[논문]선박발전기용 디젤엔진의 연소효율 개선에 관한연구

정균식

doi:10.5916/jkosme.2014.38.3.233

선박발전기용 디젤엔진의 연소효율 개선에 관한연구
Improvement of combustion efficiency for marine auxiliary diesel engine 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.3, 2014년, pp.233 - 239

정균식 (Training Ship HANNARA, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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엔진성능 분석을 위해서는 기관의 정확한 출력이 기본적으로 중요한 인자이며, 또한 오늘날 내연기관에서 연소압력 분석 장치는 엔진의 연구와 개발, 환경규제 및 엔진의 유지관리를 위해서 필수 장비로 대두 되고 있다. 엔진의 출력뿐만 아니라 연소상태를 분석하여 엔진의 상태에 대한 올바른 판단을 유도하고, 구체적인 개선방법을 제시하여 실질적으로 연료소비량을 절감하여, 엔진의 유지관리 및 운항비 절감에 도움이 되도록 하기위해서는 이를 위한 도구가 절실히 필요하다. 따라서 본 연구는 개발된 측정 장치를 이용하여 선박용 발전기관인 실험엔진의 연소분석을 행하였으며, 실험기관의 불규칙적인 연소상태를 체크하고 재조정하여 안정된 운전 상태를 유지할 수 있었음은 물론 연료절감에 기여할 수 있었다. 이상의 결과로 엔진출력을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 방법에 의한 측정 장치가 개발되었으며, 그 유용성이 입증되었다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The accurate engine output is basically one of important factors for the analysis of engine performance. Nowadays in-cylinder pressure analyzer in internal combustion engine is also an indispensable tool for engine research and development, environment regulation and maintenance of engine. The combustion analysis is desperately needed in order to induce a correct judgment on the condition of the engine and suggest the specific ways to improvement as well as the correct engine output. And these tool is advantageous to reduce fuel consumption and maintenance of the engine. In this study, using the developed measuring kit, combustion analysis of marine generator engine which was adapted as test engine was carried out. It was verified that the good operation condition of the engine as well as contributing to fuel savings by checking and readjusting accurately the irregular combustion of the test engine were accomplished. From the results all above, it was recognized that the measuring kit by new method for engine output was developed and verified for its utilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 개발된 연소해석 장치 및 S/W를 실제 엔진에 활용하여 얻은 결과를 보고하고자 한다. 즉, 발전기용 과급 디젤엔진의 연소성능을 파악하고 이를 토대로 연비성능을 개선한 결과를 보고한다.
따라서 본 연구에서는 누구나 쉽게 엔진의 상태를 점검하고 최적의 상태를 유지하여 연료를 절감하고, 정비기간 및 엔진의 수명을 연장하는데 도움이 될 수 있도록 개발한 연소해석 장치를 이용하여 엔진성능을 개선한 결과에 대하여 설명하고자 한다.
따라서 본 논문은 개발된 연소해석 장치 및 S/W를 실제 엔진에 활용하여 얻은 결과를 보고하고자 한다. 즉, 발전기용 과급 디젤엔진의 연소성능을 파악하고 이를 토대로 연비성능을 개선한 결과를 보고한다.

제안 방법

또한 연료점화시점을 일치하게 하기 위하여 분사시기 재조정 시 경험상 터보차저 끝단의 실린더(5번 실린더)는 급기효율이 좋기 때문에 약 0.5°CA 정도 지연시켜 조정하였다.
또한 오차를 줄이기 위하여 최소한 4회 이상 측정한 데이터를 평균하였으며, 측정은 플라이휠을 터닝하면서 파이프에 연료가 나타나는 순간을 플라이휠에 표시 하여 TDC로부터의 거리를 재고, 각으로 환산하였다.
앞에서 분석한 결과를 확인하기 위하여 연료분사시기를 측정하였다. Photo 1에서 연료분시시기를 측정하기 위한 기구(Tool)를 보여주고 있다.
Table 4는 실험에 이용한 각도센서의 사양을 나타낸다. 엔진의 실린더 번호는 선수 측을 기점으로 1번 실린더로 정하였으며, 크랭크샤프트 끝단에 각도센서를 장착 하고, 1번 실린더의 기하학적 TDC 위치에 1회전에 1회 펄스를 발생하는 각도센서의 Z 펄스를 일치시켰다.
연소해석 방법은 실험 장치를 통하여 실린더 압력을 크랭크 각도별로 수집을 하여 압력 상승률을 구하고, 체적, 체적 상승률, 열발생율, 평균가스 온도 등을 계산하였다. 크랭크 각도별 연소압력, 압력상승율, 열발생율등으로 연소상태를 해석하기에 충분하며, 수집 데이터의 신뢰성을 확인하기 위하여 연소압력과 체적을 이용하여 지시마력을 계산하였다.
연소해석 방법은 실험 장치를 통하여 실린더 압력을 크랭크 각도별로 수집을 하여 압력 상승률을 구하고, 체적, 체적 상승률, 열발생율, 평균가스 온도 등을 계산하였다. 크랭크 각도별 연소압력, 압력상승율, 열발생율등으로 연소상태를 해석하기에 충분하며, 수집 데이터의 신뢰성을 확인하기 위하여 연소압력과 체적을 이용하여 지시마력을 계산하였다.

대상 데이터

실험대상엔진은 선박의 발전기엔진(Generator engine)으로 Table 3에 주요 사양을 나타낸다. Table 4는 실험에 이용한 각도센서의 사양을 나타낸다.

이론/모형

또한 데이터 수집 방법으로는 엔코더의 A펄스(360 PPR sampling interval: 1.0°CA)를 트리거로 압력 데이터를 수집하는 ‘각도기준 계측방법’을 이용하였다[3].

성능/효과

1. 선박엔진의 연소최고압력(Pmax) 게이지 및 각종 압력, 온도 게이지의 정보를 통하여 판단하기 어려운 이상연소에 대하여 연소해석 장치로 해석함으로써 그 원인을 올바르게 진단할 수 있었다.
2. 크랭크 각도별로 수집된 압력 데이터를 이용하여 P-Θ선도, 압력상승률, 열발생률 등을 통하여 분석한 결과와 P-Θ선도로 계산된 지시마력 및 실측한 연료분사시기가 비교적 잘 일치하고 있다.
3. 지연된 연료 분사시기를 초기에 설정된 분사 시기로 조정함으로써 연료소비율을 약 5% 향상시킬 수 있었으며, 운전시간이 1,500h 경과한 경우에는 약 12.8%까지 향상 시킬 수 있었다. 이는 노후의 정도가 심한 경우에 그 효과가 더욱 클 것으로 예상된다.
또한 저 부하에서는 소기온도와 압력의 저하로 후연소가 일어나게 되고, 이로 인한 연소불안정 현상이 발생하여 배기가스 온도의 편차를 만들었다고 판단된다. 따라서 각 실린더별 연료분사 시기를 확인하고 조정하면 연소불안정과 배기가스온도의 편차를 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.
2 엔진은 운전시간 약 1,500시간이 경과한 경우이다. 연료분사 시기를 조정하여 일치시킨 결과 각각 5%와 12.8%의 연비 절감 효과를 나타내었다. 실험대상 발전기의 특성상 운전시간이 경과하면 저부하 운전의 영향으로 흡기 밸브의 오손이 심한 특성을 가지고 있다[2].
선행연구를 통하여 엔진의 출력은 물론 연소해석에 필요한 데이터 계측장치와 해석을 위한 S/W를 개발하였다[1]. 이 장치를 이용하여 현재 운항 중인 선박의 발전기용 과급 디젤엔진을 대상으로 부하별 실린더 내 압력을 계측하여 1 사이클 기간중 압력의 변화를 고찰하여 연소상태를 해석 하고, 이를 토대로 연료소비율의 개선을 꾀할 수 있었다.
실험대상 발전기의 특성상 운전시간이 경과하면 저부하 운전의 영향으로 흡기 밸브의 오손이 심한 특성을 가지고 있다[2]. 이러한 결과로 연료분사시기 조정은 노후화의 정도가 높을수록 연비 절감 효과가 높은 것으로 추정 될 수 있다.
지금까지 연소해석의 결과 연료분사 시기가 지연되어 연소최고압력이 상당히 낮아져 있었으며, 이 때문에 후 연소의 증가 및 배기가스 온도의 상승이 있었다는 것을 알 수 있었다. 또한 각 실린더별 연료분사시기가 다르기 때문에 실린더별 편차가 더욱 증가 하였던 것으로 생각된다.

후속연구

지연된 연료분사시기를 조정하고 각 실린더별 연료분사시기를 일치시킨 후 연료소비와 실제 배기가스 를 조사한 결과에 대하여 아래 Tables 6 ∼8 에서 보여주고 있다. 또한 실린더 헤드 분해정비 후 운전시간이 상이한 두 발전기 엔진을 비교함으로써 엔진의 노후화에 의한 영향을 추정할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박용 디젤엔진의 연소압력 분석 장치에 요구되는 것은 무엇인가?	오늘날 선박용 디젤엔진의 연소압력 분석 장치는 선박엔진의 연구와 개발, 환경규제 및 엔진의 유지관리를 위해서 필수 장비로 대두 되고 있다. 또한 측정 오차를 최소화 하여 정확도를 높이는 것이 요구된다.
	연소압력 분석 장치는 무엇인가?	연소압력 분석 장치는 엔진의 연소실에서 연소의 과정을 직접 눈으로 확인하기 어렵기 때문에 연소과정의 압력 데이터를 크랭크 각도별로 수집하여 직접정보(평균유효압력, 압력상승률, 체적에 대한 압력변화, 사이클 변화, 녹킹 및 실화 등)와 간접정보(열발생률, 연소가스온도 등)를 해석하는 장치이다.

참고문헌 (4)

J. S. Choi, C. H. Jeong, K. H. Cho, J. U. Lee, T. B. Ha, and H. S. Kim, "Development of simulation program of two-stroke marine diesel engines", Journal of the Korean Society of Marine Engineering. vol. 34, no. 1, pp. 62-68, 2010 (in Korean).

원문보기 상세보기
J. D. Kim, A Study on Low Load Operation of Marine Auxiliary Diesel Engine, M.S. Theses, Department of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Korea, 2011 (in korean).
K. S. Jung, J. U. Lee, J. A. Jeong, J. S. Choi, "Estimation of engine output for marine diesel engines", Journal of the Korean Society of Marine Engineering. vol. 35 no. 4, pp. 36-442, 2011 (in korean).

원문보기 상세보기
C. J. Noh, Marine Electric, Ah-Sung Publisher, p. 252, 1986 (in korean).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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