KR101970829B1 - 배기가스 정화 시스템을 구비하는 대형 2-행정 터보차지 압축 점화 내연 기관 - Google Patents

배기가스 정화 시스템을 구비하는 대형 2-행정 터보차지 압축 점화 내연 기관 Download PDF

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Abstract

크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 엔진(1)이 개시되며, 엔진(1)은, 컴프레서(14)에 연결되는 배기가스 구동 터빈(12)을 구비하는 터보차저, 소기 수용부(22) 및 배기가스 수용부(6) 연결되는 다수의 실린더, 배기가스 수용부(6)의 배출구에 연결되는 유입구를 구비하는 SCR 반응기(8), SCR 반응기(8)의 배출구를 터빈(12)의 유입구에 연결하는 배기 도관(10), 소기 냉각기(18)를 통해 컴프레서(14)의 배출구를 소기 수용부(22)의 유입구에 연결하는 소기 도관(16), 엔진(1)의 낮은 부하 조건에서 컴프레서(14)를 보조하기 위한, 소기 도관(16) 내의 보조 송풍기(20), 소기 도관(16) 내의 소정 위치에서 배기 도관(10) 내의 소정 위치로 연장되는 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 포함하고, 제어 가능한 바이패스 도관(26)은 전자 제어 장치(33)에 의해 제어되는 제 1 전자 제어 밸브(28)를 포함하고, 소기 도관(16)은 전자 제어 장치(33)에 의해 제어되는 제 2 전자 제어 밸브(48)를 포함하고, 제 2 전자 제어 밸브(48)는, 제어 가능한 바이패스 도관(26)이 소기 도관(16)으로 연결되는 위치의 하류에 배치되고, 및 전자 제어 장치(33)는 제 1 및 제 2 전자 제어 밸브(28, 48)의 위치를 제어함으로써 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.

Description

배기가스 정화 시스템을 구비하는 대형 2-행정 터보차지 압축 점화 내연 기관{LARGE TWO-STROKE TURBOCHARGED COMPRESSION IGNITED INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AN EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM}
본 발명은 크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 기관에 관한 것으로, 바람직하게는 배기가스 정화 시스템을 구비한 엔진, 특히 선택적 촉매 환원 반응기를 구비한 크로스헤드 타입의 대형 2-행정 디젤 엔진에 관한 것이다.
크로스헤드 타입의 대형 2-행정 엔진들은 통상적으로 대형 선박의 추진 시스템에서 이용되거나, 또는 발전소에서 주 원동기로 이용된다. 배출 요건들은 충족되기 어려웠었고 갈수록 더욱 충족시키기 어려운데, 특히 질소 산화물(NOx)과 관련하여 그러하다.
선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기를 사용하는 것은 NOx 배출을 줄이기 위해 디젤 엔진을 지원하는 것으로 알려진 조치이다. SCR 반응기의 적적한 기능을 위해 SCR 반응기로 유입되는 배기가스에 대해 대략 300 내지 350℃의 최소 온도가 필요하다.
그러나, 2-행정 터보차지 엔진의 특성상, 낮은 엔진 부하(예를 들어, 해당 엔진의 최대 연속 정격의 40% 이하)에서의 배기가스의 온도는 비교적 낮다, 즉, SCR 반응기 내에서 배기가스 내의 NOx가 변환되기에는 너무 낮다. 따라서, 낮은 엔진 부하 조건에서 NOx 제거를 보장하기 위해 낮은 엔진 부하 조건에서 배기가스의 온도를 상승시키기 위한 조치를 취할 필요가 있다.
낮은 부하 조건에서, 대형 터보차지 2-행정 디젤 엔진에서 충분한 소기 압력(scavenge pressure)을 유지하는 것도 어렵다. 따라서, 소기 압력을 유지하기 위해 이러한 낮은 부하 조건에서 보조 송풍기가 사용된다. 따라서, SCR 반응기의 유입구에서 배기가스의 온도를 상승시키기 위해 취해지는 모든 조치는 소기 압력에 부정적인 영향을 주지 않아야 한다.
DK 2010 00409는 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 기관을 개시하고 있다.
상기한 문제점을 극복하거나 적어도 줄이는 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 기관이 필요하다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 다양한 엔진 부하 조건에서 SCR 반응기와 함께 작동할 수 있는 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 기관을 제공하는 것이다.
이 목적은 제1 양태에 따라 크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 엔진을 제공함으로써 달성되고, 상기 엔진은,
가압 소기를 전달하기 위한 컴프레서에 연결되는 배기가스 구동 터빈을 구비하는 터보차저,
소기 수용부 및 배기가스 수용부 연결되는 다수의 실린더,
상기 배기가스 수용부의 배출구에 연결되는 유입구를 구비하는 선택적 촉매 환원 반응기,
상기 선택적 촉매 환원 반응기의 배출구를 상기 터빈의 유입구에 연결하는 배기 도관,
소기 냉각기를 통해 컴프레서의 배출구를 소기 수용부의 유입구에 연결하는 소기 도관,
상기 엔진의 낮은 부하 조건에서 컴프레서를 보조하기 위한, 소기 도관 내의 보조 송풍기,
상기 다수의 실린더를 우회시키기 위해, 소기 도관 내의 소정 위치에서 배기 도관 내의 소정 위치로 연장되는 제어 가능한 바이패스 도관을 포함하고,
상기 제어 가능한 바이패스 도관은 전자 제어 장치에 의해 제어되는 제1 전자 제어 밸브를 포함하고,
상기 소기 도관은 전자 제어 장치에 의해 제어되는 제2 전자 제어 밸브를 포함하고,
상기 제2 전자 제어 밸브는, 제어 가능한 바이패스 도관이 소기 도관으로 연결되는 위치의 하류에 배치되고, 및
상기 전자 제어 장치는 제 1 전자 제어 밸브의 위치를 제어함으로써 그리고 제 2 전자 제어 밸브의 위치를 제어함으로써 상기 제어 가능한 바이패스 도관을 통해 소기 도관으로부터 배기 도관으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.
낮은 엔진 부하에서, 선택적 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 온도는 배기가스 내의 Nox를 적절하게 변환시키기엔 너무 낮다. 바이패스 도관이 소기 도관으로부터 분기되는 위치의 하류에 있는 제어 밸브의 개방 정도를 제어함으로써, 그리고 전자 제어 장치에 의해 바이패스 도관 내의 또 다른 제어 밸브의 개방 정도를 제어함으로써, 제어된 흐름의 소기가 소기 도관으로부터 선택적 촉매 환원 반응기의 상류 및 터보차저의 터빈의 하류의 위치에 있는 배기 도관으로 안내될 수 있다. 이러한 조치는 낮은 엔진 부하 조건에서 선택적 촉매 환원 반응기로 유입되는 배기가스의 온도를 증가시키고 따라서 SCR 반응기 내의 배기가스에서 Nox를 제거할 수 있게 한다.
제 1 양태의 제 1 구현예에서, 상기 전자 제어 장치는 선택적 촉매 환원 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 임계치 이상이 될 수 있도록 상기 제어 가능한 바이패스 도관을 통해 소기 도관으로부터 배기 도관으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.
제 1 양태의 제 2 구현예에서, 상기 엔진은 배기가스 수용부의 배출구와 선택적 촉매 환원 반응기의 유입구 사이에 온도 센서를 더 포함하고, 상기 전자 제어 장치는 온도 센서로부터 신호를 수신한다.
제 1 양태의 제 3 구현예에서, 상기 전자 제어 장치는 선택적 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 제 1 전자 제어 밸브를 완전 개방 위치로 이동시키도록 구성되고 및/또는 상기 전자 제어 장치는 선택적 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 제 2 전자 제어 밸브를 최소 개방 위치로 이동시키도록 구성된다.
제 1 양태의 제 4 구현예에서, 상기 전자 제어 장치는 선택적 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 제 1 전자 제어 밸브를 완전 폐쇄 위치로 이동시키도록 구성되고 및/또는 상기 전자 제어 장치는 선택적 촉매 반응기로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 제 2 전자 제어 밸브를 최대 개방 위치로 이동시키도록 구성된다.
제 1 양태의 제 5 구현예에서, 상기 전자 제어 장치는 엔진 부하가 소정의 엔진 부하 임계치 이하인 경우 제어 가능한 바이패스 도관을 통해 흐르는 소기의 흐름을 설정하도록 구성된다.
제 1 양태의 제 6 구현예에서, 상기 제1 전자 제어 밸브는 폐쇄 및 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브이다.
제 1 양태의 제 7 구현예에서, 상기 제2 전자 제어 밸브는 최소 개방 및 최대 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브이다.
제 1 양태의 제 8 구현예에서, 상기 제어 가능한 바이패스 도관은 컴프레서와 보조 송풍기 사이의 소기 도관 내의 소정 위치에서 선택적 촉매 반응기의 배출구와 터빈의 유입구 사이의 배기 도관 내의 소정 위치로 연장된다.
제 1 양태의 제 9 구현예에서, 상기 배기 도관은 우회된 소기를 배기가스와 혼합시키기 위해 세 포트의 혼합 지점을 구비한다.
제 1 양태의 제 10 구현예에서, 상기 소기 냉각기는 전자 제어 장치에 의해 정지될 수 있다.
제 1 양태의 제 11 구현예에서, 상기 전자 제어 장치는 제 1 조치로서 바이패스 도관을 통해 흐르는 소기의 흐름을 설정하고, 제 2 조치로서 소기 냉각기를 정지시키도록 구성된다.
제 1 양태의 제 12 구현예에서, 상기 전자 제어 밸브는 제 3 조치로서 소기 냉각기를 히터로 전환시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 대형 2-행정 압축 점화 내연 기관의 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, 여기에서:
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 엔진의 개략도이고,
도 2는 또 다른 실시형태에 따른 엔진의 개략도이고,
도 3은 또 다른 실시형태에 따른 엔진의 개략도이고,
도 4는 또 다른 실시형태에 따른 엔진의 개략도이고,
도 5는 또 다른 실시형태의 개략도이고,
도 6 내지 도 10은 소기의 감소된 냉각을 사용하는 또 다른 실시형태를 도시하고, 및
도 11 내지 도 15는 소기의 적극적인 가열을 사용하는 또 다른 실시형태를 도시한다.
다음의 상세한 설명에서, 본 발명에 따른 크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 디젤 엔진 및 크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 디젤 엔진을 작동시키기 위한 방법이 예시적인 실시형태에 의해 설명될 것이다.
크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 기관의 구성 및 작동은 공지되어 있으며, 본 문맥에서 더 이상의 설명을 필요로 하지 않는다. 배기가스 정화 시스템의 작동에 관한 더 상세한 사항이 아래에 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 2-행정 압축 점화 내연 엔진(1)의 제 1 실시형태의 개략도를 도시하고 있다. 엔진(1)은 예를 들어 해양용 선박에서 주 엔진으로 사용될 수 있거나, 또는 발전소에서 발전기를 작동하기 위한 정치 엔진(stationary engine)으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은 예를 들어 5,000 내지 110,000 kW 범위일 수 있다.
엔진(1)은 직렬로 나란히 배치된 다수의 실린더를 구비한다. 각각의 실린더는 이들의 실린더 커버와 결합된 배기 밸브를 구비한다. 배기 채널은 배기 밸브에 의해 개폐될 수 있다. 엔진의 크로스-헤드는 피스톤 로드를 크랭크 축의 큰 단부에 연결시킨다. 배기 만곡부(exhaust bends)는 배기가스 수용부(6)에 연결된다. 배기가스 수용부(6)는 실린더의 열(row)에 평행하게 배치된다. 배기가스 수용부(6)는 최적의 가스 흐름, 역압(counter pressure) 및 음향 고려에 대한 엔진의 특성에 특히 적당한 치수를 갖는 대형 용기이다. 통상적으로, 배기가스 수용부(6)는 강판으로 제조된 대형 중공의 원통형 몸체이다. 이의 큰 크기와 중량으로 인해, 배기가스 수용부는 진동 문제를 처리할 위한 목적으로 엔진 구조체에 매달려 있다.
배기가스 수용부(6)의 배출구로부터, 배기가스 스트림은 선택적 촉매 반응기(SCR 반응기, 8)를 통해 터보차저의 터빈(12)을 향해 그리고 SCR 반응기(8)의 배출구로부터 배기 도관(10)을 통해 터빈(12)으로 안내된다. 따라서, 배기가스 수용부(6)의 배출구는 SCR 반응기(8)의 유입구에 연결된다. 배기가스는 SCR 반응기(8)를 통하여 흐르고 배기가스 내의 NOx는 SCR 반응기(8) 내에서 제거되거나, 또는 NOx를 질소와 산소로 변환시킴으로써 그 양이 적어도 실질적으로 감소된다. SCR 반응기(8)의 배출구는 고온 가압 배기가스를 터빈(12)으로 유도하는 배기 도관(10)에 연결된다. 배기가스는 터빈(12)의 하류에 있는 대기(atmosphere)로 처리된다.
터보차저는 또한 터빈(12)에 의해 구동되는 컴프레서(14)를 구비한다. 컴프레서(14)는 공기 흡입구에 연결된다. 컴프레서(14)는 소기 도관(16)을 통해 가압된 소기(scavenge air)를 소기 수용부(22)로 전달하며, 소기 도관(16)은 소기를 냉각시키기 위한 소기 냉각기(18) 및 낮은 엔진 부하(통상적으로 엔진(1)의 최대 연속 정격의 40% 이하)에서 송풍기를 보조하기 위한 보조 송풍기(20)를 포함한다. 소기 냉각기(18)는 보조 송풍기(20)의 상류에 배치된다.
소기 냉각기(18)는 냉각 매체인 물에 함께 작동된다. 소기 냉각기(18)는 다양한 유형 중 하나일 수 있다. 한가지 가능한 것은 냉각 매체가 소기와 직접적인 물리적 접촉을 하지 않는 판형 냉각기이다. 가능한 또 다른 유형은 냉각 매체가 소기와 직접적으로 접촉하는 스크루버(scrubber)이다.
보조 송풍기(20)는 일반적으로 전기 모터에 의해 구동되고 (또한 유압 모터에 의해 구동될 수 있다), 충분한 소기 압력을 유지하는데 있어서 컴프레서(14)를 보조하도록 저부하 조건에서 (통상적으로 최대 연속 정격의 40 % 이하) 작동한다. 보조 송풍기(20)가 사용되지 않을 때, 이는 도시되지 않은 바이패스를 통해 우회된다. 보조 송풍기(20)는 전자 제어 장치(33)에 의해 제어되고 일반적으로 작동하거나 정지한다, 즉, 전자 제어 장치는 (소정의 제 1 엔진 부하 임계치 이하의 엔진 부하에서) 보조 송풍기(20)를 작동시키거나 (소정의 제 2 엔진 부하 임계치 이상의 엔진 부하에서) 보조 송풍기(20)를 정지시킨다.
소기 수용부(22)는 엔진의 실린더를 따라 연장된 긴 중공의 원통형 몸체이다. 소기는 소기 수용부(22)로부터 개별 실린더의 소기 포트(scavenge air port)로 통과되고 실린더 내의 연소실로 유입된다.
제어 가능한 바이패스 도관(26)이 소기 수용부(22)로부터 분기된다. 제어 가능한 바이패스 도관(26)의 타단은 세 포트의 혼합 지점(30)에서 배기 도관(10)에 연결된다. 혼합 지점(30)은 SCR 반응기(8)의 배출구의 하류 및 터빈(12)의 유입구의 상류에 위치한다.
제어 가능한 바이패스 도관(26)의 목적은 소기 도관(16)으로부터 실린더를 우회하는 배기 도관(10)으로 소기의 흐름을 제공함으로써, 낮은 엔진 부하 조건에서 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도를 높이기 위한 것이다.
낮은 엔진 부하 조건 동안, 예를 들어, 보조 송풍기(20)가 작동 중일 때, 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 충분히 흐를 수 있도록 통상적으로 소기 도관(16)에서 배기 도관(10)까지 충분한 압력 강하가 존재하지 않아야 한다.
바이패스 송풍기(46)는 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 흐르는 소기의 흐름을 보조한다. 바이패스 송풍기(46)는 예를 들어 전기 구동 모터에 의해 구동되고, 바이패스 송풍기(46)는 전자 제어 장치(33)의 제어 하에 작동된다. 일 실시형태에서, 바이패스 송풍기(46)는 온/오프 방식으로 전자 제어 장치(33)에 의해 제어된다, 즉, 전자 제어 장치(33)는 바이패스 송풍기(46)를 작동시키거나 바이패스 송풍기(46)를 정지시킨다.
전자 제어 밸브(28)는 또한 전자 제어 장치(33)의 명령 하에 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 조절하기 위해 사용된다.
일 실시형태에서, 전자 제어 밸브(28)는 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 다수의 위치를 취할 수 있는 밸브이다. 전자 제어 밸브(28)의 위치는 전자 제어 장치(33)에 의해 제어된다.
전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이상이 될 수 있도록 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 보조 송풍기(20)가 작동 중일 때 바이패스 송풍기(46)를 작동시키도록 구성된다.
전자 제어 밸브(28)는 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 다수의 위치를 취할 수 있다. 일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 보조 송풍기(20)가 (일정한 레벨로) 작동 중일 때 전자 제어 밸브(28)의 위치를 조정함으로써 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 엔진(1)은 배기가스 수용부(6)의 배출구와 SCR 반응기(8)의 유입구 사이에 온도 센서(35)를 구비한다. 전자 제어 장치(33)는 온도 센서(35)로부터 신호를 수신한다.
일 실시형태에서, 전자 제어 밸브(28)는 비례식 밸브이고 바람직하게 전자 제어 장치(33)에 의해 폐쇄 루프 내에서, 예를 들어, 온도 센서(35)로부터의 신호에 응답하여 제어된다.
일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 온/오프 방식으로 바이패스 송풍기(46)를 제어하도록 구성되고, 전자 제어 밸브(28)의 위치를 제어함으로써 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 흐르는 소기의 흐름을 조정하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 엔진 부하가 소정의 제 1 엔진 부하 임계치이거나 이하로 떨어지는 경우 바이패스 송풍기(46)를 작동시키고 전자 제어 밸브(28)를 개방하도록 구성되고, 전자 제에 장치(33)는 엔진 부하가 소정의 제 2 엔진 부하 임계치이거나 이상으로 올라가는 경우 전자 제어 밸브(28)를 폐쇄시키도록 구성된다. 제 1 및 제 2 엔진 부하 임계치는 동일할 필요는 없고 엔진의 최대 연속 정격의 백분율로 정의될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 전자 제어 밸브(28)는 폐쇄 루프 내에서 전자 제어 장치에 의해 제어되는 비례 밸브이다. 여기서, 제어기는 SCR 반응기(8)의 유입구에서의 배기가스 온도에 관한 정보를 온도 센서(35)로부터 수신하고, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 측정된 온도에 응답하여 밸브(28)의 개방 정도를 제어하도록 구성된다. 따라서, 전자 제어 장치(33)는 측정 온도가 최소의 원하는 온도보다 낮은 경우 배기가스의 온도를 상승시키도록 전자 제어 밸브(28)의 개방도를 증가시키고, 측정된 배기가스 온도가 최소의 최대의 온도보다 높은 경우 전자 제어 밸브(28)의 개방도를 감소시킬 것이다.
도 1의 실시형태에서, 바이패스 도관(26)은 인터쿨러(18)와 보조 송풍기(20) 이전(상류)의 위치에서 소기 도관(16)으로부터 분기된다.
도 2의 실시형태는, 바이패스 도관(26)이 인터쿨러(18)와 보조 송풍기(20) 사이의 위치에서 소기 도관(16)으로부터 분기되는 것을 제외하고는 본질적으로 도 1의 실시형태와 동일하다.
도 3은 도 1의 실시형태와 유사한 또 다른 실시형태를 도시하고 있으며, 동일한 참조 번호는 엔진의 동일한 구성요소를 나타낸다. 도 1의 실시형태와의 차이점은 소기 도관(16)이 제 2 전자 제어 밸브(48)를 구비한다는 것과 바이패스 도관(26)에 바이패스 송풍기가 존재하지 않는다는 것이다.
이 실시형태에서, 제 1 전자 제어 밸브(28)는 폐쇄 및 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브이고, 제 2 전자 제어 밸브(48)는 최소 개방 및 최대 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브이다.
제 2 전자 제어 밸브(48)는 바이패스 도관(26)이 소기 도관(16)으로부터 분기되는 위치의 하류에 배치된다. 제 2 전자 제어 밸브(48)는 전자 제어 장치(33)에 의해 제어된다.
전자 제어 장치(33)는 엔진 부하가 소정의 엔진 부하 임계치 이하인 경우 또는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 측정된 또는 추정된 온도가 소정의 임계치 이하인 경우, 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 흐르는 소기의 제어된 흐름을 형성하기 위한 목적으로 제 1 전자 제어 밸브(28)와 제 2 전자 제어 밸브(48)를 작동시키도록 구성된다.
여기서, 전자 제어 장치(33)는, 전자 제어 밸브의 상류의 압력을 증가시키고 소기의 제어된 부분이 바이패스 도관(26)을 통해 흐를 수 있도록, 제 2 전자 제어 밸브(48)를 통해 흐름을 조이고(throttling) 제 1 전자 제어 밸브(28)를 개방시킨다.
제 2 전자 제어 밸브(48)에 의해 적용된 조임 정도를 조정함으로써, 전자 제어 장치(33)는 바이패스 도관(26)을 통해 흐르는 소기의 흐름을 조정하고 제어할 수 있다. 바람직하게, 바이패스 도관(26)을 통한 소기의 흐름이 필요한 경우 전자 제어 밸브(28)는 완전이 개방되지만, 특정 범위의 엔진 부하에 대해, 바이패스 도관(26)을 통한 너무 큰 흐름을 방지하기 위해 제 2 전자 제어 밸브(48)는 완전히 개방되고 제 1 전자 제어 밸브(28)는 흐름을 조이도록 부분적으로 개방될 필요가 있다.
SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 충분히 높고 바이패스 도관을 통한 소기의 흐름이 필요하지 않는 경우, 전자 제어 장치(33)는 제 2 전자 제어 밸브(48)를 완전히 개방시킴으로써, 이를 통해 흐르는 소기를 통한 조임의 최소한의 양을 적용하도록 하며, 전자 제어 장치(33)는 바이패스 도관(26)을 통해 흐르는 소기의 흐름을 방지하기 위해 제 1 전자 제어 밸브(28)를 폐쇄시킬 것이다.
일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 임계치 이상이 될 수 있도록 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성된다.
엔진(1)은 일 실시형태에서 배기가스 수용부(6)의 배출구와 SCR 반응기(8)의 유입구 사이에 온도 센서(35)를 구비하며, 전자 제어 장치(33)는 온도 센서(35)로부터 신호를 수신한다.
또 다른 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 제 1 전자 제어 밸브(28)를 완전 개방 위치로 이동시키도록 구성되고, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 제 2 전자 제어 밸브(48)를 최소 개방 위치로 이동시키도록 구성된다.
일 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 제 1 전자 제어 밸브(28)를 완전 폐쇄 위치로 이동시키도록 구성되고, 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 제 2 전자 제어 밸브(48)를 최대 개방 위치로 이동시키도록 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 대형 2-행정 디젤 엔진(1)의 제 2 예시적인 실시형태를 도시하고 있다. 도 5에 따른 실시형태는, 소기 도관(16) 내의 소기 냉각기(18)의 다음과 같은 측면을 제외하고는 도 1의 실시형태와 거의 동일하다.
공급 도관(40)은 냉수를 소기 냉각기(18)로 전달하고, 회수 도관(42)은 온수를 소기 냉각기(18)로부터 멀리 이송시킨다. 제 2 실시형태에서, 냉각 매체 바이패스 도관(43) 내의 전자 제어식 바이패스 밸브(44) 및 제어기(33)의 제어 하의 전자 제어식 분리 밸브(46)는 공급 도관(40) 내의 냉수의 공급이 소기 냉각기(18)를 통과하지 않고 회수 도관(42)으로 변경되도록 한다. 펌프(50) 및 히터(또는 열교환기, 52)를 구비하는 재순환 도관(48)은 물이 소기 냉각기(18)를 통해 흐를 수 있도록 하는데, 이 소기 냉각기는 이제 히터로 전환되어 열 교환기로서 효과적으로 기능한다. 히터(52)는 엔진 냉각 시스템으로부터의 온수와 같은 따뜻한 가열 매체를 구비하고 소기 냉각기(18)를 통해 순환되는 매체를 가열한다.
제 2 실시형태에서, 전자 제어 장치(33)는 냉각 매체를 우회시킴으로써 밸브(44 및 46)를 통해 냉각기(18)를 정지시킬 수 있다. 동시에, 제어기(33)는 매체가 소기 냉각기(18) 내에서 순환될 수 있도록 펌프(50)를 작동시킬 것이다. 또한, 제어 장치(33)는 가열 매체를 히터(52)로 전달함으로써 히터(52)를 작동시킬 수 있고, 따라서 소기 냉각기(18)를 히터로 전환시킬 수 있다. 전자 제어 장치(33)는 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도를 상승시킬 필요성과 관련하여 소기의 온도를 상승시키는 다양한 조치들을 취하도록 구성된다.
따라서, 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 일부 소기가 배기 도관(10)으로 빠져나가는 것이 충분한 경우, 전자 제어 장치(33)는 더 이상의 조치를 취하지 않을 것이다. 그러나, 이러한 제 1 조치가 충분하지 않는 경우, 전자 제어 장치(33)는 소기 냉각기(18)의 냉각 기능을 정지시킬 것이다. 이러한 제 2 조치가 충분하지 않는 경우, 전자 제어 장치(33)는 제 3 조치로서 소기 냉각기(18)를 히터로 전환시켜서 소기를 적극적으로 가열할 것이다.
도 5는 시스템 내의 다양한 위치들에서 소기 및 배기가스의 온도의 예를 도시하고 있다. 이러한 예는 낮은 엔진 부하 조건, 예를 들어, 해당 엔진의 최대 연속 정격의 40 % 이하에 대한 것이다. 괄호가 없는 숫자는 바이패스 도관(26)을 통과하는 소기 및 소기 냉각기(18)에서 소기에 더해지는 열의 온도이다. 괄호 안의 숫자는 소기가 바이패스 도관(26)을 통과하지 않고 소기 냉각기(18)가 소기를 냉각시키는 상태에서 엔진이 통상적으로 작동될 때의 온도이다. 새로운 조치를 취한 상태에서, SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도는 325℃이고, 배기가스는 SCR 반응기(8)에서 전환되기에 충분히 고온이다. 새로운 조치가 없는 상태에서, SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도는 220℃이고 배기가스는 SCR 반응기(8)에서 전환되기에 충분할 정도로 고온이 아니다.
도 6은 냉각 매체 공급 도관(40) 및 냉각 매체 회수 도관(42)을 통한 소기 냉각기(18)로의 냉각 매체의 공급 및 회수를 도시하고 있다.
도 7 내지 도 10은 소기 냉각기(18)의 냉각 용량의 제어된 감소를 위한 다양한 실시형태를 도시하고 있다.
도 7에서, 엔진은 소기 냉각기(18)를 우회시키기 위한 소기 바이패스 도관(17)을 구비한다. 소기 바이패스 도관(17)은 전자 제어 장치의 명령 하에 소기 바이패스 도관(17)을 개폐하기 위한 전자 제어식 밸브(23)를 구비한다. 소기 도관(16)은 전자 제어 장치의 명령 하에 소기 도관(16)을 개폐하기 위한 또 다른 전자 제어식 밸브(21)를 구비한다. 따라서, 전자 제어 장치(33)는 소기의 온도를 상승시키고 이에 따라 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도를 상승시킬 필요에 따라 소기 바이패스 도관(17)을 통해 흐르는 소기의 흐름을 제어할 수 있다.
도 8에서, 냉각 매체 공급 도관(40)은 전자 제어식 분리 밸브(46) 및 냉각 매체 바이패스 회로(43)를 구비하며, 냉각 매체 바이패스 회로(43)는 전자 제어식 바이패스 밸브(44)를 구비하고 냉각 매체 공급 도관(40)을 냉각 매체 회수 도관(42)으로 연결시킨다. 전자 제어 장치(33)는 전자 밸브(44 및 46)에 명령을 내리고 따라서 냉각 매체가 소기 냉각기(18)를 통과하는 정도를 제어할 수 있다(온/오프시키거나 또는 비례 제어할 수 있다).
도 9에서, (전자 제어 장치(33)의 제어 하에 있는) 재순환 펌프(50)를 구비하는 재순환 도관(48)이 도 8의 실시형태에 추가되어 소기 냉각기(18) 내에서 냉각 매체를 순환시킬 수 있도록 한다.
도 10에서, 엔진은 추가의 (제 2의) 소기 냉각기(19)를 구비한다. 전자 제어 장치(33)는 상기한 적어도 하나의 소기 냉각기(18,19)의 냉각 용량을 제어하도록 구성된다.
도 11 내지 도 15는 소기에 열을 제어된 방법으로 가하기 위한 다양한 실시형태를 도시하고 있다.
도 11에서, 엔진은 소기 도관(16)에 연결되는 증기 분사 도관(90)을 구비한다. 증기 분사 도관(90)은 전자 제어 장치(33)의 명령 하에 전자적으로 제어되는 증기 분사 제어 밸브(92)를 구비한다. 따라서, 소기의 온도 및 이에 따른 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도는 소기 압력의 강하 없이 증기를 제어 가능하게 분사시킴으로써 원하는 대로 상승될 수 있다.
도 12에서, 엔진은 소기 도관(16)에 연결되는 배기가스 분사 도관(60)을 구비한다. 배기가스 분사 도관(60)은 전자 제어 장치(33)의 명령 하에 전자적으로 제어되는 배기가스 분사 제어 밸브(62)를 구비한다. 따라서, 소기의 온도 및 이에 따른 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도는 소기 압력의 강하 없이 배기가스를 제어 가능하게 분사시킴으로써 원하는 대로 상승될 수 있다.
도 13에서, 엔진은 소기 도관(16) 내에 히터 장치(27)를 구비한다. 히터 장치(27)는 가열 매체 공급 도관(70)을 통하여 (고온의 물 또는 고온의 공기와 같은) 가열 매체를 공급받고, 회수 가열 매체는 가열 매체 회수 도관(72)에 의해 멀리 이송된다. 가열 매체 공급 도관(70) 및 가열 매체 회수 도관(72)은 전자 제어 장치(33)의 명령 하에 전자적으로 제어되는 밸브를 구비한다. 따라서, 소기의 온도 및 이에 따른 SCR 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도는 소기 압력의 강하 없이 원하는 대로 상승될 수 있다.
도 14의 실시형태는 도 9의 실시형태와 본질적으로 동일하지만, 소기 냉각기(18)를 통해 순환하는 매체를 추가로 가열하기 위한 열 교환기(52)를 더 구비한다.
도 15의 실시형태에서, 엔진은 냉각 매체 공급 도관(40)을 통해 흐르는 매체에 열을 공급하기 위해 냉각 매체 공급 도관(40) 내에 열 교환기(80)를 구비한다.
본 출원의 교시가 설명의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 그러한 오로지 그러한 목적을 위한 것이며, 본 출원의 교시의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 숙련자에 의해 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
상기한 실시형태는 엔진의 기능을 향상시키기 위한 가능한 모든 방법으로 조합될 수 있다.
또한, 발명의 교시에 따른 장치를 구현하는 많은 대안적인 방식이 있다는 점을 주목하여야 한다.
청구항에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 "하나의"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 기타 장치는 청구항에 개시된 몇 가지 수단들의 기능을 수행할 수 있다.

Claims (8)

  1. 크로스헤드 타입의 대형 터보차지 2-행정 압축 점화 내연 엔진(1)에 있어서, 상기 엔진(1)은,
    가압된 소기를 전달하기 위한 컴프레서(14)에 연결되는 배기가스 구동 터빈(12)을 구비하는 터보차저,
    소기 수용부(22) 및 배기가스 수용부(6)에 연결되는 다수의 실린더,
    상기 배기가스 수용부(6)의 배출구에 연결되는 유입구를 구비하는 선택적 촉매 환원 반응기(8),
    상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)의 배출구를 상기 터빈(12)의 유입구에 연결하는 배기 도관(10),
    소기 냉각기(18)를 통해 컴프레서(14)의 배출구를 소기 수용부(22)의 유입구에 연결하는 소기 도관(16),
    상기 엔진(1)의 낮은 부하 조건에서 컴프레서(14)를 보조하기 위한, 상기 소기 도관(16) 내의 보조 송풍기(20),
    상기 다수의 실린더를 우회시키기 위해, 상기 컴프레서(14)와 상기 보조 송풍기(20) 사이의 위치로부터 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)의 출구와 상기 배기 도관(10) 내의 상기 터빈(12)의 유입구 사이의 위치로 연장되는 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 포함하고,
    상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)은 전자 제어 장치(33)에 의해 제어되는 제 1 전자 제어 밸브(28)를 포함하고,
    상기 제 1 전자 제어 밸브(28)는 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)에 배치되며,
    상기 소기 도관(16)은 상기 전자 제어 장치(33)에 의해 제어되며 상기 제 1 전자 제어 밸브(28)와 분리된 제 2 전자 제어 밸브(48)를 포함하고,
    상기 제 2 전자 제어 밸브(48)는, 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)이 상기 소기 도관(16)으로 연결되는 위치의 하류의 상기 소기 도관(16)에 배치되고,
    상기 전자 제어 장치(33)는 상기 제 1 전자 제어 밸브(28)의 위치 및 상기 제 2 전자 제어 밸브(48)의 위치를 제어함으로써 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 상기 소기 도관(16)으로부터 상기 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 장치(33)는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 상기 제 1 전자 제어 밸브(28)를 완전 개방 위치로 이동시키도록 구성되고, 상기 전자 제어 장치(33)는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 1 임계치 이하인 경우 상기 제 2 전자 제어 밸브(48)를 최소 개방 위치로 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어 장치(33)는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 임계치 이상이 될 수 있도록 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기 도관(16)으로부터 배기 도관(10)으로 흐르는 소기의 흐름을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기가스 수용부(6)의 배출구와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)의 유입구 사이에 온도 센서(35)를 더 포함하고, 상기 전자 제어 장치(33)는 상기 온도 센서(35)로부터 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어 장치(33)는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 상기 제 1 전자 제어 밸브(28)를 완전 폐쇄 위치로 이동시키도록 구성되고, 상기 전자 제어 장치(33)는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(8)로 유입되는 배기가스의 온도가 소정의 제 2 임계치 이상인 경우 상기 제 2 전자 제어 밸브(48)를 최대 개방 위치로 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 제어 장치(33)는 엔진 부하가 소정의 엔진 부하 임계치 이하인 경우, 상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)을 통해 소기의 흐름을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전자 제어 밸브(28)는 폐쇄 및 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전자 제어 밸브(48)는 최소 개방 및 최대 개방 위치 사이에서 위치를 취할 수 있는 조절 밸브인 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 가능한 바이패스 도관(26)은 컴프레서(14)와 보조 송풍기(20) 사이의 소기 도관(16) 내의 소정 위치에서 상기 선택적 촉매 반응기(8)의 배출구와 터빈(12)의 유입구 사이의 배기 도관(10) 내의 소정 위치로 연장되는 것을 특징으로 하는 엔진.
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