KR102353397B1 - 선박용 내연 기관 - Google Patents

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Abstract

기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제한다.
엔진(1)은, 실린더(16)에 배치되며 휘발성을 갖는 연료를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브(30)와, 복수의 연료 분사 밸브(30)로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크(70)와, 복수의 연료 분사 밸브(30) 및 드레인 탱크(70)를 접속하는 연료 드레인관(60)과, 연료 드레인관(60)의 중간 부위에 배치되며 복수의 연료 분사 밸브(30) 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부(62)를 구비하고, 합류부(62)는 기밀상으로 구성된다.

Description

선박용 내연 기관{COMBUSTION ENGINE FOR SHIP}
여기에 개시하는 기술은 선박용 내연 기관에 관한 것이다.
예를 들어 특허문헌 1에는, 내연 기관(기관)으로부터 배출된 연료 드레인을 회수하기 위한 드레인 탱크(연료 드레인 회수 탱크)가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시되어 있는 드레인 탱크는, 3방 전환 밸브를 개재하고 내연 기관과 접속되어 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
특허문헌 1 : 일본 특허공개 평6-10785호 공보
그런데, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 드레인 탱크는, 관상 부재(이른바 연료 드레인관)를 개재하고 연료 분사 밸브와 접속되게 된다. 여기서, 선박용 내연 기관과 같이, 1개의 실린더에 복수의 연료 분사 밸브를 구비한 구성으로 한 경우에는, 연료 드레인관 중간에 깔때기 형상의 호퍼(hopper)를 배치함으로써, 각 연료 분사 밸브로부터 배출되는 연료 드레인을 집합시키는 것을 생각할 수 있다. 이러한 호퍼는, 연료 드레인의 배출 상황을 육안으로 확인하기 위하여, 대기 개방시킨 구성으로 하는 것이 일반적이었다.
그러나, 예를 들어 암모니아와 같이, 상온 상압 하에서 휘발되어 버리는 식의 연료를 사용한 경우, 대기 개방된 호퍼를 이용하는 것은, 기화된 연료가 기관실 내로 확산될 우려가 있었다.
여기에 개시하는 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제하는 데 있다.
구체적으로, 본 개시는 선박용 내연 기관에 관한 것이다. 이 선박용 내연 기관은, 실린더에 배치되며 휘발성을 갖는 연료를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브와, 상기 복수의 연료 분사 밸브로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크와, 상기 복수의 연료 분사 밸브 및 드레인 탱크를 접속하는 연료 드레인관과, 상기 연료 드레인관의 중간 부위에 배치되며 상기 복수의 연료 분사 밸브 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부를 구비하고, 상기 합류부는, 기밀상으로 구성된다.
여기서, "연료가 휘발성은 갖는 것"이란, 그 연료의 적어도 일부가, 상온 상압 하에서 증발할 수 있음을 의미한다. 그리고, "상온"이란, 일본 공업 규격(Japanese Industrial Standards：JIS)에서 규정되어 있는 바와 같이, 20±15
Figure 112020063438437-pat00001
범위 내의 온도를 의미한다. 또한, "상압"이란, 표준 대기압(1013.25hPa) 부근의 압력을 의미한다.
상기 구성에 의하면, 복수의 연료 분사 밸브 각각으로부터 배출된 연료 드레인은 합류부에서 합류한다. 이 합류부를 기밀상으로 구성함으로써, 선박용 내연 기관이 설치된 기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 합류부는, 연료 드레인용 호퍼로 이루어져도 된다.
본 구성에 의하면, 기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제하는데 있어서 유리해진다.
또한, 상기 휘발성을 갖는 연료는 수용성을 갖고, 상기 드레인 탱크에는 미리 물이 저류되어도 된다.
여기서, "연료가 수용성은 갖는 것"이란, 그 연료의 적어도 일부가, 상온 상압 하에서 물에 용해될 수 있음을 의미한다.
상기 구성에 의하면, 연료 드레인관을 개재하고 드레인 탱크에 공급된 연료 드레인(특히, 수용성을 갖는 연료를 포함한 연료 드레인)은, 드레인 탱크에 저류된 물에 녹게 된다. 이로써, 공기 중으로 연료가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 복수의 연료 분사 밸브는, 적어도, 디젤 연료로 이루어지는 제 1 연료와, 상기 휘발성을 갖는 연료로 이루어지는 제 2 연료를 층상 분사하고, 상기 드레인 탱크에는 유수 분리 탱크가 접속되어도 된다.
본 구성에 의하면, 연료 드레인과 물의 혼합물을, 제 2 연료가 녹은 수분과, 제 1 연료로 이루어지는 유분으로 분리할 수 있다. 이로써, 제 1 연료 및 제 2 연료를 따로따로 재이용하거나, 적어도 한쪽을 소각 처리할 수 있다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 휘발성을 갖는 연료를 소각하는 보일러와, 상기 보일러 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 1 기화 연료 공급관을 구비하여도 된다.
본 구성에 의하면, 드레인 탱크에 공급된 연료 드레인 중, 기화되어버린 연료(휘발성을 갖는 연료)를 보일러에 공급할 수 있다. 이로써, 연료를 소각 처리할 수 있다.
추가로, 드레인 탱크로부터 가스를 배출시킴으로써, 탱크 내의 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이는, 드레인 탱크로 연료 드레인을 원활하게 도입하는 데 있어서 유효하다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 공기를 압축하는 컴프레서 및 당해 컴프레서를 구동하는 터빈으로 이루어지고, 상기 컴프레서에 의해 압축된 공기를 상기 실린더에 공급하는 과급기와, 상기 컴프레서 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 2 기화 연료 공급관을 구비하여도 된다.
본 구성에 의하면, 드레인 탱크에 공급된 연료 드레인 중, 기화되어버린 연료(휘발성을 갖는 연료)를 컴프레서에 공급할 수 있다. 이로써, 과급기를 개재하고 연료를 실린더로 공급하고, 그 실린더 내에서의 연소에 재이용할 수 있다.
추가로, 드레인 탱크로부터 가스를 배출시킴으로써, 탱크 내의 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이는, 드레인 탱크로 연료 드레인을 원활하게 도입하는 데 있어서 유효하다.
추가로, 연료 분사 밸브로부터 연료 드레인이 배출되는 것은, 기본적으로는, 선박용 내연 기관이 운전되고 있는 도중이므로, 그 도중에 과급기를 개재하고 실린더로 연료(휘발성을 갖는 연료)를 공급함으로써, 그 연료를 효율적인 타이밍으로 재이용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 선박용 내연 기관에 의하면, 기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은, 선박용 내연 기관의 구성을 예시하는 모식도이다.
도 2는, 드레인 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 3은, 드레인 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 제 2 실시형태에 따른 드레인 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 5는, 제 2 실시형태에 따른 드레인 시스템의 변형예를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 여기서, 이하의 설명은 예시이다. 또한, 이하의 기재에서는, 제 1 및 제 2 실시형태와, 각 실시형태의 변형예에 대하여 설명하나, 각 실시형태 및 변형예끼리 동일하거나 또는 유사한 요소에 대해서는 공통의 부호를 붙이고, 반복 설명하지 않는다.
<제 1 실시형태>
도 1은 선박용 내연 기관(1)의 구성을 예시하는 모식도이고, 도 2는 드레인 시스템(100)을 예시하는 도면이다. 이하, 선박용 내연 기관(1)을 단순히 "엔진(1)"이라고 한다.
엔진(1)은, 복수의 실린더(16)를 구비한 직렬 다기통식 디젤 엔진이다. 이 엔진(1)은, 단류소기식을 채용한 2행정 1사이클 기관으로서 구성되고, 유조선, 컨테이너 선박, 자동차 운반선 등, 대형 선박에 탑재된다.
선박에 탑재된 엔진(1)은, 그 선박을 추진시키기 위한 주기관으로 이용된다. 즉, 엔진(1)의 출력축은, 프로펠러축(도시하지 않음)을 개재하고 선박의 프로펠러(도시하지 않음)에 연결된다. 엔진(1)이 운전됨에 따라, 그 출력이 프로펠러에 전달되어 선박이 추진되도록 구성된다.
특히, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 그 롱 스트로크화를 실현하기 위하여, 이른바 크로스헤드식 내연 기관으로서 구성된다. 즉, 이 엔진(1)에 있어서는, 하방에서 피스톤(21)을 지지하는 피스톤봉(22)과, 크랭크 샤프트(23)에 연접되는 연접봉(24)이, 크로스헤드(25)에 의해 연결된다.
(1) 주요 구성
이하, 엔진(1)의 주요부에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)은, 하방에 위치하는 밑판(11)과, 밑판(11) 상에 배치되는 프레임(12)과, 프레임(12) 상에 배치되는 실린더재킷(13)을 구비한다. 밑판(11), 프레임(12), 및 실린더재킷(13)은, 상하 방향으로 연장되는 복수의 타이 볼트 및 너트에 의해 체결된다. 엔진(1)은 또한, 실린더재킷(13) 내에 배치되는 실린더(16)와, 실린더(16) 내에 배치되는 피스톤(21)과, 피스톤(21)의 왕복 운동에 연동되어 회전하는 출력축(예를 들어 크랭크 샤프트(23))을 구비한다.
밑판(11)은, 엔진(1)의 크랭크케이스를 구성하는 것이고, 크랭크 샤프트(23)와, 크랭크 샤프트(23)를 회전 자유롭게 지지하는 베어링(26)을 수용한다. 크랭크 샤프트(23)에는, 크랭크(27)를 개재하고 연접봉(24)의 하측 끝단부가 연결된다.
프레임(12)은, 한쌍의 가이드판(28), 연접봉(24), 및 크로스헤드(25)를 수용한다. 이 중, 한쌍의 가이드판(28)은, 피스톤 축 방향을 따라 배치된 한쌍의 판형 부재로 이루어지고, 엔진(1)의 폭 방향(도 1의 도면 좌우 방향)으로 간격을 두고 배치된다. 연접봉(24)은, 그 하측 끝단부가 크랭크 샤프트(23)에 연결된 상태로, 한쌍의 가이드판(28) 사이에 배치된다. 연접봉(24)의 상측 끝단부는, 크로스헤드(25)를 개재하고 피스톤봉(22)의 하측 끝단부에 연결된다.
구체적으로, 크로스헤드(25)는, 한쌍의 가이드판(28) 사이에 배치되고, 각 가이드판(28)을 따라 상하 방향으로 슬라이딩한다. 즉, 한쌍의 가이드판(28)은, 크로스헤드(25)의 슬라이딩을 안내하도록 구성된다. 크로스헤드(25)는, 크로스헤드 핀(29)을 개재하고 피스톤봉(22) 및 연접봉(24)과 접속된다. 크로스헤드 핀(29)은, 피스톤봉(22)에 대하여서는 일체적으로 상하 운동하도록 접속되는 한편, 연접봉(24)에 대하여서는 연접봉(24)의 상측 끝단부를 받침점(fulcrum)으로 연접봉(24)을 회동시키도록 접속된다.
실린더재킷(13)은, 내통으로서의 실린더 라이너(14)가 배치되어 이루어진다. 실린더 라이너(14)의 내부에는, 전술한 피스톤(21)이 배치된다. 이 피스톤(21)은, 실린더 라이너(14)의 내벽을 따라 상하 방향으로 왕복 운동한다. 또한, 실린더 라이너(14)의 상부에는 실린더 커버(15)가 고정된다. 실린더 커버(15)는, 실린더 라이너(14)와 함께 실린더(16)를 구성한다.
또한, 실린더 커버(15)에는, 도시하지 않는 밸브장치에 의해 작동되는 배기 밸브(18)가 배치된다. 배기 밸브(18)는, 실린더 라이너(14) 및 실린더 커버(15)로 구성되는 실린더(16), 그리고, 피스톤(21)의 정상면과 함께 연소실(17)을 구획한다. 배기 밸브(18)는, 그 연소실(17)과 배기관(19) 사이를 개폐하는 것이다. 배기관(19)은 연소실(17)로 통하는 배기구(도시하지 않음)를 구비하며, 배기 밸브(18)는 그 배기구(19a)를 개폐하도록 구성된다.
또한, 실린더 커버(15)는, 연소실(17)의 천장면(도시하지 않음)을 구획한다. 이 천장면에는, 복수의 연료 분사 밸브(30)가 배치된다. 이 제 1 실시형태에서는, 각 실린더(16)에, 2개의 연료 분사 밸브(30)가 배치된다(도 2를 참조). 이하, 2개의 연료 분사 밸브(30) 중 한쪽을 제 1 분사 밸브(30a)라고 호칭하고, 다른 쪽을 제 2 분사 밸브(30b)라고 호칭하는 경우가 있다. 각 연료 분사 밸브(30)는 적어도, 휘발성을 갖는 연료로 이루어지는 제 2 연료를 분사할 수 있다.
여기서, 제 2 연료로는, 예를 들어, 암모니아, 메탄올, 에탄올, 가솔린 등으로 이루어지는 연료를 이용할 수 있다. 제 1 실시형태에 따른 연료 분사 밸브(30)는, 제 2 연료로서 암모니아로 이루어지는 연료를 분사한다. 특히, 제 2 연료로서 암모니아를 이용한 경우, 그 제 2 연료는 휘발성과 더불어 수용성을 갖게 된다.
또한, 엔진(1)은, 디젤 연료 등으로 이루어지는 제 1 연료를 연료 분사 밸브(30)로 압송하는 연료 펌프(41)와, 제 1 연료가 압송되는 경로 내에 암모니아로 이루어지는 제 2 연료를 주입하는 주입 펌프(51)를 구비한다.
이와 같이 구성함으로써, 연료 분사 밸브(30)는, 연료 펌프(41)로부터 압송되는 제 1 연료와 더불어, 주입 펌프(51)에 의해 주입되는 제 2 연료를 연소실(17)로 분사할 수 있다(도 2의 F1을 참조). 예를 들어, 연료 분사 밸브(30)는, 연소실(17)에 디젤 연료와 암모니아를 공급하여 연소실(17) 내에서 연소를 발생시킨다. 이 연소에 의해, 피스톤(21)이 상하 방향으로 왕복 운동을 한다. 이때, 배기 밸브(18)가 작동하여 연소실(17)이 개방되면, 연소로 인해 발생한 배기가스가 배기관(19)으로 압출됨과 더불어, 도시하지 않는 소기포트로부터 연소실(17)로 가스가 도입된다.
또한, 연소에 의해 피스톤(21)이 왕복 운동을 하면, 피스톤(21)과 함께 피스톤봉(22)이 상하 방향으로 왕복 운동을 한다. 이로써, 피스톤봉(22)에 연결된 크로스헤드(25)가 상하 방향으로 왕복 운동을 한다. 이 크로스헤드(25)는, 연접봉(24)의 회동을 허용하도록 구성되어, 크로스헤드(25)와의 접속 부위를 받침점으로 하여 연접봉(24)을 회동시킨다. 그리고, 연접봉(24)의 하측 끝단부에 접속되는 크랭크(27)가 크랭크 운동하고, 그 크랭크 운동에 따라 크랭크 샤프트(23)가 회전한다. 이와 같이 하여, 크랭크 샤프트(23)는, 피스톤(21)의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키고, 프로펠러축과 함께 선박의 프로펠러를 회전시킨다. 이로써, 선박이 추진된다.
여기서, 연료 분사 밸브(30)에 공급된 암모니아 중 적어도 일부는, 연료 드레인으로서 연료 분사 밸브(30)로부터 배출된다. 엔진(1)은, 이러한 연료 드레인을 회수하기 위한 드레인 시스템(100)을 구비한다.
(2) 드레인 시스템에 관한 구성
이하, 드레인 시스템(100)에 관한 구성에 대하여 설명한다.
도 2에 예시하는 바와 같이, 드레인 시스템(100)은, 주요 구성 요소로서, 복수의 연료 분사 밸브(30)로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크(70)와, 복수의 연료 분사 밸브(30) 및 드레인 탱크(70)를 접속하는 연료 드레인관(60)을 구비한다. 그리고, 연료 드레인관(60)의 중간 부위에는, 복수의 연료 분사 밸브(30) 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부(62)가 배치된다.
구체적으로, 연료 드레인관(60)은, 제 1 분사 밸브(30a)에 접속된 제 1 분기관(61a)과, 제 2 분사 밸브(30b)에 접속된 제 2 분기관(61b)과, 제 1 분기관(61a) 및 제 2 분기관(61b)을 합류시키는 합류부(62)와, 이 합류부(62)에 접속된 기관측 중계관(63)을 구비한다.
여기서, 제 1 분기관(61a), 제 2 분기관(61b), 합류부(62), 및 기관측 중계관(63)은, 실린더(16)마다 1개씩 배치된다. 따라서, 예를 들어 4기통 엔진(1)이라면, 이들 부재는 4개씩 배치되게 된다. 도 2에서는, 제 1 분기관(61a), 제 2 분기관(61b), 및 합류부(62)는 1개의 실린더(16)에 대해서만 도시하고, 기관측 중계관(63)은 4개의 실린더(16)에 대하여 도시한다. 4개의 기관측 중계관(63)은 공유관(64)에서 합류하고, 탱크측 중계관(65)을 개재하고 드레인 탱크(70)에 접속되게 된다.
또한, 합류부(62)는, 연료 드레인용 호퍼로 이루어지고, 소정의 용적을 가짐과 더불어, 깔때기 형상으로 형성된다. 이 합류부(62)는, 기밀상으로 구성되게 된다.
상세하게는, 제 1 분기관(61a) 및 제 2 분기관(61b)은, 합류부(62)에 대하여 플레어리스 조인트(flareless joint)(66)를 개재하고 접속된다. 이와 같이 함으로써, 제 1 분기관(61a) 및 합류부(62)의 접속부와, 제 2 분기관(61b) 및 합류부(62)의 접속부는, 양쪽 모두 기밀상으로 패키징된다.
마찬가지로, 기관측 중계관(63)은, 합류부(62)에 대하여, 플레어리스 조인트(66)를 개재하고 접속되게 된다. 이와 같이 함으로써, 기관측 중계관(63) 및 합류부(62)의 접속부도, 기밀상으로 패키징된다.
이와 같이, 제 1 분기관(61a), 제 2 분기관(61b), 및 기관측 중계관(63)을 각각, 합류부(62)에 대하여 기밀상으로 접속함으로써, 이 합류부(62)를 기밀상으로 구성할 수 있다.
또한, 드레인 탱크(70)는, 도 2에 나타내는 예에서는, 연료 드레인관(60)에서의 탱크측 중계관(65)에 접속된 탱크 본체(71)를 구비한다. 탱크 본체(71)는, 연료 드레인관(60)으로부터 공급된 연료 드레인을 저류할 수 있다.
드레인 시스템(100)은 추가로, 드레인 탱크(70)에 접속되며 제 2 연료로서의 암모니아를 소각 처리하는 소각 시스템(80)을 구비한다. 구체적으로, 소각 시스템(80)은, 제 2 연료로서의 암모니아를 소각하는 보일러(81)와, 보일러(81) 및 탱크 본체(71)를 접속하는 제 1 기화 연료 공급관(82)과, 제 1 기화 연료 공급관(82)을 개폐하는 제 1 개폐 밸브(83)를 구비한다.
이 중, 제 1 기화 연료 공급관(82)은, 탱크 본체(71)에서의 천장 부근에 개구되어, 탱크 본체(71) 내에 공급된 암모니아 중, 휘발되어 기체가 된 암모니아를 보일러(81)로 공급할 수 있다. 보일러(81)에 공급된 암모니아는, 이 보일러(81)에서 소각 처리된다.
또한, 제 1 개폐 밸브(83)는, 탱크 본체(71)의 내압에 따라 개폐된다. 구체적으로, 탱크 본체(71)의 내압이 소정값을 초과했을 때에, 제 1 개폐 밸브(83)를 개방 상태로 한다. 이와 같이 함으로써, 기화된 암모니아를 적절히 배출할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따르면, 제 1 분사 밸브(30a)와 제 2 분사 밸브(30b)로부터 배출된 연료 드레인은, 합류부(62)에서 합류한다. 이 합류부(62)를 기밀상으로 구성함으로써, 엔진(1)이 설치된 기관실 내로 연료가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 드레인 탱크(70)의 탱크 본체(71)에 공급된 연료 드레인 중, 기화된 암모니아를 보일러(81)에 공급할 수 있다. 이로써, 암모니아로 이루어진 제 2 연료를 소각 처리할 수 있다.
추가로, 드레인 탱크(70)로부터 가스를 배출시킴으로써, 탱크 본체(71) 내의 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이는, 드레인 탱크(70)로 연료 드레인을 원활하게 도입하는 데 있어서 유효하다.
-제 1 실시형태의 변형예-
도 3은 드레인 시스템(100)의 변형예를 나타내는 개략도이다.
상기 제 1 실시형태에서는, 드레인 탱크(70)에 소각 시스템(80)을 접속한 구성에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3에 나타내는 바와 같이, 드레인 탱크(70)에 과급 시스템(90)을 접속하여도 된다.
구체적으로, 제 1 실시형태의 변형예에 따른 드레인 시스템(100)은, 엔진(1)의 작동 시에 외기를 과급하도록 구성된 과급 시스템(90)을 구비한다. 도 3에 예시되는 과급 시스템(90)은, 공기(특히, 외부로부터 도입된 외기)를 압축하는 컴프레서(92) 및 당해 컴프레서(92)를 구동하는 터빈(93)으로 이루어지고, 컴프레서(92)에 의해 압축된 공기를 실린더(16)에 공급하는 과급기(91)와, 컴프레서(92) 및 탱크 본체(71)를 접속하는 제 2 기화 연료 공급관(94)과, 제 2 기화 연료 공급관(94)을 개폐하는 제 2 개폐 밸브(95)를 구비한다.
이 중, 제 2 기화 연료 공급관(94)은, 탱크 본체(71)에서의 천장 부근에 개구되어, 탱크 본체(71)와 컴프레서(92)(구체적으로는, 컴프레서(92)의 소음기)를 상호 접속한다. 이 제 2 기화 연료 공급관(94)은, 탱크 본체(71) 내에 공급된 암모니아 중, 휘발되어 기체가 된 암모니아를 컴프레서(92)에 공급할 수 있다. 컴프레서(92)에 공급된 암모니아는, 외부로부터 도입된 공기(외기)와 함께 컴프레서(92)에서 압축되고, 실린더(16)로 공급된다.
또한, 제 2 개폐 밸브(95)는, 적어도 엔진(1)이 운전되고 있을 때에, 개방 상태로 된다. 이와 같이 함으로써, 적어도 엔진(1)이 운전되고 있는 도중에는, 탱크 본체(71)와 컴프레서(92)가 연통하게 된다.
이와 같이, 제 1 실시형태의 변형예에 따르면, 드레인 탱크(70)의 탱크 본체(71)에 공급된 연료 드레인 중, 기화되어버린 암모니아를 컴프레서(92)에 공급할 수 있다. 이로써, 과급기(91)를 개재하고 암모니아를 실린더(16)로 공급하고, 그 실린더(16) 내에서의 연소에 재이용할 수 있다.
추가로, 드레인 탱크(70)로부터 가스를 배출시킴으로써, 탱크 본체(71) 내의 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이는, 드레인 탱크(70)로 연료 드레인을 원활하게 도입하는 데 있어서 유효하다.
추가로, 연료 분사 밸브(30)로부터 연료 드레인이 배출되는 것은, 기본적으로는, 엔진(1)이 운전되고 있는 도중이므로, 그 도중에 과급기(91)를 개재하고 실린더(16)로 암모니아를 공급함으로써, 그 암모니아를 효율적인 타이밍으로 재이용할 수 있다.
<제 2 실시형태>
도 4는, 제 2 실시형태에 따른 드레인 시스템(100)을 예시하는 개략도이다.
도 4에 예시하는 바와 같이, 제 2 실시형태에 따른 연료 분사 밸브(30)는, 연료 펌프(41)에 의해 전술한 제 1 연료의 압송과 더불어, 그 제 1 연료를 압송하기 위한 경로에 대하여, 전술한 주입 펌프(51)에 의해, 휘발성을 갖는 연료(본 실시형태에서는 "암모니아")로 이루어지는 제 2 연료와 물을 주입한다. 이와 같이 함으로써, 연료 분사 밸브(30)는, 제 1 연료와 더불어, 제 2 연료와 물을 층상으로 분사할 수 있다.
여기서, 제 1 연료로는, 예를 들어, 디젤 연료, 유출유(distillate), 잔사유 등으로 이루어지는 연료를 이용할 수 있다. 제 2 실시형태에 따른 연료 분사 밸브(30)는, 제 1 연료로서 디젤 연료로 이루어지는 연료를 분사한다. 따라서, 도 4에 있어서 부호 F2로 나타낸 디젤 연료에 의해, 부호 F1로 나타낸 암모니아와 부호 W3으로 나타낸 물이 사이에 끼인 형태로, 연소실(17) 내에 연료가 분사된다.
이와 같이 구성함으로써, 연료 분사 밸브(30)는, 선두쪽부터 차례로, 디젤 연료, 암모니아, 디젤 연료, 물, 및 디젤 연료가 나열된 상태로 층상으로 분사(이른바 "층상 분사")할 수 있다. 일반적으로, 암모니아는, 디젤 연료에 비해 착화성이 떨어진다. 따라서, 암모니아와 더불어 디젤 연료를 분사함으로써, 암모니아의 착화성을 보완할 수 있다. 또한, 디젤 연료와 함께 물을 분사함으로써, 연소에 따른 NOx의 생성을 억제할 수 있다.
여기서, 제 2 실시형태에 따른 합류부(62)는, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 호퍼로 이루어지고, 플레어리스 조인트(66)를 이용하여 기밀상으로 구성된다. 이 합류부(62)는, 연료 드레인관(60)의 중간 부위에 배치되어, 각 연료 분사 밸브(30)로부터 배출되는 연료 드레인이 합류하도록 구성된다.
이 경우, 연료 드레인관(60)을 개재하고 배출되는 연료 드레인은, 제 2 연료로서의 암모니아와, 제 1 연료로서의 디젤 연료와, 층상 분사에 이용되는 물의 혼합물이 된다. 여기서, 본원 발명자들은, 제 2 연료로서의 암모니아가 수용성을 갖는 것에 착안하여, 암모니아를 포함한 연료 드레인을 물에 녹이는 것을 새롭게 창작하였다.
즉, 본 실시형태에 따른 드레인 탱크(70)에는, 미리 물(이하, "저류수"라고 호칭하고, 이에 부호 "W"를 붙임)이 저류된다. 상세하게는, 드레인 탱크(70)의 탱크 본체(71)에는 소정량의 저류수(W)가 수용되고, 연료 드레인관(60)에서의 탱크측 중계관(65)은 이 저류수(W)에 잠기도록 연장된다. 이와 같이 함으로써, 연료 드레인에 포함되는 암모니아는 저류수(W)에 녹게 된다.
여기서, 저류수(W)의 수용량에 따라서는, 암모니아가 충분히 녹지 않을 가능성이 있다.
따라서, 제 2 실시형태에 따른 드레인 탱크(70)는, 탱크 본체(71)에 접속되어 당해 탱크 본체(71)에 저류수(W)를 공급하는 급수 경로(72)와, 이 급수 경로(72)를 개폐하는 제 3 개폐 밸브(73)와, 탱크 본체(71)에서의 저류수(W)의 수위를 검출하는 레벨 센서(77)를 구비한다.
이 중, 급수 경로(72)는, 도시하지 않는 물 탱크와 접속되고, 탱크 본체(71)의 바닥부 부근에 개구된다. 또한, 제 3 개폐 밸브(73)는, 레벨 센서(77)의 검출 결과에 따라 개폐된다. 구체적으로, 저류수(W)의 수위가 "Low" 미만이 됐을 때 제 3 개폐 밸브(73)를 개방 상태로 하고, 저류수(W)의 수위가 "Middle" 이상이 됐을 때 제 3 개폐 밸브(73)를 폐쇄 상태로 한다. 이와 같이 함으로써, 저류수(W)의 수위를 소정 이상으로 유지할 수 있다.
여기서, 제 2 실시형태의 드레인 탱크(70)는, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 소각 시스템(80)과 접속된다. 이와 같이 함으로써, 저류수(W)로부터 증발된 암모니아를 적절히 배출할 수 있다.
또한, 연료 드레인에는, 암모니아와 더불어 디젤 연료와 물이 포함되므로, 이러한 연료 드레인과 섞인 저류수(W)의 수용량이, 탱크 본체(71)의 용적에 비해 과대해질 가능성이 있다.
따라서, 제 2 실시형태에 따른 드레인 탱크(70)는, 탱크 본체(71)에 접속되어 당해 탱크 본체(71)로부터 저류수(W)를 배출하는 배수 경로(74)와, 이 배수 경로(74)를 개폐하는 제 4 개폐 밸브(75)와, 배수 경로(74)를 개재하고 탱크 본체(71)에 접속된 배수 탱크(76)를 구비한다.
이 중, 배수 경로(74)는, 탱크 본체(71)와 배수 탱크(76)를 접속하고, 탱크 본체(71)의 바닥부 부근에 개구된다. 또한, 제 4 개폐 밸브(75)는, 레벨 센서(77)의 검출 결과에 따라 개폐된다. 구체적으로, 저류수(W)의 수위가 "High" 이상이 됐을 때 제 4 개폐 밸브(75)를 개방 상태로 하고, 저류수(W)의 수위가 "Middle" 미만이 됐을 때 제 4 개폐 밸브(75)를 폐쇄 상태로 한다. 이와 같이 함으로써, 저류수(W)의 수위를 소정 미만으로 유지할 수 있다.
또한, 제 2 실시형태에 따른 배수 탱크(76)는, 유수 분리 탱크로서 구성된다. 즉, 배수 탱크(76)는, 연료 드레인과 섞인 저류수(W)를, 제 1 연료로서의 디젤 연료에 기인한 유분과, 제 2 연료로서의 암모니아가 녹은 수분으로 분리한다. 이와 같이 하여 분리된 유분에 대해서는, 소각 시스템(80)으로 보내 소각 처리하거나, 연료 분사 밸브(30)로부터의 층상 분사에 재이용할 수 있다. 분리된 수분에 대해서도, 연료 분사 밸브(30)로부터의 층상 분사에 재이용할 수 있다.
이와 같이, 제 2 실시형태에 따르면, 연료 드레인관(60)을 개재하고 드레인 탱크(70)에 공급된 연료 드레인(특히, 암모니아를 포함한 연료 드레인)은, 탱크 본체(71)에 저류된 저류수(W)에 녹게 된다. 이로써, 공기 중으로 암모니아가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 유수 분리 탱크로서 구성된 배수 탱크(76)를 배치함으로써, 연료 드레인과 저류수(W)의 혼합물을, 암모니아가 녹은 수분과 디젤 연료로 이루어지는 유분으로 분리할 수 있다. 이로써, 암모니아와 디젤 연료를 따로따로 재이용하거나, 적어도 한쪽을 소각 처리할 수 있다.
-제 2 실시형태의 변형예-
도 5는, 제 2 실시형태에 따른 드레인 시스템(100)의 변형예를 나타내는 개략도이다.
상기 제 2 실시형태에서는, 드레인 탱크(70)에 소각 시스템(80)을 접속한 구성에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 이러한 구성에 한정되지 않는다. 제 1 실시형태의 변형예와 마찬가지로, 드레인 탱크(70)에 과급 시스템(90)을 접속하여도 된다(도 5를 참조).
<그 밖의 실시형태>
상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 연료 드레인용 호퍼로 이루어지는 합류부(62)를 예시하였으나, 본 개시는, 이러한 구성에 한정되지 않는다. 본 개시에 따른 합류부(62)에는, 깔때기 형상으로 형상되지 않는 부재 및 소정의 용적을 갖지 않는 부재도 포함된다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 합류부(62)를 기밀상으로 구성하기 위하여 플레어리스 조인트(66)를 이용한 구성을 예시하였으나, 본 개시는, 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 수지제 시일(seal) 부재, 금속제 메탈 시일 등을 이용하여 합류부(62)를 패키징하여도 된다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 소각 시스템(80) 및 과급 시스템(90) 중 하나를 선택하여 구비한 구성을 예시하였으나, 본 개시는, 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 소각 시스템(80) 및 과급 시스템(90)을 양쪽 모두 구비한 드레인 시스템(100)으로 하여도 된다.
1 : 엔진(선박용 내연 기관)
16 : 실린더
30 : 연료 분사 밸브
30a : 제 1 분사 밸브
30b : 제 2 분사 밸브
60 : 연료 드레인관
62 : 합류부
66 : 플레어리스 조인트
70 : 드레인 탱크
71 : 탱크 본체
76 : 배수 탱크(유수 분리 탱크)
80 : 소각 시스템
81 : 보일러
82 : 제 1 기화 연료 공급관
90 : 과급 시스템
91 : 과급기
92 : 컴프레서
93 : 터빈
94 : 제 2 기화 연료 공급관
W : 저류수(물)

Claims (8)

  1. 실린더에 배치되며, 휘발성을 갖는 연료를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브 및 드레인 탱크를 접속하는 연료 드레인관과,
    상기 연료 드레인관의 중간 부위에 배치되며, 상기 복수의 연료 분사 밸브 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부를 구비하고,
    상기 합류부는, 기밀상으로 구성되고,
    상기 휘발성을 갖는 연료는 수용성을 가지며,
    상기 드레인 탱크에는 미리 물이 저류되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 합류부는, 연료 드레인용 호퍼로 이루어지는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 분사 밸브는, 적어도, 디젤 연료로 이루어지는 제 1 연료와, 상기 휘발성을 갖는 연료로 이루어지는 제 2 연료를 층상 분사하고,
    상기 드레인 탱크에는 유수 분리 탱크가 접속되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휘발성을 갖는 연료를 소각하는 보일러와,
    상기 보일러 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 1 기화 연료 공급관을 구비하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공기를 압축하는 컴프레서 및 당해 컴프레서를 구동시키는 터빈으로 이루어지고, 상기 컴프레서에 의해 압축된 공기를 상기 실린더에 공급하는 과급기와,
    상기 컴프레서 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 2 기화 연료 공급관을 구비하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  6. 실린더에 배치되며, 휘발성을 갖는 연료를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브 및 드레인 탱크를 접속하는 연료 드레인관과,
    상기 연료 드레인관의 중간 부위에 배치되며, 상기 복수의 연료 분사 밸브 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부와,
    상기 휘발성을 갖는 연료를 소각하는 보일러와,
    상기 보일러 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 1 기화 연료 공급관을 구비하고,
    상기 합류부는, 기밀상으로 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  7. 실린더에 배치되며, 휘발성을 갖는 연료를 분사하는 복수의 연료 분사 밸브와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브로부터 배출된 연료 드레인을 저류하는 드레인 탱크와,
    상기 복수의 연료 분사 밸브 및 드레인 탱크를 접속하는 연료 드레인관과,
    상기 연료 드레인관의 중간 부위에 배치되며, 상기 복수의 연료 분사 밸브 각각으로부터 배출된 연료 드레인이 합류하는 합류부와,
    공기를 압축하는 컴프레서 및 그 컴프레서를 구동시키는 터빈으로 이루어지고, 상기 컴프레서에 의해 압축된 공기를 상기 실린더에 공급하는 과급기와,
    상기 컴프레서 및 상기 드레인 탱크를 접속하는 제 2 기화 연료 공급관을 구비하고,
    상기 합류부는, 기밀상으로 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 합류부는, 연료 드레인용 호퍼로 이루어지는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
KR1020200075094A 2019-06-24 2020-06-19 선박용 내연 기관 KR102353397B1 (ko)

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