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목차
요약문 5
SUMMARY 8
제1장 연구개발과제의 개요 13
제1절 연구개발의 목표 및 내용 13
1. 연구개발의 최종목표 13
2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 13
제2절 연구개발의 필요성 및 경제ㆍ사회ㆍ기술적 중요성 15
1. 연구 필요성 15
2. 연구 중요성 17
가. 기술적 중요성 17
나. 경제ㆍ산업적 중요성 18
다. 사회ㆍ문화적 중요성 18
제2장 국내외 기술개발 현황 19
제1절 선행연구 동향 19
1. 대형 상용 및 비도로 부분 19
2. 선박 부분 21
제2절 산업동향 23
1. On-road 용 23
2. Off-road 용 25
3. 선박용 28
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 31
제1절 대형엔진 시험평가시스템 구축 31
제2절 선박엔진 De-NOx용 Solid SCR 시스템 개발 43
1. 주요부품개발 43
2. 소형 시제품이용 feasibility 시험결과 53
3. 1 MW급 실 선박엔진 적용 시제품 설계 및 제작 53
4. 결론 60
제3절 100kW급 엔진 배기열 처리 시스템 개발 60
1. 대형엔진 배기열 처리 시스템 비교, 검토 및 선정 60
2. 저온 Rankine Cycle 기술 64
3. 엔진 배기열 이용 Rankine cycle 시스템 해석 67
4. 엔진 배기열 이용 Organic Rankine cycle 시스템 구성 70
5. 대상 엔진 운전조건에서 ORC 시스템 운전 특성 시험 75
6. 차량용 엔진 폐열 회수 동력시스템에서 용적형 팽창기의 설계 팽창비 최적화 80
7. 엔진 폐열을 이용하여 ORC 출력을 최대로 하기 위한 시스템 구성 방안 85
제4절 정전 PM여과 장치 개발 98
1. 건설기계용 정전 PM여과 장치 개발 98
제5절 선박용 SOx/NOx 동시 저감 장치 개발 106
1. 선박배출 SOx/NOx 동시 저감 건습식 저온 산화/환원 기술 적용성 평가 연구 106
2. 오존/연 X-선을 이용한 de-NOx 실험 120
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 128
제1절 당해연도 연구성과 128
1. 정량적 성과 128
2. 기술적 성과 및 실용화 성과 128
3. 특허 및 논문 성과 129
제5장 연구개발결과의 활용계획 135
제1절 기대성과 135
1. 기술적 성과 135
2. 경제 산업적 측면 136
제2절 활용방안 137
제6장 참고문헌 139
그림 1-1. 사업 개요 13
그림 1-2. 연구의 필요성 15
그림 2-1. 21st Century Truck partnership logo 19
그림 2-2. MIT Plasma Science and Fusion Center의 탈질 장치를 장착한 버스 20
그림 2-3. 질소산화물 저감 시스템 (MAN Diesel, WARTSILA 社) 21
그림 2-4. 황산화물 저감 시스템 (MAN Diesel, WARTSILA 社) 22
그림 2-5. 입자상물질 저감 시스템(hug engineering's DPF system) 23
그림 2-6. Blue Tec기술이 적용된 벤츠사의 악트로스 엔진 24
그림 2-7. 미래 건설기계의 기술 전망 27
그림 2-8. 세계 주요 건설기계업계의 M&A 현황 27
그림 2-9. 대형 선박용 엔진 29
그림 3-1. 엔진실험 장치 구성도 31
그림 3-2. 2CH 분석계 배치도 32
그림 3-3. 3점 측정을 위한 배출가스 분석계 배치도 32
그림 3-4. 성능평가 시스템 구성도 및 실제 시스템 사진 36
그림 3-5. Operating principle of FT_IR spectroscopy 39
그림 3-6. 구축된 FT-IR 시스템 사진 및 측정 개요도 40
그림 3-7. D4GA 엔진 및 구축된 시험평가장비를 이용하여 각 시험모드를 최종 평가한 결과보고서 42
그림 3-8. 본 연구에서 개발된 SAAD용 주요 부품 44
그림 3-9. 도징밸브 내부 구성 및 특징 45
그림 3-10. 도징밸브 내부 구성품 부식특성 평가 47
그림 3-11. 도징밸브 작동 PWM duty에 따른 암모니아 분사량(암모늄카보네이트 사용, 도징밸브 직경 0.5mm, Peak current 3A, Hold current 1A, frequency 10Hz, regulator outlet pressure는 2bar) 48
그림 3-12. 레귤레이터 단면도 49
그림 3-13. 레귤레이터 성능시험 장치구성 50
그림 3-14. Solid SCR 시스템 제어 프로그램 구성 51
그림 3-15. 제어시스템 구성도 52
그림 3-16. 소형시제품 사진 및 feasibility 시험결과 53
그림 3-17. 선박용 Solid SCR 시스템 구성도 54
그림 3-18. Sub Reactor 구성 및 작동원리 55
그림 3-19. Dosing Module 구성도 56
그림 3-20. 실선박 엔진 배기관에 설치된 Solid SCR 시제품 56
그림 3-21. 본 연구에 사용된 선박용 Solid SCR 시스템용 도징모듈 57
그림 3-22. 도징모듈 예열 특성 57
그림 3-23. 시험 중 반응기 압력 및 온도의 변화(900rpm-50% load) 58
그림 3-24. 시험 종료 후 도징모듈-도징밸브 각 부의 사진 59
그림 3-25. 시험 종료 후 도징모듈-레귤레이터 각 부의 사진 59
그림 3-26. 열전소자의 원리 61
그림 3-27. 트럭 엔진 폐열 회수를 위한 열전소자 시스템 개략도 61
그림 3-28. Mechanical turbo compound system (Scania) 62
그림 3-29. Electrical Turbo compound 기술 63
그림 3-30. 차량 폐열 회수를 위한 Rankine steam cycle 시스템 구성도 (BMW) 63
그림 3-31. Rankine steam cycle 실차 적용 모습 64
그림 3-32. Ideal Rankine steam cycle analysis 65
그림 3-33. Ideal Rankine R245fa cycle analysis 66
그림 3-34. 냉매 물성치 프로그램: NIST Refprop 7.1 68
그림 3-35. 다양한 작동유체에 따른 열전달/마찰계수 비교 69
그림 3-36. 부하변동에 대한 각 작동유체별 열역학 사이클 해석 결과 69
그림 3-37. 엔진- ORC 연계 시스템 구성 및 제어 인자 71
그림 3-38. 상용 스크롤 공기 압축기 72
그림 3-39. 스크롤 팽창기 작동 원리 72
그림 3-40. 열매체 오일 이용 배기열회수 간접 열교환 72
그림 3-41. 제작된 엔진배기열 회수용 Micro Shell & Tube 열교환기 73
그림 3-42. 엔진적용 ORC 시스템 74
그림 3-43. ORC 시스템 엔진배기열 적용 74
그림 3-44/그림 3-45. 스크롤 팽창기 오일분사 및 분리시스템 구성도 74
그림 3-45/그림 3-46. 스크롤 팽창기 오일분사 및 분리시스템 구성 75
그림 3-46/그림 3-47. 팽창기내 오일분사에 따른 팽창기 입구 압력 및 토크 상승 75
그림 3-47/그림 3-48. ORC 시스템 최적 운전 조건에서 출력 및 효율 76
그림 3-48/그림 3-49. 팽창기 회전수에 따른 팽창기 입구 압력 및 온도 78
그림 3-49/그림 3-50. 팽창기 회전수에 따른 출력 및 열효율 78
그림 3-50/그림 3-51. 팽창기 회전수에 따른 열회수 열량 78
그림 3-51/그림 3-52. 냉매 유량에 따른 팽창기 입구 압력 및 온도〉 79
그림 3-52/그림 3-53. 냉매 유량에 따른 출력 및 열효율 79
그림 3-53/그림 3-54. 냉매 유량에 따른 열회수 열량 80
그림 3-54/그림 3-55. Expansion process in pressure-volume diagram((a) under-expansion and (b) over-expansion) 81
그림 3-55/그림 3-56. ORC 사이클에서 압력비에 따른 유효 팽창효율 83
그림 3-56/그림 3-57. Two-Loop 방식의 엔진 폐열 회수 동력 시스템 구성 85
그림 3-57/그림 3-58. 고온 (Water) 사이클 운전조건 및 출력 86
그림 3-58/그림 3-59. 저온 (R134a) 사이클 운전조건 및 출력 86
그림 3-59/그림 3-60. 다양한 시스템 구성의 One-Loop 방식 엔진 폐열 회수 ORC 시스템(위로부터 a, b, c) 87
그림 3-60/그림 3-61. 엔진 냉각수열과 배기열로부터 최대 동력을 회수하는 ORC 시스템구성안 88
그림 3-61/그림 3-62. 엔진 냉각수열과 배기열로부터 최대 동력을 회수하는 ORC 최적화 조건(작동유체: R134a) 89
그림 3-62/그림 3-63. 냉매유량이 최적유량으로 제어될 경우 90
그림 3-63/그림 3-64. 냉매유량이 최적유량보다 작을 경우 90
그림 3-64/그림 3-65. 냉매유량이 최적유량보다 클 경우 91
그림 3-65/그림 3-66. 엔진 냉각수열이 배기열과 같을 경우 91
그림 3-66/그림 3-67. 엔진 냉각수열이 배기열보다 클 경우 92
그림 3-67/그림 3-68. 엔진 냉각수열이 배기열보다 작을 경우 92
그림 3-68/그림 3-69. 엔진 EGR열과 인터쿨러열을 동시에 활용할 경우 93
그림 3-69/그림 3-70. 배기열 회수 열교환기 93
그림 3-70/그림 3-71. 배기열 회수열교환기 구성 93
그림 3-71/그림 3-72. 고효율 One Loop 방식 ORC 시스템구성도 94
그림 3-72/그림 3-73. 고효율 One Loop 방식ORC 시스템 장치 구성 94
그림 3-73/그림 3-74. 별도의 스팀보일러가 추가된 고효율 One Loop 방식 ORC 시스템 구성도 95
그림 3-74/그림 3-75. 별도의 스팀보일러가 추가된 고효율 One Loop 방식 ORC 시스템 구성 95
그림 3-75/그림 3-76. 팽창기 회전속도에 따른 각 부분에서 냉매의온도 변화 97
그림 3-76/그림 3-77. 팽창기 회전속도에 따른 열입력 및 ORC 출력변화 98
그림 3-77/그림 3-78. 팽창기 회전속도에 ORC 출력 및 사이클 효율변화 98
그림 3-78/그림 3-79. 최적화 방전극 및 foam 필터 제작 모습 99
그림 3-79/그림 3-80. 상온 및 디젤엔진 배기가스를 이용한 최적화 성능 평가 시스템 구축 모습 100
그림 3-80/그림 3-81. 상온 및 디젤엔진 배기 가스를 이용한 최적화 성능 평가 종합 결과 100
그림 3-81/그림 3-82. W급 E-metal 필터용 소형 파워팩 시제품 제작 모습 101
그림 3-82/그림 3-83. ESC 및 ETC 모드 운전 조건 102
그림 3-83/그림 3-84. Steady(ESC) 및 Transient(ETC) 성능 평가 개략도 및 셋팅 모습 102
그림 3-84/그림 3-85. (주)알란텀 metal foam 필터 결합 모델 ESC 모드 운전 결과 종합 103
그림 3-85/그림 3-86. (주)알란텀 metal foam 필터 결합 모델 ETC 모드 운전 결과 종합 103
그림 3-86/그림 3-87. (주)화이버텍 metal Fiber 필터 결합 모델 및 ETC 모드 운전 결과 종합 104
그림 3-87/그림 3-88. E-metal 필터 장시간 연속 운전성 평가 결과 105
그림 3-88/그림 3-89. 재생형 E-metal 필터 시제품 설계 및 제작 모습 106
그림 3-89/그림 3-90. 재생형 E-metal 필터 시제품 재생 평가 시스템 구축 모습 및 BPT 실험 결과 106
그림 3-90/그림 3-91. IMO Tier 선박 배가스 규제 동향 107
그림 3-91/그림 3-92. 선박용 연료 황함유량 별 사용 현황 107
그림 3-92/그림 3-93. 오존 발생기 및 혼합기 제작 도면 및 모습, Max. 100g/h, 1.5 kW, 25L/min 108
그림 3-93/그림 3-94. NaClO 산화스크러버 제작 도면 및 모습, NaClO 15%, NaOH 0.4%, 50L/min 109
그림 3-94/그림 3-95. 플라즈마 반응기 모습, Max 2.0 kW 109
그림 3-95/그림 3-96. 환원스크러버 제작 도면 및 제작 모습 110
그림 3-96/그림 3-97. 저온 산화/환원기술 성능 평가 시스템 구축 모습 110
그림 3-97/그림 3-98. NOx 저온 산화/환원 기술 비교 분석 결과 종합 112
그림 3-98/그림 3-99. 오존농도별 산화 효율 및 오존 발생기 시스템 전력 소모 최소화 개선 모습 112
그림 3-99/그림 3-100. 환원 스크러버 최적화 성능 평가 시스템 개략도 및 구축 모습 112
그림 3-100/그림 3-101. 환원 스크러버 환원제 종류별 가스 제거 성능 비교 분석 113
그림 3-101/그림 3-102. 환원 스크러버 환원제 종류별 환원성능 변화 원인 분석 결과 113
그림 3-102/그림 3-103. Na₂S 환원 스크러버 최적화 실험 결과 및 최적 설계치 114
그림 3-103/그림 3-104. 오존 산화 및 Na₂S 환원 스크러버 복합 시스템 및 엔진 연결 성능 평가 시스템 구축 모습 115
그림 3-104/그림 3-105. 120℃, ~100 ppm에서의 오존 산화 및 Na₂S 환원 스크러버 복합 시스템 성능 평가 결과 115
그림 3-105/그림 3-106. ~250℃, ~250 ppm에서의 오존 산화 및 Na₂S 환원 스크러버 복합 시스템 성능 평가 결과 116
그림 3-106/그림 3-107. 250 Nm³/hr급 해수 스크러버 제작 모습 및 SOx 제거 성능 실험 결과 116
그림 3-107/그림 3-108. 250 Nm³/hr급 해수 및 청수(NaOH 공급수) 스크러버 SOx 저감 성능 결과 및 Scale up 설계 자료 확보 117
그림 3-108/그림 3-109. 2,000 Nm³/hr급 Bunker C유 보일러용 스크러버 설계 및 P&ID 도면 118
그림 3-109/그림 3-110. 2,000 Nm³/hr급 Bunker C유 보일러용 스크러버 본체 및 성능 평가 시스템 119
그림 3-110/그림 3-111. 2,000 Nm³/hr급 Bunker C유 보일러용 SOx 스크러버 성능 평가 결과 119
그림 3-111/그림 3-112. 2,000 Nm³/hr 이상급 SOx 스크러버 자동 설계 프로그램 120
그림 3-112/그림 3-113. 오존/연 x-선을 이용한 de-NOx 실험장치 구성도 121
그림 3-113/그림 3-114. 오존 및 연 x-선용 반응 쳄버(전체길이: 30 cm, 직경: 7.6 cm) 121
그림 3-114/그림 3-115. 기타 장치 122
그림 3-115/그림 3-116. 시간에 따른 연X-선 발생특성. 123
그림 3-116/그림 3-117. 연 x-선의 조사시간과 출력에 따른 NOx 제거 특성 123
그림 3-117/그림 3-118. 출력에 따른 오존 발생농도 124
그림 3-118/그림 3-119. 오존농도에 따른 질소산화물 농도(초기 NOx 농도: 200 ppm) 124
그림 3-119/그림 3-120. 오존농도에 따른 질소산화물 농도(초기 NOx 농도: 300 ppm) 125
그림 3-120/그림 3-121. 오존농도에 따른 질소산화물 농도(초기 NOx 농도: 400 ppm) 125
그림 3-121/그림 3-122. 오존/NOx 당량비에 따른 NOx제거 특성. 126
그림 3-122/그림 3-123. 단위 유량당 전력 소비량에 따른 NOx제거 특성. 126
그림 3-123/그림 3-124. 높은 오존/NOx 당량비에서 NOx제거 특성. 127
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