글로벌오토뉴스

상단배너
  • 검색
  • 시승기검색
ä ۷ιλƮ  ͼ  ī 󱳼 ڵδ ʱ ڵ 躴 ͽ ǽ ȣٱ Ÿ̾ Auto Journal  Productive Product

[오토저널] 내연기관의 배기 에너지 활용 기술

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-10-17 14:53:42

본문

화석연료의 고갈과 지구 온난화 문제가 전 세계적인 이슈로 부각되면서 수송 차량을 포함한 화석 연료를 사용하는 다양한 내연기관 장착 장비에서 배출되는 CO2 배출 규제 및 연비 규제가 엄격히 강화되고 있는 추세이다. 화석 연료의 연소에서 발생하는 CO2의 저감 방안은 연비 개선을 통한 화석 연료의 사용량을 줄이는 방법 밖에 없기 때문에 강화되고 있는 연비 규제와 CO2 배출 규제에 대응하기 위한 해결 방안은 같은 맥락이라 할 수 있다.

 

지금까지의 내연기관의 연비 향상 기술들을 보면 경량화, 터보차저, 연료 분사 시스템, 냉각 시스템, 다운사이징 등 엔진, 부가장치, 마찰 등의 부분에서의 연구 개발이 주를 이루고 있다.

 

반면, 이와 같은 동력발생 단계에서의 연비 향상 기술과는 달리 동력 에너지로 변환되지 못하고 배기가스 형태로 버려지는 폐 에너지(Waste Energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재생시키는 기술 개발들이 최근에 미국, 독일, 일본 등 선진국을 비롯하여 국내에서 활발히 이루어지고 있다. 이러한 기술 개발 배경에는 현재 수송용 차량 및 건설장비에 쓰이는 내연기관의 열효율이 최대 35~40% 정도로써 이의 개선을 위한 연소 및 엔진 주변 장치의 연구개발은 어느 정도 한계에 도달하였다고 판단되고 있기 때문이다.

 

6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755
6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755

 

나머지 대부분의 에너지는 배기가스와 엔진 냉각 시스템 등을 통하여 버려지고 있다<그림 1>. 따라서 배기가스 등의 폐 에너지를 활용하여 동력 재생을 통한 연비 향상 기술이야말로 현시점에서 내연기관 연료 사용량 저감을 위한 가장 현실적인 대안이라 할 수 있겠다. 배기 에너지 활용 기술은 버려지는 에너지의 형태와 회수 방식에 따라 다양한 기술로 분류할 수 있다. 현재 국내외적으로 가장 활발하게 연구되고 있으며, 실용화 가능성이 큰 기술로는 주로 배기가스로부터 열에너지를 회수하는 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 기술과 배기가스의 운동 에너지를 회수하는 터보 컴파운딩(Turbo Compounding) 기술을 들 수 있다. 본 고에서는 내연기관 배기 에너지 회수 기술 중 랭킨 사이클 기술에 대해 소개하고자 한다<표 1>.

 

이상적인 랭킨 사이클은 <그림 2>에 나타낸 바와 같이 4개의 과정으로 이루어지고, 핵심 구성 부품은 펌프, 보일러, 팽창기와 컨덴서로 구성된다. 기본적인 작동 원리를 살펴보면, 액상의 작동유체(Working Fluid)는 펌프에서 가압되어 고압 액체 형태로 보일러로 보내진다(1-2). 보일러에서 액상의 작동유체는 외부 열원으로부터 열에너지를 회수하여 고온 기체로 상 변화 한다(2-3). 고온·고압 기체 상태의 작동유체는 팽창기에서 팽창하며 동력을 발생시킨다(3-4). 이 때 팽창기에 부착된 발전기 혹은 동력전달장치를 통해 전기적 혹은 기계적 에너지가 생성된다. 팽창기에서 감압된 작동유체는 응축기에서 외부로 열에너지를 방출하며 다시 액상으로 변하고 펌프로 유입되며 하나의 사이클을 이루게 된다.


사이클 효율은 <그림 2>에 나타낸 사이클 온도-엔트로피(T-s) 선도 상의 면적비로 표현되며, 폐열 회수율은 주위 환경조건을 기준으로 폐 에너지의 열량에 대한 사이클 2-3과정에서 작동 유체가 회수한 열량비로 표현된다. 이론 재생 동력은 폐열 에너지, 사이클 효율 및 회수율의 곱으로 표현된다. 일반적으로 사이클의 정미일(Net Work)과 효율은 사이클의 고압(공급압력)은 높을수록, 저압(배출압력)은 낮을수록 증가한다.

 

6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755

 

랭킨 사이클에서 사용되는 작동 유체는 <표 2>에 나타낸 바와 같이 유기 화합물과 비유기 화합물로 구분되며, 포화 증기 선도(Saturated Vapor Line)의 기울기 특성에 따라서도 구분한다. 작동유체 선정시 중요한 변수로, 회수하고자 하는 폐열원의 온도 범위, 사이클 효율, 시스템 단가, 안전성과 환경에 미치는 영향 등을 고려해야 한다. 해외 랭킨 사이클을 이용한 기술 개발 동향 및 연구 개발 사례를 살펴보면 <표 3>과 같다.

 

6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755
6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755

 

Honda와 BMW의 경우 열원의 온도가 높은 가솔린 엔진의 배기가스 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 가스의 폐열을 회수하기 위해서 작동유체로 물을 사용하였고, Cummins의 경우 상대적으로 배기가스 온도가 낮은 대형 트럭에 장착되는 디젤엔진의 배기가스 폐열을 회수하기 위해서 증발점이 낮아 저온 열원회수가 용이한 냉매(R-245fa)를 사용하여 약 5~6%의 연비 향상을 달성하였다.

 

6de3c43908dd77bb726542ed2ff886c1_1539755 

국내에서도 최근 수송용 차량 및 건설장비 분야에서 랭킨 사이클을 이용한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 상용자동차 및 건설기계 등은 사용 부하가 크고, 작업 가동시간이 길다. 따라서 연료비용이 상용장비 유지 관리비에서 매우 큰 부분을 차지하고 있어, 에너지 가격의 상승이 직접적으로 구매자의 수익과 직결되기 때문이다. 상용 디젤엔진 수요 측면에서도 높은 연료경제성을 확보한 엔진에 대한 요구가 크게 높아지고 있다.

 

H사의 경우 초대형 트럭 엔진의 배기열 회수를 위한 랭킨사이클 시스템을 엔진벤치 및 차량에 탑재하여 설계 타당성 점검 및 연비개선 효과를 정량적으로 확인하였다.


건설장비 분야에서는 두산인프라코어가 6L급 디젤엔진을 대상으로 랭킨 사이클을 이용한 연비 향상 연구를 진행하고 있는데, 굴삭기의 경우 승용차 또는 수송용 차량 대비 배기가스 에너지에서 회수하는 폐열뿐만 아니라 유압장비의 폐열을 같이 고려하여 약 10%의 연비 향상을 목표로 기술 개발을 하고 있다. 특히 배기가스 폐열의 고온 열원과 유압장비 폐열의 저온 열원을 동시에 회수하기 위해서 랭킨 사이클 작동 유체 선정시에 이 부분을 고려하여 비등점이 낮은 냉매를 선정하였다. 건설 장비의 경우 선진사에서 조차도 아직까지 엔진 냉각수 및 장비 폐열을 동시에 회수하는 랭킨 사이클을 양산한 사례는 없기 때문에 많은 어려움이 예상되지만, 국내에서 최초로 기술 개발에 성공하기를 기대해 본다.

 

글 / 유한성 (건설기계부품연구원)
출처 / 오토저널 18년 4월호 (http://www.ksae.org) 
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)