[논문]선박용 디젤엔진의 NOx배출량 예측방법에 관한 연구

김성운; 정균식; 김형수; 최재성

doi:10.5916/jkosme.2014.38.6.674

선박용 디젤엔진의 NOx배출량 예측방법에 관한 연구
Prediction of NOx emission for marine diesel engines of existing ship 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.6, 2014년, pp.674 - 680

김성운 (Samsung Heavy Industry) , 정균식 (Training Ship, Korea Maritime & Ocean University) , 김형수 (Korea Registers) , 최재성 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime & Ocean University)

초록
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선박의 운항관리를 효율적으로 하기위한 관점에서 운항중인 선박의 운항관련 정보들의 모니터링에 관한 요구가 증가하고 있다. 주기관의 배기가스 배출물의 배출상태에 관한 모니터링도 그 중 하나이다. 그러나 실제 선박에서 배기 배출물의 배출량을 정확히 그리고 항시 측정한다는 것은 여러 가지 경제적, 기술적으로 어려운 문제가 적지 않기 때문에 운전 상태에 따른 적합한 예측 수단을 이용하는 것이 유용한 방법이 될 수 있다고 판단된다. 본 논문에서는 운항중인 디젤주기관의 실린더 내 압력을 측정하여 열발생율을 구하고, 정확한 연소온도를 구하기 위하여 단일영역모델(one-zone model)을 수정하여 NO 등 연소반응물의 생성량을 예측하기 위한 수정모델(modified one-zone model)에 관하여 언급한다. 이 방법은 단일영역모델의 계산결과를 이용하여 연소영역에서의 연소온도를 파악할 수 있는 방법이다. 또한, 이 방법을 이용하여 연소영역에 있어서의 공기과잉률 변화패턴이 연소영역 온도 및 NOx 생성량에 미치는 영향을 조사하고 실측 결과와의 비교를 통하여 연소과정의 공기과잉률의 실제 변화패턴을 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Monitoring systems of informations for ship performance have become important gradually for economical management of existing ship. Monitoring of NOx emission from marine diesel engines is one of them. The measurement of NOx emission, however has been many difficulties due to technical and costly problems. A monitoring by prediction method of NOx on-board ship according to sailing condition of ship could be an useful method. In this paper, it is discussed about modified method of one-zone model which has been utilized usually for analyzing the combustion process. The modified method is able to calculate the temperature of burned region from the result by one-zone model. Influences which excess air ratio during combustion process affected for the gas temperature and NOx emission were investigated. From the results variation of excess air ratio during combustion process could be estimated inversely through the comparison with measurement of NOx emission.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 운항중인 디젤주기관의 실린더 내 압력을 측정하여 열발생율을 구하고, 정확한 연소온도를 구하기 위하여 단일영역모델(one-zone model)을 수정하여 NO 등 연소반응물의 생성량을 예측하기 위한 수정모델(modified one-zone model)에 관하여 검토하였다. 즉, 단일영역모델의 계산결과를 이용하여 연소영역에서의 연소온도를 파악할 수 있는 방법을 검토하였다.
따라서 운항중인 선박의 NO_x 배출량을 예측하는 방법이 유용한 수단이 될 수 있다. 본 연구에서는 실제 운항중인 선박에서 배출되는 NO_x의 배출량 예측방법에 관하여 검토하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

1) 실린더내 가스를 연소영역과 미연소 영역으로 분리하며, 두 영역의 압력은 동일하다.
계산에 있어서 연소기간 중 공기과잉률 λ는 연소질량분율(누적 열발생량) x를 이용하여 다음과 같이 변화한다고 가정하였다.
λ_e는 연소가 종료되었을 때 기연영역에서의 공기과잉율을 의미한다. 연소종료후의 실린더 내 가스상태를 전체적으로 균일하다고 가정한다면 실린더 내의 충전공기량과 총공급연료량에 의하여 계산되는 공기과잉률을 의미하게 된다. 여기서는 λ_s와 λ_e를 적절히 선택하여 NO의 실험계측결과와 일치하는 계산결과를 얻을 수 있는 λ_s과 λ_e를 시행착오 방법으로 구하였다.

제안 방법

(1) 선박용 디젤주기관의 열발생률의 패턴을 Double Wiebe function로 나타내고 운전상태에 따른 열발생률의 패턴변화를 분석하였다. 그 결과 연소기간은 부하가 증가할수록 증가하고 예혼합연소 구간은 전 구간의 1/2정도 이었으며, 예혼합연소와 확산연소로 분리하였을 때 각각의 연소지수와 비율은 일정하게 나타났다.
Table 4는 대상디젤엔진의 각 회전속도별 공기과잉률 변화에 따른 NO생성량의 계산결과를 보여주고 있다. 2행정 디젤엔진은 주로 확산연소로 판단되기 때문에 연소과정중의 실린더 내 공기과잉률을 변화하도록 설정하여 계산하였다. 즉 λ_e를 1.
따라서 이미 파악된 실린더 내 압력 상태를 이용하기 위해서 새로운 계산방법인 수정 단일영역 모델(Modified one zone model)을 검토하였다. 수정 단일영역 모델은 기존의 단일영역모델을 이용한 계산결과를 이용하여 구한 실린더내 평균온도를 기연영역과 미연영역으로 분리하여 기연영역의 연소온도를 구하는 방법이다.
즉, 단일영역모델의 계산결과를 이용하여 연소영역에서의 연소온도를 파악할 수 있는 방법을 검토하였다. 또한, 이 방법을 이용하여 연소영역에 있어서의 공기과잉률 변화패턴이 연소영역의 가스온도 및 NO_x 생성량에 미치는 영향을 조사하고 실측 결과와의 비교를 통하여 혼합기 형성과정의 공기과잉률의 실제 변화패턴을 고찰하였다.
본 논문에서는 운항중인 디젤주기관의 실린더 내 압력을 측정하여 열발생율을 구하고, 정확한 연소온도를 구하기 위하여 단일영역모델(one-zone model)을 수정하여 NO 등 연소반응물의 생성량을 예측하기 위한 수정모델(modified one-zone model)에 관하여 검토하였다. 즉, 단일영역모델의 계산결과를 이용하여 연소영역에서의 연소온도를 파악할 수 있는 방법을 검토하였다. 또한, 이 방법을 이용하여 연소영역에 있어서의 공기과잉률 변화패턴이 연소영역의 가스온도 및 NO_x 생성량에 미치는 영향을 조사하고 실측 결과와의 비교를 통하여 혼합기 형성과정의 공기과잉률의 실제 변화패턴을 고찰하였다.

대상 데이터

대상엔진의 사양을 Table 1에 보여준다. 대상엔진은 한국해양대학교 실습선 한바다호의 주기관용 디젤엔진으로 중유연료 사용시 실린더내 압력과 배기가스중의 NO_x농도를 계측하였다. 배기가스 샘플링은 과급기 직전의 온도계의 설치위치에 가스 프로브를 설치하여 채취하였다.
대상엔진은 한국해양대학교 실습선 한바다호의 주기관용 디젤엔진으로 중유연료 사용시 실린더내 압력과 배기가스중의 NO_x농도를 계측하였다. 배기가스 샘플링은 과급기 직전의 온도계의 설치위치에 가스 프로브를 설치하여 채취하였다.

이론/모형

여기서는 λs와 λe를 적절히 선택하여 NO의 실험계측결과와 일치하는 계산결과를 얻을 수 있는 λs과 λe를 시행착오 방법으로 구하였다.

성능/효과

(2) 수정단일영역모델은 실린더내의 압력변화를 실제 엔진과 동일하게 유지하면서 같은 운전조건에서의 NO_x 배출량을 예측할 수 있기 때문에 실선 적용에 유용한 방법으로 판단된다.
(3) 공장시운전시 실린더내의 압력을 파악하고 수정단일영역모델을 이용하여 λ_cal에 관한 정보를 미리 파악하면 운항중인 디젤주기관의 운전조건에 따른 NO_x 발생량을 비교적 정확하게 예측할 수 있다.
2) 각 영역에서의 가스상태는 균일하며 또한 열적으로는 단열이여서 각각 독립적이다.
3) 연소영역에 있어서의 가스량은 연소한 연료 중량 및 연소영역에 유입되는 공기량의 합이며, 그 외는 모두 미연소영역의 가스중량으로 한다.
4) 연소영역에서 연소한 연료의 양은 연소압력 계측치로부터 구한 열발생률과 연료의 발열량을 이용하여 계산된 양과 같다.
(1) 선박용 디젤주기관의 열발생률의 패턴을 Double Wiebe function로 나타내고 운전상태에 따른 열발생률의 패턴변화를 분석하였다. 그 결과 연소기간은 부하가 증가할수록 증가하고 예혼합연소 구간은 전 구간의 1/2정도 이었으며, 예혼합연소와 확산연소로 분리하였을 때 각각의 연소지수와 비율은 일정하게 나타났다.
Table 4로부터 λ_e가 일정한 조건에서 λ_s가 증가할수록 NO 생성량은 크게 감소하며, 또한 같은 NO 생성량을 나타내는 λ_s와 λ_e의 조합이 다수 존재할수 있음을 알 수 있다. 따라서, NO 생성량의 계측결과와 계산결과가 일치하는 공기과잉률을 구함으로서 실린더내 연소과정 중의 공기과잉률의 변화추이를 역으로 분석, 고찰할 수 있는 방법이 될 수 있다고 판단된다.

후속연구

그러나 동일한 엔진에서는 운전조건에 따른 연소패턴의 변화도 시운전시의 연소패턴과 크게 다르지 않을 것이기 때문에 λcal을 이용하면 운전 중인 디젤엔진의 NOx 발생량을 직접 계측하지 않고 운전조건에 적합한 발생량을 예측할 수 있는 유용한 방법이 될 것으로 판단된다.
따라서 λcal의 변화경향은 반대로 나타나고 있으며, 이들의 정량적인 관계에 관하여는 더 많은 자료의 분석고찰이 필요하다고 판단된다.
공기과잉률에 관한 정확한 정보를 얻는 것은 매우 어렵기 때문에 실린더내의 압력을 이미 파악하고 있는 경우에는 이 계측결과를 이용하여 연소온도와 공기과잉률 변화에 따른 NO생성량을 역으로 예측할 수 있다. 즉, NO_x 계측결과와 일치하는 예측결과를 보이는 공기과잉률에 관한 검토가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 선박의 엔진성능을 예측하기 위한 일반적인 방법은?	현실적으로 기존 선박의 엔진성능을 예측하기 위해서는 실린더 내 상태 즉 압력을 측정하여 이로부터 열발생률을 구하고 이를 예측계산에 이용하는 방법이 일반적이며, 이러한 방법에 의한 실린더 내 압력변화 등 성능 예측결과는 계측결과와 잘 일치하고 있다. 그러나 이 방법은 실린더내의 온도를 평균온도로 취급하기 때문에 온도에 민감한 배기배출물의 예측에 적합하지는 않다.
	기존 선박의 엔진성능을 예측하기 위해 실린더 압력을 측정하여 예측계산에 이용하는 일반적인 방법의 단점은?	현실적으로 기존 선박의 엔진성능을 예측하기 위해서는 실린더 내 상태 즉 압력을 측정하여 이로부터 열발생률을 구하고 이를 예측계산에 이용하는 방법이 일반적이며, 이러한 방법에 의한 실린더 내 압력변화 등 성능 예측결과는 계측결과와 잘 일치하고 있다. 그러나 이 방법은 실린더내의 온도를 평균온도로 취급하기 때문에 온도에 민감한 배기배출물의 예측에 적합하지는 않다. NOx 등 대기환경오염물질의 발생량을 예측하기 위해서는 연소온도의 정확한 파악이 중요하며, 예측방법으로는 2영역모델(two-zone model)의 이용이 불가피하다.
	배기배출물 예측에 2영역모델을 사용할 경우 공기 과잉률의 변화를 정확히 파악하는 것이 중요한 이유는?	NOx 등 대기환경오염물질의 발생량을 예측하기 위해서는 연소온도의 정확한 파악이 중요하며, 예측방법으로는 2영역모델(two-zone model)의 이용이 불가피하다. 그러나 2영역모델의 경우 연소영역(기연영역)에서의 공기 과잉률이 중요한 인자로 되고 이는 배기성능의 예측결과에도 민감하게 영향을 미치기 때문에 공기 과잉률의 변화를 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하지만, 이는 매우 어려운 문제이다.

참고문헌 (9)

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B. Y. Bae, J. G. Nam, and J. S. Choi, "A study on the calculation of NO formation in cylinder for diesel engines", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 23, no. 4, pp. 543-551, 1999 (in Korean).
John B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamenta, McGraw Book Company, pp. 753-762, 1998.
J. S, Choi, C. H. Jeong, K. H. Cho, J. K. Lee, T. B. Ha, and H. S. Kim, "Development of simulation program program of two-stroke marine diesel engines", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 1, pp. 62-68, 2010.

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S. J. Jeong, T. H. Kim, and H. S. Jang, "The prediction of performance in two-stroke large marine diesel engine using double-wiebe combustion model", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 23, no. 5, pp. 638-640, 1999 (in Korean).
M. Ishida, N. Matsumura, H. Ueki, M. Yamaguchi, and Gui-feng Luo, "Diesel dombustion analysis by two-zone model (1st report, comparison between model analysis and experiment)", Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 60, no. 573, pp. 325, 1994 (in Japanese).
M. Ishida, N. Matsumura, H. Ueki, and Zhi-li Chen, "Diesel combustion analysis by two-zone model (2nd report, examination of excess air ratio in burned zone)", Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 60, no. 575, pp. 356, 1994 (in Japanese).

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S. W. Kim, A Study on Prediction of NOx Emission from Marine Main Diesel Engine for Existing Ship, M.S. Theses, Depart. of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Korea, 2011 (in Korean).

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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