KR20130120355A

KR20130120355A - 고농도 산소 엔진급기시스템

Info

Publication number: KR20130120355A
Application number: KR1020120043536A
Authority: KR
Inventors: 곽근우
Original assignee: 곽근우
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-11-04

Abstract

본 발명은 내연기관의 흡기시스템 또는 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 연소온도가 높을수록, 무효흡입성분이 작을수록 엔진의 효율이 올라가는 특성을 이용하여 급기성분 중 산소농도를 높혀 엔진에 공급함으로써 연소온도와 속도를 높혀 엔진효율을 높이고 급기중 유효성분인 산소농도를 증가시키고 주된 무효성분인 질소성분을 낮춰 전반적으로 압축에 소요되는 동력을 줄임으로해서 엔진효율을 획기적으로 높이며 산소분리시 부수적으로 발생하는 질소를 동력으로 활용하여 더욱 에너지이용효율을 높이는 고농도산소엔진흡기 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 일반 공기로부터 질소와 산소를 일정농도로 분리하는 분리장치(1)와 이를 구동하기 위해 자연상태의 대기를 엔진축에 연결하거나 엔진에 연결된 발전기의 전력을 이용하여 압축하는 공기압축기(2), 질소가 상당부분 분리되어 산소농도가 높은 공기를 엔진흡기측에 일정비율로 혼합하는 장치(16), 엔지으로 흡입되는 자연성분의 대기의 유량을 검출하여 고농도산소의 혼합비율을 제어하도록 하는 유량검출장치(M), 부산물인 질소를 고온의 엔진배기와 열교환하여 고온으로 만드는 열교환장치(4), 고온의 질소로 터빈을 돌리고 이때 생성되는 터빈동력으로 공기를 보적으로 압축하여 (1)에 공급하는 터빈장치(3), 터빈에서 나온 따뜻한 질소가스를 압축공기용도로 사용가능하도록 감온시키는 냉각장치(7)로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

고농도 산소 엔진급기시스템{Super Oxygen intake system for engine}

본 발명은 엔진의 연소에 필요한 공기를 공급하는 급기시스템에 관한 것으로 연소에 실제로 이용되는 산소농도를 일반공기보다 높게 함으로써 엔진연소효율을 증가시켜 에너지효율을 높이는 엔진급기조정시스템에 관한 기술입니다. 또한 초과산소생산 부산물인 중압질소를 이용하여 타 소요처에 공급함으로써 총괄에너지이용효율을 높이는 에너지효율화 기술 입니다.

국가환경정보센터(konetic) 연소온도계산기술

내연기관 열효율 산출 기술

질소분리기술

공기동력사이클(브레이튼 사이클)

내연기관의 열효율은 흡입공기의 온도,압력 등 상태와 연소온도, 압축비 및 제반 기계적 손실에 의해 결정된다. 이 중 흡기분야는 종래의 자연흡기에서 터보차저 및 인터쿨러를 채용하여 급기밀도를 높임으로써 특히 디젤엔진의 열효율을 높이는데 기여해 왔으며 현재의 기술방향 또한 터빈의 효율을 높이고 터빈측에 연결된 압축기의 성능을 높으는 추세이다. 그러나 흡입되는 급기 중 실제로 연소에 이용되는 유효성분 즉, 산소비중은 20.9%에 불과하며 나머지 대부분은 질소 등 실제연소에 관여하지 않는 무효성분으로 구성되어 다량의 산소를 공급하기 위해서는 무효성분의 압축에 다량의 동력이 소모되는 한계를 지니고 있다

본 기술은 엔진에 급기되는 공기의 성분을 조정하여 산소농도가 높은 공기를 흡입하게 함으로써 무효성분의 압축에 필요한 일을 감소시킨다. 또한 연소온도 및 속도는 급기중 산소농도에 비례하여 증가하는데 온도가 높고 속도가 빠를 수록 완전연소가 촉진되고 열역학사이클의 이론효율이 올라가 전체적으로 엔진효율이 높아지게 된다.

즉, 연소온도는,

H1 = Gow*Cp*(T1-T2)에서,

T1 = H1/(Gow*Cp)+T2

= 9200/(13.58*0.379)+15 ≒ 1800℃

T1'= H1/(Gow′*Cp)+T2

= 9200/(12.39*0.379)+15 ≒ 1970℃

H1 : 연료의 저위발열량(상수) = 9200㎉/ℓ

Gow : 일반공기급기시 이론습연소가스량(급기 공기 조성에 따라 변동)

= 13.58 S㎥/㎏

Gow': 산소농도23.1%급기시 이론습연소가스량

= 12.39 S㎥/㎏

Cp : 정압비열(상수) = 0.379㎉/S㎥℃

T1 : 연소온도(산소농도 미조정조정)

T1' : 연소온도(OEA 투입, O2 23.1%)

T2 : 흡입공기온도(15℃)

VO : 산소농도무조정 공기중 산소비율(20.9%)

VO' : 고농도산소급기(Oxygen Enriched Air, 이하 OEA) 산소비율(41%)

연소온도가 170℃ 상승함에 따라 이에 비례하여 열효율이 상승한다.

더 나아가 산소농도가 높아지면 이론 공기량이 적어져 급기를 흡입하여 압축하는 압축일이 그만큼 감소하고 감소된 압축일 만큼이 유효일로 전환되어 열효율이 높아진다. 즉,

Qin = A0*Ce = 10.8497*1.2 = 13.02㎥/㎏

Qin'= A0'*Ce= 9.8164*1.2 = 11.78㎥/㎏

따라서 급기소요량은

(Qin-Qin')/Qin = 9.52% 줄어드는데,

Wc ∝ Q,

Wc ≒ qin * 30% 이므로

ΔWc ≒ qin*30%*9.52% = 2.86% 효율이 상승한다.

Qin : 일반급기 소요량(㎥/㎏)

Qin': SOi(고농도산소엔진급기, 이하 같음) 급기소요량(㎥/㎏)

A0 : 일반급기의 이론공기량

A0' : Soi시스템의 이론 급기소요량

Ce : 과잉공기계수, 1.2

Wc : 압축일

ΔWc: 압축일 감소율(유효일 증가율)

그러나 산소농도를 높이기 위해서는 일반공기를 가압하여 흡착방식이나 기체분리막에 공급하여 질소와 산소를 분리하여야하는데 이때 공기압축에는 동력이 필요하며 이는 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.

예시 자료에서 이때 소모되는 동력은 전체 생산동력의 약9%가 된다. 물론 이 동력은 앞선 효율 상승에 따른 절감 규모보다 작으나 에너지 효율적 이용 관점에서 이를 유용하게 이용하여야 보다 경제적인 시스템이 될 수있다. 즉, OEA제조를 위한 동력은

Poea = Poea(O2) + Poea(N2) = Pt*9%

N2 가스의 압력이 5㎏/㎠ 이므로 이중 일정비율은 압축공기로 이용하고 나머지는 엔진배기열과 열교환하여 터빈휠을 구동하고 이 구동력을 이용하여 Poea 일부를 충당함으로써 에너지 이용효율을 높일 수있다.

따라서 순 Poea 는,

Poea(n) = Poea - (Pc+Poea')

= Pt*9% - (Pt*2.1% + Pt*0.5%) ≒ Pt*6.4%

Poea : 산소분리 동력

Poea(O2) : 산소측 공기에 할당 되는 동력

Poea(N2) : 질소측에 할당되는 동력

Pt : 총 입력에너지

Poea' : 터빈휠의 보조동력으로 구동되는 산소분리동력

1) 비용절감 효과

1. 연소온도를 높혀 엔진효율을 증대 시킨다.

2. 과잉공기량을 낮춰 압축일을 감소시키므로 엔진효율을 증대 시킨다.

3. 부산물 N2가스를 재이용 함으로써 총괄 에너지이용효율을 높인다.

이를 바탕으로 예시한 1200kW급 선박엔진에 적용하면,

	기존디젤엔진	비고	Osi 시스템	비고
속도	27㎞/h	15knot	27㎞/h
거리	10,000㎞		10,000㎞
순항시간	370h		370h
Total input	2,286㎾		1,988㎾
총동력	1,197㎾	wartsila 6L20	1,250㎾
선박추진	1,063㎾		1,063㎾
공압전력	48㎾
발전1	11㎾
발전2	75㎾		75㎾
OEA 정제동력			51㎾
질소 생산동력			62㎾
heat rate	6,879kJ/㎾h	8,519kJ/㎾eh	5,731kJ/㎾h	7,097kJ/㎾eh
연료소비	214ℓ/h		186ℓ/h
efficiency	52.38%	42.30%	62.87%	50.77%
fuel	light oil
LHV	9,200㎉/ℓ
LHV	9,840㎉/㎏
비중	0.935
price	1,850원/ℓ
연료량	79,139ℓ		68,817ℓ
연료비	146,406,721		127,310,590
차액			19,096,131
연간운항횟수	16회
총시간	5,926h
절감금액(년)	305,538,102
최대투자(4.0)	1,222,152,409
공기량	3,096㎥/h		2,436㎥/h	2,166㎥/h
산소농도	20.9%		23.1%	2.2%
OEA 소요량			270㎥/h	산소 41%
질소생산량			337㎥/h	5㎏/㎠,95%
공압이용율			63.57%	3,571lpm
공압소요량	214㎥/h	3,571lpm

2) 화석에너지 절감효과

표1의 엔진은 대략 1000톤 내외의 선박 추진엔진으로서 우리나라에서 운영중인 상선 중 압축공기와 질소를 유틸리티로서 소비하는 각종 케미컬 운반선, 원유운반선의 현황은 표2와 같다. 동 선박에 본 기술을 적용할 경우 표3와 같은 화석에너지 절감 효과를 기대할 수있다

연도 선종	2009년
연도 선종	척	총톤수
원유운반선	19	2,417,286
석유제품선	25	333,963
케미칼운반선	38	162,199
케미칼가스운반선	2	6,707
LPG선	30	369,311
LNG선	21	2,097,876
합계	135	5,387,342

총톤수	1000톤 환산 척수	년간운항시간	연료절감량	총 절감량
5,387,342	5,387척	6,000시간	28ℓ/h	980,616㎘
980,616㎘ = 8,240,470배럴 -> 약 12억 달러 상당 원유 절감

3) 수출증대 및 국내 조선산업, 엔진산업의 경쟁력 강화

선박(상선)운용사

: 운영원가 절감으로 해운업의 국제 경쟁력 향상에 기여

조선업체

: 동일규모 엔진의 출력을 키울 수 있어 엔진구매원가 절감 및 고효율 엔진 장착으로 신규수주에 유리

엔진산업

: 선박용, 발전용 엔진의 기술 경쟁력 강화

(1) 질소발생기
일반압축공기를 받아들여 질소분리막이나 carbon molecular sieve(cms)에 의한 PSA분리장치에 고압으로 공급하여 95%내외의 질소와 41%내외의 OEA로 분리하는 장치
(2) 공기압축기
일반대기를 (1)에서 분리가 일어날 수 있는 압력으로 압축하는 장치
(3) 터빈-공기압축기
(20)의 고온고압 질소가스를 터빈에 인가하여 동력을 생산하고 그 동력으로 압축기를 가동하여 압축된 공기를 (1)에 공급
(4) 배기열교환기
엔진의 고온배기에서 상온고압 질소가스 쪽으로 열이 전달되도록 하는 열교환 장치
(5) 동력인출장치
(2)의 구동을 위하여 엔진 주축으로부터 동력을 인출하는 장치. 일반적으로 압축기는 전동기로 구동하지만 전력을 쓸 경우 손실이 발생하므로 구동축에 연결하여 구동하게 하여 에너지효율을 높인다.
(6) 동력인출 및 단속 장치
(5)에서 전달된 동력으로 (2)를 구동하며 접속 차단을 단속하는 장치
(7) 질소냉각기
(3)을 구동하고 난 중온저압 질소가스를 상온으로 냉각하는 장치
(8) 질소 출구
(9) 압축공기 입구
(10) OEA 출구
(11) 외기도입 배관 또는 덕트(주)
(12) 외기도입 배관 또는 덕트(보조)
(13) 압축공기 공급 주배관
(14) 압축공기 공급 보조배관
(15) OEA공급 배관
(16) OEA와 일반 급기 혼합장치
(1)에서 생산된 OEA의 산소농도 정보와 (M)에서 전달되는 급기유량 정보를 비교하여 OEA 주입량을 결정하는데 OEA와 일반급기를 혼합하여 목표산소농도로 조정된 급기를 엔진에 급기하는 장치
(M) 일반급기유량 검출장치
일반흡입공기의 유량, 온도를 검출하여 그 정보를 전송하는 장치
(17) 엔진배기가스 배관 또는 덕트(열교환기 입구측)
(18) 엔진배기가스 배관 또는 덕트(열교환기 출구측)
(19) 상온 고압 질소배관
(20) 고온 고압 질소배관
(21) 저압 중온 질소배관
(22) 상온 저압 질소배관
(23) 압축공기배관 접속구
(24) 고순도질소생산장치 접속구(고압)
(25) 고순도질소생산장치 접속구(저압)
(26) 엔진
(27) 엔진배기가스 배관 또는 덕트
(28) 터보차져
(29) 인터쿨러
(30) 일반급기 배관 또는 덕트

질소발생장치는 널리 산업적으로 이용되고 있으므로 (1)은 시중에서 손쉽게 조달 가능하다.

단 고순도 질소가 필요한 것이 아닌 OEA를 얻기 위한 부산물이므로 질소수율 보다 OEA생산원가가 작은 방향으로 성능을 선정한다.

주 압축기 및 동력인출장치(도면의 2,5,6)는 엔진의 주 동력축에 벨트풀리 또는 기어 등 동력전달 장치를 부착하고 이를 압축기의 구동축에 장착된 풀리 또는 기어에 연결하며 압축기 구동 단속용 클러치(단속장치)를 장착한다.

질소발생기(1)에서 생산된 OEA는 배관을 거쳐 혼합장치(16)에 공급되며 (M)에서 계측된 유량에 따라 엔진에 공급되는 급기가 목표 산소농도가 되도록 OEA의 투입량을 계산하여 공급한다. 그리하여 고농도산소엔진급기시스템의 기본 동작이 완성되며 질소발생기(1)에서 생산된 부산물인 질소가스는 두 가지 용도로 이용되는데 하나는 공압기기 작동을 위한 압축공기로, 다른 하나는 동력생산을 위한 동력원으로 이용된다. 동력원으로 이용하기 위해 상온, 고압(5㎏/㎠ )의 질소가스를 열교환기(4)를 거쳐 고온(350℃내외) 상태로 터빈(3)에 공급되며 브레이튼 사이클 방식으로 동력을 발생시키는데 이때 발생된 동력은 질소발생기(1)이 필요로 하는 압축공기를 생산하는데 보조적으로 이용된다. 터빈(3)에서 에너지를 전달한 저압질소는 냉각기(7)에서 상온으로 냉각되어 고순도 질소 발생장치에 공급되거나 기타 95%내외의 질소를 필요로 하는 수요처에 공급된다.

다른 하나는 공압작동기 등 고압을 필요로하는 수요처에 접속구(23)을 통해 직접 공급된다.

이를 통하여 부산물의 이용을 통한 최적에너지효율 시스템이 구성된다

선박용엔진, 발전용엔진

:부산물을 활용하지 않더라도 경제적 효과는 있지만 에너지 이용효율을 극대화하기 위하여 압축공기,

질소가스를 유틸리티로서 필요로 하는 선박/공장/발전소의 엔진제조업에 적용하면 엔진제조업체의 경쟁력을 높일 수 있다.

첫 번째 이점은 효율이 높은 엔진을 공급한다는 것이고,

두 번째 이점은 동일출력을 내는데 필요한 엔진의 크기가 줄어 생산원가를 낮출 수 있다는 점이다.

자동차용엔진

항공기용엔진

기존 선박 및 발전용엔진의 효율개선 사업

SOi : Super Oxygen intake system for engine
산소농도를 인위적으로 높게 조정한 공기를 엔진급기로 활용하는 시스템
OEA : Oxygen Enriched Air
질소발생기에서 발생하는 산소농도가 대기에서의 농도 보다 높아진 성분조정 공기

Claims

엔진흡기의 성분을 변화시켜 산소농도를 높인 공기를 엔진 급기로 활용하는 고농도 산소 엔진급기 시스템
흡기성분 조정을 위하여 질소발생기나 산소발생기 등 인위적인 기체분리시설을 적용하는 시스템
부산물인 질소가스를 엔진배기와 열교환하여 터빈 구동동력으로 활용하는 에너지이용 시스템