[논문]대형디젤기관에 있어서 연속재생방식 매연저감장치 성능 테스트

백두성

[국내논문] 대형디젤기관에 있어서 연속재생방식 매연저감장치 성능 테스트
The Performance Test on A Continuous Regeneration DPF in A HD Diesel Engine 원문보기

백두성 (한국기술교육대학교 기계정보공학부)

본 논문은 터보가 장착된 8000cc 대형디젤엔진에 연속재생장식 매연저감장치를 장착함으로써 기관성능과 배기가스에 대한 영향을 알아보기 위하여 수행되었으며, 실험 조건은 황 함량이 430ppm 인 표준 디젤 연료와 황 함량이 50ppm인 저유황 연료의 조건 하에서 이루어졌다. CO, HC, NOx 및 PM은 D-13 모드에서 수행되었고 매연은 D-3 모드를 기준으로 배기가스 실험이 진행되었다.

The test was conducted on an 8000cc heavy-duty turbo-charged heavy-duty diesel engine on which continuous regeneration DPF was installed in order to investigate regeneration characteristics fur DPF and engine performance under conditions of standard (430ppm) or ultra low sulfur diesel (50ppm) and the results were compared with each other. Exhaust emissions, CO, HC, NOx, PM and soot were investigated carefully and tested under D-13 and D-3 modes.

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문제 정의

따라서 본 논문은 현재 대형디젤기관의 입자상물질 제거기술 중 국내 보유기술과의 호환성이 높고 적용 가능성이 유력한 연속재생방식 DPF에 관한 기관성능 및 배출가스 특성에 관한 연구로서 기관운전조건, 배출가스의 유량, 속도, 온도 및 압력, 촉매의 피독현상을 방지하기 위해 기술적인 필수조건으로 제시되고 있는 디젤연료 중의 황 함유량이 장치에 미치는 영향에 대해서 파악하고자 8000cc급 대형디젤기관에 연속재생방식 DPF를 장착하고 일반디젤유 및 50ppm의 저황디젤유를 사용하여 장착 전. 후의 기관성능을 측정하여 비교하였고, 배출가스 측정을 위해 현재 대형디젤기관의 배출가스 측정모드인 D-13과 매 연측정모드인 D-3모드를 선정하여 유해 배출가스인 CO, HC, NOx, PM 및 매연의 배출량을 비교· 검토하였다.
대형디젤기관에서 배출되는 배출가스 중 PM 및 매연 저감을 위하여 연속재생방식 DPF에 대한 실험을 통하여 연속재생방식 DPF의 기관성능 및 배출가스에 미치는 영향을 연구하여 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

전. 후의 기관성능을 측정하여 비교하였고, 배출가스 측정을 위해 현재 대형디젤기관의 배출가스 측정모드인 D-13과 매 연측정모드인 D-3모드를 선정하여 유해 배출가스인 CO, HC, NOx, PM 및 매연의 배출량을 비교· 검토하였다.
연속재생방식 DPF 장착에 따른 기관 성능 실험은 먼저 연속재생방식 DPF를 장착하기 전 베이스상태에서 일반디젤유와 UISD에 대해 기관부하율을 100%에 맞추어 lOOOrpm부터 2200rpm까지 400rpm씩 변화시키면서 운전조건별로 연료소비율, 기관출력, 배출가스온도 및 흡기온도 등을 3분 동안 안정시킨 상태에서 60초동안 안정된 데이터를 수집, 산술평균 하였으며 그리고 ULSD연료와연속재생방식 DPF를 장착한 후에도 동일한 방법으로 기관성능을 측정.분석한다.
연속재생방식 DPF를 장착하기 전· 후 우리나라 중량 디젤 차량의 배출가스 규제모드인 D-13모드를 선정하여 저감장치 장착 전 · 후에 CO, THC, NOx 및 PM을 측정했다. 매연은 D-3모드로 최소 3회 이상 측정하여 산출 값을 산술평균하였다.
매연은 D-3모드로 최소 3회 이상 측정하여 산출 값을 산술평균하였다. 특히, 매연과 PM은 실험기관의 최대토오크점 회전수와 최대회전수인 1400rpm와 2200rpm에서 부하율 50% 및 100%조건에서 각각 측정하여 배출 특성을 세부적으로 관찰한다.
매연은 D-3모드로 최소 3회 이상 측정하여 산출 값을 산술평균하였다. 특히, 매연과 PM은 실험기관의 최대토오크점 회전수와 최대회전수인 1400rpm와 2200rpm에서 부하율 50% 및 100%조건에서 각각 측정하여 배출 특성을 세부적으로 관찰한다.
그림 3, 4, 5는 연속재생방식 DPF 장착 전.후 100% 부하 조건에서 기관회전수를 lOOOrpm 에서 2200rpm 까지 400rpm씩 변화시킨 경우의 기관출력, 토오크 및 연료소비율의 변화를 측정하여 나타낸다. 기관출력은 그림 2와 같이 일반디젤유와 ULSD를 비교했을 때 최고 1.

대상 데이터

실험기관은 차량용, 산업용 및 발전용으로 사용하는터보차저 디젤기관을 대상으로 하였으며, 주요 제원은 표 1과 같다. 연료분사 시스템은 베이스기관에 장착하여 있는 직렬형 플런저펌프와 가버너 및 타이머를 그대로 사용하였으므로, 실험상에서 분사시기나 분사량의 인위적인 조절은 하지 않는다.
본 연구에 사용한 동력계는 250kW, EC형 기관동력계와 냉각수 온도 조절장치, 윤활유 온도 조절장치, 흡입 공기 유량계, 연료 유량계, 압력센서 및 온도센서 등으로 구성하고 있으며, 그림 1은 기관동력계를 비롯한 측정 장치의 구성도를 나타내고, 그림 2는 전반부에 산화 촉매 (DOC)와 매연저감장치(DPF)로 구성된 연속재생방식 DPF의 배치도를 보여준다.

이론/모형

배출가스 분석장치는 배출가스 중 CO, THC 및 NOx 를 분석할 수 있으며, CO는 비분산적외선분석법(NDIR : Nondispersive infrared), HC는 가열식 불꽃이온화검출기법 (HFID : Heated flame ionization detector), NOx는 화학 발광법 (CLD : Chemiluminescence detector)을 사용하였으며, 입자상물질을 측정하기 위한 시료채취장치는 미니희석터널(MDT)을 사용하여 측정한다.

성능/효과

후 100% 부하 조건에서 기관회전수를 lOOOrpm 에서 2200rpm 까지 400rpm씩 변화시킨 경우의 기관출력, 토오크 및 연료소비율의 변화를 측정하여 나타낸다. 기관출력은 그림 2와 같이 일반디젤유와 ULSD를 비교했을 때 최고 1.5%의 출력저하를 보였고, 장치적용시 최고 3.8% 감소하며, 그림 4, 5에 나타난 바와 같이 토오크와 연료소비율의 감소폭도 아주 미소하여 배출가스 저감효과에 비추어 큰 영향은 미치지 않을 것으로 판단한다.
HC 의 배기량을 나타내고 있다. CO와 HC는 일반 경유와 저황 디젤유 및 저감장치를 적용시에 따른 현격한 차이를 보여주고 있어 co의 경우에는 일반 경유를 사용했을 때와 비교해서 75%정도 저감되었으며 HC의 경우는 82%정도까지 저감효과를 보여주었다.
(1) 연속재생방식 DPF 장착에 따른 기관성능 및 연료소비율의 증감량은 약 4%정도의 범위로 큰 영향을 미치지 않았으며, 이는 본 실험의 저감장치장착이 기관 연소에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
(2) CO 및 THC는 연속재생방식 DPF를 장착하기 전에는 저 부하보다 고부하에서 증가하는 경향을 보였으나, 장착 후에는 DOC의 산화반응에 의하여 고부 하에서 최대 약 73%까지 감소함을 알 수 있었다.
(4) 50ppm 황연료 사용시 PM은 연속재생방식 DPF 장착에 따라 급격히 감소하였으며, PM 분석결과 매연은 검출되지 않았고, SOF, Sulfate 및 미량물질 등이 검출되어 EURO IV를 만족하기 위해서는 연료의 황 농도를 lOppm이하로 규제해야 함을 알 수 있었다

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