KR20150119147A - 엔진 시스템 및 선박 - Google Patents

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Abstract

엔진 시스템(100)의 연료 제어 장치(50)는 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하지 않을 때에는 통상 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하는 동시에 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력할 때에는 조력 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하도록 구성되어 있고, 조력 최대 연료값은 통상 최대 연료값보다 작게 설정된다.

Description

엔진 시스템 및 선박{ENGINE SYSTEM AND SHIP}
본 발명은 폐열 에너지를 회수하는 엔진 시스템에 관한 것이다.
최근 폐열 에너지의 유효 활용이 주목받고 있으며, 특허문헌1 및 특허문헌2에서는 폐열 에너지를 전력으로 변환하여 회수하는 디젤 기관(엔진 시스템)이 제안되어 있다.
일본특허출원공개 2011-122597호 일본특허출원공개 2010-138875호
다만, 폐열 에너지를 전력으로 변환하는 엔진 시스템에서는 발전기 및 그 주변 기기가 필요하게 되고 또한 사용 조건에 따라서는 전력이 남아도는 경우도 있다. 한편, 폐열 에너지를 엔진의 조력에 이용할 수도 있다. 이러한 엔진 시스템은 발전기 등의 설비가 불필요해지는 이점이 있다. 다만, 엔진을 조력함으로써 일시적으로 엔진 시스템의 총 출력이 증가하여 엔진 시스템으로부터 동력을 받는 축(선박이면 프로펠러 축)에 과도한 부하가 걸리는 경우가 있다. 이 경우에는 동력을 받는 축이 손상되는 것을 방지하기 위해 일시적으로 엔진의 조력을 중지할 필요가 있다. 이와 같이 폐열 에너지를 엔진의 조력에 이용한 엔진 시스템에서는 운전 상황에 따라 효율적인 운전을 할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 폐열 에너지를 엔진의 조력에 이용하는 엔진 시스템의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 일 예에 따른 엔진 시스템은, 엔진과, 배기가스에 의해 구동하여 상기 엔진을 조력하는 파워 터빈과, 상기 엔진으로부터 상기 파워 터빈으로 배기가스를 인도하는 파워 터빈 유입 통로와, 상기 파워 터빈 및 상기 엔진을 연결하는 연결기와, 상기 엔진에서의 연료 분사량을 제어하는 연료 제어 장치를 구비하며, 상기 연료 제어 장치는 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력하지 않을 때에는 통상 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하는 동시에 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력할 때에는 조력 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하도록 구성되어 있고, 상기 조력 최대 연료값은 상기 통상 최대 연료값보다 작게 설정된다.
이러한 구성에 따르면, 파워 터빈이 엔진을 조력할 때에는 비교적 낮게 설정된 조력 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량이 제어되므로 엔진 시스템의 총 출력이 과대해지기 어려워 엔진의 조력을 중지할 필요가 없다. 따라서 엔진 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 조력 최대 연료값은 상기 파워 터빈의 출력에 따라 설정되어도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 파워 터빈의 출력에 따라 조력 최대 연료값이 설정되기 때문에 조력 최대 연료값이 일정한 경우에 비해 엔진 시스템의 보다 유연한 운용이 가능해진다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 조력 최대 연료값은 엔진 시스템의 총 출력이 동일하면 상기 파워 터빈의 출력이 작아짐에 따라 커지도록 설정되어도 좋다. 파워 터빈의 출력이 작아지면 엔진을 조력하는 힘은 작아지므로 엔진 시스템의 총 출력이 과도하게 상승하는 위험이 감소한다. 이러한 경우에는 조력 최대 연료값을 크게 함으로써 엔진 시스템의 보다 유연한 운용이 가능해진다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 조력 최대 연료값은 상기 파워 터빈의 출력이 동일하면 엔진 출력이 작아짐에 따라 커지도록 설정되어도 좋다. 엔진의 출력이 작아지면 엔진 시스템의 총 출력이 과도하게 상승하는 리스크는 감소한다.
또한, 상기 엔진 시스템에 있어서, 상기 파워 터빈 유입 통로에는 제어 밸브가 설치되어 있고, 상기 연결기는 상기 파워 터빈과 상기 엔진의 연결을 해제 가능하게 구성되어 있으며, 상기 연료 제어 장치는 상기 제어 밸브가 개방되어 있고 또한 상기 파워 터빈과 상기 엔진이 연결되어 있을 때 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력하고 있다고 판단하도록 구성되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 따르면 연료 제어 장치는 통상 최대 연료값과 조력 최대 연료값의 전환을 정확하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 선박은 상기한 것 중 하나의 엔진 시스템을 구비하고 있다.
이상과 같이 상기 엔진 시스템에 따르면 효율 향상이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 엔진 시스템의 전체도이다.
도 2는 상기 엔진 시스템의 연료 제어계의 블록도이다.
도 3은 상기 연료 제어계의 총 출력 리미터의 블록도이다.
도 4는 조력 최대 연료값 설정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 각 연료 분사량에 있어서 엔진의 회전수와 엔진 시스템의 총 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 조력 최대 연료값 설정 방법을 설명하는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 실시예에 따른 엔진 시스템에 대해 설명한다. 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 동등한 요소에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다.
<엔진 시스템의 전체 구성>
먼저, 엔진 시스템(100)의 전체 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 엔진 시스템(100)의 전체도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 엔진 시스템(100)은 선박(101)을 항해시키기 위한 이른바 주기(主機)이며, 엔진(10), 과급기(20), 파워 터빈(30), 및 연결기(40)를 구비하고 있다.
엔진(10)은 엔진 시스템(100)의 이른바 중심이 되는 장치이며, 선단에 프로펠러(102)가 장착된 프로펠러 축(103)을 회전시킨다. 프로펠러 축(103)에 연결되는 크랭크 축(11)은 복수의 피스톤(12)에 연결되어 있다. 각 피스톤(12)은 실린더(13) 내에 분사된 연료의 폭발에 따라 왕복 운동하고, 각 피스톤(12)의 왕복 운동에 의해 크랭크 축(11)은 회전한다. 각 실린더(13)에는 과급기(20)에서 압축된 공기가 소기관(14)을 통해 공급되고, 실린더(13) 내에서 생성된 배기가스는 배기관(15)을 통해 과급기(20) 및 파워 터빈(30)으로 공급된다. 실린더(13) 내에 분사되는 연료의 분사량은 연료 플런저(도시하지 않음)의 이동량에 의해 결정되며, 이 연료 플런저는 연료 분사 밸브용 액추에이터(또는 연료 랙)(16)(도 2 참조)에 의해 구동된다. 또한, 엔진(10)에는 엔진(10)의 회전수를 측정하는 엔진 회전계(17)(도 2 참조), 및 소기관(14) 내의 압력(소기압)을 측정하는 소기압계(18)(도 2 참조)가 설치되어 있다.
과급기(20)는 외부에서 받아들인 공기를 압축하여 엔진(10)에 공급하는 장치이다. 과급기(20)는 터빈부(21)와 컴프레서부(22)를 갖고 있다. 엔진(10)(배기관(15))에서 배출된 배기가스는 터빈부(21)에 공급된다. 터빈부(21)는 배기관(15)으로부터 공급된 배기가스의 에너지를 이용하여 회전한다. 컴프레서부(22)는 연결 축(23)을 통해 터빈부(21)와 연결되어 있다. 따라서 터빈부(21)가 회전함에 따라 컴프레서부(22)도 회전한다. 컴프레서부(22)는 외부에서 받아들인 공기를 압축하여 소기관(14)에 공급한다. 또한, 과급기(20)에는 과급기(20)의 회전수를 측정하는 과급기 회전계(24)(도 2 참조)가 설치되어 있다.
파워 터빈(30)은 배기가스의 에너지를 이용하여 엔진(10)을 조력하는 장치이다. 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 파워 터빈 유입 통로(31)에 의해 파워 터빈(30)에 인도된다. 파워 터빈(30)은 공급된 배기가스의 에너지에 의해 회전하고 연결기(40)를 통해 엔진(10)에 동력을 전달함으로써 엔진(10)을 조력한다. 또한, 파워 터빈 유입 통로(31)에는 제어 밸브(32)가 설치되어 있으며, 이 제어 밸브(32)의 개도를 변경함으로써 파워 터빈(30)에 공급되는 배기가스의 양, 나아가서 파워 터빈(30)의 출력을 조절할 수 있다. 또한, 파워 터빈(30)과 제어 밸브(32)가 일체로 구성으로 되는 경우도 있다.
연결기(40)는 파워 터빈(30)과 엔진(10)을 연결하는 장치이다. 본 실시예의 연결기(40)는 엔진(10)의 크랭크 축(11)과 파워 터빈(30)을 직접 연결하고 있지만 다른 장치가 개재되어 있어도 좋다. 또한, 연결기(40)는 감속기로서도 기능하고 있다. 연결기(40)는 클러치 기구(42)를 가지고 있으며, 클러치 기구(42)는 크랭크 축(11)과 파워 터빈(30)을 연결하거나 연결을 해제하거나 할 수 있다. 연결기(40)에는 클러치 센서(41)(도 2 참조)가 설치되어 있으며, 클러치 센서(41)는 크랭크 축(11)과 파워 터빈(30)이 연결되어 있는 상태인지 혹은 연결이 해제되어 있는 상태인지를 감지할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)은 배기가스의 에너지, 즉 폐열 에너지를 이용하여 파워 터빈(30)을 구동하여 엔진(10)을 조력하는 것이다. 다만, 엔진(10)의 조력은 항상 이루어지고 있는 것이 아니라 일정 조건 하에서 이루어진다. 예를 들어, 엔진 부하가 작은 경우에는 배기가스의 양이 적어지기 때문에 모든 배기가스가 과급기(20)에 공급된다. 이 경우 파워 터빈 유입 통로(31)에 설치된 제어 밸브(32)를 닫음으로써 파워 터빈(30)으로의 배기가스 공급이 중지되어 파워 터빈(30)에 의한 엔진(10)의 조력은 이루어지지 않게 된다. 또한, 본 실시예에서는 제어 밸브(32)를 닫았을 때에는 파워 터빈(30)이 공회전을 하지 않도록 파워 터빈(30)과 엔진(10)의 연결을 해제할 수 있다.
<연료 제어계의 구성>
다음으로, 엔진 시스템(100)의 연료 제어계의 구성에 대해 설명한다. 도 2는 엔진 시스템(100)의 연료 제어계의 블록도이다. 엔진 시스템(100)은 연료 제어 장치(50)를 구비하고 있다. 연료 제어 장치(50)는 시피유(CPU), 롬(ROM), 램(RAM) 등으로 구성되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 제어 장치(50)는 기능적인 구성으로 회전수 제어부(51), 토크 리미터(52), 소기압 리티터(53), 총 출력 리미터(54), 및 로우 셀렉터(55)를 구비하고 있다.
회전수 제어부(51)는 실제의 엔진(10)의 회전수가, 지정된 엔진 회전수가 되도록 연료 분사량을 제어하려고 하는 부분이다. 연료 제어 장치(50)는 선박(101)을 조작하는 운전 조작반(104), 및 엔진 회전계(17)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이들 기기로부터의 입력 신호에 따라, 지정된 엔진 회전수, 및 실제의 엔진(10)의 회전수의 정보를 취득한다. 회전수 제어부(51)에서는 지정된 엔진 회전수와 실제의 엔진(10)의 회전수의 차이값을 취득하고 그 차이값이 작아지는 연료 분사량을 산출하고 이것을 제1 연료 분사량으로 한다.
토크 리미터(52)는 엔진(10)의 회전수에 대해 연료 분사량이 과다해짐으로 인한 엔진 토크의 과도한 상승을 억제하는 부분이다. 상술한 바와 같이, 연료 제어 장치(50)는 엔진(10)의 회전수의 정보를 취득할 수 있다. 토크 리미터(52)는 이 엔진(10)의 회전수의 정보에 따라 그 속도에 해당하는 연료 분사량의 상한값을 산출하거나 맵으로부터 판독하고 그 상한값을 제 2 연료 분사량으로 한다.
소기압 리미터(53)는 소기압에 대하여 즉 실린더(13)에 공급하는 공기량에 대하여 연료 분사량이 과다해짐으로 인한 불완전 연소를 방지하는 부분이다. 연료 제어 장치(50)는 소기압계(18)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이 기기로부터의 입력 신호에 따라 소기압의 정보를 취득한다. 소기압 리미터(53)에서는 이 소기압의 정보에 따라 그 소기압에 해당하는 연료 분사량의 상한값을 산출하거나 맵으로부터 판독하고 그 상한값을 제3 연료 분사량으로 한다.
총 출력 리미터(54)는 연료 분사량이 과다해짐으로 인한 엔진 시스템(100)의 총 출력(엔진(10)의 출력에 파워 터빈(30)의 출력을 더한 것)의 과도한 상승을 억제하고 이로써 프로펠러 축(103)의 손상을 방지하는 부분이다. 예를 들어 방향타를 꺾었을 때 등 일시적으로 프로펠러(102)에 큰 저항이 가해지지만 이때 상기한 회전수 제어부(51)에 의해 엔진(10)의 회전수가 떨어지지 않도록 연료 분사량이 증가되면 프로펠러 축(103)이 손상될 우려가 있다. 총 출력 리미터(54)는 이때 엔진(10)의 회전수를 떨어뜨려서라도 총 출력을 줄임으로써 프로펠러 축(103)의 손상을 방지한다. 연료 제어 장치(50)는 제어 밸브(32), 클러치 센서(41) 및 과급기 회전계(24)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이들 기기로부터의 입력 신호에 따라 제어 밸브(32)의 개폐, 엔진(10)과 파워 터빈(30)의 연결, 및 과급기(20)의 회전수의 정보를 취득한다. 총 출력 리미터(54)는 이러한 정보 외에도 후술하는 로우 셀렉터(55)에서 선택한 연료 분사량의 정보에 따라 엔진 시스템(100)의 총 출력의 관점에서 연료 분사량의 상한값을 구하고 그 상한값을 제4 연료 분사량으로 한다. 또한, 총 출력 리미터(54)의 자세한 내용에 대해서는 후술한다.
로우 셀렉터(55)는 회전수 제어부(51), 토크 리미터(52), 소기압 리미터(53), 및 총 출력 리미터(54)로부터 각각 제1 연료 분사량 제2 연료 분사량, 제3 연료 분사량, 및 제4 연료 분사량을 취득하고 이 중에서 가장 적은 연료 분사량을 선택한다. 연료 제어 장치(50)는 연료 분사 밸브용 액추에이터(16)와 전기적으로 연결되어 있으며, 로우 셀렉터(55)에서 선택한 연료 분사량에 해당하는 제어 신호를 연료 분사 밸브용 액추에이터(16)에 전송한다. 연료 분사 밸브용 액추에이터(16)는 연료 제어 장치(50)로부터 수신한 제어 신호에 따라 로우 셀렉터(55)에서 선택된 양의 연료가 실린더(13) 안으로 분사되도록 연료 플런저를 구동한다.
실제의 엔진 시스템(100)의 운용에 있어서는 제1 연료 분사량 ~ 제4 연료 분사량 중에서 제1 연료 분사량이 가장 작은 경우가 많다. 따라서 일반적으로는 회전수 제어부(51)에 의해 연료 분사량이 결정되지만 상황에 따라 하나의 리미터(52~54)에서 구해진 연료 분사량이 회전수 제어부(51)에서 산출된 연료 분사량보다 적어졌을 경우에는 엔진(10)의 회전수에 관계없이 연료 분사량이 줄어들게 된다.
<총 출력 리미터의 구성>
다음으로, 총 출력 리미터(54)의 세부 구성에 대해 설명한다. 도 3은 총 출력 리미터(54)의 블록도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이 총 출력 리미터(54)는 기능적인 구성으로 조력 판정부(56), 선택 스위치(57), 및 조력 최대 연료값 산출부(58)를 갖고 있다.
조력 판정부(56)는 엔진(10)이 파워 터빈(30)에 조력 받고 있는지 여부를 판정하는 부분이다. 조력 판정부(56)는 연료 제어 장치(50)가 취득한 제어 밸브(32)의 개폐 및 엔진(10)과 파워 터빈(30)의 연결의 정보에 따라 엔진(10)이 파워 터빈(30)에 조력 받고 있는지 여부를 판단한다. 구체적으로는 제어 밸브(32)가 개방되어 있고 또한 파워 터빈(30)과 엔진(10)이 연결되어 있을 때, 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하고 있다고 판단한다. 그리고 조력 판정부(56)는 그 판단 결과에 따라 선택 스위치 (57)를 전환한다.
선택 스위치(57)는 조력 판정부(56)의 판단 결과에 따라 후술하는 통상 최대 연료값 또는 조력 최대 연료값 중 하나를 제4 연료 분사량으로 한다. 구체적으로는 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하고 있지 않다고 판단되었을 경우에는 통상 최대 연료값을 제4 연료 분사량으로 하고 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하고 있다고 판단되었을 경우에는 조력 최대 연료값을 제4 연료 분사량으로 한다.
여기서 "통상 최대 연료값"과 "조력 최대 연료값"에 대해 설명한다. 예를 들어, 프로펠러 축(103)의 손상을 방지하기 위해 프로펠러 축(103)에 입력 가능한 동력의 상한값이 정해져 있을 때, 엔진 시스템(100)의 총 출력이 이 상한값(이하, "위험 출력"이라고 칭함)을 초과하지 않도록 할 필요가 있다. 엔진 시스템(100)의 총 출력이 이 위험 출력을 초과하지 않도록 하려면 연료 분사량의 상한값을 설정해야 한다. 그리고 이 연료 분사량의 상한값 중에서 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하고 있지 않을 때의 것이 "통상 최대 연료값"이고, 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하고 있을 때의 것이 "조력 최대 연료값"이다.
종래의 엔진 시스템에서는 "조력 최대 연료값"에 해당하는 상한값은 설정되어 있지 않고 "통상 최대 연료값"에 해당하는 상한값만 설정되어 있었다. 따라서 파워 터빈에 의해 엔진이 조력 받는 엔진 시스템에서는 총 출력이 위험 출력을 초과할 우려가 있고 위험 출력을 초과하는 경우에는 엔진의 조력을 중지해야 했다. 따라서 이러한 엔진 시스템은 조건에 따라 비효율적인 운용을 수행하지 않을 수 없었다. 한편, 본 실시예에서는 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하는 경우에는 파워 터빈(30)의 출력을 고려한 "조력 최대 연료값 "이 설정되기 때문에 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하는 경우에도 엔진 시스템(100)의 총 출력이 위험 출력을 초과하는 경우는 없다.
본 실시예에서는, 통상 최대 연료값은 일정하게 설정되어 있는 한편, 조력 최대 연료값은 통상 최대 연료값보다 작은 값이며, 조건에 따라 변동한다. 다만, 조력 최대 연료값은 일정하여도 좋다. 예를 들어, 통상 최대 연료값의 95%인 값을 조력 최대 연료값으로 해도 좋다. 이 경우 연료 제어 장치를 비교적 간단하게 구성할 수 있다는 장점이 있다. 상기와 같이 통상 최대 연료값에 비해 조력 최대 연료값은 작게 설정되기 때문에 선택 스위치(57)의 작동에 의해 엔진(10)이 파워 터빈(30)에 조력 받고 있을 때에는 조력 받고 있지 않을 때에 비해 제4 연료 분사량으로는 작은 값이 선택된다.
조력 최대 연료값 산출부(58)는 조력 최대 연료값을 산출하는 부분이다. 본 실시예에서는, 파워 터빈(30)의 출력, 및 엔진 시스템(100)의 총 출력에 따라 조력 최대 연료값이 구해진다. 구체적으로는 도 4에 나타낸 바와 같은 순서로 조력 최대 연료값이 구해진다. 도 4는 조력 최대 연료값 산출부(58)에 의한 조력 최대 연료값 산출 방법을 나타낸 플로우차트이다.
먼저, 조력 최대 연료값 산출부(58)는 과급기(20)의 회전수를 취득하고(단계(S1)), 엔진(10)의 출력을 산출한다(단계(S2)). 엔진(10)의 출력은 아래의 수학식에 나타낸 바와 같이 과급기(20)의 회전수를 변수로 하는 함수로부터 구할 수가 있다.
Figure pct00001
이어서 조력 최대 연료값 산출부(58)는 엔진(10)의 회전수, 및 실제의 연료 분사량을 취득하고(단계(S3)), 엔진 시스템(100)의 총 출력을 구한다(단계(S4)). 엔진 시스템(100)의 총 출력은 엔진(10)의 회전수와 연료 분사량에 따라 미리 준비한 맵을 이용하면 구할(추정할) 수가 있다. 도 5는 각 연료 분사량에 있어서 엔진(10)의 회전수와 엔진 시스템(100)의 총 출력의 관계를 나타낸 그래프이다. 연료 제어 장치(50)는 도 5에 해당하는 맵을 저장하고 있고 조력 최대 연료값 산출부(58)는 이 맵을 이용하여 엔진 시스템(100)의 총 출력을 구할 수가 있다.
이어서 단계(S4)에서 구한 엔진 시스템(100)의 총 출력과 단계(S2)에서 산출한 엔진(10)의 출력에 따라 파워 터빈(30)의 출력을 산출한다(단계(S5)). 파워 터빈(30)의 출력은 아래의 수학식에 나타낸 바와 같이 엔진 시스템(100)의 총 출력에서 엔진(10)의 출력을 뺀 것에 파워 터빈 효율과 기계 효율을 곱함으로써 산출할 수 있다.
Figure pct00002
또한, 본 실시예에서는, 파워 터빈(30)의 출력은 상기와 같이 산출하고 있지만, 다른 방법으로 구하여도 좋다. 예를 들어, 파워 터빈(30)에 흐르는 풍량을 산출하거나 추정하고 파워 터빈(30)에 흐르는 풍량에 따라 파워 터빈 열 낙차, 에너지 보존 법칙 등으로부터 산출하여도 좋다.
이어서 조력 최대 연료값 산출부(58)는 단계(S4)에서 구한 엔진 시스템(100)의 총 출력과 단계(S5)에서 구한 파워 터빈(30)의 출력에 따라 조력 최대 연료값을 구한다(단계(S6)). 구체적으로는 연료 제어 장치(50)는 도 6에 나타낸 그래프에 해당하는 맵이나 수학식을 저장하고 있고 조력 최대 연료값 산출부(58)는 그 맵 또는 수학식을 이용하여 조력 최대 연료값을 구한다.
도 6에 있어서 가로축은 엔진 시스템(100)의 총 출력이고, 세로축은 조력 최대 연료값이다. 또한, 도면 내의 곡선은 엔진 시스템(100)의 총 출력과 조력 최대 연료값의 관계를 나타내는 최대 연료 곡선이다. 최대 연료 곡선은 파워 터빈(30)의 출력마다 그려진다. 도 6에서는 일례로 파워 터빈(30)의 출력이 100%(최대값)인 때, 50%인 때, 10%인 때의 최대 연료 곡선이 그려져 있다. 세로축의 조력 최대 연료값에서의 100%는 통상 최대 연료값에 해당한다. 또한, 가로축의 엔진 시스템(100)의 총 출력의 100%는 통상 최대 연료값에 해당하는 연료가 엔진(10)에 공급되었을 때의 엔진(10)의 출력(조력이 없을 때의 엔진 시스템(100)의 총 출력)에 해당한다.
조력 최대 연료값을 구할 때에는 먼저 단계(S5)에서 산출한 파워 터빈(30)의 출력에 해당하는 최대 연료 곡선을 선택한다. 그리고 선택한 최대 연료 곡선을 이용하여 단계(S4)에서 산출한 엔진 시스템(100)의 총 출력 값에서 조력 최대 연료값을 판독한다. 예를 들어, 파워 터빈(30)의 출력이 50%, 엔진 시스템(100)의 총 출력이 P1인 경우에는 도 6에 나타낸 바와 같이 조력 최대 연료값은 F1이 된다. 이와 같이 도 4에 나타낸 단계(S1~S6)를 거침으로써 조력 최대 연료값 산출부(58)는 조력 최대 연료값을 산출할 수 있다.
또한, 도 6으로부터 이해할 수 바와 같이 본 실시예에서는 엔진 시스템(100)의 총 출력이 동일하면 파워 터빈(30)의 출력이 작아짐에 따라 조력 최대 연료값이 커지도록 설정되어 있다. 이는 파워 터빈(30)의 출력이 작아지면 엔진(10)을 조력하는 힘은 작아지므로 엔진 시스템(100)의 총 출력이 과도하게 상승하는(위험 출력을 초과하는) 위험이 감소하기 때문이다. 즉, 파워 터빈(30)의 출력이 작은 경우에는 조력 최대 연료값을 크게 할 수 있으므로 조력 최대 연료값을 낮은 값으로 설정하는 경우에 비해 엔진 시스템(100)의 보다 유연한 운용이 가능해진다.
또한, 도 6에서 이해할 수 있는 바와 같이 파워 터빈(30)의 출력이 같으면 엔진 시스템(100)의 총 출력이 작아짐에 따라 조력 최대 연료값이 커지도록 설정되어 있다. 여기서 "엔진 시스템(100)의 총 출력이 작아진다"란, 파워 터빈(30)의 출력이 같으면 엔진(10)의 출력이 작아지는 것을 의미한다. 요컨대 본 실시예에서는 파워 터빈(30)의 출력이 같으면 엔진(10)의 출력이 작아짐에 따라 조력 최대 연료값이 커지도록 설정되어 있다. 이는 엔진(10)의 출력이 작아졌을 경우에도 엔진 시스템(100)의 총 출력이 과도하게 상승하는 위험이 감소하기 때문이다. 즉, 엔진(10)의 출력이 작은 경우에도 조력 최대 연료값을 크게 할 수 있으므로 조력 최대 연료값을 낮은 값으로 설정하는 경우에 비해 엔진 시스템(100)의 보다 유연한 운전이 가능해진다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템(100)은 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하지 않을 때에는 통상 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량이 제어되는 동시에 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력할 때에는 조력 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하도록 구성되어 있다. 그리고 이 조력 최대 연료값은 통상 최대 연료값보다 작아지도록 설정된다. 따라서 파워 터빈(30)이 엔진(10)을 조력하는 경우이어도 엔진 시스템(100)의 총 출력이 위험 출력을 초과하기 전에 연료 분사량이 감소하기 때문에 파워 터빈(30)에 의한 엔진(10)의 조력을 중지할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에 따르면 엔진 시스템(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명했지만 구체적인 구성은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계 변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다.
또한, 상기한 실시예에서는 엔진 시스템(100)이 선박(101)에 탑재되어 있는 경우에 대해 설명했지만 엔진 시스템이 발전 설비에 사용되는 것이어도 본 발명의 구성을 구비하는 한 본 발명에 포함된다.
본 발명에 따르면 폐열 에너지를 엔진의 조력에 이용하는 엔진 시스템의 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 엔진 시스템 기술 분야에서 유익하다.
10: 엔진
30: 파워 터빈
31: 파워 터빈 유입 통로
32: 제어 밸브
40: 연결기
50: 연료 제어 장치
100: 엔진 시스템
101: 선박

Claims (6)

  1. 엔진과,
    배기가스에 의해 구동되어 상기 엔진을 조력하는 파워 터빈과,
    상기 엔진으로부터 상기 파워 터빈으로 배기가스를 인도하는 파워 터빈 유입 통로와,
    상기 파워 터빈 및 상기 엔진을 연결하는 연결기와,
    상기 엔진에서의 연료 분사량을 제어하는 연료 제어 장치를 구비하며,
    상기 연료 제어 장치는 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력하지 않을 때에는 통상 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하고, 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력할 때에는 조력 최대 연료값을 초과하지 않도록 연료 분사량을 제어하도록 구성되어 있고, 상기 조력 최대 연료값은 상기 통상 최대 연료값보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조력 최대 연료값은 상기 파워 터빈의 출력에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조력 최대 연료값은 엔진 시스템의 총 출력이 동일하면 상기 파워 터빈의 출력이 작아짐에 따라 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조력 최대 연료값은 상기 파워 터빈의 출력이 동일하면 엔진 출력이 작아짐에 따라 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 터빈 유입 통로에는 제어 밸브가 설치되어 있고,
    상기 연결기는 상기 파워 터빈과 상기 엔진의 연결을 해제 가능하게 구성되어 있으며,
    상기 연료 제어 장치는 상기 제어 밸브가 개방되어 있고, 상기 파워 터빈과 상기 엔진이 연결되어 있을 때 상기 파워 터빈이 상기 엔진을 조력하고 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 엔진 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 선박.
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