선박용 저속 2행정 디젤엔진의 밀러 사이클 적용에 관한 연구

Abstract

NOx의 배출 통제 기준은 2016년 1월 1일 이후 배기배출물통제지역(Emission Control Area, ECA)에 입항하는 선박에 대해 Tier III를 적용, Tier I 대비 80%를 감축할 것을 요구하고 있다. 따라서 엔진 제작사에서는 NOx를 감축하기 위해 SCR(Selective catalytic reduction) 장치, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치, 가스추진 기관, 밀러 사이클 등 여러 가지 기술들을 디젤엔진에 적용하고 있다.

밀러 사이클은 오토 사이클에서 고팽창을 실현하여 사이클의 열효율을 높이고자 Atkinson이 고안한 Atkinson 사이클을 현실화한 것이다. 구조적으로 링크장치를 커넥팅로드에 부가하여 팽창행정을 압축행정보다 길게 하여 기존의 사이클 보다 높은 열효율을 실현하였다. 하지만, 복잡한 구조로 인하여 실용화되지 않았으며 1957년 R. Miller에 의해 흡입밸브의 타이밍을 변경하여 팽창비보다 유효압축비를 줄여 Atkinson 사이클을 실용화한 특허를 공개하였다. 체적효율의 감소로 인해 실린더의 출력이 감소되기 때문에 이를 보상할 수 있는 고효율 혹은 고과급 시스템과 함께 밀러 사이클을 적용하고 있다.

밀러 사이클은 흡입밸브를 하사점(BDC)보다 빠른 시점 혹은 늦은 시점에 닫음으로써 유효압축비의 감소효과를 이용할 수 있다. 유효압축비의 감소는 연소온도를 낮춰 NOx 발생을 줄일 수 있다.

밀러 사이클의 적용은 압축시기를 지연시키기 때문에 팽창비는 일정하게 유지하면서 유효압축비가 감소하여 사이클의 열효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 동시에 친환경 고효율의 성능을 얻을 수 있다.

본 논문의 목적은 IMO의 NOx규제를 만족하고 동시에 성능개선을 시킬 수 있는 방안을 찾기 위함이다. EGR, SCR 등의 부가적인 장치 없이 NOx를 감축시키고 성능향상을 꾀할 수 있는 밀러 사이클을 선박용 저속 2행정 디젤엔진을 대상으로 적용하고 그 효과에 대해 고찰하였다. 연구를 위하여 실제 운항되는 선박의 저속 2행정 기관을 대상으로 개발된 성능예측프로그램을 이용하였다. 대상기관이 탑재된 선박이 실제 운항 중에 측정된 압력데이터를 이용하여 성능예측프로그램의 열발생률 패턴을 Double Wiebe 함수로써 묘사하고 NOx 측정 데이터를 이용하여 연소시작과 종료 시의 공기과잉률을 결정하였다. 유니플로 소기방식을 채택하고 있는 저속 2행정 기관에서 밀러 사이클은 배기밸브의 닫힘 시기를 지연시켜 유효압축비를 줄이면서 소기압력을 증가시키는 방식으로 적용될 수 있다.

밀러 사이클은 고효율과 고과급의 과급기가 함께 적용되어야 한다. 2단 과급시스템을 성능예측프로그램과 함께 구성하여 밀러 사이클을 적용한 효과에 대해 고찰하였다. 또한, 밀러 사이클 효과를 향상시킬 수 있는 인자를 이용하여 밀러효과의 향상 결과를 비교하였다. 2행정 기관의 소기포트에 슬라이딩 기구를 제안하고 소기 포트의 높이에 따른 성능향상 효과와 배기밸브열림시기()를 변화시킴으로써 팽창행정을 길게 하여 얻을 수 있는 효과를 고찰하였다. 결과적으로, 선박용 저속 2행정 기관에 밀러 사이클을 적용하고 성능향상 인자를 이용하여 Tier III 규제를 만족할 수 있는 결과를 도출하였다.