굴삭기에서 연비 기여도 파악을 위한 에너지 흐름 분석 및 실험

Abstract

최근 강화되는 대기 환경 규제로 인해 굴삭기의 에너지 효율 개선에 대한 연구가 활발하게 이루어 지고 있다. 엔진 및 유압시스템 개선, 에너지 회수, 하이브리드 굴삭기 등의 다양한 효율 개선 연구가 진행되고 있지만 에너지 개선 효과 파악에 필요한 굴삭기 전반적인 시스템의 에너지 흐름 분석은 수학적 모델을 통한 시뮬레이션 연구가 주로 진행되고 있다. 본 연구에서는 시뮬레이션이 아닌 실차 기반의 에너지 소모 분석이 굴삭기의 효율 개선 연구를 위해 필요하다는 판단하에 실차 실험 중심의 에너지 흐름 분석 방법론을 제안한다. 굴삭기에서의 에너지 흐름 모델을 정립하기 위해 굴삭기의 전체 시스템을 엔진시스템, 유압 시스템, 작동 기구부로 나누어 각 부에서의 에너지 소모 요소를 구분하였다. 구분된 에너지 소모 요소를 실제 측정을 통해 알 수 있는 요소와 추가적인 모델링을 통해 알 수 있는 요소로 나누어 각 요소 별로 수식화하였다. 수식화한 에너지 흐름을 통한 각 부 에너지 소모 분석을 위해 압력, 유량, 온도, 속도 등을 측정할 수 있는 실시간 실험 장치를 구성하였다. 굴삭기 전체 에너지 흐름 수식화와 실시간 실험 장치를 통합하여 굴삭기에서의 에너지 흐름 분석 방법론을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 방법론을 굴삭기 에너지 소모 분석에 적용하기 위해 굴삭기 작업동작 중 많은 비율을 차지하는 Dig & Dump 동작을 모사한 기본적인 작업 cycle을 설정하였다. 반복적으로 작업 cycle을 수행하여 에너지 흐름 모델에 따라 소모 에너지를 분석하였다. 무부하 Dig & Dump 작업(엔진 속도: 1850rpm) 시 총 연료 에너지 중 열손실로 49.1%, 엔진 시스템에서 11.7%, 유압 시스템에서 20%가 소모되었고 이를 제외한 19.1%가 실제 유압 기구부를 동작하는데 사용되었다. 또한 엔진 운전 모드에 따라 엔진 속도가 증가할수록 동일 동작 수행 시 운행 시간이 13% 감소하였지만 이에 따른 소모에너지의 증가는 30%로 운행 시간 감소 대비 큰 증가를 보였다. 이는 유압 기구부의 작동 속도 증가로 인한 효과로, 높은 엔진 속도에서 동작 시 전반적인 시스템의 효율이 악화되었다. 실굴삭 Dig & Dump 작업(엔진 속도: 1850rpm) 시 총 연료 에너지 중 열손실로 50.6%, 엔진 시스템에서 10.3%, 유압 시스템에서 16.6%가 소모되었고 이를 제외한 22.5%가 실제 유압 기구부를 동작하는데 사용되었다. 이 중 유압 모터에 사용된 에너지는 총 연료 에너지의 5.6%이고 7.6%의 에너지가 유압실린더로 전달되어 Net work에 사용된 것으로 분석하였다. 실제 굴삭을 수행하는 실굴삭 작업의 연료에너지 소모는 무부하 작업에 비해 38% 증가하였다. 각 시스템 별로 비교하면 엔진 시스템에서 21%, 유압 시스템에서 14%, 유압 기구부에서 63%의 소모에너지 증가를 보였다. 총 소모에너지는 증가하였지만 전반적인 유압 시스템의 효율은 무부하 작업에 비해 증가하였다.