KR20200009104A - 선박용 엔진 - Google Patents

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KR20200009104A
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gas supply
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KR1020200006230A
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백은성
한주석
김기두
유정대
표준호
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료를 연소시키기 위한 실린더, 상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤, 상기 실린더에 공기를 공급하기 위한 소기공급유닛, 및 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하기 위한 가스공급유닛을 포함하고, 상기 가스공급유닛은 상기 소기공급유닛이 상기 실린더에 공급한 공기의 스월 방향인 제1방향과 반대되는 제2방향으로 가스연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진에 관한 것이다.

Description

선박용 엔진{Engine for Ship}
본 발명은 선박을 추진시키기 위한 선박용 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 엔진은 디젤엔진(Diesel Engine), 가스엔진(Gas Turbine Engine), 이중연료엔진(Dual Fuel Engine) 등 다양한 엔진을 포함한다. 특히, 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)은 2가지 연료. 예컨대, 가스와 디젤을 병행하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 선박에 많이 사용된다.
이러한 이중연료엔진이 설치된 선박(이하, '선박'이라 함)은 가스를 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤을 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나를 이용하여 운전한다.
이중연료엔진은 실린더, 실린더에서 상하방향으로 왕복운동하는 피스톤, 실린더의 상측에 설치되는 실린더커버, 실린더커버에 설치되어서 디젤모드 시 디젤연료를 분사하는 디젤인젝터, 실린더커버에 설치되어서 실린더에서 연소된 배기가스를 배출시키기 위한 배기밸브, 실린더에서 배출되는 배기가스를 공급받는 배기리시버, 실린더의 하측에 설치되어서 실린더 내부로 공기를 공급하는 소기리시버, 실린더의 상측과 하측 사이에 설치되어서 실린더 내부에 가스연료를 공급하는 가스공급부를 포함한다.
한편, 종래 선박은 가스모드 운전 시, 실린더의 하측에서 실린더 내부로 소기를 공급한 후 피스톤이 상측으로 이동하는 중간에 가스공급부가 실린더의 하측과 상측 사이에서 실린더로 가스연료를 공급하고, 피스톤이 상측으로 더 이동하여서 실린더에 공급된 소기와 가스연료를 압축 연소시켜 추진력을 발생시켰다.
그러나, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 실린더에 소기가 공급된 후 피스톤이 압축을 위해 상측방향으로 이동 시, 가스공급부가 실린더에 공급된 소기의 스월(Swirl) 방향과 유사하거나 동일한 방향으로 가스연료를 공급함으로써, 소기와 가스연료의 혼합이 균일하게 되지 않아 노킹(Knocking)이 발생하거나 부분적으로 가스연료가 농후하여 조기점화(Pre-ignition)가 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 실린더에 가스연료 공급 시 실린더에 공급된 소기의 스월 방향을 회피하여 가스연료를 공급하여서 소기와 가스연료를 균일하게 혼합시킬 수 있는 선박용 엔진을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 연료를 연소시키기 위한 실린더; 상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤; 상기 실린더에 소기 공기를 공급하기 위한 소기공급유닛; 및 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하기 위한 가스공급유닛을 포함할 수 있다. 상기 가스공급유닛은 상기 소기공급유닛이 상기 실린더에 공급한 소기공기의 스월 방향인 제1방향과 반대되는 제2방향으로 가스연료를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진에 있어서, 상기 가스공급유닛은 상기 실린더에 가스를 공급하기 위한 가스공급원, 실린더라이너에 설치되고 상기 실린더에 가스연료를 공급하도록 상기 가스공급원에 연결되는 가스분사노즐, 및 상기 가스분사노즐과 상기 가스공급원 사이에 위치하도록 설치되고 상기 가스공급원에서 공급되는 가스연료를 상기 가스분사노즐로 공급하거나 차단하기 위한 가스공급밸브를 포함할 수 있다. 상기 가스분사노즐은 상기 제2방향으로 상기 실린더에 가스연료가 분사되도록 상기 실린더라이너에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 가스공급유닛에 연결되게 설치되고 상기 실린더에 보조 공기를 공급하기 위한 보조공기공급유닛을 포함할 수 있다. 상기 보조공기공급유닛은 상기 가스공급유닛이 상기 실린더에 가스연료를 공급할 때 보조공기도 함께 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 가스공급유닛에 연결되게 설치되고 상기 실린더에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급유닛을 포함할 수 있다. 상기 불활성가스공급유닛은 상기 가스공급유닛이 상기 실린더에 가스연료를 공급할 때 불활성가스도 함께 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진에 있어서, 상기 가스분사노즐은 복수개가 상기 실린더라이너의 원주 방향을 따라 서로 동일한 간격으로 이격되게 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진에 있어서, 상기 가스분사노즐은 복수개가 상기 실린더라이너의 원주 방향을 따라 서로 상이한 간격으로 이격되게 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진은 상기 가스분사노즐들 각각에 결합되는 복수개의 제1파이프라인, 및 일측이 상기 제1파이프라인들에 연결되고 타측이 상기 가스공급원에 결합되는 제2파이프라인을 포함할 수 있다. 상기 가스공급밸브는 상기 제2파이프라인에 설치되어서 상기 제2파이프라인을 개폐함에 따라 상기 가스공급원에서 상기 제1파이프라인들 각각으로 가스연료를 공급하거나 차단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 실린더에 가스연료 공급 시 실린더에 공급된 소기의 스월 방향을 회피하여 가스연료를 공급하도록 구현됨으로써, 소기와 가스연료를 균일하게 혼합시켜서 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)가 발생하는 것을 방지하여 엔진의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 엔진의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 선박용 엔진의 개략적인 도면
도 3은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 가스공급유닛을 설명하기 위한 도 2의 I-I선을 기준으로 한 개략적인 도면
도 4는 종래 기술에 따른 선박용 엔진의 실린더에서 가스연료와 소기공기가 혼합된 상태를 설명하기 위한 개략적인 도면
도 5는 본 발명에 따른 선박용 엔진의 실린더에서 가스연료와 소기공기가 혼합된 상태를 설명하기 위한 개략적인 도면
도 6은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 복수개의 가스분사노즐을 설명하기 위한 개략적인 도면
도 7은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 복수개의 가스분사노즐이 서로 상이한 간격으로 이격 설치된 것을 설명하기 위한 개략적인 도면
도 8은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 복수개의 제1파이프라인 및 제2파이프라인을 설명하기 위한 개략적인 도면
도 9는 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 보조공기공급유닛을 설명하기 위한 개략적인 도면
도 10은 본 발명에 따른 선박용 엔진에서 불활성가스공급유닛을 설명하기 위한 개략적인 도면
도 11은 본 발명에 따른 선박용 엔진의 개략적인 도면
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박용 엔진에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 11을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 실린더에 가스연료 공급 시, 실린더에 공급된 소기공기의 스월(Swirl) 방향과 반대방향으로 가스연료를 공급함으로써, 공기와 가스연료를 균일하게 혼합시켜 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 스월(Swirl)은 실린더에 소기공기를 공급할 때 생기는 소용돌이 현상을 의미한다. 상기 노킹(Knocking)은 실린더 내에서의 이상연소에 의해 망치로 두드리는 것과 같은 소리가 나는 현상이다. 상기 조기점화(Pre-ignition)는 이상연소의 하나로 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 점화되는 현상이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 크게 실린더(2), 피스톤(3), 소기공급유닛(4) 및 가스공급유닛(5)를 포함한다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 것이다. 상기 실린더(2)는 엔진블록(미도시)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 실린더(2)는 공기, 연료 등이 공급될 수 있는 연소실을 갖는다. 상기 연소실은 내부가 비어있는 원통형태로 형성될 수 있다. 상기 연소실과 상기 엔진블록 사이에는 실린더라이너(2a, 도 3에 도시됨)가 설치될 수 있다. 상기 실린더(2)에는 피스톤(3)이 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예컨대, 피스톤(3)은 상기 연소실의 내부에서 Z축방향(도 2에 도시됨)을 기준으로 상하방향으로 왕복운동할 수 있다. 상기 Z축방향은 중력방향과 평행한 방향일 수 있으나, 다른 방향일 수도 있다. Y축방향(도 2에 도시됨)은 상기 Z축방향에 대해 수직한 방향이다. X축방향(도 2에 도시됨)은 상기 Y축방향과 상기 Z축방향 각각에 대해 수직한 방향일 수 있다. 상기 실린더(2)에는 상기 소기공급유닛(4) 및 가스연료를 공급하기 위한 가스공급유닛(5)이 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 연소실은 상기 소기공급유닛(4)으로부터 소기공기를 공급받고 상기 가스공급유닛(5)으로부터 가스연료를 공급받을 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 상기 실린더(2)의 하측에 설치되는 소기공(미도시)을 통해 상기 소기공급유닛(4)으로부터 외부공기인 소기(掃氣)가 공급된 후에 상기 연소실에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 소기공은 상기 실린더(2)의 하측에서 상기 실린더(2)를 관통하여 형성된 구멍으로, 상기 소기공급유닛(4)에 연결되게 설치될 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)은 컴프레서, 임펠러 등과 같은 공기압축장치일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 소기공을 통해 상기 실린더(2)에 소기공기를 공급할 수 있으면 소기리시버와 같은 공기저장장치 등 다른 장치일 수도 있다. 상기 소기리시버는 소정 압력으로 공기를 저장하고 있는 공기저장탱크일 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)이 소기리시버일 경우, 상기 소기리시버에 저장된 공기는 상기 소기공을 통해 상기 연소실로 공급될 수 있다. 상기 소기리시버는 터보차져(미도시)가 상기 연소실에서 배출되는 배기가스를 공급받아 공기를 압축하여 공급함으로써, 공기를 소정 압력으로 저장할 수 있다. 상기 연소실은 피스톤(3)이 왕복 운동함에 따라 체적이 증감될 수 있다. 예컨대, 상기 연소실은 피스톤(3)이 상측방향으로 이동하면, 체적이 감소될 수 있다. 이 경우, 실린더(2)에 공급된 가스연료와 공기는 압축될 수 있다. 상기 피스톤(3)이 제1위치(P1, 도 2에 도시됨)에서 이동하여 제2위치(P2, 도 2에 도시됨)에 도달하면, 실린더(2)의 상측에 설치된 디젤인젝터(미도시)가 디젤을 공급하여 압축된 연료를 착화시킴으로써 연료와 공기가 혼합된 연료가 연소 및 폭발하여 피스톤(3)을 하측방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동력이 발생되고, 연소실에는 배기가스가 발생될 수 있다. 제1위치(P1)는 피스톤(3)이 하사점에 위치되는 경우이다. 제2위치(P2)는 피스톤(3)이 상사점에 위치되는 경우이다. 연소실은 피스톤(3)이 하측방향으로 이동하면, 체적이 증가될 수 있다. 피스톤(3)이 하사점 쪽으로 이동하면, 상기 소기공급유닛(4)이 상기 연소실에 소기공기를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 연소실에서 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스는 상기 소기공급유닛(4)이 공급한 소기공기에 의해 상기 연소실의 외부로 배출될 수 있다. 배기가스는 상기 실린더(2)에 결합된 배기관을 따라 배출되어서 배기리시버(미도시)로 공급될 수 있다. 상기 배기리시버는 배기가스를 저장하기 위한 것이다. 배기가스는 상기 소기공급유닛(4)과 상기 배기리시버와의 압력 차이에 의해서 상기 연소실에서 상기 배기리시버로 배출될 수도 있다.
상기 실린더(2)는 중심(C)을 기준으로 원형으로 형성될 수 있다. 상기 중심(C)은 연소실을 형성하는 실린더라이너(2a)로부터 동일한 거리에 위치한 지점일 수 있다.
상기 피스톤(3)은 상기 연소실에 공급된 공기 및 연료를 압축하기 위한 것이다. 피스톤(3)은 상기 연소실에 이동 가능하게 설치된다. 예컨대, 피스톤(3)은 상기 연소실의 내부에서 하사점(P1)와 상사점(P2) 사이를 왕복 이동할 수 있다. 상기 피스톤(3)은 원기둥형태로 형성될 수 있으나, 상기 연소실에서 이동하면서 연료와 공기를 압축할 수 있으면 다른 형태로 형성될 수도 있다. 피스톤(3)은 구동력을 전달하는 크랭크축(미도시)에 의해 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(3)은 막대형태인 피스톤로드와 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 연결될 수 있다. 피스톤(3)은 크랭크축에 의해 상측방향으로 이동하는 경우 연료 및 공기를 압축시킬 수 있다. 피스톤(3)은 상사점(P2)에서 실린더(2)에 공급된 연료 및 공기가 혼합 연소되어 폭발함에 따라 하측방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 피스톤(3)은 실린더(2)의 내부에서 하사점(P1)과 상사점(P2) 사이를 왕복 운동할 수 있다. 하사점(P1)은 Z축 방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 낮은 위치에 위치되는 지점이다. 상사점(P2)은 Z축 방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 높은 위치에 위치되는 지점이다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 상사점(P2)에 도달하면, 구동력을 발생시키기 위해 압축된 연료를 폭발시킬 수 있다.
소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 공기를 공급하기 위한 것이다. 상기 소기공급유닛(4)은 실린더(2)의 하측에 위치하도록 엔진블록에 결합될 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)은 Y축 방향을 기준으로 가스공급유닛(5)보다 낮은 위치에 위치될 수 있다. 이에 따라, 피스톤(3)은 실린더(2)에서 공기와 연료를 압축시키기 위해 하사점(P1), 상기 소기공급유닛(4)이 실린더(2)에 소기공기를 공급하는 제3위치(미도시), 상기 가스공급유닛(5)이 실린더(2)에 가스연료를 공급하는 제4위치(미도시) 및 상사점(P2)을 순차적으로 이동할 수 있다. 상기 제1위치(P1), 상기 제2위치(P2), 상기 제3위치, 상기 제4위치에는 각각 피스톤(3)의 상면이 위치될 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)은 소기공을 통해 상기 실린더(2)에 연결될 수 있다. 상기 소기공은 실린더(2)에 연통되도록 엔진블록에 설치될 수 있다. 소기공은 실린더(2)를 형성하는 실린더라이너(2a)의 원주를 따라 복수개가 서로 이격되게 형성될 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)은 외부의 공기를 흡입하여 상기 소기공을 통해 실린더(2)에 소기공기를 공급할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 공기를 저장하였다가 실린더(2)에 공급할 수도 있다. 상기 소기공급유닛(4)은 엔진 부하에 따라 약 1바(bar) - 8바(bar) 사이의 압력으로 실린더(2)에 소기공기를 공급할 수 있다. 바람직하게 소기공기공급부재(411)는 엔진 부하에 따라 약 1바(bar) - 5바(bar) 사이의 압력으로 실린더(2)에 소기공기를 공급할 수 있다. 소기공급유닛(4)은 피스톤(3)의 이동에 따라 실린더(2)에 연통되거나 연통이 차단됨으로써, 실린더(2)에 공기를 공급하거나 공급하지 않을 수 있다. 예컨대, Z축방향을 기준으로 피스톤(3)이 소기공급유닛(4)보다 하사점 쪽으로 하측으로 이동하면, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 연통될 수 있다. 즉, 피스톤(3)이 제3위치에서 제1위치(P1) 사이에 위치되면, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 연통될 수 있다. 이에 따라, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 공기를 공급할 수 있다. 예컨대, Z축방향을 기준으로 피스톤(3)이 소기공급유닛(4)보다 상사점 쪽으로 상측으로 이동하면, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)와의 연통이 차단될 수 있다. 즉, 피스톤(3)이 제3위치에서 제2위치(P2) 사이에 위치되면, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 연통될 수 없다. 이에 따라, 소기공급유닛(4)은 실린더(2)에 공기를 공급할 수 없다. 실린더(2)에는 소기공급유닛(4) 및 후술할 보조공기공급유닛이 공기를 공급할 수 있다. 상기 소기공급유닛(4)이 실린더(2)의 하측에서 소기공기를 공급하면, 상기 실린더(2)에 공급된 소기공기는 스월(Swirl)을 형성하면서 실린더(2)의 상측으로 이동하게 된다. 상기 스월은 상기 실린더(2)에 소기공기가 흡입될 때 생기는 소용돌이 현상을 의미한다. 상기 소기공급유닛(4)에 의해 실린더(2)에 공급된 소기공기는 반시계방향 또는 시계방향으로 회전하면서 스월을 형성하게 된다. 본 명세서에서는 상기 소기공급유닛(4)에 의해 실린더(2)에 공급된 소기공기의 스월 방향을 제1방향(D1 화살표 방향, 도 3에 도시됨)이라 한다. 한편, 소기공급유닛(4) 및 보조공기공급유닛은 실린더(2)에 공기를 나누어서 공급할 수 있다. 예컨대, 실린더(2)가 공급받는 공기의 총 양이 100이라고 할 경우, 소기공급유닛(4)이 90을 공급하고, 보조공기공급유닛이 10을 공급할 수 있다. 보조공기공급유닛이 공급하는 보조공기는 가스공급유닛(5)에서 공급하는 가스연료와 혼합되어 공기혼합가스연료(AF, 도 8에 도시됨)로 실린더(2)에 공급될 수 있다.
상기 가스공급유닛(5)은 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)의 상사점(P2)과 하사점(P1) 사이에 위치하도록 상기 실린더(2)에 결합될 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)이 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 압력은 엔진 부하에 따라 약 3바(bar)에서 30바(bar) 사이. 바람직하게 5바(bar)에서 22바(bar) 사이일 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 실린더(2)에 가스연료와 보조 공기를 혼합하여 공급할 수도 있다. 예컨대, 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 상기 실린더(2)로 가스연료를 공급할 때 후술할 보조공기공급유닛으로부터 보조공기를 공급받아서 함께 공급할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다. 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 상기 실린더(2)에 가스연료와 불활성가스를 혼합하여 공급할 수도 있다. 예컨대, 상기 가스공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 상기 실린더(2)로 가스연료를 공급할 때 후술할 불활성가스공급유닛으로부터 불활성가스를 공급받아서 함께 공급할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다. 상기 가스공급유닛(5)은 상기 소기공급유닛(4)이 소기공을 통해 상기 실린더(2)에 소기공기를 공급한 후에 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 선박이 LNG선일 경우, LNG저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜서 상기 실린더(2)에 공급할 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 LNG저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil off gas)를 상기 실린더(2)에 공급할 수도 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 가스공급원(51), 가스분사노즐(52) 및 가스공급밸브(53)를 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참고하면, 상기 가스공급원(51)은 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스공급원(51)은 관 또는 파이프를 통해 상기 가스분사노즐(52)에 연결될 수 있다. 상기 가스공급원(51)은 가스연료를 저장하는 LNG저장탱크일 수 있다. 따라서, 상기 가스공급원(51)은 상기 LNG저장탱크에서 상기 가스분사노즐(52)로 가스연료를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 연료는 기체상태일 수 있다. 상기 가스공급원(51)과 상기 가스분사노즐(52)을 연결하는 파이프에는 연료를 이송시키기 위해 이송력을 발생시키는 컴프레서, 임펠러, 펌프와 같은 이송장치(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 가스공급원(51)은 가스연료를 일정한 압력으로 저장하고 있는 가스연료저장탱크일 수도 있다. 이 경우, 상기 이송장치가 설치되지 않고 상기 파이프에는 개폐밸브가 설치될 수 있다. 상기 개폐밸브는 상기 가스공급밸브(53)일 수 있다. 상기 가스공급원(51)과 상기 가스분사노즐(52)을 연결하는 파이프에는 실린더(2)에서 상기 가스공급원(51)으로 가스연료 및 공기 중 적어도 하나가 역류되는 것을 방지하기 위해 체크밸브(54, 도 11에 도시됨)가 설치될 수 있다. 상기 가스공급원(51)과 상기 가스분사노즐(52)을 연결하는 파이프에는 상기 가스공급원(51)에서 상기 실린더(2)로 공급하는 가스연료의 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브(55, 도 11에 도시됨)가 더 설치될 수도 있다. 상기 가스공급원(51)은 상기 가스분사노즐(52)로 가스연료를 공급함으로써, 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 상기 가스공급원(51)은 피스톤(3)이 제1위치(P1)에서 제2위치(P2)로 이동되는 중간에 가스연료를 상기 실린더(2)에 공급할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스공급유닛(5)이 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 전에 배기밸브(미도시)를 이용하여 실린더(2)와 배기관을 차단시킴으로써, 실린더(2)를 폐쇄하여서 가스연료가 배기관 쪽으로 배출되는 메탄슬립을 방지할 수 있다. 상기 가스공급유닛(5)은 상기 가스공급원(51)에서 상기 실린더(2)로 공급하는 가스연료의 압력이 약 3바(bar)에서 30바(bar) 사이. 바람직하게 5바(bar)에서 22바(bar) 사이가 되도록 가스연료를 압축할 수 있다.
상기 가스분사노즐(52)은 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급하도록 상기 가스공급원(51)에 관 또는 파이프로 연결될 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)은 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료를 실린더(2)의 내부로 분사하기 위해 상기 실린더라이너(2a)에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 가스분사노즐(52)은 상기 실린더라이너(2a)를 관통하여 설치됨으로써, 상기 연소실에 연통될 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)은 내부가 비어 있는 원통형태로 형성됨으로써, 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료가 상기 실린더(2)의 내부. 즉, 연소실로 공급되도록 할 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)은 노즐축선(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 노즐축선은 가스분사노즐(52)의 중심이 되는 선을 의미한다. 상기 노즐축선은 상기 가스분사노즐(52)이 갖는 길이방향과 평행할 수 있다. 상기 노즐축선은 상기 가스분사노즐(52)을 통해 이동하는 가스연료의 이동 방향과 평행한 방향일 수 있다. 따라서, 상기 가스분사노즐(52)에서 분사되는 가스연료는 상기 가스분사노즐(52)이 갖는 노즐축선 방향과 동일한 방향일 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)은 상기 실린더라이너(2a)에서 다양한 방향으로 설치될 수 있다. 따라서, 상기 가스분사노즐(52)이 설치된 방향에 따라 상기 노즐축선 방향이 달라짐으로써, 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 분사방향이 달라질 수 있다.
상기 가스공급밸브(53)는 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료를 상기 가스분사노즐(52)로 공급하거나 공급을 차단하기 위한 것이다. 상기 가스공급밸브(53)는 상기 가스공급원(51)과 상기 가스분사노즐(52) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 예컨대, 상기 가스공급밸브(53)는 상기 가스공급원(51)과 상기 가스분사노즐(52)을 연결하는 파이프에 설치될 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 상기 파이프의 개도를 개방하거나 폐쇄함으로써, 상기 가스공급원(51)에서 상기 가스분사노즐(52)로 가스연료를 공급하거나 차단할 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)가 상기 파이프의 개도를 개방하면, 상기 가스공급원(51)에서 상기 가스분사노즐(52)로 가스연료가 공급될 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)가 상기 파이프의 개도를 폐쇄하면, 상기 가스공급원(51)에서 상기 가스분사노즐(52)로 가스연료가 공급되지 않을 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 밸브축선(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 밸브축선은 가스공급밸브(53)의 중심이 되는 선을 의미하며, 상기 가스공급밸브(53)가 갖는 길이방향과 평행할 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)의 길이방향은 상기 가스공급밸브(53)가 가스연료를 이동시키기 위해 형성된 유로(미도시)의 방향일 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 밸브축선 방향이 상기 가스분사노즐(52)의 노즐축선 방향과 일치하도록 상기 가스분사노즐(52)에 결합될 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)의 밸브축선 방향과 상기 가스분사노즐(52)의 노즐축선 방향이 일치하면, 상기 가스공급밸브(53)의 유로와 상기 가스분사노즐(52)이 일직선 상에 위치하게 된다. 이 상태에서 상기 가스공급밸브(53)가 파이프를 개방하면, 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료는 이동 경로가 구부러지거나 꺾이지 않고 직선으로 이동하여서 상기 가스분사노즐(52)로 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스공급밸브의 밸브축선 방향과 상기 가스분사노즐의 노즐축선 방향을 일치시킴으로써, 가스연료의 이동경로가 구부러지거나 꺾이지 않도록 함으로써 신속하게 가스분사노즐(52)로 가스연료를 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스연료의 이동경로가 구부러지거나 꺾이지 않도록 함으로써, 가스연료의 이동경로가 구부러지는 경우에 비해 상기 가스분사노즐(52) 및 상기 가스공급밸브(53) 중 적어도 하나에 가해지는 압력을 줄일 수 있어서 상기 가스분사노즐(52) 및 가스공급밸브(53) 중 적어도 하나의 사용 수명을 연장시킬 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 상기 가스공급원(51)에 연결되는 파이프의 개도의 크기를 조절하거나 개도를 개방하는 개방시간을 조절함으로써, 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 가스공급밸브(53)는 상기 개도의 크기를 증가시키거나 개방시간을 늘림으로써, 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료량을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 가스공급밸브(53)는 상기 개도의 크기를 감소시키거나 개방시간을 줄임으로써, 상기 실린더(2)에 공급하는 가스연료량을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 엔진(1)에 있어서, 상기 가스분사노즐(52)은 상기 소기공급유닛(4)이 상기 실린더(2)에 공급한 소기공기의 스월(Swirl) 방향인 제1방향(D1 화살표 방향, 도 3에 도시됨)과 반대되는 제2방향(D2 화살표 방향, 도 3에 도시됨)으로 가스연료를 분사하도록 상기 실린더라이너(2a)에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2방향(D2 화살표 방향)은 상기 제1방향(D1 화살표 방향)과 완전히 반대되는 완전반대방향, 및 상기 제1방향(D1 화살표 방향)과 유사하게 반대되는 유사반대방향을 모두 포함하는 방향일 수 있다. 예컨대, 상기 가스분사노즐(52)이 분사하는 가스연료의 완전반대방향은 상기 소기공기의 스월 방향인 제1방향(D1 화살표 방향)과 0도 또는 180도의 각도를 이룰 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)이 분사하는 가스연료의 유사반대방향은 상기 소기공기의 스월 방향인 제1방향(D1 화살표 방향)과 0도를 초과하고 180도 미만의 각도를 이룰 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 소기공급유닛(4)이 실린더(2)의 하측에서 공급한 소기공기가 제1방향(D1 화살표 방향)으로 빠르게 회전하는 것을 저지하면서 상기 공기에 가스연료를 혼합시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 소기공기의 스월 방향으로 가스연료를 분사하는 경우에 비해 가스연료와 소기공기의 충돌에 의한 난류 증가로 연소 속도를 빠르게 하여서 엔진의 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 소기공기의 스월 방향으로 가스연료를 분사하는 경우에 비해 가스연료와 소기공기의 난류를 증가시킴으로써, 소기공기와 가스연료의 혼합을 더 균일하게 하여서 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)과 종래 기술에 따른 선박용 엔진을 비교하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 4는 종래 기술에 따른 선박용 엔진이 소기공기의 스월 방향과 유사하거나 동일한 방향으로 가스연료를 공급함에 따라 실린더에서 가스연료와 소기공기가 혼합된 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 파란색 부분인 B영역은 소기공기가 가스연료보다 많은 부분을 의미한다. 녹색 부분인 G영역은 공기와 가스연료가 균일하게 혼합된 부분을 의미한다. 빨간색 부분인 R영역(도 5에 도시됨)은 가스연료가 공기보다 많은 부분을 의미한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 가스연료를 소기공기의 스월 방향과 유사하거나 동일한 방향으로 분사함으로써, B영역이 G영역보다 크다. 이는 가스연료가 분사되는 G영역에서만 소기공기와 가스연료가 균일하게 혼합되고 나머지 B영역에서는 가스연료가 소기공기에 균일하게 혼합되지 못한 것을 의미한다. 따라서, 종래 기술에 따른 선박용 엔진은 실린더에서 가스연료와 소기공기가 균일하게 혼합되지 못하므로, 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생할 수 있다.
다음, 도 5는 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)이 소기공기의 스월 방향인 제1방향(D1 화살표 방향)과 반대방향인 제2방향(D2 화살표 방향)으로 가스연료를 공급함에 따라 실린더에서 가스연료와 소기공기가 혼합된 상태를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 가스연료를 제2방향(D2 화살표 방향)으로 분사함으로써, B영역과 R영역을 합친 영역보다 G영역이 현저하게 큰 것을 알 수 있다. 이는 가스연료가 소기공기에 균일하게 혼합된 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 소기공기의 스월 방향인 제1방향(D1화살표 방향)과 반대방향인 제2방향(D2 화살표 방향)으로 가스연료를 분사함으로써, 공기와 가스연료를 균일하게 혼합시킬 수 있으므로 노킹(Knocking), 조기점화(Pre-ignition) 등 이상연소가 발생하는 것을 방지하여서 엔진의 사용수명을 증대시킬 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 복수개의 가스분사노즐(52), 복수개의 제1파이프라인(6) 및 제2파이프라인(7)을 포함할 수 있다.
상기 가스분사노즐(52)들은 실린더라이너(2a)의 원주 방향을 따라 서로 동일한 간격으로 이격되게 설치될 수 있다. 상기 가스분사노즐(52)들 각각은 일측이 상기 실린더(2)의 연소실에 연통되고, 타측이 상기 제1파이프라인(6)들 각각에 연결될 수 있다. 상기 제1파이프라인(6)들은 타측이 상기 제2파이프라인(7)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1파이프라인(6)들은 상기 제2파이프라인(7)을 통해 상기 가스공급원(51)으로부터 공급되는 가스연료를 상기 가스분사노즐(52)들 각각으로 공급할 수 있다. 상기 제1파이프라인(6)들은 호스 또는 파이프일 수 있다. 상기 제2파이프라인(7)은 호스 또는 파이프로, 일측이 상기 제1파이프라인(6)들에 연결되고 타측이 상기 가스공급원(51)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제2파이프라인(7)은 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료를 상기 제1파이프라인(6)들 각각으로 공급할 수 있다. 여기서, 상기 제1파이프라인(6)들은 1개의 제2파이프라인(7)에 모두 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제1파이프라인(6)들은 1개의 제2파이프라인(7)을 통해 공급되는 가스연료를 나누어서 공급받을 수 있다. 예컨대, 도 6을 참고하면, 7개의 제1파이프라인(6) 각각은 1개의 제2파이프라인(7)을 통해 공급되는 가스연료를 7등분하여 상기 실린더(2)로 분사할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 실린더(2)의 원주를 따라 서로 동일한 간격으로 이격 배치된 복수개의 가스분사노즐(52)을 통해 실린더(2)에 가스연료를 고르게 분사할 수 있으므로, 공기와 가스연료를 더욱 균일하게 혼합시킬 수 있어서 노킹 및 조기점화가 발생하는 것을 더 방지할 수 있다.
도 7을 참고하면, 상기 가스분사노즐(52)들은 실린더라이너(2a)의 원주 방향을 따라 서로 상이한 간격으로 이격되게 설치될 수 있다. 예컨대, 7개의 제1파이프라인(6) 중 4개의 제1파이프라인(6)은 소기공기량이 가스연료량보다 많은 영역. 즉, B영역에 배치될 수 있다. 나머지 3개의 제1파이프라인(6)은 가스연료량이 소기공기량보다 많은 영역. 즉, R영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 B영역에 가스연료를 집중적으로 분사하고, R영역에는 상기 B영역보다 상대적으로 적은 양의 가스연료를 분사함으로써, 실린더(2) 내부에서 가스연료와 소기공기가 전체적으로 균일하게 혼합되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있으므로 엔진의 사용수명을 증대시킬 수 있다.
도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 실린더라이너(2a)의 원주 방향을 따라 서로 동일한 간격으로 이격 설치된 가스분사노즐(52)들 각각이 실린더(2)에 분사하는 가스연료량을 서로 다르게 조절함으로써, 상기 실린더(2) 내부에서 소기공기 대비 가스연료가 농후해지거나 옅어지는 것을 방지할 수 있다. 소기공기 대비 가스연료가 농후해지면 노킹 또는 조기점화가 발생할 수 있다. 소기공기 대비 가스연료가 옅어지면 실화(Misfiring)가 발생하거나 연소가 불안정할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 제1파이프라인(6)들 각각에 설치되는 밸브들이 제1파이프라인(6)들 각각의 개도의 크기를 조절하거나 개도의 개방시간을 조절함으로써, 상기 가스분사노즐(52)들 각각이 실린더(2)에 분사하는 가스연료량을 서로 다르게 조절할 수 있다.
도 8을 참고하면, 상기 제2파이프라인(7)에는 가스공급밸브(53)가 설치될 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 상기 제2파이프라인(7)을 개폐함으로써, 상기 가스공급원(51)에서 공급되는 가스연료를 상기 제1파이프라인(6)들 각각으로 공급하거나 차단할 수 있다. 이에 따라, 상기 실린더(2)에는 상기 가스공급밸브(53)의 개폐 여부에 따라 가스연료가 공급되거나 공급이 중단될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 1개의 가스공급밸브(53)를 통해 복수개의 제1파이프라인(6)에 가스연료를 공급하거나 차단할 수 있으므로, 폭발 위험이 있는 비상 시에 신속하게 실린더(2)에 공급되는 가스연료를 차단할 수 있어서 안전사고가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 가스공급밸브(53)는 상기 제2파이프라인(7)의 개도의 크기 또는 개방시간을 조절함으로써, 복수개의 제1파이프라인(6)을 통해 복수개의 가스분사노즐(52)로 공급되는 가스연료의 양을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제2파이프라인(7)의 개도를 크게 개방하거나 개방시간을 증가시키면, 많은 양의 가스연료가 제2파이프라인(7)에서 제1파이프라인(6)들로 분배되어 공급되므로 실린더(2)에는 많은 양의 가스연료가 공급될 수 있다. 반대로, 상기 제2파이프라인(7)의 개도를 작게 개방하거나 개방시간을 감소시키면, 적은 양의 가스연료가 제2파이프라인(7)에서 제1파이프라인(6)들로 분배되어 공급되므로 실린더(2)에는 적은 양의 가스연료가 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 1개의 가스공급밸브(53)를 통해 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 제어할 수 있으므로, 가스연료 제어에 대한 구축비용을 절감할 수 있다.
도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 상기 가스공급밸브(53)를 복수개 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 가스공급밸브(53)들은 상기 제1파이프라인(6)들 각각에 설치되어서 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급 및 차단하거나, 공급하는 가스연료의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 복수개의 가스분사노즐(52) 중 실린더(2)에 가스연료를 공급할 가스분사노즐(52)을 일부만 선택하여서 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 양을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 소기공기와 가스연료의 혼합이 잘 되지 않는 부분에 위치한 가스분사노즐(52)이 가스연료를 더 많이 집중적으로 분사하도록 제어하여서 실린더(2)에 공급된 소기공기와 가스연료가 전체적으로 균일하게 혼합되도록 할 수도 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 보조공기공급유닛(8)을 포함할 수 있다.
상기 보조공기공급유닛(8)은 상기 소기공급유닛(4)이 실린더(2)에 공급하는 소기공기 외에 상기 실린더(2)에 공기를 추가로 공급하기 위한 것이다. 본 명세서에서는 상기 보조공기공급유닛(8)이 상기 실린더(2)에 공급하는 공기를 보조 공기라 한다. 상기 보조공기공급유닛(8)은 호스 또는 파이프를 통해 상기 가스공급유닛(5)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 보조공기공급유닛(8)이 추가로 공급하는 보조공기는 상기 가스공급유닛(5)으로 공급되어서 가스연료와 함께 상기 실린더(2)로 공급될 수 있다. 상기 보조공기공급유닛(8)은 상기 가스공급유닛(5)에 연결되므로, 소기공급유닛(4)이 실린더(2)에 소기공기를 공급한 후 피스톤이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 실린더(2)의 측벽에서 실린더(2)에 보조공기를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 보조공기공급유닛(8)은 상기 소기공급유닛(4)보다 나중에 실린더(2)에 보조공기를 공급할 수 있다. 상기 보조공기공급유닛(8)은 상기 제1파이프라인(6)에 연결될 수도 있다. 따라서, 상기 보조공기공급유닛(8)은 상기 제1파이프라인(6)으로 보조공기를 공급함으로써, 상기 실린더(2)의 중간 위치에서 상기 실린더(2)로 공기를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 가스공급유닛(5)도 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 실린더(2)에는 보조공기공급유닛(8)이 공급하는 보조공기와 가스공급유닛(5)이 공급하는 가스연료가 혼합된 공기혼합가스연료(AF, 도 9에 도시됨)가 공급될 수 있다. 실린더(2)에 공급되는 공기혼합가스연료(AF)의 압력은 엔진 부하에 따라 약 3바(bar)에서 30바(bar) 사이일 수 있으나, 바람직하게 5바(bar)에서 22바(bar) 사이일 수 있다. 이 경우, 보조공기공급유닛(8)이 추가로 공급하는 공기의 압력은 상기 가스공급유닛(5)이 공급하는 가스연료의 공급압력보다 상대적으로 낮을 수 있다. 왜냐하면, 상기 실린더(2)에 가스연료 공급을 원활하게 하기 위함이다. 공기혼합가스연료(AF)의 압력이 30바(bar)를 초과하면, 보조공기공급유닛(8)과 가스공급유닛(5) 각각의 용량이 커져야 하므로 전체적인 엔진의 크기가 커지는 문제가 있다. 공기혼합가스연료(AF)의 압력이 3바(bar) 미만이면, 실린더(2)에 공급된 공기의 압력으로 인해 공기혼합가스연료(AF)가 실린더(2)에 원활하게 공급되지 못하는 문제가 있다. 상기 보조공기공급유닛(8)과 상기 제1파이프라인(6)을 연결하는 보조파이프 또는 상기 보조공기공급유닛(8)과 상기 가스공급유닛(5)을 연결하는 보조파이프에는, 상기 실린더(2)에 보조공기를 공급하거나 차단하기 위한 보조공기밸브(81, 도 11에 도시됨), 상기 실린더(2) 또는 상기 가스공급원(51)에서 상기 보조공기공급유닛(8)으로 가스연료 및 소기공기 중 적어도 하나가 역류되는 것을 방지하기 위한 보조공기체크밸브(82, 도 11에 도시됨), 및 상기 보조공기공급유닛(8)에서 상기 실린더(2)로 공급하는 보조공기의 압력을 조절하기 위한 보조공기압력조절밸브(83, 도 11에 도시됨) 중 적어도 하나가 설치될 수도 있다. 상기 보조공기공급유닛(8)은 외부의 공기를 압축하여서 상기 소기공급유닛(4)에 보조공기를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 보조공기공급유닛(8)은 압축기, 임펠러 등 압축장치일 수 있다. 상기 보조공기공급유닛(8)은 소정 압력으로 미리 압축된 공기를 저장하여서 상기 소기공급유닛(4)에 보조공기를 공급할 수도 있다. 이 경우, 상기 보조공기공급유닛(8)은 공기저장탱크. 예컨대, 스타팅에어리시버, 콘트롤에어리시버 등일 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 가스연료와 소기공기를 압축하는 과정에서 보조공기와 가스연료를 미리 혼합시킨 공기혼합가스연료(AF)를 실린더(2)에 공급할 수 있으므로, 압축과정에서 실린더(2)에 가스연료만 공급하는 경우에 비해 실린더(2) 내부의 소기공기, 보조공기와 가스연료를 더 균일하게 혼합시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 공기혼합가스연료(AF)의 연소 효율을 향상시킬 수 있으므로, 선박을 추진시키기 위한 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)가 발생하는 것을 더욱 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 실린더(2)의 중간 부분에서 보조공기와 가스연료가 혼합된 공기혼합가스연료(AF)를 공급할 수 있으므로, 실린더(2)의 하측에서 소기공기가 실린더(2)에 공급된 후 가스연료가 실린더(2)에 따로 공급되는 경우에 비해 압축비를 높일 수 있으므로 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 불활성가스공급유닛(9)을 포함할 수 있다.
상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 실린더(2)에 불활성가스를 추가로 공급하기 위한 것이다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 실린더(2)에서 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지하기 위해서 불활성가스를 실린더(2)에 공급할 수 있다. 상기 실린더(2)에 불활성가스가 공급되면, 불활성가스가 공급되지 않는 경우에 비해 연소온도. 즉, 발화온도를 낮출 수 있으므로 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실린더(2)에 불활성가스가 공급되면, 불활성가스가 공급되지 않는 경우에 비해 연소속도를 늦출 수 있다. 상기 불활성가스는 배기가스 또는 이산화탄소(CO2)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 실린더(2)에 공급된 가스연료와 공기의 연소온도를 낮출 수 있으면 다른 기체일 수도 있다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 관 또는 파이프를 통해 상기 가스공급유닛(5)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 불활성가스공급유닛(9)이 공급하는 불활성가스는 상기 가스공급유닛(5)으로 공급되어서 가스연료와 함께 상기 실린더(2)로 공급될 수 있다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 가스공급유닛(5)에 연결되므로, 소기공급유닛(4)이 실린더(2)에 공기를 공급한 후 피스톤이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 실린더(2)에 불활성가스를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 소기공급유닛(4)보다 나중에 실린더(2)에 불활성가스를 공급할 수 있다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 제1파이프라인(6)에 연결될 수도 있다. 따라서, 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 제1파이프라인(6)으로 불활성가스를 공급함으로써, 상기 실린더(2)의 중간 위치에서 상기 실린더(2)로 불활성가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 가스공급유닛(5)도 상기 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 실린더(2)에는 불활성가스공급유닛(9)이 공급하는 불활성가스와 가스공급유닛(5)이 공급하는 가스연료가 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF, 도 10에 도시됨)가 공급될 수 있다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 불활성가스가 저장된 불활성가스저장탱크로부터 불활성가스를 공급받아서 상기 가스공급유닛(5)으로 불활성가스를 공급할 수 있다. 상기 불활성가스공급유닛(9)은 상기 실린더(2)에서 배출되는 배기가스를 공급받아서 상기 가스공급유닛(5)으로 상기 배기가스를 공급할 수도 있다. 본 발명에 따른 선박용 엔진(1)은 피스톤(3)이 가스연료와 소기공기를 압축하는 과정에서 가스연료와 불활성가스가 혼합된 불활성가스혼합가스연료(IF)를 실린더(2)에 공급할 수 있으므로, 압축과정에서 실린더(2)에 가스연료만 공급하는 경우에 비해 실린더(2)의 연소온도를 낮추어서 노킹(Knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연소속도를 느리게 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 선박용 엔진
2 : 실린더 3 : 피스톤
4 : 소기공급유닛 5 : 가스공급유닛
6 : 제1파이프라인 7 : 제2파이프라인
8 : 보조공기공급유닛 9 : 불활성가스공급유닛
51 : 가스공급원 52 : 가스분사노즐
53 : 가스공급밸브

Claims (7)

  1. 연료를 연소시키기 위한 실린더;
    상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤;
    상기 실린더에 소기 공기를 공급하기 위한 소기공급유닛; 및
    상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하기 위한 가스공급유닛을 포함하고,
    상기 가스공급유닛은 상기 소기공급유닛이 상기 실린더에 공급한 소기공기의 스월 방향인 제1방향과 반대되는 제2방향으로 가스연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스공급유닛은
    상기 실린더에 가스를 공급하기 위한 가스공급원;
    실린더라이너에 설치되고, 상기 실린더에 가스연료를 공급하도록 상기 가스공급원에 연결되는 가스분사노즐; 및
    상기 가스분사노즐과 상기 가스공급원 사이에 위치하도록 설치되고, 상기 가스공급원에서 공급되는 가스연료를 상기 가스분사노즐로 공급하거나 차단하기 위한 가스공급밸브를 포함하고,
    상기 가스분사노즐은 상기 제2방향으로 상기 실린더에 가스연료가 분사되도록 상기 실린더라이너에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급유닛에 연결되게 설치되고, 상기 실린더에 보조 공기를 공급하기 위한 보조공기공급유닛을 포함하고,
    상기 보조공기공급유닛은 상기 가스공급유닛이 상기 실린더에 가스연료를 공급할 때 보조공기도 함께 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급유닛에 연결되게 설치되고, 상기 실린더에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스공급유닛을 포함하고,
    상기 불활성가스공급유닛은 상기 가스공급유닛이 상기 실린더에 가스연료를 공급할 때 불활성가스도 함께 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가스분사노즐은 복수개가 상기 실린더라이너의 원주 방향을 따라 서로 동일한 간격으로 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가스분사노즐은 복수개가 상기 실린더라이너의 원주 방향을 따라 서로 상이한 간격으로 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
  7. 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스분사노즐들 각각에 결합되는 복수개의 제1파이프라인; 및
    일측이 상기 제1파이프라인들에 연결되고 타측이 상기 가스공급원에 결합되는 제2파이프라인을 포함하고,
    상기 가스공급밸브는 상기 제2파이프라인에 설치되어서 상기 제2파이프라인을 개폐함에 따라 상기 가스공급원에서 상기 제1파이프라인들 각각으로 가스연료를 공급하거나 차단하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
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