76-76 2024 [추계학술대회]
| 제목 | 수소 직분사 엔진의 후분사를 통한 질소산화물 저감: 화학반응론적 연구 |
|---|---|
| 분야 | 모빌리티 동력 및 구동시스템 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 이승현(서울대학교), 김기연(충남대학교), 오세철(부산대학교), 이정우(충남대학교), 김용래(한국기계연구원), 민경덕( 서울대학교) |
| Key Words | Hydrogen (수소), Nitrogen Oxides (질소산화물), Hydrogen Direct Injection Engine (수소직분사엔진), Chemical Kinetics (화학반응론) |
| 초록 |
청정수소인증제를 필두로 하여 국내/외 다양한 연료 기반 에너지 유관 분야에서 수소를 친환경 연료로서 사용하려는 시도가 활발하게 이뤄지고 있다. 수소는 무게당 에너지 밀도가 높고 층류화염속도가 빨라 장거리 운행, 잦은 고부하 운전, 그리고 비행이 필요한 매체에 적합하며, 이를 고려하여 상용 차량이나 무인 항공기의 안정적인 동력원으로써 수소 연료 기반 엔진을 활용하려는 연구 개발이 진행되고 있다. 하지만 연소 과정에서 타 연료 대비 빠른 화염전파속도로 인해 실린더 내 온도를 지나치게 높여 thermal NOx 가 많이 생성되기 때문에, 이를 저감할 수 있는 전략이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 수소 직분사 엔진의 주요 운전점에서 발생하는 질소산화물을 효과적으로 저감하기 위해 수소 후분사 전략을 적용 및 검증하는 과정을 진행하였다. 연구 진행을 위해 2.0 L 터보 과급 SI 엔진을 수소 직분사에 맞게 개조하여 실험을 진행함으로써 수소 후분사의 질소산화물 저감을 우선적으로 확인하였다. 이후 해당 저감 반응을 검증하기 위해 실린더 내 온도, 압력 및 조성 조건에서 질소산화물과 수소의 반응을 0D chemical kinetics simulation을 통해 분석하였다. 이를 통해 통상적인 엔진 운전 time scale (2000-4000 RPM, 4행정 기준 단일 사이클당 30-60 msec) 및 온도, 압력 조건에서도 수소의 reburning 과정이 NOx species를 통해 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한 질소산화물 저감 과정에서 후분사된 수소의 성층화가 반드시 필요하며, 완전 연소 이후 산소 농도가 적은 고부하 조건에서 이러한 후분사 전략이 적절함을 다양한 공연비 조건에서의 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. |
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