대형 압축착화 엔진에서 JP-8/CNG 이종연료 예혼합압축착화 연소를 통한 입자상 물질 저감

Abstract

군용 차량은 다양한 작전환경에서 무거운 차체 하중과 적재 능력의 요구를 충족시키고 기동성의 향상을 위해 큰 토크를 필요로 한다. 이에 큰 압축비로 토크 향상과 연비의 장점이 있는 압축 착화 엔진의 의존도가 크다. 기존 디젤 연소(conventional diesel combustion, CDC)엔진에서는 연료의 확산 화염으로 다량의 입자상 물질(particulate matter, PM)이 생성되며 높은 열방출로 생성된 질소산화물(NOx)은 미세먼지의 2차 생성원으로 작용한다. 그로 인해 군용 차량은 차량의 노후화와 디젤을 사용한 압축착화기관을 주로 이용하고 있다는 점에서 공해를 일으키는 원인 중 하나로 평가받고 있다. 이에 국방부는 장병들의 건강관리는 물론, 군내에서 미세먼지 배출을 줄이기 위해 2018년부터“군 미세먼지 관리 종합대책”을 수립하고 2022년까지 군 미세먼지 배출의 30% 감소를 목표로 하는 등의 노력을 기울이고 있지만, 일부 친 환경차 도입과 노후차 교체 등 대중적인 해결책 만 제시할 뿐이다. 그렇기 때문에 후처리 장치와 더불어 엔진 연소 시스템 자체의 배기 저감 기술은 향후 군용 차량의 개발에 필수적인 요소로 평가되고 있다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 사용 연료와 연소 방식의 변경으로 대형압축착화 엔진에서의 미세먼지 저감을 목표로 하였다. 먼저 연료측면에서는 북대서양 조약기구 NATO에서 기동 장비 간의 사용 연료를 통일하는 단일연료체계(single fuel concept)로서 제시한 JP-8(Jet Propellant 8)이라는 항공유를 적용하였다. JP-8은 등유계 연료로서 압축 착화가 가능하며 높은 기화특성으로 PM 저감에 유리한 측면이 있다. 연소 방식은 신연소 기술 중 CNG를 적용한 이종연료 예혼합압축착화 (dual-fuel premixed charge compression ignition, DF-PCCI)를 적용하였다. DF-PCCI는 적은 고 반응성 연료를 착화제로 이용함에 따라 그 사용비율이 감소하고 그에 따른 확산 화염 감소 및 예혼합 연소의 증가 그리고 CNG 연료의 특성으로 적은 양의 NOx와 PM을 배출한다. 본 연구에서는 실 군용 차량과 유사한 커먼레일이 적용된 대형압축착화 엔진을 단기통으로 개조하였으며 흡기 포트에 설치한 천연가스 질량유량장치를 통해 DF-PCCI를 구현하였다. 또한 배기가스 분석 장치와 PM, PN 분석장비를 통하여 연소 간 NOx HC, CO, CO2, PM, PN 등의 데이터를 제공하였다. 실험한 결과 단일 연료에서의 JP-8은 연료의 기화 특성과 긴 점화지연기간으로 확산 화염의 비율이 적어지고 PM 생성 후 산화가 디젤보다 잘 이루어져 적은 양의 PM을 배출하였으며, 또한 낮은 aromatic 함량은 직경 1$\mu$m이하의 입자 개수(particle number, PN)를 감소하는 결과를 나타내었다. 하지만 높은 열 방출로 인한 실린더내 고온 형성으로 NOx 배출은 증가하였다. JP-8/CNG DF-PCCI는 디젤/CNG DF-PCCI와 비교 하였을 때, JP-8의 증발 특성이 CNG와의 혼합을 원활히 하여 혼합기의 균질도를 향상 시키고 희박한 연소 환경을 제공함에 따라 NOx 배출이 상대적으로 감소하였다. 또한 PN 배출 경향은 고 반응성 연료의 사용 비율이 감소함에 따라 배출량이 감소하게 되고 JP-8의 낮은 aromatic 함량으로 JP-8/CNG DF-PCCI은 디젤/CNG DF-PCCI 대비 낮은 배출 경향을 나타내었다.