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문제 정의
- 상기와 같이 배기의 압력, 온도, 내부 EGR 등에 대한 연구가 진행되고 있지만, 배기관에 설치된 열교환기가 엔진성능에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 동일한 크기의 형식이 다른 세 가지 열교환기를 배기관에 설치하여 배기압력과 엔진성능에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고자 한다.
- 본 연구는 배기관에 동일한 크기의 세 가지 열교환기를 설치하여 엔진에 미치는 영향을 분석하였으며 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 엔진 회전 속도는 최저 700rpm에서 600rpm 간격으로 1300rpm, 1900rpm에서 실험하였고 엔진 부하는 무부하에서 최대 토크까지 4등분하여 부하별 실험을 수행하였다. idle, 25%, 50%, 75%는 열교환기 미설치시의 최대부하를 기준으로 산정하였다.
- 배기압력도 배기관의 시작지점에서 측정하였으며 배기온도가 최대 500℃의 고온인 관계로 압력센서의 직접적인 설치를 피하고 배기관에서 수직으로 연결관을 설치하였다. 배기가스가 열교환기를 통과할 때의 변화를 확인하기 위하여 열교환기의 출구 부분에서 배기가스 분석기와 smoke meter, 열전대를 설치하여 측정하였다.
- 배기온도를 측정하기 위하여 배기관에 시작지점부터 일정 간격으로 K타입 열전대를 설치하였다. 배기압력도 배기관의 시작지점에서 측정하였으며 배기온도가 최대 500℃의 고온인 관계로 압력센서의 직접적인 설치를 피하고 배기관에서 수직으로 연결관을 설치하였다. 배기가스가 열교환기를 통과할 때의 변화를 확인하기 위하여 열교환기의 출구 부분에서 배기가스 분석기와 smoke meter, 열전대를 설치하여 측정하였다.
- 본 실험 장치는 수동력계, 디젤 엔진, 배기관, 열교환기로 구성되어 있으며 Figure 1은 실험 장치의 개략도이다. 배기온도를 측정하기 위하여 배기관에 시작지점부터 일정 간격으로 K타입 열전대를 설치하였다. 배기압력도 배기관의 시작지점에서 측정하였으며 배기온도가 최대 500℃의 고온인 관계로 압력센서의 직접적인 설치를 피하고 배기관에서 수직으로 연결관을 설치하였다.
- 그러나 일반적으로 열교환 면적이 크고 경로가 복잡할수록 열전달량이 많으므로 열회수 효율과 엔진 성능은 반비례할 것으로 예상된다. 본 실험에 사용되는 엔진의 경우 최대 허용 배기 압력이 6.7kPa로 각 운전 영역의 배압을 측정하여 비교하고자 한다.
- 실린더 내부 압력은 엔진 출력에 직접적인 영향을 미치는 요인이기 때문에 엔진 성능 변화를 확인하기 위해 실린더 최고 압력을 측정하였다.[13]
- 운전 조건에 따른 엔진 성능을 실험하기 위하여 Table 3과 같은 조건을 설정하였다. 엔진 회전 속도는 최저 700rpm에서 600rpm 간격으로 1300rpm, 1900rpm에서 실험하였고 엔진 부하는 무부하에서 최대 토크까지 4등분하여 부하별 실험을 수행하였다. idle, 25%, 50%, 75%는 열교환기 미설치시의 최대부하를 기준으로 산정하였다.
- 연료소비율이란 일정 출력을 발생시키는 데 사용되는 연료량을 측정한 것으로 본 연구는 1kW-hr를 발생시키는데 필요한 연료량(g)을 측정하였다. 식 (1)은 발생 출력을 계산하는 식이며 식 (2)는 연료소비율(specific fuel consumption)로 다음과 같다[14].
- 최석렬 등은 배기관에 메인 머플러와 서브 머플러를 설치하여 엔진 성능과 배압 특성의 관계를 고찰하였다. 배기 압력은 스로틀 밸브 개도량 증가에 따라 최대 3.
대상 데이터
- 1mm, 66개의 튜브로 구성되어 있다. 마지막으로 핀 튜브 열교환기는 쉘 앤 튜브와 동일한 튜브에 지름 30mm의 핀을 삽입하여 26개의 튜브로 제작되었다. 세 가지 열교환기의 내부 체적은 지름 216mm, 폭 200mm로 동일하게 제작되었다.
- 본 실험 장치는 수동력계, 디젤 엔진, 배기관, 열교환기로 구성되어 있으며 Figure 1은 실험 장치의 개략도이다. 배기온도를 측정하기 위하여 배기관에 시작지점부터 일정 간격으로 K타입 열전대를 설치하였다.
- 마지막으로 핀 튜브 열교환기는 쉘 앤 튜브와 동일한 튜브에 지름 30mm의 핀을 삽입하여 26개의 튜브로 제작되었다. 세 가지 열교환기의 내부 체적은 지름 216mm, 폭 200mm로 동일하게 제작되었다.
- 연구지역은 경기만 남부 문갑도와 선갑도 사이에 위치하며(Figure 1) 수심은 10~40 m 범위로 동쪽으로 갈수록 깊어지며 대이작도와 덕적도 사이의 수로(서수도)와 연결되어 있다. 대이작도 남서쪽에는 저조시에 노출이 되는 하벌천퇴가 존재한다.
- 대이작도 남서쪽에는 저조시에 노출이 되는 하벌천퇴가 존재한다. 조석은 반일주조(semi-diurnal)가 우세하며 대조차, 소조차 그리고 평균조차는 각각 7.2 m, 2.3 m 그리고 4.7 m을 보이고 있다. 해저면 위 2 m에서 2004년 9월(9~25일)에 RCM9 (Aanderaa)를 이용해 측정된 조류는 창조시 북동방향(60°~65°), 낙조시 남서방향(225°~255°)을 나타내고 창조류와 낙조류의 유속은 거의 대칭성을 보이며 평균유속은 0.
- 테스트 엔진은 디젤 연료를 사용하는 4실린더 IC 기관이며 배기량은 3,298cc로 자세한 사양은 Table 1과 같다. Table 2는 엔진의 배기 시스템 사양을 나타낸 표이다.
- Figure 2는 각 열교환기의 내부 사진이다. 판형 열교환기는 15장의 판으로 구성되어 있으며 쉘 앤 튜브 열교환기는 지름 16.1mm, 66개의 튜브로 구성되어 있다. 마지막으로 핀 튜브 열교환기는 쉘 앤 튜브와 동일한 튜브에 지름 30mm의 핀을 삽입하여 26개의 튜브로 제작되었다.
성능/효과
- 7% 증가하나 평균적으로 모든 열교환기가 미설치와 큰 차이를 보이지 않는다. (b)의 1300rpm에서는 핀 튜브의 연료소비가 미설치의 0.2% 증가로 가장 적게 증가하였고 쉘 앤 튜브가 평균 1.4% 증가로 연료 소모가 가장 많이 되었다. 1900rpm에서는 평균적으로 판형의 연료소비율이 높게 측정된다.
- 1. 배기 압력에 미치는 영향은 전반적으로 판형의 경우가 가장 높았으며, 특히 고속의 조건에서는 배기 압력이 크게 증가되어 2배 이상이 되었다.
- 75% 부하까지 4kPa정도의 배압을 나타내며이 때 열교환기 설치에 따른 배압 차이는 거의 나타나지 않았다. 100% 부하에서는 판형이 14.4% 증가, 쉘 앤 튜브가 9.3% 감소하였으나 6kPa이하로, 700rpm에서 모든 열교환기가 부하별로 최대 허용 배압을 초과하지 않는 것으로 확인되었다. Figure 3 (b)는 1300rpm에서 부하별로 배기압력을 측정한 그래프로 무부하에서 판형이 none인 경우보다 약 3배가 증가했으나 약 2kPa로 낮은 배압이다.
- 2. 연료소비율에 미치는 영향은 판형 열교환기가 고속구간에서 2% 이상 증가로 높은 증가율을 나타냈으며, 핀 튜브가 모든 운전 영역에서 0.3% 증가로 가장 낮은 증가율을 나타냈다.
- 3. 일산화탄소는 저속에서 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되며, 속도가 높아질수록 연소에 좋지 않은 영향을 미쳐서 배출농도가 크게 증가하는 경향을 나타낸다. 판형의 경우가 부분 적으로 가장 큰 증가량을 나타낸다.
- 4. 질소산화물 배출은 전반적으로 열교환기를 설치한 경우가 질소산화물의 배출이 감소하며, 열교환기의 형식에 의한 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
- 5. 스모크 배출량은 부분적으로 크게 증가되었지만 전반적으로 큰 차이는 나타나지 않았다.
- 4%감소하였다. 50%와 75% 부하에서는 열교환기 설치 후 실린더 압력이 오히려 증가하는 경향을 나타냈으며 100% 부하에서는 큰 변화가 없었다.
- 결과를 종합하면 열교환기 종류에 상관없이 저속-무부하에서 실린더 압력이 가장 많이 감소하였으며 저속과 중속에서 배기 압력 상승에 의한 실린더 내부 압력 감소를 확인하였다.
- 결과를 종합하면 저속에서는 열교환기를 설치한 경우 큰 배압 상승을 보이지 않으며 중속에서는 부분 적으로 허용압력을 초과하지만 큰 증가는 없었다. 그러나 고속에서 판형 열교환기 설치 시에 배압이 2배 이상 큰 폭으로 상승한다.
- 결과를 종합하여 각 운전영역별로 연료 저감에 이득을 얻을 수 있는 열교환기를 선정할 수 있었다. 저속에서는 모든 열교환기가 평균 0.
- 결과적으로 고부하에서 판형의 경우 smoke가 가장 많이 증가되고 저부하 영역과 고속에서는 크게 증가되지 않았다.
- 결과적으로 열교환기의 설치는 저속에서 연소특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되며, 속도가 높아질수록 연소에 좋지 않은 영향을 미쳐서 배출농도가 크게 증가하는 경향을 나타낸다. 판형의 경우가 부분 적으로 가장 큰 증가량을 나타낸다.
- 결과적으로 전반적으로 열교환기를 설치한 경우가 질소산화물의 배출이 감소하며, 열교환기의 형식에 의한 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
- 1900rpm에서는 평균적으로 판형의 연료소비율이 높게 측정된다. 무부하에서는 4.1%, 전체 부하 평균으로는 2.6% 증가로 고속에서 판형 열교환기가 연료소비율이 특히 증가하는 것으로 나타났다.
- 결과를 종합하여 각 운전영역별로 연료 저감에 이득을 얻을 수 있는 열교환기를 선정할 수 있었다. 저속에서는 모든 열교환기가 평균 0.3% 증가로 낮은 증가율을 보이며 중속과 고속에서 핀 튜브 열교환기가 각각 0.2%, 0.7% 증가로 핀 튜브 열교환기는 전 운전영역에서 연료소비율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 평가되었다. 반면에 판형은 고속에서 2% 증가로 고속 엔진의 열 회수를 하기에는 부적합한 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구는 열교환기의 형식이 엔진성능에 미치는 영향만을 분석한 것이며, 다음 단계로 열교환기 에서 회수되는 열을 포함한 총괄에너지에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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