대형 천연가스/디젤 혼소 엔진에서 불활성 가스 첨가에 따른 연소 및 배기 특성 연구

1. 서 론

2015년 발생한 디젤게이트 사태 이후로 내연기관이 환경 및 인체에 미치는 영향에 대한 우려가 증가하고 기술에 대한 신뢰가 많이 하락한 가운데, 프랑스와 영국을 비롯한 여러 국가들이 2040년부터 내연기관 자동차의 판매를 금지하는 법안을 제정하기에 이르렀다. 국내의 경우에도 수도권을 중심으로 장기적으로 내연기관 자동차가 아닌 전기 자동차와 수소연료전지 자동차와 같은 친환경자동차의 도입을 장려하고 있다.

한편 같은 해인 2015년 파리 신기후 체제 기후 협약을 통해 한국은 2030년까지 이산화탄소(CO₂)의 배출수준을 현재보다 37 % 추가적으로 저감해야하는 상황에 마주하고 있다. 이와 같이 이산화탄소 배출 저감을 이루어야 하는 상황에서, 희박연소를 기반으로 한 고효율 디젤 엔진의 퇴출은 수송 분야에서 이산화탄소 저감과 엔진 고효율 목표를 달성하는데 있어서 큰 장애요소로 판단되고 있다. 전기 자동차와 수소연료전지 자동차의 경우, 운행 시에는 이산화탄소의 배출이 없다는 장점이 있으나, 전기 및 수소를 생산하는 과정에 있어서 원자력 및 신재생 에너지 발전에 의존하지 않는 이상 이산화탄소의 발생은 피할 수 없는 상황이다. 또한, 배터리 제작에 들어가는 귀금속류의 수급 문제와 제작 기술 등에 맞물려 현재 내연기관 자동차들을 전부 친환경 자동차로 대체하는 것에 있어서 그 한계가 명확한 실정이다.

이와 같은 상황에서 가솔린, 디젤 등 보편적으로 사용되는 액상의 화석 연료에 비해 동일 에너지 당 탄소 개수를 적게 포함하는 천연가스(Natural gas)를 내연기관에 적용한다면 이산화탄소의 배출 저감 뿐만 아니라, 입자상 물질(PM, Particulate Matter)의 저감에도 크게 기여할 수 있다. 향후 미국을 비롯한 셰일가스(Shale gas) 생산국에서 생산되는 저렴한 가스 및 러시아를 통한 파이프라인가스(PNG, Pipeline Natural Gas)의 도입도 천연가스를 사용하는 내연기관의 활성화에 긍정적인 요소로 손꼽을 수 있다. 셰일가스는 시추에 따라 그 성분이 상이하나, 보통 탄화수소계열 연료 성분이 90~98 %, 질소 및 이산화탄소 등의 불활성 기체 성분이 약 2~10 % 수준이다.¹⁾

상기의 장점들로 인해 천연가스를 내연기관에 적용하고자 하는 선행 연구들이 다수 보고되었다. 특히 천연가스를 압축비가 높은 디젤 압축착화 기관에 적용하면 디젤엔진의 높은 열효율과 가스연료의 저배기를 동시에 기대할 수 있다.^2,3) Papagiannakis 등⁴⁾은 디젤을 착화원으로 소량(전체 에너지 분율의 약 14 %) 사용하고 나머지 연료는 천연가스를 사용하여 엔진의 출력 및 배기 특성을 연구하였다. 저반응성 연료인 천연가스로 인해 일산화탄소(CO, Carbon monoxide) 및 미연탄화수소(THC, Total Hydrocarbon)의 배출이 디젤 전소(Neat diesel combustion)보다 다량 배출되지만, 이에 반해 질소산화물(NOx, Nitrogen oxides) 및 입자상 물질의 배출은 크게 저감됨을 보고 하였다.

또한 Guo 등⁵⁾의 연구에 따르면 천연가스-디젤 혼소(Dual-fuel combustion) 기술을 예혼합 연소(Premixed combustion) 기반인 반응성 조정 압축착화 연소(RCCI, Reactivity Controlled Compression Ignition) 기술에 접목하여 질소산화물 및 입자상물질의 배출은 각각 4 및 0.01 g/kWh로 낮게 유지하는 한편 열효율을 증대하는 실험을 시도하였다. 그러나 앞서 언급한 저반응성 연료로 인해 연소효율이 낮기에 전반적인 혼소의 열효율은 디젤 전소에 비해 다소 낮은 상황을 보였다.^6,7)

상기의 대표적인 선행연구들과 같이 천연가스를 열효율이 좋은 압축착화 기관에 적용하기 위한 혼소 특성에 관한 연구들이 다수 진행되어 왔으나, 주로 낮은 부하의 운전영역에서 특성 연구를 진행해왔으며, 천연가스 내 불활성 가스(이산화탄소, 질소 등)의 영향에 대해 고려한 연구는 부족한 실정이다. 특히 셰일가스의 경우 부산물로서 이산화탄소 혹은 질소 등의 불활성 가스가 함께 추출되기 때문에, 이들을 엔진에 적용하는데 있어서 불활성 가스가 연소 및 배기 특성에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 6 L급 대형 압축착화 엔진에서 천연가스/디젤 혼소 시 이산화탄소와 질소를 일정 분율 첨가하여, 불활성 가스가 연소 및 배기에 미치는 현상에 대해 분석하였다. 특히 운전조건을 2,000 rpm/ 100 kW로 이전의 연구들보다 상대적으로 높은 부하의 조건으로 설정함으로써, 천연가스/디젤 혼소의 실용 운전 영역에서 불활성 가스의 영향에 대한 평가가 가능할 것으로 판단된다.

2. 실험 장치 구성 및 방법

2.1 실험 장치 구성

본 실험에는 6 L급 6기통 대형 디젤엔진이 베이스 엔진으로 사용되었다. 천연가스 및 불활성 가스로 설정한 질소, 이산화탄소는 질량유량계(Mass flow controller)를 사용하여 공급량을 조절하였으며 흡기 다기관에 자연흡입 방식(Natural aspiration)으로 공급하여, 별도의 혼합기 없이 흡기과정 중 혼합되도록 하였다. 천연가스는 외부의 봄베(Bombe)에 도시가스를 저장해 놓고, 레귤레이터를 이용하여 10 bar 이하로 엔진 흡기관에 공급하였다. 디젤 연료의 공급량은 연료유량계(Micro Motion Mass Flow Sensor; Emerson)을 사용하여 측정하였다. 엔진의 부하와 회전수를 제어하기 위하여 해당 엔진은 220 kW 부하급 와류 전류(Eddy-current) 방식의 동력계에 장착되었으며, 공연비는 광대역 람다센서(Model LA4; ETAS co.)를 사용하여 측정하였다. 질소산화물, 일산화탄소, 미연탄화수소 및 이산화탄소 배기배출물의 측정을 위해 배출가스 측정장치(Mexa 7100-DEGR, Horiba)를 사용하였으며, 매연의 농도측정에는 Smoke meter(415S, AVL)가 사용되었다.

연소실 압력 측정을 위해 피에조타입 압력센서 (6052C, Kistler)와 글로우 플러그 어댑터(6542Q27, Kistler)를 사용하였으며, 이를 연소해석기(DE 500, Dewetron)를 이용하여 열방출율을 계산하였다. 전체적인 실험장치 구성도는 Fig. 1에 소개되어 있으며, 엔진의 상세 제원 및 사용된 연료의 특성은 각각 Table 1, 2에 기록하였다.

Fig. 1

Schematic diagram of experimental setup

Table 1

Engine specifications

Table 2

Fuel properties

2.2 실험 조건 및 방법

엔진 운전조건은 2,000 rpm/100 kW(제동 출력 기준)로 고정하였으며, 천연가스와 디젤 간의 연료 분율 역시 각각 80, 20 %로 고정하였다. 연료 분율의 경우 각 연료의 저위발열량(LHV, Lower Heating Value)을 기준으로 설정하였다. 불활성 가스인 질소와 이산화탄소의 분율은 연료를 기준으로 0, 5, 10 %로 조정하였으며, 디젤 분사시기는 상사점(TDC, Top Dead Center)에서부터 14°CA BTDC(Before TDC)까지 2도 간격으로 조절하였다. 상기 불활성 가스 첨가 및 디젤 분사시기 조절 실험은 각각 배기재순환율 0, 20 % 조건에서 동일하게 진행하였으며, 배기재순환 적용 하의 혼소 운전 시 불활성 가스의 영향도 평가하였다. 동등 출력을 기준으로 삼았기 때문에, 실험조건에 따라 디젤, 천연가스의 양이 디젤 분사시기 및 불활성 가스 분율, 배기재순환율에 따라 상이하며, 다만 공연비는 동등 수준(배기재순환 0 %시 람다(λ~1.8), 20 %시 λ~1.4)을 유지한다. 전체적인 상세 실험조건은 하기의 Table 3에 기록하였다.

Table 3

Experimental conditions

3. 실험 결과 및 논의

3.1 불활성 가스 분율에 따른 연소 특성

불활성 가스인 질소 및 이산화탄소를 전체적으로 공급되는 천연가스의 체적 비율 대비 5, 10 %를 혼소 조건에서 첨가하였다. 본 절에서는 불활성 가스의 영향만을 평가하기 위해 배기재순환은 적용하지 않았다.

Fig. 2(a)는 혼소 상황에서 불활성 가스로 질소를 첨가한 경우의 열발생률(HRR, Heat Release Rate)을 나타낸 그래프이다. 혼소 상황에서는 연소실 내 국부지역에서 산발적인 자발화가 지속적으로 발생하기 때문에 열발생률 곡선이 디젤 전소 시에 비해 복잡한 양상을 보인다. 특히 공급에너지의 80 %를 차지하는 예혼합 연료인 천연가스로 인해 예혼합 연소 영역이 두드러지며, 디젤 분사시기를 고정하는 경우 저반응성 연료로 인해 주연소 영역이 지각된 것을 확인할 수 있다. 질소의 경우 비열비가 1.4로 상대적으로 높은 수준이므로 질소의 첨가율이 증가할수록 그 차이는 크지 않지만 연소 시작 시점(SOC, Start of Combustion)이 지각되는 현상을 Fig. 2(b)에서 확인할 수 있다. 이는 배기재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation)을 적용한 경우와 동일한 현상으로, 질소의 비열 효과와 질소를 첨가한 만큼 공기 중 산소량의 감소로 인해 점화 지연(Ignition delay) 기간이 길어진 것에 의한 효과로 파악된다.⁶⁾

Fig. 2

(a) Heat release rate (HRR) and in-cylinder pressure traces of neat diesel, dual-fuel and N2 addition combustion conditions, and (b) details of start of combustion (SOC) under 2,000 rpm/100 kW (without EGR)

Fig. 3의 결과와 같이 이산화탄소를 불활성 가스로 적용한 경우에도 동일한 양상을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 다만 이산화탄소의 비열비는 질소보다 낮은 1.3 수준이기 때문에, Fig. 4에서 볼 수 있듯이 질소를 불활성 가스로 첨가한 경우 이산화탄소에 비해 약 0.5도 정도 점화지연이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 한편 질소와 이산화탄소를 같은 분율로 동시에 5 %씩 첨가한 경우에는 이산화탄소를 10 % 첨가한 경우와 차이가 없었다. 따라서 불활성 가스의 첨가로 인한 비열 효과와 연소실 내 온도 저감 효과로 인해 점화지연이 길어짐을 알 수 있었고, 특히 비열비가 더 큰 질소가 점화지연 증가에 더 큰 영향을 미쳤으나 불활성 가스의 종류 및 혼합율에 의한 영향은 크지 않은 것으로 분석되었다.

Fig. 3

(a) HRR and in-cylinder pressure traces of neat diesel, dual-fuel and CO2 addition combustion conditions, and (b) details of SOC under 2,000 rpm/100 kW (without EGR)

Fig. 4

Details of SOC in HRR of N2 and CO2 addition combustion conditions, under 2,000 rpm/100 kW (without EGR)

3.2 불활성 가스 분율에 따른 배기 특성

불활성 가스인 질소와 이산화탄소를 각각 10 % 첨가한 경우 디젤 전소 및 혼소 조건과 배기배출물 특성을 비교하였다. 이때, 비교 환경은 배기재순환을 사용하지 않은 경우와 20 % 적용한 조건 두 가지에 대하여 나누어 평가 및 비교를 진행하였다.

Fig. 5(a)에 나타낸 결과와 같이 배기재순환이 없는 경우 질소산화물의 배출수준은 디젤 전소에 비해 혼소 시 낮은 경향을 보임을 알 수 있다. 이는 배기재순환을 적용하지 않은 매우 희박한 공연비 조건으로(공기과잉률, λ~2.0 수준) 상당 부분의 천연가스가 희박 예혼합 조건을 이루고 있으므로 질소산화물이 가장 많이 배출되는 이론공기과잉률 (λ~1) 조건을 피할 수 있기 때문이다.⁸⁾ 즉, 매우 희박한 조건에서는 천연가스에 의한 예혼합 연소보다 디젤 분무에 의한 국부 이론 공연비 조건에서 발생하는 연소가 질소산화물의 배출에 더 지배적인 것으로 분석된다.⁹⁾

Fig. 5

(a) Brake specific NOx (BSNOx) and (b) BSCO2 emissions traces as various diesel injection timing under neat diesel, dual-fuel and inert gas addition combustion conditions under 2,000 rpm/100 kW (without EGR)

불활성 가스가 첨가된 경우 모든 디젤 분사시기 조건에 대하여 약 10 % 가량의 추가적인 질소산화물의 저감을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 절에서 설명하였듯이 불활성 가스의 첨가로 연소온도가 낮아지고 점화지연 기간의 연장을 통한 희박 예혼합 상태의 개선에 기인하는 것이다. 특히 질소를 첨가하는 경우 이산화탄소 첨가 시보다 점화지연이 약간 더 증가하였던 결과와 부합하게 질소산화물의 추가적인 저감효과가 있는 것으로 파악되나 그 차이는 크지 않았다.

Fig. 5(b)에서는 이산화탄소 배기배출 수준을 나타내고 있는데 천연가스의 주성분인 메탄이 디젤에 비해 동일 발열량 당 탄소 함유량이 적으므로 디젤 전소에 비해서 혼소를 하는 경우 이산화탄소 생성물도 적은 것을 확인 할 수 있다. 그러나 불활성 가스를 첨가하는 경우 출력 당 이산화탄소의 배출량이 증가하는데 이는 연소온도 감소에 의한 열효율 저하로 인한 현상으로 분석된다. 특히 불활성 가스로 이산화탄소를 첨가한 경우, 해당 이산화탄소는 연소과정에 참여하지 않고 배기로만 배출되므로 그만큼 이산화탄소의 배출 농도가 높아진 것으로 파악된다. 하지만 불활성 가스의 첨가 유/무에 관계없이 천연가스의 혼소 효과로 인해 디젤 전소에 비해 이산화탄소 배출 수준이 낮음을 확인 할 수 있다. 모든 실험 조건에서 배기재순환을 적용하지 않는 경우에는 입자상 물질의 배출이 10 mg/kWh로 매우 낮은 수준을 유지하며 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다.

한편 배기재순환율을 20 % 적용하는 경우 다소 다른 경향성을 보인다. 동일한 흡기압력 조건에서 배기재순환이 공급된 만큼 신기(Fresh air)의 공급량이 감소하였으므로, 전체 공기과잉률이 λ~1.2 수준으로 낮아졌다. 이에 따라 Fig. 6(a)에서와 같이 오히려 혼소조건에서 디젤 전소 시보다 높은 수준의 질소산화물 배출을 보이는 경우도 일부 존재한다. 특히 디젤 분사시기를 4°CA BTDC 이전으로 진각 시키는 경우 그 차이가 뚜렷한데, 디젤 연료를 조기에 분사할수록 연소실 내에 고루 침투하여 배경가스인 천연가스와 혼합되므로 국부 공기과잉률 λ~1 조건을 만족하는 영역이 증가하게 되고 이로 인하여 질소산화물의 배출이 증가하는 것으로 파악 된다.⁹⁾ 그러나, 이산화탄소를 불활성 가스로 공급한 경우 디젤 분사시기 전 영역에 걸쳐 디젤 전소 시보다 낮은 수준의 질소산화물 배출을 보이는데, 이는 이산화탄소가 일종의 배기재순환과 같은 열흡수 역할을 했기 때문이다. 한편 질소를 불활성 가스로 첨가한 경우는 기존의 혼소 조건보다는 낮지만 디젤 전소 및 이산화탄소 첨가 시보다 높은 질소산화물 배출 수준을 보였다. 이는 혼합기 중 질소농도가 증가하여, 더 많은 질소산화물이 생성될 여건을 조성했기 때문인 것으로 파악된다.

Fig. 6

(a) Brake specific NOx (BSNOx), (b) BSCO2 and (c) BSSmoke emissions traces as various diesel injection timing under neat diesel, dual-fuel and inert gas addition combustion conditions under 2,000 rpm/100 kW (with EGR 20 %)

Fig. 6(b)의 이산화탄소 배출 경향성은 앞서 배기재순환율 0 % 경우와 동일함을 확인하였다. 단, 입자상물질의 배출 특성은 배기재순환율 20% 환경 시 디젤 전소 조건과 혼소 조건이 확연히 달라졌다. 디젤 전소 시, 배기재순환으로 인해 연소 온도 저하로 입자상 물질의 산화가 줄어들고, 농후해진 공연비 조건으로 인해 국부적으로 농후한 지역이 다량 발생하여 60~120 mg/kWh 수준의 입자상 물질이 배출됨을 Fig. 6(c)에서 확인할 수 있었다. 그러나 혼소 시에는 천연가스로 인한 높은 예혼합율로 인해 입자상 물질의 생성 영역 자체가 감소하므로 여전히 10 mg/kWh 이하의 낮은 수준을 유지하였으며, 불활성 가스로 질소를 공급한 경우에도 동일한 경향을 나타내었다.¹⁰⁾

Fig. 7에서 볼 수 있듯이 혼소 조건에서는 디젤 전소 시에 비해 질소산화물과 입자상 물질 간의 상반 관계(Trade-off relation)가 급격히 감소하여, 동등 질소산화물 수준에서 입자상 물질을 크게 저감할 수 있음을 확인할 수 있었다.¹¹⁾ 더욱이 불활성 가스가 첨가된다 하여도, 해당 상반 관계의 경향성은 크게 달라지지 않아 천연가스 연료에 불순물이 섞인다 하여도 질소산화물과 입자상 물질의 동시 저감을 위한 혼소 전략은 문제가 없음을 확인할 수 있다.

Fig. 7

BSNOx versus BSPM(particulate matters) results under 2,000 rpm/100 kW for the both neat diesel and dual-fuel combustion conditions inclduing inert gas addition

4. 결 론

본 연구에서는 천연가스/디젤 혼소 시 불활성 가스인 질소와 이산화탄소의 첨가에 따른 연소 및 배기 특성에 대해 2,000 rpm/100 kW의 상대적으로 높은 부하 조건에서 평가하였다. 하기의 사항들은 연구결과의 요약 및 결론이다.

• 1) 불활성 가스인 질소와 이산화탄소의 첨가 시, 해당 가스들의 비열 효과 및 신기 대체 효과를 통해 점화지연 기간이 증가하여, 동일 운전조건에서 연소시작 지점이 지각되었다. 특히 비열비가 큰 질소의 경우 이산화탄소를 첨가한 경우보다 점화지연이 약간 더 길어지는 것을 확인할 수 있었으나, 그 차이는 0.5 도 내외로 크지 않았다.
• 2) 배기재순환을 적용하지 않은 혼소 운전 조건에서 질소 및 이산화탄소와 같은 불활성 가스를 적용하는 경우 추가적인 질소산화물의 저감이 이루어졌다. 이는 공기과잉률 λ~2.0의 희박 연소 조건에서 불활성 가스의 공급을 통한 연소온도 저하에 기인하는 것으로 보이며, 이에 따른 열효율의 저하로 인해 엔진 출력 당 이산화탄소의 발생은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 불활성 가스로 이산화탄소를 첨가하는 경우, 해당 가스는 연소과정에 참여하지 않고 배기 배출물로 나오므로 질소 첨가 시보다 이산화탄소의 배출 농도가 증가하는 것을 알 수 있다.
• 3) 배기재순환율을 20 %로 적용한 환경 하에서는 이산화탄소 첨가 시 디젤 전소 및 디젤/천연가스 혼소 조건과 비교하여 질소산화물의 저감을 확인할 수 있었으나, 질소의 경우에는 질소산화물이 생성되기 유리한 환경이 조성되어 불활성 가스의 열적 완충 효과를 상쇄하는 것으로 파악되었다. 반면 이산화탄소를 첨가하는 경우에는 혼소 및 질소 첨가 조건에 비해 낮아진 연소온도로 인해 입자상 물질의 배출이 일부 조건(디젤 분사시기가 상사점 부근인 경우)에서 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 여전히 디젤 전소에 비해 현저히 낮은 수준임을 확인할 수 있었다.
• 4) 해당 결과를 통해 연료의 순도가 중요한 전소 운전 조건과는 달리 압축착화 내연기관에서 혼소 운전을 하는 경우에는 질소 및 이산화탄소 등의 불활성 가스가 혼합되어 있어도 혼소의 장점을 저해하지 않고 사용할 수 있음을 확인하였다. 또한 일부 운전조건에서는 불활성 가스의 첨가를 통해 질소산화물, 입자상물질의 추가적인 저감도 기대할 수 있다.

Acknowledgments

본 연구는 한국기계연구원 주요사업(SC 1280)의 지원으로 수행되었으며 이에 감사의 뜻을 전합니다.

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