선박 엔진

디젤 엔진은 선박 추진 분야에서 가장 널리 사용되는 방식이다. 높은 연료 효율성과 강력한 출력, 긴 내구성을 바탕으로 대형 상선, 화물선, 여객선 등 상업용 선박의 주기관으로 널리 채택된다. 특히 저속으로 운전되면서도 높은 토크를 발생시키는 특성 덕분에 거대한 선체를 추진하는 데 적합하다. 그러나 질소산화물과 같은 배출가스 문제로 인해 최근 환경 규제의 영향을 받고 있으며, 이에 대응하기 위한 기술 개발이 진행 중이다.

선박용 디젤 엔진은 작동 방식에 따라 2행정 기관과 4행정 기관으로 크게 구분된다. 대형 선박의 주기관으로 사용되는 저속엔진은 대부분 2행정 방식으로, 구조가 단순하고 고출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 반면, 선박의 발전기나 중소형 선박의 추진에 사용되는 중속엔진은 주로 4행정 방식을 따른다. 속도에 따른 분류로는 분당 회전수(RPM) 70~130회의 저속엔진, 400~1,200회의 중속엔진이 있으며, 1,200회 이상의 고속엔진은 일반적으로 선박 추진용으로는 사용되지 않는다.

글로벌 선박용 대형 디젤 엔진 시장은 원천 기술을 보유한 소수의 유럽 기업들이 주도한다. 독일의 MAN Energy Solutions와 스위스의 WinGD가 저속엔진 시장을 양분하고 있으며, 국내 HD현대중공업 엔진기계사업부, HSD엔진, STX엔진 등 주요 제조사들은 이들로부터 기술 라이선스를 도입해 생산하는 라이선시 역할을 한다. 국내 업체들은 생산 측면에서 높은 시장 점유율을 기록하고 있으나, 핵심 설계 기술과 부품 밸류체인은 여전히 해외에 의존하는 구조이다.

가스터빈 엔진은 항공기 엔진과 유사한 구조를 가진 내연 기관으로, 압축된 공기와 연료를 연소시켜 발생하는 고온 고압의 가스로 터빈을 회전시켜 동력을 얻는다. 이 방식은 경량화와 높은 출력 대비 부피 효율이 뛰어나며, 신속한 가속이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 주로 군함, 고속 여객선, 특수 선박 등 속도와 즉각적인 기동성이 요구되는 선박의 추진 기관으로 사용된다. 특히 구축함이나 순양함과 같은 군용 함정에서 널리 채택되고 있다.

그러나 가스터빈 엔진은 디젤 엔진에 비해 연료 소비 효율이 상대적으로 낮고, 고속 회전에 따른 유지보수 비용이 높은 단점을 지니고 있다. 또한, 해수에 포함된 염분에 의한 부식에 취약할 수 있어 공기 여과 시스템 등 추가적인 관리가 필요하다. 이러한 경제성과 내구성 측면의 제약으로 인해 장기간의 원양 항해가 필요한 대형 상선이나 화물선의 주기관으로는 디젤 엔진이 더 선호되는 경향이 있다.

가스터빈 엔진의 적용은 선박의 요구 성능에 따라 단독으로 사용되기도 하지만, 경우에 따라서는 디젤 엔진과 결합한 코제드(COGED: Combined Diesel and Gas Turbine) 또는 코독(CODOG: Combined Diesel or Gas Turbine)과 같은 복합 추진 방식으로 구성되기도 한다. 이러한 하이브리드 구성은 경제적인 순항 시에는 디젤 엔진을, 고속 기동이 필요할 때는 가스터빈 엔진을 사용함으로써 효율성과 기동성을 모두 확보하는 전략이다.

스팀 터빈 엔진은 보일러에서 생성된 고압 증기로 터빈을 회전시켜 동력을 얻는 방식이다. 이 방식은 진동이 적고 운전이 안정적이라는 장점이 있어, 대형 선박에서 오랫동안 사용되어 왔다. 특히 대형 유조선이나 LNG선, 그리고 일부 군함에서 주로 채택된다. 그러나 증기를 생성하기 위한 대형 보일러와 복잡한 배관 시스템이 필요하여 구조가 복잡하고, 초기 설치 비용과 유지보수 비용이 높은 단점도 있다.

스팀 터빈 엔진의 작동 원리는 먼저 연료를 태워 보일러의 물을 고온 고압의 증기로 변환하는 것이다. 이 증기는 노즐을 통해 터빈 블레이드에 분사되어 터빈을 고속으로 회전시킨다. 회전하는 터빈의 동력은 감속 기어를 거쳐 프로펠러 샤프트에 전달되어 선박을 추진한다. 사용된 증기는 응축기에서 다시 물로 냉각되어 보일러로 순환되는 폐쇄 루프 시스템을 구성한다.

현대 선박 시장에서는 연료 효율성과 환경 규제 강화로 인해 디젤 엔진이나 하이브리드 추진 시스템에 비해 그 비중이 줄어들었다. 하지만 매우 안정적인 출력과 내구성이 요구되는 특정 분야에서는 여전히 그 가치를 인정받고 있다. 특히 대형 군함이나 특수 목적의 선박에서는 스팀 터빈 엔진이 제공하는 높은 신뢰성과 출력이 중요한 선택 요인이 된다.

하이브리드/전기 추진 시스템은 기존의 내연기관에 전기 모터와 배터리를 결합하거나, 전기 모터만을 동력원으로 사용하는 선박 추진 방식이다. 이는 친환경 선박의 핵심 기술로 주목받으며, 배출가스 저감, 연료 절감, 그리고 조용한 운항이 가능하다는 장점을 지닌다. 시스템 구성에 따라 디젤-전기 하이브리드, LNG-전기 하이브리드 등 다양한 조합이 존재하며, 특히 자율운항선박의 개발과 연계되어 그 중요성이 더욱 커지고 있다.

주요 작동 방식은 내연기관으로 발전기를 구동해 전력을 생산하거나, 배터리에 저장된 전력을 이용해 전기 모터로 프로펠러를 구동하는 것이다. 이를 통해 선박의 운항 조건에 맞춰 최적의 동력원을 유연하게 선택할 수 있어 효율성을 극대화한다. 예를 들어, 항만 내 저속 운항이나 입출항 시에는 전기 모터만을 사용해 대기 오염을 제로화할 수 있으며, 항해 중에는 내연기관을 주동력으로 사용하는 방식이다.

이러한 시스템의 도입은 국제해사기구의 강화된 환경 규제에 대응하고, 선박 연료 비용을 절감하는 동시에 지속 가능한 해운을 실현하는 데 기여한다. 현재 크루즈선, 페리, 해상 풍력 유지보수선 등 다양한 선종에 적용이 확대되고 있으며, 수소 연료전지와 같은 무탄소 동력원과의 결합을 통한 기술 발전도 활발히 진행 중이다.

저속 엔진은 분당 회전수(RPM)가 약 70회에서 130회 사이인 선박 엔진을 말한다. 이는 속도에 따른 분류에서 가장 낮은 회전 속도를 가지며, 주로 중형 및 대형 선박의 주기관으로 사용된다. 이러한 낮은 회전 속도는 직접적으로 프로펠러를 구동하는 데 적합하여, 높은 추진 효율과 신뢰성을 제공한다.

저속 엔진은 대부분 2행정 사이클 기관 방식으로 작동하는 디젤 엔진이다. 이 방식은 구조가 단순하고 고출력의 토크를 발생시키는 데 유리하여, 컨테이너선, 유조선, 벌크선과 같은 대형 상선의 추진에 적합하다. 전통적으로 중유를 연료로 사용해 왔으나, 최근 환경 규제 강화로 LNG를 연료로 하는 이중 연료 엔진이나 저유황 연료 대응 엔진으로의 전환이 활발히 진행되고 있다.

글로벌 저속 엔진 시장은 원천 기술을 보유한 소수의 라이선서가 주도한다. 독일의 MAN 에너지솔루션즈(MAN Energy Solutions)와 스위스의 윈터투어 가스 디젤(WinGD)이 시장을 양분하고 있으며, 이들은 고효율 및 친환경 신형 엔진 개발에 지속적으로 투자하고 있다. 국내의 HD현대중공업 엔진기계사업부, HSD엔진, STX엔진 등은 이들 회사와의 기술제휴를 통해 라이선시로 생산을 담당하며, 세계 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있다.

중속 엔진은 분당 회전수(RPM)가 약 400회전에서 1,200회전 사이인 선박 엔진을 가리킨다. 이는 분당 70~130회전의 저속 엔진보다 빠르고, 1,200회전 이상의 고속 엔진보다는 느린 범주에 속한다. 고속 엔진은 주로 자동차나 건설장비에 사용되며, 선박의 주기관으로는 거의 사용되지 않는다.

중속 엔진은 주로 중형 또는 소형 선박의 추진 기관으로 사용된다. 또한, 중형 및 대형 선박에서는 발전기를 구동하는 보조 동력원으로도 널리 활용된다. 이러한 발전기는 선박 내 조명, 통신, 냉난방 등에 필요한 전력을 공급하는 역할을 한다. 일부 중소형 선박에서는 발전 엔진을 개조하여 추진 엔진으로 사용하기도 한다.

구조적으로 중속 엔진은 대부분 4행정 사이클 방식을 채택하는 경우가 많다. 이는 2행정 사이클을 주로 사용하는 저속 엔진과의 주요 차이점 중 하나이다. 국내에서는 HD현대중공업이 독자 개발한 중형 엔진 브랜드인 '힘센엔진(HiMSEN)'이 선박 발전기용으로 널리 알려져 있다.