KR20200117908A - 이종연료 엔진 - Google Patents

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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 이종연료 엔진에 관한 것으로서, 가스연료를 주연료로 소비하는 가스모드와 오일연료를 주연료로 소비하는 오일모드 중 하나로 운전하는 이종연료 엔진으로서, 연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더; 상기 실린더의 상기 연소실에서 왕복 이동하는 피스톤; 상기 실린더 상측에 마련되며 오일모드 시 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 오일연료 인젝터와, 상기 실린더 상측에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 파일럿 인젝터를 갖는 오일연료 공급유닛; 상기 실린더 상측과 하측 사이에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 상기 연소실에 분사하는 가스연료 분사노즐을 갖는 가스연료 공급유닛; 및 상기 연소실의 체적을 구조적으로 가변시키는 연소체적 가변유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이종연료 엔진{dual-fuel engine}
본 발명은 이종연료 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 탑재되는 대형 엔진으로는 디젤엔진(Diesel Engine), 가스엔진(Gas Turbine Engine), 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine) 등 다양한 엔진이 개발되어 있다. 이 중에서 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine)은, 2가지 연료, 예컨대, 가스(LNG 등)와 오일(디젤 등)을 병행하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 선박에 많이 사용된다.
이러한 이종연료 엔진이 설치된 선박은, 연소실 내압에 따라 고압엔진(ME-GI)과 저압엔진(X-DF 등)으로 구분되며, 2행정 엔진(ME-GI, X-DF) 또는 4행정 엔진(DFDE) 등으로 구분될 수 있다.
이종연료 엔진은, 가스를 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 가스모드와, 오일을 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 오일모드 중 하나를 이용하여 운전한다.
이를 위해 이종연료 엔진(특히 2행정 저압 Otto cycle 엔진)은 연소실을 갖는 실린더, 실린더에서 상하방향으로 왕복운동하는 피스톤, 실린더의 상측에 설치되는 실린더 커버, 실린더 커버에 설치되어 실린더에 오일연료를 분사하는 오일연료 인젝터, 실린더 커버에 설치되어 실린더에서 연소된 배기가스를 배출시키기 위한 배기밸브, 실린더에서 배출되는 배기가스를 공급받는 배기가스 리시버, 실린더의 하측에 설치되어 실린더 내부로 공기를 공급하는 소기 리시버, 실린더의 상측과 하측 사이에 설치되어 실린더 내부에 가스연료를 공급하는 연료공급부(가스연료 인젝터/가스연료 분사노즐 등), 가스모드에서의 점화를 위해 소량의 오일연료를 파일럿 연료로 주입하는 파일럿 인젝터를 포함한다.
또한, 이종연료 엔진은 실린더에서 배출되는 배기가스를 이용하여 실린더에 공급되는 공기의 양을 증가시켜서 엔진의 출력을 높이는 터보차저를 포함한다. 터보차저가 압축한 공기는 소기 리시버로 공급되어 실린더로 공급될 수 있다.
이러한 엔진이 가스모드로 운전하는 경우에는, 소기와 가스연료를 피스톤이 압축하고, 파일럿 인젝터를 이용해 점화를 일으켜 폭발력에 의한 피스톤 하강을 구현한다. 반면 오일모드로 운전하는 경우에는 가스연료 인젝터와 파일럿 인젝터를 사용하지 않고 오일연료 인젝터를 사용하여 폭발을 발생시킬 수 있다.
이러한 이종연료 엔진을 다양한 부하에서 안정적으로 가동하기 위해서는 공연비(air-gas ratio)의 제어가 매우 중요하다. 특히 연료 공급량의 제어에 대한 응답성 대비 배기를 통한 소기 주입을 제어하는 터보차저의 응답성이 떨어진다는 점으로 인하여 공연비가 효율적으로 제어되지 못해 문제가 발생할 수 있다.
일례로 가스량 대비 공기량이 줄어 공연비가 낮아지면 노킹(knocking) 및 조기점화(Pre-ignition)가 발생할 수 있고, 반면 가스량 대비 공기량이 늘어 공연비가 높아지면서 실화(Misfiring)가 발생하여 엔진 효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서 최근 이종연료 엔진에 대해, 부하에 따른 안정적인 연소를 구현하기 위하여 각종 제어 기술이 개발되고 있으며, 또한 연소 효율을 높이기 위한 구조 개선도 함께 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 모드 또는 부하에 따라 압축비를 효과적으로 제어하여 안정적인 출력을 확보할 수 있는 이종연료 엔진을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 이종연료 엔진은, 가스연료를 주연료로 소비하는 가스모드와 오일연료를 주연료로 소비하는 오일모드 중 하나로 운전하는 이종연료 엔진으로서, 연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더; 상기 실린더의 상기 연소실에서 왕복 이동하는 피스톤; 상기 실린더 상측에 마련되며 오일모드 시 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 오일연료 인젝터와, 상기 실린더 상측에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 파일럿 인젝터를 갖는 오일연료 공급유닛; 상기 실린더 상측과 하측 사이에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 상기 연소실에 분사하는 가스연료 분사노즐을 갖는 가스연료 공급유닛; 및 상기 연소실의 체적을 구조적으로 가변시키는 연소체적 가변유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 연소체적 가변유닛은, 구동원; 및 상기 구동원에 의해 에너지를 전달받아 상기 연소실의 내외 방향으로 움직이는 이동부를 포함하며, 상기 이동부의 상기 연소실 내 돌출 정도에 따라 상기 연소실의 체적이 가변될 수 있다.
구체적으로, 상기 연소체적 가변유닛은, 상기 실린더의 상측에 설치되는 실린더 커버에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 연소체적 가변유닛은, 가스모드 또는 오일모드의 전환에 따라 상기 이동부의 위치를 달리할 수 있다.
구체적으로, 상기 연소체적 가변유닛은, 가스모드 대비 오일모드에서 상기 연소실의 체적이 감소하도록 상기 이동부를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 이동부는, 상기 연소실에서 상기 피스톤의 왕복 이동 방향과 경사진 방향으로 이동하게 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 이동부는, 상기 연소실 내측과 마주하는 일단이 상기 연소실의 외측 방향으로 돌출 또는 볼록한 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 이종연료 엔진은, 이종연료를 사용할 때 압축비를 효과적으로 제어할 수 있도록 구조 및/또는 제어를 개선하여, 엔진 효율을 대폭 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 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. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 가스는 LPG, LNG, 에탄 등으로서 비등점이 상온보다 낮은 물질을 의미할 수 있으며, 반면 오일은 상온에서 액상이며 발열량을 갖는 모든 물질로서 디젤 등을 포괄한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 개념도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진의 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료 엔진(1)은, 실린더(2), 피스톤(3), 가스연료 공급유닛(4), 오일연료 공급유닛(5), 제어부(6), 연소체적 가변유닛(11) 등을 포함한다.
실린더(2)는 연료를 연소시키기 위한 것이다. 실린더(2)는 엔진블록(도시하지 않음)의 내부에 형성될 수 있다. 실린더(2)는 공기, 연료 등이 공급될 수 있는 연소실을 갖는다. 연소실은 내부가 비어있는 원통형태로 형성될 수 있다.
실린더(2)와 엔진블록 사이에는 실린더 라이너(도시하지 않음)가 설치될 수 있다. 실린더(2)의 상측에는 실린더 커버(2a)가 설치될 수 있다. 실린더(2)에는 피스톤이 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예컨대, 피스톤은 연소실의 내부에서 상하방향으로 왕복운동할 수 있다. 상하방향은 중력방향과 평행한 방향일 수 있으나, 다른 방향일 수도 있다.
실린더(2)에는 가스연료를 공급하기 위한 가스연료 공급유닛(4), 및 오일연료를 공급하기 위한 오일연료 공급유닛(5)이 결합될 수 있다. 이에 따라, 실린더(2)는 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)으로부터 가스연료 및 오일연료 중 적어도 하나를 공급받을 수 있다.
가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)은 실린더(2)의 하측에 설치되는 소기공(도시하지 않음)을 통해 외부공기인 소기(掃氣)가 공급된 후에 실린더(2)에 가스연료, 오일연료를 공급할 수 있다. 이때, 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)은 가스연료가 공급된 후에 오일연료를 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이종연료 엔진(1)은 소기공기, 가스연료 및 오일연료를 실린더(2)에 순차적으로 공급할 수 있다.
소기공은 실린더(2)의 하측에서 실린더(2)를 관통하여 형성된 구멍으로, 공기가 충진되어 있는 소기 리시버(9)에 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 소기 리시버(9)에 충진된 공기는 소기공을 통해 실린더로 공급될 수 있다.
소기 리시버(9)는 터보차저(도시하지 않음)가 실린더에서 배출되는 배기가스를 이용하여 공기를 압축하여 공급함으로써, 공기를 충진할 수 있다. 엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하면 실린더에서 배출되는 배기가스의 양이 달라지므로, 터보차저 및 소기 리시버(9)를 통해 실린더에 공급되는 공기의 양이 달라지게 된다.
실린더(2)의 연소실은 피스톤이 왕복 운동함에 따라 체적이 증감될 수 있다. 예컨대, 연소실은 피스톤이 상측방향으로 이동하면, 체적이 감소될 수 있다. 이 경우, 연소실에 공급된 연료와 공기는 압축될 수 있다.
피스톤이 하사점(P1)에서 이동하여 상사점(P2)에 도달하면, 실린더(2)의 상측에 설치된 오일연료 인젝터(5a)가 오일을 공급하여 압축된 연료를 착화시킴으로써 가스연료와 공기가 혼합된 연료가 연소 및 폭발하여 피스톤을 하측방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동력이 발생되고, 연소실에는 배기가스가 발생될 수 있다.
연소실은 피스톤이 하측방향으로 이동하면, 체적이 증가될 수 있다. 피스톤이 하사점(P1) 쪽으로 이동하면, 소기 리시버(9)에 충진된 공기가 연소실로 공급될 수 있다. 따라서, 연소실에서 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스는 소기 리시버(9)에서 공급된 공기에 의해 연소실의 외부로 배출될 수 있다.
배기가스는 소기 리시버(9)와 배기가스를 저장하는 배기가스 리시버(도시하지 않음)와의 압력 차이에 의해 연소실의 외부로 배출될 수도 있다. 연소실에서 배출된 배기가스는 배기밸브(10) 및 실린더(2)의 상측에 결합된 배기관을 따라 배출되어서 배기가스 리시버로 공급될 수 있다.
실린더(2)는, 엔진(1)의 가동에 따라 연소실 내 체적을 변경할 수 있는 구조를 갖는다. 이를 통해 본 발명은 엔진(1)의 운전 상태에 따라 압축비를 제어할 수 있게 된다. 이에 대해서는 이하에 연소체적 가변유닛(11)을 설명하는 부분에서 자세히 설명하도록 한다.
피스톤(3)은 실린더(2)에 상하방향으로 이동 가능하게 설치된다. 피스톤(3)은 연소실에 공급된 공기 및 연료를 압축하기 위한 것이다.
피스톤(3)은 연소실에 이동 가능하게 설치된다. 예컨대, 피스톤(3)은 연소실의 내부에서 하사점(P1)와 상사점(P2) 사이를 왕복 이동할 수 있다. 피스톤(3)은 원기둥형태로 형성될 수 있으나, 연소실에서 이동하면서 연료와 공기를 압축할 수 있으면 다른 형태로 형성될 수도 있다.
피스톤(3)은 구동력을 전달하는 크랭크축(도시하지 않음)에 의해 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(3)은 막대형태인 피스톤로드와 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 연결될 수 있다. 피스톤(3)은 크랭크축이 회전함에 따라 상측방향으로 이동할 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 Y축방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 낮은 위치에 위치되는 지점이다. 상사점(P2)은 Y축방향을 기준으로 피스톤(3)이 실린더(2)의 내부에서 가장 높은 위치에 위치되는 지점이다. 피스톤(3)이 상사점(P2)에 도달하면, 구동력을 발생시키기 위해 압축된 연료를 폭발시킬 수 있다.
가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)은 각각 실린더(2)에 가스연료 및 오일연료를 공급하기 위한 것이다. 가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)의 상사점(P2)과 하사점(P1) 사이에 위치하도록 실린더(2)에 결합될 수 있다.
예컨대, 가스연료 공급유닛(4)은 실린더(2)의 측벽에 결합될 수 있다. 가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에, 실린더(2)에 가스연료 및 공기를 혼합하여 공급할 수도 있다.
예컨대, 가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 실린더(2)로 가스연료를 공급할 때 별도의 보조공기 공급유닛(도시하지 않음)으로부터 추가 공기를 공급받아서 함께 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이종연료 엔진(1)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 실린더(2)에 가스연료와 공기를 혼합하여 공급할 수 있으므로, 실린더(2)에 가스연료만 공급하는 경우에 비해 공기와 연료를 더 균일하게 혼합시켜서 노킹, 조기점화와 같은 이상연소가 발생하는 것을 줄이거나 방지할 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 소기공을 통해 실린더(2)에 소기공기가 공급된 후에 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 가스연료 공급유닛(4)은 실린더(2)에 가스연료(GF)를 공급하기 위한 것이다.
가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 가스연료를 실린더(2)에 공급할 수 있다. 이 경우, 실린더(2)는 배기밸브(10)에 의해 폐쇄된 경우일 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 선박이 LNG선일 경우, LNG 저장탱크(도시하지 않음)에 저장된 LNG를 기화시켜서 실린더(2)에 가스연료를 공급할 수 있다. 가스연료 공급유닛(4)은 LNG 저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil off gas)를 실린더(2)에 공급할 수도 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 보조공기 공급유닛과 연결되게 설치될 수 있다. 따라서, 실린더(2)에는 가스연료와 공기가 혼합된 공기혼합가스연료(AF)가 공급될 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)이 실린더(2)에 공급하는 가스연료(GF) 또는 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, 보조공기 공급유닛이 추가로 공급하는 공기의 압력은 가스연료 공급유닛(4)이 공급하는 가스연료의 공급압력보다 상대적으로 낮을 수 있는데, 이는 실린더(2)에 가스연료(GF)의 공급을 원활하게 하기 위함이다.
가스연료(GF) 또는 공기혼합가스연료(AF)의 압력이 30바(bar)를 초과하면, 실린더(2)에 공기를 공급하기 위한 가스연료 공급유닛(4) 및 보조공기 공급유닛 각각의 용량이 커져야 하므로 전체적인 엔진의 크기가 커지는 문제가 있다.
가스연료(GF) 또는 공기혼합가스연료(AF)의 압력이 3바(bar) 미만이면, 실린더(2)에 공급된 소기공기의 압력으로 인해 가스연료(GF) 또는 공기혼합가스연료(AF)가 실린더(2)에 원활하게 공급되지 못하는 문제가 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 피스톤(3)이 Y축방향을 기준으로 가스연료 공급유닛(4)이 실린더(2)의 측벽에 결합된 지점을 지나면, 실린더(2)에 가스연료를 공급하지 않을 수 있다. 이는 실린더(2)와 가스연료 공급유닛(4)의 연통이 차단되기 때문이다.
가스연료 공급유닛(4)은 실린더 라이너에 설치되는 가스연료 분사노즐과 연결되는 가스연료공급배관의 개도를 개폐함으로써, 실린더(2)에 가스연료를 공급하거나 차단할 수 있다. 가스연료 공급유닛(4)은 가스연료공급배관의 개도가 개방되는 크기, 또는 가스연료공급배관의 개도가 개방되는 개방시간을 조절함으로써 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 조절할 수 있다.
예컨대, 가스연료 공급유닛(4)은 가스연료공급배관의 개도를 크게 개방하거나 개방시간을 증가시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 증가시킬 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 가스연료공급배관의 개도를 작게 개방하거나 개방시간을 감소시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 감소시킬 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 실린더(2)에 가스연료를 공급하기 위한 가스연료이송장치의 이송력을 증감시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 가스연료의 양을 조절할 수도 있다. 가스연료이송장치는 압축기, 임펠러, 블로워 중 적어도 하나일 수 있다.
가스연료 공급유닛(4)은 제어부(6)에 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 가스연료 공급유닛(4)은 제어부(6)에 의해 제어됨으로써, 실린더(2)에 공급하는 가스연료의 양을 조절할 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 실린더(2)에 오일연료(LF)를 공급하기 위한 것이다. 오일연료 공급유닛(5)은 피스톤(3)이 하사점(P1)에서 상사점(P2)으로 이동하는 중간에 실린더(2)에 가스연료(GF)가 공급된 후에 오일연료(LF)를 실린더(2)에 공급할 수 있다.
바람직하게 오일연료 공급유닛(5)은 피스톤(3)이 상사점(P2) 부근에 도달하였을 때 오일연료(LF)를 공급할 수 있다. 이 경우, 실린더(2)는 배기밸브(10)에 의해 폐쇄된 경우일 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 오일연료(LF)가 저장된 오일연료 저장탱크(도시하지 않음)로부터 오일연료를 공급받아서 실린더(2)에 공급할 수 있다. 오일연료는 디젤일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다.
오일연료 공급유닛(5)은 실린더 커버(2a)에 설치된 오일연료 인젝터(5a)에 결합되어서 실린더(2)의 상측에서 오일연료(LF)를 실린더(2)에 공급할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 피스톤(3)이 상사점(P2) 부근에 위치하였을 때 오일연료(LF)를 실린더(2)에 공급할 수 있으면 파일럿 인젝터(도시하지 않음) 등 실린더 커버(2a) 또는 실린더(2)의 다른 위치에 설치되어서 실린더(2)에 오일연료(LF)를 공급할 수도 있다.
오일연료 공급유닛(5)은, 가스모드에서 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 오일연료를 파일럿 연료로 주입하는 파일럿 인젝터를 포함할 수 있다. 이때 파일럿 인젝터는 실린더(2)의 상측에서 실린더 커버(2a) 등에 마련된다.
반면 오일연료를 주연료로 소비하는 오일모드에서, 오일연료 공급유닛(5)은 가스연료를 주연료로 이용하여 추진하는 가스모드 운전에서 파일럿 오일로서 공급하는 오일연료량보다 더 많은 오일연료량을 실린더(2)에 공급할 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 오일연료 인젝터(5a)가 실린더(2)에 오일연료(LF)를 분사하는 분사기간을 증대시키거나 분사압력을 증가시킴으로써, 가스모드 운전에서 공급하는 오일연료량보다 더 많은 오일연료량을 실린더(2)에 공급할 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 오일연료 인젝터(5a)에 연결되는 오일연료공급배관의 개도를 개폐함으로써, 실린더(2)에 오일연료를 공급하거나 차단할 수도 있다. 오일연료 공급유닛(5)은 오일연료공급배관의 개도가 개방되는 크기, 또는 개도가 개방되는 시간을 조절함으로써 실린더(2)에 공급되는 오일연료의 양을 조절할 수 있다.
예컨대, 오일연료 공급유닛(5)은 오일연료공급배관의 개도를 크게 개방하거나 개도가 개방되는 개방시간을 증가시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 오일연료의 양을 증가시킬 수 있다. 오일연료 공급유닛(5)은 오일연료공급배관의 개도를 작게 개방하거나 개방시간을 감소시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 오일연료의 양을 감소시킬 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 실린더(2)에 오일연료를 공급하기 위한 오일연료이송장치의 이송력을 증감시킴으로써, 실린더(2)에 공급되는 오일연료의 양을 조절할 수도 있다. 오일연료이송장치는 임펠러, 펌프 중 적어도 하나일 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 가스연료 공급유닛(4)이 실린더(2)의 측벽 쪽에서 공급한 가스연료(GF)와 소기 리시버(9)가 공급한 소기공기가 피스톤(3)이 상사점(P2) 쪽으로 이동하여서 압축된 경우에 실린더(2)에 오일연료(LF)를 공급하여서 착화시킬 수 있다.
오일연료 공급유닛(5)은 제어부(6)에 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 오일연료 공급유닛(5)은 제어부(6)에 의해 제어됨으로써, 실린더(2)에 공급하는 오일연료(LF)의 양을 조절할 수 있다.
제어부(6)는 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)을 제어하기 위한 것이다. 제어부(6)가 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)을 제어함에 따라 실린더(2)에 공급되는 가스연료 및 오일연료의 양이 각각 달라질 수 있다.
제어부(6)는 배기밸브(10)가 실린더(2)를 폐쇄한 후에 실린더(2)에 가스연료 및 오일연료 중 적어도 하나가 공급되도록 배기밸브(10), 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 이종연료 엔진(1)은 엔진 부하를 측정하기 위해 측정부(7)를 더 포함할 수 있다. 측정부(7)는 요구된 엔진의 부하를 측정하기 위한 것이다. 측정부(7)는 실린더(2)에서 연료의 연소 시 발생하는 연소압력을 측정함으로써, 요구된 엔진의 부하를 측정할 수 있다.
측정부(7)는 실린더의 상측에 결합되는 실린더 커버에 설치되어서 실린더의 내부. 즉, 연소실에서 연료 연소 시 발생하는 연소압력을 측정할 수 있다. 이때 측정부(7)는 압력센서일 수 있다.
측정부(7)는 크랭크축에 설치되어서 크랭크축의 비틀림을 측정함으로써 요구된 엔진의 부하를 측정할 수도 있다. 크랭크축의 비틀림이 클수록 엔진의 부하가 큰 것을 의미한다. 이 경우, 측정부(7)는 토크미터일 수 있다.
측정부(7)는 1개일 수 있으나, 측정하는 요구 엔진 부하 값에 대한 신뢰성을 높이기 위해 복수개가 실린더 커버, 실린더 라이너, 크랭크축 등 서로 다른 위치에 설치될 수 있다. 측정부(7)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 제어부(6)에 연결될 수 있다. 따라서, 측정부(7)는 측정한 엔진 부하 정보를 제어부(6)에 제공할 수 있다.
제어부(6)는 측정부(7)로부터 요구된 엔진 부하 정보를 제공받거나 엔진의 제어로직으로부터 작업자가 요구하는 엔진 부하 정보를 제공받아서 실린더(2)에 대한 가스연료 공급량/오일연료 공급량을 조절하도록 가스연료 공급유닛(4) 및 오일연료 공급유닛(5)을 제어할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이종연료 엔진(1)은 검지부(8)를 더 포함할 수 있다. 검지부(8)는 요구된 엔진 부하에 대응되는 연료량이 실린더(2)에 공급되었는지를 확인하기 위한 것이다.
검지부(8)는 실린더에 공급되는 연료량에 대한 공기량의 비인 공연비를 측정함으로써, 엔진 부하에 대응되는 연료량이 실린더(2)에 공급되었는지를 확인할 수 있다.
검지부(8)는 배기관 또는 배기가스 리시버에 설치될 수 있다. 검지부(8)는 실린더(2)로부터 배출되는 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하여서 공연비를 측정할 수 있다. 예컨대, 검지부(8)는 공연비 센서일 수 있다.
검지부(8)는 무선통신 및 유선통신 중 적어도 하나의 방법으로 제어부(6)에 연결될 수 있다. 따라서, 검지부(8)는 확인한 정보를 제어부(6)에 제공할 수 있다.
제어부(6)는 요구된 엔진 부하에 대응되는 연료량이 실린더(2)에 공급된 것인지를 확인하여 엔진 부하에 따라 가스연료 및 액체연료의 양을 조절하여 실린더(2)에 공급한다.
따라서 제어부(6)는 노킹 또는 조기점화가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 실린더(2)에 공급한 가스연료 및 액체연료의 양이 엔진 부하에 대응되는 양으로 정확하게 공급되었는지를 확인함으로써 최적 공연비를 유지할 수 있어서 최적의 엔진 효율을 달성할 수 있다.
이하에서는 도 4, 5를 참조하여 본 발명의 연소체적 가변유닛(11)에 대해 자세히 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 연소체적 가변유닛(11)을 포함한다. 연소체적 가변유닛(11)은 실린더 커버(2a)에 마련되며 연소실의 체적을 구조적으로 가변시킬 수 있으며, 일례로 연소체적 가변유닛(11)은 구동원(11a)과 이동부(11b)를 포함하도록 구비될 수 있다.
구동원(11a)은, 모터 등의 구성으로, 회전력, 병진력 등과 같이 이동부(11b)가 움직일 수 있는 근원이 되는 에너지를 이동부(11b)에 제공한다. 구동원(11a)은 실린더 커버(2a)에 마련될 수 있지만, 실린더 커버(2a)에 이동부(11b)만 마련되고 구동원(11a)과 이동부(11b) 사이에 에너지를 전달할 수 있는 메커니즘이 구비되는 것도 물론 가능하다.
일례로 구동원(11a)은 유압이나 공압 등을 이용하여 이동부(11b)의 위치를 조절할 수 있으며, 구동원(11a)의 구동 원리는 특별히 제한되지 않는다.
이동부(11b)는, 구동원(11a)에 의해 에너지를 전달받아 연소실의 내외 방향으로 움직인다. 이동부(11b)는 연소실 내에서 돌출되도록 마련될 수 있으며, 연소실 내의 돌출 정도에 따라 연소실의 체적을 가변할 수 있다.
일례로 도 4에서 나타난 것과 같이 이동부(11b)가 연소실에 돌출되지 않은 상태에 놓인 연소실 체적을 100%라고 한다면, 도 5에서와 같이 구동원(11a)에 의해 이동부(11b)가 작동하면서, 이동부(11b)가 연소실 내로 돌출되면 연소실의 체적이 80% 내외로 감소될 수 있다.
이와 같이 연소실의 체적이 감소되면 압축비가 변화한다. 구체적으로 연소실의 체적이 감소하면 피스톤(3)의 상사점(P2)이 동일하다는 전제하에 압축비가 증가하게 되며, 이때 피스톤(3)의 하강과 관련되는 팽창일이 증가할 수 있다.
가스모드의 경우, 오일모드와 대비할 때 비교적 낮은 압축비가 필요하다. 압축비가 높을 경우, 가스모드에서 조기점화 또는 노킹이 발생할 우려가 있기 때문이다. 반면 디젤모드의 경우, 압축비가 가스모드 대비 높을수록 팽창일이 증가하게 되면 연비가 개선될 수 있다.
즉 실시예의 연소체적 가변유닛(11)은, 가스모드/오일모드에 따라, 가변적으로 이동부(11b)를 움직여서 구조적으로 연소실의 체적을 변화시킬 수 있다. 일례로 연소체적 가변유닛(11)은 가스모드 대비 오일모드에서 연소실의 체적이 감소하도록 이동부(11b)를 제어할 수 있다.
이때 이동부(11b)는, 연소실에서 피스톤(3)의 왕복 이동 방향과 경사진 방향으로 이동하게 마련될 수 있다. 이동부(11b)의 이동 방향이 피스톤(3)의 방향과 동일하면, 피스톤(3)의 승강 또는 연소실 내의 압축/팽창에 불필요한 영향을 줄 우려가 있고, 연소실 내로 돌출된 이동부(11b)가 연소 작용으로 인해 위치가 변화할 우려가 있기 때문이다.
이동부(11b)는, 연소실 내측과 마주하는 일단이 연소실의 외측 방향으로 돌출 또는 볼록한 형상을 가질 수 있다. 이는 실린더 커버(2a)에 마련되는 이동부(11b)가 연소실 내에 돌출되지 않은 상태일 때, 실린더 커버(2a)와 실린더(2)의 연결 부위에 대응되도록 이동부(11b)의 형상을 설정해 연소실 내면의 돌출 부위를 최소화하기 위함이다.
또한 연소 시 발생하는 팽창 압력을 이동부(11b)가 버텨내면서 이동부(11b)의 위치가 구동원(11a)에 의하지 않고 움직이는 것을 방지하기 위함이기도 하다.
이동부(11b)는 실린더 커버(2a)를 관통하면서 연소실 내측으로 움직일 수 있는데, 이때 이동부(11b)와 실린더 커버(2a) 사이에는 배기가 새어나가지 않도록 적절한 실링이 구현될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 이동부(11b)는, 연소실 내부 공간에 dead volume을 형성함에 따라, 연소실의 부피를 줄일 수 있다. 반면 연소실 내에서 돌출부의 돌출되는 정도를 줄이면 dead volume이 줄어들게 된다.
따라서 연소체적 가변유닛(11)은, 오일모드의 경우 dead volume을 확장해 압축비를 증가시키고, 반면 가스모드의 경우 dead volume을 줄이거나 없애 압축비를 감소시킬 수 있다.
따라서 본 실시예는, 배기나 소기 제어를 대신하여 혹은 배기/소기 제어와 함께, 연소실 내에 dead volume을 생성하는 구조적 제어를 통해 압축비 및 출력 제어가 가능하다.
더욱이 연소체적 가변유닛(11)은, 모드 외에도 엔진(1)의 부하, 연소실의 상태(연소온도, 연소압력), 소기 압력에 따라 다양하게 이동부(11b)를 조절할 수 있다. 이때 연소체적 가변유닛(11)은 앞서 설명한 측정부(7)나 검지부(8)에 의한 값을 전달받아 작동할 수 있으며, 제어부(6)와 연동하여 가동할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 가스모드 또는 오일모드로 가동하는 이종연료 엔진(1)에 있어서, 연소실 내부에 dead volume을 선택적으로 형성하는 구성을 사용함으로써 압축비를 조절하여, 피스톤(3)의 상사점(P2)은 유지하고 간편하고 직관적인 방법으로 압축비 변경을 구현해 연비를 개선할 수 있다.
또는 본 발명은, 연소실 자체의 부피가 구조적으로 가변될 수 있도록, 실린더 커버(2a)의 위치를 조절하는 실시예를 포함할 수 있다. 앞선 실시예의 경우 실린더 커버(2a)는 실린더(2) 상측에 결합될 수 있으며, 용접 등에 의해 실린더(2)와 일체로 마련될 수 있다.
그러나 본 발명은, 실린더(2)에 대해 실린더 커버(2a)가 승강 가능한 구조를 채택함으로써, 앞선 실시예에서 이동부(11b)를 추가하는 것과 달리, 실린더 커버(2a)가 연소체적 가변유닛(11)의 이동부(11b)가 되도록 할 수 있다.
이 경우 실린더 커버(2a)와 실린더(2)가 상하로 이격되어 연소실이 개방되는 것을 방지하기 위해서, 실린더 커버(2a)와 실린더(2)는 ㄴ자와 ㄱ자로 서로 맞물리면서 승강하더라도 밀폐를 유지하는 구조일 수 있다. 일례로 실린더(2)는 단면이 ㄴ자이고, 실린더 커버(2a)는 단면이 ㄱ자로 이루어져서, 실린더 커버(2a)의 상승에도 실린더(2)와 실린더 커버(2a) 사이가 개방되지 않게 할 수 있다.
또는 이외에도 실린더 커버(2a)가 실린더(2) 대비 상승하면서 연소실이 개방되지 않는 구조가 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 실시예들의 조합 및 적어도 어느 하나의 실시예와 공지 기술과의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 이종연료 엔진 2: 실린더
3: 피스톤 4: 가스연료 공급유닛
5: 오일연료 공급유닛 5a: 오일연료 인젝터
6: 제어부 7: 측정부
8: 검지부 9: 소기 리시버
10: 배기밸브 11: 연소체적 가변유닛
11a: 구동원 11b: 이동부
P1: 하사점 P2: 상사점
GF: 가스연료 AF: 공기혼합가스연료
LF: 액체연료

Claims (7)

  1. 가스연료를 주연료로 소비하는 가스모드와 오일연료를 주연료로 소비하는 오일모드 중 하나로 운전하는 이종연료 엔진으로서,
    연료를 연소시키기 위한 연소실을 갖는 실린더;
    상기 실린더의 상기 연소실에서 왕복 이동하는 피스톤;
    상기 실린더 상측에 마련되며 오일모드 시 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 오일연료 인젝터와, 상기 실린더 상측에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 착화시키기 위해 소량의 오일연료를 상기 연소실에 분사하는 파일럿 인젝터를 갖는 오일연료 공급유닛;
    상기 실린더 상측과 하측 사이에 마련되며 가스모드 시 가스연료를 상기 연소실에 분사하는 가스연료 분사노즐을 갖는 가스연료 공급유닛; 및
    상기 연소실의 체적을 구조적으로 가변시키는 연소체적 가변유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소체적 가변유닛은,
    구동원; 및
    상기 구동원에 의해 에너지를 전달받아 상기 연소실의 내외 방향으로 움직이는 이동부를 포함하며,
    상기 이동부의 상기 연소실 내 돌출 정도에 따라 상기 연소실의 체적이 가변되는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연소체적 가변유닛은,
    상기 실린더의 상측에 설치되는 실린더 커버에 마련되는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 연소체적 가변유닛은,
    가스모드 또는 오일모드의 전환에 따라 상기 이동부의 위치를 달리하는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 연소체적 가변유닛은,
    가스모드 대비 오일모드에서 상기 연소실의 체적이 감소하도록 상기 이동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 이동부는,
    상기 연소실에서 상기 피스톤의 왕복 이동 방향과 경사진 방향으로 이동하게 마련되는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 이동부는,
    상기 연소실 내측과 마주하는 일단이 상기 연소실의 외측 방향으로 돌출 또는 볼록한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이종연료 엔진.
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