CO에 대한 흡입 공기 온도 영향 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11649(2023) 이 기사 인용

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최근에는 수소보다 에너지 밀도가 높은 암모니아(NH3)가 운송 부문에서 탄소 배출 제로 목표로 주목을 받고 있습니다. 그러나 기존 내연기관(ICE)에서는 NH3 연소 메커니즘이 아직 연구 중이다. 이 논문에서 저자는 ICE에 NH3를 적용하는 방법에 대한 지식을 더욱 확장하기 위해 수정된 17.7:1 압축비, 자연 흡기 스파크 보조 CI 엔진(서브 챔버 포함)에서 NH3/가솔린 공동 연소 실험을 수행했습니다. NH3의 연소 속도를 향상시키기 위해 하위 챔버가 선택되었습니다. 또한, 서브 챔버에는 NH3의 높은 자연발화 온도를 극복하기 위해 글로우 및 스파크 플러그가 장착되었습니다. 세 가지 서로 다른 흡기 온도에서 엔진 성능과 NOX 배출을 연구했습니다. 실험 동안, 엔진이 희박 조건에서 작동되는 경우 NH3 함량이 점차 증가했습니다. 이전 연구에 비해 더 높은 NH3 함량이 달성되었지만 흡입 공기 온도가 증가하면 충전 효율이 감소했습니다. 또한, 120시간 작동 후 피스톤 링에서 부식이 발견되어 엔진 성능에 부정적인 영향을 미쳤습니다. 또한, 서브챔버의 영향으로 NH3/가솔린 동시 연소시간이 급격하게 단축되었으며, 현재 조건에서 가장 긴 연소시간은 17°CA인 것으로 나타났다.

최근 유럽연합이 내연기관(ICE)을 단계적으로 폐지하겠다는 원래 계획을 변경했다는 소식과 관련하여 비전통적인 연료(예: 암모니아(NH3), 수소(H2), 합성 연료(E-연료) 등)가 ICE 연구에서 인기를 얻고 있습니다. 이제 탄소 중립 연료를 사용하여 유럽에서 새로운 ICE 차량을 판매하는 것이 가능해졌습니다1. 이 중에서 NH3는 다양한 산업 분야에서 활용도를 더욱 확대할 수 있는 유력한 후보입니다. 이는 높은 수소 함량으로 인해 에너지 저장에 사용될 수 있으며, 발전용 연료로 운송 부문에서도 사용될 수 있습니다2,3. 구조에서 알 수 있듯이 NH3에는 탄소 원자가 포함되어 있지 않아 CO2 배출도 없어 탄소가 없는 연료로 간주됩니다. 해결해야 할 몇 가지 중요한 점은 이용 가능한 질소 원자(N)로 인해 상승된 온도에서 독성과 NOX 배출입니다. 그러나 기존의 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템은 SCR 입구 온도를 200°C4로 유지하면 NOx 배출량을 크게 낮출 수 있습니다.

표 1은 NH3의 선택된 다양한 특성과 수소 및 가솔린과의 비교를 보여줍니다. 수소와 비교할 때 NH3는 체적 에너지 밀도가 더 높지만 가솔린과 비교할 때 여전히 체적 에너지 밀도가 약 30% 낮습니다. 또한, ICE에서 H2와 NH3의 활용에 관한 수많은 연구가 진행되고 있습니다. Kim et al. 다양한 혼합물 형성 모드5를 사용하여 H2의 직접 주입 방법을 사용했습니다. 더욱이 NH3는 화염 전파 속도가 낮기 때문에 보다 일반적인 접근 방식은 엔진 속도가 낮은 해양 엔진에 NH3를 활용하는 것이었습니다6. 더 높은 엔진 속도가 필요한 승용차에 NH3를 사용하려면 NH3의 특성을 고려해야 합니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 NH3는 옥탄가가 높고 기화 잠열도 높아 압축비(CR)가 높은 엔진에 사용할 수 있습니다. 이 지식에 맞춰 Pochet et al. HCCI(균질 충전 압축 점화) 모드에서 CR이 15:17, 16:18, 22:19인 엔진에서 암모니아-수소 이중 연료 연소 연구를 수행했습니다. Lhuillieret al. CR이 10.510인 스파크 점화(SI) 엔진에서 NH3와 수소 혼합물을 사용하여 실험을 수행했습니다. 그들은 또한 연소의 위상이 SI 타이밍 조건에서 혼합물의 층류 연소 속도(LBV)와 상관관계가 있음을 보여주었습니다. 보다 최근의 연구에서 Mounaim-Rousselle et al. 순수 NH311에서 실행되는 CR이 14~17인 스파크 보조 압축 점화(CI) 단일 실린더 ICE에 대한 실험을 수행했습니다. 그들은 낮은 부하와 다양한 엔진 속도에서 안정적인 연소를 달성하여 높은 CR 및 스파크 점화 방법이 NH3 연료에 적합하다는 것을 입증했습니다.