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KR20210156691A - 엔진 시스템 및 이를 구비하는 선박 - Google Patents

엔진 시스템 및 이를 구비하는 선박 Download PDF

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KR20210156691A
KR20210156691A KR1020200074569A KR20200074569A KR20210156691A KR 20210156691 A KR20210156691 A KR 20210156691A KR 1020200074569 A KR1020200074569 A KR 1020200074569A KR 20200074569 A KR20200074569 A KR 20200074569A KR 20210156691 A KR20210156691 A KR 20210156691A
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KR
South Korea
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gas
cylinder
fuel
exhaust
engine
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Application number
KR1020200074569A
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English (en)
Inventor
백은성
한주석
유정대
최호정
안주용
Original Assignee
현대중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대중공업 주식회사 filed Critical 현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 엔진 시스템은 배기가스를 배출하는 배기라인; 연료를 연소시키기 위한 실린더; 상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤; 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하는 가스 공급부; 상기 실린더 내로 물을 공급하는 가습부; 및 소기가스를 흡입하는 소기라인을 포함하며, 상기 가습부는, 상기 가스연료가 공급되는 지점의 상측에 물을 분사하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 시스템 및 이를 구비하는 선박{Engine system and ship including the same}
본 발명은 엔진 시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 탑재되는 대형 엔진으로는 디젤엔진(Diesel Engine), 가스엔진(Gas Engine), 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine) 등 다양한 엔진이 개발되어 있다. 이 중에서 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine)은, 2가지 연료, 예컨대, 가스연료(LNG 등)와 디젤연료를 병행하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 선박에 많이 사용된다.
이러한 이종연료 엔진이 설치된 선박은, 연소실 내압에 따라 고압엔진(MEGI)과 저압엔진(X-DF 등)으로 구분되며, 2행정 엔진(ME-GI, X-DF) 또는 4행정 엔진(DFDE) 등으로 구분될 수 있다.
이종연료 엔진은, 가스연료를 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 가스모드와, 디젤연료을 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나를 이용하여 운전한다.
한편, 이종연료 엔진은 실린더에서 배출되는 배기가스를 이용하여 실린더에 공급되는 공기의 양을 증가시켜서 엔진의 출력을 높이는 터보차저를 포함하는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 시스템을 더 구비하여 엔진 시스템을 구성할 수 있다. 배기가스 재순환 시스템은 열용량이 공기보다 큰 배기가스의 일부를 엔진의 소기가스에 공급함으로써, 연소실 내 온도(연소온도 및 혼합물의 압축온도 등)를 떨어뜨리고, 산소 농도 감소를 통해 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.
이종연료 엔진은 예혼합 연소 방식을 통해 구동한다. 이러한 이종연료 엔진은 압축 온도가 일정 온도 이상으로 높아지게 되면, 피스톤이 상사점으로 이동하기 전에 연료가 연소되는 조기점화나 실린더 내 불연속적 연료 연소에 의한 노킹과 같은 현상이 나타나거나, 과도모드(Dynamic Combustion Control)로 운전해야하는 제약이 발생하여 엔진 효율이 저하되는 문제가 있었다. 과도모드는 연소실로 공급되는 공기의 양이 낮아지거나 높은 로드로 운전시 가스연료량을 줄이고 디젤연료량을 늘려 배기가스 배출 규제를 만족하면서 엔진 효율을 확보할 수 있으나, 압축 온도가 높아져 노킹 현상이 발생할 수 있다.
종래에는 이러한 현상을 방지하기 위하여 엔진으로 공급되는 소기가스에 물을 분사하여 소기가스의 온도를 낮추고자 하는 시도가 있었으나, 소기가스를 냉각하기 위한 쿨러의 용량이 일정한 조건에서 소기가스와 혼합되는 물의 공급량이 증가하더라도 소기가스의 압축온도 감소량이 유의미한 수준으로 나타나지 않았다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 최근에는 이종연료 엔진을 이용하는 엔진 시스템에서 EGR과 소기가스에 대한 가습 시스템을 모두 활용하여, 이종연료 엔진의 운전모드에 따른 배기가스 배출에 관한 환경 규제를 만족함과 동시에 엔진 실린더 내 조기점화와 노킹 발생문제를 해결할 수 있는 방법에 대한 다양한 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, EGR과 소기가스에 대한 가습을 활용하여 이종연료 엔진의 가스모드 및 디젤모드 운전시 압축온도를 저하시킬 수 있는 엔진 시스템 및 이를 제어하기 위한 방법을 제공하여, 상기 엔진의 성능 저하를 방지하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 소기가스 가습에 필요한 물을 절감함과 동시에 배기가스 배출 기준을 만족시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 엔진 시스템은, 배기가스를 배출하는 배기라인, 연료를 연소시키기 위한 실린더, 상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤, 상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하는 가스 공급부, 상기 실린더 내로 물을 공급하는 가습부, 및 소기가스를 흡입하는 소기라인을 포함하며, 상기 가습부는, 상기 가스연료가 공급되는 지점의 상측에 물을 분사하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 엔진은, 2행정 또는 4행정의 디젤사이클 이종연료 엔진이며, 상기 가습부는, 상기 실린더의 압축 행정시 물을 분사할 수 있다.
구체적으로, 상기 가스 공급부는, 상기 실린더에 소기가스가 유입되는 소기공의 상측에 배치되며, 상기 가습부는, 상기 가스 공급부의 상측에 물을 분사할 수 있다.
구체적으로, 상기 가습부는, 상기 실린더 내로 가스연료가 공급된 이후에 물을 분사할 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진 시스템은, 상기 배기라인으로부터 공급되는 배기가스를 공급받으며, 소기가스를 압축하여 상기 소기라인으로 공급하는 터보차저 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진 시스템은, 상기 배기라인으로부터 공급되는 배기가스를 EGR 라인 및 상기 터보차저로 전달하는 배기 리시버, 배기가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함하며, 냉각된 배기가스와 외기를 상기 터보차저로 공급하는 EGR 라인, 및 상기 터보차저로부터 공급되는 배기가스를 상기 소기라인으로 전달하는 소기 리시버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 선박은, 상기 엔진 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엔진 시스템은, 이종연료 엔진에 소기가스 가습을 적용하여 압축온도 제한에 따른 조기점화 및 노킹 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진 시스템은, 이종연료 엔진의 운전모드에 따라 소기가스 가습과 EGR 중 적어도 하나를 제어하여 해당 운전모드에 따른 배기가스 배출 환경 규제를 만족시킴과 동시에 엔진 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진 시스템은, 전술한 효과를 확보함과 동시에 소기가스 가습에 필요한 물의 양을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진 시스템은, 엔진 시스템의 냉각수를 활용하여 소기가스 가습에 요구되는 온도 조건을 충족시킬 수 있어 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 연소행정에 따른 상대습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템의 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(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온 및 저온은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서, 연료는 가스연료와 디젤연료를 모두 포괄하여 의미한다. 가스연료는 LNG, LPG, 에탄 등으로서 비등점이 상온보다 낮은 물질을 의미할 수 있으며, 디젤연료는 액체연료이며 발열량을 갖는 모든 물질을 포괄한다.
이하에서, 엔진은 가스연료를 주연료로 이용하여 구동력을 발생시키는 가스모드와 디젤연료를 주연료로 하여 구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나로 운전하는 이종연료 엔진일 수 있다. 바람직하게는, 2행정 또는 4행정의 디젤사이클 이종연료 엔진일 수 있다.
이하에서, 엔진 시스템은 이종연료 엔진을 이용하여 추진력을 발생시키는 시스템뿐만 아니라, 이종연료 엔진의 배기가스를 이용하는 배기 재순환 시스템이 유기적으로 결합된 시스템을 포괄하여 의미한다.
이하에서, 압축 압력 및 온도는 피스톤이 연소 과정 없이 상사점에 있을 때의 혼합 가스의 압력 및 온도를 의미한다.
이하에서, 연소 압력 및 온도는 연소 기간 동안 피스톤에 가해지는 폭발 압력과 온도를 의미한다.
도 1 및 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(1)의 개념도와 상기 엔진 시스템(1)에서의 엔진 연소 행정에 따른 상대습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 엔진 시스템(1)은 실린더(10), 배기 리시버(11), 프리스프레이(12), EGR 쿨러(13), 터보차저(16), 쿨러(17), 미스트 캐쳐(18), 소기 리시버(19), 연료 공급부(20), 가스 공급부(30) 및 가습부(40) 등을 포함한다.
실린더(10)는 엔진에서 연료의 연소가 이루어지는 공간을 제공한다. 실린더(10)는 엔진의 엔진블록 내부에 마련되는 것일 수 있다. 실린더(10)는 내부에 공기, 연료 등이 공급되어 연소될 수 있는 연소실을 제공한다. 연소실은 내부가 비어있는 원통 형태로 형성될 수 있다. 실린더(10)와 엔진블록 사이에는 실린더라이너가 설치될 수 있으며, 실린더(10)의 상측에는 실린더커버가 마련될 수 있다.
실린더(10)는 액체연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20), 가스연료를 공급하기 위한 가스 공급부(30)와 연결될 수 있다. 도시하지 않았으나, 연료 공급부(20) 및 가스 공급부(30)는 각각 연료를 저장하고 있다가 이젝터 등을 통해 실린더(10)의 내부에 연료를 분사 또는 공급할 수 있다. 실린더(10)는 연료 공급부(20) 및 가스 공급부(30)로부터 가스연료 및 액체연료 중 적어도 하나를 공급받을 수 있다.
실린더(10)의 상측에는 연료의 연소시 발생하는 배기가스를 배출하기 위한 배기밸브가 마련될 수 있으며, 배기밸브는 배기라인(L1)에 연결되어 배기가스를 실린더(10) 외부로 배출시킬 수 있다. 배기밸브는 실린더(10)의 실린더커버에 마련되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실린더(10)의 하측에는 소기가스를 흡입하기 위한 소기공이 마련될 수 있으며, 소기라인(L5)을 통해 공급되는 소기가스는 소기공을 통해 실린더(10) 내부로 유입될 수 있다. 소기공은 실린더(10)의 하측에서 실린더(10)를 관통하여 형성된 구멍으로, 후술할 소기 리시버(19)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 소기 리시버(19)에 충진된 공기는 소기공을 통해 실린더(10)로 공급될 수 있다.
실린더(10)의 연소실은 피스톤(P)이 왕복 운동함에 따라 체적이 증감될 수 있다. 예를 들어, 연소실은 피스톤(P)이 상측방향으로 이동하면, 체적이 감소될 수 있다. 이 경우, 연소실에 공급된 연료와 공기는 압축될 수 있다. 피스톤(P)이 하사점으로부터 상사점까지 이동하는 경우, 가스 공급부(30)와 연료 공급부(20)가 각각 가스연료 및 액체연료를 순차적으로 공급할 수 있다. 연료 공급부(20)에 연결되는 인젝터 또는 별도로 구비되는 파일럿 인젝터가 연소실에 디젤연료를 공급하며 압축된 연료를 착화시킴으로써 가스연료와 공기가 혼합된 연료가 연소 및 폭발하여 피스톤(P)을 하측방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동력이 발생되고, 연소실에는 배기가스가 발생될 수 있다. 연소실은 피스톤(P)이 하측방향으로 이동하면, 체적이 증가될 수 있다. 피스톤(P)이 하사점 쪽으로 이동하면, 소기 리시버(19)에 충진된 공기가 연소실로 공급될 수 있다. 따라서, 연소실에서 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스는 소기 리시버(19)에서 공급된 공기에 의해 배기밸브를 거쳐 상기 연소실의 외부로 배출될 수 있다. 배기가스는 소기 리시버(19)와 배기가스를 공급받아 임시로 저장하는 배기 리시버(11)와의 압력 차이에 의해 연소실의 외부로 배출될 수도 있다. 연소실에서 배출된 배기가스는 실린더(10)의 상측에 결합된 배기밸브에 연결된 배기라인(L1)을 따라 배출되어 배기 리시버(11)로 공급될 수 있다.
피스톤(P)은 실린더(10)의 내부에서 이동 가능하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 피스톤(P)은 실린더(10)의 연소실 내부에서 상하방향으로 왕복 이동할 수 있다. 예를 들어, 피스톤(P)은 실린더(10) 하측의 하사점으로부터 상측의 상사점에 이르기까지 상하방향으로 왕복 이동할 수 있다. 여기서 상하방향이라 함은 중력방향과 평행한 방향일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
피스톤(P)은 실린더(10)의 연소실에 공급된 공기 및 연료를 압축하기 위한 것이다. 피스톤(P)은 원기둥 형태로 형성될 수 있으나, 연소실에서 이동하면서 연료와 공기를 압축할 수 있으면 다른 형태로 마련될 수도 있다. 피스톤(P)은 구동력을 전달하는 크랭크축에 의해 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(P)은 막대 형태인 피스톤로드와 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 연결될 수 있다. 피스톤(P)은 크랭크축이 회전함에 따라 상측방향으로 이동할 수 있다. 피스톤(P)은 크랭크축에 의해 상측방향으로 이동하는 경우 연료 및 공기를 압축시킬 수 있다. 피스톤(P)은 상사점에서 실린더(10)에 공급된 연료 및 공기가 혼합 연소되어 폭발함에 따라 하측방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 피스톤(P)은 실린더(10)의 내부에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 운동할 수 있다. 하사점은 피스톤(P)의 압축 방향을 기준으로 피스톤(P)이 실린더(10)의 내부에서 가장 낮은 위치에 위치되는 지점이고, 상사점은 피스톤(P)의 압축 방향을 기준으로 피스톤(P)이 실린더(10)의 내부에서 가장 높은 위치에 위치되는 지점이다. 피스톤(P)이 상사점 근방에서, 구동력을 발생시키기 위해 압축된 연료를 폭발시킬 수 있다.
연료 공급부(20)와 가스 공급부(30)는 각각 실린더(10)에 액체연료 및 가스연료를 공급하기 위한 것이다.
가스 공급부(30)는 연소실의 상사점과 하사점 사이에서 가스연료를 공급할 수 있다. 예를 들어, 가스 공급부(30)는 실린더(10)의 측벽에 결합되어, 이젝터를 통해 가스연료를 연소실에 분사하는 방식으로 공급할 수 있다.
가스 공급부(30)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에, 실린더(10)에 가스연료를 공급할 수 있다. 가스 공급부(30)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에, 실린더(10)에 가스연료 및 공기를 혼합하여 공급할 수도 있다. 예를 들어, 가스 공급부(30)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 보조공기공급유닛으로부터 추가 공기를 공급받아 가스연료와 함께 공급할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이종연료 엔진은 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 실린더(10)에 가스연료와 공기를 혼합하여 공급할 수 있으므로, 가스연료만을 공급하는 경우 대비 공기와 연료를 보다 균일하게 혼합하여 조기점화나 노킹을 방지할 수 있다. 가스 공급부(30)는 소기공을 통해 실린더(10) 내부로 소기공기가 유입되기 시작한 후에 실린더(10) 내부로 가스연료를 공급할 수 있다.
가스 공급부(30)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 가스연료를 실린더(10) 내부로 공급할 수 있다. 이러한 경우, 실린더(10)는 배기밸브에 의해 폐쇄되어 있을 수 있다.
가스 공급부(30)는 엔진 시스템(1)을 포함하는 선박이 LNG선일 경우, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 실린더(10) 내부로 가스연료를 공급하는 것일 수 있다. 또는, 가스 공급부(30)는 LNG 저장탱크 내부에서 발생하는 BOG(Boil off gas)를 실린더(10) 내부로 공급하는 것일 수도 있다.
가스 공급부(30)는 보조공기공급유닛과 연결되게 설치될 수 있다. 가스 공급부(30)를 통해 가스연료와 공기가 혼합되어 실린더(10) 내부로 공급될 수 있다. 실린더(10) 내부로 공급되는 가스연료 또는 공기와의 혼합 연료의 압력은 엔진 부하에 따라 약 3바(bar) 내지 30바(bar) 사이, 바람직하게는 5바(bar) 내지 22바(bar) 사이일 수 있다. 이러한 경우, 보조공기공급유닛이 추가로 공급하는 공기의 압력은 가스 공급부(30)에서 공급하는 가스연료의 공급압력보다 상대적으로 낮아 가스연료의 공급을 원할하게 유지할 수 있다. 가스연료 또는 공기와의 혼 연료의 압력이 30바(bar)를 초과하면, 실린더(10)에 공기를 공급하기 위한 가스 공급부(30) 및 보조공기공급유닛 각각의 용량이 커져 엔진 전체 크기가 커지는 문제가 있다. 가스연료 또는 공기와의 혼합 연료의 압력이 3바(bar) 미만이면, 실린더(10)에 공급된 소기가스의 압력으로 인해 가스연료 또는 공기와의 혼합 연료가 실린더(10)에 원활하게 공급되지 못하는 문제가 있다.
가스 공급부(30)는 피스톤(P)의 압축 방향을 기준으로, 피스톤(P)이 가스 공급부(30) 또는 가스연료가 공급되는 이젝터가 배치된 실린더(10) 측벽의 지점을 지나면, 실린더(10)에 가스연료를 공급하지 않을 수 있다. 실린더(10)와 가스 공급부(30)의 연통이 차단되기 때문이다.
연료 공급부(20)는 실린더(10)에 액체연료를 공급하기 위한 것이다. 연료 공급부(20)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에, 실린더(10)에 가스연료가 공급된 후에 액체연료를 실린더(10)에 공급할 수 있다. 바람직하게는, 연료 공급부(20)는 피스톤(P)이 상사점 부근에 도달하였을 때 액체연료를 공급할 수 있다. 연료 공급부(20)는 액체연료를 저장하였다가 이젝터를 통해 실린더(10) 내부로 공급할 수 있다. 연료 공급부(20)에 연결되는 이젝터는 실린더커버를 통해 액체연료를 분사할 수 있으나, 피스톤(P)이 상사점 부근에 위치하였을 때 액체연료를 실린더(10) 내부로 공급할 수 있는 다른 위치에도 설치될 수 있다.
연료 공급부(20)는 가스연료를 주연료로 추진하는 가스모드 운전에서 공급하는 가스연료량보다 더 많은 양의 액체연료를 공급할 수 있다. 연료 공급부(20)는 인젝터 또는 별도의 파일럿인젝터를 통해 실린더(10) 내로 액체연료를 분사하는 시간이나 분사 압력을 증가시킴으로써, 가스모드 운전에서 공급하는 가스연료량보다 더 많은 액체연료를 실린더(10)에 공급할 수 있다.
본 실시예에서는 실린더(10) 내부로 물을 공급하는 가습부(40)를 더 포함한다. 가습부(40)는 실린더(10)의 연소실에 물 또는 스팀을 분사하기 위한 것이다. 가습부(40)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 압축 행정시 실린더(10) 내로 물을 분사하여 압축 온도를 저하시킬 수 있다.
가습부(40)는 실린더(10)의 압축 행정시 실린더(10) 내로 물을 분사한다. 가습부(40)는 연소실의 압축 과정 중에 물을 분사한다. 가습부(40)를 통해 연소실 내로 공급되는 물은 작은 액적의 상태로 분사된다. 분사된 물은 연소실 내에서 빠르게 기화될 수 있으며, 가스연료와 균일하게 혼합될 수 있다. 물이 상태변화를 수반하면서 연소실 내의 열에너지를 흡수함에 따라 연소실의 압축에 따른 압축열이 감소할 수 있다. 이러한 경우, 물의 상태변화에 따른 잠열을 이용하게 됨에 따라 실린더(10)로 공급되기 전의 소기가스에 물을 공급하여 가습하는 종래 방식 대비 약 5배 이상의 압축열을 흡수할 수 있게 된다. 이에 따라, 실린더(10) 내의 압축온도가 저하될 수 있으며, 조기점화나 노킹의 발생이 저감될 수 있게 된다. 또한, 가스연료와 수증기를 포함하는 공기가 균일하게 혼합됨에 따라, 정압비열이 증가하여 엔진의 행정시 연소 속도와 열부하가 감소될 수 있으며, 열용량이 증대될 수 있다. 이에 따라, 실린더(10) 내에서의 조기점화나 노킹의 발생이 더욱 저감될 수 있다. 연소 속도가 감소하는 경우 연소에 의한 최대 온도가 저하될 수 있으며, 이는 연소에 의한 질소산화물의 발생을 저감하는 효과를 추가로 제공할 수 있다.
가습부(40)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 실린더(10) 내로 물을 분사할 수 있다. 가습부(40)는 배기밸브가 완전히 닫혀 연소실이 폐쇄된 이후에 물을 분사할 수 있다. 가습부(40)는 가스 공급부(30)를 통해 가스연료가 공급되는 도중이나 가스연료가 공급된 이후에 공급될 수 있다. 예를 들어, 가습부(40)는 실린더(10)의 상측에 마련되어 가스연료가 공급된 직후에 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)가 실린더(10) 내부로 물을 공급하고, 연료 공급부(20)가 액체 연료를 실린더(10) 내부로 공급할 수 있다. 또는, 가습부(40)는 혼합연료 공급부(21)의 형태로 제공될 수도 있다. 혼합연료 공급부(21)는 연료 공급부(20)에서와 유사하게 액체연료를 실린더(10) 내부로 공급할 수 있으나, 액체연료와 물을 혼합하여 공급할 수도 있다. 즉, 혼합연료 공급부(21)는 물과 디젤연료를 혼합하여 유화시킨 상태로 실린더(10)의 연소실에 공급할 수 있다. 물과 액체연료의 혼합 공급을 통해 연소실 내 연료 및 공기의 혼합 상태를 보다 균일하게 개선할 수 있으며, 연료의 부분적인 불연소로 인해 메탄이 배기가스에 섞여서 실린더(10)를 빠져나가는 메탄슬립(methane slip)의 발생을 방지할 수 있게 된다.
추가적으로, 가습부(40)는 실린더(10) 내의 열부하 또는 공연비가 미리 정해진 값 이하인 경우에만 물을 분사하여 질소산화물의 발생량을 저감시킬 수 있다.
연소실에서 생성된 배기가스는 실린더(10)의 상측에 구비된 배기밸브를 통해 배기라인(L1)을 경유하여 배기 리시버(12)로 공급될 수 있다. 배기 리시버(12)는 배기가스를 임시 저장하기 위한 공간을 제공할 수 있으며, 배기라인(L1)을 통해 터보차저(16)의 터빈(16a)과 EGR 라인(L2) 중 적어도 하나로 배기가스를 공급할 수 있다.
터보차저(turbo charger)는 연소실에서 배출되는 배기가스의 고압 및 고온의 에너지를 이용하여 공기를 압축시킨 뒤 엔진으로 다시 주입하여, 엔진에서 이용되는 연료의 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 터보차저는 터빈(16a)과 압축기(16b)를 포함한다.
터빈(16a)은 배기라인(L1)에 연결되어 엔진으로부터 배기가스를 공급받아 구동하며, 후술할 압축기(16b)와 연결되어 회전력을 압축기(16b)로 전달하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 터빈(16a)과 압축기(16b)는 축을 통해 연결될 수 있다. 터빈(16a)의 구동은 엔진에서 배출된 배기가스가 유입되어, 배기가스가 가지는 에너지에 의해 터빈(16a) 내에 자유롭게 지지된 터빈(16a)의 휠이 회전됨으로써 이루어질 수 있다. 이때, 터빈(16a)에 내장된 휠의 회전 토크가 축에 의해 압축기(16b)의 휠로 전달될 수 있으며, 압축기(16b)의 휠이 회전됨에 따라 압축기(16b)로 유입되는 공기가 압축되어 소기가스를 형성할 수 있다.
압축기(16b)는 EGR 라인(L2)에 연결되어 공기를 압축하여 엔진으로 공급할 수 있다. 압축기(16b)는 EGR 라인(L2)으로부터 배기가스의 일부와, 외부(O)로 연결되는 외기라인(L3)으로부터 외기를 공급받아 가압하여 소기가스를 형성할 수 있다.
EGR 라인(L2)은 배기 리시버(11)로부터 배기가스의 일부를 전달받아 압축기(16b)로 공급할 수 있다. EGR 라인(L2) 상에는 배기가스에 외기와 같은 유체를 분사하여 1차적으로 냉각하기 위한 프리스프레이(12), 냉매를 이용하여 배기가스를 2차로 냉각하는 EGR 쿨러(13), EGR 라인(L2)을 통해 압축기(16b)로 공급되는 배기가스의 유량을 제어하는 자동밸브(14) 등이 마련될 수 있다. 자동밸브(14)는 후술할 소기 리시버(19)에 마련되는 산소 센서(15)로부터 신호를 수신하여 압축기(16b)로 공급되는 배기가스의 유량을 조절할 수 있다. 이에 따라, 압축기(16b)로 공급되는 배기가스와 외기의 비율이 조절될 수 있다.
압축기(16b)에서 가압된 공기는 압축공기라인(L4)를 통해 소기 리시버(19)로 공급될 수 있다. 압축공기라인(L4) 상에는 가압에 의해 다시 가열된 공기를 냉각하기 위한 쿨러(17)와 수분을 제거하기 위한 미스트 캐쳐(18)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 터보차저(16)에서 배출된 소기가스는 엔진에서 요구하는 온도로 낮아지고, 불필요한 습기가 제거될 수 있다. 쿨러(17)는 물을 냉매로 하여 소기가스를 냉각시킬 수 있고, 미스트 캐쳐(18)는 공지된 습기제거장치에 갈음하여 구체적인 설명은 생략한다.
배기 리시버(11)를 거쳐 터빈(16a)으로 공급되는 배기가스와, 압축기(16b)로 순환하는 배기가스는 서로 독립적으로 유동할 수 있다. 즉, 배기가스 중 일부는 EGR 라인(L2)을 경유하여 압축기(16b)로 순환되고, 배기가스 중 일부는 터빈(16a)을 거쳐 외부로 배출된다. 엔진으로부터 배출된 배기가스는 고압 상태로 EGR 라인(L2)을 통해 압축기(16a)로 유입된다. 따라서, EGR 라인(L2)에는 배기가스를 가압하는 구성 예를 들어, EGR 블로어가 생략될 수 있다. EGR 블로어는 배기가스를 강제 순환시키는 구성으로서, EGR 블로어가 구동되는 동안, 적게는 100kw에서 많게는 500kw까지 지속적으로 전력을 소모하게 되는데, EGR 블로어 생략시 시스템의 소비전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 압축기(16b)는 EGR 라인(L2)을 통해 고압의 배기가스가 유입되면 외부로부터 유입된 공기를 가압할 때보다 부하를 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 즉, 압축기(16b)에 의한 소비전력 역시 감소될 수 있다.
한편, EGR 라인(L2)을 통해 배기가스가 재순환하여 소기가스를 형성함으로써, 출력감소를 최소로 하면서 최대 연소 온도를 낮추어 질소산화물의 배출량을 감소시킬 수 있다. 이는, 실린더(10)에 유입되는 공기에 배기가스를 혼입하면, 연소 온도와 산소의 농도가 낮아져 질소산화물의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.
추가적으로, EGR 라인(L2) 상에 EGR 밸브가 마련될 수 있다. EGR 밸브는 EGR 라인(L2)을 통해 배기가스가 재순환되도록 배기가스의 유량을 조절할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 연소 행정에 따른 상대습도를 고려하여 실린더(10)에 물을 공급함으로써, 불필요하게 많은 양의 물이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
그래프의 가로축은 연소실의 부피(m3)이며, 세로축은 상대습도(Hr, %)를 나타낸다. a는 SBDC로 피스톤(P)이 하사점에 위치하는 것, d는 STDC로 피스톤(P)이 상사점에 위치하는 것을 의미하며, b는 CBDC로 하사점에서, c는 CTDC로 상사점에서의 실린더(10) 내의 부피를 나타내기 위한 것이다. 화살표를 따라 ① 내지 ⑤ 단계의 과정을 거치면서 압축 행정이 수행될 수 있다.
① 단계는 소기 과정으로, 실린더(10) 내에 신기로서 소기가스가 유입되면서 실린더(10) 내의 상대습도가 감소하는 것을 나타낸다. ② 단계는 압축 과정으로, 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동함에 따라 압력이 상승하지만, 이와 동시에 압축 온도도 함께 상승하면서 상대습도도 일부 감소될 수 있다. ③ 단계는 폭발 또는 연소 과정으로, 연료의 연소 반응이 일어남에 따라 물이 생성되어 연소실 내의 수분 절대량이 늘어나면서 상대습도가 증가할 수 있다. ④ 단계는 팽창 과정으로, 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하기 시작하면서 실린더(10) 내부 압력과 온도가 감소하여 상대습도가 증가할 수 있다. ⑤ 단계는 배기 과정으로, 배기밸브를 통해 배기가스가 배출되면서 배기가스에 포함된 수분이 빠져나가면서 상대습도가 감소할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)에서는 ② 단계(A 구간)에서 가습부(40)를 통해 물을 분사하여 연소실 내 압축 온도를 저감할 수 있다. 연소실의 상대 습도가 낮은 상태에서 물을 공급하도록 하여 이후 과정에서 응축수가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 ② 압축 과정에서 물이 분사되어 상변화가 이루어지도록 함에 따라 연소실 내의 압축열을 흡수하도록 하여 압축 온도를 저감할 수 있게 된다.
행정 과정에서 연소실 내로 공급되는 소기가스의 대부분은 앞선 연소 과정에서 발생한 연소열에 의해 가열된 연소실 내부를 냉각시키는 데에 사용된다. 예를 들어, 실린더(10)로 공급되는 전체 소기가스의 약 15%가 연소실을 냉각시키는 데에 사용된 후 곧바로 연소실을 빠져나가고, 배기밸브가 완전히 닫힐 수 있다. 이러한 경우 폐쇄되는 연소실 내에 실제로 갇히게 되는 소기가스는 나머지에 해당하는 양이며, ② 압축 과정에서 물을 공급하는 경우 해당 소기가스의 5% 정도만을 가습해주면 전술한 압축 온도의 저감을 달성할 수 있게 된다. 따라서, 실린더(10)로 공급되는 소기가스 전체에 물을 공급해주는 종래 방법 대비 물의 공급량을 저감하면서도 보다 우수한 압축 온도 저감 효과를 확보할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 구비하며, 엔진의 실린더 내부로 물을 공급함에 따라 실린더에서의 압축 온도를 저감하여 조기점화나 노킹을 방지함과 동시에 배기가스 배출에 관한 환경 규제를 만족시킬 수 있다. 이때, 이종연료 엔진의 압축 과정 중에 물을 공급하도록 하여 추가적으로 메탄 슬립을 방지할 수 있으며, 실린더로 공급되는 소기가스 전체를 가습하는 방법 대비 물의 공급량을 절감할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 엔진 시스템(1)의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 엔진 시스템(1)은 실린더(10), 배기 리시버(11), 프리스프레이(12), EGR 쿨러(13), 터보차저(16), 쿨러(17), 미스트 캐쳐(18), 소기 리시버(19), 연료 공급부(20), 가스 공급부(30) 및 가습부(40) 등을 포함한다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예에 따른 엔진 시스템 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 포함할 수 있다.
실린더(10)는 내부에 공기, 연료 등이 공급되어 연소될 수 있는 연소실을 제공하며, 피스톤(P)은 하사점과 상사점 사이를 왕복 운동할 수 있다. 실린더(10)는 액체연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20), 가스연료를 공급하기 위한 가스 공급부(30)와 연결될 수 있다.
연소실에서 생성된 배기가스는 실린더(10) 상측에 구비된 배기밸브를 통해 배기라인(L1)을 경유하여 배기 리시버(12)로 공급될 수 있다. 배기가스는 배기라인(L1)을 통해 터보차저(16)의 터빈(16a)과 EGR 라인(L2)을 통해 터보차저(16)의 압축기(16b)로 공급될 수 있다. 압축기(16b)에서 배출되는 소기가스는 압축공기라인(L4)을 통해 소기 리시버(19)로 공급될 수 있으며, 소기라인(L5)을 거쳐 실린더(10)로 공급될 수 있다. 압축공기라인(L4) 상에는 쿨러(17)와 미스트 캐쳐(18)가 마련될 수 있다.
종래 EGR 블로워가 생략되는 엔진 시스템 또는 배기재순환 시스템에서는 연소실로 재순환되는 배기가스의 절대량이 부족하여 디젤모드로 운전시에는 배출되는 배기가스 중 질소산화물에 관한 환경 규제를 만족하기 어려웠다.
본 실시예에서는 소기가스에 물을 공급하여 실린더(10) 내의 연소 온도를 저하시키는 가습부(40)를 더 포함한다. 가습부(40)는 소기가스에 물을 공급하여 소기가스와 물을 균일하게 혼합한 뒤 실린더(10)로 공급하기 위한 것이다. 가습부(40)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 소기가스에 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)는 압축기(16b)에서 가압된 소기가스에 물을 분사할 수 있다. 구체적으로, 가습부(40)는 엔진 시스템(1)의 배기재순환 시스템 상에 마련될 수 있으며, 압축공기라인(L4)을 통해 유동하는 소기가스에 물을 분사하는 방법으로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 가습부(40)는 압축공기라인(L4) 상에서 쿨러(17)를 거쳐 냉각된 소기가스에 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)는 가압 및 냉각을 거친 소기가스에 물을 균일하게 혼합시킴으로써, 혼합된 공기의 열용량을 증가시킬 수 있다. 열용량이 증가된 소기가스는 실린더(10) 내로 유입되어 최대 연소 온도를 저감할 수 있게 된다. 이에 따라, 연소에 의한 질소산화물의 발생을 저감할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 구비하며, 소기가스에 물을 공급하여 최대 연소 온도를 저하시킴으로써, 배기 재순환양이 부족한 디젤모드로 운전하는 경우에도 배기가스 배출에 관한 환경 규제를 만족시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 엔진 시스템(1)의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 엔진 시스템(1)은 실린더(10), 배기 리시버(11), 프리스프레이(12), EGR 쿨러(13), 터보차저(16), 쿨러(17), 미스트 캐쳐(18), 소기 리시버(19), 연료 공급부(20), 가스 공급부(30) 및 가습부(40) 등을 포함한다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예에 따른 엔진 시스템 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 포함할 수 있다.
실린더(10)는 내부에 공기, 연료 등이 공급되어 연소될 수 있는 연소실을 제공하며, 피스톤(P)은 하사점과 상사점 사이를 왕복 운동할 수 있다. 실린더(10)는 액체연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20), 가스연료를 공급하기 위한 가스 공급부(30)와 연결될 수 있다.
본 실시예에서는 실린더(10) 내부로 물을 공급하는 가습부(40)를 더 포함한다. 가습부(40)는 실린더(10)의 연소실에 물을 분사하기 위한 것이다. 가습부(40)는 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 압축 행정시 실린더(10) 내로 물을 분사하여 압축 온도를 저하시킬 수 있다.
가습부(40)는 가스 공급부(30)로부터 실린더(10) 내로 가스연료가 공급되는 지점의 상측에 물을 분사할 수 있다. 가스 공급부(30)는 실린더(10) 내로 소기가스가 유입되는 소기공의 상측에 배치될 수 있으며, 소기공의 상측에서 가스연료를 공급할 수 있다. 가습부(40)는 가스 공급부(30)의 상측에 마련될 수 있으며, 가스연료가 공급되는 지점의 상측에서 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)는 실린더(10)의 압축 행정시 실린더(10) 내로 물을 분사한다. 가습부(40)는 연소실의 압축 과정 중에 물을 분사하며, 분사된 물의 기화로 인해 연소실 내의 압축열이 흡수될 수 있다. 이에 따라, 실린더(10) 내의 압축온도가 저하될 수 있으며, 조기점화나 노킹의 발생이 저감될 수 있게 된다. 또한, 가스연료와 수증기를 포함하는 공기가 균일하게 혼합됨에 따라, 정압비열이 증가하여 엔진의 행정시 연소 속도와 열부하가 감소될 수 있으며, 열용량이 증대될 수 있다. 이에 따라, 실린더(10) 내에서의 조기점화나 노킹의 발생이 더욱 저감될 수 있다. 연소 속도가 감소하는 경우 연소에 의한 최대 온도가 저하될 수 있으며, 이는 연소에 의한 질소산화물의 발생을 저감하는 효과를 추가로 제공할 수 있다.
가습부(40)는 실린더(10) 내로 가스연료가 공급된 이후에 물을 분사할 수도 있다. 예를 들어, 가습부(40)는 실린더(10)의 상측에 마련되어 가스연료가 공급된 직후에 물을 분사하거나, 피스톤(P)의 이동에 의해 가스연료의 공급이 차단된 이후에 물을 분사할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 전체 소기가스 중 일부만이 실제 연소실 내에 갇히게 되므로, 상기와 같은 가습부(40)를 통해 물을 분사하여 물 공급량을 절감할 수 있게 된다. 또한, 연소실이 압축되는 과정에서 상대습도가 낮아진 상태에서 물을 분사하도록 하여 연소실 내 응축수 생성을 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 전술한 엔진 시스템의 배기재순환 시스템과 같은 배기재순환 시스템을 구비할 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 구비하며, 엔진의 실린더 내부로 물을 공급함에 따라 실린더에서의 압축 온도를 저감하여 조기점화나 노킹을 방지함과 동시에 배기가스 배출에 관한 환경 규제를 만족시킬 수 있다. 이때, 이종연료 엔진의 압축 과정 중에 물을 공급하도록 하여 추가적으로 메탄 슬립을 방지할 수 있으며, 실린더로 공급되는 소기가스 전체를 가습하는 방법 대비 물의 공급량을 절감할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 엔진 시스템(1)의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 엔진 시스템(1)은 실린더(10), 배기 리시버(11), 프리스프레이(12), EGR 쿨러(13), 터보차저(16), 쿨러(17), 미스트 캐쳐(18), 소기 리시버(19), 연료 공급부(20), 가스 공급부(30), 가습부(40) 및 제어부(50) 등을 포함한다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예에 따른 엔진 시스템 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 포함할 수 있다.
실린더(10)는 내부에 공기, 연료 등이 공급되어 연소될 수 있는 연소실을 제공하며, 피스톤(P)은 하사점과 상사점 사이를 왕복 운동할 수 있다. 실린더(10)는 액체연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20), 가스연료를 공급하기 위한 가스 공급부(30)와 연결될 수 있다.
연소실에서 생성된 배기가스는 실린더(10) 상측에 구비된 배기밸브를 통해 배기라인(L1)을 경유하여 배기 리시버(12)로 공급될 수 있다. 배기가스는 배기라인(L1)을 통해 터보차저(16)의 터빈(16a)과 EGR 라인(L2)을 통해 터보차저(16)의 압축기(16b)로 공급될 수 있다. 압축기(16b)에서 배출되는 소기가스는 압축공기라인(L4)을 통해 소기 리시버(19)로 공급될 수 있으며, 소기라인(L5)을 거쳐 실린더(10)로 공급될 수 있다. 압축공기라인(L4) 상에는 쿨러(17)와 미스트 캐쳐(18)가 마련될 수 있다.
본 실시예에서는 소기가스에 물을 공급하여 실린더(10) 내의 연소 온도를 저하시키는 가습부(40)를 더 포함한다. 가습부(40)는 소기가스에 물을 공급하여 소기가스와 물을 균일하게 혼합한 뒤 실린더(10)로 공급하기 위한 것이다. 가습부(40)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 소기가스에 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)는 압축기(16b)에서 가압된 소기가스에 물을 분사할 수 있다. 구체적으로, 가습부(40)는 엔진 시스템(1)의 배기재순환 시스템 상에 마련될 수 있으며, 압축공기라인(L4)을 통해 유동하는 소기가스에 물을 분사하는 방법으로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 가습부(40)는 압축공기라인(L4) 상에서 쿨러(17)를 거쳐 냉각된 소기가스에 물을 분사할 수 있다.
가습부(40)는 가압 및 냉각을 거친 소기가스에 물을 균일하게 혼합시킴으로써, 혼합된 공기의 열용량을 증가시킬 수 있다. 열용량이 증가된 소기가스는 실린더(10) 내로 유입되어 최대 연소 온도를 저감할 수 있게 된다. 이에 따라, 연소에 의한 질소산화물의 발생을 저감할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 이종연료 엔진의 운전모드에 따라 EGR 라인(L2), 터보차저(16) 및 가습부(40) 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(50)를 더 포함하여, 질소산화물의 발생을 저감하고 엔진 시스템(1)의 연비를 개선한다.
제어부(50)는 디젤사이클 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 EGR 라인(L2)을 통해 유동하는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기가스의 유량 제어를 통해 터보차저(16)의 가스 처리량을 감소시킬 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기재순환을 통해 실린더(10)로 공급되는 소기가스의 유량을 감소시켜 실린더(10) 내에서의 연소 속도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 연소실(10) 내의 열용량이 증대되어 질소산화물의 발생이 저감될 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기재순환을 통해 실린더(10)로 공급되는 소기가스의 유량을 감소시켜 불연소되는 연료의 양을 감소시킴으로써, 메탄 슬립을 방지할 수 있다.
제어부(50)는 디젤사이클 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 실린더(10) 내의 연소 압력이 미리 설정된 값 이상이면 연료 공급부(20)의 디젤연료 분사 타이밍을 지연시킬 수 있다. 제어부(50)는 디젤연료 분사 타이밍을 지연시켜 실린더(10) 내의 최대 연소 온도를 저하시킬 수 있다. 반대로, 제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 실린더(10) 내의 연소 압력이 미리 설정된 값보다 낮으면 연료 공급부의 디젤연료 분사 타이밍을 앞당길 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 전술한 가습부(40)를 구동하여 소기가스에 물을 공급할 수 있다. 제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 소기가스에 물을 공급하여 연소실에서의 최대 연소 온도를 저하시켜 질소산화물 발생량을 저감시킬 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 구비하며, 이종연료 엔진의 운전모드에 따라 환경규제를 만족시킬 수 있는 선택적 제어 수단을 제공한다. 본 실시예에 따른 엔진 시스템은 이종연료 엔진의 가스모드 운전시에는 EGR 제어를 통한 질소산화물 발생량을 저감하고, 디젤모드 운전시에는 디젤연료 분사 타이밍 조절과 소기가스에 물을 공급하여 질소산화물 발생량을 저감할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 엔진 시스템(1)의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 엔진 시스템(1)은 실린더(10), 배기 리시버(11), 프리스프레이(12), EGR 쿨러(13), 터보차저(16), 소기 열교환부(17'), 미스트 캐쳐(18), 소기 리시버(19), 연료 공급부(20), 가스 공급부(30), 가습부(40, 40') 및 제어부(50) 등을 포함한다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예에 따른 엔진 시스템 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 실시예에 따른 엔진 시스템(1)은 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 포함할 수 있다.
실린더(10)는 내부에 공기, 연료 등이 공급되어 연소될 수 있는 연소실을 제공하며, 피스톤(P)은 하사점과 상사점 사이를 왕복 운동할 수 있다. 실린더(10)는 액체연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20), 가스연료를 공급하기 위한 가스 공급부(30)와 연결될 수 있다.
연소실에서 생성된 배기가스는 실린더(10) 상측에 구비된 배기밸브를 통해 배기라인(L1)을 경유하여 배기 리시버(12)로 공급될 수 있다. 배기가스는 배기라인(L1)을 통해 터보차저(16)의 터빈(16a)과 EGR 라인(L2)을 통해 터보차저(16)의 압축기(16b)로 공급될 수 있다. 압축기(16b)에서 배출되는 소기가스는 압축공기라인(L4)을 통해 소기 리시버(19)로 공급될 수 있으며, 소기라인(L5)을 거쳐 실린더(10)로 공급될 수 있다. 압축공기라인(L4) 상에는 소기 열교환부(17')와 미스트 캐쳐(18)가 마련될 수 있다.
본 실시예에서는 실린더(10) 내부로 물을 공급하는 가습부(40)와 소기가스에 물을 공급하는 제2 가습부(40')를 더 포함한다.
가습부(40)는 실린더(10)의 연소실에 물을 분사하기 위한 것으로, 피스톤(P)이 하사점에서 상사점으로 이동하는 압축 행정시 실린더(10) 내로 물을 분사하여 압축 온도를 저하시킬 수 있다.
가습부(40)는 가스 공급부(30)로부터 실린더(10) 내로 가스연료가 공급되는 지점의 상측에 물을 분사할 수 있다. 가스 공급부(30)는 실린더(10) 내로 소기가스가 유입되는 소기공의 상측에 배치될 수 있으며, 소기공의 상측에서 가스연료를 공급할 수 있다. 가습부(40)는 가스 공급부(30)의 상측에 마련될 수 있으며, 가스연료가 공급되는 지점의 상측에서 물을 분사할 수 있다.
제2 가습부(40')는 실린더(10)로 공급되는 소기가스에 물을 공급하기 위한 것으로, 소기가스에 물을 공급하여 소기가스와 물을 균일하게 혼합한 뒤 실린더(10)로 공급하여 실린더(10) 내의 연소 온도를 저하시킬 수 있다.
제2 가습부(40')는 압축기(16b)에서 가압된 소기가스에 물을 분사할 수 있다. 구체적으로, 제2 가습부(40')는 엔진 시스템(1)의 배기재순환 시스템 상에 마련될 수 있으며, 압축공기라인(L4)을 통해 유동하는 소기가스에 물을 분사하는 방법으로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 가습부(40')는 압축공기라인(L4) 상에서 소기 열교환부(17')를 거쳐 냉각된 소기가스에 물을 분사할 수 있다.
본 실시예의 배기재순환 시스템은 터보차저(16)로부터 공급되는 소기가스와 냉각수를 열교환시켜 소기가스를 냉각시키는 소기 열교환부(17')를 더 포함한다.
소기 열교환부(17')는 엔진 시스템(1) 내에서 생성될 수 있는 물과 압축기(16b)에서 가압된 소기가스를 열교환시킬 수 있다. 소기 열교환부(17')가 이용할 수 있는 냉각수의 종류는 한정되지 않으며, 복수개의 냉각수를 공급받아 소기가스와 열교환시킬 수 있다.
구체적으로, 소기 열교환부(17')는 온도가 서로 상이한 두 개 이상의 냉각수를 이용하여 소기가스를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 소기 열교환부(17')는 상대적으로 저온의 냉각수(LCW)와 상대적으로 고온의 냉각수(HCW) 중 적어도 하나를 공급받아 소기가스와 열교환시킨 뒤, 외부(OUT)로 배출할 수 있다.
저온의 냉각수(LCW)로는 엔진 시스템(1)의 압축공기라인(L4) 상에 마련될 수 있는 일반적인 쿨러(17)에 이용되는 냉각수를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 약 20 내지 40℃의 온도를 갖는 것을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 냉각수는 약 25 내지 36℃의 온도를 가질 수 있다.
고온의 냉각수(HCW)로는 엔진 시스템(1)에 이용되는 엔진 냉각수를 사용할 수 있다. 엔진 냉각수는 실린더(10) 또는 연소실 벽, 밸브 및 각종 배관과 열교환되도록 마련되는 워터 자켓을 통해 순환한 뒤 소기 열교환부(17')로 공급될 수 있다. 이러한 엔진 냉각수는 약 70 내지 95℃의 온도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 엔진 냉각수는 약 80 내지 90℃의 온도를 가질 수 있다.
소기 열교환부(17')는 약 20 내지 40℃의 온도를 갖는 제1 냉각수와 약 70 내지 95℃의 온도를 갖는 제2 냉각수를 이용하여 소기가스를 냉각시킬 수 있다. 소기 열교환부(17')는 냉각수 공급라인(L6)을 통해 하나 이상의 냉각수를 공급받을 수 있으며, 소기 열교환부(17')에서 소기가스와 열교환된 냉각수는 다시 냉각수 공급라인(L6)을 통해 외부(OUT)로 배출되거나 냉각수가 공급된 곳으로 리턴될 수 있다.
본 실시예에서는 이종연료 엔진의 운전모드에 따라 EGR 라인(L2), 터보차저(16), 가습부(40, 40') 및 소기 열교환부(17') 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(50)를 더 포함하여, 질소산화물의 발생을 저감하고 엔진 시스템(1)의 연비를 개선한다.
제어부(50)는 디젤사이클 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 EGR 라인(L2)을 통해 유동하는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기가스의 유량 제어를 통해 터보차저(16)의 가스 처리량을 감소시킬 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기재순환을 통해 실린더(10)로 공급되는 소기가스의 유량을 감소시켜 실린더(10) 내에서의 연소 속도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 연소실(10) 내의 열용량이 증대되어 질소산화물의 발생이 저감될 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 배기재순환을 통해 실린더(10)로 공급되는 소기가스의 유량을 감소시켜 불연소되는 연료의 양을 감소시킴으로써, 메탄 슬립을 방지할 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 가스모드 운전시 제1 냉각수를 이용하여 실린더(10)로 공급되는 소기가스를 냉각시킬 수 있다. 이에 따라 연소실 내에서의 압축 온도를 최소화하여 조기점화나 노킹 발생을 방지할 수 있게 된다.
제어부(50)는 디젤사이클 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 실린더(10) 내의 연소 압력이 미리 설정된 값 이상이면 연료 공급부(20)의 디젤연료 분사 타이밍을 지연시킬 수 있다. 제어부(50)는 디젤연료 분사 타이밍을 지연시켜 실린더(10) 내의 최대 연소 온도를 저하시킬 수 있다. 반대로, 제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 실린더(10) 내의 연소 압력이 미리 설정된 값보다 낮으면 연료 공급부의 디젤연료 분사 타이밍을 앞당길 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 전술한 제2 가습부(40')를 구동하여 소기가스에 물을 공급할 수 있다. 제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 소기가스에 물을 공급하여 연소실에서의 최대 연소 온도를 저하시켜 질소산화물 발생량을 저감시킬 수 있다.
제어부(50)는 이종연료 엔진의 디젤모드 운전시 제2 냉각수를 이용하여 실린더(10)로 공급되는 소기가스를 냉각시킬 수 있다. 디젤모드 운전시에는 상대적으로 고온의 제1 냉각수를 이용하여 소기가스의 온도를 약 70℃로 조절할 수 있다. 이를 통해, 디젤모드 운전시 제2 가습부(40')를 거쳐 실린더(10)로 공급되는 소기가스의 온도를 일정하게 유지할 수 있으며, 제2 가습부(40')에서 응축수의 형성이 일어나지 않는 수준에서 충분한 양의 물을 공급하여 실린더(10)로 공급하게 함으로써, 질소산화물의 발생량을 저감시킬 수 있게 된다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 디젤사이클 이종연료 엔진과 배기재순환 시스템을 구비하며, 이종연료 엔진의 운전모드에 따라 환경규제를 만족시킬 수 있는 선택적 제어 수단을 제공한다. 본 실시예에 따른 엔진 시스템은 이종연료 엔진의 가스모드 운전시에는 EGR 제어 및 소기가스의 저온 냉각을 통해 조기점화 및 노킹을 방지하고, 디젤모드 운전시에는 디젤연료 분사 타이밍 조절과 소기가스의 고온 냉각을 통해 질소산화물 발생량을 저감할 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 실시 예의 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.
1: 엔진 시스템 10: 실린더
11: 배기 리시버 12: 프리스프레이
13: EGR 쿨러 14: 자동밸브
15: 산소 센서 16a: 터빈
16b: 압축기 17: 쿨러
17': 소기 열교환부 18: 미스트 캐쳐
19: 소기 리시버 20: 연료 공급부
21: 혼합연료 공급부 30: 가스 공급부
40, 40': 가습부 50: 제어부
L1: 배기라인 L2: EGR 라인
L3: 외기라인 L4: 압축공기라인
L5: 소기라인 L6: 냉각수 공급라인

Claims (6)

  1. 배기가스를 배출하는 배기라인;
    연료를 연소시키기 위한 실린더;
    상기 실린더에서 하사점과 상사점 사이를 왕복 이동하는 피스톤;
    상기 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 중간에 상기 실린더에 가스연료를 공급하는 가스 공급부;
    상기 실린더 내로 물을 공급하는 가습부; 및
    소기가스를 흡입하는 소기라인을 포함하며,
    상기 가습부는,
    상기 가스연료가 공급되는 지점의 상측에 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은,
    2행정 또는 4행정의 디젤사이클 이종연료 엔진이며,
    상기 가습부는,
    상기 실린더의 압축 행정시 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는,
    상기 실린더에 소기가스가 유입되는 소기공의 상측에 배치되며,
    상기 가습부는,
    상기 가스 공급부의 상측에 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습부는,
    상기 실린더 내로 가스연료가 공급된 이후에 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기라인으로부터 공급되는 배기가스를 공급받으며, 소기가스를 압축하여 상기 소기라인으로 공급하는 터보차저 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배기라인으로부터 공급되는 배기가스를 EGR 라인 및 상기 터보차저로 전달하는 배기 리시버;
    배기가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함하며, 냉각된 배기가스와 외기를 상기 터보차저로 공급하는 EGR 라인; 및
    상기 터보차저로부터 공급되는 배기가스를 상기 소기라인으로 전달하는 소기 리시버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
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