KR20220051098A - 암모니아를 연료로 이용하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 선박은, 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 것으로서, 암모니아 저장탱크로부터 암모니아를 공급받아 연소시키는 엔진; 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 공급받아 요소수를 생성하는 요소수 생성기; 및 상기 요소수 생성기에서 생성된 요소수를 상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 분사하는 촉매 반응기를 포함할 수 있다.

Description

암모니아를 연료로 이용하는 선박{Vessel using ammonia as fuel}
본 발명은 암모니아를 연료로 이용하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
암모니아는 탄소를 포함하지 않기 때문에 친환경적인 연료로 주목받고 있으나, 종래에 사용되어온 연료 대비 상대적으로 연소하여 사용하기에 불리한 특성을 갖는다. 예를 들어, 암모니아를 선박의 엔진에 공급하여 연소시키는 경우, 엔진 실린더 내부에서 화염이 전파되는 속도가 메탄 대비 10 내지 20% 수준에 불과하여 매우 느려 연소 효율 확보가 어렵다. 또한, 암모니아의 연소시 점화가 지연되는 시간은 디젤연료 대비 상대적으로 길어서 안정적인 연소 반응을 유도하기 어렵다. 따라서, 암모니아를 연료로 하여 연소하는 경우 종래의 연료 대비 상대적으로 높은 압축비를 유지시켜 고온의 연소 환경을 조성해 주어야 하며, 이에 따라 엔진의 설계와 운전 조건 설정에 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료로 이용하기 위한 암모니아의 저장에 따라 발생하는 증발가스의 처리가 가능한 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 암모니아의 열분해 또는 수전해를 통해 수소를 생성하여 암모니아와 함께 엔진에 공급하여 연소시킴으로써 암모니아의 연소 특성이 개선된 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 배기가스 재순환 및 압축 공기의 에너지를 이용하여 엔진의 암모니아 연소에 요구되는 온도를 충족시킬 수 있는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 엔진 실린더 내부에 암모니아와 공기의 예혼합기를 형성하거나, 성층화를 유발시키고 연소 시기를 조절하여 암모니아의 연소 효율을 확보할 수 있는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 암모니아와 디젤연료를 모두 이용할 수 있는 선박으로서, 암모니아와 디젤연료의 혼합연료의 분사를 통해 운전할 수 있는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 선박으로서, 암모니아 저장탱크로부터 암모니아를 공급받아 연소시키는 엔진, 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 공급받아 요소수를 생성하는 요소수 생성기, 및 상기 요소수 생성기에서 생성된 요소수를 상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 분사하는 촉매 반응기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 요소수 생성기는, 암모니아 증발가스에 물 및 이산화탄소를 공급하여 요소수를 생성하여 저장할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 엔진에서 발생하는 배기가스를 상기 선박의 외부로 전달하는 배기가스 배출라인을 더 포함하며, 상기 촉매 반응기는, 상기 배기가스 배출라인 상에 마련되는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 암모니아 저장탱크에 저장된 액상의 암모니아를 인출하여 상기 엔진으로 공급하는 액상 암모니아 공급라인을 더 포함하며, 상기 액상 암모니아 공급라인은, 액상의 암모니아를 강제기화시키는 기화기를 포함하며, 액상의 암모니아의 일부를 기화시켜 상기 요소수 생성기로 공급하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진은, 암모니아를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤연료를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나로 운전하는 이종 연료 엔진일 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 이용하여 요소수를 생성하여, 엔진 배기가스에 공급하여 촉매 반응시킴으로써 엔진 배기가스 중의 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 암모니아와 수소를 함께 연소시킴으로써, 암모니아의 연소 특성을 개선할 수 있다. 이때, 암모니아의 개질 및 수전해를 통해 수소를 생성함으로써 수소 보관을 위해 필요한 고압 저장 설비를 생략하고, 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 흡기 및 배기의 열에너지를 이용하여 엔진의 암모니아 연소에 필요한 흡기 온도를 확보할 수 있다. 이에 따라 기존의 엔진 시스템 설계 변경을 최소화할 수 있으며, 암모니아 연소 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 다단 분사를 통해 엔진의 실린더 내부에 예혼합기 또는 성층화 혼합기를 형성한 후 다단 점화를 통해 초반 화염 성장 속도를 확보한 뒤, 메인 점화를 통해 연소시켜 암모니아의 연소 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 암모니아와 디젤연료를 혼합 분사하여, 암모니아의 연소 특성을 개선함과 동시에 보다 친환경적인 연료를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박으로 암모니아를 이용하여 추진하는 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 선박에서 엔진의 가스 모드 운전에 따른 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서 엔진과 터보차저를 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 선박에서 엔진의 가스 모드 운전에 따른 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박으로 암모니아를 이용하여 추진하는 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 선박에서 엔진 실린더의 행정 과정에 따른 암모니아 공급 과정을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박으로 암모니아와 디젤연료의 혼합연료를 이용하여 추진하는 시스템을 나타낸 개념도이다.
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.
이하에서, 고압, 저압, 고온, 저온, 고부하, 저부하 및 유량은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서, 선박은 암모니아를 화물로 운반하는 암모니아 운반선뿐만 아니라, 암모니아를 이용하여 추진할 수 있는 컨테이너선, 상선, 해양에서 천연 가스를 생산할 수 있는 선박, 가스 플랫폼과 해양 부유물을 비롯한 해양 구조물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 설명한다.
본 실시예에 따른 선박은, 암모니아 저장탱크(10), 개질기(20), 가역연료전지(30), 터보차저(40), 요소수 생성기(50), 엔진(100) 및 제1 제어부(200) 등을 포함할 수 있다.
엔진(100)은 연료를 연소시켜 동력을 생성하며, 생성되는 동력을 엔진(100)에 연결되는 프로펠러(도시하지 않음)로 전달하여 선박을 추진시킬 수 있다. 엔진(100)은 두 가지 이상의 연료를 연소시켜 구동력을 발생시킬 수 있는 이종 연료 엔진일 수 있으며, 2행정 또는 4행정의 이종 연료 엔진일 수 있다.
예를 들어, 본 실시예의 엔진(100)은 암모니아를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤연료를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나로 운전하는 이종 연료 엔진일 수 있다. 이하에서, 엔진이 '주연료'로 이용한다는 것은, 초기 운전 이후 연소 과정에서 해당 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 것을 의미하며 운전 초기에 스파크의 발생 또는 초기 점화를 위한 파일럿 연료가 상기 주연료 대비 미량으로 첨가될 수 있음을 의미하는 것이다.
엔진(100)은 액상의 암모니아와, 액상의 암모니아를 강제기화시키거나 암모니아가 저장되는 암모니아 저장탱크(10)의 내부에서 발생하는 기상의 암모니아 중 적어도 하나를 공급받아 연소하는 것일 수 있다. 도시하지 않았으나, 엔진(100)은 암모니아를 이용하여 전력을 생성하는 발전엔진을 더 포함할 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)는 선체의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 암모니아 저장탱크(10)는 엔진룸의 전방에 3개 또는 4개로 마련될 수 있다. 암모니아 저장탱크(10)는 일례로 멤브레인형 탱크이나, 이에 한정되지 않고 독립형 탱크 등 다양한 형태로 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
본 실시예에 따른 선박은, 일단이 암모니아 저장탱크(10)에 연결되어 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 암모니아를 인출하는 암모니아 공급라인을 포함할 수 있다. 구체적으로, 암모니아 공급라인은 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 액상의 암모니아를 인출하는 액상 암모니아 공급라인, 암모니아 저장탱크(10) 내에서 발생하는 기상의 암모니아를 인출하는 기상 암모니아 공급라인을 포함할 수 있다. 액상 암모니아 공급라인은 후술할 제1 내지 제3 암모니아 공급라인(L10, L12, L15) 중 적어도 하나를 지칭하거나 이들 모두를 포괄하여 의미할 수 있다. 기상 암모니아 공급라인은 후술할 제1 및 제2 기상 암모니아 공급라인(L11, L13) 중 적어도 하나를 지칭하거나 이들 모두를 포괄하여 의미할 수 있다.
제1 암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10) 내부에 저장되는 액상의 암모니아를 인출하여 엔진(100)으로 공급할 수 있다. 제1 암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10)의 내부에 마련되는 펌프(11)에 연결되어, 펌프(11)로부터 토출되는 액상의 암모니아를 공급할 수 있다. 구체적으로, 제1 암모니아 공급라인(L10)은 액상의 암모니아를 후술할 개질기(20)로 공급할 수 있다.
제3 암모니아 공급라인(L12)은 제1 암모니아 공급라인(L10)으로부터 분기하여 암모니아를 후술할 제1 기상 암모니아 공급라인(L11)으로 전달할 수 있다. 제3 암모니아 공급라인(L12)은 제1 암모니아 공급라인(L10)에서 개질기(20)의 상류에서 분기하여 액상의 암모니아 중 적어도 일부를 기화시켜 제1 기상 암모니아 공급라인(L11) 및 제2 기상 암모니아 공급라인(L13) 중 적어도 하나로 전달할 수 있다. 제3 암모니아 공급라인(L12)은 제3 암모니아 공급라인(L12)을 통해 유동하는 암모니아의 유량을 조절하기 위한 밸브(16)와 암모니아를 강제기화시키기 위한 기화기(12)를 구비할 수 있다.
제1 기상 암모니아 공급라인(L11)은 암모니아 저장탱크(10)의 내부에서 발생하는 기상의 암모니아를 엔진(100)으로 공급할 수 있다. 기상의 암모니아는 암모니아 저장탱크(10)의 내부에 저장된 액상의 암모니아로부터 자연 증발하여 형성되는 증발가스일 수 있다. 구체적으로, 제1 기상 암모니아 공급라인(L11)은 기상의 암모니아를 후술할 개질기(20)로 공급할 수 있다.
제2 기상 암모니아 공급라인(L13)은 제1 기상 암모니아 공급라인(L11)으로부터 분기하여 암모니아를 엔진(100)으로 전달할 수 있다. 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)은 엔진(100)에서 요구하는 조건의 온도 및 압력에 맞추어 암모니아를 처리하여 공급할 수 있다. 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)에는 암모니아를 엔진(100)에서 요구하는 압력 조건으로 가압하기 위한 연료가스 압축기(13)가 마련될 수 있다. 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)에는 암모니아를 엔진(100)에서 요구하는 온도 조건으로 가열하기 위한 히터(14)가 마련될 수 있다. 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)을 유동하는 암모니아는 연료가스 압축기(13)에서 가압되면서 일부 가열될 수 있으나, 엔진(100)에 공급하여 연소하기에 부족한 온도를 가질 수 있다. 히터(14)는 연료가스 압축기(13)에서 토출되는 암모니아를 추가로 가열한 뒤 엔진(100)으로 공급할 수 있다.
개질기(20)는 제1 암모니아 공급라인(L10), 제1 기상 암모니아 공급라인(L11) 중 적어도 하나로부터 암모니아를 공급받고, 암모니아를 열분해시켜 수소를 생성할 수 있다. 촉매의 존재하에 암모니아는 수소 및 질소로 열분해될 수 있다. 개질기(20)는 금속 또는 금속산화물을 포함하는 촉매를 더 포함할 수 있으며, 개질기(20)에 공급되는 암모니아는 상기 촉매의 표면에 흡착되어 흡열반응을 통해 수소 가스 및 질소 가스로 분해될 수 있다.
개질기(20)는 암모니아의 열분해 반응을 위해 열원을 필요로 하는데, 본 실시예에서는 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용할 수 있다. 배기가스 배출라인(L40)은 엔진(100)의 실린더에서 연소 반응에 따라 생성되는 배기가스를 선박의 외부(O)로 배출시킬 수 있다. 개질기(20)는 배기가스 배출라인(L40)을 따라 유동하는 상대적으로 고온의 배기가스를 열원으로 이용하여 수소를 생성할 수 있다. 예를 들어, 개질기(20)는 제1 암모니아 공급라인(L10) 및 제1 기상 암모니아 공급라인(L11) 중 적어도 하나와 연결되는 동시에, 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되는 것일 수 있다. 배기가스 배출라인(L40)이 개질기(20) 내부를 통과하면서 개질기(20)로 공급되는 암모니아를 가열하도록 마련될 수 있다.
개질기(20)에서 생성되는 수소는 수소가스 공급라인(L20, L21)을 통해 엔진(100)으로 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 암모니아와 함께 암모니아로부터 생성된 수소를 엔진(100)에 함께 공급하여 연소하도록 구성할 수 있다. 이러한 경우, 수소는 암모니아 대비 화염 전파 속도 및 연소 반응성이 모두 우수하므로 수소의 혼합 연소에 따라 암모니아의 연소 속도와 연소 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 개질기(20)에서 생성되는 수소는 수소가스 공급라인(L20, L22)을 통해 후술할 가역연료전지(30)로 공급될 수 있다.
수소가스 공급라인(L20 내지 L22) 상에는 버퍼탱크(21)가 더 마련될 수 있다. 선박이 버퍼탱크(21)를 더 포함하는 경우에는, 개질기(20) 및 후술할 가역연료전지(30)로부터 공급되는 수소를 임시 저장할 수 있게 된다. 버퍼탱크(21)는 수소를 임시 저장하며 그 압력을 견딜 수 있는 압력용기일 수 있다. 선박이 버퍼탱크(21)를 더 포함하는 경우 종래 전체 항해 과정에 걸쳐 수소를 장기간동안 저장하기 위해 마련하였던 수소 저장탱크 대비 더 작은 규모로 선내 배치할 수 있게 된다. 버퍼탱크(21)에 저장되는 수소는 상대적으로 단기간동안 보관되다가 엔진(100) 및 가역연료전지(30) 중 적어도 하나에 연료로 공급되어 소비되므로, 버퍼탱크(21)는 종래 대비 보다 낮은 압력을 유지하더라도 무방하다.
수소가스 공급라인(L21)은 개질기(20) 또는 버퍼탱크(21)로부터 공급되는 수소를 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)으로 전달할 수 있다. 따라서, 제2 기상 암모니아 공급라인(L13)은 기상의 암모니아와 수소를 혼합하여 엔진(100)으로 공급할 수 있다. 이때, 암모니아와 수소의 혼합가스는 전술한 연료가스 압축기(13) 및 히터(14) 중 적어도 하나를 거친 뒤 엔진(100)으로 공급될 수 있다.
가역연료전지(30)는 연료로서 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 모드(FC mode)와, 물 및 전력을 공급받아 물을 전기분해시켜 수소가스와 산소가스를 생산하는 전해셀 모드(EC mode)로 구동할 수 있다.
예를 들어, 가역연료전지(30)는 연료전지와 전해셀이 통합되어 구성된 것으로, 하나의 시스템을 구동 또는 역구동하도록 마련된 것일 수 있고, 연료전지와 전해셀을 각각 구비하여 전력과 수소 가스를 동시에 생산 가능하도록 마련된 것일 수도 있다.
가역연료전지(30)는 수소가스 공급라인(L22)을 통해 개질기(20) 또는 버퍼탱크(21)로부터 수소를 공급받고, 외부(도시하지 않음)로부터 공기를 공급받아 연료전지 모드로 운전할 수 있다. 가역연료전지(30)에서 생성되는 전력은 선내 다양한 수요처로 공급되어 사용될 수 있다. 가역연료전지(30)가 연료전지 모드로 운전함에 따라 전력의 생산에 부수적으로 반응수가 생성된다. 가역연료전지(30)에서 배출되는 반응수는 반응수 배출라인(L30)을 통해 반응수 저장탱크(31)에 공급되어 저장될 수 있다.
반대로, 가역연료전지(30)는 물과 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 전해셀 모드로 운전할 수 있다. 물은 선내에 저장된 청수나 해수 또는 선박 외부로부터 청수나 해수를 공급받은 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 연료전지 모드로 운전시 발생하여 반응수 저장탱크(31)에 저장한 물을 다시 사용할 수 있다. 가역연료전지(30)는 발전엔진(도시하지 않음)에서 생산되는 전력을 공급받아 물을 전기분해할 수 있고, 생성되는 수소가스는 수소가스 공급라인(L32)을 통해 버퍼탱크(21)로 공급할 수 있으며, 생성되는 산소가스는 외부로 배출하거나 엔진(100)으로 공급하여 연료의 연소에 이용할 수 있다.
반응수 저장탱크(31)에 저장되는 물은 가역연료전지(30)의 전해셀 모드로의 운전시 원료수 공급라인(L31)을 통해 다시 가역연료전지(30)로 공급될 수 있다. 또한, 반응수 저장탱크(31)에 저장되는 물은 후술할 요소수 생성기(50)로 공급되어 활용될 수도 있다.
본 실시예에 따른 선박은 엔진(100)의 실린더에 소기가스를 공급하기 위한 터보차저(40)를 더 포함할 수 있다. 이하에서, 소기가스는 실린더 내부로 공급되어 연소 결과 생성되는 가스를 배출시키기 위한 것과 실린더 내부로 공급되어 실제 연소에 사용되는 흡기가스를 포괄하여 의미할 수 있다.
터보차저(40)는 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되는 터빈(41)과 소기가스 공급라인(L42) 상에 마련되는 압축기(42)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터보차저(40)는 배기가스 배출라인(L40)에 연결되어 엔진(100)으로부터 배기가스를 공급받아 구동하는 터빈(41)과 터빈(41)으로부터 회전력을 공급받아 구동하여 소기가스 공급라인(L42)을 따라 유동하는 소기가스를 가압하는 압축기(42)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터빈(41)은 배기가스 분기라인(L41) 상에 마련되는 것일 수 있으며, 터빈(41)과 압축기(42)는 회전축이 연결되어 터빈(41)이 배기압력에 의해 회전함에 따라 압축기(42)가 구동하면서 소기가스를 압축하는 것일 수 있다. 터보차저(40)는 엔진(100)의 배기압을 이용하여 압축기(42)를 구동하여 소기가스를 흡입 및 엔진(100)으로 공급하여 실린더의 소기 및 연소 반응에 이용할 수 있다.
배기가스 배출라인(L40)은 엔진(100)에서 발생하는 연소가스를 선박의 외부(O)로 배출하기 위한 것이다. 구체적으로, 배기가스 배출라인(L40)은 엔진(100) 실린더에서 발생하는 가스를 유동시키기 위한 것일 수 있고, 실린더의 배기밸브(도시하지 않음)를 통해 가스를 공급받아 배출시킬 수 있다.
배기가스 배출라인(L40)에는 터보차저(40)의 터빈(41)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 배기가스 배출라인(L40)에는 배기가스 배출라인(L40)으로부터 분기하는 배기가스 분기라인(L41)이 마련될 수 있으며, 배기가스 분기라인(L41) 상에 터빈(41)이 마련될 수 있다. 배기가스 분기라인(L41)은 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되는 분기부(43)에서 분기되는 것일 수 있다. 배기가스 분기라인(L41)은 분기부(43)를 통해 엔진(100) 배기가스의 적어도 일부를 공급받을 수 있다. 분기부(43)는 밸브나 전자식 웨이스트 게이트(EWG)와 같이 유체의 공급 유량을 조절할 수 있는 수단일 수 있다.
소기가스 공급라인(L42)은 선박 외부(O)의 공기를 엔진(100)으로 공급하기 위한 것이다. 구체적으로, 소기가스 공급라인(L42)은 공기를 엔진(100) 실린더로 공급할 수 있고, 흡기밸브(도시하지 않음)를 통해 공급할 수 있다. 소기가스 공급라인(L42)에는 터보차저(40)의 압축기(42)가 마련될 수 있다. 압축기(42)는 소기가스를 가압하여 엔진(100)에서 요구하는 압력으로 공급할 수 있다. 소기가스는 압축기(42)에서 가압되면서 가열될 수 있다. 소기가스 공급라인(L42)은 압축기(42)의 하류에 소기가스 쿨러(44)를 구비하여 가열된 소기가스를 냉각시켜 엔진(100)으로 공급할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박은 요소수 생성기(50)를 더 포함할 수 있다. 요소수 생성기(50)는 암모니아 저장탱크(10)로부터 암모니아를 공급받아 요소수를 생성할 수 있으며, 생성된 요소수를 임시 저장하거나 엔진(100) 배기가스에 공급하여 선택적 환원 반응(SCR)을 통해 배기가스 중의 질소 산화물을 저감시킬 수 있다.
기상 암모니아 분기라인(L14)은 제1 기상 암모니아 공급라인(L11)으로부터 분기하여 암모니아 저장탱크(10)로부터 기상의 암모니아를 요소수 생성기(50)로 공급할 수 있다. 제1 기상 암모니아 공급라인(L11)을 따라 유동하는 기상의 암모니아는 암모니아 저장탱크(10) 내에서 발생하는 증발가스일 수 있으며, 기상 암모니아 분기라인(L14)은 이러한 증발가스의 일부를 요소수 생성기(50)로 공급하는 것일 수 있다.
기상 암모니아 분기라인(L14)에는 증발가스 압축기(15)가 마련되어 암모니아 증발가스를 가압하여 요소수 생성기(50)로 공급할 수 있다. 암모니아 저장탱크(10) 내에서 발생하는 증발가스의 유량은 일정하지 않을 수 있다. 증발가스 압축기(15)는 증발가스의 유량이 적은 경우 이를 가압하여 일정한 압력으로 요소수 생성기(50)에 공급할 수 있다. 도시하지 않았으나, 선박은 제3 암모니아 공급라인(L12)에서 강제기화된 기상의 암모니아를 요소수 생성기(50)로 공급할 수도 있다. 암모니아 증발가스의 유량이 매우 적은 경우, 선박은 암모니아를 제3 암모니아 공급라인(L12)에 마련되는 기화기(12)에서 강제기화하고 기상의 암모니아를 요소수 생성기(50)로 공급하여 사용할 수도 있다.
요소수 생성기(50)는 암모니아 저장탱크(10)로부터 암모니아를, 이산화탄소 공급부(A)로부터 이산화탄소를, 물 공급부(B)로부터 물을 각각 공급받아 요소수를 생성할 수 있다. 이산화탄소 공급부(A)는 선내에 구비되어 요소수 생성기로 이산화탄소를 공급(A->50)할 수 있으며, 물 공급부(B)는 선내에 구비되어 청수 또는 해수를 공급하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 물 공급부(B)는 전술한 반응수 저장탱크(31)에 저장된 반응수를 물로 공급하는 것일 수 있다.
요소는 암모니아와 이산화탄소의 반응을 통해 생성될 수 있으며, 물에 녹아 요소수를 형성할 수 있다. 예를 들어, 요소수 생성기(50)는 이산화탄소 공급부(A)와 물 공급부(B)로부터 이산화탄소와 물 중 적어도 하나를 공급받은 뒤 암모니아를 공급받아 요소수를 생성하거나, 암모니아와 이산화탄소를 먼저 공급받아 반응을 진행한 뒤, 요소수 생성기(50)의 상단에서 물을 분사하여 요소수를 생성하는 것일 수 있다.
요소수 생성기(50)에서 생성되는 요소수는 별도로 마련되는 저장탱크(도시하지 않음)로 공급되어 저장될 수 있으나, 요소수 생성기(50) 내부에 임시 저장될 수도 있다. 요소수 생성기(50)에서 생성되는 요소수는 요소수 공급라인(L50)을 통해 배기가스 배출라인(L40)에 공급될 수 있다. 요소수 공급라인(L50)에는 액상의 요소수 공급을 위한 요소수 펌프(51)가 마련될 수 있다.
촉매 반응기(52)는 요소수 공급라인(L50) 상에 마련될 수 있다. 바람직하게는, 촉매 반응기(52)는 내부에 배기가스를 흡착할 수 있는 촉매를 구비하고, 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되어, 선박의 외부(O)로 배출되는 배기가스에 요소수를 분사하는 것일 수 있다. 본 실시예에 따른 선박은 암모니아를 연료로 이용함에 따라 배기가스 중에 이산화탄소의 함량은 저감되지만 질소 산화물의 함량이 증가할 수 있다. 따라서, 촉매 반응기(52)에서 배기가스에 요소수를 분사하여 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시켜 질소와 산소 등으로 배출할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 선박은 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 암모니아를 연료로 이용하여 추진함과 동시에, 암모니아 저장탱크(10) 내부에서 발생하는 증발가스는 요소수로 전환시켜 엔진(100) 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시킬 수 있다. 이에 따라, 암모니아 저장탱크(10)의 내압 관리를 용이하게 할 수 있으며, 이 과정에서 생성된 요소수를 이용하여 배기가스 배출에 대한 환경 규제를 만족할 수도 있게 된다. 선박에서 필요한 요소수를 생성하여 사용하므로, 항해 시작 전부터 별도의 요소수를 저장하지 않아도 되거나 저장량을 줄일 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 선박에서 이종 연료 엔진의 가스 모드 운전시 제어 동작을 나타낸 순서도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박은 엔진(100)에 공급되는 연료 및 공기의 공급 조건을 제어하고, 나아가 엔진(100)의 운전을 제어하기 위한 제1 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
제1 제어부(200)는 엔진(100)의 운전 모드에 따른 정보, 또는 해당 운전 모드에 요구되는 요구 흡기압력(P)과 수소 요구량(H2)에 대한 정보를 수신할 수 있다.
예를 들어, 제1 제어부(200)는 상기 수신한 정보를 바탕으로 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 압력인 소기압력(PSCV)을 요구 흡기압력(P)과 비교하여 소기압력(PSCV)을 요구 흡기압력(P) 수준으로 조절할 수 있다.
구체적으로, 제1 제어부(200)는 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 높으면 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 제1 제어부(200)는 소기압력(PSCV)이 과도한 경우, 소기가스를 유입시키는 터보차저(40)의 가동률을 낮추어 소기가스 공급라인(L42)을 통해 공급되는 소기가스의 유량 또는 압력을 감소시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 제어부(200)는 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되는 분기부(43)를 제어하여 배기가스 분기라인(L41)을 통해 터빈(41)으로 공급되는 배기가스의 유량을 감소시키고, 배기가스 배출라인(L41)을 따라 개질기(20)를 거쳐 외부(O)로 배출되는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
또는, 제1 제어부(200)는 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 낮으면 터보차저(40)로 공급되는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 제1 제어부(200)는 소기압력(PSCV)이 부족한 경우, 터보차저(40)로 공급되는 배기가스량을 증대시켜 소기가스 공급라인(L42)을 통해 공급되는 소기가스의 유량 또는 압력을 증가시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 제어부(200)는 배기가스 배출라인(L40) 상에 마련되는 분기부(43)를 제어하여 배기가스 분기라인(L41)을 통해 터빈(41)으로 공급되는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 터빈(41)을 거친 배기가스는 다시 배기가스 배출라인(L40)에 합류하여 개질기(20)로 공급될 수도 있으나, 외부(도시하지 않음)로 배출될 수도 있다.
예를 들어, 제1 제어부(200)는 선박에서 생성되는 수소의 생성량이 엔진(100)의 수소 요구량(H2)보다 많으면, 수소의 적어도 일부를 가역연료전지(30)로 공급하여 소비시킬 수 있다.
가역연료전지(30)는 운전 안전성을 위해 버퍼탱크(21)를 활용할 수 있다. 버퍼탱크(21)의 수소 충전량이 버퍼탱크 요구 충전량(SOC)보다 작은 경우, 수소는 전술한 버퍼탱크(21)에 저장될 수 있다. 버퍼탱크(21)의 수소 충전량이 요구 충전량(SOC)보다 많은 경우, 가역연료전지(30)는 수소를 연료로 이용하여 발전하는 연료전지 모드로 운전할 수 있고, 생성되는 전력을 임시 저장하거나 바로 수요처로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제1 제어부(200)는 선박에서 생성되는 수소의 생성량이 엔진(100)의 수소 요구량(H2)보다 적으면, 가역연료전지(30)를 이용하여 수소를 추가 생산하여 엔진(100)에 공급할 수 있다.
가역연료전지(30)는 발전엔진(도시하지 않음) 등 선박 내 전력 저장부로부터 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 전해셀 모드로 운전할 수 있고, 생성되는 수소를 엔진(100)에 연료로 공급할 수 있다.
제1 제어부(200)를 통한 엔진(100) 요구 흡기압력(P)과 수소 요구량(H2)에 따른 제어는 도 2에 도시한 바와 같은 논리 흐름에 따라 순차적으로 이루어질 수 있으나, 각각의 제어가 독립적으로 구성될 수도 있다. 제1 제어부(200)는 소기압력(PSCV)과 수소 생성량의 제어뿐만 아니라, 이러한 제어를 바탕으로 다시 엔진(100)의 출력(성능)을 피드백 제어할 수도 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 선박은, 엔진(100)의 배기가스 폐열을 이용하여 개질기(20)에서 수소를 생성하도록 하거나, 엔진(100)에서 생성한 전력을 이용하여 가역연료전지(30)의 전해셀 모드 운전으로 수소를 생성하도록 하여 상대적으로 보관 및 취급이 어려운 수소가스의 용이한 저장 및 공급을 달성할 수 있다. 또한 선박은 이러한 수소를 암모니아와 함께 연소하도록 하여 암모니아의 연소 안정성과 효율을 향상시켜, 선박의 전체 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 실시예에 따른 선박은, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스 압력과 선박 내 수소 생성량을 엔진(100)의 가스모드 운전에 따른 요구량에 부합하도록 제어하거나, 소기가스 압력 또는 수소 생성량에 따라 엔진(100) 성능을 조절하여 필요 흡기압 또는 수소 혼합 비율을 결정하는 피드백 제어를 구현할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서 엔진과 터보차저를 중심으로 나타낸 개념도이다. 도 4는 본 실시예에 따른 선박에서 이종 연료 엔진의 가스 모드 운전시 제어 동작을 나타낸 순서도이다.
도 3의 (a)는 도 1에 따른 실시예의 선박에서 엔진(100)과 터보차저를 확대하여 도시하되, 배기가스 배출라인(L40)의 도시는 생략한 것이다. 도 3의 (b)는 본 실시예에 따른 개념도로, 이하에서는 도 1 및 도 3의 (a)와 동일한 내용의 설명은 생략하고 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 엔진(100)은 암모니아 저장탱크(10)로부터 암모니아를 공급받아 연소하여 추진력을 발생시킬 수 있다. 암모니아의 공급을 위한 수단 등은 도시하지 않았으나 전술한 실시예에서 설명된 구성들이 채용될 수 있음이 이해될 것이다.
엔진(100)에서 배출되는 배기가스는 배기가스 배출라인(도시하지 않음)을 통해 배출될 수 있고, 배기가스 배출라인으로부터 분기하는 배기가스 분기라인(L41)을 통해 터빈(41)에 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 배기가스 배출라인과 배기가스 분기라인(L41)을 혼용하여 사용한다.
소기가스는 외부(O)로부터 공급되어 소기가스 공급라인(L42)을 통해 엔진(100)으로 공급될 수 있으며, 소기가스 공급라인(L42) 상의 압축기(42)에서 가압되어 엔진(100)으로 공급될 수 있다. 소기가스 공급라인(L42)은 압축기(42)의 하류에 소기가스 쿨러(44)를 더 구비할 수 있다. 소기가스 쿨러(44)는 소기가스 공급라인(L42)에서 압축기(42)의 하류에 마련되어 압축기(42)에서 토출되는 가열된 소기가스를 냉각시켜 엔진(100)으로 공급할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박은, 소기가스 공급라인(L42)을 통해 유동하는 소기가스의 일부를 소기가스 쿨러(44)를 우회시키는 쿨러 바이패스라인(L44)을 더 포함할 수 있다. 즉, 쿨러 바이패스라인(L44)은 소기가스 공급라인(L42)에서 소기가스 쿨러(44)의 상류 및 하류를 서로 연결하는 것일 수 있다. 쿨러 바이패스라인(L44)에는 밸브가 마련되어 소기가스 쿨러(44)를 우회하는 소기가스의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 선박은, 배기가스 배출라인을 통해 유동하는 배기가스의 일부를 소기가스 공급라인(L42)으로 전달하는 배기가스 재순환라인(L43)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 배기가스 재순환라인(L43)은 배기가스 분기라인(L41)에서 분기하는 것일 수 있다. 배기가스 재순환라인(L43)은 배기가스 분기라인(L41)에서 터빈(41)의 상류에서 분기하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도시하지 않았으나, 배기가스 재순환라인(L43)은 터빈(41)의 하류에서 분기하여 소기가스 공급라인(L42)에 연결되는 것일 수도 있다.
배기가스 재순환라인(L43)은 소기가스 공급라인(L42)에서 소기가스 쿨러(44)의 하류에 연결되어 배기가스를 전달할 수 있다. 도시하지 않았으나, 배기가스 재순환라인(L43)에는 배기가스 재순환밸브가 마련되어 엔진(100)으로 재공급되는 배기가스의 유량을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박은 쿨러 바이패스라인(L44) 및 배기가스 재순환라인(L43) 중 적어도 하나를 따라 유동하는 가스의 유량을 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 엔진(100)은 가스모드로 운전시 요구하는 흡기의 온도(T1) 및 요구하는 흡기의 압력(P)을 가질 수 있다. 제어부는 엔진(100)의 운전 모드에 따른 정보, 또는 해당 운전 모드에 요구되는 요구 흡기온도(T1) 및 요구 흡기압력(P)에 대한 정보를 수신할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 상기 수신한 정보를 바탕으로, 엔진(100)의 실제 소기가스 온도(TSCV)를 요구 흡기온도(T1)와 비교하여 소기가스 온도(TSCV)를 요구 흡기온도(T1) 수준으로 조절할 수 있다.
구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 높으면, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)을 요구 흡기압력(P)과 비교하여 소기가스의 유량을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 높고, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 높으면, 쿨러 바이패스라인(L44)으로 공급되는 소기가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 소기가스 쿨러(44)로 공급되는 소기가스의 유량이 증가하여 실린더로 최종 공급되는 소기가스의 온도 및 압력이 모두 감소할 수 있다.
보다 구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 높고, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 낮으면, 배기가스 재순환라인(L43)을 통해 소기가스 공급라인(L42)으로 공급되는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 배기가스 재순환라인(L43)을 통해 유동하는 배기가스의 온도가 소기가스 대비 상대적으로 고온이기 때문에, 배기가스 재순환라인(L43)을 따라 공급되는 배기가스의 유량을 감소시킴에 따라 실린더로 최종 공급되는 소기가스의 온도는 낮아질 수 있다. 배기가스 재순환라인(L43)을 따라 공급되는 배기가스의 유량이 감소함에 따라 터빈(41)으로 공급되는 배기가스의 유량은 증가하게 되며, 터빈(41)의 회전량이 증가함에 따라 압축기(42)에 의해 흡입 및 공급되는 소기가스의 압력은 증가할 수 있다.
또한 구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 낮은 경우에도, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)을 요구 흡기압력(P)과 비교하여 소기가스의 유량을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 낮고, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 높을 수 있다. 이러한 경우, 배기가스 재순환라인(L43)을 통해 유동하는 배기가스의 유량을 증가시켜 소기가스의 온도를 높일 수 있다.
보다 구체적으로, 소기가스 온도(TSCV)가 엔진(100)의 요구 흡기온도(T1)보다 낮고, 엔진(100)으로 공급되는 소기가스의 소기압력(PSCV)이 엔진(100)의 요구 흡기압력(P)보다 낮을 수 있다. 이러한 경우에는 쿨러 바이패스라인(L44)을 통해 유동하는 소기가스의 유량을 증가시켜 소기가스의 온도를 높일 수 있다.
제어부를 통한 엔진(100) 요구 흡기온도(T1)와 요구 흡기압력(P)에 따른 제어는 도 4에 도시한 바와 같은 논리 흐름에 따라 순차적으로 이루어질 수 있으나, 각각의 제어가 독립적으로 구성될 수도 있다. 제어부는 소기가스의 압력(PSCV)과 온도의 제어뿐만 아니라, 이러한 제어를 바탕으로 다시 엔진(100)의 출력(성능)을 피드백 제어할 수도 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 선박은, 엔진(100)의 배기가스를 재순환시켜 소기가스를 가열하거나 소기가스의 유량을 보충하도록 하여 엔진(100)에서 요구하는 흡기온도 및 압력 조건을 충족시킬 수 있다. 또한, 선박은 소기가스가 소기가스 쿨러(44)를 통과하거나 이를 우회하도록 마련하여 엔진(100)에서 요구하는 흡기온도 및 압력 조건을 충족시킬 수 있다. 이에 따라 엔진(100) 및 터보차저의 과도한 구조 변경 없이 암모니아를 연료로 사용하는 엔진(100)에서 필요한 조건을 제공할 수 있게 되어 다른 연료를 사용하였던 기존 엔진의 암모니아 사용을 위한 개조 편의성 및 비용 절감 효과를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서 암모니아 공급라인과 엔진 및 터보차저를 중심으로 나타낸 개념도이다. 도 6은 본 실시예에 따른 선박에서 이종 연료 엔진의 실린더 행정에 따라 암모니아의 공급 및 점화에 대한 동작을 나타낸 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 선박은 암모니아 저장탱크(10), 암모니아 공급라인(L10, L15), 엔진(100), 터빈(41), 압축기(42) 및 제2 제어부(300) 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 도 1과 동일한 내용의 설명은 생략하고 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
제1 암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 액상의 암모니아를 인출하여 엔진(100)으로 공급할 수 있다. 구체적으로, 제1 암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 액상의 암모니아를 기화시켜 기상의 암모니아를 엔진(100)에 공급하는 것일 수 있다. 본 실시예에서는 제1 암모니아 공급라인(L10)이 밸브(16), 기화기(12) 및 가스유입밸브(60)를 구비할 수 있다.
제1 암모니아 공급라인(L10)을 따라 유동하는 액상의 암모니아는 기화기(12)에서 강제기화될 수 있으며, 기화된 기상의 암모니아는 가스유입밸브(60)로 공급된 후 엔진(100)의 실린더 내부로 분사될 수 있다.
기화기(12)는 엔진(100)으로 공급되는 소기가스를 냉각시키는 소기가스 쿨러(44)에서 소기가스의 냉각에 사용된 열매체를 이용하여 액상의 암모니아를 가열하여 기화시키는 것일 수 있다.
가스유입밸브(60)는 기상의 암모니아를 공급받아 외부(O)에서 공급받는 공기와 함께 혼합하여 엔진(100)의 실린더 내부로 공급함으로써 예혼합기를 형성하기 위한 것일 수 있다. 가스유입밸브(60)를 사용한 기상 암모니아 공급을 통해, 액상 암모니아 공급 시 발생하는 엔진(100) 실린더 내부의 냉각 현상을 방지할 수 있다.
도시하지 않았으나, 제1 암모니아 공급라인(L10)은 소기가스 공급라인(L42)으로부터 소기가스의 적어도 일부를 공급받아 기상의 암모니아와 함께 공급할 수 있다.
제2 암모니아 공급라인(L15)은 제1 암모니아 공급라인(L10)으로부터 분기하여 엔진(100)에 액상의 암모니아를 공급하기 위한 것일 수 있다. 제2 암모니아 공급라인(L15)에는 밸브(17)가 마련될 수 있다.
엔진(100)은 제1 암모니아 공급라인(L10)으로부터 기상의 암모니아와 제2 암모니아 공급라인(L15)으로부터 액상의 암모니아 중 적어도 하나를 공급받을 수 있다.
본 실시예에 따른 선박은 엔진(100) 실린더의 행정에 따라 제1 암모니아 공급라인(L10) 및 제2 암모니아 공급라인(L15)을 통해 공급되는 암모니아의 유량을 제어하는 제2 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 엔진(100)의 실린더는 압축행정, 팽창행정, 배기행정 및 흡기행정의 순서로 이루어지는 행정을 수행할 수 있다. 상기 행정들은 상기 순서로 반복적으로 이루어질 수 있다.
압축행정은 실린더에 공급되는 암모니아와 공기의 혼합기를 피스톤으로 압축하는 것이다. 실린더 내부 공간의 부피는 피스톤의 가압에 따라 줄어들게 되며, 피스톤이 상사점에 도달하는 경우 암모니아의 연소(폭발)가 일어날 수 있다.
팽창행정은 압축된 혼합기를 연소(폭발)시켜 동력을 발생시키는 것이다. 혼합기가 폭발함에 따라 피스톤은 하사점을 향해 운동하기 시작하며, 피스톤에 연결되는 크랭크가 회전 또는 왕복 운동하여 동력을 발생시킬 수 있게 된다. 발생한 동력은 엔진(100)에 연결되는 프로펠러로 공급되어 추진력을 발생시킬 수 있다.
배기행정은 혼합기의 연소(폭발)에 따라 생성되는 연소가스를 배출하는 것이다. 실린더에 마련되는 배기밸브가 개방될 수 있으며, 연소가스가 배출될 수 있다. 연소가스는 엔진(100) 배기가스로 전술한 실시예의 배기가스 배출라인(L40) 또는 배기가스 분기라인(L41)으로 공급될 수 있다.
흡기행정은 실린더 내부에 다시 암모니아와 공기의 혼합기가 공급되는 것이다. 실린더에 마련되는 흡기밸브와 암모니아 공급라인(L10, L15)에 연결되는 인젝터로부터 공기와 암모니아를 각각 공급받을 수 있다. 흡기밸브를 통해 공급되는 공기는 실린더 내부에 남아있는 연소가스의 배출을 위한 소기가스로 작용할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 제어부(300)는 상기 실린더의 압축행정시 상기 제2 암모니아 공급라인을 통해 액상의 암모니아를 상기 실린더 내에 분사하는 제1 단계, 상기 실린더 내부에 공급된 암모니아를 복수 회에 걸쳐 점화시키는 제2 단계, 상기 제2 암모니아 공급라인을 통해 액상의 암모니아를 상기 실린더 내에 추가로 분사하는 제3 단계, 및 상기 실린더 내부에 공급된 암모니아를 점화하여 실린더 내부의 연소 반응을 일으켜 팽창행정이 이루어지도록 하는 제4 단계에 따른 동작을 수행할 수 있다. 실린더의 행정이 전술한 행정들을 순서대로 반복하는 것이므로, 상기 제1 내지 제4 단계 또한 상기 순서가 유지되는 한 반복적으로 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
구체적으로, 제2 제어부(300)는 실린더의 압축행정시 제2 암모니아 공급라인(L15)을 통해 액상의 암모니아를 실린더 내에 분사할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 제어부(300)는 실린더의 압축행정 초반에, 제2 암모니아 공급라인(L15)을 통해 실린더 내부에 액상의 암모니아를 상대적인 저압으로 직접 분사할 수 있다. 저압으로 분사되는 액상의 암모니아는 실린더 내부로 분사되면서 일부가 기화될 수 있으며, 공기와 함께 혼합되어 예혼합기를 형성할 수 있다. 액상의 암모니아는 실린더 내부에 저압으로 분사됨에 따라 공기와 잘 혼합되어 실린더 내부를 암모니아 분위기로 조성할 수 있다. 또한, 액상 암모니아의 실린더 내 직접 분사는 배기밸브의 닫힘 이전에 발생할 수 있는 암모니아의 슬립 현상을 방지할 수 있고, 체적 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 제2 제어부(300)는 실린더 내부에 공급된 암모니아를 복수 회에 걸쳐 점화시킬 수 있다. 제2 제어부(300)는 실린더 내부에 스파크를 발생시키거나 파일럿 연료를 분사하여 실린더 내부에서 동시 또는 이시에 작은 불꽃을 일으켜 다단 점화시킬 수 있다. 이러한 다단 점화는 실린더 내부의 암모니아의 적어도 일부를 연소시킬 수 있으나, 실린더 내부에 채워진 혼합기를 본격적으로 연소(폭발)시키기 전에 혼합기에 에너지를 인가하는 것일 수 있다. 혼합기는 실린더 내부에 고르게 분포할 수 있고, 다단 점화에 따라 실린더 내부에서 고르게 연소가 일어나게 되어 부분적 연소 또는 암모니아의 불완전 연소에 따른 배출물의 형성이 저감될 수 있다.
이어서, 제2 제어부(300)는 제2 암모니아 공급라인(L15)을 통해 액상의 암모니아를 실린더 내에 추가 분사할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 제어부(300)는 실린더의 압축행정 후반에, 제2 암모니아 공급라인(L15)을 통해 실린더 내부에 액상의 암모니아를 상대적인 고압으로 직접 분사할 수 있다. 고압으로 분사되는 액상의 암모니아는 분사되는 지점 주변에 암모니아의 고농도 분포를 유발하여 실린더 내부 공간에서 암모니아의 성층화 현상을 유발할 수 있다. 암모니아의 고압 분사는 실린더 내부에 국부적으로 고농도인 영역을 형성할 수 있으며, 해당 영역은 후술할 메인 점화에 따라 충분한 정도의 화염 성장 속도를 제공하게 된다.
이어서, 제2 제어부(300)는 실린더 내부에 공급된 암모니아를 점화하여 실린더 내부에서 연소(폭발) 반응을 일으켜 팽창행정이 이루어지도록 유도할 수 있다. 이러한 점화는 메인 점화라고 부를 수 있으며, 메인 점화에 따른 연소반응이 유발됨에 따라 압축행정이 종료되고 팽창행정이 시작될 수 있다.
구체적으로, 제2 제어부(300)는 실린더의 흡기행정시 제1 암모니아 공급라인(L10)을 통해 기상의 암모니아를 실린더 내에 분사할 수 있다. 제1 암모니아 공급라인(L10)은 가스유입밸브(60)를 이용하여 기상의 암모니아와 소기가스로 공급되는 공기의 예혼합기를 형성할 수 있으며, 예혼합기를 실린더 내부에 채울 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에서는, 암모니아를 연소하는 엔진(100)에서 액상 또는 기상의 암모니아 공급을 통해 실린더 내부에 예혼합기를 형성하거나 성층화를 유발하고 다단 점화 및 메인 점화 시기를 제어하여, 화염 전파 속도가 느린 암모니아의 연소 특성을 개선하여 원하는 연소 효율을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박으로 암모니아와 디젤연료의 혼합연료를 이용하여 추진하는 시스템을 나타낸 개념도이다.
본 실시예에 따른 선박은 암모니아 저장탱크(10), 디젤연료 저장탱크(70), 혼합탱크(80), 커먼 레일(90) 및 제3 제어부(400) 등을 포함한다. 이하에서는 도 1과 동일한 내용의 설명은 생략하고 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 선박의 엔진(E)은 암모니아 및 디젤연료를 혼합한 혼합연료를 이용하여 추진력을 발생시키는 것일 수 있다.
암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 액상의 암모니아를 후술할 혼합탱크(80)로 공급할 수 있다. 암모니아 공급라인(L10) 상에는 암모니아의 공급을 위한 펌프(18)가 마련될 수 있다. 펌프(18)는 암모니아 공급라인(L10)을 통해 공급되는 암모니아의 유량을 제어할 수 있으며, 저압 펌프일 수 있다. 바람직하게는, 후술할 펌프(71)와 함께 혼합탱크(80)로 공급되는 암모니아와 디젤연료의 온도 및 압력 조건을 동일하게 맞추어 주는 것일 수 있다.
디젤연료 저장탱크(70)는 석유로부터 분리되는 디젤, DME, MFO, MGO 등 디젤연료를 저장하는 것으로, 그 종류나 형상을 특별히 한정하지는 않는다.
디젤연료 공급라인(L70)은 디젤연료 저장탱크(70)에 저장된 액상의 디젤연료를 혼합탱크(80)로 공급할 수 있다. 디젤연료 공급라인(L70) 상에는 디젤연료의 공급을 위한 펌프(71)가 마련될 수 있다. 펌프(71)는 디젤연료의 유량을 제어할 수 있으며, 저압 펌프일 수 있다. 바람직하게는, 펌프(18)와 함께 혼합탱크(80)로 공급되는 암모니아와 디젤연료의 온도 및 압력 조건을 동일하게 맞추어 주는 것일 수 있다.
계면활성제 저장탱크(72)는 디젤연료를 포함하는 혼합연료의 구성시 혼합연료의 균일성을 확보하기 위한 계면활성제를 저장하기 위한 것이다. 계면활성제 저장탱크(72)에 저장되는 계면활성제는 디젤연료에 대한 유화제로 작용할 수 있는 것이면 그 종류가 한정되는 것은 아니다. 계면활성제 저장탱크(72)는 계면활성제를 디젤연료 공급라인(L70)으로 공급할 수 있으며, 바람직하게는 펌프(71)의 상류에서 계면활성제를 공급하는 것일 수 있다.
혼합탱크(80)는 암모니아 공급라인(L10) 및 디젤연료 공급라인(L70)을 통해 암모니아 및 디젤연료를 각각 공급받아 혼합연료를 형성하기 위한 것이다. 혼합탱크(80)는 액상의 암모니아와 액상의 디젤연료를 공급받아 처리하기 위한 구성으로 저압 탱크일 수 있으며, 내부에 기계적인 혼합 수단(도시하지 않음)을 구비하여 암모니아와 디젤연료를 균일하게 혼합할 수 있다.
혼합탱크(80)에서 준비된 혼합연료는 혼합연료 공급라인(L80)을 통해 커먼 레일(90)로 공급될 수 있다. 혼합연료 공급라인(L80)은 혼합연료를 수요처인 엔진(E)에서 요구하는 온도 및 압력 조건으로 처리하여 커먼 레일(90)로 우선 공급할 수 있다. 혼합연료 공급라인(L80)에는 고압 펌프(81), 열교환기(82) 및 혼합기(83)가 마련될 수 있다.
펌프(81)는 혼합연료 공급라인(L80) 상에 마련되어 혼합탱크(80)로부터 공급되는 혼합연료를 엔진(E)에서 요구하는 압력으로 가압할 수 있다. 펌프(81)는 암모니아 공급라인(L10)과 디젤연료 공급라인(L70)상에 각각 마련되는 펌프(18, 71) 대비 상대적으로 고압인 것일 수 있다. 예를 들어, 펌프(81)는 왕복동 방식의 고압 펌프일 수 있다. 펌프(81)에서 토출되는 가압된 혼합연료는 혼합연료 공급라인(L80)을 통해 혼합기(83)로 공급되거나, 혼합연료 냉각라인(L81)을 통해 열교환기(82)로 공급될 수 있다.
혼합연료 냉각라인(L81)은 혼합연료 공급라인(L80)의 고압 펌프(81)의 하류에서 분기하여 혼합기(83)의 상류에서 다시 연결되는 것일 수 있다. 혼합연료 냉각라인(L81)상에는 열교환기(82)가 마련될 수 있으며, 열교환기(82)는 후술할 혼합연료 리턴라인(L92)과 혼합연료 냉각라인(L81) 상을 각각 유동하는 혼합연료를 열교환시키는 것일 수 있다. 고압 펌프(81)를 통과한 혼합연료는 가압과정에서 가열되어, 커먼 레일(90)에 저장되는 혼합연료는 혼합연료 공급라인(L80)을 통해 유동하는 혼합연료 대비 상대적으로 저온일 수 있다. 열교환기(82)는 커먼 레일(90)로부터 혼합탱크(80)로 리턴하는 혼합연료의 냉열을 이용하여 혼합연료 공급라인(L80)을 통해 공급되는 혼합연료를 냉각시킬 수 있다. 후술할 제3 제어부(400)는 엔진(E)의 요구 온도와 커먼 레일(90) 내부의 혼합연료의 온도를 비교하여 혼합연료 공급라인(L80)을 통해 공급되는 혼합연료의 냉각 여부를 결정하여, 혼합연료 공급라인(L80)과 혼합연료 냉각라인(L81)을 따라 유동하는 혼합연료의 유량을 조절할 수 있다.
혼합기(83)는 고압 펌프(81) 또는 열교환기(82)로부터 공급되는 혼합연료를 추가로 혼합하여 균일한 혼합 연료를 제공할 수 있다. 혼합기(83)는 기계적 외력을 가하여 암모니아와 디젤연료를 보다 균일하게 혼합하는 것일 수 있다. 혼합기(83)에서 토출되는 균일한 혼합연료는 커먼 레일(90)에 공급될 수 있다.
커먼 레일(90)은 혼합연료를 공급받아 저장하였다가, 엔진(E)에 고압 분사하기 위한 것으로, 하나 이상의 인젝터(91)를 포함할 수 있다. 커먼 레일(90)은 엔진(E)에서 요구하는 압력으로 혼합연료를 저장하였다가 인젝터 공급라인(L91)을 통해 인젝터(91)로 공급할 수 있다. 인젝터(91)는 엔진(E)의 실린더 내부에 고압의 혼합연료를 직접 분사하여 실린더 내에서의 연료의 슬립을 방지하고 체적 효율을 향상시킬 수 있다.
커먼 레일(90)에는 저장되는 혼합연료의 일부를 다시 혼합탱크(80)로 전달하기 위한 혼합연료 리턴라인(L92)이 마련될 수 있다. 엔진(E)은 여러 행정을 거치거나 다양한 성능으로 운전함에 따라 요구 압력이 달라질 수 있으며, 커먼 레일(90)에 저장되는 혼합연료의 압력이 엔진(E)의 요구 압력보다 높아질 수 있다. 이러한 경우, 혼합연료 리턴라인(L92)은 상대적으로 고압의 혼합연료의 적어도 일부를 혼합탱크(80)로 리턴시켜 커먼 레일(90) 내부의 압력을 낮출 수 있다.
제3 제어부(400)는 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 온도 및 압력과, 엔진(E)에서 요구하는 온도 및 압력에 관한 정보를 수신 및 비교하여, 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 조건을 조절할 수 있다.
구체적으로, 제3 제어부(400)는 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 온도가 엔진(E)에서 요구하는 온도보다 높은 경우, 혼합연료 공급라인(L80) 및 혼합연료 냉각라인(L81) 상에 마련되는 밸브의 개도를 조절하여, 혼합연료의 적어도 일부가 열교환기(82)에서 냉각되도록 하여 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 온도를 낮출 수 있다.
구체적으로, 제3 제어부(400)는 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 압력이 엔진(E)에서 요구하는 압력보다 높은 경우, 혼합연료 리턴라인(L92) 상에 마련되는 압력제어밸브(92)를 개방하거나 개도를 높여 혼합탱크(80)로 공급되는 혼합연료의 양을 증가시켜 커먼 레일(90) 내부에 저장되는 혼합연료의 압력을 낮출 수 있다.
또한, 제3 제어부(400)는 엔진(E)의 운전 상태에 따라, 암모니아 공급라인(L10)상에 마련되는 저압 펌프(18)와 디젤연료 공급라인(L70) 상에 마련되는 저압 펌프(71)의 출력을 제어하여 혼합탱크(80)로 공급되는 암모니아와 디젤연료의 혼합비를 제어할 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 선박은, 암모니아와 디젤연료를 혼합한 혼합연료를 사용하여, 암모니아의 친환경적 특성과 디젤연료의 연소 특성을 모두 확보할 수 있으며, 상대적인 저점도 액체 연료의 단일 분사시 발생하는 실린더 내 슬립 및 내구도 악화 문제를 개선할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 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 실시예의 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.
10: 암모니아 저장탱크 11: 펌프
12: 기화기 13: 연료가스 압축기
14: 히터 15: 증발가스 압축기
16: 밸브 17: 밸브
18: 저압 펌프 20: 개질기
21: 버퍼탱크 30: 가역연료전지
31: 반응수 저장탱크 40: 터보차저
41: 터빈 42: 압축기
43: 분기부 44: 소기가스 쿨러
50: 요소수 생성기 51: 요소수 펌프
52: 촉매 반응기 60: 가스유입밸브
70: 디젤연료 저장탱크 71: 저압 펌프
72: 계면활성제 저장탱크 80: 혼합탱크
81: 고압 펌프 82: 열교환기
83: 혼합기 90: 커먼 레일
91: 인젝터 92: 압력제어밸브
100: 엔진 200: 제1 제어부
300: 제2 제어부 400: 제3 제어부
L10: 제1 암모니아 공급라인 L11: 제1 기상 암모니아 공급라인
L12: 제3 암모니아 공급라인 L13: 제2 기상 암모니아 공급라인
L14: 기상 암모니아 분기라인 L15: 제2 암모니아 공급라인
L20, L21, L22, L32: 수소가스 공급라인
L30: 반응수 배출라인 L31: 원료수 공급라인
L40: 배기가스 배출라인 L41: 배기가스 분기라인
L42: 소기가스 공급라인 L43: 배기가스 재순환라인
L44: 쿨러 바이패스라인 L50: 요소수 공급라인
L70: 디젤연료 공급라인 L80: 혼합연료 공급라인
L81: 혼합연료 냉각라인 L91: 인젝터 공급라인
L92: 혼합연료 리턴라인 A: 이산화탄소 공급부
B: 물 공급부 E: 엔진
O: 외부

Claims (5)

  1. 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 선박으로서,
    암모니아 저장탱크로부터 암모니아를 공급받아 연소시키는 엔진;
    상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 공급받아 요소수를 생성하는 요소수 생성기; 및
    상기 요소수 생성기에서 생성된 요소수를 상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 분사하는 촉매 반응기를 포함하는 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요소수 생성기는,
    암모니아 증발가스에 물 및 이산화탄소를 공급하여 요소수를 생성하여 저장하는 것인, 선박.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박은,
    상기 엔진에서 발생하는 배기가스를 상기 선박의 외부로 전달하는 배기가스 배출라인을 더 포함하며,
    상기 촉매 반응기는,
    상기 배기가스 배출라인 상에 마련되는 것인, 선박.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박은,
    상기 암모니아 저장탱크에 저장된 액상의 암모니아를 인출하여 상기 엔진으로 공급하는 액상 암모니아 공급라인을 더 포함하며,
    상기 액상 암모니아 공급라인은,
    액상의 암모니아를 강제기화시키는 기화기를 포함하며, 액상의 암모니아의 일부를 기화시켜 상기 요소수 생성기로 공급하는 것인, 선박.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은,
    암모니아를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤연료를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나로 운전하는 이종 연료 엔진인, 선박.
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