디젤 대체 DME 자동차 및 발전기기술개발

한국에너지기술연구원

산업효율센터 그린수송그룹

책임연구원 : 표 영 덕

O

H

C

설명순서

1. 서 론

2. DME 연료의 특징

3. DME 이용기술 국내외 개발동향

4. DME 차량 및 열병합 엔진 개발

서 론

♣ DME는 세탄가가 높아 특히 디젤기관의 대체연료로 주목

⇒ 고효율, 저 공해성 : 디젤기관 수준, Zero PM 실현 및 NOx 저감(EGR 적용)

⇒ 수송 및 저장 : LPG인프라 이용(LPG와 유사하여 상온 저압에서 액화)

⇒ 연료의 경제성 : 최근에 저가 DME 제조기술 개발로 우수 전망

♣ 유럽, 일본, 중국을 비롯하여 국내서도 Proto-type DME차량 개발 중

LPGCNG에탄올

바이오디젤DMEGTL

DME 화염 비교

LPG

13A

DME

DME

항 목 DME 디젤 메탄올 에탄올 프로판 천연가스

분자구조 CH3-O-CH3 - CH3-OH CH3-CH2-OH C3H8 CH4

저위 발열량 (MJ/kg) 28.8 42.7 19.5 25.0 46.3 50.0

액체상 밀도 (kg/㎥) 667 831 795 789 500 -

체적당 발열량 (kcal/ℓ) 5,000 9,200 - - 6,000 -

세탄가 (No,) >55 40∼55 5 8 - -

탄성계수 (N/㎡) 6.37E+08 1.49E+09 - - - -

이론 공기연료비 (A/F) 9.0 14.6 6.5 9.0 15.8 17.2

착화 온도 (℃) 235 250 450 420 470 650

비등점 (℃) -20 180/370 65 78 -42 -162

기화잠열 (kJ/kg) 460(-20℃) 250 1,110 904 372 -

연소범위 (%Gas in Air) 3.4∼18 0.6∼6.5 5.5∼26 3.5∼15 2.0∼9.5 5∼15

Carbon (% wt.) 52.2 86.0 37.5 52.2 82 75.0

Hydrogen (% wt.) 13.0 14.0 12.5 13.0 18 25.0

Oxygen (% wt.) 34.8 0 50.0 34.8 0 0

DME연료의 특징

DME연료의 장점 및 단점

Demerit Low Lubricity & Viscosity : Wear & Leakage ProblemHigh Compressibility : Difficult to Injection ControlElastomer attack : Sealing program

MeritHigh Thermal Efficiency

: Equal to DI Diesel E/GCompression Ignition

: about 60 of Cetane NumberSmokeless Combustion

: nearly Zero PMHigh EGR Tolerance

: NOx can be ReducedCombustion Noise Reduced.LPG Infra can be Used

: Liquefied at 5-6 bar

DME 적용엔진 및 특징

적용엔진 장 점 특징 개조 부분

디젤엔진

- 고효율

(엔진효율 40%)

- 높은 청정성

(PM Zero)

- CNG는 가솔린엔진으로 엔진

개조 필요 함(효율저하).

- DME는 연료공급시스템만 교체

하면 디젤엔진에 직접사용 함.

- 연료분사펌프, 피드펌프,

인젝터, 퍼지장치 등.

- 따라서, 연료시스템의

개발이 필요 함.

LPG엔진(LPG/DME

혼합)

- LPG수준의 효율(엔진효율 32%)

- LPG와 혼합 용이

- 연료의 경제성에 따라좋은 대안이 될 수 있음

- LPG차량에 LPG/DME 혼합연료

를 직접 사용 가능 함 (DME를

20% 이하 혼합).

-그러나 LPG엔진에 적용하기 때

문에 효율이 낮음.

- 실링제 교체 등 개조가

간단 함.

가솔린엔진(GDI)

- 디젤과 가솔린의 중간

(엔진효율 36%)

- 가솔린 대체연료로도사용가능

- 연료공급시스템만 교체하면

가솔린엔진에 직접사용 함.

- 연료분사펌프, 인젝터,

등.

- 따라서, 연료시스템의

개발이 필요 함.

HEV LPG CNG LNG DME FCEV

Small Duty Truck ◇ ● ● ◇ ◎ ◇

Medium Duty Truck ◇ ◇ ● ◇ ◎ ◎

Heavy Duty Truck - - - ● ◎ ◇

City Bus ● ● ● ◎ ◎

Highway Bus - - - ◎ ◎ ◇

Passenger Car ● ● ● - ◎ ◎

● now Production◎ now R&D, Prospective for Future◇ Uncertain, but R&D may be required

DME, Clean Fuel Vehicles for 21 Century

0

0.5

1

1.5

2

DME(EGR)ox.Cat.

Diesel(EGR)ox.Cat.

Gasoline LPG CNG ULEV limits

g/m

ile

NOx COHC PM×10

DME의 저공해 우수성

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Bio DME

Pre 2006 Diesel

DME

FT Diesel

Gasoline

Relative CO2 Emissions (%)

% Heavy Duty % Light Duty

Source: TNO & bp

Relative Well to Wheel CO2 Emissions

DME 차량 기술개발 추진현황 (KIER)

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

DM

ECa

paci

ty (

Ton/

day)

Lab/Bench

0.05

10

3,000

DME 기계식 차량 개발(개조) DME 전자식 차량 개발 및 보급

Pilot Vehicle(Mechenical Type)

Pilot Vehicle(Common Rail Type

DME연료 상용화시점에서 차량시범사업 추진

차량개발 및실증사업 추진

세계 DME 자동차 개발 동향

유럽의 기술개발 동향

Volvo (Sweden)

1997년부터 시작하여,

2002년부터는 3년간

대형트럭 개발 중

VOLVO

TNO ( Netherlands)

Technical University of Denmark, and Danish Technological Institute (Denmark)

National Institute of Technology (Norway)

Renault, PSA, IFP (France), etc.

TNOAVL

AVL (Graz Austria)

1995년부터 엔진 및

연료공급장치 개발

미국 AFT의 DME 커먼레일 연료계

DME Common Rail Fuel Injection Equipment (AFT, USA)

Rail Pressure Valve

Fuel-Air Cooler

Rail Pressure Valve

Fuel-Air Cooler

Rail Pressure Sensor

2005 Demonstrated DME Fueled Volvo Truck

일본의일본의 DMEDME차량차량 도로도로 실증시험실증시험 노선노선

DME차량 개발 현황(일본)

DME 충전설비(일본)

상해 DME City Bus 및 DME/LPG 승용차

0

200

400

600

800

1000

1200

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Speed(r/min)T

tq(N.m)

0

50

100

150

200

250

300

Pe(kW)

DME

Diesel

Torque Power

6114 Diesel Engine Fuelled with DME

개발중인 커먼레일 DME엔진(상해교통대)

DME 개발 및 보급 계획(중국)

Olympic 2008 and Expo 2010)

DME 개발 및 보급 계획(중국)

국내 DME엔진 관련 연구 현황

기타 : 국민대학교, 울산대학교, 인하대학교 등지에서 DME 엔진 기초연구, DME엔진

시뮬레이션 연구, DME의 분무 및 연소특성 연구 등을 수행

2010년부터 현대자동차에서도 선행연구 수행

DME 시제작 차량 (마이티 트럭, 3.3리터)

DME 연료공급시스템

Diesel DME DME ( with DOC )

NOx(g/kWh) 3.34 2.18 2.22

CO(g/kWh) 2.20 3.54 0.39

THC(g/kWh) 0.89 0.37 0.25

차량의 배출가스 시험결과 (CVS-75 모드)

DME Engine Performance (Truck)

Direct Injection& 4 holes

Injection type& nozzle

17:1Compression ratio

120/3,400Maximum Power (ps/rpm)

3,298Displacement (cc)

4Cylinder number

D4AEModel

Diesel engineItem

DME 시제작차량 주행 동영상

DME 시제작 차량 (33인승 버스)

승차전원 33+1 (대우 BM090)

배기량 8,071 cc

형식 6기통, 터보 인터쿨러

ENGINE DE08TiS

　 　　 225 PS/2,300 rpm

　 　　 90 Kg.m

최고속도 120km/h

DME연료공급장치

DME 시제작 엔진(인젝터 및 연료펌프 수정)(DME 시제작 차량개발 연구 ; 에너지자원기술개발사업)

연료펌프 플런져의 증대

및 핏팅류 교체

코팅 기술 등 보완 필요

연료분사펌프 수정연료분사펌프 수정

수정 전 수정 후

인젝터 노즐경 확대

및 개변압력 조정

인젝터 수정

연료라인 내 맥동 방지

어큐물레이터 설치

펌프리턴 연료 냉각

냉각기 설치

연료압력 제어

레귤레이터 교체

연료공급시스템 개선 사항

Pp

DME tank

TroTri

TtPtPf

Feed pump

Cooling fan

Purge tank

Purge pump

Injection pump

Injector

A

R

충분한 연료 공급

연료공급측 수정

DME Engine Performance (Bus)

Direct Injection& 5 holes

Injection type& nozzle

17:1Compression ratio

240/2,300Maximum Power (ps/rpm)

8,071Displacement (cc)

6Cylinder number

DE08TisModel

Diesel engineItem

0

20

40

60

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Engine Speed (rpm)

DME 60% Load

Diesel 60% Load

Bre

ak th

erm

al e

ffici

ency

(%)

0

100

200

300

400

500

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Engine speed (rpm)

DME 60% Load

Diesel 60% Load

NO

x (p

pm)

0

10

20

30

40

50

60

70

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Engine speed (rpm)

CO

(ppm

)

DME 60% Load

Diesel 60% Load

0

20

40

60

80

100

120

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Engine speed (rpm)

DME 60% Load

Diesel 60% Load

THC

(ppm

)

DME 버스 시제작 차량 주행 동영상

산업원천산업원천 기술개발사업기술개발사업 소개소개((클린클린 신연료신연료 동력시스템동력시스템 개발개발))

클린클린 신연료신연료 동력시스템동력시스템 __세부과제의세부과제의 연계성연계성

윤활성향상제윤활성향상제,,

부취제부취제,,

열량보조제열량보조제

DOC, LNT, Dosing DOC, LNT, Dosing 시스템시스템, , 환원제환원제 개질촉매개질촉매

커먼레일커먼레일 연료계연료계, ECU, DME, ECU, DME엔진엔진, , 신연소기술신연소기술, DME, DME차량차량

DME Truck

커먼레일커먼레일 DME DME 인젝터인젝터 기술기술 개발개발

DME DME 연료분사연료분사 인젝터인젝터 설계설계 및및 제제작작

DME 인젝터 노즐 설계DME 인젝터 노즐 설계 DME 인젝터 시제품 제작DME 인젝터 시제품 제작

- 유동모델을 이용한 노즐 및 니들 설계, 3D 설계 및 해석을 통한 DME 인젝터 시제품 제작

3D 설계3D 설계 홀 가공홀 가공노즐 홀 설계(Type II)노즐 홀 설계(Type II) 노즐 홀 설계(Type III & IV)노즐 홀 설계(Type III & IV)

커먼레일커먼레일 DME DME 고압연료펌프고압연료펌프 기술기술 개발개발

DME DME 고압연료펌프고압연료펌프 설계설계 해석해석

- 고압연료펌프 제품 형상별 사양 분석, 성능 및 내구성이 개선된 2차년도 최종 설계안 도출 (3차년도 시제품 제작)

DME 고압연료펌프 분석DME 고압연료펌프 분석 DME 고압연료펌프 설계 해석DME 고압연료펌프 설계 해석

컨셉설계컨셉설계 플런저 설계플런저 설계

캠 설계캠 설계 설계도면설계도면

커먼레일 DME 엔진커먼레일 DME 엔진 DME 연료공급시스템DME 연료공급시스템

커먼레일커먼레일 DME DME 엔진시스템엔진시스템 개발개발

DME 연료분사펌프 장착 DME 인젝터 장착

DME 엔진 성능시험 전경

커먼레일커먼레일 DME DME 엔진엔진 및및 연료공급시스템연료공급시스템 시제작시제작

커먼레일커먼레일 DME DME 엔진엔진 배기성능배기성능 개발개발

DME 엔진 배기성능 개발DME 엔진 배기성능 개발

- DME 엔진의 배기성능 : CO와 THC는 디젤엔진 대비 동등 이하 수준, NOx 배출은 높은 수준

- 2세부에서 개발중인 LNT 촉매 장착으로 DME엔진의 NOx 배출을 디젤엔진 보다 저감 가능

CRDI방식 DME 소형트럭 시제작 (배관)

CRDI DME 트럭 주행 동영상 (봉고3)

국외 열병합발전용 DME엔진 설치 및 시운전 사례

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2 4 0

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축토

크[N

m]

축출

력[k

W]

엔 진 회 전 수 [ r p m ]

D M E

D M E

경 유

경 유

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1 6 0

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2 4 0

5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0

축토

크[N

m]

축출

력[k

W]

엔 진 회 전 수 [ r p m ]

D M E

D M E

경 유

경 유

엔진

기통배열, 밸브 형식 직렬6기통, OHC

총배기량 7,166 cc

과급방식 자연흡기식(NA)

압축비 18.5

연료분사방식 직접분사식

연료분사펌프

형식 PE-6AD (열형저크식)

인젝터 노즐직경, 개수 0.34mm, 7 hole

분사기 개변압 14.7 MPa

발전기본체

DME연료공급장치

열병합발전기 시운전 현황 (JFE)

DME 열병합발전기 시스템 구성도(35kW)

Load Tester

Engine Controller

DME Tank

DME Fuel Supply System

3,298 cc배기량

4Cyl, Turbo형식

D4AEENGINE

35kW/1,800rpm　　　　Engine

디젤엔진 개조, 연료펌프 및 인젝터 수정

개조 대상 디젤 열병합 엔진

구입 (3.3L, D4AL)

연료펌프, 인젝터 교체

개조 대상 디젤 열병합 엔진

구입 (3.3L, D4AL)

연료펌프, 인젝터 교체

디젤엔진 개조디젤엔진 개조

인젝터 개변압력 등 수정

연료 리턴관 수정

인젝터 노즐경 증대

인젝터 개변압력 등 수정

연료 리턴관 수정

인젝터 노즐경 증대

연료인젝터연료인젝터

연료펌프 플런져 수정

실링재, 핏팅류 교체

연료펌프 플런져 수정

실링재, 핏팅류 교체

연료펌프연료펌프

DME 열병합발전기 및 제어기

DME 연료공급 제어기

DME 연료공급시스템 전경

DME 열병합엔진 기동 및 운전 성능

DME 열병합시스템 운전

감사합니다