선박추진용 기계적 캠 구동식 및 전자제어식 연료분사 시스템을 가진 저속 2행정 디젤엔진의 배기특성 비교 Comparison of emission characteristics between fuel injection systems with echanical cam and electric control type on low speed 2 stroke diesel engine for ship propulsion원문보기
선박운항의 경제성, 효율성 및 편리성을 높이면서 친환경적인 선박에 대한 연구가 지속적으로 추진되고 있는데, 그 중 한 예로 전자제어식 디젤엔진의 개발을 들 수 있다. 그러나 전자제어식 엔진으로 추진되는 선박은 안전성과 신뢰성이 우려되고 있어 이들을 선박에 널리 보급하는데 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 전자제어식과 캠구동식 연료분사시스템을 탑재하고 있는 선박의 주기관을 이용하여 시스템별 배기성능을 비교 분석하였다. 그 결과 전자제어식의 경제적 운항 모드에서는 캠구동식과 비슷한 배기특성을 나타내었지만, 유해가스 저배출 모드의 100% 부하상태에서는 NOx를 100ppm 이상, HC의 경우 50% 부하상태에서는 10~20ppm을, 25% 부하상태에서는 35~40ppm을 캠구동식에 비해 저감시킨다. 연료소비율에 있어서는 25% 부하상태에서 압축압력을 캠 구동식에 비해 200bar 이상 증가시킨 700bar로 유지할 때 7g/kWh 정도 저감되었다.
선박운항의 경제성, 효율성 및 편리성을 높이면서 친환경적인 선박에 대한 연구가 지속적으로 추진되고 있는데, 그 중 한 예로 전자제어식 디젤엔진의 개발을 들 수 있다. 그러나 전자제어식 엔진으로 추진되는 선박은 안전성과 신뢰성이 우려되고 있어 이들을 선박에 널리 보급하는데 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 전자제어식과 캠구동식 연료분사시스템을 탑재하고 있는 선박의 주기관을 이용하여 시스템별 배기성능을 비교 분석하였다. 그 결과 전자제어식의 경제적 운항 모드에서는 캠구동식과 비슷한 배기특성을 나타내었지만, 유해가스 저배출 모드의 100% 부하상태에서는 NOx를 100ppm 이상, HC의 경우 50% 부하상태에서는 10~20ppm을, 25% 부하상태에서는 35~40ppm을 캠구동식에 비해 저감시킨다. 연료소비율에 있어서는 25% 부하상태에서 압축압력을 캠 구동식에 비해 200bar 이상 증가시킨 700bar로 유지할 때 7g/kWh 정도 저감되었다.
Many researches have been carried out consistently for the green ship owing to its economic increasement, efficiency and convenience. One of them is an electronic controlled marine diesel engine. However, we are suffered from dissemination of above engine, due to its anxiety about safety and reliabi...
Many researches have been carried out consistently for the green ship owing to its economic increasement, efficiency and convenience. One of them is an electronic controlled marine diesel engine. However, we are suffered from dissemination of above engine, due to its anxiety about safety and reliability. In order to solve these problems in this study, emission characteristics test of main propulsive two-stroke diesel engine, equipped both electronic control and cam drive fuel injection systems, has been performed and evaluated under the various load conditions. From the test results, we have confirmed that exhaust gas emission characteristics of the electronic control system is similar to the cam drive system in eco-mode operation, but NOx in emission mode has been decreased 100ppm or more in full load condition. HC emission from the electronic control system is decreased 10~20ppm at 50% load, and 35~40ppm at 25% load in comparison to cam drive system. In fuel consumption, it is considered that 7g/kWh is decreased than the value of cam drive system at 700bar of injection pressure, which is 200bar higher than cam drive system.
Many researches have been carried out consistently for the green ship owing to its economic increasement, efficiency and convenience. One of them is an electronic controlled marine diesel engine. However, we are suffered from dissemination of above engine, due to its anxiety about safety and reliability. In order to solve these problems in this study, emission characteristics test of main propulsive two-stroke diesel engine, equipped both electronic control and cam drive fuel injection systems, has been performed and evaluated under the various load conditions. From the test results, we have confirmed that exhaust gas emission characteristics of the electronic control system is similar to the cam drive system in eco-mode operation, but NOx in emission mode has been decreased 100ppm or more in full load condition. HC emission from the electronic control system is decreased 10~20ppm at 50% load, and 35~40ppm at 25% load in comparison to cam drive system. In fuel consumption, it is considered that 7g/kWh is decreased than the value of cam drive system at 700bar of injection pressure, which is 200bar higher than cam drive system.
이러한 제품개발은 대부분 실험적으로 이루어지므로 실선에서의 운전실적을 확인하기 어려워 실수요자들이 전자식 연료분사시스템을 선정하는데 있어 유해가스 배출물 저감효과를 확인하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 캠식과 전자제어식 연료분사시스템을 동시에 탑재하고 있는 주 기관에서의 부하상태와 운전모드에 따라 발생되는 배기 유해성분(NOx, HC, CO 등) 및 연료소비율을 측정하고 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
각각의 연료분사시스템의 배기특성 실험은 시험선박이 MDO를 연료로 사용하면서 운항하는 동안 수행되었으며, 사용연료의 성분의 Table 2에 보이는 바와 같다. 엔진의 부하를 25%, 50%, 75%, 85%, 100%로 변화시키면서 각 부하에서의 연료소비율, 최고 연소 압력, 배기온도와 배기가스에 포함된 유해물질인 CO2, CO, NOx 및 HC의 배출량도 측정하였다.
각각의 연료분사시스템의 배기특성 실험은 시험선박이 MDO를 연료로 사용하면서 운항하는 동안 수행되었으며, 사용연료의 성분의 Table 2에 보이는 바와 같다. 엔진의 부하를 25%, 50%, 75%, 85%, 100%로 변화시키면서 각 부하에서의 연료소비율, 최고 연소 압력, 배기온도와 배기가스에 포함된 유해물질인 CO2, CO, NOx 및 HC의 배출량도 측정하였다.
성능/효과
1) 이산화탄소 (CO) 발생량은 25% 부하에서 ME-ECO 모드일 때 가장 적고, MC 모드에서 가장 많으며, 50% 이상의 부하에서는 유사하였다.
2) 이산화탄소 (CO2) 발생량은 75% 이하의 부하 구간에서 ME-EMI 모드일 때 가장 적고, 75% 부하 이상에서는 유사하였다.
3) 질소산화물 (NOx) 발생량은 모든 부하구간에서 ME-EMI 모드일 때 가장 적고, 그 가운데 50% 부하에서 다른 모드에 비해 250ppm 이상 적었다. 또한 ME-ECO 모드보다 MC 모드의 25~75% 부하에서 더욱 적었다.
4) 불완전 연소가스 (HC) 발생량은 25% 부하에서는 모드에 관계없이 유사하였으며, 50~75% 부하에서는 ME-EMI 모드일 때 다른 모드에 비해 10-20ppm 증가되고, 100% 부하에서는 유사하였다.
5) 질소산화물 (NOx) 발행량은 ME-EMI 모드일 때 감소되었다.
6) 연료소비율은 모든 부하에서 ME 모드일 때 감소되고, 25% 부하에서 MC 모드에 비해 7g/kWh 정도 절감되었다.
후속연구
7) 상기의 결과를 토대로 지속적인 환경오염 개선을 위한 관점에서 볼 때, 기존의 캠 구동식 연료분사시스템은 전자제어식으로 교체되는 것이 바람직하며, 유해가스 배출량 감소를 개선하기 위해 배기개선 연구가 지속되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자제어식 엔진으로 추진되는 선박의 단점은 무엇인가?
선박운항의 경제성, 효율성 및 편리성을 높이면서 친환경적인 선박에 대한 연구가 지속적으로 추진되고 있는데, 그 중 한 예로 전자제어식 디젤엔진의 개발을 들 수 있다. 그러나 전자제어식 엔진으로 추진되는 선박은 안전성과 신뢰성이 우려되고 있어 이들을 선박에 널리 보급하는데 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 전자제어식과 캠구동식 연료분사시스템을 탑재하고 있는 선박의 주기관을 이용하여 시스템별 배기성능을 비교 분석하였다.
축압식(common-rail) 전자제어식 저속 디젤엔진의 특징은?
연구결과의 한 예로 축압식(common-rail) 전자제어식 저속 디젤엔진을 들 수 있다. 이러한 형식의 엔진은 연료분사용 캠을 제거하고 1~2대의 연료펌프로 1,500 bar 이상으로 연료유를 가압한 후 축압기에 저장하였다가 각 실린더의 분사시기에 맞추어 분사밸브의 분사 시기를 전자적으로 제어하기 때문에 캠 구동방식에 비해 많은 장점이 있다. 연료유의 분사시기와 분사압력의 조절 및 다단분사가 가능하므로, 분사 특성을 운전조건별로 최적화시켜 적절한 연소가 이루어지게 하여 연료 소모량을 감소시킨다.
축압식 전자제어식 저속 디젤엔진이 캠 구동방식보다 연료 소모 측면에서 나은 점은 무엇인가?
이러한 형식의 엔진은 연료분사용 캠을 제거하고 1~2대의 연료펌프로 1,500 bar 이상으로 연료유를 가압한 후 축압기에 저장하였다가 각 실린더의 분사시기에 맞추어 분사밸브의 분사 시기를 전자적으로 제어하기 때문에 캠 구동방식에 비해 많은 장점이 있다. 연료유의 분사시기와 분사압력의 조절 및 다단분사가 가능하므로, 분사 특성을 운전조건별로 최적화시켜 적절한 연소가 이루어지게 하여 연료 소모량을 감소시킨다. 또한 IMO(국제해사기구) 대기오염방지기준에 따라 배기가스 규제구역(ECA: emission control area)에서는 저위배출방식(Emission mode)을 이용하여 규제치를 만족시키려는 연구도 진행 중이다.
참고문헌 (8)
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M. Sugihara, K. Edo, and T. Tanida, "Creating a whole range of benefits with the Mitsubishi UEC eco-engine", CIMAC Congress 2007, no. 75, pp. 1-10, 2007.
M. Flory and J. Hiltner, "Engine control system development using rapid prototyping hardware and software", CIMAC Congress 2007, no. 179, pp. 1-13, 2007.
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