[논문]중형 디젤엔진의 터보챠저 과급 시스템 최적화에 관한 연구

윤욱현; 길상학; 하지수; 김호익; 김주택; 김기두

중형 디젤엔진의 터보챠저 과급 시스템 최적화에 관한 연구
A Research on the Optimization of Turbocharging System in a Medium Speed Diesel Engine 원문보기

윤욱현 (현대중공업 산업기술연구소 엔진연구실) , 길상학 (현대중공업 산업기술연구소 엔진연구실) , 하지수 (현대중공업 산업기술연구소 엔진연구실) , 김호익 (현대중공업 엔진기계산업본부 엔진기술개발부) , 김주택 (현대중공업 엔진기계산업본부 엔진기술개발부) , 김기두 (현대중공업 산업기술연구소 엔진연구실)

In order to improve engine performance while overcoming the weak points of Pulse and MPC(Modular Pulse Converter) turbocharging system, a new turbocharging system. "Hi-Pulse system", has been introduced and developed for medium speed diesel engine. HYUNDAI HiMSEN engines. Hi-Pulse system is to utilize not only the benefits of MPC system at higher load but also the ones of Pulse system at lower load. As for the results. the specific fuel oil consumption and NOx emission were lowered compared with the Pulse and MPC system. Performance simulation were carried out to optimize intake and exhaust timing and exhaust duct arrangement and to improve the performance of Hi-Pulse system engine.em engine.

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문제 정의

본 연구에서는 기존 터보챠저 과급 시스템의 단점을 개선하는 방안을 도출하였다. 기존 시스템에 대한 특성을 검토하고 문제점을 파악하였으며 이를 해결할 수 있는 최적의 과급 시스템을 고안하였다.

제안 방법

HYUNDAI HiMSEN 7H21/32 엔진을 대상으로 과급 시스템 개선을 위해 성능 해석을 수행하였다. 우선 해석 검증을 위해 7H21/32 엔진에 대해 성능 해석 모델링을 작성하였다.
기존 시스템에 대한 특성을 검토하고 문제점을 파악하였으며 이를 해결할 수 있는 최적의 과급 시스템을 고안하였다. 그리고 엔진 성능 해석 기술을 통해 본 과급 시스템을 HYUNDAI HiMSEN 엔진에 최적화하는 연구를 수행하였다.^{⑺, ⑻}
개선하는 방안을 도출하였다. 기존 시스템에 대한 특성을 검토하고 문제점을 파악하였으며 이를 해결할 수 있는 최적의 과급 시스템을 고안하였다. 그리고 엔진 성능 해석 기술을 통해 본 과급 시스템을 HYUNDAI HiMSEN 엔진에 최적화하는 연구를 수행하였다.
우선 해석 검증을 위해 7H21/32 엔진에 대해 성능 해석 모델링을 작성하였다. 해석 모델링을 Fig.
그러나 이에 따라 실린더 출구에서 발생된 압력맥동을 그대로 이용하여 터보챠저를 구동시키려는 펄스형 과급 시스템의 장점이 감소되며, 추진기용 엔진 및 발전기의 급속부하 상승에서 중요하 엔진 가속성능이 악화된다. 이를 해결하는 방법으로 Fig. 4와 같이 펄스 과급 시스템의 양 끝단을 서로 연결하는 방법을 검토하였으며 이를 Hi-Pulse 과급 시스템으로 명명하였다.
중형 디젤 엔진 성능 향상을 위한 새로운 형태의 Hi-Pulse 과급 시스템을 개발하였으며, 이를 HYUNDAI HiMSEN 엔진에 적용한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
흡·배기되는 공기 및 가스의 특성을 검토하기 위해서 연소실 압력, 흡기 및 배기압력에 대해 실험 및 해석 결과를 나타내었다. 또한 해석 결과의흡·배기 질량 유량도 나타내었다.

이론/모형

5에 나타내었다. 압력 특성 해석에 이용한 해석도구는 일반적으로 연소성능해석에 이용하고 있는 Ricardo사의 WAVE 소프트웨어를 이용하였다. 배기압력은 1번 실린더 출구 배기관에서의 값을 나타내었다.

성능/효과

1. Hi-Pulse 시스템은 고부하에서는 MPC 과급 시스템, 저부하에서는 Pulse 과급 시스템의 장점을 갖는다.
2. Hi-Pulse 시스템은 연료소비율 및 NOx 발생량 등의 엔진 성능적 측면과 생산/제작의 측면에서 우수하다.
3. Hi-Pulse 시스템의 연소실 가스 역류 등의 단점은 성능 해석 기술 등을 통한 시스템 최적화로 해결하였다.
6에 각 과급 시스템에 대한 성능 특성 측정 결과를 나타내었다. Hi-Pulse 과급 시스템은 100% 부하에서 2-Pulse 보다 낮으면서 MPC와 동일한 연료소비율을 얻었으며, 저부하에서는 MPC보다는 우수하고, Pulse와 유사한 성능을 얻었다. NOx 측면에서는 대부분의 부하에서 Hi- Pulse 과급 시스템이 다른 시스템보다 우월하다.
11에 나타내었으며 그림과 같이 1-3-6-7 번 실린더를 동일 주 배기관으로 연결하고, 2-4-5번 실린더를 동일 주 배기관으로 연결하고 두 개의 주 배기관을 7번 실린더 배기관과 연결하는 시스템이다. 성능 해석 결과, Fig. 12와 같은 결과를 얻었으며, 실린더 1번의 흡기 및 배기 유동 특성은 1-3-6-7 배기관 배열이 우수함을 알 수 있다.

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