아래 그림의 개략적인 개요는 Otto Cyle에 기초한 IC 엔진에서의 프로세스를 보여줍니다. 오토 사이클 프로세스에서는 피스톤이 Bottom Dead Centre (BDC)를 향해 아래쪽으로 팽창 운동을 수행할 때 scavenge air가 실린더로 유입됩니다.
다음으로, 가스 어드미션(Gas admission) 밸브는 피스톤이 실린더의 위쪽으로 이동할 때 연료 가스를 허용하고, 파일럿 오일은 미리 혼합된 공기/연료 가스 혼합물을 점화(Ignition)시키고, 연소(Combustion)가 시작됩니다.
Otto & Diesel cycle 과 관련된 엔진의 성능차이
디젤 사이클 엔진과 비교하여, 오토 사이클 엔진 특성 중 하나는 엔진 출력의 한계입니다.
압축 행정 중에 실린더 내에서 연료 가스와 공기가 혼합되면 miss fire 및 공기/연료 가스 혼합물의 사전 점화(pre-ignition) 위험이 증가하며, 사전 점화의 위험은 압력과 온도가 점화를 도울 수 있는 엔진의 Swept volume 전체에 연료 가스가 섞일 때 증가합니다.
연소 안정성을 크게 향상시키기 위해, 폭이 좁은 engine-operating window가 도입될 수 있으며, engine-operating window를 통해 연소 프로세스, 특히 공기/연료 가스 비율을 안정적으로 제어할 수 있습니다.
윈도우는 압축비2와 평균 유효 압력(mean effective pressure)을 감소시켜 pre-ignition (or knocking)를 방지하며, 이로 인해 디젤 사이클에 비해 열 효율이 떨어집니다.
연소 및 최대 압력이 감소하고 이는, 열역학적으로 최대 출력과 엔진 효율에 영향을 미칩니다.
또한 연소의 최고 온도가 낮아져 NOx 형성이 낮아집니다. NOx 형성은 NOx 방지 기술 없이도 이중 연료 모드에서 IMO Tier III를 준수할 수 있을 정도로 낮아집니다.
그러나 2세대 오토 사이클 엔진의 경우 EGR은 엔진 튜닝에서 필수적인 부분으로서 성능을 개선하고 메탄 배출을 줄입니다.
Brake mean-effective pressure (BMEP) : 측정된 브레이크 토크, 크랭크축에서 내연 엔진의 실제 출력을 통해 계산된 이론적 매개 변수
압축비 : CR = (V + C)/C 공식으로 압축비(CR)를 계산합니다. 여기서 V는 실린더의 작동 부피, C는 실린더의 총 가용 부피
MAN B&W ME-GA 엔진은 기본적으로 이중 연료 모드에서 Tier III를 준수하며, NOx 방지 기술인 EGR의 혁신적인 통합으로 연료 오일 모드에서도 Tier III 준수 작동이 보장됩니다.
EGR 설계의 기본은 터보차저 터빈의 업스트림에 있는 컴팩트한 개념이며, EGR 시스템은 exhaust gas receiver와 scavenge air receiver 사이에 장착됩니다.
EGR은 디젤 엔진과 오토 엔진 모두에서 NOx 형성을 줄일 수 있습니다. 연료 가스로 작동하는 오토 엔진의 경우 이미 Tier III를 준수하기 때문 NOx 형성을 줄이는 것은 필수적인 것은 아닙니다.
EGR 프로세스에서는 재순환되는 배기 가스에서 나오는 CO2가 scavenge air의 산소 일부를 대체합니다. 이 교체는 산소 함량을 감소시키고, scavenge air의 열 용량을 증가시켜 연소의 온도 피크와 NOx의 형성을 감소시킵니다.
무엇보다도, EGR을 통해 연료 오일 모드의 성능을 최적화할 수 있습니다. NOx 배출이 더 이상 제약 조건이 되지 않기 때문이며, 이는 압축비를 높일 수 있는 자유를 제공하며, 엔진 효율에 맞춰 최대 압력을 높일 수 있기 때문에 더욱 중요합니다.
EGR은 ME-GA 엔진에 많은 이점을 제공하며, 가장 중요한 것은 EGR이 이중 연료 모드에서 엔진이 달성할 수 있는 메탄 슬립 및 효율 수준에 상당하고 유익한 영향을 미친다는 점입니다.
EGR 시스템은 ME-GA 엔진이 작동할 때 항상 활성화되며, 이를 통해 사전 점화를 효율적으로 억제하고, 급격한 압력 발생에 따른 과도한 연소율을 감소시키며, 연소실 구성요소(combustion chamber components)에 대한 최대 열부하(maximum heat load)를 감소시킵니다.
EGR 시스템으로 설계된 ME-GA 엔진의 경우, 이 시스템은 모든 엔진 작동 모드에서 적용되는 엔진 튜닝의 통합 부분입니다. 엔진 작동 모드에 따라 재순환되는 배기 가스의 양이 달라지며, EGR 소모품(예: 수산화나트륨(NaOH))의 사용량도 마찬가지입니다. 엔진이 액체 연료 모드일 때 EGR이 가장 높은 속도로 작동하고 연료에 더 많은 황이 존재합니다.
따라서 NaOH의 소비량은 이중연료 방식보다 더 많을 것입니다. 특정 프로젝트의 엔진 종류와 등급을 지정하면, MAN Energy Solutions에서 CEAS(Computerized Engine Application System)에 정리된 보고서에서 NaOH에 대한 EGR 보조 소비량 수치와 전력량을 제공받을 수 있습니다.
연료유 및 이중연료 모드에서 작동하는 EGR과 ME-GA 엔진을 테스트한 결과 EGR이 pre-mixed된 오토(Otto)형 엔진의 연소 과정을 최적화하는 강력하고 효율적인 도구임이 확인되었습니다.
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