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KR101918864B1 - 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진 및 이를 포함하는 선박 및 이를 구동하는 방법 - Google Patents

오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진 및 이를 포함하는 선박 및 이를 구동하는 방법 Download PDF

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KR101918864B1
KR101918864B1 KR1020170153806A KR20170153806A KR101918864B1 KR 101918864 B1 KR101918864 B1 KR 101918864B1 KR 1020170153806 A KR1020170153806 A KR 1020170153806A KR 20170153806 A KR20170153806 A KR 20170153806A KR 101918864 B1 KR101918864 B1 KR 101918864B1
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KR
South Korea
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cylinder
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diesel
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유정대
김병기
김기두
한주석
백은성
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진은, 실린더; 상기 실린더에 가스를 공급하는 가스 인젝터; 및 상기 실린더에 디젤을 공급하는 디젤 인젝터를 포함하고, 디젤 모드 시에 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 디젤을 상기 실린더에 공급하고, 가스 모드 시에 상기 가스 인젝터 및 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 가스와 상기 디젤을 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진 및 이를 포함하는 선박 및 이를 구동하는 방법{Otto cylcle type Engine and Ship having the same and Driving Method of Propulsion Apparatus for Ship}
본 발명은 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진 및 이를 포함하는 선박 및 이를 구동하는 방법에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇 천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진을 구동함으로써, 추력을 발생시키는데, 이때, 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.
그러나 최근에는, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급방식이 사용되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
선주들은 상기와 같이 LNG를 연료로 하는 엔진에 고압가스분사엔진(MEGI)을 사용하여 선박을 추진함으로써, 근래에 실행되고 있는 NOx 배출 규제 및 SOx 규제 등 환경 오염 방지를 탁월하고 효과적으로 대응하여왔다. 다만, MEGI엔진은 엔진 구동 요구 압력이 300bar로 매우 높아 전력소모가 막대하고, 설치 비용이 상당히 많이 요구되며, 시스템의 구성이 복잡하여 설치 면적이 많이 필요로 하는 문제점이 있었다.
따라서, MEGI엔진을 대체할 수 있는 엔진을 연구하여 저속 2행정 저압가스분사엔진(WinGD사의 XDF)이 개발되었으며, 저속 2행정 저압가스분사엔진을 통해 상기 MEGI엔진의 단점을 일부 해결하였다.
다만, 이러한 저속 2행정 저압가스분사엔진의 경우, 연료가스의 메탄가(Methane Number)에 매우 예민한 문제점이 있었으며, 특정 운전 조건에서는 NOx 배출 규제 및 환경 오염 방지를 위해 희박연소(Lean Burn)를 하는 경우에도 노킹(Knocking)이 발생하는 문제점이 있었다. 아울러 노킹을 방지하기 위해 기존의 디젤엔진보다 열효율이 낮은 문제점이 있었다.
그에 따라 상기 고압가스분사엔진과 저속 2행정 저압가스분사엔진의 장단점을 모두 보완하여 저압의 고효율 추진엔진을 개발하기 위한 수많은 연구 및 개발도 함께 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고압가스분사엔진과 저속 2행정 저압가스분사엔진의 장단점을 보완하여 저압의 연료를 사용하고 고효율을 확보할 수 있는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진 및 이를 포함하는 선박 및 이를 구동하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진은, 실린더; 상기 실린더에 가스를 공급하는 가스 인젝터; 및 상기 실린더에 디젤을 공급하는 디젤 인젝터를 포함하고, 디젤 모드 시에 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 디젤을 상기 실린더에 공급하고, 가스 모드 시에 상기 가스 인젝터 및 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 가스와 상기 디젤을 공급하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 실린더에 공기를 공급하는 터보 차저를 더 포함하고, 상기 가스 인젝터는, 상기 실린더 내에 노킹을 방지하기 위해 상기 실린더 내의 상기 가스와 상기 공기의 비율이 1: 2 내지 1: 2.5가 되도록 상기 가스의 분사량을 감축시키고, 상기 디젤 인젝터는, 상기 가스 인젝터에서 분사되는 상기 가스 분사량이 감축된 만큼 상기 디젤을 분사할 수 있다.
구체적으로, 상기 터보 차저는, 상기 가스 인젝터의 상기 가스 분사량의 감축에 대응하여 상기 실린더 내로 공급되는 분사량을 변화시키지 않을 수 있다.
구체적으로, 상기 디젤 인젝터는, 상기 디젤의 분사량이 상기 가스의 분사량 대비 5% 내지 10%의 분사량을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 가스의 점화로 인해 발생되는 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거장치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 질소산화물 제거장치는, 선택적 환원 촉매(SCR) 또는 배기가스 재순환 장치(EGR)일 수 있다.
구체적으로, 상기 가스는, 상기 실린더 내부에서 10 내지 20 바아(bar)의 압력을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 선박용 추진장치를 포함하는 선박일 수 있다. .
본 발명의 일 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 구동하는 방법은, 실린더 내에 저압의 가스와 오일의 연소가 발생되고, 상기 가스와 상기 오일의 연소에 의해 피스톤의 왕복 운동을 통해 선박의 추력을 발생시키는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 구동하는 방법에 있어서, 상기 실린더 내에서 공기와 상기 가스를 혼합하는 단계; 상기 실린더 내에서 상기 공기와 상기 가스가 압축되는 단계; 상기 실린더 내에서 상기 오일의 분사가 이루어지는 단계; 및 상기 실린더 내에서 상기 가스와 상기 오일의 점화가 발생하는 단계를 포함하고, 상기 실린더 내에서 상기 오일의 분사가 이루어지는 단계는, 상기 가스 대비 상기 오일의 비율이 10% 이상의 비율로 상기 오일을 상기 실린더 내로 분사하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 실린더 내에 상기 오일을 분사하는 오일 분사장치를 더 포함하고, 상기 오일 분사장치는, 오일로만 연소되는 디젤 모드에서 사용하는 디젤 인젝터로만 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 오일 분사장치는, 상기 오일 분사 시 무화를 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 오일은, 마린가스오일(MGO), 마린디젤오일(MDO) 또는 저유황 중유 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진은, 저압가스분사엔진의 특징과 고압가스분사엔진의 특징을 조합한 하이브리드 추진장치로, 저압의 가스 연료에서도 연료 소비 효율이 증가하는 효과가 있으며, 연료가스의 메탄가에 무관하게 안정적으로 연소가 가능하여 연료가스의 품질에 의존하지 않고 소비가 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진은, 가스와 공기가 혼합하여 압축 시 압축열에 의해 원하는 시점이 아닌 시기에 연소(Pre-ignition or Knocking)가 일어나지 않도록, 가스가 공기에 좀 더 희박해 질 수 있도록 공연비를 증가시키고, 최대 출력 시에도 원하는 시점이 아닌 시기에 연소(Pre-ignition or Knocking)가 일어나지 않도록 공연비를 최적화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 포함하는 선박의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진의 내부 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진의 구동 방법 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진의 구동 방법 부분순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 오일은 디젤과 혼용될 수 있고, 가스는 액화가스 또는 증발가스일 수 있으며, 액화가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있고, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있으며, 증발가스는 자연 기화된 LNG 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다.
액화가스는 액체 상태, 기체 상태, 액체와 기체 혼합 상태, 과냉 상태, 초임계 상태 등과 같이 상태 변화와 무관하게 지칭될 수 있으며, 증발가스 역시 마찬가지임을 알려 둔다. 또한 본 발명은 처리 대상이 액화가스로 한정되지 않고, 액화가스 처리 시스템 및/또는 증발가스 처리 시스템일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 포함하는 선박의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진의 내부 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 포함하는 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 펌프(20), 기화기(30), 선박용 추진장치(40) 및 질소산화물 제거장치(50)를 포함한다. 이하에서 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진은 선박용 추진장치(40)로 혼용될 수 있다.
이하 도 1을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 포함하는 선박(1)을 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는, 액화가스 공급라인(L1) 및 배기가스 배출라인(L2)을 더 포함할 수 있다.
액화가스 공급라인(L1)은, 액화가스 저장탱크(10)와 선박용 추진장치(40)를 연결하고 펌프(20), 기화기(30)를 구비하며, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 펌프(20)를 통해서 기화기(30) 및 선박용 추진장치(40)로 공급할 수 있다.
액화가스 공급라인(L1)에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스 또는 액화가스의 공급량이 제어될 수 있다.
배기가스 배출라인(L2)은, 선박용 추진장치(40)와 외부를 연돌(부호 도시하지 않음)을 경유하여 연결하며, 질소산화물 제거장치(50)를 구비할 수 있다.
배기가스 배출라인(L2)은, 선박용 추진장치(40)로부터 배출되는 배기가스를 질소산화물 제거장치(50)로 공급하여, 질소산화물 제거장치(50)를 통해 질소산화물이 제거된 배기가스를 연돌을 거쳐 외부로 배출시킬 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 선박용 추진장치(40)에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
여기서 액화가스 저장탱크(10)는, 선체(부호 도시하지 않음)의 내부에 배치되며, 엔진룸(부호 도시하지 않음)의 전방에 일례로 4개 형성될 수 있다. 또한, 액화가스 저장탱크(10)는 일례로 멤브레인 형 탱크이나, 이에 한정되지 않고 독립형 탱크 등, 다양한 형태로 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
펌프(20)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 구비되고, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 기화기(30)로 공급할 수 있다.
구체적으로, 펌프(20)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 액화가스 저장탱크(10)와 기화기(30) 사이에 구비되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 저압으로 가압하여 기화기(30)로 공급할 수 있다.
펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 10 내지 20bar로 가압하여 기화기(30)로 공급할 수 있다. 여기서 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 선박용 추진장치(40)가 요구하는 압력으로 가압하여 기화기(30)로 공급할 수 있으며, 바람직하게는 선박용 추진장치(40)에 대략 16 바(bar)의 압력으로 공급될 수 있도록 기화기(30)에 충분한 압력을 가한 액화가스를 공급할 수 있다.
이때, 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 구비되는 경우 잠형 펌프일 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)의 외부에 설치되는 경우에는 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 수위보다 낮은 선체 내부의 위치에 구비될 수 있고 원심형 펌프일 수 있다.
기화기(30)는, 액화가스 공급라인(L1)에 연결되어 펌프(20)로부터 배출되는 저압의 액화가스를 기화시킨 후 선박용 추진장치(40)로 기화된 액화가스를 공급할 수 있다.
구체적으로, 기화기(30)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 선박용 추진장치(40)와 펌프(20) 사이에 구비되며, 펌프(20)로부터 배출되는 저압의 액화가스를 중간 열매체(일례로 글리콜 수용액 또는 프로판, 해수 등 다양한 열원)와 열교환시켜 기화 또는 해수와 직접 열교환시켜 기화시킨 후 선박용 추진장치(40)로 기화된 액화가스를 공급할 수 있다.
이때, 기화기(30)의 하류에는 기화된 액화가스의 온도를 조절하는 트림히터(도시하지 않음)가 구비될 수 있다.
선박용 추진장치(40)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스 또는 증발가스를 연료로 하여 선박(1)에 추력을 공급한다.
구체적으로, 선박용 추진장치(40)는, 액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 공급라인(L1)으로 연결되어 펌프(20) 및 기화기(30)에 의해 가압 및 기화된 액화가스를 공급받아 이를 연료로 하여 선박(1)에 추력을 공급할 수 있다. 이때, 선박용 추진장치(40)는, 액화가스의 공급 시스템에 대해서만 간략히 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 증발가스 또는 오일 등의 연소에 의해 선박(1)에 추력을 공급할 수 있다.
선박용 추진장치(40)는, 복수 개의 실린더(401)를 구비하여 액화가스, 증발가스 또는 오일 등의 연소에 의해 실린더(401) 내부의 피스톤(402)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤(402)에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(S)가 회전될 수 있다. 따라서, 선박용 추진장치(40)는, 구동 시 샤프트(S)에 연결된 프로펠러(P)가 회전함에 따라, 선박(1)이 전진 또는 후진하는 추력이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예에서의 선박용 추진장치(40)는, 저속 2행정 저압가스분사엔진일 수 있으며, 오토 사이클(Otto cycle)에 따라 구동될 수 있다.
즉, 선박용 추진장치(40)는, 실린더(401)에 공급된 공기-연료 혼합기체를 먼저 상사점까지 압축하고, 압축 상사점에서 외부로부터 오일(점화연료; Pilot Fuel)에 의해 점화가 이루어지는 순간에 공기-연료 혼합기체가 모두 완전 연소되도록 하여 폭발적인 동력을 발생시키도록 한다.
구체적으로, 도 2를 참고로 하여 살펴보면, 선박용 추진장치(40)는, 실린더(401), 피스톤(402), 공기 공급장치(403), 가스 공급장치(404), 배기 장치(405), 오일 분사장치(406)를 포함할 수 있다.
실린더(401)는, 선박용 추진장치(40)의 케이싱(도시하지 않음) 내에 복수 개 구비될 수 있으며, 내부의 공간에 가스, 공기, 오일 등의 흡기, 압축, 폭발, 배기 등의 현상이 발생할 수 있다.
피스톤(402)은, 실린더(401) 내에 배치되어 가스 또는 오일의 연소에 의해 왕복 운동하여, 하측에 연결된 크랭크 축이 회전되도록 한다. 크랭크 축의 회전은 샤프트(S)의 회전 및 프로펠러(S)의 회전을 발생시켜 선박(1)의 추력이 발생되도록 한다.
공기 공급장치(403)는, 실린더(401)의 측면에 구비되어, 실린더(401) 내부로 관통되는 홀(부호 도시하지 않음)로 외부로부터의 공기를 실린더(401)의 내부로 공급할 수 있다.
이때, 공기 공급장치(403)는, 가스와 공기의 압축이 발생되기 전에 즉, 피스톤(402)이 하사점에 존재할 때, 공기를 실린더(401) 내로 공급할 수 있다.
공기 공급장치(403)는, 실린더(401) 내로 공급되는 공기의 양을 증가시켜주는 터보 차저(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
가스 공급장치(404)는, 실린더(401)의 측면 상의 공기 공급장치(403)보다 상측에 구비되며, 실린더(401) 내부로 관통되는 홀(부호 도시하지 않음)로 액화가스 공급라인(L1)으로부터의 가스를 실린더(401)의 내부로 공급할 수 있다. 이때, 가스 공급장치(404)는, 가스 인젝터로 호칭될 수 있다.
배기 장치(405)는, 실린더(401)의 상측 실린더 캡(부호 도시하지 않음)에 구비되며, 실린더(401) 내의 공기-가스의 압축이 이루어지도록 배기 밸브(부호 도시하지 않음)의 하강시켜 실린더(401) 내부를 밀폐하거나, 점화 후 배기가스를 외부로 배출하도록 배기 밸브의 상승으로 실린더(401) 내부를 외부로 개방할 수 있다.
오일 분사장치(406)는, 실린더(401) 내에 오일을 분사한다. 구체적으로, 오일 분사장치(406)는, 실린더(401) 내에서 구동 사이클이 이루어지는 중 오일의 분사가 이루어지는 시기에, 가스 연료의 점화를 위해 오일이 실린더(401) 내로 분사되도록 할 수 있다.
구체적으로, 오일 분사장치(406)는, 디젤 인젝터(Diesel injector)로만 구성될 수 있다.
이때 점화 연료인 오일은 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MDO(Marine Diesel Oil)를 사용할 수 있다.
종래에는 오토 사이클로 구동되는 선박용 추진장치의 경우 공기-가스 혼합 질량비가 17.2:1보다 적은 희박 상태로 린번(Lean burn) 연소를 수행하였으며, 연소 효율을 확보하고 배기가스 내 질소산화물(NOx) 규제를 만족하기 위해 제한적 오일을 마이크로 파일럿 인젝터로 이루어져야 했다.
그로 인해 종래에는 선박용 추진장치는, 실린더 내로 공급되는 가스의 품질에 민감하였고 따라서, 메탄가가 일정한 수치에 부합되는 액화가스 또는 증발가스만이 공급이 필요하였다. 따라서, 메탄가 조절을 위한 부수적인 장비의 추가가 요구되어 구축 비용이 증대되거나 점화를 위한 열량이 부족하여 선박용 추진장치가 요구되는 출력을 내지 못하는 단점이 있었다.
즉, 종래에는 오일 분사장치가 마이크로 파일럿 인젝터와 디젤 인젝터를 모두 가지고 있어, 가스 모드 시에 마이크로 파일럿 인젝터와 가스 인젝터를 사용하였고, 디젤 모드 시에 디젤 인젝터를 별도로 사용하여, 구축 비용이 증대되고 장치가 민감하고 복잡해지는 단점이 있었다.
이에 본 발명의 실시예에서는, 오일 분사장치(406)를 디젤 인젝터(Diesel injector)로만 구성시키고, 디젤 인젝터(406)가 실린더(401) 내 가스 대비 일정 비율의 오일을 분사하여 무화를 발생시키도록 하고 있다.
오일 분사장치(406)는, 원하는 출력에 따라 분사량을 달리 해야 할 필요가 있으므로, 기존 디젤엔진의 디젤 인젝터 대비 볼륨이 적도록 하고, 운전하는 출력에 따라 분사하는 디젤인젝터를 전부 사용 또는 일부를 분사하지 않도록(Cut-off) 운전할 수 있다.
오일 분사장치(406)는, 가스 점화에 필요한 에너지를 발생하기 위해 오일 운전과 가스 운전에 별도 작동되는 내부 시스템을 가질 수 있다.
이를 통해 본 발명의 실시예에서는, 저압가스 분사엔진의 특징과 고압가스 분사엔진의 특징을 조합한 하이브리드 추진장치를 구현할 수 있게 되고, 그에 따라 저압의 연료에서도 연료 소비 효율이 증가하는 효과가 있으며, 연료가스의 메탄가에 의존하지 않고 연소가 가능하여 연료가스의 품질에 의존하지 않고 소비가 가능해지는 효과가 있다.
종합해보면, 본 발명의 실시예에서는, 디젤 모드 시에 디젤 인젝터(406)를 통해 디젤을 실린더(401)에 공급하고, 가스 모드 시에 가스 인젝터(404) 및 디젤 인젝터(406)를 통하여 가스와 디젤을 공급하여 연료 소비 효율을 증가시키고 연료 가스의 품질에 의존하지 않고 소비가 가능하며 노킹 발생이 저감되는 효과를 발현한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 가스 인젝터(404)가 실린더(401) 내에 노킹을 방지하기 위해 실린더(401) 내의 가스와 공기의 비율이 1: 2 내지 1: 2.5의 범위를 가지도록 가스 분사량을 감축시키고, 디젤 인젝터(406)는 가스 인젝터(404)에서 분사되는 가스 분삭량이 감축된 만큼 디젤을 분사하여 발화 열량을 보충시킬 수 있다.
이때, 실린더(401) 내로 공급되는 공기는 가스 인젝터(404)의 가스 분사량의 감축에 따라 변동되지 않고 일정하게 공급된다. 그럼으로 인해 열대 지방 등에 선박이 항해하는 경우 공기의 밀도가 변하여 실린더(401) 내로 공급되는 공기의 양이 적어지는 경우가 발생하더라도 상기와 같은 본 발명의 가스 인젝터(404) 및 디젤 인젝터(406)의 구동을 인해 노킹의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 디젤 인젝터(406)의 디젤 분사량은 가스 분사량 대비 5 내지 10%의 분사량을 가질 수 있다.
여기서 디젤 모드는, 엔진이 디젤만을 연료로 사용하는 경우를 말하며, 가스 모드는, 엔진이 가스만을 연료로 사용하는 경우를 말한다.(물론, 가스 모드 시 발화 열량을 맞추기 위해 분사되는 디젤은 함께 연료로 사용되어 지나 디젤 모드와의 구분을 위해서 상기와 같이 기재된 것일 뿐 엔진의 연료로 온전히 가스로만 사용되는 것은 아니다)
질소산화물 제거장치(50)는, 가스의 점화로 인해 발생되는 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있으며, 선택적 환원 촉매(SCR) 또는 배기가스 재순환 장치(EGR)일 수 있다.
이로 인해 본 발명의 실시예에서는, 선박용 추진장치(40)의 디젤 인젝터가 실린더(401) 내 가스 대비 오일의 비율이 10% 이상의 비율이 되도록 오일을 분사함으로써 발생하는 질소산화물을 제거하여, IMO NOx Tier III의 규정을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 추진장치의 구동 방법 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선박용 추진장치의 구동 방법 부분순서도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선박용 추진장치(40)를 구동하는 방법은, 상기에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 선박용 추진장치(40)에 의해 구현될 수 있으며, 이하 선박용 추진장치(40)를 구동하는 방법의 각 단계에 대해 설명하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선박용 추진장치(40)의 구동 방법은, 실린더 내에서 공기와 가스를 혼합하는 단계(S10), 실린더 내에서 공기와 가스가 압축되는 단계(S20), 실린더 내에서 오일의 분사가 이루어지는 단계(S30), 실린더 내에서 가스와 오일의 점화가 발생하는 단계(S40)를 포함하고, 실린더 내에서 오일의 분사가 이루어지는 단계(S30)에서는 가스 대비 일정 비율의 오일을 실린더(401) 내로 분사하는 단계를 부분적으로 더 포함할 수 있다.
단계 S10에서는, 실린더(401) 내에서 공기와 가스가 혼합된다.
실린더(401) 내에서는 공기와 가스의 압축 전에 프리믹스(Pre-Mix)를 위해, 피스톤(402)이 하사점에 있을 때 공기 공급장치(403)에서 공기를 실린더(401) 내로 분사함과 동시에 가스 공급장치(404)에서 가스를 실린더(401) 내로 분사하여 공기와 가스가 혼합되도록 한다.
단계 S20에서는, 실린더(401) 내에서 공기와 가스가 압축된다.
실린더(401) 내에서 공기와 가스가 프리믹스된 후, 피스톤(402)은 상승운동하고, 배기장치(405)의 배기밸브(부호 도시하지 않음)는 하강하여 실린더(401) 내부가 밀폐되어 공기와 가스가 압축된다.
단계 S30에서는, 실린더(401) 내에서 오일이 분사된다. 실린더(401) 내에서 공기와 가스가 압축된 후 오일 분사장치(디젤 인젝터(406))에 의해 오일이 분사되어 가스 연료의 점화와 가스의 부족한 점화열량을 채우도록 한다.
단계 S30에서는, 도 4를 살펴보면, 가스 대비 오일의 비율이 10% 이상의 비율로 오일을 실린더(401) 내로 분사하는 단계(S31)를 더 포함할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에서는, 디젤 인젝터(406)를 통해 가스 대비 오일의 비율이 10% 이상의 비율로 오일을 실린더(401) 내로 분사하여 가스가 점화되도록 함과 동시에 가스의 메탄가 조절없이 점화가 가능하도록 하며 노킹이 발생하지 않도록 하여 선박용 추진장치(40)의 효율이 증대되도록 한다.
단계 S40에서는, 실린더(401) 내에서 가스와 오일이 점화된다.
실린더(401) 내에서 가스와 공기가 압축된 후 디젤 인젝터(406)에 의해 실린더(401) 내로 오일이 분사되면 점화열량이 만족되어 가스와 오일이 점화되어 폭발이 일어난다.
그로 인해 피스톤(402)은 다시 하강운동을 수행하고, 폭발로 인해 발생된 배기가스는 배기장치(405)의 배기밸브의 상승으로 인해 배기장치(405)로 유동하며 배기가스 배출라인(L2)을 통해 질소산화물 제거장치(50)로 공급될 수 있다.
배기가스는 질소산화물 제거장치(50)에서 질소산화물이 제거되어 연돌을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 선박용 추진장치(40)의 구동 방법은, 저압가스분사엔진의 특징과 고압가스분사엔진의 특징을 조합한 하이브리드 추진장치를 통해 오토 사이클을 구현함과 동시에 디젤 인젝터(406)를 통해 가스 대비 오일의 비율이 10% 이상의 비율로 오일을 실린더(401) 내로 분사함으로써, 저압의 연료에서도 연료 소비 효율이 증가하는 효과가 있으며, 연료가스의 메탄가에 의존하지 않고 연소가 가능하여 연료가스의 품질에 의존하지 않고 소비가 가능해지는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 선박 10: 액화가스 저장탱크
20: 펌프 30: 기화기
40: 선박용 추진장치 401: 실린더
402: 피스톤 403: 공기 공급장치
404: 가스 공급장치 405: 배기 장치
406: 디젤 인젝터 50: 질소산화물 제거장치
L1: 액화가스 공급라인 L2: 배기가스 배출라인

Claims (12)

  1. 실린더;
    상기 실린더에 가스를 공급하는 가스 인젝터; 및
    상기 실린더에 디젤을 공급하는 오일 분사장치로 마이크로 파일럿 인젝터가 아닌 디젤 인젝터를 포함하고,
    디젤 모드 시에 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 디젤을 상기 실린더에 공급하고,
    가스 모드 시에 상기 가스 인젝터 및 상기 디젤 인젝터를 통하여 상기 가스와 상기 디젤을 공급하되, 상기 실린더 내에 노킹을 방지하기 위해 상기 실린더 내에 상기 가스와 공기의 비율이 기설정 범위를 가지도록,
    상기 디젤 인젝터가 상기 가스에 의한 점화 열량 부족분을 보완하여 공급하는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더에 상기 공기를 공급하는 터보 차저를 더 포함하고,
    상기 가스 인젝터는,
    상기 실린더 내에 노킹을 방지하기 위해 상기 실린더 내의 상기 가스와 상기 공기의 비율이 1: 2 내지 1: 2.5가 되도록 상기 가스의 분사량을 감축시키고,
    상기 디젤 인젝터는,
    상기 가스 인젝터에서 분사되는 상기 가스의 분사량이 감축된 만큼 상기 디젤을 분사하는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 터보 차저는,
    상기 가스 인젝터의 상기 가스의 분사량의 감축에 대응하여 상기 실린더 내로 공급되는 분사량을 변화시키지 않는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 디젤 인젝터는,
    상기 디젤의 분사량이 상기 가스의 분사량 대비 5% 내지 10%의 분사량을 가지는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스의 점화로 인해 발생되는 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 제거장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 질소산화물 제거장치는,
    선택적 환원 촉매(SCR) 또는 배기가스 재순환 장치(EGR)인 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가스는,
    상기 실린더 내부에서 10 내지 20 바아(bar)의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 상기 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 포함하는 선박.
  9. 실린더 내에 저압의 가스와 오일의 연소가 발생되고, 상기 가스와 상기 오일의 연소에 의해 피스톤의 왕복 운동을 통해 선박의 추력을 발생시키는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 구동하는 방법에 있어서,
    상기 실린더 내에서 공기와 상기 가스를 혼합하는 단계;
    상기 실린더 내에서 상기 공기와 상기 가스가 압축되는 단계;
    상기 실린더 내에서 상기 오일의 분사가 이루어지는 단계; 및
    상기 실린더 내에서 상기 가스와 상기 오일의 점화가 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 실린더 내에서 상기 오일의 분사가 이루어지는 단계는,
    상기 가스 대비 상기 오일의 비율이 10% 이상의 비율로 상기 오일을 상기 실린더 내로 분사하고,
    상기 실린더 내에 상기 오일을 분사하는 오일 분사장치를 더 포함하고,
    상기 오일 분사장치는,
    마이크로 파일럿 인젝터가 아닌 디젤 인젝터로만 구성되어, 가스 모드에서 상기 실린더 내에 노킹을 방지하기 위해 상기 실린더 내에 상기 가스와 상기 공기의 비율이 기설정 범위를 가지도록,
    상기 디젤 인젝터가 상기 가스에 의한 점화 열량 부족분을 보완하여 공급하는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 구동하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 오일 분사장치는,
    상기 오일 분사 시 무화를 발생시키는 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진을 구동하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 디젤은,
    마린가스오일(MGO), 마린디젤오일(MDO) 또는 저유황 중유 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 오토 사이클 방식으로 운전되는 엔진.
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