KR101622754B1

KR101622754B1 - 내부 연소 엔진, 및 기상 연료를 그 엔진에 공급하는 방법

Info

Publication number: KR101622754B1
Application number: KR1020140053280A
Authority: KR
Inventors: 스티그 폴센
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2016-05-19
Also published as: DK201370268A; JP2014224524A; CN104165103A; KR20140135614A; DK177713B1; CN104165103B; JP5855687B2

Abstract

내부 연소 엔진, 및 그러한 엔진에 기상 연료를 공급하는 방법이 제공된다.
내부 연소 엔진은 액상 가스 연료를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부, 적어도 200 바아의 압력으로 가스를 제공하기 위한 가스 연료 펌프를 구비한 연료 공급 시스템, 및 기상 가스 연료를 분사하기 위한 분사 시스템을 포함한다. 제1 가열 매체 유동 경로에서, 제2 연료 저장부로부터의 보일-오프 가스를 위한 유출 라인은 콤프레서 장치를 거쳐서 열교환기에 연결되고, 제1 가열 매체 유동 경로는, 제2 연료 저장부의 상측 부분을 통해 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치까지 연장된 유입 라인과 연결된, 열교환기 상의 유출구를 구비한다.

Description

내부 연소 엔진, 및 기상 연료를 그 엔진에 공급하는 방법{An internal combustion engine, and a method of supplying such engine with gaseous fuel}

본 발명은 파일럿 연료(pilot fuel)를 위한 적어도 하나의 제1 연료 저장부(first fuel storage), 액상 가스 연료(liquefied gas fuel)를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부(second fuel storage), 적어도 200 바아의 압력으로 가스를 제공하기 위한 가스 연료 펌프(gas fuel pump) 및 파일럿 연료 펌프(pilot fuel pump)를 구비한 연료 공급 시스템(fuel supply system), 및 파일럿 연료의 분사 및 기상 가스 연료(gaseous gas fuel)의 분사를 위한 분사 시스템(injection system)을 구비한 내부 연소 엔진에 관한 것으로서, 상기 가스 연료 펌프는 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 안에 적어도 부분적으로 배치되고, 고압 가스 도관(high-pressure gas conduit)을 통하여 상기 분사 시스템과 연결되며, 상기 고압 가스 도관은 액상 가스 연료를 기상 가스 연료로 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기(heat exchanger)를 구비한다.

덴마크 특허출원 DK PA 2009 00434 에는 내부 연소 엔진이 개시되어 있는바, 여기에서는 가스 연료 펌프가 액상 가스 연료를 전달하고, 열교환기에는 주변 공기(ambient air) 형태의 가열 매체가 공급되며, 상기 열교환기의 하류에서는 냉각된 공기가 엔진에 있는 터보차저(turbocharger)의 콤프레서 유입구로 전달된다. 대안적인 실시예로서, 압축으로 인하여 공기가 상대적으로 따뜻한 콤프레서의 공기 유출구로부터 가열 매체가 취해지는 방안이 제안되어 있다.

유럽 특허 EP 1 990 272 B1 에는 LNG 저장탱크(LNG storage tank)들을 가진 LNG 운반선에 있는 내부 연소 엔진에 대한 연료 가스 공급 시스템(fuel gas supply system)이 기재되어 있다. 제1 펌프는 LNG 저장탱크 안에 또는 LNG 저장탱크의 바로 외부에 설치되고, LNG 에 대한 초기 압축을 펌프 유출부에서 대략 27 바아(bar)의 압력으로 되게끔 수행한다. 그 다음 LNG 는 열교환기를 통과하고, 그 유출부에서 LNG는 대략 -100℃의 온도와 대략 27 바아의 압력을 갖는다. 상기 열교환기의 하류에서 LNG 는 제2 펌프에 의하여 대략 250 바아의 압력으로 가압되고, 제2 열교환기를 통과하여 액상 LNG로서 엔진의 분사 시스템에 도달한다. 상기 제1 열교환기에는 보일-오프 가스가 공급되는데, 상기 보일-오프 가스는 제2 연료 저장부의 상측 부분으로부터 취해지며 또한 제2 연료 저장부의 하측 부분에 있는 일 측부를 통해 복귀된다. 콤프레서(compressor)와 쿨러(cooler)는 상기 열교환기의 상류측에 있는 보일-오프 가스 라인 안에 배치된다. 상기 열교환기의 하류에서 상기 보일-오프 가스는 액체이다. 상기 라인 내의 압력 제어 밸브는 그 라인 내부의 압력을 제2 연료 저장부 내의 압력과 제2 연료 저장부 내의 LNG 의 액체 칼럼(liquid column)의 압력 수두(pressure head)를 더한 값에 대응되게끔 확장시킨다.

본 발명은 작동 중인 내부 연소 엔진의 에너지 활용을 개선시킴을 목적으로 한다.

상기 목적을 위하여 본 발명에 따른 내부 연소 엔진은, 제1 가열 매체 유동 경로(first heating medium flow path) 안에서, 제2 연료 저장부로부터의 보일-오프 가스(boil-off gas)를 위한 유출 라인(outlet line)이 콤프레서 장치(compressor device)를 거쳐서 상기 열교환기에 연결되며, 상기 제1 가열 매체 유동 경로는 상기 제2 연료 저장부의 상측 부분을 통해서 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치(expansion nozzle device)까지 연장된 유입 라인(inlet line)과 연결된, 상기 열교환기 상의 유출구를 갖는 것을 특징으로 한다.

고압 가스 도관은 액체 LNG를 200 바아 초과의 압력에서 열교환기로 전달하고, 보일-오프 가스는 가스 연료를 데우는 제1 가열 매체로서 이용된다. 가스 연료를 데움으로써 보일-오프 가스 자체가 냉각되고, 보일-오프 가스의 팽창이 가능하도록 열교환기의 상류에서 압축되었기 때문에 보일-오프 가스가 더욱더 냉각된다. 열교환기로부터 나가는 보일-오프 가스는 유입 라인을 거쳐서 제2 연료 저장부로 전달되고, 제2 연료 저장부 내의 가스 압력으로의 팽창은 제2 연료 저장부 내에서의 보일-오프 가스의 냉각을 유발한다.

일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 열교환기는, 선박 내 공기 조화 시스템(air conditioning system) 안의 유체 회로(fluid circuit), 선박 내의 물 냉각기(water cooler), 냉장고 내의 냉각용 유체 회로, 또는 내부 연소 엔진의 유입 공기 쿨러 또는 오일 쿨러와 같은, 액체 소스(liquid source)에 연결된 적어도 하나의 제2 가열 매체 유동 경로(second heating medium flow path)를 갖는다. 상기 액체 소스는 가스 연료에 열을 전달하고, 동시에 그 자체는 냉각됨으로써, 통상적으로는 전기를 소비하는 다른 수단에 의한 냉각이 필요없게 한다.

일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 열교환기는, 상기 내부 연소 엔진으로의 유입 공기 유동 경로(inlet air flow path)와 같은, 기상 소스(gaseous source)에 연결된 적어도 하나의 제3 가열 매체 유동 경로(third heating medium flow path)를 갖는다. 상기 제3 매체 유동 경로는 어떠한 제2 매체 유동 경로가 없이도 적용될 수 있다. 기상 소스는 가스 연료에 열을 전달하고 동시에 그 자체는 냉각됨으로써, 통상적으로는 전기를 소비하는 다른 수단에 의한 냉각이 필요없게 하거나 또는 바람직하게도 엔진의 비연료소비율(specific fuel consumption)(생산된 kWh당 소비된 연료의 질량)을 낮추는 더 찬 상태가 얻어지도록 한다.

앞선 두 개의 실시예들의 장점들이 조합된 실시예에서는, 상기 적어도 하나의 열교환기가, 액체 소스에 연결된 적어도 하나의 제2 가열 매체 유동 경로와, 기상 소스에 연결된 적어도 하나의 제3 가열 매체 유동 경로를 갖는다.

일 실시예에서, 상기 제2 연료 가스 저장부 내에 배치된 가스 연료 펌프는 2개의 스테이지들을 가지고, 그 중 제1 스테이지는 프라이머 펌프 급송 스테이지(primer pump feeding stage)이며, 제2 스테이지는 원심 펌프 압력 스테이지(centrifugal pump pressure stage)이다. 피스톤 펌프 급송 스테이지의 장점은, 원심 펌프가 제2 연료 가스 저장부의 내측 벽들로부터 거리를 두고 장착됨을 가능하게 하고, 또한 피스톤 펌프 급송 스테이지가 상기 저장부의 저부에 가까운 위치에 유입구 개구를 갖는 흡입 라인(suction line)을 거쳐서 상기 저장부의 저부로부터 LNG를 인출할 수 있기 때문에 상기 저장부로부터 액체 LNG의 실질적인 모두를 펌핑(pumping)할 수 있다는 점이다.

본 발명의 다른 일 형태는 분사 시스템에서 적어도 200 바아의 압력으로 기상 가스 연료를 내부 연소 엔진에 공급하는 방법에 관한 것인바, 상기 내부 연소 엔진은 파일럿 연료를 위한 적어도 하나의 제1 연료 저장부, 액상 가스 연료를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부, 및 파일럿 연료의 분사 및 기상 가스 연료의 분사를 위한 분사 시스템을 구비하고, 상기 가스 연료 펌프는 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 안에 적어도 부분적으로 배치되며, 고압 가스 도관을 통하여 상기 분사 시스템과 연결되고, 상기 고압 가스 도관은 액상 가스 연료를 기상 가스 연료로 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기를 구비한다.

본 발명에 따르면, 제2 연료 저장부로부터의 제1 가열 매체 유동 경로 안에 있는 보일-오프 가스는 콤프레서 장치에서 설정 압력으로 압축되고 또한 가스 연료를 가열하기 위한 열교환기로 전달되며, 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치는 상기 열교환기로부터 보일-오프 가스를 공급받고, 또한 이 보일-오프 가스를 제2 연료 저장부의 상측 부분 내부의 보일-오프 가스로 팽창시킨다. 가스 연료를 가열하는 보일-오프 가스의 이용으로 인하여 에너지가 절약되고, 또한 보일-오프 가스를 액화시키기 위한 별도의 에너지 소비가 절약된다. 상기 냉각된 보일-오프 가스를 제2 연료 저장부의 상측 부분에서 가스로 팽창시킴으로써, 보일-오프 가스의 효율적인 추가 냉각이 제공된다.

보일-오프 가스의 설정 압력은 2 바아 내지 5 바아의 범위 내, 예를 들어 3 바아로 설정되는바, 이와 같은 설정 압력에서 보일-오프 가스는 대략 -153℃ 내지 -138℃ 내의 온도를 가질 수 있게 되며, 1 바아의 압력으로 팽창되는 때에 그 온도로부터 -163℃의 온도로 냉각될 수 있게 된다. 더 큰 설정 압력도 가능하지만, 압축에는 에너지가 소요되기 때문에 상기 압력이 필요한 만큼보다 더 크지 않아야 한다.

일부 경우들에 있어서, 유입 라인 내의 보일-오프 가스의 온도가 설정 온도보다 높은 때에, 바이패스 라인 내의 유동 제어 밸브가 유입 라인으로부터 유출 라인으로의 보일-오프 가스의 우회를 위해 개방되면 유리할 수 있다. 만일 가스 연료 소비가 낮다면, 제2 연료 저장부를 우회하여 보일-오프 가스가 유입 라인으로부터 유출 라인으로 순환하도록 하는 것이 유리할 수 있으며, 이것은 유동 제어 밸브에 의하여 제어될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 상당히 개략적인 하기의 도면들을 참조로 하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
도 1 에는 본 발명에 따른 내부 연소 엔진을 구비한 LNG 운반선(LNG carrier)이 도시되어 있고,
도 2 에는 도 1 의 엔진의 단부 윤곽(end outline)이 도시되어 있으며,
도 3 에는 도 2 의 엔진의 연료 공급 및 분사 시스템이 도시되어 있고,
도 4 에는 엔진 상에 있는 단일 실린더에 대해서 본, 도 3 내의 시스템이 보다 상세히 도시되어 있으며,
도 5 에는 메탄(methane)에 관한 레이놀즈 다이어그램(Reynolds diagram)이 도시되어 있고,
도 6 에는 도 2 의 내부 연소 엔진의 열교환기와 제2 연료 저장부가 도시되어 있다.

도 1 에 도시된 LNG 운반선은 상부구조체(superstructure; 2) 아래에 배치된 엔진실(1) 안에 메인 추진 엔진(main propulsion engine)을 갖는다. 상기 엔진은 선박의 추진을 위한 프로펠러(propeller; 3)를 구동한다. LNG 운반선은 도시된 실시예에서는 4개인 복수의 LNG 저장탱크들을 갖는바, 그 LNG 저장탱크 각각은 내부 연소 엔진으로 가는 액상 가스 연료를 위한 제2 연료 저장부(4)이다. LNG 운반선의 목적은 LNG를 생산 지역으로부터 LNG의 활용 지역으로 운송하는 것이지만, LNG 저장탱크들은 그 운송 중에 내부 연소 엔진을 위한 연료 저장부의 역할을 하기도 한다.

상기 선박은 LNG 운반선일 필요가 없고, 제2 연료 저장부(4)가 선박의 화물 영역들과는 독립적인 연료 저장부로서의 역할만 하는 임의의 다른 유형의 선박일 수도 있다. 그러한 다른 유형의 선박들의 예로서는, 로로선(RoRo-vessel), 컨테이너선(container vessel), 원재료 운반선(tanker), 자동차 운반선(car carrier), 벌크 운반선(bulk-carrier), 제품 운반선(product tanker), 셔틀 운반선(shuttle carrier), 등이 있다.

도 2 에는 메인 추진 엔진이 내부 연소 엔진으로서의 모습으로 보다 상세히 도시되어 있다. 상기 내부 연소 엔진은 피스톤 엔진이고, 바람직하게는 2행정 크로스헤드 내부 연소 엔진(two-stroke crosshead internal combustion engine; 5)이다. 상기 엔진은 4 내지 15개의 실린더들을 가질 수 있다. 상기 엔진은 예를 들어 제조사 맨 디젤 앤 터보(MAN Diesel & Turbo)의 ME 또는 MC 유형의 것이거나, 또는 제조사 워츠실라(

) 또는 제조사 미쯔비시(Mitsubishi)의 것일 수 있다. 상기 실린더들은 25 내지 120 cm, 바람직하게는 60 내지 120 cm 범위의 보어(bore)를 가질 수 있다. 메인 추진 엔진으로서 이용되는 상기 2행정 크로스헤드 내부 연소 엔진은 통상적으로 60 내지 200 rpm 범위 내의 rpm 으로서 표시되는 속도를 갖는다. 이 엔진은 저속 엔진이라 불린다. 그 저속, 즉 낮은 속력은 프로펠러를 거쳐 선박의 물살 속에 있는 물로 추진 추력(propulsion thrust)을 전달하기 위하여 필요하다. 그 추력을 물로 전달하기 위하여 프로펠러는 큰 면적, 그리고 그에 따라 큰 직경을 필요로 한다. 프로펠러에서의 캐비테이션(cavitation)은 바람직하지 못하기 때문에, 추진 엔진의 속도를 60 내지 200 rpm 과 같은 저속 범위로 제한함이 필요하다.

상기 엔진(5)는 복수의 실린더들을 가지며, 그 실린더들 각각은 내부에 왕복 피스톤을 갖는다. 2행정 크로스헤드 내부 연소 엔진에서 그 실린더들은 통상적으로 유니플로우 소기 유형(uniflow scavenging type)의 실린더인데, 여기에서는 배기 밸브(exhaust valve; 6)가 실린더의 상부에 배치되고, 소기 에어 포트(scavenge air port)들(미도시)은 실린더의 하측 단부에 배치된다. 상기 실린더로부터의 배기 가스는 배기 가스 수용기(exhaust gas receiver; 7)로 간 다음에 터보차저(8)의 터빈 부분으로 가는데, 그 터보차저의 콤프레서 부분은 압축된 유입 공기를 유입 공기 챔버(inlet air chamber; 9)로 공급한다. 이 챔버로부터, 유입 공기는 유입 공기 쿨러(10)를 통과해서 실린더들 안에 있는 소기 에어 포트들을 둘러싸는 영역으로 갈 수 있다.

상기 엔진은 파일럿 연료의 주입과 기상 연료의 주입을 위한 분사 시스템을 구비하고, 안전상의 이유로 인하여 기상 연료를 분사하기 위한 시스템에는 공기 흡입 시스템과 불활성 가스 시스템이 제공된다. 공기 흡입 시스템은 가스 연료 파이프(gas fuel pipe; 16)를 둘러싸는 파이프(15)에 제공되고, 두 개의 파이프들 사이에 있는 고리형 공간은 내측 파이프로부터의 가스 누설을 감시함을 가능하게 한다. 공기 흡입은 11 에서 이루어지고, 시스템이 보통의 상태로 작동하고 있는 때에는 공기 유출이 12 에서 이루어진다. 한 쌍의 탄화수소 검출기(hydrocarbon detector; 13)들은 공기 유출구(12)로 이어지는 도관에서 엔진의 하류에 배치된다. 가압된 불활성 가스의 소스(14)는 가스 연료 파이프(16)에 연결되고, 엔진의 셧다운(shutdown) 시에 상기 불활성 가스는 가스 연료 파이프에서 가스를 제거(purge)하기 위해 가스 연료 파이프로 공급된다.

제1 연료 저장부(17)는 내부 연소 엔진의 각 실린더(19) 상에 있는 연료 분사기(18)들로 파일럿 연료를 공급한다. 상기 파일럿 연료는 예를 들어 300 바아의 압력으로 공급되고, 실린더 내부에서의 각 연료 분사 시퀀스(fuel injection sequence)를 개시하는데에 이용된다. 파일럿 연료는 연료 오일(fuel oil)일 수 있고, 연소 행정(combustion stroke) 끝에서 연소 챔버 내부의 가용한 압축 압력 하에서 연소 챔버 내부에서의 자기-점화(self-ignite)를 할 수 있다. 필요한 파일럿 오일 압력이 검출되는 때에 각 실린더(19) 상의 가스 분사기(20)들에 펌프(21)로부터의 제어 오일이 제공되고, 제어 오일 압력(control oil pressure)은 가스를 분사하기 위하여 가스 분사기(20)들에서 필요하다. 상기 제어 오일은 파일럿 오일의 분사가 이루어지지 않는다면 가스가 실린더 안으로 분사되지 않도록 함을 보장한다. 또한 가스 분사기(20)들에는 가압된 시일링 오일이 시일링 오일 라인(sealing oil line; 22)을 거쳐서 공급된다. 상기 시일링 오일은, 가스가 분사 노즐을 통하지 않고서 가스 분사기로부터 이탈함을 방지한다.

제2 연료 저장부(4)로부터의 가스는 가스 연료 파이프(16)로 공급되고 어큐뮬레이터(accumulator; 23)로 유동하고, 제어 밸브(24)는 가스 분사가 이루어지려고 할 때 분사기(20)들로 향하는 가스를 위해 개방된다. 가스 연료 파이프(16)와 분사기(20)들 사이에는 커먼 레일 파이프(common rail pipe)가 있을 수 있는바, 이 경우에는 어큐뮬레이터(23)가 없을 수도 있다.

제2 연료 저장부(4)(도 6)에 있는 가스 연료 펌프(25)는 그 저장부의 상측 부분을 통하여 장착된다. 상기 펌프는 단일 스테이지 펌프(single stage pump)일 수 있지만, 바람직하게는 적어도 두 개의 스테이지들을 갖는 펌프이며, 2 스테이지로 이루어진 경우에는 제1 스테이지가 피스톤 펌프와 같은 프라이머 펌프(primer pump)이고, 제2 스테이지가 원심 펌프(centrifugal pump)이다. 원심 펌프는 복수의 펌프 스테이지들을 가질 수 있다. 상기 펌프는 극저온 펌프(cryogenic pump)이며, 그 예들로서는 크리요제닉 인더스트리즈(Cryogenic Industries)(캘리포니아, 미국)의 모델 TC-34 과, 하이드로카본 프로세싱(Hydrocarbon Processing)(2011년 7월, 37-41쪽)에 개시된 바와 같은 고압 원심 LNG 펌프가 있다. 가스 연료 펌프(25)는 액체 LNG 가스 연료를 적어도 200 바아의 압력, 예를 들어 200 내지 500 바아 범위 내의 압력, 바람직하게는 대략 300 바아의 압력으로 고압 가스 도관(high pressure gas conduit; 26)으로 전달한다.

가스 연료를 위한 상기 고압 가스 도관(26)은 열교환기(27)와 제2 열교환기(28)에 연결되고, 계속하여 가스 연료 파이프(16)로 이어진다. 열교환기(27)는 제2 연료 저장부(4)로부터의 보일-오프 가스를 위한 유출 라인(29)을 포함하는 제1 가열 매체 유동 경로를 구비한다. 상기 유출 라인(29)은 제2 연료 저장부의 상측 부분으로부터 콤프레서(30)까지 연장되고, 그 콤프레서로부터 열교환기(27)까지 연장된다. 유출 라인(29)은, 보일-오프 가스가 고압 가스 도관(26) 내의 가스 연료에 대해 역류하도록 열교환기에 연결된다. 열교환기(27) 상의 유출구로부터 상기 제1 가열 매체 유동 경로는 유입 라인(31)을 구비하는데, 이 유입 라인은 제2 연료 저장부(4)의 상측 부분을 통해서 연장되어, 보통 상태에서 보일-오프 가스로 채워지는 영역에 있는 제2 연료 저장부(4)의 최상측 부분에 배치된 팽창 노즐(expansion nozzle; 32)까지 연장된다.

또한, 상기 제1 가열 매체 유동 경로는 보통 상태에서 폐쇄되어 있는 유동 제어 밸브(34)를 구비한 바이패스 라인(33)을 구비한다. 만일 열교환기(26)를 통한 가스 연료의 유동이 너무 낮아 보일-오프 가스가 가스 연료를 가열하는데에 재사용될 수 있다면, 제어 밸브(34)는 유출 라인(29)으로부터 유입 라인(31)으로의 보일-오프 가스의 재순환을 위해 개방될 수 있다.

제2 열교환기는 선박 내의 공기 조화 유닛 내에 있는 냉매 유체 회로와 같은, 액체 소스(36)에 연결된 제2 가열 매체 유동 경로(35)를 구비한다. 상기 제2 열교환기는, 내부 연소 엔진으로의 유입 공기 유동 경로와 같은, 기상 소스(38)에 연결된 제3 가열 매체 유동 경로(37)를 구비한다. 따라서, 상기 기상 소스는 유입 공기 쿨러(10)의 일부분일 수 있다. 가스 연료가 열교환기(28) 밖으로 유동하는 때에는 가스 상태로 가열된 후이며 그 온도는 30 내지 60 ℃ 범위, 바람직하게는 45℃ 이다.

상기 과정의 일 예가 도 5 의 레이놀즈 차트에 도시되어 있다. 상기 차트에는 바아 단위의 압력이 대수 눈금(logarithmic scale) 상에 표시되어 있고, 엔탈피는 메탄의 것으로서 kJ/kg 단위로 표시되어 있으며, 온도 곡선이 도시되어 있다. 거꾸로된 U자 형상의 곡선은 메탄이 부분적으로 가스상이고 부분적으로 액체상인 영역을 의미한다. 제2 연료 저장부(4) 내의 온도는 대략 -163℃이고 그 압력은 대략 1 바아이다. 제2 연료 저장부(4)가 콤프레서(30)에 대한 관계에서 선박 내의 어느 곳에 위치하고 있는가에 따라서, 상기 유출 라인(29)은 예를 들어 수 m 내지 400 m 까지의 상당한 길이를 가질 수 있다. 예를 들어 콤프레서가 엔진실 가까이에 배치되어 있고 제2 연료 저장부가 선박의 전방 단부에 있는 때와 같이 상기 유출 라인(29)이 상당한 길이를 갖는 경우, 보일-오프 가스가 콤프레서에 도달할 때에는 어느 정도 따뜻하게 되어 있을 수 있다. 도 5 에서, 보일-오프 가스는 콤프레서 유입구에서 지점 40 으로 표시된 -100℃의 온도를 갖는 것으로 추정된다. 상기 콤프레서는 상기 보일-오프 가스의 압력을 지점 41 으로 표시된 3 바아의 압력까지 증가시킨다. 상기 보일-오프 가스는 열교환기(27) 내에서 냉각되는바, 이것은 3 바아 압력에서의 수평선에 의해 도시되어 있다. 만일 그 냉각으로 인하여 보일-오프 가스가 액화되지 않고 1 바아의 압력으로 팽창된다면, 보일-오프 가스는 지점 42 으로 표시된 -163℃ 의 온도를 가질 수 있다. 만일 그 냉각으로 인하여 보일-오프 가스가 완전히 액화되고 1 바아의 압력으로 팽창된다면, 보일-오프 가스는 지점 43 으로 표시된 -163℃의 온도를 가질 수 있다. 만일 냉각이 대략 -150℃까지 진행되고 보일-오프 가스가 1 바아의 압력까지 팽창된다면, 보일-오프 가스는 지점 44 로 표시된 -163℃의 온도를 가질 수 있다. 가스 연료 펌프(25)는 액체 가스 연료를 지점 45 에 표시된 -163℃의 온도에서 1 바아의 압력으로부터 지점 46 에 표시된 대략 -150℃의 온도에서 예를 드어 300 바아의 압력으로 가압시킨다. 상기 열교환기(27) 안에서, 가스 연료는 지점 47로 표시된 바와 같이 예를 들어 -50℃의 온도로 가열될 수 있고, 제2 열교환기(28)에서 상기 가스 연료는 지점 48 로 표시된 바와 같이 예를 들어 45℃의 온도로 가열될 수 있다.

제1 연료 저장부, 파일럿 연료 펌프, 및 파일럿 연료를 분사하는 분사 시스템은 연소 챔버 내부에서 연소가 개시되도록 하는 역할을 하는바, 기상 연료는 분사되는 때에 연소한다. 파일럿 연료는 기상 연료를 위한 점화 보조제로서의 기능을 갖는다. 본 발명의 일 특징에 따르면, 제1 연료 저장부, 파일럿 연료 펌프, 및 파일럿 연료를 분사하는 분사 시스템을, 예를 들어 전기 소스(electrical source)에 의하여 공급되고 제어 유닛 및 전기 스위칭 장치에 의하여 제어되는 전기 스파크 점화(electrical spark ignition)와 같은 다른 점화 보조 수단으로 교체하는 것이 가능하다. 이 경우, 내부 연소 엔진은 액상 가스 연료를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부와 연료 공급 시스템을 구비하고, 상기 연료 공급 시스템은 가스를 적어도 200 바아의 압력으로 제공하기 위한 가스 연료 펌프, 기상 가스 연료를 분사하기 위한 분사 시스템, 및 가스 점화 보조수단(gas ignition aid)을 구비한다. 가스 연료 펌프는 적어도 하나의 제2 연료 저장부 안에 적어도 부분적으로 배치되고, 고압 가스 도관을 통해 분사 시스템과 연결된다. 고압 가스 도관은 액상 가스 연료를 기상 가스 연료로 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기를 구비한다. 제1 가열 매체 유동 경로 내에서, 제2 연료 저장부로부터의 보일-오프 가스를 위한 유출 라인은 콤프레서 장치를 거쳐서 상기 열교환기에 연결되고, 그 제1 가열 매체 유동 경로는, 제2 연료 저장부의 상측 부분을 통하여 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치까지 연장되어 있는 유입 라인과 연결된, 열교환기 상의 유출구를 구비한다.

여기에서 설명된 다양한 실시예들에 관한 상세사항들은 청구항들의 범위 내에서 다른 실시예들과 조합될 수 있다. 예를 들어 열교환기들(27, 28)이 단일의 열교환기로 합쳐지거나, 또는 열교환기(28)가 수 개의 열교환기들로 하위-분할(sub-divide)될 수 있다.

Claims

파일럿 연료(pilot fuel)를 위한 적어도 하나의 제1 연료 저장부(first fuel storage; 17), 액상 가스 연료(liquefied gas fuel)를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부(second fuel storage; 4), 적어도 200 바아의 압력으로 가스를 제공하기 위한 가스 연료 펌프(gas fuel pump; 25) 및 파일럿 연료 펌프(pilot fuel pump)를 구비한 연료 공급 시스템(fuel supply system), 및 파일럿 연료의 분사 및 기상 가스 연료(gaseous gas fuel)의 분사를 위한 분사 시스템(injection system)을 구비한 내부 연소 엔진으로서,
상기 가스 연료 펌프(25)는 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부(4) 안에 적어도 부분적으로 배치되고, 고압 가스 도관(high-pressure gas conduit; 26)을 통하여 상기 분사 시스템과 연결되며, 상기 고압 가스 도관(26)은 액상 가스 연료를 기상 가스 연료로 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기(heat exchanger; 27)를 구비하고,
제1 가열 매체 유동 경로(first heating medium flow path) 안에서, 제2 연료 저장부(4)로부터의 보일-오프 가스(boil-off gas)를 위한 유출 라인(outlet line; 29)은 콤프레서 장치(compressor device; 30)를 거쳐서 상기 열교환기(27)에 연결되며,
상기 제1 가열 매체 유동 경로는 상기 제2 연료 저장부(4)의 상측 부분을 통해서 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부(4) 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치(expansion nozzle device; 32)까지 연장된 유입 라인(inlet line; 31)과 연결된, 상기 열교환기(27) 상의 유출구를 가지고,
상기 유입 라인(31)으로부터 상기 유출 라인(29)까지 바이패스 라인(bypass line; 33)이 연장되고, 상기 바이패스 라인에는 유동 제어 밸브(flow control valve; 34)가 제공된 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 내부 연소 엔진은, 상기 고압 가스 도관(26) 내에서 상기 열교환기(27)의 하류에 배치된 제2 열교환기(28)를 더 구비하고,
상기 제2 열교환기(28)는, 선박 내 공기 조화 시스템(air conditioning system) 안의 유체 회로(fluid circuit)와 같은, 액체 소스(liquid source; 36)에 연결된 적어도 하나의 제2 가열 매체 유동 경로(second heating medium flow path; 35)를 갖는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 내부 연소 엔진은, 상기 고압 가스 도관(26) 내에서 상기 열교환기(27)의 하류에 배치된 제2 열교환기(28)를 더 구비하고,
상기 제2 열교환기(28)는, 상기 내부 연소 엔진으로의 유입 공기 유동 경로(inlet air flow path)와 같은, 기상 소스(gaseous source; 38)에 연결된 적어도 하나의 제3 가열 매체 유동 경로(third heating medium flow path; 37)를 갖는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
제1항에 있어서,
상기 내부 연소 엔진은, 상기 고압 가스 도관(26) 내에서 상기 열교환기(27)의 하류에 배치된 제2 열교환기(28)를 더 구비하고,
상기 제2 열교환기(28)는, 선박 내 공기 조화 시스템 안의 유체 회로와 같은, 액체 소스(36)에 연결된 적어도 하나의 제2 가열 매체 유동 경로(35)와, 상기 내부 연소 엔진으로의 유입 공기 유동 경로와 같은, 기상 소스(38)에 연결된 적어도 하나의 제3 가열 매체 유동 경로(37)를 갖는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
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제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 연료 펌프는 2개의 스테이지들을 가지고, 그 중 제1 스테이지는 프라이머 펌프 급송 스테이지(primer pump feeding stage)이며, 제2 스테이지는 원심 펌프 압력 스테이지(centrifugal pump pressure stage)인 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 연소 엔진은 2행정 크로스헤드 피스톤 엔진(two-stroke crosshead piston engine)인 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진.
분사 시스템에서 적어도 200 바아의 압력으로 기상 가스 연료를 내부 연소 엔진에 공급하는 방법으로서,
상기 내부 연소 엔진은 파일럿 연료를 위한 적어도 하나의 제1 연료 저장부(17), 액상 가스 연료를 위한 적어도 하나의 제2 연료 저장부(4), 및 파일럿 연료의 분사 및 기상 가스 연료의 분사를 위한 분사 시스템을 구비하고,
가스 연료 펌프(25)가 상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부(4) 안에 적어도 부분적으로 배치되며, 고압 가스 도관(26)을 통하여 상기 분사 시스템과 연결되고, 상기 고압 가스 도관(26)은 액상 가스 연료를 기상 가스 연료로 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기(27; 28)를 구비하며,
제2 연료 저장부(4)로부터의 제1 가열 매체 유동 경로 안에 있는 보일-오프 가스는 콤프레서 장치(30)에서 설정 압력으로 압축되고 또한 가스 연료를 가열하기 위한 열교환기(27)로 전달되며,
상기 적어도 하나의 제2 연료 저장부(4) 내에 배치된 적어도 하나의 팽창 노즐 장치(32)는 상기 열교환기(27)로부터 보일-오프 가스를 공급받고, 또한 이 보일-오프 가스를 제2 연료 저장부(4)의 상측 부분 내부의 보일-오프 가스로 팽창시키며,
상기 제2 연료 저장부(4)로부터의 보일-오프 가스를 위한 유출 라인(29)은 상기 제1 가열 매체 유동 경로 내에서 콤프레서 장치를 거쳐서 상기 열교환기(27)에 연결되며,
유입 라인(31)은 상기 제2 연료 저장부(4)의 상측 부분을 통해서 상기 적어도 하나의 팽창 노즐 장치(32)까지 연장되며 상기 제1 가열 매체 유동 경로 내의 상기 열교환기(27) 상의 유출구와 연결되고,
바이패스 라인(33)은 상기 유입 라인(31)으로부터 상기 유출 라인(29)의, 상기 콤프레서 장치(30)의 상류에 있는 부분까지 연장되며, 상기 바이패스 라인(33)에 유동 제어 밸브(34)가 제공되고,
상기 유입 라인(31) 내의 보일-오프 가스의 온도가 설정 온도보다 높은 때에, 유입 라인(31)으로부터 유출 라인(29)으로의 보일-오프 가스의 우회(bypass)를 위하여, 상기 바이패스 라인(33) 내의 상기 유동 제어 밸브(34)가 개방되는 것을 특징으로 하는, 기상 가스 연료를 내부 연소 엔진에 공급하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 설정 압력은 2 바아 내지 5 바아의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 기상 가스 연료를 내부 연소 엔진에 공급하는 방법.
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