국제기구 및 각국의 정부는 인간의 건강 및 환경을 보호하기 위해 선박의 배기가스 규제를 엄격히 적용하고 있다. 함정은 이러한 배기가스 규제 적용 대상에서 제외되고 있지만 최근 미국, 영국 등 일부 선진국에서는 함정으로 야기되는 대기환경오염을 방지하기 위해 전기추진체계 시스템을 도입하는 등 다양한 개선 방법을 적용하고 있다. 본 연구에서는 함정용 디젤엔진의 매연 발생 문제 해결을 위해 노즐 직경을 축소 변화시키고 분사압력을 증가시켜 배기가스 발생량 측정과 오염물질조사 방법론을 이용해 저부하시 매연 문제가 개선된 것을 확인하였다. 동시에 그 영향을 유량방정식과 함정시험평가서를 통해 노즐 직경 축소 결과 연료 소비량이 감소되는 것을 확인하였다.
국제기구 및 각국의 정부는 인간의 건강 및 환경을 보호하기 위해 선박의 배기가스 규제를 엄격히 적용하고 있다. 함정은 이러한 배기가스 규제 적용 대상에서 제외되고 있지만 최근 미국, 영국 등 일부 선진국에서는 함정으로 야기되는 대기환경오염을 방지하기 위해 전기추진체계 시스템을 도입하는 등 다양한 개선 방법을 적용하고 있다. 본 연구에서는 함정용 디젤엔진의 매연 발생 문제 해결을 위해 노즐 직경을 축소 변화시키고 분사압력을 증가시켜 배기가스 발생량 측정과 오염물질조사 방법론을 이용해 저부하시 매연 문제가 개선된 것을 확인하였다. 동시에 그 영향을 유량방정식과 함정시험평가서를 통해 노즐 직경 축소 결과 연료 소비량이 감소되는 것을 확인하였다.
Legislative and regulatory actions regarding the exhaust gas from ships are being strengthened by both international organizations and national governments, to protect human health and the environment. Exhaust gas traps are excluded from exhaust gas regulation applications, but, recently, the United...
Legislative and regulatory actions regarding the exhaust gas from ships are being strengthened by both international organizations and national governments, to protect human health and the environment. Exhaust gas traps are excluded from exhaust gas regulation applications, but, recently, the United States, Britain, and other developed countries have examined a variety of ways to improve the system, including the introduction of electric propulsion systems to prevent air pollution generated by naval ships. This study investigates a large number of smoke problems of naval diesel engines to verify the effect of improving the nozzle characteristics. An exhaust gas emission measurement method to determine the quality of pollutant exhaust gas generated during low-load operation is proposed through the research methodology of the smoke problem. It was confirmed that the emissions value is improved by decreasing the nozzle hole diameter and increasing the injection pressure. At the same time, the flow rate decrease equation and setting up a test memo based on the nozzle diameter confirmed that the fuel consumption, to which the nozzle diameter in the flow path is related, is reduced.
Legislative and regulatory actions regarding the exhaust gas from ships are being strengthened by both international organizations and national governments, to protect human health and the environment. Exhaust gas traps are excluded from exhaust gas regulation applications, but, recently, the United States, Britain, and other developed countries have examined a variety of ways to improve the system, including the introduction of electric propulsion systems to prevent air pollution generated by naval ships. This study investigates a large number of smoke problems of naval diesel engines to verify the effect of improving the nozzle characteristics. An exhaust gas emission measurement method to determine the quality of pollutant exhaust gas generated during low-load operation is proposed through the research methodology of the smoke problem. It was confirmed that the emissions value is improved by decreasing the nozzle hole diameter and increasing the injection pressure. At the same time, the flow rate decrease equation and setting up a test memo based on the nozzle diameter confirmed that the fuel consumption, to which the nozzle diameter in the flow path is related, is reduced.
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문제 정의
본 연구에서는 함정에서 저부하 운전 시 발생된 매연을 개선하기 위하여 연료노즐 특성을 개선하였고, 그 효과를 검증하였다. 저부하 운전 시 매연 발생 문제를 개선하기 위해 적용된 노즐의 직경 축소(5.
본 연구의 목적은 함정 운항 중 문제가 된 다량의 매연(smoke)발생을 줄이기 위해 사용된 제작사의 노즐직경 개선 실험결과를 함정에서의 제한된 조건들을 고려하여본 연구자가 시뮬레이션을 통한 유량방정식 계산과 배기가스 측정을 통해 매연 감소효과를 검증하고 아울러 질소산화물(NOx)에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
제안 방법
연료 공급량 변화는 유량감소 효과 예측 방법 중 하나인 나비에-스톡스 방정식을 통해서 검증하였고, 매연과 관련된 사항은 오염물질 기여도 조사 방법론[5]을 통해 개선 결과를 검증 하였다. 나비에-스톡스 방정식은 유체 속도 형상을 이용한 유량계산 방식으로 함정의 다른 시운전 조건은 동일하다는 전제하에 유량 변화를 연료 분사압력, 출력 및 노즐 특성 변화 등을 활용해 예측하였다.
또한 함정 노즐 특성 변화에 따른 배기가스의 변화를 확인하기 위해 오염물질 기여도 조사 방법론을 적용하였고, 매연배출량 변화를 Table 3 계산식을 이용해 배출계수[Emission factors(g/kWh) Equations][6]를 설정하여 산출하였다.
또한 해상시운전 조건(해상상태, 톤수 등)은 항해 일자별 일부 차이는 있지만 개선 전·후 결과 측정은 해상상태 2(파고 0.1m~0.5m)와 계약된 만재톤수(00톤) 상태 조건으로 측정하여 해상상태 및 주변조건 변화로 인한 매연 발생량 변화는 무시하였다.
Figure 1은 함정에서 제기된 매연 문제 개선 효과를 검증하기 위해 측정한 위치를 표시한 것이다. 매연의 측정은 함정 특성을 고려하여 연돌 관측부분을 개방하여 배기가스를 직접 포집하여 그 값을 계측기로 측정하였다. 해당 계측기는 Bosch사의 매연측정기로 포집된 배기가스를 해당 측정 용지에 분사 후 분광기를 이용하여 가스의 농도를 0~10까지 측정값을 측정하는 장비이다.
본 연구는 군사적 상황과 제작사의 특성을 고려하여 일부 측정 자료들과 성능 값의 데이터를 일부 상대적 수치로 변환하여 그 값을 표기하였다. 또한 해상시운전 조건(해상상태, 톤수 등)은 항해 일자별 일부 차이는 있지만 개선 전·후 결과 측정은 해상상태 2(파고 0.
저부하(15%)에서 노즐 특성 개선결과를 바탕으로 오염물질 기여도 조사 방법론을 이용하여 PM10과 질소산화물 값 변화를 예측해 보았다. 함정에 사용된 고유황 경유는 황 성분이 0.
대상 데이터
이렇게 선정된 4가지의 노즐을 흡·배기 밸브의 열부하 조건과 연료 분무 가시화 장비를 사용해 평가결과 Table 2와 같이 기존대비 94.7%를 최적의 노즐로 선정하였다.
이론/모형
연료 공급량 변화는 유량감소 효과 예측 방법 중 하나인 나비에-스톡스 방정식을 통해서 검증하였고, 매연과 관련된 사항은 오염물질 기여도 조사 방법론[5]을 통해 개선 결과를 검증 하였다. 나비에-스톡스 방정식은 유체 속도 형상을 이용한 유량계산 방식으로 함정의 다른 시운전 조건은 동일하다는 전제하에 유량 변화를 연료 분사압력, 출력 및 노즐 특성 변화 등을 활용해 예측하였다.
성능/효과
(1) 매연 문제 개선을 위해 적용한 노즐 직경 축소로 함정 출력이 일부 저감(2.3%) 되었으나 함정의 요구 출력 조건은 충족하였다.
(2) 유량방정식과 함정시험평가서를 바탕으로 노즐 직경 축소가 연료 소비량을 감소(2.5%)시키는 것을 확인하였고, 이는 노즐 직경 내 유량 감소와 공급압력 증가(27.3%)로 연소실내 액적의 미립화가 증대되어 완전연소가 증대되었기 때문으로 판단된다.
(3) 배기가스 발생량 측정과 오염물질조사 방법론을 통해 저부하시 발생된 매연 문제는 노즐 직경 축소를 통해 그 값이 개선된 것을 확인하였다.
연공비가 증가됨에 따라 매연농도 및 CO는 증가되며, NOx와 HC는 일정부분 증가하다 감소하거나 일정수준을 유지하는 것이 일반적이다[7][8]. 따라서 질소산화물은 연료소비량이 상대적으로 감소되어 연공비가 감소되고 그로 인해 연소온도가 상승되어 NOx는 증가되고, 반면 입자상 물질은 연료의 분사 압력 증가로 인해 분사연료의 무화가 촉진되고, 연소가 원활히 진행되어 감소된 것으로 판단된다.
또한 노즐 변경 후 함정 속력을 100% 부하로 측정 결과 출력과(100%→97.7%, 2.3%) 속력(100%→98.6%, 1.4%)은 일부 감소하였으나 함정의 특수성능 요구 조건은 충족하였다.
본 연구시 제작사가 함정 적용 전 육상 시험용 엔진에서 노즐 직경 조건(나머지 조건은 동일하게 적용)을 4가지 형태의 값 즉, 100%, 94.7%, 92%, 89.4%로 선정하여 BSN 값을 측정한 결과 100%, 88%, 88%, 84%로 감소하는 것을 확인하였다. 이렇게 선정된 4가지의 노즐을 흡·배기 밸브의 열부하 조건과 연료 분무 가시화 장비를 사용해 평가결과 Table 2와 같이 기존대비 94.
함정에 사용된 고유황 경유는 황 성분이 0.0028%이고 각 성분별 EF 값 산출을 위해 실제 함정에서 측정한 개선 전·후 출력값(100→97.7%)을 적용하여 해당 부하에서의 배기가스 배출량(E)을 연료소비율 감소량 (100→97.5%, 2.5%)을 적용해 각 성분별로 산출해 본 결과 PM10 (100%→97.8%)은 약 2.2%가 감소되고, 질소산화물은 (100%→102.4%)은 약 2.4% 증가되는 것으로 예측되었다.
함정에서 개선 전·후 유량 변화 측정에는 한계가 있어 유량 변화를 예측할 수 있는 나비에-스톡스 방정식을 이용해 유량의 변화를 계산(노즐길이, 물성치 값은 불변)한 결과 유량은 직경과 압력의 변화에 비례하므로 함정에서 적용된 노즐직경(100→94.7%, 5.3%)과 압력변화(100→127.3%, 27.3 %)값을 적용하여 저부하(15%)에서 개선 전·후의 연료소비량을 비교결과 2.5% 감소(100→97.5%) 하는 것으로 예측되었다.
후속연구
따라서 엔진 성능개선은 함정 요구 성능인 톤수에서 속력 기준을 만족시킬 수 있도록 개선이 되어야 한다. 또한 함정은 앞서 언급한 것처럼 운용함정에서의 매연 개선 결과를 직접적으로 측정하는 것은 많은 제한이 있기에 제작사가 제공한 노즐직경 변화 값, 분사압력 변화, 함정에서 실제 계측한 유류탱크의 보유량 변화, 기존 시험성적서 및 항해시운전 결과 등을 활용해 검증해야 했다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
함정 건조시 추가적으로 지정되는 특수조건에는 무엇이 있는가?
함정은 운용 특수성을 고려해 장비의 개별적인 성능 보장과 동시에 함정의 종합적인 성능 발휘도 요구된다. 따라서 함정 건조 시 종합적인 성능 만족을 위해 일부 특수조건(소음/진동, 출력, 톤수 등)들이 추가적으로 지정된다.
엔진의 배기배출물 저감과 연료소비율 관련 인자로 무엇이 있는가?
엔진의 배기배출물 저감과 연료소비율 관련 인자[1]로는 ①연료 분사압력 ②분사시기 ③분무사각도 ④노즐팁 돌출 ⑤노즐공 직경 ⑥피스톤 바울 모양 ⑦분무관통 ⑧물 주입량 등이 있으며, 대부분의 경우 열효율과 상반관계인 NOx 발생의 감소는 연소의 질을 악화시킴으로써 미립자(PM)를 증가하게 한다. 본 함정에서 고려할 수 있는 인자는 다음과 같다.
노즐공의 단면적 변화에 따라 BSN값은 어떻게 달라지는가?
본 연구시 제작사가 함정 적용 전 육상 시험용 엔진에서 노즐 직경 조건(나머지 조건은 동일하게 적용)을 4가지 형태의 값 즉, 100%, 94.7%, 92%, 89.4%로 선정하여 BSN 값을 측정한 결과 100%, 88%, 88%, 84%로 감소하는 것을 확인하였다. 이렇게 선정된 4가지의 노즐을 흡·배기 밸브의 열부하 조건과 연료 분무 가시화 장비를 사용해 평가결과 Table 2와 같이 기존대비 94.
참고문헌 (8)
A. Al-Sened and E. R. Karimi, "Strategies for NOx Reduction on Heavy Duty Engine," CIMAC Congress, pp. 272-280, 2001.
J. S. Choi and H. J. Jeon, A Lecture of Internal Combustion Engine, Hyosung, pp. 506-509, 2004 (in Korean).
H. M. Lee and R. E. Park, "Emission prediction from naval ship main propulsive diesel engine under steady navigation," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 6, pp.788-793, 2012 (in Korean).
G. Y. Goo, A study on the effcet of atomization characteristics according to nozzle hole geometry for diesel engine, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Korea, 2008 (in Korean).
J. J. Corbett and H. W. Koehler, "Updated emissions from ocean shipping," Journal of Geophysical Research, vol. 108, no. D20, pp. ACH 9-1, 2003.
K. H. Lee, Effect of Fuel Injection Nozzle Internal Geometry on the Spray Characteristics, M.S. Thesis, Pusan National University, Department of Mechanical and Material System, Korea, 2014 (in Korean).
J. Y. Kim, W. H. Yoon, and J. S. Ha, "A study on the numerical prediction of heat release rate and NOx production in medium-speed marine diesel engine," ASME ICED/RTD Fall Conference, pp. 137, 2003.
M. G. Kang, S. J. Kwon, J. P. Cha, Y.K. Lim, S. W. Park, and C. S. Lee, "Effect of air/fuel ratio on combustion characteristics in a compression ignition engine fueled with biodiesel," 42th KOSCO symposium, pp. 325-330, 2011.
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