2행정 이중 연료엔진의 실린더커버 인코넬 면적 최적 설계에 관한 연구

Abstract

세계 무역 활성화에 따라 물동량과 운송량 증가로 선박연료 연소 후 배출되는 오염물 질, 즉 선박 배출가스로 인한 대기오염 및 온실가스 또한 급격히 증가하여 해양 환경문 제가 대두되고 있다. IMO(International Maritime Organization)는 해양 환경규제를 제 정하여 선박 연료의 연소에 의해 발생되는 대기오염 저감에 대한 협약을 전 세계 선박에 적용하고 있다. 황산화물과 질소산화물 배출가스 기준 강화에 따라 이를 저감할 수 있는 친환경 연료를 주 동력원으로 사용하는 엔진이 주목받고 있다. 친환경 연료 중 메탄이 주 성분인 천연가스를 2차 동력원으로 사용하는 이중연료 엔진은 표 1.3과 같이 기존 석유계 연료 대비 매연과 이산화항 배출이 거의 없고 최대 황산화물 99%, 질소산화물 80%까지 저감 가능하다. 강화된 IMO 환경규제와 NECA(Nitrogen Emission Control Area), SECA(Sulphur Emission Control Area) 지역을 운항하기 위해 이중연료 엔진을 탑재한 선박 발주가 확대되고 있다. 이미 운항 중인 선박 또한 친환경 엔진으로 변경하 여 IMO 환경규제를 만족하기 위한 개조 시장도 점점 확대되고 있다. 이와 같이 세계 각 국의 대형엔진 제조사들의 이중연료 엔진 시장을 선점하기 위한 경쟁이 치열해지고 있다.

본 연구에서는 연소실 내 고온, 고압 연소 환경에서의 실린더커버 인코넬 용접 면적을 최적 설계하여 대형엔진 부품의 성능과 원가 경쟁력 향상을 목적으로 한다. 현재 양산 중인 천연가스 이중연료 엔진을 대상으로, 연소에 따른 실린더커버 열응력을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 통해 해석하고 열응력 분포도에 따른 인코넬 면적을 최적설계 방안을 제시한 뒤 안정성에 대한 검증을 하였다.

오늘날 전 세계 대형엔진의 시장 규모는 2027년 약 17조원에 이를 것으로 전망되며, 친환경 엔진의 시장을 선점하기 위해 엔진 성능 최적화를 통한 원가 경쟁력 확보가 필수 적이다. 이중연료 엔진은 종래의 일반 단일 연료엔진과는 달리 서로 다른 2가지 연료를 선택적으로 사용하여 해상 규제에 대응하는 엔진으로서 선가의 약 10~15% 비중을 차 지하며 이중연료 기술에 따른 대형엔진 원가는 점차 높아지고 있다. 이에 따라 친환경 연료의 연소 특성에 따라 각 엔진 부품의 최적 성능 확보를 위한 설계가 필수적이며, 엔 진 부품의 최적 설계를 활용하면 대형엔진 원가 경쟁력 확보 및 IMO 탄소중립 목표 달 성에 상당한 기여를 할 것으로 판단된다.