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[오토저널] 천연가스-수소 혼합연료(HCNG) 엔진 개발

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-02-04 22:57:22

본문

현재 세계 에너지원의 대부분을 차지하고 있는 석유는 2020년을 전후로 가스에너지에게 그 자리를 넘겨 줄 것으로 예상되며 궁극적으로 21세기 후반에는 수소에너지가 가장 큰 에너지 비중을 차지할 것으로 예상된다. 대표적인 가스에너지인 천연가스는 메탄(CH4)이 주성분인 가연성가스로서 매장지역이 세계각지에 분포되어 있고 매장량도 풍부하여 안정적이고 장기적인 공급이 가능한 석유대체에너지이다. 또한 청정성이 뛰어난 자동차 연료로 잘 알려져 있어 세계적으로 천연가스 자동차의 보급이 지속적으로 이루어지고 있다.

국내의 경우 천연가스 자동차는 시내버스 위주로 2000년부터 보급되어 2015년 현재 3만 여대가 운행 중에 있으며 도심대기환경 개선에 큰 기여를 해왔다. 연료의 청정성으로 천연가스버스가 지금까지 대기환경 개선에 많은 기여를 한 것은 명백하지만 과거 대기오염의 주범이었던 디젤자동차가 지속적인 기술개발을 통해 오염물질을 대폭 줄인 것과는 달리 상대적으로 기술적 발전이 적었던 것도 사실이다. EURO-6 배기규제가 국내에 발효된 2014년부터는 디젤버스와 천연가스버스의 PM을 제외한 유해배기가스 배출량의 차이는 거의 없어짐에 따라 천연가스 자동차의 저공해 특성은 그 가치가 점점 줄어들고 있는 상황이다.

천연가스가 가지고 있는 이러한 문제에 대해 북미 및 유럽을 중심으로 천연가스에 수소를 첨가하는 천연가스-수소 혼합연료(HCNG 또는 Hythane) 엔진을 유력한 해결기술의 하나로서 제시하고 기술개발과 실증사업에 주력하고 있다. 천연가스-수소 혼합연료를 사용하고자 하는 배경에는 미래의 궁극적 연료(이후 HCNG로 표기)인 수소를 본격적으로 사용하기에 앞서 사회적, 기술적 인프라의 가교역할을 천연가스-수소 혼합연료가 담당 할 수 있기 때문이다. 최근 중국과 인도에서도 HCNG 기술을 도입하여 상업화를 시도하는 등의 빠른 기술도입 행보를 보이는 것도 수소시대를 미리 대비하기 위함이다.

천연가스와 수소를 혼합하는 이유는 첫째, H/C 비율이 높은 천연가스를 개질하여 수소를 생산하기가 유리하고, 둘째, 천연가스와 수소의 혼합이 쉬울 뿐만 아니라 천연가스 충전 인프라를 최대한 활용할 수 있으며, 셋째, 수소의 빠른 화염속도와 넓은 가연범위가 천연가스가 가지고 있는 연소한계를 훨씬 더 넓힐 수 있기 때문이다.

본 고에서는 천연가스의 차세대 연료로 인식되어 지고 있는 HCNG를 시내버스용 천연가스 엔진에 적용하여 초희박 연소와 고EGR 연소를 개선함으로써 얻을 수 있는 이점에 대해서 검토하고 현재 진행되고 있는 HCNG 엔진 개발동향을 소개하고자 한다.

초희박연소 HCNG 엔진 개발
HCNG 엔진을 개발함에 있어서 초기 방안은 희박연소를 적용하되 고가의 De_NOx 촉매 없이 강화된 EURO-6 배기규제를 만족시키는 것이었다. 본 연구소의 자체 시험결과인 <그림 1>을 보면 HCNG에서 수소의 혼합율의 증가에 따라 열효율이 상승하는 것과 희박가연한계가 확대되는 것을 확인할 수 있으며 또한 희박가연한계 확대에 따라 NOx 배출물이 급속히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

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여러 가지 검토를 거쳐 30%의 수소가 함유된 HCNG 연료를 개발 대상으로 하고 연료의 특성을 최대한 활용하기 위해 <그림 2>와 같이 피스톤, 캠샤프트 등 엔진 핵심부품을 수정하였다. 그 다음 단계로 HCNG 연료에 대한 연소와 제어의 최적화, 그리고 Steady 및 Transient 운전 조건에 대해 ECU Calibration과 Mapping이 이루어졌다. <표 1>은 개발된 HCNG 희박연소 엔진의 유해배기 배출물 Mode Test 결과와 EURO-6 배기규제치를 비교한 것이다.

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유해 배기 배출물은 모든 규제치를 만족하고 있어 HCNG 엔진이 De_NOx 촉매 없이 희박연소로 EURO-6 배기규제를 만족시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이론공연비+고EGR HCNG 엔진 개발
세계 천연가스 엔진 제작사들은 EURO-5 배기규제까지 대부분 희박연소+산화촉매로 대응을 하였으나 NOx 규제가 매우 강화된 EURO-6 배기규제부터는 희박연소+De_NOx 촉매 방식과 이론공연비+EGR+삼원촉매(이하 이론공연비로표기) 방식으로 나누어졌다. 그러나 Post EURO-6, 즉 EURO-7부터는 희박연소 방식으로 배기규제를 만족시킬 수 없고 이론공연비 방식이 유일한 대응 방안인 것으로 판단하고 있다. 이론공연비+삼원촉매는 가솔린엔진에서 가장 보편적으로 사용하는 방식으로서 유해 배기 배출물을 최소화할 수 있는 장점이 있는 반면 연소 및 배기가스 온도가 높아 엔진의 내열내구성이 악화되고 효율이 희박연소보다 낮다는 단점이 있다.

특히 소형과는 달리 대형 엔진은 내열내구성에 취약하기 때문에 이론공연비를 적용할 경우 EGR을 사용하여 적극적으로 연소온도를 낮출 필요가 있다. 배기가스를 흡기로 재순환시키는 EGR은 이론공연비 방식이 갖는 낮은 효율을 개선시키는 효과도 가지고 있지만 EGR 공급량이 많을 경우 연소가 불안해지고 EGR 유량 제어가 어려운 단점도 가지고 있다.

본 연구소에서는 EURO-7 배기규제를 만족시키기 위해 이론공연비 방식의 HCNG 엔진을 두산인프라코어와 이엔드디와 함께 개발하고 있다. HCNG 연료가 수소의 영향으로 희박연소 특성을 개선시키는 것과 같이 높은 유량의 EGR, 즉 고 EGR 연소를 가능하게 함에 따라 HCNG 연료를 사용할 경우 천연가스에 비해 내열내구성과 효율 개선에 EGR을 보다 효과적으로 사용할 수 있다.

이론공연비 HCNG 엔진을 개발하기 위해 기존의 EURO-6 천연가스 엔진을 대상으로 주요부품이 변경되었으며 EGR Valve와 Cooler가 추가되었다. 가장 큰 변경은 피스톤으로서 높은 연소온도에 대응하기 위해 오일갤러리 방식, 압축비 12가 적용되었고 오일 젯과 커넥팅 로드 등도 함께 변경되었다. 다음의 <그림 3>은 EGR 유량 증가에 따른 연료별 그리고 압축비별 효율 특성을 비교, 평가한 것이다. 결과에서 보듯이 HCNG가 천연가스보다 EGR 공급한계를 5% 더 높일 수 있고 이에 따라 효율도 조금 더 개선되는 것을 확인할 수 있다.

압축비 증가에 따라서는 예상대로 효율이 상승할 뿐만 아니라 EGR 공급 한계도 함께 높이는 효과도 있는 것으로 나타났다. 이러한 특성을 바탕으로 이론공연비 HCNG 엔진의 성능을 개발하였으며 전부하 조건에 대한 결과를 <그림 4>에 나타내었다. 기존의 EURO-5, EURO-6 대응 천연가스 엔진과 동일한 출력을 갖도록 개발되었으며 이때 효율은 희박연소가 적용된 천연가스보다 더 높은 효율을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 아직 개발이 진행 중이라 향후 최적화 과정에서 효율이 더 낮아질 수 있으나 이와 같이 천연가스에 비해 더 높은 효율 특성을 보이는 이유는 희박연소 엔진이 NOx 배출물을 줄이기 위해 점화시기를 과도하게 지각시키는 반면 이론공연비 엔진은 EGR을 통해 효율을 상승시켰고 점화시기는 노킹방지를 위한 지각만 시켜도 되기 때문이다.

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희박연소 HCNG 엔진의 경우 연료특성을 최대한 활용하기 위해 핵심부품들이 변경되었으며 이를 바탕으로 연소 및 제어를 최적화시켰다. 개발된 희박연소 HCNG 엔진을 대상으로 Mode Test를 실시한 결과 De_NOx 촉매 없이 EURO-6 배기규제를 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다.

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현재 개발이 진행 중인 이론공연비 HCNG 엔진은 높은 연소 및 배기가스 온도를 대응하기 위해 오일갤러리 방식의 피스톤으로 변경되었으며 고유량의 EGR 연소가 적용되었다. 지금까지의 결과를 살펴보면 HCNG 연료가 천연가스에 비해 EGR을 더 효과적으로 사용할 수 있어 이론공연비가 가지는 낮은 효율과 내열내구성 문제를 해결하는데 더 유리함을 확인할 수 있었다. 이론공연비 HCNG 엔진은 EURO-7을 대응하기 위해 개발되고 있으며 현재 Steady 운전 조건에서의 성능개발은 완료되었고 Transient Calibration이 진행 중에 있다. 최적화 성능 개발이 완료되면 시내버스에 탑재되어 차량성능 개발이 이루어질 예정이다.

글 / 김창기 (한국기계연구원)
출처 / 오토저널 15년 8월호 (http://www.ksae.org)   
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