KR20230062142A - 이중연료엔진 - Google Patents

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KR20230062142A
KR20230062142A KR1020210147108A KR20210147108A KR20230062142A KR 20230062142 A KR20230062142 A KR 20230062142A KR 1020210147108 A KR1020210147108 A KR 1020210147108A KR 20210147108 A KR20210147108 A KR 20210147108A KR 20230062142 A KR20230062142 A KR 20230062142A
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gas
combustion chamber
fuel supply
unit
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송세진
김기두
이경록
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에이치디한국조선해양 주식회사
에이치디현대중공업 주식회사
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Abstract

이중연료엔진을 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이중연료엔진은 흡기부와 배기부가 구비되며, 상기 흡기부를 통해 공급된 공기와, 디젤모드에서 공급되는 디젤연료나 가스모드에서 공급되는 가스연료의 연소가 이루어지는 연소실; 적어도 가스모드에서 상기 배기부로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 상기 흡기부에 공급하는 배기가스 재순환유닛; 및 가스모드에서 상기 연소실에 가스연료를 공급하는 가스연료 공급유닛; 을 포함하며, 상기 가스연료 공급유닛에서는 상기 연소실에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급할 수 있다.

Description

이중연료엔진{DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 이중연료엔진에 관한 것이다.
이중연료엔진에서는, 예컨대 디젤연료와, LNG(Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas, 액화석유가스) 등의 탄화수소계의 가스연료 등 2가지 연료를 사용한다. 이에 따라, 이중연료엔진은 2가지 연료 중 어느 하나를 연료로 사용하는 2가지 모드로 작동한다. 예컨대, 이중연료엔진에서 디젤연료와 탄화수소계의 가스연료를 연료로 사용하는 경우, 이중연료엔진은 디젤연료를 연료로 사용하는 디젤모드와 가스연료를 연료로 사용하는 가스모드로 작동한다.
디젤모드에서, 이중연료엔진의 연소실에는 디젤연료가 공급된다. 2행정 이중연료엔진의 경우, 연소실에서 피스톤이 하사점(下死點, BDC(Bottom Dead of Center))으로 하강하면서 배기가스가 배기된 후 공기가 연소실에 공급된다. 그리고, 피스톤이 상사점(上死點, TDC(Top Dead of Center)으로 상승하면서 공기가 압축된 후, 압축된 공기에 디젤연료가 분사되어 압축착화되는 것으로, 디젤연료와 공기의 연소가 이루어진다. 디젤연료와 공기의 연소에 의해서 발생된 배기가스는 피스톤이 하사점으로 하강하면서 배기된다. 즉, 2행정 이중연료엔진은 디젤모드에서 디젤사이클로 작동한다.
가스모드에서, 이중연료엔진의 연소실에는 가스연료가 공급된다. 2행정 이중연료엔진의 경우, 연소실에서 피스톤이 하사점으로 하강하면서 배기가스가 배기된 후 공기가 연소실에 공급된다. 그리고, 피스톤이 상사점으로 상승하면서 가스연료가 연소실에 분사되어 공기와 혼합되면서 압축된다. 압축된 가스연료와 공기의 혼합물에, 소량의 디젤연료가 파일럿 연료로 분사되어 압축착화되는 것이 점화원이 되어 가스연료가 불꽃점화되는 것으로, 가스연료와 공기의 연소가 이루어진다. 가스연료와 공기의 연소에 의해서 발생된 배기가스는 피스톤이 하사점으로 하강하면서 배기된다. 즉, 2행정 이중연료엔진은 가스모드에서 오토사이클로 작동한다.
종래, 2행정 이중연료엔진의 가스모드에서는, 연소실에 분사된 가스연료가 연소실 전체에 퍼져서 고루 분포되도록 함으로써, 조기점화와 노킹(Knocking) 등의 이상연소 현상이 발생하지 않도록 하기 위해서, 가스연료를 10bar 이상의 압력으로 연소실에 공급하였다.
이와 같이, 가스연료를 10bar 이상의 압력으로 연소실에 공급하면, 가스연료가 연소실에 초음속으로 분사되어 초킹(choking)현상이 발생하기 때문에, 연소실에 분사되는 가스연료의 유량이 일정해 질 수 있다. 이에 따라, 연소실에 공급되는 가스연료의 양의 편차가 줄어들어, 비교적 일정한 양의 가스연료를 연소실에 공급할 수 있기 때문에, 연소의 사이클 변동성, 즉 연소실의 최대 압력의 변동 폭을 줄일 수 있다. 이에 의해서, 연소실에서 안정적인 연소가 이루어짐으로써 안정적인 운전이 가능하다는 잇점도 있었다.
그러나, 10bar 이상의 가스연료는 고압가스로 분류되기 때문에, 가스연료가 유동하여 연소실에 공급되도록 하는 가스연료 공급관을 가스연료가 누출되더라도 이중연료엔진이 구비되는 폭발위험성이 있는 엔진룸 등으로 유동하지 않아서 안전한 이중관으로 해야만 하는 등, 가스연료를 이중연료엔진의 연소실에 공급해주는 구성의 설계나 시공 등이 복잡하였다. 이에 더하여, 가스연료를 승압해주는 가스연료 압축기의 사양도 높아져야만 하여, 가스연료를 이중연료엔진의 연소실에 공급해주는 구성을 위한 비용이 비교적 많이 소요되었다.
한편, 종래 2행정 이중연료엔진의 가스모드에서는, 배기가스에 포함되는 질소산화물의 양이 배기가스의 질소산화물 규제값보다 작아서 배기가스에 포함되는 질소산화물을 감소시킬 필요가 없기 때문에, 연소실에서 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 다시 연소실에 공기와 함께 공급하여 배기가스에 포함되는 질소산화물을 감소시키는 배기가스 재순환을 사용하지 않았다.
본 발명은 상기와 같은 종래에서 발생하는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.
본 발명의 목적의 일 측면은 이중연료엔진의 연소실에 가스연료를 공급하는 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛이 보다 간단하며 가스연료 공급유닛의 구성에 보다 적은 비용이 소요되도록 하는 것이다.
본 발명의 목적의 다른 측면은 이중연료엔진에서 배기가스 재순환 유닛을 사용하여, 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛에서 이중연료엔진의 연소실에 공급되는 가스연료의 공급압력이 10bar 보다 낮아지도록 하는 것이다.
상기 과제들 중 적어도 하나의 과제를 실현하기 위한 일실시 형태와 관련된 이중연료엔진은 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시 형태에 따른 이중연료엔진은 흡기부와 배기부가 구비되며, 상기 흡기부를 통해 공급된 공기와, 디젤모드에서 공급되는 디젤연료나 가스모드에서 공급되는 가스연료의 연소가 이루어지는 연소실; 적어도 가스모드에서 상기 배기부로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 상기 흡기부에 공급하는 배기가스 재순환유닛; 및 가스모드에서 상기 연소실에 가스연료를 공급하는 가스연료 공급유닛; 을 포함하며, 상기 가스연료 공급유닛에서는 상기 연소실에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급할 수 있다.
이 경우, 상기 가스모드는 2행정 오토사이클로 작동될 수 있다.
또한, 상기 연소실과 상기 배기가스 재순환유닛 및 상기 가스연료 공급유닛을 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 가스연료 공급유닛은 가스연료 공급원에 연결되는 가스연료 압축기, 상기 가스연료 압축기와 상기 연소실에 연결되는 가스연료 공급관 및, 상기 가스연료 공급관에 연결되도록 상기 연소실에 구비되는 가스연료 유입밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 가스모드에서 상기 가스연료 압축기에 의한 가스연료 공급압력과, 상기 연소실의 연소실 압력이나 상기 흡기부를 통해 상기 연소실에 공급되는 공기의 압력인 흡기 압력을 전달받을 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 가스연료 공급압력이 상기 연소실 압력이나 상기 흡기 압력 이하이면, 상기 가스연료 압축기를 통해 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 가스연료 공급압력이 상기 연소실 압력이나 상기 흡기 압력보다 크면, 상기 가스연료 공급압력과 상기 연소실 압력의 차이와, 상기 연소실에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양을 바탕으로, 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간을 계산할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 보다 크면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값을 유지하면, 상기 가스연료 공급압력을 유지하고 상기 개방시간은 기설정값으로 유지할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값 보다 작으면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고, 엔진출력값이 기준값 보다 크면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 감소시킬 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 이중연료엔진에서 배기가스 재순환 유닛을 사용하여, 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛에서 이중연료엔진의 연소실에 공급되는 가스연료의 공급압력이 10bar 보다 낮아지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 이중연료엔진의 연소실에 가스연료를 공급하는 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛이 보다 간단하며 가스연료 공급유닛의 구성에 보다 적은 비용이 소요되도록 할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 일실시예와 가스모드에서의 작동을 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 일실시예의 가스모드에서 가스연료를 연소실에 공급하는 것을 제어하는 것을 나타내는 순서도이다.
상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 이중연료엔진에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.
이하 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
이하, 도1과 도2를 참조로 하여 본 발명에 따른 이중연료엔진의 일실시예에 대하여 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 이중연료엔진의 일실시예와 가스모드에서의 작동을 나타내는 개략도이며, 도2는 본 발명에 따른 이중연료엔진의 일실시예의 가스모드에서 가스연료를 연소실에 공급하는 것을 제어하는 것을 나타내는 순서도이다.
본 발명에 따른 이중연료엔진(100)은 도1에 도시된 바와 같이, 연소실(200), 배기가스 재순환유닛(300) 및, 가스연료 공급유닛(400)을 포함할 수 있다.
연소실(200)에는 흡기부(210)와 배기부(220)가 구비될 수 있다.
흡기부(210)를 통해 연소실(200)에 공기가 공급될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예는, 디젤모드와 가스모드 2가지 모드로 작동될 수 있다.
디젤모드에서, 연소실(200)에는, 연소실(200)에 연결되는 디젤연료 공급유닛(도시되지 않음)으로부터 디젤연료가 공급될 수 있다. 이에 따라, 디젤모드에서 연소실(200)에는 공기와 디젤연료가 공급되어, 예컨대 디젤연료의 압축착화에 의한 디젤연료와 공기의 연소가 이루어질 수 있다. 그리고, 디젤연료와 공기의 연소에 의해서 연소실(200)에서 발생한 배기가스는 배기부(220)를 통해 배기될 수 있다.
가스모드에서, 연소실(200)에는, 가스연료 공급유닛(400)으로부터 가스연료가 공급될 수 있다. 이에 의해서, 가스모드에서 연소실(200)에는 공기와 가스연료가 공급되어, 예컨대 가스연료의 불꽃점화에 의한 가스연료와 공기의 연소가 이루어질 수 있다. 그리고, 가스연료와 공기의 연소에 의해서 연소실(200)에서 발생된 배기가스는 배기부(220)를 통해 배기될 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)으로부터 연소실(200)에 공급되는 가스연료는 천연가스(Natural Gas)나, 석유가스(Petroleum Gas) 등의 탄화수소(炭火水素, hydrocarbon)계 연료일 수 있다. 그러나, 가스연료 공급유닛(400)으로부터 연소실(200)에 공급되는 가스연료는 특별히 한정되지 않고, 연소실(200)에 공급되어 공기와 연소가 이루어질 수 있는 가스연료라면, 주지의 어떠한 가스연료라도 가능하다.
본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드는 2행정 오토사이클로 작동될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서는, 연소실(200)에서 피스톤(도시되지 않음)이 하사점(下死點, BDC(Bottom Dead of Center))으로 하강하면서 배기부(220)를 통한 연소실(200)로부터의 배기가스의 배기 후에 흡기부(210)를 통한 연소실(200)로의 공기의 흡입이 이루어질 수 있다. 또한, 피스톤이 연소실(200)에서 상사점(上死點, TDC(Top Dead of Center)으로 상승하면서 가스연료 공급유닛(400)에 의한 가스연료가 연소실(200)에 공급되어 공기와 가스연료가 혼합된 후 가스연료의 불꽃점화에 의해서 가스연료와 공기의 연소가 이루어질 수 있다. 이 경우, 가스연료의 불꽃점화는 피스톤이 상사점이나 상사점 근방에 도달하였을 때, 연소실(200)에 연결되는 별도의 파일럿 연료 공급유닛(도시되지 않음)에 의해서, 연소실(200)에 파일럿 연료로 공급되는, 예컨대 소량의 디젤연료의 압축착화를 점화원으로 이루어질 수 있다.
배기가스 재순환유닛(300)은, 적어도, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 흡기부(210)에 공급할 수 있다. 이와 같이, 배기가스 재순환유닛(300)에 의해서, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부가 흡기부(210)에 공급되면, 흡기부(210)를 통해 연소실(200)에 공급되는 공기의 양이 작아질 수 있다. 그리고, 흡기부(210)를 통해, 공기보다 비열이 큰, 공기와 배기가스의 혼합물이 연소실(200)에 공급되기 때문에, 연소실(200)의 압축 온도와 연소 온도가 낮아져서, 조기점화와 노킹(Knocking) 등의 이상연소 현상이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 배기가스 재순환유닛(300)은, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 디젤모드에서도, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 흡기부(210)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 배기가스 재순환유닛(300)에 의해서, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부가 흡기부(210)에 공급되면, 흡기부(210)를 통해 연소실(200)에 공급되는 공기의 양이 작아질 수 있다. 이에 따라, 디젤모드에서 연소실(200)에서 다젤연료와의 연소에 사용되지 못하는 공기, 즉 산소의 양이 작아질 수 있다. 이에 의해서, 연소실(200)에서 연소에 사용되지 못하는 공기, 즉 산소가 질소산화물이 되는 양이 작아지기 때문에, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물이 감소되도록 할 수 있다. 더불어, 흡기부(210)를 통해 공기보다 비열이 큰, 공기와 배기가스의 혼합물이 연소실(200)에 공급되기 때문에, 연소실(200)의 압축 온도와 연소 온도가 낮아져서, 고온/고압 조건에서 발생하는 질소산화물이 감소되도록 할 수 있다.
배기가스 재순환유닛(300)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 적어도 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 흡기부(210)에 공급할 수 있는 구성이라면, 주지의 어떠한 구성이라도 가능하다.
가스연료 공급유닛(400)은 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서 연소실(200)에 가스연료를 공급할 수 있다.
이를 위해서, 가스연료 공급유닛(400)은 도1에 도시된 바와 같이, 가스연료 압축기(410), 가스연료 공급관(420) 및, 가스연료 유입밸브(430, GAV(Gas Admission Valve))를 포함할 수 있다.
가스연료 압축기(410)는 가스연료 공급원(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 가스연료 공급원은, 예컨대 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예가 구비되는 선박(도시되지 않음)의 일실시예에 구비되어 LNG(Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas, 액화석유가스)가 저장되는 탱크(도시되지 않음)나 화물창(도시되지 않음)일 수 있다. 그러나, 가스연료 공급원은 특별히 한정되지 않고, 가스연료 압축기(410)가 연결되어 가스연료 압축기(410)에 가스연료를 공급할 수 있는 것이라면 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.
가스연료 공급관(420)은 가스연료 압축기(410)와 연소실(200)에 연결될 수 있다. 이에 의해서, 가스연료 공급원의 가스연료가 가스연료 압축기(410)를 통해 승압된 후, 가스연료 공급관(420)을 통해 연소실(200)로 유동할 수 있다.
가스연료 유입밸브(430)는 가스연료 공급관(420)에 연결되도록 연소실(200)에 구비될 수 있다. 예컨대, 가스연료 유입밸브(430)는 연소실(200)의 측면의 중앙 아래에, 가스연료 공급관(420)에 연결되도록 구비될 수 있다. 그리고, 가스연료 공급관(420)을 유동한 연료는, 연소실(200)에서 피스톤이 상사점으로 상승할 때, 가스연료 유입밸브(430)를 통해, 연소실(200)에 분사될 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)은 도1에 도시된 바와 같이 공급조절유닛(440)을 더 포함할 수 있다. 공급조절유닛(440)은, 예컨대 GVU(Gas Valve Unit), GVT(Gas Valve Train), FVT(Fuel Valve Train) 또는, GRU(Gas Regulating Unit) 등으로 불리우며, 가스연료 공급유닛(400)의 이상 작동시 가스연료의 공급을 차단하고 잔류하는 가스연료를 배출하는 등 가스연료의 공급을 조절할 수 있다.
가스연료 공급원인, 선박의 탱크나 화물창에 저장된 LNG나 LPG 등의 액화된 가스연료로부터 자연 기화된 보일오프가스(BOG(Boil Off Gas))를 가스연료로 가스연료 압축기(410)에 공급할 수 있다. 이러한 경우, 보일오프가스가 부족하게 되면, 가스연료 공급원인, 선박의 탱크나 화물창에 저장된 LNG나 LPG 등의 액화된 가스연료를 강제 기화시켜서 가스연료 압축기(410) 전단의 가스연료 공급관(420)의 부분에 가스연료로 공급할 수 있다. 이를 위해서, 가스연료 공급유닛(400)은 펌프나 기화기 등의 장치들을 포함할 수 있다. 그리고, 가스연료 압축기(410)와 함께, 전술한 펌프나 기화기 등의 장치들을 연료가스공급시스템(FGSS(Fuel Gas Supply System))이라고 부른다.
한편, 가스연료 공급유닛(400)에서는 연소실(200)에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급할 수 있다.
전술한 바와 같이, 배기가스 재순환유닛(300)이, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서, 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 흡기부(210)에 공급하면, 흡기부(210)를 통해 연소실에 공급되는 공기의 양이 상대적으로 작아질 수 있다. 이에 의해서, 전술한 바와 같이 조기점화와 노킹(Knocking) 등의 이상연소 현상이 발생하지 않을 수 있다.
그러나, 종래와 같이, 가스연료 공급유닛(400)에서 연소실(200)에 가스연료를 10bar 이상으로 공급하면, 가스연료가 연소실(200) 전체로 퍼지기 때문에, 연소실(200)에서의 연소기간이 길어질 수 있다. 연소기간이 길어지면, 연소효율이 낮아지기 때문에, 연소기간이 길어지지 않도록 해야만 한다. 본 발명에서와 같이, 가스연료 공급유닛(400)에서 연소실(200)에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급하면, 가스연료가 연소실(200) 중앙에 모이도록 할 수 있다. 이에 의해서, 연소실(200)에서의 연소기간이 길어질지 않도록 할 수 있다. 이에 따라, 배기가스 재순환유닛(300)이 배기부(220)로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 흡기부(210)에 공급하여 흡기부(210)를 통해 연소실에 공급되는 공기의 양이 상대적으로 작아지더라도, 연소실(200)에서의 연소효율이 낮아지지 않도록 할 수 있다.
또한, 가스연료 공급유닛(400)에서 연소실(200)에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급하면, 10bar 보다 작은 압력의 가스연료는 고압가스로 분류되지 않으며, 가스연료가 가스연료 공급관(420)을 유동하면서 누출될 염려가 작아지게 된다. 이에 따라, 가스연료 공급관(420)을, 종래와 같이 가스연료가 가스연료 공급관(420)을 유동하는 동안 가스연료 공급관(420)으로부터 누출되어 엔진룸(도시되지 않음) 등 폭발위험성이 있는 장소로 유동하는 것을 방지하도록, 이중관으로 하지 않고, 단일관으로 할 수 있다. 더불어, 가스연료 공급유닛(400)에서 연소실(200)에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급하면, 10bar 이상의 압력으로 공급할 때보다 낮은 사양의 압축기를 가스연료 압축기(410)로 사용할 수있다. 이에 의해서, 가스연료 공급유닛(400)을 보다 간단하게 적은 비용으로 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예는 제어부(500)를 더 포함할 수 있다.
제어부(500)는 연소실(200)과 배기가스 재순환유닛(300) 및 가스연료 공급유닛(400)을 제어할 수 있다.
제어부(500)는, 본 발명에 따른 이중연료엔진(100)의 일실시예의 가스모드에서, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력과, 연소실(200)의 연소실 압력이나 흡기부(210)를 통해 연소실(200)에 공급되는 공기의 압력인 흡기 압력을 전달받을 수 있다.
예컨대, 도1에 도시된 바와 같이 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)의 토출구 측인, 공급조절유닛(440) 전단의 가스연료 공급관(420)의 부분과, 연소실(200) 또는 흡기부(210)에는 각각 제어부(500)에 연결되는 압력센서(PS)가 구비될 수 있다. 그리고, 가스연료 압축기(410)의 토출구 측에 구비되는 압력센서(PS)가 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력을 측정하여 제어부(500)에 전달할 수 있다. 또한, 연소실(200)에 구비되는 압력센서(PS)가 연소실(200)의 연소실 압력을 측정하여 제어부(500)에 전달하거나, 흡기부(210)에 구비된 압력센서(PS)가 흡기부(210)를 통해 연소실(200)에 공급되는 공기의 압력인 흡기 압력을 측정하여 제어부(500)에 전달할 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)에서는 연소실(200)에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급하기 때문에, 연소실(200)에 분사되는 가스연료가 초음속이 되지 않아 초킹(choking)현상이 발생하지 않는다. 이에 따라, 연소실(200)에 분사되는 가스연료의 유량이 초킹현상에 의해서 일정해지지 않기 때문에, 가스연료 공급압력과, 연소실 압력 또는 흡기 압력의 차이의 변동에 따른 가스연료의 유량의 변동이 발생한다. 그러므로, 후술할 바와 같이 제어부(500)는 가스연료 공급압력과 연소실 압력 또는 흡기 압력을 전달받아, 이를 바탕으로 후술하고 도2에 도시된 바와 같은 제어를 해야만 한다.
제어부(500)는, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력이 연소실(200)의 연소실 압력이나 흡기부(210)의 흡기 압력 이하이면, 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력이 연소실(200)의 연소실 압력이나 흡기부(210)의 흡기 압력 이하이면, 가스연료를 연소실(200)에 공급할 수 없다. 그러므로, 이 경우에 제어부(500)는 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시켜서 연소실(200)에 가스연료가 공급되도록 할 수 있다.
제어부(500)는, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력이 연소실(200)의 연소실 압력이나 흡기부(210)의 흡기 압력보다 크면, 가스연료 공급압력과 연소실 압력의 차이, 연소실(200)에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양을 바탕으로, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간을 계산할 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간은 가스연료 공급압력과 연소실 압력의 차이와 반비례하고, 연소실(200)에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양에는 비례하기 때문에, 이러한 관계를 바탕으로, 제어부(500)는 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간을 계산할 수 있다.
이 경우, 제어부(500)는, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 보다 크면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 길어지면, 가스연료 유입밸브(430)를 통해 연소실(200)에 분사되는 가스연료가 연소실(200)의 흡기부(210)나 배기부(220)로 직접 슬립(Slip)될 수 있다..
이에 따라, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간의 기설정값은, 예컨대 가스연료 유입밸브(430)를 통해 연소실(200)에 분사되는 가스연료의 연소실(200)의 흡기부(210)나 배기부(220)로의 직접적인 슬립(Slip)이 발생하지 않을 수 있는 가스연료 유입밸브(430)의 최대 개방시간으로 할 수 있다.
계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 보다 크게 되면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간을 기설정값보다 크게 해야만, 연소실(200)에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양만큼의 가스연료를 연소실(200)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 연소실(200)에 공급되는 가스연료의 공급시간이 길어지기 때문에, 전술한 바와 같이 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)를 통해 연소실(200)에 분사되는 가스연료의 연소실(200)의 흡기부(210)나 배기부(220)로의 직접적인 슬립(Slip)이 발생하여 가스연료의 손실이 발생할 수 있다.
그러므로, 제어부(500)는, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 보다 크면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시켜서, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 보다 커지지 않도록 할 수 있다.
한편, 제어부(500)는, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값을 유지하면, 가스연료 공급압력을 유지하고 개방시간을 기설정값으로 유지할 수 있다.
이 경우, 제어부(500)는 연소실(200)에서 왕복운동하는 피스톤에 의해서 회전운동하는 회전축(도시되지 않음)에 구비된 토크센서(도시되지 않음)로부터 측정된 토크를 전달받아 토크와 엔진출력에 대한 관계식을 통해 엔진출력값을 알 수 있다.
계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간을 기설정값으로 해도, 연소실(200)에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양만큼의 가스연료를 연소실(200)에 충분히 공급할 수 있다.
그리고, 엔진출력값이 기준값을 유지하면, 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시켜서 연소실(200)에 공급되는 가스연료를 증가시키지 않아도 원하는 엔진출력값을 얻을 수 있다. 이 경우, 엔진출력값의 기준값은 연소실(200)에 공급된 가스연료의 양에서 얻을 수 있는 원하는 엔진출력값일 수 있으며, 소정 범위 내의 엔진출력값일 수도 있다.
그러므로, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값을 유지하면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)에 의한 가스연료 공급압력을 유지하고 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간을 기설정값으로 해도, 연소실(200)에서의 연소효율 등의 저하가 없으며 원하는 엔진출력값을 얻을 수 있다.
이외, 제어부(500)는, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값 보다 작으면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시킬 수 있다.
계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이나, 엔진출력값이 기준값 보다 작으면, 연소실(200)에 공급되는 가스연료의 양이 원하는 엔진출력값을 얻기에 부족하다는 것을 의미한다.
그러므로, 이 경우 제어부(500)는 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 증가시켜서 연소실(200)에 공급되는 가스연료의 양을 증가시킴으로써 엔진출력값이 커지도록 하여 원하는 엔진출력값을 얻을 수 있도록 할 수 있다.
또한, 제어부(500)는, 계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이고, 엔진출력값이 기준값 보다 크면, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 감소시킬 수 있다.
계산된, 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 유입밸브(430)의 개방시간이 기설정값 이하이나, 엔진출력값이 기준값 보다 크면, 연소실(200)에 공급되는 가스연료의 양이 많아서 원하는 엔진출력값 이상이 된다는 것을 의미한다.
그러므로, 이 경우 제어부(500)는 가스연료 공급유닛(400)의 가스연료 압축기(410)를 통해 가스연료 공급압력을 감소시켜서 연소실(200)에 공급되는 가스연료의 양을 감소시킴으로써 엔진출력값이 작아지도록 하여 원하는 엔진출력값을 얻을 수 있도록 할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 이중연료엔진을 사용하면, 이중연료엔진에서 배기가스 재순환 유닛을 사용하여, 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛에서 이중연료엔진의 연소실에 공급되는 가스연료의 공급압력이 10bar 보다 낮아지도록 할 수 있으며, 이중연료엔진의 연소실에 가스연료를 공급하는 이중연료엔진의 가스연료 공급유닛이 보다 간단하며 가스연료 공급유닛의 구성에 보다 적은 비용이 소요되도록 할 수 있다.
상기와 같이 설명된 이중연료엔진은 상기 설명된 실시예의 구성이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100 : 이중연료엔진 200 : 연소실
210 : 흡기부 220 : 배기부
300 : 배기가스 재순환유닛 400 : 가스연료 공급유닛
410 : 가스연료 압축기 420 : 가스연료 공급관
430 : 가스연료 유입밸브 440 : 공급조절유닛
500 : 제어부 PS : 압력센서

Claims (11)

  1. 흡기부와 배기부가 구비되며, 상기 흡기부를 통해 공급된 공기와, 디젤모드에서 공급되는 디젤연료나 가스모드에서 공급되는 가스연료의 연소가 이루어지는 연소실;
    적어도 가스모드에서 상기 배기부로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 상기 흡기부에 공급하는 배기가스 재순환유닛; 및
    가스모드에서 상기 연소실에 가스연료를 공급하는 가스연료 공급유닛; 을 포함하며,
    상기 가스연료 공급유닛에서는 상기 연소실에 가스연료를 10bar 보다 작은 압력으로 공급하는 이중연료엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스모드는 2행정 오토사이클로 작동되는 이중연료엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소실과 상기 배기가스 재순환유닛 및 상기 가스연료 공급유닛을 제어하는 제어부; 를 더 포함하는 이중연료엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스연료 공급유닛은 가스연료 공급원에 연결되는 가스연료 압축기, 상기 가스연료 압축기와 상기 연소실에 연결되는 가스연료 공급관 및, 상기 가스연료 공급관에 연결되도록 상기 연소실에 구비되는 가스연료 유입밸브를 포함하는 이중연료엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 가스모드에서 상기 가스연료 압축기에 의한 가스연료 공급압력과, 상기 연소실의 연소실 압력이나 상기 흡기부를 통해 상기 연소실에 공급되는 공기의 압력인 흡기 압력을 전달받는 이중연료엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가스연료 공급압력이 상기 연소실 압력이나 상기 흡기 압력 이하이면, 상기 가스연료 압축기를 통해 가스연료 공급압력을 증가시키는 이중연료엔진.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가스연료 공급압력이 상기 연소실 압력이나 상기 흡기 압력보다 크면, 상기 가스연료 공급압력과 상기 연소실 압력의 차이와, 상기 연소실에서의 연소를 위해서 공급될 가스연료의 양을 바탕으로, 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간을 계산하는 이중연료엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 보다 크면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 증가시키는 이중연료엔진.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값을 유지하면, 상기 가스연료 공급압력을 유지하고 상기 개방시간은 기설정값으로 유지하는 이중연료엔진.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고 엔진출력값이 기준값 보다 작으면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 증가시키는 이중연료엔진.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 계산된 상기 가스연료 유입밸브의 개방시간이 기설정값 이하이고, 엔진출력값이 기준값 보다 크면, 상기 가스연료 압축기를 통해 상기 가스연료 공급압력을 감소시키는 이중연료엔진.
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