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문제 정의
- 인 A엔진과 210 kW/Cyl.인 B 엔진을 발전기 구동 방식인 정속운전모드(D2 운전 사이클)로 운전하면서 흡입공기의 온도와 압력 및 연소최고압력, 배기 압력의 변화가 NOx의 배기 배출특성에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
제안 방법
- (D 각 실험조건에서 계측을 시작하여, 연소 안정을 THC값으로 변화 정도를 확인한 후, 1분간 연속 측정하여 평균농도를 계산한다.
- Table 5은 실험조건을 나타낸 것으로 NOx 기술적 코드에 언급되어있는 흡입공기의 온도와 압력, 분사시기 변화를 통한 연소최고압력 변화, 배기 배출구의 배압 변화를 실험변수로 설정하여 NOx 배출특성 및 엔진성능 변화에 대한 실험을 수행하였다. 우선 배기 배출관에 밸브를 설치하여 배압을 허용압력까지 상승시켰고(○,●) 흡입 공기의 압력 변화는 흡기매니폴드에 공기 배출밸브 를 설치하여 엔진부하율 100%기준에서 0.
- 2 bar 감소시켜 흡입공기의 압력을 낮추었다(△, ▲). 그리고 흡입 공기의 온도를 높이기 위해 공기냉각기에 공급되는 냉각수의 온도를 허용최대온도인 3&C로 높여 전 부하영역에서 이 온도를 유지하도록 제어하였고 이를 통해 흡입공기온도를 24℃기 준조건에서 44℃ 수준으로 유지하도록 하였다 (V), 연소최고압력을 높여주기 위해 연료분사시 기를 약 2도 진각시켜 엔진부하율 100%기준에서 6 bar(약 4%) 정도 증가시켰다(◊, ♦). B 엔진의 경우는 실험시는 흡입공기 냉각수의 온도를 허용최대온도까지 높여 수행하여 흡입공기 냉각수의 온도를 더 이상 증기시키지 못하여 변수로 이용하지 않았다.
- 각각의 그림은 일정한 엔진회전속도에 대한 부 하의 증가를 제동평균유효압력 (bar)으로 나타내 었고. 기본조건을 기준으로 실험변수로 적용된 배 압 증가와 흡입공기압력 감소, 흡입공기온도 증가, 분사시기 진각에 따른 연소압력 상승의 조건에 대한 질소산화물과 산소의 배출특성을 비교한 것이다. 그림에서 A 엔진이 B 엔진에 비해 전체적으로 낮은 NOx 배출 경향을 보이고 있는데 이는 B 엔진이 상대적으로 큰 연소실 체적과 많은 연소실 을 가짐으로서 절대적으로 배출되는 배기량이 많 기 때문에 나타나는 형상이다.
- 온도센서와 습도센서. 대기압력계를 이용하여 측정된 NOx 배출 농도를 대기 온도와 습도에 대해 보정하였으며, 그 외 엔진 각 부위의 온도와 압력을 계측하였다. Fig.
- 또한, 배기 압력과 흡입 공기 압력, 흡입 공기 온도, 연소최고압력에 변화를 주어 각 엔진운전상 태 변화와 NOx 발생에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험을 위해 사용된 장치로는 정속운전모드 (D2 운전 사이클) 구현시 엔진의 출력 제어 및 측정에 엔진 출력에 부합하는 발전기를 사용하였고, 연소최고압력을 측정하기 위한 Pmax게이지, 연료소모량 측정을 위한 질량 유량계 그리고 배기 중에서 NOx, CO, CO2, 02 및 THC의 농도계 측(ppm. Volume %)이 가능한 배기분석기이다. Table 2는 본 실험에 사용된 배기분석기의 주요 사양을 나타낸다.
- 선박의 적용되는 발전용 4행정 대형 디젤엔진을 D2 사이클(정속운전조건)로 운전하여 NOx의 배출 특성을 조사하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 4행정 디젤엔진은 선박 발전용으로 사용되는 것으로 과급기가 설치되어 있고, 과급기를 통과한 고온(약 130℃)의 공기를 냉각하기 위해 공기냉각기가 설치되어 있다. Table 1은 시험에 사용된 디젤엔진의 주요사양을 나타낸 것으로 발전기 구동용 엔진에 맞게 일정한 주파수 (720rpm = 60Hz)의 전기를 생산하기 위해 전부 하영역에서 동일한 엔진회전속도로 운전하기 위해 정격회전속도(rated speed) 720 rpm으로 운전 되었다.
성능/효과
- 8은 A, R엔진에 대한 각 실험조건에서 NOx의 배출량을 식(4)의 사이클 배출율로 계산 하여 나타낸 것이다. A, B엔진 모두 연소최고압 력이 증가되었을 경우(A-5, 5)에 기준조건의 경우보다 각각 1.17 g/kWh, 1.42 g/kWh 증가 하였고, 다른 실험조건에 비해 연소최고압력의 영향이 NOx 배출에 크게 영향을 끼치는 것을 확인 하였다.
- NOx의 배출량을 체적농도에서 질량률로 환산 하였을 경우에는 체적농도결과와 달리 곡선의 기 울기가 심하지 않은 것을 확인할 수 있는데 이는 각 엔진의 부하별 연소 최적조건의 차이(과급기특 성, 연소실 공급 공기량, 연료 연소율 등) 에 기인한 것으로 판단되며 이러한 결과는 배기 분석기로 직접 측정되는 농도 (ppm) 단위값을 보고 배출율 (g/kWh) 의 증감을 단순히 판단해서는 안된다는 것을 의미하는 것이다.
- 5는 공기과잉률을 나타내었다. 각 실험조 건중에서 특히 흡입공기 압력을 감소시켰을 경우 A. B 엔진에 있어서 기존조건(Lab. Condition) 의 경우보다 각각 7%, 12% 정도 감소된 경향을 나타내고 있지만 배압을 증가시켰을 경우나 분사 시기를 진각시켜 연소압력을 상승시킨 경우, 흡입 공기의 온도를 상승시켰을 경우에는 공기과잉률에 큰 변화를 주지 않는 것을 확인할 수 있다. 흡입공 기 압력을 감소시킬 경우 엔진의 연소실에 대한 흡입공기의 충진 효율을 떨어뜨리게 되고 디젤 분 사계 특성상 흡입공기에 관계없이 운전조건에 따라 제어되기 때문에 상대적으로 각 운전조건에서 공기과잉률이 다른 실험조건들에 비해 감소된 것이다.
- 각 엔진에 대한 실험조건에서 분사시기를 진각 시켜 연소최고압력을 높인 경우와 흡입공기의 온 도를 높였을 경우는 NOx의 배출을 농도값으로 나타내었을 경우와 동일하게 높은 배출량을 나타내고 있으며 기준조건의 경우보다 A, B엔진에서 20%, 19%정도 더 배출되는 것으로 나타났다. 그러나 흡입공기압력을 낮추었을 경우는 오히려 기 준조건과 유사하거나 작은 값을 나타내고 있는데 이러한 결과는 흡입공기압력을 낮추었을 경우 흡 입되는 공기량의 감소로 배출되는 가스의 절대적 인 양이 감소되어 나타내는 결과로 Fig.
- 두 엔진의 경우에 있어서 분사시기를 2도 진각 시킴으로서 다른 조건에서보다 연소최고압력이 높게 나타냄을 알 수 있는데 기준조건 (Lab. Condition)의 경우보다 A엔진의 경우 최고 8% 정도, 그리고 B엔진의 경우 14% 정도 높게 나타났으며, 이는 엔진제원상의 연소최고압력 130 bar 보다 높게 나타난 것이나 실험에 사용된 엔진 의 경우 정격출력에 대한 110% 정도에서도 연속 운전이 가능하도록 되어 있다. 분사시기를 진각시 킴으로서 착화지연기간 동안 상대적으로 많은 양 의 연료가 연소되지 못하고 연소실에 존재하게 되 며 이러한 조건에서 연료가 일순간 연소되어 연소 최고압력의 상승을 유발하게 된다.
- 흡입공기의 압력을 낮추었을 경우 A엔진은 최 고 4% 정도, B엔진은 6% 정도 각각 연소최고압 력이 낮게 나타났다. 하지만 배압을 증가시켰을 경우나 흡입공기의 온도를 높였을 경우에는 기준 조건(Lab.
후속연구
- 또한, 연소실에 공급되는 공기의 온도와 압력은 대기의 온도와 압력, 과급기의 성능, 공기냉각기의 열교환 성능, 공기냉각기에 공급되는 냉각수의 온도 등에 영향을 받는다.(4)5)대기의 온도와 압력은 운전장소와 계절에 영향을 받고 냉각수의 온도는 운전계절과 운전설비에 영향을 받기 때문에 기관의 운전조건에 의한 NOx 배출의 변동 정도를 확인하여야만 한다.'"0 Fig.
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