2행정 이중연료엔진의 가스분사노즐 최적 설계에 관한 수치해석 연구

Abstract

In line with the global trend toward environmental pollution, the International Maritime Organization has been working for several years to regulate air pollutants emitted from ships. Existing diesel engines for ships use hydrocarbon fuel as their main fuel, which makes it difficult to regulate exhaust gas. Therefore, many researchers are actively conducting research and development to use alternative fuels. In 2015, the world's first two-stroke dual-fuel engine, which uses liquefied natural gas as its main fuel along with the low ratio of existing ship fuel, was commercialized. However, there have been continuous reports of damage to the gas injection nozzle after commercialization. Damage to the nozzle can not only worsen the combustion condition of the engine due to improper injection, but can also cause secondary accidents. The purpose of this study is to check the effect on nozzle durability such as stress and deformation through structural analysis by referring to a gas injection nozzle currently commercialized in a dual fuel engine for ships. In order to compare and verify durability due to nozzle variable, a total of three results including total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent stress were analyzed for 27 nozzles to which each variable was applied. A length of the nozzle affects a range exposed into a high-temperature combustion chamber, which leads to a temperature change of the nozzle. As the nozzle length exposed in the combustion chamber increases, the nozzle temperature rises and the hardness eventually becomes weak. A hole piping diameter and a hole piping angle affect the flow rate and flow of the fluid inside the nozzle, which affects the pressure of the inner wall of the nozzle and the change of turbulent kinetic energy. For the total deformation, the effect of a change in nozzle temperature according to nozzle length was 98% of the main cause, and the effect of adjusting the pipe angle and diameter of the nozzle hole was insignificant. It was confirmed that the total deformation of the nozzle with a short nozzle length is reduced by about 70% relative to the reference nozzle, and durability is increased. Equivalent stress and equivalent elastic strain tend to be similar to each other. A main cause is the influence of the nozzle hole piping angle, and the nozzle length and the diameter of the hole piping are shown to affect the equivalent stress and the variability of the equivalent elastic strain due to the nozzle hole piping angle. It was confirmed that the equivalent elastic strain and the equivalent stress were affected by the nozzle temperature by 32% and 5%, respectively, and the equivalent elastic strain was more affected by the nozzle temperature than the equivalent stress. In order to verify the effect of nozzle variable on engine performance and exhaust gas emission, an injection angle, an injection position, and a spray coverage are analyzed as variables. A nozzle length affects an injection position and a nozzle hole piping angle affects an injection angle. Because the nozzle has five nonlinear holes, the fluid injected according to the hole position undergoes a liquid collision/splitting process. Flow rate changes due to hole pipe diameter adjustment combine with complex fluid flow to affect spray coverage. It was confirmed that the engine performance is improved as the injection angle decreases, the injection position is close to the piston, and the spray coverage decreases. The exhaust emissions of nitrogen oxides, soot, and carbon dioxide decreased as the injection angle increased, the injection position moved away from the piston, and the spray range was wide. Considering the results of this study, a nozzle with a shorter length of 2 mm and a 10 degree increase in nozzle hole piping angle was selected as the most optimized nozzle. Compared to the existing commercial nozzles, the total deformation of the nozzle decreased by 70%, the equivalent stress decreased by 25%, the equivalent elastic strain increased by 4%, and the turbulent kinetic energy in the nozzle inside decreased by 13%, resulting in improved durability. Furthermore, as a result of the fluid analysis under the same conditions as the nozzle, the result of reducing the exhaust emissions by 21.11% nitrogen oxide, 16.60% soot and 4.40% carbon dioxide was confirmed. The indicated mean effective pressure affecting power is reduced by about 7%, but it can be improved by changing other engine parts and adjusting injection timing. Considering environmental regulations and operating cost reduction, which are issues in the shipping industry, the effectiveness is greater. The results of this study are expected to be used as basic data that can be referenced in the process of localizing nozzles, developing the next nozzle, and selecting a nozzle for a new engine. In addition, among the various efforts of the industrial group to respond to environmental regulations, it will act as a positive factor such as the effect of responding to environmental regulations through the nozzle and cost reduction due to the extension of the life of the parts.|환경오염에 대한 전 세계적인 흐름에 따라 국제해사기구에서는 선박에서 배출되는 대기오염물질에 대해 규제하기 위한 노력을 수년째 이어오고 있다. 기존 선박용 디젤기관은 일반적으로 탄화수소로 이루어진 연료를 주 연료로 사용하여 배기가스 규제에 취약하므로 대체 연료를 사용하기 위한 연구·개발이 활발히 이루어졌다. 2015년에는 낮은 비율의 기존 선박 연료와 함께 액화천연가스를 주 연료로 사용하는 2행정 이중연료 엔진이 세계 최초로 상용화되었다. 그러나 상용화 이후 가스 분사노즐이 손상되는 사례가 지속해서 보고되었다. 노즐 손상은 부적절한 분사로 인한 엔진의 연소 상태를 악화시킬 뿐만 아니라 2차 사고가 이어질 수 있다. 본 연구에서는 현재 선박용 이중연료 엔진에서 상용화 중인 가스 분사노즐을 참조하여 노즐 길이, 홀 배관 직경, 홀 배관 각도 등을 변수로 하고 구조해석을 통해 응력, 변형량 등 노즐 내구성에 미치는 영향을 확인하고, 유동 해석으로 엔진의 성능·배기가스 배출물에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 통해 다양한 형상 조건의 가스 분사노즐이 내구성, 엔진성능, 배기가스 배출물의 미치는 영향에 대한 기초 자료를 확보하고, 더 나아가 가장 최적화 노즐 설계 조건을 확인하는 것에 그 목적이 있다. 노즐 형상 변경에 따른 내구성을 비교 검증하기 위해 각 변수가 적용된 27개의 노즐을 대상으로 전변형량, 등가 탄성 변형률, 등가응력 등 총 3가지 결과에 대해 분석하였다. 전변형량은 노즐 길이에 의한 노즐 온도 변화가 주요 원인의 98%를 차지하며 노즐 홀 배관 각도와 직경 조정에 따른 영향은 미미하였다. 노즐 길이가 짧게 조정된 노즐이 전변형량이 기준 노즐 대비 약 70% 감소하여 내구성이 높아지는 것을 확인하였다. 등가응력과 등가 탄성 변형률은 유사한 경향성을 나타낸다. 노즐 홀 배관 각도에 의한 영향이 주된 원인이며 노즐 길이와 홀 배관 직경은 노즐 홀 배관 각도에 따른 등가응력과 등가 탄성 변형률의 변동성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 등가 탄성 변형률과 등가응력은 노즐 온도에 영향을 각 32%, 5% 받았으며, 상대적으로 등가 탄성 변형률이 등가응력보다 노즐 온도에 영향을 많이 받음을 확인하였다. 노즐 형상 변경에 따른 엔진 성능과 배기가스 배출량에 미치는 영향을 검증하기 위해 분사 각도, 분사 위치, 분무 범위를 변수로 해석을 수행하였다. 엔진 성능은 분사 각도가 감소하고 분사 위치가 피스톤에 가까우며 분무 범위 각도가 좁아질수록 미미한 수준이지만 엔진 성능이 향상되는 최적 조건으로 나타났다. 배기 배출물인 질소산화물, 그을음, 이산화탄소는 분사 각도가 증가하고 분사 위치가 피스톤에서 멀어지며 분무 범위가 넓을수록 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과를 종합적으로 고려하여 본 구조해석 대상 노즐 중 길이는 조정하지 않고 노즐 홀 배관 각도가 10。증가한 노즐을 가장 최적화된 형상으로 선정하였다. 해당 노즐은 기존 상용화 노즐 대비 전변형량은 5% 증가, 등가응력은 21% 감소, 등가 탄성 변형률은 22% 감소하여 내구성이 개선되는 것을 확인하였다. 노즐은 가학적인 환경에서 장시간, 반복적인 상황에 노출되며, 운전 중 손상 발생 시 큰 사고로 이어질 수 있으므로 보수적인 접근이 필요하다. 이에 연구 결과에서 변형량, 응력, 변형률의 각 감소율이 더 큰 노즐도 있으나, 내구성에 부정적인 방향으로 심각한 변화율을 나타내는 노즐은 배제하였다. 해당 노즐과 유사한 조건의 유동 해석 결과에서 배기 배출물은 질소산화물 13.95%와 그을음 6.67%, 이산화탄소 4.05% 감소하는 결과를 확인하였다. 출력에 영향을 미치는 도시 평균유효압력은 6.2% 감소하는 부정적인 결과로 나타났으나, 이는 타 엔진 부품 변경 및 분사 시기 조정을 통해 개선 가능하며 최근 해운 산업의 이슈인 환경규제와 운영 원가 절감 등을 고려할 때 내구성과 배기 배출물 억제로 인한 효용성이 더 크다고 판단하였다. 이번 연구의 결과는 노즐의 국산화, 차기 노즐 개발 및 신규 엔진의 노즐 선정과정에서 참고할 수 있는 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다. 더불어 환경규제에 대응하기 위한 산업군의 다양한 노력 가운데 노즐을 통해 환경규제 대응 효과와 함께 부품의 수명 연장으로 인한 원가 절감 등 긍정적인 요인으로 작용할 것이다.