1. 서 론

IMO(국제해사기구)는 선박용 디젤엔진의 배기오염 배출 물질을 강화하기 위하여 선박용 디젤엔진의 배기가스에 포 함된 질소산화물(NOx)의 농도를 일정기준 이하로 감소시킬 것을 규정하는 해양오염방지협약인 MARPOL Annex Ⅵ 협약 을 시행 중이다(Won and Hong, 2019).

이에 따라 한국해양대학교 실습선 한나라호 역시 IMO Tier Ⅲ 규제가 동일하게 적용되어 주 기관 및 발전기관에 L.P SCR이 설치되었다.

SCR 시스템은 배기파이프라인 배치도와 형태에 따라 고 압식과 저압식으로 나뉘게 된다. SCR의 설치가 터보차저 전 단에 있으면 고압식이고 후단에 있으면 저압식이 된다. H.P SCR은 저 유황유, 고유황유를 모두 사용할 수 있고 컴팩트 한 디자인이며 배기열을 효과적으로 사용할 수 있다. L.P SCR은 황산에 의한 터빈 블레이드의 부식 때문에 0.1 % 이 하의 저유황유만 사용할 수 있지만 배치에 있어 고압식보다 더 자유로우며 디젤발전기와 터보차저 터빈의 퍼포먼스에 영향을 덜 받기 때문에(Ni et al., 2020a) 본 연구가 이루어진 선박에는 L.P SCR이 채택되었다.

L.P SCR의 운전조건이 연료유의 황함유량이 0.1 % 이하이 어야 하며 촉매 반응을 일으키는 SCR 입구에서의 배기가스 온도가 최소 290℃ 이상이 되어야 하기 때문에 발전기의 각 실린더의 배기가스 출구 온도를 높게 설계 할 수밖에 없었 다. 디젤엔진의 배기온도가 높아지게 되면 엔진의 각종 시 스템 온도가 높아지게 되고 그에 따른 정비주기와 부속품의 수명이 단축되거나 고온으로 인한 사고 로 이어져 안전운항 에 치명적인 결과를 초래 할 수 있다.

실제 디젤발전기 50 % 부하 운전 중 터보차저 출구 온도 가 400℃를 초과하여 터보차저 배기가스 출구 측의 고온 경 보 값이 450℃이며 육박하기도 하였다. 입출항 스러스터 작 동 시 발전기의 급격한 부하변동, 하절기 공기조화시스템의 압축기 작동, 동남아시아와 같은 혹서기 환경에서의 발전기 운전은 엔진 시스템의 추가적인 온도상승의 원인이 되며 배기가스 온도 하강은 필히 시행되어져야 했다. 지금까지 SCR 관련된 연구는 많이 진행되어왔다. Peiyong Ni는 갈수 록 엄격해지는 규정을 만족시키기 위하여 선박디젤엔진 배 출가스를 감소시키기 위한 전략과 다양한 기술의 실험, 선 박용 디젤엔진 배기가스의 현재 상황과 전 세계 선박용 디 젤엔진을 위한 배출 표준을 리뷰 하였다(Ni et al., 2020b). Hasan ustun Basaran은 저부하 디젤엔진 내 배기가스 온도 상 승에 대한 밸브타이밍의 적용에 대한 효과를 연구하였다 (Basaranet and Ozsoysal, 2017). Ali Keskin은 저온의 배기가스 에서 금속 기반의 SCR 촉매가 디젤엔진의 NOx 배출량에 미 치는 영향에 대해 연구하였다(Keskin et al., 2020). 선박용 디 젤기관에서 배출되는 질소산화물은 연소실내에 고압으로 분사된 연료분무가 공기와의 혼합, 증발, 연소의 과정에서 생성된다. NOx 배출수준은 엔진에 공급되는 공기의 온도와 압력에 의해 영향을 받으며 연료분사시기에 기인한 최대폭 발압력의 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2002). 그러므로 본 연구에서는 배기가스 온도를 정상 범위 로 하강시키기 위하여 캠샤프트의 각도 변경으로 밸브개폐 시기를 조정하고 연료분사펌프를 이용해 연료분사시기를 조정하였다. SCR 운전 조건을 만족시키는 범위 내에서 튜닝 을 시행하였고 배기 시스템 부속품의 고온으로 인한 사고를 방지하고 보다 안전한 조건에서 발전기용 디젤엔진의 운전 이 가능해 질 것으로 판단된다.

2. 실험장치 및 연구방법

2.1 실험 개략도

Fig. 1에 디젤발전기 L.P SCR 시스템의 개략도를 그림으로 나타내었다.

2.2 실험 장치

본 실험에 사용된 4행정 디젤발전기, 터보차저, 배기가스 온도센서, L.P SCR의 주요 제원을 Table 1 ~ Table 4로 나타내 었다.

2.3 연구 방법

Camshaft 각도와 연료분사펌프 Shim 조정 시 디젤발전기 4 대의 평균 운전 시간이 약 1244시간 정도였으며 배기가스 온도에 영향을 주는 요인은 터보차저의 상태 및 배기 저항, 흡배기 밸브의 기밀상태, 소기온도, 연료분사밸브, 엔진부하, 연료유 종류, 외기온도 등 매우 많으며 튜닝 전 후 부속품의 상태와 외부 조건이 동일하다는 가정 하에 튜닝을 실시하고 비교 분석하였다.

2.3.1 캠샤프트 각도 조정

배기 상사점 근처에서 흡배기 밸브가 겹쳐있는 구간을 밸 브 오버랩 기간이라고 한다. 밸브 오버랩의 부분에서 배기 밸브가 배기 상사점을 지난 후에도 열려 있으면 배기가스의 관성에 따라 실린더에 남은 배기가스가 빠져나와 배기가스 의 배출이 촉진된다. 밸브 오버랩 구간을 크게 하는 이유는 연소실 주변의 열 부하를 경감하고 잔류가스를 적게 하기 위함이다(Lee, 2004;Jeon and Choi, 2004). 즉, 밸브 오버랩 구 간을 증가시켜 소기량을 확보하고 후 연소 기간을 줄여 완 전연소를 이끌어내면 배기가스 온도가 하강한다. Table 5에 서와 같이 +0.5°에서 - 1.0°로 - 1.5° 지각시켰다. 소기량의 증 가는 고온연소 시 배기가스의 온도저하에도 영향을 주므로 NOx량이 더욱 감소되는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2001). 캠샤프트를 1.5° 지각 하였으므로 4행정 디젤발전기의 Flywheel은 3° 지각하게 된다. 캠샤프트를 지각하게 되면 연 료캠도 지각되고 연료분사시기가 늦어지기 때문에 최대폭 발압력이 하강하며 후연소 기간의 증가로 인해 배기가스 온 도가 증가하게 된다.

Fig. 2는 캠샤프트 각도 조정 시 확인해야 할 부분에 대해 Instruction manual에 나와 있는 부분을 발췌하여 나타낸 그림 이다. Disc side와 Gear side에 마킹된 Position을 참고하여 진 각 또는 지각으로 조정을 한다.

Fig. 3은 캠샤프트 각도를 실제로 조정하는 모습을 나타낸 사진이다.

캠샤프트의 각도 조정 전 후 비교를 Table 5에 나타내었다.

2.3.2 연료분사펌프의 Shim 추가

앞선 캠샤프트를 지각 시킨 것에 대한 보상으로 연료분사 펌프의 shim을 추가하여 연료분사시기를 앞당겼다. No.1 ~ 4 D/G의 연료분사펌프의 shim을 Table 6 ~ 9와 같이 +0.8 ~ 0.9 mm 로 추가하였다. 0.1 mm 증가시키면 최대폭발압력이 2 bar 상승 하게 된다(HIMSEN, 2019). 소기량을 증가시키기 위해 캠샤프 트의 각도를 지각시켜 밸브 오버랩 기간을 늘리면 전체적인 배기가스 온도가 떨어지지만 연료캠의 지각에 의해 연료분사 시기가 늦춰져 배기가스 온도가 다시 올라가게 된다. 연료캠 이 지각된 부분을 보상하기 위해 연료분사펌프의 shim을 추가 하여 최대폭발압력을 증가시켰다. 일반적으로 분사시기를 앞 당겨 실린더 내 최대폭발압력이 올라가면 후연소기간이 짧아 지게 되고 완전연소를 이뤄내기 때문에 배기가스 온도가 하 강하게 된다. No.1 ~ 4 D/G의 연료분사펌프의 Shim 조정 정도 를 Table 6 ~ 9에 나타내었다. Fig. 4는 연료분사펌프의 분사시 기를 조정하는 기부속이며 왼쪽이 Plate, 오른쪽이 Shim이다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 디젤발전기 터보차저 출구 온도 비교

디젤엔진의 튜닝 전후의 T/C outlet temp. 차이를 Fig. 5에서 Fig. 8까지 부하 25 %, 50 %, 75 %에서 선형 그래프로 나타내 보았다. 부하 25 %에서는 소기 압력이 약 0.5 bar, T/C rpm이 30,000 이하이며 실린더 내로 흡입되는 소기량이 저하되면서 체적효율이 떨어져 온도하강이 두드러지지 않았다. T/C outlet Temp.의 평균값이 377.8℃에서 364.5℃로 13.3℃ 하강하 였다.

3.2 디젤발전기 시운전 결과 비교

No.1 ~ 4 D/G 튜닝 전후의 데이터를 Table 10 ~ 13으로 나타 내었다. 25 %, 50 %, 75 %의 부하를 비교 분석 하였으나 25 %, 50 %의 시운전 데이터에서 최대폭발압력 등의 데이터가 없고 발전기의 사용 부하영역이 주로 50 % ~ 75 % 사이이므로 75 % 에서 비교 하였다. 4대의 4행정 디젤발전기를 부하 75 %로 최 대한 가깝게 맞추려 노력하였으나 선박의 전력부하 사용이 계 속 변화하여 약간의 차이가 있음을 고려한다. Table 10 ~ 13의 결과로 볼 때 배기가스 출구온도의 평균값 6.4℃ 하강, 최대폭 발압력 평균값이 12.8 bar 상승, 터보차저 출구 온도 18.5℃ 하 강을 확인할 수 있다.

3.3 디젤발전기 배기가스 온도 비교

마지막으로 발전기용 L.P SCR 시운전 당시 엔진 데이터와 4행정 디젤엔진 튜닝후의 데이터 비교를 Fig. 9 ~ 12로 나타 내었다. Fig. 5 ~ 8, Table 10 ~ 13의 T/C outlet temp. 값이 Fig. 9 ~ 12와 차이를 보이는 것은 데이터 계측 날짜와 당시 운전 조건이 서로 다르다는 것을 감안한다. SCR 입구에서의 온도 차이가 T/C 출구에서의 온도 차이보다 적은 것은 디젤발전 기 운전시간 상승으로 인한 SCR 챔버 차압 증가로 판단된 다. SCR 입구에서의 촉매 표면에 Soot, 먼지 등으로 인해 차 압이 증가하면 SCR 입구에서의 배기가스 속도가 느려지면 서 온도가 상승하는 결과가 나타난 것이다. Fig. 9 ~ 12의 그 래프에서 알 수 있듯이 L.P SCR 운전조건인 SCR 입구 온도 290℃를 만족하였다

3.4 L.P SCR의 NOx 배출량 비교

No.1 ~ 4 D/G의 튜닝 전 후의 NOx ppm을 50 % 부하에서 비교하였으며 Fig. 13과 같이 선형그래프로 나타내었다. T/C rpm 상승으로 인한 소기압력 증가로 NOx ppm이 약 2.6 % 상 승한 170 ppm이었으며 NOx Technical Code의 기준인 Tier Ⅲ 에서의 2.3 g/kWh, 250 ppm을 만족하였다.

4. 결 론

L.P SCR 운전조건을 만족하는 범위 내에서 4행정 디젤발 전기의 안전운전을 확보하기 위하여 밸브개폐시기와 연료 분사시기를 조정하여 터보차저 배기가스 온도하강에 관한 실험을 진행하면서 터보차저 출구에서부터 SCR 입구까지의 열손실을 최소화 하는 방법, 엔진기술이 고도화됨에 따라 배기가스 온도 감소에 따른 탈질촉매 연구와 배기시스템 부 식에 대한 내구성 증진연구, 4행정 디젤발전기 튜닝 후의 부 하에 따른 Emission 특성 비교, 연료소모량 및 퍼포먼스 측정 으로 엔진 효율과 출력변화 등에 관한 추가적인 연구가 필 요하였으며 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.