크랭크케이스 환기 장치뿐만 아니라 엔진 배기 가스를 통해 배출되는 연소되지 않은 메탄을 '메탄 슬립'이라고 합니다.
점화 및 연소 전에 가스 연료와 공기가 균일하게 혼합되는 오토 연소 과정(Otto combustion process)으로 작동하는 가스 연소 엔진에서 가장 많이 발생하는 현상으로, 이는 미리 혼합된 연료-공기가 스파크 점화(Spark Ignited) 가스 엔진에 의해 점화되는 엔진과 액체 연료 pilot 이 공기-가스 혼합물의 점화를 시작하는 이중 연료(DF) 엔진에 영향을 미칩니다.
MAN Energy Solutions는 2행정 엔진에서 메탄 슬립을 최소화할 수 있는 매우 효과적인 솔루션을 제공하고 있습니다.
ME-GI 2행정 이중연료(DF) 엔진은 디젤 연소 원리로 인해 매우 낮은 수준의 연소되지 않은 메탄이 배출되며, 이렇게 본질적으로 낮은 메탄 슬립은 ME-GI 2행정 DF 엔진에서, 기체 연료(gaseous fuel)가 pilot이 이미 점화된 상태에서 액체 연료 pilot이 작동한 이후, Top Dead Centre(TDC)주변의 압축된 충전 공기에 주입되기 때문입니다.
이를 통해 열 방출이 극대화된 완전하고 매우 효율적인 연소가 보장되며, 배기 밸브가 닫힌 후에만 실린더 안으로 가스 연료가 들어가고 즉시 점화되므로 cylinder scavenging 중에는 메탄이 빠져나올 기회가 없습니다.
*Scavening : 다음 사이클을 위해 내연 기관 실린더의 배기 가스를 신선한 공기/연료 혼합물로 교체하는 과정
따라서 MAN은 2행정 DF 범위에서 메탄 슬립을 최소화할 수 있는 효과적인 해결책을 제시할 수 있으며 ME-GI 엔진의 부하 범위에서 0.20~0.28 g/kWh 범위의 메탄 슬립 수준을 정량화하고 보장합니다.
MAN의 ME-GI 2행정 DF 엔진에서 Direct gas ingection를 통한 디젤 연소로 달성되는 높은 압축비뿐만 아니라 매우 높은 연소 효율(연소의 완전성을 위한 척도)은 더욱 큰 이점을 가지고 있습니다. 이를 통해 연료 소모량을 줄일 수 있으며, 따라서 Otto 연소 및 pre-mixed gas를 받는 DF 엔진보다 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다.
또한, Direct gas ingection ME-GI 엔진은 상업적으로 이용 가능한 모든 LNG 등급에서 매우 안정적인 작동을 달성하며, 이는 최적의 성능을 유지하기 위해 노킹(nocking)이 발생할 수 있고 최소 메탄수가 약 70인 LNG가 필요한 오토 연소 원리로 작동하는 엔진과 대비됩니다.
오염물질 배출 측면에서는, 높은 연소 효율 외에도 ME-GI 엔진의 디젤 연소 프로세스 내에서 높아진 연소 온도는 석유 연료 연소와 거의 동일한 수준의 질소산화물(NOx) 배출을 유발하며, 이는 IMO Tier III 한계 준수를 위해 EGR 또는 SCR 촉매를 사용하여 완화될 필요가 있습니다.
그러나, 이러한 기술은 가스 모드 작동에 제한되지 않고 IMO Tier III 한계를 준수하기 위해 액체 연료 모드에서도 활성화될 수 있으므로 모든 조건에서 완전한 연료 유연성을 제공합니다.
2-stroke DF 엔진에서 발생하는 메탄 슬립을 최소화하기 위해 배기가스의 후처리 사용과 관련하여, 일반적으로 2-stroke 엔진에서 발생하는 배기가스 온도가 너무 낮아서 미연성 메탄과 반응을 일으킬 수 없다는 점을 고려할 때 산화 촉매는 실현 가능성이 없다고 판단되며, 직접 가스 분사가 가능한 MAN의 ME-GI 저속 DF 엔진을 2행정 엔진 시장에서 메탄 슬립에 효과적으로 대처할 수 있는 유일한 실행 가능한 옵션이 되도록 하고 있습니다.
오토 사이클 이중 연료 엔진은 본질적으로 MAN의 디젤 사이클 ME-GI 엔진보다 메탄 슬립이 높습니다. 이를 최대한 최소화하기 위해 MAN은 오토 사이클 ME-GA 엔진에 검증된 배기가스 재순환(EGR) 기술을 사용하고 있습니다.
Solutions for retrofitting to alternative fuels
MAN Energy Solutions는 현재 -GI(LNG), -GIE(에탄), -LGIP(LPG) 및 -LGIM(메탄올) 변종을 포함한 ME-C 엔진의 개조를 위한 다양한 옵션을 제공하고 있으며, 암모니아를 연료로 사용하는 개조 옵션을 제공할 수 있도록 꾸준히 노력하고 있습니다.
4-stroke 에서의 Methane slip reduction
MAN은 이미 메탄 슬립을 상당히 줄일 수 있는 세 가지 방안이 있습니다.
첫째, 지속적인 내부 엔진 설계 및 전자 제어의 개선으로 연소 효율과 그에 따른 연비를 더욱 향상시킬 것이며,
둘째로, 새롭게 개발된 후처리 용액, 즉 산화 촉매는 메탄 슬립을 70%까지 감소시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
셋째, MAN의 2행정 DF엔진에 사용되는 가스 직분사 기술을 4행정 DF엔진에 적용하기 위한 방법을 평가하고 있으며, 이는 메탄 슬립을 90% 이상 감소시킬 수 있는 가능성을 제공합니다.
MAN의 4-stroke SI gas and DF engines은 Otto 연소 과정에서 작동하며, 여기서 점화 전에 가스 연료가 공기와 미리 혼합됩니다. 공기-연료 혼합물은 스파크 플러그 또는 액체 연료 파일럿 분사에 의해 압축되고 점화되며, 따라서 모든 유도 및 압축 행정과 동력 행정의 일부에 대해 실린더 안에 있게 됩니다.
또한, 4행정 엔진은 입구 및 배기 밸브에 대한 가스 교환에 훨씬 더 많이 의존하기 때문에, 오토 프로세스에서는 가스 연료가 연소를 회피할 수 있는 기회가 증가합니다.
중요한 attack line은 입구(inlet)와 배기 밸브 입구(exhaust valve openings)의 겹침과 가스 유입 시기를 감소시키는 것을 중심으로 합니다.
밸브 오버랩은 실린더를 "scavenge"(즉, 배기 가스를 charge air또는 공기/연료 혼합물로 대체)하기위해서 흡기 및 배기 밸브가 모두 열려 있는 4행정 엔진의 흡기 행정(inlet stroke) 동안 피할 수 없는 기간을 생성합니다.
오토 가스 작동에서 이러한 중복을 최소화하면 공기/가스 혼합물이 배기 포트에 도달할 수 있는 시간이 단축되는 반면, 입구 포트의 전기 제어 밸브에서 가스가 유입되는 타이밍과 기간을 면밀히 제어하면 배기 밸브 개방 중에 가스가 실린더에 유입될 수 있는 시간이 정확하게 제한됩니다.
Aftertreatment
산화 촉매("oxicat")는 배기 가스 온도가 적절하지 않기 때문에 2행정 엔진에는 선택 사항이 아니지만, 4행정 엔진 배기 가스에서 미연소 탄화수소 및 일산화탄소를 제거하는 잘 확립된 기술입니다.
MAN의 4행정 SI 및 DF 엔진에서 나오는 배기가스 온도는 메탄 슬립의 산화를 가능하게 하기에 충분하며, SI 및 DF 가스 엔진용 메탄 산화 촉매를 개발하는 것이 목표입니다. MAN Energy Solutions는 이미 2017년에 옥시캣 개발을 시작했으며 엔지니어들은 70%의 메탄 슬립 감소로 실험실 테스트에서 큰 발전을 이루었습니다.
옥시캣의 특별한 과제는 배기 밸브 개방 중에 터보차저, 실린더보다 먼저 엔진에 촉매를 통합해야 한다는 것입니다.
엔진 구조 측면에서 성공적인 접근 방식은 연소실의 "틈새 부피"를 줄이는 것입니다. 즉 연소 중에 화염 횃불에 닿지 않는 연소되지 않은 가스 주머니가 갇힐 수 있는 영역입니다.
스파크 점화 가스 엔진에서 피스톤의 "탑 랜드(top land)"를 예로 들 수 있습니다.
이것은 피스톤 크라운 상의 탑 피스톤 링 위의 영역입니다. 피스톤 링의 위치를 상승시켜 탑 랜드의 높이를 감소시킴으로써, 관련된 틈 부피를 감소시키고 연소 효율을 증가시킵니다.
가장 최근, MAN은 실린더-압력 모니터링 및 실린더-압력 기반 연소 제어를 가능하게 하기 위해 실린더 내 연소 압력 센서를 포함하고 강화된 연소 제어를 사용하여 메탄 전환의 최적화를 다루었습니다.
부품 부하 운전에서 실린더 차단의 이점도 활용되고 있으며, 이와 동시에 MAN사의 4행정 가스 엔진의 연소 과정의 개선으로 연비 또한 크게 향상되고 있습니다.
배기 가스 온도의 변화는 제어 공학적 측면에서 특별한 도전 과제를 나타내기 때문에 배기 가스가 더 뜨거운 곳에서 MAN은 2023년에 선박에 첫 시범 설치를 시작할 것입니다. 그리고 전체 테스트 후에 회사는 대략 2025년경에 널리 사용 가능한 메탄 슬립 감소를 위한 주요 기술 솔루션으로 산화 촉매를 기대하고 있습니다.
MAN사의 ME-GI 2행정 가스엔진에 사용되는 가스 직분사 기술은 4행정 DF엔진에도 적용되어 디젤 연소 원리로 전환될 수 있습니다.
이 단계를 통해 실린더 전하가 미리 혼합된 Otto 가스 엔진에 비해 90% 이상으로 추정되는 메탄 슬립을 더욱 줄일 수 있을 것으로 추정됩니다.
2행정 DF 엔진인 ME-GI에서처럼 가스 연료는 디젤 연료 파일럿과 함께 상사점 부근의 압축된 차지 공기에 주입됩니다. 이렇게 되면 4행정 실린더 청소 과정에서 메탄이 빠져나올 여지가 남지 않습니다.
이에 따라 MAN의 엔지니어들은 이미 4행정 가스 엔진에 직접 가스를 주입하는 것의 타당성을 평가하고 있으며 시장이 요구할 때 이 기술을 적용할 수 있을 것입니다.
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