KR20130054345A - 가스 연소식 엔진 - Google Patents

Abstract

가스 위험 구역에 용이하게 배치 가능한 왕복식 펌프를 이용하고, 연료의 액화 가스 (예를 들어 LNG) 를 고압화하여 공급할 수 있는 가스 연소식 엔진을 제공한다.
가스 연소식 엔진 (1) 의 가스 연료 공급 장치 (10) 가, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프 (20) 와, 전자 제어 유닛 (60) 의 유압 계통 (61) 으로부터 고압 작동유의 일부를 도입하여 유압 모터 (50) 에 공급·구동하는 유압 도입 계통과, 유압 모터 (50) 의 구동에 사용한 고압 작동유를 유압 계통으로 되돌리기 위한 유압 복귀 계통과, 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치 (30) 와, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하여 가열 장치 (30) 의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브 (40) 를 구비하고 있다.

Description

가스 연소식 엔진 {GAS-FIRED ENGINE}

본 발명은, 예를 들어 선박의 주기관이나 발전기 구동 기관 등에 적용되고, 천연 가스 등의 가스 연료를 연료로 하여 운전되는 가스 연소식 엔진에 관한 것이다.

종래, 액화 천연 가스 (이하, 「LNG」 라고 한다) 가 기화된 천연 가스를 연료로 하여 운전하는 디젤 기관은 다수 존재한다. 최근, 현존하는 오일 연소식 저속 디젤 주기관의 환경 배출 성능을 개선하는 대책으로서, 고압 가스 분사형 저속 2 스트로크 디젤 기관 (이하, 「SSD－GI」 라고 한다) 이 주목받고 있다. 이 SSD－GI 는, 종래의 LNG 이용 열기관 (예를 들어 증기 터빈 등) 에 비해 고열효율 및 고응답성의 기관이고, 또한, 저속에서의 출력이 가능한 기관으로서, 프로펠러에 직결하여 구동할 수 있다.

그러나, 천연 가스를 연료로 하는 SSD－GI 의 경우에는, 실적이 있는 오일 연소식 디젤 기관과는 달리, 연소실 내에 천연 가스를 고압 (약 150 ∼ 300 bar 까지) 으로 공급하는 고압 분사 기술이 성숙되어 있지 않아, 아직 LNG 연료 공급에 관련하여 확립된 기술은 눈에 띄지 않는다.

종래, SSD－GI 가 LNG 선의 주기관 후보로 되어 있었을 무렵에는, 대략 대기압의 보일 오프 가스 (이하, 「BOG」 라고 한다) 를 다단 가스 압축기로 압축하고, 또한 압축 과정 또는 압축 후에 BOG 를 냉각하고 나서 엔진 연료에 사용하는 방법이 검토되어 왔다. 그러나, BOG 를 압축 및 냉각하는 방법은 대규모 설비를 필요로 하고, 게다가 큰 동력을 소비하는 것이 결점으로 여겨져 왔다.

또한, LNG 운반선의 추진 엔진으로서는, 예를 들어 하기의 특허문헌 1 (도 7 등을 참조) 에 기재되어 있는 바와 같이, 가스 탱크 내의 BOG 를 저압 및 고압의 컴프레서에 의해 2 단 압축하여 엔진실 내에 도입하는 것이 있다.

한편, LNG 선에서 BOG 의 재액화 시스템이 실현된 요즘에는, BOG 를 연료로 하지 않고 액화 보존하는 것이 가능해져 있다. 이 때문에, BOG 의 유효한 이용 관점에서, 종래의 LNG 선에서는 BOG 를 연료로 하는 방법에 노력을 기울여 왔으나, LNG 를 주기관의 주연료로 하는 것에 이 점에서의 장해는 없어지고 있다. 또, LNG 선 이외의 선박에서 LNG 를 연료로 하는 경우에는, 가압 방식의 LNG 탱크를 이용함으로써 BOG 처리가 불필요하다.

이러한 배경으로부터, 최근의 선박에 있어서는 주기관 등의 연료로서 양호한 환경 배출 성능을 가지고 있는 LNG 의 사용이 주목받게 되어, LNG 의 사용 방법 등에 관한 여러 연구 개발이 활발해지고 있다.

그런데, 천연 가스를 고압 분사하여 연료 공급하는 방법으로서는, LNG 를 고압화하고 나서 가열·기화시키는 것을 생각할 수 있다. 이러한 LNG 의 고압화는 왕복 펌프를 사용한 승압이 일반적이다. 이 왕복 펌프는 회전 속도가 300 rpm 정도이기 때문에, 일반적인 전동기 속도의 회전 속도인 1800 ∼ 3600 rpm 과 비교하면 상당히 저속이 된다. 이 때문에, 왕복 펌프를 전동기에 의해 구동하는 경우에는, 왕복 펌프의 회전 속도까지 감속시키는 기구가 필요하다.

또, 왕복 펌프의 운전에 사용되는 일반적인 감속 기구로서는, 기어드 방식이나 풀리 방식이 알려져 있다. 기어드 방식의 감속 기구는, 치수 (齒數) 가 상이한 복수의 기어를 조합한 감속 기구이고, 풀리 방식의 감속 기구는, V 벨트로 연결된 대소의 휠을 회전시키는 구조이다.

또한, 액화 가스의 재가스화 플랜트에 있어서는, 예를 들어 하기의 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 저장 탱크 내에서 꺼낸 액화 가스의 압력을 액체 상태에서 펌프에 의해 승압시켜 고압화하는 것이 실시되고 있다.

또, 최근의 선박용 디젤 기관에 있어서는, 세계적인 선박용 기관에 대한 배기 가스 규제 강화에 대응하여 질소 산화물 저감 등의 환경 대응에 유효한 전자 제어 기관이 개발되고 있다. 이 전자 제어 기관은, 연료 분사계, 배기 구동 밸브계, 시동계 및 실린더 주유계의 적어도 일부에 대해 종래의 캠 축에 의한 구동을 전자 제어화한 것으로, 컨트롤러와 전자 밸브로 고압 작동유를 제어하여, 엔진의 각 장치를 구동하는 방식이 채용되어 있다.

일본 공개특허공보 평9－209788호 일본 공개특허공보 2009－204026호

상기 서술한 바와 같이, 최근의 선박에 있어서는 주기관의 연료로서 LNG 의 주목도가 늘어나고 있지만, 연소실 내에 천연 가스를 고압으로 분사하기 위한 고압 가스 공급 기술은 확립되어 있지 않다. 그리고, 천연 가스를 엔진 연료로서 고압 분사하기 위해서는 왕복식 펌프에 의한 LNG 의 고압화가 필요해진다고 생각되고 있어, 왕복식 펌프의 구동 제어에 관련된 하기의 문제가 지적되고 있다. 즉, 왕복 펌프의 구동원으로서 전동기를 이용하고, 감속 기구를 개재시켜서 왕복 펌프의 회전 속도까지 감속하는 운전 방식을 채용하면, 감속 기구나 전동기에 관련하여 하기의 문제가 발생한다..

제 1 문제는, 왕복식 펌프의 전동기 구동에 필요한 기계적 감속 기구에 관한 것이다.

구체적으로 설명하면, 기어드 방식의 감속 기구는, 왕복 펌프측에서의 토크 변동에 의한 기어 치면이나 이뿌리로의 데미지가 예상된다. 이 때문에, 장시간 연속 운전에 대한 내구성을 고려하면, 토크 변동을 완충하기 위한 탄성 이음매나 관성 휠 등, 커플링에 대한 고려가 필요해진다.

한편, 풀리 방식의 감속 기구는 피스톤 펌프 특유의 토크 변동을 벨트의 슬립에 의해 완화할 수 있다는 이점을 가지고 있지만, 벨트는 단기간에 교환을 필요로 하는 소모품이기 때문에, 장기간의 연속 사용에 적합하지 않은 방식이다. 또, 풀리 방식의 감속 기구는 노출되는 고속 접촉부에서 불꽃 발생이 염려되기 때문에, 가스 위험 구역에 대한 설치는 안전상 바람직하지 않다.

제 2 문제는 왕복 펌프를 구동하는 전동기에 관한 것이다.

구체적으로 설명하면, 전동기는, 감속 기구에 의해 왕복 펌프의 회전 속도까지 감속하는 경우, 상기 서술한 기어드 방식 및 풀리 방식 중 어느 방식을 채용해도 주파수 제어 기구 (인버터) 가 필요하다. 그러나, 전동기의 주파수 제어 기구는 저주파수에서의 정밀도에 어려움이 있기 때문에, 제어 범위가 넓고, 상당한 저속 회전 영역에서도 고정밀도의 제어를 필요로 하는 경우에는 불리하다.

또, 전동기 등의 전기 기기류를 가스 위험 구역에 설치하는 경우에는, 사용 가능한 기기의 선택에 제약을 받기 때문에, 전동기 구동의 왕복 펌프를 가스 위험 구역에 설치하기에는 많은 제약을 받게 된다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 예를 들어 전자 제어화된 고압 가스 분사형 저속 2 스트로크 디젤 기관과 같이, 연소실 내에 연료 가스 (예를 들어 천연 가스) 를 고압으로 공급하는 고압 가스 분사 디젤 기관에 적용되는 고압 분사 기술에 있어서, 가스 위험 구역에 용이하게 배치 가능한 왕복식 펌프를 이용하고, 연료의 액화 가스 (예를 들어 LNG) 를 고압화하여 공급할 수 있는 가스 연소식 엔진을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 하기의 수단을 채용하였다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 가스 연소식 엔진은, 컨트롤러 및 전자 밸브로 고압 작동유를 제어함으로써 엔진을 구동하는 전자 제어 유닛과, 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서, 상기 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 상기 전자 제어 유닛의 유압 계통으로부터 상기 고압 작동유의 일부를 도입하여 상기 유압 모터에 공급·구동하는 유압 도입 계통과, 상기 유압 모터의 구동에 사용한 상기 고압 작동유를 상기 유압 계통으로 되돌리기 위한 유압 복귀 계통과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다.

상기 제 1 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 의하면, 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 전자 제어 유닛의 유압 계통으로부터 고압 작동유의 일부를 도입하여 유압 모터에 공급·구동하는 유압 도입 계통과, 유압 모터의 구동에 사용한 고압 작동유를 유압 계통으로 되돌리기 위한 유압 복귀 계통과, 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다. 이로 인해, 전자 제어 유닛의 고압 작동유를 유효하게 이용함으로써 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제하고, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다.

이러한 가스 연소식 엔진은, 엔진 부하의 상승에 의해 엔진 회전수도 상승하므로, 전자 제어 유닛에 고압 작동유를 공급하는 엔진 구동의 유압 펌프 토출량 및 유압이 상승한다. 따라서, 연료 (기화된 액화 가스) 소비량이 증가하면, 요구되는 유량 및 압력도 증가하는 액화 가스 승압용 왕복식 펌프에 있어서, 전자 제어 유닛의 고압 작동유는 바람직한 유압원이 된다.

상기 제 1 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 있어서, 상기 유압 모터의 회전 속도는, 상기 전자 제어 유닛에 상기 고압 작동유를 공급하는 유압 펌프의 토출량을 조정하여 제어되는 구성이어도 된다. 즉, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전 속도의 제어는, 전자 제어 유닛 내에 고압 작동유를 공급하는 유압 펌프의 용량 제어 (유량 제어) 를 실시하여 이루어지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어의 추가는 불필요해진다.

또, 유압 모터로 구동되는 왕복식 펌프와, 유압 모터에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프는 가스 위험 구역 내에 대한 설치가 용이해진다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 가스 연소식 엔진은, 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서, 상기 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 엔진 배기 정압관으로부터 배기 가스의 일부를 추출하여 운전되는 배기 터빈의 회전축에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다.

상기 제 2 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 의하면, 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 엔진 배기 정압관으로부터 배기 가스의 일부를 추출하여 운전되는 배기 터빈에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다. 이로 인해, 엔진 부하의 상승에 수반하여 발생량이 증가하는 배기 가스의 유효한 이용에 의해 유압 펌프 유닛을 구동하고, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다. 이 경우, 엔진 부하가 상승하면 배기 가스량도 증가하므로, 연료 (기화된 액화 가스) 소비량이 증가하면, 요구되는 유량 및 압력도 증가하는 액화 가스 승압용 왕복식 펌프에 있어서, 배기 터빈 구동의 유압 펌프는 바람직한 유압원이 된다.

또, 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제하고, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다.

본 발명의 제 3 양태에 관련된 가스 연소식 엔진은, 과급기와, 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서, 상기 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 상기 과급기의 회전축에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다.

상기 제 3 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 의하면, 가스 연료 공급 장치가, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 과급기의 회전축에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다. 이로 인해, 엔진 부하의 상승에 수반하여 발생량이 증가하는 배기 가스의 유효한 이용에 의해 유압 펌프 유닛을 구동하고, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다. 이 경우, 엔진 부하가 상승하면 배기 가스량도 증가하므로, 연료 (기화된 액화 가스) 소비량이 증가하면, 요구되는 유량 및 압력도 증가하는 액화 가스 승압용 왕복식 펌프에 있어서, 배기 터빈 구동의 유압 펌프는 바람직한 유압원이 된다.

또, 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제하고, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다.

상기 제 2 양태 또는 상기 제 3 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 있어서, 상기 가스 연료 공급 장치는, 상기 유압 펌프를 가변 용량형으로 하고, 상기 제어부가 상기 유압 펌프의 가변 용량 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 구성이어도 된다. 이로 인해, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전 속도 조정이 유압 펌프를 용량 제어 (유량 제어) 함으로써 이루어지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다. 이 경우에 바람직한 가변 용량 제어로서는, 예를 들어 유압 펌프를 사판식 (斜板式) 으로 하고, 사판 각도를 적절히 조정하여 펌프 토출량을 제어하는 방식이 있다.

또, 유압 모터로 구동하는 왕복식 펌프와, 유압 모터에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프는 가스 위험 구역 내에 대한 설치가 용이해진다.

상기 제 2 양태에 관련된 가스 연소식 엔진에 있어서, 상기 가스 연료 공급 장치는, 상기 유압 펌프를 일정 용량형으로 하고, 상기 제어부가 상기 배기 터빈의 회전수 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하도록 해도 된다. 이 경우, 배기 터빈의 입구측에 배기 가스 유량의 제어 밸브를 설치해 두고, 밸브 개도를 적절히 조정하여 배기 터빈의 회전수를 제어하면 된다.

이와 같이 하여도, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전 속도 조정이 구동측의 배기 터빈 회전수를 제어함으로써 이루어지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다. 또, 유압 모터로 구동하는 왕복식 펌프와, 유압 모터에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프는 가스 위험 구역 내에 대한 설치가 용이해진다.

상기 서술한 본 발명의 가스 연소식 엔진에 의하면, 예를 들어 전자 제어화된 고압 가스 분사형 저속 2 스트로크 디젤 기관과 같이, 연소실 내에 연료 가스 (예를 들어 천연 가스) 를 고압으로 공급하는 고압 가스 분사 디젤 기관에 있어서, 가스 위험 구역에 용이하게 배치 가능한 유압 펌프 구동의 왕복식 펌프를 이용하고, 연료의 액화 가스 (예를 들어 LNG) 를 고압화하여 공급 가능해진다.

그리고, 엔진측의 전자 제어 유닛으로부터 유압을 공급받으면, 왕복식 펌프 구동용 유압 모터에 유압을 공급하는 새로운 유압 유닛의 설치가 불필요해진다. 이로 인해, 가스 연소식 엔진의 설치 스페이스나 비용 저감이 가능해져, 특별히 한정된 선박 내에 있어서는 적하 스페이스를 늘리는 등 선박 내 공간의 유효한 이용이 가능해진다.

또, 배기 가스를 이용하여 운전되는 배기 터빈이나 과급기의 축 출력을 이용하여 유압 펌프를 구동하는 방식으로는, 왕복식 펌프 구동용 유압 모터에 유압을 공급하는 유압 유닛의 구성 기기를 최소한으로 억제할 수 있다. 이로 인해, 가스 연소식 엔진의 설치 스페이스나 비용 저감이 가능해져, 특별히 한정된 선박 내에 있어서는 적하 스페이스를 늘리는 등 선박 내 공간의 유효한 이용이 가능해진다.

도 1 은 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진의 일 실시형태로서 제 1 실시형태를 나타내는 계통도이다.
도 2 는 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진의 일 실시형태로서 제 2 실시형태를 나타내는 계통도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진의 일 실시형태로서 제 3 실시형태를 나타내는 계통도이다.
도 4 는 가로축을 운전점 (OP) 으로 하여, 세로축에 왕복식 펌프의 펌프 부하 및 재순환 제어 밸브 (RCV) 개도를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

＜제 1 실시형태＞

도 1 에 나타내는 실시형태의 가스 연소식 엔진 (1) 은, 컨트롤러 및 전자 밸브로 고압 작동유를 제어함으로써 엔진을 구동하는 전자 제어 유닛 (60) 과, 엔진의 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치 (10) 를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관이다.

또한, 후술하는 전자 제어 유닛 (60) 은, 가스 연소식 엔진 (1) 의 연료 분사계, 배기 구동 밸브계, 시동계 및 실린더 주유계 중 적어도 일부에 대해, 종래의 캠 축에 의한 구동을 전자 제어화한 것이다.

도시하는 가스 연소식 엔진 (1) 에는, 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 액화 가스를 기화시킨 연료 가스를 분사하여 공급하는 「고압 모드」 를 구비한 가스 연료 공급 장치 (10) 가 설치되어 있다. 본 실시 형태에 관련된 가스 연소식 엔진 (1) 의 구체예로서는, 고압 가스 분사 디젤 기관, 예를 들어 고압 가스 분사형 저속 2 스트로크 디젤 기관 (이하, 「SSD－GI」 라고 한다) 이 있다.

또한, 이하의 설명에 있어서는, 액화 가스를 액화 천연 가스 (이하, 「LNG」 라고 한다) 로 하고, LNG 가 기화된 천연 가스를 연료 가스로 하는데, 본 실시 형태의 기관 및 장치는, 예를 들어 액화 석유 가스 (LPG) 등의 액화 가스를 연료로 하는 기관에도 적용 가능하다.

가스 연료 공급 장치 (10) 는, 왕복식 펌프 (20) 로 LNG 를 승압하고 나서 기화시킨 천연 가스를 고압 가스 분사 기관의 연소실 내로 분사하여 공급하는 LNG 연료계와, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압계와, 유압 모터 (50) 등의 제어를 실시하는 제어부 (도시 생략) 를 구비하고 있다. 또한, 도시하는 구성예에서는, 1 세트의 LNG 연료계 및 유압계를 나타내고 있는데, 각각 복수 설치가 연결된 구성으로 해도 되고, 이것에 한정되는 것은 아니다.

LNG 연료계는, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되는 왕복식 펌프 (20) 를 구비하고 있다. 이 왕복식 펌프 (20) 는, 대략 대기압 상태에 있는 LNG 를 도입하여, 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 펌프이다.

왕복식 펌프 (20) 의 토출측에 접속된 LNG 공급 배관 (22) 은, 펌프측부터 순서로 배치된 가열 장치 (30) 및 엔진 입구 가스 감압 밸브 (이하, 「가스 감압 밸브」 라고 한다) (40) 를 구비하고 있다.

가열 장치 (30) 는, 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 LNG 를 가열하여 기화시키는 장치이다. 즉, 가열 장치 (30) 에 유입된 고압의 LNG 는 장치 내에서 가열됨으로써, LNG 가 기화된 천연 가스로서 유출된다.

가열 장치 (30) 의 출구 근방에는 압력 센서 (도시 생략) 가 설치되어 있고,이 압력 센서에서 검출된 천연 가스 출구 압력 (PV) 이 가스 연료 출구 압력으로서 제어부에 입력된다. 이 제어부는 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 미리 정한 일정한 압력값으로 유지하기 위하여, 후술하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정한다. 또한, 이 제어부는 후술하는 전자 제어 유닛 (60) 의 제어부와 일체로 구성된 것이어도 된다.

가열 장치 (30) 로부터 공급되는 천연 가스는 가스 감압 밸브 (40) 에 의해 원하는 압력으로 조정된 후, 고압의 연소실 내로 분사되어 공급된다. 즉, 가스 감압 밸브 (40) 로 조정되는 천연 가스의 분사 (공급) 압력은, 피스톤에 압축되어 고압 상태에 있는 연소실 내로 분사하기 위해서, 연소실 내의 압력보다 고압으로 설정할 필요가 있다. 이러한 고압으로 연소실 내로 천연 가스를 분사하는 운전 모드를 「고압 모드」 라고 부른다. 또한, SSD－GI 의 경우, 고압 모드에 있어서의 천연 가스의 분사 압력은 대체로 150 ∼ 300 bar 이다.

가스 감압 밸브 (40) 는, 상기 서술한 「고압 모드」 에 더하여, 가스 연료인 천연 가스를 가스 스파크식 오토 사이클 엔진의 연료로서 공급하는 「저압 모드」 를 구비하고 있다. 이 「저압 모드」 는, 예를 들어 선박 내 전력을 조달하는 발전 기관 등에 대해 가스 연료를 공급하는 경우에 사용되고, 「고압 모드」 와 비교하여 저압이 된다.

LNG 공급 배관 (22) 은 가열 장치 (30) 의 상류측으로부터 분기되는 재순환 라인 (23) 을 구비하고 있다. 이 재순환 라인 (23) 은, 왕복식 펌프 (20) 로 승압된 LNG 를 가열 장치 (30) 의 상류측으로부터 분기시켜 흡입 드럼 (24) 에 흘려 보내는 배관 계통으로서, 흡입 드럼 (24) 의 상류측에는 유량 조정 밸브인 재순환 제어 밸브 (25) 가 설치되어 있다. 흡입 드럼 (24) 에 접속되는 LNG 도입 배관 (21) 은 도시되지 않은 LNG 탱크 등에 접속되어 있다.

이러한 재순환 라인 (23) 을 설치함으로써, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 제어할 수 없는 저속 영역이나 위급하게 LNG 유량을 줄이는 경우에는, 유량 조정 밸브 (25) 의 개도 조정에 의해 재순환 라인 (23) 을 흐르는 LNG 재순환 유량을 제어하여 대응하는 것이 가능해진다.

구체적으로 설명하면, 예를 들어 도 4 에 나타내는 설명도와 같이, 펌프 부하가 작은 저속 영역에서는 재순환 제어 밸브 (25) 의 개도를 늘려 재순환 유량을 확보하고, 즉, 펌프 부하가 작은 운전점 (OP) 에서는 재순환 유량을 늘림으로써 왕복동 펌프 (20) 를 흐르는 LNG 의 총 유량을 확보하여, 유압 모터 (50) 의 제어가 가능한 회전수 영역으로 유지한다. 또, 위급하게 LNG 량을 줄이는 경우에는, 재순환 제어 밸브 (25) 의 개도를 늘려 가열 장치 (30) 를 바이패스하는 재순환 유량을 증가시켜서 가열 장치 (30) 에 대한 공급량을 제한하면 된다.

흡입 드럼 (24) 은, LNG 공급 배관 (22) 으로부터 분기시켜 도입한 LNG 를 모아, 왕복식 펌프 (20) 의 재순환 흡입부로 되돌리는 LNG 용기이다. 재순환 라인 (23) 에 도입되는 LNG 의 재순환 유량은, 제어부로부터 출력되는 운전점 (OP) 의 제어 신호에 기초하여 동작하는 재순환 제어 밸브 (25) 에 의해 조정된다. 이 운전점 (OP) 의 제어 신호는, 예를 들어 기관 회전수에 의해 부여되는 설정점 (SP) 과 압력 센서에서 검출한 천연 가스 출구 압력 (PV) 에 기초하여, 제어부가 출력하는 운전점을 정한 개도 신호이다.

또한, 이 경우의 설정점 (SP) 은, 상기 서술한 기관 회전수와 같이, 가스 감압 밸브 (40) 의 제어성이 높은 압력값이 되는 변동값을 채용해도 되고, 혹은, 설정점 (SP) 을 고정값으로 해도 된다.

그리고, 이 경우의 유압계는, 전자 제어 유닛 (60) 이 보유하는 유압의 일부를 도입하여, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 공급한다. 즉, 전자 제어 유닛 (60) 의 유압 계통 (61) 으로부터 고압 작동유의 일부를 도입하여 유압 모터 (50) 에 공급·구동하는 유압 도입 계통 (51) 과, 유압 모터 (50) 의 구동에 사용한 고압 작동유를 유압 계통 (61) 으로 되돌리기 위한 유압 복귀 계통 (52) 을 구비하고 있다.

전자 제어 유닛 (60) 의 유압 계통 (61) 은, 크랭크 케이스 (62) 내에 저류 되어 있는 엔진 윤활유의 일부를 고압의 유압 작동유로서 사용하는 것이다.

크랭크 케이스 (62) 내의 엔진 윤활유는 윤활유 라인 (63) 에 설치한 전동 윤활유 펌프 (64) 로 필터 유닛 (65) 에 공급된다. 이 엔진 윤활유는, 필터 유닛 (65) 에서 이물질 제거가 이루어진 후, 엔진 구동 펌프 (66) 또는 전동 펌프 (67) 에 의해 승압된 고압 작동유가 유압 계통 (61) 에 공급된다. 이 경우, 상기 서술한 전동 펌프 (67) 는 엔진 시동시에 필요한 것으로서, 엔진 시동 후의 통상적인 운전에서는 엔진 구동 펌프 (66) 로부터의 유압 공급이 주로 사용된다.

또한, 가스 연소식 엔진 (1) 으로 구동되는 엔진 구동 펌프 (66) 와 유압 계통 (61) 사이에는, 가스 연소식 엔진 (1) 의 역전시에 펌프 흡입 방향 및 펌프 토출 방향을 변화시키는 전환 밸브 블록 (68) 이 설치되어 있다.

유압 도입 계통 (51) 은, 전자 제어 유닛 (60) 의 상류측에서 유압 계통 (61) 으로부터 분기되어, 고압 작동유의 일부를 유압 모터 (50) 에 공급하는 배관 계통이다.

유압 복귀 계통 (52) 은, 유압 모터 (50) 의 구동에 사용한 고압 작동유를 유압 계통 (61) 으로 되돌리는 배관 계통이다. 이 오일 복귀 계통 (52) 에는, 유압 모터 (50) 의 구동에 사용한 고압 작동유를 일단 저류하기 위한 부저류 탱크 (53) 가 설치되어 있다. 이 부저류 탱크 (53) 내에 저류된 작동유는, 전동 오일 복귀 펌프 (54) 를 운전함으로써 유압 복귀 계통 (52) 을 통과하여 크랭크 케이스 (62) 로 되돌려진다.

또, 도면 중의 부호 55 는 유압 도입 계통 (51) 과 부저류 탱크 (53) 사이를 연결하는 관로이며, 부호 56 은 관로 (55) 에 설치된 역지 밸브이다. 관로 (55) 와 역지 밸브 (56) 를 구비함으로써, 엔진의 긴급 정지 등에 부저류 탱크 (53) 로부터 오일을 빨아 올림으로써, 유압 도입 계통 (51) 이 부압이 되는 것을 회피할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태의 가스 연료 공급 장치 (10) 는, 유압 모터 (50) 를 구동하기 위한 유압 공급 계통 (유압 펌프 등) 을 새로 설치하는 것은 아니고, 가스 연소식 엔진 (1) 이 보유하고 있는 전자 제어 유닛 (60) 의 고압 작동유를 유효하게 이용함으로써, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되는 왕복식 펌프 (20) 로 LNG 를 승압하고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 가스 연료 공급 장치 (10) 는, 엔진 연료로서 LNG 를 공급하기 위해서 필요한 유압계에 있어서, 전자 제어 유닛 (60) 의 유압 설비를 공용함으로써, 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제할 수 있다.

이러한 가스 연소식 엔진 (1) 은, 선박 속도에 맞추어 엔진 회전수를 선박측에서 임의로 변경 가능하다. 예를 들어 엔진 부하의 상승에 의해 엔진 회전수도 상승하기 때문에, 전자 제어 유닛 (60) 에 고압 작동유를 공급하는 엔진 구동 펌프 (66) 의 펌프 토출량 및 유압이 상승하게 된다. 즉, LNG 를 기화시킨 가스 연료의 소비량이 증가하면, 유량 및 압력의 요구값이 증대하는 액화 가스 승압용 왕복식 펌프 (20) 에 있어서, 전자 제어 유닛 (60) 의 고압 작동유는 바람직한 유압원이 된다.

바꾸어 말하면, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도는, 전자 제어 유닛 (60) 에 고압 작동유를 공급하는 엔진 구동 펌프 (66) 의 용량 제어 (유량 제어) 를 실시함으로써, 즉, 엔진 구동 펌프 (66) 의 토출량을 조정함으로써 제어 가능해지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다. 이 경우, 엔진 구동 펌프 (66) 로는, 예를 들어 플런저 펌프와 같은 가변 용량형을 채용하여, 플런저 경사각을 조정함으로써 토출량을 제어하는 것이 바람직하다.

따라서, 왕복식 펌프 (20) 의 LNG 토출량은, 유압 모터 (50) 의 회전수 및 유압으로 제어 가능해지므로, 가열 장치 (30) 에 대한 LNG 의 공급량은, 엔진 부하의 변동에 수반하여 고압 작동유의 공급량 및 유압이 증감하는 것에 연동하여 용이하게 제어 (증감) 할 수 있다.

또, 유압 모터 (50) 로 구동하는 왕복식 펌프 (20) 와, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛이 되는 엔진 구동 펌프 (66) 사이는, 서로를 유압 도입 계통 (51) 및 유압 복귀 계통 (52) 의 유압 배관에 의해 접속되어 있다. 즉, 유압 모터 (50) 로 구동하는 왕복식 펌프 (20) 와 유압 공급원이 되는 엔진 구동 펌프 (66) 사이는, 유압 도입 계통 (51) 및 유압 복귀 계통 (52) 으로 접속함으로써 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프 (20) 는 가스 위험 구역 내에 대한 설치도 용이해진다.

또, 선박의 주기관으로부터 유압을 공급하는 구성이 되므로, 별개로 설치한 유압 유닛에 구동 전력을 공급하기 위해서, 주기 (主機) 인 2 스트로크 기관에 비해 열효율에서 뒤떨어지는 발전용 4 스트로크 기관을 구동할 필요가 없어져 운행 비용을 저감할 수 있다.

＜제 2 실시형태＞

다음으로, 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진에 대하여, 제 2 실시형태를 도 2 에 기초하여 설명한다. 또한, 상기 서술한 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2 에 나타내는 실시형태의 가스 연소식 엔진 (1A) 은, 상기 서술한 실시형태와 상이한 구성의 가스 연료 공급 장치 (10A) 를 구비하고 있다. 이 가스 연료 공급 장치 (10A) 에 있어서는, LNG 연료계가 상기 서술한 실시형태와 실질적으로 동일한 구성이지만, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압계의 구성이 상이하다.

이 경우의 유압계는, 가스 연소식 엔진 (1A) 의 배기 가스를 유효하게 이용하여, 유압 모터 (50) 에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛인 유압 펌프 (70) 를 구동하고 있다. 이 유압 펌프 (70) 는, 엔진 배기 정압관 (80) 으로부터 배기 가스의 일부를 추출하여 운전되는 배기 터빈 (81) 을 구동원으로 하는 가변 용량형 펌프로서, 예를 들어 플런저 펌프가 사용된다.

배기 터빈 (81) 에는, 엔진 배기 정압관 (80) 으로부터 배기 가스의 일부를 도입하는 배기 가스 공급 유로 (82) 와, 배기 터빈 (81) 에서 작업을 한 배기 가스를 대기 방출용 연돌로 유도하는 배기 가스 배출 유로 (83) 가 접속되어 있다.

배기 가스 공급 유로 (82) 에는, 필요시에 배기 터빈 (81) 에 공급하는 배기 가스 유량을 조정하기 위해서, 배기 가스 유량 제어 밸브 (84) 가 설치되어 있다. 또, 배기 가스 공급 유로 (82) 에는, 배기 가스 유량 제어 밸브 (84) 의 상류측으로부터 분기되는 배기 가스 바이패스 유로 (85) 가 설치되어 있다. 이 배기 가스 바이패스 유로 (85) 는 배기 가스 배출 유로 (83) 에 접속되고, 그 유로 도중에는 바이패스 유량 조정 밸브 (86) 및 오리피스 (87) 가 설치되어 있다.

엔진 배기 정압관 (80) 에서 배출되는 배기 가스의 주류는, 주배기 가스 공급 유로 (88) 를 통과하여 과급기 (89) 의 배기 터빈 (89a) 에 공급된다. 이 배기 가스 주류는 배기 터빈 (89a) 을 구동시킨 후, 주배기 가스 배출 유로 (90) 를 통과하여 연돌로 유도된다. 또한, 이 주배기 가스 배출 유로 (90) 에는 상기 서술한 배기 가스 배출 유로 (83) 가 접속되어 있다.

과급기 (89) 는, 배기 터빈 (89a) 의 회전축에 의해 구동되는 압축기 (89b) 가 기관실 내의 공기를 흡입하여 압축한다. 압축기 (89b) 로 압축된 급기 (소기 (掃氣)) 용 압축 공기는 공기 냉각기 (91) 에서 냉각됨으로써, 공기 밀도를 높인 상태로 하여 급기 매니폴드 (92) 로 공급된다.

또한, 도면 중의 부호 93 은 가스 연소식 엔진 (1A) 의 실린더로서, 도시하는 구성예에서는 6 기통으로 되어 있지만, 이것에 한정되지는 않는다.

이러한 가스 연소식 엔진 (1A) 에 의하면, 가스 연료 공급 장치 (10A) 의 유압 공급원으로서 대기로 방출하는 배기 가스를 유효하게 이용함으로써, 유압 펌프 (70) 를 운전하여 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 것이 가능해진다.

유압 펌프 (70) 로부터 토출된 고압 작동유는 유압 도입 계통 (51A) 을 통과하여 유압 모터 (50) 에 공급된다. 또한, 유압 모터 (50) 를 구동하여 부저류 탱크 (53) 에 유입된 작동유는, 전동 오일 복귀 펌프 (54) 를 이용하여 작동유 저장 탱크 (59) 로 되돌려진다.

이러한 본 실시 형태의 가스 연소식 엔진 (1A) 에 의하면, 가스 연료 공급 장치 (10A) 는, 엔진 배기 정압관 (80) 으로부터 배기 가스의 일부를 추출하여 운전되는 배기 터빈 (81) 에 의해 구동되는 유압 펌프 (70) 로부터 유압 모터 (50) 에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛인 유압 펌프 (70) 를 구비하고 있다. 이로 인해, 엔진 부하의 상승에 수반하여 발생량이 증가하는 배기 가스의 유효한 이용에 의해 유압 펌프 (70) 를 구동하여, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프 (20) 에 의해 LNG 를 승압하는 것이 가능해진다.

이 경우, 엔진 부하가 상승하면 LNG 를 기화시킨 천연 가스 (엔진 연료) 의 소비량이 증가함과 함께 배기 가스량도 증가하므로, 왕복식 펌프 (20) 에 요구되는 LNG 의 유량 및 압력도 증가한다. 따라서, 이러한 LNG 승압용 왕복식 펌프 (20) 에 있어서, 배기 터빈 (81) 이 구동하는 유압 펌프 (70) 는, 연료측의 요구 변동과 연료 공급측의 왕복동 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 공급되는 유압 변동이 대략 동일한 경향을 나타내므로, 바람직한 유압 공급원이 된다.

또, 상기 서술한 실시형태의 유압계는 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제하고, 유압 모터 (50) 가 구동하는 왕복식 펌프 (20) 에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다.

그런데, 상기 서술한 실시형태의 가스 연료 공급 장치 (10A) 에 있어서는, 유압 펌프 (70) 를 가변 용량형으로 하고, 도시되지 않은 제어부가 유압 펌프 (70) 의 가변 용량 제어를 실시하여 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하여, 가스 감압 밸브 (40) 로부터 가스 연소식 엔진 (1A) 으로 공급하는 천연 가스 (가스 연료) 의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

이러한 가변 용량 제어에 의해, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도 조정이 유압 펌프 (70) 를 용량 제어 (유량 제어) 함으로써 이루어지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다.

이 경우에 바람직한 가변 용량 제어로서는, 예를 들어 유압 펌프를 사판식으로 하고, 배기 가스 유량 제어 밸브 (84) 의 개도를 고정함과 함께 사판 각도를 적절히 조정하여 펌프 토출량을 제어하는 방식이 있다.

또, 상기 서술한 실시형태의 가스 연료 공급 장치 (10A) 는, 유압 펌프 (70) 를 일정 용량형으로 하고, 도시되지 않은 제어부가 배기 터빈 (81) 의 회전수 제어에 의해 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하여, 가스 감압 밸브 (40) 의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하도록 한 변형예도 가능하다. 이 경우, 배기 터빈 (81) 의 입구측에 배기 가스 유량의 제어 밸브, 즉 개도 조정 가능한 유량 제어 밸브 (84) 를 설치해 두고, 유량 제어 밸브 (84) 의 밸브 개도를 적절히 조정하여, 배기 가스 공급량에 의한 배기 터빈의 회전수를 제어하면 된다.

이와 같이 하여도, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도는 구동측의 배기 터빈 회전수를 제어함으로써 조정되므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해진다.

또, 유압 모터 (50) 로 구동하는 왕복식 펌프 (20) 와, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (유압 펌프 (70)) 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프 (20) 는 가스 위험 구역 내에 대한 설치가 용이해진다.

또한 선박의 주기관에서 배출되는 배기 가스 에너지를 유압으로서 유효하게 이용한 구성이 되므로, 별개로 설치한 유압 유닛에 구동 전력을 공급하기 위해서, 주기인 2 스트로크 기관에 비해 열효율에서 뒤떨어지는 발전용 4 스트로크 기관을 구동할 필요가 없어져 운행 비용을 저감할 수 있다.

＜제 3 실시형태＞

다음으로, 본 발명에 관련된 가스 연소식 엔진에 대하여, 제 3 실시형태를 도 3 에 기초하여 설명한다. 또한, 상기 서술한 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3 에 나타내는 실시형태의 가스 연소식 엔진 (1B) 은, 상기 서술한 실시형태와 상이한 구성의 가스 연료 공급 장치 (10B) 를 구비하고 있다. 이 가스 연료 공급 장치 (10B) 에 있어서는, LNG 연료계가 상기 서술한 실시형태와 실질적으로 동일한 구성이지만, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압계의 구성이 상이하다.

이 경우의 유압계는, 가스 연소식 엔진 (1B) 의 배기 가스를 유효하게 이용하여, 유압 모터 (50) 에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛인 유압 펌프 (70A) 를 구동하고 있다. 이 유압 펌프 (70A) 는, 엔진 배기 정압관 (80) 에서 배출되는 배기 가스에 의해 운전되는 과급기 (89) 의 배기 터빈 (89a) 의 회전축에 의해 구동되는 가변 용량형 펌프로서, 예를 들어 플런저 펌프가 사용된다.

배기 터빈 (89a) 에는, 엔진 배기 정압관 (80) 으로부터 배기 가스를 도입하는 주배기 가스 공급 유로 (88) 와, 배기 터빈 (89a) 에서 작업을 한 배기 가스를 대기 방출용 연돌로 유도하는 주배기 가스 배출 유로 (90) 가 접속되어 있다.

엔진 배기 정압관 (80) 에서 배출되는 배기 가스는 주배기 가스 공급 유로 (88) 를 통과하여 과급기 (89) 의 배기 터빈 (89a) 에 공급된다. 이 배기 가스류는 배기 터빈 (89a) 을 구동시킨 후, 주배기 가스 배출 유로 (90) 를 통과하여 연돌로 유도된다.

과급기 (89) 는 배기 터빈 (89a) 의 회전축에 의해 구동되는 압축기 (89b) 가 기관실 내의 공기를 흡입하여 압축한다. 압축기 (89b) 에서 압축된 급기 (소기) 용 압축 공기는 공기 냉각기 (91) 에서 냉각됨으로써, 공기 밀도를 높인 상태로 하여 급기 매니폴드 (92) 에 공급된다.

또한, 도면 중의 부호 93 은 가스 연소식 엔진 (1B) 의 실린더로서, 도시하는 구성예에서는 6 기통으로 되어 있지만, 이것에 한정되지는 않는다.

이러한 가스 연소식 엔진 (1B) 에 의하면, 가스 연료 공급 장치 (10B) 의 유압 공급원으로서 대기로 방출하는 배기 가스를 유효하게 이용한다. 이로 인해, 유압 펌프 (70) 를 과급기 (89) 의 배기 터빈 (89a) 의 축 구동으로 운전하고, 작동유 저장 탱크 (59) 로부터 도입한 작동유를 승압하여 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 것이 가능해진다.

유압 펌프 (70) 로부터 토출된 고압 작동유는 유압 도입 계통 (51A) 을 통과하여 유압 모터 (50) 에 공급된다. 또한, 유압 모터 (50) 를 구동하여 부저류 탱크 (53) 에 유입된 작동유는, 전동 오일 복귀 펌프 (54) 를 이용하여 작동유 저장 탱크 (59) 로 되돌려진다.

이러한 본 실시 형태의 가스 연소식 엔진 (1B) 에 의하면, 가스 연료 공급 장치 (10B) 가, 엔진 배기 정압관 (80) 으로부터 배기 가스를 도입하여 운전되는 배기 터빈 (89a) 에 의해 구동되는 유압 펌프 (70) 로부터 유압 모터 (50) 에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛인 유압 펌프 (70) 를 구비하고 있다. 이로 인해, 엔진 부하의 상승에 수반하여 발생량이 증가하는 배기 가스의 유효한 이용에 의해 유압 펌프 (70) 를 구동하여, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프 (20) 에 의해 LNG 를 승압하는 것이 가능해진다.

이 경우, 엔진 부하가 상승하면 LNG 를 기화시킨 천연 가스 (엔진 연료) 의 소비량이 증가함과 함께 배기 가스량도 증가하므로, 왕복식 펌프 (20) 에 요구되는 LNG 의 유량 및 압력도 증가한다. 따라서, 이러한 LNG 승압용 왕복식 펌프 (20) 에 있어서, 배기 터빈 (89a) 이 구동하는 유압 펌프 (70) 는, 연료측의 요구 변동과 연료 공급측의 왕복동 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 공급되는 유압 변동이 대략 동일한 경향을 나타내기 때문에, 바람직한 유압 공급원이 된다.

또, 상기 서술한 실시형태의 유압계는, 새로운 추가 기기류를 최소한으로 억제하고, 유압 모터 (50) 가 구동하는 왕복식 펌프 (20) 에 의해 액화 가스를 승압하는 것이 가능해진다.

그런데, 상기 서술한 실시형태의 가스 연료 공급 장치 (10B) 에 있어서는, 유압 펌프 (70A) 를 가변 용량형으로 하고, 도시되지 않은 제어부가 유압 펌프 (70A) 의 가변 용량 제어를 실시하여 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하고, 가스 감압 밸브 (40) 로부터 가스 연소식 엔진 (1B) 으로 공급하는 천연 가스 (가스 연료) 의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

이러한 가변 용량 제어에 의해, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도가 유압 펌프 (70) 를 용량 제어 (유량 제어) 함으로써 이루어지므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다.

이 경우에 바람직한 가변 용량 제어로서는, 예를 들어 유압 펌프를 사판식으로 하고, 사판 각도를 적절히 조정하여 펌프 토출량을 제어하는 방식이 채용된다.

이와 같이 하여도, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도는 구동측의 배기 터빈 회전수를 제어함으로써 조정되므로, 기계적 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해진다.

또, 유압 모터 (50) 로 구동하는 왕복식 펌프 (20) 와, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (유압 펌프 (70)) 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별개로 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프 (20) 는 가스 위험 구역 내에 대한 설치가 용이해진다.

또한, 선박의 주기관에서 배출되는 배기 가스 에너지를 유압으로서 유효하게 이용한 구성이 되므로, 별개로 설치한 유압 유닛에 구동 전력을 공급하기 위해서, 주기인 2 스트로크 기관에 비해 열효율에서 뒤떨어지는 발전용 4 스트로크 기관을 구동할 필요가 없어져 운행 비용을 저감할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 본 실시 형태의 가스 연소식 엔진 (1, 1A, 1B) 에 의하면, 예를 들어 전자 제어화된 고압 가스 분사형 저속 2 스트로크 디젤 기관과 같이, 연소실 내에 연료인 천연 가스를 고압으로 공급하는 고압 가스 분사 디젤 기관에 있어서는, 가스 위험 구역에 용이하게 배치 가능한 유압 펌프 구동의 왕복식 펌프 (20) 를 이용하여 연료의 액화 가스 (예를 들어 LNG) 를 고압화하여 공급하는 것이 가능해진다.

그리고, 엔진측의 전자 제어 유닛 (60) 으로부터 유압을 공급받으면, 왕복식 펌프 구동용 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 새로운 유압 유닛의 설치가 불필요해진다. 따라서, 가스 연소식 엔진 (1) 의 설치 스페이스나 비용 저감이 가능해져, 특별히 한정된 선박 내에 있어서는 적하 스페이스를 늘리는 등 선박 내 공간의 유효한 이용이 가능해진다.

또, 가스 연소식 엔진 (1A, 1B) 과 같이, 배기 가스를 이용하여 운전되는 배기 터빈 (81) 이나 과급기 (89) 의 축 출력을 이용하여 유압 펌프 (70, 70A) 를 구동하는 방식으로는, 왕복식 펌프 구동용 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 유닛의 구성 기기를 최소한으로 억제할 수 있다. 따라서, 가스 연소식 엔진 (1A, 1B) 의 설치 스페이스나 비용 저감이 가능해져, 특별히 한정된 선박 내에 있어서는 적하 스페이스를 늘리는 등 선박 내 공간의 유효한 이용이 가능해진다.

또한, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지는 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절히 변경할 수 있다.

1, 1A, 1B : 가스 연소식 엔진
10, 10A, 10B : 가스 연료 공급 장치
20 : 왕복식 펌프
21 : LNG 도입 배관
22 : LNG 공급 배관
23 : 재순환 라인
24 : 흡입 드럼
25 : 재순환 제어 밸브
30 : 가열 장치
40 : 엔진 입구 가스 감압 밸브 (가스 감압 밸브)
50 : 유압 모터
51, 51A : 유압 도입 계통
52 : 유압 복귀 계통
53 : 부저류 탱크
54 : 오일 복귀 펌프
59 : 작동유 저장 탱크
60 : 전자 제어 유닛
61 : 유압 계통
62 : 크랭크 케이스
63 : 윤활유 라인
64 : 윤활유 펌프
65 : 필터 유닛
66 : 엔진 구동 펌프
67 : 전동 펌프
70, 70A : 유압 펌프
80 : 엔진 배기 정압관
81 : 배기 터빈
82 : 배기 가스 공급 유로
83 : 배기 가스 배출 유로
84 : 배기 가스 유량 제어 밸브
88 : 주배기 가스 공급 유로
89 : 과급기
89a : 배기 터빈
89b : 압축기
90 : 주배기 가스 배출 유로
91 : 공기 냉각기
92 : 급기 매니폴드
OP : 운전점
RCV : 재순환 제어 밸브

Claims (6)

1. 컨트롤러 및 전자 밸브로 고압 작동유를 제어함으로써 엔진을 구동하는 전자 제어 유닛과, 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서,
   상기 가스 연료 공급 장치가,
   유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와,
   상기 전자 제어 유닛의 유압 계통으로부터 상기 고압 작동유의 일부를 도입하여 상기 유압 모터에 공급·구동하는 유압 도입 계통과,
   상기 유압 모터의 구동에 사용한 상기 고압 작동유를 상기 유압 계통으로 되돌리기 위한 유압 복귀 계통과,
   상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와,
   상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와,
   상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있는 가스 연소식 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유압 모터의 회전 속도는 상기 전자 제어 유닛에 상기 고압 작동유를 공급하는 유압 펌프의 토출량을 조정하여 제어되는 가스 연소식 엔진.
3. 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서,
   상기 가스 연료 공급 장치가,
   유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와,
   엔진 배기 정압관으로부터 배기 가스의 일부를 추출하여 운전되는 배기 터빈의 회전축에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과,
   상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와,
   상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와,
   상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있는 가스 연소식 엔진.
4. 과급기와, 연소실 내로 분사하는 연료 가스를 고압의 액화 가스로 승압하여 공급하는 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관의 가스 연소식 엔진으로서,
   상기 가스 연료 공급 장치가,
   유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와,
   상기 과급기의 회전축에 의해 구동되는 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과,
   상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와,
   상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와,
   상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있는 가스 연소식 엔진.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 가스 연료 공급 장치는, 상기 유압 펌프를 가변 용량형으로 하고, 상기 제어부가 상기 유압 펌프의 가변 용량 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 가스 연소식 엔진.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 가스 연료 공급 장치는, 상기 유압 펌프를 일정 용량형으로 하고, 상기 제어부가 상기 배기 터빈의 회전수 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 가스 연소식 엔진.

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