KR101302104B1 - 순산소 디젤기관 - Google Patents

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Abstract

순산소 디젤기관이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 디젤기관은 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와, 상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와, 상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과, 상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와, 상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함할 수 있다.

Description

순산소 디젤기관{PURE-OXYGEN DIESEL ENGINE}
본 발명은 순산소 디젤기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 산소와 천연가스를 직접 분사하여 압축착화시키는 순산소 디젤기관에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관은 연료를 연소시켜 고온과 고압의 가스를 만들고, 그 가스에 대응한 에너지를 기계적인 일로 변환시키는 장치를 의미할 수 있다.
이런 내연기관에는 공기를 엔진실린더 안으로 흡입, 압축하여 고온과 고압의 압축 공기가 되게 한 다음 연료(예: 경유)를 분사하여 자연 발화시키는 일반적인 압축착화기관이 있다.
그러나, 압축착화기관은 화석연료의 고갈로 인한 에너지 문제에서 자유롭지 못하고, 화석연료를 사용함으로써 환경오염을 일으킬 수 있다.
특히, 탄화수소로 이루어진 화석연료로부터 공기연소가 아닌 순산소 연소 기술을 적용할 경우 화석연료의 이용시 에너지 효율화를 꾀할 수 있는 순산소 디젤기관이 필요한 실정이다.
발명의 배경이 되는 기술로서, 하기의 특허문헌1에 개시된 디젤엔진의 연료 공급장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 디젤엔진에 연료를 분사하는 연료분사유닛(1)과, 디젤엔진에 순산소를 공급하는 순산소공급유닛(2)과, 순산소공급유닛(2)으로부터 공급되는 순산소에 이산화탄소를 혼합하여 디젤엔진으로 공급하는 혼합유닛(3)과, 디젤엔진으로부터 배출되는 이산화탄소와 수분으로부터 이산화탄소를 분리하여 혼합유닛(3)으로 공급하는 분리유닛(4)과, 이런 분리유닛(4)와 혼합유닛(3) 사이의 이산화탄소 공급라인에 분기되어 연결되어서 이산화탄소를 액화시키는 액화기(5)와, 이런 액화기(5)에 의해 액화된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크(6)를 포함하여 구성되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌1의 디젤엔진의 연료 공급장치는 이산화탄소가 혼합유닛(3)에 의해 혼합된 산소를 디젤엔진에서 사용함에 따라, 순산소의 직접 분사를 수행할 수 없고, 산소와 천연가스를 직접 충돌시켜 화염을 생성할 수 없으므로, 에너지 사용 효율이 상대적으로 떨어지는 단점을 가진다.
또한, 특허문헌1의 디젤엔진은 선박 추진용 엔진 또는 발전용 디젤엔진으로서, 경유나 중유 등을 분사하도록 되어 있으므로, 친환경적이고 가격이 상대적으로 저렴한 천연가스만을 연료로 사용하지 못하는 단점이 있다.
만일, 특허문헌1의 디젤엔진은 선박용이라는 관점하에 천연가스와 연료유(HFO 또는 MDO)를 사용하는 ME-GI엔진과 같은 혼소엔진일 수 있다.
특허문헌 2의 혼소엔진에서는 천연가스만을 연료로 사용하는 것이 아니라, 천연가스를 점화 또는 착화시키도록, 점화원에 해당하는 점화연료용 연료분사기(pilot fuel injector)에 연료유인 점화연료(pilot fuel)를 공급하여 사용함으로써, 근본적으로 일정량의 연료유를 사용하지 않을 수 없고, 이에 따라, 천연가스의 이점인 친환경적인 특성을 살리지 못하고 있고, 매연 또한 많이 발생하기 때문에 적절한 선택이라 할 수 없다.
또한, 특허문헌 1에서는 이산화탄소와 산소를 혼합유닛에서 혼합하여 단순히 디젤엔진쪽으로 공급하기 때문에, 산소와 천연가스만으로 착화를 수행하거나, 산소와 천연가스의 분사 속도 에너지를 잃어버리기 전에 산소와 천연가스가 충돌하여 급속한 혼합을 유도하여 화염을 생성하는 것이므로, 디젤엔진에서 이산화탄소가 섞인 산소를 압축착화에 의해 연료를 태우는 산화제로 사용하는 것과는 차별될 수 있다.
본 실시예는, 산소와 천연가스만으로 착화 및 화염을 일으키고, 이산화탄소가 산소에 혼합되는 것이 아니라 작동 유체로 사용된 후 재활용되기 때문에, 결국, 배기가스의 배출량은 산소와 천연가스의 유입량(유량)과 동일하고, 이에 따라 배기가스의 배출량을 상대적으로 줄여 환경보호에 도움이 될 수 있는 장점을 가지게 된다.
또한, 특허문헌 1, 2에는 기존의 선박에 적용할 수 있도록 통상적인 혼소엔진 또는 디젤엔진의 구조를 그대로 사용하면서, 산소와 천연가스를 분사 직후 충돌시켜 충분히 혼합되게 하면서도, 고온의 순산소 연소열이 엔진실린더의 벽면에 직접 접촉하여, 엔진실린더의 벽면이 고온에 노출되어 열적 마모를 초래하지 않게 할 수 있는 수단이 부재되어 있다.
공개특허공보 제10-2011-0045205 공개특허공보 제10-2011-0023733
본 발명의 실시예는 각 엔진실린더의 연소실 내부에 이산화탄소를 채워 넣은 후, 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압시킨 산소와 천연가스를 동시에 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 직접 분사하고, 분사 속도 에너지를 잃어버리기 전에 산소와 천연가스가 충돌하여 급속한 혼합을 유도하여 화염을 생성하고, 연소실 내부에 채워져 있던 이산화탄소에 의해 엔진실린더의 벽면을 보호할 수 있는 순산소 디젤기관을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 비예혼합 방식으로 고온, 고압의 순산소 연소를 수행하도록, 산소 또는 천연가스를 각각 분사하도록 복수개로 마련되고 순산소 연소에 따른 고온 파괴를 방지하기 위해 수냉부의 노즐워터자켓에 의해 열응력으로부터 보호되고, 산소 또는 천연가스를 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 직접 분사하도록 엔진실린더에 배열 및 설치된 분사노즐을 갖는 순산소 디젤기관을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 선박용으로 사용되기 위해 천연가스의 유량에 비해 상대적으로 큰 유량을 필요로 하는 승압된 산소를 대량으로 공급할 수 있는 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와, 상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와, 상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과, 상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와, 상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함하는 순산소 디젤기관이 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 재순환라인이 분기된 곳 후단의 상기 배기라인에 설치되고, 전력망에 접속되어 있는 터빈 발전기와, 상기 터빈 발전기의 후단의 상기 배기라인에 설치되고, 상기 터빈 발전기를 빠져나온 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하는 제 1 폐열회수장치와, 상기 배기라인으로부터 분기된 직후의 재순환라인에 설치되고, 상기 재순환라인 쪽으로 유입된 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하는 제 2 폐열회수장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 천연가스라인에는, 상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 천연가스를 승압, 즉 압축시켜 공급하도록, 상기 천연가스 저장탱크로부터 인출된 천연가스를 1차 압축하는 제 1 천연가스펌프와, 상기 제 1 천연가스펌프에서 1차 압축된 후 제 2 열교환기를 경유하여 공기와 열교환한 천연가스를 2차 압축하는 제 2 천연가스펌프가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 분사노즐은, 상기 엔진부의 엔진실린더의 중심을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 엔진실린더의 상부에 설치되고, 천연가스 분사 유량에 비해 상대적으로 큰 유량을 분사하는 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 분사노즐은, 상기 제 1, 제 3 분사노즐에 대해 원주배치각도만큼 이격되어, 상기 엔진부의 엔진실린더의 중심을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 엔진실린더의 상부에 설치된 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2 분사노즐과, 상기 제 3, 제 4 분사노즐이 각각 쌍을 이루되, 상기 제 1, 제 2 분사노즐 및 상기 제 3, 제 4 분사노즐의 노즐구멍의 수직각도가 상이하게 정해져서, 연소실 공간 상부와 하부에 화염이 분산되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 산소공급처리부는, 공기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리기와, 상기 공기분리기쪽으로 공기의 이동경로를 제공하는 공기라인과, 상기 공기분리기에 연결되어 질소의 이동경로를 제공하는 질소라인과, 상기 공기분리기와 상기 엔진부의 산소 분사용 상기 제 1, 제 3 분사노즐 사이에 연결되어 산소의 이동경로를 제공하는 산소라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기라인에는, 상기 공기분리기의 요구 압력에 대응하게 공기를 압축하여 공급하기 위한 공기압축기와, 상기 공기압축기에서 압축 및 승온된 공기를 냉각시키기 위해 해수를 이용하는 제 1 열교환기와, 상기 제 1 열교환기에서 냉각된 공기를 냉각시키기 위해 천연가스를 이용한 제 2 열교환기와, 상기 제 2 열교환기에서 냉각된 공기에 질소 및 산소의 냉열을 제공하도록 열교환하는 제 3 열교환기와, 상기 제 3 열교환기 후단에 상기 공기분리기가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 제 3 열교환기와 상기 공기분리기의 사이에는 공기의 단열 자유팽창을 발생시키는 줄 톰슨밸브가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 산소라인에는, 상기 공기분리기에서 배출된 산소를 1차 압축하는 위한 제 1 산소펌프와, 상기 제 1 산소펌프에서 1차 압축된 후 상기 제 3 열교환기를 경유한 산소를 2차 압축하기 위한 제 2 산소펌프가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 산소공급처리부는, 상기 제 3 열교환기의 후단의 질소라인과, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기 사이의 공기라인에 걸쳐 설치되어, 공기의 냉각에 질소를 이용하는 제 4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 산소공급처리부는, 액화 산소를 저장하고 있는 액화산소탱크와, 상기 액화산소탱크의 산소를 승압시키는 산소승압설비와, 상기 산소승압설비로부터 산소를 공급받을 수 있도록 결합된 버퍼탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 산소승압설비는, 상기 산소를 액상으로 인출하도록 상기 액화산소탱크에 결합된 산소 공급라인과, 상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 상기 산소를 1차 압축 공급하도록 상기 산소 공급라인에 설치된 제 1 산소펌프와, 상기 액화산소탱크에서 증발된 산소를 인출하도록 상기 액화산소탱크에 결합된 증발가스 액화라인과, 상기 증발가스 액화라인에 설치된 증발가스압축기와, 상기 제 1 산소펌프를 경유하여 압축된 액상의 산소와, 상기 증발가스압축기를 경유하여 압축된 증발가스를 열교환시키기 위한 승온열교환기와, 상기 승온열교환기 후단의 산소 공급라인에 설치된 제 2 산소펌프와, 상기 제 2 산소펌프와 상기 버퍼탱크 사이의 상기 산소 공급라인에 설치된 히터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스분리기의 후단의 상기 재순환라인에 설치되고, 이산화탄소를 상기 엔진실린더 내부에 공급하는 재순환제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스분리기의 후단에 설치되고, 상기 재순환제어기로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 3 분사노즐 및 상기 제 2, 제 4 분사노즐은, 각각 산소와 천연가스를 상기 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 직접 분사시킴에 따라, 화염이 연소실 중심부에 위치될 수 있도록, 상기 엔진실린더의 상부에서 하경사방향으로 배치되어 상하설치각도를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 3 분사노즐 및 상기 제 2, 제 4 분사노즐은, 각각 산소와 천연가스를 동시에 분사할 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2 분사노즐 및 상기 제 3, 제 4 분사노즐은, 두 쌍의 산소와 천연가스를 분사하여 각각의 산소와 천연가스가 미리 충돌함에 따라 예혼합가스가 형성되고, 두 개의 상기 예혼합가스가 다시 충돌하여 상기 산소와 상기 천연가스의 완벽한 혼합을 촉진하고 이로부터 화염을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 미리 이산화탄소를 채운 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 동시에 고압의 산소와 천연가스를 직접 분사하여, 분사 속도 에너지를 잃어버리기 전에 산소와 천연가스가 충돌하게 하면서 급속한 혼합을 유도하여 화염을 생성하고, 이때 미리 채워져 있던 이산화탄소에 의해 엔진실린더의 벽면(예: 엔진실린더의 연소실의 내벽면)을 보호할 수 있음에 따라, 이론적으로 알려진 산소 및 천연가스 화염 온도 3000K(2726.85℃)에 비해 상대적으로 낮은 화염 온도인 2000K(1726.85℃: 일반 공기연소시의 화염 온도와 유사)로 산소 및 천연가스 화염 온도를 연소실 내부에서 떨어뜨릴 수 있어서, 복사열 및 산소 화염이 직접적으로 엔진실린더의 벽면에 노출되는 것을 막으면서 질소산화물(NOx)의 발생이 없는 완전연소를 수행할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 실시예에서는 배기가스에서 물을 제거하여 과농시킨 후 엔진실린더 내부로 재순환시킴으로써, 이산화탄소가 작동 유체로 사용될 수 있다. 이는 일반적으로 알려진 바와 같은 EGR(Exhaust Gas Recirculation)에서 연료를 불완전연소 시켜 질소산화물(NOx)의 배출을 줄이는 것과 상이할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 산소와 천연가스의 분사량과 동일한 정도의 배기가스 배출량이 발생하여, 기존의 터보차져(T/C)의 사용에 제한이 발생될 수 있지만, 그러한 배기가스가 배출되는 배기라인에 마련된 터빈 발전기 및 제 1 폐열회수장치와, 배기라인에서 분기된 재순환라인에 마련된 제 2 폐열회수장치를 통해 뜨거운 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 전환시켜 재활용함으로써, 한층 진일보한 친환경 순산소 디젤기관을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 수냉부의 노즐워터자켓을 갖는 분사노즐이 순산소 연소에 따른 고온 파괴에서 내구성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예는 천연가스의 유량에 비해 상대적으로 큰 유량을 필요로 하는 승압된 산소를 대량으로 공급할 수 있는 다양한 형태의 산소공급처리부를 제시함으로써, 대형 선박에도 사용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 디젤엔진의 연료 공급장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
도 3은 분사노즐의 배치관계를 설명하기 위한 도 2에 도시된 엔진부의 선 A-A를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 엔진부의 연소실 중심부에서 산소와 천연가스가 직접 충돌되어 화염을 생성하는 것을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 순산소 연소 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7 및 도 8은 다른 순산소 연소 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 또 다른 순산소 연소 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 산소 또는 천연가스용 분사노즐을 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 제 2 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
도 12는 제 3 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예는 상선, 운반선, 여객선, 해양구조물 등을 포함한 다양한 형태의 선박 또는 운송장치에 적용될 수 있으므로, 특정 선박 또는 해양구조물로 한정되지 않을 수 있다. 여기서, "선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해양구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 또한, "이동장치"라는 자동차, 차량 등 동력을 이용하여 움직이는 어떠한 장치일 수 있다.
다만, 설명의 용이성을 위해서 본 실시예는 천연가스(NG)를 연료로 이용하는 선박(미 도시)을 기준으로 그 선박에 동력을 제공하기 위한 순산소 디젤기관으로서 설명될 수 있다.
또한, 본 실시예의 설명에서 순산소는 일반 공기중의 산소에 비해 농후한 산소 비율을 갖거나, 이산화탄소가 혼합된 산소를 의미하지 않는 고 순도로 정제된 산소를 의미할 수 있다.
본 실시예는 제 1 산소공급처리부(110), 천연가스라인(201), 천연가스 저장탱크(200), 산소 또는 천연가스별로 분사노즐(301 ~ 304)을 각각 장착한 엔진부(300), 배기라인(401), 재순환라인(402), 터빈 발전기(400), 제 1 폐열회수장치(410), 제 2 폐열회수장치(420), 배기가스분리기(430), 재순환제어기(440), 수냉부(500)를 포함한다.
제 1 산소공급처리부(110)는 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 산소를 승압시켜 엔진부(300)의 분사노즐(301 ~ 304)에 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
이를 위해, 제 1 산소공급처리부(110)는 공기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리기(116)(ASU: Air Separation Unit)와, 공기분리기(116) 쪽으로 공기의 이동경로를 제공하도록 공기분리기(116)의 입력측에 연결된 공기라인(111)과, 공기분리기(116)의 출력 일측에 연결되어 질소의 이동경로를 제공하는 질소라인(117)과, 공기분리기(116)의 출력 타측과 엔진부(300)의 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303) 사이에 연결되어 산소의 이동경로를 제공하는 산소라인(118)을 포함할 수 있다.
또한, 공기라인(111)에는, 공기분리기(116)의 요구 압력에 대응하게 공기를 압축하여 공급하기 위한 공기압축기(112)와, 공기압축기(112)에서 압축 및 승온된 공기를 냉각시키기 위해 해수를 이용하는 제 1 열교환기(113)와, 제 1 열교환기(113)에서 냉각된 공기를 냉각시키기 위해 천연가스를 이용한 제 2 열교환기(114)와, 제 2 열교환기(114)에서 냉각된 공기에 질소 및 산소의 냉열을 제공하도록 열교환하는 제 3 열교환기(115)와, 제 3 열교환기(115)의 후단에서 공기의 단열 자유팽창을 발생시키는 줄 톰슨(Joule-Thomson)밸브(115a)와, 줄 톰슨밸브(115a) 후단으로 공기라인(111) 종단에 공기분리기(116)가 설치되어 있을 수 있다.
제 3 열교환기(115)를 경유하면서 상기 질소 및 산소의 냉열을 제공받은 공기는 줄 톰슨(Joule-Thomson)밸브(115a)를 통해 단열 자유팽창되고, 공기분리기(116)에 의해 초저온 액체 형태의 산소로 분리될 수 있다.
그러나 제 3 열교환기(115)를 경유하면서 상기 공기가 상기 질소 및 산소의 냉열을 충분히 전달받아 냉각될 경우에는 상기 줄 톰슨밸브(115a)가 생략될 수 있다. 즉, 제 3 열교환기(115)를 통과한 상기 공기는 바로 상기 공기분리기(116)로 유입될 수 있다.
공기압축기(112)에서는 상온의 공기가 압축되면서 온도가 상승, 즉 승온될 수 있다.
또한, 질소라인(117)은 제 3 열교환기(115)를 경유하여 질소 사용처 또는 질소 저장 수단(미 도시) 쪽으로 공급되게 연결될 수 있다.
또한, 산소라인(118)에는 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 산소를 승압시켜 공급하도록, 공기분리기(116)에서 배출된 산소(예: 초저온 액체 상태의 산소)를 1차 압축하기 위한 제 1 산소펌프(119a)와, 1차 압축된 후 제 3 열교환기(115)를 경유한 산소를 2차 압축하기 위한 제 2 산소펌프(119b)가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 제 2 산소펌프(119b)의 후단에서 분기된 산소라인(118) 각각의 종단에는 엔진부(300)의 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)이 연결되어 있다.
천연가스라인(201)은 엔진부(300)의 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)과 천연가스 저장탱크(200) 사이에 연결되어, 천연가스의 이동경로를 제공하도록 설치될 수 있다.
천연가스라인(201)에는 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 천연가스를 승압, 즉 압축시켜 공급하도록, 천연가스 저장탱크(200)로부터 인출된 천연가스를 1차 압축하는 제 1 천연가스펌프(210)와, 1차 압축된 후 제 2 열교환기(114)를 경유하여 공기와 열교환한 천연가스를 2차 압축하는 제 2 천연가스펌프(220)가 설치되어 있을 수 있다.
천연가스 저장탱크(200)는 순산소 디젤기관의 가스연료인 천연가스를 저장하는 탱크, 화물창, 저장설비 등이 될 수 있다. 예컨대, 천연가스 저장탱크(200)는 액화천연가스 저장탱크로서, 널리 알려져 있는 독립탱크형(Independent Type) 또는 멤브레인형(Membrane Type) 저장탱크일 수 있다.
엔진부(300)는 기본적으로 2 또는 4 행정 디젤엔진의 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 엔진부(300)는 ME-GI엔진과 같은 형태로 복수개의 엔진실린더를 갖는 엔진블록과, 엔진실린더의 엔진 회전축에 결합된 피스톤(350, 도 4 참조)과, 엔진실린더의 개별 제어를 위해 각 엔진실린더에 결합되어 산소 또는 천연가스의 분사 및 밸브개폐를 제어하는 전자유압제어장치와, 엔진블록에 결합되어 있는 엔진시동장치를 포함할 수 있다.
특히, 엔진부(300)의 각 엔진실린더에는 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)과, 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 엔진부(300)의 각 엔진실린더에는 배기라인(401)에 연결되어 배기가스를 배출시키는 배기구(305)와, 재순환라인(402)에 연결되어 작동 유체로서 이산화탄소를 제공 받는 이산화탄소 도입구(306)가 더 마련되어 있을 수 있다.
터빈 발전기(400)는 재순환라인(402)이 분기된 곳 후단의 배기라인(401)에 설치되고, 배기가스를 동력원으로 하여 전력을 생산하는 것으로서, 터빈 발전기(400)의 출력단 및 전선을 통해 선박 내 전력망에 접속되어 있을 수 있다.
여기서, 선박 내 전력망에는 각종 펌프, 압축기, 유틸리티 기기 등에 전기를 공급하거나, 터빈 발전기(400), 각종 폐열회수장치(410, 420) 등에 접속되어 전력을 입력 받아 관리하는 전력제어장치(미 도시)가 더 마련되어 있을 수 있다.
배기라인(401)은 엔진부(300)의 각 엔진실린더의 배기구(305)와 선박의 배기관(미 도시) 사이에 연결되어, 배기가스의 이동경로를 제공하도록 설치될 수 있다.
재순환라인(402)은 터빈 발전기(400)의 전방 위치의 배기라인(401)으로부터 분기되어 이산화탄소 도입구(306)까지 연결된 것으로서, 배기가스 또는 이산화탄소의 이동경로를 제공할 수 있도록 설치될 수 있다.
제 1 폐열회수장치(410)는 터빈 발전기(400)의 후단의 배기라인(401)에 설치되고, 터빈 발전기(400)를 빠져나온 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하여 증기를 발생시키고, 그 증기를 이용하여 전력을 발생시키는 장치일 수 있다.
제 2 폐열회수장치(420)는 배기라인(401)으로부터 분기된 직후의 재순환라인(402)에 설치되고, 재순환라인(402) 쪽으로 유입된 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하여 증기를 발생시키고, 그 증기를 이용하여 전력을 발생시키는 장치일 수 있다.
배기가스분리기(430)는 제 2 폐열회수장치(420)의 후단의 재순환라인(402)에 설치되고, 제 2 폐열회수장치(420)를 경유한 배기가스로부터 이산화탄소와 수분(H2O)을 분리시켜 이산화탄소만을 재순환제어기(440) 쪽으로 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
재순환제어기(440)는 배기가스분리기(430)의 후단의 재순환라인(402)에 설치되고, 엔진부(300)의 각 엔진실린더의 작동 상태에 따라 그 작동에 필요한 이산화탄소의 도입량, 도입 시기 등을 제어하기 위한 통상의 전자변, 센서, 제어회로 등을 구비하여, 이산화탄소를 엔진부(300)의 각 엔진실린더 내부에 공급하는 역할을 담당할 수 있다. 이산화탄소의 도입량, 도입 시기 등은 실험을 통해 정해질 수 있다.
본 실시예에서는 배기가스분리기(430)의 후단의 재순환라인(402)에서 분기된 라인에 설치된 이산화탄소 저장탱크(441)를 더 포함할 수 있다.
재순환제어기(440)는 배기가스분리기(430)로부터 분리 공급된 이산화탄소, 이산화탄소 저장탱크(441)에 미리 저장해둔 이산화탄소 중 어느 하나를 재순환제어기(440)의 후단의 재순환라인(402) 및 이산화탄소 도입구(306)를 통해 엔진부(300)의 각 엔진실린더 내부에 공급할 수 있도록 되어 있다.
수냉부(500)는 냉각수탱크, 냉각수순환펌프, 방열기 등을 구비한 수냉장치로서, 분사노즐(301 ~ 304) 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수할 수 있도록 냉각수 공급회수펌프와 분사노즐(301 ~ 304)의 노즐워터자켓 사이에 연결된 냉각라인(501, 502)을 통해 냉각수를 공급 및 회수하여 순환시킬 수 있도록 되어 있다.
냉각라인(501, 502)은 냉각수의 공급을 위한 냉각라인(501)과, 냉각수의 회수를 위한 다른 냉각라인(502)로 구분하여 마련될 수 있다.
한편, 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)은 엔진부의 요구 압력(예: 200 ~ 250bar)과 같이 동일 압력 조건에서, 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)에 비해 상대적으로 큰 유량의 산소를 엔진실린더 내부에 분사할 수 있도록, 노즐 직경 조절, 노즐 구멍 개수의 증가 또는 감소 등과 같이, 노즐설계치를 조절하여 적절히 제작되어 있을 수 있다.
반면, 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)은 엔진부의 동일 요구 압력(예: 200 ~ 250bar) 대비, 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)에 비해 상대적으로 적은 유량의 천연가스를 엔진실린더 내부에 분사할 수 있도록 노즐 직경 등의 설계치를 조절하여 제작되어 있을 수 있다.
예컨대, 산소와 천연가스를 상호 충돌시켜 급속한 혼합을 유도하여 화염을 생성하기 위한 최적화 조건은, 산소와 천연가스의 유량비는 질량 유량비(mass flow rate) 기준 2:1이거나, 체적 유량비(volumetric flow rate) 기준 4:1로 정의될 수 있다.
이런 유량비 수치는 상기 유량비 이외의 범위 내에서는 화염 생성에 실패가 발생되거나, 불완전 연소가 이루어질 수 있는 것을 실험을 통해서 알게 되었으므로, 임계적인 효과를 발휘할 수 있는 수치일 수 있다.
도 3은 분사노즐의 배치관계를 설명하기 위한 도 2에 도시된 엔진부의 선 A-A를 따라 절단한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 엔진부의 연소실 중심부에서 산소와 천연가스가 직접 충돌되어 화염을 생성하는 것을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 또는 도 4를 참조하면, 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)은 엔진부(300)의 엔진실린더의 중심(C)을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 엔진실린더의 상부에 설치되어 있다.
또한, 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)은 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)에 대해 원주배치각도(R)만큼 이격되어, 엔진부(300)의 엔진실린더의 중심(C)을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 엔진실린더의 상부에 설치될 수 있다.
이때, 제 1, 제 2 분사노즐(301, 302) 및 제 3, 제 4 분사노즐(303, 304)은 엔진실린더의 상부에서 하경사방향으로 배치된 상하설치각도(Q)를 갖도록, 엔진실린더의 상부에 설치될 수 있다.
예컨대, 상하설치각도(Q)는, 피스톤(350)이 엔진실린더의 연소실 내부의 상사점(TDC, Top Dead Center) 근처에 접근하였을 때, 산소와 천연가스가 동시에 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 직접 분사되어 화염(F)이 연소실 중심부에 위치할 수 있는 각도 범위 내에서 선택하여 정해질 수 있으므로, 본 실시예에서 그의 수치는 한정되지 않을 수 있다.
여기서, 산소 분사용 제 1 분사노즐(301)은 엔진부(300)의 엔진실린더 둘레를 따라 이격된 원주배치각도(R)을 유지하면서 천연가스 분사용 제 2 분사노즐(302)와 쌍을 이룰 수 있고, 제 3 분사노즐(303)도 동일 원주배치각도(R)를 유지하면서 천연가스 분사용 제 4 분사노즐(304)과 쌍을 이룰 수 있다.
이에 따라, 산소와 천연가스는 쌍을 이루는 제 1, 제 2 분사노즐(301, 302)과, 역시 대향적으로 배치되어 쌍을 이루는 제 3, 제 4 분사노즐(303, 304)에서 각각 엔진실린더의 연소실 중심부, 즉 엔진실린더의 중심(C)을 향하여 고압 분사될 수 있다. 이때, 산소와 천연가스는 압력 200 ~ 250bar 정도의 고압 분사를 위해 액체상태로 승압되어 있는 상태로서, 산소와 천연가스의 분사 속도 에너지를 잃어버리기 전에 충돌하여 급속한 혼합을 유도함에 따라 화염이 발생될 수 있다.
엔진부(300)의 분사 및 화염의 위치는 도 4와 같이 결정이 될 수 있다.
특히, 산소와 천연가스의 분사 압력이 동일하고, 분사 방향이 대향적으로 배치되어 있고, 상하설치각도(Q)에 의해 화염(F)이 연소실 중심부에 형성되어 피스톤(350)이 있는 아래쪽으로 전파될 수 있게 되어 있다.
즉, 피스톤(350)이 상사점에 이르기 전에 산소와 천연가스가 분사되고 피스톤(350)이 상사점에 이르면서 점화된 화염(F)은 피스톤(350)이 상사점 위치로부터 멀어지면서 피스톤(350)을 따라 아래로 전파하게 될 수 있다. 본 실시예는 선박용 2행정의 엔진부(300)일 수 있고, 이에 따라 엔진부(300)는 장행정(long stroke) 디젤엔진으로서, 화염(F)이 길어지더라도 엔진실린더 벽면에 무리를 가하지 않을 수 있다. 또한, 산소와 천연가스의 충돌과 함께 발생된 강한 난류로 인해 화염(F)의 길이는 더욱 짧아지게 될 수 있다.
일반적으로 산소와 HC(hydro carbon)계열의 화석연료가 연소할 경우 화염(F)의 온도는 3000K(2726.85℃)정도 되기 때문에 화염(F)이 엔진실린더의 벽면과 직접 접촉할 경우 엔진실린더의 벽면이 고온에 노출되어 열적 마모를 초래할 수 있다. 따라서 화염(F)의 위치는 엔진실린더의 벽면과 배기구(305)의 배기밸브(미도시)와 떨어진 위치에서 결정된 것이다.
본 실시예에서 화염(F)의 위치는 연소실 내부의 상사점 근처에서 형성된 화염(F)이 엔진실린더의 벽면 혹은 배기밸브와 가급적 직접적인 접촉이 일어나지 않는 연소실 중심부에서 집중되도록 되어 있다.
그러므로 상사점 근처에서 엔진실린더의 중심부에 형성된 화염(F)의 온도는 3000K이상 될 것이고, 그 주변으로 2000K수준(예: 일반 공기연소시의 온도)으로 형성될 수 있다. 특히, 연소실 내부로 이산화탄소가 공급되므로 복사열 및 화염(F)이 직접적으로 엔진실린더에 노출되는 것을 막아줄 수 있다.
이하, 산소와 천연가스의 충돌방법에 대하여, 첫 번째 충돌방법은 도 5 및 도 6을 통해 설명되고, 두 번째 충돌방법은 도 7 및 도 8을 통해 설명되고, 세 번째 충돌방법은 도 9를 통해 설명될 수 있다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 두 쌍의 산소(O1, O2)와 천연가스(G1, G2)가 분사노즐(301 ~ 304)에서 동시에 분사 및 충돌하여 화염(F)이 발생하도록 유도할 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 두 쌍의 산소(O1, O2)와 천연가스(G1, G2)가 분사노즐(301 ~ 304)에서 분사되어 미리 충돌함에 따라 예혼합가스(P1, P2)를 만들고, 두 개의 예혼합가스(P1, P2)가 다시 충돌하여 천연가스와 산소의 완벽한 혼합을 촉진하고 이로부터 화염(F)이 발생하도록 유도할 수 있다.
이때,　엔진실린더에 대한 분사노즐(301 ~ 304)의 원주배치각도(R) 또는 분사노즐(301 ~ 304)의 노즐구멍의 수평각도(H)는 산소(O1, O2)와 천연가스(G1, G2)를 미리 충돌시킬 수 있도록 적절히 설계 또는 별도 제작에 의해 정해지거나 한정될 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 화염(F1, F2)을 엔진실린더의 연소실 공간 상부 위치와 하부 위치에 발생시키도록, 쌍을 이루는 제 1, 제 2 분사노즐(301, 302)과, 제 3, 제 4 분사노즐(303, 304)의 노즐구멍의 수직각도(V1, V2)는 상이하게 설계되어 정해질 수 있다. 여기서, 노즐구멍의 수직각도(V1, V2)란 화염(F1, F2)이 형성되는 단면을 기준면으로 할 때, 산소 또는 천연가스가 분사되는 방향을 지칭하는 각도를 의미할 수 있다.
이를 통해 화염(F1, F2)을 분산되게 형성시킬 수 있음에 따라, 화염(F1, F2)의 사이즈 확대를 억제하여, 엔진실린더 벽면이 더욱 안전하게 보호할 수 있게 된다.
도 10은 산소 또는 천연가스용 분사노즐을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 제 2 분사노즐(302)을 비롯한 각각의 분사노즐은 내화재료로 외부 몸체를 이루는 케이싱(310)과, 상기 케이싱(310)의 외측으로 관통된 곳에 노즐구멍을 형성하고 상기 케이싱(310)의 중심부에 결합된 유체공급관(320)과, 유체공급관(320)에 외감되도록 케이싱(310) 내부에 설치된 노즐워터자켓(330)을 포함할 수 있다.
노즐워터자켓(330)의 내부에는 냉각수분리관(331)이 설치되어 유로가 형성되어 냉각수가 흐를 수 있도록 되어있다.
또한, 분사노즐은 냉각수분리관(331)에 의해 구획되는 유로의 일측에 관통하도록 노즐워터자켓(330)의 벽면에 결합되어 있는 냉각수주입부(332)와, 유로의 타측에 관통하도록 노즐워터자켓(330)의 벽면에 결합되어 있는 냉각수배출부(333)를 더 포함할 수 있다.
냉각수주입부(332)와 냉각수배출부(333)는 각각 해당하는 냉각라인(501, 502)에 배관되어 냉각수를 공급 받거나 배출시킬 수 있다.
이에 따라, 냉각수는 노즐워터자켓(330)과 수냉부(500) 사이의 냉각라인(501, 502)을 따라 순환하면서, 화염 열응력으로부터 모든 분사노즐을 보호할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 순산소 디젤기관의 작동 관계에 대하여 설명하고자 한다.
도 2를 참조하면, 재순환제어기(440)는 이산화탄소 저장탱크(441)에 미리 저장해둔 이산화탄소, 또는 배기가스분리기(430)로부터 분리 공급된 이산화탄소를 엔진부(300)의 이산화탄소 도입구(306)를 통해 각 엔진실린더 내부에 공급할 수 있다.
이에 따라, 이산화탄소는 산소 및 천연가스 화염 온도를 상대적으로 떨어뜨리는 작동 유체로서 엔진실린더 벽면의 보호를 위해 엔진부(300)의 엔진실린더의 연소실 내부에 채워질 수 있다.
공기는 공기라인(111)을 통해 공기압축기(112)에 유입되어 압축 및 승온되고, 제 1 열교환기(113)의 해수, 제 2 열교환기(114)의 천연가스와 순차적으로 열교환을 하고, 제 3 열교환기(115)를 경유하여 공기분리기(116)로 유입된 후 산소로 분리될 수 있다.
분리된 산소는 제 1 산소펌프(119a)를 통해 1차 압축되고, 제 3 열교환기(115)에서 공기 또는 질소와 열교환하고, 제 2 산소펌프(119b)를 통해 2차 압축되어, 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소로 될 수 있다.
승압된 산소는 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)을 통해 각 엔진실린더 연소실 중심부를 향해 직접 분사될 수 있다.
천연가스는 천연가스 저장탱크(200)로부터 인출된 후 제 1 천연가스펌프(210)에 의해 1차 압축되고, 제 2 열교환기(114)에서 공기와 열교환하고, 제 2 천연가스펌프(220)에 2차 압축되어 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 승압된 천연가스로 될 수 있다.
승압된 천연가스는 제 1, 제 3 분사노즐(301, 303)의 산소 분사 타이밍과 일치하도록, 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐(302, 304)을 통해 각 엔진실린더 연소실 중심부를 향해 직접 분사될 수 있다.
산소 분사 타이밍 및 천연가스 분사 타이밍은 기존의 ME-GI엔진과 동일하게 피스톤(350, 도 4 참조)이 상사점 근처에 접근하였을 때 이루어질 수 있다.
이런 경우, 분사 속도 에너지를 잃어버리기 전에 산소와 천연가스가 충돌하여 급속한 혼합이 유도됨에 따라 화염을 생성하고, 연소실 내부에 채워져 있던 이산화탄소에 의해 엔진실린더의 벽면을 보호할 수 있게 된다.
또한, 모든 분사노즐(301 ~ 304)은 수냉부(500), 냉각라인(501, 502), 노즐워터자켓을 통한 냉각수 순환에 의해, 화염의 열응력으로부터 보호받을 수 있다.
또한, 화염에 의해 산소와 천연가스의 완전연소 또는 순산소 연소가 이루어질 수 있다.
이에 따라, 엔진실린더의 연소실 내부에는 수분(H2O)인 물과 이산화탄소만을 함유한 배기가스로 채워질 수 있다.
배기가스의 일부는 엔진부(300)의 배기구(305), 배기라인(401)을 통해 터빈 발전기(400)와 제 1 폐열회수장치(410)를 경유하면서 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
배기가스의 다른 일부는 배기라인(401)으로부터 분기된 재순환라인(402), 제 2 폐열회수장치(420)를 거쳐 배기가스분리기(430)로 유입된 후 이산화탄소로 분리될 수 있다.
분리된 이산화탄소는 밸브 개폐 제어에 따라 이산화탄소 저장탱크(441)에 충전되거나, 재순환제어기(440)에 의해 다시 엔진부(300)의 이산화탄소 도입구(306)를 통해 각 엔진실린더 내부에 공급될 수 있다.
또한, 본 실시예는 이산화탄소를 산소에 섞어 혼합 산소를 연료의 산화제로 사용한 것과 차별화 될 수 있을 정도로, 순산소 공급에 따른 완전연소를 실현할 수 있다.
이와 같은 본 실시예는 완전연소로 인하여 수분(H2O)인 물과 이산화탄소만을 함유한 배기가스가 엔진부(300)의 배기구(305)에서 배출됨에 따라, 배기가스 내에 질소산화물이 함유되어 있지 않을 수 있다.
이하의 설명에서는, 제 2, 제 3 산소공급처리부에 의한 산소 공급 방안에 대해서 설명하고자 한다.
도 11은 제 2 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
도 11을 참조하면, 제 2 산소공급처리부(120)는 앞서 상세히 설명한 바와 같은 제 1 산소공급처리부(110)(도 2 참조)에 비해 질소의 냉열을 공기 냉각에 이용하기 위한 제 4 열교환기(121)를 더 포함하고 있다.
따라서, 중복 설명을 피하기 위하여, 본 설명에서는 제 4 열교환기(121) 위주로 설명될 수 있다.
제 4 열교환기(121)는 제 3 열교환기(115)의 후단의 질소라인(117)과, 제 1 열교환기(113) 및 제 2 열교환기(114) 사이의 공기라인(111)에 걸쳐 설치되어 있다. 이런 제 4 열교환기(121)는 공기의 냉각에 질소를 이용할 수 있게 하여, 공기의 초기 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
도 12는 제 3 산소공급처리부를 갖는 순산소 디젤기관을 도시한 구성도이다.
도 12를 참조하면, 제 3 산소공급처리부(130)는 액화 산소를 저장하고 있는 액화산소탱크(131)와, 액화산소탱크(131)의 산소를 승압시키는 산소승압설비(132)와, 산소승압설비(132)로부터 산소를 공급받을 수 있도록 결합된 버퍼탱크(134)를 포함할 수 있다.
버퍼탱크(134)에는 승압된 산소가 저장되어서, 지속적으로 산소가 엔진부(300) 쪽으로 공급될 수 있다.
산소승압설비(132)는 산소를 액상으로 인출하도록 액화산소탱크(131)에 결합된 산소 공급라인(135)과, 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 산소를 1차 압축 공급하도록 산소 공급라인(135)에 설치된 제 1 산소펌프(136)를 포함할 수 있다.
산소승압설비(132)는 액화산소탱크(131)의 내측 상부의 증기영역에서 증발가스를 포집하도록 액화산소탱크(131)에 결합된 증발가스 액화라인(137)을 포함할 수 있다. 즉, 증발가스 액화라인(137)은 액화산소탱크(131)에서 증발된 산소를 인출하는 역할을 담당할 수 있다.
산소승압설비(132)는 증발가스를 압축하도록 증발가스 액화라인(137)에 설치된 증발가스압축기(138)를 포함할 수 있다.
산소승압설비(132)는 제 1 산소펌프(136)를 경유하여 압축된 액상의 산소와, 증발가스압축기(138)를 경유하여 압축된 증발가스를 열교환시키기 위한 승온열교환기(139)를 더 포함할 수 있다.
산소승압설비(132)는 엔진부(300)의 요구 압력에 대응하게 산소를 2차 압축 공급하도록 승온열교환기(139) 후단의 산소 공급라인(135)에 설치된 제 2 산소펌프(140)를 포함할 수 있다.
증발가스 액화라인(137)은 승온열교환기(139)를 경유하여 제 2 산소펌프(140) 후단의 산소 공급라인(135)에 합류되게 설치되어 있을 수 있다.
또한, 산소승압설비(132)는 제 2 산소펌프(140)와 버퍼탱크(134) 사이의 산소 공급라인(135)에 설치되어 엔진부(300)의 요구 온도에 대응하게 산소를 가열하는 히터(141)를 더 포함할 수 있다.
제 1 산소펌프(136)의 주변에는 제 1 산소펌프(136)의 전단과 제 1 산소펌프(136)의 후단을 연결하는 바이패스라인이 구비되어 있고, 산소 공급라인(135)의 압력을 측정하는 압력센서(P)에 대응하여 공급 압력을 조절하는 압력조절밸브가 바이패스라인에 마련되어 있을 수 있다.
이러한 바이패스라인, 압력센서(P), 압력조절밸브는 증발가스압축기(138), 제 2 산소펌프(140), 히터(141)의 주변에 더 마련되어 있을 수 있다.
산소는 산소승압설비(132)를 통해 승압된 후 버퍼탱크(134)로 유입되어 임시 저장될 수 있다.
버퍼탱크(134)에 임시 저장된 산소는 엔진부(300)의 요구 압력 및 온도에 대응하게 승압된 것으로서, 엔진부(300)용 천연가스 연소용 산화제로서 사용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
110, 120, 130 : 산소공급처리부 201 : 천연가스라인
200 : 천연가스 저장탱크 301 ~ 304 : 분사노즐
300 : 엔진부 400 : 터빈 발전기
401 : 배기라인 402 : 재순환라인
410, 420 : 폐열회수장치 430 : 배기가스분리기
440 : 재순환제어기 500 : 수냉부

Claims (18)

  1. 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와,
    상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과,
    상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과,
    상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과,
    상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와,
    상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함하고,
    상기 재순환라인이 분기된 곳 후단의 상기 배기라인에 설치되고, 전력망에 접속되어 있는 터빈 발전기와,
    상기 터빈 발전기의 후단의 상기 배기라인에 설치되고, 상기 터빈 발전기를 빠져나온 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하는 제 1 폐열회수장치와,
    상기 배기라인으로부터 분기된 직후의 재순환라인에 설치되고, 상기 재순환라인 쪽으로 유입된 배기가스에서 나오는 폐열을 재활용하는 제 2 폐열회수장치를 더 포함하는
    순산소 디젤기관.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 천연가스라인에는,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 천연가스를 승압, 즉 압축시켜 공급하도록, 상기 천연가스 저장탱크로부터 인출된 천연가스를 1차 압축하는 제 1 천연가스펌프와,
    상기 제 1 천연가스펌프에서 1차 압축된 후 제 2 열교환기를 경유하여 공기와 열교환한 천연가스를 2차 압축하는 제 2 천연가스펌프가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  4. 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와,
    상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과,
    상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과,
    상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과,
    상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와,
    상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함하고,
    상기 분사노즐은,
    상기 엔진부의 엔진실린더의 중심을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 상기 엔진실린더의 상부에 설치되고, 천연가스 분사 유량에 비해 상대적으로 큰 유량을 분사하는 산소 분사용 제 1, 제 3 분사노즐을 포함하는
    순산소 디젤기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분사노즐은,
    상기 제 1, 제 3 분사노즐에 대해 원주배치각도만큼 이격되어, 상기 엔진부의 엔진실린더의 중심을 지나는 반경방향을 따라 상호 대향적으로 배치되도록 엔진실린더의 상부에 설치된 천연가스 분사용 제 2, 제 4 분사노즐을 더 포함하는
    순산소 디젤기관.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 분사노즐과, 상기 제 3, 제 4 분사노즐이 각각 쌍을 이루되, 상기 제 1, 제 2 분사노즐 및 상기 제 3, 제 4 분사노즐의 노즐구멍의 수직각도가 상이하게 정해져서, 연소실 공간 상부와 하부에 화염이 분산되게 형성되는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 산소공급처리부는,
    공기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리기와,
    상기 공기분리기쪽으로 공기의 이동경로를 제공하는 공기라인과,
    상기 공기분리기에 연결되어 질소의 이동경로를 제공하는 질소라인과,
    상기 공기분리기와 상기 엔진부의 산소 분사용 상기 제 1, 제 3 분사노즐 사이에 연결되어 산소의 이동경로를 제공하는 산소라인을 포함하는
    순산소 디젤기관.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공기라인에는,
    상기 공기분리기의 요구 압력에 대응하게 공기를 압축하여 공급하기 위한 공기압축기와,
    상기 공기압축기에서 압축 및 승온된 공기를 냉각시키기 위해 해수를 이용하는 제 1 열교환기와,
    상기 제 1 열교환기에서 냉각된 공기를 냉각시키기 위해 천연가스를 이용한 제 2 열교환기와,
    상기 제 2 열교환기에서 냉각된 공기에 질소 및 산소의 냉열을 제공하도록 열교환하는 제 3 열교환기와,
    상기 제 3 열교환기 후단에 상기 공기분리기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 열교환기와 상기 공기분리기의 사이에는 공기의 단열 자유팽창을 발생시키는 줄 톰슨밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산소라인에는,
    상기 공기분리기에서 배출된 산소를 1차 압축하는 위한 제 1 산소펌프와,
    상기 제 1 산소펌프에서 1차 압축된 후 상기 제 3 열교환기를 경유한 산소를 2차 압축하기 위한 제 2 산소펌프가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  11. 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와,
    상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과,
    상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과,
    상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과,
    상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와,
    상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함하고,
    상기 산소공급처리부는,
    제 3 열교환기의 후단의 질소라인과, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기 사이의 공기라인에 걸쳐 설치되어, 공기의 냉각에 질소를 이용하는 제 4 열교환기를 더 포함하는
    순산소 디젤기관.
  12. 산소 또는 천연가스를 분사하는 분사노즐을 각각 장착한 엔진부와,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 승압된 산소를 상기 엔진부의 상기 분사노즐에 공급하는 산소공급처리부와,
    상기 분사노즐과 천연가스 저장탱크 사이에 연결된 천연가스라인과,
    상기 엔진부의 엔진실린더의 배기구에 연결된 배기라인과,
    상기 배기라인으로부터 분기되어 상기 엔진실린더의 이산화탄소 도입구까지 연결된 재순환라인과,
    상기 재순환라인에 설치된 배기가스분리기와,
    상기 분사노즐 각각에 마련된 노즐워터자켓에 냉각수를 공급 및 회수하는 수냉부를 포함하고,
    상기 산소공급처리부는,
    액화 산소를 저장하고 있는 액화산소탱크와,
    상기 액화산소탱크의 산소를 승압시키는 산소승압설비와,
    상기 산소승압설비로부터 산소를 공급받을 수 있도록 결합된 버퍼탱크를 포함하는
    순산소 디젤기관.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 산소승압설비는,
    상기 산소를 액상으로 인출하도록 상기 액화산소탱크에 결합된 산소 공급라인과,
    상기 엔진부의 요구 압력에 대응하게 상기 산소를 1차 압축 공급하도록 상기 산소 공급라인에 설치된 제 1 산소펌프와,
    상기 액화산소탱크에서 증발된 산소를 인출하도록 상기 액화산소탱크에 결합된 증발가스 액화라인과,
    상기 증발가스 액화라인에 설치된 증발가스압축기와,
    상기 제 1 산소펌프를 경유하여 압축된 액상의 산소와, 상기 증발가스압축기를 경유하여 압축된 증발가스를 열교환시키기 위한 승온열교환기와,
    상기 승온열교환기 후단의 산소 공급라인에 설치된 제 2 산소펌프와,
    상기 제 2 산소펌프와 상기 버퍼탱크 사이의 상기 산소 공급라인에 설치된 히터를 포함하는
    순산소 디젤기관.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스분리기 후단의 상기 재순환라인에 설치되고, 이산화탄소를 상기 엔진실린더의 내부에 공급하는 재순환제어기를 더 포함하는 순산소 디젤기관.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배기가스분리기의 후단에 설치되고, 상기 재순환제어기로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 저장탱크를 더 포함하는
    순산소 디젤기관.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 3 분사노즐 및 상기 제 2, 제 4 분사노즐은,
    각각 산소와 천연가스를 상기 엔진실린더의 연소실 중심부를 향해 직접 분사시킴에 따라, 화염이 연소실 중심부에 위치될 수 있도록, 상기 엔진실린더의 상부에서 하경사방향으로 배치되어 상하설치각도를 갖는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 3 분사노즐 및 상기 제 2, 제 4 분사노즐은,
    각각 산소와 천연가스를 동시에 분사하는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
  18. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 분사노즐 및 상기 제 3, 제 4 분사노즐은,
    두 쌍의 산소와 천연가스를 분사하여 각각의 산소와 천연가스가 미리 충돌함에 따라 예혼합가스가 형성되고, 두 개의 상기 예혼합가스가 다시 충돌하여 상기 산소와 상기 천연가스의 완벽한 혼합을 촉진하고 이로부터 화염을 발생시키는 것을 특징으로 하는
    순산소 디젤기관.
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