LNG 냉열을 활용한 소기 온도 감소가 엔진의 성능 및 에미션에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

Since the first diesel engine was manufactured by Rudolph Diesel and MAN in 1893, it has been established as the main propulsion engine for marine engines and has become larger and more powerful, the problem of air pollutants emitted from diesel engines has come to the fore. As a result, the International Maritime Organization (IMO) has come to discuss and enforce various regulations to reduce them. This is a measure to reduce the emissions of sulfur oxides (SOx), nitrogen oxides (NOx) and carbon dioxide, which are greenhouse gases (GHGs) generated from diesel engines of ships. Among them, the most realistic and practical method is the use of alternative fuels. By developing an alternative fuel for theoperation of an internal combustion engine instead of heavy fuel oil for ships, and developing an engine suitable for it, the emission of pollutants could be reduced. Accordingly, engine developers have developed engines that can use LNG, LPG, ethane gas, and methanol as fuels, and are conducting research to use fuels such as ammonia and hydrogen as alternative fuels. Among various alternative fuels, LNG fuel has been used as a fuel for propulsion engines because it has been transported in a liquefied state since early times. Since most of these have been used as fuel for indirect propulsion, technology development to increase efficiency has been progressing, and in 2014, they were used as fuel for direct propulsion engines. The ME-GI engine, the world's first two-stroke LNG propulsion engine, is a high-pressure LNG engine with a diesel cycle applied. Since then, the X-DF engine and the ME-GA engine, which are low-pressure LNG engines of the auto cycle that compresses and combust LNG by supplying it with scavenging air in the combustion chamber after compressing it to a low pressure of about 15 bar, were developed. Because the combustion method of LNG is different between diesel cycle and auto cycle engines, the characteristics of exhaust gas and required components are also different. However, in order to properly combust LNG in a two-stroke engine, a heating process is required regardless of the engine type, because the fuel temperature required for all LNG fuel engines is about 45℃. The LNG fuel engine, which accounted for about 30% of the total new building market in 2020, is expected to account for about 50% by 2035. Therefore, this study is to use LNG cold energy wasted meaninglessly in the heating process of fuel for combustion of LNG fuel in a two-stroke engine for cooling scavenging air. Scavenging air is closely related to the efficiency of the engine, not only the pressure but also the temperature. The low scavenge air temperature helps the moisture in the air to be dehydrated and increases the combustion efficiency due to the low density, resulting in improved engine efficiency. A new concept of a scavenging air cooling system using LNG cold energy for ships with the ME-GI engine, a two-stroke high-pressure LNG fuel engine is proposed and the optimum conditions for SFOC and emission will be considered in this study.|1893년 루돌프 디젤과 MAN사에 의해 최초의 디젤 엔진이 제작된 이래로 선박용 엔진의 주 추진기관으로 자리 잡게 되었으며, 점차 대형화, 고출력화 됨에 따라 디젤 엔진에서 배출되는 대기오염 물질에 대한 문제가 대두되기에 이르렀다. 이에 따라 국제해사기구(IMO)는 이를 감축하기 위한 각종 규제들을 협의하고 발효하였는데, 이는 선박의 디젤 엔진에서 발생하는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 온실가스(GHG : Green House Gas)인 이산화탄소의 배출을 감축하기 위한 조치로서 각 선박들은 이를 만족하기 위한 대책을 마련하여야 했다. 그중 가장 현실적이고 실질적인 방안이 대체 연료의 사용이다. 선박용 중유 대신 내연기관의 가동을 위한 대체 연료를 개발하고 이에 맞는 기관을 개발함으로써 오염물의 배출을 감축할 수 있었다. 이에 엔진 개발사들은 LNG나 LPG 및 에탄가스, 메탄올 등을 연료로 사용할 수 있는 기관을 개발하였으며, 암모니아나 수소와 같은 연료도 대체 연료로 사용할 수 있도록 연구를 진행하고 있다. 여러 대체 연료 중 LNG 연료는 일찍부터 액화 상태로 수송해 왔기 때문에 추진 기관의 연료로써 사용되어 왔는데, 대부분이 간접 추진을 위한 연료로 사용되어 왔기에 효율을 높이기 위한 기술 개발이 진행되어 왔으며, 2014년에 들어 직접 추진 기관의 연료로 사용되기에 이르렀다. 전 세계 첫 2행정 LNG 추진 기관인 ME-GI 엔진은 디젤 사이클이 적용된 고압 LNG 기관으로써 LNG 연료를 300 bar의 고압으로 압축하여 파일럿(Pilot) 유와 함께 분사하여 연소시킨다. 이후 LNG를 15 bar 내외의 저압으로 압축 후 연소실 내 소기와 함께 공급하여 압축 및 연소시키는 오토 사이클의 저압 LNG기관인 X-DF 엔진과 ME-GA 엔진이 개발되었다. 디젤 사이클과 오토 사이클 기관은 LNG의 연소 방법이 다르기 때문에 이로 인한 배출가스의 특성 및 필요한 구성품도 달라지며, 그렇기 때문에 각 선박에 특성 및 목적에 따라 적용되는 기관이 달라진다. 그러나 LNG를 2행정 기관에서 적절하게 연소시키기 위해서는 기관의 종류와 관계없이 가열과정이 필요한데, 이는 모든 LNG 연료 기관이 필요로 하는 연료의 온도가 약 45℃ 정도 되기 때문이다. 2020년 전체 신조 시장에서 약 30%를 차지한 LNG 연료 기관은 2035년까지 약 50%를 차지할 것으로 판단이 된다. 이에 본 연구에서는 LNG 연료를 2행정 기관에서 연소하기 위한 연료의 가열과정에서 무의미하게 버려지는 LNG 냉열을 활용하여 소기의 냉각에 사용코자 하였다. 소기는 기관의 효율에 밀접한 관계가 있는데, 이는 비단 압력뿐 아니라 온도도 마찬가지이다. 낮은 소기 온도는 공기 내 수분이 탈수되도록 도와주며, 낮은 밀도로 인한 연소의 효율을 증대시켜 기관의 효율이 개선되는 결과를 가져온다. 이를 위해 2행정 고압 LNG 연료 기관인 ME-GI 엔진을 사용하는 선박을 대상으로 LNG 냉열을 이용한 소기 냉각 시스템을 제안하며, 이를 통해 소기 온도를 단계적으로 조정하고 이에 따라 연료 소모량과 기관의 배출가스를 분석하여 최적의 조건을 찾고자 한다.