[논문]수소를 첨가한 디젤엔진의 연소 및 배기특성에 관한 실험적 연구

오정모

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.4.203

수소를 첨가한 디젤엔진의 연소 및 배기특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engine with Hydrogen Application 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.22 no.4, 2017년, pp.203 - 209

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The International maritime organization(IMO), in an effort to slow down the global warming, proposes reduction in ship's speed as a way to lower the rate emissions from ships. In addition, since ship's fuel cost have been increased, the shipping volumes, fuel-saving technology are being required urgently. Therefore, in this present study, a method of reducing the fuel cost that can improve the performance of the diesel engine was tried by introducing a predetermined amount (0.1~0.3% of the mass amount of fuel used) of hydrogen fuel additive. The experimental conditions of the test engine were 1500rpm and torque BMEP-10b ar. The engine performances (power output, fuel consumption rate, p-max, exhaust temperature) were compared before and after addition of hydrogen fuel additives. This experimental study confirmed reducing at least 2% fuel consumption and 2.19% NOx emission.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소의 생산 및 공급을 위하여 이동이 용이한 고분자 전해질 수전해 방식 수소 발생장치를 자체 제작하여 이용하였으며, 디젤엔진에서 수소-디젤 혼소로부터 수소 첨가량에 따른 연소특성, 연료소비율 및 배기배출물 특성을 알아보았다.

제안 방법

수소의 공급은 인터쿨러 후단에 위치하였다. 디젤엔진에 수소를 추가 공급하기 전에 경유(diesel oil)로 엔진을 기동하여 냉각수 온도를 약 80^oC 이상까지 부무하 운전(워밍)한 후 수소 발생기를 작동하여 실험을 진행하였다. 즉, 수소 공급 및 데이터 취득 전 엔진을 충분히 운전하여 연소가 안정된 상태에서 연소 및 배기배출물 데이터를 취득하였다.
디젤연소에서 수소가 첨가 되었을 때 연소에 미치는 영향을 파악하기 위하여 동력계상에서 수소 공급 유무에 대한 연소 성능, 연비 및 배기배출물을 비교실험 하였다. Table 4와 같이 엔진의 회전수는 1500 rpm, 부하는 BMEP 10bar로 고정하였으며, COV 5~10% 정도이다.
배기가스를 측정하기 위하여 VGT 후단에서 배기가스를 추출하였으며, NOx와 THC를 측정하였다. 배기가스 분석기는 HORIBA사의 MEXA-9100을 사용하였으며, NOx는 화학 발광분석계(Chemiluminescent detector; CLD), THC는 수소염 이온화 검출기(Flame ionization detector; FID)를 사용하여 배기가스의 농도를 측정하였다.
엔진동력계는 Table 3과 같은 220 kW EC type을 사용하여 엔진의 RPM과 부하를 제어하였다. 배기가스를 측정하기 위하여 VGT 후단에서 배기가스를 추출하였으며, NOx와 THC를 측정하였다. 배기가스 분석기는 HORIBA사의 MEXA-9100을 사용하였으며, NOx는 화학 발광분석계(Chemiluminescent detector; CLD), THC는 수소염 이온화 검출기(Flame ionization detector; FID)를 사용하여 배기가스의 농도를 측정하였다.
본 연구의 최종 적용 대상인 소형 선박의 엔진 시동용 배터리 용량이 24V, 200Ah로 고려하였을 때, 10 cell의 고분자전해질 스택이 24V, 20A를 소모하므로 최대 5개까지의 스택을 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 본 엔진실험에서는 선박용 엔진 대신 실험의 용이성을 위해 차량용 엔진으로 시험대상을 변경하였으며, DC-DC converter를 사용하여 차량용 12V 전원을 24V로 변환하였다.
본 연구에서는 수소연료를 디젤엔진 혼소에 적용하기위해서 고분자전해질 수전해 수소발생기를 설계 및 제작하여 실시간으로 생산한 수소를 2.2L급 디젤엔진 흡기에 공급함으로써 수소 공급압력과 공급유량에 따른 연소성능, 연비 및 배기배출물 특성을 규명하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
연구에 사용한 고분자전해질 방식의 수소발생장치는 소형으로 설계하였으며, 내식성 및 부품의 정비 및 교체가 용이하도록 제작하였다. 주요 구성 요소는 고분자전해질 스택(stack), 수조(water tank), 펌프(pump), 수위센서, 정수조(water purifier) 등으로 구성되어 있다.
전압을 일정하게 유지하면서 전류를 조정하였을 때 안정성이 높고 생산 유량의 제어가 용이하다. 이를 위해 PWM(pulse width modulation) 제어 방식의 컨트롤러를 설계 및 제작하였다.
따라서 고분자전해질 물-전기분해 장치에서 사용되는 물은 이온이 제거된 초순수수가 사용되어야 한다. 전기분해 효율을 높이면서 초순수수를 얻기 위해 본 연구에서는 정수조를 적용하였으며, 4단계의 필터(세디먼트 필터 - 카본 필터 - 역삼투압 필터 - 이온 필터)를 통하도록 구성하였다. 세디먼트 필터는 1 μm 이상의 이물질을 제거하고, 카본 필터는 0.
전압 및 전류를 동시에 제어할 수 있는 컨트롤러를 통하여 엔진에 공급되는 수소의 압력과 유량을 실시간으로 변화시키면서 디젤-수소 혼소실험을 하였다. 수소 발생장치의 제원은 Table 1과 같으며, 수소발생기의 외형과 구성요소는 Fig.

대상 데이터

본 연구의 최종 적용 대상인 소형 선박의 엔진 시동용 배터리 용량이 24V, 200Ah로 고려하였을 때, 10 cell의 고분자전해질 스택이 24V, 20A를 소모하므로 최대 5개까지의 스택을 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 본 엔진실험에서는 선박용 엔진 대신 실험의 용이성을 위해 차량용 엔진으로 시험대상을 변경하였으며, DC-DC converter를 사용하여 차량용 12V 전원을 24V로 변환하였다.
연소 실험 대상 엔진은 2.0L급 4기통 직접 분사식 커먼레일 디젤 엔진이며, 가변 용량 제어 터보차저(variable geometric turbocharger, VGT)가 적용된 형식을 이용하였다. 실험 엔진의 세부제원은 Table 2와 같다.
디젤엔진에 수소를 추가 공급하기 전에 경유(diesel oil)로 엔진을 기동하여 냉각수 온도를 약 80^oC 이상까지 부무하 운전(워밍)한 후 수소 발생기를 작동하여 실험을 진행하였다. 즉, 수소 공급 및 데이터 취득 전 엔진을 충분히 운전하여 연소가 안정된 상태에서 연소 및 배기배출물 데이터를 취득하였다. 엔진실험 데이터는 10회 반복실험을 통하여 신뢰도를 높였으며, 10회 반복결과의 평균한 값을 취득했다.

데이터처리

즉, 수소 공급 및 데이터 취득 전 엔진을 충분히 운전하여 연소가 안정된 상태에서 연소 및 배기배출물 데이터를 취득하였다. 엔진실험 데이터는 10회 반복실험을 통하여 신뢰도를 높였으며, 10회 반복결과의 평균한 값을 취득했다.

성능/효과

(1) 디젤연소에 수소 연료의 첨가는 수소의 공급 압력과 공급 유량이 높을수록 열발생률과 연소압력이 낮아지는 결과를 보였으며, 디젤연소에서 수소의 발화에 의하여 디젤연소의 확산연소가 개선되는 것으로 판단된다.
(2) 디젤연소에 수소의 첨가는 IMEP와 열효율이 감소되는 경향을 나타냈으며, 흡기에 포함된 수소에 의하여 연소가 촉진되면서 연소최고압력이 낮아지기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다.
(3) 디젤연소에 비하여 모든 조건에서 연료소모량이 감소되는 경향을 보였으며, 수소의 공급유량 2LPM, 공급압력 0.25 MPa의 조건에서 최대 약 2%의 연비 개선 효과를 보였다.
(4) 수소의 첨가에 따라 NOx 배출량은 감소되었으며, 최대 약 2.19%의 NOx 저감 효과를 보였으므로 디젤연소에 첨가된 수소가 연소최고압력을 낮춤과 동시에 연소최고온도도 낮추기 때문에 NOx 배출량이 감소되는 연소 개선효과로 판단할 수 있다.
(5) 수소 공급유량 적은 조건에서는 THC 배출량이 감소하는 경향을 보이지만 높은 조건에서는 오히려 THC 배출량이 증가하는 경향을 나타냈다.
수소의 첨가에 따라 NOx 배출량은 디젤연소에 비해 감소되었다. 공급유량이 1LPM에서 2LPM으로 변화될 경우 가장 큰 폭으로 감소되었으며, 최대 약 2.19%의 NOx 저감 효과를 보였다. 이러한 결과는 디젤연소에 첨가된 수소가 연소최고압력을 낮춤과 동시에 연소최고온도도 낮추기 때문에 NOx 배출량이 감소되는 연소 개선효과로 판단할 수 있다⁽⁹⁾.
Figure 8은 수소의 공급압력과 공급유량에 따른 THC(total hydrocarbon) 배출량을 비교한 그래프이다. 디젤연소에 비하여 수소 공급유량 1~2 LPM 조건에서는 THC 배출량이 감소하는 경향을 보이지만 3.0 LPM, 0.2~0.25 MPa 조건에서는 오히려 THC 배출량이 증가하는 경향을 보였다. 수소 공급유량이 증가함에 따라 수소가 국부적으로 농후되어 연소되지 못하고 배출되는 연료가 많아지는 현상으로 판단되며, 수소의 공급에 따른 수소-공기 불균일 혼합 또는 수소-공기-디젤연료의 불균일 혼합 및 불꽃점화 기관의 ?칭현상에 의한 결과로 유추된다⁽⁹⁾.
디젤연소에 수소 연료의 첨가는 열발생률과 연소압력이 낮아지는 경향을 보였으며, 수소의 공급 압력과 공급 유량이 높을수록 더 낮아지는 결과를 나타냈다. 실린더 체적 당 연소압력이 특이한 변화가 없으므로, 이러한 결과는 수소의 첨가가 폭발적 연소최고압력을 낮추면서 디젤연소의 연소 최고온도가 낮아지는 것으로 파악된다.
또한, 연소안정성 변화는 디젤연소가 5~10%로 나타났으며, 수소 혼소 시 약 4%이내로 개선되었다. 디젤연소에서 흡기에 분포된 수소의 발화에 의하여 디젤연소의 연소시작반응을 활성화하여 착화지연기간을 단축시킴으로써 확산연소가 개선되면서 연소 안전성이 향상되어 연소 지연이 개선되는 것으로 판단된다⁽⁵⁾.
디젤연소에 비하여 모든 조건에서 연료소모량이 감소되는 경향을 나타냈다. 수소의 공급유량이 1 LPM에서 2 LPM으로 변화될 경우 가장 큰 폭으로 감소되었으며, 공급압력은 모든 공급유량 조건에서 0.25 MPa이 가장 연비 개선효과가 높게 나타났다. 상기 두 조건의 조합 시 최대 약 2%의 연비 개선효과를 보였다^(5~6).
이러한 결과는 흡기에 포함된 수소에 의하여 연소가 촉진되면서 연소속도가 빨라지면서 연소최고압력이 낮아지기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다. 엔진 동력계 실험 특성 상 동일 엔진회전수와 동일 부하조건이므로 동일 축동력 발생에 비해 IMEP가 낮으므로 열효율이 개선되었다고 판단할 수 있다.
연료소모량, NOx 배출량 및 THC 배출량은 수소 공급유량 3LPM에서 경향성이 다르게 나타났으며, 수소의 공급유량이 높다고 해서 반드시 디젤연소에 긍정적인 효과를 나타내지 않는 것을 알 수 있다. 시험 디젤엔진의 부하가 낮기 때문에 이러한 결과를 나타낼 수도 있으므로 향후 중부하 및 고부하 영역에서 더 높은 수소농도를 첨가한 추가연구를 진행하고자 한다.

후속연구

연료소모량, NOx 배출량 및 THC 배출량은 수소 공급유량 3LPM에서 경향성이 다르게 나타났으며, 수소의 공급유량이 높다고 해서 반드시 디젤연소에 긍정적인 효과를 나타내지 않는 것을 알 수 있다. 시험 디젤엔진의 부하가 낮기 때문에 이러한 결과를 나타낼 수도 있으므로 향후 중부하 및 고부하 영역에서 더 높은 수소농도를 첨가한 추가연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국제해사기구(IMO)는 온실가스 및 유해 배기배출물의 발생을 억제시키기 위해서 환경 규제를 강화하는 이유는?	European union (EU) 회원국 기준에 대한 The international council on clean transportation (ICCT)의 보고서에 따르면 대형 선박용 주 연료인 저질 중질유(Heavy Fuel Oil, HFO)의 연소에서 발생하는 NOx 및 SOx의 배출량이 육상에서 발생하는 유해 배기배출물 보다 더 많이 배출되고 있다고 보고된 바 있다. 이로 인해 UN 산하기구인 국제해사기구(IMO)는 온실가스 및 유해 배기배출물의 발생을 억제시키기 위해서 환경 규제를 강화하고 있다(1).
	화석 연료의 대체연료에는 무엇이 있는가?	이에 대응하기 위해 저유황 중유, 경유, CNG, LNG등과 같은 대체연료와 대체에너지에 관심이 높아지고 있으며, 연료 혼소 기술을 적용하여 연소성능을 개선시키면서 유해 배기배출물 저감에 대한 연구도 시도하고 있다. 특히, 대체연료 기술의 하나인 수소 혼소 기술은 비용적인 측면에서 후처리 장치와 비교하여 상대적으로 저렴할 수 있어 주목받고 있다.
	수소의 연소 특성은 무엇인가?	수소는 빠른 연소속도, 넓은 가연한계, 낮은 점화에너지, 짧은 화염전파거리, 높은 단열화염온도 등의 연소특성을 가지고 있으며, 초희박 연소가 가능하다. 따라서 수소 혼소로부터 연소 성능 개선이 가능하므로 연료소비율과 유해 배기 배출물을 동시에 저감할 수 있다고 발표되고 있다(2~9).

참고문헌 (11)

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N. Saravanan, G. Nagarajan, and S. Narayanasamy, "An Experimental investigation on DI diesel engine with hydrogen fuel", Renewable Energy, Vol. 33, 2007, pp. 415-421.
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Jun-hwee Kim, "A Study on the Combustion and Emission Characteristics in a Hydrogen-Diesel Dual Fuel Engine", Mokpo National Maritime University, 2017.

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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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