LNG를 적용한 선박용 이중연료엔진의 미연소 메탄 배출 개선

Abstract

미연소 메탄의 배출 문제는 천연가스의 주요 성분을 이루는 메탄이 이산화탄소에 비해 매우 강력한 온실가스임과 동시에 엔진의 열효율 저하를 가져온다는 점에서 천연가스를 적용한 이중연료엔진에서 해결해야할 중요한 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 LNG를 적용한 선박용 이중연료엔진에서 가스 파이프의 형상과 밸브 개폐 시기가 가스 교환 과정 중에 발생하는 미연소 메탄 배출량에 미치는 영향을 각 인자 별로 살펴보기 위하여 MAN L28/32DF 엔진에 대한 3차원 전산유체역학 해석을 수행하였다. 이를 위해 대상 엔진의 형상 구조 상에서 유동 해석에 필요한 격자 생성과 그 크기의 영향성 파악 및 Time-Step 크기의 영향성 파악을 통하여 적절한 격자 크기와 Time-Step 크기가 선정되었다. 가스 파이프의 형상에 의한 영향을 파악하기 위하여 가스 홀의 크기와 배치, 분사 방향 조건이 다르게 설정된 16종의 시뮬레이션이 수행되었고, 그 결과 가스 분사 방향이 좀 더 영향력 있는 요소임이 확인되었으며 흡기 유동의 상류를 향하도록 분사 방향을 설정할수록 미연소 메탄 배출량 저감에 효과적임을 알 수 있었다. 또한 흡기 및 배기 밸브의 개폐 시기의 영향을 파악하기 위하여 지각된 흡기밸브열림 전략과 진각된 배기밸브닫힘 전략을 제시하고 진각 또는 지각 정도가 다른 총 9종의 시뮬레이션을 수행하였으며 이를 바탕으로 진각된 배기밸브닫힘 전략이 충진 효율의 심각한 저하 없이 미연소 메탄 배출량을 약 80% 가량 저감할 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다.