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1. 서 론

 최근에 지구 온난화로 인하여 날씨변화에 의한 자연재해와 생태계 파괴 및 해수면 상승 등의 문제가 생활의 어려움보다 생존의 문제로 부각되고 있으며, 화석연료의 감소와 중동 산유국들의 정치적 불안으로 원유가격이 상승하고 있다. 지구 온난화의 주범인 대기오염은 주로 연소기관에서 배출되는 유해성분 물질인데, 육상용 연소기관의 유해배기가스 규제(Jung et al., 2004; Ryu and Oh, 2004) 뿐만아니라, 선박기관에 대해서도 이미 국제해사기구(IMO)에서 합의하여 규제하고 있다(Pradeep and Sharma, 2007).

 디젤기관은 다른 종류의 기관보다 열효율이 높고, 대출력의 기관을 만드는 것이 용이하며, 값이 싼 연료를 사용할 수 있고, 내구성과 신뢰성이 좋을 뿐만 아니라, 단위동력당 이산화탄소(CO₂)의 배출량이 적기 때문에 에너지 절약과 지구온난화 억제를 위해서도 바람직한 동력원임이 입증되었고(Ryu and Oh , 2007), 연료소비율을 줄이고 대기 환경오염물질을 저감시킬 수 있는 대책을 여러가지로 연구한 결과, 많은 진전이 있었지만(Kanne and Iwamoto, 1988; Lim and Cho, 2008; Lim and Cho, 2012a; Lim and Cho, 2012b), 앞으로도 더욱 노력할 필요가 있다.

 그리고 디젤기관의 연소특성과 배기배출물특성에 영향을 주는 주요 인자는 연료의 분사시기, 분사율, 연료분무의 무화성 및 관통성 등등 여러 가지가 있는데, 이들은 서로 미치는 영향이 유기적이다(Satoh et al., 1997). 또, 디젤기관은 운전시간이 길어짐에 따라서 연료분사와 관련된 부속품이 마모되어 연료분사시기가 늦어지므로 일정한 운전기간이 지나면 연료분사시기를 재조정 할 필요가 있다고 생각된다.

 따라서 본 연구에서는 우선 연료의 분사시기가 연소특성 및 배기배출물 특성에 미치는 영향을 실험적으로 연구하고자 하며, 일반적으로 기관에 대한 연구는 실험실에 설치되어 있는 실험기관을 대상으로 하고, 신품의 기관을 사용하는데, 본 연구에서는 건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호의 노후한 발전기를 대상으로 직접 선박 현장에서 실험하여 최적 연료분사시기를 규명하므로써 선박기관의 경제적인 운전에 도움을 주고자 한다.

2. 실 험

2.1 실험장치

 본 실험에 사용된 실험장치의 구성도는 Fig. 1과 같고, 실험기관은 발전기용 디젤기관으로 주요 제원은 Table 1과 같다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

Table 1. Specification of test engine

 기관의 출력은 발전기에서 생산된 전력을 이용하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 계측기기(MIP2000)를 설치하여 계측하였으며, 연료소비율의 측정은 고정도 연료소비량계(OVAL, Flow PET-EN)를 사용하였고, 또한 배기배출물의 측정은 배기분석기(Testo 350M-XL)를 사용하였으며, 매연은 광투과식(MEXA-130S) 및 Bosch식 측정기를 사용하였다.

2.2 실험방법

 실험에 사용된 연료유의 화학적 성분과 물리적 성질은 Table 2와 같고, 본 연구에서는 기관회전속도 1,200 rpm으로 일정히 유지하고, 기관부하를 0 kW에서 90 kW까지 30 kW 간격으로 변화시키면서 실험하였으며, 연료분사각이 원래 BTDC 21° 이었으므로, BTDC 19°, 21°, 23°로 2° 간격으로 변화시키면서 실험한 결과를 분석하였다. 그리고 BTDC 25°와 27°로도 실험을 계획하였는데, 25°로 실험하는 중에 엔진에서 약간의 노킹현상이 발생되어 실습선발전기의 안전을 위해 실험을 중단하였다.

Table 2. Properties of test fuel

 실험을 하는 동안 수냉식 열교환기를 사용하여 기관의 냉각수와 윤활유 온도를 일정하게 유지하였고 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 연소실 압력상승률 선도 등을 취득하였으며, 각 부위(배기관 입‧출구, 냉각수 입‧출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다.

 또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0”점 조정하고, 표준가스(측정범위의 80 %인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 연료소비율

 Fig. 2는 기관회전수 1,200 rpm에서 부하의 변화와 분사시기의 변화에 따른 연료소비율을 나타낸 것이다.

Fig. 2. Specific fuel consumption of various fuel injection timing at 1,200 rpm.

 연료소비율은 부하가 증가함에 따라 점점 감소하는 경향이고, 연료분사시기가 앞당겨 질수록 점점 감소했으며, 부하 90 kw의 경우에 21° 기준으로 2° 앞당겨짐에 따라 4 g/kWh 감소되고, 2° 늦춤에 따라 7 g/kWh 증가되었다. 연료분사시기가 2° 앞당겨지면 연소시작이 원래의 연소시작점에 근접하여 연소최고압력과 평균유효압력이 증가되어 연료소비율이 감소되며, 분사시기가 지연되면 상사점을 훨씬 지나서 연소최고압력이 형성되고, 이로 인하여 연소압력이 동력으로 변환되는 과정에서 손실이 발생될 뿐만아니라, 후연소기간의 증가로 열효율이 저하되어 연료소비율이 증가되었다고 생각된다.

3.2 실린더 압력 및 압력상승율

 Fig. 3은 크랭크 각도에 대한 실린더 압력과 압력상승율을 나타낸 그림으로 위의 선도가 압력상승율곡선이고, 아래 선도가 실린더 압력선도이다. 원래 제조사의 연료분사시기(BTDC 21°)에서 2° 앞당기면 실린더 최고압력이 1.76 bar가 증가하고, 2° 늦추면 2.22 bar가 감소하였다.

Fig. 3. (a)(b)(c) Cylinder pressure and rate of pressure rise of various fuel injection timing.

 그 분사시기를 앞당기면 점화지연기간이 길어져 예혼합연소기간이 증가되기 때문에 점화지연기간동안 연료의 증발이 지속되어 연료증기의 양이 많아지고, 발화가 일어나면 급격한 연소가 발생하여 실린더내의 압력이 증가된다고 생각된다.

3.3 일산화탄소(CO)

 CO의 배출량은 Fig. 4와 같으며, 부하가 증가하면 할수록 아래로 볼록한 형태로 감소하는 경향이고, 연료분사시기가 BTDC 21°CA에서 가장 적게 나타났다. 일반적으로 디젤기관에서는 저부하로 갈수록 CO농도가 증가하는데, 국부적으로 분무확산연소로 인하여 혼합이 좋지 않기 때문에 산소가 부족하여 CO가 발생하고, 발생한 CO가 온도가 낮아 완전한 연소를 하지 못한 상태에서 배출되기 때문으로 생각된다(Bowman, 1975).

Fig. 4. CO emission characteristics of various fuel injection timing.

 본 실험결과 90 kW 부하경우 19°에서 21° 및 23°로 앞당겨 짐에 따라 282.2 ppm에서 197.4 ppm, 224 ppm으로 변화되었다.

3.4 질소산화물(NOx)

 NO_X 의 배출량은 Fig. 5와 같으며, 부하가 증가할수록 NO_X의 배출량이 증가하는 경향으로 나타났고, 연료분사시기가 앞당겨 질수록 더욱더 많이 발생되었다. 즉, 부하가 90 kW일 경우, BTDC 19°에서 21° 및 23°로 2°씩 앞당겨질 때 NO_X의 배출량은 628 ppm에서 992 ppm 및 1107 ppm으로 증가되었다.

Fig. 5. NOx emission characteristics of various fuel injection timing.

 그것은 연료분사시기가 앞 당겨짐으로써 착화지연이 원래의 정상연소 상태에 근접하여 실린더내의 압력이 상승하므로 연소실 온도가 증가되어 NO_X의 생성량이 많아진 것으로 생각된다.

3.5 매연(Soot)

 매연의 배출량은 Fig. 6과 같다. 부하가 증가할수록 아래로 약간 볼록한 형태로 증가했으며, 연료분사시기가 앞 당겨질수록 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 6. Soot emission characteristics of various fuel injection timing.

 이것은 Needham et al.(1990)이 발표한 직접분사식 디젤기관에서 연료분사시기를 앞당기면 매연의 배출이 감소한다는 내용과 일치한다. 즉, 부하 90 kW일 경우 연료분사시기가 BTDC19°에서 Bosch NO. 2.6, 21°에서 1.7(-34.6 %) 및 23°에서 1.3(-50 %)으로 감소되었다.

 그것은 점화지연기간 동안 분사된 연료의 증발이 지속되어 연료증기의 양이 많아지게 되고 급격한 연소로 실린더내의 온도가 증가하여 매연입자가 산화될 수 있는 기간이 증가하기 때문이다(Needham et al., 1990; Miyamoto and Ogawa, 1990).

3.6 아황산가스(SO₂)

 연소과정에서 연료에 포함된 모든 황 성분은 연소생성물에서 SO₂ 또는 SO₃로 나타나는데 이 두가지를 합쳐서 SO_x라 하며, SO₂와 SO₃의 발생율은 40∼80 : 1 로 생성되므로 대부분이 SO₂ 이다.

 Fig. 7은 SO₂ 배출물을 나타낸 그림으로 부하가 90 kW일 경우, 연료분사시기가 BTDC 19°에서 21° 및 23°로 앞당겨짐에 따라 SO₂ 발생량은 146 ppm에서 142 ppm 및 138 ppm으로 감소되었는데, 그것은 연료소비율이 감소되었기 때문으로 생각된다.

Fig. 7. SO₂ emission characteristics of various fuel injection timing.

4. 결 론

 건조 후 20여년 운항한 군산대학교 실습선 해림호 발전기를 대상으로 직접 선박현장에서 실험하여 최적 연료분사시기를 규명해서 선박의 경제적이고 친환경적인 운항에 도움을 주고자 연구하였다. 발전기 엔진에 있어서 연료분사시기가 연소특성 및 배기배출물특성에 미치는 영향을 종합적으로 분석․고찰한 결과, 최적 연료분사시기는 원래의 분사시기인 BTDC 21° 보다 2° 앞당겨진 BTDC 23°로 확인되었으며, 부하 90 kW의 경우 그 주요한 내용은 다음과 같다.

 1. 연료소비율은 분사시기를 BTDC 21°에서 BTDC 23°로 앞당기면 292 g/kWh에서 288 g/kWh로 1.37 % 감소한다.

 2. 일산화탄소 배출물은 연료분사시기를 BTDC 21°에서 BTDC 23°로 앞당기면 197.4 ppm에서 224.0 ppm으로 13.48 % 증가한다.

 3. 질소산화물 배출물은 연료분사시기를 BTDC 21°에서 BTDC 23°로 앞당기면 992 ppm에서 1107 ppm으로 11.59 % 증가한다.

 4. 매연 배출물은 연료 분사시기를 BTDC 21°에서 BTDC 23°로 앞당기면 Bosch No. 1.7에서 Bosch No. 1.3로 23.5 % 감소한다.

 5. 아황산가스 배출물은 연료분사시기를 BTDC 21°에서 BTDC 23°로 앞당기면 142 ppm에서 138 ppm으로 2.8 % 감소한다.