[논문]발전용 천연가스-디젤 혼소 엔진의 흡기밸브 개폐시기에 따른 연소 및 배출 특성에 대한 수치 해석적 연구

정재환; 송순호; 허광범

doi:10.5855/energy.2016.25.2.029

발전용 천연가스-디젤 혼소 엔진의 흡기밸브 개폐시기에 따른 연소 및 배출 특성에 대한 수치 해석적 연구
Numerical study on effect of intake valve timing on characteristics of combustion and emission of Natural gas-Diesel engine 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.25 no.2, 2016년, pp.29 - 36

정재환 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 송순호 (연세대학교 기계공학과) , 허광범 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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도시지역에서는 발전용 디젤엔진의 운영비를 절약하기 위해 천연가스와 디젤을 섞어서 쓰려는 노력을 하고 있다. 본 연구에서는 디젤 연료의 일부를 천연가스로 대체 하였을 때 엔진특성과 천연가스로 대체되는 양에 따라 최적의 밸브 타이밍을 찾아보았다. 1-D 엔진 해석프로그램을 사용하여 19.7리터 발전용 디젤 엔진을 대상으로 모델링하여 연구를 진행하였다. 연구 결과 엔진연료에서 천연가스 비율이 증가할수록 연료소비율(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)는 증가하였고 질소산화물(Brake Specific NOx)는 감소하였다. 추가적으로 흡기밸브 타이밍을 조절할 경우 BSFC가 최대 1%감소하였고 BSNOx의 경우 최대 36%감소하는 효과가 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, diesel/natural gas dual-fuel engine was studied numerically using DoE method. The engine is CI engine for power generation and modelled by 1-D simulation GT-power. The combustion and emission characteristics were analyzed as a function of IVO, IVC and the ratio of natural gas to total fuel enegy. As the proportion of natural gas increases, the BSFC(Brake specific fuel consumption) is increased and BSNOx(Brake specific NOx) is decreased. If specific valve timing to improve the BSFC is applied to the engine, the BSFC is decreased by 1% and simultaneously BSNOx is decreased by 36%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 실험에서 구현하기 어려운 흡기 밸브타이밍을 변화가 엔진 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 시뮬레이션을 이용하여 진행되었다[10-12]. 본 연구는 추후 천연가스-디젤 혼소엔진을 설계하고 제작하는데 있어 방향성을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 압축착화엔진에서 천연가스 대체율과 밸브타이밍이 연소 및 배출 특성 주는 영향에 대해 알아보았다. 진행된 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 출력을 일정하게 유지한 채 디젤 연료의 일부분을 천연가스로 대체함에 따라 효율의 지표인 제동연료소모율(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)와 엔진 출력 대비 배출되는 질소산화물의 양을 나타내는 제동질소산화물(Brake Specific NOx, BSNOx)의 변화를 분석하고 각 천연가스 양에 따라 흡기밸브타이밍을 조절하여 최적의 밸브타이밍을 알아보고자 하였다. 이 연구는 실험에서 구현하기 어려운 흡기 밸브타이밍을 변화가 엔진 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 시뮬레이션을 이용하여 진행되었다[10-12].
본 연구에서는 출력을 일정하게 유지한 채 디젤 연료의 일부분을 천연가스로 대체함에 따라 효율의 지표인 제동연료소모율(Brake Specific Fuel Consumption, BSFC)와 엔진 출력 대비 배출되는 질소산화물의 양을 나타내는 제동질소산화물(Brake Specific NOx, BSNOx)의 변화를 분석하고 각 천연가스 양에 따라 흡기밸브타이밍을 조절하여 최적의 밸브타이밍을 알아보고자 하였다. 이 연구는 실험에서 구현하기 어려운 흡기 밸브타이밍을 변화가 엔진 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 시뮬레이션을 이용하여 진행되었다[10-12]. 본 연구는 추후 천연가스-디젤 혼소엔진을 설계하고 제작하는데 있어 방향성을 제시하는데 그 목적이 있다.

가설 설정

연료 분사방식에 있어서 디젤의 경우 기존 엔진과 동일하게 실린더 내 직접 분사 방식을 적용하였고 추가적으로 공급되는 천연가스의 경우 인젝터 8개를 인매니포트(Inmani port)에 설치하여 천연가스가 분사되도록 하였다. 천연가스의 경우 100% 메탄가스로 구성되어 있는 것으로 가정하여 계산하도록 하였다. 공급되는 디젤과 천연가스의 전체 에너지와 주입된 천연가스 연료의 에너지 비율을 대체율(x)로 정의하여 시뮬레이션을 진행 하였다.

제안 방법

[Fig 3]에서는 기존 흡기밸브가 열리는 시간(IVO)은 ATDC 294˚이고 흡기밸브가 닫히는 시간(Intake Valve Close, IVC)은 558˚이며 시뮬레이션이 수행될 다양한 흡기밸브타이밍 범위를 보여주고 있다. [Table 3]에 나와 있는 바와 같이 흡기밸브가 열리는 시간(IVO)은 284˚부터 334˚까지 5˚ 간격으로 11가지의 경우로 나누었고 흡기밸브가 열려있는 지속시간(IVD)의 경우 기존을 1.0으로 정상화 하였을 때 0.6~1.15로 0.025간격으로 23가지 경우로 나누었다. 밸브타이밍에 따라 총 253가지의 케이스를 선정하여 시뮬레이션을 진행하였고 이와 동시에 천연가스 대체율(x)을 4% 간격으로 4% ~ 40%까지 10가지 경우로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다.
[Fig 4], [Fig 5] 은 4% 단위로 나눈 각 천연가스 대체율 조건에서 밸브가 열리는 시기(IVO), 닫히는 시기(IVC)를 변수로 하는 BSFC 함수 그래프를 보여주고 있다. 각 대체율 조건마다 253가지 경우로 나눠 BSFC를 계산하였다. 4%~ 40%까지 총 10개의 그래프를 얻을 수 있었다.
천연가스의 경우 100% 메탄가스로 구성되어 있는 것으로 가정하여 계산하도록 하였다. 공급되는 디젤과 천연가스의 전체 에너지와 주입된 천연가스 연료의 에너지 비율을 대체율(x)로 정의하여 시뮬레이션을 진행 하였다. 이에 해당하는 식은 (1)과 같다.
대체율이 x일때 # 에 해당하는 천연가스를 주입하고 원하는 고정 출력이 맞지 않으면 디젤 연료량을 조절하여 출력을 맞추는 제어 방식을 적용하였다.
두 개 이상의 연료를 혼합 연소시킬 경우 발열량이 서로 다르기 때문에 열효율의 지표인 연료소모율을 계산할 시 하나의 연료로 환산되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 소모된 천연가스의 총 발열량을 같은 발열량을 내는 디젤의 질량으로 환산한 값과 소모된 실제 디젤연료의 질량을 합하는 방식으로 BSFC를 계산하였다. 해당 식은 (2), (3)과 같다.
025간격으로 23가지 경우로 나누었다. 밸브타이밍에 따라 총 253가지의 케이스를 선정하여 시뮬레이션을 진행하였고 이와 동시에 천연가스 대체율(x)을 4% 간격으로 4% ~ 40%까지 10가지 경우로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다.
본 연구에서 사용되는 모델은 100% 로드, 회전수(RPM) 720, 정상상태(Steady-State)에서 최대한 실제 데이터를 반영하여 모델의 정확도를 확보하였다. 실린더 내 연소해석의 경계조건으로는 흡배기 온도, 압력, 공연비 등의 변수를 입력 값으로 하여 Main unburned zone, Spray unburned zone, Spray burned zone의 3개의 열역학적 영역으로 나누어 연소를 해석하는 DIpulse 모델을 적용하였다[14].
본 연구에서는 흡기밸브 타이밍 관련 변수로 흡기밸브가 열리는 시간(Intake Valve Open, IVO), 흡기밸브가 열려있는 지속시간(Intake Valve Duration, IVD) 2가지를 선정하였다.
연료 분사방식에 있어서 디젤의 경우 기존 엔진과 동일하게 실린더 내 직접 분사 방식을 적용하였고 추가적으로 공급되는 천연가스의 경우 인젝터 8개를 인매니포트(Inmani port)에 설치하여 천연가스가 분사되도록 하였다. 천연가스의 경우 100% 메탄가스로 구성되어 있는 것으로 가정하여 계산하도록 하였다.
[Fig 1]에서는 상용 1D 엔진 시뮬레이션을 이용하여 대상엔진을 모델링 한 것을 보여주고 있다. 천연가스 주입 방식은 공기가 밸브를 통해 각 실린더로 들어가기 전 포트에 인젝터를 설치하여 분사하는 방식을 적용하였다.
발전용 엔진은 일정한 전력을 생산해 내기 위해 회전수(RPM)와 엔진 출력이 일정한 값으로 유지 되도록 구동되어야 한다. 하지만 기존 발전용 디젤 엔진에 천연가스를 추가로 주입하게 되면 엔진의 출력이 변화하게 되므로 천연가스 연료의 에너지와 디젤 연료의 에너지 비율이 특정한 값으로 유지됨과 동시에 엔진출력은 고정되도록 하는 제어 시스템[Fig 2.]을 모델에 적용시켰다. 대체율이 x일때 #에 해당하는 천연가스를 주입하고 원하는 고정 출력이 맞지 않으면 디젤 연료량을 조절하여 출력을 맞추는 제어 방식을 적용하였다.

대상 데이터

연구 대상 엔진은 MAN 사에서 만든 발전용 디젤 엔진이며 [Table 1]과 같은 제원을 갖고 있다. 대상엔진은 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation, EGR)는 적용되지 않았으며 터빈에 의해 공기를 과급하는 방식을 취하는 터보 엔진이다.
대체율이 x일때 #에 해당하는 천연가스를 주입하고 원하는 고정 출력이 맞지 않으면 디젤 연료량을 조절하여 출력을 맞추는 제어 방식을 적용하였다. 천연가스 없이 디젤연료만 공급 하였을 계산되는 고정 출력 2191 (PS)를 목표 출력(Target Power)으로 입력하여 시뮬레이션을 진행하였다.

이론/모형

시뮬레이션이 수행되는 케이스들은 실험계획법에 사용되는 다양한 샘플링 방법 중 하나인 Full Factorial 방식을 사용하였다. Full Factorial 방식은 선정된 변수에 대해서 정해진 범위의 값을 일정한 간격으로 나누어 조건을 도출하는 샘플링 방식이다.
본 연구에서 사용되는 모델은 100% 로드, 회전수(RPM) 720, 정상상태(Steady-State)에서 최대한 실제 데이터를 반영하여 모델의 정확도를 확보하였다. 실린더 내 연소해석의 경계조건으로는 흡배기 온도, 압력, 공연비 등의 변수를 입력 값으로 하여 Main unburned zone, Spray unburned zone, Spray burned zone의 3개의 열역학적 영역으로 나누어 연소를 해석하는 DIpulse 모델을 적용하였다[14].

성능/효과

- 디젤 연료에 대한 천연가스 대체율에 따라 최적 밸브타이밍을 적용 할 경우 BSNOx는 13~36% 개선 효과가 있었다.
- 디젤 연료에 대한 천연가스 대체율에 따라 최적의 밸브 타이밍이 존재하였고 가변밸브 기구를 적용하여 밸브타이밍을 조절할 경우 0.6~1% 개선 효과가 있었다.
- 디젤 연료에 대한 천연가스 대체율이 증가할수록 BSFC는 증가하며 BSNOx는 감소하였다.
[Table 2]를 보면 시뮬레이션 결과 값과 실제 엔진 시험 값과의 비교를 통해 오차율이 최대 5%이내 임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 실제 엔진을 모사할 수 있는 모델로서 신뢰도를 갖는다고 판단하였다.
시뮬레이션을 통해 계산된 실린더 내에서 압력과 온도 변화 그래프인 [Fig 8]을 보면 천연가스 대체율이 증가할수록 실린더내의 최대압력과 최대온도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 천연가스 양이 증가할수록 그 부피에 해당하는 공기량이 감소하여 실린더 내의 압력이 줄어들고 공기, 천연가스 혼합 가스의 열용량이 증가함에 따라 실린더 내의 최대 온도가 감소하는 것으로 판단된다. 이는 기존 선행연구에서도 같은 결과를 확인할 수 있었다[7,14].
또한 각 지점에서 최저 BSFC가 되도록 하는 밸브타이밍을 적용시켰을 때 BSNOx 또한 감소하는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 [Fig 10]에서 확인할 수 있듯이 각 지점에서 밸브타이밍을 조절할 경우 그렇지 않는 경우 보다 실린더 내의 온도가 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 천연가스 대체율이 증가할수록 밸브 타이밍 조절에 의한 BSNOx 저감 효과는 감소하는 경향성을 확인 하였다.
또한 각 지점에서 최저 BSFC가 되도록 하는 밸브타이밍을 적용시켰을 때 BSNOx 또한 감소하는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 [Fig 10]에서 확인할 수 있듯이 각 지점에서 밸브타이밍을 조절할 경우 그렇지 않는 경우 보다 실린더 내의 온도가 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 천연가스 대체율이 증가할수록 밸브 타이밍 조절에 의한 BSNOx 저감 효과는 감소하는 경향성을 확인 하였다.
시뮬레이션을 통해 계산된 실린더 내에서 압력과 온도 변화 그래프인 [Fig 8]을 보면 천연가스 대체율이 증가할수록 실린더내의 최대압력과 최대온도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 천연가스 양이 증가할수록 그 부피에 해당하는 공기량이 감소하여 실린더 내의 압력이 줄어들고 공기, 천연가스 혼합 가스의 열용량이 증가함에 따라 실린더 내의 최대 온도가 감소하는 것으로 판단된다.
[Fig 6] 에서는 천연가스 대체율에 따른 기존 BSFC값과 BSFC가 최저가 되도록 밸브 타이밍을 조절했을 때의 BSFC값을 보여주고 있다. 이를 보면 천연가스를 첨가한 모든 지점에서 밸브타이밍 조절에 의한 BSFC가 저감하는 효과를 볼 수 있었고 대체율 40%에서 250.55(g/kWh)에서 251.53(g/kWh)로 약 1%정도 최대로 개선되는 것을 확인 할 수 있었다.
4%~ 40%까지 총 10개의 그래프를 얻을 수 있었다. 천연가스 대체율에 따라 각기 다른 최적의 밸브타이밍을 갖고 있었으며 천연가스 대체율이 높아질수록 밸브 타이밍에 의한 BSFC 변화 영향이 큰 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 연료 공급 시스템의 천연가스 성분은 어떻게 가정되었는가?	연료 분사방식에 있어서 디젤의 경우 기존 엔진과 동일하게 실린더 내 직접 분사 방식을 적용하였고 추가적으로 공급되는 천연가스의 경우 인젝터 8개를 인매니포트(Inmani port)에 설치하여 천연가스가 분사되도록 하였다. 천연가스의 경우 100% 메탄가스로 구성되어 있는 것으로 가정하여 계산하도록 하였다. 공급되는 디젤과 천연가스의 전체 에너지와 주입된 천연가스 연료의 에너지 비율을 대체율(x)로 정의하여 시뮬레이션을 진행 하였다.
	Full Factorial 방식은 무엇인가?	시뮬레이션이 수행되는 케이스들은 실험계획법에 사용되는 다양한샘플링방법 중 하나인 Full Factorial 방식을 사용하였다. Full Factorial 방식은 선정된 변수에 대해서 정해진 범위의 값을 일정한 간격으로 나누어 조건을 도출하는 샘플링 방식이다. 이를 통해 다른 샘플링방식에 비해 정교하게 반응표면을 도출하는 것이 가능하다는 장점이 있다[14].
	Full Factorial 방식의 장점은 무엇인가?	Full Factorial 방식은 선정된 변수에 대해서 정해진 범위의 값을 일정한 간격으로 나누어 조건을 도출하는 샘플링 방식이다. 이를 통해 다른 샘플링방식에 비해 정교하게 반응표면을 도출하는 것이 가능하다는 장점이 있다[14].

참고문헌 (14)

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