연료를 덕트 방식으로 사용하는 이유

이미지 출처: Dedmityay/Dreamstime

작성자: Roger Brereton, Pailton Engineering

게시일: 2023년 5월 19일 금요일

분젠 버너에서 영감을 받은 새로운 발명품은 상업용 운송에 중요한 영향을 미치면서 보다 깨끗한 디젤을 추구하는 데 획기적인 발전을 가져올 수 있습니다.

1800년대 디젤 발명부터 폭스바겐의 '디젤게이트' 스캔들까지 디젤과 우리의 관계 역사를 설명하는 2016년 New York Times 기사에서는 청정 디젤이라는 개념이 "모순어법"이라고 결론지었습니다.

디젤 엔진의 배기가스에는 질소산화물, 그을음 입자 등 유해한 오염물질이 포함되어 있습니다. 1990년대 후반부터 정부는 휘발유/가솔린 차량보다 환경친화적이라는 믿음으로 디젤 자동차의 활용을 장려했지만 이후 디젤 자동차는 오염 물질을 4배 이상 배출한다는 주장이 제기되었습니다.

자동차 부문의 경우 디젤 차량의 사용을 억제하는 동시에 전기 대체 차량의 활용을 가속화하는 규정을 도입하는 것이 해결책이었습니다. 그러나 상업용 차량의 경우에는 그렇게 간단하지 않습니다. 최근 몇 년 동안 디젤이 좋지 않은 평판을 받았음에도 불구하고 에너지 밀도, 신뢰성 및 내구성 측면에서 이 연료와 비교할 수 있는 것은 없습니다.

더 작고 가벼운 차량을 전기화하는 것이 한 가지입니다. 버스와 장거리 차량의 경우 디젤은 차량을 계속 움직이는 데 필요한 토크를 생성하는 데 훨씬 뛰어납니다. 이는 전기, 하이브리드 또는 수소 트럭과 버스의 생존 가능성을 배제하는 것이 아닙니다. 그러나 이러한 차량의 무게로 인해 연소 엔진에 대한 대안 개발이 더욱 까다로워지는 다양한 요구 사항이 발생합니다.

일부는 전기자동차나 수소차 개발의 어려움을 극복하는 데 주력하고 있는 반면, 다른 일부는 디젤 엔진을 더욱 깨끗하게 만드는 데 주력하고 있습니다. 전기 배터리나 수소 연료 전지로 구동되는 장거리 트럭을 상당수 볼 수 있으려면 수년이 걸리고 막대한 인프라 투자가 필요할 수 있습니다. 적어도 단기적으로는 디젤 엔진이 계속 유지된다면 배기가스 배출을 줄일 수 있는 모든 것이 지구에 큰 변화를 가져올 것입니다.

디젤 엔진이 정말로 '청정'할 수 있는지 여부는 논쟁의 여지가 있지만 상대적인 측면에서는 개선이 이루어졌습니다. 엔지니어링 혁신과 정부 규제가 결합되어 현대 디젤은 이전 모델에 비해 훨씬 더 깨끗해졌습니다. 주요 기술 개발에는 연료 분사 기술 및 배기가스 처리 시스템의 발전이 포함됩니다. 제조업체 DAF에 따르면, Euro 6 엔진을 장착한 최신 트럭의 질소산화물 배출량은 25~30년 전의 유사한 트럭보다 95% 더 낮습니다.

현재 진행 중인 엔지니어링 딜레마는 그을음과 산화질소 감소 사이의 균형입니다. 디젤 엔진은 휘발유나 휘발유 엔진에 비해 연료 효율성이 뛰어나지만 유독한 질소산화물을 배출합니다. 이를 완화하기 위해 이전 엔진 사이클에서 사용된 저산소 연소 가스가 공기 흡입구로 다시 전달됩니다. 이는 연료-공기 혼합물의 온도와 산소 농도를 감소시켜 질소 산화물의 생성을 줄입니다.

이 희석 전략의 단점은 이러한 낮은 온도에서는 모든 연료가 소비되지 않고 남은 연료가 부분적으로 연소된 탄소 또는 그을음 입자를 더 많이 생성한다는 것입니다. 따라서 엔지니어는 과도한 질소 산화물을 피할 수 있을 만큼 낮은 온도를 유지하면서 디젤을 최대한 완전하게 연소하는 방법을 찾아야 합니다.

미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)의 연소 과학자인 찰스 뮬러(Charles Mueller)는 이 문제에 대한 해결책을 찾았다고 생각합니다. 그는 분젠 버너에서 영감을 얻어 디젤 연료 인젝터에 작은 분젠 버너 굴뚝 등가물을 장착할 것을 제안합니다. 이 작은 금속 튜브는 분사기 노즐 구멍에서 짧은 거리에 설치되고 연료 흐름과 정렬됩니다. 파란색으로 연소되는 분젠 버너와 마찬가지로 이는 연료와 공기가 더 완전히 혼합되어 더 나은 연소를 제공하지만 질소 산화물 희석에 필요한 더 낮은 온도에서 이루어집니다.