암모니아 혼소 내연기관 기술 및 성능 분석

문서 내 토픽

1. 암모니아 연료의 특성 및 장단점

암모니아는 무탄소 에너지원으로 연소 시 물과 질소산화물만 배출하며, 기존 인프라를 활용한 수송과 저장이 용이하다. 그러나 고무, 플라스틱, 구리와 반응하여 부식시키고, 가솔린 대비 느린 화염전파속도와 낮은 발열량을 가지며, 생산단가가 높다는 단점이 있다.
2. 암모니아-가솔린 혼소 엔진의 연소 특성

암모니아 혼소 비율 증가에 따라 점화시기는 진각되어야 하며, 암모니아의 연소속도는 가솔린의 1/6 정도로 느리다. 혼소비율 0.6~0.7 구간까지는 토크가 유지되지만, 0.7 이상에서 급격한 토크 감소가 발생한다. 혼소 비율 증가에 따라 연소압력의 피크점은 점차 감소한다.
3. 암모니아 혼소에 따른 배기 특성

혼소비율 0.7 기준으로 탄화수소는 약 절반 감소하고, 이산화탄소와 일산화탄소도 감소한다. 질소산화물은 가솔린 연소 시와 유사한 배출량을 보인다. 엔진 부하가 증가할수록 암모니아의 연소율이 떨어져 암모니아 슬립이 증가한다.
4. 암모니아 동력 기술의 역사적 발전

19세기 후반 루돌프 디젤이 암모니아 증기를 이용한 열효율 연구를 시작했으며, 1933년 노르웨이에서 암모니아 연료 트럭이 개발되었다. 2007년 미시간 대학에서 암모니아-가솔린 혼소 엔진 차량을 개발했고, 2013년 한국에너지기술연구원에서 연료의 70%를 액상 암모니아로 대체하는 '암비(AmVeh)'를 개발했다.

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1. 암모니아 연료의 특성 및 장단점

암모니아는 탄소를 포함하지 않아 연소 시 CO2를 배출하지 않는 친환경 연료로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 높은 에너지 밀도와 상온에서 액화 가능한 특성은 저장과 운송을 용이하게 합니다. 그러나 독성, 부식성, 낮은 연소 속도 등의 문제가 있어 기존 엔진 개조가 필요합니다. 또한 암모니아 생산 과정에서 에너지 소비가 크고, 연소 시 NOx 배출 증가 문제를 해결해야 합니다. 이러한 기술적 과제들이 해결된다면 암모니아는 탈탄소화 시대의 중요한 에너지원이 될 수 있을 것으로 판단됩니다.
2. 암모니아-가솔린 혼소 엔진의 연소 특성

암모니아-가솔린 혼소는 암모니아의 낮은 연소 속도 문제를 가솔린의 높은 연소 속도로 보완하는 효과적인 방식입니다. 혼소 비율에 따라 연소 온도와 압력이 변화하며, 적절한 비율 조정으로 엔진 성능을 유지하면서 배출가스를 감소시킬 수 있습니다. 다만 혼소 비율이 높아질수록 점화 지연 및 불완전 연소 위험이 증가하므로, 정밀한 연소 제어 기술이 필수적입니다. 현재 연구에서는 점화 시스템 개선과 연료 분사 기술 최적화를 통해 연소 효율을 높이려는 노력이 진행 중입니다.
3. 암모니아 혼소에 따른 배기 특성

암모니아 혼소는 CO2 배출을 크게 감소시키는 장점이 있으나, NOx 배출 증가라는 새로운 과제를 야기합니다. 암모니아 연소 시 고온에서 질소가 산화되어 NOx가 생성되기 때문입니다. 혼소 비율이 높을수록 이 경향이 두드러지므로, 선택적 촉매 환원(SCR) 등의 후처리 기술이 필수적입니다. 또한 미연소 암모니아(NH3 slip) 문제도 해결해야 합니다. 종합적으로 암모니아 혼소의 환경 이점을 극대화하려면 배기 처리 기술의 동시 발전이 필수적입니다.
4. 암모니아 동력 기술의 역사적 발전

암모니아는 20세기 초부터 연료로서의 가능성이 인식되었으나, 석유 기반 에너지의 확산으로 개발이 중단되었습니다. 최근 기후변화와 탄소중립 목표 달성의 필요성으로 암모니아 연료 기술이 재조명되고 있습니다. 일본, 한국, 유럽 등에서 암모니아 혼소 엔진 연구가 활발히 진행 중이며, 해운 산업에서도 암모니아 연료 도입을 추진하고 있습니다. 이러한 역사적 흐름은 에너지 패러다임 전환의 필연성을 보여주며, 암모니아 기술의 상용화는 향후 에너지 산업의 중요한 이정표가 될 것으로 예상됩니다.