KR20200133809A - 선박용 내연 기관 - Google Patents

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KR20200133809A
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준 히구치
준 야나기
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가부시키가이샤 자판엔진코포레숀
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Abstract

엔진(1)은, 2행정식 주기관(10)과, 주기관(10)에 공기를 도입하는 흡기통로(20)와, 흡기통로(20)를 흐르는 공기를 과급하는 배기터빈 과급기(40)와, 배기터빈 과급기(40)로 공기를 공급함으로써, 당해 배기터빈 과급기(40)에 의한 과급에 가세하는 가세 장치(70)와, 주기관(10)의 회전수를 변경하기 위한 조종핸들(101a, 102a)과, 조종핸들(101a, 102a)과는 독립되어 형성되며, 선원에 의해 조작 입력을 받았을 때에, 가세 장치(70)를 작동시키는 버튼(201, 202, 203)을 구비한다.

Description

선박용 내연 기관
여기에 개시하는 기술은 선박용 내연 기관에 관한 것이다.
예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 선박용 내연 기관에서는, 배기터빈 과급기를 이용하는 것이 널리 알려져 있다. 구체적으로, 이 특허문헌 1에 기재되어 있는 내연 기관은, 주기관(디젤 기관)과, 이 주기관의 배기를 받는 터빈을 구비함과 더불어, 주기관에 압축공기를 보내는 컴프레서(임펠러)를 갖는 배기터빈 과급기를 구비한 구성으로 되어 있다.
여기서, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 내연 기관은, 컴프레서에 가압 공기를 보조 공급하기 위한 공기원을 추가로 구비하며, 이 가압 공기를 이용하여, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세(에어 어시스트)하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 특허문헌 1에는, 디젤 기관에 관한 클러치를 연결하기 위해 조종핸들을 움직였을 때에, 가압 공기에 의한 가세를 실행하는 것이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 배기터빈 과급기로의 가세를 제어하는 방법의 일례로, 공기과잉률이 1 미만으로 판별됐을 때, 또는, 기관 회전수의 시간에 관한 미분계수가 소정값보다 작을 때에, 배기터빈 과급기에 가압 공기를 보조 공급하는 것이 개시되어 있다.
마찬가지로, 특허문헌 3에는, 배기터빈 과급기로의 가세를 제어하는 방법의 다른 예로서, 연료분사량의 시간에 관한 미분계수가 소정값보다 클 때에, 배기터빈 과급기에 가압 공기를 보조 공급하는 것이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1~3에 개시되어 있는 구성은, 그 실행 조건만 다를 뿐 소정 조건을 만족시켰을 경우, 배기터빈 과급기로의 가세를 자동적으로 개시한다는 점에서 공통된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제4250102호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 제3464891호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 제3464896호 공보
근년, EEDI에 기초한 CO2 배출량의 규제 강화에 대응하기 위하여, 선박의 크기(재화 중량)에 대해, 종래보다 저출력의 내연 기관이 사용되는 경향이 있다.
그러나, 저출력의 내연 기관을 이용한 경우, 그 배기량이 저하되는 점에서, 이른바 연속 사용 금지 범위(barred speed range)를 회피하거나 해상교통량이 많은 폭주해역을 운항할 때에, 예를 들어 급가속하려고 해도, 과급기의 터빈이 응답성 좋게 회전하지 않아, 주기관의 회전수가 충분히 추종하지 못할 가능성이 있다.
그래서, 상기 특허문헌 1~3에 기재되어 있는 바와 같이, 가압 공기를 보조 공급함에 따라, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성하는 것을 생각할 수 있으나, 본원 발명자(들)가 예의 검토를 거듭한 결과, 가세를 실행하는 타이밍을 제어하는 데 있어 검토의 여지가 있음을 알았다.
즉, 폭주해역을 운항할 때와 같이, 해상교통이 혼잡한 경우에는, 보다 안전한 항해를 실현하기 위해, 가속 시라도 의도적으로 가세를 하지 않는 것이 요구되는 경우가 있다.
이 경우, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 조종핸들의 조작에 수반하여 자동적으로 가세되어버리거나, 상기 특허문헌 2 또는 3에 기재되어 있는 바와 같이, 내연 기관의 운전 상태에 따라 자동적으로 가세되어버려서는, 선원이 원하지 않는 타이밍에 가세되어버릴 가능성이 있어 부적합하다.
여기에 개시하는 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 선박용 내연 기관에 있어서, 가세하는 타이밍을 정확하게 제어하는 데 있다.
여기에 개시하는 기술은 선박용 내연 기관에 관한 것이다. 이 선박용 내연 기관은, 2행정식 주기관과, 상기 주기관에 공기를 도입하는 흡기통로와, 상기 흡기통로를 흐르는 공기를 과급하도록 구성된 배기터빈 과급기와, 상기 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 당해 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 가세 장치와, 상기 주기관의 회전수를 변경하기 위한 조종핸들과, 상기 조종핸들과는 독립되어 구성되며, 선원에 의해 조작 입력을 받았을 때에, 상기 가세 장치를 작동시키는 조작부를 구비한다.
이 구성에 의하면, 가세 장치는, 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 이 과급기에 의한 과급에 가세한다. 이로써, 선박의 가속 시에 과급기를 응답성 좋게 작동시키며, 나아가 주기관의 회전수를 추종시킬 수 있다.
여기서, 상기 선박용 내연 기관에서는, 조작부가 조작 입력을 받았을 때에, 가세 장치에 의한 가세를 개시하도록 구성된다. 이 조작부는, 조종핸들과는 독립되어 구성되므로, 조종핸들의 조작과는 관계 없이 가세를 개시할 수 있다. 따라서, 가세하는 타이밍을 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 상기 가세 장치는, 상기 조작부가 선원에 의한 조작 입력을 받았을 때, 소정 시간에 걸쳐 상기 배기터빈 과급기에 가세하여도 된다.
또한, 상기 주기관을 조종하기 위한 복수의 조종유닛을 구비하고, 상기 조작부는, 상기 복수의 조종유닛의 각각에 구성되어도 된다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 주기관으로부터 배출된 배기를 도입하는 배기통로를 구비하고, 상기 배기터빈 과급기는, 상기 흡기통로에 구성된 컴프레서와, 상기 배기통로에 구성된 터빈을 구비하며, 상기 가세 장치는, 상기 컴프레서의 회전 구동에 가세하도록, 당해 컴프레서로 공기를 공급하여도 된다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 흡기통로에서의 상기 컴프레서의 하류측 부위와, 상기 배기통로에서의 상기 터빈의 상류측 부위를 접속하여 이루어지는 EGR통로를 구비하여도 된다.
일반적으로, 이른바 고압 EGR시스템을 구비하는 구성을 채용할 경우, EGR통로를 개재하고 배기를 환류시킨 만큼, 터빈에 이르는 배기의 유량이 저하되게 된다. 이는, 배기터빈 과급기의 응답성을 확보하기에는 부적합하다.
상기와 같이, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세를 하는 구성은, 이러한 고압 EGR시스템을 구비한 내연 기관에서, 특히 유효하다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 배기통로에서의 상기 터빈의 하류측 부위에 구성되어, 소정 온도 이상에서 활성화되는 배기 정화 장치를 구비하고, 상기 배기통로에는, 상기 터빈을 우회하여 상기 배기 정화 장치에 이르는 바이패스통로가 구성되어도 된다.
일반적으로, 배기 정화 장치를 가급적 신속하게 난기운전하거나, 배기 정화 장치를 활성 상태로 유지하기 위해, 상기와 같은 바이패스통로를 개재하고 배기를 유통시킴으로써, 터빈을 우회시킨 비교적 고온의 배기를 배기 정화 장치에 도입하는 경우가 있다(이른바 추기 운전). 그러나 바이패스통로를 개재하고 터빈을 우회시킨 만큼, 터빈에 이르는 배기의 유량이 저하되게 된다. 이는, 배기터빈 과급기의 응답성을 확보하기에는 부적합하다.
상기와 같이, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하는 구성은, 이러한 배기 정화 장치를 구비한 내연 기관에서, 특히 유효하다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 선박용 내연 기관에 의하면, 가세하는 타이밍을 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은, 선박용 내연 기관의 개략 구성을 예시하는 시스템도이다.
도 2는, 선박용 내연 기관의 추진축계의 개략 구성을 예시하는 도면이다.
도 3은, 가세에 의한 회전수의 상승에 대해 예시하는 도면이다.
도 4는, 연속 사용 금지 범위에 대해 예시하는 도면이다.
도 5는, 가세 장치의 작동 순서를 예시하는 흐름도이다.
도 6은, 선박용 내연 기관의 변형예를 나타내는 도 1에 대응하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 여기서, 이하의 설명은 예시이다. 도 1은 선박용 내연 기관(이하, 단순히 "엔진(1)"이라 함)의 개략 구성을 예시하는 시스템도이다. 또한, 도 2는 엔진(1)의 추진축계(S)의 개략 구성을 예시하는 도면이다.
엔진(1)은, 복수의 실린더(11)를 구비한 직렬 다기통식 선박용 디젤 기관이다. 이 엔진(1)은, 단류소기식 2행정 기관으로서 구성되고, 유조선, 컨테이너 선박, 자동차 운반선 등, 대형 선박에 탑재된다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)의 출력축인 크랭크축(19)은, 플라이휠(관성 바퀴)(13) 및 추진축계(S)를 개재하고 프로펠러(18)에 연결되고, 엔진(1)이 운전됨에 따라, 그 출력이 프로펠러(18)에 전달되어 선박이 추진하도록 구성된다.
엔진(1)은 또한, 과급기를 구비한 엔진으로서 구성된다. 즉, 도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)은, 복수의 실린더(11)를 갖는 주기관(10)과, 이 주기관(10)에 접속되는 흡기통로(20) 및 배기통로(30)와 더불어, 배기통로(30)를 흐르는 배기에 의해 작동되는 배기터빈 과급기(40)를 구비한 구성으로 된다.
(1) 전체 구성
이하, 엔진(1)의 주요부에 대해 설명한다.
전술한 바와 같이, 주기관(10)은, 복수의 실린더(11)(도 1에서는, 6개의 실린더(11)를 예시)를 갖는다. 각 실린더(11) 내에는, 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 가능하게 각각 삽입된다. 각 실린더(11)의 내벽, 실린더 헤드(도시하지 않음)의 천장면, 및 피스톤의 정상면에 의해, 실린더(11)별로 연소실(12)이 구획된다.
본 실시형태에 따른 주기관(10)은, 공기압을 받아 시동하도록 구성된다. 구체적으로, 엔진(1)의 주기관(10)에는, 공기압식 시동 장치(50)가 접속되고, 이 시동 장치(50)는, 각 실린더(11)에 압축 공기를 공급하기 위한 시동밸브(51)와, 각 시동밸브(51)의 개폐를 관제하는 공기 관제밸브(53)와, 압축공기용 관로(구체적으로는, 주유로(63a)를 구획하는 관로)로의 역화를 방지하는 플레임 어레스터(52)를 구비한다.
상세하게는, 시동밸브(51)는, 실린더(11)별로 배치되고, 후술하는 공기원(61)으로부터 각 실린더(11)에 이르는 유로의 중간(구체적으로는, 주유로(63a)의 하류단)에 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 시동밸브(51)는, 상단측의 정상면에 공기가 공급됨과 더불어, 하단측에 밸브봉이 연결된 시동용 피스톤을 수용한다. 시동용 피스톤의 정상면에 공기압을 작용시켜 이 시동용 피스톤에 연결된 밸브봉을 밀어 내림으로써, 시동밸브(51)를 개방시킬 수 있다. 한편, 시동용 피스톤의 정상면에 작용하는 공기압을 저하시켜 밸브봉을 밀어 올림으로써, 시동밸브(51)를 폐쇄시킬 수 있다. 시동밸브(51)를 개방시킴으로써, 공기원(61)으로부터 공급된 시동용 압축공기(이하, "시동용 공기"라고 호칭함)를 각 실린더(11)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 각 실린더(11)의 피스톤이 압축공기에 의해 밀어 내려짐으로써, 크랭크축(19)에 회전 운동을 발생시킬 수 있다.
도 1에 예시하는 시동밸브(51)에서는, 시동용 피스톤의 정상면에 작용하는 공기압은, 시동용 공기와는 독립된 관로를 통하여 공급되는 관제용 공기에 의해 제어된다. 즉, 시동밸브(51)의 내부(구체적으로는, 시동용 피스톤의 정상면)에 관제용 공기를 공급했을 때에는, 전술한 밸브봉이 하강하여 시동밸브(51)가 개방되는 한편, 시동밸브(51)의 내부로부터 관제용 공기가 배출됐을 때에는, 밸브봉이 상승하여 시동밸브(51)가 폐쇄되게 된다. 이 관제용 공기의 공급은, 공기 관제밸브(53)에 의해 제어된다.
상세하게는, 공기 관제밸브(53)는, 각 시동밸브(51)에 관제용 공기를 분배함으로써, 각 시동밸브(51)의 개폐를 관제하도록 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 공기 관제밸브(53)는, 헬리컬 구동 기어, 회전판, 기어베어링 등을 구비하여 이루어지는 기계식 제어밸브로 구성되고, 공기 관제밸브(53)에 압축공기가 공급되면, 회전판 등이 동작함으로써, 각 연소실(12)의 착화 순서에 따른 타이밍에 각 시동밸브(51)로 압축 공기를 분배한다. 이렇게 분배된 압축공기는, 전술한 관제용 공기로서, 각 시동밸브(51)의 밸브봉의 상하운동, 나아가 각 시동밸브(51)의 개폐를 제어할 수 있다.
플레임 어레스터(52)는, 이른바 역화 방지 장치로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각 시동밸브(51)의 직상류에 구성된다. 플레임 어레스터(52)를 구성시킴으로써, 시동밸브(51)가 고장나 폐쇄되지 않고, 의도하지 않은 밸브 개방 상태가 유지됐을 때에, 실린더(11) 내의 연소에 의한 화염이 압축공기의 관로로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 공기원(61)으로부터 공급되는 공기는, 주기관(10)의 시동 이외의 용도에도 이용되도록 되어 있다. 공기원(61)은, 후술하는 공기압 회로(60)를 구성한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 주기관(10)에는, 연소실(12)에 소기(掃‹C)를 공급하기 위한 소기 트렁크(10a)와, 연소실(12)로부터 기연가스(배기)를 배출하기 위한 배기 매니폴드(10b)가 접속된다. 주기관(10)은, 소기 트렁크(10a)를 개재하고 흡기통로(20)에 접속됨과 더불어, 배기 매니폴드(10b)를 개재하고 배기통로(30)에 접속된다.
흡기통로(20)에는, 상류측에서 차례로, 이 흡기통로(20)를 흐르는 공기를 과급하는 컴프레서(41)와, 컴프레서(41)에 의해 과급된 공기를 냉각하도록 구성된 공기 냉각기(21)가 배치된다. 공기 냉각기(21)를 통과한 공기는, 전술한 소기 트렁크(10a)를 개재하고 연소실(12)에 이른다.
한편, 배기통로(30)에는, 상류측에서 차례로, 컴프레서(41)에 구동 연결된 터빈(42)과, 배기를 정화시키기 위한 요소(Urea) SCR시스템(90)이 구성된다. 연소실(12)로부터 배출된 배기가스는, 전술한 배기 매니폴드(10b)를 개재하고 배기통로(30)에 유입되고, 터빈(42)과 요소 SCR시스템(90)을 차례로 통과한다.
배기터빈 과급기(40)는, 흡기통로(20)에 구성된 컴프레서(41)와, 배기통로(30)에 구성된 터빈(42)을 구비한다. 컴프레서(41)와 터빈(42)은 연결되고, 서로 동기하여 회전한다. 터빈(42)을 통과하는 배기가스에 의해 컴프레서(41)가 회전 구동되면, 이 컴프레서(41)를 통과하는 공기를 과급할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 배기를 순환시키기 위한 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템(80)을 구비한다. 도 1에 나타내는 예에서, EGR시스템(80)은, 이른바 고압 EGR시스템으로서 구성되고, 흡기통로(20)에서의 컴프레서(41)의 하류측 부위와, 배기통로(30)에서의 터빈(42)의 상류측 부위를 접속하여 이루어지는 EGR통로(81)를 구비한 구성이 된다. 이 EGR통로(81)에는, 순환되는 배기(이하, “EGR가스"라고도 함)의 흐름 방향의 상류측에서 차례로, EGR통로(81)를 개폐하는 제 1 EGR밸브(82)와, EGR가스에서 그을음(soot), 황산화물(SOx) 등을 제거하기 위한 EGR스크러버(83)와, EGR가스를 냉각하기 위한 EGR냉각기(84)와, EGR가스를 승압시키기 위한 EGR블로워(85)와, EGR통로(81)를 개폐하는 제 2 EGR밸브(86)를 구비한다.
또한, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 배기를 정화시키기 위해, 전술한 요소 SCR시스템(90)을 구비한다. 도 1에 나타내는 예에서, 요소 SCR시스템(90)은, 이른바 저압 SCR시스템으로서 구성되고, 배기통로(30)에서의 터빈(42)의 하류측 부위에 구성된 SCR유닛(91)과, 배기통로(30)에 구성되어 터빈(42)을 우회하여 SCR유닛(91)에 이르는 바이패스통로(92)와, 바이패스통로(92)에 구성되어 이를 개폐하는 바이패스밸브(93)를 구비한다. 여기서, SCR유닛(91)은, "배기 정화 장치"의 예시다.
상세한 도시는 생략하나, SCR유닛(91)은, 배기통로(30)에 요소를 분사하는 요소 인젝터와, 이 요소 인젝터로부터 분사된 요소를 이용하여 배기를 정화시키는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매와, SCR촉매로부터 배출된 미반응 암모니아를 산화시켜 정화시키는 슬립(slip)촉매를 갖는다. 여기서, SCR촉매는, 소정 온도 이상에서 활성화하도록 구성되고, 그 활성 시에는, 요소를 가수분해하여 암모니아를 생성하고, 이 암모니아를 배기 중의 NOx와 반응(환원)시켜 정화시킬 수 있다.
즉, 요소 SCR시스템(90)이 정화 성능을 발휘하기 위해서는, SCR촉매를 상기 소정 온도 이상까지 난기운전할 필요가 있다. 그래서, 주기관(10)의 시동 직후와 같이, SCR촉매를 충분히 활성화시키는 것이 요구되는 경우에는, 바이패스밸브(93)를 개방함으로써, 배기가 터빈(42)을 우회하도록 한다. 이 경우, 터빈(42)의 작동에 필요한 에너지를 절약한 만큼, 더 고온의 배기를 SCR유닛(91)으로 도입할 수 있다. 이렇게 도입된 고온의 배기에 의해, SCR촉매의 조기 난기운전이 가능해진다(이른바 추기 운전). 또한, 주기관(10)의 시동 직후만이 아니라, 정상 운전 시(통상의 운항 시)라도, SCR촉매의 활성 상태 유지가 요구되는 경우에는, 적절히, 추기 운전이 실행되도록 구성된다.
또한, 공기압 회로(60)는, 주요 구성 요소로서, 주기관(10)을 시동하기 위한 압축공기가 축적된 공기원(61)과, 공기원(61)에 공기를 보충하기 위한 압축기(62)와, 공기원(61)으로부터 주기관(10)(구체적으로는, 시동 장치(50))으로 공기를 도입하는 공기 유로(63)를 구비한다.
공기원(61)은, 이른바 시동 공기 탱크(Starting air reservoir)로서 구성되고, 주기관(10)을 시동하기 위한 공기가 가압 충전된다. 공기원(61)은, 주기관(10)의 대소에 따라 2개 이상의 복수 개(도 1에 나타내는 예에서는 2개)가 구성된다. 각 공기원(61)은, 도 1에 나타내는 바와 같이 서로 연통한다. 이들 공기원(61)은, 주기관(10)의 시동 시에는, 공기 유로(63)를 개재하고 시동 장치(50)로 압축공기를 공급하도록 구성된다.
공기 유로(63)는, 공기원(61) 및 시동 장치(50)를 접속하여 이루어지는 주유로(63a)와, 주유로(63a)의 중간 부위에서 분기된 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)를 갖는다. 또한, 주유로(63a)에서의, 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)로의 분기부로부터 시동 장치(50)에 이르는 중간 부위에는, 가세용 유로(71)가 접속된다.
공기 유로(63)를 구성하는 각 유로 중, 주유로(63a)는, 시동 장치(50)로 공급되는 시동용 공기가 유통되는 유로다. 주유로(63a)는, 시동 장치(50) 부근에서, 시동용 공기를 각 실린더(11)에 공급하기 위한 유로와, 관제용 공기를 각 시동밸브(51)에 공급하기 위한 유로로 분기된다. 전자의 유로는, 기통 수에 따라 추가로 분기되어, 플레임 어레스터(52)와 시동밸브(51)를 경유하여 각 실린더(11)에 이른다. 한편, 후자의 유로는, 공기 관제밸브(53)에서 분기되어, 각 실린더(11)의 시동밸브(51)에 이른다.
또한, 제 1 부유로(63b)는, 주기관(10)의 배기밸브 등, 주기관(10)을 구성하는 각 액추에이터를 제어하기 위한 공기(이하, "제어용 공기"라고도 함)가 유통되는 유로고, 제 2 부유로(63c)는, 선박 내에서 이용되는 공구로 공급되는 공기(이하, "작업용 공기"라고도 함)가 유통되는 유로다.
여기서, 주유로(63a)의 시동용 공기의 압력은, 비교적 고압(25~30bar정도)임에 반해, 제어용 공기나 작업용 공기는, 그보다도 저압(7~9bar정도)인 것이 요구된다. 그래서, 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)에는, 복수의 감압밸브(64)가 구성된다.
또한, 각 액추에이터가 녹스는 것을 억제하기 위해, 제어용 공기에는 가능한 한 수분이 포함되지 않도록 하는 것이 요구된다. 그래서, 제 1 부유로(63b)에서의 감압밸브(64)의 하류측에는, 에어드라이어(65)가 구성된다.
공기압 회로(60)는, 추가로, 배기터빈 과급기(40)에 의한 과급에 가세하도록 구성된 가세 장치(70)를 구비한다. 이 가세 장치(70)는, 가세용 유로(71)를 통해, 배기터빈 과급기(40)의 컴프레서(41)로 가세용 공기(이하, "가세용 공기"라고도 함)를 공급할 수 있다.
여기서, 가세용 유로(71)는, 공기 유로(63) 중간에서 분기되어 배기터빈 과급기(40)에 이르도록 구성된다. 상세하게는, 본 실시형태에 따른 가세용 유로(71)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 공기 유로(63)에서의 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)로의 분기부보다 하류측이면서, 시동 장치(50)와의 접속부보다 상류측 부위에서 분기된다. 또한, 가세용 유로(71)의 하류단부는, 배기터빈 과급기(40)의 컴프레서(41)에 접속된다.
구체적으로, 가세 장치(70)는, 상기 가세용 유로(71)와, 이 가세용 유로(71)에 구성된 각종 부재를 구비한다. 구체적으로, 가세용 유로(71)에는, 가세용 공기의 흐름 방향 상류측에서 차례로, 예를 들어 가세 장치(70)를 작동시키지 않을 때에 가세용 유로(71)를 차단하기 위한 개폐밸브(72)와, 시동용 공기를 감압하기 위한 레귤레이터(73)와, 가세용 유로(71)를 개폐하기 위한 개폐밸브(74)와, 가세용 공기를 여과하기 위한 에어필터(75)가 구성된다.
여기서, 개폐밸브(74)는, 공기압식 볼(ball)밸브로 구성되고, 제 1 부유로(63b)를 통하여 공급되는 제어용 공기에 의해 제어되도록 구성된다. 이로써, 제 1 부유로(63b)는 추가로 분기되고, 분기유로(76)를 개재하고 개폐밸브(74)로 제어용 공기를 공급하도록 구성된다. 이 분기유로(76)는, 제 1 부유로(63b)에서의 에어드라이어(65)의 하류측 부위로부터 개폐밸브(74)에 이르는 유로로서 구성되고, 솔레노이드 밸브(77)에 의해 개폐되도록 구성된다.
솔레노이드 밸브(77)는, 외부로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여 개폐하도록 구성된다. 솔레노이드 밸브(77)가 개방 상태에 있을 때에는, 개폐밸브(74)로 제어용 공기를 공급하고, 이 개폐밸브(74)를 개방시킬 수 있다. 한편, 솔레노이드 밸브(77)가 폐쇄 상태에 있을 때에는, 개폐밸브(74)에 제어용 공기를 공급하지 않고, 이 개폐밸브(74)를 폐쇄 상태로 유지할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 추진축계(S)는, 주기관(10)(구체적으로는 크랭크축(19))으로부터 프로펠러(18)로 동력을 전달시켜, 그 프로펠러(18)를 회전시키도록 구성된다. 구체적으로, 본 실시형태에 따른 추진축계(S)는, 크랭크축(19)에 연결되고, 선박이 추진할 때에 발생하는 스러스트력을 받는 스러스트축(15)과, 선미관에 삽입되며 또 프로펠러(18)가 장착되어 이루어지는 프로펠러축(17)과, 스러스트축(15) 및 프로펠러축(17)을 연결시키는 중간축(16)을 구비한다. 여기서, 도 2에서 보는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 스러스트축(15)은, 크랭크축(19)과 마찬가지로, 주기관(10)에 내장된다.
따라서, 주기관(10)의 각 연소실(12)에서 디젤 연료가 연소되면, 각 실린더(11)에 삽입된 피스톤의 왕복운동에 수반하여 크랭크축(19)이 회전한다. 크랭크축(19)의 회전은, 플라이휠(13)에 의해 원활화되면서, 스러스트축(15), 중간축(16) 및 프로펠러축(17)에 전달되어 프로펠러(18)를 회전시킨다.
본 실시형태에 따른 선박용 내연 기관(엔진(1))은, 전술한 바와 같이, 대형 선박에 탑재되도록 구성된 대형 디젤 기관이다. 이를 위해, 이 엔진(1)은, 주기관(10)을 탑재하여 이루어지는 선박을 조종하기 위해, 복수의 조종유닛(101, 102)을 구비한다. 구체적으로, 복수의 조종유닛(101, 102)은, 각각, 원격 조종 시스템(Remote Control System : RCS)으로서 구성되고, 선박의 브리지(B)에 구성되는 조종유닛(101)과, 엔진룸(E)에 구성되는 조종유닛(102)을 구비한다.
각 조종유닛(101, 102)에는, 주기관(10)의 기관회전수(회전수)를 변경하기 위한 조종핸들(101a, 102a)이 구성된다. 각 조종핸들(101a, 102a)은, 이른바 텔레그래프식 레버로 구성되고, 이를 조작함으로써, 주기관(10)의 회전수의 목표값을 설정할 수 있다.
또한, 플라이휠(13) 근방에는, 이 플라이휠(13)의 회전 운동을 모니터링함으로써, 주기관(10)의 회전수를 검출하는 회전수 센서(14)가 구성된다. 회전수 센서(14)에 의한 검출 결과는, 브리지(B) 및 엔진룸(E)에 설치된 표시계(도시하지 않음)에 표시되도록 구성된다. 선원은, 표시계의 표시 내용을 참조하면서, 조종핸들(101a, 102a)을 조작할 수 있다.
각 조종핸들(101a, 102a)에 의해 회전수의 목표값을 설정하면, 그 설정에 대응하는 신호가, 속도 제어 시스템(Speed Control System : SCS)(103)으로 송신된다. 속도 제어 시스템(103)에서는, 회전수의 목표값을 실현하는데 필요한 연료량이 결정되고, 결정된 연료량에 대응하는 신호가 연료 분사 밸브 등의 액추에이터로 송신된다. 이와 같이, 조종핸들(101a, 102a)을 조작함으로써, 주기관(10)의 회전수를 제어할 수 있다.
또한, 비상시 등에 대응하기 위해, 주기관(10)에는, 추가로 다른 조종유닛(도시하지 않음)이 구성된다. 이 조종유닛은, 원격 조종 시스템으로서 구성되는 조종유닛(101, 102)과는 달리 주기관(10) 근방에 설치되고, 선원은 주기관(10)의 거동을 육안으로 확인하면서 조작할 수 있게 되어 있다.
또한, 주기관(10) 근방과, 브리지(B)와, 엔진룸(E)에는, 각각, 가세 장치(70)를 조작하기 위한 버튼(201, 202, 203)이 구성된다. 이들 버튼(201, 202, 203)은, 각각 조종핸들(101a, 102a)과는 독립된 조작 기기로서 구성되고, 선원에 의한 조작 입력(구체적으로는, 누르는 조작)을 받도록 구성된다. 복수의 버튼(201, 202, 203) 중 어느 하나가 조작 입력을 받으면, 가세 장치(70)를 이루는 솔레노이드 밸브(77)로 제어 신호를 출력하도록 되어 있고, 솔레노이드 밸브(77)는 이 제어 신호를 받아 밸브를 개방하도록 구성된다. 이들 버튼(201, 202, 203)은, 각각 "조작부"를 예시한다.
또한, 각 버튼(201, 202, 203)과 솔레노이드 밸브(77)를 접속하여 이루어지는 전기 회로에는, 타이머(204)가 개재된다. 이 타이머(204)는, 버튼(201, 202, 203)이 눌린 후 소정의 설정 시간이 경과하면, 그 타이머 접점이 전환됨으로써, 솔레노이드 밸브(77)를 폐쇄시킬 수 있다.
(2) 가세 장치의 동작
전술한 바와 같이 하여 구성된 가세 장치(70)는, 예를 들어 주기관(10)의 가속 시에 이용된다.
구체적으로, 복수의 버튼(201, 202, 203) 중 어느 하나를 누름으로써 출력되는 제어 신호를 솔레노이드 밸브(77)에 입력하고, 이를 밸브 개방하면, 분기유로(76)를 통해 제어용 공기가 개폐밸브(74)에 공급되어, 이 개폐밸브(74)가 개방 상태가 된다. 그러면, 시동용 공기가 주유로(63a)로부터 가세용 유로(71)로 유입되고, 레귤레이터(73)에 의해 감압되며, 또 에어필터(75)에 의해 여과된 후에, 배기터빈 과급기(40)의 컴프레서(41)에 이른다. 컴프레서(41)에 공급된 가세용 공기는, 컴프레서(41)의 회전 구동에 가세를 함으로써, 배기터빈 과급기(40)에 의한 과급을 보조한다.
여기서, 타이머(204)의 설정 시간이 경과하면, 솔레노이드 밸브(77)는 자동적으로 페쇄된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 가세 장치(70)는, 소정 시간(타이머(204) 설정 시간)에 걸쳐, 배기터빈 과급기(40)에 가세를 할 수 있다.
도 3은, 가세에 의한 회전수의 상승을 예시하는 도면이다. 구체적으로, 도 3은, 시각(t0)에서 주기관(10)의 가속을 개시했을 때에, 가세 장치(70)를 작동시키지 않은 경우(도 3의 파선 참조)와, 가세 장치(70)를 작동시킨 경우(도 3의 실선 참조)로, 회전수의 변화량을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 가세 장치(70)가 배기 터빈 과급기(40)에 의한 과급에 가세를 함으로써, 선박의 가속 시에 배기터빈 과급기(40)를 응답성 좋게 작동시키고, 나아가 주기관(10)의 회전수를 신속하게 상승시킬 수 있다.
근년, EEDI에 기초한 CO2 배출량의 규제 강화에 대응하기 위하여, 선박의 크기(재화 중량)에 대해, 종래보다 저출력의 내연 기관이 사용되는 경향이 있다.
그러나, 저출력의 내연 기관을 이용한 경우, 그 배기량이 저하되는 점에서, 이른바 연속 사용 금지 범위(barred speed range)를 회피하거나 폭주해역을 운항할 때에, 예를 들어 급가속하려고 해도, 과급기의 터빈이 응답성 좋게 회전하지 않아, 주기관의 회전수가 충분히 추종하지 못할 가능성이 있다.
도 4는, 주기관(10)의 회전수와, 비틀림 진동 응력과의 관계를 나타내며, 특히, 연속 사용 금지 범위(이하, "바드 레인지(barred range)"라고도 호칭함)에 대해 예시하는 도면이다.
일반적으로, 2행정 디젤 기관과 같은, 대형 선박용 디젤 기관에서는, 디젤 연료의 연소에 의한 폭발력과 실린더의 왕복 운동에 의한 관성력이 기진력이 되어, 주기관(10)의 추진축계(S)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 도 4의 실선으로 나타내는 바와 같이, 추진축계(S)에 발생하는 비틀림 진동은, 소정의 회전수에서 공진에 이른다. 주지된 바와 같이, 공진을 일으키는 회전수는, 엔진(1)의 구성에 따라 복수에 걸쳐 존재한다. 이 중, 엔진(1)의 운전 시에 문제가 되는 공진은, 4-7기통 엔진(1)의 경우, 1절(node) n차의 비틀림 진동(n은 기통 수)에 기인하는 것이다. 이러한 공진을 일으키는 회전수를, 이하의 기재에서는 "공진 회전수"로 호칭함과 더불어, 부호 "r0"을 부여하기로 한다. 도 4에 나타내는 비틀림 진동 응력은, 이 공진 회전수(r0)에서 극대화된다.
일반적으로, 추진축계(S)에 작용하는 비틀림 진동 응력은, 선급 규칙에 규정된 허용 응력(τ1, τ2)에 의해 제한된다. 허용 응력(τ1, τ2)에는 2종류가 있고, 둘 다, 추진축계(S)를 이루는 스러스트축(15), 중간축(16) 및 프로펠러축(17)의 종류, 형상, 크기 등에 기초하여 결정된다.
이 중, 제 1 허용 응력(τ1)은, 어느 회전수에서 발생하는 비틀림 진동 응력이 τ1 이하면, 그 회전수대로 주기관(10)을 연속적으로 사용할 수 있음을 나타낸다. 반면, 회전수가 공진 회전수(r0) 부근에 있을 때와 같이, 비틀림 진동 응력이 τ1 을 초과해버리면, 그 회전수대로는, 추진축계(S)를 피로파괴로부터 보호하기가 어려워진다.
그래서, 비틀림 진동 응력이 τ1 을 초과할 가능성이 있을 경우에는, 공진 회전수(r0)의 전후에 바드 레인지가 설정되고, 엔진(1)의 회전수를 변경할 때에는, 이 바드 레인지를 신속하게 통과하는 것이 요구된다. 여기서, 상세하게는 생략하나, 바드 레인지는, 공진 회전수(r0)와, 연속 최대 회전수에 대한 공진 회전수(r0)의 비율에 기초하여 설정되도록 되어 있다. 도 4에 나타내는 예에서는, 주기관(10)의 회전수를 r로 하면, r1≤r≤r2의 범위가 바드 레인지에 상당한다. 여기까지의 설명에서 밝혀진 바와 같이, 바드 레인지에는 공진 회전수(r0)가 포함되게 된다(즉, r1≤r0≤r2).
또한, 제 2 허용 응력(τ2)은, 바드 레인지를 통과하는 경우일지라도 초과해서는 안 되는 허용 한도를 나타낸다. 즉, 비틀림 진동 응력이 일시적으로 τ1 을 초과하였다 하더라도, τ2 를 초과하는 것은 허용되지 않는다. 상세하게는 생략하나, τ2 는, 바드 레인지를 통과하는 때에 발생하는 응력이 추진축계(S)에 반복 작용하는 것을 고려하여 설정된다.
이와 같이, 엔진(1), 및 이 엔진(1)을 탑재한 선박을 운용할 때에는, 제 2 허용 응력(τ2)을 초과하지 않는 설계로 한 상태에서, 제 1 허용 응력(τ1)에 기초한 바드 레인지를 가능한 한 신속하게 통과하는 것이 요구된다. 특히, 후자의 요구에 대응하기 위해서는, 가능한 한 급격하게 주기관(10)을 가속시키는 것이 요구된다.
또한, 도 1에 나타내는 엔진(1)과 같이, 고압 EGR시스템(EGR시스템(80))이나 저압 SCR시스템(요소 SCR시스템(90))을 구비한 구성으로 한 경우, EGR통로(81)를 개재하고 배기를 환류시키거나, 바이패스통로(92)를 개재하고 배기가 터빈(42)을 우회하도록 한 만큼, 터빈(42)을 통과하는 배기의 유량이 저하되게 된다. 이는, 배기터빈 과급기(40)의 응답성을 확보하기에는 부적합하다.
그래서, 본 실시형태에 따른 엔진(1)과 같이, 가세 장치(70)에 의해 가압 공기를 보조 공급함으로써, 배기터빈 과급기(40)에 의한 과급에 가세를 하도록 구성하는 것을 생각할 수는 있으나, 본원 발명자(들)가 예의 검토를 거듭한 결과, 가세를 실행하는 타이밍을 제어하는 데 있어서 검토의 여지가 있음을 알았다.
즉, 설령 바드 레인지를 통과하는 경우라 할지라도,폭주해역을 운항할 때와 같이, 해양 교통이 혼잡한 경우에는, 보다 안전한 항해를 실현하기 위해, 가속 시라도 의도적으로 가세를 하지 않는 것이 요구되는 경우가 있다.
그 경우, 예를 들어, 조종핸들(101a, 102a)의 조작에 수반하여 자동적으로 가세되거나, 주기관(10)의 운전 상태에 따라 자동적으로 가세되어버려서는, 선원이 원하지 않는 타이밍에 가세되어버릴 가능성이 있어 부적합하다.
이에 반해, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 조작부로서의 버튼(201, 202, 203)이 누름 조작을 받았을 때에, 가세 장치(70)에 의한 가세를 개시하도록 구성된다. 버튼(201, 202, 203)은 모두, 조종핸들(101a, 102a)과는 독립되어 구성되므로, 조종핸들(101a, 102a)로의 조작과는 관계 없이 가세를 개시할 수 있다. 이로써, 가세하는 타이밍을 정확하게 제어하는 것이 가능해진다.
(3) 가세 장치의 제어예
도 5는, 가세 장치(70)의 작동 순서를 예시하는 흐름도이다.
먼저, 선원은, 주위의 상황을 확인함으로써 해상 교통의 혼잡 상황을 파악한다(단계 S1). 이어서, 주위의 해역이 혼잡하지 않으며, 또, 바드 레인지를 신속하게 통과해야 하는 상황 하에서는, 가세해야 한다고 판단한다(단계 S2).
그리고, 선원이, 버튼(201, 202, 203) 중 어느 하나를 누름으로써(단계 S3), 가세 장치(70)가 시동한다(단계 S4).
가세 장치(70)가 시동하면, 배기터빈 과급기(40)의 컴프레서(41)에 가세용 공기가 보조 공급되어, 컴프레서(41)의 회전에 가세를 할 수 있다(단계 S5). 가세 장치(70)는, 타이머(204)의 설정 시간이 경과하지 않은 경우(단계 S6 : NO)에는, 배기터빈 과급기(40)로의 가세를 계속하는 한편, 타이머(204)의 설정 시간이 경과한 경우(단계 S6 : YES)에는, 배기터빈 과급기(40)로의 가세를 정지한다(단계 S7).
《그 밖의 실시형태》
상기 실시형태에서는, 공기 관제밸브(53)에 의해 시동밸브(51)의 개폐를 관제하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 구성에 한정되지 않는다. 공기 관제밸브(53)를 구성하는 대신에, 시동밸브(51)의 개폐를 기계적으로 제어하거나, 예를 들어 도 6에 나타내는 바와 같이, 전자밸브(solenoid valve)(59)를 이용하여 전기적으로 제어하여도 된다. 도 6에 나타내는 예에서는, ECU(104)로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여, 시동밸브(51)의 개폐를 제어할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 고압 EGR시스템으로서 구성된 EGR시스템(80)을 구비한 구성에 대해 예시하였으나, 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 흡기통로(20)에서의 컴프레서(41)의 상류측 부위와, 배기통로(30)에서의 터빈(42)의 하류측 부위와의 사이에서 배기를 환류시키도록 구성된 EGR시스템(이른바 저압 EGR시스템)을 구비한 구성으로 하여도 되고, EGR시스템 자체를 생략한 구성으로 하여도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 저압 SCR시스템으로서 구성된 요소 SCR시스템(90)을 구비한 구성에 대해 예시하였으나, 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 배기통로(30)에서의 터빈(42)의 상류측에 구성된 요소 SCR시스템(이른바 고압 EGR시스템)을 구비한 구성으로 하여도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 버튼(201, 202, 203)으로부터 솔레노이드 밸브(77)에 이르는 회로 중간에 타이머(204)가 배치되었으나, 이 구성에 한정되지 않는다. 버튼마다 개별로 타이머를 배치하여도 된다.
1 : 엔진(선박용 내연 기관)
10 : 주기관
20 : 흡기통로
30 : 배기통로
40 : 배기터빈 과급기
41 : 컴프레서
42 : 터빈
61 : 공기원
70 : 가세 장치
81 : EGR통로
91 : SCR유닛(배기 정화 장치)
92 : 바이패스통로
101, 102 : 조종유닛
101a, 102a : 조종핸들
201, 202, 203 : 버튼(조작부)
204 : 타이머

Claims (6)

  1. 2행정식 주기관과,
    상기 주기관에 공기를 도입하는 흡기통로와,
    상기 흡기통로를 흐르는 공기를 과급하도록 구성된 배기터빈 과급기와,
    상기 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 당해 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 가세 장치와,
    상기 주기관의 회전수를 변경하기 위한 조종핸들과,
    상기 조종핸들과는 독립되어 형성되며, 선원에 의해 조작 입력을 받았을 때에, 상기 가세 장치를 작동시키는 조작부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가세 장치는, 상기 조작부가 선원에 의한 조작 입력을 받았을 때, 소정 시간에 걸쳐 상기 배기터빈 과급기에 가세하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주기관을 조종하기 위한 복수의 조종유닛을 구비하고,
    상기 조작부는, 상기 복수의 조종유닛의 각각에 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주기관으로부터 배출된 배기를 도입하는 배기통로를 구비하고,
    상기 배기터빈 과급기는, 상기 흡기통로에 구성된 컴프레서와, 상기 배기통로에 구성된 터빈을 구비하며,
    상기 가세 장치는, 상기 컴프레서의 회전 구동에 가세하도록, 당해 컴프레서로 공기를 공급하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡기통로에서의 상기 컴프레서의 하류측 부위와, 상기 배기통로에서의 상기 터빈의 상류측 부위를 접속하여 이루어지는 EGR통로를 구비하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 배기통로에서의 상기 터빈의 하류측 부위에 구성되어, 소정 온도 이상에서 활성화되는 배기 정화 장치를 구비하고,
    상기 배기통로에는, 상기 터빈을 우회하여 상기 배기 정화 장치에 이르는 바이패스통로가 구성되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
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