KR20210027095A - 선박용 엔진시스템 - Google Patents

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KR20210027095A
KR20210027095A KR1020200101223A KR20200101223A KR20210027095A KR 20210027095 A KR20210027095 A KR 20210027095A KR 1020200101223 A KR1020200101223 A KR 1020200101223A KR 20200101223 A KR20200101223 A KR 20200101223A KR 20210027095 A KR20210027095 A KR 20210027095A
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diesel engine
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nox
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KR1020200101223A
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다쿠야 요시다
마사히코 요리구치
다카히로 후지바야시
히데유키 후지타
고스케 이토
다카요시 다쓰이
겐지 히라바야시
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히다치 조센 가부시키가이샤
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Abstract

선박용 엔진시스템(10)은, 튜닝할 수 있는 디젤엔진(1)과, 디젤엔진(1)의 배기 중의 NOx를 정화시키는 정화장치(6)를 구비한다. 선박용 엔진시스템(10)에서는, 국제해사기관의 배출규제해역 외의 일반해역에 대응하는 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태에서는 국제해사기관의 NOx 제2차 규제의 기준치인 제2차 기준치 이하이다. 또한 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에서는 제2차 기준치를 초과한다. 이에 따라 일반해역을 항행할 때에 NOx 제2차 규제를 만족시키면서, 디젤엔진(1)의 연비를 저감시킬 수 있다.

Description

선박용 엔진시스템{MARINE ENGINE SYSTEM}
본 발명은, 선박용 엔진시스템(船舶用 engine system)에 관한 것이다.
선박에 탑재되는 디젤엔진(diesel engine)에 대하여 국제해사기관(IMO)에 의하여 유해물질의 배출규제가 종래부터 정해져 있다. 예를 들면 질소산화물(NOx)에 대해서는, 엔진의 정격출력당 NOx 배출량이, 엔진의 정격회전수에 따라 정해진 NOx 기준치 이하인 것이 요구되고 있다(MARPOL 조약 부속서 VI). 또한 2016년 이후, 북미 연안 200해리 해역 등의 배출규제해역(ECA)에서는, 상기에서 설명한 NOx 기준치(즉 NOx 배출상한치)가 배출규제해역 외인 일반해역의 약 25% 이하까지 저감되고 있다.
일본국 특허 제5330782호 공보(문헌1)에서는, 배기가스규제대상 해역의 경계와 자선(自船)의 위치관계를 GPS에 의하여 파악하고, 당해 위치관계에 의거하여 배기가스의 정화장치(淨化裝置)를 정지상태로부터 가동상태로 자동적으로 절체(切替)함으로써, 배기가스의 정화상태를 규제에 따른 상태로 절체하는 기술이 개시되어 있다. 또한 문헌1에서는, 배기가스규제대상 해역의 경계까지의 거리 또는 항행시간의 목표값을 정하고, 상기에서 설명한 절체의 준비를 하는 것이 개시되어 있다.
그런데 문헌1과 같이 일반해역 및 배출규제해역의 쌍방(雙方)을 항행하는 선박에서는, 정화장치를 가동시킨 상태에서 배출규제해역용의 NOx 기준치를 만족시키도록 NOx의 배출량이 저감되는 튜닝(tuning)이 디젤엔진에 대하여 실시되고 있다. 일반적으로 디젤엔진에 있어서 NOx의 배출량을 저감시키는 튜닝이 실시되면, 연비(燃比)는 악화(즉 증대)되는 경향이 있다. 따라서 상기에서 설명한 선박은, 정화장치를 가동시키지 않는 일반해역에서도 연비가 악화된 상태로 항행하게 된다.
본 발명은, 선박용 엔진시스템에 있어서, NOx의 배출규제를 만족시키면서 연비를 저감시키는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 바람직한 하나의 형태에 관한 선박용 엔진시스템은, 튜닝할 수 있는 디젤엔진과, 상기 디젤엔진의 배기 중의 NOx를 정화시키는 정화장치를 구비한다. 국제해사기관의 배출규제해역 외의 일반해역에 대응하는 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기 정화장치가 가동되고 있는 상태에서는 상기 국제해사기관의 NOx 제2차 규제의 기준치인 제2차 기준치 이하이고, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에서는 상기 제2차 기준치를 초과한다.
바람직하게는, 상기 국제해사기관의 상기 배출규제해역에 대응하는 제2튜닝상태에서는, 상기 제1튜닝상태보다 상기 디젤엔진의 연비가 증대됨과 아울러 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 NOx의 양이 감소된다. 상기 제2튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기 정화장치가 가동되고 있는 상태에서는 상기 국제해사기관의 NOx 제3차 규제의 기준치인 제3차 기준치 이하이다.
본 발명에 의하면, NOx의 배출규제를 만족시키면서 연비를 저감시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 디젤엔진의 튜닝상태를, 상기 제1튜닝상태와 상기 제2튜닝상태의 사이에서 절체하는 튜닝절체부를 더 구비한다.
바람직하게는, 상기 정화장치는, 환원제가 혼합된 배기를 촉매에 접촉시켜서 탈질처리를 하는 반응기를 구비한다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 연소실에 있어서의 최고압력이, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 높다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 연료의 분사 타이밍이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 상기 디젤엔진의 피스톤이 상사점에 위치하는 타이밍에 가깝다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 연료의 분사개시에서부터의 경과시간과 분사압력의 관계를 나타내는 분사 프로필이, 상기 규제튜닝상태와 다르다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 분사 프로필에 있어서의 최대분사압력이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 높다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 연소실에 봉입되는 공기량이, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 많다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 배기밸브의 폐쇄 타이밍이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 빠르다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 과급기의 노즐링의 개구면적이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 작다.
바람직하게는, 상기 제1튜닝상태보다 상기 디젤엔진의 연비가 증대됨과 아울러 NOx 배출량이 감소되는 제3튜닝상태에서는, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치 이하이다.
상기에서 설명한 목적, 다른 목적, 특징, 태양 및 이점은, 첨부한 도면을 참조하여 이하에 실시하는 본 발명의 상세한 설명에 의하여 명확하게 된다.
도1은, 하나의 실시형태에 관한 선박용 엔진시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도2는, 튜닝절체부의 구성을 나타내는 도면이다.
도3은, 연료의 분사 프로필을 나타내는 도면이다.
도4는, 연비 및 NOx 배출량을 나타내는 도면이다.
도5는, 연비 및 NOx 배출량을 나타내는 도면이다.
도6은, 연비 및 NOx 배출량을 나타내는 도면이다.
도1은, 본 발명의 하나의 실시형태에 관한 선박용 엔진시스템(船舶用 engine system)(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 선박용 엔진시스템(10)은, 디젤엔진(diesel engine)(1)과, 정화장치(淨化裝置)(6)와, 튜닝절체부(tuning切替部)(7)를 구비한다. 도1에 예시하는 디젤엔진(1)은, 선박의 주기(主機)로서 이용되는 2스트로크 엔진(2 stroke engine)이다. 도1에서는, 디젤엔진(1)의 일부의 구성을 단면으로 나타내고 있다. 정화장치(6)는, 디젤엔진(1)의 배기 중의 질소산화물(NOx)을 정화한다. 튜닝절체부(7)는, 튜닝(tuning)할 수 있는 디젤엔진(1)의 튜닝상태를 절체(切替)한다. 이에 따라 디젤엔진(1)의 연비(燃比)나 NOx 배출량 등이 변경된다.
디젤엔진(1)은, 실린더(2)와, 피스톤(3)과, 배기밸브(25)와, 연료공급부(26)와, 소기유로(掃氣流路)(41)와, 배기유로(排氣流路)(42)와, 공기냉각기(43)와, 과급기(過給機)(5)를 구비한다. 실린더(2)는, 도1에 있어서의 상하방향으로 연장되는 중심축을 중심으로 하고 뚜껑을 구비하는 대략 원통 모양의 부재이다. 피스톤(3)은, 당해 중심축을 중심으로 하는 대략 원기둥 모양의 부재이고, 그 상부는 실린더(2)의 내부에 배치된다. 피스톤(3)은 상하방향으로 이동할 수 있다. 또 도1에 있어서의 상하방향은, 반드시 중력방향과 평행할 필요는 없다.
실린더(2)는, 실린더 라이너(cylinder liner)(21)와, 실린더 커버(cylinder cover)(22)를 구비한다. 실린더 라이너(21)는 대략 원통 모양의 부재이다. 실린더 커버(22)는, 실린더 라이너(21)의 상부에 부착되고 뚜껑을 구비하는 대략 원통 모양의 부재이다. 실린더 커버(22)는 실린더 라이너(21)의 상부 개구를 덮는다. 실린더 라이너(21)의 하단부(下端部) 근방에는, 복수의 관통구멍이 둘레 모양으로 형성된다. 당해 복수의 관통구멍은, 실린더(2) 내에 후술하는 소기를 공급하는 소기포트(掃氣port)(23)이다. 소기포트(23)는 소기유로(41)에 접속된다.
소기유로(41)는, 소기실(掃氣室)(411)과, 소기 리시버(掃氣 receiver)(412)를 구비한다. 소기실(411)은, 실린더 라이너(21)에 있어서 소기포트(23)의 주위에 형성되는 공간(즉 소기배관(掃氣配管))이다. 소기포트(23)는 소기실(411)을 통하여 소기 리시버(412)에 연결된다. 소기 리시버(412)는, 소기실(411)에 소기를 공급하는 대략 원통 모양의 대형용기이다.
실린더 커버(22)의 상단부(上端部)에는, 실린더(2) 내의 가스를 실린더(2) 외로 배출하는 배기포트(排氣port)(24)가 설치된다. 배기포트(24)를 평면에서 볼 때에 있어서의 형상(즉 도1에 있어서의 상하방향으로부터 본 형상)은 대략 원형이다. 배기포트(24)는 배기유로(42)에 접속된다. 배기유로(42)는, 배기배관(排氣配管)(421)과, 배기 리시버(排氣 receiver)(422)를 구비한다. 배기배관(421)은, 배기포트(24)와 배기 리시버(422)를 접속하는 배관이다. 배기 리시버(422)는, 배기배관(421)으로부터의 배기를 받는 대략 원통 모양의 대형용기이다.
실제의 디젤엔진(1)에서는, 복수의 실린더(2)가 병설(竝設)되어 있고, 당해 복수의 실린더(2)가 1개의 소기 리시버(412) 및 1개의 배기 리시버(422)에 접속되어 있다. 즉 소기 리시버(412)는 복수의 실린더(2)에 소기를 분배·공급하기 위한 소기 매니폴드(掃氣 manifold)이다. 또한 배기 리시버(422)는, 복수의 실린더(2)로부터 배출된 배기가 모아지는 배기 매니폴드(排氣 manifold)(배기집합관이라고도 한다)이다.
배기밸브(25)는, 상하방향에 있어서 배기포트(24)와 포개지는 위치에 배치되어 배기포트(24)를 개폐한다. 배기밸브(25)는, 밸브체(valve體)(251)와, 밸브봉(valve棒)(252)을 구비한다. 밸브체(251)는, 배기포트(24)의 하방에 위치하는 대략 원추 모양의 부위이다. 평면에서 볼 때에 있어서의 밸브체(251)의 직경은, 평면에서 볼 때에 있어서의 배기포트(24)의 직경보다 크다. 밸브봉(252)은, 밸브체(251)의 상단부로부터 상방으로 연장되는 대략 원기둥 모양의 부위이다. 밸브봉(252)의 상단부는, 실린더(2)의 상방에 설치된 배기밸브 유압실린더(253)의 내부에 수용되고, 상하방향으로 이동할 수 있도록 지지된다. 배기밸브 유압실린더(253)는 구동유 펌프(驅動油 pump)(254)에 접속된다.
배기밸브(25)는, 배기밸브 유압실린더(253) 및 구동유 펌프(254)에 의하여 상하방향으로 이동된다. 도1에 있어서 실선으로 나타내는 바와 같이 배기밸브(25)의 밸브체(251)가 배기포트(24)로부터 하방으로 이간(離間)되어 있는 상태에서는, 배기포트(24)가 개방되어 있어 실린더(2) 내의 가스가 배기포트(24)를 통하여 실린더(2) 외로 배출된다. 한편 밸브체(251)가 도1에 있어서 이점쇄선으로 나타내는 위치에 위치하는 상태에서는, 밸브체(251)가 배기포트(24)의 둘레 가장자리부에 접촉되어 배기포트(24)를 폐쇄하기 때문에, 실린더(2) 내의 가스는 배기포트(24)로부터 배출되지 않는다. 이하의 설명에서는, 도1에 있어서 실선으로 나타내는 배기밸브(25)의 위치를 「개방위치」라고 부르고, 이점쇄선으로 나타내는 배기밸브(25)의 위치를 「폐쇄위치」라고 부른다. 배기밸브(25)는, 개방위치와, 개방위치보다 상측의 폐쇄위치 사이에서 상하방향으로 이동할 수 있다.
피스톤(3)은, 실린더(2) 내에 있어서 도1에서의 상하방향으로 이동할 수 있다. 도1에 있어서 이점쇄선으로 나타내는 피스톤(3)의 위치가 상사점(上死點)이고, 실선으로 나타내는 피스톤(3)의 위치가 하사점(下死點)이다. 피스톤(3)은, 피스톤 크라운(piston crown)(31)과, 피스톤 로드(piston rod)(32)를 구비한다. 피스톤 크라운(31)은, 실린더 라이너(cylinder liner)(21)에 삽입되고 대략 원판 모양의 두꺼운 부위이다. 피스톤 로드(32)는, 상단(上端)이 피스톤 크라운(31)의 하면에 접속된 대략 원기둥 모양의 부위이다. 피스톤 로드(32)의 하단(下端)은, 도시를 생략한 크랭크 기구(crank 機構)에 접속된다. 도1에 예시하는 디젤엔진(1)에서는, 실린더 라이너(21), 실린더 커버(22), 배기밸브(25) 및 피스톤 크라운(31)의 상면(즉 피스톤(3)의 상면)으로 둘러싸이는 공간이, 연료 및 공기를 연소시키기 위한 연소실(燃燒室)(20)이다.
연료공급부(26)는, 연료분사부(261)와, 연료공급펌프(262)를 구비한다. 연료분사부(261)는, 선단부(先端部)가 연소실(20)을 향하여 실린더 커버(22)에 부착되는 노즐이다. 연료공급펌프(262)는, 연료배관을 통하여 연료탱크(도시를 생략함)에 접속되어, 연료탱크 내의 연료를 연료분사부(261)로 송출한다. 연료분사부(261)는, 연료공급펌프(262)로부터 공급된 연료를 연소실(20)을 향하여 분사한다. 도1에 예시하는 디젤엔진(1)에서는, 연료분사부(261)로부터 분사되는 연료는 액상(液狀)이다.
과급기(5)는, 터빈(turbine)(51)과, 컴프레서(compressor)(52)를 구비하는 터보차저(turbo charger)이다. 터빈(51)은, 정화장치(6)를 통하여 배기 리시버(排氣 receiver)(422)에 접속된다. 컴프레서(52)는, 공기냉각기(43)를 통하여 소기 리시버(掃氣 receiver)(412)에 접속된다. 터빈(51)은, 터빈로터(turbine rotor)(511)와, 노즐링(nozzle ring)(512)을 구비한다. 터빈로터(511)는, 터빈(51)에 공급되는 배기에 의하여 회전하는 임펠러(impeller)이다. 노즐링(512)은, 터빈로터(511)의 전방측에 배치되어, 터빈로터(511)에 유입되는 배기의 유속(流速)을 조절한다. 구체적으로는, 노즐링(512)의 개구면적이 커지게 됨으로써 터빈로터(511)에 공급되는 배기의 유속이 저하되고, 노즐링(512)의 개구면적이 작아지게 됨으로써 터빈로터(511)에 공급되는 배기의 유속이 증대된다.
과급기(5)에서는, 배기를 이용하여 터빈(51)을 회전시키고, 터빈(51)의 회전을 동력으로 하여 컴프레서(52)에 의하여 흡기(吸氣)가 가압되어 소기가 생성된다. 구체적으로는 과급기(5)에서는, 배기 리시버(422)로부터 정화장치(6)를 통하여 터빈(51)으로 보내진 배기에 의하여 터빈로터(511)가 회전한다. 컴프레서(52)에서는, 터빈로터(511)의 회전에 의하여 컴프레서 임펠러(compressor impeller)(도시를 생략함)가 회전하여, 디젤엔진(1)의 외부로부터 흡기로(吸氣路)(44)를 통하여 흡인된 흡기(공기)를 가압하여 압축한다. 가압된 공기(즉 상기에서 설명한 소기)는, 공기냉각기(43)에 의하여 해수(海水) 등의 냉매를 이용하여 냉각된 후에 소기 리시버(412)에 공급되고, 소기 리시버(412)로부터 소기포트(23)를 통하여 연소실(20)에 공급된다.
디젤엔진(1)에 있어서, 피스톤(3)이 하사점으로부터 상승하여 상사점 근방에 위치할 때에는, 배기밸브(25)는 폐쇄위치에 위치하고 있어, 배기포트(24)는 폐쇄되어 있다. 이 때문에 연소실(20) 내의 가스(즉 소기)가 압축된다. 그리고 피스톤(3)이 상사점에 도달하면, 연료분사부(261)로부터 연소실(20) 내로 연료가 분사된다. 연료분사부(261)로부터의 연료의 분사 타이밍(噴射 timing)은, 피스톤(3)이 상사점에 도달하기 직전 또는 도달한 직후이어도 좋고, 피스톤(3)이 상사점으로부터 소정의 크랭크 각도(예를 들면 약 3°)에 대응하는 거리만큼 하강한 타이밍이어도 좋다. 연소실(20)에서는, 기화된 연료가 자착화(自着火)되어, 연소실(20) 내의 연료의 연소(또는 폭발)가 생긴다. 이에 따라 피스톤(3)이 밀려 내려가서 하사점을 향하여 이동한다. 또 연소실(20) 내의 가스는, 반드시 자착화될 필요는 없고, 점화플러그 등을 사용하여 연소실(20) 내의 가스의 착화가 실시되어도 좋다. 또한 상기에서 설명한 크랭크 각도라는 것은, 크랭크 기구에 있어서의 크랭크의 회전위치를 나타낸다.
연소실(20) 내에 있어서 연료의 연소(또는 폭발) 후이고 피스톤(3)이 하사점에 도달하기 전에, 배기밸브(25)가 폐쇄위치로부터 개방위치로 하강하여 배기포트(24)가 개방된다. 이에 따라 연소실(20) 내의 연소완료가스의 배출이 개시된다. 연소실(20)로부터 배출된 가스(즉 배기)는 배기 리시버(422)에 모아지고, 필요에 따라 정화장치(6)에 의한 탈질처리(脫窒處理)가 실시된 후에, 이미 기술한 바와 같이 과급기(5)의 터빈(51)에 공급된다. 터빈(51)을 통과한 배기는, 연도(煙道)를 통하여 디젤엔진(1)의 외부로 배출된다.
피스톤(3)이 하사점 근방까지 하강하여 피스톤 크라운(31)의 상면이 소기포트(23)보다 하측까지 이동하면, 소기포트(23)가 개방되어 연소실(20)과 소기실(411)이 소기포트(23)를 통하여 연결된다. 이에 따라 소기실(411) 내의 소기가 연소실(20) 내에 공급된다.
피스톤(3)은 하사점에 도달한 후에 상승으로 바뀐다. 피스톤 크라운(31)의 상면이 소기포트(23)보다 상측까지 상승함으로써 소기포트(23)가 폐쇄되어, 연소실(20) 내에 대한 소기의 공급이 정지된다. 계속하여 배기포트(24)가 배기밸브(25)에 의하여 폐쇄되어 연소실(20)이 밀폐된다. 피스톤(3)이 더 상승함으로써 연소실(20) 내의 소기가 압축된다. 그리고 피스톤(3)이 상사점 근방에 도달하면, 이미 기술한 바와 같이 연료분사부(261)로부터 연소실(20) 내로 연료가 분사되어, 연소실(20) 내에서 상기에서 설명한 연소가 생긴다. 디젤엔진(1)에서는 상기 동작이 반복된다.
정화장치(6)는, 노즐(61)과, 반응기(反應器)(62)와, SCR 유로(SCR 流路)(63)와, 바이패스 유로(bypass 流路)(64)와, 바이패스 밸브(bypass valve)(65)를 구비한다. 노즐(61)은 배기유로(42) 중에서 배기 리시버(422)에 부착된다. 노즐(61)에는, 도시를 생략한 환원제 공급원(還元劑 供給源)으로부터 배기의 탈질처리에 이용되는 환원제가 공급된다. 환원제로서는, 요소수(CO(NH2)2) 또는 암모니아수(NH3) 등을 이용할 수 있다. 도1에 나타내는 예에서는, 요소수가 환원제로서 사용된다. 환원제 공급원으로부터 노즐(61)로 송출되는 환원제의 유량은, 예를 들면 수 리터/시간∼수백 리터/시간이다. 노즐(61)은, 예를 들면 환원제를 미스트(mist) 형상으로 하여 배기 리시버(422) 내에 공급한다.
SCR 유로(63)는, 배기유로(42)의 배기 리시버(422)와 과급기(5)의 터빈(51)을 접속하는 관로(管路)이다. SCR 유로(63) 상에는 반응기(62)가 설치된다. 반응기(62) 내에는, 배기의 탈질처리에 이용되는 촉매가 수용되어 있다. 반응기(62)에서는, SCR(Selective catalytic reduction : 선택촉매환원)법에 의한 배기의 탈질처리가 실시된다.
바이패스 유로(64)는, SCR 유로(63)의 도중으로부터 분기하여, 반응기(62)를 우회하여 SCR 유로(63)에 합류하는 관로이다. 바꾸어 말하면, 바이패스 유로(64)는, 반응기(62)를 우회하여 배기유로(42)의 배기 리시버(422)와 과급기(5)의 터빈(51)을 접속한다. 구체적으로는 바이패스 유로(64)는, 배기 리시버(422)와 반응기(62)의 사이에서 SCR 유로(63)로부터 분기하여, 반응기(62)와 터빈(51)의 사이에서 SCR 유로(63)에 합류한다. 바이패스 밸브(65)는, 바이패스 유로(64) 상에 설치되어 바이패스 유로(64)의 개폐에 이용된다.
정화장치(6)가 가동되고 있는 상태(즉 배기의 탈질처리가 실시되고 있는 상태)에서는, 노즐(61)로부터 배기 리시버(422)로 환원제가 연속적으로 공급된다. 노즐(61)로부터의 환원제의 공급량은, 예를 들면 배기 중의 NOx의 함유량 등에 의거하여 제어된다. 노즐(61)로부터 배기 리시버(422)에 공급된 환원제(즉 요소수)는 배기와 혼합된다. 배기 리시버(422) 내에서는, 고온의 배기와 혼합된 요소가 열분해되어 암모니아 및 이소시안산(HNCO)이 생성된다. 또한 이소시안산은 가수분해되어 암모니아가 생성된다. 암모니아(즉 환원제로부터의 생성물)가 혼합된 배기는, 배기 리시버(422)로부터 SCR 유로(63)로 송출된다.
배기의 탈질처리가 실시되고 있는 상태에서는, 바이패스 밸브(65)가 폐쇄되어 있기 때문에, 배기 리시버(422)로부터 SCR 유로(63)로 송출된 배기(즉 암모니아를 포함하는 배기)는 반응기(62)에 유입되어, 상기에서 설명한 촉매와 접촉한다. 이에 따라 배기 중의 NOx가 암모니아와 반응하여 환원되어 질소(N2) 및 물(H2O)로 분해된다. 바꾸어 말하면, 반응기(62)에서 배기의 탈질처리가 실시된다. 반응기(62)를 통과한 탈질처리완료된 배기는, SCR 유로(63)를 통하여 이미 기술한 바와 같이 터빈(51)에 공급된 후에 디젤엔진(1)의 외부로 배출된다.
한편 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태(즉 배기의 탈질처리가 실시되지 않는 상태)에서는, 노즐(61)로부터의 환원제의 공급이 정지되고 바이패스 밸브(65)가 개방된다. 이 때문에 배기 리시버(422)로부터 SCR 유로(63)로 송출된 배기는, 바이패스 유로(64)를 통하여(즉 반응기(62)를 우회하여) 터빈(51)에 공급된 후에 디젤엔진(1)의 외부로 배출된다. 또 배기 리시버(422)로부터 SCR 유로(63)로 송출된 배기의 일부는, 반응기(62)를 통과하여 터빈(51)에 공급되어도 좋다.
튜닝절체부(7)는, 예를 들면 통상의 컴퓨터이다. 당해 컴퓨터는, 도2에 나타내는 바와 같이 프로세서(processor)(71)와, 메모리(memory)(72)와, 입출력부(73)와, 버스(bus)(74)를 구비한다. 버스(74)는, 프로세서(71), 메모리(72) 및 입출력부(73)를 접속하는 신호회로이다. 메모리(72)는, 프로그램 및 각종 정보를 기억한다. 프로세서(71)는, 메모리(72)에 기억되는 프로그램 등에 따라 메모리(72) 등을 이용하면서 다양한 처리(예를 들면 수치계산 등)를 실행한다. 입출력부(73)는, 조작자로부터의 입력을 받아들이는 키보드(75)와 마우스(76), 및 프로세서(71)로부터의 출력 등을 표시하는 디스플레이(display)(77)를 구비한다.
튜닝절체부(7)에서는, 디젤엔진(1)의 복수의 튜닝상태가 메모리(72)에 미리 기억되어 있고, 예를 들면 승조원(乘組員)에 의한 입출력부(73)로부터의 입력에 따라 1개의 튜닝상태가 선택된다. 그리고 디젤엔진(1)의 상태가, 튜닝절체부(7)에 의하여 당해 선택된 튜닝상태로 조절된다. 튜닝상태의 조절에 대한 상세한 것에 대해서는 후술한다. 튜닝절체부(7)에 의한 튜닝상태의 조절은, 디젤엔진(1)이 가동되고 있는 상태(즉 선박의 항행 중)에서 실시되어도 좋고, 디젤엔진(1)이 정지되고 있는 상태에서 실시되어도 좋다.
튜닝절체부(7)에 기억되어 있는 복수의 튜닝상태에는, 국제해사기관(IMO : International Maritime Organization)에 의하여 규정되어 있는 일반해역에 대응하는 제1튜닝상태, 및 국제해사기관에 의하여 규정되어 있는 배출규제해역(ECA : Emission Control Area)에 대응하는 제2튜닝상태가 포함된다. 배출규제해역은 예를 들면 북미 연안 200해리 해역 등이다. 일반해역은 배출규제해역을 제외한 해역(즉 배출규제해역 외의 해역)이다.
선박용 엔진시스템(10)의 NOx 배출량은, 국제해사기관에 의하여 규제되어 있고, 정격출력당 NOx 배출량(g/(kW·h))이 정격회전수에 따라 정해진 NOx 기준치(g/(kW·h)) 이하일 것이 요구된다(MARPOL 조약 부속서 VI). 당해 NOx 기준치는, 일반해역 및 배출규제해역의 각각에 대하여 정해져 있다. 구체적으로는, 일반해역에 있어서의 NOx 기준치는 NOx 제2차 규제(NOx Tier2)의 기준치인 제2차 기준치이고, 배출규제해역에 있어서의 NOx 기준치는 NOx 제3차 규제(NOx Tier3)의 기준치인 제3차 기준치이다. 도1에 예시하는 디젤엔진(1)은, 정격회전수가 300rpm 이하인 저속 디젤엔진이다.
선박용 엔진시스템(10)에 있어서 디젤엔진(1)이 제1튜닝상태가 되면, 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태(즉 탈질처리가 실시되고 있는 상태)에 있어서의 선박용 엔진시스템(10)으로부터의 NOx 배출량은, 상기에서 설명한 제2차 기준치 이하이다. 한편 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태(즉 탈질처리가 실시되지 않는 상태)에 있어서의 선박용 엔진시스템(10)으로부터의 NOx 배출량은, 제2차 기준치를 초과한다. 이하의 설명에서는, 선박용 엔진시스템(10)으로부터의 NOx 배출량을 간단하게 「NOx 배출량」이라고도 부른다.
디젤엔진(1)이 제2튜닝상태가 되면, 제1튜닝상태보다 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨(즉 악화됨)과 아울러, 디젤엔진(1)으로부터 배출되는 NOx의 양(즉 탈질처리가 실시되기 전의 NOx의 양이고, 이하 「탈질 전 NOx량」이라고도 부른다)이 제1튜닝상태보다 감소된다. 디젤엔진(1)이 제2튜닝상태인 경우에, 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기에서 설명한 제3차 기준치 이하이다. 한편 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량은, 제3차 기준치를 초과한다. 또한 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량은, 제2차 기준치 이하인 것이 바람직하다. 또 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량은, 제2차 기준치를 초과하고 있어도 좋다.
이하의 설명에서는, 선박용 엔진시스템(10)에 있어서, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 제2차 기준치와 실질적으로 같아지게 되는 디젤엔진(1)의 튜닝상태를 「규제튜닝상태」라고 부른다. 디젤엔진(1)이 상기에서 설명한 제1튜닝상태인 경우에, 규제튜닝상태보다 디젤엔진(1)의 연비가 저감됨(즉 향상됨)과 아울러 탈질 전 NOx량이 증대된다. 또 규제튜닝상태는, 튜닝절체부(7)에 기억되어 있는 상기 복수의 튜닝상태에 포함되어 있어도 좋고, 포함되어 있지 않아도 좋다.
당해 복수의 튜닝상태에는, 제1튜닝상태 및 제2튜닝상태에 더하여 제3튜닝상태가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 디젤엔진(1)이 제3튜닝상태가 되면, 제1튜닝상태보다 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨과 아울러 탈질 전 NOx량이 감소된다. 디젤엔진(1)이 제3튜닝상태인 경우에, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기에서 설명한 제2차 기준치 이하이다. 물론 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량도 제2차 기준치 이하이다. 튜닝절체부(7)는, 디젤엔진(1)의 튜닝상태를 제1튜닝상태, 제2튜닝상태 및 제3튜닝상태의 사이에서 절체할 수 있다.
다음에 디젤엔진(1)의 튜닝의 구체예에 대하여 설명한다. 디젤엔진(1)의 튜닝에서는, 예를 들면 디젤엔진(1)의 연소실(20)에 봉입(封入)되는 공기량(이하, 「봉입공기량(封入空氣量)」이라고도 부른다)이 조절된다. 봉입공기량이 많아지게 되면, 연소실(20)에 있어서의 연소상태가 좋아지게 되어 연소온도가 높아지기 때문에, 디젤엔진(1)의 연비가 저감됨과 아울러 탈질 전 NOx량은 증대된다. 한편 봉입공기량이 적어지게 되면, 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨과 아울러 탈질 전 NOx량은 감소된다. 봉입공기량의 조절에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝이 실시되는 경우에, 상기에서 설명한 제1튜닝상태에 있어서의 봉입공기량은, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 봉입공기량에 비하여 많다.
또한 디젤엔진(1)의 튜닝에서는, 디젤엔진(1)의 연소실(20)의 최고압력(연소 최대압력이라고도 말한다) Pmax가 조절되어도 좋다. 최고압력 Pmax가 높아지게 되면, 연소실(20)에 있어서의 연소상태가 좋아지게 되어 연소온도가 높아지기 때문에, 디젤엔진(1)의 연비가 저감됨과 아울러 탈질 전 NOx량은 증대된다. 한편 최고압력 Pmax가 낮아지게 되면, 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨과 아울러 탈질 전 NOx량은 감소된다. 최고압력 Pmax의 조절에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝이 실시되는 경우에 제1튜닝상태에 있어서의 최고압력 Pmax는, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 최고압력 Pmax에 비하여 높다. 또 상기에서 설명한 최고압력 Pmax는, 디젤엔진(1)의 각 엔진부하에 있어서의 연소실(20)의 최고압력을 의미하고 있고, 상기에서 설명한 최고압력 Pmax와 연비 및 탈질 전 NOx량의 관계는, 각 엔진부하에 있어서 성립한다.
상기에서 설명한 봉입공기량의 조절 및 최고압력 Pmax의 조절은, 다양한 방법에 의하여 실현되어도 좋다. 예를 들면 피스톤(3)의 하사점으로부터의 상승 시에 있어서의 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍을 빠르게 함으로써, 봉입공기량을 증대시킬 수 있고 또한 최고압력 Pmax를 높게 할 수 있다. 이 경우에 제1튜닝상태에 있어서의 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍은, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍에 비하여 빠르다. 예를 들면 제1튜닝상태에 있어서의 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍을, 규제튜닝상태에 있어서의 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍보다 크랭크 각도로 1°분에 상당하는 시간만큼 빠르게 함으로써, 디젤엔진(1)의 연비는 규제튜닝상태에 비하여 약 0.3% 저감된다.
선박용 엔진시스템(10)에서는, 예를 들면 연소실(20)에 대한 연료의 분사 타이밍을, 피스톤(3)이 상사점에 위치하는 타이밍에 가깝게 함으로써도 최고압력 Pmax를 높게 할 수 있다. 이 경우에 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 분사 타이밍은, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 분사 타이밍에 비하여 피스톤(3)이 상사점에 위치하는 타이밍에 가깝다. 예를 들면 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 분사 타이밍을, 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 분사 타이밍보다 크랭크 각도로 1°분에 상당하는 시간만큼 피스톤(3)이 상사점에 위치하는 타이밍에 가깝게 함으로써, 디젤엔진(1)의 연비는 규제튜닝상태에 비하여 약 0.3% 저감된다. 이 경우에 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 분사가, 피스톤(3)이 상사점을 통과하여 하강 중에 실시되는 것이라면, 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 분사 타이밍은 규제튜닝상태보다 빠르게 할 수 있다.
선박용 엔진시스템(10)에서는, 예를 들면 연소실(20)에 대한 연료의 분사 프로필(噴射 profile)을 변경함으로써도 최고압력 Pmax를 높게 할 수 있다. 당해 분사 프로필은 다양하게 변경되어도 좋지만, 예를 들면 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 최대분사압력이, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 최대분사압력에 비하여 높아지게 된다.
상기에서 설명한 분사 프로필의 변경은, 예를 들면 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 분사시간(즉 분사개시에서부터 분사종료까지의 시간)이, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 분사시간에 비하여 짧아지게 됨으로써 실현되어도 좋다. 예를 들면 도3에 나타내는 바와 같이 제1튜닝상태에 있어서의 연료의 분사시간(실선(81)을 참조)을, 연료의 분사량을 변경하지 않고 규제튜닝상태에 있어서의 연료의 분사시간(파선(82)를 참조)보다 짧게 함으로써 최고압력 Pmax가 높아지게 되어도 좋다. 또 당해 최고압력 Pmax의 증대는 연료의 최대분사압력의 증대에도 기인하고 있다.
선박용 엔진시스템(10)에서는, 예를 들면 과급기(5)에 있어서 노즐링(512)의 개구면적을 작게 함으로써, 봉입공기량을 증대시킬 수 있고 또한 최고압력 Pmax를 높게 할 수 있다. 이 경우에 제1튜닝상태에 있어서의 노즐링(512)의 개구면적은, 제2튜닝상태, 제3튜닝상태 및 규제튜닝상태에 있어서의 노즐링(512)의 개구면적에 비하여 작다. 예를 들면 제1튜닝상태에 있어서의 노즐링(512)의 개구면적을, 규제튜닝상태에 있어서의 노즐링(512)의 개구면적보다 1%만큼 작게 함으로써, 디젤엔진(1)의 연비는 규제튜닝상태에 비하여 약 0.06% 저감된다.
튜닝절체부(7)에 의한 튜닝상태의 절체에서는, 상기에서 설명한 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍, 연료의 분사 타이밍, 연료의 분사 프로필 및 노즐링(512)의 개구면적 중 1개가 조절되어도 좋고, 2개 이상이 조절되어도 좋다. 또한 당해 튜닝상태의 절체에서는, 상기에서 설명한 예 이외의 요소가 조절됨으로써 연소실(20)의 봉입공기량이나 최고압력 Pmax가 조절되어도 좋다. 또 디젤엔진(1)의 각 엔진부하에 있어서의 튜닝상태의 절체는, 동일한 요소의 조절에 의한 것이어도 좋고, 다른 요소의 조절에 의한 것이어도 좋다. 구체적으로는 제1엔진부하에 있어서의 제1튜닝상태로부터 제2튜닝상태로의 절체가, 예를 들면 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍의 조절에 의하여 실현되는 경우에, 제2엔진부하에 있어서의 제1튜닝상태로부터 제2튜닝상태로의 절체는, 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍의 조절에 의하여 실현되어도 좋고, 연료의 분사 타이밍 등의 다른 요소의 조절에 의하여 실현되어도 좋다.
선박용 엔진시스템(10)이 탑재된 선박이 상기에서 설명한 일반해역을 항행할 때에는, 튜닝절체부(7)에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝상태가 제1튜닝상태가 된다. 또한 당해 선박이 일반해역으로부터 배출규제해역으로 들어갈 때에는, 튜닝절체부(7)에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝상태가 제1튜닝상태로부터 제2튜닝상태로 절체된다. 한편 당해 선박이 배출규제해역으로부터 일반해역으로 나갈 때에는, 튜닝절체부(7)에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝상태가 제2튜닝상태로부터 제1튜닝상태로 절체된다. 이들의 튜닝상태의 절체는, 상기에서 설명한 바와 같이 승조원이 튜닝절체부(7)를 조작함으로써 실시되어도 좋고, GPS 등에 의하여 취득한 자선위치(自船位置)와, 일반해역과 배출규제해역의 경계의 위치관계에 의거하여 튜닝절체부(7)에 의하여 자동적으로 실시되어도 좋다.
선박용 엔진시스템(10)이 탑재된 선박이 일반해역을 항행하는 경우에, 상기에서 설명한 바와 같이 디젤엔진(1)을 제1튜닝상태로 함으로써 도4에 나타내는 바와 같이 규제튜닝상태에 비하여, 디젤엔진(1)의 정격출력 시 또는 임의의 엔진부하에서의 연비를 저감시킬 수 있다. 또한 선박용 엔진시스템(10)으로부터의 NOx 배출량은, 정화장치(6)를 가동시킴으로써 상기에서 설명한 제2차 기준치 이하로 할 수 있다. 이에 따라 국제해사기관의 NOx 제2차 규제(NOx Tier2)를 만족시킬 수 있다. 제1튜닝상태에서 일반해역을 항행할 때의 정화장치(6)에 있어서의 탈질율은, 예를 들면 20%∼80%이다.
상기 선박이 배출규제해역을 항행하는 경우에, 상기에서 설명한 바와 같이 디젤엔진(1)을 제2튜닝상태로 함으로써 도5에 나타내는 바와 같이 정격출력 시의 연비는 제1튜닝상태보다 증대되지만, NOx 배출량은 정화장치(6)를 가동시킴으로써 상기에서 설명한 제3차 기준치 이하로 할 수 있다. 이에 따라 국제해사기관의 NOx 제3차 규제(NOx Tier3)를 만족시킬 수 있다. 제2튜닝상태에서 배출규제해역을 항행할 때의 정화장치(6)에 있어서의 탈질율은, 예를 들면 60%∼90%이다. 상기에서 설명한 바와 같이 정화장치(6)에 있어서의 탈질율은, 배출규제해역 항행 시보다 일반해역 항행 시의 방법이 낮기 때문에, 정화장치(6)에 있어서의 환원제의 단위시간당 사용량도 일반해역 항행 시의 방법이 배출규제해역 항행 시보다 적다.
한편 일반해역을 항행 중인 상기 선박에 있어서, 정화장치(6)가 고장 등에 의하여 가동될 수 없게 되었을 경우에 튜닝절체부(7)에 의하여 디젤엔진(1)의 튜닝상태가 제3튜닝상태가 된다. 이에 따라 도6에 나타내는 바와 같이 정격출력 시의 연비는 제1튜닝상태보다 증대되지만, NOx 배출량은 제2차 기준치 이하로 할 수 있다. 따라서 국제해사기관의 NOx 제2차 규제를 만족시킬 수 있다. 즉 제3튜닝상태는, 정화장치(6)의 가동이 불가능한 비상 시에 대응하는 튜닝상태이다.
이상에서 설명한 바와 같이 선박용 엔진시스템(10)은, 튜닝할 수 있는 디젤엔진(1)과, 디젤엔진(1)의 배기 중의 NOx를 정화시키는 정화장치(6)를 구비한다. 선박용 엔진시스템(10)에서는, 국제해사기관의 배출규제해역 외의 일반해역에 대응하는 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태에서는 국제해사기관의 NOx 제2차 규제의 기준치인 제2차 기준치 이하이다. 또한 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에서는 제2차 기준치를 초과한다. 이에 따라 일반해역을 항행할 때에 NOx 제2차 규제를 만족시키면서, 디젤엔진(1)의 연비를 상기에서 설명한 규제튜닝상태보다 저감시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 바람직하게는, 국제해사기관의 배출규제해역에 대응하는 제2튜닝상태에서는 제1튜닝상태보다 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨과 아울러 디젤엔진(1)으로부터 배출되는 NOx의 양(즉 탈질 전 NOx량)이 감소된다. 또한 선박용 엔진시스템(10)에서는, 제2튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 정화장치(6)가 가동되고 있는 상태에서는 국제해사기관의 NOx 제3차 규제의 기준치인 제3차 기준치 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라 상기에서 설명한 바와 같이 일반해역의 항행 시에 있어서의 연비를 규제튜닝상태에 비하여 저감시키면서, NOx 제3차 규제하의 배출규제해역에서의 항행을 가능하게 할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 선박용 엔진시스템(10)은, 디젤엔진(1)의 튜닝상태를, 제1튜닝상태와 제2튜닝상태의 사이에서 절체하는 튜닝절체부(7)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이에 따라 선박이 항행 중 등이더라도 디젤엔진(1)의 튜닝상태의 절체를 용이하게 할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 정화장치(6)는, 환원제가 혼합된 배기를 촉매에 접촉시켜서 탈질처리를 하는 반응기(62)를 구비하는 것이 바람직하다. 이에 따라 디젤엔진(1)으로부터의 배기의 정화를 효율적으로 할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)의 연소실(20)에 봉입되는 공기량(즉 봉입공기량)이, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 많은 것이 바람직하다. 이에 따라 제1튜닝상태에서는, 규제튜닝상태에 비하여 연소실(20)에서 연소되는 공기량을 증대시킬 수 있다. 따라서 연소실(20)에 있어서의 연소상태가 좋아지게 되고, 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 저감시킬 수 있다. 또 봉입공기량의 증대에 의하여 규제튜닝상태보다 늘어난 NOx는, 정화장치(6)에 의하여 정화된다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)의 연소실(20)에 있어서의 최고압력 Pmax가, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 높은 것이 바람직하다. 이에 따라 제1튜닝상태에서는, 규제튜닝상태에 비하여 연소실(20)에 있어서의 연소상태가 좋아지게 되어 연소온도가 높아지게 된다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 저감시킬 수 있다. 또 최고압력 Pmax의 증대에 의하여 규제튜닝상태보다 늘어난 NOx는, 정화장치(6)에 의하여 정화된다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)에 있어서 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍이, 규제튜닝상태에 비하여 빠른 것이 바람직하다. 이에 따라 상기에서 설명한 봉입공기량의 증대 및 최고압력 Pmax의 증대를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 적합하게 저감시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)에 있어서의 연료의 분사 타이밍이, 규제튜닝상태에 비하여 디젤엔진(1)의 피스톤(3)이 상사점에 위치하는 타이밍에 가까운 것이 바람직하다. 이에 따라 최고압력 Pmax의 증대를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 적합하게 저감시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)에 있어서의 연료의 분사개시에서부터의 경과시간과 분사압력의 관계를 나타내는 분사 프로필이, 규제튜닝상태와 다른 것이 바람직하다. 이에 따라 최고압력 Pmax의 증대를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 적합하게 저감시킬 수 있다. 상기에서 설명한 분사 프로필의 변경에 관한 것으로서, 제1튜닝상태에서는, 분사 프로필에 있어서의 최대분사압력이, 규제튜닝상태에 비하여 높은 것이 바람직하다. 이에 따라 최고압력 Pmax의 증대를 더 용이하게 실현시킬 수 있다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 적합하게 저감시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태에서는, 디젤엔진(1)에 있어서의 과급기(5)의 노즐링(512)의 개구면적이, 규제튜닝상태에 비하여 작은 것이 바람직하다. 이에 따라 상기에서 설명한 봉입공기량의 증대 및 최고압력 Pmax의 증대를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과 디젤엔진(1)의 연비를 적합하게 저감시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 제1튜닝상태보다 디젤엔진(1)의 연비가 증대됨과 아울러 NOx 배출량이 감소되는 제3튜닝상태에서는, 정화장치(6)가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 제2차 기준치 이하인 것이 바람직하다. 선박용 엔진시스템(10)에서는, 디젤엔진(1)을 제3튜닝상태로 함으로써 정화장치(6)가 정지된 상태이더라도, NOx 제2차 규제하의 일반해역에서의 항행을 가능하게 할 수 있다. 따라서 정화장치(6)의 고장 시 등의 비상 시이더라도, 일반해역에 있어서의 항행을 가능하게 할 수 있다.
상기에서 설명한 선박용 엔진시스템(10)에서는, 다양한 변경이 가능하다.
예를 들면 정화장치(6)에서는, 무촉매선택환원법(無觸媒選擇環元法) 또는 습식법(濕式法) 등 SCR법 이외의 방법에 의하여 배기의 탈질처리가 실시되어도 좋다.
상기 설명에서는, 디젤엔진(1)의 튜닝상태의 절체에 있어서, 봉입공기량 및/또는 최고압력 Pmax의 조절이 실시되고 있지만, 봉입공기량 및 최고압력 Pmax 이외의 요소가 조절되어도 좋다. 또한 봉입공기량 및/또는 최고압력 Pmax를 조절하기 위하여 배기밸브(25)의 폐쇄 타이밍, 연료의 분사 타이밍, 연료의 분사 프로필 및/또는 노즐링(512)의 개구면적이 조절되고 있지만, 이들 이외의 구성이 조절되어도 좋다.
상기 설명에서는, 튜닝상태의 절체는, 항행 중인 선박에 있어서 튜닝절체부(7)에 의하여 실시되고 있지만, 예를 들면 항만이나 독(dock) 등에 정박(停泊) 중인 선박에 있어서 운전정지 중인 디젤엔진(1)의 다양한 구성을 작업원이 조절함으로써 실현되어도 좋다. 작업원에 의한 조절대상이 되는 구성은, 예를 들면 연료분사부(아토마이저(atomizer)), 압축심(壓縮shim), 과급기(5)의 부품(예를 들면 터빈로터(511), 노즐링(512), 컴프레서 임펠러, 디퓨저(diffuser)), 실린더 라이너(21), 실린더 커버(22), 피스톤 크라운(31), 피스톤 로드(32), EGB 오리피스(Exhaust gas bypass orifice), 공기냉각기(43), 보조 블로워(補助 blower) 등이다.
디젤엔진(1)에서는, 예를 들면 연료분사부의 구조 혹은 연료분사부의 분사구(噴射口)의 형상이나 방향을 조절함으로써 연료의 분사상태를 조절하여, 최고압력 Pmax를 조절할 수 있다. 구체적으로는, 연료분무(燃料噴霧)의 확산으로 넓어짐을 갖게 함으로써, 최고압력 Pmax를 증대시키거나 혹은 연소성(燃燒性)을 개선시켜서 연비를 저감시킬 수 있다. 또한 압축심을 얇게 함으로써 연소실(20)의 용적을 증대시켜서 봉입공기량을 증대시킬 수 있다. 과급기(5)의 부품을 조절함으로써 연소실(20)의 봉입공기량 및 최고압력 Pmax를 증대시킬 수 있다. 실린더 라이너(21)에 있어서, 소기포트(23)의 위치를 하방으로 이동시킴으로써 피스톤(3)에 의한 연소압력에너지의 회수량을 늘려서 연비를 저감시킬 수 있다. 실린더 커버(22)의 내부 형상 및/또는 피스톤 크라운(31)의 상면 형상이나 두께를 조절함으로써, 연소실(20)의 용적을 증대시켜서 봉입공기량을 증대시킬 수 있다. 또한 피스톤 로드(32)를 짧게 함으로써, 연소실(20)의 용적을 증대시켜서 봉입공기량을 증대시킬 수 있다.
디젤엔진(1)에서는, EGB 오리피스를 수축시켜서 배기의 분출되는 양을 감소시킴으로써, 과급기(5)에 의한 소기의 압축능력을 향상시키고, 그 결과 연소실(20)의 봉입공기량 및 최고압력 Pmax를 증대시킬 수 있다. 공기냉각기(43)의 냉각능력을 향상시킴으로써 소기의 온도를 저감시켜서 소기의 밀도를 증대시키고, 그 결과 연소실(20)의 봉입공기량을 증대시킬 수 있다. 디젤엔진(1)의 저부하 시 등에 연소실(20)로 공기를 공급하는 보조 블로워를 대형화·대용량화시킴으로써 소기유량(掃氣流量) 및/또는 소기압(掃氣壓)을 증대시키고, 그 결과 연소실(20)의 봉입공기량 및 최고압력 Pmax를 증대시킬 수 있다. 또 보조 블로워는, 디젤엔진(1)의 저부하 시 이외에 있어서도 사용되어도 좋다. 이에 따라 저부하 시 이외에 있어서도 연소실(20)의 봉입공기량 및 최고압력 Pmax를 증대시킬 수 있다.
튜닝절체부(7)에 기억되어 있는 제2튜닝상태는, 규제튜닝상태와 동일한 튜닝상태이더라도 좋고, 다른 튜닝상태이더라도 좋다. 또한 제3튜닝상태도 규제튜닝상태와 동일한 튜닝상태이더라도 좋고, 다른 튜닝상태이더라도 좋다. 또 튜닝절체부(7)에 기억되어 있는 복수의 튜닝상태에는, 제1튜닝상태 및 제2튜닝상태는 포함되어 있지만, 제3튜닝상태는 반드시 포함될 필요는 없다.
선박용 엔진시스템(10)이 탑재된 선박이 배출규제해역을 항행하지 않고 일반해역만을 항행하는 경우에, 디젤엔진(1)의 튜닝상태는, 제2튜닝상태 및 제3튜닝상태로 절체될 필요는 없고 제1튜닝상태 그대로이어도 좋다. 이 경우에 선박용 엔진시스템(10)으로부터 튜닝절체부(7)가 생략되어도 좋다.
디젤엔진(1)은, 예를 들면 연소실(20)에 가스 모양의 연료가 공급되는 디젤엔진(소위, 가스연료엔진)이어도 좋다. 또한 디젤엔진(1)은 4스트로크 디젤엔진(4 stroke diesel engine)이어도 좋다.
상기 실시형태 및 각 변형예에 있어서의 구성은, 서로 모순되지 않는 한 적절하게 조합되어도 좋다.
발명을 상세하게 묘사하여 설명하였지만, 이미 기술한 설명은 예시적인 것으로서 한정적인 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한 다수의 변형이나 태양이 가능하다고 말할 수 있다.
1 : 디젤엔진
5 : 과급기
6 : 정화장치
7 : 튜닝절체부
10 : 선박용 엔진시스템
20 : 연소실
25 : 배기밸브
62 : 반응기
512 : 노즐링

Claims (14)

  1. 선박용 엔진시스템(船舶用 engine system)으로서,
    튜닝(tuning)할 수 있는 디젤엔진과,
    상기 디젤엔진의 배기 중의 NOx를 정화시키는 정화장치(淨化裝置)를
    구비하고,
    국제해사기관(國際海事機關)의 배출규제해역(排出規制海域) 외의 일반해역에 대응하는 제1튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기 정화장치가 가동되고 있는 상태에서는 상기 국제해사기관의 NOx 제2차 규제의 기준치인 제2차 기준치 이하이고, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에서는 상기 제2차 기준치를 초과하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 국제해사기관의 상기 배출규제해역에 대응하는 제2튜닝상태에서는, 상기 제1튜닝상태보다 상기 디젤엔진의 연비(燃比)가 증대됨과 아울러 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 NOx의 양이 감소하고, 상기 제2튜닝상태에 있어서의 NOx 배출량은, 상기 정화장치가 가동되고 있는 상태에서는 상기 국제해사기관의 NOx 제3차 규제의 기준치인 제3차 기준치 이하인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디젤엔진의 튜닝상태를, 상기 제1튜닝상태와 상기 제2튜닝상태의 사이에서 절체(切替)하는 튜닝절체부(tuning切替部)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정화장치는, 환원제(還元劑)가 혼합된 배기를 촉매(觸媒)에 접촉시켜서 탈질처리(脫窒處理)를 하는 반응기(反應器)를 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 연소실에 있어서의 최고압력이, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 높은 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 연료의 분사 타이밍(噴射 timing)이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 상기 디젤엔진의 피스톤이 상사점(上死點)에 위치하는 타이밍에 가까운 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 연료의 분사개시에서부터의 경과시간과 분사압력의 관계를 나타내는 분사 프로필(噴射 profile)이, 상기 규제튜닝상태와 다른 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 분사 프로필에 있어서의 최대분사압력이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 높은 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 배기밸브의 폐쇄 타이밍(閉鎖 timing)이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 빠른 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 과급기(過給器)의 노즐링(nozzle ring)의 개구면적(開口面積)이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 작은 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 연소실에 봉입(封入)되는 공기량(空氣量)이, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치와 같아지게 되는 규제튜닝상태에 비하여 많은 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진의 배기밸브의 폐쇄 타이밍이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 빠른 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태에서는, 상기 디젤엔진에 있어서의 과급기의 노즐링의 개구면적이, 상기 규제튜닝상태에 비하여 작은 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1튜닝상태보다 상기 디젤엔진의 연비가 증대됨과 아울러 NOx 배출량이 감소되는 제3튜닝상태에서는, 상기 정화장치가 정지되어 있는 상태에 있어서의 NOx 배출량이 상기 제2차 기준치 이하인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진시스템.
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