KR20080113402A - 에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진 - Google Patents

에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진 Download PDF

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Abstract

배기 가스 내의 에너지를 회수하기 위해 배기 가스 보일러들(20, 23)과 동력 터빈(31)을 구비하는 대형 터보 과급 디젤 엔진(1). 보일러들의 하나는 배기 가스 수용부들(3)과 일체로 된 일부분이다. 터보 과급기 터빈(6)의 상류의 배기 가스 흐름의 일부는 동력 터빈으로 분기된다. 엔진은 터보 과급기 터빈의 저압 측에서 예열 보일러(20)를 구비하고, 예열 보일러(23)는 터보 과급기 터빈의 고압측에 배치된다. 엔진은 강하게 가습화된 소기 공기에 의해 작동될 수 있어서, 그로 인해 회수될 수 있는 배기 가스 내의 에너지를 증가시킨다. 엔진은 또한 히트 펌프(heat pump)로 작동될 수 있는데, 즉 엔진을 나오는 배기 가스가 대기보다 낮은 온도를 갖는다.

Description

에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진{A large turbocharged diesel engine with energy recovery arrangement}
본 발명은 하나 이상의 배기 가스 가열 보일러들을 구비하는 대형 터보 과급 디젤 엔진에 관한 것으로, 특별히 터보 과급기 터빈의 상류에서 분기되는 배기 가스에 의해 구동되는 동력 터빈을 구비하는 대형 터보 과급 디젤 엔진에 관한 것이다.
유럽 특허 공보 EP 0 434 419호는, 터보 과급기의 저압 측의 보일러와 터보 과급기의 고압 측의 보일러의 조합에 의해 배기 가스의 열 에너지가 회수되는 대형 2행정 터보 과급 디젤 엔진을 개시한다. 낮은 엔진 부하에서는, 배기 가스를 터보 과급기로 안내하기 이전의 배기 가스의 열 에너지 회수는 상류 보일러를 바이패스(by-passing)시켜 배기 가스의 일부분을 터보 과급기로 직접 안내함으로써 감소한다. 그러나 배기 가스 수용부와 터보 과급기의 터빈의 사이에 보일러를 배치함으로서, 전체적인 구조는 상대적으로 부피가 커지고 복잡해진다. 나아가, 밸브들과 터보 과급기는 가속 상황에 대한 터보 과급기의 응답성을 감소시킨다. 또한 이러한 엔진은 열(heat)만을 회수하며, 회수된 에너지를 회전 동력이나 전기와 같은 더 유용한 형태의 에너지로 변환하기 위한 설비가 존재하지 않는다.
이러한 배경 하에, 본 발명의 목적은 최초에 언급한 종류의 터보 과급 디젤 엔진으로서 더 컴팩트하고 제조하기에 덜 복잡한 터보 과급 디젤 엔진을 공급하는 데 있다. 이러한 목적은, 청구항 1에 따라 개별적인 매니폴드 관들을 통해 배기 가스 수용부에 각각 연결되는 복수 개의 실린더들과, 배기 가스를 상기 배기 가스 수용부로부터 터보 과급기의 터빈의 입구로 안내하는 상류 배기 가스 통로와, 배기 가스를 터보 과급기의 터빈의 출구로부터 대기로 안내하는 하류 배기 가스 통로와, 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하는 하나 이상의 배기 가스 가열 보일러들이나 열 교환기들을 구비하고, 상기 보일러들이나 열 교환기들의 적어도 하나는 상기 배기 가스 수용부 내에 배치되는, 상술한 종류의 대형 터보 과급 디젤 엔진을 제공함으로써 달성된다.
보일러들의 하나를 배기 가스 수용부에 물리적으로 배치함으로써, 시스템의 구성 요소는 효과적으로 대형 터보 과급 디젤 엔진의 상부의 좁은 공간에서 어떠한 공간도 필요로 하지 않는다. 그러므로 이러한 방법은 엔진 주변에 더 많은 공간을 형성하고, 이로 인해 배관의 개수를 감소시킨다. 나아가, 이제 배기 가스 수용부의 하우징(housing)이 개별적인 실린더들로부터 배기 가스를 수용하고 모으며, 보일러를 수용하기 위한 공간(cavity)을 공급하는 두 가지 기능들을 가지기 때문에 보일러를 위한 하우징(housing)이 절감된다. 다른 장점은 엔진 성능의 감소 없이도 보일러에서의 압력 강하가 종래 구조에서의 압력 강하보다 세 배 높도록 허용될 수 있다는 점이다. 증가된 압력 강하는 또한 가스 속력을 증가시켜 열 교환기의 표면의 상당한 감소를 가져와(모든 다른 변수들은 같다) 훨씬 작은 보일러를 가능하게 한다.
대형 터보 과급 디젤 엔진은, 터보 과급기의 저압 측에 예열/기화 보일러를 더 구비할 수 있다. 이러한 경우 배기 가스 수용부 내에 배치되는 보일러는 터보 과급기의 저압 측에서 보일러에 의해 생성된 증기를 과열시키기 위해 사용된다. 이로 인해 증기의 질이 특별히 증기 터빈 내의 과열 증기를 사용하는 관점에서 향상된다.
대형 터보 과급 디젤 엔진은 보일러나 보일러들에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 더 구비할 수 있다. 이로 인해 배기 가스로부터 회수되는 에너지가 더 유용한 동력 형태의 에너지로 변환된다. 동력 터빈은 회전 동력(rotary power)을 전기로 변환하기 위해 전기 제너레이터(generator)를 구동할 수 있다.
배가 가스 수용부는 복수 개의 보일러들이나 여러 단계의 단일 보일러를 수용할 수 있다. 그러므로 배기 가스 내의 에너지가 더 효과적으로 증기에 전달될 수 있다.
복수 개의 보일러들은, 예열/기화 보일러와 과열/기화 보일러를 구비하여 다단 증기 과열 증기 생산 시스템을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 배기 가스로부터의 에너지 회수가 향상된 대형 터보 과급 디젤 엔진을 제공하는 데 있다. 이러한 목적은 청구항 9에 따라, 과급 공기 압축기에 연결되는 배기 가스 구동 터빈을 갖는 터보 과급기와, 터보 과급기의 고압 측의 제1 배기 가스 가열 보일러와, 터보 과급기의 저압 측의 제2 배기 가스 가열 보일러와, 터보 과급기의 고압 측에서 분기되는 배기 가스의 일부에 의해 구동되는 동력 터빈을 구비하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진을 제공함으로써 달성된다.
터보 과급기 터빈의 고압 측의 보일러의 조합을 사용하고, 터보 과급기 터빈의 고압측으로부터의 배기 가스의 흐름의 일부를 분기시킴으로써, 배기 가스로부터 회수될 수 있는 전체 에너지 양이 특별히 많은 다양한 작동 조건들에서 양적으로 향상되는데, 이는 시스템이 동력 터빈을 통한 회전 에너지의 많은 생산량과 대조적으로 열의 많은 생산량에 적응할 수 있기 때문이다. 따라서 시스템은 원양 선박용 추진 시스템에서와 같이 고정 동력 플랜트에서의 전체 연료 효율을 향상시키는 데 동일하게 도움이 될 수 있다.
한편으로, 제1 보일러에는 모든 배기 가스가 통과하여 흐를 수 있고, 동력 터빈을 위해 배기 가스의 일부분이 제1 배기 가스 가열 보일러의 하류에서 분기될 수 있다. 이러한 방법으로 회수될 수 있는 에너지의 전체 양이 최대화된다.
다른 한편으로, 제1 보일러에는 배기 가스의 분기된 부분만이 통과하여 흐를 수 있어서, 터보 과급기의 열 균형에 영향을 미치지 않고 이러한 방법으로 가속 상황 동안에 터보 과급기 터빈의 응답성이 보장된다.
동력 터빈에서 나오는 배기 가스는 터보 과급기의 저압 측에서 메인 배기 가스의 흐름으로 다시 유입될 수 있다. 이러한 방법으로, 예를 들어 SCR 반응기(reactor) 및/또는 소음기(silencer) 내에서 모든 배기 가스가 적절한 후처리를 받을 수 있다.
바람직하게는, 동력 터빈은 전기 제너레이터(generator)를 구동한다. 이로 인해 회수된 에너지가 매우 적절하고 유연한 형태의 에너지를 생산하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유연하게 작동하며 배기 가스로부터의 양호한 에너지 회수율을 갖는 대형 2행정 디젤 엔진을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은, 청구항 23에 따라 전기 제너레이터를 구동하는 배기 가스 구동 터빈과, 전기 구동 모터에 의해 구동되는 과급 공기 압축기와, 배기 가스로부터 열을 추출하기 위한, 터보 과급기의 고압 측의 열 교환기를 구비하는, 대형 2행정 과급 디젤 엔진을 제공함으로써 달성된다.
터빈을 압축기에 연결하는 축이 존재하지 않음으로 인해, 터빈의 고압 측에서의 열 교환기의 사용이 배기 가스 내에 포함된 에너지의 양호한 회수를 보장함과 아울러 높은 자유도로 엔진의 작동 조건들이 제어될 수 있다.
바람직하게는 엔진은 터보 과급기를 구비하지 않는다.
열 교환기는 증기를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
엔진은 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지의 일부를 축적하는 수단과, 저장된 전기 에너지를 전기 구동 모터로 공급하는 수단을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 엔진은 전기 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지와 저장된 전기 에너지의 분배를 제어하는 수단을 더 구비할 수 있다.
엔진은 열 교환기로부터의 열에 의해 발생된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 열 교환기는, 열 교환기의 하류의 터빈을 나오는 배기 가스가 대기보다 낮은 온도를 갖게 할 정도로 열 교환기를 나오는 배기 가스의 온도를 낮추도록 형성된다.
본 발명의 또 다른 목적은 열 병합 발전소에서 사용될 수 있는 내연기관을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은, 청구항 31항에 따라 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관을 제공함으로써 달성된다. 상기 과급 내연기관은, 대기 압력과 대기 온도에서 공기를 유입시키는 흡입 시스템을 구비하고, 상기 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하며, 배기 가스에 의해 구동되는 터빈과, 배기 가스로부터 열을 추출하기 위해 터빈의 고압 측에 열 교환기를 구비하고, 열 교환기와 터빈은 터빈의 저압 측에서 대기보다 낮은 배기 가스 온도를 얻도록 형성된다.
터빈의 고압 측에서 배기 가스로 가열된 보일러 내의 많은 양의 에너지를 추출하고, 상대적으로 작은 유효 터빈 면적을 갖는 터빈을 이용함으로써, 이미 상대적으로 차가운 배기 가스의 터빈 내에서의 팽창이 터빈의 저압 측에서 대기보다 훨씬 낮은 배기 가스의 온도를 가져온다. 그러므로 내연기관 자체는 주위로부터 낮은 수준의 에너지를 추출하는 히트 펌프로 변환되어, 에너지를 높은 수준의 에너지로 변환시킨다. 100%를 훨씬 넘는 전체 연료 효율을 얻을 수 있으며, 이로 인해 매우 경제적이고 환경 친화적이 되게 한다. 배기 가스의 온도는 -40℃ 만큼 낮을 수 있다. 그러므로 이와 같은 내연기관을 이용하는 동력 플랜트의 굴뚝에서 나오는 배기 가스는 눈(snow)이나 얼음 결정(ice crystals)을 포함할 수 있다.
바람직하게는 대기보다 낮은 배기 가스 온도는 열 교환기를 통과하는 배기 가스의 온도 하강을 증가시키기 위한 대용량의 열 교환기와, 터빈 내에서의 배기 가스의 팽창 동안에 배기 가스의 온도의 하강을 증가시키기 위한 낮은 유효 터빈 면적에 의해 얻어진다.
바람직하게는 실린더들을 나오는 배기 가스의 온도는 400 ℃ 내지 500 ℃이고, 배기 가스 가열 보일러를 나오는 배기 가스의 온도는 110℃ 미만이며, 보일러를 나오는 배기 가스의 압력은 2 바(bar)를 초과한다.
터빈과 압축기는 터보 과급기를 형성하도록 축에 의해 연결될 수 있다. 이러한 경우, 내연기관은 보일러의 하류에서 터보 과급기 터빈을 향하는 배기 가스 흐름으로부터 분기되는 배기 가스에 의해 구동되는 동력 터빈을 더 구비할 수 있다.
내연기관은 열 교환기에 의해 배기 가스로부터 추출된 열에 의해 생성된 증기에 의해 동력을 공급받는 증기 터빈을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 내연기관은 압축기의 고압 측에 과급 공기 가습 유닛을 더 구비할 수 있다.
터빈을 나오는 배기 가스의 압력은 바람직하게는 대기 압력과 동일하거나 대기 압력보다 약간 높다.
적어도 엔진이 연속 최대출력으로 작동할 때에 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 바람직하게는 -5 내지 -40 ℃이다.
적어도 엔진이 연속 최대출력으로 작동할 때에 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 대기보다 낮다.
적어도 엔진이 연속 최대출력으로 작동할 때에 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 -5 내지 -40 ℃이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하며, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제1 터빈과, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제2 터빈과, 터빈의 고압 측에서 배기 가스로부터 열을 추출하는 열 교환기와, 터빈의 저압 측에서 상이한 배기 가스 온도들로 엔진을 구동하기 위하여 선택적으로 두 개의 터빈 모두를 이용하거나 어느 하나를 이용하는 수단을 구비하는, 과급 내연기관이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하며, 가변 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 터빈과, 배기 가스로부터 열을 추출하기 위해 터빈의 고압 측에 열 교환기를 구비하는, 과급 내연기관이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 과급 내연기관은 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하며, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제1 터빈과, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제2 터빈과, 배기 가스로부터 열을 추출하는 터빈의 고압 측의 열 교환기를 구비하며, 터빈이나 터빈들의 저압 측에서 상이한 배기 가스 온도들을 얻기 위해 터빈들을 선택적으로 이용하는 단계들을 포함하는, 과급 내연기관을 구동하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 과급 내연기관들의 다른 목적들, 특징들과, 장점들 및 특성들은 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 설명의 이하의 상세한 부분에서, 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명이 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대형 터보 과급 디젤 엔진의 일부 측면도이다.
도 2는 도 1의 엔진의 길이 방향의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 열 에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 3a는 도 3의 엔진의 작동 변수들을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따라 열 에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 4a는 도 4의 엔진의 작동 변수들을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 열 에너지 회수 설비를 구비하는 대형 터보 과급 디젤 엔진을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 도 5의 엔진의 작동 변수들을 도시하는 그래프이다.
도 6은 엔진이 히트 펌프로서 작동되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 터보 과급기를 사용하지 않고, 그 대신 전기적으로 연결되는 터빈과 송풍기를 구비하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 배기 가스 재순환을 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
이하의 상세한 설명에 있어서, 대형 2행정 디젤 엔진의 형태인 본 발명에 따른 대형 터보 과급 디젤 엔진이 바람직한 실시예들에 의해 설명될 것이다.
크로스 헤드(cross-head) 유형의 대형 2행정 과급 디젤 엔진과 같은 대형 터보 과급 디젤 엔진은 잘 알려져 있으므로, 본 설명에서 상세한 설명을 필요로 하지 않는다. 과급 및 배기 가스 시스템의 작동에 관한 더욱 상세한 내용이 이하에서 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 터보 과급 디젤 엔진(1)의 상부 영역의 제1 실시예이다. 이러한 엔진에는 일렬로 서로 옆에 배치되는 복수 개의 실린더들이 마련된다. 각 실린더에는 실린더 커버와 연결된 배기 밸브(미도시)가 마련된다. 배기 통로들(exhaust channels)은 배기 밸브에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있다. 매니폴드 관들은 각각의 배기 통로들을 배기 가스 수용부(3)로 연결한다. 배기 가스 수용부(3)는 실린더들의 줄(row)에 대하여 평행하게 배치된다. 매니폴드 관들(40)은 배기 가스 수용부(3)를 향해 개방되며, 배기 통로는 배기 가스 수용부로부터 터보 과급기의 터빈으로 이어진다. 매우 많은 수의 실린더들(예를 들어 10개 또는 그 이상의 실린더들)을 구비하는 엔진들에 있어서, 배기 가스 수용부는 길이 방향으로 두 개 또는 더 많은 부분들(미도시)로 분리될 수 있다.
본 실시예에서 배기 가스 수용부(3)는, 도 2에 도시된 것과 같이 제거 가능한 커버들(44)이 마련된 원통형 하우징(42)을 단부에 구비한다. 원통형 하우징(42)은, 과열 증기를 생성시키기 위하여 배기 가스가 통과하여 흐를 수 있는 열 교환기(23)를 포함한다. 그러므로 열 교환기(23)는 보일러로서 기능한다. 원통형 하우징(42)은 또한 매니폴드 관들(40)이 배기 가스를 배출하는 회수 덕트(46)를 포함한다.
배기 가스 수용부의 원통형 하우징(42)은 도 2에 도시된 것과 같이 두 개의 열 교환기 부분들(50a, 50b)과, 배기 가스가 배기 통로를 통해 나가는 중앙 출구 챔버(52)에 대해 병렬로 배치되는 회수 덕트 부분들(46a, 46b)로 나누어진다. 그러므로 배기 가스 수용부(4)의 구조가 중앙의 방사상 평면에 대하여 대칭이다.
열 교환기 설비의 두 부분들(50a, 50b)은 차례로 배치되며 스페이서들(49)에 의해 분리된 공지의 복수 개의 열교환 요소들로 이루어진다. 각 부분(50a, 50b)은 두 개의 열교환 요소들(57a, 58a, 57b, 58b)을 구비하며, 각 열교환 요소는 원통형 하우징의 길이 방향 축에 평행하며 직선으로 도시된 화살표에 의해 지시되는 가스 흐름의 방향으로 연장되는 많은 튜브들을 구비한다. 각각의 열 교환기 부분들(50a, 50b)은 서로 대향하며 서로를 향한다.
편심적으로 배치되는 열교환기 요소들(57a, 58a, 57b, 58b)의 단면 윤곽은 원통형 하우징(42)의 내주면에 접하는 고리 부분의 형상이다. 고리 부분들은 조립의 편리를 위해 하위 부분들로 분리될 수 있다.
배기 가스 수용부(3)의 원통형 하우징(42)에는, 열교환기 요소들을 배기 가스 수용부(3)의 내부의 단면의 다른 부분으로부터 분리시킴으로써, 배기 가스 수용부의 내부의 단면을 열교환기 요소를 수용하는 통로와, 열교환기 요소들(57a, 58a, 57b, 58b)을 갖는 통로로 배기 가스를 안내하고 회수하는 통로로 분리하는 격벽(63)이 마련된다.
후자의 통로(매니폴드 관들(40)이 개방됨)는 파선으로 표시된 화살표의 방향으로 배기 가스를 안내한다.
가열 요소들은 가열 요소들을 수용하기 위한 통로로 들어갈 수 있다. 길이 방향으로 외측의 가열 요소들은 스페이서들(49)에 의해 내측 가열 요소들로부터 분리된다. 전체 조립체는 플레이트(66)를 잠금으로써 제 위치에 유지된다.
회수 통로들(46a, 46b)은 방사 방향으로 외측을 향하여 개방하는 깔때기 형상의 단면 형상을 갖는다. 매니폴드 관들(40)은 배기 가스를 각각의 통로들(46a, 46b)로 송풍하도록 배치된다.
회수 통로들(46a, 46b)은 회수 통로들의 전방 단부들에 연결되는 측벽(69)에 의해 중앙 출구 챔버(52)로부터 분리된다. 회수 통로들(46z, 46b)은 반대 측에 서 제거 가능한 커버들(44)로부터 약간 떨어져 개방된다. 이로 인해, 배기 가스 수용부 하우징(42)의 영역 내에 복귀 챔버들(71a, 71b)이 형성된다. 복귀 챔버들(71a, 71b)은 회수 통로들(46a, 46b)을 열 교환기 영역들이 수용되는 통로들로 연결한다. 그러므로 수용 통로들(46a, 46b)을 열교환기 요소들을 포함하는 통로들을 통해 출구 챔버로 연결하는 흐름 경로가 출구 챔버(52)의 양측에 형성된다. 도 2에서 파선으로 표시된 화살표에 의해 도시된 것과 같이 각각의 회수 통로들(46a, 46b)에서 매니폴드 관들(40)을 나오는 배기 가스는 복귀 챔버들(71a, 71b)로 향하고, 복귀 챔버들로부터 실선으로 표시된 화살표에 의해 지시된 것과 같이 각각의 열교환기 요소들(57a, 58a, 57b, 58b)을 통해 출구 챔버(52)로 향한다.
그러므로 배기 가스 수용부(3)의 하우징(42)은 배기 가스 수용 공간과 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하는 보일러의 기능을 모두 수행한다. 배기 가스 수용부의 내부에 보일러를 구비함으로써, 배기 가스 보일러를 위해 필요한 공간과 배기 가스 보일러를 위한 하우징이 절감될 수 있다.
도 3은 흡입 시스템과 배기 시스템을 구비하는 크로스 헤드(cross head) 유형의 대형 2행정 터보 과급 디젤 엔진의 제2 실시예를 도시한다. 엔진(1)은 과급 공기 수용부(2)와 배기 가스 수용부(3)를 구비한다. 배기 가스 수용부(3)는 제1 실시예에서 기술된 유형일 수 있으나, 반드시 그러한 것은 아니다. 엔진에는 도시되지 않은 배기 밸브들(실린더 마다 하나 이상)이 마련된다. 엔진(1)은 예를 들어, 원양 선박의 메인 엔진이나 동력 스테이션(power station)에서 제너레이터를 구동하기 위한 고정 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 전체 출력은 예를 들어, 5,000 kW에서 110,000 kw에 이를 수 있으나, 본 발명은 예를 들어 1,000 kW의 출력을 갖는 4행정 디젤 엔진들에도 사용될 수 있다.
과급 공기는 과급 공기 수용부(2)로부터 각각의 실린더들의 소기 에어 포트들(미도시)로 전달된다. 배기 밸브(4)가 개방되면, 배기 가스는 매니폴드 관들을 통과하여 배기 가스 수용부(3)로 흐르고, 배기 가스 수용부로부터 제1 배기 통로(5)를 통해 터보 과급기의 터빈(6)으로 흐르며, 제2 배기 통로(7)를 통해 터빈으로부터 배기 가스가 배출된다. 터빈(6)은 축(8)을 통해 공기 입구(10)를 통해 공급된 압축기(9)를 구동한다. 압축기(9)는 가압 과급 공기를 과급 공기 수용부(2)로 연결되는 과급 공기 통로(11)로 공급한다.
통로(11) 내의 흡입 공기는 소기 공기(약 200℃에서 압축기를 떠남)를 약 36℃까지 냉각하기 위한 인터쿨러(12)를 통과한다.
냉각된 소기 공기는, 전기 모터(17)에 의해 구동되어 소기 공기 흐름(종종 낮은 부하 상태나 부분 부하 상태에만 있다)을 소기 공기 수용부(2)를 향해 가압하는 보조 송풍기(1)를 통과한다. 더 큰 부하에서는 터보 과급기 압축기(9)에 의해 공급되는 소기 공기의 양은 엔진을 구동하기에 충분하므로, 보조 송풍기(16)는 정지된다. 이러한 상태에서 보조 송풍기(16)는 통로(15)를 통해 바이패스된다.
제1 보일러(23)는 바람직하게는 예를 들어 파이프(pipe)나 핀(fin) 유형의 열 교환기의 형태이며, 제1 배기 통로(5) 내에 배치되는데, 즉 증기를 생성시키기 위해 배기 가스 내의 열 에너지를 이용하는 터빈(6)의 상류에 배치된다. 배기 가스는 배기 가스 수용부(3)로 들어갔을 때 약 455℃의 온도를 가지며, 제1 보일러(23) 의 입구에서의 온도는 아주 상당히 낮다. 제1 보일러(23)는 상술한 제1 실시예를 참조하여 도시되며 설명된 것과 같이 배기 가스 수용부(3)의 일체적인 부분일 수 있다.
보일러(23)의 하류에서는 배기 통로가 분기됨으로써, 배기 가스의 주요 부분은 배기 통로(5)를 통해 터빈(6)으로 계속 진행하고, 배기 가스 흐름의 소량은 통로(30)를 통해 동력 터빈(31)을 향해 흐른다. 보조 동력 터빈(31)은 전기 제너레이터(32)를 구동한다.
그러므로 배기 가스 흐름 내의 잉여 에너지는 전기 동력, 즉 높은 에너지를 갖는 에너지로 변환된다. 동력 터빈(31)으로 분기되는 배기 가스의 양은 통로(30) 내의 가변 유량 조정기(regulator; 미도시)에 의해 조정될 수 있다. 동력 터빈(31)을 나오는 배기 가스는 제2 배기 통로로 인도되며, 제2 배기 통로에서 메인 배기 가스 흐름으로 다시 유입된다.
제2 배기 통로(7)는 배기 가스를, 예를 들어 튜브(tube)나 핀(fin) 유형의 열 교환기를 구비하는 제2 보일러(20)의 입구로 인도한다. 제3 배기 통로(21)는 과급 공기를 제2 보일러(20)의 출구로부터 대기로 인도한다. 배기 가스는 대기에 도달하기 전에 예를 들어 NOx 수준을 감소시키기 위해 SCR 반응기(미도시) 내에서 정화될 수 있고, 소음 공해를 저감시키기 위한 소음기(silencer; 미도시)를 통과할 수 있다.
제2 보일러(20)는 압력 하에서 증기를 생성시키기 위해 배기 가스 흐름 내의 열을 이용한다. 이러한 단계에서 배기 가스 온도는 실린더들을 떠날 때보다 낮 으며, 터보 과급기 터빈(6)의 출구에서의 온도는 전형적으로 250℃ 내지 300℃의 범위에 있다.
통로(22)는 제2 보일러(20)에 의해 생성된 증기를 제1 보일러(23)의 입구로 인도한다. 제1 보일러는 약 450℃의 온도를 가지므로 제1 보일러(23)로 들어오는 물/증기를 기화/과열시키기에 매우 효과적인 매질인 배기 가스로 가열된다.
과열된 증기는 통로(34)를 통해 증기 내의 에너지를 회전 기계적 동력(rotary mechanical power)로 변환시키는 증기 터빈(37)으로 향한다. 증기 터빈(37)은, 예를 들어 원양 선박에서 냉각 설비에 동력을 공급하기 위해 사용되거나, 고정식 발전기에서 생성된 전기에 부가될 수 있는, 전기 에너지를 생성시키기 위한 전기 제너레이터(35)를 구동한다. 이를 위해 어떤 다른 실시예들도 도시되지 않았지만, 보일러들과 증기 터빈이 응축기와 냉각기와 증기 동력 분야에서 잘 알려진 기타 구성요소들을 구비하는 증기 회로의 일부분이라는 점이 잘 이해될 것이다.
MAN B&W®12K98ME 엔진을 구비하는 제2 실시예의 작동 변수들의 예는 이하의 표 1에서 제공된다. 본 실시예는 98cm의 실린더 구멍을 갖는 12개의 실린더들을 갖는 엔진이다. 적절한 보조 송풍기를 부가한 터보 과급기 압축기는 약 25000 kW의 동력 입력을 필요로 한다는 점이 주목된다. 이러한 동력은 배기 가스로부터 추출되거나 및/또는 보조 송풍기들에 의해 공급된다.
에너지 방정식들에 기초하여 완전한 시스템으로부터의 동력 추출에 대한 최적 조건을 결정하는 것이 가능하다. 이는 궁극적으로 보일러의 유형과, 증기 터빈의 유형과, 대형 2행정 디젤 엔진의 사용 조건들과 같은 환경들에 의존한다. 원 양 선박에서의 중요 초점은 회전 동력을 공급하는 데 있는 반면, 고정식 발전소에서의 적용은 전기 생산과 동일하게 열 생산(지역 난방)에 초점이 맞추어진다.
시스템은 제1 보일러(23)와 동력 터빈(31)에 의해 배기 가스로부터 취해지는 가변적인 동력의 크기를 가지며 다양한 작동 조건들에서 작동될 수 있다.
터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)에서 추출된 동력은 터보 과급기 터빈(6)과 동력 터빈(41)에 이용되는 동력을 감소시킬 것이지만, 제2 보일러(20)에서 추출된 동력은 터보 과급기에 영향을 미치지 않을 것이며 동력 터빈에 동력을 공급할 것이다.
표 1에서의 예에서, 증기 터빈(37)으로의 공급을 위해 10.000 kW의 에너지의 양(이러한 양은 본 예를 위해 임의로 선택된 것이며, 도 3a에 도시된 것과 같이 다른 양이 선택될 수 있다)이 제1 보일러(23)에서 추출된다.
도 3a는 제1 보일러(23)에서 추출되는 동력의 양에 관한 상이한 값들에 대한 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프는 다양한 구성 요소들의 동력을 엔진축 동력의 백분율로 나타내며, 본 발명이 다양한 크기의 엔진들에 적용될 수 있음을 설명한다. 그래프에서 터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)에서 추출되는 동력이 증가할 때, 동력 터빈으로부터 추출될 수 있는 동력이 감소함을 알 수 있다. 필요한 동력의 유형(열이나 회전 동력/전기)에 따라 최적의 작동 위치가 결정될 수 있다.
전기와 열을 모두 공급하는 고정식 발전기에서와 같이 열과 회전 동력의 모두가 필요한 경우에는, 최적의 작동 지점은 제1 보일러(23)를 통한 최적의 동력 추출에 가장 가까워질 것이다. 이러한 작동 지점은 보조 송풍기(16)가 최대의 부하 조건에서 작동할 것을 요구할 것이다.
원양 선박에서 필요한 주요 에너지는 추진 동력, 즉 프로펠러(미도시)를 구동하기 위한 회전 동력이다. 전형적으로 선박 주변에서 필요로 하는 열의 양은 상대적으로 낮지만, 필요로 하는 전기의 양은 선박의 유형에 따라 변화한다. 벌크 운반선에서는 필요한 전기의 양은 상대적으로 낮다.
냉각되어야 하는 화물을 실은 컨테이너 선박이나 액체 천연 가스 운반선은 상당한 양의 전기 동력을 필요로 한다. 이러한 상황에서는, 전체 에너지 효율의 관점에서 볼 때 제1 보일러로부터 추출된 5.000 kW 내지 10.000 kW로 작동되는 것이 유익하다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예를 도시한다. 본 실시예는 소기 공기 냉각기(12a)가 다른 유형인 점을 제외하고는 실질적으로 제2 실시예에 일치한다. 소기 공기 냉각기는 많은 양의 물이 분사되고 기화되는 스크러버(scrubber)이다. 분사된 물은, 바람직하게는 엔진(1)의 (물) 냉각 시스템(미도시)으로부터 폐열을 이용하여, 예를 들어 해수(엔진이 원양 선박에 설치되었을 때)나 강물(엔진이 강변의 고정식 발전기에 설치되었을 때)을 가열함으로써 상대적으로 따뜻하다. 스크러버(12a)는 스크러버 출구를 나오는 공기가 약 70℃의 온도와 실질적으로 100 %의 상대 습도를 갖게 하도록 작동한다. 이러한 소기 공기의 절대 습도는 제2 실시예의 인터쿨러(12)를 나오는 소기 공기보다 약 5배 높다. 그러므로 소기 공기와 배기 가스에 포함된 에너지의 양은 상당히 증가한다. 따라서 보일러들(20, 23)과 동력 터 빈(31)에 의해 배기 가스로부터 추출될 수 있는 더 많은 에너지가 존재한다.
MAN B&W® 12K98ME 엔진을 구비하는 제3 실시예의 작동 변수들의 예는 이하의 표 1에서 제공된다.
이러한 소기 공기 조건을 생성시키기 위해 적절한 보조 송풍기 터보 과급기 압축기는 약 25.000 kW의 동력 입력을 필요로 하고, 나아가 압축기의 출구 공기에서 기화되는 약 7,5 kg/s의 물의 분사가 실현되어야 한다.
이러한 동력(25000 kW)은 배기 가스로부터 추출되어야 하고 및/또는 보조 송풍기들에 의해 공급되어야 한다.
이러한 예에서, 증기 터빈(37)으로의 공급을 위해 10.000 kW가 제1 보일러(23)에서 추출된다(이러한 양은 본 예를 위해 임의로 선택된 것이며 도 4a에 도시된 것과 같이 다른 양이 선택될 수도 있다).
도 4a는 제1 보일러 내에서 추출된 에너지의 양의 다양한 값의 계산 결과를 도시하는 그래프이다. 그래프는 다양한 구성 요소들의 동력을 엔진축 동력의 백분율로 나타내며, 본 발명이 다양한 크기의 엔진들에 적용될 수 있음을 설명한다. 그래프에서 터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)에서 추출되는 동력이 증가할 때, 동력 터빈(31)으로부터 추출될 수 있는 동력이 감소함을 알 수 있다. 필요한 동력의 유형(열이나 회전 동력/전기)에 따라 최적의 작동 위치가 결정될 수 있다. 본 예에서는 보조 송풍기(16)에 동력을 공급할 필요 없이 제1 보일러(23) 내에서 25.000 kW 보다 많이 추출될 수 있다. 제2 실시예에 따른 엔진에서는 보조 송풍기(16)로 동력을 공급할 필요 없이 약 14.000 kW 만이 제1 보일러에서 추출될 수 있었다. 엔진 자체의 연료 효율은 습하고 따뜻한 소기 공기에 의해 아주 약간만이 악화되므로, 본 발명에 따른 배기 가스 에너지 회수 시스템과 조합된 엔진(1)의 전체 연료 효율은 배기 가스 에너지 회수 시스템(예를 들어, 제2 실시예)을 구비하는 종래의 엔진에 비교하여 상당히 더 효율적이다. 제3 실시예에 따른 엔진의 이상적인 작동 조건들은 제2 실시예에 따른 작동 조건들과 유사하다.
제3 실시예의 변형예로서, 엔진은 출구에서의 매우 낮은 배기 가스 온도로 작동한다. 이러한 온도는 -40℃ 까지 낮을 수 있으며, 이는 배기 가스 내의 물이 증기에서 액체로 및 액체에서 고체로의 두 가지 상변화들을 거치는 것을 의미하는데, 예를 들어 엔진을 나오는 배기 가스는 눈(snow)이나 얼음과 유사한 형태를 포함한다. 그러므로 엔진은 히트 펌프로서 작용하는데, 히트 펌프는 전기와 지역 난방을 공급하기 위해 기계적 에너지와 열이 모두 필요한 열 병합 발전소와 같은 적용 분야에서 특별히 흥미롭다. 이러한 작동 상태는 제1 보일러(23)에서 아주 많은 양의 에너지를 추출함으로서 획득되며, 표 1의 예에서 72.000 kW가 추출된다. 나아가 터빈(6)의 유효 면적은 상술한 예들/실시예에 비교하여 약 3분의 1만큼 감소하여, 배기 가스 온도가 -25℃에 이른다. 감소된 유효 터빈 면적의 결과, 압축기(9)에서 이용 가능한 에너지의 양은 크게 감소한다(터빈에서의 배기 가스의 온도 하강(가스 팽창으로 인함)은 유효 터빈 면적이 감소할 때에 증가한다). 그러므로 보조 송풍기의 용량과 동력 소모가 증가한다. 본 실시예에서, 터빈(6)에 의해 생성되는 동력은 최대 엔진 부하에서도 압축기(9)가 필요한 모든 소기 공기를 생성시키기에는 불충분하므로 보조 송풍기(16)는 모든 부하 조건, 예를 들어 최대 부하에서도 작동한다.
엔진이 중질유(heavy fuel oil)나 경유(diesel oil)로 작동할 때에 이슬점 아래의 배기 부분 구성 요소들은 이러한 연료들의 황 함량(응축액은 황산을 포함한다)의 결과물인 산성 침전물을 극복할 수 있도록 내부식성 소재로 제조된다.
엔진이 천연 가스나 실질적으로 황이 없는 기타 연료로 작동하는 경우에는, 이러한 조치들은 필요하지 않다.
MAN B&W® 12K98ME 엔진을 구비하는 제3 실시예의 이러한 변형예의 작동 변수들의 예가 표 1의 "3 cold"라는 열에서 주어진다.
제3 실시예의 이러한 변형예에는, 터보 과급기 터빈 이후의 배기 가스의 낮은 온도로 인해 저압 측에 제2 보일러가 존재하지 않는다. 그러므로 시스템은 터빈의 고압 측에 제1 보일러(23)만을 구비한다.
본 실시예의 다른 변형예(미도시)에서는, 열에 대한 요구가 덜하고 회전 동력에 대한 관심이 높을 때, 예를 들어 열병합 발전소의 하절기 작동에서, 터빈의 고압 측과 저압 측의 모두에서 높은 배기 가스 온도(예를 들어 저압 측에서는 50 내지 200 ℃이고, 고압 측에서는 150 내지 350 ℃ 이다)를 갖는 작동을 위하여 엔진에 제2 터빈이 구비된다. 시스템은 대기보다 낮은 배기 가스 온도를 얻기 위해 사용되며 더 큰 유효 터빈 면적을 갖는 제2 터빈으로 전환되거나, 또는 제2 터빈은 상대적으로 작은 유효 터빈 면적을 가질 수 있고, 각각 작은 유효 면적을 갖는 두 개의 터빈들은 각각 배기 가스 흐름의 일부를 공급받으며 병렬로 사용될 수 있다. 높은 배기 가스 온도로 작동함에 있어서 더 큰 유효 터빈 면적을 갖는 터빈이나 병 렬로 작동하며 작은 유효 터빈 면적을 갖는 두 개의 터빈들은, 보조 송풍기가 낮은 부하 조건에서만 작동할 필요가 있도록 압축기에 충분한 동력을 공급할 것이다. 따라서 터빈(6)의 저압 측에서 배기 가스의 요구되는 온도에 적합한 보일러(23)를 나오는 배기 가스의 온도를 얻기 위하여 보일러(23)에서 추출되는 동력은 감소된다. 선택적으로는 유효 터빈 면적에서 필요한 유연성을 얻기 위해 두 개의 터빈들과 대조적으로 가변 유효 터빈(미도시)을 갖는 단일 터빈이 사용될 수 있다. 그러므로 다른 모드는 회전 동력의 생산에 초점을 둔 반면, 이러한 제2 변형예는 열의 생산에 초점을 둔 모드로 매우 높은 전체 에너지 효율로 작동할 수 있으며, 시스템은 이러한 모드에서 연료로부터 추출될 수 있는 회전 동력의 양의 최대 효율을 갖도록 최적화된다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예를 도시한다. 본 실시예는 제1 보일러(23)가 배기 가스 통로(5)로부터 분기되는 배기 가스 흐름에 배치되는 점을 제외하고는 실질적으로 제2 실시예와 일치한다. 그러므로 배기 가스의 분기된 부분만이 제1 보일러(23)를 통과한다. 통로(30)는 배기 가스를 제1 보일러(23)의 출구로부터 동력 터빈(31)으로 안내한다. 본 실시예의 장점은 배기 가스가 배기 가스 수용부(3)로부터 터보 과급기 터빈(6)으로 직접 흐를 수 있다는 점이며, 이는 엔진이 가속 상황에 대하여 더 좋은 응답성을 갖는 것을 의미한다. 동력 터빈(31)의 출구는 제2 보일러(20)의 입구나 파선으로 지시된 것과 같이 배기 통로(21)의 마지막 부분에 연결된다. 연결의 선택은 동력 터빈(31)의 출구 온도에 의존한다. 동력 터빈(31)의 출구 온도가 터보 과급기 터빈(6)의 출구 온도보다 상당히 낮은 경우, 동력 터빈의 출구는 배기 통로(21)의 마지막 부분에 연결된다.
MAN B&W® 12K98ME 엔진을 구비하는 제4 실시예의 작동 변수들의 예는 이하의 표 1의 "4"라는 열에서 주어진다.
이와 같은 예에서, 적절한 동력 터빈의 동력 출력(POPT)이나 보조 송풍기 입력 동력을 위해 배기 가스의 20%가 동력 터빈을 향하여 분기된다.
완전한 시스템으로부터의 동력 추출에 대한 최적 조건을 결정하는 것이 가능하다. 이는 궁극적으로 보일러의 유형과, 증기 터빈의 유형과, 대형 2행정 디젤 엔진의 사용 조건들과 같은 환경들에 의존한다. 원양 선박에서의 중요 초점은 회전 동력을 공급하는 데 있는 반면, 고정식 발전소에서의 적용은 전기 생산과 동일하게 열 생산(지역 난방)에 초점이 맞추어진다.
배기 가스 흐름(455℃와 3.35bar(abs.)에서 160 kg/s)에 이용 가능한 동력은 4 가지 장치들에서 활용될 수 있다.
1) 터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)
2) 동력 터빈(31)
3) 터보 과급기 터빈(6)의 하류의 제2 보일러(20)
4) 터보 과급기 터빈(6)
시스템은 제1 보일러(23)와 동력 터빈(31)에 의해 배기 가스로부터 추출되는 다양한 양의 동력을 가지며 다양한 작동 조건들에서 작동할 수 있다.
터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)에서 추출되는 동력은 터보 과급기 터빈(6)과 동력 터빈(31)을 위해 이용 가능한 동력을 감소시킬 것이나, 제2 보일러(20)에서 추출되는 동력은 터보 과급기와 동력 터빈의 동력에 어떠한 영향도 미치지 않을 것이다.
제1 보일러(23)로부터 추출되는 에너지의 다른 양의 결과가 도 5a의 그래프에 도시된다. 제4 실시예의 변형예(미도시)에서, 냉각 유닛(12)은 과급 공기에 상당한 양의 물(수증기)를 더하는 냉각 및 가습 유닛(12a)으로 대체된다. 본 실시예에 있어서 과급 공기는 과급 공기의 가습이 존재하지 않는 실시예들에서의 온도만큼 낮게 냉각된다. 본 실시예의 작동 조건이 표 1에서 "4 humid"라는 열에 표시된다.
도 6은 본 발명에 따른 제5 실시예를 도시한다. 본 실시예는 제2 보일러(20)가 존재하지 않는 점을 제외하면 실질적으로 제2 실시예와 동일하다. 나아가 엔진은 출구에서의 매우 낮은 배기 가스 온도로 작동된다. 이러한 온도는 -40℃ 만큼 낮을 수 있으며, 이는 배기 가스 내의 물이 증기에서 액체로 및 액체에서 고체로 두 가지 상변화들을 겪을 것이라는 것을 의미한다. 예를 들어 엔진을 나오는 배기 가스는 눈(snow)이나 얼음과 유사한 형태를 포함할 것이다. 그러므로 엔진은 히트 펌프로서 작용하는데, 히트 펌프는 전기와 지역 난방을 공급하기 위해 기계적 에너지와 열이 모두 필요한 열 병합 발전소와 같은 적용 분야에 특별히 흥미롭다.
배기 가스의 낮은 온도는 보일러(23)를 나오는 배기 가스의 온도가 상대적으로 낮도록 보일러(23)에서 많은 양의 에너지를 추출함으로써 얻어진다. 그 이후의 터보 과급기 내에서의 배기 가스의 팽창은 배기 가스 온도의 심한 하강을 가져 온다. 이러한 온도의 하강은 대기 온도에 제한되지 않으며, 대기보다 상당히 낮게 하강할 수 있다. 따라서 내연기관은 이른바 히트 펌프로 전환되어, 히트 펌프 내에서는 높은 수준의 열을 생성시키기 위하여 주위로부터 낮은 수준의 에너지가 추출된다.
엔진이 중질유(heavy fuel oil)나 경유(diesel oil)로 작동할 때에 이슬점 아래의 배기 부분 구성 요소들은 이러한 연료들의 황 함량(응축액은 SO3 황산을 포함한다)의 결과물인 산성 침전물을 극복할 수 있도록 내부식성 소재로 제조된다.
엔진이 천연 가스(LNG), LPG, DME, 알콜이나 실질적으로 황이 없는 기타 연료로 작동하는 경우에는, 이러한 조치들은 필요하지 않다.
제5 실시예에는 터보 과급기 터빈 이후의 배기 가스의 낮은 온도로 인하여 저압 측에 보일러가 존재하지 않는다. 따라서 시스템은 터빈의 고압 측에 제1 보일러(23)만을 구비한다.
MAN B&W® 12K98ME 엔진을 사용할 때의 제5 실시예를 위한 작동 변수들의 예가 표 1의 "5&6"이라는 열에서 주어진다.
배기 가스 흐름(455℃ 및 3.30 바(abs.)에서 160 kg/s) 내에서 이용 가능한 동력은 3 가지 장치들에서 활용된다.
1) 터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)
2) 동력 터빈(31)
3) 터보 과급기 터빈(6)
시스템은 제1 보일러(23)와 동력 터빈(31)에 의해 배기 가스로부터 추출되는 다양한 양의 동력을 가지며 다양한 작동 조건들에서 작동할 수 있다.
터보 과급기 터빈(6)의 상류의 제1 보일러(23)에서 추출되는 동력은 터보 과급기 터빈(6)과 동력 터빈(31)을 위해 이용 가능한 동력을 감소시킬 것이다.
제5 실시예의 변형예(미도시)에서는 두 개의 터빈들을 구비하는 제3 실시예에 관하여 상술한 바와 같이, 엔진이 높은 배기 가스 온도로 작동되게도 하고 전체 연료 에너지에 대해 연료로부터 추출된 회전 동력의 양의 효율에 초점을 둔다(엔진에 의해 생성된 병합 열 및 동력에 대해 계산됨).
도 7은 본 발명의 제6 실시예를 도시한다. 본 실시예는 터보 과급기(8)가 생략된 것을 제외하고는 도 6의 실시예와 유사하다. 전기 구동 송풍기(16')("보조 송풍기"라는 명칭이 더 이상 맞지 않음)는 과급 공기를 가압한다. 배기 가스 측에서 확대된 동력 터빈(31')은 터보 과급기의 기능을 수행하며, 송풍기(16')를 구동하는 전기 제너레이터(32')를 통해 전기 구동 모터(17')에 전기를 공급한다. 확대된 제너레이터(32')에 의해 발생된 여유 전기 동력은 다른 목적으로 배치될 수 있다. 제너레이터(32')에 의해 발생된 전기 동력의 제어는 동력 제어 프로그램에 따라 작동하는 제어 유닛(미도시)에 의해 처리되거나, 사람인 조작자로부터의 직접적인 지시에 의해 처리될 수 있다. 동력 터빈에 의해 발생된 동력은 터빈과 압축기의 사이의 고정 축 연결에 의해 발생된 동력에 비해 더 유연하게 배분되기 때문에, 터빈과 압축기의 사이의 고정된 연결이 존재하지 않는 것은 이러한 엔진의 보다 유연한 작동을 가능하게 한다. 송풍기(16')에 필요한 에너지의 양의 변동을 극복하기 위해 전기 배터리와 같은 저장 시스템(미도시)이 사용될 수 있으며, 이로 인해 송풍기 출력이 분사된 에너지의 양의 증가와 함께 동시에 증가될 수 있으므로 증가된 배기 가스 흐름에 대한 터빈의 응답을 기다릴 필요가 없어 가속에 따른 엔진의 응답이 향상된다.
제6 실시예에 따른 엔진은 보일러(23) 내에서 추출되는 동력의 범위에서 유연하게 작동할 수 있다. 따라서 지역 난방을 위하여 많은 양의 열이 필요한"하절기"의 설정이나 작동 상태에서는, 엔진이 0℃보다 훨씬 낮은 출구에서의 배기 가스 온도를 가지며 히트 펌프로서 작동한다. 그리고 "하절기" 설정이나 작동 상태에서는 엔진이 히트 펌프로서 작동하지 않으며 배기 가스 온도는 50 내지 200 ℃의 범위에 놓인다. 하절기 설정에 관해서는 전체 유효 터빈 면적이 증가하도록 하기 위해 제2 터빈(미도시)이 터빈(31')과 조합하여 사용되지 않거나, 터빈(31')을 대신하여 사용되지 않는다. 선택적으로는, 가변 유효 터빈을 갖는 단일 터빈이 사용될 수 있다. 작동 상태에서의 변화는 또한 보일러(23)에서 추출되는 에너지의 양에 의해 결정된다. 보일러(23)에서 추출되는 에너지의 양이 클수록 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 낮아진다.
"동절기"의 설정에서는 여러 가지 온도와 압력이 제5 실시예에 관해 제공된 예와 일치한다(표 1 참조).
제6 실시예의 변형예(미도시)에서, 터빈(31')은 유압 펌프를 구동하고, 송풍기(16)는 유압 모터에 의해 구동된다(각각 전기 제너레이터와 모터를 대신함). 결과적으로 유압 펌프와 유압 모터는 유연성을 위해 가변 행정을 갖는 용적 식(positive displacement) 장치일 수 있다. 유압 펌프와 유압 모터는 펌프에 의해 공급된 유압 에너지가 유압 모터를 공급하기 위해 사용될 수 있도록 제어기(27)에 의해 작동되는 통로들과 밸브들을 통해 연결된다.
제6 실시예의 다른 변형예(미도시)는 180 ℃의 배기 가스로 작동되며, "하절기"의 설정을 위한 효율을 최대화하기 위해 동력 터빈(31')의 저압 측의 제2 보일러가 사용된다. 이러한 경우에 있어서 엔진 변수들은 "3 cold"의 열(표 1 참조)의 제3 실시예의 변수들과 일치할 것이다.
엔진은 상술한 두 가지 극단 상태에서 작동될 수 있을 뿐만 아니라, 보일러(23)에서 추출되는 에너지의 양을 조정하고 그에 따라 적절한 유효 터빈 면적을 선택함으로써 엔진은 터빈을 나오는 배기 가스의 중간의 온도로 사실상 작동할 수 있다. 여기에서 엔진은 상이한 유효 터빈 면적을 갖는 두 개의 터빈들을 구비할 수 있는데, 하나의 터빈은 작은 유효 터빈 면적을 갖고, 또 하나의 터빈은 보다 큰 유효 터빈 면적을 갖는다. 이러한 변형예에서, 엔진은 터빈의 저압 측의 매우 낮은 배기 가스 온도(열병합 발전소에서의 동절기 설정)만을 위하여 작은 유효 터빈 면적을 갖는 터빈으로만 작동될 수 있고, 터빈의 저압 측에서 배기 가스의 중간 온도(열병합 발전소에서의 봄철과 가을철 설정)를 위해 더 큰 유효 터빈 면적을 갖는 터빈으로만 작동될 수 있으며, 터빈들의 저압 측에서의 높은 배기 가스 온도(열병합 발전소의 하절기 설정)를 위해서는 병렬의 두 개의 터빈들로 작동될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예를 도시한다. 본 실시예는 제4 실시예와 유사하다. 그러나 제7 실시예에서는 배기 가스의 20%가 제1 보일러(23)와 재순환 통 로(19)와 송풍기(18)와 스크러버(18a)를 통해 인터쿨러(12)의 상류의 통로(11)에서 소기 시스템으로 다시 재순환되므로, 터보 과급기(8)를 향하는 공기 흐름과 터보 과급기/동력 터빈으로부터의 배기 가스 흐름이 20% 감소된다. 동력 터빈(31)의 출구는 제2 보일러(20)의 입구로 연결되거나, 파선으로 도시된 것과 같이 배기 통로(21)의 마지막 부분으로 연결된다. 연결의 선택은 동력 터빈(31)의 출구 온도에 의존한다. 동력 터빈(31)의 출구 온도가 터보 과급기 터빈(6)의 온도보다 상당히 낮다면, 동력 터빈의 출구는 배기 통로(21)의 마지막 부분에 연결된다.
상기 실시예들에서와 동일한 엔진을 이용한 본 실시예를 위한 작동 변수들의 예는, 표 1의 "7"의 열에 나타난다.
3.6 바(bar)의 소기 공기 압력을 갖는 이와 같은 공기의 양 128k/s을 생성시키기 위해서, 터보 과급기 압축기는 약 20.000 kW의 동력 입력을 필요로 한다.
이러한 동력은 터보 과급기 터빈에 의해 배기 가스로부터 추출되어야 한다. 배기 가스는 22.400 kW를 포함한다. 터보 과급기 터빈은 필요한 20.000 kW를 생성시키기 위해 배기 가스 흐름의 20000/22400*100 % = 89 % 만을 필요로 한다. 나머지 11%의 흐름은 동력 터빈(31)에서 사용될 수 있다. 나아가 배기 가스 재순환 흐름은 전체 배기 가스 흐름의 20%가 될 것이며, 흐름 라인 내의 모든 에너지는 제1 보일러(23)에서 활용될 수 있다.
제2 보일러(20)의 입구 온도는 보일러(1)에서 추출되는 동력에 따라 가변적이며, 300 ℃보다 낮은 온도는 180 ℃보다 낮은 출구 온도를 가져올 것이므로 약 300 ℃보다 낮아서는 안된다(천연 가스나 황이 존재하지 않는 다른 가스가 사용되 는 경우, 온도는 전체 에너지 효율을 최대화하기 위하여 배기 가스의 응축이나 가능한 동결에 의해 선택될 수 있다).
동력 터빈(31)의 동력은 동력 터빈 입구 온도에만 의존하거나, 동력 터빈 입구 열의 제1 보일러(23)에서 사실상 얼마나 많은 동력이 추출되는 가에 의존한다.
나아가 보일러 입구 온도는 터보 과급기 출구 온도와 동력 터빈 출구 온도의 혼합이다.
본 실시예는 배기 가스에 대한 낮은 NOx 수치를 얻는다는 점에서 특별히 유용하다.
Figure 112008070587638-PCT00001
Figure 112008070587638-PCT00002
상술한 실시예들은 두 단계의 증기 시스템을 가지고 설명되었다. 그러나 증기 시스템은 단일 단계의 시스템이나 두 가지 보다 많은 단계들을 갖는 시스템으로 구현될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 배기 가스 수용부의 내부에 배치된 보일러를 구비하는 실시예는 도 3, 3a, 4, 4a, 및 5 내지 8에 도시된 기타 실시예들과 병합될 수 있다.
상기 실시예들은 모두 최대 연속 출력(MCR; maximum contimuous rating)에서 작동하는 엔진을 위한 것이다. 이러한 엔진들은 다른 부하 아래에서 작동할 수 있으며, 이로 인해 흡입 및 배기 시스템에서의 온도 및 압력에 대한 다른 값을 가져올 수 있다는 점이 주목된다.
상기 실시예들과 예들은 한가지 특정 모델의 대형 2행정 디젤 엔진에 기초하였으나, 다른 크기와 유형의 내연기관이 여기에서 기술된 본 발명과 관련하여 바람직하게 사용될 수 있다.
전형적으로, 대형 2행정 디젤 엔진의 실린더들을 나오는 배기 가스의 온도는 400 내지 500 ℃이다. 이와 같은 엔진의 실린더들을 나오는 배기 가스의 압력은 일반적으로 2 바(bar)를 초과하며, 전형적으로 3 내지 4 바이다.
특별히 터빈에서 배기 가스를 대기보다 낮은 온도에까지 팽창시키는 개념은 2행정 내연기관과 4행정 내연기관에서 사용될 수 있다.
청구항에서 사용된 "구비하는(comprising)"이라는 용어는 다른 구성 요소들이나 단계들을 배제하지 않는다. 청구항들에서 사용된"하나(a or an)"라는 용어는 복수 개를 배제하지 않는다.
청구항들에 사용된 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명이 설명의 목적으로 기술되었으나, 이러한 상세한 내용은 설명을 위한 목적일 뿐이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 본 발명에서 다양한 변형예들이 만들어질 수 있다.
본 발명은 하나 이상의 배기 가스 가열 보일러들을 구비하는 대형 터보 과 급 디젤 엔진에 관한 것이다.

Claims (46)

  1. 개별적인 매니폴드 관들을 통해 배기 가스 수용부에 각각 연결되는 복수 개의 실린더들;
    배기 가스를 상기 배기 가스 수용부로부터 터보 과급기의 터빈의 입구로 안내하는 상류 배기 가스 통로;
    배기 가스를 터보 과급기의 터빈의 출구로부터 대기로 안내하는 하류 배기 가스 통로; 및
    배기 가스로부터 열 에너지를 회수하는 하나 이상의 배기 가스 가열 보일러들이나 열 교환기들;을 구비하고,
    상기 보일러들이나 열 교환기들의 적어도 하나는 상기 배기 가스 수용부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터보 과급기의 저압 측에 예열 보일러를 더 구비하고, 상기 배기 가스 수용부 내에 배치되는 보일러는 터보 과급기의 저압 측에서 보일러에 의해 생성된 증기를 과열시키기 위해 사용되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보일러나 보일러들에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 더 구비하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동력 터빈은 전기 제너레이터(generator)를 구동하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스 수용부는 복수 개의 보일러들을 수용하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  6. 제5항에 있어서,
    복수 개의 상기 보일러들은, 예열 보일러와 과열 보일러들을 구비하여 다단 증기 과열 증기 생산 시스템(multistage superheated steam production system)을 형성하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 수용부는 배기 가스 회수 통로와 열 교환 통로로 횡단하여 분리되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열 교환 통로는, 실질적으로 고리 부분 형상의 보일러 부분들이 수용되는 실질적으로 고리 형상의 단면을 갖는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  9. 과급 공기 압축기에 연결되는 배기 가스 구동 터빈을 갖는 터보 과급기;
    터보 과급기의 고압 측의 제1 배기 가스 가열 보일러; 및
    터보 과급기의 고압 측에서 분기되는 배기 가스의 일부에 의해 구동되는 동력 터빈;을 구비하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 터보 과급기의 저압 측에 제2 배기 가스 가열 보일러를 더 구비하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  11. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 배기 가스 가열 보일러에는 모든 배기 가스가 통과하여 흐르고, 동력 터빈을 위해 배기 가스의 일부분이 제1 배기 가스 가열 보일러의 하류에서 분기되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 배기 가스 가열 보일러에는 배기 가스의 분기된 부분만이 통과하여 흐르는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 터빈에서 나오는 배기 가스는 터보 과급기의 저압 측에서 메인 배기 가스의 흐름으로 다시 유입되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 터빈은 전기 제너레이터(generator)를 구동하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 배기 가스 구동 보일러는 예열 보일러로 작용하고, 상기 제1 배기 가스 가열 보일러는 제2 배기 가스 가열 보일러에 의해 생성된 증기를 과열시키기 위해 사용되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 배기 가스 가열 보일러에 의해 생성된 과열 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 더 구비하는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 엔진은, 지나치게 과열된 증기를 얻기 위해 상기 제1 배기 가스 보일 러 내의 에너지의 상당한 양을 회수함으로써 상기 증기 터빈의 효율을 향상시키도록 작동되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    실린더들에 유입되는 소기(掃氣) 공기는 높은 절대 수증기량을 갖도록 가습되고 상대적으로 높은 온도로 냉각되어, 보일러 및/또는 동력 터빈 내에서의 이후의 회수를 위해 배기 가스의 에너지 양을 증가시키는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 개별적인 매니폴드 관들을 통해 배기 가스 수용부에 각각 연결되는 복수 개의 실린더들을 구비하고, 제1 배기 가스 가열 보일러 및/또는 제2 배기 가스 가열 보일러는 배기 가스 수용부의 내부에 배치되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  20. 제9항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 배기 가스 가열 보일러 및/또는 상기 제2 배기 가스 가열 보일러의 냉각 용량은 대기보다 낮은 배기 가스 온도를 가져오는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  21. 제9항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기 가스 흐름의 일부는 재순환되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  22. 제21항에 있어서,
    재순환되는 배기 가스의 일부는 상기 제1 배기 가스 가열 보일러의 하류의 배기 가스 흐름으로부터 분기되는, 대형 터보 과급 디젤 엔진.
  23. 전기 제너레이터(generator)를 구동하는 배기 가스 구동 터빈;
    전기 구동 모터에 의해 구동되는 과급 공기 압축기; 및
    배기 가스로부터 열을 추출하기 위한, 터빈의 고압 측의 열 교환기;를 구비하는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  24. 제23항에 있어서,
    터보 과급기를 구비하지 않는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 열 교환기는 증기를 발생시키기 위해 사용되는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지의 일부를 축적하는 수단과, 저장된 전기 에너지를 상기 전기 구동 모터로 공급하는 수단을 더 구비하는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전기 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지와 저장된 전기 에너지의 분배를 제어하는 수단을 더 구비하는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  28. 제25항 내지 제27항에 있어서,
    상기 열 교환기로부터의 열에 의해 발생된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 더 구비하는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  29. 제23항 내지 제28항에 있어서,
    상기 열 교환기는, 열 교환기의 하류의 터빈을 나오는 배기 가스가 대기보다 낮은 온도를 갖게 할 정도로 열 교환기를 나오는 배기 가스의 온도를 낮추도록 형성되는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  30. 유압 펌프를 구동하는 배기 가스 구동 터빈;
    유압 구동 모터에 의해 구동되는 과급 공기 압축기; 및
    배기 가스로부터 열을 추출하기 위한, 터빈의 고압 측의 열 교환기;를 구 비하는, 대형 과급 2행정 디젤 엔진.
  31. 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관으로서:
    대기 압력과 대기 온도에서 공기를 유입시키는 흡입 시스템;
    상기 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하고,
    배기 가스에 의해 구동되는 터빈; 및
    배기 가스로부터 열을 추출하기 위해, 터빈의 고압 측에 열 교환기;를 구비하고,
    상기 열 교환기와 상기 터빈은 터빈의 저압 측에서 대기보다 낮은 배기 가스 온도를 얻도록 형성되는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  32. 대기보다 낮은 배기 가스 온도는, 열 교환기를 통과하는 배기 가스의 온도 하강을 증가시키기 위한 대용량의 열 교환기와, 터빈 내에서의 배기 가스의 팽창동안에 배기 가스의 온도의 하강을 증가시키기 위한 낮은 유효 터빈 면적에 의해 얻어지는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  33. 제31항에 있어서,
    실린더들을 나오는 배기 가스의 온도는 400 ℃ 내지 500 ℃이고, 배기 가스 가열 보일러를 나오는 배기 가스의 온도는 110℃ 미만이며, 보일러를 나오는 배 기 가스의 압력은 2 바(bar)를 초과하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  34. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈과 압축기는 터보 과급기를 형성하도록 축에 의해 연결되는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  35. 제34항에 있어서,
    바람직하게는 상기 내연기관이 연속 최대 출력(maximum continuous rating)으로 동작할 때에도, 상기 터빈이 상기 내연기관의 상기 실린더들에 과급 공기를 공급하도록 보조하는 보조 송풍기를 더 구비하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  36. 제34항 또는 제34항에 있어서,
    상기 내연기관은 보일러의 하류에서 터보 과급기 터빈을 향하는 배기 가스 흐름으로부터 분기되는 배기 가스에 의해 구동되는 동력 터빈을 더 구비하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  37. 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기에 의해 배기 가스로부터 추출된 열에 의해 생성된 증기에 의해 동력을 공급받는 증기 터빈을 더 구비하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  38. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축기의 고압 측에 과급 공기 가습 유닛을 더 구비하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  39. 제31항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈을 나오는 배기 가스의 압력은 대기 압력과 동일하거나 대기 압력보다 약간 높은, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  40. 제31항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 엔진이 연속 최대출력으로 작동할 때에 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 대기보다 낮은, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  41. 제31항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 엔진이 연속 최대출력으로 작동할 때에 터빈을 나오는 배기 가스의 온도는 -5 내지 -40 ℃인, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  42. 제31항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈이나 터빈들의 저압 측에서 대기보다 높은 배기 가스 온도를 갖는 엔진의 작동을 위해 유효 터빈 면적을 변화시키도록, 상기 터빈을 대신하여 사용되거나 상기 터빈과 조합하여 사용되는 부가 터빈을 더 구비하는, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  43. 제31항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈은 상이한 온도들에서 배기 가스 온도를 갖는 엔진의 작동을 위해 가변 유효 터빈 면적 유형인, 열 병합 발전소에 사용되는 과급 내연기관.
  44. 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 상기 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하고, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제1 터빈과, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제2 터빈과, 터빈의 고압 측에서 배기 가스로부터 열을 추출하는 열 교환기와, 터빈의 저압 측에서 상이한 배기 가스 온도들로 엔진을 구동하기 위하여 선택적으로 두 개의 터빈 모두를 이용하거나 어느 하나를 이용하는 수단을 구비하는, 과급 내연기관.
  45. 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 상기 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린 더들에 공급하는 압축기를 구비하고, 가변 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 터빈과, 배기 가스로부터 열을 추출하기 위해 터빈의 고압 측에 열 교환기를 구비하는, 과급 내연기관.
  46. 과급 내연기관을 구동하는 방법으로서, 상기 과급 내연기관은 대기 압력과 대기 온도의 공기를 유입시키기 위한 흡입 시스템을 구비하고, 상기 흡입 시스템은 대기보다 높은 압력을 갖는 과급 공기를 내연기관의 실린더들에 공급하는 압축기를 구비하며, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제1 터빈과, 특정 유효 터빈 면적을 가지며 배기 가스에 의해 구동되는 제2 터빈과, 배기 가스로부터 열을 추출하는 터빈의 고압 측의 열 교환기를 구비하며, 터빈이나 터빈들의 저압 측에서 상이한 배기 가스 온도들을 얻기 위해 터빈들을 선택적으로 이용하는 단계들을 포함하는, 과급 내연기관을 구동하는 방법.
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