KR20060048176A - 배기가스 터보 과급기 및 ｓｃｒ-촉매 변환기를 구비한동력 장치 - Google Patents

배기가스 터보 과급기 및 ｓｃｒ-촉매 변환기를 구비한동력 장치 Download PDF

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Abstract

지금까지 보다 더 높은 급기압이 얻어질 수 있고 엔진 내부에서의 NOx 감소를 위한 밀러 방법이 효과적으로 사용될 수 있는, 연료의 자체 점화 또는 외부 점화 방식 왕복 피스톤 내연기관(1), 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 매니폴드 내의 하나 이상의 SCR-촉매 변환기(5)를 포함하는 동력 장치를 형성하기 위해, 상기 배기 가스 터보 과급기가 하나 이상의 고압단(6, 7) 및 저압단(8, 9)을 포함하는 다단 급기 그룹(6, 7, 8, 9)으로서 형성되고, 하나 이상의 고압 터빈(6) 및 저압 터빈(8)이 상기 배기 가스 관의 방향으로 그리고 저압 압축기(9) 및 고압 압축기(7)가 상기 급기 관의 방향으로 직렬 접속되고, 상기 SCR-촉매 변환기(5)는 배기 가스 관에서 고압단의 터빈(6)과 저압단의 터빈(8) 사이에 배치된다.

Description

배기가스 터보 과급기 및 ＳＣＲ-촉매 변환기를 구비한 동력 장치 {MOTIVE POWER UNIT WITH EXHAUST GAS TURBOCHARGER AND SCR-CATALYTIC CONVERTER}
도 1 및 2는 선행 기술의 2가지 실시예를 나타내는 도면.
도 3은 SCR-촉매 변환기 및 다단 과급기를 구비한 본 발명에 따른 동력 장치의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 엔진 2, 6, 8: 터빈
3, 7, 9: 압축기 4: 급기 냉각기
5: 촉매 변환기 10: 중간 냉각기
11: 바이패스 관 12, 13: 조절 장치
21, 22: 섹션
본 발명은 연료의 자체 점화 또는 외부 점화 방식 왕복 피스톤 내연기관, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 매니폴드 내의 하나 이상의 SCR-촉매 변환기를 포함하는 동력 장치에 관한 것이다.
이러한 방식의 동력 장치는 일반적으로 선박 또는 고정 발전소에서 사용되는 것과 같은 특히 대형 중속 디젤 엔진 및 가스 엔진이다.
NOx-방출에 대한 낮은 한계치를 지키도록 NOx-방출을 줄이기 위해, 선행 기술에서는 이미 엔진 뒤의 배기 시스템에 SCR-촉매 변환기를 설치하였다.
초과량의 공기로 작동되는 동력 장치의 배기 가스 중의 NOx-함량을 줄이기 위해 소위 선택적 촉매 감소 방법이 공지되어 있다. 이 방법에서는 촉매 변환기 앞의 한 지점에서 환원제를 배기 가스에 분사하여 배기 가스 중에 포함된 NOx를 소위 SCR-촉매 변환기에서 N2 및 O2로 환원한다. 환원제로는 암모니아가 사용될 수 있으며, 취급 용이성 때문에 통상적으로 우레아 수용액이 사용된다.
예컨대, DE 199 44 009 A1호에는 SCR-시스템에서 동력 장치의 제어 장치가 환원제 투여의 설정량을 계속 계산하는 것이 공지되어 있다. 이를 위해, 제어 장치는 동력 장치의 특정 작동 파라미터로부터 얻어지는 순간적인 환원제 수요를 필요로 한다.
상기 SCR 방법은 특정 온도 범위에서만 양호한 환원율로 작동한다. 부가의 제약으로서, 황 함유 연료, 특히 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)로 엔진을 작동할 때 촉매 변환기 코팅 및 연료의 황 함량에 의존하는 온도 값의 미달시 촉매 변환기의 오염이 발생하는지를 주의해야 한다.
실제로 1 단 과급으로 구현되는 중속 4 사이클 내연기관에서, 촉매 변환기는 배기 시스템에서 터보 과급기의 터빈 뒤에 배치된다. 엔진의 적합한 설계에 의해 대부분의 경우 완벽한 작동에 필요한 최소 온도가 유지될 수 있다. 터빈 앞에 배치시, 배기 가스 온도가 너무 높아서, 상기 온도 범위의 상한이 초과된다.
높은 출력을 얻기 위해 그리고 엔진 내부에서의 NOx 감소를 위한 밀러(Miller) 방법을 사용하기 위해, 앞으로 급기압의 상승이 요구될 것이다. 이것은 더 높은 터빈 압력 상태를 야기한다. 터빈 앞의 온도가 터빈의 오염을 피하기 위한 통상적인 온도 보다 높지 않기 때문에, 터빈 뒤의 온도는 통상적인 온도 보다 더 낮다. 이것은 촉매 변환기의 완벽한 작동에 필요한 최소 온도가 미달되게 한다.
본 발명의 목적은 지금까지 보다 더 높은 급기압이 얻어질 수 있고 엔진 내부에서의 NOx 감소를 위한 밀러 방법이 효과적으로 사용될 수 있는 동력 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 배기 가스 터보 과급기가 하나 이상의 고압단 및 저압단을 포함하는 다단 급기 그룹으로서 형성되고, 하나 이상의 고압 터빈 및 저압 터빈이 배기 가스 관의 방향으로 그리고 저압 압축기 및 고압 압축기가 급기 관의 방향으로 직렬 접속되고, SCR-촉매 변환기는 배기 가스 관에서 고압단의 터빈과 저압단의 터빈 사이에 배치됨으로써 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 급기 냉각기가 고압 압축기와 왕복 피스톤 내연기관 사이에 배치되고, 또한 중간 냉각기가 급기관에서 저압 압축기와 고압 압 축기 사이에 제공된다.
바람직하게는 SCR-촉매 변환기를 우회하는 바이패스 관이 제공되고, 상기 바이패스 관과 배기 가스 관에서 바이패스 관의 분기와 SCR-촉매 변환기 사이에 각각 하나의 조절 장치가 배치된다. 부하 변동 시에는 촉매 변환기가 느리게 움직이는 2 사이클 엔진에 의해 공지된 문제(하기에서 상세히 설명됨)와 유사하게 저압 터빈에 대한 배기 가스 에너지의 지연된 공급을 야기한다. 따라서, 이 경우에는 촉매 변환기가 2 사이클 엔진에 의해 공지된 장치와 유사하게, 바이패스 관에 의해 우회된다. 조절 장치의 적합한 작동에 의해 배기 가스가 촉매 변환기(정상 작동)를 통해 안내되거나, 또는 상기 촉매 변환기를 우회하여(부하 변동) 안내된다.
또한, 바이패스 관 내의 조절 장치와 배기 가스 관 내의 조절 장치가 공통 조절을 위해 서로 결합됨으로써, 일련의 개별 조절 가능성 또는 조합된 조절 가능성이 주어질 수 있다. 상기 가능성에 의해, 각각의 용도 및 작동 상태에 있어서 동력 장치의 동적 특성과 배기 가스의 NOx 감소 사이의 최적화가 이루어질 수 있다.
도 1에 따라 엔진(1)은 배기 가스를 배기 가스 터보 과급기의 터빈(2)에 공급한다. 상기 터빈은 압축기(3)를 구동시키고, 상기 압축기(3)는 공기를 흡입하여, 압축하고 급기 채널(4)을 통해 엔진에 공급한다. 터빈에서 배출된 배기 가스는 촉매 변환기(5)에 공급된다.
1 단계로 과급되는 느리게 작동하는 2 사이클 엔진은 현저히 낮은 배기 가스 온도를 갖는다. 상기 엔진에서 촉매 변환기를 정확한 온도 범위로 작동시키기 위해서는, 상기 촉매 변환기가 배기 가스 시스템 내에서 배기 가스 터보 과급기의 터빈 앞에 배치되어야 한다. 도 2는 이러한 장치를 도시한다. 엔진(1)에서 배출된 배기 가스는 먼저 촉매 변환기(5)에 공급된 다음, 터빈(2)에 공급된다. 상기 터빈은 압축기(3)를 구동시키고, 압축기는 공기를 흡입하여, 압축하고 급기 냉각기(4)를 통해 엔진에 공급한다.
이러한 장치는 비정상(unsteady) 작동 동안 조절 문제를 일으키는데, 그 이유는 촉매 변환기가 축열기로서 작용하고 엔진으로부터 나온 배기 가스 에너지를 지연시켜 터빈에 전달하기 때문이다. 이러한 어려움은 부하 변동시 바이패스 관(11)에 의해 촉매 변환기를 우회함으로써 피해진다. 조절 장치(12 및 13)의 상응하는 작동에 의해, 배기 가스는 촉매 변환기를 통해 안내되거나(정상 작동), 또는 촉매 변환기를 우회하여(부하 변동) 안내될 수 있다.
엔진의 과급을 위한 배기가스 터보 과급기는 매우 제한된 작동 범위에서만 높을 효율을 얻을 수 있다. 과급된 엔진을 넓은 출력 범위에 걸쳐 개선된 효율로 작동시키기 위해, 배기 가스 터보 과급기의 다수의 단을 작동 상태에 의존하여 함께 스위칭하는 것이 공지되어 있다.
앞으로 요구될 높은 급기 압력을 위해 2단 급기가 바람직하게 적용된다. 이 방법에서는 2개의 압축기 및 일반적으로 2개의 터빈이 직렬 접속된다. 일반적으로 2개의 1단 과급기가 사용되므로, 고압 압축기 및 고압 터빈 그리고 저압 압축기 및 저압 터빈은 각각 하나의 샤프트 상에 배치된다. 그러나, 다른 배치도 가능하고 이미 실시되고 있다.
도 3에서, 왕복 피스톤 내연기관(1) 다음에는 2단 급기 그룹이 접속된다. 내연기관(1)으로부터 배기가스 관의 제1 섹션(20)이 터빈(6)으로 연장되고, 상기 터빈(6)은 샤프트를 통해 압축기(7)를 구동시킨다. 터빈(6) 및 압축기(7)는 과급 그룹의 고압 단을 형성한다. 상기 터빈(6)으로부터 배기가스 관의 제2 섹션(21)이 SCR-촉매 변환기(5)로 연장된다. SCR-촉매 변환기(5)를 통해 안내된 배기 가스는 배기가스 관의 섹션(22)을 통해 터빈(8)에 이르고, 상기 터빈은 샤프트를 통해 압축기(9)에 결합된다. 터빈(8) 및 압축기(9)는 과급 그룹의 저압 단을 형성한다.
엔진(1)은 배기 가스를 고압 터빈(6)에 공급한다. 상기 고압 터빈(6)으로부터 배기 가스는 SCR-촉매 변환기(5)를 통해 저압 터빈(8)에 공급된다. 상기 저압 터빈은 저압 압축기(9)를 구동시키고, 상기 저압 압축기는 공기를 흡입하여, 압축하고 중간 냉각기(10)를 통해 고압 압축기(7)에 공급한다. 상기 고압 압축기는 고압 터빈(6)에 의해 구동되고, 공기를 더욱 압축하며 급기 냉각기(4)를 통해 엔진(1)에 공급한다.
압력 강하를 2개의 터빈으로 분할하는 것과 유사하게, 온도 강하의 분할이 이루어진다. 고압 터빈과 저압 터빈 사이의 온도는 촉매 변환기에 대해 너무 높은 고압 터빈 전의 온도와, 너무 낮은 저압 터빈 후의 온도 사이이다. 본 발명에 따른 실시예에서, 상기 온도는 촉매 변환기의 완벽한 작동을 위해 필요한 온도 범위 내에 놓인다.
촉매 변환기의 치수는 그것을 통해 흐르는 체적 유량에 의해 결정된다. 배 기 가스가 고압 터빈과 저압 터빈 사이에서 여전히 완전히 팽창되지 않기 때문에, 체적 유량이 저압 터빈 후에서 보다 작다. 이것은 촉매 변환기의 치수가 더 작아지게 한다.
왕복 피스톤 내연기관(1)의 부하 변동시, 터빈(6과 8) 사이에 배치된 SCR-촉매 변환기(5)가 축열기로서 작용하는 문제가 발생할 수 있다. 이것은 터빈(8)에 대한 배기 가스 에너지 제공이 부하 변동에 따라 달라지게 할 수 있다. 이것을 피하기 위해, SCR-촉매 변환기가 바이패스 관(11)에 의해 우회될 수 있다. 바이패스 관(11)은 섹션(21)에서부터 시작해서 섹션(22)으로 연장된다. 바이패스 관(11)은 바람직하게 유량을 상이하게 조절할 수 있는 조절 장치(12)를 수용한다. 섹션(21)에서 바이패스 관(11)의 분기와 촉매 변환기(5) 사이에 제 2 조절 장치(13)가 배치된다. 조절 장치(12)가 유량 조절을 위해 설계되면, 조절 장치(13)도 동일한 방식으로 형성된다. 2개의 조절 장치(12 및 13)는 도면에 도시되지 않은 적합한 방식으로 결합됨으로써, 조절 장치(12)의 개방은 동시에 조절 장치(13)의 폐쇄를 야기한다. 조절 장치(12, 13)의 상응하는 작동에 의해, 배기 가스가 정상 작동 동안 촉매 변환기(5)를 통해 안내되거나 또는 부하 변동시에 상기 촉매 변환기를 우회하여 안내된다.
본 발명에 따르면, 더 높은 급기압을 얻을 수 있고, 동력 장치의 동적 특성과 배기 가스 NOx의 감소 사이에 최적화가 이루어질 수 있다.

Claims (5)

  1. 연료의 자체 점화 또는 외부 점화 방식 왕복 피스톤 내연기관, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 매니폴드 내의 하나 이상의 SCR-촉매 변환기를 포함하는 동력 장치에 있어서, 상기 배기 가스 터보 과급기가 하나 이상의 고압단(6, 7) 및 저압단(8, 9)을 포함하는 다단 급기 그룹(6, 7, 8, 9)으로서 형성되고, 하나 이상의 고압 터빈(6) 및 저압 터빈(8)이 상기 배기 가스 관의 방향으로 그리고 저압 압축기(9) 및 고압 압축기(7)가 상기 급기 관의 방향으로 직렬 접속되고, 상기 SCR-촉매 변환기(5)는 상기 배기 가스 관에서 상기 고압단의 터빈(6)과 상기 저압단의 터빈(8) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서, 급기 냉각기(4)가 상기 고압 압축기(7)와 상기 왕복 피스톤 내연기관(1) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 동력 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배기 가스 관에서 상기 저압 압축기(9)와 고압 압축기(7) 사이에 중간 냉각기(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는 동력 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 SCR-촉매 변환기를 우회하는 바이패스 관(11)이 제공되고, 상기 바이패스 관(11)과 상기 배기 가스 관에는 상기 바이패스 관(11)의 분 기와 상기 SCR-촉매 변환기(5) 사이에 각각 하나의 조절 장치(12, 13)가 배치되는 것을 특징으로 하는 동력 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 바이패스 관(11)내의 상기 조절 장치(12)와 상기 배기 가스 관 내의 상기 조절 장치(13)가 공통 조절을 위해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 동력 장치.
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