V 타입 디젤엔진의 성능 예측에 관한 연구

2.1 성능 예측 프로그램

본 연구에서 이용하는 프로그램은 과급기 및 흡배기계를 포함하는 가스 흐름계의 해석을 목적으로 하여 실린더 내의 가스 교환과정을 포함한 흡배기 매니폴드에 관하여는 파동 모델을 이용하고 있으며, 실린더 내 연소과정은 열발생율(ROHR, Rate of Heat Release) 패턴을 이용하여 표현하고 있다. 따라서 매니폴드의 형상 및 배치, 과급기와의 매칭, 밸브 타이밍 등의 영향 파악에 유용하다. 이 프로그램에 관한 상세한 사항은 연구[4]에서 언급하였다.

Table 1에서 본 연구의 대상엔진인 HiMSEN 12V 3240 디젤엔진의 기본 제원을 보인다.

Table 1:

Specification of the test engine

2.2 흡·배기계 매니폴드 모델링

Figure 1은 대상 엔진의 매니폴드 구성을 나타낸다. 대상엔진은 발전용 V 타입 엔진으로 A, B 뱅크는 서로 마주보면서 50°(Vee) 각도를 이루고 있으며, 두 뱅크 사이 공간에 흡기 매니폴드가 좌우 대칭 구조를 이루고 있다. 배기 매니폴드는 엔진의 좌우 외측에 위치하며 매니폴드 끝단에는 각각 과급기가 위치하고 있다.

Figure 1:

Calculation model of manifold for the test engine

중간냉각기와 같이 벽면과의 열전달을 고려하는 구성 요소의 경우 용기(volume)로 모델링하여 치환하였고, 관(pipe)에 비해 단면적과 용적이 큰 흡·배기 매니폴드의 경우에도 용기로 모델링하였다. 밸브 포트(port)나 압축기 출구, 터빈입구와 같이 가스의 유속 및 압력파 영향을 무시할 수 없는 곳은 관으로 모델링하고, 마찰손실 및 곡간손실을 고려하였다. 흡·배기 밸브, 용기와 관의 경계 등은 두께가 없는 오리피스로 모델링하였고 단면적과 유량계수를 이용하여 실제 공기와 가스의 흐름을 고려하였다. 매니폴드를 구성하는 관과 용기의 길이, 직경 등은 실제 엔진으로부터 측정된 자료를 통해 모델링하였으며 관은 매니폴드측 관과 밸브 포트측 관을 구분하였다.

과급기는 압축기와 중간냉각기를 거친 공기의 상태(압력과 온도)를 입력 데이터로 하여 표현하고 터빈은 배기 매니폴드 끝단의 오리피스로 모델링하였다. 이후, 유량계수를 포함하는 오리피스 등가면적(turbine orifice equivalent area)을 변경하면서 엔진의 가스 유량이 실험 결과에 수렴 될 때 시뮬레이션을 종료하는 시행착오 방법을 이용하였다.

2.3 열발생률(ROHR) 패턴

열발생률은 시뮬레이션을 이용하여 디젤엔진의 성능을 예측하는데 중요한 요소이며 엔진의 출력과 에미션의 생성에 큰 영향을 미친다.

Figure 2는 대상엔진의 100%, 75%, 50%, 25% 부하 조건에서 측정된 압력 곡선을 통해 도출한 열발생률을 나타낸다.

Figure 2:

Rate of heat release of the test engine

연료의 분사는 TDC –15 ~ -12°CA에서 이루어졌으며 상대적으로 차가운 분사연료에 의해 공기가 순간적으로 냉각되어진다. 이에 따라 착화가 약 TDC –10 ~ -8°CA 까지 지연된다. 또한 부하가 증가할수록 확산연소(diffusive combustion)가 증가하고, 부하가 감소할수록 예혼합연소(pre-mixed combustion)는 감소하여 디젤엔진의 부하에 따른 연소 특성이 잘 나타남을 알 수 있다.

측정된 대상엔진의 열발생률을 Double Wiebe fucntion을 적용한 모델링을 통해 예측 계산에 이용하였다.

Figure 3에 100% 부하에서의 열발생률을 Double Wiebe function으로 모델링하여 계산한 실린더 내 압력 변화를 대상엔진으로부터 계측한 실린더 내 압력 변화와 비교하여 나타낸다. 계산 결과는 계측 결과와 오차 1% 이내의 양호한 일치를 보이고 있다고 판단되며 75%, 50%, 25% 부하에서도 양호한 일치를 보인다.

Figure 3:

Comparison of measured and calculated pressure in cylinder

2.4 예측 결과의 고찰

Table 2는 각 부하에서 계산된 Pmi (pressure mean indicated), Pmax 를 실제 엔진의 Pmi, Pmax 와 비교하여 나타내며 Figure 4는 계산된 bi를 계측된 be와 비교하여 나타낸다. 계산에 사용된 프로그램[4]에서는 마찰 손실 동력(Pmf)을 별도로 가정하지 않으므로 bi와 be를 비교하였다.

Table 2:

Comparison of measured and calculated results

Figure 4:

Comparison of be and bi

계산된 Pmi와 Pmax는 계측값과 오차 범위 ±1% 내에서 일치하며 고부하로 갈수록 기계효율이 증가하여 제동연료소비율(be)과 도시연료소비율(bi)의 차이가 감소함을 알 수 있다.

Figure 5는 100% 부하에서 계산된 A, B 뱅크의 터빈 입구측 압력 변동을 나타낸다.

Figure 5:

Fluctuation of turbine inlet pressure at 100% load

대상엔진의 서로 마주하고 있는 두 실린더 간에는 뱅크 각(Vee=50°CA) 만큼의 폭발 간격이 있으며 그 다음의 폭발은 70°CA 뒤에 이루어져 부등 간격을 이룬다. A, B 뱅크의 터빈 입구측 압력 변동은 실린더 간의 폭발 간격을 반영하며 부하별 터빈 입구 압력의 계산 결과는 계측 결과와 같다. 이를 통해, 실린더의 연소 특성뿐만 아니라 흡배기 성능 파악을 위한 흡배기계의 동적 특성 또한 충분히 신뢰성있게 계산되어지고 있음을 알 수 있다.

계산 결과를 통해 볼 때, 파동 모델을 이용한 성능 예측기법을 통해 대상엔진의 성능이 매우 정확하게 예측되었으며 이에 따라 프로그램의 신뢰성이 입증되었다고 판단된다.

3.1 시퀀셜 과급 시스템의 효과

상선과 다르게 함정은 저부하와 부분부하에서의 운전 시간 비율이 상대적으로 높기 때문에[5]-[8] 최근 건조되고 있는 함정의 디젤엔진들은 이러한 장점을 활용하기 위하여 시퀀셜 과급 방식을 채택하고 있는 추세이다.

디젤엔진의 저부하에서는 배기에너지가 감소되기 때문에 소요 과급 압력을 유지할 수 없다. 따라서 시퀀셜 과급 시스템을 이용하여 구동되는 과급기의 수를 부하에 따라 조정함으로써 저부하에서 높은 과급압력을 유지하여 충분한 급기를 확보할 수 있다. 또한 에미션을 줄이고, 연료소비와 진동을 줄여 성능 향상은 물론 엔진의 구조적 스트레스를 감소시키는 장점이 있다[5][6].

본 절에서는 시퀀셜 과급 시스템을 대상엔진의 25% 부하에 적용하는 과정과 이에 따른 성능 변화를 고찰하였다. Figure 6은 대상엔진에 적용한 시퀀셜 과급 시스템을 포함하는 흡배기측의 매니폴드 구성을 나타낸다.

Figure 6:

Manifold configuration for STC

기존의 매니폴드와 비교하였을 때, 한 대의 과급기를 조정하기 위하여 압축기 출구 및 터빈 입구를 차단하는 차단 밸브(exhaust gas cur-off valve, intake air cut-off valve)와 두 뱅크에서 배출되는 배기에너지를 하나의 터빈으로 연결하는 바이패스 밸브(exhaust gas by-pass valve)가 설치되어 있다.

50% 이상의 부하에서는 두 대의 압축기를 통해 공기가 유입되지만 25% 부하에서는 압축기 출구와 터빈입구의 밸브가 차단되고 바이패스 밸브는 개방되어 2대의 과급기 중 1대의 과급기만 작동 하는 시퀀셜 과급 방식을 적용하였다.

Figure 7은 시퀀셜 과급이 적용될 때의 과급압력과 터빈 입구압력, 터빈 오리피스 등가면적(과급기 회전수)을 결정하는 과정을 나타낸다. 대상엔진의 25% 부하에서의 과급압력과 터빈 오리피스 등가면적이 고정된 상태에서 시퀀셜 과급을 적용하면 배기에너지가 하나의 터빈으로 집중되면서 터빈 입구압력이 상승(①)하고 이에 따라 과급기의 회전수가 증가(②)한다. 과급기 회전수가 증가하면 과급압력이 증가하고 터빈 입구 압력은 점차 과급기의 정상 운전 조건에 가까워진다.(③). 이 때, 과급압력과 터빈 입구 압력, 터빈 오리피스 등가면적이 모두 대상엔진의 과급기 운전 조건 범위에 수렴하면 시퀀셜 과급 시스템이 안정된 상태가 된 것으로 판단하여 계산을 종료(④)한다. 계산 과정은 엔진 시스템이 안정화 되어가는 과정과 같은 순서로 된다. Table 3은 계산 결과를 나타낸다.

Figure 7:

Procedure of STC condition for the test engine at 25% load

Table 3:

Effect of STC on the test engine at 25% load

Table 3으로부터 알 수 있듯이 대상엔진에 시퀀셜 과급을 적용하게 되면 한 대의 터빈에 배기에너지가 집중되고 이에 따라 과급기 효율(η_tc)이 약 4% 개선되고 과급압력이 액 0.6 bar 증가한다. 그 결과, 체적효율(η_v )이 52% 증가하고 출력이 향상되어 8.6 g/kWh 의 연비가 개선됨을 알 수 있다.

시퀀셜 과급의 효과를 높이기 위하여 총 4대의 과급기를 이용하는 경우[9]의 흡배기 매니폴드를 Figure 8에 나타낸다. 변경된 시스템의 과급기는 압력비는 동일하되 급기 유량이 기존 과급기의 유량의 1/2에 해당한다고 가정하였다.

Figure 8:

Manifold configuration for subdivided STC

변경된 매니폴드를 이용하여 75%, 50% 부하에서 시퀀셜 과급을 적용하였을 때의 성능 변화를 25% 부하에서와 동일한 방법으로 고찰하였다.

Figure 9는 50% 부하에서 과급기 운전 수량을 조정(4대→3대) 하였을 때, 터빈 입구 압력의 변화를 나타낸다.

Figure 9:

Change of turbine inlet pressure by T/C re-matching

과급기 운전 수량을 1대 감소시키면 터빈 입구 압력이 증가하게 되고 운전되는 과급기 3대의 회전수가 증가하기 때문에 터빈 오리피스 등가 면적이 증가한다. 그 결과, 과급압력이 상승된다. 그러나 터빈 입구 압력은 과급압력보다 지속적으로 높게 나타나며 이에 따라 과급기 효율은 감소한다. 그 결과, 펌프 손실(pumping loss)이 증가하고 출력은 향상되지 않는다. 75% 부하에서 과급기 수량을 조정(4→3대)한 경우에도 동일한 결과를 보였다.

따라서 대상엔진에 대하여 75%, 50% 부하에서의 시퀀셜 과급 적용을 통한 효과는 기대할 수 없으며, 25%부하에서 과급기 운전 수량의 1/2만 운전하는 시퀀셜 과급 방식의 경우에만 성능 개선의 효과가 있는 것으로 확인되었다.

3.2 과급기 매칭(matching) 변경에 의한 개선

함정 추진용 디젤엔진은 100% 부하에서의 운전 시간이 전체 운전 시간의 약 10~20%에 불과하며 부분 부하에서의 운전시간은 약 80~90%를 차지한다[5]-[8]. 또한 발전용 디젤엔진은 함정의 잦은 부하변동에 유연하게 대처하기 위하여 다수의 발전기를 병렬로 운전하는 시스템을 적용하고 있으며 각 발전기의 부하는 75%를 넘지 않는다. 따라서 과급기의 최대 압력비(π_c)가 100% 부하에서 달성되어지도록 하는 과급기 매칭은 이러한 운전 특성을 충분히 반영하고 있지 않다고 판단된다.

본 연구에서는 최대 압력비(π_c)가 75% 부하에서 달성되도록 과급기를 다운사이징(down-sizing)하여 매칭 하는 경우를 가정하여 이에 따른 성능 변화를 고찰하였다.

Figure 10은 과급기를 다운사이징 하였을 때, 각 부하에서의 새로운 압력비를 결정하는 과정을 나타낸다.

Figure 10:

Change of operation line by T/C downsizing

대상 엔진의 각 부하에서의 압력비와 압축기 유량을 이용하여 압축기 맵 상에 작동 선도(operation line)를 나타낼 수 있다. 이 때, 75% 부하에서 최대 과급압력이 달성되어지도록 다운사이징을 할 경우, 75%에서의 새로운 운전 점(operating point)은, 과급 압력은 다운사이징 이전의 100% 부하에서의 과급압력과 같고 유량은 75% 부하에서의 유량과 같은 점으로 선택하였다. 이 점과 압축기 맵의 원점을 잇는 새로운 작동 선도를 나타낼 수 있으며 새로운 작동선도의 변화 경향과 효율은 기존의 압축기 특성을 따르는 것으로 가정하였다.

이후, 새로운 작동 선도 상에서 기존의 25%, 50% 부하의 유량이 달성되는 지점을 선택하여 다운사이징에 의한 각 부하에서의 과급압력을 결정하였다.

100% 부하에서는 배기가스의 일부를 waste gate를 통해 배출하여 과급압력을 75% 부하 조건과 같이 조정하였다. Figure 11은 이와 같은 방법으로 선택된 새로운 과급 조건에서의 부하별 연료소비율의 변화를 대상엔진의 연료소비율과 비교하여 나타낸다.

Figure 11:

Improvement of SFOC by T/C re-matching

75% 부하에서 최대 과급압력이 달성되도록 과급기를 매칭 하게 되면 100% 부하에서는 과급기 유량 한계로 인해 충분한 공기를 확보할 수 없고 따라서 동일한 출력을 유지하기 위해 연료소비율이 보다 증가하게 된다. 반면, 그 외의 부하에서는 과급 압력의 증가에 따른 체적 효율(volume efficiency) 향상으로 연료소비율이 감소되는 효과를 볼 수 있다.

100% 부하에서 전체 운전 시간의 20%, 75% 부하에서 70%, 50%, 25% 부하에서 각각 5%의 운전 시간 비율[7][8]을 갖는 함정용 디젤엔진에 대하여 운전 시간 비율이 가장 큰 75% 부하에 최대 압력비가 달성되도록 과급기의 매칭을 변경할 경우, 100% 부하에 과급기가 매칭된 경우에 비해 약 40.0 tonnes/year 의 연료절감 효과가 있을 것으로 기대된다. 연간 연료소비량은 한국 해군 함정을 대상으로 조사된 연간 운용 시간 비율(3개월을 수리, 9개월 중 1/2은 해상에서의 기동, 나머지는 정박)[8]을 반영하여 계산하였다.