선박용 디젤엔진에서 이단지연분사에 따른 배기 배출물 저감에 관한 실험 연구

1.1 선박기인 질소산화물 배출에 관한 국제동향

1997년 9월 26일 MARPOL73/78(선박으로부터 오염방지를 위한 국제협약)의 당사국 회의는 “회의 결의서 2”로 선박용 디젤기관의 질소산화물(NOx) 배출제어에 관한 기술코드(NOx Technical Code)를 채택하였다. MARPOL Annex Ⅵ(선박으로부터 대기오염방지를 위한 규칙)이 2005년 5월 19일 발효됨에 따라 부속서의 제13규칙이 적용되는 각 선박용 디젤엔진은 이 코드의 조항들에 따라야 하며 단계적으로 강화되는 질소산화물 배출 제한치를 만족시켜야 한다[1].

2008년 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 해양환경보호위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee)는 선박의 엔진 설치일을 기준으로 2016년부터 배출통제구역(ECA, Emission Control Areas)을 통항하는 선박에 대해 Tier Ⅲ 요건을 도입하여 선박 질소산화물 배출 기준을 강화하기로 결정하였다.

2013년 5월에 개최된 MEPC 65차 회의에서 러시아가 중심이 되어 장비와 기술, 비용 장벽에 관한 우려를 이유로 MARPOL Annex Ⅵ의 13.5.1.1 규칙에 규정하는 NOx Tier Ⅲ의 적용일을 2016년에서 2021년으로 유예하자는 수정(안)을 제안하였으나, 최근에 개최된 2014년 4월 MEPC 66차 회의에서 선박의 질소산화물 배출 규제 3단계 Tier Ⅲ를 2016년 1월 1일부터 시행하자는 기존(안)을 만장일치로 승인하였다[2][3].

이에 따라 2016년 1월 1일부터 배출제한지역(ECA)인 북미연안 및 카리브해에서 운항하는 출력 130 kW 이상의 디젤 엔진이 장착된 선박은 TierⅠ 대비 질소산화물 배출량의 80% 이상을 저감해야 한다.

현재 ECA 지역으로 지정된 미국을 운항하는 선박의 선복량은 전 세계 운항선박의 30%가 넘으며, 앞으로 지정될 ECA 지역이 유럽, 호주, 일본 등으로 확대 될 예정이다. 또한 세계 신조선 건조량이 3,600척이 넘으며, 30% 정도만 헤아려도 매년 1,080척 이상이 ECA 지역을 운항하는 선박으로 건조되고 있다. 또한 세계 105,004척의 선복량을 감안 했을 때 3만척 이상의 선박이 ECA 지역을 통행하고 있는 것으로 볼 수 있다.

게다가 질소산화물로부터 형성된 오염 물질들은 장거리를 이동하는 특징이 있어서 질소산화물과 결합된 문제들이 질소산화물을 배출한 지역에 한정하지 않고 전혀 엉뚱한 다른 지역에 큰 피해를 주고 있는 것이다. 이와 같이 질소산화물에 의한 피해는 지역적으로 국한되는 문제가 아니므로 질소산화물을 억제하기 위해서는 발생 지역의 원인에 집중하는 것에서 나아가 전 세계적인 배출 저감 노력이 필요하다. 하지만 이와 같은 노력이 진행되고 있음에도 불구하고 현재 질소산화물의 배출은 꾸준히 증가하는 추세이다.

1.2 연료분사제어를 통한 질소산화물 배출 저감법

디젤엔진은 연소실 내에 불균일한 혼합기를 형성함으로 인하여 연소과정 중에 국부적인 고온영역이 발생되는 연소특성을 가지고 있으며 이와 같은 특성은 유해 배기가스인 질소산화물을 다량으로 발생시키는 문제점을 가지고 있다[4].

현재까지 디젤엔진의 주요한 유해 배출물인 질소산화물 배출 저감 방법으로 흡입공기냉각, 연소실 최적화 설계, EGR,SCR, 연료분사제어 등이 연구되어 왔으며, 최근의 동향은 가스를 연료로 하는 엔진을 이용하여 EGR, SCR 등의 배기가스 후처리 기술을 적용함으로써 질소산화물의 배출량을 엄격한 배기규제에 만족시키는 것이다[5]. 그러나 이들 후처리 기술만으로 앞으로 더욱 강화되는 배기규제를 만족시키기에는 비용 및 기술적 측면에 어려움이 있다. 따라서 엔진 연소 단계에서 질소산화물 배출량 저감을 실현할 수 있는 연소 기술에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어져야 하며, 정밀한 연료분사제어 등의 기술이 신 연소 기술의 실현에 중요한 요소로서 인식되고 있다.

현재 선박용 디젤엔진의 연료분사에 있어서 널리 이용되고 있는 전자제어 방식의 장점은 연료공급, 분사시기 및 횟수 등의 연료분사 조건을 더욱 유연하게 적용할 수 있는 점이다[6]. 이를 이용한 연료의 이단분사 혹은 지연분사 기법은 엔진 연소실의 압력과 온도를 낮추어 줌으로써 질소산화물 배출량을 감소시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

본 연구는 상기의 신 연소 기술 실현의 일환인 이단지연분사를 적용한 실제 운항중인 선박용 디젤엔진에서 배출된 배기가스를 계측한 데이터를 바탕으로 운전 및 분사 조건별 연소특성 및 배기특성을 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 한다. 이는 선박용 전자엔진으로부터 실측한 배기 데이터를 제공함으로써 운전 및 분사 조건에 따라 발생량이 변화하는 유해 배기 배출물의 저감기술 선택에 매우 유용한 자료가 될 뿐만 아니라 다가올 더욱 강력한 환경규제에 선제적으로 대응할 수 있는 의미 있는 연구라고 생각한다.

2.1 측정 대상 선박의 개요

측정 대상 선박인 한바다호는 204명의 학생을 동시 수용 및 교육 가능한 동양 최대 규모의 실습선으로서 2005년 12월 STX shipyard로부터 인수되어 한국해양대학교에서 운영 중에 있으며 연간 약 120일 정도의 운항을 수행하고 있고 엔진의운전시간은 약 8,000시간을 기록 중이다.

Table 1은 한국해양대학교 실습선 한바다호의 실물 이미지와 주요 제원을 타나낸 것이다[7].

Table 1:

General Particulars of T/S HANBADA

한바다호의 주기관은 MAN Diesel & Turbo 사의 6L42MC/ME 엔진이 탑재되어 있으며 세계 유일의 MC(기계식) & ME(전자식) 이중(dual) 제어 방식을 채택하고 있다. 즉, 기계식 캠 구동(MC) 엔진으로도 운전이 가능하고 필요에 따라 관련 배관 및 프로그램을 변경하여 전자제어(ME) 엔진으로도 운전이 가능하다. 또한 전자제어 모드에서는 economy control(단일분사)와 emission control(이단지연분사) 두 가지 방법의 연료분사 조건을 선택할 수 있다.

잘 알려진 바와 같이 기존의 캠 구동 엔진에서는 100 % 혹은 90 % 등의 지정된 한 포인트에서만 연소가 최적화되었기 때문에 상대적으로 저부하 혹은 부분 부하에서 운전성능 및 연소효율이 나빠지는 단점이 있었다. 전자제어 엔진에서는 각 부분 부하에 적합한 연료 분사 및 배기변 개폐 시점을 컴퓨터 프로그램에 의해 정확히 제어해줌으로써 사용자에 의해 타이밍 조정이 가능하여 부분 부하에서도 최적의 연소가 가능하게 해준다. 이외에도 전자제어 엔진의 장점으로는 연료 소모량의 감소, 배기가스 상태의 개선, 실린더 오일 절감, 운전의 편의성 등이 있다[8].

Figure 1, 2는 실제 한바다호 신조 후 시운전 시에 75 % 부하에서 기계식 & 전자식 제어를 할 경우 각각의 실린더 압력 계측 자료를 도식화하여 비교한 것으로 기계제어 방식에 비해 전자제어 모드일 경우 각 기통의 압력이 편차 없이 고르게 나타나며 약 10 % 가량 실린더 압력이 증가한 것을 볼 수 있다.

Figure 1:

Cylinder pressure of the mechanical control mode at 75 % load

Figure 2:

Cylinder pressure of the electronic control mode at 75 % load

2.2 측정 장비

최대폭발압력(P-max)과 평균유효압력(MEP)은 MAN Diesel & Turbo 사의 PMI-Online system으로부터 계측하였다. 가스 분석기는 Testo 350-XL을 이용하였으며, Table 2에 실험에 사용된 분석기 상세를 나타내었다.

Table 2:

Specifications of the Gas Analyzer (Testo 350-XL)

2.3 측정 방법

한바다호 주기관 배기 배출물 측정은 2014년 3월 한바다호가 한국해양대학교 실습선 부두를 출항하여 목포항까지 왕복 항해하는 동안 진행되었다.

실험에 사용된 연료유는 bunker-B(LRFO 3.0 %)이고 연료유의 상세를 보다 정확히 알기 위하여 한국석유관리원 석유기술연구소에 성분분석을 의뢰하였으며 그 결과는 Table 3과 같다.

Table 3:

Fuel oil specifications

엔진은 전자제어 모드에서 운전되었으며 분사 시스템은 economy control, emission control의 두 가지 방법으로 제어하였고, 기관 회전수를 100 rpm, 120 rpm, 150 rpm, 160 rpm의 구간으로 나누어 NOx, CO 및 CO₂의 배출량을 측정하였다.

2.4 연료분사제어

디젤엔진에서 주를 이루는 질소산화물은 열생성 질소산화물(thermal NOx)이고, 이 열생성 질소산화물의 생성을 지배하는 요인으로는 실린더의 높은 폭발압력에서 기인하는 높은 연소온도이다. 따라서 일반적으로 NOx 생성은 연소온도에 크게 의존한다고 할 수 있으며, 연소 단계에서의 NOx 저감 기술은 연소온도를 낮추는 것이 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다. Figure 3에는 연료분사를 통해 연소온도를 낮추어 NOx를 저감시키고 확산연소기간을 짧게 하여 PM을 저감시키는 연료분사제어의 기본기술을 나타낸다.

Figure 3:

Reduction principle of emissions by improving combustion

Economy control은 일반적인 전자엔진의 연료분사와 같이 최적의 타이밍에 연료를 단일분사 하는 방법으로 경제적인 이득에 초점을 둔 운전 모드이고, emission control은 NOx 배출규제에 대응하기 위한 친환경(저 녹스) 운전 모드라고 할 수 있다. Emission control의 NOx 저감 원리는 연료분사제어를 통해 연료분사를 이단으로 나누고 주분사를 지연시키는 이단지연분사를 함으로써 실린더 내의 압력을 낮추어 연소온도를 떨어뜨리고 궁극적으로 NOx를 감소시키는 것이다.

Figure 4, 5는 MAN B&W 7S50ME-C 엔진의 75 % 부하에서 economy control과 emission control의 모드 변환에 따른 각각의 실린더 압력의 변화 및 연료분사형상을 나타낸다. 이 경우 emission control에서 30 bar 정도의 P-max를 떨어뜨리는 효과가 있고, 약 60 % 까지 NOx 저감효과를 가져오는 것으로 알려져 있다.

Figure 4:

Fuel injection profile & cylinder pressure of economy mode on a 7S50ME-C engine at a 75 % load

Figure 5:

Fuel injection profile & cylinder pressure of emission mode on a 7S50ME-C engine at a 75 % load