합성가스/디젤 혼소압축착화 엔진의 합성가스 혼합비와 압축비에 따른 연소 및 배출가스 특성
이준순
*
ㆍ정 탄*
ㆍ이용규*,**
ㆍ김창업**
ㆍ오승묵*,**,†
Syngas/Diesel Dual Fuel Combustion in a Compression Ignition Engine with Different Composition Ratios of Syngas and Compression Ratios
Junsun Lee, Chung Tahn, Yonggyu Lee, Changup Kim and Seungmook Oh
Key Words: Syngas(합성가스), Dual-fuel combustion(혼소), Compression ignition(압축착화), Compression ratio(압축비)
Abstract
Syngas is widely produced by incomplete combustion of coal, water vapor, and air (oxygen) in a high-temperature/high- pressure gasifier through a coal-gasification process for power generation. In this study, a simulation syngas which was mainly composed of H2, CO, CO2, and N2 was fueled with diesel. A modified single cylinder compression ignition (CI) engine is equipped with intake port syngas supply system and mechanical diesel direct injection system for dual fuel com- bustion. Combustion and emission characteristics of the engine were investigated by applying various syngas composition ratios and compression ratios. Diesel fuel injection timing was optimized to increase indicated thermal efficiency (ITE) at the engine speed 1,800 rpm and part load net indicated mean effective pressure (IMEPnet) 2 to 5 bar. ITE of the engine increased with the H2 concentration, compression ratio and engine load. With 45% of H2 concentration, compression ratio 17.1 and IMEPnet 5 bar, ITE of 41.5% was achieved, which is equivalent to that of only diesel fuel operation.
1. 서 론
전세계적으로 온실가스 및 유해 배출물질로 인한 환 경오염을 줄이기 위해 배출가스 규제를 강화하고 있으 며 이를 만족시키기 위해 엔진 분야에서는 효율이 높은 압축착화 엔진을 이용한 혼소 엔진에 대한 연구가 수행 되고 있다(1,2). 디젤 압축착화 엔진은 연소 특성상 높은 압축비가 적용되어 전기점화 엔진 대비 높은 열효율 특
성을 가지고 있으나, 소음과 진동이 크고 질소산화물 및 입자상 물질의 배출이 많기 때문에 소음, 진동 및 배기 가스 저감을 위한 장치를 필요로 한다(3). 이러한 질소산 화물, 입자상 물질의 배출을 줄이고 연료비용을 절감하 기 위해 LNG-Diesel(4), CNG-Diesel(5), LPG-Diesel(6), Gasoline-Diesel(7)등의 다양한 연료를 이용한 혼소 엔진 에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 신재생에너지 기술로 분류되는 석탄 가스화 기술(8)에 의해 생산된 합성가스를 디젤 압축착 화 엔진에 적용하기 위한 가능성과 연소 및 배기가스 특성을 분석하기 위해 모사 합성가스-디젤의 연료를 압 축착화 엔진에 적용하였다. 가스화기에서 생산되는 합 성가스는 주성분이 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 가스이다. 또한 가스화기에 공급되는 석탄의 종류나 반 응 조건에 따라 생산되는 합성가스의 조성비가 달라지
(Recieved: 2 Mar 2019, Recieved in revised form: 25 Mar
2019, Accepted: 26 Mar 2019)
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과학기술연합대학원대학교 환경에너지기계공학
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한국기계연구원 그린동력연구실
†
오승묵, 정회원, 한국기계연구원 그린동력연구실 E-mail : [email protected]
TEL : (042)868-7382 FAX : (042)868-7305
게 되는데(9), 가스화기를 통해 생성된 합성가스를 엔진 에 적용한 기존 연구의 경우 고정된 연료조성으로 연구 가 진행되었는데, 본 연구에서는 모사 합성가스를 이루 는 가스의 조성비를 다양하게 하여 엔진에 공급하였다.
또한 혼소 압축착화 엔진에서 높은 압축비 적용의 타당 성을 확인하기 위해 상대적으로 낮은 압축비를 적용하 여 연소 및 배기가스 특성을 비교 분석 하였다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치
본 연구를 위해 Table 1과 같이, 발전기용 6기통 디젤 압축착화 엔진을 단기통 엔진으로 변경하기 위해 1번 실린더를 제외한 나머지 실린더 피스톤에는 상면에 구 멍을 뚫어 압축이 일어나지 않도록 개조하였다. 또한, 1번 실린더를 위한 흡배기 매니폴드를 따로 제작하였으며 나 머지 실린더는 모두 폐쇄하였다. 배기량은 1,842 cm3이며, 연료공급장치는 기계식 고압펌프와 다공 노즐 직접 분 사식 인젝터로 구성되어 있으며, 인젝터의 니들이 열리 는 압력은 211 bar이다.
엔진의 속도와 부하 제어는 45 kW급 3상 모터(TEFC, Hyosung)와 50 kW급 인버터(ACS800, ABB)로 구성된 AC동력계로 Table 2에 표기하였으며, Fig. 1과 같이 엔 진주요 부위의 온도, 압력, 연소실 압력 및 배기가스 분 석을 위한 장치를 설치하였다. 연소실 압력 측정을 위해
인젝터 측면에 엔진 헤드를 가공하여 압력센서(6043A, Kistler)를 장착하였으며, 측정된 압력신호는 앰프(Piezo amplifier, AVL)를 거쳐 연소해석기(619 Indimeter, AVL) 에서 연소실 압력, 열방출률, 질량연소율 등의 연소 특 성을 실시간으로 분석하게 된다. 혼소 연소를 위한 합성 가스 공급시스템을 흡기포트에 설치하여 공기와 충분히 혼합시킨 후 연소실로 공급하였다. 합성가스를 구성하 는 각각의 가스 공급라인에 질량유량계(Mass flow con- troller, MFC)를 장착하여 합성가스의 조성비와 공급량 을 제어하고 믹서를 통해 균질의 합성가스를 엔진으로 공급하였다. 공급되는 합성가스의 조성비에 따른 발열 량은 Table 3에 표기하였다. 가스화기에 공급되는 산소 와 연료의 종류나 반응 조건에 따라 수소, 일산화탄소, 이산화탄소의 조성이 달라지게 되는데(9,10), 합성가스의 수소의 조성비에 의한 연소 및 배출가스 특성을 중점적 으로 분석하기 위해 일산화탄소와 이산화탄소의 조성은 고정하고 수소와 반응성이 낮은 질소의 조성비를 변화 시켜 모사 합성가스를 엔진에 공급하였다. 압축비 변경 을 위한 피스톤의 설계 사양을 Table 4에 표기하였다.
기존 디젤 엔진의 피스톤을 이용하여 재가공하였으며, Table 1 Experimental engine specification
Engine type 4-stroke, Single cylinder Displacement [cm3] 1,842
Bore-Stroke [mm] 123 × 155 Compression ratio 17.1, 15.3
Valve system Overhead valve type (Intake 1, Exhaust 1) Intake valve timing
[CAD]
Opening BTDC 18 Close ABDC 34 Exhaust valve timing
[CAD]
Opening BBDC 46 Close ATDC 14
Fuel supply system [diesel]
Direct injection with mechanical pump 5 hole injection nozzle Opening Pressure : 211 bar
Fig. 1 Schematic diagram of experimental engine setup Table 2 AC Dynamometer specification
Motor
Model Hyosung - TEFC
Phase 3
Power 45 kW
Voltage 380 V
Inverter
Model ABB – ACS800
Phase 3
Power 55 kW
Voltage 380 V
보울의 입구 사이즈(Throat diameter)를 변경하여 압축 비를 충족시켰다. 혼소의 점화원으로 이용되는 디젤연 료 공급량은 연료유량계(FZ-2100, Onosokki)를 이용하 여 측정하였다. 엔진으로 공급되는 공기량을 일정하게 제어하기 위해 Choked orifice flow meter를 설치하였다.
압축공기의 공급 압력을 제어하여 엔진속도 1800 rpm 모터링 상태에서의 흡기포트 압력이 1 bar가 되는 공기 유량 1,235 lpm으로 모든 운전조건에서 동일하게 엔진 으로 공급하였다. 엔진의 운전조건 및 정상상태 제어를 위해 흡기온도, 배기온도, 엔진 오일온도 등 주요부에서 의 온도와 압력을 DAQ 장치를 통해 모니터링 하였다.
엔진에서 배출되는 배기가스의 분석을 위해 배기관에 프로브를 설치하여 THC, CO, NOx를 배기분석기(AMA i60, AVL)로 측정하였으며, 배기가스의 Soot 농도 측정 을 위해 AVL사의 Opacimeter를 사용하였다.
2.2 실험 방법
발전기의 운전조건과 동일하게 AC동력계로 엔진의 속도를 1800 rpm으로 일정하게 제어하고 Choked ori-
fice flow meter로 일정한 공기량을 엔진에 공급하였다.
기계식 연료공급-분사 시스템이 장착되어 있어 정밀한 디젤 공급량 제어가 어렵기 때문에 거버너(Governor)에 액츄에이터를 장착하여 디젤 공급량을 제어하였다. 디 젤 분사시기를 변경하기 위해 고압펌프에 연결된 커플 링의 장착 각도를 변경하여 분사시기 제어를 하였으며, 고압펌프에서 인젝터로 연결되는 고압 연료라인에 압력 센서를 장착하여 인젝터 니들이 열림에 따라 발생하는 연료 맥동의 발생시점을 분석하여 디젤 분사시기를 결 정하였다. 디젤 연료만을 공급하는 상태에서 안정적인 연소 및 엔진운전이 가능한 최소 부하 IMEPnet(Net indi- cated mean effective pressure) 1.5 bar에서 모사 합성가 스 공급량을 제어하여 IMEPnet 2~5 bar의 정상상태 운 전조건에서 Table 3과 Table 4에서 제시된 모든 합성가 스와 압축비를 적용하여 연소 및 배출가스 특성분석을 위한 실험을 진행하였다.
3. 결 과
본 연구에서 이용한 발전기용 압축착화 엔진은 기계 식 고압펌프가 장착되어 있기 때문에 작동중에는 디젤 분사시기 제어가 불가능하여 모든 부하조건에서 항상 동일하게 제어되기 때문에 이를 고려한 디젤 분사시기 최적화가 필요하다. 전 영역에서의 디젤 분사시기를 최 적화하기 위해 수소 조성비, 압축비, 부하 그리고 디젤 분사시기를 변경하여 도시열효율(Indicated thermal effi- ciency, ITE)을 측정한 결과 Fig. 2~3과 같은 결과를 얻 었으며, 도시열효율은 공급된 연료의 열량과 IMEPnet출 Table 3 Composition ratios of simulation syngas
Case names Composition ratio
H2_15 H2:15%, CO:15%, CO2:10%, N2:60%
(840 kcal/Nm3)
H2_25 H2:25%, CO:15%, CO2:10%, N2:50%
(1,098 kcal/Nm3)
H2_35 H2:35%, CO:15%, CO2:10%, N2:40%
(1,356 kcal/Nm3)
H2_45 H2:45%, CO:15%, CO2:10%, N2:30%
(1,614 kcal/Nm3)
Table 4 Piston design specification
CR 17.1 A : 18.0 mm D : 66.0 mm
CR 15.3 A : 18.0 mm D : 79.6 mm
Fig. 2 ITE of syngas and diesel depending on diesel injec- tion timing at IMEPnet 3 bar
력으로 계산하였다. 합성가스 수소 조성비 15% 조건에 서는 발열량이 낮기 때문에 가스 공급량이 크게 증가하 는데 실린더에 공급되는 혼합기의 양이 한정적이기 때 문에 IMEPnet 4 bar 이상의 부하운전을 충족시키지 못하 였다. IMEPnet 5 bar, 디젤 분사시기 BTDC 29 CAD 에 서 수소 조성비가 35, 45%인 합성가스를 공급하는 경우 역화가 발생하여 운전이 불가능하였다. 수소 조성비가 더 높아지는 경우 역화 발생 영역이 넓어져 운전 가능 범위가 좁아질 것으로 예상되어 역화 발생과 도시열효 율을 고려하여 최적 디젤 분사시기를 BTDC 19 CAD로 선정하였다. 최소 부하조건 IMEP 1.5 bar에서 압축비 17.1이 적용된 경우 모든 합성가스 조건에서 디젤은 평 균 12.02±0.3 kJ/s로 공급되었고, 압축비 15.3이 적용된 경우 모든 합성가스 조건에서 평균 12.16±0.6 kJ/s로 공 급되었다. 압축비 변경에 의한 효율 차이로 디젤 공급유 량의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
모든 운전조건에서 연소 안정성을 나타내는 COVI- MEP(Coefficient of variation of IMEP) 8% 이하로 운전이 가능하였으며 Fig. 4와 같이 부하가 증가할수록 연소안 정성이 향상되는 특성을 나타냈다. 부하가 증가할수록 공급 연료량이 증가하면서 연료와 공기의 비율이 Fig. 5 와 같이 이론 공연비 (λ=1)에 가까워지면서 다소 안정 적인 연소가 가능한 것으로 판단된다.
도시 열효율을 Fig. 6과 같이 혼소의 수소 조성비, 부 하 및 압축비가 증가함에 따라 효율이 향상되었다. 또한 동일부하 IMEPnet 5 bar, 압축비 17.1에서는 혼소의 수소 조성비 45%와 디젤 연소의 열효율이 각각 41.5%, 42.1%로 동등한 수준의 열효율을 달성하였다. 합성가스 Fig. 3 ITE of syngas and diesel depending on diesel injec-
tion timing at IMEPnet 5 bar Fig. 4 Coefficient of variation in IMEPnet
Fig. 5 Lambda of syngas and diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
Fig. 6 Indicated thermal efficiency of syngas and diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
의 수소 조성비가 높아질수록 질소의 비율은 낮아져 연 소시 빠른 화염속도로 열손실이 감소하기 때문인 것으 로 판단된다. 엔진으로 공급되는 공기량을 모든 부하 운전조건에서 동일하게 고정하였기 때문에 합성가스 조성비, 부하변화에 따라 합성가스 공급량이 증가하는 경우 흡기포트 압력이 증가하여 펌핑손실을 나타내는 펌핑평균유효압력(Pumping mean effective pressure, PMEP)이 Fig. 7과 같이 다소 감소하는 경향이 있다. 그 러나 동일 압축비, 동일 부하조건에서 0.1 bar 이내의 수준으로 효율에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판 단하였다.
점화지연과 주연소기간은 각각 디젤분사시기부터 질
량연소율(Mass fraction burn, MFB) 10%까지, MFB 10~90%까지의 기간을 나타내며 Fig. 8과 같이 압축비 15.3에서 압축비 17.1대비 3~5 deg 긴 점화지연을 갖는 다. 압축비가 낮아짐에 따라 연소실 압력과 온도가 낮아 지게 되어 점화지연이 길어진 것으로 판단된다. 혼소 IMEPnet 2-4 bar에서는 부하 증가에 따라 주연소기간도 길어졌으나, IMEPnet 5 bar에서는 일정하게 공급되는 공 기량과 합성가스 공급량이 증가하면서 이론공연비에 가 까운 연료와 공기의 비율로 인해 화염속도가 빨라져 IMEPnet 4 bar 대비 주연소기간이 짧아진 것으로 판단된 다. 또한, 압축비 17.1에서는 높은 압축비에 의해 합성 가스 조성비에 의한 영향이 나타나지 않았으나 압축비 15.3에서는 합성가스에 포함된 수소 조성비가 증가하면 점화지연은 짧아져 예혼합 연소가 감소하고 주연소기간 이 길어진 것으로 판단된다.
배기가스 분석은 Fig. 9~12와 같이 HC(Hydro car- bon), CO (Carbon monoxide), NOx (Nitrogen oxides) 그 리고 배기가스에 포함된 Soot을 측정하였다. 혼소의 IMEPnet 2-3 bar 운전조건에서 압축비가 낮은 경우 HC 배출이 증가하였는데, 이는 디젤 연료만을 공급하여 IMEPnet 1.5 bar 운전에서 압축비 감소에 따라 출력 저 하로 인해 디젤 공급량이 증가하였기 때문에 디젤 연료 로부터 생성되는 HC 배출이 증가한 것으로 판단된다.
디젤 공급량은 일정한 상태에서 합성가스 공급량을 증 가시켜 부하를 제어하였기 때문에 단위 출력당 HC 배 출은 감소하는 결과를 얻었다.
모든 운전조건에서 압축비 감소에 따라 CO 배출량이 증가하였으며, 합성가스 수소 조성비가 증가할수록 압 Fig. 7 Pumping mean effective pressure of syngas and
diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
Fig. 8 Ignition delay and main combustion duration of syngas and diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
Fig. 9 Indicated specific hydrocarbon of syngas and die- sel at IMEPnet 2 to 5 bar
축비 감소에 따른 CO 배출량 증가폭이 다소 감소하였 다. IMEPnet 2-3 bar 운전조건에서는 부하 증가에 따라 합성가스 공급량이 증가하여 CO 배출량이 증가한 것으 로 판단된다. 반면, IMEPnet 4-5 bar 운전조건에서는 부 하 증가에 따라 CO 배출이 감소하였는데, 증가된 합성 가스 연료량으로 이론 공연비에 가까워지고, 부하 증가 로 연소 온도가 증가하여 불완전 연소량이 감소하여 CO배출이 감소하는 것으로 판단된다(11).
NOx 배출의 경우 합성가스 수소 조성비 증가에 따라 연소시 국부적으로 높은 연소온도를 형성하기 때문에 Thermal NOx 생성에 의해 NOx 배출이 증가한 것으로 판단된다. 또한 압축비 15.3에서 압축비 17.1 대비 낮은 연소실 압력 때문에 NOx 배출이 크게 감소하였다.
IMEPnet 3 bar 운전조건에서 IMEPnet 2 bar 대비 NOx 배
출이 다소 감소하였는데, IMEPnet 2 bar 운전에서는 합 성가스 공급량이 적어 합성가스에 포함된 CO2와 N2에 의한 EGR(Exhaust gas recirculation)과 유사한 효과가 나타나지 않은 반면, IMEPnet 3 bar 운전에서는 합성가 스 공급량이 증가하면서 비활성 가스의 희석효과에 의 해 부하가 증가함에도 불구하고 NOx 배출이 감소한 것 으로 판단된다. 이는 CO 배출과 정반대의 경향으로 합 성가스에 포함된 CO 연료가 연소하기 위한 분위기 및 부하 조건이 CO, NOx 배출에 영향을 미치는 것으로 판 단된다.
배출가스의 Smoke opacity를 측정한 결과 IMEPnet 2 bar 운전조건에서 압축비 17.1이 적용된 혼소 대비 디젤 연소에서 상대적으로 낮은 Soot 배출 특성을 보였다.
IMEP 2 bar 운전은 디젤 대체율이 20% 이내로 디젤 연 소와 혼소의 디젤 공급량에 큰 차이가 없으며, 디젤 연 소에서 높은 NOx 배출 특성을 보이고 있어, 연소시 생 성되는 Soot은 높은 연소 온도에 노출되어 낮은 smoke 배출 특성을 보인 것으로 판단된다. 혼소의 경우 모든 부하 운전에서 5% 미만의 낮은 결과를 보였으며, 압축 비 15.3이 적용된 경우 압축비 17.1 대비 낮은 smoke 배 출특성을 보였다. 압축비 15.3이 압축비 17.1 대비 상대 적으로 긴 점화지연으로 예혼합 연소가 증가하여 Soot 배출이 감소한 것으로 판단되며, 디젤 연소의 경우 IMEPnet 4 bar 이상의 운전조건에서 Soot 배출이 급격히 증가하는 결과를 보였다. 이는 부하 상승에 따라 디젤 공급량 증가로 인해 농후한 혼합기를 형성하여 Soot 배 출이 증가한 것으로 판단된다.
디젤 대체율은 동일부하 디젤 연소의 디젤 공급유량 Fig. 10 Indicated specific carbon monoxide of syngas and
diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
Fig. 11 Indicated specific nitrogen oxides of syngas and diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
Fig. 12 Smoke opacity of syngas and diesel at IMEPnet 2 to 5 bar
기준으로 합성가스를 공급하여 감소된 디젤 공급유량 의 비율로 결정하였으며, Fig. 13과 같이 부하 증가에 따라 디젤 대체율이 증가하였으며, 부하에 따라 최소 15%에서 최대 65%까지 디젤 연료를 대체 가능함을 확 인하였다.
4. 결 론
H2, CO, CO2, N2 가스를 이용하여 모사 합성가스를 구성하고 디젤 압축착화 엔진에 공급하여 혼소를 구현 하여 모든 운전조건에서 연소안정성 8% 이하의 운전이 가능하였으며, 모든 합성가스 및 부하 조건에서 효율을 가장 우선적으로 고려하여 최적 디젤 분사시기는 BTDC 19 CAD로 결정하였다. 또한 합성가스 수소 조 성비와 부하가 증가할수록 엔진 효율이 상승하여 압축 비 17.1, IMEPnet 5 bar 운전조건에서 디젤 연소와 동등 한 수준의 효율 41.5%를 달성하였다. 배출가스의 경우 HC 배출은 부하 증가에 따라 감소하는 경향을 얻었으 나, CO와 NOx의 경우 운전조건에 따라 동등수준이거 나 크게 증가하여 추가적인 산화촉매 장치를 이용하여 배출저감이 가능할 것으로 판단되며, 혼소 운전에서는 부하가 증가하더라도 Smoke opacity가 3% 이하로 디젤 운전 대비 DPF (Diesel particulate filter)의 재생 빈도가 적을 것으로 예상된다. 결과적으로 혼소 운전을 위한 합 성가스의 수소 조성비가 높을수록, 부하 운전조건이 높 을수록 효율 측면에서 유리한 결과를 얻었으며, 디젤 대 체율 65% 수준으로 디젤연료 비용 절감이 가능할 것으 로 판단된다.
후 기
이 논문은 2018년 정부(과학기술정보통신부)의 재원 으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(No.
CAP-16-06-KIER)의 지원을 받아 수행된 연구임.
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