A study on power improvement emission characteristics of marine diesel engine with response power 200HP turbocharger

1. 서 론

최근 자동차가 우리생활에서 차지하는 비중이 커지는 만큼 그에 따른 대기오염으로 인해 지구환경문제도 가중되고 있다. 이에 따라 전세계적으로 자국의 환경개선과 에너지 보전을 위해 자동차 배출가스규제가 강화되면서 각종 새로운 기술연구가 진행되고 있다. 이에 대응방안으로 과급기의 장착이 필수적이며, 아울러 엔진의 연소개선을 위하여 흡기계에 대한 인자와 연료분사계에 대한 인자들이 연소실내에서 잘 조화할 수 있도록 최적화시킬 필요가 있다. 터보과급 디젤엔진은 과급기의 작동에 의하여 흡입공기에 대한 밀도를 높여줌으로써 엔진의 고출력을 얻지만, 연소가스의 고온 및 고압으로 인한 실린더 내에서 여러 장애요인이 발생될 수 있기 때문에 연소과정에서 적절한 용량의 과급기 선정을 통한 흡기계, 분사계 및 연소실의 설계 등을 잘 고려해야 한다[1].

현재 거의 모든 선박용 디젤엔진에는 높은 열효율을 위하여 엔진의 배기가스를 이용하여 흡입공기밀도를 높이는 과급기가 별도로 부착되어 이용되고 있다. 엔진의 회전속도 증가 없이도 출력을 50~100%까지 높일 수 있고 마력당 엔진의 중량과 부피가 작아져서 엔진의 소형화와 경량화를 가능하게하며 연료소비율과 배기가스 공해물질 측면에서도 유리하다는 장점으로 인하여 중·저속 디젤엔진 기관을 중심으로 널리 보급되고 있다. 향후에도 증가된 노후 선박의 친환경 선박으로의 교체와 중국 등의 조선 산업 수요 증가 등으로 인하여 선박용 기관의 수요는 지속적으로 늘어날 것으로 보인다. 이러한 수요 증가에 따라 디젤기관의 생산은 증대될 것이며, 생산성 증대에 따른 기존기관의 성능 향상과 함께 새로운 기관의 개발이 요구되고 있다[2][3]. 이에 본 연구에서는 자연흡기식(이하 N/A) 디젤엔진과 대응출력 200마력 과급기(이하 T/C)가 장착된 디젤엔진을 비교 실험하며, 기관의 운전 조건으로는 부하와 회전수를 선정하고 이 운전 조건에 따른 동력 성능 및 배출특성을 파악하여 디젤엔진의 고출력화 및 배출가스 저감을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

2.1.1 실험엔진

Figure 1은 실험에 사용된 엔진으로 현재 상용화 되어 있는 디젤엔진으로 제원은 Table 1과 같다.

Figure 1:

Test setup for Engine and Dynamometer

Table 1:

Specifications of test engine

2.1.2 실험과급기

Figure 2는 실험에 사용된 과급기(T/C)로, 사양은 Table 2와 같다.

Figure 2:

Test setup for Turbocharger(Response Power 200HP for Diesel Engine)

Table 2:

Specifications of the turbocharger tested

2.1.3 동력계 및 시험장치 구성

실험에 사용된 시험장치는 동력계(700HP급), 동력계 제어 시스템, 조절판 컨트롤 시스템, 청수 온도제어 시스템, 연료 소모량 측정기로 구성하였고, 동력계의 제원은 Table 3과 같고, Figure 3은 연료 소모량 측정기, Figure 4는 배출가스 분석기(Horiba MEXA-7100DEGR)을 사용하여 배출가스를 측정하였다.

Table 3:

Specifications of the dynamometer tested

Figure 3:

Test setup for Fuel Consumption Meter

Figure 4:

Emission gas analyzer (Horiba MEXA-7100DEGR)

3. 실험결과 및 고찰

3.1 출력성능

3.1.1 엔진 회전수

Figure 5는 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진 회전수 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 6은 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진 회전수 변화를 계측하여 비교한 것이다. N/A 엔진 및 T/C 엔진의 고정 회전수 도달까지 엔진 회전수 변화 값은 거의 유사하게 나타났다. 일반적인 터보기관에서 발생하는 터보랙 구간이 나타나지 않은 것은 엔진배기량에 비해 터빈 용량이 적어 풍부한 풍량이 계속해서 터빈에 공급되었기 때문이라 예측된다.

Figure 5:

Comparison of N/A engine speed on throttle open scale by engine speed variation

Figure 6:

Comparison of T/C engine speed on throttle open scale by engine speed variation

3.1.2 엔진 출력

Figure 7은 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진 출력 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 8은 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진 출력 변화를 계측하여 비교한 것이다. 엔진 고정 회전수 1,000rpm, 1,500rpm의 비교적 저속구간에서는 N/A 엔진과 T/C 엔진의 출력은 거의 동등한 수준이었으나, 2,000rpm 고속구간부터는 조절변 개도량에 비례하여 증가하는 결과를 나타냈다. 이는 T/C 엔진의 특성상 고속회전에서의 과급효과의 증대로 인한 것이라 예측된다.

Figure 7:

Comparison of N/A engine power and throttle open scale by engine speed variation

Figure 8:

Comparison of T/C engine power on throttle open scale by engine speed variation

3.1.3 축의 토크

Figure 9는 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진축의 토크 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 10은 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 엔진 축의 토크 변화를 계측하여 비교한 것이다. N/A 엔진과 T/C 엔진의 회전력 변화 값은 출력과 회전수와의 관계에 따라 그에 상응하는 값을 나타냈다.

Figure 9:

Comparison of N/A shaft torque and throttle open scale by engine speed variation

Figure 10:

Comparison of T/C shaft torque on throttle open scale by engine speed variation

3.2 배출가스 특성

3.2.1 공기 유량

Figure 11은 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 공기유량 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 12는 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 공기 유량 변화를 계측하여 비교한 것이다. N/A 엔진 대비 T/C 엔진에서 공기 유량은 전체적으로 높게 나타났으며, 2,000rpm 고속 구간에서의 공기유량은 큰 폭으로 증가하는 경향을 보였다. T/C 엔진의 과급률이 35% 가량 높은 결과로 나타났다. 이는 T/C 엔진의 특성상 고속회전에서의 배기가스 압력에 의해 공기가 가압되었기 때문이라 예측된다.

Figure 11:

Comparison of N/A engine Air Flow on throttle open scale by engine speed variation

Figure 12:

Comparison of T/C engine Air Flow on throttle open scale by engine speed variation

3.2.2 이산화탄소(CO₂)

Figure 13은 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 CO₂ 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 14는 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 CO₂ 변화를 계측하여 비교한 것이다. N/A 엔진과 T/C 엔진의 CO₂ 배출량은 거의 동등하게 나타났으나 2,000rpm 고속에서의 CO₂ 배출량은 급격히 감소하였다. 이는 Exhaust gas recirculation을 통해 배기가스가 환원되어 CO₂ 배출이 감소된 것으로 예측된다.

Figure 13:

Comparison of N/A engine CO2 on throttle open scale by engine speed variation

Figure 14:

Comparison of T/C engine CO2 on throttle open scale by engine speed variation

3.2.3 질소산화물(NO_X)

Figure 15는 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 NO_X 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 16은 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 NO_X 변화를 계측하여 비교한 것이다. 엔진 고정 회전수 도달까지 저속에서는 N/A 엔진과 T/C 엔진의 NO_X 배출이 동등한 수준으로 나타났으며, 고속에서는 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 T/C 엔진의 과급에 따른 흡입 공기가 많아졌기 때문이라 예측된다.

Figure 15:

Comparison of N/A engine NOX on throttle open scale by engine speed variation

Figure 16:

Comparison of T/C engine NOX on throttle open scale by engine speed variation

3.2.4 연소가스 중 산소배출량(O₂)

Figure 17은 자연흡기식 엔진의 각 고정 회전수까지의 O₂ 변화를 계측하여 비교한 것이다. Figure 18은 대응출력 200HP 과급기 장착에 따른 엔진의 각 고정 회전수까지의 O₂ 변화를 계측하여 비교한 것이다. 저속구간에서의 O₂ 배출량은 N/A엔진과 T/C엔진에서 거의 동일하게 나타났으며, 고속구간에서의 O₂ 배출량은 T/C엔진에서 감소량이 급격히 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 T/C 엔진에 의해 과급되는 O₂ 양이 연소되는 O₂의 양보다 많이 과급되기 때문이라 예측된다.

Figure 17:

Comparison of N/A engine O2 on throttle open scale by engine speed variation

Figure 18:

Comparison of T/C engine O2 on throttle open scale by engine speed variation

4. 결 론

본 연구에서는 자연흡기식 디젤엔진과 대응출력 200HP 과급기가 장착된 디젤엔진을 대상으로 동일한 실험조건을 통해 엔진의 성능과 배출특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) N/A 엔진대비 대응출력 200HP T/C를 장착한 엔진의 출력 성능은 저속구간에서는 적은 차이를 보였으나, 고속구간에서는 T/C 엔진이 15% 가량 높은 출력 성능을 나타내었다.

2) 저속에서 N/A 엔진과 대응출력 200HP T/C 엔진의 CO₂ 배출량은 거의 동등하게 나타났으나 고속에서의 CO₂ 배출량은 급격히 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 EGR을 통해 배기가스가 환원되어 CO₂ 배출이 억제된 것으로 예측된다.

3) CO₂의 배출특성과 마찬가지로 저속에서는 N/A 엔진과 T/C 엔진의 NO_X 배출량이 거의 동등한 수준으로 나타났으며, 고속에서는 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 T/C 엔진의 과급에 따른 흡입 공기가 많아졌기 때문이라 예측된다.

4) N/A 엔진대비 대응출력 200HP T/C를 장착한 엔진의 출력특성과 배출특성은 저속에서는 큰 차이를 보이지 않았으나, 고속구간에서는 높은 출력특성을 보였다. 고속에서 CO₂ 배출량은 크게 감소하였고, NO_X 배출량은 소량 증가하였다. 하지만 그 증가량은 미비하였으며, 높은 출력특성을 낼 수 있는 T/C의 효율성은 충분하다고 예측된다.

References

• J. K. Yoon, “A study on the characteristics of performance and emission in a turbocharged D.I. diesel engine”, The Korean Society of Automotive Engineers, (1), p315-321, (2008).
• D. H. Seog, “A study on the performance improvement in a V8 type turbocharged intercooler D.I. diesel engine”, The Korean Society of Automotive Engineers, 13(2), p118-127, (2004).
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