KR102310815B1 - 선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크랭크축의 회전속도를 측정하는 단계, 상기 측정된 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하여서 실린더에 공급하고 실린더에 공급된 가스연료와 공기의 혼합물을 압축 및 연소시키는 단계, 상기 실린더에서 연소되는 혼합물의 연소압력을 측정하는 단계, 상기 연소압력으로부터 지시평균유효압력을 계산하는 단계, 상기 계산된 지시평균유효압력이 기설정된 기준지시평균유효압력범위에 속하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 오류이거나 상기 지시평균유효압력 값을 계산할 수 없으면 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 동일한지 여부를 판단하는 단계, 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 동일하면 실린더에 공급하는 가스연료의 양을 결정하는 단계, 및 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 다르면 상기 측정한 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하는 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법에 관한 것이다.

Description

선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법{Ship Engine and Method for Ship Engine}
본 발명은 선박을 효율적으로 추진시키기 위한 선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법에 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 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 실린더에서 연소된 배기가스를 배출시키기 위한 배기밸브, 실린더에서 배출되는 배기가스를 공급받는 배기리시버, 실린더의 하측에 설치되어서 실린더 내부로 공기를 공급하는 소기리시버, 실린더의 상측과 하측 사이에 설치되어서 실린더 내부에 가스연료를 공급하는 가스공급부를 포함한다. 또한, 이중연료엔진은 실린더에서 배출되는 배기가스를 이용하여 실린더에 공급되는 공기의 양을 증가시켜서 엔진의 출력을 높이는 터보차져를 포함한다. 터보차져가 압축한 공기는 소기리시버로 공급되어 실린더로 공급될 수 있다.
한편, 종래 선박은 가스모드 운전 시, 실린더의 하측에서 내부로 소기를 공급한 후 피스톤이 상측으로 이동하는 중간에 가스공급부가 실린더의 하측과 상측 사이에서 실린더로 가스연료를 공급하고, 피스톤이 상측으로 더 이동하여서 실린더에 공급된 소기와 가스연료를 압축 연소시켜 추진력을 발생시킨다.
여기서, 가스공급부가 실린더에 공급하는 가스연료의 양은 선박을 운전하는 항해사에 의해 조절된다. 예컨대, 선박의 속도를 증가시키기 위해 엔진의 부하를 높이면 실린더에 공급되는 가스연료의 양이 많아지고 상대적으로 공기의 양이 부족하게 됨으로써, 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)가 발생하여 엔진의 효율이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 선박의 속도를 감소시키기 위해 엔진의 부하를 낮추면 실린더에 공급되는 가스연료의 양이 적어지고 상대적으로 공기의 양이 많아지게 됨으로써, 실화(Misfiring)가 발생하여 엔진의 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 엔진의 부하에 따라 가스연료의 양을 신속하게 조절하여서 실린더에 공급할 수 있는 선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법이 절실히 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 엔진의 부하에 따라 가스연료의 양을 신속하게 조절하여 실린더에 공급할 수 있는 선박용 엔진 및 선박용 엔진 제어방법을 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 실린더; 상기 실린더에 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 피스톤; 상기 실린더의 하측에 설치되고 상기 실린더에 공기를 공급하기 위한 소기리시버; 상기 실린더의 측벽에 마련되어 상기 실린더에 가스연료를 공급하기 위한 가스공급부; 상기 실린더에 공급하는 가스연료의 양을 조절하도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 엔진 부하에 따라 상기 실린더에서 발생하는 연소압력, 및 상기 소기리시버의 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 실린더의 연소압력을 측정하기 위한 제3측정부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제3측정부로부터 복수번 측정된 실린더의 연소압력 정보를 제공받아서 지시평균유효압력(IMEP)을 계산하고, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 불일치한 횟수가 연속하여 N(N은 0보다 큰 정수)번 이상이면 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 엔진의 크랭크축의 회전속도를 측정하기 위한 제1측정부, 상기 소기리시버에 저장된 소기 압력을 측정하기 위한 제2측정부, 및 상기 실린더의 연소압력을 측정하기 위한 제3측정부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1측정부, 상기 제2측정부 및 상기 제3측정부로부터 각각 해당 정보를 제공받아서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 실린더에서 가스연료와 공기가 혼합되어 압축 연소됨에 따라 발생하는 배기가스를 상기 실린더로부터 배출시키기 위한 배기밸브를 포함할 수 있다. 상기 제3측정부는 상기 배기밸브가 상기 실린더를 폐쇄한 후 연료가 연소될 때 발생하는 연소압력을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 크랭크축의 회전속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하여서 실린더에 공급하고, 실린더에 공급된 가스연료와 공기의 혼합물을 압축 및 연소시키는 단계; 상기 실린더에서 연소되는 혼합물의 연소압력을 측정하는 단계; 상기 연소압력으로부터 지시평균유효압력을 계산하는 단계; 상기 계산된 지시평균유효압력이 기설정된 기준지시평균유효압력범위에 속하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 기설정된 기준지시평균유효압력범위를 벗어나면 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 동일한지 여부를 판단하는 단계; 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 동일하면 실린더에 공급하는 가스연료의 양을 결정하는 단계; 및 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 다르면 상기 측정한 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하는 단계로 복귀하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 상기 계산된 지시평균유효압력이 기설정된 기준지시평균유효압력범위에 속하면 상기 계산된 지시평균유효압력이 예측 지시평균유효압력과 동일한지 여부를 판단하는 단계; 상기 계산된 지시평균유효압력이 예측 지시평균유효압력과 동일하면 실린더에 공급하는 가스연료의 양을 결정하는 단계; 및 상기 계산된 지시평균유효압력이 예측 지시평균유효압력과 다르면 상기 측정한 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하는 단계로 복귀하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 상기 계산된 지시평균유효압력이 예측 지시평균유효압력과 동일하지 않으면 연속 불일치 횟수가 N(N은 0보다 큰 정수)번 미만인지 여부를 판단하는 단계; 상기 연속 불일치 횟수가 N번 미만이면 상기 측정한 크랭크축의 회전속도에 따라 가스연료의 양을 조절하는 단계로 복귀하는 단계; 및 상기 연속 불일치 횟수가 N번 이상이면 상기 실린더에 공급되는 소기압력이 예측 소기압력과 동일한지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 엔진 부하에 따라 연소압력 및 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 가스연료의 양을 신속하게 조절하여 실린더에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 노킹, 조기점화, 실화와 같은 이상연소가 발생하는 것을 방지하여서 엔진 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 엔진의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법의 개략적인 순서도
도 3은 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법에서 연속 불일치 횟수를 판단하는 단계를 설명하기 위한 개략적인 순서도
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 3을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 엔진 부하에 따라 실린더에서 발생하는 연소압력, 및 상기 실린더에 소기(Scavenge Air)를 공급하기 위한 소기리시버의 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 가스연료의 양을 신속하게 결정해서 실린더에 공급하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 실린더(2), 피스톤(3), 소기리시버(4), 가스공급부(5), 및 제어부(6)를 포함한다.
상기 실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 것이다. 상기 피스톤(3)은 상기 실린더(2)에 상하방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 실린더(2)의 하측에 설치되고 상기 실린더(2)에 공기를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스공급부(5)는 상기 실린더(2)의 측벽에 마련되어 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 위한 것이다. 상기 제어부(6)는 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 양을 조절하도록 상기 가스공급부(5)를 제어하기 위한 것이다. 상기 제어부(6)는 엔진 부하에 따라 상기 실린더(2)에서 발생하는 연소압력, 및 상기 소기리시버(4)의 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 엔진 부하에 따라 연소압력 및 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 가스연료의 양을 신속하게 조절하여 실린더(2)에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 노킹, 조기점화, 실화와 같은 이상연소가 발생하는 것을 방지하여서 엔진 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 배기밸브(7)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 상기 실린더(2), 상기 피스톤(3), 상기 소기리시버(4), 상기 가스공급부(5), 상기 제어부(6) 및 상기 배기밸브(7)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1을 참고하면, 실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 것이다. 상기 실린더(2)는 엔진블록(미도시)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 실린더(2)는 공기, 연료 등이 공급될 수 있는 연소실을 갖는다. 상기 연소실은 내부가 비어있는 원통형태로 형성될 수 있다. 상기 연소실과 상기 엔진블록 사이에는 실린더라이너(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 실린더(2)에는 피스톤(3)이 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예컨대, 피스톤(3)은 상기 연소실의 내부에서 Z축방향(도 1에 도시됨)을 기준으로 상하방향으로 왕복운동할 수 있다. 상기 Z축방향은 중력방향과 평행한 방향일 수 있으나, 다른 방향일 수도 있다. 상기 실린더(2)에는 가스연료를 공급하기 위한 가스공급부(5)가 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 연소실은 상기 가스공급부(5)로부터 가스연료를 공급받을 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 소기공(미도시)을 통해 소기(Scavenge Air)가 공급된 후에 상기 연소실에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 소기공은 상기 실린더(2)의 하측에서 상기 실린더(2)를 관통하여 형성된 구멍으로, 공기가 일정 압력으로 충진되어 있는 소기리시버(4)에 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 소기리시버(4)에 충진된 공기는 상기 소기공이 개방되면 상기 연소실로 공급될 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 터보차져(미도시)가 상기 연소실에서 배출되는 배기가스를 공급받아 공기를 압축하여 공급함으로써, 공기를 일정 압력으로 충진할 수 있다. 상기 연소실은 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 공기는 압축될 수 있다. 상기 피스톤(3)이 제1위치(P1, 도 1에 도시됨)에서 이동하여 제2위치(P2, 도 1에 도시됨)에 도달하면, 실린더(2)의 상측에 설치된 마이크로파일럿인젝터(미도시)가 디젤을 공급하여 압축된 가스연료를 착화시킴으로써 가스연료와 공기가 혼합된 혼합기체가 연소 및 폭발하여 피스톤(3)을 하측방향으로 이동시킬 수 있다. 상기 제1위치(P1)는 피스톤(3)이 하사점에 위치되는 경우이다. 상기 제2위치(P2)는 피스톤(3)이 상사점에 위치되는 경우이다. 이에 따라, 크랭크축(CS)를 회전시키기 위한 구동력이 발생되고, 연소실에는 배기가스가 발생될 수 있다. 따라서, 엔진의 부하는 상기 연소실의 연소압력, 및 상기 크랭크축(CS, 도 1에 도시됨)의 회전속도와 비례할 수 있다. 예컨대, 엔진의 부하가 크면 크랭크축(CS)의 회전속도가 빠르다. 엔진의 부하가 작으면 크랭크축(CS)의 회전속도가 느리다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 크랭크축(CS)의 회전속도를 측정함으로써, 엔진의 부하를 알 수 있다. 실린더(2)는 피스톤(3)이 하측방향으로 이동하면, 체적이 증가될 수 있다. 피스톤(3)이 하사점 쪽으로 이동하면, 상기 소기리시버(4)에 충진된 공기가 상기 연소실로 공급될 수 있다. 따라서, 상기 연소실에서 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스는 상기 소기리시버(4)로부터 공기가 공급됨에 따라 연소실의 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 상기 실린더(2)는 배기밸브에 의해 개방된 상태일 수 있다. 배기가스는 고온으로 인해 자연적으로 상기 연소실의 외부로 배출될 수도 있다. 배기가스는 상기 실린더(2)에 결합된 배기관을 따라 배출되어서 배기리시버(미도시)로 공급될 수 있다.
피스톤(3)은 상기 연소실에 공급된 공기 및 연료를 압축하기 위한 것이다. 상기 피스톤(3)은 상기 연소실에 이동 가능하게 설치된다. 예컨대, 피스톤(3)은 상기 연소실의 내부에서 하사점(P1)와 상사점(P2) 사이를 왕복 이동할 수 있다. 상기 피스톤(3)은 원기둥형태로 형성될 수 있으나, 상기 연소실에서 이동하면서 연료와 공기를 압축할 수 있으면 다른 형태로 형성될 수도 있다. 피스톤(3)은 구동력을 전달하는 크랭크축(CS)(미도시)에 의해 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(3)은 막대형태인 피스톤로드와 커넥팅로드를 통해 크랭크축(CS)에 연결될 수 있다. 상기 피스톤(3)은 크랭크축(CS)가 회전함에 따라 상측방향으로 이동할 수 있다. 상기 크랭크축(CS)는 터닝기어에 의해 회전될 수 있다. 피스톤(3)은 크랭크축(CS)에 의해 상측방향으로 이동하는 경우 연료 및 공기를 압축시킬 수 있다. 피스톤(3)은 상사점(P2)에서 실린더(2)에 공급된 연료 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 Z축방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 낮은 위치에 위치되는 지점이다. 상사점(P2)은 Z축방향을 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 소기리시버(4)는 상기 실린더(2)에 공기를 공급하기 위한 것이다. 상기 소기리시버(4)는 상기 터보차져로부터 압축된 공기를 공급받아서 저장할 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 실린더(2)의 하측에 설치된 소기공(미도시)을 통해 상기 실린더(2)에 연결될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 호스 또는 파이프 등을 통해 상기 실린더(2)에 연결될 수도 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 소기공이 개방되면, 상기 실린더(2)에 공기를 공급할 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 소기공이 폐쇄되면, 상기 실린더(2)에 공기를 공급할 수 없다. 상기 소기공은 상기 실린더(2)에서 이동하는 피스톤의 위치에 따라 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 소기공이 개방되면 상기 실린더(2)에 공기를 공급하여야 하므로 소정의 압력으로 공기를 저장할 수 있다. 예컨대, 상기 소기리시버(4)는 1바(bar)에서 8바(bar)의 압력으로 공기를 저장하고 있을 수 있다. 상기 소기리시버(4)는 상기 터보차져로부터 공기를 공급받으므로 상기 터보차져(4)가 압축하는 공기의 양이 적으면, 낮은 압력으로 공기를 저장하게 된다. 반대로, 상기 소기리시버(4)는 상기 터보차져가 압축하는 공기의 양이 많으면, 높은 압력으로 공기를 저장하게 된다. 상기 터보차져는 배기가스를 이용하여 공기를 압축한다. 이에 따라, 상기 소기리시버(4)는 배기가스의 압력. 즉, 엔진의 부하에 따라 저장하는 공기의 압력이 달라질 수 있다. 따라서, 상기 소기리시버(4)가 저장하는 소기압력은 상기 엔진의 부하와 밀접한 관련이 있다. 예컨대, 엔진의 부하가 낮으면. 즉, 선박의 속도가 저속이면, 실린더(2)에 공급되는 소기의 압력은 낮다. 반면, 엔진의 부하가 크면. 즉, 선박의 속도가 고속이면, 실린더(2)에 공급되는 소기의 압력은 높다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 소기리시버(4)가 저장하는 소기의 소기압력을 측정함으로써, 엔진의 부하를 알 수 있다.
상기 가스공급부(5)는 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스공급부(5)는 상기 실린더(2)의 측벽에 마련될 수 있다. 상기 실린더(2)의 측벽은 상기 실린더(2)에서 상기 피스톤(3)이 왕복이동할 수 있도록 상기 피스톤(3)을 가이드하는 벽면일 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 피스톤(3)의 상사점(P2)과 하사점(P1) 사이에 위치하도록 상기 실린더(2)에 결합될 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 실린더(2)에 가스연료와 공기를 혼합하여 공급할 수도 있다. 예컨대, 상기 가스공급부(5)는 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 상기 실린더(2)로 가스연료를 공급할 때 보조공기공급부(미도시)로부터 추가 공기를 공급받아서 함께 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 실린더(2)에 가스연료와 공기를 혼합하여 공급할 수 있으므로, 실린더(2)에 가스연료만 공급하는 경우에 비해 공기와 가스연료를 더 균일하게 혼합시켜서 노킹, 조기점화와 같은 이상연소가 발생하는 것을 줄이거나 방지할 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 소기공을 통해 상기 실린더(2)에 공기가 공급된 후에 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 선박이 LNG선일 경우, 가스저장탱크(미도시)에 저장된 LNG를 기화시켜서 상기 실린더(2)에 공급할 수 있다. 상기 가스공급부(5)는 가스저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil off gas)를 상기 실린더(2)에 공급할 수도 있다.
배기밸브(7)는 Y축 방향을 기준으로 실린더(2)에 이동 가능하게 결합될 수 있다. 배기밸브(7)는 실린더(2)의 상측에 위치하도록 상기 실린더(2)에 결합될 수 있다. 배기밸브(7)는 연료와 공기가 연소됨에 따라 발생하는 배기가스가 실린더(2)로부터 배출되도록 실린더(2)를 개폐하기 위한 것이다. 배기밸브(7)는 유선통신 및 무선통신 중 적어도 하나의 방법으로 제어부(6)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 배기밸브(7)는 제어부(6)에 의해 이동됨으로써 실린더(2)를 개폐할 수 있다. 예컨대, 배기밸브(7)는 제어부(6)에 의해 하측방향으로 이동됨으로써, 실린더(2)와 배기관을 연통시킬 수 있다. 이에 따라, 배기밸브(7)는 실린더(2)를 개방할 수 있다. 이 경우, 배기가스는 고온으로 인해 자연적으로 배기관을 통해 외부로 배출되거나 실린더(2)의 내부로 소기가 공급되면 소기의 압력에 의해 인위적으로 배기관을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기밸브(7)는 제어부(6)에 의해 상측방향으로 이동됨으로써, 실린더(2)와 배기관을 차단시킬 수 있다. 이에 따라, 배기밸브(7)는 실린더(2)를 폐쇄할 수 있다. 배기밸브(7)가 실린더(2)를 폐쇄하고 피스톤(3)이 상사점 쪽으로 이동하면 실린더(2)에 가스연료가 공급되고, 피스톤(3)이 상사점 쪽으로 더 이동하면 공급된 가스연료와 소기가 압축될 수 있다.
상기 제어부(6)는 상기 가스공급부(5)를 제어하기 위한 것이다. 상기 제어부(6)가 상기 가스공급부(5)를 제어함에 따라 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양이 달라질 수 있다. 상기 제어부(6)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 가스공급부(5)에 연결됨으로써, 상기 가스공급부(5)를 제어할 수 있다. 상기 제어부(6)는 상기 배기밸브(7)가 실린더(2)를 폐쇄한 후에 실린더(2)에 가스연료가 공급되도록 배기밸브(7), 및 상기 가스공급부(5)가 갖는 가스연료공급밸브(미도시)를 제어할 수 있다. 상기 제어부(6)는 엔진 부하에 따라 상기 실린더(2)에 공급된 연료 연소 시 발생하는 연소압력, 및 상기 소기리시버(4)가 저장하고 있는 소기의 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 제1측정부(8), 제2측정부(9) 및 제3측정부(10)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1측정부(8)는 크랭크축(CS)의 회전속도를 측정하기 위한 것이다. 상기 제1측정부(3)는 상기 크랭크축(CS)의 플라이휠에 설치되어서 상기 플라이휠의 회전속도를 측정함으로써, 상기 크랭크축(CS)의 회전속도를 측정할 수 있다. 상기 제1측정부(8)는 가버너(Governor)일 수 있다. 상기 제1측정부(8)는 1개일 수 있으나, 상기 크랭크축(CS)의 회전속도 값에 대한 신뢰성을 높이기 위해 복수개가 상기 크랭크축(CS)의 서로 다른 위치에 설치될 수 있다. 상기 제1측정부(8)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 제어부(6)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제1측정부(8)는 측정한 크랭크축(CS)의 회전속도 정보를 상기 제어부(6)에 제공할 수 있다.
상기 제2측정부(9)는 상기 소기리시버(4)에 저장된 소기의 소기압력을 측정하기 위한 것이다. 상기 제2측정부(9)는 상기 소기리시버(4)의 내부, 외부, 또는 내외부에 걸치도록 설치되어서 상기 소기리시버(4)에 저장된 소기의 소기압력을 측정할 수 있다. 상기 제2측정부(9)는 압력센서일 수 있다. 상기 제2측정부(9)는 1개일 수 있으나, 상기 소기리시버(4)에 저장된 소기압력에 대한 신뢰성을 높이기 위해 복수개가 상기 소기리시버(4)의 서로 다른 위치에 설치될 수 있다. 상기 제2측정부(9)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 제어부(6)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제2측정부(9)는 측정한 소기압력 정보를 상기 제어부(6)에 제공할 수 있다.
상기 제3측정부(10)는 상기 실린더(2)에서 연료의 연소 시 발생하는 연소압력을 측정하기 위한 것이다. 상기 제3측정부(10)는 상기 실린더의 상측에 결합되는 실린더커버에 설치되어서 상기 실린더의 내부. 즉, 연소실에서 연료 연소 시 발생하는 연소압력을 측정할 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 압력센서일 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 상기 배기밸브(7)가 상기 실린더(2)를 폐쇄한 후 상기 피스톤(3)이 상사점(P2) 쪽으로 이동하면 실린더(2)에 가스연료가 공급되고, 피스톤(3)이 상사점(P2) 쪽으로 더 이동하면 공급된 가스연료와 소기가 압축 연소됨에 따라 발생하는 연소압력을 측정할 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 1개일 수 있으나, 상기 연소압력에 대한 신뢰성을 높이기 위해 복수개가 실린더커버, 실린더라이너 등 서로 다른 위치에 설치될 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 상기 제어부(6)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제3측정부(10)는 측정한 연소압력 정보를 상기 제어부(6)에 제공할 수 있다.
상기 제어부(6)는 상기 제1측정부(8), 상기 제2측정부(9) 및 상기 제3측정부(10)로부터 각각 해당정보를 제공받아서 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 상기 해당정보는 상기 제1측정부(8)가 측정한 크랭크축(CS)의 회전속도 값, 기 제2측정부(9)가 측정한 소기리시버(4)의 소기압력 값, 및 상기 제3측정부(10)가 측정한 실린더(2)의 연소압력 값일 수 있다. 상기 제어부(6)는 아래와 같은 제어방법으로 엔진의 부하에 따라 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 엔진 부하에 따라 연소압력 및 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 가스연료의 양을 신속하게 조절하여 실린더에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 노킹, 조기점화, 실화와 같은 이상연소가 발생하는 것을 방지하여서 엔진 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 엔진 부하는 상기 제1측정부(8)가 측정한 크랭크축(CS)의 회전속도로부터 알 수 있다.
상기 제어부(6)는 상기 제3측정부(10)로부터 복수번 측정된 실린더(2)의 연소압력 정보를 제공받아서 지시평균유효압력(IMEP)을 계산하고, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 불일치한 횟수가 연속하여 N(N은 0보다 큰 정수)번 이상이면 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 예컨대, 상기 N은 4일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 불일치 횟수가 4번 미만이면 상기 계산된 지시평균유효압력 값과 예측된 지시평균유효압력 값이 동일한지 여부를 다시 판단하고, 상기 불일치 횟수가 4번째이면 상기 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 불일치한 횟수가 연속하여 4번 이상이면, 상기 소기리시버(4)의 소기압력 값을 이용하여 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있으므로, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 동일한지 여부에 대한 판단 과정을 무한정 반복하는 것을 방지하여서 상기 실린더(2)에 공급하는 연료공급량을 신속하게 결정할 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 제어부(6)는 상기 불일치 횟수가 5번이면 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 동일한지 여부를 다시 판단하지 않고 항해사와 같은 작업자에게 알릴 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(5)는 불일치 횟수가 5번이면 상기 동일 여부 판단을 중지하고 디스플레이장치를 통해 상기 실린더(2)에 공급하는 연료공급량 결정에 대한 오류발생을 표시하거나 경보장치 등을 통해 알람을 울림으로써 상기 오류발생을 작업자에게 알릴 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법의 개략적인 순서도, 도 3은 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법에서 연속 불일치 횟수를 판단하는 단계를 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 상술한 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)에 의해 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 다음과 같은 구성을 포함한다.
우선, 크랭크축(CS)의 회전속도를 측정한다(S100). 이러한 단계(S100)는 제1측정부(8)가 크랭크축(CS) 플라이휠의 회전속도를 측정함으로써 이루어질 수 있다. 상기 제1측정부(8)는 측정한 크랭크축(CS)의 회전속도 정보를 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 제어부(6)에 제공할 수 있다.
다음, 연료를 가감하여 실린더(2)에 주입하고, 실린더(2)에 주입된 연료와 공기의 혼합물을 압축한다(S200). 이러한 단계(S200)는 가스공급부(5)가 제어부(6)의 제어에 따라 실린더(2)에 공급하는 연료의 양을 조절해서 공급하고, 피스톤(3)이 상측방향으로 이동하여서 주입된 연료와 공기를 압축함으로써 이루어질 수 있다. 상기 제어부(6)는 후술할 단계들을 통해 엔진의 부하에 따라 상기 가스공급부(5)가 실린더(2)에 공급하는 연료의 양을 결정할 수 있다.
다음, 실린더(2)의 연소압력을 측정한다(S300). 이러한 단계(S300)는 제3측정부(10)가 상기 실린더(2)에 주입된 연료와 공기가 압축 연소될 때의 압력을 측정함으로써 이루어질 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 측정한 연소압력 정보를 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 제어부(6)에 제공할 수 있다.
다음, 지시평균유효압력(IMEP)를 계산한다(S400). 이러한 단계(S400)는 상기 제어부(6)가 상기 제3측정부(10)로부터 제공받은 실린더(2)의 연소압력 정보로부터 도출할 수 있다. 상기 제3측정부(10)는 1개의 실린더(2)에서 연소압력을 복수번 측정하여서 상기 제어부(6)에 제공할 수 있다. 상기 제어부(6)는 상기 제3측정부(10)로부터 제공받은 연소압력들을 평균함으로써 지시평균유효압력(IMEP)를 계산할 수 있다.
다음, 계산된 지시평균유효압력 값이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내인지 판단한다(S500). 이러한 단계(S500)는 상기 제어부(6)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 기준지시평균유효압력범위는 노킹, 조기점화, 실화 등 이상연소가 발생하지 않거나 최소화되는 지시평균유효압력범위로, 최소 지시평균유효압력값과 최대 지시평균유효압력값을 가진다. 상기 기준지시평균유효압력범위는 작업자에 의해 미리 설정될 수 있다.
다음, 계산된 지시평균유효압력 값이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내이면, 계산된 지시평균유효압력 값이 예측 지시평균유효압력 값과 동일한지 판단한다(S600). 이러한 단계(S600)는 상기 제어부(6)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 예측 지시평균유효압력 값은 엔진 초기 테스트 시 도출된 값으로 작업자에 의해 미리 설정될 수 있다.
다음, 계산된 지시평균유효압력 값이 예측 지시평균유효압력 값과 동일하면, 실린더(2)에 공급되는 연료의 양을 결정한다(S700). 이러한 단계(S700)는 상기 제어부(6)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 제어부(6)는 실리더(2)에 공급되는 연료의 양이 결정되면 상기 결정된 양으로 실린더(2)에 연료를 공급하도록 상기 가스공급부(5)를 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 상기 크랭크축(CS)의 회전속도 및 상기 실린더(2)의 연소압력을 이용하여 상기 실린더(2)에 공급하는 연료의 양을 조절할 수 있으므로, 노킹, 조기점화, 실화 등과 같은 이상연소가 발생하는 줄이거나 방지하여서 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
다음, 계산된 지시평균유효압력 값이 예측 지시평균유효압력 값과 동일하지 않으면(S600), 상기 가스공급부(5)가 실린더(2)에 연료를 주입하는 단계(S200)로 복귀하여서 상기 단계(S300, S400, S500)들을 재수행한다.
다음, 계산된 지시평균유효압력 값이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내인지 판단하는 단계(S500)에서 계산된 지시평균유효압력 값이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내에 속하지 않으면, 소기리시버(4)의 소기압력 값이 예측 소기압력 값과 동일한지 판단한다(S510). 이러한 단계(S510)는 상기 제어부(6)가 상기 제2측정부(9)로부터 제공받은 소기리시버(4)의 소기압력 값과 예측 소기압력 값이 동일한지 여부를 판단함으로써 이루어질 수 있다. 상기 예측 소기압력 값은 엔진 초기 테스트 시 도출된 소기리시버(4)의 소기압력 값으로 작업자에 의해 미리 설정될 수 있다. 이러한 단계(S510)는 상기 제3측정부(10)가 손상 내지 파손되어서 상기 실린더(2)의 연소압력을 측정하지 못하거나 계산된 지시평균유효압력 값에 오류가 발생한 경우에 수행될 수 있다.
다음, 소기리시버(4)의 소기압력 값이 예측 소기압력 값과 동일하면(S510), 실린더(2)에 공급되는 연료의 양을 결정한다(S700). 이러한 단계(S700)는 전술한 바와 동일하다.
다음, 소기리시버(4)의 소기압력 값이 예측 소기압력 값과 동일하지 않으면(S510), 상기 가스공급부(5)가 실린더(2)에 연료를 주입하는 단계(S200)로 복귀하여서 상기 단계(S300, S400, S500)들을 재수행한다.
본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 상기 제3측정부(10)가 손상 내지 파손된 경우, 상기 제1측정부(8)가 측정한 크랭크축(CS)의 회전속도 값과 상기 제2측정부(9)가 측정한 소기리시버(4)의 소기압력 값을 이용하여 상기 실린더(2)에 공급되는 연료의 양을 결정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법에 있어서, 상기 제3측정부(10)가 측정한 연소압력과 상기 제2측정부(9)가 측정한 소기압력은 서로 백업 개념으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 엔진 부하에 따라 실린더(2)의 연소압력 및 소기리시버(4)의 소기압력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 실린더(2)에 공급하는 연료의 양을 결정하여서 실린더(2)에 신속하게 공급할 수 있으므로, 노킹, 조기점화, 실화 등과 같은 이상연소가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 공기와 연료의 혼합비인 공연비가 저하되거나 높아지는 것을 방지하여서 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 계산된 지시평균유효압력 값이 예측 지시평균유효압력 값과 연속하여 동일하지 않으면(S600), 연속하여 동일하지 않은 횟수 즉, 연속 불일치 횟수가 N번(N은 0보다 큰 정수) 미만인지 여부를 판단하는 단계(610)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 N은 4일 수 있다. 상기 단계(610)는 상기 소기리시버(4)의 소기압력 값이 예측 소기압력 값과 동일한지 판단하는 단계(S510) 이전에 수행될 수 있다. 상기 단계(S610)는 상기 제어부(6)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 연속불일치 횟수가 4번미만이면, 상기 가스공급부(5)가 실린더(2)에 연료를 주입하는 단계(S200)로 복귀하여서 상기 단계(S300, S400, S500)들을 재수행한다. 상기 연속불일치 횟수가 4번 이상이면, 상기 소기리시버(4)의 소기압력 값이 예측 소기압력 값과 동일한지 판단하는 단계(S510)를 수행한다. 이러한 과정은 작업자에 의해 강제적으로 이루어지거나 미리 설정된 제어로직에 따라 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진 제어방법은 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 불일치한 횟수가 연속하여 4번 이상이면, 상기 소기리시버(4)의 소기압력 값을 이용하여 상기 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 결정할 수 있으므로, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 동일한지 여부에 대한 판단 과정을 무한정 반복하는 것을 방지하여서 상기 실린더(2)에 공급하는 연료공급량을 신속하게 결정할 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 : 소기리시버 5 : 가스공급부
6 : 배기밸브 7 : 제어부
8 : 제1측정부 9 : 제2측정부
10 : 제3측정부

Claims (7)

  1. 연료를 연소시키기 위한 실린더;
    상기 실린더에 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 피스톤;
    상기 실린더의 하측에 설치되고 상기 실린더에 공기를 공급하기 위한 소기리시버;
    상기 실린더의 측벽에 마련되어 상기 실린더에 가스연료를 공급하기 위한 가스공급부;
    상기 실린더에 공급하는 가스연료의 양을 조절하도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 실린더의 연소압력으로 지시평균유효압력(IMEP)을 계산하고,
    계산된 지시평균유효압력값이 예측된 지시평균유효압력값과 일치하면, 상기 실린더의 연소압력을 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하며,
    계산된 지시평균유효압력값과 예측된 지시평균유효압력값과 불일치하면, 상기 실린더의 연소압력의 측정에 문제가 생긴 것으로 보고 상기 실린더의 연소압력 대신 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하며,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 지시평균유효압력이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내이면, 계산된 지시평균유효압력값이 예측된 지시평균유효압력값과 일치하는지 여부를 판단하여 상기 실린더의 연소압력 또는 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하며,
    상기 계산된 지시평균유효압력이 기설정된 기준지시평균유효압력범위 이내에 속하지 않으면, 상기 소기리시버의 소기압력값이 예측 소기압력값과 동일한지 판단하고,
    상기 소기리시버의 소기압력값이 예측 소기압력값과 일치하면, 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하며,
    상기 소기리시버의 소기압력값이 예측 소기압력값과 불일치하면, 엔진의 크랭크축의 회전속도를 이용하여 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더의 연소압력을 측정하기 위한 제3측정부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제3측정부로부터 복수번 측정된 실린더의 연소압력 정보를 제공받아서 지시평균유효압력(IMEP)을 계산하고, 상기 계산된 지시평균유효압력 값이 예측된 지시평균유효압력 값과 불일치한 횟수가 연속하여 N(N은 0보다 큰 정수)번 이상이면 상기 소기리시버의 소기압력을 이용하여서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    엔진의 크랭크축의 회전속도를 측정하기 위한 제1측정부;
    상기 소기리시버에 저장된 소기 압력을 측정하기 위한 제2측정부; 및
    상기 실린더의 연소압력을 측정하기 위한 제3측정부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1측정부, 상기 제2측정부 및 상기 제3측정부로부터 각각 해당 정보를 제공받아서 상기 실린더에 공급되는 가스연료의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실린더에서 가스연료와 공기가 혼합되어 압축 연소됨에 따라 발생하는 배기가스를 상기 실린더로부터 배출시키기 위한 배기밸브를 포함하고,
    상기 제3측정부는 상기 배기밸브가 상기 실린더를 폐쇄한 후 연료가 연소될 때 발생하는 연소압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
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