The methane slip is the problematic issue for the engines using natural gas. Because methane is more powerful greenhouse gas (GHG) than $CO_2$, understanding of the methane slip during gas exchange process of the engines is essential.
In this study, the influence of the gas injection pipe geometry and the valve timings on the methane slip was investigated. MAN L28/32DF engine was modeled to simulate the gas exchange process of the four stroke natural gas-diesel dual fuel engines. The mesh size of the model was decided based on the sensitivity study on the peak pressure of the cylinder and the fuel mass estimations.
The simulations with various gas injection pipe geometries were conducted. It seemed that the effect of the change in injection direction is more dominant than the change in the gas hole configuration. The favorable injection direction for minimum amount of methane slip was found as the direction which helps developing the flow of methane far from the exhaust ports.
The simulations with various valve timing settings were also simulated. The advancement of the exhaust valve closing was more efficient than the retardation of the intake valve opening. A little retardation of the intake valve opening even resulted in the increase of the methane slip.
미연소 메탄의 배출 문제는 천연가스의 주요 성분을 이루는 메탄이 이산화탄소에 비해 매우 강력한 온실가스임과 동시에 엔진의 열효율 저하를 가져온다는 점에서 천연가스를 적용한 이중연료엔진에서 해결해야할 중요한 문제로 대두되고 있다.
본 연구에서는 LNG를 적용한 선박용 이중연료엔진에서 가스 파이프의 형상과 밸브 개폐 시기가 가스 교환 과정 중에 발생하는 미연소 메탄 배출량에 미치는 영향을 각 인자 별로 살펴보기 위하여 MAN L28/32DF 엔진에 대한 3차원 전산유체역학 해석을 수행하였다. 이를 위해 대상 엔진의 형상 구조 상에서 유동 해석에 필요한 격자 생성과 그 크기의 영향성 파악 및 Time-Step 크기의 영향성 파악을 통하여 적절한 격자 크기와 Time-Step 크기가 선정되었다.
가스 파이프의 형상에 의한 영향을 파악하기 위하여 가스 홀의 크기와 배치, 분사 방향 조건이 다르게 설정된 16종의 시뮬레이션이 수행되었고, 그 결과 가스 분사 방향이 좀 더 영향력 있는 요소임이 확인되었으며 흡기 유동의 상류를 향하도록 분사 방향을 설정할수록 미연소 메탄 배출량 저감에 효과적임을 알 수 있었다.
또한 흡기 및 배기 밸브의 개폐 시기의 영향을 파악하기 위하여 지각된 흡기밸브열림 전략과 진각된 배기밸브닫힘 전략을 제시하고 진각 또는 지각 정도가 다른 총 9종의 시뮬레이션을 수행하였으며 이를 바탕으로 진각된 배기밸브닫힘 전략이 충진 효율의 심각한 저하 없이 미연소 메탄 배출량을 약 80% 가량 저감할 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다.
