고순도 수소함량에 따른 HCNG 연소특성 및 배출가스 영향 평가
이종태*·임윤성*·김형준*·이성욱**·이장훈***·김종규†
The Effect on the Combustion and Emission Characteristics of HCNG Engine According to the High Purity Hydrogen Contents
Lee Jong-Tae, Lim Yun-Sung, Kim Hyung-Jun, Lee Seong-Wook, Lee Jang-Hoon and Kim Jong-Geu
Key Words: HCNG(수소혼합천연가스), Combustor constant volume(정적연소기), Chassis dynamometer(차대동력계) Abstract
This investigation decribes the effect of the combustion and emission characteristics of HCNG engine according to the high purity hydrogen contents. The HCNG fuel was made by the mixture with a high purity hydrogen (H2) and a natural gas.
The test vehicle was applied to the bi-fuel (Gasoline and CNG) system and this system was modified from the fuel supply and fuel tank. In addition, the three premixed HCNG fuels with mixed rate of 10, 20 and 30% of hydrogen were used to maintain the safety. In order to analyze the combustion characteristics of HCNG and CNG, the fuel was injected in the com- bustor with constant volume. The exhaust emission from light duty vehicle with bi-fuel system was analyzed by a chassis dynamometer and emission analyzer. From these results, the reduction rate of NOx emission increased in the HCNG fuel and emission amount of THC and CO shows a similar level with CNG fuel. This study can be utilized the basic data for the development of a new business plans related with HCNG engines.
1. 서 론
HCNG는 CNG가가지고있는연료특성의단점을보 완하고배출가스중 NOx를저감시킬 수있는 특성을
가진연료로알려져 있다. 외국사례에따르면 미국및 인도에서는이런 HCNG에대한실증테스트가완료되 어일부지역에서는상용화되고있는것으로조사되고 있다.
자동차배출가스규제는점차엄격해져서향후 2014
년도에도입예정인 EURO-6 규제부터 NOx 배출허용
기준이매우 강화되어현재의 천연가스 엔진의 경우
NOx 규제를만족시킬수없는것으로조사되고있으며
이를충족하기위해서는 NOx 저감(De_NOx) 촉매또는
NOx 저감엔진기술을적용하여야한다. 이런기술의적
용은차량의가격을상승시킬뿐만아니라 De_NOx 촉
매를장착하지 않을경우규제기준을만족하지못하는 결과를초래할수있을것이다. 연료부분에서는현재까
지조사된 EURO-6 규제대응기술로규제를만족하는
기술로는 HCNG로조사되고있다.
국내에서는 ECO-Star 사업을통해버스등대형엔진
의 HCNG 최적화엔진을개발중에있는것으로조사
되고있다. 대형엔진위주의엔진개발에서기존휘발유
승용차량의개조를통해 HCNG 적용성및배출가스의 (2012년 9월 13일접수~ 2012년 9월 16일심사완료, 2012년 9월
19일게재확정)
*국립환경과학원교통환경연구소
**국민대학교자동차공학과
***호서대학교환경공학과
†책임저자, 회원, 김종규(가천대학교글로벌헬스케어경영학과) E-mail : [email protected]
TEL : (032)820-4225 FAX : (032)820-4220
환경성평가를목적으로이번연구를실시하였다.
이번연구에사용된연료는고순도수소(H2, hydrogen)
와천연가스를 혼합하여사용하였다. 아직까지보편화 된연료가아니므로고순도의 가스를사용하여연료를 제조하였다. 또한연료의안정성을고려하여미리혼합 한연료를 구매하여사용하였으며, 수소혼합비율에따 라나타날수있는영향을확인하기위해정적화연소를 통한기초연소시험을실시하였다.
2. 시험방법
2.1 시험용 가스(고순도 수소혼합연료)
이번연구에사용된 HCNG는특수가스제조전문업체
를지정하여사전혼합(premix)을한이후 43L 가스용기 에담아시험용 연료로사용하였다. 일반천연가스보다 고순도의메탄과수소를사용하였기때문에불활성가스 인 CO2, N2등의가스는혼합되지않았다. 또한촉매에 영향을미치는황(sulfur)은검출되지않았으며기타, 다 른기체가혼합되어있지않은고순도의가스를사용하 였다. 단가스의순도및사전혼합등을실시하여기존
CNG보다는가격이높았다.
이번실험에서는 43L 봄베에 채워진가스를 병렬로
연결하여차량에직접주입하였다.
2.2 HCNG 시험용 차량
시험용차량은휘발유/CNG를사용할수있는 bi-fuel
차량을이용하였다. 기본적으로차량이휘발유를사용
할수있는차량이기에 CNG를사용할수있도록차량
을일부개조하였다.
우선차량은가스연료를공급할수있게 CNG 탱크를
저장할수있는 200 bar 충전압력탱크를설치하였으며,
엔진에연료가공급될수있도록가스인젝터를 교체 하였다. 차량은 CNG를안전하게사용할수있도록한 국가스안전공사에서안전검사를통하여사용하였다.
2.2 정적화연소
정적연소기는실제기관과유사한조건으로보어 86
mm, 폭 39 mm로제작하였다. 정적연소기주변장치로
흡·배기‚ 밸브, 압력센서, 점화를위한스파크플러그 를중앙에장착하였다. 또한연소가시화를위하여정적
연소기앞면에직경 120 mm, 두께 25 mm의강화유리
를통하여주변에설치된초고속카메라를이용해화염 의확산형상을촬영하였다. 연료와공기의균일한혼합 을위해스월모터를사용하였으며, 연소후잔류가스
FIg. 1 Overview HCNG supply system in test
Fig. 2 Schematic diagram of constant volume combustor Table 1 Constant volume combustor specification
Items Specification
Bore×Width 86 mm×39 mm
Displacement 228 cm2
Ambient Pressure 0.8MPa
Ambient Temperature 298K
Swirl Motor 500 rpm
Ignition Position The center of CVC H2 Concentration 0, 10, 20, 30 vol%
Equivalence ratio 0.6, 0.7, 0.8, 1.0, 1.2
는진공펌프와 감압탱크를이용하여제거하였다. 연소
실온도는일정하게유지하였으며사용된연료는 CNG 100%, HCNG 10, 20, 30 vol.%이다. 당량비는연소실 내의분위기압에대한각각의연료와공기의분압비를 이용하여조절하였다. 연소된화염은초고속카메라를
이용하여 4000 fps로촬영하였다. 또한피에조식압력센
서를이용하여압력변화를측정한뒤열발생률을계산 하여 연소 특성을 해석하였다. 연소압력 데이터는
DAQ(Data Acquisition: DAQ Card-6024E)를 사용하여 수집하였고 Labview를사용하여점화시기, 촬영시기등
의모든신호를제어하였다. 연소가종료된후연소생
성물 분석을 위해서 HORIBA(MEXA-554 JKNOX)를
사용하였다.
2.3 자동차 배출가스 시험
차대동력계는자동차가실제도로를주행할때정지,
가속, 정속, 감속등을반복하는과정을대표화한 실측
주행모드를사용하여 모사주행할수있도록자동차에 부하를걸어주는장치로, 관성중량(Inertia weight), 동력 흡수계(Power absorption unit), 제어기(Controller)로구
성되어있으며. 측정장치는차대동력계, 보조운전장치,
시료채취장치, 희석터널, 입자상물질측정장치및배출 가스분석기등으로구성되어있다.
배출가스측정은시험자동차가차대동력계의롤러위 에서각모드별로주행할때배기관으로부터배출되는가 스를정용량시료채취장치(CVS:Constant volume sampler)
에서일정량의공기로희석한후, 시료채취백에채취하
여 배출가스 분석기로 분석하였다. 운전보조 장치
(Driver aid)는운전자가자동차로도로에서주행하는상
태로운전할수있도록화면에운행상태를표시해주 는장치이다. 또한시료채취장치(Constant volume sampler)
는자동차배출가스를공기와희석하여채취할수있는 장치이며희석터널은고온에의한입자상물질의변화를 배제시키고대기조건으로제어하기위해시료채취온도 가항상 52oC 이내로유지되도록외부공기와배기가스 를희석시키는기능을한다.
샤시다이나모를이용한배출가스시험의차량시험모 드는전형적인시험모드를탈피하여정속시험모드를실 시하였다. 그 이유는 차량의 ECU(electronic control
unit)등이최적화되지않아규제시험모드나배출계수시
험시사용하는차속시험모드(NIER모드)를사용하지않 고저, 중, 고속때인 30, 60, 90 km/hr의속도로정속주 행을하며발생되는배출가스의영향을평가하였다.
3. 결 과
3.1 정적화연소 결과
당량비및수소혼합비율에따른정적화연소의특성 을살펴보았다. Fig. 4~5은정적연소기실험에서의연소
특성을나타낸다. Fig. 4는당량비가 0.7, 0.8일때결과이 다. 이때결과는 수소의혼합비율에 따른연소특성을 정확하게보여주는결과로사료된다. 즉수소첨가량이
증가할수록(HCNG 30%) 연소가먼저일어나며전파속 도가빠른것을알수있다.
Fig 5는연소의화염의특성을나타내는그림으로당
량비가증가할수록불꽃의온도가다른당량비보다높 게형성이되는푸른색을띄며수소30%에서는최초화 염생성이나 화염전파 속도가수소를혼합하였을 때 더빠르게나타나는것을확인하였다. 또한최대광도 를보았을때수소를혼합함에따라더밝은빛을내는 것을확인할수있었다.
Fig. 3 Schematic diagram for vehicle emission test Table 2 Specification of chassis dynamometer and analyzer
Items Specification
Model AN40800(Horiba)
Maximum inertia Weight 5,443 kg Base inertia Weight 1,.614 kg Maximum roll Speed 200 km/hr Emission Analyzer Model MEXA-7200 Emission Analyzer System CO/CO2 : NDIR
THC : FID NOx : CLD
3.2 배출가스 결과
2.3절에서도설명한것과같이배출가스의시험모드 는정속시험모드르 사용하였으며, 이때발생되는규제
물질(CO, MNHC, NOx) 등에대한발생특성을조사하
였다.
소형승용자동차의배출가스 시험결과 CNG 100%와
HCNG의연료를비교해보면 NOx의배출량은수소의
함량이증가할수록저감하는것으로조사되었다.
차량의속도증가에따라발생되는배출가스의특성
은 NMHC는감소하였으며, NOx는증가하는것을확인
할수있었다. 소형승용자동차의배출가스시험결과는
차량의속도와혼합비율에따라결과를분석할수있었 다. 우선배출되는오염물질은 발생량에따라 NOx >
NMHC>CO 순으로그발생량의크기가나타났다.
차량의속도에따른결과에서는차량의속도가 증가
함에따라 NOx의발생량은증가하였으며 NMHC 및
CO의발생량은 감소하는것으로 나타났다. 이결과는
CNG 및 HCNG에서모두동일하게나타났으며최고속
도인 90 km/h에서 NOx의발생량이가장큰것으로조
사되었다.
온실가스인 CO2의경우차속이경제속도인 60 km/h
인경우에함량별배출농도에서는가장낮게배출되는
경향을보였다. HCNG를사용할경우 CNG연료보다배
출농도가낮았다. HCNG함량비율에따른비교에서는
수소함량비율이증가됨에따라 CO2가소량감소하는효 과가있는것으로조사되었다. 따라서수소가일정부분
혼합되었을경우발생되는 CO2의결과값은저감되는 것을알수있었다.
배출시험결과속도에따른경향성을확인할수있었 던 NOx와 CO2에대한 저감량평가에서는 차속을 30 km/h로주행시 NOx의경우 HCNG10% 사용한연료에 서 CNG에비해약24% 저감되었으며, HCNG20%를사 용하였을경우약49% 저감되었으며, HCNG30%를사
용하였을경우 약58% 저감되었다. 온실가스인 CO2의
경우 HCNG10% 사용한연료에서 CNG에비해약11%
저감되었으며, HCNG20%를사용하였을 경우 약14%
저감되었으며, HCNG30%를사용하였을 경우 약16%
저감되었다. 따라서 30 km/h의주행구간에서 HCNG를 사용하였을경우 NOx 및 CO2는수소함량이증가됨에 Fig. 4 Equivalence ratio 0.7, 0.8 CVC result
Fig. 5 Equivalence ratio 1.0, 1.2 CVC result
Fig. 6 Result of CO, NOx, MNHC by light duty passen- ger car
Fig. 7 Result of CO2 by light duty passenger car
따라저감되는 경향을보였으며이것은수소의물리화 학적특성과메탄이주성분이 CNG를수소가일정부분 혼합됨에따라탄소함량이낮은연료의사용으로 나타 난결과로사료된다.
차속을 60 km/h로주행시 NOx의경우 HCNG10% 사
용한 연료에서 CNG에 비해 약 98% 저감되었으며,
HCNG20%를사용하였을경우 약 23% 저감되었으며,
HCNG30%를사용하였을경우는오히려약 8% 증가하
였다. 온실가스인 CO2의경우 HCNG10% 사용한 연료 에서 CNG에비해약 1.2% 저감되었으며, HCNG20%를
사용하였을경우약 2.6% 저감되었으며, HCNG30%를 사용하였을경우도약 2.6% 저감되었다. 따라서 60 km/
h의주행구간에서 HCNG를사용하였을경우수소함량
에따른 NOx 발생경향성은확인하기어려웠으나 CO2
는수소함량이증가됨에따라저감되는경향을보였다.
차속을 90 km/h로주행시 NOx의경우 HCNG10% 사 용한 연료에서 CNG에 비해 약48% 저감되었으며,
HCNG20%는약 43%, HCNG30%를사용하였을경우
약26% 저감되는것으로조사되었다. 온실가스인 CO2
의경우 HCNG10% 사용한연료에서 CNG에비해약
1% 저감되었으며, HCNG20%를사용하였을 경우 약
12%, HCNG30%를사용하였을경우약13% 저감되었다.
따라서 90 km/h의주행구간에서 HCNG를사용하였을
경우 CO2는 60 km/h와같게함량이증가됨에따라저 감되는경향을보였다.
이번실험에서 사용한 시험모드 중 최고속도인 90 km/h에서는수소함량이증가함에따라 CO2의저감량은
증가하였으며 NOx는수소함량이낮은 10%에서저감비
율이가장높게나타났다. HCNG 연구를통해얻은결
과는 HCNG를사용할경우 CO2는 CNG보다낮은것으
로조사되었으며 NOx의경향은 CO2의경향성보다낮
았으나, NOx도저감되는것으로조사되었다.
4. 결 론
HCNG는미래의궁극적에너지인 수소를활용함에
있어중간단계역할로사료되어진다. 더많은연구가
필요하지만 1차적인환경성평가를검토한이번연구결
과 HCNG는 CNG보다오염물질이낮게배출되는경향
을보였기에환경적으로 CNG를대체하는가능성있는
연료로생각된다.
문헌조사에따르면천연가스와수소를혼합하는이유
는첫째, H/C 비율이높은천연가스를개질하여수소를
생산하기가유리하고, 둘째, 천연가스와수소의혼합이 쉬울뿐만아니라천연가스충전인프라를최대한활용 할수있으며, 셋째, 수소의빠른화염속도와넓은가연 범위가천연가스가 가지고있는한계를훨씬더넓혀 후처리장치없이 EURO-6의 NOx 허용기준치를만족시 킬수있기때문인것으로조사되었으며 이번연구를 통해온실가스저감의시험결과를얻게되었다.
온실가스인 CO2의저감은 소형승용차의경우 평균
8%, 중형트럭의경우평균 17%의저감효과를보였으 며 NOx는 소형승용차의 경우 41% 중형트럭의 경우 44% 수준으로저감되는것을알수있었다. 미량유해물 질의결과는발생되는 함량자체가낮아서경향성을 파
악하기는쉽지않았으나, CNG만을사용하는 연료보다
는 HCNG를사용할경우그발생량은저감되는것으로
조사되었다.
향후 EURO-6 및 US2010 배기규제및온실가스규제 에대한적용기술로후처리장치이외에 HCNG 역시충
분한가능성있는연료로사료되어진다. 또한국내에서
사용하고 있는 CNG충전소를 활용하여 On-site 또는
Off-site 수소공급기술개발등충전인프라기반을구축
하면충분히적용가능한기술로생각되어진다.
참고문헌
(1) Changgi Kim and Sunyoup Lee, “Technical Trends of Hydrogen-Blended Natural Gas Engine”, The Korea Society of Automotive Engineers, ISSN 1739-4791.
(2) Don Karner and James Francfort, “Hydrogen/CNG Blended Fuels Performance Testing in a Ford F-150”, U.S. Department of Energy, INEEL/EXL-03-01313.
(3) Don Karner and James Francfort, “Dodge Ram Wagon Van-Hydrogen/CNG Operations Summary” U.S. Depart- Fig. 8 Reduction rate of Emissions by Velocity
ment of Energy, INEEL/EXL-03-00006.
(4) Don Karner and James Francfort, “HIGH - PERCENT- AGE HYDROGEN/CNG BLEND FORD F-150 OPER- ATING SUMMARY”, U.S. Department of Energy, INEEL/EXL-03-00007.
(5) Don Karner and James Francfort, “LOW-PERCENT- AGE HYDROGEN/CNG BLEND FORD F-150 OPER- ATING SUMMARY”, U.S. Department of Energy, INEEL/EXL-03-00008.
(6) A. Del Toro, M. Frailey, F. Lynch, S. Munshi and S.
Wayne, “Development and Compressed Natural Gas (H/CNG) Blend Transit Buses NREL/TP-540-38707.
(7) Fernando Ortenzi, Maria Chiesa, Riccardo Scarcelli, Giovani pede “Experimental tests of blends of hydro- gen and natural gas in light-duty vehicles”, Interna- tional Journal of hydrogen energ, 33(2008) 3225~3229.
(8) A. unich, B. Morrone, A. Mariani and M. V. Prati “The Impact of Natural Gas-Hydrogen Blends on Internal Combustion Engines Performance and Emissions”, SAE International 2009-24-0102.
(9) Giovanni pede, Ennio Rossi, maria Chiesa, Fernando Ortenzi, “Test of blends of hydrogen and natural gas on a light duty vehicle”, SAE 2007-01-2045, JSAE 20077239.
