연소 압력과 NOx의 측정

밀러 사이클의 효용성을 확인하기 위하여 실제 운항중인 선박의 주기관인 2행정 기관을 시뮬레이션을 행하여 그 결과를 고찰하였다. 대상엔진은 H대학의 실습선 A호의 주기관으로 대상엔진의 제원은 Table 3.1과 같다. 대상기관은 대부분의 선박용 주기관이 채용하고 있는 유니플로 소기 방식을 취하고 있기 때문에 배기밸브가 설치되어 있다.

본 연구에서는 배기밸브의 닫힘 시기(_)를 변경시키는 방법으로 밀러 사이클을 적용하였고 그 효과를 고찰하였다.

Item Specification

Engine type 6L42 MC/ME

Number of cylinders 6

Cylinder bore 420 [mm]

Piston stroke 1,380 [mm]

Connection rod length 1,638 [mm]

Effective compression ratio 14.4 Geometric compression ratio 15.6

Max. continuous output 8,123 BHP / 176 [rpm]

Normal continuous output 6,908 BHP/ 167 [rpm]

Standard angle for open & close of Exhaust valve

Opening angle : 108° [deg. CA]

Closing angle : 261° [deg. CA]

Standard angle for open & close of Scavenge port

Opening angle : 137° [deg. CA]

Closing angle : 223° [deg. CA]

Table 3.1 Specification for model engine

1) 압력데이터의 측정 방법

Fig. 3.6은 대상엔진의 실린더 연소 압력과 NOx를 측정하기 위해 설치된 계측장비의 개략도를 보여주고 있다. 크랭크 각도에 따른 피스톤의 위치를 알기 위해 엔코더(encoder)를 크랭크 샤프트의 끝단에 설치하고 실린더의 압력을 측정하기 위해 실린더의 인디케이터 콕(indicator cock)에 압력센서(Kistler 7513A)를 설치하였다.

Fig. 3.6 Schematic diagram of experimental apparatus for acquisition of pressure and NOx data[48]

Table 3.2는 대상 엔진의 크랭크 각도를 확인하기 위해 설치한 각도센서(encoder)의 사양을 보여주고 있다. 엔코더의 출력은 1회전 시 360개의 신호를 발생시키는 A펄스와 1회전 시 1개의 신호를 발생시키는 Z펄스가 있다. 실험은 엔코더에서 1회전 시 360 펄스를 발생시키는 A펄스를 사용하여 1 deg.CA 간격으로 압력 신호를 취득하였다.

Item Specification

Type D23SR15

Source power DC24V

Plus / Rev. 360

Output A, B, Z

Tolerance 0

Table 3.2 Specification of Encoder[49]

Fig. 3.7은 대상기관의 각 회전수별로 실린더의 연소압력을 측정하여 함께 나타낸 것이다. 기관의 회전속도가 증가함에 따라 소기 압력이 증가하여 압축압력과 최고폭발압력이 증가하고 있다. 대상엔진은 NOx 규제의 Tier II를 만족하기 위해 TDC 이후에 분사하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3.7 Variation of measured pressure in cylinder at each rpm[50]

Fig. 3.8은 Fig. 3.7에서 크랭크 각도에 따라 측정된 실린더의 연소압을 열발생율로 나타낸 것이다. 그림에서 각 회전수에 따라 열발생율의 차이를 알 수 있다. 기관의 회전수가 높아짐에 따라 연료 분사 기간과 분사량이 증가하여 열발생량이 많아진다.

또한, 열 발생 시작 시점은 기관 회전수가 높아질수록 늦어지는 경향을 나타내고 있다.

Fig. 3.8 Variation of ROHR at each rpm[50]

2) NOx의 측정 방법

NOx의 계측을 위해 Fig. 3.6에서와 같이 배기리시버 후단과 과급기 전단 사이에 설치되어 있는 기존의 온도센서를 제거하고 배기가스 분석 장치의 Sampling probe를 삽입하여 5초 단위로 생성되는 데이터를 취득하여 PC로 저장하였다.

Table 3.3은 배기가스 성분 측정에 사용된 장비의 사양을 보여주고 있다. 배기가스 성분의 계측을 위해 사용한 제품의 사양은 Testo-350S/XL 이며 NO와 NO2의 측정이 가능하다. IMO에서는 NO_x technical Code 2008을 통해 NO_x의 분석 시 화학발광분석기(Chemiluminescent detector, CLD)와 가열화학발광분석기(Heated Chemilu-minescent detector, HCLD) 방법을 사용하도록 하고 있다[51][52]. 본 연구에서는 NO와 NO₂의 계측에 전기화학적감지(Electrochemical senosr, ECS) 방식이 사용되었다.

Measured gas Analysis method Range Error Remark

NO ECS

(Electrochemical senosr) 0 ~ 3,000 ppm ± 5 %

Max. temp.

limit 1,200 K

NO2 ECS 0 ~ 500 ppm ± 5 ppm

O2 ECS 0 ~ 25 vol. % ± 0.8 % CO2

NDIR

(Non-dispersive infrared) 0 ~ 50 vol. % ± 0.5 % -Table 3.3 Specification of equipment for measuring exhaust gas products[53]

Fig. 3.9는 대상엔진이 탑재된 선박이 운항 중 엔진 회전수에 따라 계측한 NO의 결과 값을 샘플링 시간에 따라 보여 주고 있다. 이 측정값을 30분간 평균한 값을 결과로 취하였다. Table 3.4는 NO, NO2, O2의 평균값을 나타내고 있다. 산소 농도 약 15%일 때 측정값이며 120 rpm에서 가장 높고 160 rpm에서 가장 낮게 측정되었다.

NOx의 농도는 NO와 NO2로 측정되고 그 중 NO의 농도가 NOx의 대부분을 차지하기 때문에 본 연구에서는 NO의 농도만 사용하여 시뮬레이션 하였다.

Fig. 3.9 Variation of NO concentration measured according to engine speed[50]

120 rpm 150 rpm 160 rpm 167 rpm

NO [ppm] 1064 947 935 965

NO2 [ppm] 31 20 19 23

O2 [%] 15.3 15.4 15.1 15.2

Table 3.4 Mean value of NO & NO2 concentration measured according to engine speed[50]

3.3.2 성능 시뮬레이션