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Ⓒ
2008 KSAE
1225-6382/2008/094-08
Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 4, pp.56-62 (2008)
56
배기관에서의 합성가스 연소에 따른 배기가스 온도 및
농도 변화에 관한 실험적 연구
조 용 석
*1)
․이 성 욱
1)
․양 승 일
2)
․송 춘 섭
2)
․박 영 준
2)
국민대학교 기계자동차공학부
1)․
국민대학교 자동차공학전문대학원
2)
An Experimental Study on Variations of Exhaust Gas Temperature and
Concentration with Synthetic Gas Combustion in Exhaust Manifold
Yong-Seok Cho*1)․Seang Wock Lee1)․Seung-Il Yang2)․Chun-Sub Song2)․Young-Joon Park2)
1)Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea
2)Graduated School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea
(Received 20 August 2007 / Accepted 5 December 2007)
Abstract
: A synthetic gas reformed from hydrocarbon-based fuels consists of H
2
, CO and N
2
. Hydrogen contained in
the synthetic gas is a very useful species in chemical processes, due to its wide flammability range and fast
b
urning
speed. The ESGI (Exhaust Synthetic Gas Injection) technology is developed to shorten the light-off time of three way
catalysts through combustion of the synthetic gas in the exhaust manifold during the cold start period of SI engines.
Before the ESGI technology is applied to the test engine, the authors set a test rig that consists of gas temperature and
composition controllers, an exhaust pulse generator and an exhaust manifold with a visualization window, in order to
optimize the point and conditions of injection of the synthetic gas. Through measuring burned gas temperatures and
taking photographs of synthetic gas combustion at the outlet of the exhaust manifold, the authors tried to find the
optimal injection point and conditions. Analysis of burned gas composition has been performed for various O
2
concentrations. As a result, when the synthetic gas is injected at the port outlet of the cylinder No. 4 and O
2
concentration exceeds 4%, combustion of the synthetic gas is strong and effective in the exhaust manifold.
Key words
: ESGI(Exhaust Synthetic Gas Injection), Synthetic gas(
합성가스
), Hydrogen combustion(
수소연소
),
Exhaust gas temperature(
배기가스 온도
)
1.
서 론
1)
가솔린기관에서 발생하는 대표적인 유해배출물
인
CO, THC, NO
x
는 삼원촉매의 이용으로 대폭적으
로 저감이 가능해졌다
.
하지만 삼원촉매가 활성화
되기 이전의 냉간시동 조건에서는 낮은 촉매효율로
인해 다량의 유해배출물이 그대로 배출되어 사회적
인 문제로 대두되고 있다
.
현재 전 세계적으로 가솔
*
Corresponding author, E-mail: yscho@kookmin.ac.kr
린기관의 전 ･후처리 기술의 개발을 통해 많은 개
선이 이루어졌지만 강화되어가는 환경규제에 만족
하기 위해서는 보다 효과적인 기술의 개발이 필수
적이다
.
냉간시동 조건에서 가장 대표적인 유해배
출물 저감기술은 가솔린기관의 후처리기술의 일환
으로 배기관에서 배기가스를 재연소 시켜 발생하는
높은 배기가스 온도로 촉매의 활성화 기간을 단축
하고 불완전연소가스의 산화과정을 유도하여 다량
의 유해배출물을 저감시키는 방법이다
.
1)
그러나 가
배기관에서의 합성가스 연소에 따른 배기가스 온도 및 농도 변화에 관한 실험적 연구
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 4, 2008
57
솔린기관의 배기가스는 낮은 산소농도와 배기관에
서의 불규칙한 유동에 의해 연소조건 형성이 매우
어렵다
.
따라서 배기관에서 연소가 용이한 새로운
물질의 첨가가 필수적이며 대표적인 첨가물로 수소
의 이용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다
.
2)
수
소는 연소과정에서 이론적으로 물
(H
2
O)
이외에는
생성하지 않고 빠른 연소속도
,
넓은 가연 한계 범위
,
중량대비 높은 발열량을 나타내기 때문에 배기관에
서 연소를 일으키기 위한 첨가물로 매우 활용도가
높다
.
3)
본 연구에서는 수소 대신 가솔린을 개질하여 발
생하는 합성가스를 첨가물로 사용하였으며 실제 기
관에 직접 배기분사기술을 적용하기에 앞서 실제
배기관과 유사한 리그장치를 제작하여 합성가스의
연소효과를 파악하였다
.
합성가스는 수소를 일정부
분 포함하고 있기 때문에 수소의 연료적 특성에 의
해 배기관에서 연소가 용이하고
,
이를 통해 촉매의
빠른 활성화로 냉간시동 조건에서 발생하는 유해배
출물의 효과적인 저감이 가능하다
.
4)
또한
,
가솔린의
개질을 통한 수소의 생산은 수소의 공급과 저장 과
정에서 발생하는 많은 문제점을 해결할 수 있기 때
문에 개질장치의 발달과 더불어 점차 내연기관뿐만
아니라 많은 동력 발생 기관에서도 활용도가 증가
할 것으로 예상된다
.
5)
2.
실험장치 및 방법
2.1
실험장치
Fig. 1
은 실험장치의 개략도를 나타낸다
.
실험에
서는
2000 cc
급 가솔린기관에서 사용하는 배기관
을 직접 사용하였으며
,
촉매의 위치에 실제 촉매 입
구의 내경과 같은
62 mm
로 제작한 가시화장치를 설
치하였다
.
배기관에서 배기가스의 불규칙한 유동현
상을 구현하기 위해
chopper disk
를 사용하였다
.
Chopper disk
는 기관의 연소 순서인
1-3-4-2
의 순
서로 각각의 분지관에 연결되어 있으며
180°
간격
으로 두 개의 슬롯이 고정디스크를 통해 배기가스
를 공급한다
.
따라서 고정디스크가
1
회전 할 때 각
각의 밸브가
2
회씩 개폐과정을 거치게 되어 실제 기
관의
4
회전과 같은 결과를 얻을 수 있다
.
6)
합성가스는 직경
1.2 mm
의 분사노즐에 의해 배
기관에 분사하였으며 전자식 솔레노이드 밸브에 의
해 개폐를 조정하였다
.
배기관에 분사된 합성가스
의 연소를 위해 전원공급 후
4
초 이내에
800°C
에 도
달하는
SRM
타입의 글로플러그를 이용하였다
.
합
성가스와 글로플러그에 의한 배기관에서의 연소특
성을 파악하기 위하여
Photoron FASTCAM(Ultima
512)
을 이용하여 화염형상을 가시화하였으며
,
글로
플러그를 통한 합성가스 연소 후 배기가스의 온도
변화를 측정하기 위해 실제 기관의 촉매 위치에 온
도 센서를 설치하였다
.
또한
,
촉매 후단에서 배기가
스 성분 분석기
(MEXA-554JK)
를 통하여 배출되는
CO
2
와
O
2
의 농도변화를 측정하였다
.
Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup
2.2
실험방법
리그장치에서 실제 기관의 배기관에 배출되는 배
기가스의 성분특성을 구현하기 위하여 산소농도를
4%, 6%, 8%, 12%, 20%(N
2
balance)
로 조절하였다
.
일반적으로 가솔린기관에서는 크랭킹 기간을 제
외하고는
4%
이상의 산소농도를 갖기 힘들지만 본
실험에서는 합성가스를 가솔린 연료에 일정량 첨가
하여 이용할 경우 안정적인 희박연소가 가능하다는
연구보고를 바탕으로 산소농도를 높여 실험하였
다
.
7)
각각의 산소농도를 가지는 배기가스의 안정적
인 유량 공급을 위하여
200
ℓ의 서지탱크를 설치하
였으며
chopper disk
를 이용하여 실제 기관과 유사
하게 배기가스의 불규칙한 유동현상을 구현하였다
.
배기관으로 공급되는 배기가스의 유량은
2000 cc
급 가솔린기관이 크랭킹 기간에
200 rpm
으로 작동
하였을 때의 배기가스 유량과 동일한
200
ℓ
/min
로
일정하게 공급하였다
.
Yong-Seok Cho
․
Seang Wock Lee
․
Seung-Il Yang
․
Chun-Sub Song
․
Young-Joon Park
한국자동차공학회논문집 제
16
권 제
4
호
, 2008
58
Fig. 2 Injection and thermocouple point
Fig. 2
에서와 같이 합성가스가 분사된 배기가스
의 점화원으로 이용된 글로플러그는 각각의 배기분
지관이 모이는 부분인 촉매입구에 설치하였으며 최
적의 합성가스 분사위치 선정을 위하여
2
번 분지관
(IP1), 4
번 분지관
(IP2),
배기관 중심
(IP3)
과
3
번 분지
관 우측 하단
(IP4)
에서 합성가스를 분사하였고 온도
센서를 이용하여
T1~T5
의 위치에서 배기가스의 온
도를 측정하였다
.
배기관에 분사하는 합성가스는
편의를 위해 실제 개질장치를 통해 생산되는 합성
가스를 사용하지 않고
H
2
/CO/N
2
의 성분
(
체적
)
비가
26.8/22.8/50.4
인 가솔린 개질시 발생되는 합성가스
와 성분비가 유사한 모사가스를 사용하였으며
,
미
세압력 조절장치를 통하여
0.4~2.0 bar
까지
0.4 bar
단위로 합성가스의 분사압력을 조절하였다
.
또한
,
주변 환경에 의한 실험 오차를 줄이기 위해 실험 전
실내 온도를
20°C
로 일정하게 유지하였으며 글로플
러그의 작동 특성에 의해
5
초간의 예열기간 이후에
산소를 포함한 배기가스를 공급하였다
.
이후 합성
가스를 분사하여 배기가스의 온도변화를
30
초간 측
정하였고 고속카메라를 이용하여 화염을 가시화하
였다
.
3.
결과 및 고찰
3.1
분사위치에 따른 배기가스의 온도변화
촉매의 빠른 활성화를 위해서는 합성가스의 연소
가 활발하게 이루어지는 최적의 합성가스 분사위치
의 선정이 필수적이다
.
본 연구에서는
Fig. 2
와 같이
4
개의 위치에서
2 bar
의 압력으로 합성가스를 분사
하였으며
,
분사위치에 따른 배기가스의 온도변화를
확인하기 위해
5
개의 위치에서 온도를 측정하였다
.
Fig. 3 ~ 6
은
20%
의 산소농도 조건에서 합성가스
의 분사위치에 따른 배기가스의 온도변화를 나타낸
다
.
그 결과 합성가스의 점화원인 글로플러그에서
제일 멀리 위치한
IP2
에서 합성가스를 분사할 경우
가장 빠르게 온도가 상승해 합성가스 분사 이후
30
초에서는
400°C
이상의 온도를 형성하였다
.
이와 반
대로 가장 가까이 위치한
IP3
에서는 합성가스 분사
이후
30
초에서 최대
100°C
를 나타내었다
.
이는 합성
가스가 연소하기 위해서는 배기가스에 포함되어 있
는 산소와 충분히 혼합할 수 있는 일정 기간을 필요
로 하기 때문이며
,
이러한 이유로
IP2
와
IP3
에서 각
각 다른 온도 상승률을 보이는 것으로 판단된다
.
따
라서 빠른 촉매 활성화를 위해서는 합성가스와 산
소가 충분히 혼합할 수 있는 시간을 가지는
IP2
가 가
장 좋은 합성가스 분사위치로 판단된다
.
Fig. 3 Variations of exhaust gas temperature (IP1)
Fig. 4 Variations of exhaust gas temperature (IP2)
An Experimental Study on Variations of Exhaust Gas Temperature and Concentration with Synthetic Gas Combustion in Exhaust Manifold
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 4, 2008
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Fig. 5 Variations of exhaust gas temperature (IP3)
Fig. 6 Variations of exhaust gas temperature (IP4)
3.2
분사압력에 따른 배기가스의 온도변화
가솔린을 수소를 포함한 합성가스로 개질하기 위
해서는 개질장치의 예열시간이 필요하다
.
그래서
향후 냉간시동 조건에서 배기관에 합성가스를 분사
하기 위해서는 합성가스를 일정량 저장할 필요성이
있다
.
따라서 냉간시동 조건에서 배기관에 분사하
는 합성가스의 분사압력은 합성가스를 저장하는 공
간의 크기에 영향을 미치는 중요한 변수로 작용하
게 된다
. Fig. 7
은 합성가스 분사위치
IP2
에서 배기
가스의 산소농도를
20%
로 유지하였을 때 합성가스
의 분사압력에 따른 배기가스의 온도변화를 나타낸
다
.
그 결과 합성가스의 분사압력이 증가할수록 배
기가스에 포함되어 있는 일정량의 산소와 반응하는
합성가스가 증가하여 배기가스의 온도가 더욱 빠르
게 상승하는 것을 확인하였다
.
이러한 온도 상승은
냉간시동 조건에서 촉매를 빠르게 활성화 할 수 있
Fig. 7 Variations of exhaust gas temperature with changes in
injection pressure
지만
,
냉간시동 조건에서 사용되는 다량의 합성가
스는 개질장치의 활성화 이전에 공급되므로 합성가
스의 저장 공간 문제를 초래할 수 있다
.
또한
,
산소
농도가
20%
인 기관의 운전영역은 크랭킹 기간을 제
외하고 존재하지 않기 때문에 실제 기관에
ESGI
기
술을 적용하기 위해서는 산소농도와 촉매의 활성화
를 위해 배기관에 분사하는 합성가스의 분사압력에
대한 적절한 조절이 필수적이다
.
3.3
산소농도에 따른 배기가스의 온도변화
배기관에 분사한 합성가스의 연소특성은 배기가
스에 존재하는 산소농도에 의해 결정된다
. Fig. 8
은
IP2
위치에서
2 bar
의 압력으로 합성가스를 분사하
였을 때 산소농도에 따른 배기가스의 온도변화를
나타낸다
.
그 결과 산소농도가 가장 낮은
4%
조건에
서는 배기관에 분사한 합성가스가 연소하기 위해
필요한 최소한의 산소량이 형성되지 않기 때문에
온도 상승은 없는 것으로 나타났다
. 4%
산소농도를
제외한
6%, 8%, 12%
그리고
20%
의 산소농도에서는
배기관에 분사한 합성가스의 연소를 위한 산소농도
가 형성되어 합성가스의 연소에 의한 온도 상승효
과를 얻을 수 있다
. Fig. 8
에서는
6%, 8%, 12%
로 산
소농도가 증가함에 따라서 반응하는 합성가스의 증
가로 온도가 상승하지만
12%
와
20%
의 산소농도에
서는 온도의 변화가 크게 나타나지 않는다
.
이는
2
bar
로 분사되는 합성가스와 반응할 수 있는 산소량
이 산소농도
12%
에서 충분히 형성되기 때문이다
.
조용석․이성욱․양승일․송춘섭․박영준
한국자동차공학회논문집 제
16
권 제
4
호
, 2008
60
Fig. 8 Variations of exhaust gas temperature with changes in
O2 volume fraction (%)
결론적으로 배기관에 분사되는 합성가스의 연소
를 위해서는 배기가스에 존재하는 산소의 농도가
중요한 변수로 작용하게 된다
.
그래서
ESGI
기술을
실제 기관의 냉간시동 조건에 적용하기 위해서는
안정적인 희박연소를 통해 높은 산소농도를 형성하
는 것이 중요하다
.
3.4
배기가스 농도변화
합성가스를 기관의 연료로 이용하면 합성가스의
연료적 특성으로 인해 냉간시동 조건에서 배출되는
유해배출물을 다량으로 저감시킬 수 있지만
THC
와
NO
x
에 비해
CO
의 저감률은 상대적으로 작다
.
8)
그
래서 추가적인
CO
의 저감 방법이 필수적이다
.
본 연
구에서는
ESGI
기술을 통해 촉매의 빠른 활성화뿐
만 아니라
CO
를 추가적으로 저감시키고자 하였다
.
Fig. 9
는 산소농도
20%
에서 합성가스의 분사위치
변경에 따른
CO
2
와
O
2
의 농도변화를 나타낸다
.
그
결과
Fig. 3 ~ 6
에서 나타난 온도변화와 마찬가지로
합성가스와 산소의 혼합이 가장 활발한
IP2
위치에
서
CO
2
의 발생량이 가장 크게 나타났으며 이에 따
른
O
2
의 감소량도 가장 크게 나타났다
.
그리고 합성
가스에 포함되어 있는 수소의 연소에 의해
CO
2
발
생량에 비해
O
2
의 감소량이 크게 나타났다
.
Fig. 10
은 합성가스와 산소의 혼합기간이 가장 긴
IP2
의 위치에서 배기관으로 공급되는 산소농도의
변화에 의한
CO
2
와
O
2
의 농도변화를 나타낸다
.
산
소농도가
6, 8, 12, 20%
로 증가하면 합성가스와 반응
Fig. 9 Variations of CO2 and O2 concentration with changes
in injection point
Fig. 10 Variations of CO2 and O2 concentration with O2
volume fraction (%)
하는
O
2
량의 증가로 인해 원활한 화학반응이 이루
어져
CO
2
의 발생량은 증가하고 잔류하는 산소량은
감소하게 된다
. Fig. 9
의 결과와 마찬가지로
CO
에
비해 가연성이 좋은
H
2
와의 연소과정으로 인해
CO
2
의 발생량보다
O
2
의 농도가 더 크게 감소한다
.
3.5
합성가스 연소 가시화
각각의 제어변수에 의한 합성가스의 연소특성을
파악하기 위하여 실제 기관의 촉매위치에 유리면으
로 제작된 가시화장치를 설치하여 합성가스의 연소
화염형상을 가시화하였다
. Photo. 1
은 산소농도
20%
에서 합성가스의 분사압력과 분사위치의 변경
에 따른 연소형상을 가시화하여 나타내었다
.
동일
한 분사위치에서 합성가스를 분사하면 합성가스의
분사압력이 높아질수록 화염의 강도가 강하게 나타
배기관에서의 합성가스 연소에 따른 배기가스 온도 및 농도 변화에 관한 실험적 연구
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 4, 2008
61
Photo. 1 Thermo intensity images of synthetic gas combus-
tion in exhaust manifold (20% O2)
나는 것을 확인할 수 있다
.
이는
Fig. 7
에 나타난 온
도 결과와 동일한 합성가스의 연소특성으로 합성가
스의 분사압력이 증가함에 따라 연소에 이용되는
합성가스의 양이 증가해 높은 화염강도를 나타내는
것이다
.
또한
,
동일한 분사압력 조건에서 합성가스
의 분사위치에 따라 화염이 형성되는 위치는 합성
가스와 산소가 충분히 혼합할 수 있는
IP2
에서 가장
먼저 화염이 형성되며 합성가스와 산소가 혼합할
수 있는 기간이 짧은
IP3
에서는 화염이 늦게 형성된
다
.
실제 기관에서는 리그장치가 아닌 촉매가 위치
하고 있기 때문에 열화작용을 막기 위해서는 촉매
바로 전단에서 화염이 형성되는 것이 좋다
.
그래서
Fig. 3 ~ 6
에 나타난 합성가스의 분사위치에 따른 온
도 상승 결과와 더불어 빠른 촉매의 활성화를 위해
서는
IP2
에서 합성가스를 분사하는 것이 가장 효율
적임을 보여준다
.
Photo. 2 Thermo intensity images of synthetic gas combus-
tion in exhaust manifold (IP2)
Photo. 2
는 합성가스 분사위치
IP2
에서 산소량과
합성가스의 분사압력의 변경에 따른 연소형상을 가
시화하여 나타낸 것으로 합성가스의 분사압력이
2
bar
로 동일한 조건에서 산소농도가
12%
와
20%
일
때 비슷한 화염강도를 나타내고 있다
.
이는
Fig. 8
에
서 나타난 온도 상승 결과와 더불어
ESGI
기술을 통
한 빠른 촉매의 활성화를 실현하기 위해서는 일정
량의 산소가 필요하다는 것을 나타낸다
.
4.
결 론
리그장치를 통해 유동이 존재하는 배기관에서 합
성가스의 연소효과를 파악하였으며
,
다음과 같은
결론을 얻었다
.
1)
합성가스와 산소의 혼합이 가장 용이한
IP2
에서
합성가스를 분사할 경우 가장 빠르고 높은 배기
Yong-Seok Cho
․
Seang Wock Lee
․
Seung-Il Yang
․
Chun-Sub Song
․
Young-Joon Park
한국자동차공학회논문집 제
16
권 제
4
호
, 2008
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가스 온도를 형성하며
,
산소농도와 합성가스 분
사 압력에 대한 적절한 제어가 필수적이다
.
2)
가솔린기관에서
4%
의 산소농도를 형성하는
λ
=1
에서는 합성가스의 연소가 이루어지지 않기
때문에 실제 기관에서 합성가스를 이용한 빠른
촉매의 활성화를 실현하기 위해서는 공연비 제
어가 필수적이다
.
3)
합성가스와 산소의 혼합이 가장 용이한
IP2
에서
적절한 산소농도와 합성가스 분사압력의 제어
를 통해 합성가스에 포함되어 있는
CO
를
CO
2
로
산화시켜
CO
를 추가적으로 저감시킬 수 있다
.
4)
연소형상의 가시화를 통해 합성가스 분사위치
와 산소농도에 따른 화염 형성위치와 화염강도
를 파악하여 합성가스와 산소의 혼합이 가장 용
이한 최적의 분사위치
IP2
에 대해 검증하였다
.
5)
리그 실험을 통해 실제 기관의 냉간시동 조건에
서 합성가스의 연소를 통한 배기가스 온도 상승
으로 촉매의 빠른 활성화를 예측하였다
.
후 기
본 연구는 산업자원부 에너지자원 기술개발
“
중
소형
LPG
상용차 개발
”
사업 및 교내 우수연구센터
의 사업의 지원으로 수행되었으며
,
이에 감사드립
니다
.
References
1) L. Bromberg, D. R. Cohn, A. Rabinovich and
N. Alexeev, “Experimental Evalution of SI
Engine Operation Supplemented by Hydrogen
Rich Gas from a Compact Plasma Boosted
Reformer,” SAE 2000-01-2206, 2000.
2) S. Dunn, “Hydrogen Futures: Towards a Sus-
tainable Energy System,” Int. J. of Hydrogen
Energy, Vol.27, pp.235- 264, 2002.
3) J. Scott MacDonald, “Evaluation of the Hydro-
gen Supplement Fuel Concept with Experi-
mental Multicylinder Engine,” SAE 760101,
1976.
4) J. E. Kirwan, A. A. Quader and M. J. Grieve,
“Fast Start-Up On-Board Gasoline Reformer
for Near Zero Emissions in Spark-Ignition
Engines,” SAE 2001-01-1011, 2001.
5) N. Metz(BMW Group), “Hydrogen- The Al-
ternative Fuel for Future Powertrain,” FISITA,
World Automotive Congress, 2002.
6) D. S. Kim, C. R. Kim, Y. S. Lee, J. Y. Joo, M.
S.Han and Y. S. Cho, “Measurement and
Numerical Analysis of Flow distribution in a
Close-Coupled Catalyst Converter,” Spring Con-
ference Proceedings, Vol.I, KSAE, pp.415-421,
1997.
7) T. H. Cho, C. H. Kim and J. T. Lee, “A
Realization of Lean Burn by Hydrogen
Supplement in Spark Ignition Engine,” Fall
Conference Proceedings, KSAE, pp.169-174,
1993.
8) C. G. Kim, K. Y. Kang, C. S. Song and Y. S.
Cho, “An Experimental Study on Reductions of
Idle Emissions with the Syngas Assist in an SI
Engine,” Transactions of KSAE, Vol.15, No.3,
pp.174-182, 2007.
