KR101305442B1

KR101305442B1 - 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 갖는 내부 연소 엔진

Info

Publication number: KR101305442B1
Application number: KR1020130004874A
Authority: KR
Inventors: 스테판 마이에르
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-09-06
Also published as: JP2013148094A; CN103216341B; JP2015052322A; DK201270034A; CN103216341A; DK177572B1; KR20130085973A; JP5813674B2

Abstract

2-행정 크로스헤드 디젤 엔진 또는 4-행정 디젤 엔진과 같은 내부 연소 엔진(1)으로서, 연소 챔버들을 갖는 실린더들(11), 및 실린더들(11)의 연소 챔버들 내에서 연소되는 연료 오일 및 연료 가스를 연료 오일 제어 시스템(20) 및 연료 가스 제어 시스템(30)에 제공하는 연료 오일 공급 시스템(23) 및 연료 가스 공급 시스템(19)을 포함하고, 내부 연소 엔진은, 실린더들(10)의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 연료 오일제어 시스템(20)과 함께 이루어지는 연료 오일 동작 모드, 및 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 포함하고, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서, 실린더들(11)의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절은 연료 오일 제어 시스템(20)과 연료 가스 제어 시스템(30) 사이에서 시간에 맞추어 자동적으로 교번되고, 그에 따라 실린더들(10)의 연소 챔버들 내 연소는 연속적인 시구간들에서 연료 오일 또는 연료 가스 중 어느 하나에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 연소 엔진이 개시된다.

Description

조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 갖는 내부 연소 엔진{An internal combustion engine with a combined fuel oil and fuel gas operation mode}

본 발명은, 연료 오일 제어 시스템 및 연료 가스 제어 시스템에게 실린더들의 연소 챔버들에서 연소되는 연료 오일 및 연료 가스를 제공하는 연료 오일 공급 시스템 및 연료 가스 공급 시스템 및 연소 챔버들을 갖는 실린더들을 포함하는, 2-행정 크로스헤드 디젤 엔진 또는 4-행정 크로스헤드 디젤 엔진과 같은, 내부 연소 엔진에 관한 것이고, 상기 내부 연소 엔진은, 상기 실린더의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절(engine regulation)이 연료 오일 제어 시스템과 함께 이루어지는, 연료 오일 동작 모드, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 포함한다.

내부 연소 엔진들의 동작으로부터 방출되는 이산화탄소, 산화질소 및 유황을 저감하고자 관심이 증가하고 있으며, 그에 따라 종래의 연료 오일에 대한 대체 연료 대체제들이 연구되어 왔다. MAN Diesel 12K80MC-GI-S와 같은 대형 2-행정 디젤 엔진들의 동작은, 주요 연료로서 연료 가스를 이용한 동작이 종래의 연료 오일에 비하여 방출의 면에 있어서 안전하고, 안정적이며 환경적으로 바람직할 수 있다는 것을 나타내 왔다. 선박 시장(maritime market)에서의 대형 2-행정 디젤 엔진들과 관련하여, 연료 오일 및 연료 가스 공급 시스템 모두를 갖는 2종 연료 엔진들이 더욱 관심을 받고 있으며, 특히 운송 동안 자연 손실로 간주되는 가스 탱크들로부터의 증발 가스(boil-off gas)가 처리되어야 하는 액화천연가스 캐리어들(LNG carriers)에서 그러하다.

선행기술 일본 특허 제JP2009133256호는 흑연(black smoke)의 형성을 방지하기 위한, 즉 연료 가스의 발 열량이 낮은 경우 엔진의 동작 동안 방출을 감소시키기 위한, 2종 연료 내부 연소 엔진의 제어 방법으로 알려져 있으며, 연료 오일 및 연료 가스 모두의 혼합이 조절되고 미리 정해진 동작 조건에서 동시에 연소 챔버 내로 주입된다.

선행기술 국제 출원 제WO2009/046713호는 내부 연소 엔진을 개시하며, 연료 센서들을 갖는 내부 연소 엔진의 실린더들로의 연료 공급은, 다른 연료 오일 특성들(fuel oil properties)을 갖는 다른 연료 오일들의 혼합 사용을 최적화하는 혼합 유닛(mixing unit)을 포함한다.

내부 연소 엔진들이 사용되기 전에, 상기 내부 연소 엔진들은 그들의 추후 사용을 나타내는 모든 부하 조건들에 대해서뿐만 아니라 모든 연료 공급 혼합물들의 경우에서도 테스트된다. 테스팅은, 방출 수준들이 요구되는 한계범위 내에 있는지 및 연료 소모가 원하는 대로 이루어지는지에 관한, 엔진의 구조적인 열적 무결성을 확인하도록 수행된다. 연료 오일만을 사용하는 종래의 선박용 엔진에서, 이는 프로펠러 커브(propeller curve)를 따라 부하들의 대표 집합을 테스트하는 것을 의미한다. 연료 오일 및 연료 가스 모드를 사용하는 2종 연료 엔진에서, 테스팅은 프로펠러 커브를 따라 부하들의 대표 집합에 대해 요구되고, 또한 연료 오일 및 연료 가수의 가능 혼합들의 대표 집합도 커버한다. 이에 테스트 매트릭스의 차원(dimestionality)이 1에서 2차원으로 증가한다.

이에 기초하여, 본 발명의 목적은, 연료 오일 및 연료 가스 연소의 장점을 갖고 엔진이 동작하기 전에 요구되는 엔진 테스팅의 범위를 감소시키는 내부 연소 엔진을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 이 내부 연소 엔진은, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서, 실린더들의 연소 챔버들에 제공되는 연료의 엔진 조절(engine regulation)이 시간에 맞추어 연료 오일 제어 시스템과 연료 가스 제어 시스템 사이에서 자동적으로 교번되고, 그에 따라 연속적인 시구간들에서 실린더들의 연소 챔버들 내 연소가 연료 오일 또는 연료 가스 중 어느 하나에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서 실린더들의 연소 챔버들 내로 공급되는 연료의 엔진 조절을 연료 가스 제어 시스템과 연료 오일 제어 시스템 사이로 교번시킴으로써, 양 연료들의 연속적인 사용이 얻어진다. 이는, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서의 실린더들의 연료 챔버 내로 제공된 연료 가스로, LNG 캐리어로부터의 증발 가스를 활용할 수 있기 때문에, 사용자 관점에서 바람직하다. 더욱이, 이는 시스템 압력을 안정적으로 유지하기 위해 증발 가스의 부분을 적어도 지속적으로 방출하여야 하는 것을 요구하는 연료 가스 공급 시스템의 안정적인 동작을 보증한다. 테스팅 관점에서 보면, 엔진의 테스팅은, 연료 가스만으로의 엔진의 동작 및 연료 오일만으로의 엔진의 동작에 대해 수행되어야만 한다. 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서의 시구간들은, 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공된 연료의 엔진 조절이 연료 오일 제어 시스템 또는 연료 가스 제어 시스템 중 어느 하나와 함께 이루어져, 그러한 엔진의 동작 기간 및 엔진이 연료 오일 동작 모드에서 동작되는 동작 기간들 보다 현저하게 짧다. 초 및 분의 범위의 시구간들로 연료 가스의 바람직한 연속적인 사용이 달성될 수 있고, 반면에, 연료 동작 모드에서의 동작 구간들은 전형적으로 일(days)의 범위이다.

엔진의 이 동작은, 엔진의 세부요건들 및 배출 관련 법률에 따름을 입증하기 위해 프로펠러 커브를 따라 여러 다른 부하들에서 수행되어야만 하는 엔진의 테스팅을 돕는다. 따라서 본 발명에 따른 내부 연소 엔진은, 각각의 타입의 연료에 대해 여러 다른 부하들에서 테스트되는 것만이 요구되기 때문에, 요구되는 테스트들의 양을 현저하게 감소시키고, 반면에, 예를 들어, 연료 가스 및 연료 오일의 조합된 동시 주입의 경우, 넓은 범위의 가능한 연료 조합들 내 다양한 다른 부하들에서의 테스팅을 요구한다. 본 발명에 다른 내부 연소 엔진은, 예를 들어, 다양한 연료 제어 시스템들 및 상응하는 연료 공급 시스템들이 존재하는 경우에도 실린더들 내로의 연료 주입의 단순한 엔진 조절을 제공하고, 또한 예를 들어 동일한 연소 프로세스 내에서 다른 연료 타입들의 혼합의 주입에 기초한 연소가 이루어지는 엔진에 비해 더욱 단순한 연료 제어 시스템들의 설계를 제공한다.

본 발명의 추가 이점들은, 기존의 연료 오일 제어 시스템들의 큰 수정들의 필요 없이, 기존의 엔진 상의 연료 가스 제어 시스템을 개장(retrofitting)함으로써, 본 발명에 따른 내부 연소 엔진이 달성될 수 있다는 점인데, 이는 조속기 제어, 즉 주입 타이밍 및 주입되는 연료의 양과 같은 주요 파라미터들의 조절이 연료 오일 제어 시스템 또는 연료 가스 제어 시스템 중 어느 하나와 함께 이루어지기 때문이다.

조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서 연료 가스에 기초한 연소에서 시구간 동안 사용된 연료 가스는, 바람직하게는 LNG 캐리어의 가스 탱크로부터 자연적으로 증발될 가스이며, 다시 말해 이용 가능한 증발 가스는 운송 동안 내부 연소 엔진의 전체 동작에 대한 연료만큼 충분하지 않다.

실제의 실시예에서, 내부 연소 엔진은 연료 가스 동작 모드를 더 포함한다. 이 동작 모드에서, 실린더들의 연소 챔버들 내로 주입된 연료의 엔진 조절은 연료 가스 제어 시스템에 의해 처리된다. 이는 연료 오일의 소모가 최소로 유지되는 것을 허용하며, 이는 미량 방출의 감소의 관점에서 바람직하지만, 많은 양의 연료 가스가 연료 가스 공급 시스템으로부터 배출되어야만 하는 기간들에서도 바람직하다. 이는 예를 들어 캐리어 탱크들 내에서 증발하는 가스의 양이 주변 온도들에 상당히 의존적인 대형 LNG 캐리어들의 경우일 수 있다. 더욱이, 연료 오일 동작 모드 및 연료 가스 동작 모드를 테스팅하는 것만으로, 모든 요구되는 테스팅이 수행될 수 있는데, 이는 이러한 모드들의 테스트들이, 조속기 제어가 연료 오일 제어 시스템 및 연료 가스 제어 시스템 사이에서 교번되는, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에 대한 테스트로서도 충분하기 때문이다. 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 연료 오일 제어 시스템 또는 연료 가스 제어 시스템 중 어느 하나와 함께 이루어지는, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드의 시구간들은 그러한 동작 기간 및 엔진이 연료 가스 동작 모드에서 동작되는 동작 기간들 보다 현저하게 짧다.

추가적인 발전된 실시예에서, 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 연료 가스 제어 시스템에 의해 제어되는 경우, 파일럿 연료 오일이 실린더들 내로 제공된다. 이는, 압축 점화 내부 연소 엔진들의 연소 프로세스의 더 나은 제어를 제공한다고 알려져 있을 뿐만 아니라, 연소가 연료 가스에 기초하여 이루어질 때 동작에 있어서도 바람직하다. 상기 파일럿 연료는 그 자체로 알려진 방법으로 연료 챔버 내 점화의 개시를 일으키지만, 실제 연소는 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공된 연료 가스에 기초하여 이루어진다. 따라서 파일럿 연료, 레이저, 스파크 또는 고온-벌브(hot-bulb)와 같은 연소 개시제(combustion initiator)가 가스 연소를 개시시킨다.

또한 추가적인 발전된 실시예에서, 연료 가스 공급 시스템으로부터의 증발 가스는, 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 연료 오일 제어 시스템에 의해 제어되는 경우, 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공된다. 이는, 연료 가스 공급이 0보다 크게 유지되기 때문에, 실린더 커버에서의 연료 가스 제어 시스템이 실링 오일(sealing oil)로부터 청결하게 유지되어서, 연료 가스 제어 시스템의 동작을 개선시킬 것이다. 이 원리는, 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 조절이 연료 오일 제어 시스템에 의해 제어되는 경우 연료 가스 공급 시스템으로부터의 증발 가스의 작은 부분이 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는, 조합된 연료 가스 및 연료 오일 동작 모드에도 적용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 실린더들의 연소 챔버들 내로의 연료의 공급은 연속적인 시구간들 사이의 엔진 사이클(engine cycle) 동안 일시정지(intermitted)된다. 따라서 연료 제어 시스템들이 실행 중인 발화 순서의 발화 순서의 제어를 이어받지 않기 때문에, 다른 연료 제어 시스템들 사이에서, 실린더들의 연소 챔버들 내로의 연료의 공급의 제어를 전환하는 경우, 개별적인 실린더들의 정확한 발화 순서(firing order)가 보증된다.

추가적인 실시예에서, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드는 실린더별로 영향 받아, 실린더들이 다른 모드들에서 동작하고 있다. 바람직한 동작 모드가 연료 오일 동작 모드이고 연료 가스 공급 시스템 내 압력이 연료 오일 동작 모드에서 사용될 수 있는 것보다 많은 연료 가스가 배출되는 것을 요구하는 상황들에서, 상기 압력은, 하나 이상의 실린더들 내의 연소가 연료 가스에 기초하여 이루어지도록 함으로써, 단순하고 효율적인 방법으로 감소될 수 있고, 반면에 남은 실린더들 내의 연소는 연료 오일에 기초하여 이루어질 수 있다. 명백하게, 이는 압력을 감소시키기 위해 단순히 연료 가스 공급 시스템을 가스배출(venting)시키는 것보다 더욱 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 연료 가스 공급 시스템은 연료 가스의 비연속적인 수요를 원활하게(smoothing out) 하는 버퍼 탱크를 포함한다. 예를 들어 연료 가스가 LNG 캐리어의 LNG 탱크들로부터 전달된 경우, 탱크 내 포함된 가스로부터의 연속적인 증발이 있을 것이다. 증발 가스의 양이 특히 주변 온도에 따라 변화하기 때문에, 증발 가스의 양은, 본 발명에 따른 내부 연소 엔진 내 연소 프로세스에 활용될 수 있는 양에 부응을 못 하기가 쉽다.

이 실시예의 추가적인 발전에서, 시구간들이 미리 결정된다. 따라서 상기 시구간들은, 예를 들어 방출들을 최소한으로 유지하기 위해, 배의 소유자에 의해 특정 요구들을 충족하도록 미리 설정될 수 있다. 상기 시구간들은 또한 버퍼 탱크의 구성 및/또는 연료 가스 공급 시스템이 연료 가스를 연료 가스 공급 시스템에 제공할 수 있는 속도에 기초하여 결정될 수 있다. 특정 온도에서, 증발 속도는 상대적으로 일정하지만, 예를 들어 온도가 변화하는 경우, 상기 시구간들은 내부 연소 엔진의 동작 동안 조절될 수 있다. 그러한 조절은 버퍼 탱크들 내 연소 가스의 양의 측량들과 조합될 수 있다.

또한, 이 실시예의 추가적인 발전에서, 상기 시구간들은 연료 공급 시스템들에서 이용 가능한 연료 오일 및/또는 연료 가스의 양의 측량에 기초하여 결정된다. 따라서 상기 시구간들의 결정은 이용가능한 연료의 총량을 고려하여서도 결정될 수 있다.

예를 들어 방출 속도들에 대한 특정 요구들과 함께, 주 연료로서 고정된 양의 연료 가스로 엔진을 동작시키기 위해 시구간들이 결정되는 것이 바람직하다. 이는 또한, LNG 탱크의 내용물을 필수 증발 가스보다 더 큰 범위로 활용하는 것이 바람직한 경우, LNG의 운송 동안 예를 들어 LNG 캐리어로부터의 연료 가스가 특정량 사용되는 것을 보증할 수 있다.

또한 추가적인 대체로서, 주연료로서 고정된 양의 연료 오일로 엔진을 동작시키기 위해 시구간들이 결정된다. 이는 연료 오일의 소모를 최소한으로, 예를 들어, 배의 소유자에 의해 결정된 특정 레벨로 유지하는데 사용될 수 있다.

추가적인 실시예에서, 내부 연소 엔진은 복수의 연료 제어 시스템들을 포함한다. 이는 예를 들어 연료 오일 동작 모드에서의 연소가 다른 연료 오일 특성들을 갖는 다른 연료 오일들에 기초하여 이루어지는 것을 허용한다. 상기 다른 연료 오일들은 예를 들어 혼합 유닛에 의한 주입 이전에 혼합될 수 있거나, 또는 예를 들어 추가적인 독립 연료 제어 시스템에 의해 주입될 수 있고, 그에 따라 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 시간에 맞추어 복수의 연료 제어 시스템들 사이에서 자동적으로 교번된다.

실제의 실시예에서, 가스 연소를 포함하는 동작 모드들에서의 연소는, 미리 혼합된 연소를 채용하는, 즉, 연료 가스가 스캐빈지 에어를 통해 또는 압축 단계 초기의 주입에 의해 연소 챔버들 내로 제공되는, 린번 가스 엔진(lean burn gas engine)의 그것일 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 내부 연소 엔진은, 연료 오일 및 연료 가스 연소의 장점을 갖고 엔진이 동작하기 전에 요구되는 엔진 테스팅의 범위를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 예들 및 이들의 실시예들이 이하에서 매우 개략적인 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서의 엔진의 예이다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 본 발명에 따른 다른 동작 모드들을 도시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부 연소 엔진(1)은 2-행정 크로스헤드 디젤 엔진일 수 있다. 그러한 엔진(1)은 예를 들어, MAN 디젤 및 MC 또는 ME 타입의 제품이거나, 또는 Sulzer RT-flex 또는 Sulzer RTA 타입의 바르질라(Wartsila)의 제품이거나, 미츠비시 중공업의 제품일 수 있다. 이 타입의 엔진은 전형적으로 배의 선박 엔진 또는 발전소의 고정 엔진(stationary engine)으로 사용되는 대형 엔진이다. 실린더들은 예를 들어, 25 cm 내지 120 cm 범위의 내경(bore)을 가질 수 있고, 엔진은 예를 들어 3000 kW 내지 120,000 kW 범위의 출력(power)을 가질 수 있다. 엔진 속도는 전형적으로 40 rpm 내지 250 rpm 범위이다. 선택적으로, 본 발명에 따른 엔진은, 예를 들어 300 rpm 내지 1400 rpm 범위의 엔진 속도, 및 예를 들어 1300 kW 내지 30,000 kW 범위의 엔진 출력을 갖는 4-행정 디젤 엔진일 수 있다. 본 발명에 따른 내부 연소 엔진들의 압축 점화는 전형적으로 주 연료로서 HFO(heavy fuel oil)를 사용할 수 있다.

도 1의 엔진(1)은 엔진 프레임(4)의 실린더 영역(3)에 장착된 실린더 라이너(cylinder liner, 2)를 갖는 복수의 실린더들을 갖는다. 배기 밸브 하우징(exhaust valve housing, 5)은 실린더 커버(6) 내로 장착되고 배기 가스 도관(exhaust gas duct, 7)은 개별 실린더로부터 다수의 또는 모든 실린더들에 공통되는 배기 가스 리시버(8)로 연장된다. 상기 배기 가스 리시버에서, 상기 배기 가스 도관들로부터 방출된 배기 가스 펄스들에 의해 일어나는 압력 변동들은 더 고른 압력으로 균일화되고, 1개 이상의 터보차져들(turbochargers, 9)은 배기 가스 리시버(8)로부터 배기 가스를 수신하고 압축된 공기를, 배기 가스 리시버와 같이, 연장 압축 용기(elongated pressure vessel)인, 스캐빈지 에어 리시버(scavenge air receiver, 10)를 포함하는 스캐빈지 에어 시스템에 전달한다.

개별 실린더에서, 피스톤은, 크로스헤드 및 연결봉(connecting rod, 미도시)을 통해 크랭크샤프트(crankshaft) 상의 크랭크 핀(crank pin)과 연결된 피스톤봉(piston rod) 상에 장착된다. 엔진이 4-행정 엔진인 경우 상기 피스톤은 상기 연결봉에 직접 연결된다. 연료 주입기는 연소 챔버 내로 연료를 주입하며, 여기서 상기 연료는 공기의 높은 온도 때문에 상기 피스톤 상에서 자동-점화된다. 상기 피스톤이 상부로의 압축 행정 동안 흡입 공기(inlet air)를 압축하였기 때문에, 상기 높은 온도가 존재한다. 그러나, 본 발명은, 연소 챔버 내 연료의 동종 분포(homogenous distribution)를 갖는, 미리 혼합된 연소에 기초한, 내부 연소 엔진들에 대해 일반적으로 적용 가능하다.

도 2에서, 실린더 영역(3)이 단일 실린더(11)만으로 도시되었지만, 엔진은, 2-행정 내부 연소 엔진인 경우 4 내지 15개의 실린더들과 같은, 및 4-행정 엔진인 경우 4 내지 20개의 실린더들과 같은, 복수의 실린더들을 가질 수 있다. 도 2에서 개략적으로 나타난 바와 같이, 내부 연소 엔진(1)은, 연료 오일 제어 시스템(20) 및 연료 가스 제어 시스템(30)에게 실린더들(11)의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료 오일 및 연료 가스를 제공하는 연료 오일 공급 시스템(23) 및 연료 가스 공급 시스템(19)을 포함한다. 본 예에서, 연료 오일 제어 시스템(20) 및 연료 가스 제어 시스템(30)은 실린더들(11)의 연소 챔버들 내로의 연료 오일 및 연료 가스의 주입을 각각 제어한다. 연료 제어 시스템들(20, 30)의 일반적인 원칙은, 각각의 실린더(11)가, 실린더 커버(6) 내 연료 주입기들(13, 14)과 연결된 연료 펌프들 또는 밸브들과 같은 1개 이상의 연료 투입 장치들(fuel dosing devices, 15, 16)을 제어하는 실린더 제어 유닛(12)과 연관된다는 것이다. 실린더 당 주입기들(13, 14)의 개수는 실린더(11)의 출력에 의존한다. 각각의 실린더는 연료 오일 주입기(13) 및 연료 가스 주입기(14)를 적어도 포함한다. 더 작은 엔진들에서 연료 타입당 하나의 단일 주입기가 하나의 연소 프로세스에 요구되는 연료의 양을 주입하는데 충분할 수 있고, 반면에, 더 크고 더 많은 출력의 엔진들의 경우 각각의 연료 타입에 대해 2 또는 3개의 주입기들이 요구될 수 있다. 실린더(11) 당 여러 주입기들이 제공되는 경우, 주입기(13, 14) 당 하나의 연료 투입 장치(15, 16)가 있을 수 있다. 연료 제어 시스템(20, 30)의 엔진 제어 유닛(12)은 선박(vessel)의 함교(bridge)와 소통하여 엔진 제어 유닛(17)에 의해 교대로 제어된다.

연료 가스 공급 시스템(19)이 해상 동작하는 액화 천연 가스(LNG) 캐리어 선박의 LNG 탱크(18)에 연결되는 것이 바람직하다. LNG 캐리어 선박의 상기 LNG 탱크는, 저온으로 유지되지만, 바닷물 및 대기로부터의 외부 열이 탱크들의 절연체(insulation)를 통해 전달되기 때문에, 불가피하게 가열되고, 외부 열의 침입에 의해, LNG의 일부가 가스화, 즉, 증발하고, 탱크 압력이 점차 증가한다. 탱크 압력을 적절한 수준으로 유지하기 위해 재액화 시스템(미도시)이 증발 가스를 재액화시키는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 또는 상기 재액화 시스템과 조합하여, 증발 가스 압축기는, 연료 가스 제어 시스템(30)에 의해 그러한 것이 지시될 때, 고-압력 증발 가스를 제공할 수 있다. 실린더들에서, 실린더 제어 유닛(12)에 의해 제어되는 연료 가스 투입 장치(16)는 연료 가스 주입기(14)의 타이밍(timing) 및 오프닝(opening)에 영향을 미칠 수 있다. 버퍼 탱크(22)는 증발 가스를, 연료 가스 공급 시스템(19)에 의해 연료 가스 제어 시스템(30)으로 제공되기 전, 저장하는데 사용된다. LNG 캐리어의 LNG 탱크 내 불가피한 증발 가스의 양은 일반적으로 LNG 캐리어의 내부 연소 엔진의 동작을 위한 단일 연로로는 충분하지 않지만, 증발 가스의 상기 양은, 본 발명에 따른 내부 연소 엔진 내 연료 오일과 조합하여 유리하게 사용될 수 있다.

연료 오일 제어 시스템(20)에서, 연료 오일 투입 장치(15)는 연료 펌프일 수 있고, 이 경우 연료 오일 공급 시스템(23)은, 2 bar 내지 15 bar 범위의 압력과 같은, 연료 이송 파이프(fuel feeding pipe, 24) 내 상대적으로 낮은 이송 압력(feeding pressure)에서, 연료 오일을 연료 오일 탱크(21)로부터 상기 연료 투입 장치로 전달하는 것만을 필요로 한다. 선택적으로, 연료 오일 투입 장치(15)는 밸브 또는 측정 장치(metering device)와 연계된 밸브일 수 있고, 이 경우 상기 연료 이송 파이프는, 500 bar 내지 1500 bar 범위의 이송 압력과 같은, 그 내에서 연료가 주입 압력보다 큰 압력인, 고-압력 파이프이다. 그러한 연료 오일 공급 시스템(23)은 공통식(common-rail system)으로 지칭된다. 어느 하나의 경우에서, 연료 오일 투입 장치(15)는 일반 엔진 동작 동안 열린 상태(open position)를 유지하는 밸브를 갖는 브랜치 컨듀잇(branch conduit)에 의해 연료 이송 파이프(24)와 연결된다. 연료 오일 투입 장치(15)는 고-압력 연료 오일 컨듀잇들을 통해 연료 오일 주입기들(13)과 연결된다. 반송 컨듀잇(return conduit)은 상기 연료 오일 주입기들로부터 연료 오일 반송 라인(미도시)로 유도한다. 실린더들로 제공된 연료 오일은 전형적으로 HFO(heavy fuel oil) 또는 MDO(marine diesel oil)이다.

본 발명에 따른 내부 연소 엔진(1)은 전술한 바와 같이 연료 오일 공급 시스템을 갖는 기존 엔진 상에 연료 가스 공급 시스템(19) 및 연료 가스 제어 시스템(30)을 설치함으로써 제공될 수 있다. 설치를 단순화하고 일반적으로 연소 프로세스의 제어 전략의 복잡도를 최소화하기 위해, 독립적인 실린더 제어 유닛들(12a, 12b)이 실린더들(11)의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료 오일 및 연료 가스의 양을 각각 제어하는 것이 일반적으로 바람직하다. 마찬가지로, 연료 오일 제어 시스템(20) 및 연료 가스 제어 시스템(30) 모두가 독립적인 엔진 제어 유닛들(17a, 17b)을 포함한다. 명백하게, 해상(marine) 디젤 엔진의 분야에서 알려진 바와 같이, 바람직하게는 적어도 연료 오일 제어 시스템(20)이 중복되고, 즉 실린더 제어 유닛들로의 중복 케이블링(redundant cabling)을 갖는 추가 엔진 제어 유닛이 존재한다. 본 발명에 따른 내부 연소 엔진이 동작하는 경우, 연료 제어의 엔진 조절(engine regulation)은 연료 오일 제어 시스템(20) 또는 연료 가스 제어 시스템(30) 중 어느 하나를 갖는다. 일반적으로, 엔진 제어 유닛(17)은 엔진 속도 신호 및 센서들로부터 다른 엔진 동작 파라미터들을 수신하고, 실린더들(11)의 연서 챔버들 내로 제공되는 연료의 양 및 속도(rate)를 제어하며, 이는 엔진의 조속기 제어(governor control)로도 알려져 있다. 본 발명에 따른 내부 연소 엔진은 연료 오일 동작 모드, 연료 가스 동작 모드 및 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드로 동작될 수 있다. 상기 동작 모드들은 배의 함교로부터 지시될 수 있다. 동작 모드들 간의 전환은 연료 오일 제어 시스템 및 연료 가스 제어 시스템과 연결된 엔진 스위치 유닛에 의해 수행되며, 바람직하게는 상기 엔진 스위치 유닛은 연료 가스 공급 시스템(19)에 연결된다. 상기 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서, 엔진 스위치 제어 유닛(25)은 내부 연소 엔진 내 연소 프로세스의 중요한 타이밍 및 조절(regulation)이 연료 오일 제어 시스템(20)과 함께하는지 또는 연료 가스 제어 시스템(30)과 함께하는지를 결정하는데, 다시 말해 엔진 스위치 유닛(25)은 연료 오일 제어 시스템(20)과 연료 가스 제어 시스템(30)간의 조속기 제어를 전환시킨다. 따라서 상기 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서, 동작은 연료 오일 동작 모드 및 연료 가스 동작 모드 사이에서 자동적으로 교번된다.

실제의 실시예에서, 조속기 제어의 업무가 연료 제어 시스템들(20, 30) 사이에서 전환되는 것일 때, 엔진 스위치 유닛(25)은 연료 가스 제어 시스템(30)의 일부이며 엔진 제어 유닛들(17a, 17b)과 소통한다. 연료 제어 시스템들(20, 30) 사이의 전환은 예를 들어 버퍼 탱크(22) 내 가능한 증발 가스의 수준에 대한 연료 가스 공급 시스템으로부터의 입력들에 기초한 각각의 엔진 제어 유닛들(17a, 17b)로의 소통에 의해 영향 받을 수 있다. 연료 제어 시스템들(20, 30) 사이의 전환은 또한 연료 가스 제어 시스템(30) 내 감지된 누출(leak), 또는 소정 시구간들에 따라 영향 받을 수 있다. 일반적으로, 연료 가스 공급 시스템(19)은, 연료 오일 제어 시스템(20)에 조속기 제어를 제공하고 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드 또는 가스 동작 모드를 포기하며 연료 오일 동작 모드로 엔진 동작을 계속하기 위해, 엔진 스위치 유닛(25)을 기동(trigger)시킬 수 있다.

도 3a는 연료 오일 동작 모드에서의 연료 소모를 도시하며, 연소 프로세스는 주요 연료로서 실린더들 내로 연료 오일의 공급에 기초한 것이고 조속기 제어는 연료 오일 제어 시스템(20)과 함께 이루어진다. 소모된 연료 오일의 양, 즉 실린더들 내로 제공되는 연료 오일의 양은 시간에 따라 변화하는 연료 지수(fuel index)를 나타내는 구역(40)에 의해 지칭되며, 이는 특히 엔진 부하에 의존적으로 시간에 따라 느리게 변화한다. 그래프의 일부가 해치된 구역(410)으로 나타나는데, 이는 연료 가스 공급 시스템(30)으로부터의 작은 양의 증발 가스를 나타낸다. 연료 가스 공급 시스템(30)의 압력을 특정 범위들 내로 유지하기 위해, 엔진이 연료 오일 동작 모드에서 동작하는 경우에도 작은 양의 증발 가스를 실린더들 내로 주입하는 것이 바람직하다. 그러나, 조속기 제어는 완전히 연료 오일 제어 시스템(20)과 함께 이루어진다. 이 작은 양의 연료 가스도 시간에 따라 변화할 수 있고, 상기 연료 가스는, 실린더들의 연소 챔버들 매 연소에 사용되는 주 연료에 비해 매우 작은 양이며, 예를 들어 연료 오일에 기초한 진행중인 연소 프로세스 내로 주입될 수 있다.

도 3b는 연료 가스 동작 모드에서의 연료 가스의 사용을 도시하며, 연소 프로세스는 주요 연료로서 실린더들 내로 연료 가스의 공급에 기초한 것이고 조속기 제어는 연료 가스 제어 시스템(30)과 함께 이루어진다. 소모된 연료 가스의 양, 즉 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공되는 연료 가스의 양은 시간에 따라 변화하는 연료 지수를 나타내는 해치 구역(50)에 의해 지칭되며, 이는 특히 엔진 부하에 의존적으로 시간에 따라 느리게 변화한다. 비-해치 부분(un-hatched portion, 51)은 파일럿 연료 오일(pilot fuel oil)을 나타내고, 이는 엔진이 도 3a의 연료 오일 동작 모드에서 동작하는 경우에도 나타나며, 이는 연소 프로세스를 제어하는 것보다 선호된다. 일반적으로, 상기 파일럿 연료는 예를 들어 주 연료의 주입 이전에 연소 챔버 내로 주입된다.

도 3c는 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 도시하며, 조속기 제어는 엔진 제어 유닛(25)에 의해 연속적인 시구간에서 연료 오일 제어 시스템(20)과 연료 가스 제어 시스템(30) 사이에서 자동적으로 바뀐다. 해치 구역들(50, 41)은 시구간 내 소모된 연료 가스의 양을 나타내며, 비-해치 구역(51, 40)은 시구간 내 소모된 연료 오일의 양을 나타낸다. 또한, 전술한 바와 같이 작은 부분들(41, 51)은, 각각, 증발 가스 및 파일럿 연료 오일의 작은 부분을 나타낸다. 연소는 주 연료로서 단일 연료 타입에 기초하고, 시간에 따른 연료 가스의 연속적인 사용은, 연료 오일 제어 시스템(30)과 연료 가스 제어 시스템(30) 사이의 조속기 제어를 전환시킴으로써 달성되어, 연속적인 시구간들에서 다른 연료 타입들이 실린더들의 연소 챔버들 내로 제공된다. 명백하게, 실린더들(11)의 연소 챔버들 내로 제공된 연료 오일은 다른 연료 오일들의 혼합일 수 있고, 연료 가스는 예를 들어 천연 가스로서 존재하는 다른 연료 가스들의 혼합일 수 있다. 시구간 동안, 예를 들어 주 연료로서 사용되는 연료 타입의 다양한 연료 주입들이 수행되고, 따라서 시구간 동안 내부 연소 엔진은 다양한 회전들(revolutions)을 받아들인다. 상기 시구간들은 1 내지 10분들의 범위 내일 수 있고, 버퍼 탱크 부피 및 소모된 연료의 양에 따라 약 1/2 내지 1시간까지인 경우도 있다. 명백하게, 상기 시구간들은 LNG 탱크 내 증발 가스의 변화 속도에 맞추어 변화할 것이며, 이는 많은 양의 LNG가 내부 연소 엔진의 동작에 사용되도록 능동적으로 증가될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 시구간들의 길이는 조속기 제어의 자동 이동(automatic shift)이 내부 연소 엔진의 특정 동작 조건들에 대해 최적화되도록 미리 결정된다. 따라서, 상기 시구간들은 바람직하게는 버퍼 탱크(22)의 크기에 기초하여 결정되며, 이는 또한 LNG와 같은 일반 연료 가스 탱크에 대해 구성된다. 조속기 제어가 연료 오일 제어 시스템(20)과 함께 이루어지는 경우, 연료 가스 탱크로부터의 증발 가스는 버퍼 탱크(22) 내에 저장되고, 조속기 제어가 연료 가스 제어 시스템(30)과 함게 이루어지는 경우, 버퍼 탱크(22)에 저장된 증발 가스는 연료 가스로서 사용된다. 명백하게, 버퍼 탱크에 저장된 특정 양의 증발 가스는 시구간들을 결정하는데 사용될 수 있고, 더욱 나아가 상기 시구간들은 연료 공급 시스템들(20, 30)에서 이용 가능한 연료 오일 및 연료 가스의 양의 측량에 기초하여 결정될 수 있다. 연료 가스 공급 시스템(19)에 이송하는 가스 탱크(18)의 증발 속도가 시간에 따라 변화할 수 있기 때문에, 상응하는 시구간의 조절이 수행될 수 있다.

실시예에서, 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드는, 실린더들(11)이 다른 모드들에서 동작하고 있도록, 실린더 베이시스(cylinder basis)로 영향 받을 수 있다. 이 실시예는, 그러한 동작을 수행하기 위해 엔진 제어 유닛(17b)이 하나의 실린더 컨트롤 유닛(17b)을 제어하는 것만이 필요하기 때문에, 구현하기가 용이하다.

본 발명과 함께, 내부 연소 엔진의 실용적인 단순한 테스팅 및 다른 연료 타입들의 제어된 사용이, 혼합된 연료 타입들 없이, 그러나 다른 타입들의 연료 제어 시스템들 간의 조속기 제어를 자동적으로 이동시킴으로써, 달성될 수 있다.

Claims

2-행정 크로스헤드 디젤 엔진 또는 4-행정 디젤 엔진과 같은 내부 연소 엔진(1)으로서, 연소 챔버들을 갖는 실린더들(11), 및 상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내에서 연소되는 연료 오일 및 연료 가스를 연료 오일 제어 시스템(20) 및 연료 가스 제어 시스템(30)에 제공하는 연료 오일 공급 시스템(23) 및 연료 가스 공급 시스템(19)을 포함하고, 상기 내부 연소 엔진은, 상기 실린더들(10)의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 엔진 조절이 상기 연료 오일제어 시스템(20)과 함께 이루어지는 연료 오일 동작 모드, 및 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 포함하고, 상기 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드에서, 상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 상기 엔진 조절은 상기 연료 오일 제어 시스템(20)과 상기 연료 가스 제어 시스템(30) 사이에서 시간에 맞추어 자동적으로 교번되고, 그에 따라 상기 실린더들(10)의 상기 연소 챔버들 내 상기 연소는 연속적인 시구간들에서 연료 오일 또는 연료 가스 중 어느 하나에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 연소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 내부 연소 엔진은 연료 가스 동작 모드를 더 포함하는, 내부 연소 엔진.
제2항에 있어서,
상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 상기 엔진 조절이 상기 연료 가스 제어 시스템(30)에 의해 제어될 때, 상기 실린더들(11) 내로 파일럿 연료 오일(pilot fuel oil)이 제공되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는 연료의 상기 엔진 조절이 상기 연료 오일 제어 시스템(20)에 의해 제어되는 경우, 상기 연료 가스 공급 시스템(19)으로부터의 증발 가스가 상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내로 제공되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실린더들(11)의 상기 연소 챔버들 내로의 연료의 공급은, 상기 연속적인 시구간들 사이의 엔진 사이클(engine cycle) 동안 일시정지(intermitted)되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실린더들(11)이 다른 모드들에서 동작하도록, 상기 조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드는 실린더별로 이루어지는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 가스 공급 시스템(19)은 연료 가스의 비연속적인 수요를 원활하게(smoothing out) 하는 버퍼 탱크(22)를 포함하는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시구간들이 미리 결정된, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시구간들은 상기 연료 공급 시스템들(19, 23)에서 이용 가능한 연료 오일 및/또는 연료 가스의 양의 측량에 기초하여 결정되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
고정된 양의 연료 가스를 주 연료로서 상기 엔진을 동작시키기 위해 상기 시구간들이 결정되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
고정된 양의 연료 오일을 주 연료로서 상기 엔진을 동작시키기 위해 상기 시구간들이 결정되는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 연료 공급 및 연료 제어 시스템들(23, 20; 19, 30)을 포함하는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 연소를 포함하는 동작 모드들에서의 상기 연소는 미리 혼합된 연소를 채용하는 린번 가스 엔진(lean burn gas engine)의 연소인, 내부 연소 엔진.