KR101274016B1

KR101274016B1 - 배기 개스 재순환이 되는 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진

Info

Publication number: KR101274016B1
Application number: KR1020120009055A
Authority: KR
Inventors: 스크졸다저 피터; 스토야코비치 젤리코; 젠센 킴
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-06-12
Also published as: DK177388B1; JP2012159079A; KR20120088590A; DK201100060A; JP5661658B2; CN102619615B; CN102619615A

Abstract

본 발명은 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진(1)에 관한 것으로서, 이것은 배기 개스 재순환 시스템(30,32)을 포함하고, 배기 개스 재순환 시스템은 활성화될 수 있거나 또는 비활성화될 수 있거나, 또는 가변적인 배기 개스 재순환 비율로써 작동될 수 있다. 터보차저(16)의 적절한 조화를 보장하기 위하여, 특히 모든 작동 조건들에서 터보차저(16)의 콤프레서(18)의 조화를 보장하기 위하여, 제어 가능한 밸브(42)를 구비하는 실린더 바이패스 유동 경로(40)는 배기 개스 재순환이 있거나 또는 없는 작동 모드들에서 터보차저(16)를 엔진(1)에 조화시킬 수 있다.

Description

배기 개스 재순환이 되는 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진{Large turbocharged two-stroke diesel engine with exhaust gas recirculation}

본 발명은 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 내부 연소 피스톤 엔진에 관한 것이며, 바람직스럽게는 배기 개스 정화 시스템을 가진 디젤 엔진에 관한 것이고, 특히 배기 개스 재순환 시스템을 가진 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 디젤 엔진에 관한 것이다.

크로스헤드 유형의 대형 2 행정 엔진들은 통상적으로 대형 선박들의 추진 시스템이나 또는 발전소의 엔진으로서 이용된다. 개스 배출 요건들은 과거에 충족시키기 어려웠으며 점점 더 어려워지며, 특히 질소 산화물(NOx) 레벨과 관련하여 그러하다.

배기 개스 재순환은 연소 엔진에서 NOx 를 감소시키는 것을 보조하는 것으로 알려진 조치이다.

국제 해양 기구(International Maritime Organization; IMO) Tier II 및 Tier III 의 배출 기준과 같은 다양한 배출 요건들을 충족시키기 위하여, 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 디젤 엔진들에서 배기 개스 재순환 시스템과 함께 작동될 수 있는 것이 유리하며, 그러한 배기 개스 재순환 시스템은 켜지거나 또는 꺼질 수 있으며, 또는 배기 개스 재순환 비율이 변화될 수 있다.

크로스헤드 유형의 대형 2 행정 엔진의 터보차저는, 터보차저가 어떤 엔진 작동 조건하에서도 초크(choke)되거나 또는 서지(surge)되지 않는 것을 보장하도록, 그리고 요구되는 소기 공기 압력 및 효율을 제공하게끔 터보차저가 작동되는 것을 보장하도록, 엔진에 조화(matching)될 필요가 있다. 콤프레서의 특성은 터보차저가 최대 효율에 가깝게 작동되는지를 판단하지만, 콤프레서의 안정성을 보장하도록 충분한 서지 마진(surge margin)을 가지고 작동하도록 한다. 터보차저의 작동 지점은 천이하는 동안, 예를 들어 빠른 엔진 부하의 감소동안, 또는 비정상의 상황 동안에 콤프레서 맵(compressor map)에서 서지 라인(surge line)에 접근할 수 있으므로, 서지 마진이 필요하다.

그러나, 대형 2 행정 디젤 엔진에서 배기 개스 재순환 비율이 예를 들어 40 % 로부터 0 % 로 변화될 때, 터보차저의 터빈으로의 유입부에서 배기 개스의 질량 유동은 대략 30 내지 40 % 로 증가될 것이다. 따라서, 만약 터보차저가 40 % 의 배기 개스 재순환 비율에서 엔진에 조화된다면, 배기 개스 재순환이 비활성화되었을 때 소기 공기 압력에서의 부조화가 있을 것이다. 배기 개스 재순환이 있는 작동으로부터 배기 개스 재순환이 없는 작동으로 작동이 전환될 때 발생되는 소기 공기 압력 및 유동 용량의 변화를 처리하는데 필요한 전체 범위가, 오늘날 사용되는 터보차저의 베인형 콤프레서(vaned compressor)에는 존재하지 않는다.

따라서, 엔진에 대한 터보차저의 조화를 손상시키지 않으면서 변화되는 배기 개스 재순환 비율과 함께 작동될 수 있는 터보차지 2 행정 디젤 엔진에 대한 필요성이 있다.

이러한 배경으로, 본 발명의 목적은 가변적인 배기 개스 재순환 비율 및/또는 활성화되거나 또는 비활성화된 배기 개스 재순환 시스템을 가지고 작동될 수 있는 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진을 제공함으로써 달성되는데, 이것은 열(line)을 지어 배치된 복수개의 실린더들; 배기 개스 수용부의 유출부에서 실질적으로 일정한 압력을 제공하도록 개별적인 실린더들의 배기로부터의 압력 펄스를 균등화시키기 위한 커다란 체적을 가진 배기 개스 수용부; 배기 개스 수용부의 유출부를 터보차저의 터빈에 연결하는 배기 도관; 터빈에 의해 구동되는 터보차저의 콤프레서로서, 소기 공기 냉각기를 포함하는 소기 공기 경로를 통해 소기 공기 수용부로 소기 공기를 전달하는, 콤프레서; 엔진의 저부하 조건에서 터빈을 보조하도록 소기 공기 경로와 결합된 보조 송풍기; 실린더에 연결되는 소기 공기 수용부로서, 개별적인 실린더들로의 유입 유동에 의해 야기되는 압력 서지(pressure surge)를 감소시키기 위한 대형의 체적을 가지는, 소기 공기 수용부; 배기 개스의 일부를 소기 공기로 공급하기 위한 송풍기 또는 콤프레서를 구비하는 배기 개스 재순환 유동 경로; 소기 공기 냉각기 이전에 취해진 고온 소기 공기의 일부를 터보차저의 터빈으로 공급하기 위한 실린더 바이패스 유동 경로; 및, 실린더 바이패스 유동 경로를 통한 유동을 제어하는, 제어 가능한 밸브;를 포함한다.

배기 개스 재순환과 함께 작동하는 동안 터보차저의 콤프레서로부터의 고온 소기 공기가 터보차저의 터빈으로 직접 유동하는 것을 허용하는 실린더 바이패스 유동 경로를 제공함으로써, 공기 냉각기에서 손실되었을 추가적인 에너지 및 질량 유동이 터보차저의 터빈 및 터빈으로만 제공되며, 그것은 배기 개스 재순환이 활성화되지 않았을 때의 작동 지점을 향하여(즉, 높은 소기 공기 압력을 향하여) 터보차저의 작동 지점이 이동하는 결과를 가져온다. 이것은 배기 개스 재순환이 있는 작동 모드 및 배기 개스 재순환이 없는 작동 모드 양쪽에서 터보차저가 엔진에 잘 조화되는 것을 허용하며, 양쪽 작동 모드들에서 수용 가능한 소기 공기 압력을 제공한다.

소망의 효과를 얻기 위하여, 실린더 바이패스 라인에서의 개스 유동의 비 에너지(specific energy)는 개스가 터빈에 도달하기 전에 일정하게 유지되거나 또는 증가되는 것이 필수적이다. 그 어떤 에너지의 손실이라도 소망의 효과를 감소시키거나 또는 심지어 완전히 제거할 것이다.

일 실시예에서, 전자 제어 유닛은 배기 개스 재순환 비율이 증가되면 상기 밸브의 개방이 증가되도록 구성되고 그 역으로 되도록 구성됨으로써, 터보차저는 엔진이 작동되는 모든 EGR 비율들에서 엔진에 조화된다.

일 실시예에서 배기 개스 재순환 유동 경로는 활성화될 수 있고 비활성화될 수 있다.

바람직스럽게는, 배기 개스 재순환 경로가 활성화되었을 때 실린더 바이패스 유동 경로에서의 밸브는 개방되거나 또는 부분적으로 개방된다.

일 실시예에서, 배기 개스 재순환 경로가 활성화되었을 때 실린더 바이패스 유동 경로에서의 밸브는 개방되거나 또는 부분적으로 개방된다.

일 실시예에서, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진은 배기 개스 재순환 비율을 제어하도록 구성된 전자 제어 유닛을 포함함으로써, 개스 순환 비율은 배기 개스 순환 유동 경로내의 송풍기를 제어함으로써 변화될 수 있고 전자 제어 유닛은 배기 개스 순환 비율, 엔진 부하 및 연소 챔버 구성 요소들에서 수용가능한 열적 부하와 관련하여 밸브의 개방을 제어하도록 구성된다. 실린더 바이패스 밸브의 수용 가능한 개방은 3 개 요소들 사이의 절충일 것이다.

바람직스럽게는, 전자 제어 유닛은 배기 개스 재순환 비율이 증가하면 밸브의 개방을 증가시키도록 구성되고 그 역으로도 구성되고, 엔진 부하가 감소되면 밸브의 개방이 증가되도록 구성되는데, 왜냐하면 수용 가능한 열적 부하(heat load)에 대한 마진(margin)이 증가되고 실린더 바이패스 밸브에 걸친 구동 압력의 차이가 낮은 엔진 부하에서 감소되기 때문이다. 상기와 같은 조합이 의미하는 것은 실린더 바이패스의 개방이 상이한 작동 모드들을 참작해야할 필요가 있고 미리 프로그램되어야 한다는 것이다.

일 실시예에서, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진은 배기 개스 재순환 비율을 제어하도록 구성된 전자 제어 유닛을 포함하고, 전자 제어 유닛(50)은 배기 개스 순환 비율 및 엔진 부하와 관련하여 실린더 바이패스 유동 경로(40)를 통한 유동을 제어하도록 구성된다.

일 실시예에서, 배기 개스 재순환 경로 및 실린더 바이패스 유동 경로는 열교환기를 통하여 열을 교환시킨다. 이러한 방식으로 최대의 가용 에너지가 회수되고 터빈으로 전달된다.

상기의 목적은 실린더 바이패스 도관 및 배기 개스 재순환 시스템을 가진 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 터보차지 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법을 제공함으로써 달성되는데, 이것은 배기 개스가 재순환될 때 소기 공기가 실린더들을 바이패스하는 것을 허용하고, 배기 개스가 재순환되지 않을 때 공기가 실린더들을 바이패스하는 것을 허용하지 않는다.

상기의 목적은 실린더 바이패스 도관 및 배기 개스 재순환 시스템을 가진 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 터보차지 디젤 엔진의 작동 방법을 제공함으로써 달성되는데, 이것은 배기 개스 재순환 비율 및 엔진 부하와 관련하여 실린더들을 바이패스시키도록 소기 공기의 유동을 제어하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 대형 2 행정 내부 연소 디젤 엔진 및 대형 2 행정 터보차지 디젤 엔진의 작동 방법의 다른 목적, 특징, 장점 및 특성들은 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 다음의 상세한 설명에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 도면이다.
도 2 는 도 1 의 실시예에 따른 엔진의 다른 개략적인 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 엔진의 다른 예시적인 실시예이다.

본 발명에 따른 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진 및, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 디젤 엔진의 작동 방법에 대한 다음의 상세한 설명에서 예시적인 실시예들이 설명될 것이다.

도 1 및 도 2 는 대형 2 행정 디젤 엔진(1)의 제 1 예시적인 실시예를 도시한다. 엔진(1)은 예를 들어 해양 선박의 주 엔진으로서 이용될 수 있거나, 또는 발전소의 발전기를 작동시키기 위한 고정 상태의 엔진으로서 이용될 수 있다. 엔진의 총 출력은 예를 들어 2,000 내지 110,000 kW 범위에 있을 수 있다.

엔진(1)은 열을 지어 옆에 배치된 복수개(통상적으로 5 내지 14 개)의 실린더(2)들을 구비한다. 각각의 실린더(2)는 왕복 피스톤(3)을 구비한다. 피스톤(3)은 피스톤 로드(5), 크로스헤드(6) 및 커넥팅 로드(7)를 통하여 크랭크샤프트(4)에 연결된다. 크로스헤드(6)는 안내 평면들 사이에서 안내되는 크로스헤드 베어링(crosshead bearing)을 포함한다.

각각의 실린더(2)는 실린더 덮개와 결합된 배기 밸브(10)를 구비한다. 배기 채널들은 배기 밸브(10)에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있다. 배기 굽힘부(11)는 배기 개스 수용부(12)에 연결된다. 배기 개스 수용부(12)는 실린더(2)들 열의 상부에 근접하여 평행하게 배치된 대형의 신장(伸長)된 실린더형 콘테이너이다. 배기 개스 수용부(12)는 대형의 체적을 가져서, 배기 개스 수용부가 배기 밸브(12)의 개방시에 개별적인 실린더(2)들로부터의 배기 개스의 주기적인 유입에 의해 야기되는 압력 펄스들을 균등화시킬 수 있다. 배기 개스 수용부(12)의 균등화 효과는 배기 개스 수용부(12)의 유출부에서 실질적으로 일정한 압력을 제공한다. 대형 2 행정 디젤 엔진들에서 이용되는 배기 개스 구동의 터보차저 또는 터보차저들(12)은 일정한 공급 압력인 것이 유리하기 때문에, 배기 개스 수용부(12)의 유출부에서의 일정한 압력이 요구된다.

배기 개스 수용부(12)로부터, 배기 개스는 배기 도관(14)을 통하여 터보차저(16)의 터빈(17)을 향해 안내된다 (복수개의 터보차저(16)들이 있을 수 있다). 배기 개스는 터빈(17)의 하류측의 대기로 배출된다. 터보차저(16)는 일정한 압력의 터보차저로서, 즉, 터보차저(16)는 배기 개스내에 압력 펄스를 가지면서 작동하도록 구성되지 않는다. 터보차저(16)는 축방향 터빈 또는 반경 방향 터빈을 가지며, 최대 대략 500 내지 550℃ 의 배기 개스 온도로 구성된다.

터보차저(6)는 터빈(17)에 의해 구동되는 콤프레서(18)를 포함한다. 콤프레서(18)는 공기 흡입부에 연결된다. 콤프레서(18)는 소기 공기 도관(scavenge air conduit, 21)을 통하여 소기 공기 수용부(20)로 고압의 소기 공기를 전달하는데, 소기 공기 도관(21)은 소기 공기 냉각기(22) 및, 역지밸브(non-return valve, 24)와 결합된 보조 송풍기(23)를 포함한다. 보조 송풍기(23)는 통상적으로 전기 모터에 의해 구동되고 (유압 모터에 의해 구동될 수도 있다), 충분한 소기 작용을 유지하게끔 콤프레서(18)를 지원하도록 낮은 부하의 조건(통상적으로 최대의 연속 정격(maximum continuous rating)의 40 % 아래)에서 시동된다. 보조 송풍기(23)가 이용되지 않을 때(통상적으로 최대의 연속 엔진 정격의 40 % 초과), 그것은 역지 밸브(24)를 통하여 바이패스된다.

소기 공기 수용부(20)는 실린더(2)들의 열(row)의 저부에 근접하고 평행하게 배치된 대형의 신장(伸長))된 실린더형 콘테이너이다. 소기 공기 수용부(20)는 커다란 체적을 가져서, 소기 포트(26)의 개방시에 개별 실린더(2)들에 대한 소기 공기의 주기적인 유출에 의해 야기되는 압력 강하를 소기 공기 수용부(20)가 보상할 수 있게 한다. 소기 공기 수용부(26)의 보상 효과는 소기 공기 수용부내의 실질적으로 일정한 압력을 제공함으로써, 실질적으로 같은 소기 공기 압력이 각각의 실린더(2)에서 이용될 수 있다. 대형 2 행정 디젤 엔진들에서 이용되는 터보차저 또는 터보차저들(16)은 일정한 공급 압력으로 작동되고 일정한 공급 압력을 전달하기 때문에, 즉, 개별적인 실린더(2)들을 소기시키는데 이용될 수 있는 압력 펄스가 없기 때문에, 소기 공기 수용부(26)에서의 일정한 압력이 요구된다.

소기 공기는 소기 공기 수용부(20)로부터 개별 실린더(2)의 소기 공기 포트(26)로 통과된다.

엔진(1)은 배기 개스 재순환 시스템을 구비한다. 배기 개스 재순환 시스템은 NO_X 의 배출을 감소시키기 위하여 배기 개스의 일부를 소기 공기로 전달하도록 구성된다. 배기 개스 재순환 시스템은 활성화될 수 있거나, 또는 비활성화될 수 있거나, 또는 변화되는 배기 개스 재순환 비율들과 함께 작동될 수 있는 유형의 것이다. 배기 개스 재순환 시스템은, 배기 개스 수용부(12)로부터 또는 배기 개스 도관(14)으로부터 소기 공기 도관(21)으로 또는 소기 공기 수용부(20)로의 유동 경로를 포함한다. 대안으로서, 배기 개스는 밸브 또는 포트(미도시)를 통하여 직접적으로 실린더(2)로부터 취해질 수 있다.

도 1 및 도 2 의 예시적인 실시예에서, 배기 개스 재순환 도관(32)은 배기 개스 도관(14)을 소기 공기 도관(21)에 연결시킨다.

도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에서, 배기 개스 재순환 도관(32)은 배기 개스 수용부 하류측의 위치에서 배기 개스 도관(14)으로부터 분기되고, 소기 공기 냉각기(22)의 하류측의 위치에서 소기 공기 도관(21)에 연결된다.

배기 개스 재순환 도관(32)은 배기 개스 시스템의 다양한 구성 요소들을 포함한다. 이들 구성 요소들은 스크러버(scrubber) 또는 필터(fliter), 흡입 송풍기(33)(전기 모터 또는 유압 모터에 의해 구동됨), 냉각기 및 하나 또는 그 이상의 밸브들을 포함할 수 있다.

송풍기(33) 및 밸브들, 즉, 배기 개스 재순환 유닛(30)의 구성 요소들은 전자 제어 유닛(50)에 연결된다. 전자 제어 유닛(50)은 작동 조건 및 작업자로부터의 입력에 기초하여 배기 개스 재순환 시스템의 활성화를 제어한다. 전자 제어 유닛(50)은 배기 개스 재순환 시스템을 활성화시키고 비활성화시키며, 필요하다면 배기 개스 재순환 비율, 즉, 공기와 배기 개스 사이의 비율을 가변적으로 제어한다.

엔진(1)은 소기 공기 도관(21)을 배기 개스 도관(14)에 연결시키는 실린더 바이패스 도관(40)을 구비한다.

실린더 바이패스 도관(40)의 일 단부는, 콤프레서(18)의 하류측이면서 배기 개스 재순환 도관(32)이 소기 공기 도관(21)에 연결되는 위치의 상류측의 위치에서 소기 공기 도관(21)에 연결된다. 대안으로서, 실린더 바이패스 도관(40)의 일 단부는 도 2 에서 일점 쇄선으로 표시된 바와 같이 소기 공기 수용부(20)에 연결된다. 소기 공기 도관(21)을 따른 다른 연결 위치들도 가능하다.

실린더 바이패스 도관(40)의 다른 단부는, 배기 개스 재순환 도관(32)이 배기 개스 도관(14)에 연결되는 위치의 하류측이면서 터빈(12)의 유입부의 상류측인 위치에서 배기 개스 도관(14)에 연결된다. 배기 개스 도관(14)을 따른 다른 연결 위치 또는 배기 개스 수용부(12)에서의 다른 연결 위치도 가능하다.

실린더 바이패스 도관(40)은 전자적으로 제어되는 밸브(42)를 구비하며, 이것은 전자 제어 유닛(50)의 명령하에 소기 공기 유동 경로(21)로부터 배기 도관(14)으로의 소기 공기의 유동을 조절한다. 전자적으로 제어되는 밸브(42)는 밸브를 통한 유동에 대하여 가변적이고 제어 가능한 제한의 정도(degree of restriction)를 가진다.

일 실시예에서, 밸브(42)는 전자 제어 유닛(50)에 의해 제어되는 온/오프(on/off) 유형이다. 이러한 실시예에서 전자 제어 유닛(50)은 배기 개스 재순환 시스템이 활성화될 때 밸브(42)를 개방하도록 구성되고, 배기 개스 재순환 시스템이 비활성화되거나 또는 배기 개스 재순환 시스템이 낮은 배기 개스 재순환 비율로 작동되고 있을 때 밸브(42)를 폐쇄하도록 구성된다.

소망되는 효과를 얻기 위하여, 실린더 바이패스 라인에서의 개스 유동의 비에너지(specific energy)는 터빈에 도달되기 전에 증가되거나 또는 일정하게 유지되는 것이 필수적이다. 에너지의 그 어떤 손실이라도 소망되는 효과를 감소시키거나 또는 심지어 완전하게 제거할 것이다.

다른 실시예에서, 전자적으로 제어되는 밸브(42)는 비례 밸브이다. 그러한 실시예에서 전자 제어 유닛은 배기 개스 재순환 비율과 관련하여 그리고 엔진 부하와 관련하여 전자적으로 제어되는 밸브(42)의 개방을 제어하도록 구성된다.

일 실시예에서 전자적으로 제어되는 밸브(42)의 개방의 정도는 배기 개스 재순환 비율의 수준에 역비례한다.

배기 개스 재순환 시스템은 다양한 이유로 비활성화될 수 있다. 그러한 이유들중 하나는 배기 개스 재순환 시스템의 결함 또는 기능 불량이다. 배기 개스 재순환 시스템의 비활성에 대한 다른 이유는 Tier II NO_X 방출 레벨과 관련하여 엔진을 연료 최적화시키는 가망성일 수 있다. 배기 개스 재순환 비율은 예를 들어 0 % 내지 대략 45 % 사이에서 변화될 수 있다.

터보차저(16)는 서지 현상(surging) 또는 초크 현상(chocking) 때문에 엔진(1)에 잘 조화되지 않을 때 잘 작동되지 않거나 또는 전혀 작동되지 않는다. 통상적인 콤프레서 특성에서, 압력 비율은 질량 유동 비율의 함수로서 좌표 위치가 결정되고(plotting), 회전 속도 및 효율의 윤곽들은 중첩된다. 터보차저를 엔진에 조화시킬 때, 엔진의 작동 지점들을 가장 높은 효율의 윤곽에 가깝거나 또는 그 윤곽 안에 배치시키고, 그러나 서지 라인(surge line)에 대해서는 안전 마진(safer margin)을 두는 것이 목적이다.

배기 개스 재순환 시스템이 활성 상태로부터 비활성 상태로 변화될 때, 터보차저의 작동 조건들이 실질적으로 변화된다. 터보 차저(16)는 활성화된 배기 개스 재순환 시스템과의 작동(즉, 예를 들어 대략 20 내지 45 % 사이의 배기 개스 재순환 비율 및 터보차저(16)와의 양호한 조화를 이룬 작동)을 위해 엔진(1)에 조화된다. 대응 조치가 없으면, 배기 개스 재순환 시스템이 비활성화될 때 터보차저(16)는 잘 조화되지 않을 것이며, 왜냐하면 소기 공기 압력 및 유동이 대략 25 % 로 증가될 것이고, 그러한 증가는 높은 엔진 부하에서 수용 불가능하며 터보차저의 초크 현상 및 과속과 저효율로 이어질 수 있기 때문이다.

배기 개스 재순환 없이 (또는 소량의 EGR 로) 가동되는 Tier II 엔진, 또는 IMO Tier III 배출 규정을 수행하는 배기 개스 재순환 엔진에 대하여 터보차저(16)를 조화시키는 것은 엔진(1)의 연료 소비/콤프레서/터보차저 효율과 콤프레서의 안정성(서지 마진(surge margin)) 사이의 절충이다. 만약 배기 개스 재순환이 없이 가동될 때 터보차저의 콤프레서가 최적의 설계(layout)와 조화되면, 배기 개스 재순환은 콤프레서(18)를 통하여 유량을 감소시키므로 (엔진 작동 지점은 서지 라인(surge line)을 향하여 움직인다) 불필요하게 커다란 서지 마진이 있다. 통상적인 터보차저 또는 가변적인 터빈 면적의 터보차저는, 소기 공기 압력 (부스트 압력) 및 엔진 효율을 손상시키지 않으면서 이들 2 가지 모드들 사이에서 전환될 때 유동의 변화를 처리하는데 필요한 유동의 범위를 가지지 않는다.

일 실시예에서, 터보차저(16)의 콤프레서(18)는 배기 개스 재순환 작동 및 개방된 실린더 바이패스 유동 경로(40)에 대하여 조화된다. 비(非) 배기 개스 재순환 모드로 전환될 때 실린더 바이패스 유동 경로(40)가 폐쇄됨으로써, 터보차저(16)의 콤프레서(18)가 초크(choke)되는 것을 회피하기 위하여 유동 및 소기 공기 압력에서의 증가는 감소되는 것이 보장되고, 콤프레서 특성(맵(map))에서의 최적 가동 조건들이 얻어진다. 다른 효과는 계획된 NOx 감소를 달성하는데 낮은 절대 배기 개스 재순환 질량 유동이 요구된다는 것이며, 왜냐하면 실린더(2)들을 통한 공기 유동은 실린더 바이패스 유동 경로(40)가 개방되었을 때 감소되기 때문이다. 또다른 효과는 배기 개스 재순환 시스템 자체의 용량이 감소될 수 있다는 것이며, 왜냐하면 적은 흡입 송풍기 동력 및 순환된 배기 개스의 양이 필요하기 때문이다. 따라서, 엔진이 작동되는 모든 EGR 비율들에서 터보차저(16)가 엔진에 조화되도록, 제어 유닛(50)은 증가되는 배기 개스 재순환 비율과 함께 상기 밸브(42)의 개방이 증가되도록 구성되고 또한 그 역으로도 이루어지도록 구성된다.

실린더 바이패스 유동의 부정적인 효과는 실린더(2)를 통과하는 소기 개스의 양이 감소됨으로써 야기되는 엔진에 대한 열부하(heat load)가 증가된다는 점이다. 일 실시예에 따르면, 터보차저(16) 및 엔진 작동의 조화는 다음과 같다.

엔진 작동 모드가 IMO Tier II 로 변화될 때, 실린더 바이패스 유동 경로(40)는 전자 제어 유닛(50)의 명령하에 밸브(42)에 의해 폐쇄되고, 배기 개스 재순환 경로는 연속 최대 정격(continuous maximum rating)의 대략 90% 하의 모든 엔진 부하들에 대하여 비활성화된다.

IMO Tier II 모드에서의 소기 공기 압력은 활성 배기 개스 재순환을 가진 IMO Tier III 모드에 대하여 실질적으로 증가될 것이지만, 소기 공기 압력은 조화 압력을 초과하지 않을 것이다. 부분적인 부하 조건들에서의 증가되는 소기 압력은 자체적으로 낮은 방출을 초래할 것이며, 연료 소비율(specific fuel oil consumption)을 최적화시키는 광범위의 가능성을 허용한다.

대략 90% 의 엔진 부하에서 소기 공기 압력은 조화 압력(matching pressure)에 근접할 것이다. 이러한 지점에서 터보차저(16)는 조화 소기 공기 압력(matching scavenge air pressure)에 도달하며, 엔진 부하가 더 증가하면 배기 개스 재순환 비율이 점진적으로 증가됨으로써 소기 공기 압력을 조화 압력의 100 % 에서 일정하게 유지한다. 따라서, Tier II 모드에서, 엔진(1)은 그것의 부분적인 부하에서 높은 소기 압력으로 작동되고, 그리고 대략 90 % 엔진 부하에서의 소기 공기 압력에서 벤드(bend)로써 작동된다. 100 % 의 엔진 부하에서, 조화(matching)를 위하여 이용되었던 배기 개스 재순환 비율의 대략 30 % 가 소기 공기 압력을 조화 수준(matching level)에서 유지하는데 필요하다. 따라서, 90 % 의 엔진 부하에서는 작은 양의 배기 개스 재순환이 있게 되는데, 이것은 NOx 의 충분하고 추가적인 감소를 제공할 것이다.

따라서, 배기 개스 재순환 유동 경로(32)가 작동되지 않는, 있을 것 같지 않는 경우에, 콤프레서의 안정성의 문제 없이, 엔진(1)의 최대 연속 동력의 정격(rating)은 90 % 로 여전히 이용될 수 있을 것이다. 종종, 터보차저(16)는 비상 작동시에 증가된 압력을 취급할 수 있으며, 따라서 100 % 인 엔진(1)의 최대 연속 동력의 정격이 통상적으로 가능할 것이다.

대안으로서, IMO Tier II 작동에서 높은 압력의 보일러가 배기 개스 도관내에 설치될 수 있다. 이러한 경우에 조화 소기 압력은 배기 개스 재순환을 이용하지 않으면서 100 % 의 엔진 부하에서 얻어진다. 대안으로서, 터빈 바이패스(turbine by-pass)가 터빈의 둘레에 설치될 수 있다. 바이패스는 조화 소기 공기 압력을 얻기 위하여 100 % 의 엔진 부하에서 개방된다.

도 3 에 도시된 실시예는 실질적으로 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명된 실시예와 동일하며, 예외적으로 열교환기(44)가 추가된 것이다. 열교환기(44)는 재순환된 배기 개스와 바이패스된 소기 공기 사이의 열교환을 허용한다. 따라서, 재순환된 배기 개스는 냉각되고, 바이패스 소기 공기는 터보차저(16)의 터빈(17)에 전달될 수 있는 에너지를 더 얻을 수 있다.

EGR 모드에서 가동될 때 실린더 바이패스를 이용함으로써 터보차저의 터빈에 의해 상실된 질량 및 에너지 유량에 의해 야기된 소기 공기 압력 및 유량의 감소는 대부분 보상되며, 즉, 콤프레서 맵(compressor map)에서의 터보차저의 콤프레서의 작동 위치는 콤프레서 맵에서 서지 라인(surge line)으로부터 벗어나서 안전 영역 및 고효율 영역을 향하여 움직인다.

본 발명의 다른 장점들은 배기 개스 재순환 시스템 및 그것의 구성 요소들의 고장의 경우에 추진 신뢰성(propulsion reliability)이 현저하게 증가되는 것이며, IMO Tier II 및 III 작동에서의 동일한 콤프레서 안정성이다. 배기 개스 재순환이 없다는 사실에도 불구하고, IMO Tier II 모드에서의 부분 부하의 상대적으로 높은 소기 압력은 낮은 연료 소비율을 보장할 것이다.

본 출원에 개시된 내용이 설명의 목적을 위하여 상세하게 설명되었을지라도, 그러한 상세 내용은 오직 그 목적만을 위한 것임이 이해되어야 하며, 본 출원에 개시된 범위로부터 이탈하지 않으면서 당업자는 변형을 만들 수 있다.

위에서 설명된 실시예들은 엔진의 기능을 향상시키도록 여러 가능한 방법으로 조합될 수 있다.

본 발명에서 개시된 장치를 구현하는 많은 대안의 방법들이 있다는 점이 주목되어야 한다.

청구항에서 사용된 "포함하는" 이라는 용어는 다른 요소들 및 단계들을 배제시키지 않는다. 청구항에서 사용된 부정관사는 복수를 배제시키지 않는다. 단일의 프로세서 또는 다른 유닛이 청구항에 기재된 몇가지 수단의 기능을 수행할 수 있다.

1. 엔진 2. 실린더
3. 피스톤 4. 크랭크샤프트
5. 피스톤 로드 6. 크로스헤드

Claims

열(line)을 지어 배치된 복수개의 실린더(2)들;
배기 개스 수용부(12)의 유출부에서 실질적으로 일정한 압력을 제공하도록 개별적인 실린더(2)들의 배기로부터의 압력 펄스를 균등화시키기 위한 커다란 체적을 가진 배기 개스 수용부(12);
배기 개스 수용부(12)의 유출부를 터보차저(16)의 터빈(17)에 연결하는 배기 도관(10);
터빈(17)에 의해 구동되는 터보차저(12)의 콤프레서(18)로서, 소기 공기 냉각기(22)를 포함하는 소기 공기 경로(21)를 통해 소기 공기 수용부(20)로 소기 공기를 전달하는, 콤프레서(18);
엔진의 저부하 조건에서 터빈(17)을 보조하도록 소기 공기 경로(16)와 결합된 보조 송풍기(23);
실린더(2)에 연결되는 소기 공기 수용부(20)로서, 개별적인 실린더들로의 유입 유동에 의해 야기되는 압력 서지(pressure surge)를 감소시키기 위한 대형의 체적을 가지는, 소기 공기 수용부(20);
배기 개스의 일부를 소기 공기로 공급하기 위한 제어가능 송풍기 또는 콤프레서(33)를 구비하는 배기 개스 재순환 유동 경로(32);
소기 공기의 일부를 배기부로 공급하기 위한 실린더 바이패스 유동 경로(40);
실린더 바이패스 유동 경로(40)를 통한 유동을 제어하는, 제어 가능한 밸브(42); 및
상기 배기 개스 재순환 유동 경로내의 송풍기 또는 콤프레서를 제어함으로써 배기 개스 재순환 비율을 제어하고, 배기 개스 재순환 비율과 관련하여 밸브(42)의 개방을 제어하도록 구성되는 전자 제어 유닛(50)
를 포함하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서,
상기 배기 개스 재순환 유동 경로(40)는 활성화될 수 있고 비활성화될 수 있는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
제 2 항에 있어서,
상기 실린더 바이패스 유동 경로(40)에서의 상기 밸브(42)는 배기 개스 재순환 경로(32)가 활성화될 때 개방되거나 또는 부분적으로 개방되는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛(50)은 배기 개스 순환 비율이 증가되면 상기 밸브(42)의 개방을 증가시키도록 구성되며, 그 역으로도 이루어지는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서, 배기 개스 재순환 비율을 제어하도록 구성된 전자 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 전자 제어 유닛은 배기 개스 순환 비율 및 엔진 부하와 관련하여 실린더 바이패스 유동 경로를 통한 유동을 제어하도록 구성되는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서, 상기 배기 개스 재순환 경로(32) 및 상기 실린더 바이패스 유동 경로(40)은 열 교환기(44)를 통해 열을 교환하는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지 2 행정 연소 엔진(1).
터보차저, 실린더 바이패스 도관 및 배기 개스 재순환 시스템을 가진 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 터보차지 디젤 엔진을 작동시키는 방법으로서,
배기 개스가 재순환될 때 소기 공기가 실린더들을 바이패스(bypass)하는 것을 허용하고, 배기 개스가 재순환되지 않을 때 공기가 실린더들을 바이패스하는 것을 허용하지 않으므로서 배기 개스 재순환 비율과 관련하여 실린더들을 바이패스시키도록 소기 공기의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 2 행정 터보차지 디젤 엔진의 작동 방법.
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