KR102123114B1 - Lng 엔진용 보조 열원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 겨울철에도 LNG 엔진의 시동을 원활하게 수행할 수 있는 LNG 엔진용 보조 열원 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, LNG를 연료로 동작하는 엔진; LNG를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크에 연통되어 LNG를 기화시키는 보조 기화기; 상기 보조 기화기에서 기화된 가스를 상기 엔진으로 안내하는 공급라인; 상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 보조 기화기와 열교환하도록 순환시키는 냉각라인; 및 상기 냉각라인에 설치되어 상기 보조 기화기로 유동하는 냉각수의 온도를 상승시키는 가열기를 포함한다.

Description

LNG 엔진용 보조 열원 장치{Auxiliary heaters for LNG engine}

본 발명은 LNG 엔진용 보조 열원 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 냉간 시동 시 연료 기화성능을 향상시키는 LNG 엔진용 보조 열원 장치에 관한 것이다.

최근 유가 상승 및 선박과 디젤 차량의 온실 가스 규제에 따라 LNG를 연료로 사용하는 추진시스템 개발의 필요성이 대두 되고 있다.

특히 국제해사기구(IMO)에서 시행한 연구에 따르면 엔진 공회전시에 발생되는 유해물질이 전체 운송수단의 배출량 대비 질소산화물은 14%, 황산화물 5%, 이산화탄소 2% 정도를 차지하는 것으로 나타났다.

그리고 IMO는 온실가스규제의 주요 내용을 채택하여 에너지 효율 설계지수(Energy Efficiency Design Index, EEDI)로 2019년 까지는 10%, 2024년까지 20%, 2030년까지 30%의 온실가스 저감을 목표로 설정하고 있다.

또한 IMO는 이산화탄소 배출 감축 방안(EEDI, SEEMP)을 강제 규정으로 채택하였으며, 국제항만협회가 환경선박 지수(ESI)를 도입하여 친환경선박에게 인센티브를 제공하는 조치를 시행하는 등 선박에서 배출되는 온실가스 저감을 위해 많은 노력들을 기울이고 있으며, 결국 이러한 환경규제와 고유가로 인하여 친환경 수송 수단의 수요가 증가할 것으로 예상된다.

특히 친환경적인 개념설계에서 기존 디젤엔진에 액화천연가스(LNG)를 보조연료로 사용하는 디젤-LNG 혼소차량이 개발되고 있다.

이때 LNG를 엔진에 효율적으로 공급하기 위해서는 연료탱크 안 액상의 LNG를 기화시켜 기상의 연료로 만들어야 하며, 이를 위해, LNG 기화기를 이용하는데, 상기 기화기는 일종의 열교환기로 통상 냉각수의 폐열을 이용하여 LNG를 기화시키는 방식이 주를 이룬다. 그러나, 상기와 같은 방식은 냉간 시동 시, 냉각수의 온도가 낮아 LNG를 충분히 기화 시킬 열원이 부족하여, 엔진이 정상적으로 구동될 수 없는 단점이 있다.

따라서, 겨울철에도 초기에 LNG 엔진을 손쉽게 구동할 수 있도록 LNG를 기화시킬 수 있는 새로운 장치가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 겨울철에도 LNG 엔진의 시동을 원활하게 수행할 수 있는 LNG 엔진용 보조 열원 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, LNG를 연료로 동작하는 엔진; LNG를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크에 연통되어 LNG를 기화시키는 보조 기화기; 상기 보조 기화기에서 기화된 가스를 상기 엔진으로 안내하는 공급라인; 상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 보조 기화기와 열교환하도록 순환시키는 냉각라인; 및 상기 냉각라인에 설치되어 상기 보조 기화기로 유동하는 냉각수의 온도를 상승시키는 가열기를 포함한다.

바람직하게는, 상기 가열기는 전기식으로 배터리에 의하여 동작하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 보조 기화기와 가열기 사이의 냉각라인에 설치되는 온도센서를 더 포함하고, 상기 온도센서의 정보를 기초로 상기 가열기의 동작을 제어하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어모듈은 상기 온도센서에서 감지된 온도값이 사전에 정의된 온도 이하인 경우에만 상기 가열기를 가동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, LNG를 연료로 동작하는 엔진; LNG를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크에 연통되어 LNG를 기화시키는 보조 기화기; 상기 보조 기화기에서 기화된 가스를 상기 엔진으로 안내하는 공급라인; 상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 보조 기화기와 열교환하도록 순환시키는 냉각라인; 상기 엔진 연소에 의하여 발생하는 배기 가스를 배출하는 배기관; 및 상기 배기관과 상기 공급라인에 설치되어 배기관을 통하여 배출되는 배기가스의 열을 상기 공급라인에 유동하는 기화된 LNG 가스로 전달하는 열재생기를 포함한다.

바람직하게는, 상기 배기관은 주 배기관과 상기 주 배기관에서 분지된 후 일정 길이 후 다시 주 배기관과 결합되는 부 배기관을 포함하고, 상기 주 배기관과 부 배기관이 분지되는 분기부에 선택적으로 주 배기관 또는 부 재기관을 개방하는 제어밸브를 포함하고, 상기 열재생기는 상기 부 배기관과 공급라인에 설치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 보조 기화기 측 공급라인에 설치되어 기화된 가스의 온도를 감지하는 온도센서와 상기 온도센서의 정보를 이용하여 상기 제어밸브의 동작을 제어하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어모듈은 상기 온도센서에서 감지되는 온도값이 사전에 정의되는 온도보다 높은 경우 상기 제어밸브를 동작시켜 배기 가스가 주 배관으로 배출되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치는 연료탱크의 보조 기화기의 온도를 상승시키기 위한 엔진 블록을 순환한 냉각수를 추가적으로 가열하는 히터를 포함하여 구성되어, 냉각수 온도가 설정된 온도 이하인 경우에는 상기 히터를 구동하여 가열된 냉각수로 보조 기화기를 가열하여 엔진 시동을 수행하는 것을 특징으로 하여, 간단한 구성으로 저온 환경하에서 LNG 엔진의 시동을 원활히 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치의 제1 실시예를 나타내는 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 제1 열교환기의 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치의 제2 실시예를 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치(100)의 제1 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10), 상기 엔진(10)에 가스를 공급하는 연료탱크(20), 상기 연료탱크(20)의 LNG를 기화시키는 보조 기화기(30), 보조 기화기(30)에서 기화된 가스를 엔진(10)의 연소실로 안내하는 공급라인(35), 상기 보조 기화기(30)와 상기 엔진(10) 사이에 냉각수가 순환되는 냉각라인(40), 상기 냉각라인(40)에 접촉하여 상기 냉각라인(40)을 순환하는 냉각수(41)를 가열하는 가열기(50), 상기 가열기(50)에 전원을 공급하는 배터리(60), 상기 냉각라인(40)의 온도를 감지하는 온도센서(91)를 포함하여 상기 가열기(50)의 동작을 제어하는 제어모듈(90)을 포함하여 구성된다.

상기 엔진(10)은 디젤 엔진으로 디젤을 주연료로 사용 가능하며, 필요한 경우 LNG를 보조 연료로 사용하는 혼소형태로 운영될 수 있으나, 필요한 경우 LNG 연료만으로 동작하는 디젤 엔진일 수 있다.

물론 LNG를 연료로 사용하는 경우, LNG는 기화된 가스 형태로 상기 엔진(10)의 연소실로 공급되어 연소된다.

한편, 상기 연료탱크(20)는 내부에 LNG가 담겨져 있으며, 필요한 경우, LNG의 충전이 가능하다.

그리고 상기 연료탱크(20)는 보조 기화기(30)와 연통되어 있으며, 상기 보조 기화기(30)를 통하여 LNG가 기화되며, 기화된 가스는 공급라인(35)을 통하여 엔진(10)의 연소실로 안내된다.

또한 상기 보조 기화기(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수(41)와 열교환을 위한 제1 열교환기(31)를 포함한다.

상기 제1 열교환기(31)는 상기 보조 기화기(30) 외면을 감는 코일 형태의 배관으로 구성되나, 필요한 경우, 상호 열을 교환할 수 있는 어떤한 형태로도 구현될 수 있다.

즉, 상기 제1 열교환기(31)는 내부에 냉각수(41)가 순환하면서, 냉각수(41)의 열을 상기 보조 기화기(30)로 공급하는 역할을 한다.

따라서, 냉각수(41)의 온도가 상기 LNG보다 높은 경우, LNG는 손쉽게 기화된 후, 상기 보조 기화기(30)에서 배출되어 엔진(10)의 연소실로 공급된다.

한편, 상기 냉각라인(40)은 상기 제1 열교환기(31)를 포함하여 구성되는 것으로, 상기 엔진(10)에서 자켓 내부와 제1 열교환기(31) 사이에 냉각수(41)를 순환시켜, 상기 보조 기화기(30)를 가열시키는 역할을 한다.

이때, 초기 시동 시 냉각수(41)의 낮은 온도에 의하여 상기 보조 기화기(30) 가열이 불가한 경우, 사용되는 가열기(50)가 상기 냉각라인(40)에 배치된다.

상기 가열기(50)는 상기 냉각라인(40)과 열교환을 수행하여 내부에 유동하는 냉각수(41)를 가열하는 역할을 한다.

물론 상기 가열기(50)를 통하여 가열된 냉각수(41)는 상기 보조 기화기(30)를 가열한다.

상기 가열기(50)는 차량에 장착된 배터리(60)를 통하여 동작하며, 제어모듈(90)이 동작을 제어한다.

상기 제어모듈(90)은 상기 제1 열교환기(35)의 입출구측에 장착되는 온도센서(91)를 포함한다.

이때 상기 제어모듈(90)은 상기 가열기(50)와 연동되는 제1 열교환기(31) 입구측의 온도센서(91)의 온도에 따라 상기 가열기(50)의 동작을 제어한다.

즉, 상기 온도센서(91)가 사전에 정의된 온도(예를 들면 20℃) 이하인 경우 상기 가열기(50)를 동작시키고, 사전에 정의된 온도 이상인 경우 상기 가열기(50)의 동작을 중지하는 제어를 상기 제어모듈(90)이 수행한다.

본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치(100)는 초기 냉각수의 온도가 사전에 정의된 온도 이하인 경우 가열기(50)를 작동시켜 냉각수의 온도를 빠른 시간에 상승시켜 LNG 엔진의 가동이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 LNG 엔진용 보조 열원 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같은 제2 실시예로 구현될 수 있다.

상기 제2 실시예는 엔진(10) 배기 가스를 이용하여 LNG를 기화시키는 구성으로, 제1 실시예와 대비하여, 엔진(10) 배기관(70)과 열재생기(80)를 추가되고, 가열기(50)가 삭제된다.

또한, 온도센서(91)는 제2 열교환기(80) 전후 공급라인(35)측에 위치하여 기화된 가스의 온도를 감지하고, 배기관(70)에 제어밸브(75)가 장착된다.

상기 배기관(70)은 엔진(10) 배기구에 연결되며, 연소 후 생성되는 배기 가스를 배출하기 위한 구성으로, 주 배기관(71)과 상기 주 배기관(71)에 분지된 후 합쳐지는 보조 배기관(72)을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 주 배기관(71)과 보조 배기관(72)이 분지하는 분기부(73)에는 제어밸브(75)가 배치되며, 상기 제어밸브(75)는 제어모듈(90)에 의하여 그 동작이 제어된다.

상기 제어밸브(75)는 2-way밸브로 주 배기관(71) 또는 보조 배기관(72)이 선택적으로 연통되도록 동작한다.

즉, 상기 제어밸브(75)가 제1상태인 경우에는 엔진(10) 배기가스는 주 배기관(71)으로만 유동하고, 제2상태에서는 엔진(10) 배기 가스는 보조 배기관(72) 측으로만 유동하도록 한다. 물론 역으로도 설정 가능하다.

한편, 상기 열재생기(80)는 보조 배기관(72)과 상기 공급라인(35)과 열을 교환하는 구성이다. 즉, 보조 배기관(72)을 유동하는 배기 가스의 열을 상기 공급라인(35) 내부를 유동하는 기화 가스에 공급하기 위한 역할을 수행한다.

또한 공급라인(35) 중 열재생기(80) 전후측에는 온도센서(91)를 설치하고, 제어모듈(90)은 상기 온도센서(91) 중, 열재생기(80) 전측의 온도센서(91)의 값이 사전에 정의된 값 이상인 경우에는 냉각수(41)의 온도로 LNG를 충분히 기화시키는 것으로 판단하여, 배기가스가 주 배기관(71)으로만 유동하도록 하여 제2 열교환기(80)에 의한 가스의 온도 상승을 중지시키기 위항 상기 제어밸브(75)를 제어한다.

상기 제2실시예는 초기 엔진 시동 후, 배기 가스를 이용하여 LNG를 기화시키는 구성으로 냉각수 온도 상승 전에 신속하게 기화를 진행할 수 있어 엔진(10)의 안정적이 동작을 지속시키는 효과가 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 엔진 20: 연료탱크
30: 보조 기화기 31: 열교환기
35: 공급라인 40: 냉각라인
41: 냉각수 50: 가열기
60: 배터리 70: 배기관
71: 주 배기관 72: 보조 배기관
73: 분기부 74: 제어밸브
80: 열재생기 90: 제어모듈
91: 온도센서 100: 보조 열원 장치

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. LNG를 연료로 동작하는 엔진;
   LNG를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크에 연통되어 LNG를 기화시키는 보조 기화기;
   상기 보조 기화기에서 기화된 가스를 상기 엔진으로 안내하는 공급라인;
   상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 보조 기화기와 열교환하도록 순환시키는 냉각라인;
   상기 엔진 연소에 의하여 발생하는 배기 가스를 배출하는 배기관; 및
   상기 배기관과 상기 공급라인에 설치되어 배기관을 통하여 배출되는 배기가스의 열을 상기 공급라인에 유동하는 기화된 LNG 가스로 전달하는 열재생기를 포함하며,
   상기 냉각라인은 기화된 LNG를 상기 보조 기화기로부터 상기 엔진으로 제공하는 제1냉각라인과, 상기 냉각수를 상기 엔진으로부터 상기 보조 기화기로 제공하는 제2냉각라인을 포함하며,
   상기 배기관은 주 배기관과 상기 주 배기관에서 분지되어 상기 열재생기에 결합되는 복수의 부 배기관을 포함하고,
   상기 보조 기화기는 냉각수가 순환하며 열을 공급하는 제1열교환기를 포함하고,
   상기 제1열교환기는 상기 보조 기화기의 외면을 감는 코일 형태의 배관을 포함하며,
   상기 복수의 부 배기관은 상기 주 배기관에서 상기 열재생기를 향해 분지되는 제1 부 배기관과, 상기 공급라인과 열 교환된 배기가스가 상기 열재생기로부터 토출되는 제2 부 배기관을 포함하고,
   상기 주 배기관과 제1 부 배기관이 분지되는 분기부에 선택적으로 주 배기관 또는 제1 부 배기관을 개방하는 제어밸브를 포함하고,
   상기 주 배기관은 단일라인으로 형성되고,
   상기 제2 부 배기관은 상기 주 배기관과 합지되어 내부 배기가스가 상기 주 배기관의 토출구를 통해 배출되며,
   상기 열재생기는 상기 복수의 부 배기관 사이와, 상기 공급라인에 배치되는 LNG 엔진용 보조 열원 장치.
   
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서, 상기 보조 기화기 측 공급라인에 설치되어 기화된 가스의 온도를 감지하는 온도센서와 상기 온도센서의 정보를 이용하여 상기 제어밸브의 동작을 제어하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 엔진용 보조 열원 장치.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제어모듈은 상기 온도센서에서 감지되는 온도값이 사전에 정의되는 온도보다 높은 경우 상기 제어밸브를 동작시켜 배기 가스가 주 배관으로 배출되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 LNG 엔진용 보조 열원 장치.
   

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