비즈니스 기회
암모니아 동력 엔진
운송 부문에서 전기 자동차(EV)로의 극적인 변화를 목격했지만 수소를 깨끗하고 효율적인 운송 연료로 사용하는 아이디어는 수십 년 동안 연구되어 왔습니다. 이들 차량은 연소 시 수분을 배출하며, 기존 엔진 차량 생산을 기반으로 하기 때문에 전기차보다 제조 탄소 발자국이 적을 것으로 예상됩니다.
그러나 수소를 저장하고 운송하려면 에너지 집약적인 공정인 고압과 저온이 필요합니다. 이를 해결하기 위해 암모니아는 연료전지 또는 연소 엔진용 수소의 잠재적 운반체로 간주되어 왔습니다. 그러나 암모니아는 연소하기 어려운 연료이며 효율적인 연소를 위해 휘발유와 혼합해야 합니다.
2019년부터 上智大 과학기술학부 공학응용과학부의 Mitsuhisa Ichiyanagi 교수는 Emir Yilmaz 및 Takashi Suzuki와 함께 암모니아를 독립형 연료로 사용할 수 있는 엔진 설계에 매진하고 있습니다.
그들의 작업은 보다 효율적인 연소를 위해 엔진 실린더 내부의 공기와 연료의 혼합을 향상시키는 흡기 포트 개방 조건에 중점을 둡니다. Energies 저널에 발표된 연구에서 연구원들은 엔진 실린더 내에서 소용돌이치는 흐름 조건을 형성할 수 있는 흡기 포트 개방 조건을 결정했습니다.
"실린더 내부의 공기 흐름은 공기-연료 혼합 현상에 영향을 미쳐 연소 및 배기 가스에 큰 영향을 미칩니다"라고 Ichiyanagi 교수는 말합니다. "암모니아만 연소하는 것을 목표로 우리는 기본적으로 엔진의 흡기 시스템과 실린더 내부의 흐름 사이의 관계를 조사했습니다."
소용돌이 흐름은 엔진의 실린더로 들어가는 공기-연료 혼합물의 소용돌이와 같은 패턴을 나타냅니다. 이는 공기와 연료의 더 나은 혼합을 촉진하여 보다 균질한 혼합물을 생성하여 연소를 개선하고 배기 가스를 줄이기 때문에 유리합니다. 연구원들은 유리 실린더와 피스톤이 있는 광학 단일 실린더 디젤 엔진에서 조사를 수행했습니다.
연구진은 엔진의 공기 흐름을 시각화하기 위해 흡기 행정 중 직경 4.65μm의 실리카 입자를 추적자로 도입하고 고속 CMOS 카메라로 엔진 내 움직임을 모니터링했습니다. 나선형 포트를 통해 유입되는 공기는 소용돌이 패턴으로 발달하는 반면, 접선 포트에서 유입되는 공기는 처음에는 소용돌이 구조를 생성하지 않습니다. 그러나 원통 벽에 의해 방향이 바뀌면 결국 소용돌이 구조가 생성되었습니다.
초기 실험에서 연구원들은 다양한 나선형 포트 개구부에서 공기 흐름 속도가 비교적 일정하게 유지되는 것을 관찰했습니다. 따라서 헬리컬 포트를 완전히 열어 둔 상태에서 접선 포트의 개방을 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%로 변경하여 흡기 및 압축 행정 동안 흡기 및 실린더 내 흐름에 미치는 영향을 확인했습니다.
연구원들은 접선 포트의 개방이 25% 이상일 때 압축 행정의 초기 단계에서 소용돌이 흐름이 성공적으로 생성된다는 점에 주목했습니다. 소용돌이 흐름의 형성은 흡기 행정 동안 난류 운동 에너지의 낮은 분산 및 압축 행정 동안 소용돌이 중심 위치의 낮은 분산과 상관 관계가 있는 것으로 관찰되었습니다.
실린더의 소용돌이 흐름을 관찰하면 엔진에서 효율적인 암모니아 연소의 문이 열립니다. 연구원들은 이 연구의 결과를 적용하여 암모니아-가솔린 혼합물 또는 엔진의 암모니아만 연소 특성을 조사할 계획입니다.
암모니아 연료 차량이 현실화되기 전에 극복해야 할 과제가 있지만 이 연구는 현재와 미래의 탈탄소화 목표를 달성할 수 있는 가능성을 제시합니다.
이상의 기사는 2024년 3월 5일 Techxplore에 게재된 “Ammonia-powered engines: A path to cleaner and more efficient transportation”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 추가 정보 : https://www.mdpi.com/1996-1073/16/24/8110
* 정보 출처 : https://techxplore.com/news/2024-03-ammonia-powered-path-cleaner-efficient.html