† 교신저자, 한국철도공사 차장
연료절감운전 패턴 연구
A Study of Fuel Reduction Driving Pattern on Diesel Locomotives
손경소† 김대식* 김호순** 김택성*** 박태기****
Kyoung-So SON Dae-Sik KIM Ho-Soon KIM Teak-Sung KIM Tae-Gi PARK
ABSTRACT
It is very often for the experienced diesel locomotive drivers to identify the proper replacing time for the fuel adjustment tube only based on their experience. Because of that, sometimes the locomotive’s fuel is burned out due to the unnecessary torque. Or sometimes, the locomotive does not operate with its accelerating performance because the fuel is not supplied at the appropriate moment. Meanwhile, recent typical auto vehicles provide drivers with the average fuel efficiency and the instant fuel efficiency in real-time. By providing the real time display mentioned above, it is one of the good examples that those drivers, who had driven their cars not properly and used a lot of fuel with their bad driving habits, obtain the efficient driving pattern by continuous educating effect. Similarly, if the diesel locomotive provides the train driver with the optimal driving pattern within a certain driving section, it will be effective for fuel saving. It is possible to make the most effective driving pattern by performing the repeated trial running especially for the railway because the track’s operating routes, its grades, and etc are relatively precise. This research analyzes the result data which was obtained by many times trial running on the identical section after equipping the fuel use measuring device to a certain test vehicle, and confirms the fuel saving effect depending on the driving pattern along the test section. At the same time, the research to establish the optimal driving pattern was progressed. 1.서론 디젤기관차 운전의 경우 운전경력이 충분한 기관사의 경우에도 가감관의 적절한 교체시점에 대해서는 경험에만 의존하는 경우가 많다.이에 따라 불필요하게 토크가 발생되어 없어지거나 반대로 필요한 순 간에 적절히 연료가 공급되지 않아서 가속성능을 발휘하지 못하는 경우가 빈번히 발생하고 있다. 한편 요즈음의 통상적인 자동차에서는 운전자에게 평균연비 및 순간연비를 실시간으로 제공하고 있 다.이로 인하여 과거에 난폭한 운전습관이나 잘못된 운전습관으로 연료를 많이 사용하던 운전자들도 계속적인 학습효과로 인하여 효율적인 운전패턴을 찾는 등 순기능적인 요소가 매우 크다.동일한 방법 으로 디젤기관차에서도 운행구간에 최적의 운전패턴을 도출하여 기관사에게 제공한다면 연료절감에 효 과가 있을 것이며,특히 철도에서는 운행노선과 구배 등이 비교적 명확하므로 시험적인 운행을 여러 번 실시함으로써 가장 효과적인 운전패턴을 만들어 낼 수 있다. 본 연구에서는 연료사용량 측정장치를 임의의 시험용차량에 적용하고 동일 구간의 노선을 수 차례 운 행함으로써 얻어진 결과 데이터를 세밀히 분석하여 시험구간에서 운전방법에 따른 연료절감의 효과를 확인하는 동시에 최적의 운전패턴 도출을 위한 연구를 진행 하였다. 2.본론 현재 철도공사의 디젤기관차의 연료사용의 구분은 영업운행시 사용되는 영업운행 사용량과 영업운행 과 상관없이 사용되는 점검 사용량으로 나눌 수 있으며,본 연구는 영업운행 사용량에 대하여서 고려하 였다.
설치위치 :운전실 ATP 제어기박스 위 설치위치 :연료사용량 장치 위 그림 1. 주제어기 및 표시기 설치 그림 2. 인터페이스툴(접속함) 설치위치 :연료공급 펌프(흡입)측 설치위치 :연료 배출배관(회귀)측 그림 3. 연료사용량 측정기(유량검출 센서 1) 그림 4. 연료사용량 측정기(유량검출 센서 2) 2.1개요 본 연구를 위하여 대상차량은 7300대 계열의 ATP 장치가 설치되어 있는 차량으로 선정하였으며,대 상차량의 운행노선은 용산-여수 구간을 1일 1회 왕복 운행하는 차량으로 선정하였다.연구진행을 위하 여 대상차량에 연료사용량 측정장치를 설치하여 차량운행 데이터를 취득하고 분석하였다. 2.2측정장치의 설치 본 연구를 수행하기 위하여 연료사용량 측정장치는 운전실에 주제어기와 표시기,인터페이스툴(접속 함)을 설치하였고 엔진실에는 연료사용량 측정기를 아래 그림과 같이 설치하였다. 2.3추진력에 따른 연료사용량 측정 디젤기관차는 8단계의 추진력을 발생하고 있다.따라서 설치 운전을 통하여 각 단계별 평균 사용량을 다음과 같이 도출하였다. 다음은 용산-여수 구간에 대하여 3회 왕복 운행을 기본으로 각 추진력에 따른 평균 사용량을 나타낸다.
항목 Idle/1놋치 2놋치 3놋치 4놋치 5놋치 6놋치 7놋치 8놋치 1회 측정량 (l/m) 1.008 3.672 5.196 7.224 9.012 11.424 14.988 20.916 2회 측정량 (l/m) 0.912 3.780 5.676 7.128 9.204 11.940 14.628 20.880 3회 측정량 (l/m) 1.044 3.816 6.036 7.068 9.456 11.268 14.808 20.796 4회 측정량 (l/m) 0.999 3.804 4.896 7.080 9.180 12.168 15.780 20.976 5회 측정량 (l/m) 1.008 3.444 5.736 7.164 9.060 11.424 15.192 20.772 6회 측정량 (l/m) 0.972 3.924 4.872 6.936 8.952 11.952 15.240 20.796 평균측정량 (l/m) 0.974 3.740 5.402 7.100 9.144 11.696 15.106 20.856 도표 1.각 노치별 사용량 2.4대상 노선에 따른 사용량 분석 용산-여수 구간 중 각 주요 구간별(역별)사용된 연료량 및 평균 사용량과 전체 구간의 사용량을 분 석하였다. 2.4.1각 구간별 연료사용량 분석 다음은 각 역간 연료사용량을 비교하고 역간 평균 사용량을 도출하여 보았다. (1)용산 -천안간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 용산 → 천안 649.354 708.081 733.377 696.937 93.414 0.134 천안 → 용산 563.394 615.754 579.528 586.225 93.414 0.159 도표 2.용산 -천안간 측정된 사용량 및 평균 사용량 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 용산 → 천안 649.354 733.377 84.023 93.414 0.144 0.127 천안 → 용산 563.394 615.754 52.360 93.414 0.166 0.152 도표 3.용산 -천안간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교
(2)천안 -서대전간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 천안 → 서대전 465.687 487.480 490.272 481.146 70.7 0.147 서대전 → 천안 435.822 465.043 439.806 446.890 70.7 0.158 도표 4.천안 -서대전간 측정된 사용량 및 평균 사용량 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 천안 → 서대전 465.687 490.272 24.585 70.7 0.152 0.144 서대전 → 천안 435.822 465.043 29.221 70.7 0.162 0.152 도표 5.천안 -서대전간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교 상기 천안에서 서대전 구간에서는 상행의 경우 29.221L와 하행의 경우 24.585L의 연료사용량 차이 를 보였다. (3)서대전 -익산간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 서대전 → 익산 558.261 466.804 510.259 511.775 82.142 0.161 익산 → 서대전 526.349 561.691 549.723 545.921 82.142 0.150 도표 6.서대전 -익산간 측정된 사용량 및 평균 사용량 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 서대전 → 익산 466.804 558.261 91.457 82.142 0.176 0.147 익산 → 서대전 526.349 561.691 35.342 82.142 0.156 0.146 도표 7.서대전 -익산간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교 상기 서대전에서 익산 구간에서는 상행의 경우 35.342L와 하행의 경우 91.457L의 연료사용량 차이 를 보였다.
(4)익산 -남원간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 익산 → 남원 604.381 588.999 634.366 609.249 79.500 0.130 남원 → 익산 481.371 561.286 533.899 525.519 79.500 0.151 도표 8.익산 -남원간 측정된 사용량 및 평균 사용량 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 익산 → 남원 588.999 634.366 45.367 79.500 0.135 0.125 남원 → 익산 481.371 561.286 79.915 79.500 0.165 0.142 도표 9.익산 -남원간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교 상기 익산에서 남원 구간에서는 상행의 경우 79.915L와 하행의 경우 45.367L의 연료사용량 차이를 보였다. (5)남원 -여수간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 남원 → 여수 613.152 796.285 726.529 711.989 105.700 0.148 여수 → 남원 722.021 739.711 689.661 717.131 105.700 0.147 도표 10.남원 -여수간 측정된 사용량 및 평균 사용량 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 남원 → 여수 613.152 796.285 183.133 105.700 0.172 0.133 여수 → 남원 689.661 739.711 50.050 105.700 0.153 0.143 도표 11.남원 -여수간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교 상기 남원에서 여수 구간에서는 상행의 경우 50.050L와 하행의 경우 183.133L의 연료사용량 차이를 보였다.
2.4.2전체구간 연료사용량 분석 (1)용산 -여수간 상,하행 연료사용량 항목 1회 운행 사용랑(l) 2회 운행 사용랑(l) 3회 운행 사용랑(l) 평균 사용랑(l) 거리(Km) 거리/사용량 (Km/l) 용산 → 여수 2890.842 3048.049 3094.803 3011.231 431.466 0.143 여수 → 용산 2728.958 2943.485 2792.617 2821.687 431.466 0.153 도표 12.용산 -여수간 측정된 사용량 및 평균 사용량 (2)용산 -여수간 최고 사용량 및 최저사용량 비교 항목 최저 사용량(l) 최고 사용량(l) 최고-최저 사용량(l) 거리(Km) 거리/최저 사용량 (Km/l) 거리/최고 사용량 (Km/l) 용산 → 여수 2890.842 3094.803 203.961 431.466 0.149 0.139 여수 → 용산 2728.958 2943.485 214.527 431.466 0.158 0.147 도표 13.용산 -여수간 최고 사용량 및 최저 사용량 비교 상기 용산에서 여수까지의 전체운행 구간에서는 상행의 경우 214.527L와 하행의 경우 203.961L의 연료사용량 차이를 보였다. (3)용산 -여수간 추진력에 따른 사용량 다음의 그래프는 추진 놋치에 대한 연료사용량을 그래프로 표현 하였으며 가로축은 데이터 저장 시간(구간,거리)이며,세로축은 추진놋치(빨강색)와 연료사용량(파란색)이다. 그림 1. 용산→여수 추진놋치 및 연료사용량 그래프
그림 2. 여수→용산 추진놋치 및 연료사용량 그래프 상기에서 보는 바와 같이 각 놋치에 따라 연료사용량도 놋치가 증가함에 따라 사용량이 증가하는 것을 볼 수 있으며,이는 열차의 속도 등에도 영향을 미칠 것으로 예상된다.따라서 연료의 사용량 은 급한 가감속의 영향을 받으며 운행 구간별 운전자의 운전습관과도 밀접한 연관이 있다. 3.결론 현재 철도공사에서 운영하고 있는 디젤기관차는 전기기관차 및 전동차등 전기를 주 공급원으로 하는 철도차량에 비교하여 많은 운행을 하지 않지만 여러 가지 여건상 디젤기관차의 기본 보유량과 운행은 지속적으로 이루어 질 것이다. 그러한 측면에서 디젤기관차는 계속 유지되고 운행되어야 하는데 동일차량 및 노선을 운행하여도 운 전패턴에 따라 소비되는 연료량의 차이가 있을 수 밖에 없으므로 최적의 연료사용 패턴을 도출하여 효 율적 연료절감운전을 유도하여야 한다. 본 연구에서는 우선 연료사용량 측정장치를 이용하여 영업운전에 수회 적용하여 각 구간별 및 기본노 선에 대한 연료소모량을 비교 분석하고 추진력에 따른 사요량 변화 패턴을 연구하였다. 동일 차량 및 동일 노선에서도 운전패턴에 따라 크게는 1회 편도 운행에 약 200리터의 연료 사용량 차이를 보였으며,각 구간(역간)별로도 사용연료의 소비량 차이가 있음을 알 수 있었다.이는 년간 연 료사용량에도 크게 영향을 미치며,운전패턴에 따라 충분한 연료절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 판단 된다. 본 연구로 인한 기대효과로는 디젤기관차의 전체 연료사용량의 파악과 연료사용의 효율적 이력관리가 가능하며,실제 운행시의 연료사용량과 미 운행 시 연료사용량의 구분이 가능해 진다. 또한 측정된 다양한 데이터를 이용하여 효율적인 연료절감 운전패턴 파악으로 에너지 절감효과를 증 대 시킬 수 있을 것이다. 본 연구가 초기 단계로서 추진력에 따른 연료사용량의 파악 및 비교에 중점을 두었지만 향후에는 측 정된 데이터를 이용하여 속도,거리 등에 따른 운전선도와 비교 분석을 통하여 각 구간별 최적의 운전패 턴을 도출하고 표준화 연구를 진행할 예정이다. 참고문헌 1.한국철도공사 철도통계연보 2010 2. 김대식 “디젤기관차 연료절감을 위한 방안 연구”, 한국철도학회 2009년도 추계학술대회논문집 2009.11,page(s):821-829
