[논문]4행정 중속 디젤기관의 스모크리스 시동

정석호

doi:10.9726/kspse.2014.18.4.011

4행정 중속 디젤기관의 스모크리스 시동
Smokeless Starting for 4 Cycle Medium Speed Diesel Engine 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.4, 2014년, pp.11 - 16

Abstract ▼ AI-Helper

Although smoke emitted from ships is not included in IMO(International Maritime Organiztion) regulation yet, it is one of the substance what is polluting mainly the air. Especially, its concentration is very high when an engine is started and a load is rapidly changed. This is caused by unburned fuel what is injected more than necessary quantity after combustion period. It is possible to decrease smoke concentration emitted at starting engine by controlling fuel injection quantity, but it is concerned that time to rated speed must be spent. Then a governor what can reduce the smoke concentration without a loss of time to rated speed is needed. We adopted a electro-hydraulic governor what can control dual fuel start limit function and achieved very low level of smoke concentration without greater the loss of time to rated speed.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 개발 연구에서는 가버너 자체적으로 시동 시에 연료 제한을 2단계까지 지정할 수 있는 전자 유압식 가버너를 탑재시켰다. 그리고 연료 제한과 관련된 각각의 기능에 따른 가버너 운전특성에 대해서 실험적으로 분석하였고, 최종적으로 2단계 연료 제한을 통해 스모크리스 시동 엔진을 구현하였다.
시동 시의 스모크 배출량은 AVL 439 오파시미터(OPACIMETER)를 이용하여 터보차저 후단의 배기가스 라인에서 측정하였다. 마지막 스모크리스 시동을 구현한 뒤에는 터보차저 후단의 배기가스 라인을 제거하고 비디오 카메라로 실제 스모크 배출 장면을 촬영하였다.
비교적 가격이 싼 기존의 기계 유압식 가버너는 시동 시 외부 연결장치에 의해서 연료 제한을 주기 때문에 한 단계로 제어할 수밖에 없다. 본 개발 연구에서는 가버너 자체적으로 시동 시에 연료 제한을 2단계까지 지정할 수 있는 전자 유압식 가버너를 탑재시켰다. 그리고 연료 제한과 관련된 각각의 기능에 따른 가버너 운전특성에 대해서 실험적으로 분석하였고, 최종적으로 2단계 연료 제한을 통해 스모크리스 시동 엔진을 구현하였다.
5 MPa로 설정하였다. 시동 시의 스모크 배출량은 AVL 439 오파시미터(OPACIMETER)를 이용하여 터보차저 후단의 배기가스 라인에서 측정하였다. 마지막 스모크리스 시동을 구현한 뒤에는 터보차저 후단의 배기가스 라인을 제거하고 비디오 카메라로 실제 스모크 배출 장면을 촬영하였다.
시동 시의 스모크 배출량을 저감시키기 위해 전자 유압식 가버너를 이용, 듀얼모드 기능을 실행하였다. 각각의 파라미터가 시동에 미치는 영향을 살펴보고 종합적인 판단에 따라 적절한 파라미터의 설정값을 얻을 수 있었다.
이상의 조건들을 가지고 공장 출고 시 일반적으로 설정되는 싱글 모드의 결과를 토대로 듀얼 모드의 각 설정치를 변화시키면서 최적의 시동 성능을 나타내는 실험을 실행하였다. 본 실험에 사용된 엔진은 다이하츠디젤(주)의 6DC-32이며그 사양을 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

이상의 조건들을 가지고 공장 출고 시 일반적으로 설정되는 싱글 모드의 결과를 토대로 듀얼 모드의 각 설정치를 변화시키면서 최적의 시동 성능을 나타내는 실험을 실행하였다. 본 실험에 사용된 엔진은 다이하츠디젤(주)의 6DC-32이며그 사양을 Table 1에 나타내었다. 시동은 압축 공기를 사용하며 매번 약 2.
실험에 사용한 전자유압식 가버너는 미국 우드워드 가버너사(WOODWARD GOVERNOR)의 UG-25+로 시동 시 연료 제한을 2단계로 제어할 수 있는 기능, 즉 듀얼 모드 연료 제한 기능을 가지고 있다. 시동이 제어되는 순서를 설명하면 다음과 같다.

성능/효과

시동 시의 스모크 배출량을 저감시키기 위해 전자 유압식 가버너를 이용, 듀얼모드 기능을 실행하였다. 각각의 파라미터가 시동에 미치는 영향을 살펴보고 종합적인 판단에 따라 적절한 파라미터의 설정값을 얻을 수 있었다. 그 결과 정격 속도에 이르는 시간이 8.
각각의 파라미터가 시동에 미치는 영향을 살펴보고 종합적인 판단에 따라 적절한 파라미터의 설정값을 얻을 수 있었다. 그 결과 정격 속도에 이르는 시간이 8.5초로서 싱글모드에 비해 1초 정도 느려졌지만 오파시메터의 최대값이 싱글모드의 약 10분의 1 정도로 감소하였고 전체적으로는 스모크 배출이 5% 이하를 나타내는 감소 효과를 얻었다.
이상의 실험을 통하여 스모크는 랙이 급격하게 움직이는 부분에서 많이 생성됨을 알 수 있었다. 그리고 정격속도에 이르는 시간을 단축시키기 위해서는 저회전속도에서 연료를 더 많이 요구하기 때문에 start fuel limit 1에서 정격속도에 이르기까지 랙을 적절하게 감소시켜 나가야 한다는 것을알 수 있었다. 이를 통해서 start fuel limit 1, actuator ramp rate, start fuel limit 2를 적절히 조절하면 스모크리스 시동이 가능할 것으로 판단하였다.
그래프 위쪽의 엔진회전수를 보면 18 mm로 했을 경우 연료 분사량이 부족하여 실화로 인한 엔진 정지 현상을 나타내었다. 따라서 start fuel 1 limit를 20 mm 이상으로 정하는 것이 실험엔진에서는 좋을 것으로 판단되었다. 싱글모드에서는 정격속도에 이르는 시간을 길게 함으로서 오파시메터가 적게 나타나고 있으나 운전자들의 요구에 따라 일반적으로 이를 10초 이내로 할 필요가 있다.
그리고 정격속도에 이르는 시간을 단축시키기 위해서는 저회전속도에서 연료를 더 많이 요구하기 때문에 start fuel limit 1에서 정격속도에 이르기까지 랙을 적절하게 감소시켜 나가야 한다는 것을알 수 있었다. 이를 통해서 start fuel limit 1, actuator ramp rate, start fuel limit 2를 적절히 조절하면 스모크리스 시동이 가능할 것으로 판단하였다.
이상의 실험을 통하여 스모크는 랙이 급격하게 움직이는 부분에서 많이 생성됨을 알 수 있었다. 그리고 정격속도에 이르는 시간을 단축시키기 위해서는 저회전속도에서 연료를 더 많이 요구하기 때문에 start fuel limit 1에서 정격속도에 이르기까지 랙을 적절하게 감소시켜 나가야 한다는 것을알 수 있었다.
싱글 모드는 기계식 유압 가버너가 일반적으로 공장에서 출고될 때와 같은 설정 값이고, 듀얼 모드는 본 연구에 의해 최적으로 설정된 값이다. 정격 속도에 이르는 시간은 싱글 모드가 약 7.5초인 것에 비해 듀얼 모드는 8.5초 정도로 약 1초 느려졌지만 오파시메터의 최대값은 싱글모드의 10분의 1정도로 감소하는 효과를 얻었다. 또한 오파시메터의 값이 듀얼모드에서는 5% 이하로 나타나며 이는 눈으로 확인이 거의 불가능한 수준이다.

후속연구

다음으로 가버너에 설정값을 지정하기 위해서는 각 엔진과 탑재된 가버너의 특성을 파악해야 할 필요가 있다. 첫 번째는 Fig.
즉 듀얼모드에서는 start target speed rate 보다는 start fuel limit 2의 역할이 엔진이 정격속도에 달하는데 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 또한 start fuel limit 2가 일정한 것에 비해 오파시메터가 지속적으로 증가하기 때문에 start fuel limit 2 부분을 지속적으로 감소시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 최적 조건을 찾는 실험으로만 끝이 났지만, 기관 회전수에 따른 연료량과 공기량을 측정하여 이론적인 내용을 체계적으로 수립하면 시동 시 뿐만 아니라 스모크가 많이 발생하는 저부하 운전 상태에서도 스모크리스를 달성시킬 수 있는 최적 조건을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자유압식 가버너 중 UG-25+는 어떤 기능을 가지고 있는가?	실험에 사용한 전자유압식 가버너는 미국 우드 워드 가버너사(WOODWARD GOVERNOR)의 UG-25+로 시동 시 연료 제한을 2단계로 제어할 수 있는 기능, 즉 듀얼 모드 연료 제한 기능을 가지고 있다. 시동이 제어되는 순서를 설명하면 다음과 같다.
	디젤엔진의 시동의 대다수는 무엇을 연구했는가?	디젤엔진의 시동에 관련된 연구는 대부분 냉간 시동의 문제점을 개선하는 데 중점을 두었었다2-8). 이는 대부분이 자동차용으로 배터리와 스타터 모터를 이용하여 디젤엔진을 시동하는 방식이다. 그러나 선박용으로 주로 사용되는 4행정 중속 디젤엔진은 2.
	동 시의 스모크를 저감하기 위해 필요한 방법은?	시동 시의 스모크 배출에 관한 실험적, 이론적 연구는 지금까지 발표된 것이 거의 없지만, 기본적으로 스모크의 배출량은 연료의 농도에 큰 영향을 받는 것으로 밝혀져 있다9). 따라서 시동 시의 스모크를 저감하기 위해서는 초기 폭발 이후에 필요 이상의 연료가 분사되지 않도록 가버너를 제어할 필요가 있다. 비교적 가격이 싼 기존의 기계 유압식 가버너는 시동 시 외부 연결장치에 의해서 연료 제한을 주기 때문에 한 단계로 제어할 수밖에 없다.

참고문헌 (10)

IMO, 2009, "Revised MARPOL annex VI-regulations for the prevention of air pollution from ships", IMO.
S. H. Choi, 1988, "Measures of White Smoke from Direct Injection Diesel Engine", Conference of KSAE at 1998, pp. 113-122.
J. K. Park, K. S. Bae and C. Yoo, 2000, "Dynamic Modelling and Simulation of Engine Starting Process for Optimization of Diesel Engine Cold Starting System", KSAE, Vol. 8, No. 1, pp.32-39.
Z. Han, N. Henein, B. Nitu and W. Bryzik, 2001, "Diesel Engine Cold Start Combustion Instability and Control Strategy", SAE 2001-01-1237.
David J. Junge, 1994, "Cold Start Automotive Research Efforts at the University of Alaska Anchorage", SAE 940083.
P. Bielaczyc, J. Merkisz and J. Pielecha, 2001, "Investigation of Exhaust Emissions from DI Diesel Engine During Cold and Warm Start", SAE 2001-01-1260.
H. Peng, Y. Cui. L. Shi and K. Deng, 2008, "Effects of exhaust gas recirculation(EGR) on combustion and emissions during cold start of direct injection(DI) diesel engine", Energy, Vol. 33, Issue 3, pp. 471-479.

상세보기
S. S. Kim, 2010, "The effects of High Torque Starters on the Starting Characteristics of a Micro-hybrid Engine", KSPSE, Vol. 14, no. 2, pp. 12-15.
Kitamura, T. et al., 2002, "Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ratio and temperature on soot particle formation", International Journal of Engine Research, Vol. 3, No. 4, pp. 185-195.

상세보기
Sam Coleman, 2002, "Technical Manual 26330, Installation and Operation Manual", Woodward governor company, Colorado America, pp. 38-62.

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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