KR101576902B1 - 배기가스 재순환 시스템을 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관 - Google Patents

배기가스 재순환 시스템을 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관 Download PDF

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Abstract

크로스 헤드(41)를 구비한 단류식 대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연기관이 개시된다. 상기 기관은 터보차저(5), 길다란 소기 수용부(2) 및 길다란 배기가스 수용부(3)를 포함한다. 소기 수용부(2)는 적어도 두 개의 소기 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 기본 실린더(1)에 연결된 제 1 소기 수용부 구간(2a) 및 하나 이상의 보조 실린더(1)에 연결된 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 길이 방향으로 분할된다. 제 1 소기 수용부 구간(2a)은 유입구를 구비하고 제 2 소기 수용부 구간(2b)은 유입구를 구비한다. 배기가스 수용부(3)는 적어도 두 개의 배기가스 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 기본 실린더(1)에 연결된 제 1 배기가스 수용부 구간(3a) 및 하나 이상의 보조 실린더(1)에 연결된 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)으로 길이 방향으로 분할된다. 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)은 배출구를 구비하고 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)은 배출구를 구비한다. 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)의 배출구는 제1 소기 수용부 구간(2a)의 유입구에 연결된다.

Description

배기가스 재순환 시스템을 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관{A LARGE SLOW RUNNING TURBOCHARGED TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM}
본 발명은 배기 또는 연소가스 재순환을 위한 시스템을 구비한 크로스헤드를 갖는 대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연기관에 관한 것이다.
크로스헤드를 구비한 대형 저속 2-행정 내연기관은 통상적으로 대형 선박의 추진 시스템에서 이용되거나 또는 발전소에서 원동기로 이용된다. 이들 기관들은 피스톤과 크랭크축 사이에 배치된 크로스헤드를 갖는다.
배출 요건들은 충족시키기 어려웠고 갈수록 더욱 충족시키기 어려운데, 특히 일산화질소 수준과 관련하여 그러하다.
배기가스 재순환은 NOx 배출을 줄이기 위해 소형 고속 주행 디젤 엔진을 지원하는 것으로 알려진 조치이다. 그러나, 현재까지 배기가스 재순환 기능을 사용하는, 상업적으로 작동하는 대형 2-행정 디젤 엔진은 매우 극소수이다. 그 이유는 대형 2-행정 디젤 엔진에서 배기가스 재순환을 구현하는 것이 어렵기 때문이다.
한 가지 공지된 방법은 터빈의 저압 측으로부터의 배기가스를 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation, EGR) 냉각기를 통해 엔진 컴프레서의 유입구로 보내는 것이다. 불행하게도, 이 방법은 가스가 팽창하고 압축될 때마다 모든 배기가스를 팽창시키고 재압축시킬 필요가 있으며, 이에 따라 효율 손실이 초래된다. 또한, 배기가스는 인터쿨러/애프터쿨러를 통해 전달되며, 이들 냉각기는 이 시나리오에서 냉각시킬 필요가 있는 미립자 함유 공기와는 반대로 깨끗한 공기를 냉각시키도록 설계된 것이다. 그 결과, 미립자는 냉각기를 오염시키고, 결국 이들의 효율성의 손실로 이어진다.
또 다른 공지된 EGR 방법은 배기가스 수용부로부터의 배기가스를 신선한 공기용 인터쿨러의 하류에 있는 흡기 수용부로 펌핑하는 것이다. 인터쿨러의 오염이 완화되는 반면, 이 방법은 재순환 배기가스를 유입구 측으로 펌핑하기 위한 추가 송풍기를 필요로 한다.
또 다른 방법은 엔진의 모든 실린더에 내부 EGR를 포함시키는 것이다. 이는 비교적 간단한 방법이긴 하지만, 이 방법은 EGR이 냉각되지 않고 따라서 덜 효과적이라는 단점이 있다.
대형 2-행정 디젤 엔진에서 배기가스 재순환을 구현하는 것이 어려운 것으로 입증된 한 가지 이유는 배기가스 수용부로부터의 재순환 배기가스를 소기 흐름으로 수송하는데 필요한 전력의 양이다. 대형 2-행정 디젤 엔진에서, 소기 압력은 일반적으로 대형 2-행정 디젤 엔진의 배기가스 수용부의 압력보다 최대 0.3 바 정도 높다. 따라서, 배기가스 수용부로부터의 재순환 배기가스를 소기 시스템으로 강제하기 위해 송풍기 또는 다른 수단이 필요하다. MAN B&W 12K98MC-C 엔진과 같은 대구경 12 또는 14 실린더 2-행정 디젤 엔진에서, 이러한 송풍기를 구동하는데 필요한 전력은 0.5 MW에 가깝다. 이는 배기가스 시스템 상에서 송풍기를 구동하기 위해 전기 구동 모터를 사용하기 위한 상당한 양의 에너지이며 이러한 큰 전력 요구량은 매우 비싸다. 또한, 이러한 압력 차이를 극복하기 위한 모든 송풍기 또는 수단은 연소 과정의 "오염된" 측에 배치되고, 이는 송풍기 재료에 대해 상당한 필요사항을 요한다.
따라서, 대형 2-행정 내연기관용 배기가스 재순환 시스템에서, 예를 들어, 송풍기와 구동 모터와 같은 기계에 대한 원가는 이러한 부품의 치수로 인해 상당한 액수에 달한다.
또한, 배기가스 덕트에서 급기 덕트로 배기가스를 송풍하는 과정은 상당한 양의 에너지를 사용한다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 상기한 문제를 극복하거나 적어도 줄이는 배기가스 재순환 시스템을 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관을 제공하는 것이다.
이 목적은 크로스헤드를 구비한 단류식 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관을 제공함으로써 달성되고, 상기 기관은, 단일 열의 실린더, 각각의 실린더는 실린더의 하단에 또는 그 근처에 소기 포트 및 실린더의 상부에 단일 배기 밸브를 구비하고, 컴프레서를 구동시키는 터빈을 구비한 터보차저, 단일 열의 실린더를 따라 연장된 길다란 소기 수용부, 상기 소기 수용부는 소기 포트를 통해 실린더에 연결되고, 단일 열의 실린더를 따라 연장된 길다란 배기가스 수용부를 포함하고, 상기 배기가스 수용부는 배기 밸브를 통해 실린더에 연결되고, 상기 소기 수용부는 적어도 두 개의 소기 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 기본 실린더에 연결된 제 1 소기 수용부 구간 및 하나 이상의 보조 실린더에 연결된 제 2 소기 수용부 구간으로 길이 방향으로 분할되고, 상기 제 1 소기 수용부 구간은 유입구를 구비하고 상기 제 2 소기 수용부 구간은 유입구를 구비하고, 상기 제 2 소기 수용부 구간은 상기 제 1 소기 수용부 구간에 선택적으로 연결될 수 있고, 상기 배기가스 수용부는 적어도 두 개의 배기가스 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 배기 덕트를 통해 하나 이상의 기본 실린더에 연결된 제 1 배기가스 수용부 구간 및 하나 이상의 배기 덕트를 통해 하나 이상의 보조 실린더에 연결된 제 2 배기가스 수용부 구간으로 길이 방향으로 분할되고, 상기 제 1 배기가스 수용부 구간은 배출구를 구비하고 상기 제 2 배기가스 수용부 구간은 배출구를 구비하고, 상기 제 2 배기가스 수용부 구간은 상기 제 1 배기가스 수용부 구간에 선택적으로 연결될 수 있다.
분할된 배기가스 수용부를 제공함으로써, 분할된 소기 수용부는 보조 실린더와 관련된 전용 구간 및 기본 실린더와 관련된 다른 전용 구간을 구비하고, 보조 실린더에서 기본 실린더의 유입구로 배기가스를 안내함으로써, 재순환 배기가스의 압력을 증가시키는 위한 송풍기 또는 다른 수단을 필요로 하지 않는 배기가스 재순환 기능이 확보된다.
기본 실린더에 대해 배기가스를 생성하는 보조 실린더는 NOx 환원의 요구량을 감소시키는 다른 연료/다른 공정으로 가동될 수 있다, 즉, 이들 보조 실린더는 증류물 또는 에탄올로 작동될 수 있는 반면, 기본 엔진은 중유 연료유로 작동한다.
특히 연료로서 가스로 작동하는 엔진에 대해, 이 해결책은 유리한 것으로 보인다.
일 실시형태에서, 상기 제 1 배기가수 수용부 구간은 길다란 배기가스 수용부 내의 횡벽(transverse wall)에 의해 제 2 배기가스 수용부 구간과 분리된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 배기가수 수용부 구간은 중공 내부 공간을 갖고 상기 제 2 배기가수 수용부 구간은 중공 내부 공간을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 상기 길다란 배기가스 수용부는 배기가스 수용부의 내부를 가로질러 연장되는 횡벽에 의해 길이 방향으로 분할된 공동(cavity)을 형성하는 중공 원통 형상을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 상기 횡벽은 제 1 배기가스 수용부 구간과 제 2 배기가스 수용부 구간 사이에 선택적 유체 연결을 확보하기 위해 선택적으로 폐쇄 가능한 개구부를 구비한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 선택적으로 폐쇄 가능한 개구부는 전자 제어되고 기관의 전자 제어 장치에 작동 가능하게 연결된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 소기 수용부 구간은 길다란 소기 수용부 내의 횡벽에 의해 제 2 소기 수용부 구간과 분리된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 소기 수용부 구간은 중공 내부 공간을 갖고 상기 제 2 소기 수용부 구간은 중공 내부 공간을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 상기 길다란 소기 수용부는 소기 수용부의 내부를 가로질러 연장되는 횡벽에 의해 길이 방향으로 분할된 공동을 형성하는 중공 원통 형상을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 상기 횡벽은 제 1 소기 수용부 구간과 제 2 소기 수용부 구간 사이에 선택적 유체 연결을 확보하기 위해 선택적으로 폐쇄 가능한 개구부를 구비한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 선택적으로 폐쇄 가능한 개구부는 전자 제어되고 기관의 전자 제어 장치에 작동 가능하게 연결된다.
또 다른 양태에 따르면, 크로스헤드를 구비한 단류식 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관이 제공되고, 상기 기관은, 단일 열의 실린더, 컴프레서를 구동시키는 터빈을 구비한 터보차저, 각각의 실린더는 실린더의 하단에 또는 그 근처에 소기 포트 및 실린더의 상부에 단일 배기 밸브를 구비하고, 단일 열의 실린더를 따라 연장된 길다란 소기 수용부, 상기 소기 수용부는 소기 포트를 통해 실린더에 연결되고, 단일 열의 실린더를 따라 연장된 길다란 배기가스 수용부를 포함하고, 상기 배기가스 수용부는 배기 밸브를 통해 실린더에 연결되고, 상기 소기 수용부는 적어도 두 개의 소기 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 기본 실린더에 연결된 제 1 소기 수용부 구간 및 하나 이상의 보조 실린더에 연결된 제 2 소기 수용부 구간으로 길이 방향으로 분할되고, 상기 제 1 소기 수용부 구간은 유입구를 구비하고 상기 제 2 소기 수용부 구간은 유입구를 구비하고, 상기 배기가스 수용부는 적어도 두 개의 배기가스 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 배기 덕트를 통해 하나 이상의 기본 실린더에 연결된 제 1 배기가스 수용부 구간 및 하나 이상의 배기 덕트를 통해 하나 이상의 보조 실린더에 연결된 제 2 배기가스 수용부 구간으로 길이 방향으로 분할되고, 상기 제 1 배기가스 수용부 구간은 배출구를 구비하고 상기 제 2 배기가스 수용부 구간은 배출구를 구비하고, 상기 제 2 배기가스 수용부 구간의 배출구는, 제 2 배기가스 수용부 구간 내에 수용되는 배기가스를 제 1 소기 수용부 구간으로 안내하는 유체 경로에 의해 제 1 소기 수용부 구간의 유입구에 연결된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 배기가스 수용부 구간의 배출구는, 제 1 배기가스 수용부 구간에서 나오는 배기가스의 적어도 일부를 터보차저의 터빈으로 안내하는 도관에 연결된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 터보차저의 컴프레서의 배출구는 컴프레서에 의해 제 1 소기 수용부 구간으로 전달되는 압축 공기의 적어도 일부를 안내하는 유체 경로에 연결된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 엔진은 제 2 터보차저를 더 포함하고, 제 2 터보차저의 터빈은 제 1 배기가스 수용부 구간에서 나오는 배기가스에 의해 구동된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 엔진은 제 2 터보차저를 더 포함하고, 제 2 터보차저의 터빈은 제 2 배기가스 수용부 구간에서 나오는 배기가스에 의해 구동된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 2 터보차저의 컴프레서는 제 2 소기 수용부 구간으로 공급되는 주변 공기를 압축한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 2 터보차저의 컴프레서는 터보차저(5)에 의해 전달되는 압축 소기를 더욱 압축하고, 더욱 압축된 소기는 제 2 소기 수용부 구간으로 공급된다.
본 개시에 따른 엔진의 추가의 목적, 특징, 장점 및 특성은 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 설명의 다음의 상세한 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시형태를 참조로 더욱 상세하게 설명될 것이다, 도면에서:
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 대형 2-행정 디젤 엔진의 정면도이고,
도 2는 도 1의 대형 2-행정 엔진의 측면도이고;
도 3은 도 1에 따른 대형 2-행정 엔진을 나타내는 개략적인 단면도이고,
도 4는 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 개략도이고,
도 5는 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 6은 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 7은 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 8은 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 9는 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 10은 또 다른 작동 모드를 도시한, 도 9의 엔진의 실시형태의 개략도이고,
도 11은 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 12는 흡기 및 배기 시스템을 더욱 상세하게 도시한, 도 1의 엔진의 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 13은 배기가스 수용부 또는 소기 수용부의 두 구간을 선택적으로 연결하고 분리하기 위한 밸브의 개략도이고, 및
도 14는 배기가스 수용부 또는 소기 수용부의 두 구간을 선택적으로 연결하고 분리하기 위한 또 다른 밸브의 개략도이다.
다음의 상세한 설명에서, 대형 저속 2-행정 엔진이 예시적인 실시형태에 의해 설명될 것이다. 도 1 내지 도 3은 크랭크축(42)과 크로스헤드(43)를 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 디젤 엔진을 도시하고 있다. 도 3은 흡기 및 배기 시스템을 구비한 대형 저속 터보차저 2-행정 디젤 엔진을 단면도로 나타낸 개략도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 엔진은 직렬의 네 개의 실린더(1)를 구비한다, 즉, 엔진은 단일 열의 실린더이다. 오로지 설명의 목적으로, 도 1은 네 개의 실린더(1)의 수를 갖는 엔진을 도시하고 있다. 본 발명의 양태를 벗어나지 않고 다른 수의 실린더(1)가 이용될 수 있다는 것은 명백하다. 대형 터보차지 2-행정 디젤 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(45)에 의해 수용되는 네 개에서 열여섯 개의 실린더를 직렬로 구비한다. 엔진은, 예를 들어, 원양선의 메인 엔진으로 또는 발전소에서 발전기를 작동시키는 고정 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은 예를 들어 5,000 내지 110,000 kW의 범위일 수 있다.
상기 엔진은 실린더(1)의 하부에 소기 포트(17)를 그리고 실린더(1)의 상부에 배기 밸브(4)를 구비한 2-행정 단류식의 디젤 엔진이다. 상기 엔진은, 예를 들어, 선박용 디젤유, 중유, 또는 가스(LPG, LNG, 메탄올, 에탄올)와 같은 다양한 종류의 연료로 작동될 수 있다. 소기(scavenge air)는 소기 수용부(2)에서 각각의 실린더(1)의 소기 포트(17)로 통과된다. 실린더(1) 내의 피스톤(41)은 소기를 압축하고, 연료가 분사되고, 연소가 뒤따르며, 배기가스가 생성된다. 배기 밸브(4)가 개방되면, 배기가스는 해당 실린더(1)에 연결된 배기 덕트(6)를 통해 배기가스 수용부(3)로 유입되고, 제 1 배기 도관을 통해 기본 터보차저(5)의 터빈(8)으로 향하며, 여기에서부터 배기가스는 제 1 배기 도관(7)을 통해 유출된다. 축을 통해, 터보차저(5)의 터빈(8)은 공기 유입구(10)를 통해 공급되는 공기를 가압하는 컴프레서(9)를 구동시킨다. 컴프레서(9)는 소기 수용부(2)로 이어진 소기 도관(11)으로 가압 소기를 전달한다. 일 실시형태(미도시)에서, 엔진은 하나 이상의 기본 터보차저를 구비한다.
소기 수용부(2)는 예를 들어 플레이트 금속으로 구성된 길다란 중공 원통형 몸체 및 중공 원통을 형성하기 위해 본질적으로 원형인 단면 윤곽을 갖는다. 소기 수용부(2)는 엔진의 전체 길이를 따라 연장되며 모든 실린더(1)에 소기를 공급한다. 소기 수용부(2)는 상당한 단면 직경과 큰 전체 부피를 가지며, 이는 각각의 실린더(1)의 소기 포트(17)가 개방되어 소기를 흡기할 때 발생되는 모든 압력 변동을 방지하기 위해, 즉, 각각의 실린더(1)에 의한 소기의 불규칙한 소비에도 불구하고 소기 수용부(2)에 일정한 압력을 보장하기 위해 필요하다. 통상적으로 소기 수용부(2)의 직경은 피스톤(1)의 직경보다 크다.
일 실시형태에서, 예를 들어 많은 수의 실린더(1)와 큰 전체 엔진 길이를 갖는 매우 큰 엔진에 대해, 엔진은 두 개의 소기 수용부(2)를 구비할 수 있고, 각각은 자신의 하우징을 가지며, 소기 수용부(2) 중 하나는 실린더(1)의 열의 일단에서 실린더(1)의 대략 절반을 덮고 나머지 소기 수용부(2)는 실린더의 열의 타단에서 실린더의 대략 절반을 덮는다. 종래 기술의 엔진에서는 두 개의 소기 수용부(2)가 서로 유체 연통할 수 있다. 그러나, 본 발명에서, 상기 두 개의 소기 수용부는 상당히 불규칙한 수의 실린더에 대해 작동하고 서로가 항상 유체 연통하지는 않을 수 있다.
배기가스 수용부(3)는 예를 들어 플레이트 금속으로 구성된 길다란 중공 원통형 몸체 및 본질적으로 원형의 단면 윤곽을 갖는다. 플레이트 금속은 열 손실을 방지하기 위해 절연 재료의 층으로 덮인다. 배기가스 수용부(3)는 엔진의 전체 길이를 따라 연장되며 배기가스 수용부(3)로 연장된 각각의 배기 덕트(6)를 통해 모든 실린더(1)로부터 배기가스를 수용한다. 배기가스 수용부(3)는 상당한 단면 직경과 큰 전체 부피를 가지며, 이는 각각의 실린더(1)의 배기 밸브(4)가 개방되어 배기가스 수용부(3)에 배기가스를 고속으로 전달할 때 발생되는 압력 변동을 방지하기 위해, 즉, 각각의 실린더(1)에 의한 배기가스의 불규칙한 전달에도 불구하고 배기가스 수용부(3)에 일정한 압력을 보장하기 위해 필요하다. 통상적으로 배기가스 수용부(3)의 직경은 피스톤(1)의 직경보다 크다.
일 실시형태에서, 예를 들어 많은 수의 실린더(1)와 큰 전체 엔진 길이를 갖는 매우 큰 엔진에 대해, 엔진은 두 개의 배기가스 수용부(3)를 구비할 수 있고, 배기가스 수용부(3) 중 하나는 실린더(1)의 열의 일단에서 실린더(1)의 대략 절반을 덮고 나머지 배기가스 수용부(3)는 실린더의 열의 타단에서 실린더의 대략 절반을 덮는다. 종래 기술의 엔진에서는 두 개의 배기가스 수용부(3)가 서로 유체 연통할 수 있다. 그러나, 본 발명에서, 상기 두 개의 배기가스 수용부는 상당히 불규칙한 수의 실린더에 대해 작동하고 서로가 항상 유체 연통하지는 않을 수 있다.
일 실시형태(미도시)에서, 엔진은 두 개의 배기가스 수용부(3)를 포함하고, 이들 각각은 기본 구간과 보조 구간으로 분할되며, 두 개의 소기 수용부가 있을 수 있고, 이들 각각은 기본 구간과 보조 구간으로 분할된다. 단일 하우징에 의해 덮기에는 12개의 기본 실린더가 너무 길기 때문에 12개의 실린더를 덮는 기본 구간과 보조 구간을 구비하는 것이 불가능한 매우 긴 엔진을 확실하게 덮을 수 있는 이 양태에 대해 인정할 것이다.
작은 소기 수용부와 작은 배기가스 수용부는 보조 실린더에 대해 작동할 수 있는 반면, 큰 소기 수용부와 큰 배기가스 수용부는 기본 실린더에 대해 작동할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 엔진의 흡기 및 배기 시스템이 더욱 상세하게 도시되어 있다.
소기 수용부(2)는 일 실시형태에서 플레이트 벽인 분리벽(21)에 의해 제 1 소기 수용부 구간(2a) 및 길이가 다른 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 길이 방향으로 분할된다. 또 다른 실시형태(미도시)에서, 제 1 소기 수용부 구간(2a)과 제 2 소기 수용부 구간(2b)은 예를 들어 두 개의 별도의 수용부 하우징에 의해 형성되는 두 개의 완전히 분리된 공간이다.
마찬가지로, 배기가스 수용부(3)는 제 1 배기가스 수용부 구간(3a) 및 길이가 다른 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)으로 길이 방향으로 분할된다. 또 다른 실시형태(미도시)에서, 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)과 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)은 예를 들어 두 개의 별도의 수용부 하우징에 의해 형성되는 두 개의 완전히 분리된 공간이다.
실린더(1)는 다수의 기본 실린더(1)와 다수의 보조 실린더로 분할된다. 일반적으로 보조 실린더(1)보다 더욱 많은 수의 기본 실린더(1)가 있을 수 있다.
제 1 소기 수용부 구간(2a)과 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)은 다수의 기본 실린더(1)를 따라 연장되고 이에 연결된다.
제 1 소기 수용부 구간(2a) 유입구를 구비하고 제 2 소기 수용부 구간(2b)은 유입구를 구비한다.
제 2 소기 수용부 구간(2b)과 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)은 다수의 보조 실린더(1)를 따라 연장되고 이에 연결된다.
제 1 배기가스 수용부 구간(3a)은 배출구를 구비하고 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)은 배출구를 구비한다.
따라서, 실린더의 열은 다수의 기본 실린더(1)와 다수의 보조 실린더(1)로 분할된다. 오로지 설명의 목적으로, 도 4는 세 개의 실린더(1)와 하나의 보조 실린더(1)의 수를 갖는 엔진을 도시하고 있다. 본 발명의 양태를 벗어나지 않고 실제로 기본 및 보조 실린더(1) 수의 모든 조합이 이용될 수 있다는 것은 명백하다.
소기는 유입구 도관(10)을 통해 터보차저(5)의 컴프레서(9)로 전달된다. 컴프레서(9)는 소기를 압축하고 소기 도관(11)은 압축된 소기를 소기 수용부(2)로 전달한다. 도관(11) 내의 소기는 압축된 소기를 냉각시키기 위한 인터쿨러(12)를 통과하고, 이는 대략 최대 200℃에서 5 내지 80℃의 온도로 냉각되어 컴프레서(9)를 떠난다. 냉각된 소기는 낮은 또는 부분 부하 조건에서 급기 흐름을 가압하는, 구동 모터에 의해 구동되는 보조 송풍기(미도시)를 통해 소기 수용부(2)로 전달된다. 높은 부하에서, 컴프레서(9)는 충분히 압축된 소기를 전달하고 이후 보조 송풍기는 체크 밸브(미도시)를 통해 우회된다.
소기 도관(11)은, 재순환 배기가스가 소기에 첨가되고 재순환 배기가스와 혼합된 소기를 제 1 소기 수용부 구간(2a)으로 안내하는 합류 지점(28)을 통과한다. 제 1 소기 수용부 구간(2a)에서부터의 소기와 재순환 배기가스의 혼합물이 기본 실린더(1) 중 하나에서 연소 과정에 참가한다. 기본 실린더(1)에서 그렇게 생성된 배기가스는 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)에 수용된다. 따라서, 기본 실린더(1) 내의 연소 과정은 재순환 배기가스와 함께 수행되고, 이에 따라 낮은 NOx 배출량을 가능하게 한다.
제 1 배기가스 수용부 구간(3a)에 수용된 배기가스는 이의 배출구를 통해 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)을 떠나고 제 1 배기가스 도관(18)에 의해 터보차저(5)의 터빈(8)의 유입구로 전달됨으로써, 터보차저(5)에 동력을 공급한다. 배기가스는 제 2 배기 도관(7)을 통해 터빈(8)을 떠난다.
제 1 배기가스 도관(18)은 배기가스의 일부를 보조 터보차저(15)의 터빈으로 전달하는 분기점(20)을 갖는다. 보조 터보차저(15)의 컴프레서는 소기를 압축하고 도관(16)은 압축된 소기를 보조 터보차저(15)에서 제 2 소기 수용부 구간(2b)의 유입구로 전달한다. 인터쿨러(52)는 소기를 보조 터보차저(15)에서 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 가는 도중에 냉각시킨다. 일 실시형태(미도시)에서, 엔진은 둘 이상의 보조 터보차저를 구비할 수 있다.
제 2 소기 수용부 구간(2b)으로부터의 소기는 보조 실린더(1) 중 하나에서 연소 과정에 참가한다(이 실시형태에서는, 하나의 단일 보조 실린더(1)가 있지만, 하나 이상의 보조 실린더(1)가 있을 수 있다는 것을 알 수 있다). 보조 실린더(1)에서 그렇게 생성된 배기가스는 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에 수용된다. 따라서, 보조 실린더(1) 내의 연소 과정은 재순환 배기가스와 함께 수행된다. 일 실시형태에서, 보조 실린더(1)는 NOx 배출을 줄이기 위해 배기 밸브의 타이밍을 통해 내부 배기가스 재순환을 위해 구성될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 보조 실린더는 NOx 감소를 위해 물 유화 연료의 물 분사로 작동된다.
제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에 수용된 배기가스는 이의 배출구를 통해 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)을 떠나고 배기가스 재순환 도관(19)에 의해 합류 지점(28)으로 전달되며, 여기에서 재순환 배기가스가 터보차저(5)의 터빈(8)에서 나오는 소기와 혼합된다.
제 2 배기가스 수용부 구간(3b) 상의 제 2 배출구는 제어 가능한 밸브(33)를 통해 제 1 배기가스 도관(18)에 연결되고 바이패스 도관으로 이어진다. 이는 제어 가능한 가변 밸브(33)로 배기가스 수용부의 두 구간을 우회시킴으로써 배기가스 재순환(EGR)율을 제어하는 수단을 제공한다. EGR율을 제어하기 위한 또 다른 방식은 가변 터보차저를 이용하는 것이다.
일반적으로, 대형 터보차지 2-행정 내연기관에서, 실린더(1)의 유입구 측의 소기의 압력은 해당 실린더의 배출구 측의 배기가스의 압력보다 클 수 있으며, 그렇지 않은 경우, 압력 흐름의 방향이 유입구를 향해 잘못된 방향일 수 있으므로, 소기가 발생하기 않을 수 있다. 대형 터보차지 2-행정 내연기관의 이러한 양상은 단순히 송풍기 등의 도움 없이 배기가스 재순환을 위해 도관을 통해 유입구 측으로의 배기가스의 흐름을 가능하게 하지 않는다.
본 실시형태에 따른 엔진에서, 정상적인 엔진 작동 동안, 제 2 소기 수용부 구간(2b)의 압력은 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)의 압력보다 클 수 있고, 이는 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 압력보다 클 수 있으며, 이는 다시 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)의 압력보다 클 수 있다. 즉, P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이다. 따라서, 이 실시형태는 송풍기 없이도, 배기가스 재순환 기능을 갖는 엔진을 제공한다. 100% 부하에서, 흡기 및 배기 시스템에서의 게이지 압력에 대한 일반적인 값은 예를 들어 다음과 같을 수 있다:
P_2b = 4.0 바(g)
P_3b = 3.9 바(g)
P_2a = 3.8 바(g)
P_3a = 3.7 바(g)
도 5는 제어 가능한 밸브(33) 없이 실시형태가 작동하고 단일 인터쿨러(12)가 합류 지점(28)과 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 유입구 사이에 배치되어 소기와 재순환 배기가스의 혼합물을 냉각시키는 것을 제외하고는 도 4의 실시형태와 본질적으로 동일한 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에 따른 엔진의 작동은, 제어 밸브(33)의 사용이 없고, 이 실시형태에서 P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이며, 일반적인 작동 압력은 도 4의 실시형태에 대해 나타난 바와 같은 것을 제외하고는 도 4의 실시형태의 작동과 본질적으로 동일하다. 이 실시형태의 한 가지 장점은 EGR 냉각기가 필요하지 않다는 것이고 이는 상당한 비용 절감을 제공한다.
도 6은 보조 터보차저를 사용하지 않는다는 것을 제외하고는 도 4의 실시형태와 동일한 실시형태를 도시하고 있다. 대신에, 소기 도관(11) 내의 압축된 소기의 압력을 증가시키기 위해 송풍기(25)가 사용된다. 도관 (26)이 도관소기 도관(11)에서 분기되어 송풍기(25)를 사용하여 증가된 압력의 소기를 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 전달한다. 따라서, 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)의 압력은 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 압력보다 크고 따라서 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)으로부터의 배기가스는 배기가스 도관(19)을 통해서 그리고 배기가스 냉각기(53)를 통해 합류 지점(28)으로 흐를 수 있다. 이 실시형태에 따른 엔진의 작동은, 제어 밸브(33)의 사용이 없고, 이 실시형태에서 P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이며, 일반적인 작동 압력은 도 4의 실시형태에 대해 나타난 바와 같은 것을 제외하고는 도 4의 실시형태의 작동과 본질적으로 동일하다. 이 실시형태의 장점은 보조 터보차저와 송풍기(25) 및 "오염된" 배기가스의 선택적 처리를 필요로 하지 않다는 것이고 깨끗한 소기로 작동될 수 있다는 것이다.
도 7은 제 2 터보차저(15)가 도관(27)을 통해 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에서 나오는 배기가스에 의해 구동되고, 도관(26)이 소기 도관(11)에서 분기되어 제 2 터보차저(15)의 컴프레서의 유입구에 압축된 소기를 공급함으로써, 제 2 터보차저가 소기의 압력을 제 2 소기 수용부 구간(2b)에 소기를 전달하는데 필요한 수준으로 더욱 증가시킬 수 있다는 것을 제외하고는 도 5의 실시형태와 유사한 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에 따른 엔진의 작동은 도 4의 실시형태의 작동과 본질적으로 동일하고, 이 실시형태에서 P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이다. 100% 부하에서, 흡기 및 배기 시스템에서의 게이지 압력에 대한 일반적인 값은 예를 들어 다음과 같을 수 있다:
P_2b = 4.0 - 6.0 바(g)
P_3b = 3.9 - 5.9 바(g)
P_2a = 3.8 바(g)
P_3a = 3.7 바(g)
이 실시형태의 장점은 EGR 가스의 에너지가 냉각기에서 손실되는 대신에 재사용된다는 것이다. 또한, 높은 압력은 낮은 NOx에 대한 극단적인 엔진 튜닝을 허용한다.
도 8은 더욱 많은 수의 실린더, 즉, 제 1 소기 수용부 구간(2a)과 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)에 각각 연결된 여섯 개의 기본 실린더(1) 및 제 2 소기 수용부 구간(2b)과 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에 각각 연결된 두 개의 보조 실린더를 갖는 총 여덟 개의 실린더가 직렬로 있는 것을 제외하고는 도 7의 실시형태와 유사한 실시형태를 도시하고 있다. 또한, 인터쿨러(52)가 도관(16)에 배치되어 있다. 이 실시형태에 따른 엔진의 작동은 도 7의 실시형태의 작동과 본질적으로 동일하며, 이 실시형태에서 P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이다. 100% 부하에서, 흡기 및 배기 시스템에서의 게이지 압력에 대한 일반적인 값은 예를 들어 다음과 같을 수 있다:
P_2b = 4.0 - 6.0 바(g)
P_3b = 3.9 - 5.9 바(g)
P_2a = 3.8 바(g)
P_3a = 3.7 바(g)
도 9는 도 7 및 도 8의 실시형태에서와 같이 다수의 실린더가 있고 및 다수의 밸브(77, 78 및 29)가 시스템에 추가된 것을 제외하고는 도 5의 실시형태와 유사한 실시형태를 도시하고 있다. 또한, 제 2 터보차저(15)의 컴프레서는 분기 도관(26)으로부터 압축된 소기를 수용한다. 이 실시형태에 따른 엔진의 작동은 도 4의 실시형태의 작동과 본질적으로 동일하며, 이 실시형태에서 P_2b > P_3b > P_2a > P_3a이다. 100% 부하에서, 흡기 및 배기 시스템에서의 게이지 압력에 대한 일반적인 값은 예를 들어 다음과 같을 수 있다:
P_2b = 4.0 - 6.0 바(g)
P_3b = 3.9 - 5.9 바(g)
P_2a = 3.8 바(g)
P_3a = 3.7 바(g)
도 10은 원래의 도 9의 실시형태가 배기가스 재순환을 사용하지 않는 모드에서 작동될 수 있는 방법을 도시하고 있다. 여기에, EGR 도관(19) 내의 밸브(77)는 폐쇄되어 있고, 도관(26) 내의 밸브(79)는 폐쇄되어 있으며, 제 2 터보차저(15)의 컴프레서용 유입구 도관 내의 밸브(78)는 개방되어 있다. 또한, 제 2 소기 수용부 구간(2b)에서 제 1 소기 수용부 구간(2a)을 분리하는 벽(21)이 개방되어 있고, 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에서 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)를 분리하는 벽(31)도 개방되어 있으며, 따라서 소기 수용부(2)와 배기가스 수용부(3) 내에 하나의 단일 관통 공동이 있다.
벽(21 또는 31)을 개방하기 위해, 도 13에 도시된 바와 같은 대형 버터플라이 밸브(45)를 포함할 수 있다. 버터플라이 밸브(45)의 원형 플레이트는, 벽 내의 개구부를 개방 또는 폐쇄시켜 배기가스 수용부(3) 상의 소기 수용부(2)의 두 구간이 연결되거나 연결되지 않도록, 바람직하게 도 13에 도시된 두 위치 사이의 모든 액추에이터의 방향으로 움직일 수 있다.
도 14에 도시된 실시형태에서, 각각 소기 수용부(2) 또는 배기가스 수용부(3) 내의 벽(21 또는 31)은 근접하게 이격된 한 쌍의 플레이트(41, 42)에 의해 형성되며, 이들 내부에 상기 근접하게 이격된 한 쌍의 플레이트(41, 42) 사이에 수용되는 이동 가능한 중간 플레이트(40)에 의해 덮일 수 있는 대응 홀(43)이 있다. 상기 홀은 원하는 위치에서 이동 가능한 중간 플레이트(40)를 슬라이딩시킴으로써 개방되고 폐쇄된다. 중간 플레이트(40)는 회전축(44)에 회전 가능하게 장착되고 소위 스윙 게이트 밸브(swing gate valve)처럼 작동한다. 이동 가능한 중간 플레이트(40)는 전자 제어 장치로부터의 제어에 위치할 수 있도록 액추에이터에 연결될 수 있다.
선택적으로 폐쇄 가능한 개구부가 일 실시형태에서 전자 제어되고 엔진의 전자 제어 장치(미도시)에 작동 가능하게 연결된다.
이 실시형태의 장점은 필요에 따라 배기가스 재순환과 함께 그리고 배기가스 재순환 없이 작동될 수 있다는 것이며, 이는 예를 들어 대형 2-행정 터보차지 내연기관에 의해 구동되는 선박의 위치에 따라 결정될 수 있다.
도 11의 실시형태는 인터쿨러(12)가 도관(26) 내에 비치되고 인터쿨러(53)가 합류 지점(28)과 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 유입구 사이에 배치되는 것을 제외하고는 도 10의 실시형태와 본질적으로 동일하다.
도 12는 제 2 터보차저 또는 송풍기를 사용하지 않는다는 것을 제외하고는 도 5의 실시형태와 유사한 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 대신에, 모든 소기는 제 2 소기 수용부 구간(2b)의 유입구로 이어진다. 그러나, 이 실시형태에서, 제 2 소기 수용부 구간(2b)은 제 1 소기 수용부 구간(2a)에서 완전히 분리되지는 않는다. 대신에, 제 2 소기 수용부 구간(2b) 내의 소기가 압력 강하와 함께 제 1 소기 수용부 구간(2a)으로 흐르는 것을 허용하는 제한의 역할을 하는 벽(21)의 개구부가 있다. 따라서, 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 압력은 제 2 소기 수용부 구간(2b)의 압력보다 낮을 수 있다. 따라서, 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)의 압력은 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 압력보다 높고, 따라서, 제 2 배기가스 수용부 구간(3b) 내의 모든 배기가스는 배기가스 순환 도관(19)과 인터쿨러(53)를 통해 제 1 소기 수용부 구간(2a)으로 흐를 수 있다. 제 1 배기가스 수용부 구간(3a) 내에 수용된 모든 배기가스는 제 1 배기가스 도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(8)의 유입구로 이동된다. 이 실시형태의 장점은 단일 터보차저로 충분하고 압력을 증가시키기 위한 송풍기 또는 다른 수단을 필요로 하지 않는다는 것이다.
엔진의 배기가스 생성 구간 내의 실린더(들), 즉, 보조 실린더(1)는 엔진의 나머지 부분(예를 들어, 4 행정 과정, 과소 소기, 오토(Otto) 과정)과는 다르게, 작동될 수 있으며, 특히 4 행정 과정을 사용할 때, 4 행정 과정의 펌핑 효과는 배기가스를 소기 수용부(2)로 강제하는데 필요한 지원 압력을 제공할 수 있다.
배기가스 생성 구간, 즉, 엔진의 보조 실린더(1)는 엔진의 나머지 부분과는 다른(더욱 깨끗한) 연료로 작동될 수 있고, 이는 EGR 가스의 정화에 대해 필요한 요건을 줄인다.
상기한 모든 실시형태에서, 배기가스 순환 없는 작동을 위해, 각각 소기 수용부(2)와 배기가스 수용부(3) 내의 분리벽(21, 31)을 제거할 수 있다.
청구항에서 사용되는 "포함하는"이란 용어는 다른 구성요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 "하나"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다.
청구항에서 사용되는 참조 번호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명이 설명의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 오로지 그러한 목적을 위해서이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 숙련자에 의해 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (7)

  1. 크로스헤드(43)를 구비한 단류식 대형 저속 터보차지 2-행정 내연기관에 있어서, 상기 기관은,
    단일 열의 실린더(1),
    컴프레서(9)를 구동시키는 터빈(8)을 구비한 터보차저(5),
    각각의 실린더(1)는 상기 실린더(1)의 하단에 또는 그 근처에 소기 포트(17) 및 상기 실린더(1)의 상부에 단일 배기 밸브(4)를 구비하고,
    상기 단일 열의 실린더(1)를 따라 연장된 길다란 소기 수용부(2), 상기 소기 수용부(2)는 상기 소기 포트(17)를 통해 상기 실린더(1)에 연결되고,
    상기 단일 열의 실린더(1)를 따라 연장된 길다란 배기가스 수용부(3)를 포함하고, 상기 배기가스 수용부(3)는 상기 배기 밸브(4)를 통해 상기 실린더(1)에 연결되고,
    상기 소기 수용부(2)는 적어도 두 개의 소기 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 기본 실린더(1)에 연결된 제 1 소기 수용부 구간(2a) 및 하나 이상의 보조 실린더(1)에 연결된 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 길이 방향으로 분할되고,
    상기 제 1 소기 수용부 구간(2a)은 유입구를 구비하고 상기 제 2 소기 수용부 구간(2b)은 유입구를 구비하고,
    상기 배기가스 수용부(3)는 적어도 두 개의 배기가스 수용부 구간, 즉, 하나 이상의 배기 덕트(6)를 통해 상기 하나 이상의 기본 실린더(1)에 연결된 제 1 배기가스 수용부 구간(3a) 및 하나 이상의 배기 덕트(6)를 통해 상기 하나 이상의 보조 실린더(1)에 연결된 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)으로 길이 방향으로 분할되고,
    상기 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)은 배출구를 구비하고 상기 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)은 배출구를 구비하고,
    상기 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)의 상기 배출구는, 상기 제 2 배기가스 수용부 구간(3b) 내에 수용되는 배기가스를 상기 제 1 소기 수용부 구간(2a)으로 안내하는 유체 경로에 의해 상기 제 1 소기 수용부 구간(2a)의 유입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)의 상기 배출구는, 상기 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)에서 나오는 배기가스의 적어도 일부를 상기 터보차저(5)의 상기 터빈(8)으로 안내하는 도관에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보차저(5)의 상기 컴프레서(9)의 배출구는 상기 컴프레서(9)에 의해 상기 제 1 소기 수용부 구간(2a)으로 전달되는 압축 공기의 적어도 일부를 안내하는 유체 경로에 연결되는 것을 특징으로 하는 기관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2 터보차저(15)를 더 포함하고, 상기 제 2 터보차저(15)의 터빈은 상기 제 1 배기가스 수용부 구간(3a)에서 나오는 배기가스에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 기관.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 터보차저(15)를 더 포함하고, 상기 제 2 터보차저(15)의 터빈은 상기 제 2 배기가스 수용부 구간(3b)에서 나오는 배기가스에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 기관.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 터보차저(15)의 컴프레서는 상기 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 공급되는 주변 공기를 압축하는 것을 특징으로 하는 기관.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 터보차저(15)의 컴프레서는 터보차저(5)에 의해 전달되는 압축 소기를 더욱 압축하고, 상기 더욱 압축된 소기는 상기 제 2 소기 수용부 구간(2b)으로 공급되는 것을 특징으로 하는 기관.
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