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기관의 회전수와 부하상태를 고려하여 적절한 온도조절장치가 필요하므로 기관에 맞춤식 냉각시스템을 구성하였다. 디젤연료가 연료시스템으로 공급 후에 연료펌프에서 분사하여 남은 연료를 재순환하도록 장치를 구성하였으며, 냉각장치는 1차, 2차의 관을 통하여 기관으로 공급하였다. 또한 가열기를 설치하여 연료온도가 낮을 경우에 일정하게 유지하도록 하였으며, 연료온도 조절장치는 Fig 1에 구성하였다.

Fig. 1 
Schematic diagram of fuel temperature control system

기관 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 압전식(pressure transducer type) 압력변환기를 설치하였다. 그리고 크랭크 각 1도마다 측정하였으며, 크랭크축과 직결로 엔코더를 설치하여 피스톤 TDC 시점부터 데이터를 수집하였다. 연소실 온도는 각 실린더(No. 2~6)의 연소실 내에 열전대(R-type)를 설치하여 측정하였으며, 연료소비율은 용적식 유량계 및 고정도 연료소비량계(FM-257)를 사용하였다. 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기를(FTCH-0906) 사용하였으며, 기관에 공급하는 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다. 그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하도록 하였다. 또한 배기배출물 분석기(Signal emirak rag 4873), 매연은 광투광식을 사용하였고, 기관의 출력은 와류형 전기동력계를 사용하여 측정하였다. 본 실험기관은 디젤기관으로 주요 제원은 Table 1에 실험장치도는 Fig. 2에 각각 나타내었다.

Fig. 2 
Schematic diagram of experimental apparatus

이전의 연료시스템 장치는 연료공급필터 전의 온도가 연료탱크의 온도보다 연료온도가 약 3℃정도 상승하고 있고, 연료펌프의 필터 후에서도 온도는 필터 전에서의 온도보다 상승하고 있었다. 이에 연료온도 조절장치(FTCH-0906)를 제작하여 연료온도를 15℃로 일정하게 하였다. 또한 재순환되는 연료의 온도는 공급되는 연료보다 3℃ 정도 높게 나타나고 있어서 연료 고압펌프에 공급되는 연료온도변화가 일정하게 하여 실험하였다.

본 실험기관의 회전속도 1,800 rpm의 경우에 대하여 기관부하를 0%에서 100%까지 25% 간격으로 연료온도를 15℃로 일정하게 유지하면서 35℃까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 실험하였다.

동일한 조건하에서 기관회전수의 변동율은 ±0.5%이었고, 기관부하의 변동율은 ±1.5% 이하 이었다. 그리고 3개의 파라미터 중 2개를 고정하고 하나만을 변화시키면서 실험하였다.

열교환기는 수냉식방법 이용하여 실험을 하는 동안 기관의 냉각수 70℃와 윤활유 온도 75℃로 일정하게 유지하였고, 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 각 부취(배기관 입출구, 냉각수 입출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다. 동력계는 표준중량(5 kg)추를 사용하여 압축·인장의 보정실험을 하여 정확한 토오크 값을 확인한 후 동력을 측정하였다. 또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0” 점 조정하고, 표준가스(측정범위 80%인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였다.

Fig. 3은 기관회전수 1,800 rpm에서 연료온도변화와 부하증가 따른 연료소비율을 나타낸 그래프이다. 연료소비율은 부하가 증가하면서 전체적으로 일정하게 감소하는 경향이며, 연료온도 변화에 따라 일정하게 약간씩 증가하는 경향이다. 연료온도 변화는 15℃에서 35℃씩까지 일정한 비율로 증가 하였는데, 부하 100% 경우 20℃에서 1.61%, 25℃에서 3.13%, 30℃에서 4.14%, 35℃에서 5.30% 증가하였다. 그리고 평균 증가율은 부하 25%에서 3.58%, 50%에서 5.41%, 75%에서 2.44%, 100%에서 4.19% 증가하였고, 부하 75%에서 평균값 최소로 증가하였다.

Fig. 3 
Brake specific fuel consumption on various changing fuel temperature at 1,800 rpm

그 이유는 연료온도 증가로 인한 점도가 약간 감소하고, 표면장력도 감소하여 연소율이 낮아져서 전체적인 연료소비율이 약간씩 증가하였다.

Fig. 4는 NOx 배기배출물 그래프이며, 기관회전수 1,800 rpm에서 부하증가에 따라 일정하게 증가하였으며, 연료온도변화에 따른 감소와 증가를 하는 경향이다. 15℃에서 5℃씩 상승시켜 실험한 결과 저부하에서 NOx 증가율이 상대적으로 높았으며, 고부하에서는 증가율이 낮게 나타냈었다. 하지만 35℃에서는 전체적으로 증가하는 경향이다. 이에 전체적인 온도변화에 대한 평균율을 비교하면, 20℃에서 2.89%, 25℃에서 2.72%, 30℃에서 4.42%, 35℃에서 11.03%로 증가하였다. NOx 배기배출물 특성은 연료중의 질소와 흡기중의 산소가 혼합 고온 반응하여 생성하며, 고부하 상태에서는 연료가 더 많이 분사되어 연소되기 때문에 부하가 증가할수록 실린더 내 연소실온도는 고온반응에 의해서 배기배출물이 증가한다고 하였다. 연료온도증가율에 따라서 NOx 배기배출물이 약간이 증가하는 경향을 나타냈었다.

Fig. 4 
NOx emission characteristics of various changing fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 5는 일산화탄소 그래프이며, 기관회전수 1,800 rpm에서 부하변화에 따른 연료온도변화를 나타내었다. 부하변화에 따라 다소 차이가 있지만 전체적으로 연료온도가 상승함에 따라 약간 감소하였다. 그 이유는 CO 배출가스는 연소상태가 불완전한 연소로 인하여 생성되는데, 연소상태가 양호하여 감소하였다고 생각된다. 또한 일산화탄소 배기배출량은 부하 25%에서 부하 75%까지 감소하다가 부하 100%에서 다시 증가하는 경향을 나타내고 있다. 15℃에서 5℃씩 상승시켜 실험한 결과, 전체적인 온도변화에 대한 평균율을 비교하면, 20℃에서 –8.0%, 25℃에서 –2.94%, 30℃에서 –4.22%, 35℃에서 –2.05%로 감소하였다.

Fig. 5 
CO emission characteristics of various changing fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 6은 매연배출물 그래프이며, 기관회전수 1,800 rpm에서 부하변화에 따른 연료온도변화를 나타내었다. 부하가 증가하면서 일정하게 매연배출물이 증가하였고, 연료온도가 상승하면서 미세하게 약간의 증가하였지만 연료온도 35℃에는 크게 증가하였다. 부하 100%에서 매연 7.41%가 증가하였다. 매연은 연소과정 중 확산단계 반응영역 연료가 농후한 쪽에서 발생하며 그 영역이 고온일수록 증가한다. 그러므로 부하가 증가하면서 고온영역이 형성되어 매연이 증가하였다.

Fig. 6 
Soot emission characteristics of various changing fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 7은 이산화탄소 배출물 그래프이며, 기관회전수 1,800 rpm에서 부하변화에 따른 연료온도변화를 나타내었다. 이산화탄소는 탄화수소계의 연료 중에 탄소와 공기의 산소가 화합하여 연소함으로써 생성된다. 이에 부하가 증가함에 따라 점점 증가하는 경향이고, 연료온도가 상승함에 따라서 약간씩 증가했다.

Fig. 7 
CO₂ emission characteristics of various changing fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 8과 9는 기관회전수 1,800rpm에서 부하의 변화에 따른 연료온도변화에 연소실온도 및 배기가스 온도를 나타낸 그래프이다. 특히 연소실온도를 측정하기 위하여 각 실린더에 고온 온도측정기를 설치하여 각 연소실온도 측정하여, 본 결과는 부하가 증가함에 따라 점점 크게 증가하는 경향이며, 연료온도가 상승하여도 연소실 온도가 약간 증가하였고, 또한 배기가스 온도도 약간 증가하는 경향으로 큰 영향이 없음을 알 수 있었다.

Fig. 8 
Combustion cylinder temperature of various changing fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 9 
Exhaust gas temperature on various fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 10은 연료온도 변화에 따른 압력 및 압력상승율 그래프이다. 실린더 압력은 부하가 증가하면서 압력도 일정하게 증가하였고, 압력상승율 그래프도 일정하게 증가하였다. 또한 연료온도상승율의 증가함에 따라서 약간 증가하는 경향을 알 수 있었다. 실린더 압력 최대 압력은 35℃에서 발생하였으며 평균증가율은 0.55%로 증가하였다. 연료온도 상승으로 인한 연료소비율이 약간 증가함에 따라서 압력증가율도 미미하게 증가하는 경향을 확인하였다.¹²⁾

Fig. 10 
ylinder pressure & Rate of pressure rise on various fuel temperature at 1,800 rpm

Fig. 11은 연료온도 변화에 의한 연소율 그래프이며, 기관회전수 1,800 rpm에서 연료온도 변화와 부하의 변화에 의한 그래프이다. 연소율은 연소시작과 연소완료에 대한 열발생량으로 크랭크 각도 값이며, 부하 0%에서 연소가 크랭크 각도 상사점에서 일정하게 연소가 이루지고 있으며, 부하가 점진적으로 증가함에 따라 빠르게 진행되는 경향을 보이고 있다. 부하 100%에서 연소율 시작점은 약 최고 4° 정도 빠르게 연소가 시작되었고, 이와 반대로 연소율이 끝나는 연소각은 부하 100%에서 약 10° CA 정도 늦게 연소되는 것을 알 수 있었다. 또한 연료온도 변화에 의한 각도변화는 1~2°정도 증가를 하여 큰 영향이 발생하지 않았지만 향후 대형엔진 및 바이오연료 연구에는 많은 영향이 미칠 것으로 사료된다.

Fig. 11 
Rate of burt mass on various fuel temperature at 1,800 rpm