원전 비상디젤발전기 연료분사펌프 진단신호 분석

2.1 연료분사펌프 연료분사 프로세스

“Fig. 1”은 디젤엔진 연료분사 시스템의 한 종류로 일정양의 연료를 플런저로 밀어내 분사밸브로 부터 연소실 내로 고속 분사하는 용적식(Jerk injection pump) 연료분사펌프의 토출밸브 구조를 묘사한 것이다.⁽¹⁾ 흡입구를 통해 플런저실로 유입된 연료유는 연료캠에 의해 상승된 플런저에 의해 흡입구와 제어구(토출구)가 차단되어 가압되기 시작한다. 플런저실의 압력은 플런저가 상승하는 동안 배럴의 제어구가 개방될 때 까지 지속적으로 증가하며, 플런저실 내 가압된 연료의 압력이 토출밸브 스프링 힘과 연료분사밸브 니들밸브 스프링 힘보다 크게 될 때 연료분사밸브의 노즐을 통해 고속으로 연료가 분사된다. 연료분사 말기에 플런저실의 압력이 감소하면 토출밸브는 스프링 장력에 의해 자동적으로 닫혀 분사를 종료한다. 이와 같은 발전용 대형 디젤엔진은 연소실로 공급되는 연료의 양으로 속도와 부하를 제어하며 엔진 제어시스템은 상하운동을 반복하는 플런저를 미소하게 회전시켜 플런저 헤드에 의해 차단되는 배럴 제어구의 개방 위상을 조절하여 연소실로 공급되는 연료유의 양을 조절하게 된다.

Fig. 1

Fuel injection pump

2.2 진단신호 분석 기법

연구에서 사용하고자 하는 엔진 신호분석 방법은 통상의 회전 기기에서 널리 적용하고 있는 주파수 영역의 신호분석 방법이 아닌 시간 영역의 분석 방법이다. 특정 크랭크샤프트의 위상을 기준으로 운전 중 각 실린더헤드와 연료분사펌프에서 발생되는 연소압력과 진동 및 초음파 신호를 시간영역으로 나열하여 신호의 발생 위상과 형태를 분석한다. 진단을 위해 사용되는 모든 신호는 동일 위상을 사용하며 특정 주파수 대역을 선별 적으로 취득하고 일정 시간동안 발생되는 신호를 실린더별 위상을 기준으로 평균화 하여 평가의 신뢰성을 향상시키고 있다. 통상 연소압력의 정량적인 분석 방법과 진동 및 초음파의 정성적인 분석 방법을 복합적으로 사용하며 엔진에 부착된 필수종속기기를 제외한 실린더 계통과 연료분사 계통의 상태진단에 효과적이다. 상태진단 신호형태는 “Fig. 2”의 물리적인 충격 신호와 유체 유동에 의한 신호로 구분할 수 있으며 진단 신호를 취득하는 위치에 따라 신호의 형태와 위상이 변동되므로 측정에 많은 주의를 요한다.통상 연소과정에서는 두가지 대표적 신호 형태가 복합적으로 발생되는 것으로 알려져 있으나⁽²⁾ 실제 엔진의 형식과 부하상태에 따라 다양한 형태가 나타나므로 진동, 초음파의 정성적 신호형태 만으로 운전 상태를 진단하는데 한계가 따른다. 따라서 연소를 평가할 수 있는 연료분사와 시작과 종료를 진단하여 연소과정을 추적하고 실린더 간 밸런스를 비교하는 운전상태 진단이 필요하다.

Fig. 2

Sources and shapes of engine vibration and noise

3.1 실험장치의 구성

엔진 부하운전 중 연료분사와 연소과정에서 발생되는 가진 신호에서 연소와 연료분사 신호를 선별적으로 비교하고 분석하기 위하여 “Fig. 3”과 같이 동일 형식의 연료분사펌프를 실제 운전되는 엔진과 연료분사펌프 시뮬레이터에 각각 설치하여 동일한 장비로 데이터를 취득하였다.

Fig. 3

Schematic of vibration, ultrasonic signal acquisition on engine and injection pump

연구에서 사용한 엔진은 육상 발전세트에 설치된 내경 320 mm, 행정 400 mm 엔진으로 엔진 전 출력의 약 85 % 수준(De-rating)을 정격 출력으로 사용하고 있으며 운전부하에 의한 신호형태를 비교하기 위해 저부하와 정격부하 2개 구간에서 진단 신호를 비교하였다. 저부하와 정격부하의 Fuel index는 각각 20 mm, 40 mm 수준이었으며 모든 운전 데이터는 부하투입 후 고온냉각수 출구온도가 10 ℃ 이내의 열평형에 도달한 상태에서 취득하였다. 엔진의 상세제원 및 운전부하는 “Table 1”과 같다.

Table 1

Specifications of experimental engine and load condition

엔진과 연료분사펌프 시뮬레이터에서 사용한 연료분사펌프는 실린더 별 1기가 설치되어 있는 독립형 펌프로 “Single Left Hand Lower”헬릭스(Helix) 형태의 플런저로 연료분사 시작점이 일정하며 엔진 제어시스템에 의해 연료분사 종료위상이 가변적으로 변화되는 용적식 연료분사펌프의 한 형태이다. 실제 운전 중인 엔진과 동일한 연료분사 환경을 재현하기 위해 엔진과 동일한 연료 캠샤프트와 연료분사펌프 및 연료분사밸브를 이용하여 “Fig 4”와 같은 모터로 구동하는 시뮬레이터를 제작하였다. 운전조건의 편차를 최소화하기 위해 연료분사펌프로 공급되는 작동유의 유종과 연료분사펌프로 공급되는 압력을 실제 운전 조건과 일치하도록 하였다. 시뮬레이터 및 연료분사펌프 형식의 세부 사양은 “Table 2, 3”과 같다.

Fig. 4

The fuel injection pump installed on the pump simulator

Table 2

Specifications of fuel injection pump

Table 3

Specifications of fuel injection pump simulator

3.2 실험방법

엔진운전 중 발생되는 신호에서 연소와 연료분사 신호를 식별하고 각 상태를 진단하는 방법을 분석하기 위한 것으로 실제 엔진 운전 중 각 부하에서 측정된 연소압력을 바탕으로 엔진에서 취득한 실린더헤드와 연료분사펌프의 진동, 초음파 신호와 시뮬레이터에서 측정한 연료분사펌프 및 밸브의 진동, 초음파 신호를 비교 분석하는 것이다. 실제 운전 중 취득한 데이터와 시뮬레이터의 위상을 일치시키기 위해 연료분사펌프 내부의 연료분사위상 조절용 쐐기(Shim)의 두께를 일치(11.05 mm)시키고 연료캠 노브(knob)로부터 상사점까지 플런저 높이를 이용하여 대상 실린더의 연료가압시점을 일치시켜 측정 위상의 오차를 최소화 하였다. 또한 측정 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 연소압력 신호는 과도상태가 없는 30사이클 동안의 신호를 평균화 하였으며 진동, 초음파 신호는 9사이클 동안의 신호를 평균화 하였다. 실제 운전 중 엔진과 시뮬레이터의 데이터 취득에 사용된 시험장비와 측정데이터의 세부사항은 “Table 4”와 같다. 시뮬레이터에서 엔진 부하상태를 동일하게 구현하기 위하여 저부하 및 정격부하 조건과 동일한 Fuel index를 적용하였으며 운전부하 변화에 따른 연료분사 신호 추이를 관찰하기 위해 연료 분사펌프측정 지점을 “Fig. 5”와 같이 Pos.①~④로 세분화 하고 Fuel index를 10 mm부터 최대 40 mm 까지 단계적으로 측정 하였다.

Table 4

Experimental measuring specification

Fig. 5

Data acquisition point of the simulator

4.1 운전 중 엔진 신호측정

“Table 5”, “Fig. 6”에 따르면 다른 부하 조건에서 크랭크 위상에 따른 압력변화를 도시한 결과 운전부하 증가와 함께 압축압력과 최대연소압력이 함께 증가하였으며 최대연소압력이 형성되는 위상이 상사점에서 멀어져 지각되는 경향을 나타내었다.

Table 5

Peak firing pressure and fuel index for rating and low load

Fig. 6

Pressure vs. phase for rating and low load

연소압력 변화를 보다 명확히 분석하기 위해 “Fig. 7”과 같이 각 부하별 압력 압승률을 1차 도함수로 도시하였다. 확인결과 “Table 6”와 같이 상사점 도달 전 연소압력 하강1(1')과 하강직후 급격한 압력 상승2(2')이 저부하 대비정격부하 조건에서 진각된 경향이 나타났으며 1차 도함수가 영점에 도달하는 최대연소압력의 경우 저부하 보다 정격부하 조건에서 더욱 지각된 형태로 나타났다.

Fig. 7

1st Pressure Derivative curve for rating and low load

Table 6

Comparison of pressure rise rate for rating and low load

운전 부하에 따라 실린더헤드와 연료분사펌프에서 발생된 진동 초음파 신호 형태를 비교하고 연료압력 선도에서 나타난 특이점 들을 비교 하였다. “Fig.8”은 폭발행정 전, 후의 운전 부하에 따른 실린더헤드와 연료분사펌프 진동 초음파 신호이다.

Fig. 8

Vibration and ultrasonic signals on cylinder head and fuel injection pump for rating and low load

실린더헤드에서 취득한 신호에서는 부하에 의한 유의미한 경향이 발견되지 않으나 연료분사펌프의 경우 부하 증가에 따른 충격신호 발생이 약 9.2 ~ 10.4 CA 지각되었다.

“Fig.7”과 “Fig.8”의 신호발생 위상을 비교한 결과 실린더헤드에서 발생된 진동 초음파 신호의 최초 발생위상 (A)는 약 BTDC 9.0 CA로 “Fig.7”의 1(1') 과 2(2') 사이에 나타났으며 연료분사펌프의 신호발생 위상 (B)는 약 BTDC 15.5 CA로 “Fig.7”의 1(1') 위상에 근접한 것을 확인할 수 있었다.

또한 연료분사펌프의 경우 신호발생시작 위상이 초음파 신호에서 더욱 명확히 확인할 수 있었다.

4.2 연료분사펌프 분사신호 특성

운전 부하에 따른 신호형태를 비교하기 위해 “Fig.5”의 Pos.①~④ 지점에서 분사 신호를 측정하였다. “Fig. 9”와 같이 Pos.③ 지점에서 취득 한 신호 비교결과 Fuel index가10 mm 상태에서는 단일 신호가 발생 되었으며 20 mm 이상의 Fuel index에서 연속한 2중 신호로 분기되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 신호의 종류와 주파수에 관계없이 Fuel index가 증가할 경우 분기된 두 번째 신호의 위상이 점차 지연되는 경향이 일관되게 나타났으며 Fuel index가 약 40 mm에 도달할 경우 상사점을 지나친 약 12~13 CA에서 두 번째 신호가 발생함을 확인하였다.

Fig. 9

Fuel injection signals of injection simulator by fuel index

“Fig. 10”은 Fuel index 40 mm 상태에서 취득한 진동, 초음파 신호로 상기에서 확인할 수 있듯이 동일 신호임에도 불구하고 신호취득 지점에 따라 상당히 다른 양상이 발견 되었다. 연료분사펌프에서 취득한 신호를 A'라 하고 고압연료관과 연료분사밸브에서 취득한 신호를 B'라 할 때 A'의 첫 번째 신호발생은 약 14 CA 이며 B'의 첫 번째 신호발생위상은 약 12 CA 이다. 또한 각 신호군 내의 신호발생 위상은 동일하였으며 두 신호군 간 신호발생 위상차는 약 2 CA로 B' 신호군의 신호발생이 지각됨을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 B' 신호 군에서는 분기된 2개의 신호가 명확히 확인 되었으나 A' 신호 군에서는 간헐적으로 첫 번째 신호발생이 불명확 하였다.

Fig. 10

Fuel injection signals of injection simulator by measurement position

5.1. 취득신호 특성 분석

연소압력 상승률의 1차 도함수에서 나타난 압력 하강 (1)과 이후에 나타난 상승 (2)지점은 연소실 내 연료분사 과정에서 발생된 연료의 증발과 연이은 혼합기의 폭발에 의한 결과이다. 운전부하 증가는 연료공급량 증가를 의미하며 부하 증가에 따라 연료분사 시기와 혼합기의 폭발 위상이 지연되는 경향이 있으나 미소하였으며 최대연소압력이 형성되는 위상이 부하 증가에 따라 명확히 지각되었다. 운전부하 변화로 나타나는 연소압력 특성은 분사 종료위상이 가변적인 플런저 헬릭스 형상으로 나타나는 현상으로 추정된다. 부하 변화에 따라 발생되는 연소압력 특성을 진동 초음파 신호에서 확인할 결과 연료분사펌프에서는 신호지각을 확인할 수 있었으나 실린더헤드에서는 유의미한 신호 확인이 어려웠다. 이와 같은 현상은 실린더헤드에서 발생되는 연소에 의한 가스신호 때문에 신호가 중첩되어 부하변화의 특성을 구분할 수 없는 것으로 판단된다.

운전부하 증가에 따라 연료분사 신호는 연속된 2회의 충격 신호로 분기되며 이는 토출밸브를 통해 고압의 연료유가 이송되는 충격 신호와 제어구로 해압 되는 과정에서 발생되는 충격 신호이다. Fuel index가 낮은 저부하 단계에서는 신호분기 현상이 나타나지 않으나 실험결과 약 20 mm 이상의 Fuel index에서 신호분기가 발생됨을 확인 하였다. 하지만 실제 운전 중 신호에서는 해압 과정에서 발생되는 분사종료 신호가 연소신호에 혼재하여 분석이 어려우며 시뮬레이터 실험을 통해 토출밸브 후단에서 분사신호를 측정하는 경우 연료분사 시작과 종료 신호를 취득할 수 있음을 확인하였다. 다만 연료분사펌프의 토출밸브를 기준으로 신호발생 위상이 약 2 CA 차이가 발생되므로 연료분사펌프 케이싱에서 측정한 신호의 경우 실제 연소실로 연료가 공급되는 위상의 차이가 있음을 인지할 필요가 있다.

5.2 엔진과 시뮬레이터의 측정신호 비교

실제 엔진의 정격부하운전 상태인 Fuel index 40 mm, Pos.4 위치의 시뮬레이터 신호와 운전 중 신호를 비교한 결과 “Fig. 11”과 같이 시뮬레이터의 연료분사 시작 위상과 연소압력 상승률 선도로 도출한 연료분사 위상이 1 CA 이내로 동일한 것을 확인하였다. 이러한 사실은 연료분사펌프 토출밸브 후단에서 정확한 연료분사 신호 취득이 가능함을 의미한다. 따라서 운전 중 취득한 연소압력을 바탕으로 “Fig. 8”의 운전 중 취득한 신호와 “Fig.10”시뮬레이터로 취득한 신호로 유추할 때 연료분사 시작 신호는 연료분사펌프 토출밸브 후단에서 운전부하와 관계없이 측정 가능하며 이때 위상은 연소압력 상승률 감소 위상과 일치한다. 이후 농후한 혼합기가 폭발하는 상태는 실린더헤드의 진동 초음파 신호로 확인가능한데 그 위상은 감소한 연소압력 상승률이 다시 급격히 상승하는 위상 이전에 발생된다. 운전 부하가 증가할수록 최대연소압력 위상이 지각되며 연소신호를 이용하여 연료분사 종료 위상을 진단할 수 없으며 실린더헤드에서 측정되는 진동 초음파를 통해서도 연료분사 종료 위상을 진단할 수 없음을 확인하였다. 따라서 신뢰성 있는 연료분사 신호를 취득하고자 할 때는 연소신호가 전도되지 않는 위치의 연료분사펌프 토출밸브 후단에서 측정해야 한다.

Fig. 11

Signal comparison between the actual engine and the simulator