2013년 1월 1일 이후 발효된 선박 에너지효율관리계획(SEEMP) 규정에 따라 선박에서는 점차 에너지관리에 대한 요구가 증가되고 있다. 이에 따라, 선박의 에너지 사용에 가장 많은 부분을 차지하는 주기관의 연료 사용량 및 출력과 관련된 요소들이 엄격하게 모니터링 되어 질 필요가 있다. 현재 주기관 출력을 모니터링 및 확인하기 위한 많은 장치들이 개발되어 적용되고 있으나 본 연구에서는 저렴하고 장치가 쉬운 각도센서인 엔코더(encoder)를 이용하여 주기관의 출력상태를 실시간으로 파악하기 위한 실험을 하였다. 실제 운항 중인 두 선박의 주기관에서 엔코더와 근접센서를 이용하여 한 사이클 동안의 각속도 변동을 계측하고 이 데이터 값을 토크 변동으로 계산하여 주기관의 토크변동 상태를 조사하였다. 또한, 실린더의 이상 연소 시 발생하는 각속도 변화를 측정하여 착화 실패에 따른 토크 변동을 조사하고 실험의 신뢰성을 확보하기 위해 해상시운전 데이터와 비교하였다. 본 연구를 통해 저렴한 장치를 이용하여 실시간 출력상태를 파악할 수 있었다.
2013년 1월 1일 이후 발효된 선박 에너지효율관리계획(SEEMP) 규정에 따라 선박에서는 점차 에너지관리에 대한 요구가 증가되고 있다. 이에 따라, 선박의 에너지 사용에 가장 많은 부분을 차지하는 주기관의 연료 사용량 및 출력과 관련된 요소들이 엄격하게 모니터링 되어 질 필요가 있다. 현재 주기관 출력을 모니터링 및 확인하기 위한 많은 장치들이 개발되어 적용되고 있으나 본 연구에서는 저렴하고 장치가 쉬운 각도센서인 엔코더(encoder)를 이용하여 주기관의 출력상태를 실시간으로 파악하기 위한 실험을 하였다. 실제 운항 중인 두 선박의 주기관에서 엔코더와 근접센서를 이용하여 한 사이클 동안의 각속도 변동을 계측하고 이 데이터 값을 토크 변동으로 계산하여 주기관의 토크변동 상태를 조사하였다. 또한, 실린더의 이상 연소 시 발생하는 각속도 변화를 측정하여 착화 실패에 따른 토크 변동을 조사하고 실험의 신뢰성을 확보하기 위해 해상시운전 데이터와 비교하였다. 본 연구를 통해 저렴한 장치를 이용하여 실시간 출력상태를 파악할 수 있었다.
The demand for shipboard energy management is expected to gradually increase based on ship energy efficiency management plans (SEEMPs), which have been in use since January 1, 2013. Therefore, the fuel consumption of the main engine, which occupies the greatest portion of the energy used, along with...
The demand for shipboard energy management is expected to gradually increase based on ship energy efficiency management plans (SEEMPs), which have been in use since January 1, 2013. Therefore, the fuel consumption of the main engine, which occupies the greatest portion of the energy used, along with elements related to the engine power, should be strictly monitored. There are many different methods for indicating the engine power. However, this study performed an experiment to monitor the status of a ship's engine power in real time using an encoder and a proximate switch, which are economical to purchase and easy to install. In the experiment, the angular velocity during one cycle of a two-stroke low-speed engine was measured, and the measured data were converted to the torque fluctuation. The angular velocity during an abnormal firing condition in the cylinder was also measured, and the torque fluctuation as a result of a misfire was considered. The results were compared with sea trial data to determine the reliability. In this study, the status of the engine power was determined using the torque fluctuation of the main engine in an operating ship.
The demand for shipboard energy management is expected to gradually increase based on ship energy efficiency management plans (SEEMPs), which have been in use since January 1, 2013. Therefore, the fuel consumption of the main engine, which occupies the greatest portion of the energy used, along with elements related to the engine power, should be strictly monitored. There are many different methods for indicating the engine power. However, this study performed an experiment to monitor the status of a ship's engine power in real time using an encoder and a proximate switch, which are economical to purchase and easy to install. In the experiment, the angular velocity during one cycle of a two-stroke low-speed engine was measured, and the measured data were converted to the torque fluctuation. The angular velocity during an abnormal firing condition in the cylinder was also measured, and the torque fluctuation as a result of a misfire was considered. The results were compared with sea trial data to determine the reliability. In this study, the status of the engine power was determined using the torque fluctuation of the main engine in an operating ship.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
뿐만 아니라 압력을 교정하기 위한 변환장치가 필요하다[2]. 본 연구에서는 실린더 내부의 압력을 직접적으로 측정하여 발생할 수 있는 오류를 줄이기 위해 간접적인 방식으로 각 실린더의 압력을 예측하고자 한다. 그 방법으로 크랭크축의 각속도를 측정하여 각 실린더의 토크로 변환하였다.
가설 설정
Figure 4는 대상엔진 A의 각 회전수별 전 실린더의 가스 압력토크와 왕복관성토크의 합력에 의한 토크 변동을 보여준다. 각 회전수에서 한 실린더의 한 사이클 동안의 압력을 측정하여 토크의 변화로 나타내고 타 실린더의 토크 변화도 동일한 것으로 가정하여 6기통을 합산한 결과를 나타낸 것이다. 회전수가 증가할수록 가스폭발 압력이 커지기 때문에 평균토크도 증가를 하며 토크의 변동폭 역시 평균토크를 기준으로 증가하는 것을 알 수 있다.
각 실린더의 피스톤, 연접봉 및 크랭크 기구는 운전 중 왕복질량과 회전질량에 의한 상하방향의 관성력을 갖는다. 본 연구에서는 각 실린더의 왕복질량과 회전 질량을 포함한 총질량을 계산하여 각 실린더가 관성질량모멘트를 갖는 회전하는 원판형태라고 가정하여 실험을 하였다.
실린더 내부에서 발생된 가스압력 토크는 마찰 토크에 의해 상쇄가 되고 평균토크(T mean)는 크랭크축이 회전하는 동안 일정한 상태로 유지된다고 가정한다. Figure 1에서 보이는 바와 같이 크랭크축의 회전을 위한 순간 축토크(Tsf)는 가스압력 토크(Tgp)와 왕복관성토크(Tri)에 의한 합력이다[4].
제안 방법
각속도를 측정하여 계산한 토크 즉, 축 출력의 정확성을 판단하기 위하여 실린더의 가스압력을 측정하여 계산한 토크를 지시출력(IHP)으로 나타내고 축 스피드를 이용한 축출력을 제동출력(BHP)으로 계산하여 기계효율 (ηm)을 조사하였다. 또한, 각 엔진의 해상시운전 데이터를 통해 기계효율을 비교하여 각속도를 이용한 축 출력의 정확성을 조사하였다.
본 연구에서는 실린더 내부의 압력을 직접적으로 측정하여 발생할 수 있는 오류를 줄이기 위해 간접적인 방식으로 각 실린더의 압력을 예측하고자 한다. 그 방법으로 크랭크축의 각속도를 측정하여 각 실린더의 토크로 변환하였다. 또한 각속도에 의한 축토크의 신뢰성을 확보하고자 각 실린더 내부의 연소 압력을 측정하여 토크 변동으로 변환하고 각속도에 의한 토크 값과 비교 검증하였다.
그 방법으로 크랭크축의 각속도를 측정하여 각 실린더의 토크로 변환하였다. 또한 각속도에 의한 축토크의 신뢰성을 확보하고자 각 실린더 내부의 연소 압력을 측정하여 토크 변동으로 변환하고 각속도에 의한 토크 값과 비교 검증하였다.
을 조사하였다. 또한, 각 엔진의 해상시운전 데이터를 통해 기계효율을 비교하여 각속도를 이용한 축 출력의 정확성을 조사하였다.
선박에서 엔진의 출력과 이상연소상태를 파악하기 위해서는 연소가스압력을 측정하는 장치가 필요하고 계측 후 여러 공정을 거쳐야 한다. 본 연구에서는 실제 운항하는 선박에서 시시각각 변동하는 각 실린더의 연소상태를 비교적 장치 설치가 쉽고 가격이 저렴하며 연산과정이 간단한 방법으로 파악하고자 실제 운항 중인 선박의 각속도를 측정하여 한 사이클 동안의 각속도 변화를 순간 토크변동 즉, 출력변동으로 환산하여 나타내었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
Table 3은 대상엔진 B에 사용된 근접센서의 사양을 보여준다. 대상엔진 A, B에서 연소압력 데이터는 엔코더를 이용하여 크랭크 각 1도 간격으로 수집하였다. 각속도에 대한 데이터는 A에서는 엔코더의 트리거 신호, 즉 크랭크 각 1도 간격의 시간을 내부 클럭카운트로 측정하였고, B에서는 플라이휠에 근접센서를 설치하여 플라이휠에 가공된 104개의 치차를 통과할 때마다 발생하는 신호를 트리거로 하여 크랭크 각 약 3.
본 연구의 실험은 실제 운항 중인 두 선박의 주기관을 대상으로 하여 장치를 구성하였다. Table 1은 실험에 사용된 대상엔진의 주요사항을 보여주며 실린더의 압력은 각 실린더에 압전센서를 설치하여 A/D 컨버터를 거쳐 디지털신호가 수집되도록 하였다.
데이터처리
Figure 18은 대상엔진 A의 각 회전수별로 압력 데이터로 계산한 가스압력토크와 각속도 측정으로 계산한 축토크를 각각 지시출력과 제동출력으로하여 기계효율을 계산하였으며 그 결과를 해상시운전 데이터의 기계효율과 비교하였다. 해상시운전 데이터와 비교하였을 때 정확히 일치하는 회전수 구간은 없으나 비슷한 회전수에서 기계효율이 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
성능/효과
1) 한 사이클의 토크변동은 가스압력에 의한 구동 토크와 피스톤의 관성력에 의한 토크의 합으로 나타나며, 피스톤이 압축행정을 할 때, 가스 압력에 의한 구동 토크는 지속적으로 감소하지만, 관성력에 의한 토크는 증가하기 시작하여 관성에너지를 이용하여 구동토크를 보상함을 알 수 있었다.
2) 질량관성모멘트가 서로 다른 엔진을 이용해 각속도를 조사하여 축 토크 변동을 조사함으로써 질량관성모멘트가 클수록 토크의 변동도 커짐을 알 수 있었다.
3) 한 사이클 동안의 한 실린더 착화 실패 시 나타나는 각 속도와 축 토크 변동을 통해 각 속도는 ±10%, 축 토크는 ±50%까지 변동하는 것을 확인하였고 이를 통해 한 실린더 착화 실패가 타 실린더의 연소에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
4) 각속도에 의해 계산된 축 출력을 해상시운전 데이터와 비교함으로써 간단한 각속도 측정을 통해 실린더 연소상태를 파악할 수 있었고 출력 산출에 대한 신뢰성을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 주기관과 같은 대형엔진에서 실린더의 연소실의 압력을 어떻게 측정하는가?
기관의 출력을 확인하는 방법으로는 실린더 내 압력을 측정하는 방법과 추진축에서 토크를 직접 측정하는 방법이 있다[1]. 선박 주기관과 같은 대형엔진에서는 각 실린더의 연소실의 압력을 측정하기 위해서는 외부로 연결되어 있는 인디케이터 콕에 압력센서를 연결하여 측정한다. 그러나 이러한 압력 측정 방식은 실린더의 퇴적물이 실린더 헤드의 통로를 쉽게 오손시킬 수 있어 압력측정에 오류를 가져올 수 있다.
기관의 출력을 확인하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?
기관의 출력은 주기관의 효율적인 관리를 위해 파악해야 하는 중요한 요소이다. 기관의 출력을 확인하는 방법으로는 실린더 내 압력을 측정하는 방법과 추진축에서 토크를 직접 측정하는 방법이 있다[1]. 선박 주기관과 같은 대형엔진에서는 각 실린더의 연소실의 압력을 측정하기 위해서는 외부로 연결되어 있는 인디케이터 콕에 압력센서를 연결하여 측정한다.
인디케이터 콕에 압력센서를 연결하여 측정하는 방식의 문제점은 무엇인가?
선박 주기관과 같은 대형엔진에서는 각 실린더의 연소실의 압력을 측정하기 위해서는 외부로 연결되어 있는 인디케이터 콕에 압력센서를 연결하여 측정한다. 그러나 이러한 압력 측정 방식은 실린더의 퇴적물이 실린더 헤드의 통로를 쉽게 오손시킬 수 있어 압력측정에 오류를 가져올 수 있다. 뿐만 아니라 압력을 교정하기 위한 변환장치가 필요하다[2]. 본 연구에서는 실린더 내부의 압력을 직접적으로 측정하여 발생할 수 있는 오류를 줄이기 위해 간접적인 방식으로 각 실린더의 압력을 예측하고자 한다.
참고문헌 (9)
K. lida, K. Akishino, K. Kido, "IMEP extimation from instantaneous crankshaft torque variation," SAE Paper No.900617, 1990.
T. Brown and W. Neil, "Determination of engine cylinder pressures from crankshaft speed fluctuations," SAE Technical Paper 920463, 1992.
N. A. Henein, W. Bryzik, C. Taylor, and A. Nichols, "Dynamic Parameters for Engine Diagnostices: Effect of Sampling," SAE Paper No.932411, 1993.
S. K. Chen and Scott Chen "Engine Diagnostics by Dynamic Shaft Measurement," SAE Paper No.932412, 1993.
G. S. Jung, J. Y. Choi, E. S. Jeong, and J. S. Choi, "Correction of TDC position for engine output measuring in marine diesel engines," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 4, pp. 459-466, 2012 (in Korean).
G. S. Jung, Development of Measuring Kit of Improved Engine Output for Marine Diesel Engine On-board Ship, Ph D. Theses, Depart. of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Korea, pp. 34-42, 2013 (in Korean).
J. U. Lee, S. D. Lee, K. H. Cho, and J. S. Choi, "Instantaneous speed variation of crankshaft on a low speed marine deisel engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 31, no. 2, pp. 138-144, 2007 (in Korean).
J. W. Lee, A Study on a Shaft Torque Fluctuation of Marine Diesel Engine, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University (KMOU), Korea, 2012 (in Korean).
H. J. Jeon and D. C. Lee, Vibartion of Propulsion Shafting, Busan, Korea: Dasom Publishers, 2003 (in Korean).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.