Experimental Research on Lubricant Oil in Dual Fuel Medium-Speed Engines

중속용 Dual Fuel엔진의 윤활유에 관한 실험적 연구

Abstract

We performed an experimental research on lubricant oil in dual fuel medium-speed engines. It is important to select the appropriate lubricant oil because it could significantly affect engine lifetime and performance. We generally recommend the selection of the lubricant oil according to the fuel grades as contents in the project guide. However, it is a considerable challenge for shipyards to implement this concept because of the lack of space to install the complicated lubricating oil system for dual fuel engines. Therefore, we determine the adaptability of one-common lubricant oil for HiMSEN dual fuel engine through this experimental research. To check abnormality in gas mode operation and durability of engine components when a lubricating oil with high BN (base number) is used, overhaul inspections and lubricant oil analysis are carried out two times, and four times, respectively, during an operation of approximately 300 h. We investigated the variations in kinematic viscosity, base number, element quantity, pentane insoluble and sulfated ash in lubricant oil analysis. Moreover, we also investigated whether the deposit formation or wear occurred in various bearings, injectors, exhaust valves, intake valves, piston rings and so on through the overhaul inspections. There are no problems in the lubricant analysis and the overhaul inspections. Through the experimental research, we confirm that one-common lubricant oil should be selected according to the higher sulfur content of fuel oil in dual fuel engines.

1. 서 론

화석 연료의 부족, 온실가스 방출, 환경 오염 같은 심각한 문제들에 직면하여 대체 연료에 대한 연구, 진보된 연소기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1-3]. 또한 원유의 가격 상승, 엄격한 환경규제로 인해 디젤엔진에서 부분적 또는 전체적으로 친환경적인 연료의 사용이 필요하다. 디젤엔진으로부터 나오는 오염물질은 dual fuel 개념으로 극복할 수 있다[4]. 이런 측면에서 디젤 연료와 가스 연료를 함께 사용 가능한 dual fuel 엔진에 대한 수요가 증가하고 있고 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[5-6]. 그 일환으로 dual fuel 엔진의 윤활유에 대한 연구도 진행되고 있다[7].

일반적으로 엔진에서 적절한 윤활유의 사용은 내구성 및 성능 향상을 위해 중요한 부분이다. 윤활유는 각종 윤활시스템에서 운전조건에 적합한 점도뿐만 아니라 열안정성, 산화안정성, 부식 방지 성능 등 여러 가지 기능이 요구된다. 특히 디젤엔진에서는 사용하는 연료의 황 함유량에 따라 적절한 염기가(base number)를 가진 윤활유의 사용을 권고하고 있다. 하지만 윤활유의 염기가 부족한 경우에는 Fig. 1(a)와 같이 기계요소에서 부식이 발생하고 염기가 많은 경우에는 Fig. 1(b)와 (c)와 같이 잉여 첨가제에 의해 침전물(deposit)이 발생한다. 침전물은 윤활 시스템에서 마찰에 의한 윤활유 소모량의 증가 또는 마모를 발생시키고 있다[8-9].

Fig. 1.Corrosion and deposit in medium-speed engines (a) corrosion in main bearing (b) CaCO3 deposits on the piston top (c) deposits in the honing groove [10-11].

다양한 디젤유 및 가스를 연료로 사용하는 dual fuel 엔진에서도 사용하는 연료의 황 함유량에 따라 적절한 염기가의 윤활유를 사용하여야 한다. 하지만 선박용 중속엔진의 경우에는 복잡한 윤활유 시스템을 설치하는데 공간적으로 제약이 발생하므로 적합한 하나의 윤활유 사용을 요구한다. 중속용 dual fuel 엔진을 생산하는 OEM(original equipment manufacturer)들 중에는 사용하는 연료 중에 가장 황 함유량이 많은 연료에 맞춰 윤활유를 선택하라고 권고하고 있다.

본 연구에서도 dual fuel 엔진에서 가스 모드(연료를 LNG로 시용하는 경우)로 운전되는 경우에 염기가가 높은 윤활유를 사용하게 되면 침전물 및 마모 등의 문제가 발생하는지에 대해서 살펴보았다. 주로 기계 부품의 분해 검사 및 윤활유 분석을 통해 윤활유의 적합성을 평가하였다.

 

2. 본 론

2-1. Dual fuel 엔진의 윤활유 테스트

Dual fuel 엔진을 대상으로 황 함유량이 낮은 LNG를 연료로 사용하고 염기가가 높은 윤활유를 사용하는 경우에 대해 테스트를 수행하였다.

2-1-1. 대상 엔진, 사용 연료 및 윤활유

실험에 사용된 엔진은 현대중공업 힘센엔진의 dual fuel 엔진 라인업 중의 하나인 9H27DF 이다. 9개의 실린더가 일렬로 배열된 인라인(in-line) 타입의 엔진으로 실린더 보어의 사이즈와 스트로크가 각각 270 mm와 330 mm이며 사양은 Table 1과 같다. Table 1에서 BMEP(brake mean effective pressure)는 제동 평균 유효 압력을 나타내고 SFOC(specific fuel oil consumption)는 연료 소비율을 나타낸다.

Table 1.Specification of 9H27DF engine

그리고 사용된 연료는 LNG 이고 사용된 윤활유는 Shell 사의 ARGINA X 40으로 염기가가 40이며 물성치는 Table 2와 같다.

Table 2.Properties of lubricant

Fig. 2.Dual fuel engine (9H27DF engine).

2-1-2. 엔진 운전 조건 및 윤활유 샘플링

실험에서 엔진은 100% 부하 조건에서 약 300시간 운전되었으며 2번의 분해 점검을 실시하였다. 그리고 테스트 전에 윤활유 섬프 탱크 (sump tank)를 플러싱 (flushing)한 뒤, 새로운 윤활유로 주입 후 실험을 수행하였다. 샘플링은 섬프 탱크에서 청결을 유지하면서 진공식 샘플링 장치를 이용하여 수행하였으며, 사용유에 대하여 약 100 시간마다 채취하였다. 신유는 개봉되지 않은 드럼에서 채취하였다.

Fig. 3.Schedule of experiment (a) engine test schedule (b) sampling schedule of lubricant oil.

2-1-3. 테스트 결과

1) 윤활유 분석 결과

운전 시간의 변화에 의한 윤활유의 성상 변화는 Fig. 4에 나타나 있다. 동점도는 8% 미만으로 변화가 크지 않고 또한 염기가도 5% 미만으로 변화가 작다. ICP(inductively coupled plasma) 분광 분석의 결과는 Table 3과 같다. Table 4는 펜탄 불용분(pentane insoluble) 테스트와 황산 회분(sulfated ash) 테스트의 결과를 나타낸다. 펜탄 불용분의 경우 탄소화합물의 생성과 관련이 되며, 황산 회분은 신유에서는 첨가제의 양을 비교하는데 활용하고 사용유의 경우에는 첨가제의 감소나 유기화합물의 생성과 관련된 정보로 활용된다. Table 4를 보면 운전 시간에 따라 다량의 탄소화 합물 또는 유기화합물의 생성이나 첨가제의 급격한 손실은 나타나지 않음을 확인할 수 있다.

Fig. 4.Lubricant oil analysis with operation time (a) kinematic viscosity (b) base number.

Table 3.Element analysis of lubricant oil with operation time

Table 4.Additional test of lubricant oil with operation time

2) 분해 점검 결과

연료의 황 함유량이 아주 작은 LNG를 연료로 사용하는 경우에 염기가가 높은 윤활유를 사용함으로 가장 우려되는 사항은 잉여 첨가제에 의한 침전물 문제이다. 특히 탄소와 결합된 침전물이나 경도가 높은 침전물은 윤활시스템에서 세물체 연삭 마모를 발생시켜 결국에는 기계 부품들의 손상 및 파손을 일으킨다. 이런 측면에서 메인 베어링, 로커암 등의 베어링 부분 뿐만 아니라 흡, 배기 밸브, 인젝터, 실린더 라이너에 대해 중점적으로 살펴보았다. 그리고 터보 차저 베어링부의 손상유무에 대해서도 살펴보았다. 배기 밸브의 접촉면에 쌓인 침전물은 마모나 균열의 원인이 되기도 하며, 인젝터의 탄소 침전물(carbon deposit)은 노킹이나 마모의 원인이 되기도 한다. 실린더 라이너의 경우에는 호닝(honing)이라는 미세한 그루브가 가공되어 있는데 이 부분에 침전물이 채워지면서 락커(lacquer)라는 현상이 발생하기도 한다[12]. 호닝에 침전물이 채워짐으로써 미세 그루브의 윤활유 저장 능력이 저하되고 윤활특성도 나빠져 윤활유 소모량의 증가 및 스커핑 현상이 발생하기도 한다[13].

분해점검은 운전시간이 206시간과 312시간이 경과 후에 실시하였다. 운전시간이 206시간 경과 후, 기계 부품들의 분해된 사진은 Fig. 5와 같다. 콘로드 베어링(a)과 로커암 베어링(e)의 윤활면에서는 손상이 발견되지 않았으며 흡, 배기 밸브(b, c) 및 인젝터(f)에서는 침전물이 일부 발생하였으나 일반적으로 나타나는 현상이다. 이 부분은 연소의 영향을 직접 받는 부위이므로 탄소 침전물의 발생으로부터 완전히 배제될 수 없기 때문이다. 그리고 실린더 라이너(d)를 보면 황갈색의 락커가 전혀 보이지 않고 호닝가공이 보일 만큼 윤활면의 변화는 없었다.

Fig. 5.Overhaul inspection after 206h operation (a) big end bearing (b) intake valve (c) exhaust valve (d) cylinder liner (e) rocker arm (f) injector.

운전시간이 312 시간 경과 후 분해된 기계부품들은 Fig. 6과 Fig. 7에 나타나 있다. 특히 터보 차저의 분해된 부품들은 Fig. 7에 나타난다. 메인 베어링(a), 핀(b), 로커암(e) 및 콘로드 베어링(f)의 윤활면에는 마모에 의한 손상이 발생되지 않았으며, 피스톤 링(c), 실 린더 라이너(d), 인젝터(g)에서도 침전물에 의한 문제는 발견되지 않았다.

Fig. 6.Overhaul inspection after 312h operation (a) main bearing (b) pin (c) piston ring (d) cylinder liner (e) rocker arm (f) con rod bearing (small end) (g) injector.

Fig. 7.Overhaul inspection of turbo charger after 312h operation (a) radial bearing (b) bearing cover (c) shaft (d) sealing disc (e) auxiliary bearing (f) thrust bearing.

그 외에 터보 차저의 레디얼 베어링(a), 축(c), 스러스트 베어링(f) 및 다른 부품들에서도 마모나 침전물에 의한 문제는 발견되지 않았다.

100% 부하조건에서 약 300 시간의 엔진 테스트를 통해 황 함유량이 낮은 연료와 염기가가 높은 윤활유의 사용에 의한 기계부품의 손상 및 침전물 문제가 발생하는지에 대해 분해점검을 하였다. 실제 선박용 엔진의 경우 100% 의 고부하 조건에서 운전되는 경우는 드물지만 가혹한 운전조건에서 비교적 짧은 시간에 문제점을 파악하고자 이와 같은 조건의 실험을 수행하였다. 이전의 엔진 테스트 경험을 통해 가혹한 부하조건에서 100시간 정도의 운전조건에서도 침전물 및 마모 손상이 많이 발견되는 점을 활용하여, 테스트 시간을 3배 정도인 약 300시간을 부여할 경우 문제 발생 여부를 충분히 파악할 수 있을 것으로 판단하였다.

분해 점검에서 잉여 첨가제에 의한 침전물 및 마모에 의한 기계부품들의 손상은 발견되지 않았다. 그리고 윤활유 분석을 통해서도 과도한 마모입자 발생 및 윤활유의 열화 현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

 

3. 결 론

본 연구에서는 다양한 연료를 사용하는 중속용 dual fuel 엔진에서 선택된 윤활유의 적합성을 검증하고자 실험적 연구를 수행하였다. 염기가가 높은 윤활유와 황 함유량이 낮은 연료의 조합으로 운전되는 경우에 잉여 첨가제에 의한 침전물의 문제가 우려된다. 이를 검증하는 실험의 일환으로 황 함유량이 아주 작은 가스를 연료로 사용하고 염기가가 높은 윤활유를 사용하는 조합에 대해 엔진 테스트를 진행하였다. 운전 시간에 따른 윤활유 분석 및 분해 점검 결과를 살펴보면 윤활유의 열화 및 침전물에 의한 기계부품들의 이상 마모는 발견되지 않았다. 따라서 중속용 dual fuel 엔진에서 공간적 제약에 의해 하나의 공통된 윤활유를 사용하는 경우에는, 사용되는 연료 중 가장 황 함유량이 많은 연료에 적합한 윤활유를 사용하는 것이 타당하다.