것으로 알려져 있다. 그리고 더 값싼 방법으로 암모니아를 생산할 수 있다면 대체연료로서 충분한 가능성이 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암모니아를 연료로 사용하는 것의 단점은?	연료로서 암모니아는 별도의 부취제를 섞지 않아도 10 ppm 정도만 누설되어도 금방 인지 할 수 있어 안전한 상태를 확인하기 용이하여 안전하게 사용할 수 있다. 하지만 연소속도가 느리고 발열량이 낮아 사용환경이 제한될 수 밖에 없는데, 특히 엔진에 사용할 경우 엔진회전속도에 제한을 가져오게 된다. 또한 암모니아 연료 누출시 독성문제가 있기 때문에 연료 누설이 없도록 신경을 써야한다.
	암모니아를 연료로 사용하면 동일한 연료를 공급하는 경우 출력이 낮은 이유는 무엇인가?	암모니아의 이론 공연비가 다른 연료보다 낮아 같은 공기량에서 더 많은 연료가 필요하며, 증발잠열이 크고 열량이 가솔린의 약 40% 수준이어서 동일한 연료를 공급하는 경우에 낮을 출력을 낼 수 밖에 없다. 하지만 이론공연비로 운전하는 경우에는 다른 연료와 비슷한 열량을 가지므로 엔진의 출력을 유지할 수 있다.
	암모니아를 연료로 사용하는 것의 장점은 무엇인가?	암모니아를 연료로 사용하는 것에는 많은 장점이 있다. 우선, 암모니아의 연료 특성상 탄소를 포함하고 있지 않아 연소 후 배출가스에 이산화탄소, 즉 온실가스가 없어 친환경 연료라고 할 수 있다. 또한 분자구조에서 수소원자를 3개 가지고 있는 구조이기 때문에 보관과 이송이 어려운 수소를 암모니아로 합성하는 경우 수소 캐리어로 이용할 수 있다. 수소의 경우 고압가스의 형태로 보관하게 되지만 암모니아의 경우 상온에서 0.6 MPa 이상이면 LPG(liquified petroleum gas)와 같이 액상으로 변하게 되어 보관과 이송이 쉬워진다. 가격적으로는 암모니아를 생산하는데 드는 비용이 휘발유와 경유를 생산하는데 드는 비용보다 더 비싼 것으로 알려져 있으나, 국내의 경우 휘발유와 경유의 판매가격보다는 암모니아의 가격이 더 싼 것으로 알려져 있다. 그리고 더 값싼 방법으로 암모니아를 생산할 수 있다면 대체연료로서 충분한 가능성이 있다고 판단된다.

참고문헌 (7)

Zamfirescu, C., Dincer, I., "Using ammonia as a sustainable fuel", Journal of Power Sources, Vol. 185, pp. 459-465, (2008)

상세보기
NH3 fuel association website, http://www.nh3fuelassociation.org/introduction/
Grannell, S., The Operating Features of a Stoichiometric, Ammonia and Gasoline Dual Fueled Spark Ignition Engine, PhD Dissertation, The Univ. of Michigan, (2008)
Morch, C. S., Bjerre, A., Gottrup, M. P., Sorenson, S. C., Schramm, J., "Ammonia/hydrogen mixtures in an SI-engine: Engine performance and analysis of a proposed fuel system", Fuel, vol 90, pp. 854-864, (2011)

상세보기
Li, J., Huang, H, Kobayashi, N, He, Z, Nagai, Y, "Study on using hydrogen and ammonia as fuels: Combustion characteristics and NOx formation", Intl. J. of Energy Res. online version. (2014)
Reiter, A. J., Kong, S-C, "Combustion and emissions characteristics of compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel", Fuel, vol 90, pp. 87-97, (2011)

상세보기
Frigo, S., Gentili, R., "Analysis of the behaviour of a 4-stroke Si engine fuelled with ammonia and hydrogen", Jntl. J. of Hydrogen Energy, vol. 38, pp. 1607-1615, (2013)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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