KR20010088908A - 듀얼연료용 디젤엔진 - Google Patents

Abstract

경유와 유기성폐기물의 혐기성발효로부터 발생하는 바이오가스를 연료로서 사용하며, 듀얼연료의 공급에 있어서 간단한 제어법으로 안정적인 고효율운전을 가능하게 하는 듀얼연료용 디젤엔진을 제공함.

Description

듀얼연료용 디젤엔진 {Diesel Engine using Dual Fuel}

본 발명은 듀얼연료용 디젤엔진에 관한 것으로, 정확하게는 경유와 유기성 폐기물의 혐기성발효에 의해 발생하는 바이오가스를 연료로 사용하여 고효율운전이 가능한 듀얼연료용 디젤엔진에 관한 것이다.

가축분뇨, 음식물쓰레기 등의 유기성폐기물을 혐기성 발효시킬 때 발생하는 메탄가스등의 바이오가스를 유용하게 이용하는 방법으로, 발전기 구동용 디젤 또는 가스엔진의 연료로서 사용하는 시스템 등이 있다. 그러나 유기성 폐기물로부터 발생하는 바이오가스는 그 성분 중 메탄가스성분의 변화 폭이 크며, 연료로서 이용할경우 엔진에 공급하기 전 바이오가스중의 메탄농도를 미리 조절한다던지, 바이오가스와 경유의 공급량을 동시에 제어하는 복잡한 제어법을 사용하지 않으면 엔진을 안정적으로 운전하기에는 많은 문제점이 있다.

또한 2종류의 연료를 사용하는 듀얼연료용 디젤엔진에서는 저 부하에서 성능이 저하되는 특성이 있으며, 이를 피하기 위해서는 고부하상태에서만 시스템을 가동하지 않으면 안된다. 그러나 저부하에서도 운전을 지속해야 할 필요가 있으며, 저부하상태에서는 실린더내의 혼합가스온도가 낮게 되므로 이 때 바이오가스중의 메탄가스는 연소효율이 떨어지기 때문에 연소되지 않은 메탄가스가 배기가스중에 다량으로 잔존하게 되며 대기중으로 방출되는 문제가 있다.

본 발명의 주목적으로는 경유와 유기성 폐기물의 혐기성 발효로부터 발생하는 바이오가스를 연료로 사용할 경우, 간단한 연료공급의 제어법으로 안정적인 고효율운전을 가능하게 하는 듀얼연료용 디젤엔진을 제공하는 것이다.

상기 제 1의 목적을 달성하는 본 발명의 듀얼연료용 디젤엔진은 주연료인 경유 또는 등유와 유기성 폐기물의 혐기성 발효로부터 발생하는 바이오가스를 연료로서 운전하는 듀얼연료용 디젤엔진에서 엔진의 흡기관에 바이오가스 공급관을 연결하여 공기와 바이오가스의 혼합기체를 디젤엔진의 연소실에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

공기를 흡입하는 흡기관에 바이오가스의 공급관을 연결하는 단순한방법으로, 바이오가스 분사장치 등의 바이오가스 공급용으로 별도의 특별한 시스템을 필요로 하지 않으며, 간단한 개조만으로 바이오가스를 공급하는 것이 가능하다.

또한 바이오가스 공급용 유량조절밸브의 개폐정도를 일정하게 하고 경유의 공급량을 조절하는 것만으로 디젤엔진의 회전수를 일정하게 제어하는 시스템으로 구성하므로 시스템을 더욱 안정적으로 운전하는 것이 가능하다.

그리고 상기 제2의 목적은 전술한 주요구성에 첨가하여 인터쿨러를 사용하지않는 터보챠저로 과급을 하기때문에 혼합기체의 온도를 낮추지않고 바이오가스의 연소를 촉진시키는 것이 가능하며, 시스템의 성능향상과 배기가스중의 미연소 바이오가스의 함유량을 저하시키는 것이 가능하다.

또한, 디젤엔진의 배기가스계에 배기열교환기를 설치할 경우, 열교환기내에서 배기가스를 재연소 시키기 때문에 배기가스중에 잔존하는 미연소 바이오가스성분을 더욱 저감 시키며, 지구온난화가스인 메탄의 배출량을 줄이는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시형태에서 듀얼연료용 디젤엔진을 나타낸 개략도

도 2는 본 발명의 듀얼연료용 디젤엔진에서 사용하는 배기열교환기를 나타낸 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 디젤엔진

2. 발전기

3. 회전수측정기

3-1. 가버너 제어용 마이콤셋트

4. 전자식 가버너

5. 경유공급계

6. 경유분사계

7. 경유분사노즐

8. 흡기관

9. 바이오가스공급관

10. 유량조절밸브

13. 터보챠저(과급기)

14. 혼합기 흡입관

15. 배기계 1

16. 배기계 2

17. 냉각수계

18. 배기열교환기

22. 열부하

29. 배기관

30. 머플러

31. 배기가스

도 1은 본 발명의 듀얼연료용 디젤엔진을 장비한 코제네레이션 시스템장치(발전장치)를 예시한 것이다.

도 1에서 디젤엔진(1)에 발전기(2)가 연결되어, 엔진의 회전구동에 의해 발전하는 방식으로 되어있다.

디젤엔진(1)은 실선으로 표시된 연료와 공기흡입계의 흡기관(8)으로 부터 공기가, 바이오가스공급관(9)으로부터 바이오가스가, 그리고 경유공급계(5)로부터 경유가 각각 공급되도록 되어있다.

본 발명에서 보조연료로서 사용되는 바이오가스는 가축분뇨, 음식물쓰레기 등의 유기성폐기물을 혐기성 발효시킬때 발생하는 메탄가스등을 함유한 가스이며, 바이오가스 플랜트로부터 공급된다. 바이오가스를 발생시키는 유기성폐기물, 즉 가축분뇨나 음식물쓰레기 등은 그 성분조성이 일정하지않기 때문에 혐기성 발효로부터 발생하는 바이오가스는 발생량이나 메탄함유량의 변동폭이 크다.

상기 바이오가스를 공급하는 바이오가스공급관(9)은 흡기관(8)의 도중에 연결되어 바이오가스 공급관(9)으로부터 공급된 바이오가스가 흡기관(8)에 흡입되어 공기와 혼합되도록 구성되어있다. 흡기관(8)과 바이오가스공급관(9)의 연결은 흡기관(8)에 파이프연결용 입구를 만들어 바이오가스공급관(9)을 접합 시키는 것만으로 개조가 완료된다. 바이오가스의 공급량은 유량조절밸브(10)의 개폐정도에 따라 조절된다.

유량조절밸브(10)의 개폐정도는 디젤엔진(1)의 운전이 가능한 최대량이 되도록 일정하게 고정한다. 이렇게 함으로 바이오가스는 엔진운전이 가능한 최대한의 공급량을 유지하는 것이 가능하다. 바이오가스 발생량의 변동에 따라 바이오가스의 공급량이 감소된 경우에는 감량 된 그대로 흡입관(8)에 흡입된다. 그러나 경유공급계(5)에는 후술하는 바와 같이 디젤엔진(1)의 회전수가 항상 일정하게 유지되도록 경유의 공급량을 제어하도록 되어있기 때문에 바이오가스의 공급계는 공급량의 변동에 관계없이 상기와 같이 유량조절밸브(10)의 개폐정도를 일정하게 설정하는 것만으로 특별한 제어를 필요로 하지 않는다. 이렇게 바이오가스공급용의 설비는 복잡한 장치를 필요로 하지 않는다.

경유공급계(5)는 전자식 가버너 또는 기계식 가버너(4)에 의해 유량이 제어되며, 경유분사계(6)를 통과하여 경유분사노즐(7)에서 디젤엔진(1)으로 공급된다. 전자식(기계식) 가버너(4)는 디젤엔진(1)의 부하변동에 따라 엔진과 발전기가 항상 일정회전수를 유지하도록 자동적으로 연료의 공급량을 조절하는 장치이다.

이러한 자동제어장치는 디젤엔진(1)의 회전축에 설치되어 있는 회전수측정기(3)에서 엔진의 회전수를 측정하며, 전자식가버너 제어용 마이콤셋트(3-1)에서 이미 측정한 회전수로부터 설정회전수와의 차로 제어용 신호값을 계산하고, 얻어진 제어신호를 전자식가버너(4)로 전송하고, 전자식가버너(4)의 작동에 의해 엔진회전수를 일정하게 유지하도록 경유공급량이 제어된다. 이 때 회전수 대신에 전압 이나 주파수를 제어용 입력 신호값으로 사용할 수 도 있다. 기계식 가버너의 경우는 엔진회전축으로부터의 회전력을 이용하는 조속기 등의 방식으로 경유의 분사량을 제어한다. 이 때 전체적으로 엔진에 공급된 연료의 100%가 경유라 하더라도 관계없다. 즉, 바이오가스가 생산되지 않을 경우도 경유만으로 시스템을 운전하는 것이 가능하며, 별도의 제어를 필요로 하지 않는다. 이렇게 디젤엔진(1)의 회전수를 일정하게 유지함으로 발전기(2)의 안정적인 발전출력이 가능하게 된다.

유량조절밸브(10)의 개폐정도는 일정하게 설정한 상태로 하며, 디젤엔진(1)의 회전수가 일정하도록 경유의 공급량을 변화시키는 제어법을 채택함으로 바이오가스의 발생량이나 바이오가스중의 메탄농도가 변화해도 시스템의 운전 또는 성능에 큰 영향 없이 안정적인 듀얼연료용 디젤엔진의 운전이 가능하게 된다.

도1에서 점선으로 표시한 디젤엔진(1)의 배기계에서 배기가스는 배기계(15)를 통과하여 인터쿨러를 장착하지않은 터보챠저(13)에 공급되어 터보챠저내의 터빈(13-1)을 회전시킨 후 배출된다. 배기가스의 일부는 배기계(16)로부터 분기되어진 배기가스재순환계(11)를 통과하며, 이 때 재순환배기가스조절용 밸브(12)의 개폐정도에 따라 유량이 조절되어 흡기관(8)에 공급된다. 이러한 배기가스를 재 공급하는 것으로 배기가스중에 연소되지 않은 바이오가스의 농도를 저감 시키는 것이 가능하다. 또한, 배기가스가 흡기관(8)에 흡입되어 바이오가스와 공기혼합기의 온도를 상승시키기 때문에 바이오가스의 연소효율이 향상되며, 시스템의 연료소비율을 절감시키는 것이 가능하다. 그러나 NOx로 인한 법적규제가 강한 지역에서는 인터쿨러를 장착하여 NOx배출량을 감축할 수 있다..

터보챠저(13)는 상기 배기가스에 의해 회전하는 터빈(13-1)의 회전구동력으로 콤프레샤(13-2)가 회전구동한다. 이 콤프레샤(13-2)가 공기와 바이오가스 및 배기가스의 혼합기체를 혼합기 흡입계(14)를 통하여 디젤엔진(1)으로 공급한다. 그리고 바이오가스의 흡입동력은 터보챠저(13)의 흡인력을 이용하기 때문에 바이오가스공급을 위한 별도의 특별한 장치가 필요 없다.

터보챠저(13)는 터보챠저 배기관의 하류에 인터쿨러를 장착하지않기 때문에 공기와 바이오가스 및 배기가스의 혼합기체의 온도를 상승시켜 바이오가스중 메탄가스의 연소효율을 향상시키는 것이 가능하다.

도 2에 터보챠저(13)의 터빈(13-1)으로부터 배출된 배기가스(31)는배기계(16)를 경유하여 배기열교환기(18)에 들어가서 배기가스중의 미연소된 바이오가스가 연소된다. 배기가스(31)중 미연소된 바이오가스의 연소방법은 다음과 같이 배기재연소식 배기열교환기(18)를 이용하는 것이 바람직하다.

배기가스(31)는 직경이 좁아진 벤츄리관(35)을 통과할 때, 속도가 빨라져 압력이 낮아지기 때문에 투입관(36)으로부터 압력차에 의해 산소를 포함한 새로운 공기가 벤츄리관(35)내로 들어가 배기열교환기(18)로 공급된다. 그 결과 배기열교환기(18)의 내부에서는 배기가스와 공기가 혼합된 상태로 된다. 이러한 배기열교환기(18)내에서 형성된 배기혼합기의 파형(33)은 배기열교환기(18) 벽과의 충돌로 인한 반사파로부터 충격파(34)가 발생한다. 이 충격파(34)에 의해 충격파영역(32)은 급격하게 온도가 상승되며 배기가스의 재연소가 발생한다. 배기가스 재연소영역(32)에서 공기와 배기가스(31)중의 미연소된 바이오가스가 재연소 된 후, 최종배기가스(31)가 배기가스열교환기(18)의 배기관(29)으로부터 배기 머플러(30)을 경유하여 대기중으로 배출된다. 결과적으로 배기가스중의 바이오가스가 거의 완전연소되기 때문에 대기중에 바이오가스(메탄가스)를 방출시키지 않으며, 환경오염을 방지하는 것이 가능하다.

2점쇄선으로 표시된 냉각수 순환계에서 도1에 나타낸 것과 같이 냉각수는 디젤엔진(1)에서 발생하는 열을 워터쟈켓에서 1차 회수하고, 워터쟈켓으로부터 냉각수계(17)를 통과하여 배기가스열교환기(18)에 공급되어 배기가스의 열을 2차 회수한다. 고온이 된 냉각수는 열부하(22)로 공급되어 필요한 곳에 열을 공급한다.

배기열교환기(18)는 디젤엔진(1)을 냉각한 냉각수가 흐르는 일반적인 관 또는 코일식 관으로 구성되며, 배기열교환기(18)에서 배기가스의 열 및 미연소 바이오가스의 연소로부터 발생한 열을 냉각수에 의해 회수되는 방식으로 설정되어있다.

열을 회수한 냉각수는 열부하(22)에 공급되도록 되어있다. 열부하(22)는 2차 열교환기등에서 온수를 생산하여 난방, 온수 등으로 이용할 수 있다.

열부하(22)에 의해 온도가 낮아진 냉각수는 냉각수계(19-1)를 통과하여 냉각수순환펌프(21)냉각수순환펌프에 의해 엔진의 워터쟈켓으로 공급되어 재순환되지만, 열부하(22)의 부하에 따라 밸브(19)의 흐름방향을 바꾸어 냉각수의 일부 또는 전부가 냉각수계(19-2)를 통해 라지에이터(20)으로 공급되어 일정온도까지 냉각된 후, 냉각수순환펌프(21)에 의해 냉각수계(23)를 통과, 디젤엔진(1)의 워터쟈켓으로 공급된다.

1점쇄선으로 나타낸 오일순환계는 도1에 나타낸 것과 같이 엔진오일은 오일순환계(24)를 통과하여 보조오일탱크(25)로 들어간다. 보조오일탱크(25)내의 오일이 오일휠타(26)를 통과하면서 깨끗하게 정화된 다음 오일순환펌프(27)에 의해 오일순환계(28)를 통과하여 엔진으로 재 주입된다. 이렇게 오일보조탱크와 휠타를 설치하여 오일을 순환시키는 이유는 바이오가스중에는 유화수소가 포함되어있어 엔진부품의 부식이 예상되기 때문이다. 그러나 오일순환에 의해 엔진 부품 등의 부식을 방지하는 효과가 있으며, 휠타의 수는 오일순환에 지장이 없는 범위 내에서 많을수록 좋다.

또한, 본 발명은 경유를 주연료로 하고 바이오가스를 보조연료로 사용하지만, 보조연료로서 프로판이나 천연가스등의 다른 가연성가스를 병용하는것도 좋다.

그리고 듀얼연료용 엔진으로부터 발생하는 동력은 발전기를 구동하는 외에도 냉난방장치 등의 콤프레샤, 공작기계나 그 외의 동력원으로 사용하는 것도 가능하다.

전술한 것과 같이 본 발명에 따르면 디젤엔진의 흡기관에 바이오가스 공급관을 연결하는 것만으로 공기와 바이오가스가 혼합되도록 되어있기 때문에 바이오가스 분사장치 등의 바이오가스 등의 공급용 시스템 등을 필요로 하지 않음과 동시에 간단한 개조만으로 엔진에 바이오가스를 공급하는 것이 가능하다.

특히 바이오가스공급량 조절밸브의 개폐정도를 일정하게 하고, 경유의 공급량을 제어하는 것으로 디젤엔진의 회전수를 일정하게 하는 경우는 바이오가스의 공급량이나 바이오가스중의 메탄농도가 변화하더라도 경유의 공급량만 제어하면 되므로 안정적인 디젤엔진의 운전이 가능하게 된다.

또한 공기와 바이오가스의 혼합기체를 인터쿨러를 갖추지 않은 터보챠저로 과급하는 경우, 혼합기체의 온도를 저하시키지 않으므로 바이오가스의 연소효율이 향상됨은 물론, 배기가스중의 미연소상태의 바이오가스 함유량을 저하시키는 것이 가능하게 된다. 그러나 NOx배출에 따른 법적 규제가 강한 지역에서는 인터쿨러를 장착하여 NOx배출량을 감축시킬 수 있다.

더욱이 디젤엔진의 배기계에 배기가스열교환기를 설치하는 경우, 배기가스로손실되는 막대한 열을 회수함은 물론, 배기가스열교환기내에서 바이오가스가 재연소되어 배기가스중에 포함되어있는 미연소상태의 메탄가스를 연소시키는 것이 가능하므로 메탄가스의 대기방출에 의한 환경오염을 방지하는 것이 가능하다.

Claims (6)

1. 경유 또는 등유와 유기성 폐기물의 혐기성발효로부터 발생하는 바이오가스를 보조 또는 주 연료로서 운전하는 디젤엔진에 있어서, 상기 디젤엔진의 흡기관에 상기 바이오가스의 공급관을 연결, 공기와 바이오가스의 혼합기체가 디젤엔진의 연소실에 공급되도록 장치한 듀얼연료용 디젤엔진.
2. 상기 바이오가스의 공급관에 설치된 바이오가스 유량조절밸브의 개폐정도를 일정하게 유지하는 청구항 1에 기재된 듀얼연료용 디젤엔진.
3. 상기 혼합기체를 인터쿨러(냉각기)를 설치하지 않는 터보챠저(과급기)로 과급 하도록 한 청구항 1, 2에 기재된 듀얼연료용 디젤엔진.
4. 엔진배기가스계에 배기가스 재연소식 배기열교환기를 설치, 배기열교환기에서 배기가스를 재연소시킴과 동시에 배기가스로부터 열을 회수하는 청구항 1, 2 또는 3에 기재된 듀얼연료용 디젤엔진.
5. 배기가스의 일부를 상기 흡기관에 유입되도록 한 청구항 1, 2, 3과 4에 기재된 듀얼연료용 디젤엔진.
6. 상기의 첨가연료로서 바이오가스 이외의 가연성가스인 프로판가스 또는 천연가스등을 병용하는 청구항 1 ~ 5에 기재된 듀얼연료용 디젤엔진.