디젤-암모니아 혼소에 따른 소형 압축 착화 엔진의 성능 및 배출가스 특성 파악을 위한 수치적 연구

1. 서 론

탄소 중립 정책으로 엄격해지는 배기 규제를 충족시켜야 하는 상황에서, 디젤 압축착화 엔진은 위기에 직면하였다. 디젤 압축착화 엔진은 높은 열효율과 토크 및 낮은 연료 소비량으로 인해 널리 사용되고 있었다. 그러나 질소산화물(Nitrogen oxides, NO_X) 및 입자상 물질(Particulate matter, PM)을 생성하는 문제점으로 인해 입지가 줄어들고 있다.¹⁾ 연구자들은 배기가스 재순환장치(EGR: Exhaust gas recirculation),²⁾ DPF(Diesel paritculate filter),³⁾ 부분예혼합압축착화(PCCI: Premixed charge compression ignition)⁴⁾ 등을 적용해서 배출가스를 개선하기 위해 노력을 하였지만 향후 배기 규제를 충족시키는데 한계가 있다.⁵⁾ 이에 현실적인 기술은 기존시스템에 최소한의 시스템 변경으로 적용가능한 이종 연료이다.⁶⁾

이종 연료 기술은 반응성이 다른 두 종류의 연료를 공급해서 연소 제어를 향상시키는 전략이 핵심이다. 압축착화 엔진에서 대표적으로 쓰이는 고반응성 연료는 디젤이이며, 상대적인 저반응성 연료로는 가솔린, 천연가스, 암모니아 등이 있다. 또한, 기존 엔진 시스템 레이아웃에 적용 가능하기 때문에 적은 비용으로 연소 효율 및 배출가스를 개선을 할 수 있기에 이종 연료에 대한 많은 실험적, 수치적 연구가 수행되고 있다. 특히, 수치해석은 비교적 시간과 비용을 감소시키고 폭넓은 변수 범위를 고려한 연구가 가능하기에 효과적인 성능 및 배출 가스 특성 파악이 가능하다는 이점이 있다.

최근에는 환경규제가 강화되고 있는 시점에서 무탄소 연료인 암모니아의 입지가 상승하고 있다. 암모니아는 알칼리성의 무색가스로 악취의 단점이 있지만, 분자구조에 탄소가 들어있지 않기 때문에 연료로 사용할 경우에 이산화탄소, 일산화탄소, Soot 등 탄소 관련 배기가스가 배출되지 않은 장점이 있다. 또한 암모니아는 현재 전 세계에서 두 번째로 많이 생산되는 화학물질로 농업과 공업 제조 분야에서 활발하게 사용되고 있다.⁷⁾ 대기 중에서 풍부한 질소와 물에서 생산될 수 있기에 연료 공급에 제약이 없다. 게다가 암모니아는 상온, 10 atm의 조건에서 액체 상태이기 때문에 저장성과 운반성이 용이하다. 에너지 저장 매체로서는 수소의 친환경 특성을 공유하고 있지만 안정성 측면에서는 수소보다 월등히 우수하기에 수소의 단점을 보완할 수 있는 에너지 저장매체로 주목받고 있다. 암모니아를 Hydrogen-carrier로 사용할 수 있기에 내연기관 연료로 사용하기 위한 많은 연구가 수행되었다.⁸⁾

과거에도 연구자들은 압축착화 엔진에 암모니아를 사용하는 연소를 시도하였지만 착화 친화성이 낮아 연구 단계에 머물러 있었다.⁹⁾ 암모니아의 자발화 온도는 924 K로 디젤의 1.8배 높기 때문에 상대적으로 저반응성연료이다. 따라서 암모니아를 압축착화 엔진에 적용하여 전소 환경을 만들기 위해서는 압축비가 30 ~ 35 이상이 요구되며, 특정 운전조건에서만 적용가능한 한계가 있다. 다만, 디젤 엔진의 고도화된 전장 기술, 예컨대, 커먼레일 기반 연료 분사 제어의 정밀도 향상 등에 근거하여 최근에는 압축착화 엔진에 암모니아를 적용하기 위한 노력이 진행 중이다.

본 연구는 소형화된 2기통 디젤엔진의 선행연구 결과를 바탕으로 암모니아의 적용성을 수치적으로 제시하는데 목적이 있다. 디젤엔진의 해석모델은 열역학적 분석 기반의 1D 기반 파워트레인 해석을 지원하는 Gamma technologies의 GT-SUITE를 활용하여 구축하였다. 이를 통해 디젤-암모니아의 이종 연료를 적용한 소형 압축착화 엔진의 성능 및 배출가스를 예측하였다. 디젤-암모니아 혼합비율, NVO(Negative valve overlap)을 변수로 선정하여 1,500 RPM의 중부하 운전조건에 따른 경향성을 파악하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 장치 및 실험 조건

본 연구에서 사용된 참조 엔진은 1,600 cc 4기통 디젤엔진으로 제원은 Table 1과 같다. 본 연구를 위한 동력계 실험 장치의 구성은 Fig. 1과 같다. 공급되는 연료량을 제어하기 위해서 AVL FuelexactPLU 500을 사용하였고, 배출가스의 배출량을 측정하기 위해서 가스분석기(AVL, ama i60)를 통해서 연소생성물을 분석하였다.

Table 1

Reference engine specifications

Fig. 1

Schematic diagram of engine set up

2.2 4기통 디젤엔진 모델

참조 엔진의 모델링을 위한 프로그램으로 수치 비교 분석이 가능한 GT-SUITE를 사용하였다.¹⁰⁾ Fig. 2는 4기통 압축 착화 엔진을 모사하였다. 본 모델은 참조 엔진인 디젤 압축 착화 엔진의 정확한 성능 모사를 위해서 흡배기 밸브 개도, 터보차저 맵 등의 흡배기계 입력 데이터, EGR개도율 및 EGR rate, 분사 프로파일 등 주요 부품의 성능 데이터를 활용하였으며, 해당 데이터는 완성차 업체로부터 지원을 받아 활용하였다. 흡배기 매니폴드를 단순화함으로서 FRM(Fast running engine model)을 기바능로 하여 해석 시간을 단축했다. Fig. 3은 참조 엔진의 해석 결과로서 부하조건에 따른 오차범위 5 % 이내의 신뢰도를 확보하였다.

Fig. 2

Reference engine map

Fig. 3

Reference engine model validation results

2.3 소형 2기통 디젤엔진 모델

환경규제에 따라 친환경 자동차에 대한 필요성이 대두되면서 하이브라드 차량의 안정된 주행거리 확보를 가능케 하여 가격경쟁력 확보를 통한 전기차 상용화를 이루기 위해서 소형 디젤 엔진의 구현을 목표로 하고 4기통 디젤엔진의 소형화를 진행하였다. 흡기 및 배기 매니폴드 체적, 연료 분사 전략 등을 포함한 종량적 상태량을 2기통에 적합하게 최적화하였으며, 상세한 소형화 진행 과정 및 결과는 선행연구에 수록되어 있다.¹¹⁾ 2기통 디젤 엔진의 운전영역은 1,500 RPM의 50 % 부하 조건이며, Non-EGR 조건에서 디젤-암모니아의 혼합 연소 시물레이션을 수행하였다.

연소에 사용된 암모니아의 Mass flow은 식 (1)을 사용하였다.

$\[ \text{Ammonia}={\dot{m}}_{\text{NH3}}/\left({\dot{m}}_{diesel}+{\dot{m}}_{\text{NH3}}\right)\times 100\% \]$

(1)

연료는 D100, D95/A5, D90/M10 and D85/A15, Fuel/ammonia content(e.g D90/A10은 디젤 90 %와 암모니아 10 %에 해당한다. 또한 일반적으로 선행연구에서는 Dual-fuel 연소에서 Dual-injector를 사용하였지만, 본 연구에서 N-heptane과 NH₃-liquid를 혼합한 단일 인젝터를 사용하였다. 단일 인젝터에서 암모니아 혼합 비율에 따른 경향성을 확인하였다.

Fig. 4

Donwsized 2-cylinder Disesel engine map

상기 소형화된 엔진 모델을 바탕으로 Table 2의 조건 하에서, 암모니아 비율 및 내부 EGR이 실린더 내부 거동에 미치는 영향을 확인하고자 NVO(Negative valve overlap)를 선정하여 범위를 다음과 같이 선정하여, 해석 결과를 도출하였다.

Table 2

Operating condition of diesel engine

Table 3

Parameters sweep ranges

3. 연구 결과 및 고찰

3.1 암모니아 혼합비율에 따른 성능 및 배출 가스 특성

암모니아 혼합비율(0, 5, 10, 15 %)에 따른 연소 성능 및 배출가스에 대한 결과를 Figs. 5~7에 나타내었다. Fig. 5 암모니아 혼합비율에 따른 실린더 압력 및 열 방출률을 나타낸 것으로 혼합 연소 비율이 높아질수록 압력이 하락하였다. HRR은 감소 및 지각되는 경향성을 보였다. 이는Table 4의 암모니아의 자발화 온도는 924 K로 디젤보다 약 400 K 이상 높기 때문에 점화지연이 증가해서 연소 지각 현상이 나타난 것으로 판단된다. 암모니아는 높은 자발화 온도 때문에 혼합비율이 높을수록 높은 압축비를 요구한다. 그렇기에 기존의 디젤엔진을 활용하면서 배출가스를 감소시킬 수 있는 암모니아 첨가 범위를 15 %까지 제한하였다.

Fig. 5

In-cylinder pressure and HRR w/ various ammonia ratio

Fig. 6

Torque and BSFC w/ various ammonia ratio

Fig. 7

NOx and CO w/ various ammonia ratio

Table 4

Fuel properties of diesel and ammonia12)

Fig. 6은 암모니아의 혼합비율에 따른 성능 및 배출 가스 특성 결과이다. 암모니아 혼합비율이 높아질수록 성능은 소폭 감소하는 것을 알 수 있다. Fig. 7의 배출가스 경향성을 보면, 암모니아의 무탄소 특성에 기인하여 탄소 기반 배출물인 CO가 감소하는 것을 볼 수 있다. 자세히는 암모니아 혼합비율을 15 %까지 증가시켰을 때, 약 50 %의 CO 저감율을 보였다. 반면, 암모니아는 함질소 연료의 특성으로 인해 NOx 배출량이 약 20 % 증가하는 것을 확인하였다. 이는 암모니아 첨가로 인한 Thermal NOx 생성 외에 Fuel NOx 생성에 의한 증가분으로 판단된다.

3.2 NVO에 따른 성능 및 배출가스 특성

EGR은 크게 내부 EGR과 외부 EGR로 나뉜다. 본연구는 외부 EGR-off 상태에서 NVO를 통해 내부 EGR이 실린더 내부 거동에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 특히, 내부 EGR은 배기밸브 닫힘 시기를 진각 시켜 실린더 내 고온 환경을 조성함으로서, 수소 전달체로서의 암모니아 개질을 통한 내부 개질 가능성을 파악하고자 하였다.

3.2.1 NVO에 따른 BSFC 및 배출 가스 특성

Fig. 8은 NVO에 따른 암모니아 혼합비율 별, 배출가스 및 BSFC 특성을 나타낸다. NVO 범위는 배기 밸브 닫힘 기준각 120 CA를 중심으로 5 CA 단위로 100 CA까지로 설정하였다.

Fig. 8

NOx, CO and BSFC w/ NVO under various ammonia contents

배기 밸브 개도 시기를 진각시킴에 따라 잔여 배기가스가 실린더 내에 축적된 상태에서 다음 흡기 행정이 진행되고, 이는 신기량 감소와 함께 고정 공연비에 따른 절대적인 혼합 연료 유량을 감소시킨다. 따라서, 연소실 내 열방출율 저하와 함께 NOx 생성은 감소하고, CO가 증가하는 현상이 나타난 것으로 판단된다. 또한, 출력 저하에 따른 BSFC 저하가 동반되는 것으로 보인다.

3.2.2 NVO에 따른 내부 개질 특성

Fig. 9는 암모니아를 혼합하지 않은 상태에서 배기밸브 진각에 따른 실린더 내부에서 생성된 수소 생성량을 보여주고 있다. 이는 암모니아 첨가 환경에서의 내부 개질 가능성을 파악하기 위한 것으로, 배기 닫힘 기준각 120 CA에서 5 CA씩 진각을 시킴에 따라 수소 생성량이 상승하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 10). 암모니아 15 % 혼합했을때, 배기밸브 닫힘 시기 진각에 따라 수소 생성량이 증가하는 것으로 판단되된다. 반면, D100과 D100/ A85와 비교해 보면, D100의 경우 수소 생성량이 더 많은 것을 확인할 수 있다. 이는 본 연구의 암모니아 첨가 비율 조건에서는 디젤 연료에 의한 내부 개질 영향도가 더 높기 때문인 것으로 유추되지만, 추후 상세 화학 반응 해석을 포함하여 해석 결과를 도출함으로서 정량화할 필요가 있다.

Fig. 9

In-cylinder H2 formation with NVO under D100

Fig. 10

In-cylinder H2 formation with NVO under D85/A15

Figs. 11~12는 배기 밸브 닫힘 시기 진각에 따른 실린더 내부 온도 및 열방출율을 나타낸다. 잔여 배기가스에 따른 흡기 행정 시의 실린더 내부 온도 상태량이 높은 것을 알 수 있으며, 예열 효과에 따른 연소시기 진각 현상이 나타난다. 반면, 배기 밸브 닫힘 시기가 진각된 경우, 체적 효율 저하에 따른 연소 최고온도 저하 현상이 수반되었다.

Fig. 11

In-cylinder temperature and HRR with NVO under D100

Fig. 12

In-cylinder temperature and HRR with NVO under D85/A15

Figs. 13~14는 밸브 닫힘 시기 진각에 따른 연소율을 나타낸다. NVO에 따라, 압축착화 엔진의 초기 연소 과정인 점화지연과 주 연소 과정에 진각 효과가 반영되었음을 알 수 있다.

Fig. 13

Burn rate w/ NVO under D100

Fig. 14

Burn rate w/ NVO under D85/A15

4. 결 론

본 연구에서는 1D 해석프로그램인 GT-SUITE를 사용하여 1,500 RPM의 50 % 부하 운전영역에서의 디젤-암모니아 압축착화 엔진의 성능 및 배출가스 경향성을 파악하였다. 암모니아 비율 및 NVO(Negative valve overlap) 전략을 통한 성능 및 배출 가스 특성을 요약하면 다음과 같다.

• 1) 암모니아 혼합 비율이 높을수록 암모니아의 자발화온도가 높기에 연소 상이 지각되고 연소 압력이 낮아진다. 성능은 소폭하락 및 NOx는 20 % 증가하였지만, CO는 약 50 % 감소하는 것을 확인하였다.
• 2) 배기밸브 닫힘 시기를 진각시킬수록 잔여 배기가스의 연소 참여율이 증가하였고, 연소 온도 감소로 NOx의 감소를 확인하였지만 CO 증가 및 BSFC 저하를 확인할 수 있었다.
• 3) 배기밸브 닫힘 시기를 진각시킬 경우 실린더 내부수소 발생량이 증가하였다. 이는 NVO 전략 구현 시, 내부 개질 가능성을 시사한다.
• 4) NVO 적용 시, 흡기 과정 중, 연소실 온도는 잔여 배기가스의 영향으로 상승하였다. 이에 따라, 연소 시작 시기가 진각되었고 잔여 배기가스의 연소 참여로 최고 온도가 하락하였다.
• 5) 본 연구는 1D 열유동 기반 해석 결과로서, 디젤-암모니아 혼소 압축 착화 엔진의 성능 및 배출 가스 경향성을 파악함으로서, 암모니아 혼소 가능성 및 내부 개질 가능성을 도출하였다. 다만, 상세 화학 반응이 반영되지 않았으므로, 향후 상세 연소 해석 수행을 통해 정량화가 반드시 필요하며, 추후 해당 연구 결과를 도출하고자 한다.

Acknowledgments

본 연구는 교육부 산하 한국 연구재단 지원의 “지역대학우수과학자지원사업” 지원 하에 수행되었음(과제번호: 2021R1I1A3047249).

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