국제해사기구 해양환경보호위원회에서 그린하우스가스(GHG)의 주범인 CO2 배출량 감축을 위해 선박에서 대기로 방출하는 CO2의 양을 지수화 하고자 활발한 논의가 진행되고 있다. 이에 따라 에너지 효율 개선을 위해서 선체의 설계변경, 마찰저항을 줄이기 위한 도료개발, 엔진의 열효율을 개선하기 위한 첨가제 개발, 연료를 절감하기 위하여 저속운전 등 다양한 방법들이 적용되고 있다. 선박의 주 기관에서는 전 부하영역에서 효율을 높이기 위하여 전자엔진이 사용되고 있으나, 선박용 발전기 엔진은 여전히 캠으로 연료분사와 흡 배기 밸브를 구동하는 기계식 작동엔진이 대부분이다. 또한 선박용 발전기 엔진은 선박의 과부하 방지 시스템 내에서 운전되므로 대부분의 운전은 80% 이하의 부분부하 영역에서 사용되고 있다. 따라서 100%부하에 세팅된 발전기 엔진은 부분부하에서 효율적인 운전을 위해서는 연료분사시기 재조정이 필요하다. 본 연구는 현재 운항중인 선박발전용 디젤엔진의 운용특성을 파악하여 부분부하에서 연료분사시기 재조정을 통하여 연료소비량 개선에 관한 결과를 보고 하고자 한다.
국제해사기구 해양환경보호위원회에서 그린하우스가스(GHG)의 주범인 CO2 배출량 감축을 위해 선박에서 대기로 방출하는 CO2의 양을 지수화 하고자 활발한 논의가 진행되고 있다. 이에 따라 에너지 효율 개선을 위해서 선체의 설계변경, 마찰저항을 줄이기 위한 도료개발, 엔진의 열효율을 개선하기 위한 첨가제 개발, 연료를 절감하기 위하여 저속운전 등 다양한 방법들이 적용되고 있다. 선박의 주 기관에서는 전 부하영역에서 효율을 높이기 위하여 전자엔진이 사용되고 있으나, 선박용 발전기 엔진은 여전히 캠으로 연료분사와 흡 배기 밸브를 구동하는 기계식 작동엔진이 대부분이다. 또한 선박용 발전기 엔진은 선박의 과부하 방지 시스템 내에서 운전되므로 대부분의 운전은 80% 이하의 부분부하 영역에서 사용되고 있다. 따라서 100%부하에 세팅된 발전기 엔진은 부분부하에서 효율적인 운전을 위해서는 연료분사시기 재조정이 필요하다. 본 연구는 현재 운항중인 선박발전용 디젤엔진의 운용특성을 파악하여 부분부하에서 연료분사시기 재조정을 통하여 연료소비량 개선에 관한 결과를 보고 하고자 한다.
The reduction of CO2 emission has been discussed in the Marine Environment Protection committee in the International Maritime Organization as the biggest causes of GHG for the purpose of indexing CO2 amounts released into the atmosphere from ships. Accordingly, various methods including the change i...
The reduction of CO2 emission has been discussed in the Marine Environment Protection committee in the International Maritime Organization as the biggest causes of GHG for the purpose of indexing CO2 amounts released into the atmosphere from ships. Accordingly, various methods including the change in the hull design to improve energy efficiency, the coating development to reduce friction resistances, the additives development for improving thermal efficiency in an engine, the low-speed operation to reduce fuel consumptions, and etc. have been applied. The main engine of a ship is an electronic engine for improving the efficiency of the whole load area. However, marine generator engines still use mechanical drive engines in intake, exhaust, and fuel injection valve drive cams. In addition, most of marine generator engines in ships apply a part-load operation of less then 80% due to an overload protection system. Therefore, marine auxiliary diesel engine set at 100% load is necessary to readjust in order to efficient operation because of part-load operation. The objective of this study is to report the results of the part-load fuel consumption improvement by injection timing readjust to identifying the operational characteristics of a marine generator engine currently operated in a ship.
The reduction of CO2 emission has been discussed in the Marine Environment Protection committee in the International Maritime Organization as the biggest causes of GHG for the purpose of indexing CO2 amounts released into the atmosphere from ships. Accordingly, various methods including the change in the hull design to improve energy efficiency, the coating development to reduce friction resistances, the additives development for improving thermal efficiency in an engine, the low-speed operation to reduce fuel consumptions, and etc. have been applied. The main engine of a ship is an electronic engine for improving the efficiency of the whole load area. However, marine generator engines still use mechanical drive engines in intake, exhaust, and fuel injection valve drive cams. In addition, most of marine generator engines in ships apply a part-load operation of less then 80% due to an overload protection system. Therefore, marine auxiliary diesel engine set at 100% load is necessary to readjust in order to efficient operation because of part-load operation. The objective of this study is to report the results of the part-load fuel consumption improvement by injection timing readjust to identifying the operational characteristics of a marine generator engine currently operated in a ship.
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문제 정의
더 나아가 발전기용엔진의 운전특성을 연구·활용하여 부분부하에서 연료분사시기 재조정을 통하여 연비 향상과 후 연소(After burn) 개선 방법을 제시하고 그 결과를 보고하고자 한다.
따라서 본 연구는 선박용 발전기엔진의 부하에 따라 점화지연기간을 계산함으로서 부분부하에서 연료분사시기 진각조정을 확인하고, 진각조정을 통하여 후 연소 개선뿐만 아니라 연료소모량 절감에 도움이 되고자 한다.
(2) 연료분사시기 조정은 모든 부하영역에서 만족할 수 없기 때문에 목표 부하를 정한다. 본선 발전기의 부하운용특성상 최고부하가 75% 부하이므로 75%부하를 목표로 하였다.
이상의 선박에너지 효율관리계획을 목적으로 연료소모량을 절감하고 연소상태를 개선하기 위하여 선박 발전용 엔진의 운전 상태를 고려한 연료분사 시기의 새로운 조정을 통한 실험결과를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
(4) 실험은 2°CA씩 진각을 하여 각각 BTDC 15°CA, 17°CA, 19°CA로 하였으며, 연소분석과 연료소모량을 계산하였다.
본 실험 선박의 발전기 엔진의 연료분사 시기는 345(BTDC 15°CA)에 세팅 하여 사용 되고 있기 때문에 연료 캠 샤프트를 진각방향으로 2°CA씩 진각 하였다.
본 연구는 이러한 결과를 토대로 현재 운용되는 선박의 엔진을 대상으로 연료분시시기를 진각 하여 연소상태 분석과 연료소모량의 변화를 조사하였으며, 제한조건과 실험방법은 다음과 같다.
Table 3은 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.
대상 데이터
실험대상 엔진은 선박의 발전기엔진(Generator engine)으로 Table 2에 주요 사양을 나타낸다. Table 3은 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[2].
성능/효과
1. 선박발전용 엔진은 과부하 방지를 위한 시스템에서 운전되기 때문에 운전 상태를 고려한 최적의 운전조건으로 재조정이 필요함을 알았다.
2. 부분부하에서 운전되는 선박발전용 엔진은 적당한 연료분사시기 조정을 통하여 연료소모량을 개선할 수 있었고, 불안정 연소를 상당히 개선할 수 있었다.
3. 연료분사시기 재조정을 통하여 분사시기를 4°CA진각 함으로 50%부하영역에서 연료소모량을 약 6.6% 개선 시켰고, 75% 부하영역에서는 2.2% 감소되는 효과가 나타났다.
Figure 7의 점선 원 부분은 연료분사시기가 진각 됨에 따라 불안전연소 부분이 많이 해소 되고 있음을 알 수 있다. 또한 연돌에서의 배기가스 색도 진각 될수록 맑게 보임을 확인하였다. 여기서 100% 부하에서 분사시기의 결정은 부분부하에서 연소 조건과 상이하므로 부분부하로 운전되는 엔진은 알맞은 연료분사조건으로 재조정이 필요함을 알았다.
Pmax의 증가 폭은 BTDC 15°CA에서 BTDC 17°CA로 2°CA진각 할 때가 이후 19°CA로 진각 할 때 보다 증가 폭이 더 큼을 알 수 있다. 또한 연료분사시기를 진각 함으로서 Pmax가 증가하는 엔진의 특성을 잘 보여주고 있으며, 따라서 에너지 효율이 증가 하는 것으로 생각된다. Table 5에서 연료분사 시기 진각에 따른 최고폭발압력과 증가의 정도를 나타내고 있으며, 4°CA 진각했을 경우 100%부하보다 약 1MPa 낮음을 알 수 있다.
또한 연료분시시기 진각을 통하여 저 부하 영역이 고 부하 영역에서 보다 연료소모량이 훨씬 더 많이 개선됨을 알 수 있다.
본 실험대상 선박의 발전기엔진의 연료분사 시기는 345°CA(BTDC 15°CA)에 세팅(Setting)하여 운전되고 있으며, 위의 Figure 2와 Figure 3에서 보듯이 50% 부하에서는 약 356°CA부근에서 75% 부하에서는 354°CA부근에서 점화가 됨을 알 수 있다.
Figure 4와 Figure 5는 각각 50%와 75%에서 연료분사시기 진각에 따른 P-Θ선도를 보여주고 있다. 분사시기를 진각 함에 따라 Pmax 값이 증가 하였으며, Pmax의 위치도 TDC쪽으로 앞당겨 졌음을 알 수 있다. Pmax의 증가 폭은 BTDC 15°CA에서 BTDC 17°CA로 2°CA진각 할 때가 이후 19°CA로 진각 할 때 보다 증가 폭이 더 큼을 알 수 있다.
또한 연돌에서의 배기가스 색도 진각 될수록 맑게 보임을 확인하였다. 여기서 100% 부하에서 분사시기의 결정은 부분부하에서 연소 조건과 상이하므로 부분부하로 운전되는 엔진은 알맞은 연료분사조건으로 재조정이 필요함을 알았다.
여기서 전체적으로 연료분사시기를 진각 함으로서 연료소모량이 감소함을 알 수 있으며, BTDC 15°CA에서 17°CA로 2°CA 진각하는 구간이 17°CA에서 19°CA로 진각하는 구간보다 더 많이 감소함을 알 수 있다.
참고문헌 (4)
K. S. Jung, "Improvement of combustion efficiency for marine auxiliary diesel engine", Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 38, no. 3, pp. 233-239, 2014 (in Korean).
K. S. Jung, J. U. Lee, J. A. Jung, and J. S. Choi, "Estimation of engine output for marine diesel engine", Journal of the Korea Society of Marine Engineering. vol. 35, no. 4, pp. 436-442, 2011 (in Korean).
H. C. Jeong and J. S. Choi, Lecture of Internal Combustion Engine, Hyosung Publisher, pp. 88, 143, 1999 (in Korean).
J. K. Lim, S. G. Sho, H. H. Lee, and H. S. Im, "Effects of fuel injection timing on performance in old marine diesel engine", Journal of the Korea Society of Marine Environment & Safety, vol. 19, no. 5, pp. 525-530, 2013 (in Korean).
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