KR20200138400A - 선박용 내연 기관 - Google Patents

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KR20200138400A
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Abstract

엔진(1)은, 공기압을 받아 시동하는 주기관(10)과, 주기관(10)으로 공기를 도입하는 흡기통로(20)와, 흡기통로(20)를 흐르는 공기를 과급하는 배기터빈 과급기(40)와, 주기관(10)을 시동하기 위한 공기가 가압 충전된 공기원(61)과, 공기원(61)으로부터 주기관(10)으로 이르는 공기 유로(63)와, 배기터빈 과급기(40)에 의한 과급에 가세하는 가세 장치(70)를 구비한다. 가세 장치(70)는, 공기 유로(63)에서의 중간 부위에서 분기되어 배기터빈 과급기(40)로 이르는 가세용 유로(71)를 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, 특허문헌 1에 기재된 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.
또한, 특허문헌 1에 기재된 내연 기관은, 컴프레서에 가압 공기를 보조 공급하기 위한 공기원을 구비하며, 이 가압 공기를 이용하여, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제4250102호 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, 과급기가 응답성 좋게 작동하지 않아, 주기관의 회전수가 충분히 추종하지 못할 가능성이 있다.
그래서, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 내연 기관과 같이, 가압 공기를 보조 공급함에 따라, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세를 하도록 구성하는 것을 생각할 수 있으나, 본원 발명자(들)가 예의 검토를 거듭한 결과, 공기원의 구성 및 레이아웃에 있어 검토의 여지가 있음을 알았다.
즉, 일반적인 선박용 내연 기관의 경우, 주기관을 시동시키기 위한 공기원을 구비한 구성으로 하는 것이 통상적이다. 이러한 기관 시동용 공기원과는 별도로, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 전용 공기원을 구비하면, 부품 점수가 증대하거나, 공기를 유통시키는 배관 처리가 번거롭게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 전용 공기원을 구비하는 대신에, 예를 들어, 배기밸브 등 액추에이터를 작동시키는 제어용 공기 계통으로부터, 가세용 공기 계통을 분기시키는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 구성을 채용하면, 가세 시에, 제어용 공기 계통에서의 공기압이 급감하여, 각 액추에이터의 제어에 지장을 초래할 우려가 있다.
여기에 개시하는 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 선박용 내연 기관에 있어서, 가세용 공기원을 적절히 레이아웃하는 데 있다.
여기에 개시하는 기술은 선박용 내연 기관에 관한 것이다.
상기 선박용 내연 기관은, 공기의 공급을 받아 시동하도록 구성된 주기관과, 상기 주기관에 공기를 도입하는 흡기통로와, 상기 흡기통로를 흐르는 공기를 과급하도록 구성된 배기터빈 과급기와, 상기 주기관을 시동하기 위한 공기가 가압 충전된 공기원과, 상기 공기원으로부터 상기 주기관에 이르는 공기 유로와, 상기 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 당해 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 가세 장치를 구비하고, 상기 가세 장치는, 상기 공기 유로의 중간 부위에서 분기되어 상기 배기터빈 과급기에 이르는 가세용 유로를 구비한다.
이 구성에 의하면, 가세 장치는, 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 이 과급기에 의한 과급에 가세한다. 이에 따라, 선박의 가속 시에 과급기를 응답성 좋게 작동시키고, 나아가 주기관의 회전수를 추종시킬 수 있다.
그리고, 상기 가세 장치는, 배기터빈 과급기로 공기를 공급하기 위한 공기원을, 주기관을 시동시키기 위한 공기원과 겸용시킨다. 이에 따라, 전용 공기원을 구비하지 않고도 가세를 하기 위한 공기(이하, "가세용 공기"라고도 함)를 확보할 수 있다. 또한, 선박이 운항을 개시하면, 공기원에 충전된 공기는, 곧바로, 주기관 시동에는 제공되지 않는다. 따라서, 시동용 공기 유로에서 가세용 유로를 분기시킨 경우에는, 제어용 공기의 계통에서 분기시킨 경우와 비교하여, 공기압의 급감이 문제되지 않는다.
이와 같이, 가세용 공기원을 적절히 레이아웃할 수 있게 된다.
또한, 상기 선박용 내연 기관은, 상기 가세용 유로와는 별도로, 상기 공기 유로에서 분기되어 이루어지는 제어용 유로를 구비하고, 상기 가세용 유로는, 상기 공기 유로에서의 상기 제어용 유로와의 분기부보다 하류측 부위에서 분기되어도 된다.
이 구성에 의하면, 공기 유로로부터 가세용 유로로 공기를 유입시켰을 때에, 제어용 유로에서의 공기압 감소를 억제할 수 있다. 따라서, 제어용 유로에서의 공기압을 확보하면서, 과급에 가세를 하는 데 있어서 유리해진다.
또한, 상기 가세용 유로에는, 당해 가세용 유로를 개폐하는 개폐밸브가 구성되고, 상기 개폐밸브는, 상기 제어용 유로로부터 공급되는 공기에 의해 제어되어도 된다.
또한, 상기 주기관으로부터 배출된 배기를 도입하는 배기통로를 구비하고, 상기 배기터빈 과급기는, 상기 흡기통로에 구성된 컴프레서와, 상기 배기통로에 구성된 터빈을 구비하며, 상기 가세용 유로는, 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 구성되며, 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 추기운전). 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, 가세용 공기원을 적절히 레이아웃할 수 있게 된다.
도 1은, 선박용 내연 기관의 개략 구성을 예시하는 시스템도이다.
도 2는, 가세에 의한 회전수의 상승에 대해 예시하는 도면이다.
도 3은, 선박용 내연 기관의 비교예를 나타내는 도 1에 대응하는 도면이다.
도 4는, 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.
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. 도시는 생략하나, 엔진(1)의 출력축인 크랭크축은, 플라이휠(관성 바퀴), 중간축, 프로펠러축 등을 개재하고 프로펠러에 연결되고, 엔진(1)이 운전됨에 따라, 그 출력이 프로펠러에 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 구성이 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, 공기압식의 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 구성되고, 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, 크랭크축에 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 기능하는 체크밸브로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각 시동밸브(51)의 직상류에 구성된다. 플레임 어레스터(52)를 구성시킴으로써, 실린더(11) 내의 연료유가 착화하여 실린더 내 압력이 상승했을 때에, 그 연소가 압축공기의 관로로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 공기원(61)으로부터 공급되는 공기는, 주기관(10)의 시동 이외의 용도에도 이용되도록 구성된다. 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(18)와, 연소실(12)로부터 기연가스(배기)를 배출하기 위한 배기 매니폴드(19)가 접속된다. 주기관(10)은, 소기 트렁크(18)를 개재하고 흡기통로(20)에 접속됨과 더불어, 배기 매니폴드(19)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(18)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(19)를 개재하고 배기통로(30)에 유입되어, 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 추기운전). 또한, 주기관(10)의 시동 직후만이 아니라, 정상 운전 시(통상의 운항 시)라도, SCR촉매의 활성 상태 유지가 요구되는 경우에는, 적절히, 추기운전이 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. 제 1 부유로(63b)는, "제어용 유로"의 예시다.
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)밸브로서 구성되고, 제 1 부유로(63b)를 통하여 공급되는 제어용 공기에 의해 제어되도록 구성된다. 이로써, 제 1 부유로(63b)는 추가로 분기되어, 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 공급하여, 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.
(2) 가세 장치의 동작
전술한 바와 같이 하여 구성된 가세 장치(70)는, 예를 들어 주기관(10)의 가속 시에 이용된다.
구체적으로, 수동 내지 자동적으로 출력된 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.
도 2는, 가세에 의한 회전수의 상승을 예시하는 도면이다. 구체적으로, 도 2는, 시각(t0)에서 주기관(10)의 가속을 개시했을 때에, 가세 장치(70)를 작동시키지 않은 경우(도 2의 파선 참조)와, 가세 장치(70)를 작동시킨 경우(도 2의 실선 참조)로, 회전수의 변화량을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 2에 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, 과급기가 응답성 좋게 작동하지 않아, 주기관의 회전수가 충분히 추종하지 못할 가능성이 있다.
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, 공기원의 구성 및 레이아웃에 있어서 검토의 여지가 있음을 알았다.
즉, 일반적인 선박용 내연 기관의 경우, 주기관을 시동시키기 위한 공기원을 구비한 구성으로 하는 것이 통상적이다. 이러한 기관 시동용 공기원과는 별도로, 전용 공기원을 구비하면, 부품 점수가 증대하거나, 공기를 유통시키는 배관 처리가 번거롭게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 전용 공기원을 구비하는 대신에, 예를 들어, 도 3에 나타내는 비교예와 같이, 배기밸브 등 액추에이터를 작동시키는 제어용 공기 계통에서, 가세용 공기의 계통을 분기시키는 것도 생각할 수 있다(부호 71'를 참조). 그러나, 이러한 구성을 채용하면, 가세 시에, 제어용 공기 계통에서의 공기압이 급감하여, 각 액추에이터의 제어에 지장을 초래할 우려가 있다.
이에 반해, 본 실시형태에 따른 엔진(1)에서는, 배기터빈 과급기(40)로 공기를 공급하기 위한 공기원은, 주기관(10)을 시동시키기 위한 공기원(61)과 겸용되도록 구성된다. 이에 따라, 전용 공기원을 구비하지 않고 가세용 공기를 확보할 수 있다.
또한, 선박이 항해를 개시하면, 공기원(61)에 충전된 공기는, 곧바로, 주기관(10) 시동에는 제공되지 않는다. 따라서, 도 1에 나타내는 엔진(1)과 같이 주유로(63a)에서 가세용 유로(71)를 분기시킨 경우에는, 도 3에 나타내는 비교예와 같이 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)에서 분기시킨 경우와 비교하여, 가세용 공기의 공급에 수반하는 공기압의 감소가 문제되지 않는다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 가세용 유로(71)는, 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)와 주유로(63a)와의 분기부보다 하류측 부위에서 분기된다. 따라서, 주유로(63a)로부터 가세용 유로(71)로 공기를 유입시켰을 때에, 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)에서의 공기압 감소를 억제할 수 있다. 따라서, 제 1 부유로(63b) 및 제 2 부유로(63c)에서의 공기압을 확보하면서, 과급에 가세를 하는 데 있어서 유리해진다.
《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 4에 나타내는 바와 같이, 전자밸브(solenoid valve) (59)를 이용하여 전기적으로 제어하여도 된다.
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.
1 : 엔진(선박용 내연 기관)
10 : 주기관
20 : 흡기통로
30 : 배기통로
40 : 배기터빈 과급기
41 : 컴프레서
42 : 터빈
61 ： 공기원
63 ： 공기 유로
63b : 제 1 부유로(제어용 유로)
70 : 가세 장치
71 : 가세용 유로
74 : 개폐밸브
81 : EGR통로
91 : SCR유닛(배기 정화 장치)
92 : 바이패스통로

Claims (6)

  1. 공기압을 받아 시동하도록 구성된 2행정 주기관과,
    상기 주기관에 공기를 도입하는 흡기통로와,
    상기 흡기통로를 흐르는 공기를 과급하도록 구성된 배기터빈 과급기와,
    상기 주기관을 시동하기 위한 공기가 가압 충전된 공기원과,
    상기 공기원으로부터 상기 주기관에 이르는 공기 유로와,
    상기 배기터빈 과급기로 공기를 공급함으로써, 당해 배기터빈 과급기에 의한 과급에 가세하도록 구성된 가세 장치를 구비하고,
    상기 가세 장치는, 상기 공기 유로의 중간 부위에서 분기되어 상기 배기터빈 과급기에 이르는 가세용 유로를 구비하는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가세용 유로와는 별도로, 상기 공기 유로에서 분기되어 이루어지는 제어용 유로를 구비하고,
    상기 가세용 유로는, 상기 공기 유로에서의 상기 제어용 유로와의 분기부보다 하류측 부위에서 분기되는
    것을 특징으로 하는 선박용 내연 기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가세용 유로에는, 당해 가세용 유로를 개폐하는 개폐밸브가 구성되고,
    상기 개폐밸브는, 상기 제어용 유로로부터 공급되는 공기에 의해 제어되는
    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 가세용 유로는, 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 구성되며, 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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