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열병합 발전용 300 kW급 천연가스 엔진의 노킹 특성 연구
A Study on Knocking Characteristics of a 300 kW Class CNG Engine for CHP 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.12 no.3, 2008년, pp.13 - 19  

김창기 (한국기계연구원) ,  김영민 (한국기계연구원) ,  이장희 (한국기계연구원) ,  노윤현 ((주)템스) ,  안태근 ((주)템스)

초록
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열병합발전용으로 사용되는 여러 가지 원동기 중 천연가스 엔진은 1 MW 이하의 발전용량을 갖는 원동기로 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 흡기온도가 요구되는 열병합발전용 천연가스엔진을 대상으로 흡기온도에 따른 엔진성능과 노킹특성에 대하여 실험한 결과를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

#CNG Engine   #CHP   #Ignition   #Knock   #Stoichiometric   #Intake air temperature  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 노킹은 여러 가지 요인에 영향을 받으며 엔진 흡기 온도는 중요한 요인 중 하나이다. 본 연구에서는 열병합 발전용 엔진을 운전하는데 있어서 흡기온도 상승의 필요성과 같이 현실적인 문제를 다루고자 노킹특성을 파악하였다. 과급기를 통해 압력과 온도가 상승된 흡입공기를 엔진에서 요구하는 흡기온도까지 낮추기 위해서는 별도의 냉각시스템(40℃ 이하의 냉각수와 이를 다시 냉각시켜줄 냉각 팬)이 추가되어야 한다.
  • 본 연구에서는 열병합발전 시스템의 효율적 관리를 위해 흡기온도를 40℃에서 75℃로 상승시킬 필요성이 대두된 열병합발전용 천연가스 엔진을 대상으로 흡기 온도에 따른 엔진 성능과 노킹 특성을 파악하였으며 노킹 제어를 통해 점화시기를 MBT에 접근함으로써 가능한 한 엔진효율을 높이고 성능 및 내구 안정성을 확보하고자 하였다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
국내에서 열병합 발전용 고효율 저공해 천연가스 엔진 개발이 필요한 이유는? 국내 천연가스 엔진의 경우 엔진 본체는 자체적으로 생산하고 있으나 열병합 발전용 천연가스 엔진의 전자제어장치는 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 강화되는 배기가스 규제치를 만족시키기 어려워 국내에서도 열병합 발전용 고효율 저공해 천연가스 엔진 개발이 필요하다고 할 수 있다.
엔진 노킹이란 무엇인가? 이론공연비 연소 엔진의 효율향상을 위해서는 가능한 점화시기를 MBT에 가깝게 하여야 하지만 엔진 노킹(Knocking)에 대한 대처가 필요하다. 엔진 노킹은 화염전파 전에 연소되지 않은 말단가스가 고압고온으로 압축되어 순간적으로 자발화되는 현상으로 엔진 효율과 소음, 그리고 내구성에 좋지 않은 영향을 미친다[3]. 따라서 노킹 가능성이 높은 환경에서 운전되는 엔진은 MBT 점화시기를 적용할 때 많은 주의가 필요하다.
300 kW급 열병합발전용 천연가스 엔진을 대상으로 흡기온도에 따른 엔진 성능 및 노킹특성을 파악하였다, 이에 대한 결론은? 1) 12기통의 엔진에 4개의 노킹센서를 장착하여 전체 실린더의 노킹여부를 판별할 수 있도록 하였으며 시험을 통해 검증하였다. 2) 열병합 시스템의 효율적 운영을 위해 엔진 흡기온도를 기존의 40℃에서 75℃까지 크게 높인 결과, 노킹 시기와 MBT 점화시기가 근접해짐에 따라 노킹 제어의 필요성이 확인되었다. 3) 흡기온도 상승에 대해 노킹제어가 이루어지지 않을 경우 노킹방지를 위해 10o 정도의 점화시기 지각이 필요하며 이때 약 4%의 효율 손실이 발생하는 것으로 나타났다. 4) 흡기온도의 상승으로 NOx가 조금 증가하지만 삼원촉매에 의해 대부분 정화됨으로써 흡기온도 상승이 NOx 규제 만족에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있 었다. 5) 노킹제어를 병행하여 흡기온도를 75℃까지 상승시킬 경우, 흡기온도를 냉각시킬 별도의 냉각시스템이 필요하지 않으며, 엔진 열효율은 그대로 유지하면서 배기가스 온도의 상승을 통해 회수되는 배열양이 높아지는 이득을 얻을 수 있다.
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