1. 서 론
자동차 배출가스 중 온실가스인 CO
2배출의 저감은 향후 자동차 엔진 개발에 있어서 가장 중 요한 사항이다 자동차 엔진의 . CO
2배출을 저감 시킬 수 있는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.
첫째는 자동차의 연비를 향상시키는 방법이다.
연소 성능 개선 냉각시스템 개선 펌핑 손실 저 , , 감 마찰 손실 저감 배기열 회수 등이 연비를 향 , , 상시키기 위한 방법으로 고려될 수 있다.
(1)둘째
는 탄소 대비 수소의 비가 높은 저탄소 연료를 사용하는 방법으로 메탄을 주성분으로 하는 천연 가스 연료의 사용이 대표적인 예이다.
(2)수소는 탄소를 포함하지 않는 이상적인 연료로서 높은 , 단열화염온도로 인한 질소산화물 배출 증가 연 , 소실의 냉각 등의 문제를 해결할 경우 우수한 엔 진성능을 기대할 수 있으나 수소 인프라 문제로 , 보급에는 한계가 있어 왔다.
(3)이에 따라 수소를 천연가스에 일부 혼합하여 수소 천연가스 혼합연 - 료(HCNG; Hydrogen-Compressed Natural Gas 가 탄소 대비 수소 비가 높은 연료로서 각 Blend)
광을 받고 있다.
(4~6)연료는 수소의 넓은 가연 한계 범위의 HCNG
학술논문
< >
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2013.37.4.387 ISSN 1226-4881
엔진에서 압축비 변경에 따른 성능 및 노킹 특성 연구 HCNG
임기훈 이성원 박철웅 최 영 김창기
과학기술연합대학원대학교 환경에너지기계공학과 한국기계연구원
* , **
Study of Performance and Knock Characteristics with Compression Ratio Change in HCNG Engine
Gi Hun Lim*, Sung Won Lee**, Cheol Woong Park** Young Choi** and Chang Gi Kim**
* Dept. of Environment & Energy Mechanical Engineering, Univ. of Science and technology,
** Korea Institute of Machinery and Materials
(Received October 16, 2012 ; Revised January 10, 2013 ; Accepted January 10, 2013)
Key Words: CNG( 천연가스 ), HCNG( 수소 천연가스 혼합연료 - ), Compression Ratio( 압축비 ), Thermal Efficiency
열효율 노킹
( ), Knock( )
초록 온실가스인 : CO
2배출을 줄이기 위한 연료로서 고효율 연소의 특성을 갖는 수소 천연가스 혼합연 - 료 (HCNG) 가 유력한 미래 대체연료로서 주목받고 있다 일반적으로 엔진에서의 압축비 상승은 효율 향 . 상 및 이산화탄소 배출 저감을 위한 방법 중의 하나로서 HCNG 엔진에서도 고압축비의 적용이 효과적 일 수 있으나 수소의 높은 연소 속도 및 화염 온도로 인한 조기착화 노킹 등의 이상연소는 엔진 부품 , , 의 파손 및 출력 저하를 초래할 수 있다 본 연구는 . HCNG 엔진에서 압축비를 변경하여 엔진 성능 및 노킹 특성을 분석하는데 목적이 있다 기존의 . CNG 엔진에 CNG 및 HCNG 연료를 적용하여 공기과잉률 의 변화에 따른 연소 특성을 분석하고 압축비 변경 후 엔진의 성능에 미치는 영향을 파악하였다 , . Abstract: Hydrogen-compressed natural gas (HCNG) blend has attracted attention as a fuel that can reduce CO
2emissions because it has low carbon content and burns efficiently. An increase in the compression ratio of HCNG engines was considered as one of the methods to improve their efficiency and reduce CO
2emissions. However, a high combustion rate and flame temperature cause abnormal combustion such as pre-ignition or knocks, which in turn can cause damage to the engine components and decrease the engine power. In this study, the performance and knock characteristics with a change in the compression ratio of an HCNG engine were analyzed. The combustion characteristics of HCNG fuel were evaluated as a function of the excess air ratio using a conventional CNG engine. The effects of the compression ratio on the engine performance were evaluated through the same experimental procedures.
Corresponding Author, [email protected]
2013 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
특징 때문에 희박 연소를 시킬 수 있는 영역이 연료에 비해 넓은 장점을 갖는다
CNG .
(5,6)국내
엔진제작사에서도 HCNG 프로그램에 참여하여
모드 테스트를 수행한 결과 이하
FTP 0.2 g/hp-hr
의 NOx 배출성능을 확인한 바 있다 국외의 연 . 구 결과로는 Cummins-Westport 에 의해 제작된 엔진을 장착하여 시범운행한 버스는 연료 HCNG
전지에 비해 매우 낮은 가격으로 청정성을 확보 할 수 있는 것으로 발표하였다.
(7,8)연료를 이용한 희박연소영역의 확장은 HCNG
효율의 개선 및 CO
2배출 저감에 효과적이며 압 , 축비의 상승은 엔진에서 적용 가능한 추가적인 효율 향상을 위한 방법 중의 하나이다 그러나 . 엔진에서 압축비의 증가는 수소의 높은 HCNG
연소 속도로 인한 역화 뿐 아니라 조기착화 노 , , 킹 등의 이상연소는 엔진 부품의 파손 및 출력 저하를 초래할 수 있다.
(9,10)본 연구는 HCNG 엔진에서 압축비를 변경하여 엔진 성능 및 노킹 특성을 파악하는데 목적이 있 다 기존의 . CNG 엔진에 CNG 및 HCNG 연료를 적용하여 공기과잉률의 변화에 따른 연소 특성을 분석하고 압축비 변경 후 동일 실험을 수행함으 , 로써 압축비가 엔진의 성능에 미치는 영향을 파 악하였다.
실험 장치 및 실험 방법 2.
2.1 실험장치
와류 동력계 (Schenck) 를 사용하여 엔진의 속력 및 부하를 제어하면서 실험적 연구를 수행하였 다 본 연구를 위해 . EURO-5 배기규제에 대응할 수 있는 11 L 급 6 기통 CNG 엔진 (GL11K, Doosan 을 사용하였다 자세한 엔진 제원은 Infracore Inc.) .
에 나타내었다 압축비를 기존의 에서
Table 1 . 10.5
로 증가시키기 위해 피스톤의 보울의 깊이를 11.5
기존의 32.1 mm 에서 27.9 mm 로 줄이는 방법을 선택했으며 보울의 직경과 형상은 그대로 유지 ,
Engine type CNG - TCI Cylinder No. 6
Bore × Stroke 123 mm × 155 mm Displacement 11.051 L Compression ratio (CR) 10.5 : 1
Max. Power 213 kW @ 2,100 rpm Max. Torque 1,150 Nm @ 1,260 rpm
Table 1 Engine specification
Fig. 1 Schematic diagram of engine experimental setup
하였다 . 배기량이 상대적으로 작은 승용차량용 엔진에서 1 의 압축비 차이는 효과를 관찰하기에 작은 차이일 수 있다 그러나 . 연소실 내경이 크 고 운전회전수가 낮은 대형엔진에서는 작은 압축 비 차이로도 운전성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 열효율 및 노킹 특성에 관한 실험을 수 , 행하였다.
은 엔진 실험의 개략도를 나타낸 것이다
Fig. 1 .
와 수소 용기로부터 레귤레이터를 거쳐 감압 CNG
된 가스가 MFC 를 통해 공급되고 유량을 각각 제 , 어하여 수소의 혼합비를 제어함으로써 HCNG 연 료를 모사하였다 과급기에서 가압된 신기는 인터 . 쿨러에서 냉각된 후 흡기 파이프로 공급된 연료와 혼합되며 혼합기는 스로틀 밸브를 지나 엔진 연 , 소실 내부로 공급된다 . 1 번 실린더에 스파크플러 그형 압력 센서 (KISTLER co., 6117BFD17) 를 설치 하였고 압력 트랜스듀서로부터 나오는 신호는 전 용 증폭기 (KISTLER co., 5011) 를 이용해 증폭시켰 다 증폭된 신호를 크랭크축에 연결된 엔코더의 . 신호와 동기화시켜서 연소해석기(DEWETRON co.) 를 이용하여 연소실 압력을 측정 및 실시간 관찰 하였다 연소실 압력의 실시간 측정을 통해 열방 . 출률 연소실 압력의 최대 변화율 등을 분석하였 , 다 혼합기의 공기과잉률은 터빈 후단에 설치한 . 공연비 측정 장비 (ETAS co., LA4) 를 이용해 측정 하였다 . ECU 프로그램을 이용해서 점화 시기 스 , 로틀 밸브 연료 유량 과급 압력 등을 제어하였으 , , 며 데이터 취득장치 , (GRAPHTEC co., GL810) 를 사 용하여 엔진 주요 부위의 온도 및 압력 연료 유 , 량을 측정하였다.
2.2 실험방법
는 실험 조건을 정리하여 나타낸 것이 Table 2
Engine speed 1,260 rpm Torque 1,150 Nm
Fuel CNG & HCNG30 Compression ratio (CR) 10.5 & 11.5
Excess air ratio From 1.3 in increments of 0.1 Spark timing Advanced with 2 CAD Coolant temp. (82.5±2.5)
Table 2 Experimental conditions
다 대형 차량용 엔진의 주요 운전영역에 해당하 . 며 노킹이 일어날 가능성이 큰 최대 토크의 운 , 전조건으로 엔진의 운전조건을 선정하였다 연료 . 는 HCNG30(CNG 70 vol.%, H
230 vol.%) 을 사용 하였고 비교를 위해 CNG 연료에 대해서도 동일 한 실험을 진행하였다 실험에 사용된 연료의 특 . 성을 정리하여 Table 3 에 나타내었다 공기과잉률 . 은 1.3 부터 0.1 씩 증가시켜가며 최대 효율이후 효 율이 다시 감소하는 공연비 조건까지 실험하였 다 점화시기는 . 2 CAD (Crank angle degree) 간격 으로 진각 또는 지각시키며 최대 효율을 나타내 는 점화시기를 찾았으며 각 운전조건에 대하여 , 엔진은 충분히 예열된 상태에서 실험을 진행하였 다.
노킹 발생의 판별을 위해 본 연구에서는 연소 실 압력의 최대 변화율을 기준으로 하였다 연소 . 해석기를 통해 연소실 압력 선도를 관찰할 때 연 소실 압력이 고주파 특성을 나타내며 불규칙하게 흔들리는 조건에서 소음이 동반되는 현상이 빈번 하게 나타났다 이때 연소실 압력의 최대 변화율 . 은 500 kPa/CAD 이상으로 관찰되었다 따라서 위 . 와 같은 현상이 나타날 때 노킹이 일어나는 것으 로 판정할 수 있으며 정량적인 기준으로는 연소 , 실 압력의 최대 변화율을 동시에 관찰하여 500 이상 값을 갖는 조건으로 하였다 상기
kPa/CAD .
와 같은 기준은 일반적인 차량 제작사에서도 운 전을 피하는 이상연소 조건에서의 기준과 유사한 값이다.
실험 결과 및 토의 3.
엔진 성능 3.1
는 각각의 연료 및 압축비 조건에서 공기 Fig. 2
과잉률의 변화에 따른 열효율을 나타낸 것이다.
Test fuel CNG HCNG Specific gravity 0.6150 0.4514
Stoichiometric
air-to-fuel ratio 16.87 17.67 Lower heating
value (MJ/Nm
3) 39.36 30.56 H/C ratio 3.77 4.53 Weber index 13,348 11,976
Table 3 Properties of test fuels
Fig. 2 Thermal efficiency at spark timing of maximum efficiency with various excess air ratio for each fuel/CR
Fig. 4 Boost pressure at spark timing of maximum efficiency with various excess air ratio for each fuel/CR
최대 열효율을 나타내는 점화 시기에서 운전했을 때 열효율을 살펴보면 , 압축비가 11.5 인 경우 의 경우에 비해서 전체적으로 높은 열효율을 10.5
보이는 것을 알 수 있다 공기과잉률 . 1.6 에서 압 축비에 따른 영향을 살펴보면 , HCNG30 연료의 경우 고압축비 조건에서 기본 압축비인 10.5 대 비 열효율이 약 2.4% 향상되었다 기본 압축비 . 조건에서 CNG 연료를 사용한 경우에 비해서는 열효율이 약 5.2% 향상되는 효과를 얻을 수 있었 다 이는 이론적으로 압축비가 높을 때 팽창일의 . 증가에 의해서 열효율이 상승하기 때문인 것으로 판단된다.
은 공기과잉률의 변화에 따른 토크 결과 Fig. 3
를 각각의 연료와 압축비 조건에 대해서 나타낸 것이다 . Fig. 3 에 나타난 것과 같이 공기과잉률 이상에서는 모든 조건에서 토크가 제원 토크 1.7
Fig. 3 Torque at spark timing of maximum efficiency with various excess air ratio for each fuel/CR
Fig. 5 Exhaust gas temperature at spark timing of maximum efficiency with various excess air ratio for each fuel/CR
보다 부족한 경향을 보였으며 이는 엔진의 과급 , 압력과 밀접한 관련이 있다 . Fig. 4 는 Fig. 2 및 과 동일한 조건에서 공기과잉률의 증가에 Fig. 3
따라 과급압력을 나타낸 결과이다 공기과잉률이 . 증가함에 따라 요구되는 공기의 양이 증가하기 때문에 비례적으로 과급 압력이 높아져야 하지 만 공기과잉률 , 1.7 이상의 혼합기 조건에서는 충 분한 과급 압력이 나오지 않는 것을 볼 수 있다.
고압축비 조건에서 CNG 연료의 경우 다른 조건
에 비해 과급압력의 감소가 크지 않지만, Fig. 3
에 나타난 것과 같이 제원상의 토크를 만족하기
에는 부족함을 알 수 있다 이는 열효율이 개선 .
됨에 따라 배기가스의 온도가 낮아지고 소모되는
연료의 양도 줄어들어 배기가스 유량도 감소하기
때문이다 압축비 증가에 따른 열효율 증가는 상 .
대적으로 작은 연료량으로도 설정한 운전조건에
해당하는 출력을 달성할 수 있음을 나타낸다 또 .
Fig. 6 Maximum derivative of in-cylinder pressure in relation to spark advance for excess air ratio with HCNG30 and CR 10.5
한 연료의 에너지가 배기온도의 상승에 기여하 , 는 비율이 감소됨을 의미한다 . Fig. 5 에 나타낸 것과 같이 배기가스의 온도 변화를 살펴보면 혼 합기가 희박해질수록 배기가스 온도는 낮아지는 경향을 보이고 있다 압축비를 . 11.5 로 변경함으로 써 기본 압축비인 10.5 대비 배기가스 온도가 약 정도 감소하였다 압축비가 증가됨에 따라
25 ℃ .
열효율이 향상되고 배기가스 온도가 감소되어 터 보차저의 터빈 회전에 이용되는 배기가스 에너지 가 감소하게 된다 그 결과 . Fig. 4 에 나타난 것과 같이 과급 압력이 감소되는 결과를 보였으며 이 , 와 같이 낮은 과급 압력은 출력 저하를 초래하였 다.
각각의 압축비 조건에 대해서 운전성능을 살펴 보면 상대적으로 높은 압축비 조건인 , 11.5 의 압 축비 조건에서는 공기과잉률이 1.6 인 조건에서 최대 효율을 나타낸다 그러나 이보다 희박한 혼 . 합기 조건에서 제원상의 토크를 만족하지 못한 다 따라서 최대 효율을 나타내는 공기과잉률 . 1.6 조건에서 운전되더라도 제원 토크 만족에는 문제 가 없다 그러나 . 10.5 의 압축비 조건에서는 보다 희박한 혼합기 조건인 공기과잉률 1.7 에서 최대 효율을 나타낸다 따라서 이 조건에서는 제원상 . 의 토크의 만족이 어렵기 때문에 최대 효율을 나 타내는 조건에서의 운전은 어려울 것으로 판단된 다.
노킹 특성 3.2
과 은 각각의 압축비에 대해서 점화시기 Fig. 6 7
Fig. 7 Maximum derivative of in-cylinder pressure in relation to spark advance for excess air ratio with HCNG30 and CR 11.5
와 공기과잉률의 변화에 따른 연소실 압력의 최 대 변화율 변화를 나타낸 것이다 점화시기를 진 . 각시킬수록 연소실 압력의 최대 변화율은 급상승 하는 공통된 경향을 보인다 또한 일정한 점화시 . 기 조건에서는 혼합기가 희박할수록 연소실 압력 의 최대 변화율이 낮은 것을 확인할 수 있다 노 . 킹 발생의 기준으로 설정한 500 kPa/CAD 에 도달 하는 점화시기를 공기과잉률 별로 비교해 보면 희박할수록 해당 점화시기가 진각되는 것을 볼 수 있다.
압축비가 10.5 인 경우 공기과잉률 1.6 조건까 지는 최대 압력 변화율의 기울기가 비슷한 경향 을 나타낸다 그러나 공기과잉률 . 1.7 이상의 희박 한 조건에서는 완만한 기울기를 보이며 노킹이 , 발생하지 않는 것을 볼 수 있다 압축비 . 11.5 의 경우 연소실 내의 일정한 점화시기 조건에서 압 력과 온도가 압축비 10.5 의 경우에 비해 높기 때 문에 연소 속도가 상대적으로 빠르다 그 결과 . 전체적으로 약간 지각된 점화시기에서 노킹이 발 생하고 압축비 , 10.5 의 경우보다 최대 변화율의 기울기가 크게 나타남을 확인할 수 있다 압축비 . 의 경우는 공기과잉률 의 희박한 조건에서
11.5 1.7
도 기울기가 완만해지지 않고 노킹에 해당하는 최대 압력변화율 값에 도달하는 것을 볼 수 있 다.
은 압축비 인 조건에서 각 공기과잉 Fig. 8 10.5
률 별로 점화시기의 진각에 따른 열효율 변화를
나타낸 것이다 일정한 공기과잉률 조건에서 점 .
화시기를 진각하면 열효율이 증가하다가 최대 효
Fig. 8 Thermal efficiency in relation to spark advance for excess air ratio with HCNG30 and CR 10.5
Fig. 10 Spark timings of knock and maximum efficiency in relation to excess air ratio with HCNG30 and CR 10.5
율을 나타낸 뒤 다시 감소하는 경향을 보인다.
모든 공기과잉률 조건에서 노킹이 발생되는 점화 시기가 최고 효율을 나타내는 점화시기보다 지각 된 시기이다 따라서 최고의 효율을 나타내는 점 . 화시기를 MBT (Maximum advance for best torque) 점화시기로 간주할 수 있다 공기과잉률 . 1.7 이상 의 희박한 조건에서는 점화시기의 변화에 관계없 이 노킹이 발생하지 않았으며 이는 희박 연소에 , 의한 희석 효과가 크기 때문으로 판단된다.
는 압축비 인 경우 각각의 공기과잉 Fig. 9 11.5
률 조건에서 점화시기 진각에 따른 열효율을 나 타낸 것이다 압축비 . 10.5 조건의 Fig. 7 의 결과와 유사하게 일정한 공기과잉률 조건에서 점화시기 가 진각되면 열효율이 증가하다가 다시 감소하는
Fig. 9 Thermal efficiency in relation to spark advance for excess air ratio with HCNG30 and CR 11.5
Fig. 11 Spark timings of knock and maximum efficiency in relation to excess air ratio with HCNG30 and CR 11.5
경향을 보인다 노킹이 발생하는 점화시기 또한 . 최대 효율을 보이는 점화시기보다 지각된 시기인 것을 확인할 수 있다 그러나 압축비 . 11.5 인 경우 의 노킹 발생 점화시기는 압축비가 10.5 인 경우 에 비해서 지각된 시기로 MBT 점화시기에 보다 근접해 있는 것을 볼 수 있다 압축비가 . 10.5 인 경우는 1.7 의 공기과잉률 조건에서 노킹이 발생 하지 않았으나 , 11.5 의 압축비 조건에서는 약 4 정도 진각된 점화시기에서 노킹이 발생하는 CAD
것을 확인하였다 고압축비를 적용함으로써 연소 . 실내의 압력과 온도가 높아지게 되고 그 결과 , 노킹 발생의 가능성이 상대적으로 증가함을 의미 하는 결과로 볼 수 있다.
적절한 운전조건의 선정 및 검토를 위해 Fig.
과 에 각 압축비 조건에 대해 공기과잉률의 10 11
변화에 따른 노킹 발생 점화시기와 MBT 점화시 기를 비교하여 노킹 마진을 도시하였다 . MBT 점 화시기를 기준으로 노킹이 발생하기까지의 점화 시기 여유를 노킹 마진으로 정의할 수 있다 결 . 과를 살펴보면 압축비가 11.5 인 경우 10.5 인 경우 에 비해서 두 점화시기 간의 폭이 크게 감소하여 노킹 마진이 줄어드는 것을 볼 수 있다 압축비 . 인 조건에서는 최소 노킹 마진이 인
10.5 5.5 CAD
것에 반해 압축비 , 11.5 일 때는 0.4 CAD 로 매우 높은 노킹 가능성을 보였다 압축비 . 11.5 일 때는 공기과잉률 1.7 의 희박한 조건에서도 노킹 마진 이 4.1 CAD 정도에 불과하다 결론적으로 압축비 . 를 증가하더라도 각 공기과잉률에 대해서 최대 효율을 나타내는 점화시기에서의 운전은 가능하 지만 노킹 발생의 가능성이 커지게 된다 따라서 . 실제 차량 운전 시 연료 조성 및 , ECU 오작동과 같은 편차에 대해서 운전 안정성을 확보하기 위 해서는 MBT 점화시기 대비 최소 4 CAD 이상 지각된 점화시기에서의 운전이 적절할 것으로 판 단된다.
4. 결 론
본 연구는 엔진 효율 및 CO
2배출 저감 효과 를 극대화하기 위하여 HCNG 엔진에서 고압축비 적용에 따른 성능 및 노킹 특성을 파악하는데 목 적이 있다 공기과잉률 및 점화시기의 변경에 따 . 른 연소데이터를 확보하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
엔진에서 압축비를 에서 로
(1) HCNG 10.5 11.5
증가하여 팽창일 증가 효과를 통해 약 2.4% 정도 열효율을 향상시킬 수 있었다.
일정한 운전조건에서 고압축비의 적용은 열 (2)
효율의 상승 및 연료 소모량의 감소에 의해 배기 가스 온도를 감소시키는 효과가 있으며 그 결과 , 과급 압력 감소와 함께 출력 저하의 원인으로 작 용하였다.
노킹 특성의 경우 상대적으로 높은 압축비 (3)
조건에서 노킹이 발생하는 점화시기가 크게 지각 되어 노킹 마진이 감소하였다.
압축비를 증가하더라도 각 공기과잉률에 대 (4)
해서 최대 효율을 나타내는 점화시기에서의 운전 은 가능하다 그러나 노킹 발생의 가능성이 커지 .
기 때문에 , MBT 점화시기 대비 최소 4 CAD 이 상 지각된 점화시기에서의 운전이 적절할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 친환경자동차기술개발사업단의 대응 시내버스용 수소 천연가스 혼합연
“EURO-6 -
료 (HCNG) 엔진 개발 과제 일환으로 수행되었으 ” 며 이에 감사의 뜻을 표합니다 , .
참고문헌
