MAN, ME-GA System

ME-GA 엔진은 이중 연료 모드에서 천연 가스(메탄)로 작동합니다.

 

Fuel Gas Specification

천연 가스는 주로 메탄(CH4)과 에탄, 프로판과 같은 고탄화수소(higher hydrocarbons)로 구성된 탄화수소 가스 혼합물입니다. 천연 가스의 조성은 전 세계적으로 다양하지만, ME-GA 엔진은 다양한 가스 품질로 작동이 가능합니다.

액화과정에서 천연가스는 –162℃까지 냉각된 후 LNG로 벙커링(bunkering)됩니다. 

선박 연료 탱크에서 LNG는 주위로부터의 불가피한 열 유입에 의해 질소(N2) 및 메탄과 같은 가벼운 화합물을 기화 시켜, 시간이 지남에 따라 성분(Composition)과 성질(Property)이 변하게 됩니다. 일반적으로 이 과정을 Fuel aging이라고 하며, 생성된 가스를 증발 가스(BOG)라고 합니다.

 

Fuel supply to the Engine

FGSS는 분리된 가스 밸브 유닛(GVU)에 의해  low pressure gas를 엔진 연료 가스 어드미션 시스템으로 공급합니다.

ME-GA 엔진은 두 개의 fuel oil injection system 을 가지고 있으며 액체 연료 모드로 작동하기 위한 메인 시스템과 가스 모드로 작동하기 위한 별도의 파일럿 오일 시스템을 가지고 있습니다.

파일럿 오일 연료는 0.5% VLSFO 또는 MGO/MDO입니다. 연료 오일 모드에서의 작동에 대한 주요 시스템은 기존의 ME-C 엔진에 사용되는 시스템과 유사합니다. 두 시스템에 대한 공통 연료 오일 공급은 시스템의 복잡성을 감소시킵니다.

전용 파일럿 밸브인 마이크로 부스터 분사 밸브(MBIV, micro booster injection valve)는 당사의 다른 액체 연료 연소 엔진에서 알려진 기존 연료 부스터 분사 밸브(FBIV, fuel booster injection valve) 설계를 기반으로 ME-GA 엔진용으로 개발되었습니다.

MBIV는 연료 오일 공급 및 준비 장비를 주 연료 오일 인젝터와 공유하지만 엔진에서는 주 인젝터와 파일럿 오일 시스템 사이에 분리됩니다.

 

연료 오일 모드 및 이중 연료 모드에서 작동하기 위한 주요 서브시스템은 다음과 같습니다:

–  Fuel gas supply system 및 on-engine fuel gas admission components

– fuel oil mode로 작동하기 위한 Main fuel system 및 파일럿 오일 공급을 위한 Main fuel system (기존 ME  fuel oil system)

– 안전 가스 승인 밸브(SGAV, safe gas admission valves) 작동을 위한 제어 오일

– 오일을 씰링하여 가스를 분리하고 오일을 제어합니다.

 

Unique on-engine gas admission concept

 

MAN Energy Solutions는 ME-GA 엔진 설계를 위한 독특한 엔진 가스 승인 개념을 개발했습니다.

 

– Double-walled gas supply pipe
– Gas-regulating unit (GRU) on engine을 통해  부하 변화(load changes) 및 성능 조정(performance adjustments)에

   신속하게 대응 가능
– Double safety barrier with safe gas admission valves in the liner
– 세 개의 서멧 코팅된 피스톤 링과 균일한 압력 강하를 가진 강력한 피스톤 링 팩
– 단순한 메탄 공급 및 퍼지 개념으로 설치 비용 최소화

 

가스 어드미션 시스템은 최저 비용으로 안전하고 안정적인 작동을 가능하게 합니다. ME-GA 엔진은 기존의 이중 연료 엔진 플랫폼에서 가장 성공적인 컨셉의 일부를 특징으로 합니다.

엔진의 어드미션 시스템에는 각 실린더 라이너에 가스 조절 장치, 최적화된 가스 배관 배치 및 안전 가스 어드미션 밸브가 포함되어 있습니다.

 

그림은 실린더에 메탄을 공급하기 위해 엔진에 장착된 주요 연료가스 구성요소를 보여줍니다.

그림1. Components on the ME-GA engine: Nitrogen purge block, SGAV, and GRU

1. 메탄 공급 배관과 실린더 사이의 실린더 각 면에 SGAV 설치
2. GRU는 시스템의 감압을 용이하게 합니다
3. Nitrogen purge block은 이중벽 배관의 내관에 대한 N2 퍼지를 제어합니다

 

FGSS에서 나오는 메탄은 main supply pipe를 통해 GVU로 전달됩니다. GVU에서 메탄은 이중 벽 파이프를 통해 엔진에 장착된 GRU로 이어집니다. GRU는 실린더의 압력을 극복하기 위해 메탄 압력을 조절합니다.

엔진제어시스템(ECS, engine control system)과 PMI는 완전 자동화된 프로세스에서 성능에 따라 조절을 제어하며, 마지막으로 메탄은 각 실린더의 SGAV(Safe gas admission valves)로 분배되고 이에 따라 연소실로 유입됩니다.

각 SGAV에는 윈도우 밸브와 GAV(Gas Admission Valve)가 포함되어 있습니다. 연료 배관은 연료 어큐뮬레이터 볼륨이기도 합니다. 씰링 오일은 윈도우 밸브와 GAV에 공급되어 제어 오일과 연료를 분리합니다.

 

배관 설계는 가스 동역학적 측면에서 실린더 유닛들을 서로 분리하고 엔진 부품들 간의 유연한 연결로 작용하는 compensator를 포함하는 가스 파이프를 포함합니다.

SGAV, Safe gas admission valves 란?

실린더 라이너에 설치된 SGAV는 독특하고 간단한 부품으로 개발되었습니다.

실린더 내 연료가스 누출에 대한 최고의 안전성과 최적의 연료가스 출입조건을 모두 제공합니다.

– 엔진에 SGAV 장착
– compensator를 통해 각 SGAV에 공급되는 연료 가스 
– 정비(overhaul)를 위한 최대 공간

SGAV는 엔진의 작동에 있어 중요하고 결정적인 요소이며, SGAV의 설계는 공기와 연료의 혼합에 강한 영향을 미치며, 이는 성능, 사전 점화 책임 및 구성 요소 온도에 영향을 미칩니다.

 

SGAV는 윈도우 밸브와 GAV가 한 유닛에 포함되어 있으므로 실린더 내 연료 누출에 대한 안전성이 높습니다.

윈도우 밸브는 몇 가지 안전 기능을 가지고 있는데, 이것은 GAV로 연료 가스 공급을 차단합니다. 단, 타이밍 윈도우가 열리고 GAV로 연료 가스가 공급되도록 합니다.

이렇게 하면 연료 가스 유입이 허용된 타이밍 윈도우 밖에서는 이루어질 수 없기 때문에 타이밍에 맞지 않는 연소를 방지할 수 있습니다. 또한, 동일한 목적으로 GAV의 작동을 위한 유압 공급 장치를 연동합니다.

윈도우 밸브는 카트리지 타입의 밸브로, 스핀들과 스핀들 가이드가 구비되어 있으며, 스프링이 윈도우 밸브를 폐쇄하고, SGAV 하우징에 배치된 제어 밸브가 윈도우 밸브를 작동시킵니다.

GAV는 또한 스프링에 의해 강제적으로 폐쇄되는 카트리지 타입의 밸브입니다. 윈도우 밸브의 스핀들은 시트에 대해 단단히 밀봉됩니다. 하우징에 배치된 별도의 제어 밸브가 GAV를 작동시키고 스핀들은 시트에서 들어옵니다.

SGAV 설계는 밸브 자체를 쉽게 정비할 수 있는 여지와 함께 엔진 상부에 정비할 수 있는 최대 공간을 제공합니다.

유압식 가스 압력 조절 밸브는 ME-GA 엔진과 GSS의 간단하고 쉬운 설치를 달성하기 위해 개발되었습니다.

ECS(Engine control system)는 GRU(Gas-regulating unit)를 제어하며, 이는 공급 시스템의 제어를 위한 요구사항을 단순화합니다. GRU는 가스 도입 지점에 가까운 엔진 상의 위치로 인해 부하 변화에 신속하게 대응하고 성능을 조정할 수 있습니다. 또한, GRU는 전용 송풍 배관 없이도 시스템의 감압을 용이하게 합니다.

GVU, Gas Valve Unit 란?

GVU는 ME-GI 엔진용 가스 밸브 트레인(GVT)과 유사하지만, 더 낮은 연료 공급 압력에 적응되어 있어 단순화를 의미하기도 합니다. 그림 1은 FGSS, GVU, on-engine GRU 및 SGAV를 포함한 ME-GA 엔진의 연료 가스 공급을 위한 주요 구성 요소를 보여줍니다.

GVU의 목적은 엔진 공급 라인에 메탄을 허용, 정지 및 배출하는 것입니다. GVU를 엔진룸 외부에 배치함으로써, 예를 들어 데크에 배치함으로써, 환기 시 모든 파이프를 포함하여 가스가 없는 엔진룸을 가질 수 있습니다. ECS는 GVU의 모든 기능을 제어합니다.

 

GVU의 주요 이점:

– 두 가지 다른 구성 : single walled or encapsulated
– 두 구성 모두 엔진룸 외부에 설치할 수 있으므로 엔진룸의 값비싼 코퍼댐 박스를 피할 수 있습니다
– GVU 전반에 걸쳐 압력 손실을 최소화할 수 있는 밸브를 장착함으로써 흐름이 최적화되었습니다
– 비용 효율적인 설치와 간편한 유지보수는 단순하고 잘 설계된 컴팩트한 설계를 통해 가능합니다.

GVU의 이점은 모두 GRU의 on-engine position와 연료 가스 시스템 감압을 위한 바이패스 시스템으로 인해 가능합니다.

Nitrogen purge block 이란?

ME-GI Mk. II 엔진의 안전성 및 질소 퍼지 개념은 유익한 특징의 도입과 함께 ME-GA 엔진에 적용되었습니다.

가장 중요한 것은 공급 및 퍼징 개념이 단순성과 쉬운 유지보수에 중점을 두고 설계되었다는 점입니다.

연료 가스 압력의 방출은 양방향 유동이 있는 한 개의 이중 벽 파이프 설치를 통해 이루어집니다(그림 9 참조). 이를 통해 전용 퍼징 파이프가 필요 없으므로 설치 비용이 최소화됩니다.

 

Fuel ratio control

일반적인 엔진 작동 조건 이외에도 FRC(Fuel Ratio Control) 기능을 활성화하여 엔진 성능을 제어할 수 있습니다.

출력과 토크의 한계를 연장하는 효과적인 방법은 이러한 작동 조건에서 연소에 액체 연료를 추가하는 것입니다. 이를 위해 MAN Energy Solutions는 FRC를 엔진 제어 시스템의 통합 부품으로 개발했습니다.

 

hot ambient conditions뿐만 아니라 메탄 수치가 낮은 연료 가스는 pre mixed 가스 연소 개념, 특히 rich operating conditions의 고부하(high load) 상태에서, 엔진 출력에 대해 고유한 문제를 제기합니다.  표의 LNG 사양들을 참조하십시오.

 

FRC (Fuel Ratio Control) 작동을 유발할 확률이 가장 높은 작동 조건은 다음과 같습니다:

- Heavy acceleration (급가속)
  엔진 작동을 토크 한계로 밀어낼 수 있으며, 스캐빈저 공기압과 엔진 부하 간의 불일치를 초래할 수 있습니다.

- Adverse weather conditions (악천후)
  엔진 작동을 토크 한계로 밀어낼 수 있으며, 스캐빈저 공기압과 엔진 부하 간의 불일치를 초래할 수 있습니다.
- 메탄 수치가 낮아 노킹 연소가 발생할때
- 높은 주변 온도와 높은 청소 공기 온도가 결합될 때

ME-GA 엔진은 정상적인 주행 조건에서 FRC 활성화가 발생하지 않도록 설계되었으며, 이는 EGR이 연소 튜닝의 통합 부분이기 때문에 예혼합된 Otto 엔진에서도 가능합니다.

 

EGR은 연소 안정성과 관련하여 많은 이점을 제공하며, 이는 EGR이 없는 오토 사이클 엔진이 연소 프로세스를 안정화시키기 위해 FRC를 활성화하는 시나리오에서 FRC의 활성화를 크게 줄이거나 제거합니다.

Piston ring package ensures even pressure distribution 

ME-GA 엔진에 지정된 피스톤 링 팩은 3개의 링 팩 설계로, 기존 G70 엔진에서 수백만 번의 주행 시간을 누적했습니다.

피스톤 링 설계는 압력을 링 전체에 균일하게 분배하는 압력방출 홈을 가지고 있으며, ME-GA 엔진의 광범위한 시험과정에서 피스톤 크라운과 피스톤 링 성능을 확인하였습니다.

 

경험을 통해 링 팩 설계가 링 붕괴에 강하며 링 홈의 퇴적물 축적을 줄여준다는 것을 확인할 수 있었습니다.

퇴적물의 축적도 실린더 윤활 오일의 세정성에 덜 의존하지만 퇴적물의 축적과 피스톤 및 피스톤 링 성능의 교란을 방지하기 위해 항상 세정성 수준이 높은 실린더 윤활 오일을 사용하는 것이 중요합니다.

MAN Energy Solutions는 LSFO 작동 시와 동일한 실린더 윤활유 전략을 ME-GA 엔진에 사용할 것을 권장합니다.

또한 서비스 경험을 통해 피스톤 크라운 및 피스톤 링의 설계가 지침 값 내에 있는 오버홀 간격을 제공한다는 사실을 확인할 수 있습니다.