연소해석 방법은 실험 장치를 통하여 실린더 압력을 크랭크 각도별로 수집을 하여 압력 상승률을 구하고, 체적, 체적 상승률, 열발생율, 평균가스온도 등을 계산하였다. 크랭크 각도별 연소압력, 압력상승율, 열발생율등으로 연소상태를 해석하기에 충분하며, 수집 데이터의 신뢰성을 확인하기 위하여 연소압력과 체적을 이용하여 지시마력을 계산하였다.

Figure 2는 연소압력을 크랭크 각도별로 수집하여 도시한 그림이며, 50%부하에 대하여 나타내었다. 여기서 1번 실린더부터 5번 실린더까지 TDC부근에서의 압력상승부분이 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 최고 5°~ 6°CA정도의 차이를 보이고 있다.

Figure 3은 압력상승률 곡선 이며, Figure 4는 열발생률 곡선을 보여주고 있다.

따라서 Figure 2 ~ Figure 4의 선도로부터 각 실린더간의 점화시점이 다른 것을 알 수 있으며, 이는 연료분사시점이 각각 상이하기 때문으로 판단이 되고, 전체적으로 분사시기가 늦어졌음을 알 수 있다. 또한 저 부하에서는 소기온도와 압력의 저하로 후연소가 일어나게 되고, 이로 인한 연소불안정 현상이 발생하여 배기가스 온도의 편차를 만들었다고 판단된다. 따라서 각 실린더별 연료분사 시기를 확인하고 조정하면 연소불안정과 배기가스온도의 편차를 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.

Figure 2 
P - θ diagram of 50%(240kW)

Figure 3 
dP/θ diagram of 50%(240kW)

Figure 4 
Rate of heat release of 50%(240kW) load

앞에서 분석한 결과를 확인하기 위하여 연료분사시기를 측정하였다. Photo 1에서 연료분시시기를 측정하기 위한 기구(Tool)를 보여주고 있다. 이것은 고압파이프를 절단하여 내경 1.5mm의 가는 투명 파이프를 연료펌프 토출밸브 출구 측에 붙여서 만든 것이다. 내경이 작을수록 측정 오차를 줄일 수 있기 때문에 최대한 가는 파이프가 추천된다.

또한 오차를 줄이기 위하여 최소한 4회 이상 측정한 데이터를 평균하였으며, 측정은 플라이휠을 터닝하면서 파이프에 연료가 나타나는 순간을 플라이휠에 표시 하여 TDC로부터의 거리를 재고, 각으로 환산하였다.

실험엔진의 연료분사 시기는 BTDC 15°이다. Table 5에서는 연료분시시기 측정 결과와 연료분사 지연의 정도 및 재조정 시기를 보여주고 있다. 5번 실린더는 정상연소에 가깝고, 1~4번 실린더는 2.5~5.3°CA정도 지연되어 있음을 알 수 있으며, 이 결과는 Figure 2 ~ Figure 4의 연소상태 분석 결과와 일치하고 있음을 알 수 있다.

또한 연료점화시점을 일치하게 하기 위하여 분사시기 재조정 시 경험상 터보차저 끝단의 실린더(5번 실린더)는 급기효율이 좋기 때문에 약 0.5°CA정도 지연시켜 조정하였다.

Figure 5와 Figure 6은 본 실험의 신뢰성의 결과를 확인하기 위하여 75%(360kW)부하와 무부하에서 출력을 계산한 P - V 선도를 보여주고 있다.

Photo 1 
Injection timing measuring tool using high pressure pipe

Figure 6의 무부하 상태에서의 지시마력은 엔진의 마찰손실과 발전기의 기계손실로 간주할 수 있다. 회전속도가 일정하면 마찰손실은 일정하기 때문에 75%부하 시의 지시마력(617.1IHP)에서 무부하 시의 지시마력(105IHP)을 감하면 엔진의 제동마력을 알 수 있다. 이로부터 동기발전기의 효율을 구하면 5% 정도의 범위를 나타내고 있어 신뢰할 수 있다고 판단된다. 따라서 출력측정으로도 본 실험의 데이터 수집에 대한 신뢰성을 검증 할 수 있었다. 동기 발전기의 효율은 다음 식에 의하여 구하였다[4].

Figure 5 
P - V diagram of 75%(360kW) condition & output

Figure 6 
P - V diagram of no-load condition & output

연료분사시기 조정 후의 상태를 연소해석 장치로 분석한 결과를 Figure 7 ~ Figure 9에서 보여주고 있으며, 50%부하에서의 상태이다.

Figure 7 
P - θ diagram after injection timing adjustment at 50%(240kW) load

Figure 8 
dP - dθ diagram after injection timing adjustment at 50%(240kW) load

Figure 9 
Rate of heat release after injection timing adjustment at 50%(240kW) load

Figure 7은 P - θ 선도를 보여주고 있다. 연료분사 조정 전의 Figure 2와 비교하면 전체적으로 연소최고압력이 상승한 결과를 보여주고 있다. 다섯 실린더 모두가 상승 시점이 거의 일치하고 있으며, 연료분사 진각의 정도에 따라 압력상승의 정도가 비례하여 증가하는 것을 또한 알 수 있다.

Figure 8에서는 압력상승률 선도를 나타내고 있다. Figure 3과 비교하면 압력 상승률은 높지만 TDC 이후 압력파의 맥동이 줄었음을 알 수 있다. 이는 연료분사시기가 진각 되어 연소최고압력이 증가되었기 때문에 압력상승률이 증가하였고, TDC 이후의 압력파의 맥동의 감소는 연소불안정 현상이 상당히 줄었음을 알 수 있다.

Figure 9는 열발생률 선도를 보여주고 있으며, 1~5번 실린더의 점화시점이 거의 일치하고 있음을 보여주고 있다.

지금까지 연소해석의 결과 연료분사 시기가 지연되어 연소최고압력이 상당히 낮아져 있었으며, 이 때문에 후 연소의 증가 및 배기가스 온도의 상승이 있었다는 것을 알 수 있었다. 또한 각 실린더별 연료분사시기가 다르기 때문에 실린더별 편차가 더욱 증가 하였던 것으로 생각된다.

지연된 연료분사시기를 조정하고 각 실린더별 연료분사시기를 일치시킨 후 연료소비와 실제 배기가스 를 조사한 결과에 대하여 아래 Tables 6∼8에서 보여주고 있다. 또한 실린더 헤드 분해정비 후 운전시간이 상이한 두 발전기 엔진을 비교함으로써 엔진의 노후화에 의한 영향을 추정할 수 있을 것으로 생각된다.

Table 6에서는 No.1 발전기 엔진은 실린더 헤드를 분해정비 직후 실험을 하였던 경우이며, No.2 엔진은 운전시간 약 1,500시간이 경과한 경우이다. 연료분사 시기를 조정하여 일치시킨 결과 각각 5%와 12.8%의 연비 절감 효과를 나타내었다. 실험대상 발전기의 특성상 운전시간이 경과하면 저부하 운전의 영향으로 흡기 밸브의 오손이 심한 특성을 가지고 있다[2]. 이러한 결과로 연료분사시기 조정은 노후화의 정도가 높을수록 연비 절감 효과가 높은 것으로 추정 될 수 있다.

Tables 7 ~ 8에서의 배기가스 온도는 연료분사시기를 조정함으로써 앞의 연소해석의 결과로 추정 될 수 있듯이 하향 안정화 되었으며, 편차가 상당히 줄었음을 알 수 있다.