함정용 디젤엔진의 성능 향상을 위한 과급 시스템 개선에 관한 연구

Abstract

미래 한국 해군의 함정에 요구되는 공간 집약성과 정숙성, 높은 발전 용량은 한국 해군이 새롭게 도입하고 있는 전기식 추진체계를 통해서 달성 가능하나 효율성과 친환경성 면에서의 이점을 분명히 하는 데는 한계가 있다. 함정의 효율성과 친환경성은 함정용 디젤엔진의 성능 향상을 통해 극대화 될 수 있으며 이에 따라, 해군은 디젤엔진의 효율성과 친환경성을 향상시키기 위해 시퀀셜(sequential) 과급, 밀러(Miller) 사이클, 2단 과급 시스템, 가변 밸브 타이밍, 가변 분사 타이밍 등의 다양한 기술들을 디젤엔진에 채택해 가고 있다.

따라서, 이들 기술들을 명확히 이해하고 그 효과를 분명히 할 수 있는 연구 자료는 장비의 획득과 후속 보급 등 군수 정책의 의사결정 과정에서 유용하게 활용될 수 있다.

본 연구에서는 먼저, 높은 신뢰성을 갖는 디젤엔진의 시뮬레이션 모델을 이용하여 함정용 디젤엔진에 채택 중인 시퀀셜 과급 시스템의 효과를 검토하였다. 다수의 과급기로 구성된 기존의 흡배기 매니폴드를 조정하여 과급기 일부를 차단한 후, 과급 시스템이 운전 조건 범위 내로 안정화되는 과정을 계산하여 시퀀셜 과급 시스템의 적용 가능성과 효과를 고찰하였다. 그 결과, 2개의 과급기로 구성된 대상엔진의 25% 부하 영역에서 과급기를 1대만 운전함으로써, 배기 에너지의 집중을 통해 과급 압력을 추가적으로 상승시켜 엔진의 연료소비율이 개선 즉, 효율성이 향상됨을 확인하였다.

이어서, 함정용 디젤엔진의 부하별 운용 패턴과 발전기의 주 운전 부하를 고려하여 과급기 다운사이징의 효과를 추가로 검토하였으며, 과급기 다운사이징을 통해 연간 연료 소비 총량 중 약 40 톤의 감소 효과가 나타남을 확인하였다.

엔진의 효율성과 친환경성을 동시에 개선(연료소비율의 감소와 NOx 저감) 가능하다는 점에서 크게 주목을 받고 있는 밀러 사이클에 대해서는 이론적인 고찰을 통해 밀러 효과의 원리를 분명히 한 후, 시뮬레이션을 통해 실제 엔진에서 밀러 적용 방법에 따른 적용 효과의 차이를 고찰하였다. 주요 결과로, 밀러 사이클의 열효율은 밀러 각도를 크게 하고 과급 압력을 높게 할수록 향상되지만 밀러 각도가 더 커지게 되면, 터빈 입구 압력의 상승과 밀러 로스의 증가로 인하여 열효율이 다시 감소하기 때문에 최적의 밀러 각도가 존재함을 확인하였다. 또한 대상엔진의 과급 조건에서 late Miller에 비해 early Miller의 효과가 크게 나타남을 알 수 있었으며 밀러 효과는 엔진의 운전 속도 등 운전 조건에 따라 변하기 때문에 효율성과 친환경성 중 우선시 되는 성능에 보다 적합한 밀러 적용 방법을 선택 적용할 필요가 있음을 분명히 하였다.

마지막으로 밀러 효과를 극대화하기 위한 방안을 고찰하였다. 밀러 효과는 2단 과급 시스템과의 결합을 통해 강화되며, 변화된 과급 조건에 적합한 밸브 조건을 선택함으로써 엔진에서 구현 가능한 밀러 효과를 극대화시킬 수 있다.