KR20120092504A - 과급식 내연기관의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

과급식 내연기관, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관의 작동 방법으로서, 상기 내연기관(10)의 배기 가스는 배기 가스의 팽창을 위해 배기 가스 터보 과급기의 터빈(15)에 공급되고, 이 경우 얻어지는 에너지는 배기 가스 터보 과급기의 압축기(12) 내에서 상기 내연기관(10)에 공급될 급기를 압축하기 위해 사용되고, 상기 급기의 급기압을 제한하기 위해, 상기 내연기관(10)의 하류 및 상기 터빈(15)의 상류에서 물이 물의 적어도 비례 증발 하에 상기 배기 가스 내로 도입된다.

Description

과급식 내연기관의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A SUPERCHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 과급식 내연기관의 작동 방법에 관한 것이다.
과급식 내연기관, 예컨대 과급식 선박 디젤 내연기관은 실제로 충분히 공지되어 있다. 과급식 내연기관에서 내연기관의 배기 가스는 배기 가스 터보 과급기의 터빈에 공급되고 터빈에서 팽창된다. 터빈에서 배기 가스 팽창시 얻어지는 에너지는 압축기를 통해 내연기관에 공급되는 급기를 압축하기 위해, 배기 가스 터보 과급기의 압축기를 구동시키는데 사용된다.
또한, 내연기관의 출력을 증가시키기 위해, 압축된 급기를 압축 후에 급기 냉각기를 통해 안내함으로써 내연기관에 압축된 그리고 냉각된 공기를 공급하는 것은 선행 기술에 이미 공지되어 있다.
내연기관에 공급될 급기의 급기압을 제한하기 위해, 내연기관을 벗어난 배기 가스의 일부를 터빈에 있는 소위 웨이스트 게이트를 지나 안내함으로써 터빈에서 발생 가능한 에너지를 줄이는 것이 실제로 공지되어 있다. 급기압 제한을 위한 이러한 배기 가스측 조치에 추가해서, 급기압 제한을 위한 급기측 조치, 예컨대 내연기관 상류의 압축된 급기의 일부의 소위 급기 블로잉이 실제로 공지되어 있다.
실제로 급기압 제한을 위한 다양한 가능성들이 공지되어 있음에도 불구하고, 과급식 내연기관에 공급될 급기의 급기압을 제한하기 위한 새로운 가능성이 필요하다.
본 발명의 과제는 새로운 과급식 내연기관의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항에 따른 과급식 내연기관의 작동 방법에 의해 해결된다. 본 발명에 따라 급기의 급기압을 제한하기 위해 내연기관의 하류 및 터빈의 상류에서 물이 적어도 비례 증발 하에 배기 가스 내로 도입된다. 본 발명에 의해, 내연기관의 하류 및 터빈의 상류에서 물이 물의 적어도 비례 증발 하에 배기 가스 내로 도입되는 것이 제안된다. 이로 인해, 배기 가스의 온도가 떨어질 수 있어서, 터빈에서 발생 가능한 에너지가 감소될 수 있다. 이로 인해 달성될 수 있는 급기압 제한은 내연기관, 예컨대 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관에서 매우 간단히 실시될 수 있다.
바람직하게는 물이 규정된 압력 및 규정된 온도로 배기 가스 내로 도입된다. 물의 규정된 온도는 내연기관 하류의 배기 가스 압력 또는 주변 압력에서 물의 비등점보다 20°K 내지 5°K 낮은 온도이고, 물의 규정된 압력은 내연기관 하류의 배기 가스 압력의 2배 내지 5배이다. 물이 규정된 압력 및 규정된 온도로 배기 가스 내로 도입되면, 특히 효과적인 급기압 제한이 이루어질 수 있다. 규정된 온도에 의해 물이 비등점에 가까워짐으로써, 배기 가스 내의 물의 완전하고 신속한 증발이 이루어진다. 압력에 의해, 물이 배기 가스 내로 도입될 때 물의 미세한 스프레잉이 이루어진다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라, 급기의 현재 급기압이 한계치보다 작으면, 물이 배기 가스 내로 도입되지 않는 반면, 급기의 현재 급기압이 한계치보다 크면, 도입되는 물의 양 또는 질량 흐름이 현재 급기압과 한계치 사이의 편차에 의존하도록 물이 배기 가스 내로 도입된다. 배기 가스 내로 도입되는 물의 양 또는 질량 흐름의 상기 조절은 특히 간단하고 효과적이다.
본 발명에 의해, 새로운 과급식 내연기관의 작동 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항들 및 하기 설명에 제시된다. 본 발명의 실시예가 도면을 참고로 상세히 설명되지만, 이것에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른, 과급식 내연기관의 작동 방법을 나타내기 위한 과급식 내연기관의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 나타내기 위한 다이어그램.
도 1은 과급식 내연기관, 바람직하게는 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관의 개략도를 도시한다.
도 1에 따라, 실제 내연기관(10)에 급기(11)가 공급되고, 상기 급기는 배기가스 터보 과급기의 압축기(12)에서 미리 압축되었고 압축기(12)에서의 압축 후에 급기 냉각기(13)에서 규정된 온도로 냉각되었다.
내연기관(10)을 벗어난 배기 가스(14)는 배기 가스 터보 과급기의 터빈(15) 내에서 팽창되고, 여기서 얻어지는 에너지는 배기 가스 터보 과급기의 압축기(12)를 구동하기 위해 사용된다.
내연기관(10)에 공급되는 급기(11)의 급기압을 제한하기 위해, 본 발명의 의미로 내연기관의 하류 및 터빈(15)의 상류에서 물이 적어도 비례 증발 하에 배기 가스(14) 내로 도입되고, 배기 가스(14) 내로 도입된 물은 배기 가스(14) 내로 물의 도입시 바람직하게는 완전히 증발된다.
도 1은 내연기관(10)의 하류 및 터빈(15)의 상류에서 물을 배기 가스(14) 내로 도입하는 장치(16)를 도시한다. 물 도입 장치(16)는 별도의 주입 장치이거나 또는 배기 가스 터보 과급기의 경우에 따라 존재하는 세척 장치일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 작용은 하기에서 도 2를 참고로 설명된다. 도 2에는 터빈(15)에서 팽창되는 배기 가스(14)의 엔트로피(s)에 대해 한편으로는 배기 가스(14)의 엔탈피(h) 및 다른 한편으로는 온도(T)가 도시된다. 또한, 도 2에는 등압선, 즉 일정한 압력(p)의 곡선들이 도시된다.
선행 기술에 따라 배기 가스(14) 내로 물의 도입 없이 형성되는 바와 같은, 터빈(15)에서의 배기 가스(14)의 팽창이 점들(17, 18, 19)로 표시된다. 즉, 점(17)은 압력(pz), 온도(Tz) 또는 엔탈피(hz)를 가진 팽창할 배기 가스(14), 즉 내연기관(10)의 바로 하류에서 배기 가스(14)의 상태를 시각화한다.
100%의 등엔트로피 효율을 가진 이상적인 터빈(15)에서는 점(17)으로 표시되는 배기 가스(압력 pz, 온도 Tz, 엔탈피 hz)는 점(18)으로 팽창될 것이고, 100% 보다 작은 등엔트로피 효율을 가진 실제 터빈에서는 점(19)(압력 py, 온도 Ty, 엔탈피 hy)으로 팽창될 것이다. 터빈(15)에서의 이러한 팽창시, 엔탈피 차이 Δh=hy-hz 에 의존하는 출력 또는 에너지가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따라 내연기관(10)의 하류 및 터빈(15)의 상류에서 물이 물의 증발 하에 배기 가스(14) 내로 도입되면, 물의 도입 및 증발에 의해 배기 가스가 점(17)(압력 pz, 온도 Tz, 엔탈피 hz)으로부터 예컨대 점(17')(압력 px, 온도 Tx, 엔탈피 hx)으로 도 2에 도시된 등압선(pz = px)을 따라 이동될 수 있기 때문에, 물의 도입 및 증발에 의해 한편으로는 배기 가스(14)의 온도(Tz>Tx) 및 다른 한편으로는 엔탈피(hz>hx)가 감소된다.
터빈(15)에서 배기 가스(17')(압력 px, 온도 Tx, 엔탈피 hx)의 팽창시, 배기 가스는 100%의 등엔트로피 효율을 가진 이상적인 터빈에서 점(18')으로 팽창될 것이고, 100% 보다 낮은 등엔트로피 효율을 가진 실제 터빈에서는 점(19')(압력 py, 온도 Ty, 엔탈피 hy)으로 팽창될 것이다. 이 경우 형성되는 엔탈피 차이 Δh'는 물의 도입 및 증발 없이 터빈(15)에서 형성되는 엔탈피 차이 Δh보다 작다. 따라서, 본 발명에 의해, 배기 가스(14)의 팽창시 터빈(15)에 의해 제공되는 에너지 또는 출력이 감소될 수 있다.
후속해서, 급기압이 본 발명에 따라 감소하면, 새로운 평형이 형성될 때까지 압력(pz)이 줄어든다.
본 발명에 따라 급기(11)의 급기압을 제한하기 위해, 터빈(15)에 의해 제공되는 출력 또는 에너지, 즉 압축기(12)에서 급기(11)의 압축을 위해 사용되는 에너지는 터빈(15)의 상류 및 내연기관(10)의 하류에서 배기 가스(14) 내로 물의 도입 및 증발에 의해 줄어든다.
물은 규정된 압력 및 규정된 온도로 배기 가스(14) 내로 도입, 바람직하게는 주입된다. 물의 규정된 온도는 주변 압력에서 물의 비등점보다 20°K 내지 5°K 낮은 온도, 특히 주변 압력에서 비등점보다 15°K 내지 10°K 낮은 온도이다. 물의 온도가 내연기관(10) 하류 및 터빈(15) 상류의 배기 가스 압력에서 물의 비등점보다 20°K 내지 5°K, 특히 15°K 내지 10°K 낮은 온도일 수 있다. 배기 가스(14) 내로 도입되는 물의 규정된 압력은 내연기관(10) 하류 및 터빈(15) 상류의 배기 가스 압력의 2배 내지 5배, 바람직하게는 3배 내지 4배이다.
배기 가스(14) 내로 도입되는 물의 양 또는 질량 흐름은 바람직하게 급기의 현재 급기압이 한계치보다 작으면, 물이 배기 가스(14) 내로 도입되지 않는 반면, 급기의 현재 급기압이 한계치보다 크면, 물이 현재 급기압과 한계치 사이의 편차에 따라 배기 가스 내로 도입되도록 결정된다. 바람직하게는, 급기압(pL)에 대한 한계치(pL . MAX)의 초과시 배기 가스(14) 내로 도입되는 물의 질량 흐름(mW)은 하기 식에 따라 결정된다:
mW=k*(pL . MAX-pL)
상기 식은 배기 가스(14) 내로 도입되는 물의 질량 흐름(mW)과, 현재 급기압(pL) 및 한계치 또는 한계치의 초과시 최대 허용 급기압(pL . MAX) 사이의 차이 간의 선형 의존성을 나타내며, k는 비례 상수이다.
10 내연기관
11 급기
12 압축기
13 급기 냉각기
14 배기 가스
15 터빈
16 물 도입 장치

Claims (9)

  1. 과급식 내연기관, 특히 중유로 작동되는 선박 디젤 내연기관의 작동 방법으로서, 상기 내연기관(10)의 배기 가스는 배기 가스의 팽창을 위해 배기 가스 터보 과급기의 터빈(15)에 공급되고, 이 경우 얻어지는 에너지는 상기 배기 가스 터보 과급기의 압축기(12) 내에서 상기 내연기관(10)에 공급될 급기를 압축하기 위해 사용되는, 과급식 내연기관의 작동 방법에 있어서,
    상기 급기의 급기압을 제한하기 위해, 상기 내연기관(10)의 하류 및 상기 터빈(15)의 상류에서 물이 물의 적어도 비례 증발 하에 상기 배기 가스 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 물이 상기 배기 가스 내로 도입시 완전히 증발되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 물이 규정된 압력 및 규정된 온도로 상기 배기 가스 내로 도입, 특히 주입 및 스프레잉되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 물의 상기 규정된 온도는 주변 압력에서 상기 물의 비등점보다 20°K 내지 5°K 낮은 온도인 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 물의 상기 규정된 온도는 상기 내연기관(10) 하류의 배기 가스 압력에서 상기 물의 비등점보다 20°K 내지 5°K 낮은 온도인 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  6. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물의 상기 규정된 압력은 상기 내연기관(10) 하류의 배기 가스 압력의 2배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 급기의 현재 급기압이 한계치보다 작으면, 물이 상기 배기 가스 내로 도입되지 않으며, 급기의 현재 급기압이 한계치보다 크면, 도입된 물의 양 또는 질량 흐름이 상기 현재 급기압과 상기 한계치 사이의 편차에 의존하도록 물이 상기 배기 가스 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물이 상기 배기 가스 터보 과급기의 세척 장치(16)를 통해 상기 배기 가스 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
  9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물이 상기 배기 가스 터보 과급기의 별도의 주입 장치(16)를 통해 상기 배기 가스 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 과급식 내연기관의 작동 방법.
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