産業用 디젤엔진 燃燒시스템의 脫窒技術 開發에 관한 最終報告書

Abstract

Ⅰ. 題 目 : 産業用 디젤엔진 燃燒시스템의 脫窒技術開發Ⅱ. 硏究目標 및 重要性 디젤엔진은 뛰어난 經濟性과 耐久性, 信賴性등이 優秀하고 二酸化炭素의 排出量이 적기 때문에 에너지 節約과 地球溫暖化 문제에 있어서도 바람직한 動力源으로 立證되고 있어 그 용도가 점점 확대 되고 있다.그러나 대도시에서의 大氣공해는 디젤엔진을 搭載하는 버스나 트럭이 그 주요 오염원으로 주목되고 있으며, 해가 갈수록 排氣規制가 더욱 강화되고 있어 선진국에서는 디젤엔진의 존속의 문제까지 거론되기도 한다. 그러면서도 이를 대체할 수 있는 원동기의 개발이 안되고 있어, 2000년대 이후에도 디젤엔진은 원동기로서 계속 그 용도가 발전할 것으로 확신하고 이에 따라 저 공해 연구에 많은 연구의 필요성이 제기하고 있다. 최근에는 建設機械用, 熱倂合發電用, 船舶用 등의 디젤엔진에서도 많은 汚染物質을 排出시키기 때문에 國內ㆍ外的으로 配氣規制가 施行 또는 提案되고 있다. 특히 선박용 디젤엔진은 국제기구인 IMO(International Maritime Organization) 가 2000년 1월 1일부터 시행되는 규제 안이 확정되어 이에 대한 대비를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.디젤엔진은 理論 混合比보다 稀薄한 狀態에서만 운전되고, 排氣溫度가 낮을 뿐만 아니라, Soot의 附着 및 <TEX>$SO_x$</TEX>生成問題 때문에, 디젤엔진의 후처리기술을 實用化하는데 에는 많은 어려움이 있다. 따라서 엔진자체에 의한 排出物의 大幅的인 저감이 곤란한 현단계에서는 현재 사용되고 있는 燃料에 의지하는 한, 汚染物質을 그 발생 過程인 燃燒過程에서 제어하던가 아니면 새로운 排氣 後處理 방법을 개발해야 한다.디젤엔진에서 排出되는 주요 오염물질은 一酸化炭素(CO), 未燃炭化水素(HC), 窒素酸化物(<TEX>$NO_x$</TEX>), 黃酸化物(<TEX>$SO_x$</TEX>), 매연(Soot) 등인데, 이들 중에서 HC 및 CO의 低減對策은 연료의 완전燃燒와 관련되어 出力增加와 燃料消費率의 감소를 기대할 수 있기 때문에 실용적인 여러 가지 대처방법이 개발되고 있으며, <TEX>$SO_x$</TEX>의 생성은 燃料油로부터 硫黃成分을 제거하여 억제시키고 있고, 매연은 濾過裝置를 비롯하여 Soot抑制用 燃料添加濟등의 여러 가지 방법이 硏究推進되고 있다.그런데 <TEX>$NO_x$</TEX>의 저감대책은 일반적으로 出力 저하 및 燃料所費率의 증가와 더불어 HC, CO, Soot 등의 유해排出物이 증가하기 때문에, <TEX>$NO_x$</TEX>를 디젤엔진에서 排出後에 처리하는 실용적인 방법의 개발이 간단하지는 않다.지금까지의 연구되어 오고 있는 <TEX>$NO_x$</TEX>의 低減方法이 여러 가지 방법이 있으나, 본 연구에서는 배기재순환방법(Exhaust Gas Recirculation)이 다른 방법에 비하여 그 효율이 높은 편이고 경제적이고 또 산업용으로 응용이 가장 적절하여 이를 채용한다. 특히 시스템에는 특별히 고안된 물 분사식 매연 제거장치를 이용하여 순환가스중의 soot를 제거하고 또 흡기의 냉각으로 충진효율을 증진하고 수분효과로 <TEX>$NO_x$</TEX>의 저감으로 전체시스템의 <TEX>$NO_x$</TEX>저감효과를 향상 시켜 현재의 규제기준을 만족하는 <TEX>$NO_x$</TEX>저감시스템 기술을 개발하고자 한다.III. 연구 및 활용에 대한 건의 가. 연구에 대한 건의 1) 디젤엔진의 排氣物의 許容基準 관련 자료 확보 및 有害 排氣가스의 환경영향 파악 2) 연구기간 및 연구비의 제한으로 물 분사방식 매연여과장치를 갖춘 EGR시스템기술로 <TEX>$NO_x$</TEX>의 생성억제에 소기의 목적을 달성하였으나 이후에도 <TEX>$NO_x$</TEX>저감관련 단일 기술의 조합으로 규제강화에 대비하기 위한 연구가 지속되어야 할 것 임, 이러한 관련한 연구로서 - 에멀젼연료 연소 연구 - 물 층상 분사시스템연구 - 선택적 EGR연구(이산화탄소 재순환)등의 연구를 들 수 있다. 나. 활용에 대한 건의 1) 국내 대도 권장 2) 국가 대형과제에의 低公害엔진기술 개발사업 참여(환경부과제) 3) 2000년 시행되는 선박용 디젤엔진의 <TEX>$NO_x$</TEX>배출규제를 대비한 시스템으로 활용

I. Tittle : Development for the <TEX>$NO_x$</TEX> Reduction Techniques on the Combustion System of Industrial Diesel EnginesII. The objectives and importances of the projectAs diesel engines having prominent thermal efficiency, reliability and durability and low emission characteristics of carbon dioxides than any other heat engines, therfore, the demands for applications of diesel engines as prime mover are widely and continuously increasing in view of energy conservations and global green house effects. However, exhaust emissions of particulate matters and nitrogen oxides(<TEX>$NO_x$</TEX>) are most serious in atmospheric pollution. In order for diesel engines to be more widely accepted in the future, greater efforts will be required for simultaneous reduction of such pollutants without sacrificing the thermal efficiency. However, the limit level is more and more strengthened yearly due to the importance of environmental protection.The combustion process of a diesel engines is characterized by highly turbulent diffusion flame, spreading over the combustion space. The heterogeneity of temperature and fuel concentration prevails during the main part of burning and is responsible for the formation of PM and <TEX>$NO_x$</TEX>. Soot particles might be formed in the interfaces between hot and fuel-overrich regions, and <TEX>$NO_x$</TEX> in gas pockets having higher temperature than elsewhere. Since these parts are subject to turbulent motions and mixing, the temperature and concentrations of each spot would change from time to time.In this study it is aimed to reduce the <TEX>$NO_x$</TEX> emission level of the large industrial engines in order to meet to the existing regulations by adopting EGR system with a proper water spray type soot filtering devices which will improve the volumetric efficiency of the engines and enhance the <TEX>$NO_x$</TEX> reduction by water injection effect into combustion chambers.For this Purposes, experiments were carried out to investigate the effects of the fumidified EGR system on a marine diesel engines of 4 cylinders, 4 stroke cycle, pre-chamber type diesel. And an experiment on wear characteristics were also studied using the 2 cylinder engines with each one of the intake ports introducing fresh air and the other of mixed with recirculated exhaust gas in order to compare the wear rate of the piston, cylinder etc.