선박용 노후 디젤기관의 성능에 미치는 연료 분사시기의 영향(실습선 "해림호"를 중심으로) Effects of Fuel Injection Timing on Performance in Old Marine Diesel Engine (Using M/S "Hae Rim" of Training Ship)원문보기
본 연구에서는 건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호의 발전기를 대상으로 직접 선박현장에서 실험하여 최적 연료 분사시기를 규명해서 선박의 경제적이고 친환경적인 운항에 도움을 주고자 연구하였다. 실험은 기관회전속도 1,200 rpm으로 일정히 유지하고, 기관부하를 0 kW에서 90 kW까지 30 kW간격으로 변화시켰으며, 연료분사시기는 BTDC $19^{\circ}$에서 $23^{\circ}$까지 $2^{\circ}$ 간격으로 변화시키면서 실험하였다. 실험결과 연료분사시기를 BTDC $21^{\circ}$에서 BTDC $23^{\circ}$로 앞당길 경우, 연료소비율은 1.37 % 감소하였고, 질소산화물은 11.59 % 증가하였으며, 매연은 23.5 % 감소하였고, 아황산가스는 2.8 % 감소하였다. 따라서 노후 발전기 엔진에 있어서 연료분사시기가 연소특성 및 배기배출물특성에 미치는 영향을 종합적으로 분석 고찰한 결과, 최적 연료분사시기는 원래의 분사시기보다 $2^{\circ}$ 앞당겨진 BTDC $23^{\circ}$로 확인되었다.
본 연구에서는 건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호의 발전기를 대상으로 직접 선박현장에서 실험하여 최적 연료 분사시기를 규명해서 선박의 경제적이고 친환경적인 운항에 도움을 주고자 연구하였다. 실험은 기관회전속도 1,200 rpm으로 일정히 유지하고, 기관부하를 0 kW에서 90 kW까지 30 kW간격으로 변화시켰으며, 연료분사시기는 BTDC $19^{\circ}$에서 $23^{\circ}$까지 $2^{\circ}$ 간격으로 변화시키면서 실험하였다. 실험결과 연료분사시기를 BTDC $21^{\circ}$에서 BTDC $23^{\circ}$로 앞당길 경우, 연료소비율은 1.37 % 감소하였고, 질소산화물은 11.59 % 증가하였으며, 매연은 23.5 % 감소하였고, 아황산가스는 2.8 % 감소하였다. 따라서 노후 발전기 엔진에 있어서 연료분사시기가 연소특성 및 배기배출물특성에 미치는 영향을 종합적으로 분석 고찰한 결과, 최적 연료분사시기는 원래의 분사시기보다 $2^{\circ}$ 앞당겨진 BTDC $23^{\circ}$로 확인되었다.
In this study, the generator engine of training ship M/S "HAE RIM" of Kunsan National University which is being operated for 20 years was used in the experiment. The experiment was carried out under the engine speed of 1200rpm, then the load was varied 30 kW intervals from 0 to 90 kW and the injecti...
In this study, the generator engine of training ship M/S "HAE RIM" of Kunsan National University which is being operated for 20 years was used in the experiment. The experiment was carried out under the engine speed of 1200rpm, then the load was varied 30 kW intervals from 0 to 90 kW and the injection timing was varied $2^{\circ}$CA intervals from BTDC $19^{\circ}$ to $23^{\circ}$CA. In the case of advancing fuel injection timing from BTDC $21^{\circ}$CA to $23^{\circ}$CA, specific fuel consumption is decreased by 1.37%, NOx is increased by 11.59 %, soot is decreased by 23.5 % and $SO_2$ is decreased by 2.8 %. Accoring to the analysis of effects of fuel injection timing on combustion & exhaust emissions characteristics on an old marine diesel engine, it is proved that the optimum fuel injection timing is BTDC $23^{\circ}$ which is $2^{\circ}$ faster than that of original injection timing.
In this study, the generator engine of training ship M/S "HAE RIM" of Kunsan National University which is being operated for 20 years was used in the experiment. The experiment was carried out under the engine speed of 1200rpm, then the load was varied 30 kW intervals from 0 to 90 kW and the injection timing was varied $2^{\circ}$CA intervals from BTDC $19^{\circ}$ to $23^{\circ}$CA. In the case of advancing fuel injection timing from BTDC $21^{\circ}$CA to $23^{\circ}$CA, specific fuel consumption is decreased by 1.37%, NOx is increased by 11.59 %, soot is decreased by 23.5 % and $SO_2$ is decreased by 2.8 %. Accoring to the analysis of effects of fuel injection timing on combustion & exhaust emissions characteristics on an old marine diesel engine, it is proved that the optimum fuel injection timing is BTDC $23^{\circ}$ which is $2^{\circ}$ faster than that of original injection timing.
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문제 정의
건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호 발전기를 대상으로 직접 선박현장에서 실험하여 최적 연료분사 시기를 규명해서 선박의 경제적이고 친환경적인 운항에 도움을 주고자 연구하였다. 발전기 엔진에 있어서 연료분사 시기가 연소특성 및 배기배출물특성에 미치는 영향을 종합적으로 분석·고찰한 결과, 최적 연료분사시기는 원래의 분사시기인 BTDC 21° 보다 2° 앞당겨진 BTDC 23°로 확인되었으며, 부하 90 kW의 경우 그 주요한 내용은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 우선 연료의 분사시기가 연소특성 및 배기배출물 특성에 미치는 영향을 실험적으로 연구하고자 하며, 일반적으로 기관에 대한 연구는 실험실에 설치되어 있는 실험기관을 대상으로 하고, 신품의 기관을 사용하는데, 본 연구에서는 건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호의 노후한 발전기를 대상으로 직접 선박 현장에서 실험하여 최적 연료분사시기를 규명하므로써 선박기관의 경제적인 운전에 도움을 주고자 한다.
제안 방법
그리고 BTDC 25°와 27°로도 실험을 계획하였는데, 25°로 실험하는 중에 엔진에서 약간의 노킹현상이 발생되어 실습선발전기의 안전을 위해 실험을 중단하였다.
기관의 출력은 발전기에서 생산된 전력을 이용하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 계측기기(MIP2000)를 설치하여 계측하였으며, 연료소비율의 측정은 고정도 연료소비량계(OVAL, Flow PET-EN)를 사용하였고, 또한 배기배출물의 측정은 배기분석기(Testo 350M-XL)를 사용하였으며, 매연은 광투과식(MEXA-130S) 및 Bosch식 측정기를 사용하였다.
또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0”점 조정하고, 표준가스(측정범위의 80 %인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였다.
실험에 사용된 연료유의 화학적 성분과 물리적 성질은 Table 2와 같고, 본 연구에서는 기관회전속도 1,200 rpm으로 일정히 유지하고, 기관부하를 0 kW에서 90 kW까지 30 kW 간격으로 변화시키면서 실험하였으며, 연료분사각이 원래 BTDC 21° 이었으므로, BTDC 19°, 21°, 23°로 2° 간격으로 변화시키면서 실험한 결과를 분석하였다.
실험을 하는 동안 수냉식 열교환기를 사용하여 기관의 냉각수와 윤활유 온도를 일정하게 유지하였고 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 연소실 압력상 승률 선도 등을 취득하였으며, 각 부위(배기관 입‧출구, 냉각수 입‧출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 실험장치의 구성도는 Fig. 1과 같고, 실험 기관은 발전기용 디젤기관으로 주요 제원은 Table 1과 같다.
CO의 배출량은 Fig. 4와 같으며, 부하가 증가하면 할수록 아래로 볼록한 형태로 감소하는 경향이고, 연료분사시기가 BTDC 21°CA에서 가장 적게 나타났다.
NOX의 배출량은 Fig. 5와 같으며, 부하가 증가할수록 NOX의 배출량이 증가하는 경향으로 나타났고, 연료분사시기가 앞당겨질수록 더욱더 많이 발생되었다. 즉, 부하가 90 kW 일 경우, BTDC 19°에서 21° 및 23°로 2°씩 앞당겨질 때 NOX의 배출량은 628 ppm에서 992 ppm 및 1107 ppm으로 증가되었다.
본 실험결과 90 kW 부하경우 19°에서 21° 및 23°로 앞당겨 짐에 따라 282.2 ppm에서 197.4 ppm, 224 ppm으로 변화되었다.
연료소비율은 부하가 증가함에 따라 점점 감소하는 경향이고, 연료분사시기가 앞당겨 질수록 점점 감소했으며, 부하 90 kw의 경우에 21° 기준으로 2° 앞당겨짐에 따라 4 g/kWh 감소되고, 2° 늦춤에 따라 7 g/kWh 증가되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디젤기관의 장점은?
디젤기관은 다른 종류의 기관보다 열효율이 높고, 대출력의 기관을 만드는 것이 용이하며, 값이 싼 연료를 사용할 수 있고, 내구성과 신뢰성이 좋을 뿐만 아니라, 단위동력당 이산화탄소(CO2)의 배출량이 적기 때문에 에너지 절약과 지구온난화 억제를 위해서도 바람직한 동력원임이 입증되었고(Ryu and Oh , 2007), 연료소비율을 줄이고 대기 환경오 염물질을 저감시킬 수 있는 대책을 여러가지로 연구한 결과, 많은 진전이 있었지만(Kanne and Iwamoto, 1988; Lim and Cho, 2008; Lim and Cho, 2012a; Lim and Cho, 2012b), 앞으로도 더욱 노력할 필요가 있다.
디젤기관의 연소특성과 배기배출물특성에 영향을 주는 주요 인자로는 무엇이 있는가?
그리고 디젤기관의 연소특성과 배기배출물특성에 영향을 주는 주요 인자는 연료의 분사시기, 분사율, 연료분무의 무화성 및 관통성 등등 여러 가지가 있는데, 이들은 서로 미치는 영향이 유기적이다(Satoh et al., 1997).
최적 연료분사시기인 연료분사각은 몇 도인가?
건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호 발전기를 대상으로 직접 선박현장에서 실험하여 최적 연료분사 시기를 규명해서 선박의 경제적이고 친환경적인 운항에 도움을 주고자 연구하였다. 발전기 엔진에 있어서 연료분사 시기가 연소특성 및 배기배출물특성에 미치는 영향을 종합적으로 분석․고찰한 결과, 최적 연료분사시기는 원래의 분사시기인 BTDC 21° 보다 2° 앞당겨진 BTDC 23°로 확인되었으며, 부하 90 kW의 경우 그 주요한 내용은 다음과 같다.
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