천연가스와 수소가 적용된 대형엔진의 부분부하 성능 및 배출가스

2.1 실험 장치

본 연구에서 대형엔진의 연료로 활용한 천연가스와 수소의 물성치를 Table 1에 정리하였다. 천연가스와 수소는 높은 옥탄가를 지니고 있어, 전기점화 방식에 적합하다. 두 연료 모두 엔진에 가스상으로 공급되었으며, 수소 대비 천연가스의 저위발열량이 단위부피당 3배 이상 높다. 수소는 천연가스 대비 화염전파 속도가 빠르고 낮은 점화 에너지에도 연소가 가능하기 때문에 가연 범위가 넓은 특성을 보인다.

Table 1

Fuel properties

디젤 압축착화 6기통 엔진을 전기점화 단기통 엔진으로 개조된 엔진을 이용하였다. 엔진의 자세한 제원은 Table 2에 표기하였다. 흡기-배기 밸브가 각각 1개씩 장착된 엔진으로, 1.8 L 급 배기량에 압축비는 12:1이 적용되었다. 단기통 엔진의 피스톤 보울 형상은 Bathtub 타입으로 적용하였다.

Table 2

Engine specifications

동력계 상에서 엔진실험을 진행하였으며, 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. 45 kW급 3상 전동 모터(TEFC, Hyosung)와 50 kW급 인버터(ACS800, ABB)로 구성된 AC 동력계를 이용하여 엔진속도를 일정하게 제어하였다. 압축공기의 압력제어와 스로틀 개도를 통해 연소실 내로 공기를 공급하였고, 해당 질량유량은 코리올리 유량계(CMFS050M, Emerson)로 측정하였다. 천연가스와 수소는 질량유량제어기로 연료 공급량을 변경하였고, 연료 질량유량의 정확한 측정을 위해 코리올리 유량계(CMFS010M, Emerson)를 활용하였다. 연소실 내로 유입된 연료-공기 혼합기의 연소는 점화플러그를 통해 시작되었다. 스로틀 개도와 점화시기는 엔진제어유닛의 Can 통신을 위한 모듈(ES582.1, ETAS)과 제어 소프트웨어(INCA, ETAS)를 이용하여 제어하였다.

Fig. 1

Schematic diagram of engine setup

연소실 압력 측정을 위해 실린더 헤드를 가공하여 연소실 압력센서(6043Asp, Kistler)를 장착하였고, 크랭크각 데이터를 측정하기 위해 크랭크 샤프트 풀리에 어댑터를 가공하여 엔코더(364C01, AVL)를 장착하였다. 측정된 연소실 압력과 크랭크각 데이터는 연소해석기(X-ion, AVL)를 이용하여 연소실 압력, 열방출률, 연소 파라미터 등을 실시간으로 모니터링 하였으며, 데이터 추출 또한 실시하였다. 엔진 연소 이후 배기구로 배출되는 가스농도는 배출가스분석기(i60, AVL)를 이용하여 탄화수소, 천연가스, 질소산화물, 일산화탄소, 이산화탄소, 산소 등의 가스를 분석하였다.

2.2 실험 방법

대형엔진의 상용 차량 및 발전 분야 적용을 고려하여 엔진속도는 1,800 rpm으로 선정하였다. 엔진부하는 본 단기통 엔진에서 천연가스를 연료로 이용하였을 때, 전부하의 50 % 수준에 해당하는 도시평균유효압력(Net Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) 0.4 MPa을 부분부하 운전 조건으로 선정하여 실험을 진행하였다. 천연가스 엔진 운전에서 공기과잉률은 이론공연비 연소로부터 최대 1.5까지 적용하였다. 수소 엔진 운전은 1.6부터 3.0까지 변경하였다.

엔진의 흡기 및 배기의 온도와 압력, 연료량, 공기량, 배출가스 농도 등의 정보는 데이터수집장치(GL820, Graphtec)를 통해 초당 1개의 데이터를 60초 동안 수집하여 평균 데이터를 이용하였다. 연소해석기를 통한 열방출율 곡선 및 연소 파라미터는 연속적인 300 사이클을 측정하여 평균데이터를 결과로 이용하였다.

3.1 공기과잉률에 따른 열효율 및 엔진제어 특성

고정된 엔진부하(IMEP 0.4 MPa)에서 천연가스와 수소를 각각 연료로 공급한 경우, 엔진의 열효율(Indicated Thermal Efficiency, ITE)과 연소안정성(Coefficient of Variation of IMEP, COV of IMEP) 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 천연가스 엔진에서 공기과잉률 1.0에서 1.4까지 안정적인 운전(COV of IMEP 5 % 이내)이 가능하였다. 공기과잉률 1.5에서는 COV of IMEP가 5 %를 넘은 수치를 보였으며, 1.6 이상에서는 연소가 불안정하고 실화도 발생하여 정상적인 운전이 불가능하였다. 공기과잉률 1.0에서는 ITE 37.9 %, 공기과잉률 1.4에서는 ITE 40.7 %로 공기과잉률이 증가할수록 희박연소의 이점으로 ITE가 증가하는 경향을 보였다. 수소 엔진에서 공기과잉률은 1.6에서 3.0까지 넓은 영역에서 안정적인 운전이 가능하였다. 공기과잉률 1.6과 1.8에서는 최적 점화시기에서는 노킹 연소가 발생하여, 점화시기를 지각시킴으로써 운전이 가능하였다. 공기과잉률 1.5에서는 점화시기 지각에도 운전이 불가능하였다. 공기과잉률 1.6에서는 ITE 40.2 %, 공기과잉률 2.8에서는 44.2 % 수준을 보여, 천연가스 엔진 대비 높은 공기과잉률의 희박연소 운전이 가능하여 상대적으로 높은 ITE를 기록하였다.

Fig. 2

Indicated thermal efficiency and coefficient of variation of IMEP of two fuels according to excess air ratio

수소 엔진에서 공기과잉률을 3.0 이상으로 증가하였을 때 엔진 운전은 가능하였으나, Fig. 3과 같이 흡기 매니폴드의 압력(Manifold Absolute Pressure, MAP)이 100 kPa 이상으로 증가하였다. 이는 부분부하 운전이 아닌 스로틀 전개(Wide Open Throttle, WOT) 운전에 해당하며, 수소 엔진의 부분부하 조건에서 과급기 없이는 공기과잉률 2.8까지 운전이 가능한 것으로 분석되었다. 천연가스 엔진의 이론공연비 조건에서 MAP은 55 kPa 수준이었으며, 공기과잉률이 증가할수록 MAP이 증가하는 특성을 보였다. 공기과잉률이 증가함에 따라 최적 연소상을 위해 점화시기 진각이 필요하였다. 천연가스 엔진에서는 공기과잉률이 증가할수록 급격한 점화시기 진각을 보인 반면, 수소 엔진에서는 상대적으로 완만한 점화시기 진각이 필요하였다.

Fig. 3

Manifold absolute pressure and ignition timing of two fuels according to excess air ratio

Fig. 4는 천연가스와 수소 엔진에서 열방출율이 50 % 발생하는 연소상(Mass Fraction Burned 50 %, MFB50)을 나타낸 것이다. 천연가스 엔진에서 MFB50은 모두 5 ~ 7 CAD ATDC에 위치하였다. 수소 엔진의 공기과잉률 2.0 이상에서 동일한 유사한 연소상을 보인 반면, 공기과잉률이 낮은 1.6과 1.8에서는 노킹 연소 발생으로 인해 점화시기를 지각하여 운전하였으므로 상대적으로 지각된 MFB50을 기록하였다.

Fig. 4

Crank angle of mass fraction burned 50 % of two fuels according to excess air ratio

Fig. 5는 천연가스와 수소 엔진에서 주연소기간(main combustion duration, MFB10-MFB90)을 나타낸 것이다. 두 연료 모두 공기과잉률이 증가할수록 연소시작 (MFB10)은 진각된 반면, 연소종료(MFB90)는 지각되었다. 결과적으로, 두 엔진에서 공기과잉률이 증가할수록 주연소기간은 증가하였으며, 수소 엔진은 천연가스 엔진보다 공기과잉률이 높음에도 불구하고 주연소기간이 짧은 특성을 보였다.

Fig. 5

Crank angle of main combustion duration of two fuels according to excess air ratio

3.2 공기과잉률에 따른 연소 및 배출가스 특성

3.1절에서 공기과잉률에 따른 천연가스와 수소 전기점화 엔진에서 노킹 연소와 실화에 따른 공기과잉률 별 엔진제어 특성을 제시하였다. 본 절에서는 해당 엔진제어에 따른 연소 및 배출가스 특성을 분석하였다. Fig. 6은 공기과잉률 변동에 따른 최대 연소실 압력과 최대 압력상승률(Maximum Pressure Rise Rate, MPRR)을 나타낸 것이다. MPRR은 크랭크각 1 CAD 변경에 따른 실린더 내 압력 증가량을 나타내며, 적정수치를 넘기면 엔진이 파손될 우려가 있다. 천연가스 엔진에서 공기과잉률이 감소하여 이론공연비 연소에 다가갈수록, 연소실 최대압력은 낮아지고 MPRR이 증가하는 경향을 보였다. 수소 엔진에서 공기과잉률이 감소할수록, 천연가스 엔진과 유사하게 연소실 최대압력은 낮아지고 MPRR이 증가하였으나, MPRR은 상대적으로 급격한 상승을 보였다.

Fig. 6

Maximum cylinder pressure and maximum pressure rise rate of two fuels according to excess air ratio

무탄소 연료인 수소는 탄소계 유해가스가 거의 배출되지 않으므로, 천연가스와 수소가 적용된 엔진의 배출가스 비교평가를 위해 질소산화물 배출특성을 Fig. 7에 나타내었다. 상대적으로 농후한 영역에서 운전이 가능한 천연가스 엔진은 공기과잉률 1.2 부근에서 질소산화물 배출이 가장 높은 특성을 보였으며, 공기과잉률이 증가할수록 질소산화물 배출이 감소하였으나 연소 불안정성과 실화로 인해 공기과잉률 증가가 1.4로 제한되었다. 반면 상대적으로 희박한 영역에서 운전이 가능한 수소 엔진은 공기과잉률이 증가할수록 질소산화물 배출이 상당히 감소하였으며, 공기과잉률 2.2 이상의 영역에서는 1 g/kWh 이하의 매우 낮은 수준의 질소산화물 배출특성을 나타내었다.

Fig. 7

Indicated specific nitrogen oxides of two fuels according to excess air ratio

Fig. 8은 공기과잉률 변화에 따른 천연가스 엔진에서의 Total hydrocarbon(THC)와 Carbon monoxide(CO)의 배출 특성을 나타낸 것이다. THC는 공기과잉률 1.2에서 0.7 g/kWh로 가장 배출이 적었으며, 희박해질수록 배출량이 증가하였다. CO는 공기과잉률 1.2에서 1.5 g/kWh로 배출이 가장 적었으나 이론공연비 운전에서는 16.3 g/kWh로 배출량이 급격히 증가하였고, 희박해질수록 다소 증가하는 경향을 보여주었다.

Fig. 8

Total hydrocarbon and carbon monoxide of natural gas fuel according to excess air ratio

Fig. 9는 공기과잉률 변화에 따른 배기가스 온도를 나타낸 것이다. 상대적으로 농후한 영역에서 운전되는 천연가스 엔진은 이론공연비 연소에서 배기가스의 온도가 660 ^oC로 가장 높았으며, 공기과잉률이 증가할수록 배기가스 온도가 감소하였다. 수소 엔진은 상대적으로 희박한 영역에서 운전되어 공기과잉률 1.6에서는 배기가스의 온도가 560 ^oC 수준이었고, 공기과잉률을 2.8까지 증가하였을 때 배기가스 온도가 400 ^oC 수준으로 매우 낮은 특성을 보였다. 수소의 낮은 밀도로 인해 흡기포트로부터 공급되는 방식의 수소 엔진은 천연가스 엔진 대비 낮은 출력을 기록한다. 따라서 수소 엔진의 높은 공기과잉률에서 낮은 배기가스 온도는 실제 터보차저가 탑재된 수소 엔진에서 흡기 과급을 위한 터보차저 매칭이 중요한 이슈가 될 것으로 판단된다.

Fig. 9

Exhaust gas temperature of two fuels according to excess air ratio

3.3 점화시기에 따른 연소 및 배출가스 특성

3.2절에서는 공기과잉률 변동에 따른 천연가스 및 수소 엔진의 연소 및 배출가스 특성을 분석하였다. 본 절에서는 공기과잉률과 함께 엔진 성능에 중요한 영향을 미치는 요소인 점화시기 변동에 대한 영향을 분석하였다. 각각의 공기과잉률에서 점화시기 변동에 대한 경향은 유사하였으며, 두 연료가 적용된 엔진에서 운전가능한 가장 농후한 조건(천연가스 엔진은 공기과잉률 1.0, 수소 엔진은 공기과잉률 1.6)에서 결과를 제시하였다. Fig. 10은 점화시기 변동에 따른 열효율과 연소상(MFB50)을 나타낸 것이다. 두 연료가 적용된 엔진 모두 점화시기 진각에 따라 열효율이 향상되었다. Fig. 10의 H2_K는 수소 엔진에서 노킹 연소가 발생된 운전영역에 해당한다. 수소 엔진에서는 노킹 연소 발생으로 인해 최적 연소상에서 운전이 불가능하였으며, 이를 억제하기 위해 지각된 점화시기를 적용하였다. 그럼에도 수소 엔진에서 상대적으로 높은 공기과잉률 적용으로 천연가스 엔진 대비 높은 열효율을 기록하였다.

Fig. 10

Indicated thermal efficiency and MFB50 of two fuels according to ignition timing

Fig. 11은 점화시기 변동에 따른 최대 연소실 압력과 MPRR을 나타낸 것이다. 천연가스 엔진에서 최적 연소상까지 점화시기를 진각한 경우에도 노킹 연소 발생이 없었으므로 최대 연소실 압력과 MPRR이 소폭 상승하였다. 수소 엔진에서는 천연가스 엔진 대비 상대적으로 최대 연소실 압력과 MPRR이 큰 폭으로 상승하였으며, 노킹 연소가 발생한 H2_K의 운전에서는 MPRR이 0.6 MPa/CAD 이상으로 급격히 상승하였다.

Fig. 11

Maximum cylinder pressure and maximum pressure rise rate of two fuels according to ignition timing

Fig. 12는 점화시기 변동에 따른 질소산화물의 배출을 나타낸 것이다. 천연가스 및 수소 엔진 모두 점화시기가 진각할수록 연소온도 상승으로 인해 질소산화물 배출량이 증가하였다. 수소 엔진에서 천연가스 엔진 대비 점화시기 변동에 따라 상대적으로 급격히 질소산화물 배출이 증가하였으며, 노킹 연소가 발생하는 H2_K 운전에서도 질소산화물 배출은 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 12

Indicated specific nitrogen oxides of two fuels according to ignition timing

Fig. 13은 천연가스 엔진의 이론공연비 운전에서 점화시기 변화에 따른 THC와 CO의 배출 특성을 나타낸 것이다. THC 배출은 점화시기가 지각될수록 감소하는 특성을 보였다. CO의 경우, 점화시기에 따라 측정 오차가 다소 발생하였으나, 대체적으로 점화시기가 지각될수록 감소하는 경향을 보여주고 있다.

Fig. 13

Total hydrocarbon and carbon monoxide of natural gas fuel according to ignition timing