가스 기관

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1. 개요

가스 기관은 가스를 연료로 사용하는 내연 기관으로, 1860년 에티엔 르누아르가 최초의 상용화된 가스 기관을 개발했다. 이후 니콜라우스 오토가 4행정 사이클 엔진을 개발하면서 기술 발전을 이루었고, 크로슬리, 탕예 등의 회사에서 가스 엔진 생산을 시작했다. 현재는 현대중공업, 롤스로이스, 캐터필러 등 다양한 회사에서 가스 엔진을 제조하며, 열병합 발전 시스템, 수송 분야 등 다양한 분야에서 활용된다. 가스 기관은 연료-공기 혼합 방식, 배기 밸브, 점화 방식 등에서 기술적 특징을 가지며, 열효율과 폐열 활용 측면에서 장점을 갖는다.

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가스 기관
개요
종류	내연 기관
연료	기체 연료
출력 범위	10kW ~ 4MW

2. 역사

19세기 초부터 가스 연료를 사용하는 내연 기관에 대한 다양한 실험이 이루어졌다. 최초의 실용적인 가스 엔진은 1860년 벨기에의 기술자 에티엔 르누아르가 만들었지만, 출력이 낮고 연료 소비가 많다는 단점이 있었다.^[2]^[16]

이후 니콜라우스 오토는 오이겐 랑겐과 협력하여 르누아르 엔진을 개선한 새로운 엔진을 개발했다. 1864년, 두 사람은 세계 최초의 엔진 공장인 'N. A. Otto & Cie'를 쾰른에 설립했으며, 1867년 파리 만국 박람회에서 개선된 대기압 엔진으로 대상을 수상했다. 이 엔진은 증기 기관과 달리 필요할 때 쉽게 켜고 끌 수 있어 간헐적인 동력이 필요한 작업에 유용하게 사용되었다.^[17]

오토는 여기서 더 나아가 1876년경, 오늘날 널리 사용되는 4행정 사이클 엔진을 발명했다. 이 효율적인 엔진은 기존의 대기 가스 기관을 빠르게 대체했으며, 이후 디젤 엔진과 가솔린 엔진 개발의 중요한 기반이 되었다. 영국에서는 맨체스터의 크로슬리와 같은 회사가 오토 엔진의 특허권을 확보하여 가스 엔진을 생산하고 보급하는 데 중요한 역할을 했다.

2. 1. 르누아르 엔진 (Lenoir Engine)

19세기에는 가스 엔진에 대한 많은 실험이 있었지만, 최초의 실용적인 가스 연료 내연 기관은 1860년 벨기에의 기술자 에티엔 르누아르( Étienne Lenoir^프랑스어 )에 의해 제작되었다.^[2]^[16] 그러나 르누아르 엔진은 낮은 출력과 높은 연료 소비율이라는 단점을 가지고 있었다.^[2]^[16]

2. 2. 오토와 랑겐 (Otto and Langen)

니콜라우스 오토는 르누아르의 연구를 개선하여 실용적인 엔진 개발에 힘썼다. 그는 나중에 피스톤 실린더에서 직접 연료를 효율적으로 연소하는 최초의 4행정 엔진을 발명하게 된다.

1864년 8월, 오토는 기술 교육을 받은 오이겐 랑겐을 만났다. 랑겐은 오토의 아이디어에서 발전 가능성을 보았고, 만난 지 한 달 만에 두 사람은 쾰른에 세계 최초의 엔진 공장인 'N. A. Otto & Cie'를 설립했다.

1867년, 오토는 개선된 설계로 특허를 등록했고, 같은 해 파리 만국 박람회에서 대상을 수상했다. 이 대기압 엔진은 가스와 공기의 혼합물을 수직 실린더로 끌어들여 작동했다. 피스톤이 약 약 20.32cm (20cm) 상승하면, 외부의 작은 불꽃이 혼합물을 점화시킨다. 이 폭발력으로 톱니 막대(rack)에 연결된 피스톤이 위로 밀려 올라가면서 실린더 아래쪽에 부분적인 진공 상태가 만들어진다. 상승 과정에서는 동력이 발생하지 않는다. 실제 동력은 피스톤과 톱니 막대가 대기압과 자체 무게에 의해 아래로 내려올 때 발생하며, 이때 메인 샤프트와 플라이휠이 회전한다.

이 엔진은 기존 증기 기관에 비해 필요할 때마다 쉽게 시동을 걸고 멈출 수 있다는 장점이 있었다. 따라서 바지선에 짐을 싣거나 내리는 작업처럼 간헐적으로 동력이 필요한 경우에 매우 유용했다.^[17]

이 엔진은 현대에도 널리 사용되는 오토 사이클 엔진의 시초가 되었다.

2. 3. 4행정 엔진 (Four-stroke engine)

기존의 대기 가스 기관은 오토가 개발한 4행정 엔진으로 빠르게 대체되었다. 이러한 전환은 매우 신속하게 이루어져 마지막 대기 기관은 1877년에 제작되었다. 4행정 엔진의 등장은 이후 디젤 엔진(1898년경)이나 가솔린 엔진(1900년경)과 같은 액체 연료 엔진 개발의 중요한 토대가 되었다.

맨체스터 지역을 포함한 여러 곳에서 가스 엔진 개발이 이루어졌는데, 예를 들어 버밍엄 인근 스메딕에 기반을 둔 리처드 탕게의 탕게사(Tangye Ltd.)는 1881년에 1 공칭 마력의 2행정 가스 엔진을 처음 판매했으며, 1890년부터는 4행정 가스 엔진 생산을 시작했다.^[4]

2. 4. 크로슬리 (Crossley)와 탕예 (Tangye)

영국에서 가장 잘 알려진 가스 엔진 제작자는 맨체스터의 크로슬리(Crossley)이다. 크로슬리는 1869년에 새로운 가스 연료 대기 엔진에 대한 오토(Otto)와 랑겐(Langen)의 특허에 대한 영국 및 독일을 제외한 전 세계 권리를 획득했다. 이후 1876년에는 더욱 효율적인 오토 4행정 사이클 엔진에 대한 권리도 획득하였다.

2. 5. 보존

잉글랜드 스톡포트 근처 포인트넌에 위치한 앤슨 엔진 박물관(Anson Engine Museum)에는 다양한 종류의 가스 엔진이 보존되어 있다. 이곳에는 현재까지 제작된 것 중 가장 큰 크기의 크로슬리 대기압 엔진을 포함하여, 실제로 작동 가능한 여러 가스 엔진들이 전시되어 있다.

3. 현재의 제조업체

현재 전 세계적으로 다양한 기업들이 가스 엔진을 제조하고 있다. HD현대중공업, 두산과 같은 한국 기업을 비롯하여 롤스로이스, 캐터필러, 커민스, 바르질라 등 다수의 해외 기업들이 시장에 참여하고 있다.^[19] 생산되는 가스 엔진은 소규모 열병합 발전(CHP)용부터 대규모 발전용까지 매우 폭넓은 출력 범위를 가지며, 기술적으로도 기존 디젤 엔진 설계를 활용하거나 가스 연료 전용으로 설계되는 등 다양한 방식으로 개발되고 있다.^[19]

3. 1. 주요 제조업체

가스 엔진의 주요 제조업체로는 HD현대중공업, 롤스로이스(베르겐 엔진 AS), 가와사키 중공업, 리비어, MTU 프리드리히샤펜, INNIO 옌바허, 캐터필러, 퍼킨스 엔진, MWM, 커민스, 바르질라, INNIO 워키샤, Guascor Energy, 도이츠, MAN, 스카니아 AB, 페어뱅크스-모스, 두산, 이튼(과거 시장 점유율이 높았던 쿠퍼 인더스트리의 후계자), 얀마, Dresser-Rand 등이 있다.^[5]^[19]

이들 업체의 가스 엔진 출력 범위는 약 10 kW의 마이크로 열병합 발전(CHP) 수준에서부터 최대 18 MW에 이른다.^[5]^[19] 일반적으로 현대의 고속 가스 엔진은 약 50 MW 출력까지 가스 터빈과 비교하여 상당한 경쟁력을 가진다. 특정 조건 하에서는 최고 성능의 가스 엔진이 가스 터빈보다 연료 효율성이 더 뛰어나기도 하다.^[5]^[19]

롤스로이스(베르겐 엔진 포함), 캐터필러를 비롯한 다수의 제조업체들은 기존의 디젤 엔진 블록과 크랭크축을 기반으로 가스 엔진 제품을 생산한다. 반면, INNIO 옌바허와 INNIO 워키샤는 가스 연료 전용으로 설계된 엔진을 생산하는 대표적인 기업이다.^[5]^[19]

3. 2. 기술 경쟁력

현대의 고속 가스 엔진은 특정 조건 하에서 약 50MW 출력 범위까지 가스 터빈과 비교했을 때 높은 경쟁력을 보여준다. 특히 최고급 가스 엔진의 경우, 가스 터빈보다 연료 효율성이 더 뛰어난 경우도 있다.^[5]^[19]

가스 엔진 제조업체로는 HD현대중공업, 롤스로이스(베르겐 엔진 AS 포함), 가와사키 중공업, 리프헤르, MTU 프리드리히스하펜, INNIO 옌바허, 캐터필러, 퍼킨스 엔진, MWM, 커민스, 바르질라, INNIO 워키샤, Guascor Energy, 도이츠, MAN, 스카니아 AB, 페어뱅크스 모스, 두산, 이튼(과거 쿠퍼 인더스트리 포함), Dresser-Rand, 얀마 등이 있다. 이들 엔진의 출력 범위는 약 10kW 수준의 마이크로 열병합 발전(CHP) 시스템부터 최대 18MW에 이른다.^[5]^[19]

기술적으로 볼 때, 롤스로이스(베르겐 엔진 AS 포함), 캐터필러를 비롯한 다수의 제조업체들은 기존의 디젤 엔진 블록과 크랭크축을 기반으로 가스 엔진을 생산한다. 반면, INNIO 옌바허와 INNIO 워키샤는 가스 연료만을 사용하도록 처음부터 설계된 엔진을 전문적으로 생산하는 대표적인 기업이다.^[5]^[19]

4. 대표적인 사용 예

가스 기관은 다양한 분야에서 활용된다. 주로 기저 부하 발전이나 열병합 발전(CHP)과 같은 설치식(Stationary) 용도로 사용되며, 다양한 가스를 연료로 활용하고 발생하는 폐열을 재이용하는 효율성을 가진다. 비상 발전 용도로는 디젤 엔진에 비해 사용이 제한적이지만, 일부 소규모 시설에서는 활용되기도 한다. 또한, LNG나 CNG 엔진의 발달로 운송(Transport) 분야에서도 사용이 증가하고 있다.

4. 1. 설치식 (Stationary)

가스 기관은 주로 기저 부하 발전이나 장시간 발전에 사용되며, 특히 열병합 발전(CHP) 시스템에 널리 적용된다. 매립지 가스, 광산 가스, 유정 가스, 바이오가스 등을 연료로 사용할 수 있으며, 이때 발생하는 엔진의 폐열은 바이오가스 소화조를 데우는 등 유용하게 활용될 수 있다.

일반적으로 비상 대기 발전 용도로는 디젤 엔진이 주로 사용되지만, 예외적으로 농장, 박물관, 소규모 사업체, 주거지 등에서는 150kW 미만의 소형 가스 엔진 비상 발전기가 설치되기도 한다. 이러한 발전기는 공공 유틸리티의 천연가스나 현장에 저장된 프로판 가스를 연료로 사용하여 정전 시 자동으로 시동되도록 설정할 수 있다.

일본에서는 메이지 시대에 가스등 사용을 위한 가스 공급이 시작되면서, 대형 보일러 설치가 어려운 중소 공장에서 가스 기관을 동력원으로 활용하기도 했다. ヤンマー|얀마^일본어와 같은 기업은 가스 엔진의 판매 및 유지보수를 주요 사업으로 삼고 있다.

4. 2. 수송 (Transport)

액화 천연 가스(LNG) 엔진은 희박 연소 방식으로 작동하여 추가적인 연료 처리나 배기 가스 정화 시스템 없이도 새로운 배출 가스 기준을 충족할 수 있다. 이러한 장점 때문에 선박 등 해양 분야에서 사용이 확대되고 있다.

압축 천연 가스(CNG)를 연료로 사용하는 엔진 역시 버스와 같은 대중교통 부문에서 사용이 늘고 있다. 영국의 리딩 버스(Reading Buses)가 대표적인 CNG 버스 운영 사례이다. 가스 버스의 보급은 가스 버스 연합(Gas Bus Alliance)^[20]의 지원을 받고 있으며, 스카니아(Scania AB) 등이 주요 제조업체이다^[21].

5. 기술적 특징

천연 가스, 주로 메탄은 오랫동안 경제적이고 쉽게 구할 수 있는 연료였기 때문에 많은 산업용 엔진이 가솔린과 구별되어 가스를 사용하도록 설계되거나 개조되었다. 이러한 엔진들은 작동 시 덜 복잡한 탄화수소 오염을 유발하며, 엔진 내부 문제도 적게 발생하는 경향이 있다. 한 가지 예는 수많은 지게차에 사용되는 액화 석유 가스(주로 프로판) 엔진이다.

미국에서는 "가스(gas)"라는 용어가 흔히 "가솔린(gasoline)"을 의미하기 때문에, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진임을 명확히 식별할 필요가 있다. 또한 "천연 가솔린"^[11]이라는 용어도 존재하지만, 이는 천연 가스 액체의 한 종류를 지칭하는 것으로 정유 산업 외에서는 거의 사용되지 않는다.

5. 1. 연료-공기 혼합

가스 기관은 연료와 공기를 혼합하는 방식에서 가솔린 엔진과 차이가 있다. 가솔린 엔진은 기화기 또는 연료 분사 장치를 사용하는 반면, 가스 기관은 주로 간단한 벤투리 효과를 이용한 시스템을 통해 공기 흐름에 가스를 도입한다. 초기 가스 기관의 경우, 공기 흡입 밸브와 가스 흡입 밸브를 별도로 갖춘 3밸브 시스템을 사용하기도 했다.

5. 2. 배기 밸브

디젤 엔진과 비교했을 때 가스 엔진의 약점 중 하나는 배기 밸브이다. 이는 동일한 출력을 내는 조건에서 가스 엔진의 배기 가스 온도가 디젤 엔진보다 훨씬 높기 때문이다. 높은 배기 가스 온도는 배기 밸브에 부담을 주며, 결과적으로 엔진의 최대 출력을 제한하는 주요 원인이 된다.

이러한 특성 때문에 동일한 엔진 블록 크기를 가진 엔진이라도, 일반적으로 디젤 엔진 버전이 가스 엔진 버전보다 더 높은 최대 출력을 낼 수 있다. 엔진의 출력 정격에서도 차이가 나타난다. 디젤 엔진은 보통 대기(standby), 주 운전(prime), 연속(continuous)과 같이 여러 단계의 정격을 가지는 경우가 많지만, 가스 엔진은 일반적으로 연속 정격만을 가지며, 이마저도 디젤 엔진의 연속 정격보다 낮은 경우가 일반적이다.

5. 3. 점화

과거에는 열관 점화기나 스파크 점화 등 다양한 점화 시스템이 사용되었다. 현대의 가스 엔진은 주로 스파크 점화 방식을 사용한다.

일부 최신 가스 엔진은 이중 연료 방식으로 작동하기도 하는데, 이는 주된 에너지원으로 가스-공기 혼합물을 사용하면서 점화를 위해 소량의 디젤 연료를 분사하는 방식이다.

6. 에너지 균형

가스 엔진은 연료에 포함된 화학 에너지를 기계적인 동력으로 변환하는 내연 기관의 한 종류이다. 이 에너지 변환 과정에서 투입된 연료 에너지가 모두 유용한 동력으로 전환되는 것은 아니며, 상당 부분은 엔진 작동 중 폐열 형태로 손실된다. 따라서 가스 엔진의 에너지 균형을 이해하는 것은 엔진의 성능과 효율성을 평가하는 데 중요하다.

엔진 성능의 주요 지표 중 하나는 열효율이다. 이는 투입된 연료 에너지 중 실제로 동력으로 변환되는 에너지의 비율을 의미하며, 엔진의 설계, 크기, 운전 조건, 사용 연료 종류 등에 따라 달라진다. 일반적으로 동력으로 변환되지 못한 에너지는 폐열로 배출되는데, 이 폐열은 엔진 냉각 시스템이나 배기 가스를 통해 외부로 방출된다.

하지만 버려지는 폐열을 회수하여 난방, 온수 생산, 또는 추가적인 발전 등에 활용하는 열병합 발전(CHP, Combined Heat and Power) 시스템을 통해 전체 에너지 이용 효율을 크게 높일 수 있다. 또한, 엔진이 안정적으로 작동하고 과열로 인한 손상을 방지하기 위해서는 효과적인 냉각 시스템이 필수적이다. 엔진의 열효율과 사용하는 가스의 특성(예: 연소열)은 엔진의 가스 소비량을 결정하는 중요한 요소이다.

6. 1. 열효율 (Thermal efficiency)

천연가스를 사용하는 가스 엔진의 열효율은 일반적으로 저위 발열량(LHV) 기준으로 35-45% 수준이다.^[12] 2018년 기준으로 가장 효율이 높은 엔진은 LHV 기준 최대 50%의 열효율을 달성할 수 있다.^[13] 이러한 고효율 가스 엔진은 대부분 중속 엔진이다. 연료 에너지는 엔진의 출력 샤프트에서 동력으로 변환되며, 나머지는 폐열로 배출된다.^[8] 일반적으로 엔진의 크기가 클수록 효율이 더 높은 경향이 있다.

바이오가스를 연료로 사용하는 가스 엔진은 천연가스 엔진에 비해 효율이 약 1-2% 정도 낮아지며, 합성가스를 연료로 사용하면 효율은 더욱 감소한다. GE 옌바허의 J624 엔진은 세계 최초의 고효율 메탄 연료 24기통 가스 엔진으로 알려져 있다.^[14]

엔진의 열효율을 평가할 때는 해당 수치가 가스의 저위 발열량(LHV)을 기준으로 한 것인지, 고위 발열량(HHV)을 기준으로 한 것인지 명확히 구분해야 한다. 엔진 제조사들은 통상적으로 LHV를 기준으로 효율을 제시하는데, 이는 연료에 포함된 수분을 증발시키는 데 소모되는 에너지를 제외하고 계산한 값이다. 반면, 가스 유통망에서는 일반적으로 가스의 총 에너지 함량인 HHV를 기준으로 요금을 부과한다. 따라서 LHV 기준으로 44%의 효율을 갖는 엔진이라도, 동일한 천연가스를 사용하여 HHV 기준으로 환산하면 효율은 39.6%로 낮아질 수 있다.

또한, 서로 다른 엔진의 효율을 비교할 때에는 반드시 동일한 측정 조건 하에서 평가된 결과인지 확인하는 것이 중요하다. 예를 들어, 일부 제조사는 엔진 냉각수 펌프를 기계적으로 구동하는 반면, 다른 제조사는 전기 구동 펌프를 사용하기도 한다. 만약 전기 구동 펌프의 전력 소비량을 효율 계산에서 제외한다면, 직접 구동 엔진에 비해 겉보기 효율이 실제보다 높게 나타나 정확한 비교가 어려울 수 있다.

6. 2. 열병합 발전 (Combined heat and power, CHP)

가스 엔진은 열병합 발전(CHP, Combined Heat and Power) 시스템에 널리 사용된다. 이는 엔진 가동 시 발생하는 폐열을 버리지 않고 유용하게 활용하는 방식이다. 특히 매립지 가스, 광산 가스, 유정 가스 및 바이오가스를 연료로 사용하는 경우, 엔진 폐열을 이용해 소화조를 데우는 등 효율을 높일 수 있다.^[8]

엔진에서 연료 에너지가 연소될 때, 일부는 동력으로 변환되고 나머지는 폐열로 발생한다.^[8] 이 폐열은 건물 난방이나 산업 공정 가열 등에 활용될 수 있다.

엔진에서 발생하는 폐열은 크게 두 가지 형태로 나뉜다.

약 절반 정도는 엔진 재킷, 오일 냉각기, 애프터쿨러 회로 등에서 발생하며, 이를 통해 최대 110°C의 온수를 얻을 수 있다. 이 온수는 난방이나 급탕 등에 직접 사용될 수 있다.
나머지 절반은 배기 가스에 포함된 고온의 열이다. 이 열은 배기 가스 열교환기를 이용하여 회수하며, 가압된 온수나 증기를 생산하는 데 사용될 수 있다.

6. 3. 엔진 냉각

다른 모든 내연 기관과 마찬가지로, 가스 엔진은 과열되면 마모, 균열, 휨 등으로 고장날 수 있다. 따라서 고장을 막기 위해 엔진 온도를 낮추는 냉각 시스템이 필수적이다. 가장 일반적인 냉각 방식은 공랭식과 수냉식이다. 최근에는 수냉식 엔진에 부동액을 사용하는 경우가 많다. 일부 공랭식 또는 수냉식 엔진에는 추가적으로 오일 냉각기가 장착되기도 한다.

6. 4. 가스 소비량 계산

천연가스를 사용하는 가스 엔진의 열효율은 일반적으로 저위 발열량(LHV) 기준으로 35-45% 수준이다.^[12] 2018년 기준으로 가장 효율이 높은 엔진은 최대 50%(LHV 기준)까지 도달할 수 있다.^[13] 이러한 고효율 가스 엔진은 주로 중속 엔진이며, 예를 들어 https://web.archive.org/web/20110909032523/http://www.rolls-royce.com/energy/energy_products/gas_engines/bergen_b-gas/index.jsp Bergen Engines의 경우처럼 연료 에너지 중 일부는 출력으로 변환되고 나머지는 폐열로 배출된다.^[8] 일반적으로 대형 엔진이 소형 엔진보다 효율이 높다. 바이오가스를 연료로 사용하면 효율이 약간 감소(약 1-2%)하고, 합성가스를 사용하면 효율 감소폭은 더 커진다. GE Jenbacher의 최신 J624 엔진은 세계 최초의 고효율 메탄 연료 24기통 가스 엔진으로 알려져 있다.^[14]

엔진 효율을 고려할 때는 몇 가지 주의할 점이 있다. 첫째, 효율 값이 가스의 저위 발열량(LHV) 기준인지, 고위 발열량(HHV) 기준인지 확인해야 한다. 엔진 제조사는 보통 LHV 기준으로 효율을 표시하는데, 이는 연료 내 수분을 증발시키는 데 필요한 에너지를 제외한 값이다. 반면, 가스 유통 네트워크는 일반적으로 총 에너지 함량인 HHV 기준으로 요금을 부과한다. 예를 들어, LHV 기준으로 44% 효율인 엔진도 천연가스를 기준으로 HHV를 적용하면 39.6% 효율이 될 수 있다. 따라서 어떤 기준(LHV 또는 HHV)으로 계산된 효율 값인지 명확히 해야 정확한 가스 소비량을 예측할 수 있다.

둘째, 효율 비교는 동일한 조건에서 이루어져야 한다. 예를 들어, 엔진 냉각수를 구동하기 위해 기계식 펌프를 사용하는지, 아니면 전기 구동 펌프를 사용하는지에 따라 효율 계산 방식이 달라질 수 있다. 만약 전기식 펌프의 전력 소비량을 엔진 효율 계산에서 제외한다면, 직접 구동 엔진에 비해 겉보기 효율이 실제보다 높게 나타날 수 있으므로 주의해야 한다.

전 부하(full load) 및 표준 상태에서 가스 엔진의 가스 유량(소비량) 요구 사항은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다.

Q = \frac{P}{\eta} \cdot \frac{1}{LHV_{gas}}

여기서 각 기호는 다음을 의미한다.

$Q$ : 통상 상태에서의 가스 유량
$P$ : 엔진 출력
$\eta$ : 기계 효율 (LHV 또는 HHV 기준 명시 필요)
LHV_gas: 사용하는 가스의 저위 발열량

참조

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_[26] 웹인용 GE Jenbacher | 가스 기관 http://www.clarke-en[...] Clarke-engine.com 2013-09-28

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