A Study on Vehicle Application and Performance of LNG-Diesel Dual Fuel Engine

LNG-디젤 혼소엔진의 성능 및 실차 적용성 연구

이석환

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A Study on Vehicle Application and Performance of LNG-Diesel Dual Fuel Engine

Seokhwan Lee, Hongsuk Kim, Gyubaek Cho, Suncheol Hong and Jinwook Lee

Key Words: Dual fuel( 혼소 ), MPI injection( 다중분사방식 ), Fuel economy( 연료경제성 ), Substitution ratio( 대체율 ), Driveability( ^운전성 )

Abstract

The electronically controlled diesel engine was converted to dual fuel engine system. Test engine was set up for investi- gating the power output, thermal efficiency and emissions. ND 13-mode tests were employed for the engine test cycle. The emission result of dual fuel mode meets Euro-4 (K2006) regulation and the engine performance of dual fuel engine was com- parable to the performance of diesel engine. To estimate economical efficiency, test vehicles have been operated on a certain driving route repeatedly. Fuel economy, maximum driving distance per refueling and driveability were examined on the road including free ways. Developed vehicle can be operated over 500 km with dual fuel mode and shows 80% of diesel sub- stitution ratio. Driveability of dual fuel mode is similar with that of diesel mode.

1. 서 론

자동차 연료로서의 천연가스는 풍부한 매장량 및 청 정성으로 경제성과 저공해성을 모두 갖춘 연료이며 , 특 히 고옥탄가와 넓은 연소한계 그리고 낮은 미연탄화수 소 배출특성 , ^{지구 온난화 물질인 이산화탄소 배출 저감}

등의 특성을 가지고 있다 . 또한 , 디젤엔진과 가솔린엔진 모두에 적용이 가능한 우수한 연소 및 배출특성을 가지 므로 세계적으로 강화되는 자동차 배출가스규제에 능동 적으로 대처 할 수 있는 가장 현실적인 대체연료라 할 수 있다

.

2000 ^{년대 들어서면서 선진국에서는 자동차 배출가스}

규제를 점차 강화하고 있는 추세이며 , 국내에서는 수도 권대기환경개선에 관한 특별법이 제정되면서 국내 배출 가스 규제는 더욱더 엄격해지고 있다 . 이에 따라 저공해 자동차에 대한 욕구 증대와 대기오염의 증가 , 그리고 수 송에너지의 다원화 정책으로 천연가스자동차의 수요가 최근 더욱 높아지고 있다 . 따라서 현재 국내에서 운행 중인 경유자동차에 대해서 매연저감장치의 장착 또는 저공해 자동차로의 개조를 요구하고 있다 . 대형 경유자 동차의 저공해 자동차로의 전환방법 중 대표적인 것이 천연가스자동차이다 . 경유자동차를 천연가스자동차로 개조하기 위한 방법으로는 전소방식과 혼소방식으로 나 눌 수 있다 . ^{전소방식의 경우} , ^{해당 엔진에 대한 개조 범}

위가 매우 넓기 때문에 , 대형 경유자동차의 저공해 자동 차로의 개조는 혼소엔진 시스템을 적용하는 것이 현실

적이다

. ^{혼소엔진 시스템의 경우 디젤엔진의 모든 시}

스템을 유지한 상태에서 천연가스 시스템만을 추가함으 로써 개조범위가 좁다 . 또한 천연가스가 소진되었을 때 경유만을 이용하여 운행이 가능하므로 충전시설의 열악 (2011

6

1

~ 2011

6

16

, 2011

6

22

)

*한국기계연구원

**이룸지엔지

†교신저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (02)820-0929 FAX : (02)820-0668

한 환경을 극복할 수 있다 . ^{장거리 운행을 주로 하는 대}

형경유자동차의 경우 운행거리를 고려했을 때 CNG 보 다는 LNG 를 적용하는 것이 바람직하다

.

본 연구에 앞서 , ^{기존 전자제어식 디젤엔진을 기본으}

로 하여 dual-fuel 연료제어시스템을 구성하고 엔진구동

을 위한 인젝터 드라이버 , ECU 등의 하드웨어를 제작

하였으며 이를 구동하기 위한 알고리즘 및 소프트웨어 를 개발하였다

. 이를 바탕으로 해서 본 연구에서는

LNG- 디젤 혼소엔진의 실제 차량 주행성능과 ND-13 모 드에서의 배기성능 특성을 살펴보았다 .

2. 실험장치 및 구성

2.1 대상엔진

본 실험에서는 베이스 디젤 엔진으로 국내 H 사에서

개발한 13L ^급 POWERTEC ^{디젤엔진을 사용하였다} . ^이

엔진은 터보차져가 부착된 대형엔진으로 전자적으로 시

스템이 제어되며 Euro-3 배기규제를 만족하는 엔진이다 .

전자제어식 유닛인젝터 (EUI) 시스템을 장착하고 있으 므로 엔진회전수와 상관없이 디젤 분사량과 분사시기를 전자적으로 제어할 수 있다

. 엔진의 주요 제원은

Table 1 과 같다 .

13L ^{급 대형엔진의 구동을 위해 엔진의 크랭크축에}

600 마력급 엔진 동력계 (Dynamometer) 를 연결하여 엔진

회전속도와 부하를 임의적으로 제어 하였다 . 디젤유 및 천연가스의 분사시기와 분사량은 엔진 구동 조건에 따라 서 자체 개발한 ECU 를 사용하여 제어하였으며 , 연료 조 성 변화에 따른 엔진의 공연비를 측정하기 위하여 광역 산소센서 (Wide band O

sensor) ^{를 배기 매니폴드에 장착}

하였다 . 질소산화물 (NOx), 미연탄화수소 (THC), 일산화탄

소 (CO) 는 배출가스 분석장치 (HORIBA MEXA7100-

DEGR) 를 사용하여 분석하였으며 , 디젤 입자상물질

(PM) ^{은 여지에 샘플링 된} PM ^{의 무게를 직접 측정하는}

Microtrol 방식의 장비 (Nova Nicrotrol 5), 검댕의 경우는

광투과 방식인 Opacimeter(AVL) 를 사용하여 측정하였

다 . 디젤 연료의 대체율은 디젤연료통과 LNG 연료통의 무게 변화를 저울을 사용하여 측정한 뒤 계산하였다 . ^실

험은 대형 디젤 엔진의 배기인증을 위하여 규정된 모드

인 ND-13 모드에서 정해진 엔진회전수와 부하 조건에

서 수행되었다 . ^{본 연구에서 사용된 디젤} -LNG ^혼소엔

진을 Fig. 1 에 나타내었다 .

2.2 혼소엔진 개조

대형디젤엔진을 혼소엔진으로 개조한 시스템을 Fig.

2 에 나타내었다 . 천연가스는 LNG 저장용기에서 공급되 는데 대형트럭에서는 단위체적당 연료저장량을 고려하

면 LNG 상태의 연료를 사용하는 것이 적합하다 . 연료

구성 장치는 연료공급 포트 , 천연가스 인젝터 , 인젝터

Table 1 Base diesel engine specifications

Specifications Resources

Displacement 12,340 cc

Max. Power 440 ps@1800 rpm

Max. Torque 206 kgf-m@1200 rpm

Bore × Stroke 130 × 155 mm

Compression ratio 17:1

Fig. 1 LNG-diesel dual fuel engine

Fig. 2 Schematic diagram of LNG-diesel dual fuel engine

system

블록 , ^{연료 이송라인} , ^{고압 레귤레이터} , ^{센서 등으로 구}

성되며 실차 탑재를 고려하여 주변 장치와의 간섭 없도 록 하였으며 디젤연료시스템의 변경 없이 독립적으로 장착되도록 하였다 . ^{천연가스 인젝터 및 인젝터 블록은}

어셈블러로 구성되어 6 개의 인젝터가 직렬로 고정브라 켓에 장착되며 고정브라켓은 엔진 측면에 천연가스 공 급레일과 함께 장착되도록 하였다 .

천연가스는 레귤레이터를 통해 약 8 bar 로 감압되어 연 료레일에 공급되어 각 인젝터로 천연가스를 공급하게 된 다 . 탱크로부터 연료를 공급받는 레일에는 연료온도센서 와 연료압력센서를 장착하여 연료의 온도 및 압력에 따 른 밀도 변화를 감지 할 수 있도록 하였다 . 천연가스공급 포트는 엔진의 흡입매니폴드 형상을 고려하여 천연가스 인젝터와 별개의 분사노즐을 설계·제작하여 흡입 매니 폴드내에 각 실린더별로 장착하였으며 가스분사노즐은

8.2 bar 의 연료압력 , 듀티 100% 조건에서 천연가스 인젝터

가 분사하는 연료량을 간섭 없이 분사될 수 있도록 노즐 을 설계하였다 . 각 연료포트와 인젝터간의 연료 이동거 리를 동일하게 하여 실린더별 연료 공급 시간 편차를 제 거하였고 연료 이송거리를 최소화 하도록 하였다 .

디젤 분사시기의 경우 엔진회전수 및 부하조건에 따

라서 변하는데 , 아이들의 경우 BTDC 10 deg 이며 , 부하

조건의 경우 BTDC 22-27 deg 사이의 영역에서 디젤의

분사시기가 정해진다 . ^{혼소엔진의 경우 디젤 분사는 단}

지 예혼합된 천연가스를 연소시키기 위한 Igniter 로 작 용하기 때문에 다단분사의 개념은 본 연구에서는 적용 하지 않았다 .

3. 실험결과

3.1 엔진 동력성능 및 배기성능

특정한 운전 조건에서 엔진 성능 , 배출가스 배출특성 ,

열효율 등을 파악하기 위하여 엔진 벤치 시험을 수행하 였다 . 엔진시험은 4 가지 엔진회전수 (idle, 1280, 1495, 1795 rpm) 와 4 가지 엔진부하 (24, 50, 75, 100%) 의 조건

을 가지는 ND-13 ^{모드에서 중점적으로 수행되었다} . ^먼

저 디젤 모드에서 엔진 시험이 수행되었고 이 결과를 혼소모드에서 수행된 결과값과 비교하였다 . THC, NOx, CO ^{등의 배출가스 및 배출가스 온도} , ^{흡입공기량} , ^연료

소모율 , 토크값 , 공연비 , 디젤 분사시기 및 분사량 , 천연 가스 분사시기 및 분사량 등을 측정하였다 . 저부하에서

THC ^{가 다량 배출되므로 산화촉매를 설치하여 배출량을}

저감하고자 하였다 . ^{혼소엔진에서는 디젤 연료를 대체}

하여 천연가스를 공급하게 되는데 ND-13 모드에서 각 영역의 엔진회전수 , 부하에 따라서 동력성능과 배기성 능에 최적화된 대체율을 사용하게 된다 . ^{대체율이 높을}

수록 천연가스를 많이 사용하므로 연료경제성 및 매연 저감에 도움이 되지만 대체율이 너무 높은 경우에는 엔

진에서 노킹이 발생하는 문제점이 생긴다 . Table 2 ^에서

는 ND-13 모드의 각 영역에서의 최적대체율을 나타내

고 있는데 전체영역에서의 평균 대체율은 87% 에 이르 고 있다 .

Fig. 3 ^{은 전부하 조건에서 디젤모드와 혼소모드 운전}

Table 2 Substitution ratio of each ND-13 stage

ND-13 mode Substitution ratio (%)

1 0

2 88

3 85

4 90

5 86

6 88

7 82

8 91

9 80

10 87

11 95

12 83

13 86

Ave. 87

Fig. 3 Results of engine performance

시 출력과 토크값을 비교한 것이다 . 혼소모드로 운전할 때 엔진 제원표 대비 토크 및 출력특성을 5% ^{이내로 적}

합화하는 목표로 엔진 매핑을 하였다 . 내구성을 고려하 여 배출가스 온도를 디젤엔진 대비 동등 이하로 관리하 였으며 기통별 천연가스 분배특성을 고려하여 시스템을 구성하였다 . 그 결과 기존 디젤대비 1% 이내로 적합화 하였으며 출력이 약간 상승하는 결과를 보였다 .

Table 3 ^{에서는 디젤엔진과 디젤} - ^{천연가스 혼소엔진으}

로 엔진 구동시 최대 출력 및 토크의 값을 나타내었다 .

Fig. 4 은 여러 엔진회전수 , 부하조건에서의 디젤엔진

과 혼소엔진의 열효율을 비교한 것이다 . 고부하조건에 서는 디젤모드와 혼소모드에서 열효율이 큰 차이가 없 지만 저부하조건에서는 혼소모드에서의 열효율이 매우 낮다 . 이것은 저부하 조건에서는 연소온도가 낮으므로 혼소모드로 연소시 천연가스가 불완전연소 될 수 있으 며 밸브오버랩이나 과도한 가스 분사로 인한 연료손실 이 원인이 될 수 있다 . 즉 , 혼소엔진의 경우 부하 조건 에 따라서 열효율이 다른데 일반적으로 저부하 조건에 서는 혼소엔진의 열효율이 낮고 고부하 조건에서는 디 젤모드와 비슷하거나 약간 높은 특징이 있음을 알 수 있었다 . 혼소모드의 경우 열효율이 디젤모드보다 높기

위해서는 95% 이상의 높은 대체율 조건에서 엔진이 운

전되어야 하는데 본 연구에서는 평균 열효율이 87% 정 도이며 흡기계와 연료분사계의 최적화가 아직 완벽하지

않아서 고부하에서도 열효율이 디젤모드에 비해서 약간 낮았다 . 또한 저부하 조건의 경우 예혼합되는 천연가스 가 연소실로 들어오는 경우 연소실 전체의 공연비가 매 우 희박한 조건을 가지게 되므로 디젤 연료로 파일럿 분사를 하여도 연소가 잘 되지 않는 영역이 생길 수 있 다 . 이로 인하여 미연탄화수소 및 일산화탄소가 증가하 고 열효율도 디젤모드에 비하여 상당히 낮게 나타났다 .

따라서 향후 연소증진 및 분사시기 최적화를 통해 , 이에 대한 개선 및 실질적으로 사용가능한 대체율 범위내에 서 연료 경제성을 분석할 예정이다 .

이미 언급한대로 본 연구는 디젤 엔진을 혼소엔진으 로 개조한 후 , 동력성능 및 배출가스 성능을 비교하는 것이 가장 큰 목적이기에 우선 , 성능에 중점을 두어서 실험적 연구를 진행하였으며 향후에는 연소 데이터를 습득하여 이론적인 해석을 수행할 예정이다 . 이에 대한

사전 예측 및 참고를 위해 Fig. 5 에는 천연가스 유량에

따른 열발생율 특성을 참고문헌

로부터 인용하여 나타 내었다 .

디젤유 및 가스 ( 천연가스 , LPG) 를 연료로 사용하는

대형자동차의 배출가스 인증시험을 할 때 사용하는 자 동차의 엔진만을 엔진동력계에 설치하여 13 개의 정해진 엔진회전수와 부하 조건인 ND-13 모드에서 시험하게 된다 . 본 연구에 사용되는 베이스 엔진이 대형자동차용

Table 3 Engine performance results

Engine performance Diesel Dual-fuel Engine spec.

Max. Torque

(kg-m@1200 rpm) 195.3 197.1 206

Max. Power

(PS@1800 rpm) 424.2 426.8 440

Fig. 4 Comparison the thermal efficiency of diesel & dual- fuel engine

Fig. 5 Effects of charging air and natural gas on heat release

and cylinder pressure

으로 설계된 디젤 엔진이므로 ND-13 모드에서 배출가 스 시험을 수행하였다 . 현재 국내에서 적용되는 배출가

스 규제는 유럽의 Euro-5 ^{규제와 동일하다} . ^{하지만 본}

시험에 사용된 베이스 디젤 엔진은 Euro-3 규제를 만족

시키는 엔진으로써 혼소 엔진으로 개조한 엔진이 Euro- 4 ^{규제를 만족시킨다면 엔진개조로 인하여 친환경성을}

확보하였다고 할 수 있다 .

Table 4 에서는 현재의 배출가스 규제 바로 전단계 규

제인 Euro-4 ^와 ND-13 ^{모드 시험에서 디젤모드와 혼소}

모드 운전 시 배출되는 배출가스 , 입자상물질 및 검댕의 배출량을 나타내었으며 , 이 결과를 Fig. 6 에 그래프로 표현하여 비교해 보았다 . ^{본 연구에서는} NMHC (non- methane hydrocarbon) 와 CO 의 저감을 위하여 산화촉매 를 장착하였는데 NMHC 는 규제치의 50% 수준으로 규 제를 만족하였지만 디젤 대비 64% 증가하는 결과를 보 였다 . ^{천연가스와 디젤을 동시에 사용하는 혼소모드로}

연소 시 희박한 연소 환경으로 인하여 가스연료의 불완 전연소가 발생하는 등 연소효율의 저하가 NMHC 발생

의 주원인이다 . CO ^{는 산화촉매의 정화효율이} 99% ^{에 이}

를 정도로 매우 높아서 거의 배출이 되지 않았다 . 혼소 엔진은 디젤 파일럿 분사시기를 지각하여 NOx 를 저감 할 수 있다는 장점이 있는데 너무 지각하는 경우에는 출력의 감소가 있을 수 있다 . 본 연구에서는 출력을 디 젤대비 동등하게 유지하면서 천연가스 분사 및 디젤 파 일럿 분사시기 및 분사량을 최적화하여 디젤 대비 41%

에 이르는 NOx 저감율을 보여주었다 . 혼소모드로 엔진

을 구동하는 경우 디젤의 대체율이 높을수록 예혼합된 천연가스가 주연료로 작용하기 때문에 국부적으로 농후 한 영역이 줄어들게 된다 . ^{이로 인하여 디젤 입자상물질}

및 검댕의 발생량이 감소하게 되는데 본 실험에서도 디 젤 대비 입자상물질은 75%, 검댕은 61% 저감되었다 .

CO

^{의 경우는 현재 배출가스 규제 대상에 포함되어 있}

지는 않지만 지구온난화 문제와 연관되어 발생량을 줄 이고자 하는 기술들이 현재 큰 이슈이다 . 혼소모드로 운 전하는 경우 탄소대비 수소원자의 구성비가 높은 메탄 계열이 주연료이므로 디젤 연료를 사용하는 경우에 비

해서 CO

발생량이 14% 저감하는 효과가 있었다 .

따라서 노후화된 대형 차량의 기존 디젤엔진을 디젤 - LNG 혼소엔진으로 개조하여 한단계 위의 배출가스 규 제를 만족하므로 대기정화에 도움이 되며 , 천연가스 사 용에 따른 CO

저감 및 연료비 저감 효과가 매우 지대 함을 알 수 있었다 .

3.2 차량 동력 실험

혼소모드 운전시 LNG ^{일회 충전으로 주행가능거리} ,

연료경제성 , 주행성능 , 개조 엔진의 안정성 등을 측정하 기 위하여 실제 필드에서 차량 운전 시험을 실시하였다 .

모든 시험결과는 디젤 운전에서의 결과와 비교하였다 .

시험차량으로는 엔진동력계에 설치한 엔진과 동일한 엔진을 장착한 6×4 형 트레일러 차량을 선정하였다 . 430 l

용량의 HLNG 119 탱크를 장착하였으며 25 톤의 모래를

컨테이너에 적재하여 차량의 총 중량을 40 ^{톤으로 맞추}

었다 . Fig. 7 은 본 연구에서 사용된 시험차량을 나타내

고 있다 . 현재 국내에서는 평택 , 대전 , 포항의 3 군데에

LNG ^{충전소가 있다} . ^{본 연구를 수행하는 연구기관이}

대전에 위치하고 있으므로 충전 편의를 위하여 평택 - 대 전 - 통영 노선의 국도를 주행하면서 시험을 수행하였다 .

시험 차량은 매일 250 km ^{의 거리로 총} 30,000 km ^{를 주}

행하면서 내구 주행시험을 수행하였다 . 대전 대덕특구 단지 부근의 도로에서 차량 주행 성능 시험을 수행하였 는데 시험의 정확도를 위하여 세 번 이상 시험을 수행

Table 4 ND-13 mode emission test results

Diesel Dual-fuel Euro-4

(K2006)

HC (g/kWh) 0.14 0.23 0.46

CO (g/kWh) 0.66 0.01 1.50

NOx (g/kWh) 4.45 2.64 3.50

PM (g/kWh) 0.064 0.016 0.020

CO

(g/kWh) 309.7 267.6 -

Opacity (%) 8.0 3.1 10

Power (PS) 424.2 426.8 440.0

Fig. 6 Comparison of exhaust emissions from diesel and

dual fuel engine

하였다 . 디젤모드와 혼소모드 시 차량의 발진 , 추월 , 등

판 성능을 측정한 결과를 Table 5 에 나타내었는데 모든

성능 시험에서 혼소모드로 주행 시 디젤과 동등한 수준 의 성능을 보여주었다 . 엔진 서지 현상도 전혀 없었으며 디젤모드에서 혼소모드로 전환할 때에도 별다른 충격은 느껴지지 않았다 .

국내의 경우 발열량 대비 천연가스가 디젤유에 비해 서 가격이 저렴하므로 혼소모드로 주행 시 연료절감 효 과를 가질 수 있다 . 차량 시험 주행에서 혼소운전 모드 와 디젤운전 모드 시 연료경제성을 측정한 결과를 Table 6 에 나타내었는데 결과를 살펴보면 80% 의 대체율 조건

에서는 혼소 운전 시 디젤에 비해 약 38% 정도의 비용

절감이 가능한 것으로 계산되었다 .

4. 결 론

본 연구에서 13L 급 전자제어식 혼소 엔진 시스템이 가지는 경제성과 출력성능 , 배출가스 배출특성을 살펴 본 결과 , ^{다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다} .

1) 혼소모드에서의 열효율은 고부하 운전시 디젤엔진 과 비슷할 정도로 고효율을 보이지만 저부하 조건에서 는 열효율이 상당히 낮다 . ^{이것은 불완전 연소 및 밸브}

오버랩 그리고 과다한 가스 분사로 인한 연료손실 등에 기인한 것으로 판단된다 .

2) ND-13 ^{모드에서 배출가스 배출량 측정 실험을 수}

행한 결과 , 산화촉매를 장착한 혼소모드에서의 배출가 스 배출량은 디젤모드에서와 출력은 동일하게 유지하면

서 Euro-4 ^{규제를 만족함을 알 수 있었다} .

3) 특히 혼소모드 운전시 디젤모드에 비하여 입자상

물질은 75%, 검댕은 61% 저감되는 결과를 얻을 수 있

었다 .

4) ^{차량 주행 시험 결과} , ^{혼소모드로 운전하는 경우}

디젤모드와 비교하여 차량의 발진 , 가속 , 등판 성능이 거의 동일하였다 .

5) ^{천연가스가 디젤유에 비해서 발열량 대비 연료의 가}

격이 저렴하므로 혼소모드로 운전시 일반 디젤 모드 운 전에 비해 38% 의 비용 절감이 가능함을 알 수 있었다 .

후 기

본 연구는 한국기계연구원의 일반사업인 “ 미활용에 너지 청정 고밀도화 기계기술 기반구축 ” 사업의 연구비 지원으로 수행되었으며 , 이에 감사의 뜻을 표합니다 .

참고문헌

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Diesel Engines: Technology, performance, and Emis- sions”, SAE 940548, 1994.

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Fig. 7 POWERTEC 440ps test truck

Table 5 Driveability test results

Diesel Dual-fuel

Departure (0 → 400 m) 35.4s 34.2s

Passing (60 → 070 KPH) 6.9s 6.9s

Slope (10%, 0 → 400 m) 43.9s 45.1s

Tip in-out Good Good

Surge No No

Switching shock - No

Table 6 Fuel economy results

Diesel Dual-fuel

Fuel economy LNG - 2.82 km/Nm

Diesel 2.25 km/l 10.46 km/l

Sub. ratio(%) - 80

Fuel cost

( ￦ /100 km) 80,000

(Diesel: (1800/l) 49,194

(NG: 903/Nm

)

1999.

(3) Beck, J., Barkhimer, R., Johnson, W., Wong, H. and Gebert, K., “Evolution of Heavy Duty Natural Gas Engines-Stoichiometric, Carbureted and Spark Ignited to Lean Burn, Fuel Injected and Micro-Pilot”, SAE 972665, 1997.

(4) Gebert, K., Beck, N., Barkhimer, R. and Wong, H.,

“Strategies to improve Combustion and Emission Char- acteristics of Dual-Fuel Pilot Ignited Natural Gas Engines”, SAE 71712, 1997.

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