1. 서 론

선박 엔진은 추진용 엔진과 발전용 엔진으로 나눌 수 있 으며, 추진용 엔진의 경우 출력의 측정은 엔진의 가스압력 으로부터 IHP를 계산할 수 있으며, 가스압력을 측정할 수 없 는 경우 shaft의 torsion meter로부터 SHP 혹은 BHP를 산출한 다. 최근 이중연료를 사용하는 발전용 중·고속 엔진에는 실 린더의 압력을 측정하여 IHP를 산출할 수 있다. 하지만, 많 은 운항중인 발전용 중·고속 디젤엔진의 경우 선박에서는 실린더의 가스 압력을 측정하여 IHP를 산정할 수 있는 측정 장치가 보편화되지 않았으며, 엔진의 출력은 선박의 전기적 부하에 의한 출력으로 엔진의 출력을 가늠하고 있다. 실린 더의 연소압력을 측정하여 IHP를 산출하기 위해서는 크랭크 각도센서와 실린더 압력센서가 필요하다. 각도센서를 설치 할 수 있는 환경과 조건이 차이가 있기 때문에 각각의 조건 과 환경에 따라 발생할 수 있는 TDC 오차를 보완하여 정확 한 출력을 계측하고 연소해석의 오차를 줄이기 위한 연구 및 장치들이 개발되어 적용되고 있다.

엔진의 출력성능과 연소해석에서 오차가 발생하는 주요 원인은 TDC의 오차가 발생하기 때문이다. 엔진출력 측정에서 상사점(TDC) 1.0°CA의 오차는 디젤엔진에서는 약 10 % 정도 (Chang et al., 2005), 가솔린 엔진에서는 는 약 4 %의 도시평 균유효압력과 25 %의 열발생률의 오차를 유발하기 때문에 TDC의 위치는 최소한 0.1°CA각도 범위내의 정확도를 확보하 여야 한다(Morishita and Kushiyama, 1997;Pipitone and Beccari, 2010).

Chang et al.(2005)은 이상기체와 열역학적 모델을 사용하 여 시뮬레이션을 통해 TDC와 관계된 최대폭발압력과 형상 에 의한 TDC와의 관계에서 0.05°CA의 TDC 오차를 계산하였 다. Stas(1996)은 열전달과 가스누설이 TDC 오차에 미치는 영 향을 통해 “heat lose angle”에 대한 연구 결과를 발표하였다. 그 밖에 TDC연구를 위하여 다양한 연구자들이 압축과 팽창 과정의 폴리트러픽지수를 이용한 TDC 결정에 대한 연구를 발표하였다(Stas, 2000;Morishita and Kushiyama, 1998).

본 연구는 선박의 발전용 엔진을 대상으로 실험을 하였 으며, 발전기 부하별로 발생할 수 있는 TDC 오차의 영향을 연구하였다. 압축압력의 피크에 의한 TDC와 실제 TDC와 의 차이를 손실각(loss angle)이라 한다(Pipitone and Beccari, 2010). Jung et al.(2012)은 선박 저속 2행정 디젤엔진에서의 rpm이 증가할수록 손실각은 50 % 부하에서 0.4°CA, NCR에 서 0.2°CA로 작아짐을 증명하였다. 이는 손실각의 주요원인 이 TDC 근방에서의 열손실에 기인하기 때문에 저속엔진보 다 피스톤 평균속도가 빠른 중·고속 4행정엔진에서 손실각 (loss angle)은 무시할 만큼 작아지며 압축압력의 피크 즉 압 축 TDC를 실린더의 체적이 가장 작을 때의 실제 TDC로 간 주할 수 있다. 본 연구는 부하와 상관없이 항상 압축 TDC가 존재하여야 가능하기 때문에 Fig. 1과 같이 P-θ 선도에서 압 축압력을 확인할 수 있는 TDC 이후 연료분사가 이루어지는 엔진이 필요하다. 따라서 본 연구는 실제 선박엔진에서 연 료분사시기가 TDC 근처 또는 그 이후에 이루어지는 엔진을 실험 대상으로 하였다. 본 연구는 0 %, 25 %, 50 %, 60 %에서 테스트를 하였으며, 부하증가에 따라 발생하는 TDC 오차에 관한 영향을 연구하였다.

2. 실험방법

크랭크 앵글에 따른 실린더 압력을 측정하기 위하여 앵글 엔코더는 Fig. 2와 같이 엔진 앞과 발전기 끝단 2군데 설치가 가능하며 본 실험에서는 발전기 끝단(End bearing side)에 앵 글 엔코더를 설치하고 실린더의 압력을 측정하였다. Fig. 2에 서 엔진과 발전기를 연결하는 커플링은 비틀림 진동, 토크 변동 감소, 공명 감소, 축 정열의 보상의 이유로(Rubber, 2020) 플렉시블 커플링이 장착되어 있어 출력 측정을 위한 TDC 검출 시 커플링의 유격에 의해 TDC_error가 발생할 수 있다.

Fig. 3은 각도센서인 엔코더에서 발생하는 파형에 대한 그 림이고, Table 1은 본 실험에서 사용한 각도센서와 연소압력 센서의 사용을 보여준다. 본 실험에서 앵글엔코더는 No.1 Cylinder의 TDC에 엔코더의 ‘Z’펄스(1회전에 1번 발생하는 펄스)를 세팅하였으며, No.1 Cylinder의 TDC는 플라이휠의 TDC 마크를 기준으로 하였다. No.1 실린더의 TDC를 기준으 로 착화순서에 따라 등 간격으로 720°CA(2회전, 1 cycle)씩 데이터를 취득할 수 있다. 데이터의 샘플링은 앵글엔코더의 ‘A’ 펄스를 트리거 신호로 하였으며, 샘플링은 1회전에 720 펄스 엔코더를 사용하여 0.5°CA 간격으로 데이터가 취득된 다. 본 실험에 사용된 데이터 수집 장치는 각도센서를 No.1 Cylinder의 플라이휠 TDC mark에 ‘Z'펄스를 일치시키고, 압 축·폭발 TDC와 흡·배기 TDC를 자동적으로 구분하는 방법을 적용하였다. 어느 실린더의 압력을 수집하더라도 폭발순서 에 따라 흡·배기 TDC 이후 데이터 수집을 시작해서 압축·폭 발 TDC가 오고, 흡·배기TDC에서 수집을 종료한다. 이를 위 해 정확한 1 Cycle을 수집하는 기술을 적용한 ’I-MEP‘의 장 치를 이용하였다(Jung and Lee, 2018a;Jung and Lee, 2018b;Jung and Lee, 2018c).

Table 2는 본 연구를 위한 대상엔진의 사양을 보여주고 있 다. 먼저 오차 발생부분을 확인하기 위하여 무부하 상태에 서 연료를 차단하고 압축압력을 수집하였다.

또 압력데이터는 데이터 취득 과정에서 노이즈를 포함하 고 있기 때문에 노이즈를 제거하기 위하여 데이터 스무싱이 필요하다(Charchalis and Dereszewski, 2013). 연료를 차단하여 측정한 압축압력선도는 단열압축과 단열팽창 과정으로 외 부로부터의 열량의 출입이 없어 연소에 의한 압력선도의 변 곡점이 발생하지 않는다. 따라서, 데이터의 노이즈 제거를 위하여 3 point smoothing을 적용하였다.

압축압력의 피크 즉 TDC_compression과 실린더의 체적이 가장 작을 때의 TDC_volume의 차이를 손실각이라 하며, 본 연구의 대상엔진은 4행정 중속엔진으로 손실각에 의한 TDC 오차는 무시할 수 있는 수준으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 TDC_volume과 TDC_compression이 동일하다고 가정한다. 본 연구에서 확인하고자하는 TDC_error는 실린더 압축압력의 TDC_compression와 No.1 실린더 TDC mark에 설정된 엔코더 앵글과 폭발순서에 의한 TDC_encoder의 차이를 의미한다(이후 TDC_error, TDC_encoder, TDC_comp로 표현).

3. 실험 결과의 고찰

Fig. 4와 Fig. 5는 연료를 차단하고 공기만을 압축하는 압축압력선도와 TDC의 위치를 확인하기 위하여 압축압력 을 미분한 선도를 나타내고 있다. 이 dp/dθ 선도를 통하여 TDC_comp 위치를 정확하게 확인할 수 있다.

Table 2는 Fig. 5의 미분 선도로부터 찾은 TDC_comp과 TDC_error를 보여주고 있다. 여기서 각 실린더별 TDC_comp가 정 확하게 등 간격이 아니며, TDC_error가 발생함을 알 수 있다. 또 엔코더는 1번 실린더의 TDC_encoder에 Z펄스를 세팅을 하였 기 때문에 1번 실린더의 TDC_comp와 차이(오차)가 0.4°CA 발생 하는 것을 알 수 있다. 이 오차( TDC_error)의 발생 원인은 다음 과 같이 생각할 수 있다.

여기서, TDC_encoder를 1번 실린더의 플라이휠 TDC mark에 설정하였기 때문에 1번 실린더의 TDC_error를 통해 ⓐ ~ ⓔ의 엔 코더에 의한 오차와 플렉시블 커플링에 의한 유격 ⓗ의 크 랭크샤프트 제작 오차 그리고 ⓘ의 크랭크샤프트의 비틀림 (Kowalak, 2008)에 의한 오차를 생각할 수 있다.

ⓐ의 엔코더 펄스 파형 오차의 경우 Fig. 3의 엔코더 파형 의 오차시간(t_r, t_f)은 0.025° CA의 오차범위를 가지고 있으며, Z펄스의 ON구간은 90°의 시간이므로 0.125°CA의 범위 내에 서 오차가 발생할 수 있다.

ⓓ의 발전기와 엔코더 사이에서 발생할 수 있는 슬립은 엔코더의 회전 저항이 극히 작기 때문에 슬립이 발생하기는 어렵다고 판단된다.

ⓘ의 크랭크샤프트의 비틀림 오차는 크랭크샤프트의 제 작 시 재료의 항복강도 이하에서 100 % 부하영역이 나타나 도록 제작되기 때문에 무부하 상태에서의 비틀림은 나타나 지 않을 것으로 판단된다.

ⓕ, ⓖ의 손실각은 앞서 무시할 수 있는 수준으로 가정하 였다. 따라서, 본 연구의 대상엔진에서 발생할 수 있는 오차 의 경우는 ⓑ, ⓒ, ⓔ, ⓗ의 경우가 될 수 있다.

Table 3에서와 같이 측정결과는 실린더 별로 서로 다른 오 차각을 보이고 있다. 그리고 무부하 상태에서는 발전기의 부 하는 0이며, 엔진의 각 실린더 중량에 의한 부하만 있기 때 문에 크랭크샤프트 제작의 오차 및 플렉시블 커플링의 감쇄 작용과 유격에 의한 오차가 TDC_error를 발생시키는 것으로 판 단된다. Table 3에서 각 실린더의 TDC_error 의 최대와 최소의 차이는 –0.1 ~ 1°CA임을 알 수 있다. 여기서 (-)는 TDC_comp가 TDC_encoder 보다 진각됨을 의미하며 (+)는 지각됨을 의미한다.

Table 4는 1번 실린더의 TDC_error를 기준으로 전 실린더의 TDC_error를 보정 후 실린더의 폭발순서에 따라 재정열하여 실 린더 간 연소간격 즉, 크랭크샤프트의 제작 각도를 나타낸 것이다. 폭발순서가 4행정기관이기 때문에 120°CA 간격으로 일정해야하지만 Table 3의 combustion interval에서 보는 바와 같이 일정하지 않음을 알 수 있다. 이는 크랭크샤프트의 배 치간격이 일정하지 않음으로 판단되며 최대 1.1°CA의 오차 가 있다. 이는 크랭크샤프트 제작과정에서 발생하는 오차로 판단된다.

각 실린더의 TDC_comp를 기준으로 하여 부하별 TDC_comp의 변화를 추적하면 TDC_error의 원인을 찾을 수 있다.

Fig. 6 ~ 11은 25 %, 50 %, 60 %의 부하에서 P-θ선도와 dP-dθ 선도를 보여주고 있다. 이 그림에서 TDC 이후에 연료가 분 사되기 때문에 Pcomp와 Pmax가 확연히 구분되는 그래프를 그리고 있다. 여기서 Pcomp는 공기만을 압축하는 TDC_comp이 므로 이 지점을 추적하면 부하 증가에 따른 TDC_comp 위치의 오차 변화를 확인할 수 있다. 발전기의 부하 증가는 회전자 저항의 증가로 전달동력이 커져 엔진과 발전기 사이의 슬립 즉, 플렉시블 커플링의 유격으로 나타날 수 있다.

Fig. 4와 5의 0 % TDC_error와 비교하여 25 %, 50 %, 60 % 부하 에 해당하는 dp/dθ 그래프에서 부하가 증가할수록 각 실린 더의 TDC_comp지점이 점점 앞으로 진각되고 있음을 확인할 수 있다.

0 % 부하에서는 No.2 실린더의 오차각이 TDC 이전에 TDC_comp가 온 반면 Fig. 6 ~ 11의 25 %, 50 %, 60 % 부하에서는 전 실린더의 TDC_comp가 TDC_encoder 이전에 나타나고 있어 점점 TDC 오차가 진각 되고 있음을 알 수 있다.

엔진의 동력은 발전기의 일정한 회전(720rpm)을 목적으로 하기 때문에 부하가 증가할수록 발전기의 회전저항 증가에 의한 엔진의 동력은 커지며, 엔진과 발전기 사이의 플렉시 블 커플링은 동력과 부하사이에서 유격 및 감쇄 작용에 의 한 오차를 발생시키면서 회전하게 된다. 60 % 부하에서 전체 실린더의 TDC_comp가 2.0 ~ 3.0°CA를 전·후하여 오차가 발생하 고 있기 때문에 무시할 수 없는 수치이다. 이를 무시하고 출 력을 측정하면 최대 30 %의 출력측정 오차가 발생할 것으로 판단되며, 연소해석에 있어서도 3.0°CA는 엔진성능에 큰 영 향을 미치기 때문에 이 오차를 고려하여야 잘못된 판단을 예방할 수 있다.

Fig. 12는 0 %, 25 %, 50 %, 60 % 부하에 걸쳐 발생한 각 실 린더의 TDC_error의 각도를 부하별로 나타낸 그래프이다. 전 실린더에서 부하가 증가할수록 발생하는 TDC의 오차의 변 화는 같은 경향을 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 각 실린 더별로 부하가 증가할수록 TDC_error는 (-)방향 즉, TDC_encoder보 다 TDC_comp가 빨라짐을 확인할 수 있다. 이는 발전기 end bearing에 설치된 앵글 엔코더의 TDC_encoder 보다 엔진에서 측 정되는 TDC_comp가 부하증가에 따라 점점 빨라짐을 의미한다. 발전기 부하의 증가는 엔진 부하의 증가로 이어지고 엔진과 발전기 사이의 플렉시블 커플링 사이의 유격이 더욱 커지기 때문으로 판단된다. 따라서, 부하에 따라서, TDC_comp를 보정 해야 정확한 출력을 산출할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 선박용 중속발전기 디젤엔진에 엔코더와 압력센서를 이용하여 크랭크 각도에 따른 실린더 압력을 측 정하였다. 발전용 정속 엔진은 무부하 상태와 부하상태에서 의 rpm은 동일하므로 해당 실린더의 연료를 차단한 후 압축 압력을 측정함으로서 TDC_comp를 찾을 수 있으며, 이렇게 찾 은 TDC_comp로부터 무부하 상태에서의 TDC_error를 확인할 수 있었다.

TDC_error를 확인함으로써 선박용 발전기 디젤엔진에서 폭 발각이 등간격이 아닌 경우 즉, 크랭크샤프트 제작에 대한 오차와 플렉시블 커플링 유격에 의한 오차를 찾아 낼 수 있 었다. 본 실험대상 엔진에서 폭발각이 최대 1.1°CA까지 어긋 나 있음을 확인하였다.

본 실험에서 부하가 증가할수록 TDC_error 증가하고 최대 3°CA 내외까지 TDC_error가 발생함을 확인하였다. 이는 엔진출 력의 측정 시 TDC 오차를 보정하지 않으면 최대 30 %까지 오차를 유발할 수 있으므로 반드시 이를 고려한 출력측정을 하여야 할 것이다.

부하증가로 엔진과 발전기 사이의 플렉시블 커플링의 감 쇄 작용에 의한 슬립이 발생하기 때문에 TDC를 보정해야 정확한 출력이 산정될 수 있다.

본 연구에서는 실제 운항중인 선박의 엔진을 계측하여 발 생할 수 있는 TDC_error의 원인들에 대하여 고찰하였다. 그리 고 보다 정확도 높은 출력을 산정할 수 있도록 정확한 TDC 위치를 찾기 위한 기초연구를 수행하였다. TDC_error의 원인으 로 판단되는 각각의 요소에 대한 오차는 추가 연구를 통하 여 확인할 필요가 있다.