KR102162893B1

KR102162893B1 - Egr 유닛 및 엔진 시스템

Info

Publication number: KR102162893B1
Application number: KR1020190132953A
Authority: KR
Inventors: 이쿠미 오니시; 신지 나카오; 토루 니시야마
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2020-10-07
Also published as: CN111173654A; JP6550520B1; KR20200054071A; JP2020076392A; CN111173654B

Abstract

엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때에, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 EGR 유닛을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따른 EGR 유닛은, 선박용 2 사이클 엔진을 구비한 엔진 시스템에 설치되어 있고, 배기가스 유로에서 배기가스를 추출하고, 추출한 배기가스를 배기가스 유로보다 압력이 높은 소기 유로에 공급하는 EGR 유닛으로서, 배기가스 유로와 소기 유로를 연결하는 EGR 유로와, EGR 유로에 설치된 EGR 블로어를 구비하고, EGR 유로는, EGR 블로어가 정지했을 때, 배기가스 유로와 소기 유로의 압력차를 이용하여, EGR 유로의 출구로부터 소기를 유입시켜, 유입한 소기에 의해 해당 EGR 유로 내의 배기가스를 배기가스 유로로 배출하도록 구성되어 있고, EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 해당 EGR 블로어가 정지했을 때, 해당 EGR 블로어가 갖는 복수의 부재 중 상대 이동하는 부재 사이의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있다.

Description

EGR 유닛 및 엔진 시스템{EGR UNIT AND ENGINE SYSTEM}

본 발명은 EGR 유닛 및 엔진 시스템에 관한 것이다.

최근, 선박용 엔진에 대한 배기가스 규제가 강화되고 있고, IMO(국제해사기구)는, 2016년 1월 1일 이후에 건조 기공된 선박이 ECA(배출규제해역)를 항행(航行)하는 경우에, 1차 규제치에 비해 NOx 배출량을 80% 삭감한 3차 규제치를 적용한다. 이 규제에 대한 대책의 하나가 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation；EGR) 유닛의 설치이다. EGR 유닛은, 엔진에서 배출된 배기가스를, EGR 유로를 통해 소기 유로에 공급한다. 배기가스를 소기 유로에 공급하는(EGR을 수행하는) 것에 의해, 소기의 산소 농도가 떨어지고, 실린더 내에서의 연소 시간이 길어지는 결과, 연소 최고 온도가 저하하여, NOx의 배출량을 억제할 수 있다. 다만, EGR을 수행하면 연비가 악화하기 때문에, ECA 내에서는 EGR 블로어(blower)를 운전하여 EGR을 수행하는 한편, ECA 밖에서는 EGR 블로어를 정지하여 EGR을 수행하지 않도록 하는 운용이 일반적이다. 또한, 엔진의 저부하시 등, NOx 배출량이 적은 부하 영역에 있을 때에도 EGR 블로어를 정지한다.

여기에서, 종래의 EGR 유닛에서는, EGR 유로에 배기가스를 압송하는 EGR 블로어가 설치되어 있음과 함께, EGR 블로어가 정지했을 때에 닫히는 개폐 밸브 또는 역류를 방지하는 역지(逆止) 밸브가 설치되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이와 같이 EGR 유로에 개폐 밸브나 역지 밸브가 설치되는 것에 의해, EGR 블로어가 정지했을 때에 소기 유로로부터 EGR 유로로 소기가 유입하는 것을 방지할 수 있다.

일본 특허공개 특개2014-122575호 공보

그러나, EGR 유로 내에 배기가스가 남은 상태로 두면, EGR 유로를 구성하는 배관 등의 오염이나 부식을 진행시킬 우려가 있다. 따라서 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지할 때는, EGR 유로에 소기를 유입시켜 배기가스를 배출하는 것이 바람직하다는 것이 판명됐다. 다만, EGR 유로에 유입시키는 소기의 양이 너무 많으면, 엔진에 공급하는 소기의 공급량이 부족하고, 연비의 악화, 나아가서는 실화(失火)한다고 하는 문제도 있다.

이상과 같은 사정을 감안하여, 본 발명에서는, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 EGR 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 따른 EGR 유닛은, 선박용 2 사이클 엔진을 구비한 엔진 시스템에 설치되어 있고, 배기가스 유로에서 배기가스를 추출하고, 추출한 배기가스를 상기 배기가스 유로보다 압력이 높은 소기 유로에 공급하는 EGR 유닛으로서, 상기 배기가스 유로와 상기 소기 유로를 연결하는 EGR 유로와, 상기 EGR 유로에 설치된 EGR 블로어를 구비하고, 상기 EGR 유로는, 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 배기가스 유로와 상기 소기 유로의 압력차를 이용하여, 상기 EGR 유로의 출구로부터 소기를 유입시켜, 유입한 소기에 의해 상기 EGR 유로 내의 배기가스를 상기 배기가스 유로로 배출하도록 구성되어 있고, 상기 EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 EGR 블로어가 갖는 복수의 부재 중 상대 이동하는 부재 사이의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있다.

이 EGR 유닛에서는, EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 해당 EGR 블로어가 정지했을 때, 해당 EGR 블로어가 갖는 복수의 부재 중 상대 이동하는 부재 사이의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있다. 즉, EGR 블로어가 정지했을 때, EGR 블로어 자체가 오리피스(orifice)로서 기능하므로, EGR 블로어를 정지했을 때, 엔진으로 공급하는 소기의 공급량이 필요 이상으로 저하하는 것을 방지하면서, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있다. 따라서 상기 구성에 의하면, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로로 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 EGR 유닛을 제공할 수 있다.

상기 EGR 유닛에서, 상기 EGR 블로어는, 복수의 제1 날개를 갖는 제1 로터와, 복수의 제2 날개를 갖는 제2 로터와, 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 수용하는 케이싱을 갖는 루우츠 블로어이고, 상기 EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 제1 날개와 상기 제2 날개의 간극, 상기 제1 날개와 상기 케이싱의 간극 및 상기 제2 날개와 상기 케이싱의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있어도 좋다.

용적식인 루우츠 블로어는, 유류식의 블로어 등과 비교하여 부재 사이의 간극이 작다. 따라서 상기 구성에 의하면, 상대 이동하는 부재 사이의 간극을 소기가 새어 흐르는 EGR 블로어를 실현할 수 있다.

상기 EGR 유닛에서, 상기 제1 날개와 상기 제2 날개의 간극, 상기 제1 날개와 상기 케이싱의 간극 및 상기 제2 날개와 상기 케이싱의 간극은, 모두 0.1mm 이상 1.5mm 이하여도 좋다.

이 구성에 의하면, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 적절한 양의 소기를 유입시킬 수 있다.

상기 EGR 유닛에서, 상기 EGR 유로의 상기 EGR 블로어보다 배기가스 유로 측에 설치되고, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때에 닫히는 입구 밸브를 더 구비하고, 상기 입구 밸브는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지하여 상기 입구 밸브가 닫혔을 때, 상기 입구 밸브가 갖는 판체(瓣體)와 판좌(瓣座)의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있어도 좋다.

이 구성에 의하면, 입구 밸브가 닫혔을 때, 입구 밸브가 오리피스로서 기능하므로, EGR 유로에 유입하는 소기의 양을 한층 더 억제할 수 있다. 그 결과, 엔진에 공급되는 소기의 공급량이 증가하여, 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 형태에 따른 엔진 시스템은, 상기 EGR 유닛 중 어느 하나를 구비하고 있다.

이 구성에 의하면, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공할 수 있다.

상기 구성에 의하면, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 EGR 유닛을 제공할 수 있다. 또한, 엔진의 운전 중에 EGR 블로어를 정지했을 때, EGR 유로에 미소량의 소기를 유입시킬 수 있는 엔진 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 엔진 시스템의 전체도이다.

<엔진 시스템>

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 엔진 시스템(100)에 대하여 설명한다. 먼저, 엔진 시스템(100)의 전체 구조에 대하여 설명한다. 도 1은 엔진 시스템(100)의 전체도이다. 도 1에서, 두껍게 그려진 파선은 배기가스의 유로를 나타내고 있고, 두껍게 그려진 실선은 소기의 유로를 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 엔진 시스템(100)은 대형 선박용의 엔진 시스템이고, 엔진(10)과, 배기가스 유로(20)와, 과급기(30)와, 소기 유로(40)와, EGR 유닛(50)을 구비하고 있다.

본 실시형태의 엔진(10)은, 대형 선박의 추진용 주기(主機)이고, 2 사이클 디젤 엔진이다. 엔진(100)은, 복수의 실린더(11)(도 1에서는 1개의 실린더(11)만 도시하고 있다)를 가지고 있고, 각 실린더(11) 내에서 연료가 폭발 연소하는 것으로 피스톤(12)이 구동한다. 또한, 엔진(10)은, 2 사이클 엔진이면 좋고, 2 사이클 디젤 엔진 이외에, 2 사이클 이원(二元) 연료 엔진 등이어도 좋다.

배기가스 유로(20)는, 실린더(11) 내에서의 연료의 폭발 연소에 의해 발생한 배기가스를 외부로 배출하는 유로이다. 배기가스 유로(20)는, 도면 외의 배관과 다른, 엔진(10)의 출구 부근에 위치하는 배기관(21) 등에 의해 형성되어 있다. 즉, 배기가스 유로(20)는, 배기관(21)을 가지고 있다. 엔진(10)에서 발생한 배기가스는, 일시적으로 배기관(21)에 모아진 후, 과급기(30)를 향해 배출된다.

과급기(30)는, 소기를 압축하는 장치이다. 과급기(30)는, 배기가스 유로(20)에 설치된 터빈부(31)와, 소기 유로(40)에 설치된 컴프레서부(32)와, 터빈부(31)와 컴프레서부(32)를 연결하는 연결축(33)을 가지고 있다. 배기가스의 에너지에 의해 터빈부(31)가 회전하면, 이에 따라 컴프레서부(32)도 회전한다. 컴프레서부(32)가 회전하는 것에 의해, 외부로에서 거두어들인 소기(신(新)기)가 압축된다.

소기 유로(40)는, 엔진(10)에 소기를 공급하는 유로이다. 과급기(30)에 의해 압축된 소기는 소기 유로(40)를 흘러, 합류점(41)에서 후술하는 EGR 유로(51)에서 공급된 배기가스를 거두어들인 후, 엔진(10)으로 공급된다. 소기 유로(40)는, 도면 외의 배관과 다른, 엔진(10)의 입구 부근에 위치하는 소기관(42) 등에 의해 형성되어 있다. 즉, 소기 유로(40)는, 소기관(42)을 가지고 있다. 소기관(42)은 소기를 일시적으로 모은 후, 엔진(10)으로 공급한다.

또한, 상술한 것처럼, 본 실시형태의 엔진(10)은, 2 사이클 엔진이다. 2 사이클 엔진은, 피스톤(12)이 하사점(下死點) 부근에 있고 소기 포트가 열려있을 때, 소기가 실린더(11) 내에 유입하여 실린더(11) 내의 배기가스를 배출하도록 구성되어 있다. 따라서 소기 유로(40)의 압력은, 배기가스 유로(20)의 압력보다 항상 높다.

EGR 유닛(50)은, 배기가스 유로(20)에서 배기가스를 추출하여 소기 유로(40)로 공급하는 유닛이다. 배기가스를 소기 유로(40)에 공급하는 것으로, 소기의 산소 농도가 떨어지고, 실린더 내에서의 연소 시간이 길어지는 결과, 연소 최고 온도가 저하하여, 소기 중의 질소와 결합하는 서멀(thermal) NOx의 발생을 억제하고, 결과적으로 배기가스에 포함되는 NOx의 배출량을 억제할 수 있다. EGR 유닛(50)의 상세에 대해서는 후술한다.

다음으로, EGR 유닛(50)에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 EGR 유닛(50)은, EGR 유로(51)와, 스크러버(52)와, EGR 블로어(53)와, 입구 밸브(54)를 가지고 있다.

EGR 유로(51)는, 배기가스 유로(20)에서 배기가스를 추출하고, 추출한 배기가스를 소기 유로(40)에 공급하는 유로이다. 본 실시형태의 EGR 유로(51)는, 도면 외의 배관 등에 의해 형성되어 있고, 배기가스 유로(20)의 배기관(21)과 소기 유로(40)의 소기관(42)보다 상류측의 부분을 연결하고 있다. 다만, EGR 유로(51)는, 배기가스 유로(20)와 소기 유로(40)를 연결하고 있으면 좋고, 연결 개소는 한정되지 않는다. 예를 들어, EGR 유로(51)는, 배기관(21)과 소기관(41)을 연결하고 있어도 좋다.

스크러버(52)는, EGR 유로(51)로 거두어들인 배기가스를 세정하는 장치이다. 본 실시형태의 엔진(10)은 중유를 연료로 하고 있고, 배기가스에는 SOx 및 다량의 그을음 등이 포함된다. EGR 유로(51)로 거두어들인 배기가스를 그대로 엔진(10)에 공급하면, 배기가스에 포함되는 SOx 및 그을음 등이 엔진(10)에 악영향을 미친다. 따라서 본 실시형태에서는 스크러버(52)를 이용하여 배기가스로부터 SOx 및 그을음 등을 제거하고 있다.

EGR 블로어(53)는, EGR 유로(51)의 스크러버(52)보다 하류측에 설치되고, 배기가스를 소기 유로(40)에 압송하는 장치이다. 본 실시형태의 EGR 블로어(53)는, 회전수와 송풍량이 비례하는 용적식의 블로어이고, 보다 구체적으로는 루우츠(roots) 블로어이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, EGR 블로어(53)는, 제1 로터(61)와, 제2 로터(62)와, 제1 로터(61) 및 제2 로터(62)를 수용하는 케이싱(63)을 가지고 있다.

본 실시형태의 EGR 블로어(53)는, 3엽(葉)식의 루우츠 블로어이므로, 제1 로터(61)는 3개의 제1 날개(65)를 가지고 있고, 제2 로터(62)는 3개의 제2 날개(66)를 가지고 있다. EGR 블로어(53)가 2엽식의 루우츠 블로어이면, 제1 로터(61)는 2개의 제1 날개(65)를 갖고, 제2 로터(62)는 2개의 제2 날개(66)를 갖게 된다. EGR 블로어(53)가 구동하고 있는 동안은, 제1 로터(61)와 제2 로터(62)는, 케이싱(63) 내에서 서로 맞물리도록 하여 회전한다. 따라서 제1 날개(65)와 제2 날개(66)는 상대 이동하고, 제1 날개(65)와 케이싱(63)은 상대 이동하며, 제2 날개(66)와 케이싱(63)은 상대 이동한다.

상술한 것처럼, 루우츠 블로어는 용적식의 블로어이므로, 제1 날개(65)와 제2 날개(66) 사이, 제1 날개(65)와 케이싱(63) 사이 및 제2 날개(66)와 케이싱(63) 사이로부터는 압송하는 유체가 최대한(極力) 새지 않는 것이 바람직하다. 그러나 이들의 부재 사이에 간극이 없으면 제1 로터(61) 및 제2 로터(62)는 회전할 수 없다. 따라서 실제로는 이들의 부재 사이에 작은 간극이 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 이들의 간극은 모두 0.1mm 이상 1.5mm 이하로 설정되어 있다.

입구 밸브(54)는, EGR 유로(51)의 입구측에 설치된 밸브이다. 본 실시형태에서는, EGR 유로(51)의 스크러버(52)보다 상류측에 설치되어 있다. 또한, 입구 밸브(54)는, EGR 블로어(53)가 정지했을 때에 닫히도록 구성되어 있다. 또한, 본 실시형태의 입구 밸브(54)는 버터플라이 밸브이지만, 입구 밸브(54)는 버터플라이 밸브 외에, 게이트 밸브 등의 다른 밸브여도 좋다.

입구 밸브(54)는, 고온의 배기가스를 폐지 또는 통과시킬 수 있도록 금속으로 형성된 판체(71)와, 동일하게 금속으로 형성된 판좌(72)를 가지고 있다. 그리고 입구 밸브(54)가 닫혔을 때에는, 판체(71)와 판좌(72)는 밀봉부재 등을 통하지 않고 직접 접촉한다. 즉, 본 실시형태의 입구 밸브(54)는, 메탈 터치 구조가 채용되고 있다. 따라서 입구 밸브(54)가 닫힌 상태에서도, 판체(71)와 판좌(72) 사이에 작은 간극이 형성되어 있다.

이상과 같이, 본 실시형태의 EGR 유닛(50)에는, 엔진(10)의 운전 중에 EGR 블로어(54)가 정지했을 때, EGR 유로(51) 내의 유체를 완전히 막도록 하는 밸브 또는 부재는 설치되어 있지 않다. EGR 블로어(53)는 부재 사이에 작은 간극이 존재하고, 입구 밸브(54)는 닫혔을 때에 판체(71)와 판좌(72) 사이에 작은 간극이 존재한다.

다음으로, EGR 유닛(50)의 동작에 대하여 설명한다. 엔진 시스템(100)이 구동하고 있는 동안 항상 EGR이 실시되고 있는 것은 아니고, 엔진 시스템(100)이 탑재되어 있는 선박의 항행 해역이나 엔진 시스템(100)의 운전 상황에 따라 EGR을 정지한다. 엔진(10)의 운전 중에 EGR 블로어(53)를 정지하는 것에 의해, 배기가스가 소기 유로(40)에 공급되지 않게 되고, EGR이 정지된다. 또한, EGR 블로어(53)의 정지에 따라, 입구 밸브(54)가 닫힌다.

전술한 것처럼, 소기 유로(40)의 압력은, 배기가스 유로(20)의 압력보다 높다. 그리고 본 실시형태의 EGR 유닛(50)에는, 엔진(10)의 운전 중에 EGR 블로어(53)가 정지했을 때, EGR 유로(51) 내의 유체를 완전히 막도록 하는 밸브 또는 부재는 설치되어 있지 않다. 따라서 EGR 블로어(53)가 정지했을 때에는, 배기가스 유로(20)와 소기 유로(40)의 압력차에 의해, EGR 유로(51)의 출구로부터 소기가 유입한다. 이에 따라, EGR 유로(51)에 남은 배기가스는 유입한 소기(소기가스)에 의해 배기가스 유로(20)로 배출된다. 그 결과, EGR 유로(51)에 남은 배기가스에 의해, EGR 유로(51)를 구성하는 배관 등이 더러워지는 것이나 부식이 진행하는 것을 억제할 수 있다.

나아가, EGR 블로어(53)를 형성하는 부재 사이에는 간극이 존재하고, 입구 밸브(54)의 판체(71)와 판좌(72) 사이에는 간극이 존재하지만, 그들의 간극은 작은 간극이다. 따라서 엔진(10)의 운전 중에 EGR 블로어(53)가 정지했을 때, EGR 블로어(53) 및 입구 밸브(54)는 각각 오리피스로서 기능한다. 이에 따라, EGR 유로(51)에 유입하는 소기의 양은 미소량이 되고, 소기의 감소에 의한 엔진(10)의 연비의 악화를 억제할 수 있다.

10: 엔진
20: 배기가스 유로
40: 소기 유로
50: EGR 유닛
51: EGR 유로
53: EGR 블로어
54: 입구 밸브
61: 제1 로터
62: 제2 로터
63: 케이싱
65: 제1 날개
66: 제2 날개
71: 판체
72: 판좌
100: 엔진 시스템

Claims

선박용 2 사이클 엔진을 구비한 엔진 시스템에 설치되어 있고, 배기가스 유로에서 배기가스를 추출하고, 추출한 배기가스를 상기 배기가스 유로보다 압력이 높은 소기 유로에 공급하는 EGR 유닛으로서,
상기 배기가스 유로와 상기 소기 유로를 연결하는 EGR 유로와,
상기 EGR 유로에 설치된 EGR 블로어를 구비하고,
상기 EGR 유로는, 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 배기가스 유로와 상기 소기 유로의 압력차를 이용하여, 상기 EGR 유로의 출구로부터 소기를 유입시켜, 유입한 소기에 의해 상기 EGR 유로 내의 배기가스를 상기 배기가스 유로로 배출하도록 구성되어 있고,
상기 EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 EGR 블로어가 갖는 복수의 부재 중 상대 이동하는 부재 사이의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있는, EGR 유닛.
제1항에 있어서,
상기 EGR 블로어는,
복수의 제1 날개를 갖는 제1 로터와,
복수의 제2 날개를 갖는 제2 로터와,
상기 제1 로터 및 상기 제2 로터를 수용하는 케이싱을 갖는 루우츠 블로어이고,
상기 EGR 블로어는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때, 상기 제1 날개와 상기 제2 날개의 간극, 상기 제1 날개와 상기 케이싱의 간극 및 상기 제2 날개와 상기 케이싱의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있는, EGR 유닛.
제2항에 있어서,
상기 제1 날개와 상기 제2 날개의 간극, 상기 제1 날개와 상기 케이싱의 간극 및 상기 제2 날개와 상기 케이싱의 간극은, 모두 0.1mm 이상 1.5mm 이하인, EGR 유닛.
제1항에 있어서,
상기 EGR 유로의 상기 EGR 블로어보다 배기가스 유로 측에 설치되고, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지했을 때에 닫히는 입구 밸브를 더 구비하고,
상기 입구 밸브는, 엔진의 운전 중에 상기 EGR 블로어가 정지하여 상기 입구 밸브가 닫혔을 때, 상기 입구 밸브가 갖는 판체와 판좌의 간극을 소기가 새어 흐르도록 구성되어 있는, EGR 유닛.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 EGR 유닛을 구비한 엔진 시스템.