KR102064051B1

KR102064051B1 - 선박용 엔진

Info

Publication number: KR102064051B1
Application number: KR1020180003030A
Authority: KR
Inventors: 백은성; 한주석; 김기두; 유정대; 표준호
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2020-02-11
Also published as: KR20190045801A; KR20190045800A; KR20190045802A; KR102326530B1; KR102439320B1; KR20200008008A; KR20200009104A; KR102299356B1; KR102310815B1; KR20200008649A; KR20190045793A; KR20190045803A; KR20190045805A; KR20190045794A; KR102423241B1; KR20200009103A; KR20190045795A; KR20210123276A; KR102442206B1; KR20190045799A

Abstract

본 발명은 연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더, 상기 연소실에서 상사점과 하사점을 왕복 이동하는 피스톤, 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 가스연료를 공급하는 가스연료분사부, 및 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진에 관한 것이다.

Description

선박용 엔진{Engine for Ship}

본 발명은 선박을 추진시키기 위한 선박용 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 선박용 엔진은 디젤엔진(Diesel Engine), 가스엔진(Gas Turbine Engine), 이중연료엔진(Dual Fuel Engine) 등 다양한 엔진을 포함한다. 특히, 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)은 2가지 연료. 예컨대, 가스와 디젤을 병행하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 선박에 많이 사용된다.

이러한 이중연료엔진이 설치된 선박(이하, '선박'이라 함)은 가스를 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤을 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나를 이용하여 운전한다.

이중연료엔진은 연소실을 갖는 실린더, 실린더에서 상하방향으로 왕복운동하는 피스톤, 실린더의 상측에 설치되는 실린더커버, 실린더커버에 설치되어서 디젤모드 시 디젤연료를 분사하는 메인인젝터, 실린더커버에 설치되어서 가스모드 시 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 디젤연료를 분사하는 파일럿인젝터, 실린더커버에 설치되어서 연소실에서 연소된 배기가스를 배출시키기 위한 배기밸브, 연소실에서 배출되는 배기가스를 공급받는 배기리시버, 실린더의 하측에 설치되어서 연소실로 공기를 공급하는 소기리시버, 실린더의 상측과 하측 사이에 설치되어서 연소실에 가스연료를 공급하는 가스공급부를 포함한다.

한편, 종래 선박은 가스모드 운전 시, 실린더의 하측에서 공급되는 소기에 불활성가스(예컨대, 이산화탄소, 배기가스 등)를 혼합하여 연소실에 공급함으로써, 가스연료의 연소온도를 낮추어서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킨다. 소기에 불활성가스를 혼합하는 방법은 소기를 저장하고 있는 소기리시버에 불활성가스를 공급함으로써 이루어질 수 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 소기리시버를 통해 연소실에 불활성가스를 공급하는 방식이 채택되어졌다. 2행정 주기 기관에서 소기(Scavenge)는 연소가스의 배기과정 및 새로운 공기의 흡입과정이 거의 동시에 이루어지며, 이러한 과정 중 불활성 가스와 혼합된 소기의 일부는 연소실 내부에 남아 있는 잔류 배기가스를 밀어내고, 연소실 내의 열부하를 냉각시키기 위해 배기밸브를 통해 연소실 외부를 배출되어져, 소기에 공급된 불활성 가스의 손실이 발생한다.

이러한 이유로, 연소실 내부의 체적효율이 감소되어질 수 있으며, 불활성 가스 공급 장치의 불필요한 동력 손실이 발생되어진다.

불활성가스의 손실이 발생하면, 가스연료에 혼합되는 불활성가스의 양이 감소되어서 노킹(Knocking)이 발생하는 문제가 있다.

둘째, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 불활성가스의 손실을 막도록 더 많은 양의 불활성가스를 소기리시버에 공급하기 위해 불활성가스공급부의 용량이 더 커지므로, 공간이 제한적인 선체에 더 큰 설치공간이 필요할 뿐만 아니라 용량 증대로 인한 구축비용이 증대되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 가스연료에 혼합되는 불활성가스의 손실을 방지하여서 엔진의 효율을 향상시킬 수 있는 선박용 엔진을 제공하기 위한 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더; 상기 연소실에서 상사점과 하사점을 왕복 이동하는 피스톤; 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 가스연료를 공급하는 가스연료분사부; 및 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진에 있어서, 상기 가스연료분사부는 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 가스연료를 상기 연소실로 공급할 때 상기 불활성가스공급부로부터 불활성가스를 공급받아서 함께 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 연소실의 압력을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다. 상기 가스연료분사부는 상기 측정부가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 상기 가스연료에 공급되는 불활성가스의 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 불활성가스공급부와 상기 가스연료분사를 연결하는 제1파이프라인; 상기 제1파이프라인에 설치되고 상기 불활성가스공급부에서 상기 가스연료분사부로 공급되는 불활성가스의 양을 조절하기 위한 제1밸브; 및 상기 가스연료분사부에 가스연료를 공급하기 위한 가스연료공급부를 포함할 수 있다. 상기 가스연료공급부는 상기 가스연료분사부에 가스연료를 공급하는 가스공급수단; 상기 가스공급수단과 상기 가스연료분사부를 연결하는 제2파이프라인; 상기 제2파이프라인에 설치되고 상기 가스공급수단에서 상기 가스연료분사부로 공급되는 가스연료의 양을 조절하기 위한 제2밸브를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 불활성가스공급부에서 상기 연소실로 공급되는 불활성가스가 상기 가스공급수단에서 상기 연소실로 공급되는 가스연료보다 더 늦게 공급이 중단되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 불활성가스공급부에서 상기 연소실로 공급되는 불활성가스가 상기 가스공급수단에서 상기 연소실로 공급되는 가스연료보다 적어도 먼저 공급되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부; 상기 제어부에 연결되게 설치되고 상기 연소실의 압력을 측정하기 위한 측정부; 및 상기 불활성가스공급부와 상기 제1밸브 사이에 위치하도록 상기 제1파이프라인에 설치되고, 상기 불활성가스공급부로부터 공급되는 불활성가스의 압력을 높이기 위한 압축부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 측정부가 측정한 연소실의 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 연소실에 공급되는 불활성가스의 압력이 커지도록 상기 압축부를 작동시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 연소실에 가스연료 공급 시 불활성가스를 공급하도록 구현됨으로써, 불활성가스의 손실을 방지함과 동시에 가스연료와 불활성가스를 균일하게 혼합시킬 수 있으므로 노킹(Knocking)이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 불활성가스공급부의 용량을 증대시킬 필요가 없으므로 선체의 공간활용도를 향상시킬 수 있고, 불활성가스의 손실 방지에 대한 구축비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 엔진의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 가스연료분사부, 불활성가스공급부 및 측정부를 설명하기 위한 개략적인 도면
도 3은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 제1밸브, 제2밸브 및 제어부를 설명하기 위한 개략적인 블록도
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 불활성가스를 가스연료보다 먼저 공급하는 것을 설명하기 위한 개략적인 작동상태도
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 불활성가스를 가스연료보다 나중에 공급 중단하는 것을 설명하기 위한 개략적인 작동상태도
도 8은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 제1밸브 및 제2밸브의 개폐타이밍을 나타낸 개략적인 그래프
도 9는 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 압축부를 설명하기 위한 개략적인 도면
도 10은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 불활성가스로 배기가스를 사용하는 경우를 설명하기 위한 개략적인 도면

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.

한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.

"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

이하에서는 본 발명에 따른 선박용 엔진에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 연소실에 연료 뿐만 아니라 불활성가스를 공급함으로써, 연소실에 연료만 공급하는 경우에 비해 연료의 연소온도를 낮추어서 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 노킹(Knocking)은 실린더 내에서의 이상연소에 의해 망치로 두드리는 것과 같은 소리가 나는 현상이다. 상기 조기점화는 이상연소의 하나로 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 점화되는 현상이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 크게 실린더(2), 피스톤(3), 불활성가스공급부(4) 및 가스연료분사부(5)를 포함한다.

상기 실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는다. 상기 피스톤(3)은 상기 연소실에서 상사점과 하사점을 왕복 이동한다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 가스연료를 공급한다. 상기 불활성가스공급부(4)는 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 불활성가스를 공급하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 연소실에 연료 뿐만 아니라 불활성가스를 공급함으로써, 연소실에 연료만 공급하는 경우에 비해 연료의 연소온도를 낮추어서 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이하에서는 상기 실린더(2), 상기 피스톤(3), 상기 불활성가스공급부(4) 및 상기 가스연료분사부(5)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 10을 참고하면, 실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 것이다. 상기 실린더(2)는 엔진블록(100, 도 4에 도시됨)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 실린더(2)는 공기, 연료 등이 공급될 수 있는 연소실(21)을 갖는다. 상기 연소실(21)은 내부가 비어있는 원통형태로 형성될 수 있다. 상기 연소실(21)과 엔진블록(100) 사이에는 실린더라이너(2a, 도 4에 도시됨)가 설치될 수 있다. 상기 실린더(2)에는 피스톤(3)이 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예컨대, 피스톤(3)은 상기 연소실(21)의 내부에서 Y축 방향(도 2에 도시됨)을 기준으로 상하방향으로 왕복운동할 수 있다. 상기 실린더(2)에는 연료를 공급하기 위한 가스연료분사부(5) 및 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급부(4)가 결합될 수 있다. 따라서, 상기 가스연료분사부(5) 및 상기 불활성가스공급부(4)는 각각 상기 실린더(2)에 가스연료 및 불활성가스를 공급할 수 있다. 상기 불활성가스공급부(4)는 상기 가스연료분사부(5)에 결합되어서 상기 가스연료분사부(5)를 통해 상기 실린더(2)에 불활성가스를 공급할 수도 있다. 이에 따라, 상기 연소실(21)은 상기 가스연료분사부(5)로부터 가스연료와 상기 불활성가스공급부(4)로부터 불활성기체를 공급받을 수 있다. 상기 불활성가스는 이산화탄소(CO₂)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있으면 다른 기체일 수도 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 연소실(21)에서 연소되어 배출되는 배기가스를 불활성가스로 이용할 수도 있다. 이 경우, 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기가스는 온도를 떨어뜨리기 위한 냉각장치, 황 성분을 제거하기 위한 탈황장치, 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 선택적환원촉매장치(SCR) 및 배기가스에 포함된 이물질을 제거하기 위한 배기가스정제부 중 적어도 하나를 거쳐서 상기 연소실(21)에 공급될 수 있다. 상기 가스연료와 상기 불활성가스가 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF, 도 2에 도시됨)는 상기 실린더(2)의 하측에 설치되는 소기공(미도시)을 통해 외부공기인 소기(掃氣)가 공급된 후에 상기 연소실(21)에 공급될 수 있다. 상기 소기공은 상기 실린더(2)의 하측에서 상기 실린더(2)를 관통하여 형성된 구멍으로, 공기가 충진되어 있는 소기리시버(10, 도 10에 도시됨)에 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 소기리시버(10)에 충진된 공기는 상기 소기공을 통해 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 상기 소기리시버(10)는 터빈(21)과 압축기(32)를 포함하는 터보차져(30, 도 10에 도시됨)가 배기가스가 저장되는 배기리시버(20, 도 10에 도시됨)로부터 배기가스를 공급받아 공기를 압축하여 공급함으로써, 공기를 충진할 수 있다. 상기 연소실(21)은 피스톤(3)이 왕복 운동함에 따라 체적이 증감될 수 있다. 예컨대, 실린더(2)는 피스톤(3)이 상측방향으로 이동하면, 체적이 감소될 수 있다. 이 경우, 실린더(2)에 공급된 가스연료와 불활성가스는 압축될 수 있다. 상기 피스톤(3)이 제1위치(P1, 도 2에 도시됨)에서 이동하여 제2위치(P2, 도 2에 도시됨)에 도달하면, 실린더(2)의 상측에 설치된 디젤인젝터(미도시)가 디젤을 공급하여 압축된 연료를 착화시킴으로써 연료, 불활성가스, 공기가 혼합된 혼합기체가 연소 및 폭발하여 피스톤(3)을 하측방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동력이 발생되고, 연소실(21)에는 배기가스가 발생될 수 있다. 제1위치(P1)는 피스톤(3)이 하사점에 위치되는 경우이다. 제2위치(P2)는 피스톤(3)이 상사점에 위치되는 경우이다. 실린더(2)는 피스톤(3)이 하측방향으로 이동하면, 체적이 증가될 수 있다. 피스톤(3)이 하사점 쪽으로 이동하면, 상기 소기리시버(10)에 충진된 공기가 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 따라서, 상기 연소실(21)에서 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스는 상기 소기리시버(10)에서 공급된 공기에 의해 상기 연소실(21)의 외부로 배출될 수 있다. 배기가스는 고온으로 인해 자연적으로 상기 연소실(21)의 외부로 배출될 수도 있다. 배기가스는 상기 실린더(2)에 결합된 배기관을 따라 배출되어서 상기 배기리시버(20)로 공급될 수 있다.

피스톤(3)은 상기 연소실(21)에 공급된 공기, 연료 및 불활성가스를 압축하기 위한 것이다. 피스톤(3)은 상기 연소실(21)에 이동 가능하게 설치된다. 피스톤(3)은 상기 연소실(21)의 내부에서 상하방향으로 왕복 운동할 수 있다. 상기 피스톤(3)은 원기둥형태로 형성될 수 있으나, 상기 연소실(21)에서 이동하면서 연료와 공기를 압축할 수 있으면 다른 형태로 형성될 수도 있다. 피스톤(3)은 구동력을 전달하는 크랭크축(미도시)에 의해 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(3)은 막대형태인 피스톤로드와 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 연결될 수 있다. 피스톤(3)은 크랭크축에 의해 상측방향으로 이동하는 경우 연료, 불활성가스 및 공기를 압축시킬 수 있다. 피스톤(3)은 상사점(P2)에서 실린더(2)에 공급된 연료, 불활성가스 및 공기가 혼합 연소되어 폭발함에 따라 하측방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 피스톤(3)은 실린더(2)의 내부에서 하사점(P1)과 상사점(P2) 사이를 왕복 운동할 수 있다. 하사점(P1)은 Y축 방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 낮은 위치에 위치되는 지점이다. 상사점(P2)은 Y축 방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 높은 위치에 위치되는 지점이다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 상사점(P2)에 도달하면, 구동력을 발생시키기 위해 압축된 연료를 폭발시킬 수 있다.

상기 불활성가스공급부(4)는 상기 연소실(21)에 불활성가스를 공급하기 위한 것이다. 상기 불활성가스는 이산화탄소(CO₂)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 노킹 또는 조기점화를 방지할 수 있으면 배기가스 등 다른 기체일 수도 있다. 상기 불활성가스공급부(4)는 불활성가스를 저장할 수 있다. 상기 불활성가스공급부(4)는 내부가 비어 있는 직방체 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 불활성가스를 저장할 수 있으면 원통형 등 다른 형태로 형성될 수도 있다. 상기 불활성가스공급부(4)는 제1파이프라인(41)을 통해 상기 가스연료분사부(5)에 연결될 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)은 불활성가스와 같은 유체를 이동시키기 위한 호스 또는 파이프이다. 이에 따라, 상기 불활성가스공급부(4)에 저장된 불활성가스는 상기 제1파이프라인(41)을 통해 상기 가스연료분사부(5)에 공급될 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)에는 제1밸브(42)가 설치될 수 있다. 상기 제1밸브(42)는 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 가스연료분사부(5)로 공급되는 불활성가스의 양을 조절하기 위한 것이다. 상기 제1밸브(42)는 상기 제1파이프라인(41)의 개도를 조절함으로써, 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 가스연료분사부(5)로 공급되는 불활성가스의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)을 개방하면, 상기 불활성가스공급부(4)에 저장된 불활성가스는 상기 제1파이프라인(41)을 따라 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)의 개도를 크게 개방하면, 개도를 적게 개방한 경우에 비해 더 많은 양의 불활성가스를 상기 가스연료분사부(5)로 공급할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)에 공급된 불활성가스는 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)을 폐쇄하면, 상기 불활성가스공급부(4)에 저장된 불활성가스는 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 없다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 제1밸브(42)를 이용하여서 상기 불활성가스공급부(4)에 저장된 불활성가스를 상기 가스연료분사부(5)를 통해 상기 연소실(21)에 공급하거나 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 조절할 수 있다.

상기 가스연료분사부(5)는 상기 연소실(21)에 연료 및 불활성가스를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 피스톤(3)의 상사점(P2)과 하사점(P1) 사이에 위치하도록 상기 실린더(2)에 결합될 수 있다. 따라서, 상기 가스연료분사부(5)는 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 연소실(21)에 연료 및 불활성가스를 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 가스연료분사부(5)는 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 상기 연소실(21)로 가스연료를 공급할 때 상기 불활성가스공급부(4)로부터 불활성가스를 공급받아서 함께 공급할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제1밸브(42) 및 후술할 제2밸브를 제어함으로써, 상기 연소실(21)에 연료 및 불활성가스를 혼합하여 공급할 수 있다. 다른 예로, 상기 가스연료분사부(5)가 연료분사밸브일 경우, 상기 가스연료분사부(5)는 내부에 설치된 밸브들을 개폐함으로써, 상기 불활성가스공급부(4)로부터 공급되는 연료 및 후술할 가스연료공급부로부터 공급되는 연료를 혼합하여 공급할 수도 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 소기공을 통해 상기 연소실(21)에 공기가 공급된 후에 상기 연료와 불활성가스를 공급할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 연료와 공기를 압축하는 과정. 즉, 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동되는 중간에 연료와 불활성가스를 미리 혼합시킨 불활성가스혼합가스연료(IF)를 연소실(21)에 공급할 수 있으므로, 압축과정에서 연소실(21)에 연료만 공급하는 경우에 비해 상기 연료의 연소온도를 낮출 수 있다. 연소온도가 낮아지면, 연료를 연소시키기 위한 폭발압력을 높일 수 있다. 폭발압력은 엔진이 발생시키는 출력에 비례한다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)의 압축과정에서 연료와 불활성가스가 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF)를 연소실(21)에 공급할 수 있으므로, 연소실(21)에 연료만 공급하는 경우에 비해 엔진의 효율을 더 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동되는 중간에 연료와 배기가스를 혼합시킨 불활성가스혼합가스연료(IF)를 연소실(21)에 공급할 수 있으므로, 연소실(21) 내부의 공기와 연료를 균일하게 혼합시킬 수 있다. 배기가스에는 공기와 미연소연료 등이 함께 혼합되어 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 연소실(21)에 공급되는 공기, 연료 및 배기가스를 균일하게 혼합시켜서 연소 효율을 향상시킬 수 있으므로, 선박을 추진시키기 위한 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 노킹(Knocking)이 발생하는 것을 방지하여서 사용수명을 증대시킬 수 있다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 측정부(6)를 포함할 수 있다.

상기 측정부(6)는 상기 연소실(21)의 압력을 측정하기 위한 것이다. 상기 측정부(6)는 상기 실린더(2)의 상측에 설치되는 실린더커버에 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 연소실(21)의 압력을 측정할 수 있으면 다른 위치에 설치될 수도 있다. 상기 측정부(6)는 압력센서일 수 있다. 상기 측정부(6)는 1개일 수 있으나, 상기 연소실(21) 압력 측정에 대한 신뢰성을 높이기 위해 복수개가 실린더(2)의 서로 다른 위치에 설치될 수도 있다. 상기 측정부(6)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 가스연료분사부(5)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 측정부(6)는 측정한 연소실(21)의 압력을 상기 가스연료분사부(5)에 제공할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 측정부(6)로부터 연소실(21)의 압력을 제공받아 상기 측정 압력을 기설정된 기준연소실압력에 비교하여서 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 조절할 수 있다. 상기 기준연소실압력은 연료 연소 시 노킹 및 조기점화가 발생하지 않는 연소실의 압력을 의미하며, 작업자에 의해 미리 설정될 수 있다.

예컨대, 상기 가스연료분사부(5)는 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 연료에 공급되는. 즉, 연료에 혼합되는 불활성가스의 양을 증가시킬 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제1파이프라인(41)의 개도가 커지도록 상기 제1밸브(42)를 제어함으로써, 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제2밸브를 제어하여 상기 연소실(21)에 공급되는 연료의 양을 유지시키거나 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 증가시킴으로써, 불활성가스혼합가스연료의 연소온도를 낮추어서 노킹 및 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 증가시킴으로써, 상기 연소실(21)에 연료만을 공급하는 경우에 비해 연료의 연소속도를 늦출 수 있으므로 노킹이 발생하는 것을 줄이거나 방지할 수 있다.

예컨대, 상기 가스연료분사부(5)는 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 연료에 혼합되는 불활성가스의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제1파이프라인(41)의 개도가 작아지도록 상기 제1밸브(42)를 제어함으로써, 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 감소시킬 수 있다. 이 경우, 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제2밸브를 제어하여 상기 연소실(21)에 공급되는 연료의 양을 유지시키거나 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 감소시킴으로써, 측정 연소실 압력이 기준연소실압력 이상일 경우에 비해 불활성가스혼합가스연료의 연소온도를 높일 수 있으므로 엔진의 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 측정부(6)가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 양을 감소시킴으로써, 측정 연소실 압력이 기준연소실압력 이상일 경우에 비해 불활성가스혼합가스연료의 연소속도를 앞당길 수 있으므로 이상연소로 인해 엔진의 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스연료분사부(5)가 가스연료 및 불활성가스를 혼합해서 상기 연소실(21)에 공급할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 디젤연료를 이용하여 운전하는 디젤모드 운전 시에는 상기 제1밸브(42) 및 상기 제2밸브를 제어하여 상기 연소실(21)에 불활성가스만을 공급할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 가스모드 뿐만 아니라 디젤모드 운전 시에도 상기 연소실(21)에 불활성가스를 공급하여서 연료의 연소온도를 낮출 수 있으므로, 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition) 중 적어도 하나가 발생하는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 가스연료공급부(7)를 포함할 수 있다.

상기 가스연료공급부(7)는 상기 가스연료분사부(5)에 가스연료를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스연료공급부(7)는 선박이 LNG선일 경우, LNG저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜서 상기 가스연료분사부(5)에 공급할 수 있다. 상기 가스연료공급부(7)는 LNG저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil off gas)를 상기 가스연료분사부(5)에 공급할 수도 있다. 상기 가스연료공급부(7)는 가스공급수단(71), 제2파이프라인(72) 및 제2밸브(73)를 포함할 수 있다.

상기 가스공급수단(71)은 상기 가스연료분사부(5)에 연료를 공급하기 위한 것이다. 여기서, 연료는 가스일 수 있다. 상기 가스공급수단(71)은 일측이 제2파이프라인(72)을 통해 상기 가스연료분사부(5)에 연결될 수 있다. 상기 가스공급수단(71)은 타측이 관 또는 파이프를 통해 LNG저장탱크에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 가스공급수단(71)은 상기 LNG저장탱크에서 상기 가스연료분사부(5)로 연료를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 연료는 기체상태일 수 있다. 상기 가스공급수단(71)은 연료를 이송시키기 위해 이송력을 발생시키는 컴프레서, 임펠러, 펌프와 같은 이송장치일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 LNG저장탱크에서 상기 가스연료분사부(5)로 연료를 공급할 수 있으면 다른 장치일 수도 있다. 상기 가스공급수단(71)은 가스연료를 일정한 압력으로 저장하고 있는 가스연료저장탱크일 수도 있다. 이 경우, 상기 가스연료공급부(7)는 상기 이송장치를 포함하지 않을 수 있다. 상기 가스공급수단(71)은 상기 가스연료분사부(5)로 연료를 공급함으로써, 상기 연소실(21)에 연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급수단(71)은 피스톤(3)이 제1위치(P1)에서 제2위치(P2)로 이동되는 중간에 연료를 상기 연소실(21)에 공급할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 배기관을 통해 연료가 빠져나가는 것. 즉, 메탄슬립이 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 연소실(21)을 폐쇄할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스연료분사부(5)를 통해 상기 연소실(21)에 연료와 불활성가스가 혼합된 불활성가스혼합가스연료가 공급되기 전에 배기밸브를 이용하여 상기 연소실(21)과 상기 배기관을 차단시킴으로써, 상기 연소실(21)을 폐쇄하여 메탄슬립을 방지할 수 있다. 상기 가스공급수단(71)이 상기 가스연료분사부(5)에 연료를 공급함으로써, 상기 연소실(21)에는 상기 불활성가스공급부(4)에서 공급되는 불활성가스와 상기 가스공급수단(71)이 공급하는 연료가 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF)가 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스혼합가스연료(IF)의 압력은 엔진 부하에 따라 약 3바(bar)에서 30바(bar) 사이일 수 있으나, 바람직하게 5바(bar)에서 22바(bar) 사이일 수 있다. 이 경우, 불활성가스공급부(4)가 공급하는 불활성가스의 압력은 상기 가스공급수단(71)이 공급하는 가스연료의 공급압력보다 상대적으로 낮을 수 있다. 왜냐하면, 상기 실린더(2)에 가스연료 공급을 원활하게 하기 위함이다. 불활성가스혼합가스연료(IF)의 압력이 30바(bar)를 초과하면, 상기 불활성가스공급부(4)와 상기 가스공급수단(71) 용량이 커져야 하므로 전체적인 엔진의 크기가 커지는 문제가 있다. 불활성가스혼합가스연료(IF)의 압력이 3바(bar) 미만이면, 소기공을 통해 연소실(21)에 미리 공급된 공기의 압력으로 인해 불활성가스혼합가스연료(IF)가 연소실(21)에 원활하게 공급되지 못하는 문제가 있다.

상기 제2파이프라인(72)은 일측이 가스공급수단(71)에 결합되고, 타측이 가스연료분사부(5)에 결합될 수 있다. 상기 제2파이프라인(72)은 연료를 이동시키기 위한 것으로, 관 또는 파이프와 같은 유로일 수 있다. 상기 제2파이프라인(72)은 상기 가스연료분사부(5)에 결합됨으로써, 상기 제1파이프라인(41)에 연통될 수 있다. 따라서, 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제2파이프라인(72)을 통해 공급되는 연료 및 상기 제1파이프라인(41)을 통해 공급되는 불활성가스를 혼합하여 상기 연소실(21)에 공급할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)는 상기 제2파이프라인(72)에서 공급되는 연료가 상기 제1파이프라인(41)에서 공급되는 불활성가스보다 상측에서 공급되도록 형성될 수 있다. 상기 상측은 중력 방향에 반대되는 방향을 의미할 수 있다. 이에 따라, 제2파이프라인(72)을 통해 이동되는 연료는 중력에 의해 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스공급수단(71)이 상기 가스연료분사부(5)로 연료를 이동시키기 위한 부하를 낮출 수 있으므로, 상기 가스공급수단(71)의 사용 수명을 연장시킬 수 있다. 상기 제2파이프라인(72)에는 제2밸브(73)가 설치될 수 있다.

상기 제2밸브(73)는 상기 제2파이프라인(72)을 개폐하기 위한 것이다. 상기 제2밸브(73)는 상기 가스공급수단(71)과 상기 가스연료분사부(5) 사이에 위치하도록 상기 제2파이프라인(72)에 설치될 수 있다. 상기 제2밸브(73)는 상기 제2파이프라인(72)에 밸브를 밀어넣어서 잠그는 게이트 밸브일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 제2파이프라인(72)을 개폐할 수 있으면 회전식 밸브인 볼밸브, 배관에 밸브를 덮거나 막아서 잠그는 글로브 밸브 등 다른 밸브일 수도 있다. 상기 제2밸브(73)는 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 가스연료분사부(5)에 연결됨으로써, 상기 가스연료분사부(5)에 의해 제어되어 상기 제2파이프라인(72)을 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 상기 제2밸브(73)는 상기 제2파이프라인(72)의 개도를 조절함으로써, 상기 가스공급수단(71)에서 상기 가스연료분사부(5)로 공급되는 연료의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제2밸브(73)가 상기 제2파이프라인(72)을 개방하면, 상기 가스공급수단(71)이 공급하는 연료는 상기 제2파이프라인(72)을 따라 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 제2밸브(73)가 상기 제2파이프라인(72)의 개도를 크게 개방하면, 개도를 적게 개방한 경우에 비해 더 많은 양의 연료를 상기 가스연료분사부(5)에 공급할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)에 공급된 연료는 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 예컨대, 상기 제2밸브(73)가 상기 제2파이프라인(71)을 폐쇄하면, 상기 가스공급수단(71)이 공급하는 연료는 상기 가스연료분사부(5)에 공급될 수 없다. 상기 제1밸브(42) 및 상기 제2밸브(73)는 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나의 방법으로 후술할 제어부에 연결됨으로써, 상기 제어부에 의해 제어되어 각각 상기 제1파이프라인(41) 및 상기 제2파이프라인(72)을 개방하거나 폐쇄할 수도 있다. 상기 제2밸브(73)와 상기 가스공급수단(71) 사이에는 감압밸브(74)가 설치될 수 있다. 상기 감압밸브(74)는 상기 가스공급수단(71)에서 공급되는 가스연료의 압력을 낮추기 위한 것이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 제어부(8)를 포함할 수 있다.

상기 제어부(8)는 상기 제1밸브(42) 및 상기 제2밸브(73)를 제어하기 위한 것이다. 상기 제어부(8)는 피스톤(3)에 연결되게 설치되는 크랭크축의 회전각도(Crank Angle)에 따라 제1밸브(42) 및 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 제어부(8)는 크랭크축의 회전각도에 따라 제1밸브(42)를 제어하여 제1파이프라인(41)을 개방시키거나 폐쇄시킬 수 있다. 상기 제어부(8)는 크랭크축의 회전각도에 따라 제2밸브(73)를 제어하여 제2파이프라인(72)을 개방시키거나 폐쇄시킬 수 있다. 상기 제어부(8)는 크랭크축의 회전속도를 검출하는 가버너(Governor)를 통해서 크랭크축의 회전각도를 획득할 수도 있으나, 이에 한정되지 않으며 다른 장치를 통해서 크랭크축의 회전각도를 획득할 수도 있다. 상기 제어부(8)는 유선장치 및 무선장치 중 적어도 하나의 방법을 통해 각도센서, 가버너 등에 연결됨으로써, 크랭크축의 회전각도를 획득할 수 있다.

상기 제어부(8)는 상기 크랭크축의 회전각도를 획득한 후 획득한 크랭크축의 회전각도에 따라 제1밸브(42) 및 제2밸브(73) 각각의 개폐타이밍을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(8)는 획득한 크랭크축의 회전각도에 따라 제1밸브(42)를 제어하여 제1파이프라인(41)을 개폐할 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)이 개방되면, 상기 불활성가스공급부(4)에 저장된 불활성가스가 상기 제1파이프라인(41)을 따라 상기 가스연료분사부(5)에 공급되어서 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)이 폐쇄되면, 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 제1파이프라인(41)을 따라 상기 연소실(21)로 공급되는 불활성가스가 차단될 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(8)는 획득한 크랭크축의 회전각도에 따라 제2밸브(73)를 제어하여 제2파이프라인(72)을 개폐할 수 있다. 제2파이프라인(72)이 개방되면, 상기 가스공급수단(71)에서 상기 제2파이프라인(72)을 따라 상기 가스연료분사부(5)로 연료가 공급되어서 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 상기 제2파이프라인(72)이 폐쇄되면, 상기 가스연료분사부(5)로 연료 공급이 차단될 수 있다. 여기서, 상기 제1파이프라인(41)을 따라 공급되는 불활성가스와 상기 제2파이프라인(72)을 따라 공급되는 연료는 상기 연소실(21)에 공급되기 전에 상기 가스연료분사부(5)에서 혼합될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 연소실(21) 밖에서 연료와 불활성가스를 혼합시킨 후 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF)를 연소실(21)에 공급함으로써, 상기 연소실(21)에 미리 공급된 공기에 혼합되는 혼합률을 높일 수 있어서 노킹이 발생하는 것을 현저하게 줄이거나 방지할 수 있다.

도 4 내지 도 9를 참고하면, 상기 제어부(8)는 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 제1파이프라인(41) 및 상기 가스연료분사부(5)를 순차적으로 거쳐 상기 연소실(21)로 공급되는 불활성가스가, 상기 가스공급수단(71)에서 상기 제2파이프라인(72) 및 상기 가스연료분사부(5)를 순차적으로 거쳐 상기 연소실(21)로 공급되는 연료보다 더 늦게 공급이 중단되도록 제1밸브(42) 및 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 여기서, 연료는 가스일 수 있다. 도 9는 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 배기밸브, 제1밸브 및 제2밸브의 개폐타이밍을 나타낸 개략적인 그래프이다. 가로축은 크랭크축의 회전각도(Crank Angle)를 나타낸다. 세로축은 밸브의 이동(Valve Lift)을 타나낸다. 제1라인(L1)은 제1밸브(42)의 개폐타이밍을 나타낸 그래프이다. 제2라인(L2)은 제2밸브(73)의 개폐타이밍을 나타낸 그래프이다. 제3라인(L3)은 배기밸브(미도시)의 개폐타이밍을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 세로축의 상측방향은 배기밸브, 제1밸브(42) 및 제2밸브(73) 각각이 연소실(21), 제1파이프라인(41) 및 제2파이프라인(72)을 개방하는 것이다. 그래프에서 세로축의 하측방향은 배기밸브, 제1밸브(42) 및 제2밸브(73) 각각이 연소실(21), 제1파이프라인(41) 및 제2파이프라인(72)을 폐쇄하는 것이다. 제어부(8)는 크랭크축의 회전각도에 따라 배기밸브, 제1밸브(42) 및 제2밸브(73) 각각이 주기적으로 연소실, 제1파이프라인(41) 및 제2파이프라인(72)을 개폐하도록 배기밸브, 제1밸브(42) 및 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 도 9를 참고하면, 제1라인(L1)과 제2라인(L2)은 제3라인(L3)의 우측에 위치하고 있다. 이는 배기밸브가 연소실(21)을 폐쇄한 후에 제1밸브(42)와 제2밸브(73)가 제1파이프라인(41)과 제2파이프라인(72)을 개폐하는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 메탄슬립이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 제2라인(L2)은 상기 제1라인(L1)의 내부에 위치하고 있다. 이는 제1밸브(42)가 제1파이프라인(41)을 먼저 개방한 후에 제2밸브(73)가 제2파이프라인(72)을 개방하고, 제2밸브(73)가 제2파이프라인(72)을 폐쇄한 후에 제1밸브(42)가 제1파이프라인(41)을 폐쇄하는 것을 의미한다.

먼저, 도 4 내지 도 6을 참고하여 제1밸브(42)와 제2밸브(73)의 개방타이밍을 살펴보면, 제어부(8)는 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 연소실(21)로 공급되는 불활성가스(IG)가 상기 가스공급수단(71)에서 상기 연소실(21)로 공급되는 연료보다 적어도 먼저 공급되도록 제1밸브(42) 및 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 제어부(8)는 기설정된 크랭크축의 회전각도에 따라 제1파이프라인(41)이 개방된 후에 제2파이프라인(72)이 개방되도록 제1밸브(42)와 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 따라서, 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 연소실(21)로 공급되는 불활성가스(IG)는 상기 가스공급수단(71)에서 상기 연소실(21)로 공급되는 연료보다 먼저 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 연소실(21)에 불활성가스혼합가스연료(IF) 공급 시 연료보다 불활성가스(IG)를 먼저 공급함으로써, 불활성가스의 유속으로 인해 압력을 낮추어서 제2파이프라인(72)을 통해 공급되는 연료가 상기 가스연료분사부(5)를 이동하는 불활성가스 쪽으로 흡입되도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스공급수단(71)의 부하를 낮출 수 있으므로, 상기 가스공급수단(71)의 사용수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스연료분사부(5)에서 배기가스와 연료(Fuel)를 미리 혼합시켜서 연소실(21)에 공급함으로써, 연소실(21)에서 불활성가스혼합가스연료(IF)와 공기의 혼합을 균일하게 할 수 있어, 연료만 공급하는 경우에 비해 배기가스 오염물질인 질소산화물(NOx)의 생성을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 노킹(Knocking)과 조기점화(Pre-ignition)를 개선할 수 있다.

제어부(8)는 제1파이프라인(41)과 제2파이프라인(72)이 동시에 개방되도록 제1밸브(42)와 제2밸브(73)를 제어할 수도 있다. 제어부(8)는 기설정된 크랭크축의 회전각도에 따라 제1파이프라인(41)과 제2파이프라인(72)이 동시에 개방되도록 제1밸브(42)와 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 가스연료분사부(5)로 연료(Fuel)와 불활성가스(IG)가 동시에 공급됨으로써, 연료와 불활성가스가 동시에 혼합되어 연소실(21)로 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 소기공을 통해 연소실(21)에 공급되는 공기와 상기 가스연료분사부(5)를 통해 연소실(21)에 공급되는 불활성가스혼합가스연료(IF)를 균일하게 혼합시킬 수 있으므로, 불활성가스혼합가스연료(IF)가 아닌 연료만을 공급하는 경우에 비해 노킹(Knocking)과 조기점화(Pre-ignition)를 개선하여 엔진의 효율을 향상시킬 수 있다.

다음, 도 6 및 도 7을 참고하여 제1밸브(42)와 제2밸브(73)의 폐쇄타이밍을 살펴보면, 제어부(8)는 기설정된 크랭크축의 회전각도에 따라 제2파이프라인(72)이 폐쇄된 후에 제1파이프라인(41)이 폐쇄되도록 제1밸브(42)와 제2밸브(73)를 제어할 수 있다. 따라서, 제1파이프라인(41)에서 연소실(21)로 공급되는 불활성가스(IG)는 제2파이프라인(72)에서 연소실(21)로 공급되는 연료보다 나중에 중단될 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 연소실(21)에 공급되는 불활성가스혼합가스연료(IF)의 공급 중단 시, 연료 공급을 먼저 중단하고 불활성가스(IG) 공급을 나중에 중단시킴으로써, 상기 가스연료분사부(5)에 연료가 남는 것을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스연료분사부(5)에 연료가 남는 것을 줄여서 연소실(21)에 연료가 추가로 공급되는 것을 감소시킴으로써, 상기 연소실(21)에 연료만 공급하는 경우에 비해 조기점화(Preignition)가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 가스연료분사부(5)에 연료가 남게 되어 연료가 고착되는 것을 방지함으로써, 가스연료분사부(5)의 사용수명을 증대시킬 수 있다.

도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 압축부(9)를 더 포함할 수 있다.

상기 압축부(9)는 상기 불활성가스공급부(4)로부터 공급되는 불활성가스의 압력을 높이기 위한 것이다. 이에 따라, 상기 압축부(9)는 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 압력을 높일 수 있다. 예컨대, 상기 가스연료분사부(5)가 상기 연소실(21)에 불활성가스혼합가스연료(IF)를 공급하기 전에, 연소실의 압력이 불활성가스의 압력보다 크면 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 연소실(21)로 불활성가스가 공급되지 않고, 상기 연소실(21)에 공급된 공기가 상기 불활성가스공급부(4) 쪽으로 역류하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 압축부(9)는 상기와 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 불활성가스의 압력을 높여서 상기 연소실(21)에 공급할 수 있다. 상기 압축부(9)는 컴프레서, 임펠러 등과 같은 압축장치일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 불활성가스의 압력을 높일 수 있으면 다른 장치일 수도 있다. 상기 압축부(9)는 상기 불활성가스공급부(4)와 상기 제1밸브(42) 사이에 위치하도록 상기 제1파이프라인(41)에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(9)와 상기 제1밸브(42) 사이에 위치하는 제1파이프라인(41)에는 상기 압축부(9)에 의해 압력이 높아진 불활성가스가 충진된 상태를 유지할 수 있다. 이 상태에서 상기 가스연료분사부(5) 또는 상기 제어부(8)에 의해 상기 제1밸브(42)가 개방되면, 압축된 상태의 불활성가스가 즉시 상기 가스연료분사부(5)에 공급될 수 있으므로 상기 연소실(21)의 불활성가스 공급에 대한 응답성을 높일 수 있다. 상기 압축부(9)는 상기 실린더(2)와 상기 제1밸브(42) 사이에 설치되어서 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 압력을 높이거나, 상기 불활성가스공급부(4) 자체에 설치되어서 상기 불활성가스공급부(4)가 저장하는 불활성가스의 압력을 높일 수도 있다. 이에 따라, 상기 불활성가스공급부(4)는 상기 압축부(9)에 의해 압력이 높아진 불활성가스를 저장하고 있을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 불활성가스공급부(4)에서 상기 가스연료분사부(5)로 신속하게 불활성가스를 공급할 수 있다.

상기 압축부(9)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 제어부(8)에 연결됨으로써, 상기 제어부(8)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제어부(9)는 상기 측정부(6)가 측정한 연소실의 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 연소실(21)에 공급되는 불활성가스의 압력이 커지도록 상기 압축부(9)를 작동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 연소실(21)의 압력보다 더 큰 압력으로 상기 연소실(21)에 불활성가스를 공급할 수 있으므로, 상기 소기공을 통해 연소실(21)에 미리 공급된 공기가 상기 제1파이프라인(41)을 통해 상기 불활성가스공급부(4) 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있다. 상기 제어부(9)는 상기 측정부(6)가 측정한 연소실의 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면, 상기 압축부(9)를 작동시키지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 측정부(6)가 측정한 연소실의 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 상기 압축부(9)를 작동시키지 않으므로, 상기 압축부(9)에 대한 유지보수 비용 및 교체비용을 절감할 수 있다.

도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 불활성가스로 배기리시버(20)에 저장된 배기가스를 이용할 수 있다.

상기 배기리시버(20)는 상기 연소실(21)에서 배출되는 배기가스를 공급받아서 저장하기 위한 것이다. 상기 배기리시버(20)는 관 또는 파이프와 같은 배기관을 통해 상기 실린더(2)에 연결될 수 있다. 상기 배기관은 상기 실린더(2)의 상측에 설치된 실린더커버(미도시)에 결합되어서 배기밸브의 개폐에 따라 상기 연소실(21)에 연통되거나 연통이 차단될 수 있다. 따라서, 상기 배기밸브가 개방되면, 상기 연소실(21)과 배기관이 연통되어서 상기 배기리시버(20)는 상기 연소실(21)로부터 배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 배기밸브가 폐쇄되면, 상기 연소실(21)과 배기관이 차단되어서 상기 배기리시버(20)는 상기 연소실(21)로부터 배기가스를 공급받을 수 없다. 상기 배기리시버(20)는 내부가 비어 있는 직방체 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 배기가스를 저장할 수 있으면 원통형 등 다른 형태로 형성될 수도 있다. 상기 배기리시버(20)는 제1파이프라인(41)을 통해 상기 가스연료분사부(5)에 연결될 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)은 배기가스와 같은 유체를 이동시키기 위한 관 또는 파이프이다. 이에 따라, 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스는 상기 제1파이프라인(41)을 통해 상기 가스연료분사부(5)에 공급될 수 있다. 상기 제1파이프라인(41)에는 제1밸브(42)가 설치될 수 있다. 상기 제1밸브(42)는 상기 배기리시버(20)에서 상기 가스연료분사부(5)로 공급되는 배기가스의 양을 조절하기 위한 것이다. 상기 제1밸브(42)는 상기 제1파이프라인(41)의 개도를 조절함으로써, 상기 배기리시버(20)에서 상기 가스연료분사부(5)로 공급되는 배기가스의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)을 개방하면, 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스는 상기 제1파이프라인(41)을 따라 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)의 개도를 크게 개방하면, 개도를 적게 개방한 경우에 비해 더 많은 양의 배기가스를 상기 가스연료분사부(5)로 공급할 수 있다. 상기 가스연료분사부(5)에 공급된 배기가스는 상기 연소실(21)로 공급될 수 있다. 상기 제1밸브(42)가 상기 제1파이프라인(41)을 폐쇄하면, 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스는 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 없다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 제1밸브(42)를 이용하여서 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스를 상기 가스연료분사부(5)를 통해 상기 연소실(21)에 공급하거나 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소실(21)에 공급되는 배기가스의 양을 조절할 수 있다. 상기 배기리시버(20)는 별도의 배관을 통해 상기 터보차져(30)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 터보차져(30)는 상기 배기리시버(20)로부터 배기가스를 공급받아서 외부공기를 압축하여 상기 소기리시버(10)에 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 터보차져(30)와 상기 소기리시버(10) 사이에는 상기 터보차져(30)에 의해 압축된 공기를 냉각시키기 위한 쿨러(Cooler)(33) 및 냉각된 압축공기로부터 수분을 제거하기 위한 워터미스트캐쳐(34)가 설치될 수 있다. 상기 배기리시버(20)와 상기 쿨러(33) 사이에는 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스가 상기 터보차져(30)를 우회하기 위한 바이패스라인이 설치될 수 있다. 상기 바이패스라인에는 배기가스를 우회시키거나 차단하기 위한 EGB밸브(35)가 설치될 수 있다. 한편, 상기 배기리시버(20)와 상기 제1밸브(42) 사이에는 배기가스를 냉각 및 정제시키기 위한 장치들이 제1파이프라인(41)에 설치될 수 있다. 예컨대, EGB밸브(36), 프리스프레이(37), EGR쿨러(38), EGR워터미스트캐쳐(39), EGR블로워(40), 압력조정밸브(43) 및 체크밸브(44)가 설치될 수 있다. 상기 EGB밸브(36)는 배기리시버(20)에서 상기 가스연료분사부(5)로 배기가스를 공급하거나 차단하기 위한 것이다. 상기 프리스프레이(37)는 배기가스로부터 황 성분을 제거하기 위한 것이다. 상기 EGR쿨러(38)는 배기가스를 냉각시키기 위한 것이다. 상기 EGR워터미스트캐쳐(39)는 배기가스로부터 수분을 제거하기 위한 것이다. 상기 EGR블로워(40)는 배기가스를 압축하기 위한 것이다. 상기 압력조정밸브(43)는 상기 가스연료분사부(5)에 공급되는 배기가스의 압력을 조절하기 위한 것이다. 상기 체크밸브(44)는 상기 연소실(21)에서 상기 배기리시버(20)로 배기가스가 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 장치들을 통해 상기 배기리시버(20)에 저장된 배기가스는 냉각, 수분제거, 압력조절 등이 되어서 상기 가스연료분사부(5)로 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 불활성가스로 배기리시버(20)에 저장된 배기가스를 이용할 수 있으므로, 외부로 버려지는 배기가스를 재활용하여서 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있어서 엔진의 사용수명을 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1 : 선박용 엔진
2 : 실린더 3 : 피스톤
4 : 불활성가스공급부 5 : 가스연료분사부
6 : 측정부 7 : 가스연료공급부
8 : 제어부 9 : 압축부
10 : 소기리시버 20 : 배기리시버
30 : 터보차져 31 : 터빈
32 : 압축기 33 : 쿨러
34 : 워터미스트캐쳐 35 : EGB밸브
36 : EGB밸브 37 : 프리스프레이
38 : EGR쿨러 39 : EGR워터미스트캐쳐
40 : EGR블로워 41 : 제1파이프라인
42 : 제1밸브 43 : 압력조정밸브
44 : 체크밸브 71 : 가스공급수단
72 : 제2파이프라인 73 : 제2밸브
74 : 감압밸브

Claims

가스를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤을 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나로 운전하는 이중연료엔진으로서,
연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더;
상기 연소실에서 상사점과 하사점을 왕복 이동하는 피스톤;
상기 실린더 상측에 마련되며 디젤모드 시 디젤연료를 상기 실린더의 연소실에 분사하는 메인인젝터;
상기 실린더 상측과 하측 사이에 마련되며 가스모드 시 상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 가스연료를 공급하는 가스연료분사부;
상기 실린더 상측에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 디젤연료를 상기 연소실에 분사하는 파일럿인젝터;
상기 연소실의 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급부; 및
터빈과 압축기를 포함하며 배기리시버로부터 배기가스를 공급받아 공기를 압축하여 소기리시버에 공급하는 터보차져를 포함하며,
상기 불활성가스공급부는,
상기 배기리시버에서 상기 가스연료분사부로 연결되어 상기 터빈 상류의 고온의 배기가스를 상기 가스연료분사부로 전달하는 제1파이프라인; 및
상기 제1파이프라인에 마련되어 상기 배기가스를 냉각 및 정제하는 냉각 정제 장치를 포함하여,
상기 배기리시버에 유입되는 배기가스를 불활성가스로 이용하여 상기 가스연료분사부에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제1항에 있어서,
상기 가스연료분사부는 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 가스연료를 상기 연소실로 공급할 때 상기 불활성가스공급부로부터 불활성가스를 공급받아서 함께 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제1항에 있어서,
상기 연소실의 압력을 측정하는 측정부를 포함하고,
상기 가스연료분사부는 상기 측정부가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 가스연료에 공급되는 불활성가스의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제1항에 있어서,
상기 연소실의 압력을 측정하는 측정부를 포함하고,
상기 가스연료분사부는 상기 측정부가 측정한 연소실 압력이 기설정된 기준연소실압력 미만이면 상기 가스연료에 공급되는 불활성가스의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제1항에 있어서,
상기 불활성가스공급부와 상기 가스연료분사부를 연결하는 상기 제1파이프라인;
상기 제1파이프라인에 설치되고 상기 불활성가스공급부에서 상기 가스연료분사부로 공급되는 불활성가스의 양을 조절하기 위한 제1밸브; 및
상기 가스연료분사부에 가스연료를 공급하기 위한 가스연료공급부를 포함하고,
상기 가스연료공급부는,
상기 가스연료분사부에 가스연료를 공급하는 가스공급수단;
상기 가스공급수단과 상기 가스연료분사부를 연결하는 제2파이프라인;
상기 제2파이프라인에 설치되고 상기 가스공급수단에서 상기 가스연료분사부로 공급되는 가스연료의 양을 조절하기 위한 제2밸브를 포함하는 선박용 엔진.
제5항에 있어서,
상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 불활성가스공급부에서 상기 연소실로 공급되는 불활성가스가 상기 가스공급수단에서 상기 연소실로 공급되는 가스연료보다 더 늦게 공급이 중단되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제5항에 있어서,
상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 불활성가스공급부에서 상기 연소실로 공급되는 불활성가스가 상기 가스공급수단에서 상기 연소실로 공급되는 가스연료보다 적어도 먼저 공급되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제5항에 있어서,
상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 제어하는 제어부;
상기 제어부에 연결되게 설치되고 상기 연소실의 압력을 측정하기 위한 측정부; 및
상기 불활성가스공급부와 상기 제1밸브 사이에 위치하도록 상기 제1파이프라인에 설치되고, 상기 불활성가스공급부로부터 공급되는 불활성가스의 압력을 높이기 위한 압축부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 측정부가 측정한 연소실의 압력이 기설정된 기준연소실압력 이상이면 상기 연소실에 공급되는 불활성가스의 압력이 커지도록 상기 압축부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
제1항에 있어서, 상기 냉각 정제 장치는,
배기가스를 냉각시키는 쿨러;
배기가스로부터 수분을 제거하는 워터미스트캐쳐; 및
배기가스를 압축하는 블로어를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.