Journal Archive

이론공연비 제어에 필요한 산소량과 연소에 필요한 공기량 계산을 위하여 ECU에 흡입공기량을 측정 하였다. 측정조건은 해당 엔진의 전 영역인 1,020~3,020 rpm을 200 rpm씩 증가시켜가며 평가를 수행하였다. 교정된 공기유량계와 실제 엔진에 사용된 공기유량센서와의 차이를 비교하여 에러율을 산정하였다.

엔진의 최적의 연소조건을 만들어주기 위하여 점화시기를 점차 진각시켜 최적의 출력구간을 찾는 MBT 평가를 수행하였다. 시험조건은 해당 엔진의 전 영역인 1,000~3,000 rpm 중 회전수를 100 rpm 단위로 변경해 가며 수행하였다. 엔진 사용 영역 전체를 Mapping함으로써 단일모드로 발전되는 발전기의 최적의 효율구간을 찾고자 하였다.

엔진의 Throttle Model 및 Torque Model Calibration을 위하여 ETC(Electronic Throttle Control) 개도량에 따른 회전수별 공기량과 회전수별 토크를 측정하여 최적의 연소구간을 찾고, 최대 효율 구간을 선정하고자 하였다.

선행한 Charge Model Calibration, MBT, Throttle Model 및 Torque Model Calibration 수행 결과를 반영하여 해당 엔진의 최종 토크를 측정함으로써 개발엔진에 대한 최종 전부하 성능을 확인하였다.

건물용 내연 가스엔진 열병합발전 유닛-성능 시험방법(KS B OOOO:2017)의 발전효율 측정 및 계산을 사용하여 각 부하별 최적의 발전구간을 선정하고자 하였으며, 이때 사용된 수식은 아래와 같다.

최종 개발된 CNG 개조엔진과 발전기 엔진으로 주로 사용되고 있는 디젤엔진 중 동급(5L급)의 발전 엔진을 선정하여 배출가스(NOx:질소산화물)을 측정하였다. 시험은 저·중·고속 3 Point(1,500, 1,800, 2,400 rpm)를 선정하여 배출가스를 측정하였으며, CNG 발전기에 대한 청정성을 확인하고자 하였다.

Fig 4는 흡기공기량과 ECU에 표기된 공기량을 비교한 결과이다. 실제 검·교정된 공기유량계와의 비교 결과, 저압부영역인 400 hPa 이하에서는 실측 흡입공기량 대비 최대 20%의 에러율을 보였다. 그러나 400~1,100 hPa 영역에서는 ±3%의 에러율을 보임에 따라 실제 발전기의 사용구간인 고부하 영역에서의 에러율은 큰 차이가 없는 것으로 판단되어지며, 저부하 영역에서의 교정을 수행하였다.

Fig. 6 
G50D Engine Charge Calibration

각 RPM별 MBT평가를 수행하고 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 전체 영역에서 노킹은 발생하지 않았으며, 저부하 영역인 1,000 rpm 이하에서는 대부분 BTDC 20°에서 MBT 지점을 나타내었다. 그러나 각 부하를 10%씩 변경해 가며 RPM별 MBT지점을 측정한 결과, 1,500 RPM 영역부터 BTDC 20°에서 점차 진각된 지점에서 MBT지점이 나타났으며, 3,000 rpm의 경우, 부하별 차이를 보였으나 BTDC 23~30° 부근에서 MBT지점을 나타냈다. 실험에서 CNG엔진의 경우, 최적연비는 BTDC 24~26°에서 얻었다³⁾고 한 결과와 유사한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

Fig. 7 
G50D Mixer Type MBT timing

전체 사용 영역에 대한 MBT지점의 점화시기를 Mapping함으로써 최적의 연소조건을 부여하였다.

엔진의 Throttle Model 및 Torque Model Calibration을 위하여 ETC 개도량에 따른 회전수별 공기량과 회전수별 토크를 평가 및 모니터링 하였다. 1,000~3,000 rpm의 전 영역에서 흡기공기유량과 토크를 측정한 결과를 Fig 8에 나타내었으며, 스로틀 30%까지는 비슷하였으나 많이 사용되는 중영역대(1,500~1,900 rpm)는 150~220 kg/h구간에 고영역대(2,200~3,000 rpm)는 240~310 kg/h구간에 형성되어 있는 것을 볼 수 있었다.

Fig. 8 
G50D Mixer Type Air quantity

Charge Model Calibration, MBT, Throttle Model 및 Torque Model Calibration 수행 결과를 반영하여 해당 엔진을 Mapping하고 전 구간 데이터를 분석하였다. Fig 9는 엔진 출력과 토크를 나타낸 것으로, 최대출력(Power(kW) / 3,000 rpm)은 약 67 kW, 토크(Toque(N·m) / 3,000 rpm)는 약 214 N·m로 측정되었다.

Fig. 9 
G50D Mixer Type WOT Performance

기존 디젤엔진의 경우, 질소산화물에 대한 규제가 점차 강화되고 있으며, 디젤 발전기의 경우 질소산화물 저감에 대한 문제가 지속적으로 제기되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 개조엔진과 동급 디젤엔진에 대한 평가를 수행하였으며, Fig. 11에 CNG엔진과 디젤엔진에 대한 질소산화물 측정값을 나타내었다.

Fig. 11 
NOx

CNG 개조엔진의 경우, 디젤 엔진대비 약 77% 낮은 결과값을 나타냈는데, 질소산화물의 경우 온도에 기인하는 Thermal NOx가 대부분임에 따라 연소실 내 연소온도가 디젤 엔진에 비해 낮은 CNG 개조 엔진이 낮은 질소산화물 결과를 나타낸 것으로 사료된다. 이는 청정연료로 알려진 CNG의 경우, NOx의 배출량이 기존 디젤보다 낮게 나타나는 것으로 보고⁴⁾ 되고 있어 본 연구에서도 동일한 결과를 보였다.