KR20120056495A - 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치 - Google Patents

Abstract

듀얼인젝터를 이용한 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에는 브라운가스 발생기와, 브라운가스를 가압하는 고압가스압축기와, 고압 브라운가스의 유량을 조절하기 위한 유동퓨즈와, 듀얼인젝터의 연료공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브를 제어하는 제어유닛과, 제어유닛에 의하여 제어되면서 브라운가스와 액체연료를 엔진으로 공급하는 유로가 각각 형성되어 있는 듀얼인젝터가 구성요소로 포함된다.

Description

선박용 엔진의 브라운가스 공급장치{Brown gas supply system for ship engine}

본 발명은 선박용 엔진에 브라운가스를 연료로 공급하는 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 듀얼인젝터를 사용하여 선박용 엔진에 직접 브라운가스를 공급하는 장치에 관한 것이다.

특별한 경우를 제외하고는 디젤엔진이 가솔린엔진에 비해 열효율과 내구성이 높기 때문에 대부분의 선박에서 동력원으로 이용되고 있다. 또한, 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해, 공연비가 높아 희박연소(lean burn) 조건에서 엔진이 작동하므로 연료가 적게 소모되는 장점이 있다. 따라서, 가솔린 엔진에 비하여 CO, CO₂ 및 탄화수소 등의 탄소산화물 배출량이 적어 지구 온난화를 덜 유발하는 장점이 있다.

그러나, 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 높은 압축비에서 작동하므로 연소실의 온도가 상대적으로 높으며, 이로 인해 질소산화물(NOx)이 많이 발생하는 단점이 있다. 배출가스 중의 NOx는 광화학 스모그, 산성비 및 오존(O₃) 발생의 원인이 되고, 매연(SOOT) 등의 입자상 물질은 도시에서 발생하는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하기 때문에 대기 및 시야를 탁하게 만든다.

특히, 선박에 사용되는 대형 디젤엔진의 경우, 엔진의 구동을 위해 사용되는 액체연료는 비용 절감을 위해서 점성이 높고, 휘발성이 낮으며, 가연성이 낮은 저급 연료인 HFO(Heavy Fuel Oil)를 사용하는 것이 일반적이다. 이로 인해, 상대적으로 불완전연소가 많이 발생하며, 불완전연소의 결과물로서의 입자상 물질(PM, Particulate Material)이 많이 발생한다.

이러한, 질소산화물과 입자상 물질은 인체에 끼치는 영향을 무시할 수 없어 환경의 주요한 관심사항으로 부각되고 있다.

최근 들어, 대형선박의 디젤엔진이 환경에 미치는 영향이 관심사로 등장함에 따라 선박에 보다 친화적인 동력시스템을 적용하는 것이 검토되고 있다. 그들 중 하나로서 브라운가스를 연료로 사용하는 엔진의 탑재가 시도되고 있는데, 브라운가스는 통상적으로 물을 전기분해시킴으로써 얻어지는 기체상의 물질로서 수소와 산소의 비율이 2:1로 혼합되어 있는 가스상의 물질을 말하는데, 성분으로서 탄소를 포함하지 않으므로 탄소계 연소생성물을 발생하지 않으며, 상대적으로 낮은 압축비에서 작동이 가능하므로 질소산화물의 생성도 낮은 것으로 알려져 있다.

아울러, 기존의 액체연료에 비하여 발열량이 3배 가까이 크고, 화염의 전파속도가 현저히 빨라, 혼합하여 연소하는 경우에는 기존 화석연료의 연소를 촉진시킴으로써 완전연소에 도움을 주는 것으로 알려져 있다.

하지만, 선박용 엔진에 브라운가스를 연료로 사용한 사례가 없으며, 선박용 디젤엔진은 일반 차량용 디젤엔진과는 규모를 달리하므로 브라운가스를 유입공기와 완전하게 혼합하여 엔진의 응답성 등 성능을 개선하기 위해서는 새로운 장치의 개발이 필요하다.

본 발명의 실시예들은, 듀얼인젝터를 적용하여 브라운가스를 실린더에 직접 분사하므로써 유입공기와의 혼합을 좋게 하여 엔진제어의 응답성을 향상시키는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 브라운가스 발생기와; 상기 브라운가스 발생기로부터 공급되는 브라운가스를 가압하는 고압가스압축기와; 상기 고압가스압축기로부터 공급되는 가압된 브라운가스의 유량을 조절하는 유동퓨즈와; 상기 유동퓨즈로부터 공급되는 브라운가스와 연료저장탱크에 저장된 연료를 엔진의 연소실로 공급하는 듀얼 인젝터와; 상기 듀얼 인젝터 내에 설치되어 상기 브라운 가스와 상기 연료가 상기 엔진의 연소실로 공급되는 공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브;로 구성되는 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치가 제공되어진다.

또한, 상기의 구성에 상기 엔진의 부하에 따라 유동퓨즈와 상기 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제어유닛;을 더 포함하는 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치도 제공되어 질 수 있다.

본 상기 실시예들에 따른 듀얼인젝터를 이용한 선박용 엔진의 브라운가스 공급시스템에 따르면, 실린더 내에 브라운가스를 직접 분사하므로써 유입공기와의 혼합성을 향상할 수 있으며, 각 실린더에 균일하게 브라운가스를 공급하므로써 액체연료와의 혼소를 통한 연소효과를 극대화할 수 있다. 이를 통해 유해배기가스의 생성을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 브라운 가스 공급장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용된 듀얼인젝터의 개략적인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 설명한다. 본 실시예는 발명의 실시를 돕기 위한 것으로 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

브라운가스는 통상적으로 물을 전기분해시킴으로써 얻어지는 기체상의 물질로서 수소와 산소의 비율이 2:1로 혼합되어 있는 가스상의 물질을 말하는데, 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 분리하여 포집함으로써 각각의 기체를 얻는 방법에 비하여 산소와 수소가 혼합된 상태 그대로 포집함으로써 생산단가도 낮아질 뿐만아니라 연소특성도 각각의 산소와 수소와는 또 다른 형태를 띠게 된다.

브라운가스를 생산하는 방식은 통상적으로는 물을 전기분해하는 방식에 의해 생성되나, 이외에도 다양하게 존재할 수 있으며, 생산장치에 관한 기술적 내용은 이 발명의 출원 당시에 이 기술이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하거나 공개되어 있는 모든 구성을 포함한다.

브라운가스를 차량의 연료로 이용하는 방법에 대해서는 여러가지 연구가 있었고 많은 진척이 있었다. 하지만 선박용 엔진의 경우에는 차량용 엔진에 비하여 그 크기 등에 있어서 현격한 차이가 있고, 이로 인하여 차량용 브라운가스 엔진에서 개발한 기술들을 그대로 사용하기 힘든 측면이 있다.

특히, 엔진으로의 흡기량이 대단히 많아 분사된 브라운가스가 공기덕트 중에서 제대로 혼합되기가 상대적으로 어렵다. 따라서 선박용 대형디젤엔진에 브라운가스를 연료로 사용하기 위해서는 새로운 기술의 개발이 요구되었으며, 특히 기존 화석연료와 브라운가스를 혼합하여 연소시키는 경우에는 보다 정밀한 제어가 필요하게 되었다.

브라운가스를 기존의 화석연료와 혼합하여 연소시키는 경우에는 기존의 화석연료의 연소를 촉진하는 효과를 갖는다. 이는 브라운가스가 산소와 수소로 이루어진 물질임에 기인한다. 따라서 혼합기 중의 산소의 농도를 높여서 기존의 화석연료가 보다 산화되기 좋은 환경을 조성해 줄 뿐아니라, 수소는 화염의 전파가 대단히 빠른 특성을 갖고 있어서 연소실에서 상대적으로 화염의 전파가 느린 소염지역 근처에 있는 혼합기도 빠르게 연소를 일으킬 수 있도록 도와줄 수 있다.

이러한 효과는 선박에 사용되는 연료에서는 보다 두드러지게 나타날 것이다. 따라서 브라운가스의 혼합연소를 통하여 유해 배기가스의 배출을 줄일 수 있는 효과가 있다.

공기-연료 혼합기에 브라운가스를 주입하기 위해서는 엔진의 흡기덕트에 분사하는 방법이 있을 수 있다. 하지만 이 경우에는 공기와의 혼합을 설계자가 의도하는 대로 제어하기가 매우 힘들 뿐아니라, 이로 인하여 각 실린더로 공급되는 브라운가스의 량이 차이가 많게 된다. 이로 인하여 실린더간의 연소상태의 차이(cylinder-by-cylinder variation)가 생기게 되어 기계적으로 진동 등을 야기한다.

따라서, 각 실린더에 대하여 동일하게, 그리고 실린더 내에서 설계자가 의도한 대로 브라운가스가 존재하게 하기 위해서는 실린더 내에 브라운가스를 직접 분사할 필요가 있다.

이 경우에 연료용 인젝터와 브라운가스용 인젝터를 별도로 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 경제적인 이점, 설계상의 이점 등을 고려하여 하나의 인젝터를 통하여 브라운가스와 연료 두 가지를 분사할 수 있는 듀얼인젝터를 사용하여 구성하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼인젝터를 이용한 선박용 엔진의 브라운 가스 공급장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 다양한 종류가 적용될 수 있는 브라운가스 발생기(1)가 우선 장착되어 있어야 한다.

상기 브라운가스 발생기(1)에서 발생한 브라운가스는 브라운가스를 가압하는 고압가스압축기(2)로 유입되게 된다. 브라운가스 발생기(1)를 통하여 발생되는 브라운가스는 압력이 일정치 않을 뿐 아니라, 그 압력이 대단히 낮아 그 상태로는 엔진으로 짧은 시간에 원하는 량을 공급하기 어렵다. 따라서, 발생된 브라운가스는 가압을 통하여 일정압력 이상으로 올려야 한다.

그 후, 상기 고압가스압축기(2)로부터 공급되는 고압 브라운가스의 유량을 조절하는 유동퓨즈(3, flow fuse)를 거치게 된다. 이 유동퓨즈(3)는 가스의 역류나 지나치게 과압으로 올라가는 것을 방지하는 역할을 한다.

엔진의 부하와 관련된 정보가, 브라운 가스와 연료가 엔진으로 공급되는 공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브를 제어하는 제어유닛(4)으로 입력되면, 상기 제어유닛(4)은 미리 프로그래밍되어 있는 제어로직에 따라 상기 유동퓨즈와 상기 솔레노이드 밸브의 개폐에 해당하는 전기적 신호를 발생시킨다. 상기 제어유닛(4)은 단순히 연료의 분사량과 브라운가스의 분사량만을 각각 제어하는 유닛일 수도 있고, 브라운가스와 연료의 분사량을 동시에 제어하는 유닛일 수도 있다.

이외에도 상기 제어유닛은 매우 다양한 역할을 할 수 있다. 선박의 운항상태에 따라서 필요 연료를 선택하여 최적의 조건으로 제어를 할 수 있다. 극단적인 경우, 브라운가스가 없게 되면 연료만을 제어하는 기능을 수행하며, 반대로 연료가 없이 브라운가스만을 제어하는 경우도 있을 수 있다.

하지만 통상적인 경우에는 브라운가스를 연료의 연소를 보다 원할하게 할 목적으로 혼합하여 공급하게 되며, 이 경우 제어유닛은 양자를 동시에 제어하게 된다.

상기 제어유닛에는 연료제어 이외에도 다양한 제어를 수행하는 제어모듈이 통합되어 내장될 수 있음은 이 기술이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용된 듀얼인젝터의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참작하여 본 발명의 구성요소인 듀얼인젝터를 설명하면, 상기 제어유닛(4)은 전기적 신호에 의하여 브라운가스와 연료를 엔진(8)으로 공급하는 유로(5-10, 5-20)가 각각 형성되어 있는 듀얼인젝터(5)를 제어한다. 보다 엄밀하게는 듀얼인젝터에 포함되어 있는 솔레노이드 밸브(5-12, 5-22)를 단속적으로 제어하는 것에 의하여 각각의 유로를 폐쇄하고 있는 니들(5-11, 5-21)을 들어주고 이 경우에 고압의 브라운가스와 연료가 각각 듀얼인젝터의 브라운가스 유로(5-10)와 액체연료 유로(5-20)를 통하여 연소실(6)내로 분사된다

한편, 본 발명은 상기 액체연료를 공급하기 위한 연료공급시스템(7)이 필요하다. 액체연료시스템은 통상 연료를 저장하는 연료탱크와 연료탱크로부터 엔진으로 연료를 전달하기 위하여 연료를 가압하는 연료펌프, 연료여과기, 워터세퍼레이터 및 부속되는 관들로 이루어진다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

1 : 브라운가스 발생기 2 : 고압 가스 압축기
3 : 유동퓨즈 4 : 제어 유닛
5 : 듀얼인젝터
5-10 : 브라운가스 유로 5-11 : 브라운가스 니들
5-12 : 브라운가스 제어솔레노이드밸브 5-20 : 연료 유로
5-21 : 연료 니들 5-22 : 연료 제어솔레노이드밸브
6 : 연소실
7 : 연료탱크
8 : 엔진

Claims (2)

1. 브라운가스 발생기와;
   상기 브라운가스 발생기로부터 공급되는 브라운가스를 가압하는 고압가스압축기와;
   상기 고압가스압축기로부터 공급되는 가압된 브라운가스의 유량을 조절하는 유동퓨즈와;
   상기 유동퓨즈로부터 공급되는 브라운가스와 연료저장탱크에 저장된 연료를 엔진의 연소실로 공급하는 듀얼 인젝터와;
   상기 듀얼 인젝터 내에 설치되어 상기 브라운가스와 상기 연료가 상기 엔진의 연소실로 공급되는 공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브;로
   구성되는 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치
2. 제1항에 있어서,
   상기 엔진의 부하에 따라 유동퓨즈와 상기 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제어유닛;을 더 포함하는 선박용 엔진의 브라운가스 공급장치

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