KR101868776B1 - 배기 시스템 및 배기 가스 온도를 감소시키는 방법 - Google Patents

배기 시스템 및 배기 가스 온도를 감소시키는 방법 Download PDF

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Abstract

내연 기관 (1) 용 배기 시스템은 고압 터보차저 (3), 상기 기관 (1) 과 상기 터보차저 (3) 사이에 유동 연통을 수립하는 수단 (2, 7), 저압 터보차저 (4), 상기 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 과 상기 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 사이에 유동 연통을 수립하기 위한 수단 (6), 및 상기 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 으로부터 상류에 배치되고 냉각 매체 덕트 (17) 를 구비하는 열교환기 (5) 를 포함한다. 상기 시스템은, 상기 열교환기 (5) 의 고압 배기 가스의 온도를 감소시키기 위해, 상기 고압 터보차저 (3) 의 하류 측으로부터 배기 가스를 상기 열교환기 (5) 의 냉각 매체 덕트 (17) 내로 안내하기 위한 수단 (6, 11) 을 더 포함한다. 또한, 본 발명은 배기 온도를 감소시키는 방법에 관한 것이다.

Description

배기 시스템 및 배기 가스 온도를 감소시키는 방법{EXHAUST SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING EXHAUST GAS TEMPERATURE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연 기관용 배기 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 다른 독립항의 전제부에 기재된 바와 같은, 2단계 터보차저형 (two-stage turbocharged) 내연 기관의 고압 터보차저 전에 배기 가스 온도를 감소시키는 방법에 관한 것이다.
많은 대형 터보차저형 내연 기관의 문제는 터보차저의 터빈 전에 배기 가스 온도가 너무 높다는 것이다. 상기 온도는 터보차저의 손상을 방지하기 위해 전형적으로 대략 600 ℃ 로 제한될 필요가 있다. 엔진 작동 파라미터를 조절함으로써 배기 온도를 제한하면, 기관의 효율이 악화될 수도 있다. 터보차저의 터빈 전에 배기 가스 온도를 감소시키기 위한 전형적인 해법은 터빈으로부터 상류의 배기 가스 유동에 공기를 도입하는 것이다. 그렇지만, 이 해법에서, 배기 가스의 열에너지가 손실된다. 다른 문제, 특히 2단계 터보차징이 이루어지는 기관에서의 문제는 터보차저 후의 배기 온도가 선택적 촉매 환원을 위해서는 또는 열 회수를 위한 스팀의 과열 (superheating) 을 위해서는 너무 낮다는 것이다. 낮은 배기 가스 온도는 저압 터보차저의 효율을 또한 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 내연 기관용의 향상된 배기 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 배기 시스템의 특징적인 구성은 청구항 1 의 특징부에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 목적은 2단계 터보차저형 내연 기관의 고압 터보차저의 터빈 전에 배기 가스 온도를 감소시키기 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 배기 시스템은 고압 터보차저, 상기 고압 터보차저의 터빈에 고압 배기 가스를 도입하기 위해 상기 내연 기관의 실린더들과 상기 고압 터보차저의 터빈 사이에 유동 연통을 수립하는 수단, 저압 터보차저, 상기 고압 터보차저의 터빈과 상기 저압 터보차저의 터빈 사이에 유동 연통을 수립하기 위한 수단, 상기 고압 터보차저의 터빈으로부터 상류에 배치되고 냉각 매체 덕트를 포함하는 열교환기, 및 상기 저압 터보차저의 터빈으로부터 멀리 배기 가스를 안내하기 위한 수단을 포함한다. 배기 시스템은, 열교환기에서 고압 배기 가스의 온도를 감소시키기 위해, 고압 터보차저의 하류 측으로부터 배기 가스를 열교환기의 냉각 매체 덕트 내로 안내하기 위한 수단을 더 포함한다.
본 발명에 따른 2단계 터보차저형 내연 기관의 고압 터보차저 전에 배기 가스 온도를 감소시키는 방법에 있어서, 상기 기관으로부터의 고압 배기 가스는 열교환기를 통해 고압 터보차저의 터빈으로 안내되고, 고압 배기 가스의 온도는 고압 터보차저의 하류 측으로부터의 배기 가스를 냉각 매체로서 이용함으로써 열교환기에서 감소된다.
본 발명에 따른 배기 시스템 및 방법으로, 고압 터보차저 전의 배기 온도는 감소될 수 있고, 이는 터보차저의 손상을 방지하는데 도움이 된다. 고압 터보차저 전의 배기 가스 냉각은 기관으로부터 나오는 배기 가스의 더 높은 온도를 허용한다. 이는 흡입 밸브 타이밍 및 흡입 공기 온도와 같은 상이한 기관 작동 파라미터의 조절에 더 많은 여지를 준다. 저압 배기 가스가 냉각 매체로서 사용되므로, 배기 가스의 열에너지가 낭비되지 않는다. 저압 배기 가스의 온도가 증가하고, 이는 터보차저의 하류에서의 효율적인 선택적 촉매 환원을 가능하게 한다. 대안적으로, 배기 가스는 예컨대 배기 가스 열 회수 프로세스의 일부로서 스팀을 과열시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고압 터보차저의 터빈과 저압 터보차저의 터빈 사이에 유동 연통을 수립하기 위한 상기 수단은, 열교환기의 냉각 매체 덕트에 연결된다. 이 실시형태에서, 고압 터보차저의 터빈의 하류이지만 저압 터보차저의 터빈의 상류에서의 배기 가스가 냉각 매체로서 사용된다. 저압 배기 가스의 온도는 배기 가스가 저압 터보차저에 도입되기 전에 증가하게 되므로, 저압 터보차저의 효율이 향상된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 저압 터보차저의 터빈으로부터 멀리 배기 가스를 안내하기 위한 수단은, 열교환기의 냉각 매체 덕트에 연결된다. 이 실시형태에서, 저압 터보차저의 터빈의 하류의 배기 가스가 냉각 매체로서 사용된다. 이 실시형태의 이점은, 냉각 매체로서 사용되는 저압 배기 가스와 고압 배기 가스 사이의 더 큰 온도차로 인해, 배기 가스 유동들 사이의 열 전달이 더 효과적이다는 것이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 선택적 촉매 환원을 위한 촉매 장치가 열교환기의 냉각 매체 덕트로부터 하류에 배치된다. 본 발명은 선택적 촉매 환원을 구비하는 기관에 사용되는 때에 특히 유리하다. 열교환기의 냉각 매체 덕트로부터 하류에 촉매 장치를 배치함으로써, 고압 배기 가스로부터 저압 배기 가스로의 열 전달이 효율적인 선택적 촉매 환원의 형태로 이용될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 내연 기관을 개략적으로 보여준다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 내연 기관을 개략적으로 보여준다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 내연 기관 (1) 을 보여준다. 기관 (1) 은 복수의 실린더 (10) 를 포함한다. 도 1 및 도 2 의 실시형태에서, 기관 (1) 은 직렬 기관이지만, 기관의 실린더 (10) 는 예컨대 V자 배열로 배치될 수 있다. 기관 (1) 은 임의의 타당한 개수의 실린더 (10) 를 포함할 수 있다. 기관 (1) 은 선박의 주 또는 보조 기관으로서 또는 파워 플랜트에서 전기를 생성하는데 사용되는 기관과 같은 대형 내연 기관이다.
기관 (1) 은 2단계 터보차징을 구비하고, 따라서 직렬로 연결된 고압 터보차저 (3) 및 저압 터보차저 (4) 를 포함한다. 터보차저 (3, 4) 각각은 터빈 (3a, 4a) 및 압축기 (3b, 4b) 를 포함한다. 기관 (1) 의 실린더 (10) 로부터의 배기 가스는 배기 매니폴드 (2) 에 수집되고, 고압 배기 덕트 (7) 에서 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 으로 안내된다. 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 으로부터, 배기 가스는 중간 배기 덕트 (6) 에서 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 으로 안내된다. 선택적 촉매 환원을 위한 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 하류에 배치되는 촉매 장치 (8) 가 저압 배기 덕트 (11) 로 터빈 (4a) 에 연결된다.
기관 (1) 의 흡입 공기는, 그 흡입 공기를 먼저 저압 흡입 덕트 (12) 에서 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4b) 에 도입한 후 중간 흡입 덕트 (13) 에서 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3b) 에 도입함으로써 가압된다. 고압 터보차저 (3) 로부터, 가압된 흡입 공기는 고압 흡입 덕트 (14) 에서 흡입 매니폴드 (9) 로 도입된 후 기관 (1) 의 실린더 (10) 로 도입된다. 흡입 공기의 온도를 감소시키기 위해, 기관 (1) 은 저압 터보차저 (4) 의 압축기 (4b) 와 고압 터보차저 (3) 의 압축기 (3b) 사이에 배치되는 제 1 충전 공기 냉각기 (15), 및 고압 터보차저 (3) 의 압축기 (3b) 로부터 하류에 배치되는 제 2 충전 공기 냉각기 (16) 를 구비한다.
고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 전에 배기 가스의 온도를 감소시키기 위해, 기관 (1) 은 기관 (1) 과 고압 터보차저 (3) 사이에 배치되는 열교환기 (5) 를 구비하고, 냉각 매체 덕트 (17) 를 구비한다. 기관 (1) 으로부터의 고압 배기 가스는 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 에 도입되기 전에, 고압 배기 덕트 (7) 에서 열교환기 (5) 를 통해 안내된다. 기관 (1) 의 저압 배기 가스는 열교환기 (5) 에서 냉각 매체로서 사용된다. 배기 가스가 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 을 통해 유동하는 때, 배기 가스의 온도가 감소하게 된다. 중간 배기 덕트 (6) 는 열교환기 (5) 를 통해 저압 배기 가스를 순환시키기 위해 열교환기 (5) 의 냉각 매체 덕트 (17) 에 연결된다. 열교환기 (5) 에서, 고압 배기 가스의 열의 일부가 저압 배기 가스로 전달된다. 따라서, 고압 배기 가스의 온도는 감소하게 되고, 저압 배기 가스의 온도는 증가하게 된다. 열교환기 (5) 로부터, 저압 배기 가스는 중간 배기 덕트 (6) 에서 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 으로 안내된다.
고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 전에 고압 배기 가스의 온도를 감소시킴으로써, 과도한 배기 가스 온도로 인한 고압 터보차저 (3) 의 손상을 회피할 수 있다. 흡입 밸브 타이밍 또는 흡입 공기 온도와 같은 상이한 기관 작동 파라미터를 조절함으로써 기관 후의 배기 가스 온도를 제한할 필요가 없기 때문에, 기관 효율은 타협될 필요가 없다. 저압 배기 가스의 온도가 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 전에 증가하게 되므로, 저압 터보차저 (4) 의 효율이 향상된다. 또한, 저압 터보차저 (4) 로부터 하류의 배기 가스 온도가 증가하게 되고, 이로써 촉매 장치 (8) 에서의 효과적인 선택적 촉매 환원이 가능하다.
도 2 에는, 본 발명의 제 2 실시형태가 도시되어 있다. 기관 (1) 및 기관 (1) 의 흡입 시스템은 도 1 의 기관 (1) 및 흡입 시스템과 동일하다. 기관 (1) 은 도 1 의 실시형태에서처럼 유사한 열교환기 (5) 를 또한 구비한다. 도 2 의 실시형태에서, 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 은 중간 배기 덕트 (6) 로 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 에 직접 연결된다. 또한 이 실시형태에서, 고압 배기 가스는 냉각 매체로서 저압 배기 가스를 이용함으로써 냉각된다. 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 에 연결되는 저압 배기 덕트 (11) 는 열교환기 (5) 의 냉각 매체 덕트 (17) 에 연결된다. 열교환기 (5) 로부터, 저압 배기 덕트 (11) 는 배기 가스를, 선택적 촉매 환원을 위해 사용되는 촉매 장치 (8) 로 안내한다. 냉각 매체로서 사용되는 저압 배기 가스가 저압 터보차저 (4) 로부터 하류에서 취해지므로, 저압 배기 가스와 고압 배기 가스 사이의 온도차가 도 1 의 실시형태에서보다 더 크다. 따라서, 배기 가스의 더 효과적인 냉각을 획득할 수 있다.
촉매 장치 (8) 대신에, 또는 그에 더하여, 본 발명의 양 실시형태에서, 배기 시스템은 열 회수를 위한 부가적인 수단을 구비할 수 있다. 예컨대, 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 하류의 배기 가스는 동력 터빈에서 사용되거나, 또는 열 회수 시스템에서 사용되는 과열 시스템을 위해 사용될 수 있다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 전술한 실시형태로 제한되지 않고 첨부된 청구항의 범위 내에서 달라질 수도 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (8)

  1. 내연 기관 (1) 용 배기 시스템으로서,
    - 고압 터보차저 (3),
    - 상기 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 에 고압 배기 가스를 도입하기 위해 상기 내연 기관 (1) 의 실린더들 (10) 과 상기 고압 터보차저 (3) 의 상기 터빈 (3a) 사이에 유동 연통을 수립하는 수단 (2, 7),
    - 저압 터보차저 (4),
    - 상기 고압 터보차저 (3) 의 상기 터빈 (3a) 과 상기 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 사이에 유동 연통을 수립하기 위한 수단 (6),
    - 상기 내연 기관 (1) 과 상기 고압 터보차저 (3) 의 상기 터빈 (3a) 사이에 배치되고 냉각 매체 덕트 (17) 를 포함하는 열교환기 (5), 및
    - 상기 저압 터보차저 (4) 의 상기 터빈 (4a) 으로부터 멀리 배기 가스를 안내하기 위한 수단 (11) 을 포함하고,
    상기 배기 시스템은, 상기 열교환기 (5) 에서 상기 고압 배기 가스의 온도를 감소시키기 위해, 상기 고압 터보차저 (3) 의 하류 측으로부터 배기 가스를 상기 열교환기 (5) 의 상기 냉각 매체 덕트 (17) 내로 안내하기 위한 수단 (6, 11) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압 터보차저 (3) 의 상기 터빈 (3a) 과 상기 저압 터보차저 (4) 의 상기 터빈 (4a) 사이에 유동 연통을 수립하기 위한 상기 수단 (6) 은, 상기 열교환기 (5) 의 상기 냉각 매체 덕트 (17) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 터보차저 (4) 의 상기 터빈 (4a) 으로부터 멀리 배기 가스를 안내하기 위한 상기 수단 (11) 은, 상기 열교환기 (5) 의 상기 냉각 매체 덕트 (17) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 (5) 의 상기 냉각 매체 덕트 (17) 로부터 하류에 선택적 촉매 환원을 위한 촉매 장치 (8) 가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  5. 2단계 터보차저형 (two-stage turbocharged) 내연 기관 (1) 의 고압 터보차저 (3) 전에 배기 가스 온도를 감소시키는 방법으로서,
    상기 기관 (1) 으로부터의 고압 배기 가스는 열교환기 (5) 를 통해 상기 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 으로 안내되고,
    상기 고압 배기 가스의 온도는 상기 고압 터보차저 (3) 의 하류 측으로부터의 배기 가스를 냉각 매체로서 이용함으로써 상기 열교환기 (5) 에서 감소되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 온도의 감소 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각 매체로서 사용되는 상기 배기 가스는 상기 고압 터보차저 (3) 의 터빈 (3a) 으로부터 하류에서 그리고 저압 터보차저 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류에서 취해지는 것을 특징으로 하는 배기 가스 온도의 감소 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각 매체로서 사용되는 상기 배기 가스는 저압 터보차저 (4) 의 하류 측으로부터 취해지는 것을 특징으로 하는 배기 가스 온도의 감소 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각 매체로서 사용되는 상기 배기 가스는 상기 열교환기 (5) 로부터 선택적 촉매 환원을 위한 촉매 장치 (8) 로 안내되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 온도의 감소 방법.
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