KR20120062282A - 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법 - Google Patents

브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법 Download PDF

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Abstract

브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템은, 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템으로서, 엔진; 브라운 가스를 생산하는 브라운 가스 발생기; 브라운 가스 발생기에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화수소로 분리시키는 콜드박스유닛; 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화산소를 공급받아 저장하는 액화산소탱크; 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화수소를 공급받아 저장하는 액화수소탱크; 액화수소탱크로부터의 액화수소를 가열시켜 수소가스로 변환하는 가열기; 가열기에서 가열된 수소가스를 압축시키는 수소압축기; 수소압축기로부터 압축된 수소를 공급받아 일시저장하는 수소가스 매니폴드; 및 수소가스 매니폴드로부터 수소를 공급받아 엔진의 연소실로 수소를 분사하는 수소가스 인젝터;를 포함한다.

Description

브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법{ENGINE SYSTEM AND ENGINE OPERATING METHOD USING BROWN GAS}
본 발명은 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법에 관한 것이다.
오늘날 선박은 디젤 엔진을 일반적으로 사용하고 있다. 선박 디젤 엔진의 경우 화석연료로서 HFO(Heavy Fuel Oil), MGO(Marine Gas Oil) 등이 사용된다.
현재의 환경규제 강화로 인해 화석연료의 연소에 의해 발생하는 온실가스 및 NOx의 감소가 중요한 이슈가 되고 있어 클린 디젤 연소방식이 내연기관의 새로운 화두로 떠오르고 있는 실정이다. 또한, 화석연료의 고갈로 인한 유가상승으로 인해 연료 소비율인 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption)의 감소방법 또한 매우 중요한 과제이다.
브라운 가스와 화석연료와의 혼소는 클린 디젤 연소방식이면서 SFOC를 감소시킬 수 있어 환경규제 및 연료절감 효과를 가져 올 수 있다.
브라운 가스란 물을 전기분해하여 산소와 수소가 결합된 형태의 가스로서 연소 후 물이 발생하므로 친환경 연료이며 화염속도가 기존의 화석연료에 비해 현저히 빠르므로 화석연료와 혼합 연소시에 연소 촉진제로서 탁월한 효과가 있다. 또한 수소의 가연한계가 화석연료보다 훨씬 크므로, 화석연료와 혼소시 가연한계를 넓힐 수 있는 화염안정제로서 사용될 수 있다.
브라운 가스 혼소용 엔진의 경우 기존의 공연비보다 큰 초희박 연소를 가능하게 함으로써 연료절감 및 배기가스 오염물질 감소를 극대화할 수 있다.
본 발명의 실시예는, 작은 용량의 브라운 가스 발생기를 이용하면서도 안정적으로 수소가스를 공급할 수 있는 구성을 가지는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템으로서,
엔진; 브라운 가스를 생산하는 브라운 가스 발생기; 상기 브라운 가스 발생기에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화수소로 분리시키는 콜드박스유닛; 상기 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화산소를 공급받아 저장하는 액화산소탱크; 상기 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화수소를 공급받아 저장하는 액화수소탱크; 상기 액화수소탱크로부터의 액화수소를 가열시켜 수소가스로 변환하는 가열기; 상기 가열기에서 가열된 수소가스를 압축시키는 수소압축기; 상기 수소압축기로부터 압축된 수소를 공급받아 일시저장하는 수소가스 매니폴드; 및 상기 수소가스 매니폴드로부터 수소를 공급받아 상기 엔진의 연소실로 수소를 분사하는 수소가스 인젝터;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 콜드박스유닛으로부터의 액화산소 또는 액화수소를 선택적으로 상기 액화산소탱크 또는 상기 액화수소탱크로 공급하도록 하는 3방향 밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 발생기와 상기 콜드박스유닛 사이에는, 상기 브라운 가스 발생기에서 생산된 브라운 가스를 상기 콜드박스유닛에 공급하기 위한 브라운 가스 공급관이 마련되어 있고,
상기 콜드박스유닛과 상기 액화수소 탱크 사이, 상기 액화수소 탱크와 상기 수소압축기 사이, 상기 수소압축기와 상기 수소가스 매니폴드 사이, 및 상기 수소가스 매니폴드 및 상기 수소가스 인젝터 사이에는 수소가스 공급관이 각각 마련될 수 있다.
또한, 상기 브라운 가스 공급관, 및 상기 각각의 수소가스 공급관은 이중벽 구조로 되어 있으며, 상기 이중벽 사이에는 불활성 기체로 채워질 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템 내에서 수소가스가 흐르는 유로를 청소하기 위하여, 상기 브라운 가스 공급관에 마련되는 퍼지가스 유입구; 및 상기 수소가스 매니폴드 및 상기 수소가스 인젝터 사이에 마련된 수소가스 공급관에 마련된 퍼지가스 배출구;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소가스 매니폴드와 상기 수소가스 인젝터 사이에 마련된 수소가스 공급관에는, 상기 수소가스 인젝터로 공급되는 수소가스의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브가 마련될 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템은 선박의 동력원으로 이용되고, 상기 엔진에 사용되는 화석연료의 사용량에 따라 상기 엔진의 연소실로 유입되는 수소가스의 유량을 조절하도록, 상기 유량제어밸브는 상기 선박의 속도 조절기(Governor)와 연계될 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템의 미작동 또는 긴급 상황시, 상기 액화수소탱크, 상기 수소압축기, 상기 수소가스 매니폴드, 및 상기 유량제어밸브에 남겨진 수소가스를 공급받아 연소시키는 가스연소유닛;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템은, 상기 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 과급시키는 터보차저를 구비하고, 상기 터보차저로 유입될 흡입공기를 상기 액화산소탱크로부터의 액화 산소와 혼합시켜 냉각시키도록, 상기 타보차저와 유체연통하는 공기냉각챔버;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 액화산소탱크와 상기 공기냉각챔버 사이에는 산소 공급관이 마련되어 있고, 상기 산소 공급관은 이중벽 구조로 되어 있으며, 상기 이중벽 사이에는 불활성 기체가 채워질 수 있다.
또한, 상기 액화산소탱크 및 상기 액화수소탱크는 이중벽 구조로 되어 있으며, 상기 이중벽 사이에는 불활성 기체가 채워질 수 있다.
또한, 상기 수소가스 인젝터는, 상기 엔진의 연소실로 수소가스를 직접 분사하도록 상기 엔진의 실린더 헤드에 장착될 수 있다.
또한, 상기 수소가스 인젝터는, 상기 엔진의 연소실에 흡입공기를 유입시키도록 안내하는 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트 내로 수소가스를 분사할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 엔진 시스템;을 포함하는 선박이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법으로서,
브라운 가스를 생산하는 브라운 가스 생산단계; 상기 브라운 가스 생산단계에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화산소로 분리시키는 브라운 가스 냉각단계; 상기 브라운 가스 냉각단계에서 분리된 액화산소를 액화산소탱크에 저장하는 액화산소 저장단계; 상기 브라운 가스 냉각단계에서 분리된 액화수소를 액화수소탱크에 저장하는 액화수소 저장단계; 상기 액화수소탱크로부터 액화수소를 공급받아 가열시켜 수소가스로 변환시키는 가열단계; 상기 가열단계에서 가열된 수소가스를 압축시키는 수소가스 압축단계; 및 상기 압축된 수소가스를 상기 엔진의 연소실로 분사하는 연료분사단계;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 상기 액화산소 저장단계에서 액화된 산소와 혼합시켜 냉각시키는 흡입공기 냉각단계;를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템 및 엔진의 구동방법에 따르면, 수소가스를 액화시켜 저장하고 필요시에 이를 가열하여 증기로 변환시킨 후 엔진의 연소실에 공급함으로써, 작은 용량의 브라운 가스 발생기를 이용하면서도 엔진의 연소실에 수소가스를 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 액화산소를 이용하여 흡입공기를 냉각시킴으로써 엔진의 체적효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 브라운 가스 공급관의 단면도이다.
도 3은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화수소관의 단면도이다.
도 4는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화산소관의 단면도이다.
도 5는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화산소탱크의 단면도이다.
도 6은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화수소탱크의 단면도이다.
도 7은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 수소가스 인젝터의 장착위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 수소가스 인젝터의 다른 장착위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 엔진 시스템에 퍼지가스 유입구 및 퍼지가스 유출구가 부가된 도면이다.
도 10은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 가스연소유닛이 부가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법의 개략적 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템(100)은, 일례로 선박 등의 추진용 엔진 또는 발전 플랜트에 이용되는 엔진에 사용되는 것이다. 상기 엔진 시스템(100)은 엔진(10), 브라운 가스 발생기(110), 콜드박스유닛(120), 액화산소탱크(130), 액화수소탱크(150), 가열기(158), 수소압축기(160), 수소가스 매니폴드(170), 및 수소가스 인젝터(190)를 포함한다.
상기 엔진(10; 도 7 참조)은 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MGO(Marine Gas Oil)의 화석연료와 상기 브라운 가스 발생기(110)에서 생산된 브라운 가스를 혼소시켜 구동되는 것이다.
상기 브라운 가스 발생기(110)는 물을 전기분해하여 브라운 가스를 생산하기 위해 마련된 것이다.
여기서, 브라운 가스란 잘 알려진 바와 같이, 물의 전기 분해에 의해 발생한 수소와 산소가 2 대 1의 혼합비율로 정량적으로 공존하는 가스로서, 완전연소에 필요한 알맞은 산소를 자체 함유하고 있어, 차세대 연료로서 각광받고 있다. 특히, 브라운 가스는 기존의 화석연료와 비교할 때, 연소시 온도가 빠르게 올라가는 승온 특성이 좋고, 단열화염온도가 높으며, 화염속도 또한 현저히 빠른 장점이 있다. 또한, 브라운 가스는 완전연소 후에 수증기만이 발생하므로 근본적으로 환경오염이 없는 청정 에너지원이다.
상기 브라운 가스 발생기(110)에서 생산된 브라운 가스는 브라운 가스 공급관(112)을 통하여 콜드박스유닛(120)으로 보내어 진다. 도 2는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 브라운 가스 공급관의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 브라운 가스 공급관(112)은 내벽(112a)과 외벽(112b)의 이중벽(double wall) 구조로 되어 있다. 또한, 상기 내벽(112a)의 내측으로 브라운 가스가 이송되고, 상기 내벽(112a)과 상기 외벽(112b) 사이에는 불활성 가스(Inert Gas; G)가 채워져 있다. 상기 브라운 가스 공급관(112)이 이중벽 구조로 되어 있고, 상기 이중벽 사이에 불활성 가스가 채워져 있기 때문에, 브라운 가스의 수소가스 성분이 상기 브라운 가스 공급관(112)으로부터 외부로 배출되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
상기 콜드박스유닛(120)은, 상기 브라운 가스 발생기(110)에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화수소로 분리시키기 위해 마련된 것이다. 상기 콜드박스유닛(120)은 하나 이상의 열교환기(122)와, 하나 이상의 압축기(124), 하나 이상의 냉각기(126), 하나 이상의 팽창기(128), 냉매순환유로(123), 및 기액분리기(127)를 포함한다.
상기 냉매순환유로(123)를 통하여 냉매는 상기 열교환기(122), 상기 압축기(124), 상기 냉각기(126), 상기 팽창기(128)를 순환하며 흐른다. 상기 압축기(124)에서 냉매는 단열압축된 후, 상기 냉각기(126)에서 일정한 압력을 유지한 상태에서 열교환을 통하여 냉각된다. 본 실시예에서, 상기 냉각기(126)는 차가운 해수에 의해 냉매를 냉각시킬 수도 있다. 이후, 상기 냉각기(126)에서 냉각된 냉매는 상기 팽창기(128)에서 단열팽창하여 극저온으로 냉각된다. 상기 팽창기(128)는 일례로 팽창터빈일 수 있다. 상기 극저온으로 냉각된 냉매는 상기 냉매순환유로(123)를 통하여 상기 열교환기(122)로 유입된다. 상기 열교환기(122) 내에는 상기 브라운 가스 공급관(112)과 접속되는 브라운 가스 운송관(113)과, 냉매순환유로(123)가 마련되어 있다. 상기 열교환기(122) 내에서, 상기 브라운 가스와 상기 냉매가 상호 열교환을 수행함으로써, 상기 브라운 가스는 냉각된다.
이 경우, 1차적으로 브라운 가스는 상기 열교환기(122)에서 산소의 끓는점과 수소의 끓는점 사이로 냉각된다. 따라서, 산소의 끓는점이 수소의 끓는점보다 높기 때문에, 산소가 먼저 액화되고, 수소는 가스상태로 남는다. 따라서, 기액분리기(127)에서 액화된 산소는 액화가스관(131)을 통하여 3방향 밸브(134)를 거친 후 액화산소관(139)을 통하여 상기 액화산소탱크(130)로 공급되어 저장된다. 산소가스가 액화하여 액화산소 형태로 상기 액화산소탱크(130)에 저장되기 때문에, 상기 액화산소탱크(130)의 부피를 줄일 수 있다. 한편, 상기 기액분리기(127)에 있는 기상의 수소는 수소가스 재공급관(125)을 통하여 상기 브라운 가스 운송관(113)으로 재공급되어 상기 열교환기(122)에서 연속적으로 냉각된다.
이후, 2차적으로 브라운 가스는 상기 열교환기(122)에서 수소의 끓는점 이하로 냉각된다. 따라서, 수소가스가 액화되고, 상기 기액분리기(127)로부터 상기 액화가스관(131)을 통하여 3방향 밸브(134)를 거친 후 액화수소관(142)을 통하여 상기 액화수소탱크(150)으로 공급되어 저장된다. 수소가스가 액화하여 액화수소 형태로 상기 액화수소탱크(150)에 저장되기 때문에, 상기 액화수소탱크(150)의 부피를 줄일 수 있다.
상기 3방향 밸브(134)는, 상기 콜드박스유닛(120)으로부터 유출되는 액화산소 또는 액화수소를 선택적으로 상기 액화산소탱크(130) 또는 상기 액화수소탱크(150)로 공급하기 위해 마련된 것이다. 상기 기액분리기(127)로부터 상기 액화가스관(131)을 통하여 액화산소가 유동할 때에는, 상기 3방향 밸브(134)는 상기 액화가스관(131)이 상기 액화산소관(139)과 유체연통가능하게 연결하고, 상기 액화수소관(142)으로는 액화산소가 흐르지 못하도록 차단한다.
한편, 상기 기액분리기(127)로부터 상기 액화가스관(131)을 통하여 액화수소가 유동할 때에는, 상기 3방향 밸브(134)는 상기 액화가스관(131)이 상기 액화수소관(142)과 유체연통가능하게 연결하고, 상기 액화산소관(139)으로는 액화수소가 흐르지 못하도록 차단한다.
본 실시예에서, 상기 압축기(124)와 상기 냉각기(126)가 하나씩 구성되어 있는 것을 예를 들어 설명하였으나, 각각이 복수개 마련되어 압축과 냉각을 반복하는 다단압축을 수행할 수도 있음은 물론이다. 또한, 작동유체의 극저온 팽창을 위하여 상기 팽창기(128)는 팽창터빈 대신에 팽창밸브가 이용될 수도 있다.
이하, 상기 액화수소관(142) 및 상기 액화산소관(139)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화수소관(142)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 액화수소관(142)은 내벽(142a)과 외벽(142b)의 이중벽(double wall) 구조로 되어 있다. 또한, 상기 내벽(142a)의 내측으로 액화수소가 이송되고, 상기 내벽(142a)과 상기 외벽(142b) 사이에는 불활성 가스(Inert Gas; G)가 채워져 있다. 상기 액화수소관(142)이 이중벽 구조로 되어 있고, 상기 이중벽 사이에 불활성 가스가 채워져 있기 때문에, 액화수소가 상기 액화수소관(142)으로부터 외부로 배출되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다. 또한, 전술한 액화가스관(131)과 후술할 수소 공급관(144, 162, 172)은 상기 액화수소관(142)과 마찬가지로 이중벽 구조로 되어 있다.
도 4는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화산소관의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 액화산소관(139)은 내벽(139a)과 외벽(139b)의 이중벽(double wall) 구조로 되어 있다. 또한, 상기 내벽(139a)의 내측으로 액화산소가 이송되고, 상기 내벽(139a)과 상기 외벽(139b) 사이에는 불활성 가스(Inert Gas; G)가 채워져 있다. 상기 액화산소관(139)이 이중벽 구조로 되어 있고, 상기 이중벽 사이에 불활성 가스가 채워져 있기 때문에, 액화산소가 외부로 배출되어 화제를 유발하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 후술한 산소 공급관(132)은 상기 액화산소관(139)과 마찬가지로 이중벽 구조로 되어 있다.
다음으로, 수소가스 흐름에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화수소탱크의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 액화수소탱크(150)는 내벽(150a)과 외벽(150b)을 갖는 이중벽 구조로 되어 있다. 한편, 상기 액화수소탱크(150)는 액화수소의 유입량을 조절할 수 있는 유입밸브(151)와 액화수소의 유출량을 조절할 수 있는 유출밸브(152)가 각각 마련되어 있다. 또한, 상기 내벽(150a)의 내측에는 액화수소가 저장되어 있고, 상기 내벽(150a)과 상기 외벽(150b) 사이에는 불활성 가스(Inert Gas; G)가 채워져 있다. 상기 액화수소탱크(150)가 이중벽 구조로 되어 있고, 상기 이중벽 사이에 불활성 가스가 채워져 있기 때문에, 상기 액화수소탱크(150)를 단열시키고, 상기 액화수소탱크(150)로부터 액화수소가 외부로 배출되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
상기 수소탱크(150)에 저장된 액화수소는 이후, 필요한 시기에 필요한 양만큼 상기 유출밸브(152)를 통하여 배출되고, 이후 수소 공급관(144)을 통하여 상기 가열기(158)로 운송된다.
상기 가열기(158)는 상기 액화수소탱크(130)로부터 운송된 액화수소를 가열시켜 수소가스로 변환하기 위해 마련된 것이다.
상기 가열기(158) 내부에는 상기 수소 공급관(144)과 스팀이 흐르는 스팀 파이프(159)가 마련되어 있다. 상기 가열기(158) 내에서, 액화수소와 스팀이 상호 열교환을 수행함으로써, 상기 액화수소는 수소가스로 가열된다. 한편, 상기 스팀은 상기 엔진(10; 도 7 참조)의 연소실(14)로부터 배출되는 배기가스로부터의 열을 이용하여 물을 가열시켜 생산된다. 즉, 본 실시에에서는, 상기 엔진(10)의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하고, 상기 스팀을 이용하여 액화수소를 수소가스로 변환시킴으로써 에너지 효율을 높이고 있다. 이후, 상기 수소가스는 상기 수소압축기(160)로 공급된다.
상기 수소압축기(160)는 상기 가열기(160)에서 저압으로 감압된 수소가스를 고압으로 압축시키기 위해 마련된 것이다.
상기 수소압축기(160)에서 가압된 수소가스는 수소 공급관(162)을 통하여 상기 수소가스 매니폴드(170)로 공급된다. 상기 수소가스 매니폴드(170)는 상기 가압된 수소가스를 공급받아 일시저장하여 압력의 변동을 줄이고 일정한 압력으로 유지시키는 역할을 하기 위해 마련된 것이다.
상기 수소가스 매니폴드(170)에서 일시저장된 수소가스는, 수소가스 공급관(172)을 통하여 상기 수소가스 인젝터(190)로 공급된다.
상기 수소가스 공급관(172)에는 유량제어밸브(180)가 마련되어 있다. 상기 유량제어밸브(180)는 상기 수소가스 매니폴드(170)로부터 상기 수소가스 인젝터(190)로 공급되는 수소가스의 유량을 조절하기 위해 마련된 것이다.
이 경우, 선박의 엔진에 연료로 사용되는 화석연료의 사용량에 따라 엔진의 연소실로 유입되는 수소가스의 유량을 조절하도록, 상기 유량제어밸브(180)는 선박의 속도 조절기(Governor; 101)와 연계되어 제어될 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여, 상기 수소가스 인젝터(190)의 장착에 대하여 설명하기로 한다. 도 7에는 본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)에 사용되는 엔진(10)이 도시되어 있다. 상기 엔진(10)의 연소실(14)은 실린더 헤드(17)와 실린더 블록(12) 및 피스톤(11)에 의해 구획되는 공간의 형태로 마련된다. 또한, 상기 엔진(10)의 연소실(14)로 공기의 유입을 안내하기 위하여, 상기 연소실(14)과 유체연통하는 흡기포트(15)가 마련되어 있다. 상기 흡기포트(15)로 유입된 공기는 상기 연소실(14)에서 연료와 함께 연소된 후, 상기 연소실(14)과 유체연통하는 배기포트(16)를 통하여 배출되게 된다.
한편, 상기 실린더 헤드(17)에는 상기 연소실(14)로 화석연료를 분사하기 위한 연료 인젝터(102)가 장착되어 있다. 또한, 상기 흡기포트(15)에는 상기 수소가스 인젝터(190)가 장착되어 있다. 전술한 바와 같이, 상기 연료 인젝터(102)와 상기 수소가스 인젝터(190)는 선박의 속도 조절기(101)에 의해 분사량이 제어된다.
상기 흡기포트(15) 내로 분사된 수소가스는 흡입공기와 혼합된 후, 상기 연소실(14) 내로 유입된다.
상기 연소실(14) 내로 흡입된 수소가스와 흡입공기 혼합물은, 상기 연료 인젝터(102)에서 분사되는 화석연료와 함께 연소된다. 상기 연소실(14) 내에서 화석연료와 수소가스가 함께 혼소되기 때문에 희박연소가 가능해진다. 따라서, 배출가스 중의 오염물질을 감소시키고, 연비를 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 수소가스 인젝터(190)가 상기 흡기포트(15)에 장착되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 수소가스 인젝터(190)는 상기 연료 인젝터(102)와 함께 실린더 헤드(17)에 장착되어 상기 연소실(14) 내로 수소가스를 직접 분사할 수도 있음은 물론이다.
다음으로, 산소가스의 흐름에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 액화산소탱크(130)의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 상기 액화산소탱크(130)는 내벽(130a)과 외벽(130b)을 갖는 이중벽 구조로 되어 있다. 한편, 상기 액화산소탱크(130)는 액화산소의 유입량을 조절할 수 있는 유입밸브(135)와 액화산소의 유출량을 조절할 수 있는 유출밸브(136)가 각각 마련되어 있다. 또한, 상기 내벽(130a)의 내측에는 액화산소가 저장되어 있고, 상기 내벽(130a)과 상기 외벽(130b) 사이에는 불활성 가스(Inert Gas; G)가 채워져 있다. 상기 액화산소탱크(130)가 이중벽 구조로 되어 있고, 상기 이중벽 사이에 불활성 가스가 채워져 있기 때문에, 상기 액화산소탱크(130)를 단열시키고, 상기 액화산소탱크(130)로부터 액화산소가 외부로 배출되어 화제를 유발하는 것을 방지할 수 있다.
상기 액화산소탱크(130)에 저장된 액화산소는 이후, 필요한 시기에 필요한 양만큼 상기 유출밸브(136)를 통하여 배출되고, 이후 산소 공급관(132)을 통하여 상기 공기냉각챔버(133)로 운송된다.
본 실시예에서, 상기 엔진 시스템(100)은 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 과급시키는 터보차저(194)를 구비한다. 상기 터보차저(194)는 엔진(10)의 흡기포트(15)에 마련되어 있다. 상기 공기냉각챔버(133)는, 상기 터보차저(194)로 유입될 흡입공기를 상기 액화산소탱크(130)로부터의 액화산소와 혼합시켜 냉각시키기 위해 마련된 것으로, 상기 터보차저(194)와 유체연통가능하게 상기 흡기포트(15)에 마련되어 있다. 상기 흡기포트(15)를 통하여 유입되는 외기는 상기 공기냉각챔버(133)에서 액화산소와 혼합되어 냉각된 후, 상기 터보차저(194)에서 과급되어 엔진의 연소실(14)로 유입된다.
흡입공기가 액화산소와 혼합하여 냉각되어 연소실(14)로 공급되므로 엔진(10)의 체적효율(volumetric efficiency)을 높여 엔진의 출력을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템(100)은, 퍼지가스 유입구(175) 및 퍼지가스 유출구(173)를 더 포함할 수 있다.
도 9는 도 1의 엔진 시스템에 퍼지가스 유입구 및 퍼지가스 유출구가 부가된 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 엔진 시스템(100)은 수소가스가 흐르는 유로를 청소하기 위하여, 상기 브라운 가스 공급관(112)에 마련된 퍼지가스 유입구(175), 및 상기 수소가스 매니폴드(170)와 상기 수소가스 인젝터(190) 사이의 수소가스 공급관(172)에 마련된 퍼지가스 유출구(173)를 포함한다. 또한, 상기 퍼지가스 유입구(175)에는 유입될 퍼지가스의 유량을 조절하기 위한 유량제어 밸브(176)가 마련되어 있다. 또한, 상기 퍼지가스 유출구(173)에는 유출될 퍼지가스의 유량을 조절하기 위한 유량제어 밸브(174)가 마련되어 있다.
상기 엔진 시스템(100)의 미사용시, 또는 상기 엔진 시스템(100)이 정상적으로 작동되지 않는 긴급 상황시, 상기 엔진 시스템(100)의 수소가스 유로에는 남아있는 수소가스가 폭발할 위험성이 있다. 따라서, 이를 방지하고자, 상기 엔진 시스템(100)의 미상용시 또는 긴급상황시, 상기 유량제어 밸브(176)를 개방하여 상기 퍼지가스 유입구(175)를 통하여 상기 브라운 가스 공급관(112)으로 퍼지가스를 유입시킨다. 유입된 퍼지가스는 수소가스 유로 내에 남겨진 수소가스를 제거한다. 즉, 유입된 퍼지가스는, 상기 브라운 가스 공급관(112)으로부터, 브라운 가스 운송관(113), 기액분리기(127), 액화가스관(131), 3방향 밸브(134), 액화수소관(142), 액화수소탱크(150), 수소 공급관(144), 수소압축기(160), 수소 공급관(162), 수소가스 매니폴드(170), 및 수소가스 공급관(172)을 순차적으로 지난 후, 상기 퍼지가스 유출구(173)를 통하여 배출된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템(100)에 따르면, 작은 용량의 브라운 가스 발생기를 채용하여 잉여전력의 발생시에 액화산소와 액화수소를 미리 분리 저장시키고 필요시에 사용할 수 있다.
따라서, 작은 용량의 브라운 가스 발생기를 이용하면서도 안정적으로 수소가스를 공급하여, 엔진의 가연한계를 높일 수 있다. 또한, 액화산소를 흡입공기의 냉각에 사용하여 엔진의 체적효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 선박의 엔진과 같은 대형엔진에 브라운 가스를 공급하기 위하여 대용량의 브라운 가스 발생기를 구비하지 않아도 되는 장점이 있다.
도 10은 도 1의 엔진 시스템에 있어서, 가스연소유닛(163)이 부가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
상기 엔진 시스템(100)이 정상적으로 작동되지 않는 긴급 상황시, 상기 액화수소탱크(150), 상기 수소압축기(160), 상기 수소가스 매니폴드(170), 및 상기 유량제어밸브(180)에는 수소가스가 잔류하여 폭발의 위험성이 있다. 상기 가스연소유닛(163)은 잔류 수소가스를 공급받아 연소시킴으로써, 수소가스의 폭발에 의한 사고를 사전에 예방할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법의 개략적 순서도이다.
상기 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법은, 브라운 가스 생산단계(S101), 브라운 가스 냉각단계(S102), 액화산소 저장단계(S103), 액화수소 저장단계(S104), 액화수소 가열단계(S105), 수소가스 압축단계(S106) 및 연료분사단계(S107)를 포함한다.
상기 브라운 가스 생산단계(S101)에서는, 물을 전기 분해하여 브라운 가스를 생산한다.
상기 브라운 가스 냉각단계(S102)에서는, 상기 브라운 가스 생산단계(S101)에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화수소로 분리시킨다.
상기 액화산소 저장단계(S103)에서는, 상기 브라운 가스 냉각단계(S102)에서 분리된 액화산소를 액화산소탱크에 저장한다.
상기 액화수소 저장단계(S104)에서는, 상기 브라운 가스 냉각단계(S102)에서 분리된 액화수소를 액화수소탱크에 저장한다.
상기 액화수소 가열단계(S105)에서는, 상기 액화수소탱크로부터 액화수소를 공급받아 가열시켜 수소가스로 변환시킨다.
상기 수소가스 압축단계(S106)에서는, 가열된 수소가스를 고압으로 압축시키고 일정압력으로 유지시킨다.
상기 연료분사단계(S107)에서는, 상기 수소가스 압축단계(S106)에서 가압된 수소를 엔진의 연소실로 분사시킨다.
또한, 상기 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법은, 상기 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 상기 액화산소 저장단계(S103)에서 액화된 산소와 혼합시켜 냉각시키는 흡입공기 냉각단계;를 포함할 수도 있다.
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 가진자에게 명백할 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 엔진 11:피스톤
12: 실린더 블록 14: 연소실
15: 흡기포트 16: 배기포트
17: 실린더 헤드 100: 엔진 시스템
101: 속도 조절기 102: 연료 인젝터
110: 브라운 가스 발생기 112: 브라운 가스 공급관
113: 브라운 가스 운송관 120: 콜드박스유닛
130: 액화산소탱크 133: 공기냉각챔버
150: 액화수소탱크 158: 가열기
160: 수소압축기 163: 가스연소유닛
170: 수소가스 매니폴드 173: 퍼지가스 유출구
175: 퍼지가스 유입구 180: 유량제어 밸브
190: 수소가스 인젝터 194: 터보차저

Claims (16)

  1. 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템으로서,
    엔진;
    브라운 가스를 생산하는 브라운 가스 발생기;
    상기 브라운 가스 발생기에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화수소로 분리시키는 콜드박스유닛;
    상기 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화산소를 공급받아 저장하는 액화산소탱크;
    상기 콜드박스유닛으로부터 분리된 액화수소를 공급받아 저장하는 액화수소탱크;
    상기 액화수소탱크로부터의 액화수소를 가열시켜 수소가스로 변환하는 가열기;
    상기 가열기에서 가열된 수소가스를 압축시키는 수소압축기;
    상기 수소압축기로부터 압축된 수소를 공급받아 일시저장하는 수소가스 매니폴드; 및
    상기 수소가스 매니폴드로부터 수소를 공급받아 상기 엔진의 연소실로 수소를 분사하는 수소가스 인젝터;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 콜드박스유닛으로부터의 액화산소 또는 액화수소를 선택적으로 상기 액화산소탱크 또는 상기 액화수소탱크로 공급하도록 하는 3방향 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 브라운 가스 발생기와 상기 콜드박스유닛 사이에는, 상기 브라운 가스 발생기에서 생산된 브라운 가스를 상기 콜드박스유닛에 공급하기 위한 브라운 가스 공급관이 마련되어 있고,
    상기 콜드박스유닛과 상기 액화수소 탱크 사이, 상기 액화수소 탱크와 상기 수소압축기 사이, 상기 수소압축기와 상기 수소가스 매니폴드 사이, 및 상기 수소가스 매니폴드 및 상기 수소가스 인젝터 사이에는 수소가스 공급관이 각각 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 브라운 가스 공급관, 및 상기 각각의 수소가스 공급관은 이중벽 구조로 되어 있으며,
    상기 이중벽 사이에는 불활성 기체로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진 시스템 내에서 수소가스가 흐르는 유로를 청소하기 위하여,
    상기 브라운 가스 공급관에 마련되는 퍼지가스 유입구; 및
    상기 수소가스 매니폴드 및 상기 수소가스 인젝터 사이에 마련된 수소가스 공급관에 마련된 퍼지가스 배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 수소가스 매니폴드와 상기 수소가스 인젝터 사이에 마련된 수소가스 공급관에는, 상기 수소가스 인젝터로 공급되는 수소가스의 유량을 조절하기 위한 유량제어밸브가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진 시스템은 선박의 동력원으로 이용되고,
    상기 엔진에 사용되는 화석연료의 사용량에 따라 상기 엔진의 연소실로 유입되는 수소가스의 유량을 조절하도록, 상기 유량제어밸브는 상기 선박의 속도 조절기(Governor)와 연계되는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진 시스템의 미작동 또는 긴급 상황시,
    상기 액화수소탱크, 상기 수소압축기, 상기 수소가스 매니폴드, 및 상기 유량제어밸브에 남겨진 수소가스를 공급받아 연소시키는 가스연소유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 시스템은,
    상기 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 과급시키는 터보차저를 구비하고,
    상기 터보차저로 유입될 흡입공기를 상기 액화산소탱크로부터의 액화 산소와 혼합시켜 냉각시키도록, 상기 터보차저와 유체연통하는 공기냉각챔버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 액화산소탱크와 상기 공기냉각챔버 사이에는 산소 공급관이 마련되어 있고,
    상기 산소 공급관은 이중벽 구조로 되어 있으며,
    상기 이중벽 사이에는 불활성 기체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화산소탱크 및 상기 액화수소탱크는 이중벽 구조로 되어 있으며,
    상기 이중벽 사이에는 불활성 기체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소가스 인젝터는, 상기 엔진의 연소실로 수소가스를 직접 분사하도록 상기 엔진의 실린더 헤드에 장착되는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소가스 인젝터는, 상기 엔진의 연소실에 흡입공기를 유입시키도록 안내하는 흡기포트에 장착되어 상기 흡기포트 내로 수소가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진 시스템.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 엔진 시스템;을 포함하는 선박.
  15. 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법으로서,
    브라운 가스를 생산하는 브라운 가스 생산단계;
    상기 브라운 가스 생산단계에서 생산된 브라운 가스를 냉각시켜 액화산소와 액화산소로 분리시키는 브라운 가스 냉각단계;
    상기 브라운 가스 냉각단계에서 분리된 액화산소를 액화산소탱크에 저장하는 액화산소 저장단계;
    상기 브라운 가스 냉각단계에서 분리된 액화수소를 액화수소탱크에 저장하는 액화수소 저장단계;
    상기 액화수소탱크로부터 액화수소를 공급받아 가열시켜 수소가스로 변환시키는 가열단계;
    상기 가열단계에서 가열된 수소가스를 압축시키는 수소가스 압축단계; 및
    상기 압축된 수소가스를 상기 엔진의 연소실로 분사하는 연료분사단계;를 포함하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 엔진의 연소실로 흡입되는 흡입공기를 상기 액화산소 저장단계에서 액화된 산소와 혼합시켜 냉각시키는 흡입공기 냉각단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용하는 엔진의 구동방법.
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