KR101687093B1 - 배기가스 과급 시스템 및 배기가스 재순환 시스템을 포함한 내연기관 - Google Patents

배기가스 과급 시스템 및 배기가스 재순환 시스템을 포함한 내연기관 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내연기관(10), 특히 선박용 디젤 내연기관과 같은 대형 디젤 엔진에 관한 것이며, 상기 내연기관은, 각각 하나의 컴프레서(16, 17) 및 각각 하나의 터빈(18, 19)을 구비한 하나 이상의 배기가스 터보차저(14, 15)를 포함하는 적어도 1단형 배기가스 과급 시스템(12)과, 배기가스 유동에서 배기가스를 분기시켜 압축된 급기와 혼합하는 배기가스 재순환 시스템(13)을 포함하고, 배기가스 재순환 시스템(13)은 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스의 탈황을 위해 이용되는 탈황 장치(24)를 포함하며, 그리고 탈황 장치(24)는 고정층 흡착기(27)로서 형성된다.

Description

배기가스 과급 시스템 및 배기가스 재순환 시스템을 포함한 내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE HAVING AN EXHAUST GAS SUPERCHARGING SYSTEM AND AN EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 내연기관, 특히 선박용 디젤 내연기관과 같은 대형 디젤 엔진에 관한 것이다. 그 밖에도, 본 발명은 상기 내연기관을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
DE 10 2008 061 399 A1로부터 배기가스 과급 시스템 및 배기가스 재순환 시스템을 포함한 내연기관이 공지되어 있다. 그러므로 이러한 종래 기술로부터 공지된 내연기관은 2개의 배기가스 터보차저를 구비한 배기가스 과급 시스템을 포함하고, 각각의 배기가스 터보차저는 컴프레서 및 터빈을 포함한다. 이 경우, 2개의 배기가스 터보차저는 직렬로 연이어 연결된다. DE 10 2008 061 399 A1에 따른 내연기관의 배기가스 재순환 시스템은 내연기관 직후에 배기가스 유동에서 배기가스를 분기시키고 연이어 연결된 2개의 배기가스 터보차저의 2개의 컴프레서 사이에서 압축된 급기와 배기가스를 혼합하기 위해 이용되며, 상기 종래 기술에 따라서 배기가스 유동에서 유황 및 다른 산성 성분을 제거하기 위해 배기가스 재순환 시스템에 탈황 장치가 할당된다. 이 경우, 탈황 장치는 종래 기술에 따라서, 수산화나트륨 용액 또는 다른 화학약품과 혼합된 세척수가 배기가스 탈황을 위해 이용되는 배기가스 세정기이다. 상기 배기가스 세정기는 복잡한 정수 조건(water conditioning) 및 다량의 물의 사용을 요구한다. 또한, 상기 배기가스 세정기는 2-행정 내연기관에서만 이용될 수 있다.
본 발명의 과제는 종래 기술에서 출발하여 새로운 유형의 내연기관 및 이 내연기관을 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 내연기관을 통해 해결된다. 본 발명에 따라, 탈황 장치는 고정층 흡착기(fixed-bed adsorber)로서 형성된다.
본 발명에 의해, 처음으로, 고정층 흡착기로서 형성된 탈황 장치를 포함한 배기가스 재순환 시스템의 영역에서 배기가스의 탈황을 실행하는 점이 제안된다. 이는, 배기가스 세정기의 경우 필요한 정수 조건이 배제될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필요한 물 소모량은 급격하게 감소될 수 있다. 그 밖에도, 본 발명은 2-행정 내연기관에서 뿐만 아니라 4-행정 내연기관에서도 이용될 수 있다.
바람직하게는, 고정층 흡착기를 통해 안내될 배기가스를 냉각하기 위해, 고정층 흡착기의 상류에 배기가스 재순환 냉각기가 배치된다. 고정층 흡착기를 통해 배기가스를 안내하기 전에 배기가스 재순환 냉각기를 이용하여 배기가스 재순환 시스템 영역에서의 배기가스의 냉각은 최적의 작동 조건하에서 고정층 흡착기의 작동을 허용한다.
바람직한 추가 개선예에 따라서, 고정층 흡착기는 작동 모드에서 배기가스의 탈황을 위해 이용되고 재생 모드에서는 고정층 흡착기의 흡착제의 재생을 위해 이용된다. 바람직하게, 배기가스 재순환 냉각기에는 응축수 집수기가 할당되며, 흡착제의 재생을 위한 재생 모드에서는 응축수 집수기 내에 집수된 응축수가 흡착제의 세척을 위해 이용될 수 있다. 고정층 흡착기가 작동 모드뿐만 아니라 재생 모드에서도 작동될 수 있다면, 고정층 흡착기의 재생을 통해 흡착제를 교환할 필요 없이 배기가스 재순환 시스템의 영역에서 배기가스의 고효율 탈황이 보장될 수 있다. 이 경우, 응축수를 이용한 고정층 흡착기의 흡착제의 재생은 처리 기술 측면에서 간단하고 경제적이다.
내연기관을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법은 청구항 제8항에 정의되어 있다.
본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들 및 하기의 기술 내용에서 제시된다. 본 발명의 실시예들은, 이들 실시예에 국한되지 않으면서, 도면에 따라서 더 상세히 설명된다.
본 발명에 따르면 종래 기술에서 출발하여 새로운 유형의 내연기관 및 이 내연기관을 작동시키기 위한 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관을 도시한 개략도이다.
본원 발명은 내연기관, 특히 선박용 디젤 내연기관과 같은 대형 디젤 엔진에 관한 것이다. 상기 내연기관은 중유 또는 선박용 경유로 작동된다. 상기 연료들은 일반적으로 높은 유황 함량을 갖는다.
도 1에는, 연료가 그 내부에서 연소되는 복수의 실린더(11)를 포함하는 내연기관(10)의 개략도가 도시되어 있다. 그 밖에도, 내연기관(10)은 배기가스 과급 시스템(12)을 포함하고, 배기가스 과급 시스템 내에서는 배기가스가 감압되며, 이때 획득된 에너지는 급기의 압축을 위해 이용된다. 배기가스 과급 시스템(12) 이외에도, 내연기관은 배기가스를 급기와 혼합하기 위해 배기가스 재순환 시스템(13)을 포함한다.
도시된 예시적인 실시예에서, 배기가스 과급 시스템(12)은 2개의 배기가스 터보차저(14 및 15)를 포함하고, 배기가스 터보차저들(14 및 15) 각각은 컴프레서(16 및 17) 및 터빈(18 및 19)을 포함한다. 이 경우, 도 1에 따른 배기가스 과급 시스템(12)의 배기가스 터보차저(14)의 터빈(18)은 고압 터빈으로서 기능하고 배기가스 터보차저(15)의 터빈(19)은 저압 터빈으로서 기능한다. 배기가스 터보차저(15)의 컴프레서(17)는 저압 컴프레서로서 기능하고 배기가스 터보차저(14)의 컴프레서(16)는 고압 컴프레서로서 기능한다.
내연기관(10)의 실린더들(11)에서 배출되는 배기가스는, 배기가스 과급 시스템(12)의 영역에 있어서, 먼저 고압 터빈(18)의 영역에서, 그리고 이어서 저압 터빈(19)의 영역에서 감압된다. 이때 획득되는 에너지는 각각의 컴프레서(16 내지 17)의 구동을 위해 각각 이용되고, 고압 터빈(18)은 고압 컴프레서(16)를 구동하며, 저압 터빈(19)은 저압 컴프레서(17)를 구동한다. 급기는 먼저 저압 컴프레서(17)의 영역에서 압축되고 이어서 고압 컴프레서(16)의 영역에서 압축된다. 도 1에서 알 수 있는 것처럼, 각각 압축된 급기를 냉각하기 위해, 배기가스 터보차저(15)의 컴프레서(17)의 하류 및 배기가스 터보차저(14)의 컴프레서(16)의 하류에 각각의 급기 냉각기(20 및 21)가 위치하게 된다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 터보차저(14)의 컴프레서(16)의 하류에서, 그리고 급기 냉각기(20)의 상류에서 바이패스 라인(22)이 이 바이패스 라인에 장착된 바이패스 밸브(23)와 연동하며, 바이패스 밸브(23)가 개방된 경우 바이패스 라인(22)을 통해 급기는 내연기관(10)을 우회하여 배기가스 터보차저(14)의 터빈(18)을 향하는 방향으로 안내될 수 있다.
이미 설명한 것처럼, 배기가스 과급 시스템(12)은 도시된 실시예의 경우 2개의 배기가스 터보차저(14 및 15)를 포함한다. 이러한 2단형 배기가스 과급 시스템 대신, 단일의 배기가스 터보차저만을 포함하는 1단형 배기가스 과급 시스템도 이용될 수 있다.
내연기관(10)은 배기가스 과급 시스템(12) 외에도 배기가스 재순환 시스템(13)을 포함하며, 도 1에 따라서 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 내연기관(10)의 직후에, 그리고 그에 따라 배기가스 터보차저(14)의 터빈(18)의 상류에서 배기가스는 분기되고, 배기가스에서 탈황하기 위해, 배기가스 재순환 시스템(13)에 할당된 탈황 장치(24)를 통해서 안내되며, 그런 후에 배기가스는 도 1의 실시예의 경우 급기 냉각기(20)의 하류에서, 그리고 그에 따라 내연기관(10) 직전에서 압축된 급기와 혼합된다.
또한, 도시된 예시적인 실시예와 달리, 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 탈황된 배기가스를, 급기 냉각기(21)의 하류에서, 그리고 컴프레서(16)의 상류에서 압축된 급기와 혼합할 수도 있다.
배기가스 재순환 시스템(13)을 통한 배기가스의 이송은 한편으로 배기가스 재순환 밸브(25)의 개방 위치에 따라서, 그리고 다른 한편으로는 배기가스 재순환 팬(26)의 회전속도에 따라서 결정된다.
배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스의 탈황을 위해 이용되는 탈황 장치(24)는 본 발명에 따라서, 바람직하게는 흡착제로서 활성탄 및/또는 제올라이트를 포함하는 고정층 흡착기(27)이다. 바람직하게 고정층 흡착기(27)는 100kg/㎥와 800kg/㎥ 사이의 충진 밀도, 및/또는 100㎡/g과 1200㎡/g 사이의 활성 표면적을 갖는 흡착제를 포함한다.
도시된 예시적인 실시예에서, 고정층 흡착기(27)의 상류에는 배기가스 재순환 냉각기(28)가 배치된다. 배기가스 재순환 냉각기(28)는, 배기가스 재순환 밸브(25)가 개방된 경우 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스가 고정층 흡착기(27)로 공급되기 전에, 상기 배기가스의 냉각을 위해 이용된다.
고정층 흡착기(27)로서 형성된 탈황 장치(24)를 통해 탈황될 배기가스를 안내할 때, 배기가스의 유황은 고효율로 흡착제 내에서 결합되며, 고효율의 탈황을 유지하기 위해서 정의된 처리기간에 따라서 고정층 흡착기(27)의 흡착제가 갱신되거나 또는 대체되는 방식으로 재생되어야만 한다.
바람직한 예시적인 실시예에서, 고정층 흡착기(27)는 작동 모드에서 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스의 탈황을 위해 이용되고 재생 모드에서는 고정층 흡착기(27)의 흡착제의 재생을 위해 이용되며, 바람직한 예시적인 실시예에서 고정층 흡착기(27)의 재생은 응축수를 이용하여 수행된다.
따라서, 도 1에는, 작동 모드 동안 형성되는 응축수가 그 내부에 집수될 수 있는 응축수 집수기(29)가 배기가스 재순환 냉각기(28)에 할당되어 있는 점이 도시되어 있다. 재생 모드에서, 상기 응축수는 이송 펌프(30)에 의해 응축수 집수기(29)에서 추출되어, 고정층 흡착기(27)의 흡착제를 재생하기 위해 상기 고정층 흡착기(27)의 흡착제를 통해 안내될 수 있다.
고정층 흡착기(27)의 작동 모드에서, 이미 언급한 것처럼, 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스는 배기가스 재순환 냉각기(28)에 의해 냉각되며, 요컨대 이런 냉각은, 30℃와 200℃ 사이의 온도, 특히 30℃와 150℃ 사이의 온도, 바람직하게는 대략 90℃의 온도를 갖는 배기가스가 고정층 흡착기(27)를 통해 안내될 수 있는 방식으로 수행되며, 고정층 흡착기(27)의 영역에서 배기가스의 잔류 시간(dwell time)은 10초 미만, 바람직하게는 5초 미만이다.
고정층 흡착기의 흡착제의 재생을 위해 이용되는 고정층 흡착기(17)의 재생 모드는 바람직하게는 고정된 시간 간격으로, 예컨대 매일 1회 또는 하루 수회, 각각 흡착기의 유황 하중 및 그 치수에 따라서 실행된다. 이 경우, 재생 모드는 5분 내지 10분 사이의 시간으로 지속된다.
본 발명에 따른 내연기관은, 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스의 완전히 새로운 유형의 탈황을 허용한다. 탈황은 고정층 흡착기(27)에 의해 수행되며, 흡착제는 바람직하게는 활성탄 및/또는 제올라이트이다.
탈황 동안에는 소량의 물만이 소요된다. 종래 기술에 따라 요구되는 복잡한 정수 조건은 배제될 수 있다. 응축수 및/또는 폐수는 도 1에 따라서 최종 터빈(19)의 하류에서 배기가스 내로 분무되거나, 또는 상응하는 배기가스 라인 내에서 무화되고 그에 따라 제거될 수 있다.
본 발명은 2-행정 내연기관에서 뿐만 아니라 4-행정 내연기관에서도 이용될 수 있다.
본 발명은 1단형 배기가스 과급 시스템을 포함한 내연기관에서 뿐만 아니라 다단형 배기가스 과급 시스템을 포함하는 내연기관에서도 이용될 수 있다.
바람직하게는 본 발명은 선박용 디젤 내연기관과 같은 대형 디젤 엔진에서 이용된다.
10 : 내연기관
11 : 실린더
12 : 배기가스 과급 시스템
13 : 배기가스 재순환 시스템
14 : 배기가스 터보차저
15 : 배기가스 터보차저
16 : 컴프레서
17 : 컴프레서
18 : 터빈
19 : 터빈
20 : 급기 냉각기
21 : 급기 냉각기
22 : 바이패스 라인
23 : 바이패스 밸브
24 : 탈황 장치
25 : 배기가스 재순환 밸브
26 : 배기가스 재순환 팬
27 : 고정층 흡착기
28 : 배기가스 재순환 냉각기
29 : 응축수 집수기
30 : 이송 펌프

Claims (10)

  1. 각각 하나의 컴프레서(16, 17) 및 각각 하나의 터빈(18, 19)을 구비한 하나 이상의 배기가스 터보차저(14, 15)를 포함하는 적어도 1단형 배기가스 과급 시스템(12)과, 배기가스 유동에서 배기가스를 분기시켜 압축된 급기와 혼합하는 배기가스 재순환 시스템(13)을 포함하는 내연기관으로서, 배기가스 재순환 시스템(13)은 배기가스 재순환 시스템(13)을 통해 안내되는 배기가스의 탈황을 위해 이용되는 탈황 장치(24)를 포함하는 것인 내연기관에 있어서, 상기 탈황 장치(24)는 고정층 흡착기(27)로서 형성되고,
    상기 고정층 흡착기(27)는 흡착제로서 활성탄, 제올라이트 또는 양자 모두를 포함하며,
    상기 고정층 흡착기(27)는 100kg/㎥와 800kg/㎥ 사이의 충진 밀도, 100㎡/g과 1200㎡/g 사이의 활성 표면적, 또는 양자 모두를 갖는 흡착제를 포함하고,
    상기 고정층 흡착기(27)의 상류에는, 고정층 흡착기를 통해 안내될 배기가스를 냉각하기 위해, 배기가스 재순환 냉각기(28)가 배치되며,
    상기 고정층 흡착기(27)는 작동 모드에서 배기가스의 탈황을 위해 이용되고 재생 모드에서는 상기 고정층 흡착기(27)의 흡착제의 재생을 위해 이용되며,
    상기 배기가스 재순환 냉각기(28)에 응축수 집수기(29)가 할당되며, 상기 고정층 흡착기(27)의 흡착제의 재생을 위한 재생 모드에서는 응축수 집수기(29)에 집수된 응축수가 상기 흡착제의 세척을 위해 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 삭제
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  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 재생 모드에서 상기 응축수 집수기(29)에서 응축수를 추출할 수 있으면서 상기 흡착제의 재생을 위해 상기 고정층 흡착기(27)로 응축수를 공급할 수 있는 이송 펌프(30)가 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제1항에 따른 내연기관을 작동시키기 위한 방법에 있어서, 고정층 흡착기의 작동 모드에서 배기가스는 고정층 흡착기의 상류에서 30℃ 내지 200℃ 사이의 온도로 냉각되며, 상기 고정층 흡착기 내에서 배기가스의 잔류 시간(dwell time)은 10초 미만인 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고정층 흡착기의 재생 모드에서 상기 고정층 흡착기의 흡착제는 응축수로 세척되며, 상기 재생 모드의 기간은 5분 내지 10분 사이인 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 고정층 흡착기의 재생 모드는 고정된 시간 간격으로 실행되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 방법.
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