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KIGAS Vol. 12, No. 3, September, 2008(Journal of the Korean Institute of Gas)

열병합 발전용 300 kW급 천연가스 엔진의 노킹 특성 연구

†김창기·김영민·이장희·노윤현*·안태근*

한국기계연구원, *(주)템스

(2008년 7월 3일 접수, 2008년 7월 30일 수정, 2008년 7월 30일 채택)

A Study on Knocking Characteristics of a 300 kWClass CNG Engine for CHP

†Changgi Kim · Youngmin Kim · Janghee Lee · Yunhyun Roh* · Taekeun Ann*

Korea Institute of Machinery and Materials, *TEMS Co., Ltd.

(Received 3. July. 2008, Revised 30. July. 2008, Accepted 30. July. 2008)

요 약

열병합발전용으로 사용되는 여러 가지 원동기 중 천연가스 엔진은 1 MW 이하의 발전용량을 갖는 원

동기로 가장 널리 사용되고 있다. 이론공연비 연소방식과 삼원촉매를 채택한 300 kW급 천연가스 엔진은

강화된 배기규제를 만족시킬 수 있지만 이론공연비 연소방식은 희박 연소방식에 비해 효율이 대체적으로

낮기 때문에 최적 점화시기(MBT) 제어가 필요하다. 그러나 MBT 운전조건은 노킹이 발생되기 쉬워 높은

흡기온도 조건에서 운전되는 엔진에 대해서는 노킹제어가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 높은 흡기온

도가 요구되는 열병합발전용 천연가스엔진을 대상으로 흡기온도에 따른 엔진성능과 노킹특성에 대하여

실험한 결과를 제시하였다.

Abstract − Among the various prime movers for combined heat and power (CHP) system, the CNG

engine is the most commonly used power generation equipment of which power is less than 1MW. The

300 kW class CNG engine for CHP can meet stringent emission regulations with the adoption of

stoichiometric air-fuel ratio control and three way catalyst. As the thermal efficiency of the stoichiometric

ratio engine is lower than that of lean burn engine, it is necessary to operate the stoichiometric engine

at its minimum spark advance for the best torque (MBT). However, knock control should be introduced

for the engine under high intake air temperature conditions because MBT operating conditions are generally

very close to those of knock occurrence. In this study, engine performances and knocking characteristics

were experimentally investigated for the CNG engine that needs to be operated at higher intake air

temperature conditions than normal conditions.

Key words : CNG Engine, CHP, Ignition, Knock, Stoichiometric, Intake air temperature

I. 서 론

최근 전 세계적으로 에너지 이용에 있어 CO2 저감이

가장 중요하게 거론되고 있으며, CO2 저감에 대응하기

위한 효과적인 방법 중 하나로서 발전을 할 때 전기와

열을 동시에 활용하는 분산형 열병합 발전의 보급이 확

대되고 있다. 현재 1 MW 이하의 소형 열병합 발전에

대해서는 발전 구동기기 중에서 천연가스 엔진이 높은

에너지효율과 경제성으로 가장 많이 보급되고 있으며,

국내에서는 아파트 단지를 중심으로 300 kW급 가스엔

진 열병합 발전시스템이 많이 보급되고 있다.

국내 천연가스 엔진의 경우 엔진 본체는 자체적으로

생산하고 있으나 열병합 발전용 천연가스 엔진의 전자

제어장치는 전무한 상태이며, 천연가스엔진을 포함한

열병합 발전시스템 전체를 고가로 수입하여 사용하고

있어 사후관리에도 많은 시간과 비용이 소모되고 있는

실정이다. 또한 향후 산업용 가스 엔진의 배기규제가

점점 강화되기 때문에 기존의 천연가스 엔진으로는 강

화되는 배기가스 규제치를 만족시키기 어려워 국내에

서도 열병합 발전용 고효율 저공해 천연가스 엔진 개

발이 필요하다고 할 수 있다.

이를 위해서는 배기가스 저감측면에서 유리한 이론†주저자:cgkim@kimm.re.kr

김창기·김영민·이장희·노윤현·안태근

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공연비 연소 엔진과 에너지 효율측면에서 유리한 희박

연소 엔진 두 가지 방식이 고려되고 있다. 이론공연비

연소 엔진에서는 연소할 때 NOx 발생이 많지만 삼원

촉매를 사용하여 미연탄화수소(HC)와 일산화질소(CO)

는 산화반응을 하고 질소산화물(NOx)은 환원반응을 하

여 세가지 성분을 동시에 저감하는 것이 가능하다. 이

때 삼원촉매장치의 전환 효율이 높은 이론공연비 영역

에서 공연비 제어를 정확하게 해야 만이 유해 배기가

스를 효과적으로 저감 할 수 있다[1].

반면, 에너지효율 측면에서 유리한 희박연소 엔진은

삼원촉매로 NOx를 저감시킬 수 없으며 희박영역에서

NOx 저감을 위해서는 암모니아(NH3)를 사용하는 SCR

(Selective Catalyst Reduction) 등 복잡하고 고가인 탈질

장치가 필요함에 따라 실제 적용이 쉽지 않다고 할 수

있다[2].

본 연구에 사용된 열병합 발전용 300 kW급 천연가

스엔진의 경우, 차기 배기규제에 대응하기 위해 이론공

연비 연소방식과 삼원촉매장치가 적용되었으며 엔진

효율향상 및 배기저감을 위해 공기 및 연료공급시스템

의 특성을 고려한 연료제어와 운전조건에 따른 MBT

(Minimum spark advance for Best Torque) 점화시기가

적용되었다.

이론공연비 연소 엔진의 효율향상을 위해서는 가능

한 점화시기를 MBT에 가깝게 하여야 하지만 엔진 노

킹(Knocking)에 대한 대처가 필요하다. 엔진 노킹은

화염전파 전에 연소되지 않은 말단가스가 고압고온으

로 압축되어 순간적으로 자발화되는 현상으로 엔진

효율과 소음, 그리고 내구성에 좋지 않은 영향을 미

친다[3]. 따라서 노킹 가능성이 높은 환경에서 운전되

는 엔진은 MBT 점화시기를 적용할 때 많은 주의가

필요하다.

본 연구에서는 열병합발전 시스템의 효율적 관리를

위해 흡기온도를 40oC에서 75oC로 상승시킬 필요성이

대두된 열병합발전용 천연가스 엔진을 대상으로 흡기

온도에 따른 엔진 성능과 노킹 특성을 파악하였으며 노

킹 제어를 통해 점화시기를 MBT에 접근함으로써 가능

한 한 엔진효율을 높이고 성능 및 내구 안정성을 확보

하고자 하였다.

II. 실험장치

본 연구에 사용된 엔진 제원을 Fig. 1과Table 1에 나

타내었다. 가스엔진의 성능시험은 발전기를 장착한 상

황에서 자체 제작한 500 kW급 부하시험기로 부하시험

을 하였다. 정확한 부하(kW)에 대한 검증은 전압 및

전류 측정으로부터 이루어졌으며, 부하시험은 무부하

에서 320 kW까지 변경하여 수행하였다. 배기가스 분

석은 이동용 배기가스 분석계(Testo사의 XL350)를

이용하여 촉매의 전·후단에서 측정하였다. 연소압력

Table 1. Specifications of a natural gas test engine for CHP.

Engine model GV222TIC

Combustion system Stoichiometric, Premixed and spark ignited

Bore×stroke (mm) 128×142

Swept volume (liter) 21.927

Air aspiration system Turbochargered and Intercooled

No of Cylinder V-12

Compression ratio 10.5 : 1

Rated power (kW) 410 kW/1800 rpm

Fueling system (Impco) Regulator (RV61), Mixer (200T), Throttle (AT2-9)

Ignition system (Altronic) CPU-95 Unit, Ignition coil, Sparkplug (NGK)

Fig. 1. Photograph of NG test engine.

열병합 발전용 300 kW급 천연가스 엔진의 노킹 특성 연구

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의 측정에는 Kistler사의 스파크플러그형 압력센서

(6117BFD)와 Charge Amplifier (5011)를 사용하였고,

Lecroy사의 Digital Storage Oscilloscope(WS324)를 사

용하여 데이터를 기록하였다. 공연비 측정에는 ETAS

사의 λ-Meter (LA4)와 Bosch사의 λ-Sensor(LSU 4.2)

를 사용하였다.

Fig. 2에 엔진 및 제어시스템에 대한 구성도를 나타

내었는데, 여기서 가스엔진제어에 필수적인 핵심부품인

ECU(Engine Control Unit)와 ICM(Ignition Control

Module)은 (주)템스에서 자체적으로 개발한 것을 사용

하였다. ICM은 ECU와의 통신(CAN 2 port, RS232,

RS422, 16bit CPU)과 내장된 KDM(Knocking Detection

Module)의 노킹 판별에 따라 점화시기를 제어하는 역

할을 한다.

엔진 ECU에서는 발전부하에 관계없이 일정회전수

1800 rpm을 유지하기 위해 엔진 쓰로틀 밸브를 제어한

다. 연료는 ECU에 매핑(mapping)된 운전조건에 따른

연료유량을 기본으로 공급하고 산소센서 신호로부터

계산된 보정치를 이용하여 이론공연비를 피드백(feed

back) 제어하도록 되어있다. ICM은 1개의 장치가 6개

의 점화플러그를 제어할 수 있도록 하였으며, 12기통의

엔진을 제어하기 위하여 2개를 사용하였다. 점화장치는

독립점화방식을 채택하여 역화발생을 억제하고 안정된

점화에너지를 발생하도록 하였다.

노킹센서로부터 발생되는 신호를 처리하여 노킹의

발생여부를 감지하는 KDM은 각 실린더별 노킹 캘리

브레이션 시험을 통해 각 실린더별로 노킹을 감지할 수

있도록 되어있다. 노킹센서는 2번실린더(1, 2, 3번 실린

더 노킹 감지), 5번 실린더(4, 5, 6번 실린더 노킹 감지),

8번 실린더(7, 8, 9번 실린더 노킹 감지), 11번 실린더

(10, 11, 12번 실린더 노킹 감지) 모두 4곳에 설치하였

으며 설치 모습은 Fig. 3과 같다.

특정 실린더에 대해 점화시기를 임의로 진각하여 노

킹을 발생시키면 오실로스코프로 측정한 Fig. 4에서와

같이 급격히 연소압력이 상승하고 연소실에는 높은 주

Fig. 2. Schematic diagram of engine and fuel control system.

Fig. 3. Photograph of knock sensor installed on individual

cylinder heads.

김창기·김영민·이장희·노윤현·안태근

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파수의 압력변동이 발생된다. 이때 가속도 센서인 노킹

센서도 동일한 순간에 동일한 주파수의 출력신호를 발

생시키는데 이를 통하여 노킹 여부를 판별하게 된다[4].

이와 같이 연소실 압력파형과 노킹파형의 동기성을 기

초로 각 실린더와 각 노킹센서에 대한 캘리브레이션이

이루어지면 KDM에 의한 각 실린더별 노킹제어가 가

능해진다.

노킹은 여러 가지 요인에 영향을 받으며 엔진 흡기

온도는 중요한 요인 중 하나이다. 본 연구에서는 열병

합 발전용 엔진을 운전하는데 있어서 흡기온도 상승

의 필요성과 같이 현실적인 문제를 다루고자 노킹특

성을 파악하였다. 과급기를 통해 압력과 온도가 상승

된 흡입공기를 엔진에서 요구하는 흡기온도까지 낮추

기 위해서는 별도의 냉각시스템(40oC 이하의 냉각수

와 이를 다시 냉각시켜줄 냉각 팬)이 추가되어야 한

다. 열병합 시스템에서 가용할 수 있는 온수(최저온도

70oC 정도)를 사용할 수 있다면 별도의 냉각시스템이

갖는 복잡성과 비효율성을 해결할 수 있지만 흡기온

도의 큰 상승(75oC 정도)으로 노킹 가능성이 높아짐

에 따라 노킹을 제거할 수 있는 적절한 제어가 반드

시 필요하다.

III. 실험 결과

엔진에 설치된 노킹센서의 출력에는 흡배기 밸브의

작동, 피스톤 슬랩 현상 등과 같은 다양한 원인의 노이

즈가 포함된다. 따라서 각 기통의 노킹 윈도우를 정의

하여 다른 노이즈와의 구별이 되어야 한다. Fig. 5와 6

에는 노킹이 없을 때와 있을 때의 4개의 노킹센서의 오

실로스코프 출력 특성을 각각 보여주는데 노킹이 없는

경우에도 크기는 작지만 여러 가지 노이즈가 포함되어

있음을 알 수 있다.

노킹 윈도우는 두 가지가 사용되며 가장 먼저 적용

할 수 있는 것은 크랭크 앵글(Crank Angle, CA)에 대

한 노킹의 위치이다. 노킹은 폭발행정 초기에 발생하는

특성이 있기 때문에 각 실린더의 폭발행정 초기와 동

기된 신호만을 노킹으로 정의할 수 있다. 노킹이 발생

된 Fig. 6의 센서 출력에서 원으로 표시된 부분이 숫자

로 표시된 실린더의 폭발행정 초기와 동기된 신호로서

노킹으로 판별할 수 있는 신호이다. 노킹은 모든 실린

더에서 동시에 발생하지는 않으며 실린더가 같은 열에

있을 경우 서로 다른 두 개의 노킹센서에서 동시에 측

정되기도 한다. 또 다른 노킹 윈도우는 주파수로 정의

Fig. 5. Characteristics of knock signals under knock-free

condition (1800 rpm).Fig. 4. Output signals of knock sensor and cylinder pressure

sensor.

Fig. 6. Characteristics of knock signals under knock

condition (1800 rpm).

열병합 발전용 300 kW급 천연가스 엔진의 노킹 특성 연구

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되며 대역 통과 필터를 통해 노킹 주파수 영역을 통과

시킴으로써 다른 노이즈와 구별하도록 되어 있다. 노킹

발생위치 및 주파수 윈도우를 통과한 신호는 노킹으로

판별할 만한 크기를 가졌을 때 비로소 노킹으로 인식

된다[5].

Fig. 7과 8은 각 운전조건에 대한 발전효율과 노킹

특성에 대한 결과로써, 노킹유무는 상기 방법을 통한

KDM에서의 결과와 오실로스코프 상에 나타난 결과

를 모두 사용하여 판별하였다. 각 운전조건에서 3분

동안 측정하였을 때 12개의 실린더 중 하나의 실린더

에서 노킹이 발생하더라도 노킹이 발생한 것으로 처

리하였다. 기준조건인 흡기온도 40oC의 결과(Fig. 7)

를 살펴보면 320 kW 출력조건에서는 MBT 시기보다

15o 진각되어 노킹이 발생하였으며 160 kW에서는 노

킹이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 이와 같이

MBT가 노킹에 대해 많은 여유각을 가지고 있다면 압

축비를 더 높이거나 흡기온도를 더 높일 여지가 있는

것으로 판단할 수 있다. 본 연구에서는 압축비를 높이

는 것보다 흡기온도를 높이는 것이 시스템 구성과 관

리측면에서 효율적임에 따라 열병합 시스템 온수로 제

어가 가능한 75oC까지 흡기온도를 상승시키는 방법을

적용하였다.

Fig. 8의 흡기온도 75oC에 대한 노킹 특성을 살펴보

면 흡기온도 40oC 조건보다 노킹 경향이 더 강해짐으

로써 노킹시기와 MBT 시기가 거의 비슷한 수준까지

도달하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 흡기온도의

대폭적인 상승은 엔진의 노킹 가능성을 더 높이기 때

문에 적절한 노킹제어가 필요하다.

노킹은 흡기온도 외에 점화장치의 상태, 실린더 내의

카본 퇴적 정도, 연료의 성분변화, 냉각수의 상태 등 여

러 가지 원인에 영향을 받기 때문에 노킹 제어가 이루

어지지 않는다면 효율을 희생하더라도 점화시기를 노

킹시점에서 많이 지각시켜야 안전하다[6]. 반면, 노킹제

어가 이루어질 경우 가능한 MBT 점화시기를 유지하여

효율을 최대한 높일 수 있고, 노킹 발생 시 해당 실린

더의 점화시기를 적절히 지각시킴으로서 내구성을 확

보할 수 있는 장점이 있다.

엔진효율은 320 kW MBT에서 최대 35.7%로서 흡기

온도에 대해서는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타

났으며 160 kW로 출력이 감소하면 30.5%까지 감소할

수 있는 것으로 나타나 가능하면 최대 출력으로 열병

합 발전을 하는 것이 효율적임을 알 수 있다. 단지, 흡

기온도가 높으면 연소속도가 빨라져서 노킹제어에 의

해 점화시기를 지각시키더라도 효율감소가 상대적으로

Fig. 7. Generating efficiency with spark timing and gen-

erating power (1800 rpm).

Fig. 9. Generating efficiency with spark timing under various

conditions (1800 rpm).

Fig. 8. Generating efficiency with spark timing and intake

air temperature (1800 rpm).

김창기·김영민·이장희·노윤현·안태근

KIGAS Vol. 12, No. 3, September, 2008 −18−

작아지는 이득을 얻을 수 있으며, MBT를 지나 점화시

기가 진각이 되면 흡기온도가 낮은 경우보다 노킹에 의

해 엔진효율이 더 나빠질 수 있다. 노킹제어가 이루어

지지 않을 경우 앞서 언급한 바와 같이 안전을 위해서

점화시기를 10o 정도 지각시켜야 하며 이때 약 4%의

효율 손실이 발생함을 알 수 있다.

열병합발전과 같은 정치용(stationary) 엔진은 배기규

제 중 질소산화물(NOx) 규제가 가장 엄격하다. Fig. 9

는 점화시기와 흡기온도에 따른 NOx 배출량의 변화

를 나타낸 결과로써 3회에 걸친 측정치를 평균한 것

이다. 흡기온도가 상승하게 되면 연소온도의 상승으로

NOx가 더 많이 배출되는 특성을 보이지만 삼원촉매에

의해 대부분 정화된다. 삼원촉매 후단에서 측정되는

MBT 점화시기 이전의 NOx 배출량은 30 ppm 이하로

최근 강화된 규제 70 ppm(이론공연비 기준, 수도권대

상)을 충분히 만족함을 알 수 있다. 따라서 이론공연

비를 적용할 경우 흡기온도 상승에 의한 NOx 배출량

증가는 문제가 되지 않는다는 것을 알 수 있다. 삼원

촉매 후단에서 측정되는 NOx 배출량은 각 운전조건

에서의 촉매효율에 따라 달라지기 때문에 엔진(삼원촉

매 이전)에서 배출되는 NOx 배출량과는 다른 경향을

보인다.

Fig. 10의 각 조건별 배기가스 온도는 흡기온도의 상

승에 따라 약 5oC 전후의 상승을 보이는 것으로 나타

났다. 40oC에서 75oC로 35oC의 흡기온도의 상승이 있

었지만 연소실에서의 열전달과 배기 매니폴드에 장착

된 워터자켓으로의 열전달에 의해 예상보다 낮은 배기

가스온도의 상승이 있었다. 비록 작은 온도의 상승이지

만 동일한 엔진 효율에서 배기가스 온도가 상승하면 배

기열을 이용한 온수가열을 더 효과적으로 할 수 있음

에 따라 열병합발전의 전체 효율 측면에서는 유리한 점

으로 작용한다. 또한, 연소실 온도의 상승과 배기매니

폴드 온도의 상승으로 냉각수로 전달되는 열이 많아짐

으로써 전체 효율은 더 상승할 수 있다. 따라서 흡기온

도를 40oC에서 75oC로 상승시키는 방법은 노킹에 대한

문제점만 해결된다면 열병합발전 시스템의 효율적 관

리 측면뿐만 아니라 열효율 측면에서도 많은 이득을 얻

을 수 있는 방법이다.

IV. 결 론

300 kW급 열병합발전용 천연가스 엔진을 대상으로

흡기온도에 따른 엔진 성능 및 노킹특성을 파악하였으

며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 12기통의 엔진에 4개의 노킹센서를 장착하여 전

체 실린더의 노킹여부를 판별할 수 있도록 하였으며 시

험을 통해 검증하였다.

2) 열병합 시스템의 효율적 운영을 위해 엔진 흡기온

도를 기존의 40oC에서 75oC까지 크게 높인 결과, 노킹

시기와 MBT 점화시기가 근접해짐에 따라 노킹 제어의

필요성이 확인되었다.

3) 흡기온도 상승에 대해 노킹제어가 이루어지지 않

을 경우 노킹방지를 위해 10o 정도의 점화시기 지각이

필요하며 이때 약 4%의 효율 손실이 발생하는 것으로

나타났다.

4) 흡기온도의 상승으로 NOx가 조금 증가하지만 삼

원촉매에 의해 대부분 정화됨으로써 흡기온도 상승이

NOx 규제 만족에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있

었다.

5) 노킹제어를 병행하여 흡기온도를 75oC까지 상승

시킬 경우, 흡기온도를 냉각시킬 별도의 냉각시스템이

필요하지 않으며, 엔진 열효율은 그대로 유지하면서 배

기가스 온도의 상승을 통해 회수되는 배열양이 높아지

는 이득을 얻을 수 있다.

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Fig. 10. Exhaust temperature with spark timing under

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