KR101777982B1 - 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기간 동안 엔진을 작동시키는 단계, 엔진을 정지시키는 단계 및 엔진을 재시동하는 단계를 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법에 관한 것이다. 엔진 정지로부터 제 1 시간 간격 이후에, 그리고 터보차져의 컴프레셔 부분 및 터빈이 회전하도록 유지되는 동안에, 세척제가 엔진 재시동 이전의 제 2 시간 간격 동안 터빈 부분의 상류의 흐름 채널에서 흐르는 공기 스트림 안으로 도입된다.

Description

터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법{METHOD OF OPERATING TURBOCHARGED PISTON ENGINE}

본 발명은 터보차지된 피스톤 엔진에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 기간 동안 엔진을 작동시키는 단계, 엔진을 정지시키는 단계 및 엔진을 재시동하는 단계를 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법에 관한 것이다.

내연기관 기술에서, 배기 가스 에너지가 컴프레셔를 작동시키기 위한 동력을 제공하는 터보차져는 엔진 작동 효율을 증가시키기 위해서 일반적으로 사용된다. 터보 컴프레셔는 컴프레셔 구역을 포함하고, 가압된 연소용 공기는 컴프레셔 구역에 의해서 엔진 안으로 도입된다. 덧붙여, 터보 컴프레셔는 컴프레셔를 구동시키기 위한 터빈 구역을 포함한다. 엔진으로부터 나오는 배기 가스는 터빈으로 유도되고, 터빈은 배기 가스의 에너지를 컴프레셔를 위한 구동 동력으로 변환한다. 카본 퇴적 (carbon deposit) 과 같은 크러스트 (crust) 의 형성은 터보 컴프레셔의 터빈 부분과 관련된 문제로서 알려졌다. 크러스트의 형성은 터빈의 블레이드 (blade) 에서 또한 터빈의 블레이드와 터빈 하우징 사이의 간격 (clearance) 에서 특히 문제가 있고 특히 중유 (heavy fuel oil) 가 터보차지된 피스톤 엔진에서 연료로서 사용될 때 문제가 있다. 가스를 제한하는 표면의 표면 온도는 고수준까지 상승하고 표면에서의 크러스트 형성은 특히 단단하다. 크러스트의 특성은 연료의 조성에 따라 변한다; 바나듐- 및 소듐- 을 포함하는 중유일 때 문제가 특히 상당하다.

EP 1 577 520 A2 공보에서 피스톤 엔진과 관련된 터보 컴프레셔 배열이 도시되고, 이 배열은 서로 연결된 컴프레셔 유닛 및 터빈 유닛을 포함하며, 터빈 유닛은 블레이드를 갖는 터빈 휠 및 터빈 휠과 블레이드를 이들로부터 이격되어 둘러싸는 터빈 하우징을 포함한다. 터빈 하우징을 냉각시키고 크러스트의 형성을 회피하기 위해 실질적으로 터빈 블레이드의 팁 (tip) 에 인접하게 배열된 냉각 매체를 위한 냉각 공간이 있다. 이 배열은 터빈 하우징의 제한된 영역의 냉각을 제공하고 크러스트의 형성을 방지하는 것을 목표로 한다. 하지만, 공보는 이미 오염된 (fouled) 터빈의 세척은 고려하지 않는다.

여러 해결책이 터빈이 작동중이면서 동시에 터빈 표면으로부터 카본 퇴적을 제거하기 위해 개발되었다. US 5944483 A 공보는 배기 가스 터보차져 터빈의 노즐 링을 소위 열 충격 방법 (thermal shock method) 을 사용하여 습식 세척 (wet cleaning) 하기 위한 장치를 도시한다. 배기 가스 터보차져 터빈의 노즐 링의 습식 세척을 위한 방법은 오염물의 열 충격에 기초하고, 물을 노즐 링의 상류에 인접한 배기 덕트 안으로 상대적으로 작은 양을 반복적으로 분사하는 단계를 포함한다. 분사 (injection) 사이의 지연은 노즐 링이 작동 온도로 재가열하는 것을 허용해서 각각의 물 분사가 열 충격을 일으킨다. 상기 방법을 수행하는 장치는 배기 가스 케이싱에 설치된 물 분사 노즐 및 제어 시스템을 포함한다. 이 방법은 세척이 수행되는 동안 엔진이 작동하고 있는 것을 요구한다. 추가적으로, 크러스트를 분리시키기 위해 열 충격을 사용하는 것은 터보차져의 구조에 추가적인 응력 (stress) 와 하중 (load) 을 발생시킨다.

터빈 표면으로부터 카본 퇴적을 제거하는 다른 방법은 엔진의 저부하에서 연속적인 물 분사이다. 이는 좋지 않은 조건, 즉, 조건 자체가 오염물의 대부분을 발생시키는 조건에서 일어난다. 경질 입자 (hard particle) 를 사용한 건식 세척이 또한 공지되었다.

US 2008236150 은 터빈 세척 중에 더 높은 출력에서 작동될 수 있는 터보 컴프레셔가 구비된 피스톤 엔진을 도시한다. 이는 컴프레셔 및 컴프레셔를 구동시키기 위해 결합된 배기 가스 터빈을 포함하는 터보 컴프레셔를 포함하는 피스톤 엔진 작동 방법에 의해 성취되고, 상기 방법에서 배기 가스는 공기 및/또는 물을 터빈 상류의 배기 가스에 부가하는 것에 의해서 냉각되며 한편으로 세척제 (cleaning agent) 가 터빈에 공급된다.

WO 2005/049972 A1 은 터보 컴프레셔의 축선 터빈의 회전 블레이드 및 노즐링을 위한 세척 장치를 개시한다. 세척 장치는 터빈 상류의 흐름 채널 (flow channel) 안으로 돌출된 로드 형상 (rod-shaped) 의 노즐을 포함한다. 세척 매체는 노즐의 분사 개구부를 통해서 가스 흐름 안으로 분사된다. 흐름 채널의 양측에 웨이스트 게이트 (waste gate) 설치를 용이하게 하기 위해 흐름 채널에 2 개의 대향하는 웨이스트 게이트 개구부가 종종 구비된다는 사실에 기인하여 보통 존재하는 추가적인 웨이스트 게이트 플랜지 (flange) 에 노즐이 유리하게 부착될 수 있다는 것이 또한 제안된다.

엔진 작동 중에 예를 들어, 물을 터빈 상류의 배기 가스 스트림 안으로 분사하는 것에 의해 터빈을 세척하는 것은 분리된 크러스트가 가스에 의해 배기 가스 덕팅 (ducting) 으로 및 바람직하지 않은 대기로 쉽게 비말동반 (entrained) 되는 것을 야기한다.

본 발명의 목적은 종래 기술과 관련된 문제가 최소화될 수 있는 피스톤 엔진과 관련된 터보 컴프레셔 배열을 제조하는 것이다.

본 발명의 목적은 기간 동안 엔진을 작동시키는 단계, 엔진을 정지시키는 단계 및 엔진을 재시동하는 단계를 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법에 의해 달성되고, 상기 방법에서 엔진 정지로부터 제 1 시간 간격 이후에, 그리고 터보차져의 컴프레셔 부분 및 터빈이 회전하도록 유지되는 동안에, 세척제가 엔진 재시동 이전의 제 2 시간 간격 동안 터빈 부분의 상류의 흐름 채널에서 흐르는 공기 스트림 안으로 도입된다. 이 방법으로 세척제는 터빈 부분의 표면에 효과적으로 퍼져서 표면의 크러스트를 분리시킨다. 따라서, 터빈 부분의 세척이 효율적이고 수리 작업 (service work) 이 단순하며 엔진의 실질적으로 짧은 정지 기간 동안 수행될 수 있다.

엔진의 시동이 바람직하게는 실질적으로 세척제의 도입 이후에 즉시 수행되어서 분리된 크러스트가 건조되어 표면에 다시 부착될 수 없다.

엔진 정지 이후에, 흐름 채널 안으로의 외기를 위한 흐름 경로가 추가적인 공기를 터빈 부분으로 유도하며 증가될 수 있다. 이 방법으로 터빈 휠의 회전이 유지되거나 적어도 제 2 시간 간격동안 보조될 수 있다. 제 2 시간 간격은 또한 세척 단계로 불리울 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 흐름 채널 안으로의 외기를 위한 흐름 경로는 컴프레셔 부분의 압력 측과 터보차져의 터빈 부분의 압력 측을 연결하는 바이패스 (by-pass) 채널을 개방하는 것에 의해 증가될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 흐름 채널 안으로의 외기를 위한 흐름 경로는 터보차져의 터빈 부분의 압력 측을 외기에 바로 연결하는 밸브를 개방하는 것에 의해서 증가될 수 있다.

유리하게 세척제는 워터 미스트 (water mist) 일 수 있다. 워터 미스트는 터빈 부분의 표면을 효과적으로 적시고 크러스트를 분리시킨다. 물은 액적 크기가 1,000 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무될 수 있다. 유리하게 물은 액적 크기가 100 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무될 수 있다. 물 온도는 바람직하게는 약 20 ℃ 일 수 있다.

실시예에 따르면 물은 물 온도가 세척 절차중의 워밍업 (warming up) 에 기인하여 증가하는 경우에 재순환될 수 있다.

바람직하게는 터빈 부분의 표면이 워터 미스트를 공급하는 것에 의해 젖은 채 유지되는 동안의 제 2 시간 간격은 적어도 1 시간이다.

본 발명의 실시예에 따르면 터보차저의 컴프레셔 부분 및 터빈의 회전은 엔진의 공기 시동 시스템 (air start system) 에 의해서 개시될 수 있다. 이는 시동 공기를 엔진의 실린더 안으로 출입시키는 것에 의해 달성될 수 있고 엔진의 실린더로부터 공기가 터빈 부분을 통과해 흐르면서 엔진 회전을 보조한다.

배수관 (drain) 이 터빈 부분 하류의 흐름 채널에 배열될 수 있고 세척 단계 동안 개방된다. 공기에 의해 비말동반되지 않은 물은 배수관을 통해서 수집된다.

본 발명의 추가적인 실시예는 엔진을 작동시키고, 엔진을 정지시키며 그리고 엔진을 재시동하는 것을 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법이고, 엔진 정지로부터 제 1 시간 간격 이후에, 그리고 터보차져의 컴프레셔 및 터빈이 회전하도록 유지되는 동안에, 세척제를 제 2 시간 간격 동안 터빈의 상류의 흐름 채널에서 흐르는 공기 스트림 안으로 도입한다. 한 양태에서, 상기 방법은 외기 흐름을 흐름 채널 안으로, 예를 들어 엔진 정지 이후에 도입하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 외기 흐름을 흐름 채널 안으로 도입하는 것은 터보차져의 터빈의 압력 측을 외기로 연결하는 채널을 개방하는 것을 포함할 수 있다. 한 양태에서, 외기 흐름을 흐름 채널로 도입하는 것은 컴프레셔의 압력 측과 터보차져의 터빈의 압력 측을 연결하는 바이패스 채널을 개방하는 것에 의해 실행될 수 있다.

또 다른 양태에서, 세척제는 물을 포함할 수 있고, 물은 수액적 (water droplet) 크기가 실질적으로 1,000 마이크로미터 (㎛) 보다 작거나, 또는 실질적으로 100 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무될 수 있다.

상기 방법은 유리하게 선박 (marine vessel) 의 터보차지된 피스톤 엔진에 적용될 수 있고 가스 스트림은 선박의 굴뚝을 통해 대기로 전달되고 터보차져의 컴프레셔 부분 및 터빈의 회전을 보조한다.

또 다른 실시예에 따르면, 터보차지된 피스톤 엔진은 선박의 터보차지된 피스톤 엔진일 수 있고, 상기 방법은 가스 스트림을 터빈으로부터 대기로 선박의 굴뚝을 통해서 방출하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 한 양태에서, 상기 방법은 선박 굴뚝에 드래프트 효과 (draft effect) 를 제공하는 것에 의해서 터보차져의 컴프레셔 및 터빈의 회전을 보조하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명은 여러 가지 장점을 갖는다. 첫째로, 엔진이 정지되기 때문에 터보 컴프레셔를 세척하는 안전한 방법을 제공한다. 본 발명의 양태는, 오직 최소의 열 응력만을 터빈 구성 요소에 야기시킬 수 있고 - 엔진은 일반적으로 세척 단계에 앞서서 1 ~ 2 시간동안 점진적으로 냉각된다. 타보차져 성능은 본 발명의 양태에 따른 세척 사이의 전체 기간 내내 최적으로 유지된다. 본 발명의 양태를 적용하는 것에 의해서, 노즐 링, 디퓨져 및 터빈 휠을 포함하는 터빈 부분 구송 요소는 제조자가 정한 수명 전체 내내 최적의 조건으로 유지된다.

다음에서, 본 발명은 동봉한 전형적인, 개략적인 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.

도 1 은 터보 컴프레셔 (2) 가 구비된 피스톤 엔진 (1) 을 도시한다. 터보 컴프레셔 (2) 는 컴프레셔 또는 컴프레셔 부분 (3) 및 터빈 또는 터빈 부분 (4) 을 포함하고, 이들은 구동 샤프트 (5) 에 의해서 서로 연결된다. 구동 샤프트 (5) 는 터보 컴프레셔 (2) 의 하우징에 베어링 시스템 (도시되지 않음) 을 통해서 부착된다. 컴프레셔 (3) 의 작업은 엔진 (1) 의 연료의 연소를 위한 가압된 연소용 공기를 제공하기 위해서 가압된 공기를 엔진 (1) 에 공급하는 것이다. 컴프레셔 부분 (3) 은 엔진 (1) 으로 전달되는 연소용 공기를 가압하기 위한 블레이드가 구비된 회전 가능한 로터 (rotor) 또는 휠을 포함한다. 흐름 공간, 채널, 또는 통로 (6) 가 적합하고, 예를 들어, 컴프레셔 (3) 의 고압 측에, 컴프레셔 (3) 와 엔진 (1) 의 엔진 실린더 (10) 의 연소 공간 사이에 위치된다. 흐름 공간 (6) 은 가압된 공기, 즉, 흡기 (intake air) 또는 연소용 공기를 실린더 (10) 로 전달하는데 적합하다. 흐름 공간 (6) 은 연소용 공기를 냉각 또는 가열하기 위한 열 교환기 (7) 를 포함할 수 있다. 추가적으로, 흐름 공간 (6) 은 하나 이상의 차지 공기 수용기 (charge air receiver; 8) 를 포함할 수 있고, 이는 연소용 공기의 흐름 방향에서 열 교환기 (7) 다음에 위치된다. 흐름 공간 (6) 은 또한 연소용 공기를 수용기 (8) 로부터 실린더 (10) 로 전달하기 위해서 각각의 실린더 (10) 와 수용기 (8) 사이에 위치된 주입 채널 (9) 을 포함할 수 있다.

배기 가스 덕트 (11) 가 엔진의 배기 가스를 터빈 부분 (4) 으로 전달하기 위해서 실린더 (10) 와 터빈 부분 (4) 의 고압 측 사이에 배열된다. 배기 가스 덕트 (11) 의 제 1 단부 (11a), 즉, 터빈 (4) 에 가장 가까운 덕트 (11) 의 단부가 터빈 부분 (4) 의 주입구에 연결된다. 배기 가스 덕트 (11) 는 일반적으로 실린더 (10) 열에 실질적으로 평행하게 위치될 수 있다. 배기 가스 덕트 (11) 의 제 2 단부 (11b), 즉, 터빈 (4) 으로부터 가장 먼 덕트 (11) 의 단부가 터빈 부분 (4) 으로부터 가장 먼 실린더 부근으로 연장될 수 있다. 실린더 (10) 의 적어도 일부, 하지만 일반적으로 각각의 실린더 (10) 는 배출 채널 또는 통로 (17) 에 의해서 배기 가스 덕트 (11) 에 연결된다. 터보 컴프레셔 (2) 의 터빈 또는 터빈 부분 (4) 은 엔진 (1) 으로부터 나오는 배기 가스에 의해서 회전되는 블레이드가 구비된 로터 또는 휠을 포함한다. 게다가, 엔진 (1) 은 실린더 (10) 에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치 (도시되지 않음) 를 포함할 수 있다.

종래 기술에 따르면, 엔진 (1) 이 작동하는 동안, 연소용 공기는, 예를 들어, 외기로부터, 예를 들어, 외기압보다 고수준까지 공기압이 상승되는 컴프레셔 부분 (3) 으로 유도된다. 가압된 공기는 컴프레셔 (3) 의 고압 측의 흐름 공간 (6) 으로 유도된다. 흐름 공간 (6) 에서 연소용 공기는 열 교환기 (7) 로 전달되고 열 교환기 (7) 에 의해서 일반적으로 40 ~ 100 ℃ 로 냉각된다. 냉각 이후에, 연소용 공기는 차지 공기 수용기 (8) 로 유도된다. 연소용 공기는 수용기 (8) 로부터 주입 채널 (9) 을 통해서 실린더 (10) 로 유도된다. 연료, 예를 들어, 중유가 실린더 (10) 에 공급되고 실린더 (10) 의 연소 공간의 연소용 공기가 있는 곳에서, 압축 점화와 같은 종래의 점화 소스에 의해서 연소된다. 연소에 의해 생성된 배기 가스는 실린더 (10) 로부터 배출 채널 (17) 을 통해서 배기 가스 덕트 (11) 로 전달되고 배기 가스 덕트 (11) 를 통해서 터빈 부분 (4) 으로 전달된다. 터빈 (4) 을 통과하는 동안 가스 흐름이 터빈 (4) 의 휠을 회전시키고, 휠의 회전 운동이 샤프트 (5) 에 의해서 컴프레셔 부분 (3) 의 로터에 전달된다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 세척제를 터빈 부분 (4), 예를 들어 터빈 부분 (4) 의 고압 주입구에 이르는 흐름 채널 또는 통로 (18) 에 공급하기 위한 공급 장치 (16) 가 터빈 부분 (4) 에 구비된다. 실제로, 흐름 채널 (18) 은 엔진 (1) 의 배기 덕트 (11) 의 부분일 수 있고, 따라서 "흐름 채널 (18)" 과 "배기 덕트 (11)" 두 표현 모두 본 발명의 양태의 이어지는 기술에 사용될 수 있다. 세척제에 의해서 카본 퇴적 및/또는 터빈 (4) 의 표면에 수집된 다른 오염물이 이후에 설명되는 것과 같이 제거된다. 한 양태에서, 카본 퇴적은 특별히 터빈 부분 (4) 의 노즐 링 (도시되지 않음) 의 표면으로부터 및 로터 블레이드 주변의 터빈 하우징의 표면으로부터 제거된다. 노즐 링에는 블레이드가 구비되고, 상기 블레이드는 배기 가스 흐름이 로터 블레이드에 적절하고 그리고 배기 가스의 흐름 속도가 증가되도록 배기 가스가 터빈 휠로 흐르기 전에 배기 가스의 흐름 방향을 바꾼다.

세척제 공급 장치 (16) 는 세척제가 통과해서 터빈 부분 (4) 의 노즐 링의 상류 지점에서 흐름 채널 (18) 안으로 분사되는 하나 이상의 노즐 또는 개구부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 공급 장치 (16) 는 가압 수원 (source of pressurized water; 24) 에 연결될 수 있고 따라서 세척제는 바람직하게는 물일 수 있다. 가압 수원 (24) 은 바람직하게는 물을 공급 장치 (16) 안으로 공급하는 고압 펌프 (도시되지 않음) 와 결합된 저압 수원을 포함할 수 있다.

터보차지된 피스톤 엔진 (1) 에 바이패스 채널, 도관 또는 통로 (20) 가 추가적으로 구비될 수 있다. 바이패스 채널 (20) 은 컴프레셔 부분 (3) 의 압력 측으로부터 터보차져 (2) 의 터빈 부분 (4) 의 압력 측으로 이어지고 이후에 설명되는 것과 같이, 채널 (20) 을 개방하고 폐쇄하기 위해 하나 이상의 밸브 (22) 가 구비될 수 있다.

이제, 본 발명의 실시예에 따라서, 첫째로 엔진 (1) 이 필요한 대로의 시간 기간 동안 작동되도록 터보차지된 피스톤 엔진 (1) 이 작동된다. 엔진 (1) 은 일반적으로 중유에 의해 연료를 공급받고 따라서 엔진 (1) 으로부터 터빈 (4) 으로의 배기 가스는 특히 파울링 (fouling) 되는 경향이 있다. 작동 기간 동안 터빈 부분 (4) 은 터빈 표면에 크러스트와 같은 카본 퇴적을 축적시킬 수 있다. 이 크러스트는 터빈 부분 (4) 의 작동을 충분한 수준의 성능으로 유지시키기 위해 제거되어야 한다. 엔진 (1) 작동 시간 기간은 요구된 만큼 및/또는 계획된 만큼 길 수 있다. 작동 시간 기간 이후에, 엔진 (1) 은 정지된다. 본 발명의 양태에 따르면, 정지 순간은 터빈 부분 (4) 이 냉각되도록 허용되는 제 1 시간 간격을 촉발한다. 따라서, 제 1 시간 간격은 또한 냉각 기간으로 불리울 수 있다. 냉각 기간이 지나간 이후에, 세척제가 터빈 부분 (4) 상류의 흐름 채널 (18) 에서 흐르는 가스 스트림 안으로 도입된다. 바람직하게는, 세척제는 물이다. 한 양태에서, 물의 도입은 가스 스트림 안으로 워터 미스트로서 도입되도록 실현된다. 제 1 시간 간격은 워터 미스트가 터빈 (4) 의 표면으로부터 즉시 실질적으로 증발하지 않는 적어도 그 온도로 터빈 부분 (4) 이 냉각되는 정도이다. 실제로 약간의 물의 양이 증발할 수 있지만, 표면 온도가 이미 약 150 ℃ 이하로 냉각되었기 때문에 그 효과는 열 충격 방법에 비교할만 하지 않다. 이는 또한 워터 미스트가 작동 조건에서 분무된다면 야기될 수 있는 과도한 열 충격을 피한다. 제 1 시간 간격은 적어도 약 1 시간일 수 있다. 일반적으로, 제 1 시간 간격은 약 1 시간 ~ 약 2 시간일 수 있다. 워터 미스트의 도입은, 특히, 한 양태에서, 워터 미스트를 터빈 부분 (4) 을 통해 흐르는 가스 스트림 안으로 연속적으로 또는 간헐적으로 도입하는 것에 의해서 터빈 부분 (4), 노즐 링 및 터빈 휠이 젖은 채 유지되는 동안의 제 2 시간 간격 동안에 지속될 수 있다. 제 2 시간 간격은 바람직하게는 적어도 약 1.5 시간일 수 있으나, 몇몇 경우에는 세척 단계가 심지어 약 2 시간 이상일 수 있다. 세척 단계 이후에, 엔진 (1) 은 재시동될 수 있고 본 발명의 양태에 의해서 터빈 (4) 의 표면으로부터 축출된 (dislodged) 분리된 크러스트는 터빈 부분 (4) 의 표면으로부터 제거될 수 있다. 실제로, 본 발명의 양태에 따른 세척 단계의 효과는, 크러스트를 터빈 (4) 의 표면으로부터 주로 느슨하게 하거나 또는 분리시키는 것일 수 있고, 크러스트는 세척 단계 동안에 필연적으로 표면으로부터 제거되거나 실질적으로 제거되지는 않지만, 엔진 (1) 을 재시동한 이후에 실질적으로 제거될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에서, 터빈 부분 (4) 을 통해 흐르는 가스 스트림의 유량을 유지 및/또는 증가시키는 것을 보조하기 위해서, 터빈 부분 (4) 에 추가적인 공기를 도입하는 흐름 채널 (18) 안으로의 외기를 위한 흐름 경로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 한 양태에서, 이는 워터 미스트의 도입중에 터빈 휠은 회전이 유지되고 증가된 유량이 이 회전을 용이하게 할 수 있는 것이 유리할 수 있기 때문에 중요할 수 있다. 실제로, 터빈 (4) 으로의 물 및/또는 공기의 흐름을 증가시키는 것이 바람직하게는 컴프레셔 부분 (3) 의 고압 측과 터보차져 (2) 의 터빈 부분 (4) 의 고압 측을 연결하는 바이패스 채널 (20) 의 밸브 (22) 를 개방하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 밸브 (22) 의 개구부는 컴프레셔 부분 (3) 으로부터 터빈 부분 (4) 까지의 실질적으로 직접적인 흐름 경로를 개방하고 엔진 (1) 의 실린더 (10) 를 우회한다.

본 발명의 한 양태에서, 제어 유닛 (30) 이 도 1 에서처럼 도시된 엔진 (1) 과 관련하여 제공될 수 있다. 제어 유닛 (30) 은 적어도 공급 장치 (16) 및 바이패스 밸브 (22) 의 작동을 제어하도록 배열될 수 있어서, 한번 엔진이 정지하면, 제어 유닛 (30) 은 터빈 부분 (4) 에 추가적인 공기를 제공하고 터빈 부분 (4) 의 냉각을 용이하게 하도록 바이패스 채널 (20) 의 밸브 (22) 를 제어한다. 제 1 시간 간격 (냉각) 이 지나간 이후에, 제어 유닛 (30) 은 흐름 채널 (18) 에서 흐르는 가스 스트림 안으로 세척제, 예를 들어 워터 미스트의 도입을 시작하도록 공급 장치 (16) 를 제어할 수 있다. 제 1 시간 간격의 지속은 제어 유닛 (30) 에 저장될 수 있고 제어 유닛은 제 2 시간 간격이 경과할 때까지 공급 장치 (16) 의 작동을 유지시킬 수 있다. 그 다음에, 제어 유닛 (30) 은 예를 들어, 밸브 (22) 를 폐쇄하는 것에 의해서 공급 장치 (16) 를 비활성화시킬 수 있다.

한 양태에서, 물은 액적 크기가 1,000 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무될 수 있다. 그러나, 다른 양태에서, 물은 유리하게 액적 크기가 100 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 터보차져 (2) 는 엔진의 공기 시동 시스템에 의해서 회전이 유지될 수 있다. 이 경우에, 공기 시동 시스템에 저장된 가압된 공기는 배기 덕트로 바람직하게는 간헐적으로 출입되고, 이는 터보차져 (2) 의 컴프레셔 부분 (3) 및 터빈 부분 (4) 이 회전하도록 유지시킨다. 터보 컴프레셔 (2) 의 터빈 부분 (4) 에 공기에 의해서 비말동반되지 않은 워터 미스트의 양이 배수관을 통해서 수집되도록 배수관 (25) 이 구비될 수 있다.

도 2 는 상기 방법이 수동식으로 실행되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 엔진 (1) 이 정지되면, 터빈 부분 (4) 으로 이어지는 흐름 채널 (18) 이 개방될 수 있다. 한 양태에서, 대형 엔진, 예를 들어 선박 추진 원동기 (ship propulsion prime mover) 및 보조 엔진으로 사용되도록 의도되고 200 ㎜ 이상의 실린더 직경을 가지며 및/또는 150 kW/실린더를 초과하는 동력 (power) 을 생산할 수 있는 엔진에 일반적으로 존재하는 웨이스트 게이트 지류 배출구를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 공급 장치 (16) 는 제거 가능하게 부착, 예를 들어, 웨이스트 게이트 지류 배출구의 플랜지에 장착될 수 있어서, 그의 노즐 또는 분무 개구부가 터빈 부분 (4) 의 노즐 링을 향해서 지향될 수 있다. 공급 장치는 도 2 에 도시된 대로 예를 들어, 호스 (26) 에 의해서 가압 수원 (24) 에 결합될 수 있다. 엔진 (1) 이 제 1 시간 간격 동안 냉각된 후에, 공급 장치 (16) 의 밸브 (28) 가 개방될 수 있고 수원 (24) 으로부터의 물은 흐름 채널 (18) 에 흐르는 가스 스트림 안으로 예를 들어, 미스트로서 도입될 수 있다. 이는 상기 설명된 대로 엔진을 재시동 하기에 앞서서 제 2 시간 간격 동안 실행될 수 있다.

도 2 에는 엔진 (1) 과 관련하여 세척제 재활용 시스템 (recycling system; 200) 이 제공되는 본 발명의 추가적인 실시예가 도시된다. 배수관 (25) 에 의해서 수집된 물과 같은 세척제는 수집된 물의 사용 가능한 부분을 가압 수원 (24) 으로 복귀시키는 세척제 재활용 시스템 (200) 으로 유도될 수 있다. 이 방식으로 사용된 물의 양이 감소될 수 있다. 폐기물, 예를 들어, 터빈 부분으로부터 분리된 크러스트가 배수관 (25) 에서의 물로부터 분리될 수 있고 적어도 물의 일부가 재순환될 수 있다.

도 3 은 상기 방법이 선박 (100) 에 배열된 피스톤 엔진에서 실행되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 선박 (100) 이 여기에서 개략적으로 도시되고 선박 (100) 은 예를 들어, 여객선, 페리, 또는 화물선일 수 있다. 엔진 (1) 은 선박 (100) 의 엔진실 (110) 안에 배열되고 배기 가스 덕트 (120) 가 엔진실 (110) 로부터 선박 (110) 의 굴뚝 (125) 으로 이어진다. 엔진 (1) 은 도 1 과 관련하여 개시된 대로 작동될 수 있지만, 제 2 시간 간격, 즉, 세척 단계 동안에, 가스 스트림이 터보차져의 컴프레셔 (3) 및 터빈 (4) 부분의 회전을 보조한 이후에 선박 (100) 의 굴뚝 (125) 을 통해서 대기로 전달될 수 있다. 세척 단계 동안 터빈 휠의 회전은 매우 유익할 수 있다. 회전을 향상시키기 위해서, 엔진실 공기압은 100 ~ 200 파스칼 (Pa) 에서 유지 및/또는 제어될 수 있다. 추가적으로, 한 양태에서, 윤활유의 순환을 보장하기 위해서, 터보차져 윤활 펌프의 작동을 시작 및/또는 유지하는 단계가 있을 수 있다.

도 3 의 실시예에서, 터빈 부분 (4) 을 통해 흐르는 공기 스트림의 유량을 유지 및/또는 증가시키는 것은 또한 추가적인 공기를 터빈 부분 (4) 으로 유도하는, 흐름 채널 (18) 안으로의 외기를 위한 흐름 경로를 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 여기에서 굴뚝 (125) 의 높이는 흐름 채널 (18) 의 드래프트 효과를 증가시키는 것에 의해서 공기 흐름을 용이하게 할 수 있다.

한 양태에서, 워터 미스트의 도입 동안에 터빈 휠이 회전하도록 유지되고 증가된 유량이 이 작동을 용이하게 하는 것이 유리할 수 있기 때문에 공기 흐름의 증가가 중요할 수 있다.

도 4 에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시된다. 도 4 에 도시된 실시예는 도 1 의 실시예에 다음 예외 사항과 함께 대응한다. 공급 장치 (16) 는 저압 수원 (24') 및 고압 공기원 (24'') 에 연결된다. 또한 이 경우에, 세척제는 물일 수 있다. 가압 공기원 (24'') 및 저압 수원 (24') 은 공급 장치 (16) 를 통해서 도입된 물이 가압된 공기에 의해서 미세화 (atomized) 되도록 공급 장치 (16) 에 연결될 수 있다. 이는 물이 가압된 가스에 의해서 미세화될 때, 공급 장치 (16) 의 분무 개구부가 예를 들어 물이 비가압된 가스에 의해서 미세화될 때보다 더 클 수 있기 때문에 영구 설치를 위해 유리한 실시예일 수 있다. 이 양태에서, 공급 장치 (16) 는 폐색 (clogging) 되기 덜 쉬울 수 있다.

도 3 에 도시된 대로, 터보차지된 피스톤 엔진 (1) 에 지류 채널 (20') 이 추가적으로 구비될 수 있다. 지류 채널 (20') 은 외기로부터 터보차져 (2) 의 터빈 부분 (4) 의 압력 측으로 유도하고 채널 (20') 을 개폐하기 위해서 밸브 (22) 가 구비될 수 있다.

도 4 에는 세척 단계 동안에 터보차져 (2) 가 회전하는 것을 유지하는 추가적인 또는 대안적인 방법이 또한 도시된다. 세척 단계를 시작하기 전에, 터보차져와 관련된 전기 모터 (32) 가 시작될 수 있고 세척 단계 동안 작동이 유지될 수 있다. 모터 (32) 는 터보차져에 영구적으로 연결될 수 있는데, 즉, 모터 (32) 는 소위 동력 인입 (power take-in; PTI) 및/또는 동력 인출 (power take-off; PTO) 모터일 수 있다. 모터 (32) 는 또한 제어 유닛에 의해서 제어되도록 제어 유닛 (30) 에 연결될 수 있다. 대안으로 모터 (32) 는 상기 목적으로 임시로 결합될 수 있다.

예시와 같이, 본 발명의 양태는 460 ㎜ 보어의 16 실린더를 갖는 V-엔진으로 테스트되었고 탁월한 결과를 얻었다. 터빈 부분의 세척은 엔진이 정지되고 적당히 냉각된 동안에 수행되었다. 사용된 가압 수원은 고압수 시스템 (9 MPa 까지) 이었다. 바이패스 밸브 (22) 는 개방되었고 세정 (washing) 단계 동안 터빈 부분 (4) 은 연속적으로 회전했다. 약 600 ~ 700 리터 (ℓ) 의 물이 세척 단계 동안에 터빈 부분으로부터 배출되었다 (약 5 ~ 6 ℓ/min 의 비율로).

본 발명이 현재 가장 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련된 예시에 의해 여기에서 설명되는 동안에, 본 발명이 개시된 실시예에 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구항에 정의된 대로 본 발명의 범위내에 포함된 여러 다른 응용 및, 특징의 다양한 조합 또는 수정을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기의 어떤 실시예와 관련하여 언급된 상세 설명은 그러한 조합이 기술적으로 실현 가능한 또 다른 실시예와 관련하여 사용될 수 있다.

Claims (12)

1. 엔진을 작동시키는 단계, 엔진을 정지시키는 단계 및 엔진을 재시동하는 단계를 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법으로서,
   엔진 정지로부터 제 1 시간 간격 이후에, 그리고 터보차져의 컴프레셔 및 터빈이 회전하는 동안에 상기 터빈의 표면 온도가 150 ℃ 이하가 되면, 세척제를 제 2 시간 간격 동안 터빈의 상류의 흐름 채널에서 흐르는 공기 스트림 안으로 도입하여 상기 터빈을 세척하고,
   상기 방법은, 엔진의 정지 이후에, 외기 흐름을 상기 흐름 채널 안으로 도입하는 것을 추가적으로 포함하고,
   상기 외기 흐름을 상기 흐름 채널 안으로 도입하는 것은, 상기 터보차져의 상기 터빈의 압력 측을 배기가스를 포함하지 않는 외기에 직접적으로 연결하는 채널을 개방하는 것을 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 터보차져의 컴프레셔 및 터빈의 회전을 전기 모터에 의해서 유지하는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 외기 흐름을 상기 흐름 채널 안으로 도입하는 것은 상기 컴프레셔의 압력 측과 상기 터보차져의 상기 터빈의 압력 측을 연결하는 바이패스 채널을 개방하는 것을 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 세척제는 물인 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 물은 수액적 크기가 실질적으로 1,000 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 분무되는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 물을 도입하는 것은 수액적 크기가 실질적으로 100 ㎛ 보다 작게 가스 스트림 안으로 상기 물을 분무하는 것을 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 시간 간격은 적어도 1 시간인 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 터보차져의 컴프레셔 및 상기 터빈의 회전을 상기 엔진의 공기 시동 시스템에 의해서 개시하는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 상기 터빈의 하류의 흐름 채널을 배수하고 상기 터빈으로부터 배수된 적어도 약간의 세척제를 수집하는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은 상기 적어도 약간의 수집된 세척제를 재순환시키는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 터보차지된 피스톤 엔진은 선박의 터보차지된 피스톤 엔진을 포함하고, 상기 방법은 가스 스트림을 상기 터빈으로부터 상기 선박의 굴뚝을 통해서 대기로 방출시키는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 상기 선박의 상기 굴뚝에 드래프트 효과를 제공하는 것에 의해서 상기 터보차져의 컴프레셔 및 상기 터빈의 회전을 보조하는 것을 추가적으로 포함하는 터보차지된 피스톤 엔진 작동 방법.

Images