Experimental Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engine with Hydrogen Application

수소를 첨가한 디젤엔진의 연소 및 배기특성에 관한 실험적 연구

오 정 모

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Experimental Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engine with Hydrogen Application

Jungmo Oh

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Key Words: Diesel engine(디젤엔진), Hydrogen fuel(수소연료), Combustion(연소), Emission(배기배출물)

Abstract

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 per- formances (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.

1. 서 론

최근 선박 및 해양 산업은 재생 불가능한 화석 연료 의 고갈 및 소비량 증가로 인한 유가 변동, 인체 건강 및 복지, 수질 및 대기환경 등에 대한 관심의 증가로 인 하여 엔진의 고성능·고출력 중심에서 고연비·친환경으 로 패러다임이 변화되고 있다.

European union (EU) 회원국 기준에 대한 The interna- tional council on clean transportation (ICCT)의 보고서에 따 르면 대형 선박용 주 연료인 저질 중질유(Heavy Fuel Oil, HFO)의 연소에서 발생하는 NOx 및 SOx의 배출량이 육 상에서 발생하는 유해 배기배출물 보다 더 많이 배출되고 있다고 보고된 바 있다. 이로 인해 UN 산하기구인 국제

해사기구(IMO)는 온실가스 및 유해 배기배출물의 발생을 억제시키기 위해서 환경 규제를 강화하고 있다⁽¹⁾.

이에 대응하기 위해 저유황 중유, 경유, CNG, LNG 등과 같은 대체연료와 대체에너지에 관심이 높아지고 있으며, 연료 혼소 기술을 적용하여 연소성능을 개선시 키면서 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.

수소는 빠른 연소속도, 넓은 가연한계, 낮은 점화에너 지, 짧은 화염전파거리, 높은 단열화염온도 등의 연소특 성을 가지고 있으며, 초희박 연소가 가능하다. 따라서 수소 혼소로부터 연소 성능 개선이 가능하므로 연료소 비율과 유해 배기 배출물을 동시에 저감할 수 있다고 발표되고 있다^(2~9).

N. Saravanan외 2인은 EGR을 적용한 단기통 디젤 엔진 에 수소-디젤 혼소 실험한 결과, 연비 향상과 배기배출물 저감 효과가 나타났다고 발표했다⁽⁵⁾. 또한, B. Adrian외 4 인은 디젤엔진의 중·저 부하 영역에서 Hydrogen Rich

(Recieved: 27 Nov 2017, Recieved in revised form: 19 Dec

2017, Accepted: 19 Dec 2017)

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책임저자, 회원, 목포해양대학교(기관시스템공학부) E-mail : [email protected]

TEL : (061)240-7207 FAX : (061)240-7201

Gas(HRG) gas의 첨가는 제동열효율에 2%정도 손실을 발 생시키지만 Smoke는 30% 정도 저감할수 있으므로 상대 적으로 소량의 HRG gas는 배기배출물에 긍정적인 영향 을 미치고 열효율에는 경미한 영향을 미칠 수 있다고 발 표했다⁽⁹⁾. 국내에서는 박철웅 외 3인이 대형엔진에서 수 소-천연가스 혼소를 시도하였으며, 수소 첨가에 따른 연 소특성, 효율, 배기배출물 및 희박연소 영역 확장에 대한 연구를 진행하였는데, 희박연소영역이 확대되고 희박 영 역에서 효율은 증가하며 연소온도 상승다고 발표했다⁽⁸⁾. 수소의 생산 및 이용 방법에는 물 전기분해 방범, 연 료의 개질 방법, 열화학 분해 방법, 광전자 분해 방법 등 이 있다. 열화학 분해 방법과 광전자 분해 방법은 실험 실 위주로 생산방법을 연구하고 있으며, 상업적인 생산 에 사용되고 있지 않다. 가장 보편화된 방법은 물 전기 분해 방법과 연료의 개질 방법이다.

수소 저장 및 공급 인프라가 부족하기 때문에 김봉석 외 2인은 그들의 연구에서 H/C비가 높은 천연가스를 개 질하여 수소를 직접 생산 및 혼소하는 방법을 채택하였 으며, 연료를 개질을 통하여 수소 혼합 연소로 수소-천 연가스 (HCNG, Hydrogen-CNG)를 이용하였다⁽⁷⁾. 그러 나 연료 개질장치가 고가이며, 연료 개질에 따른 에너지 소비가 발생되는 단점이 있다. 따라서 박권하 외 5인은 수소를 생산하기 위하여 고분자 전해질 전기분해 장치 를 이용하여 3.3Liters, 4 기통 디젤 엔진의 흡입공기에 수소를 투입하는 방법을 시도하였고 엔진 성능에 미치 는 영향을 평가하였다⁽⁶⁾.

가솔린 엔진에서 수소는 독자적인 대체연료로 적용될 수 있지만, 디젤 엔진에서는 보편적인 디젤연료의 자연 발화점(553K)과 비교했을 때 수소가 자연발화점(858K) 이 높기 때문에 독자적인 대체연료로 사용될 수 없다.

따라서 디젤-수소 혼합 형태로 디젤엔진의 연소에 적용 이 가능하다^(10,11).

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

2. 실험장치 및 방법

2.1 고분자전해질 방식 수소 발생기

연구에 사용한 고분자전해질 방식의 수소발생장치는

소형으로 설계하였으며, 내식성 및 부품의 정비 및 교체 가 용이하도록 제작하였다. 주요 구성 요소는 고분자전 해질 스택(stack), 수조(water tank), 펌프(pump), 수위센 서, 정수조(water purifier) 등으로 구성되어 있다. 수조에 서 정수조로 펌프를 통하여 가압을 하고, 역삼투압 필터 와 이온 필터를 통과시켜 불순물을 제거하여 초순수수를 얻는다. 이후, 고분자전해질 스택을 통과하여 컨트롤러에 서 공급되는 DC 전력에 의해 전기분해과정을 거친다.

고분자전해질 스택에서 초순수수는 산소와 수소로 분 해되며, 수소분자는 다공성 물질인 고체 멤브레인을 통 과하고 산소분자는 크기 때문에 고체 멤브레인을 통과 하지 못하여 수소와 산소 분자의 이동 경로가 달라지게 된다. 분리되어 배출되는 수소는 역류를 방지하기 위해 체크 밸브를 거쳐서 사용 목적에 이용된다.

고분자전해질 방식의 물-전기분해 장치는 전해액(수 산화칼슘 또는 수산화나트륨)이 필요 없으나 다공성의 고체 전해질은 이온에 취약한 단점이 있다. 따라서 고분 자전해질 물-전기분해 장치에서 사용되는 물은 이온이 제거된 초순수수가 사용되어야 한다. 전기분해 효율을 높이면서 초순수수를 얻기 위해 본 연구에서는 정수조 를 적용하였으며, 4단계의 필터(세디먼트 필터 - 카본 필터 - 역삼투압 필터 - 이온 필터)를 통하도록 구성하 였다. 세디먼트 필터는 1 µm 이상의 이물질을 제거하고, 카본 필터는 0.1~1 µm 범위의 이물질을 제거하며, 역삼 투압 필터는 0.001 µm 이상의 이물질을 제거한다. 이온 필터는 이온만을 제거해 준다.

고분자전해질 수전해 방식의 큰 특징은 수소와 산소 의 이동 경로를 완벽하게 구분할 수 있다는 점이다. 또 한, 전기분해로 발생되는 수소의 유량은 전력(전압과 전 류)에 비례하게 된다. 전압을 일정하게 유지하면서 전류 를 조정하였을 때 안정성이 높고 생산 유량의 제어가 용이하다. 이를 위해 PWM(pulse width modulation) 제 어 방식의 컨트롤러를 설계 및 제작하였다.

본 연구의 최종 적용 대상인 소형 선박의 엔진 시동 용 배터리 용량이 24V, 200Ah로 고려하였을 때, 10 cell 의 고분자전해질 스택이 24V, 20A를 소모하므로 최대 5 개까지의 스택을 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 본 엔진실험에서는 선박용 엔진 대신 실험의 용이성을 위 해 차량용 엔진으로 시험대상을 변경하였으며, DC-DC converter를 사용하여 차량용 12V 전원을 24V로 변환하 였다.

전압 및 전류를 동시에 제어할 수 있는 컨트롤러를 통하여 엔진에 공급되는 수소의 압력과 유량을 실시간

으로 변화시키면서 디젤-수소 혼소실험을 하였다. 수소 발생장치의 제원은 Table 1과 같으며, 수소발생기의 외 형과 구성요소는 Fig. 1과 같다^{(10, 11)}.

2.2 연소 실험 대상 엔진 및 방법

연소 실험 대상 엔진은 2.0L급 4기통 직접 분사식 커 먼레일 디젤 엔진이며, 가변 용량 제어 터보차저(vari- able geometric turbocharger, VGT)가 적용된 형식을 이 용하였다. 실험 엔진의 세부제원은 Table 2와 같다. 엔 진동력계는 Table 3과 같은 220 kW EC type을 사용하 여 엔진의 RPM과 부하를 제어하였다. 배기가스를 측정 하기 위하여 VGT 후단에서 배기가스를 추출하였으며, NOx와 THC를 측정하였다. 배기가스 분석기는 HORIBA 사의 MEXA-9100을 사용하였으며, NOx는 화학 발광 분석계(Chemiluminescent detector; CLD), THC는 수소 염 이온화 검출기(Flame ionization detector; FID)를 사

용하여 배기가스의 농도를 측정하였다.

2.3 엔진실험 방법

디젤연소에서 수소가 첨가 되었을 때 연소에 미치는 영향을 파악하기 위하여 동력계 상에서 수소 공급 유무 에 대한 연소 성능, 연비 및 배기배출물을 비교실험 하 였다. Table 4와 같이 엔진의 회전수는 1500 rpm, 부하 는 BMEP 10bar로 고정하였으며, COV 5~10% 정도이 다. 수소 공급유량은 1~3LPM (약0.1~0.3 g/min), 수소 공급압력은 0.2~0.3 Mpa로 선정하였다. 디젤연료 대비 수소 공급량은 약 0.1~0.3%이다. Fig. 2는 기본적인 디 젤엔진의 디젤유(경유) 공급 시스템에서 수소 공급 방법 을 추가한 시스템을 나타낸 개략도이다. 수소의 공급은 인터쿨러 후단에 위치하였다. 디젤엔진에 수소를 추가 Table 1. Specifications of the hydrogen generator

Item Description

Electronic

Electrolyte : Nafion 115 Anodic catalyst : lr Cathodic Catalyst : Pt Cathode Electrode : carbon paper

Voltage DC 24 V

Current 6 ~ 20 A Flow rate 0 ~ 2.4 LPM per Stack

Fig. 1 Schematic diagram of the Hydrogen generator

Table 2. Test engine specification Item Description Engine type 4-stroke turbo-charged DI

diesel engine Bore × Stroke 87×92mm Fuel injection system Common rail (Piezo type)

No. of cylinders 4 Displacement volume 2187 cc

Valve type DOHC 4 valves per cylinder Max. Power 200/3800

Max torque 44.5/2000 kg·m/rpm

Table 3. Dynamometer specification Item Description Type Eddy current, load cell type Max. power 220kw at 2500-7000 rpm

80kg·m at 2500-7000 rpm

Table 4. Experimental conditions Factor Condition

RPM 1500rpm

Torque BMEP 10bar Diesel fuel supply 105g/min

Hydrogen fuel supply 1~3LPM(approx. 0.1~0.3g/min)

공급하기 전에 경유(diesel oil)로 엔진을 기동하여 냉각 수 온도를 약 80^oC 이상까지 부무하 운전(워밍)한 후 수 소 발생기를 작동하여 실험을 진행하였다. 즉, 수소 공 급 및 데이터 취득 전 엔진을 충분히 운전하여 연소가 안정된 상태에서 연소 및 배기배출물 데이터를 취득하 였다. 엔진실험 데이터는 10회 반복실험을 통하여 신뢰 도를 높였으며, 10회 반복결과의 평균한 값을 취득했다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 연소압력 및 열 발생률(ROHR) 비교

Figure 3은 수소 공급압력 0.2~0.3 Mpa, 수소 공급유 량 1.0~4.0 LPM 조건에서의 열발생률과 연소압력을 비 교한 그래프이며, Fig. 4는 실린더 체적당 연소압력을 비교한 결과이다.

디젤연소에 수소 연료의 첨가는 열발생률과 연소압 력이 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 것으 로 파악된다.

또한, 연소안정성 변화는 디젤연소가 5~10%로 나타 났으며, 수소 혼소 시 약 4%이내로 개선되었다. 디젤연 소에서 흡기에 분포된 수소의 발화에 의하여 디젤연소 의 연소시작반응을 활성화하여 착화지연기간을 단축시 킴으로써 확산연소가 개선되면서 연소 안전성이 향상되 어 연소 지연이 개선되는 것으로 판단된다⁽⁵⁾.

Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 3 Comparison of cylinder pressure and ROHR as the hydrogen fuel supply pressure and quantity

Fig. 4 Comparison of cylinder volume-pressure

3.2 도시평균유효압력 비교

Figure 5는 수소의 공급압력과 공급유량에 따른 디젤 -수소 혼소의 도시평균유효압력(Indicated mean effective pressure, IMEP)과 열효율을 비교한 그래프이다. 디젤연 소에 수소의 첨가는 공급유량 1 LPM, 공급압력 0.2 MPa 조건을 제외하고 대부분 조건에서 IMEP와 열효율이 감 소되는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 흡기에 포함된 수소에 의하여 연소가 촉진되면서 연소속도가 빨라지면 서 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.

3.3 수소 연료가 연료소모량에 미치는 영향 Figure 6는 수소의 공급압력과 공급유량에 따른 연료 소모량을 비교한 결과이다. 디젤연소에 비하여 모든 조

건에서 연료소모량이 감소되는 경향을 나타냈다. 수소 의 공급유량이 1 LPM에서 2 LPM으로 변화될 경우 가 장 큰 폭으로 감소되었으며, 공급압력은 모든 공급유량 조건에서 0.25 MPa이 가장 연비 개선효과가 높게 나타 났다. 상기 두 조건의 조합 시 최대 약 2%의 연비 개선 효과를 보였다^(5~6).

3.4 수소 연료가 NOx 배출량에 미치는 영향 Figure 7은 수소의 공급압력과 공급유량에 따른 NOx 배출량을 비교한 결과이다. 수소의 첨가에 따라 NOx 배출량은 디젤연소에 비해 감소되었다. 공급유량 이 1LPM에서 2LPM으로 변화될 경우 가장 큰 폭으로 감소되었으며, 최대 약 2.19%의 NOx 저감 효과를 보 였다. 이러한 결과는 디젤연소에 첨가된 수소가 연소 최고압력을 낮춤과 동시에 연소최고온도도 낮추기 때 문에 NOx 배출량이 감소되는 연소 개선효과로 판단 할 수 있다⁽⁹⁾.

Fig. 5 Comparison of IMEP as the hydrogen fuel supply pressure and quantity

Fig. 6 The effects of F/C as the hydrogen fuel supply pressure and quantity

Fig. 7 The effects of NOx emission as the hydrogen fuel supply pressure and quantity

Fig. 8 The effects of THC emission as the hydrogen fuel supply pressure and quantity

3.5 수소 연료가 THC 배출량에 미치는 영향 Figure 8은 수소의 공급압력과 공급유량에 따른 THC(total hydrocarbon) 배출량을 비교한 그래프이다.

디젤연소에 비하여 수소 공급유량 1~2 LPM 조건에서 는 THC 배출량이 감소하는 경향을 보이지만 3.0 LPM, 0.2~0.25 MPa 조건에서는 오히려 THC 배출량이 증가 하는 경향을 보였다. 수소 공급유량이 증가함에 따라 수 소가 국부적으로 농후되어 연소되지 못하고 배출되는 연료가 많아지는 현상으로 판단되며, 수소의 공급에 따 른 수소-공기 불균일 혼합 또는 수소-공기-디젤연료의 불균일 혼합 및 불꽃점화 기관의 ?칭현상에 의한 결과 로 유추된다⁽⁹⁾.

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

4. 결 론

본 연구에서는 수소연료를 디젤엔진 혼소에 적용하기 위해서 고분자전해질 수전해 수소발생기를 설계 및 제 작하여 실시간으로 생산한 수소를 2.2L급 디젤엔진 흡 기에 공급함으로써 수소 공급압력과 공급유량에 따른 연소성능, 연비 및 배기배출물 특성을 규명하였으며 다 음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

(1) 디젤연소에 수소 연료의 첨가는 수소의 공급 압력 과 공급 유량이 높을수록 열발생률과 연소압력이 낮아 지는 결과를 보였으며, 디젤연소에서 수소의 발화에 의 하여 디젤연소의 확산연소가 개선되는 것으로 판단된다.

(2) 디젤연소에 수소의 첨가는 IMEP와 열효율이 감소 되는 경향을 나타냈으며, 흡기에 포함된 수소에 의하여 연소가 촉진되면서 연소최고압력이 낮아지기 때문에 발 생하는 현상으로 판단된다.

(3) 디젤연소에 비하여 모든 조건에서 연료소모량이 감소되는 경향을 보였으며, 수소의 공급유량 2LPM, 공 급압력 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 디젤연

소에 첨가된 수소가 연소최고압력을 낮춤과 동시에 연 소최고온도도 낮추기 때문에 NOx 배출량이 감소되는 연소 개선효과로 판단할 수 있다.

(5) 수소 공급유량 적은 조건에서는 THC 배출량이 감 소하는 경향을 보이지만 높은 조건에서는 오히려 THC 배출량이 증가하는 경향을 나타냈다.

후 기

이 연구는 목포해양대학교산학협력단 학술연구비에 의하여 지원된 논문임.

이 논문은 2015년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No.

NRF-2015R1D1A3A01019661).

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