KR20120105021A - 배기 가스 재순환 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20120105021A
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internal combustion
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KR1020127017289A
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우도 쉬렘머켈링
안케 네우만
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캐터필라 모토렌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 공기 입구(15) 및 배기 가스 출구(20)를 갖는 대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법은, 대형 내연 기관(10)의 배기 가스 출구(20)에서 제1 부분 배기 가스 유동을 방향 전환시키는 단계와; 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키는 단계와; 냉각된 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 압축하는 단계와; 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 압축된 배기 가스를 냉각시키는 단계와; 대형 내연 기관(10)의 공기 입구(15)로 냉각 및 압축된 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

배기 가스 재순환 방법 및 시스템{EXHAUST GAS RECIRCULATION METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 중질 연료유 등의 연료로써 동작되는 내연 기관 예컨대 공기 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 대형 내연 기관에서 사용되도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템에 관한 것이고, 본 발명은 공기 입구, 배기 가스 출구 및 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 대형 내연 기관에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 공기 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 내연 기관의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 여기에서 사용된 용어 "대형 내연 기관"은 크루저 정기선, 화물 선박, 컨테이너 선박 및 유조선 등의 배/선박의 주 또는 보조 엔진으로서 또는 열 및/또는 전기의 발생을 위한 발전소에서 사용될 수 있는 내연 기관을 말할 수 있다. 구체적으로, 대형 내연 기관은 디젤 및 중질 연료유(HFO: heavy fuel oil)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 1개의 연료를 연소시키도록 구성될 수 있다.
중질 연료유는 "아스팔텐"을 함유할 수 있다. 아스팔텐은 수지, 방향족 탄화수소 및 알칸(즉, 포화 탄화수소)과 함께 원유에서 발견되는 분자 물질로서 정의될 수 있다. 아스팔텐은 주로 탄소, 수소, 질소, 산소 및 황 그리고 또한 소량의 바나듐 및 니켈로 구성된다. C:H 비율은 아스팔텐 소스에 따라 대략 1:1.2일 수 있다.
아스팔텐은 또한 기능적으로 원유, 역청 또는 석탄 등의 탄소계 재료의 n-헵탄(C7H16) 불용성 및 톨루엔(C6H5CH3) 용해성 성분으로서 정의될 수 있다. 아스팔텐은 최대치가 약 750 u인 400 원자 질량 유닛 내지 1500 u의 범위 내의 분자 질량의 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 많은 상이한 질량 스펙트럼 방법(ESI FT-ICR MS, APPI, APCI FIMS, LDI) 그리고 많은 상이한 확산 기술[시간-분석 형광 탈분극법(TRFD: time-resolved fluorescence depolarization), 형광 상관 분광법(FCS: fluorescence correlation spectroscopy), 테일러 분산법(Taylor dispersion)]을 포함하는 모든 기술이 이제 대략 일치된다. (톨루엔 내에서의) 매우 낮은 농도에서의 아스팔텐의 응집은 VPO 또는 GPC 등의 기술과 관련하여 분자량(molecular weight)으로서 오해되는 응집체 중량(aggregate weight)으로 이어진다. 화학 구조는 아스팔텐의 복잡한 성질로 인해 확인하기 어렵지만, X-선, 원소 및 열분해 GC-FID-GC-MS를 포함하는 모든 이용 가능한 기술에 의해 연구되었다. 그러나, 아스팔텐은 주로 다방향족 탄소(polyaromatic carbon) 즉 소량의 일련의 중금속 구체적으로 포리피린 구조 내에서 일어나는 바나듐 및 니켈과 결합되는 산소, 질소, 황 및 (NSO-화합물)을 갖는 중축합 방향족 벤젠 유닛(polycondensed aromatic benzene unit)으로 구성된다는 것은 명확하다. 나아가, 아스팔텐 회전 확산 측정법은 작은 PAH 발색단(청색 형광 발생)이 작은 아스팔텐 분자 내에 있고 한편 큰 PAH 발색단(적색 형광 발생)이 큰 아스팔텐 분자 내에 있다는 것을 보여준다. 이것은 분자당 단지 1개의 용융된 다환식 방향족 탄화수소(fused Polycyclic aromatic hydrocarbon)(PAH: Polycyclic aromatic hydrocarbon) 링 시스템이 있다는 것을 내포한다. FT ICR-MS에 의한 매우 최근의 분해 연구는 '군도(archipelago)' 분자 구조를 부인하는 이러한 '섬(island)' 분자 구조를 강력하게 지지한다. 아스팔텐은 오늘날 오일 퇴행(catagenesis) 중에 오일에 대한 근원암(source rock)으로부터 이동되는 케로겐(Kerogen)의 용해성의 화학적으로 변화된 단편(fragment)으로서 널리 인식될 수 있다. 아스팔텐은 (유사한 구조 및 화학 조성을 갖지만, 더 작은) 수지에 의해 오일 내의 용액 내에 보유되는 것으로 생각되었지만, 최근의 데이터는 이것이 부정확하다는 것을 보여준다. 실제로, 아스팔텐이 원유 내에서 그리고 충분한 농도의 톨루엔 용액 내에서 나노콜로이드 방식으로 현탁된다는 것이 최근에 제안되었다. 알칸 및 톨루엔 등의 낮은 표면 장력의 액체에 대한 어떠한 경우에도, 계면 활성제가 아스팔텐의 나노콜로이드 현탁액을 유지하는 데 필요하지 않다.
중질유 및 (박테리아가 아스팔텐을 흡수할 수 없지만, 포화 탄화수소 그리고 일부의 방향족 탄화수소 이성체를 용이하게 소비하고-효소식으로 제어될 때의) 생분해 오일은 중간 API 비중의 오일 또는 경질 원유보다 훨씬 높은 비율의 아스팔텐을 함유할 수 있다. 응축물에는 아스팔텐이 실질적으로 없다.
중질 연료유의 물 함량은 넓게 변화될 수 있다. 물은 여러 개의 상이한 소스로부터 나올 수 있고, 물은 담수 또는 염수일 수 있다. 물은 예컨대 설비의 저장 탱크 내의 응축물로부터 또한 기인될 수 있다. 물이 연수(sweet)이고 중질 연료유 내에서 양호하게 유화되면, 연료의 유효 에너지 함량이 물 함량의 증가에 따라 감소되고, 그에 의해 연료 소비 면에서의 증가로 이어진다. 중질 연료유가 해수로 오염되면, 소금 내의 불소가 연료 주입 장비를 포함하는 연료 취급 시스템의 부식을 유발할 수 있다.
연료 내의 황은 특히 저부하 동작에서 저온 부식 및 부식 마모를 유발할 수 있다. 황은 또한 통상적으로 황산염의 형태로 바나듐 및/또는 소듐과 함께 배기 시스템 내에 형성물을 적층시키는 데 기여할 수 있다. 적층물(deposit)은 또한 고온 부식을 유발할 수 있다. 황은 최근에 많은 논의의 주제였던 연료 성질을 갖는다. 예컨대, 황 산화물의 방출을 감소시키도록 연료 황 함량에 대한 제한이 국제 해사 기구(IMO: International Maritime Organization)에 의해 제안 중이며 유럽 연합(EU: European Union)에 의해 설정되었다.
높은 회분 함량은 여러 개의 방식으로 불리할 수 있다. 바나듐, 니켈, 소듐, 알루미늄 및 규소와 같은 상이한 회분 성분이 상이한 종류의 문제점을 유발할 수 있다. 알루미늄 및 규소 산화물은 정제 공정으로부터 기인되고, 주로 주입 펌프 및 노즐에 그리고 또한 실린더 라이너 및 피스톤 링에 심각한 연마 마모를 유발할 수 있다. 효율적인 연료 분리가 구성 요소 마모를 최소화하는 데 필수적이다.
바나듐 및 소듐의 산화물 주로 소듐 바나딜 바나듐산염은 연소 중에 형성되고, 다른 회분 성분 예컨대 니켈, 칼슘, 규소 및 황의 산화물 및 바나듐산염과 혼합 또는 반응될 것이다. 혼합물의 점착 온도는 배기 밸브 상에, 배기 가스 시스템 내에 또는 터보차저(turbocharger) 내에 적층물이 형성되게 할 수 있다. 이러한 적층물은 용융된 염에서 상당히 부식성일 수 있다. 이 적층물은 예컨대 배기 밸브 상의 보호 산화물 층을 파괴할 수 있고, 고온 부식 그리고 밸브 산화로 이어진다. 터보차저 내에서의 특히 노즐 링 및 터빈 블레이드 상에서의 적층 및 고온 부식은 터보차저 효율을 감소시킬 수 있다.
가스 교환이 또한 교란될 수 있고, 더 적은 공기가 기관을 통해 유동되고, 그에 따라 엔진에 대한 열 부하가 증가될 수 있다. 적층물 형성은 상승된 온도 및 엔진 출력에서 증가될 수 있다. 여러 개의 조치가 높은-회분의 중질 연료유를 취급할 때에 이들 문제점을 피하는 데 필요하다. 예컨대 효율적인 연료 분리 시스템을 갖는 것, 정기적으로 터보차저를 세척하는 것 그리고 벙커 연료의 엄격한 품질 제어를 보증하는 것 즉 회분 그리고 위험한 회분 성분의 양이 낮게 유지되는 것을 감시하는 것이 중요하다. 압력 강하 감시를 기초로 하는 정기적인 세척에 의해 청결한 공기 필터 및 과급 공기 냉각기를 보증하는 것이 또한 필수적이다.
높은 탄소 잔류물 함량은 특히 낮은 기관 부하 상태에서 연소 챔버 내에서의 그리고 배기 시스템 내에서의 적층물 형성으로 이어질 수 있다.
높은 아스팔텐 함량은 특히 낮은 기관 부하 상태에서 연소 챔버 내에서의 그리고 배기 시스템 내에서의 적층물 형성에 기여할 수 있다. 아스팔텐은 대개 황, 질소 및 산호 그리고 바나듐, 니켈 및 철과 같은 금속을 함유하는 고분자량을 갖는 복잡하고 상당한 방향성을 갖는(highly aromatic) 화합물이다. 높은 아스팔텐 함량은 연료가 점화되기 어려울 수 있고 서서히 연소될 것을 나타낸다. 중질 연료유가 불안정하면, 아스팔텐이 연료로부터 침전되어 필터를 차단하고 및/또는 연료 시스템 내에서의 적층을 유발할 것이고, 또한 연료 분리기 내에서의 과도한 슬러지 형성으로 이어질 것이다. 더욱이, 높은 아스팔텐 함량을 갖는 중질 연료유에서 동작될 때에, 윤활유의 양호한 성능이 강조되어야 한다. 윤활유는 크랭크케이스 내로 진입되는 블로-바이 가스(blow-by gas)로부터 아스팔텐을 함유하는 연소 잔류물을 결합시키고 그에 따라 기관 구성 요소 표면 상에서의 적층물 형성을 방지할 수 있다는 것이 중요하다.
모든 중질 연료유는 소량의 침전물을 함유한다. 침전물은 유기 및 무기의 양쪽 모두일 수 있다. 총 침전물 함량[TSP(total sediment content) 분석법]은 연료의 청결성(모래, 녹, 먼지, 촉매 미립자 그리고 다른 고체/무기 오염물의 존재), 안정성(아스팔텐을 분해 및 침전시키는 것에 대한 저항성) 그리고 또 다른 연료 품질과의 호환성을 설명한다.
내연 기관은 내연 기관의 대응하는 연소 실린더 내의 1개 이상의 연소 챔버로 공급되는 유체를 압축하는 1개 이상의 터보차저를 포함할 수 있다. 압축기에 의해 압축된 유체는 공기 또는 신선한 공기일 수 있다. 각각의 터보차저는 전형적으로 기관의 배기 가스 유동에 의해 구동되는 터빈 그리고 터빈에 의해 구동되는 압축기를 포함할 수 있다. 압축기는 압축될 유체를 수용할 수 있고, 연소 챔버로 압축된 유체를 공급할 수 있다.
배기 가스 재순환 시스템(EGR system: exhaust gas recirculation system)은 내연 기관의 동작에서 바람직하지 않은 오염물 가스 및 입자상 물질의 발생을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 예컨대 선박 및 발전기 세트에서 사용되는 내연 기관에서 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. EGR 시스템은 주로 내연 기관의 흡입 공기 공급부 내로 배기 가스의 일부를 재순환시킨다. 엔진의 실린더로 재도입되는 배기 가스는 산소의 농도를 감소시킬 수 있고, 이것은 그 다음에 실린더 내의 최고 연소 온도를 낮추고, 연소 과정의 화학 반응을 지연시키고, 그에 의해 질소 산화물(NOx)의 형성을 감소시킨다. 나아가, 배기 가스는 전형적으로 기관 실린더 내로의 재도입 시에 연소되는 미연소 탄화수소를 함유할 수 있고, 이것은 내연 기관으로부터 바람직하지 않은 오염물로서 방출될 배기 가스 부산물의 방출을 더욱 감소시킬 수 있다.
위에서 설명된 것과 같은 EGR 시스템은 흡기 매니폴드 내로의 도입 전에 연소 공기와 혼합되는 배기 가스의 양을 제어하는 데 사용될 수 있다.
제WO 96/18030호는 터빈이 직렬로 배치된 터보차저형(turbocharged) 또는 수퍼차저형(supercharged) 엔진 내에서의 배기 가스의 재순환을 위한 배열을 개시하고 있다. 이러한 공지된 배열은 내연 기관의 배기 가스 출구에서 배출되는 배기 가스에 의해 구동되는 EGR 터빈을 포함한다. EGR 터빈은 부분 배기 가스 유동을 압축하는 EGR 압축기를 구동시킨다. 배기 가스 냉각기가 EGR 압축기와 내연 기관의 입구 매니폴드 사이에서 EGR 압축기의 하류에 배열된다. 배기 가스 냉각기는 EGR 압축기에 의해 재순환된 배기 가스에 개입되는 상승된 온도를 보상하는 역할을 수행할 수 있다. 대체예에서, 배기 가스 냉각기는 EGR 압축기의 상류에 위치될 수 있다.
(제US 5,564,275 A호에 대응하는) 제EP 0 707 142 A1호는 수퍼차저형 내연 기관에서의 고압 및 배기 가스 재순환을 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 여기에서, 내연 기관의 제3 배기 가스 유동이 제1 배기 가스 유동과 별개로 팽창될 수 있고, 제2 배기 가스 유동을 압축하도록 동력을 제공할 수 있다. 터빈이 배기 가스 압축기를 위한 구동부로서 배열된다. 배기 가스 덕트 시스템은 터빈에 연결되는 제3 배기 가스 덕트를 갖는다. 배기 가스 냉각기가 배기 가스 압축기의 하류에서 제2 배기 가스 덕트 내에 배열된다.
여객 차량 또는 트럭을 위한 내연 기관을 위한 유사한 배기 가스 재순환 시스템이 제WO 2008/062254 A1호에 예시되어 있다. 여기에서, EGR 터빈이 EGR 냉각기의 상류에 위치된다. 이와 같이, 배기 매니폴드로부터 유동되는 EGR 가스는 EGR 냉각기 내로 진입되기 전에 EGR 터빈을 통과한다. 터빈 내에서 일어나는 압력 감소로 인해, EGR 가스 온도는 흡입 매니폴드 입구에서 저하될 수 있고, 기관 냉각 시스템으로부터의 더 낮은 냉각 능력이 EGR 냉각기 내에서 EGR 가스를 냉각시키는 데 요구될 수 있다.
대형 내연 기관에서 동작되는 데 통상적으로 사용되는 연소 연료가 재순환된 배기 가스 내에 함유되는 황산 등을 생성시킬 수 있으면, 문제점이 배기 가스 재순환 시스템의 덕트 또는 라인 시스템 내에서 찾아올 수 있다. 배기 가스(예컨대, H2SO3 또는 H2SO4)의 황산 및/또는 다른 성분(예컨대, 통상의 황, 황산염의 형태로 바나듐 및/또는 소듐과 함께 동반되는 황, 바나듐, 니켈, 소듐, 알루미늄 및 규소와 같은 회분 성분)은 배기 가스 라인 시스템에 악영향을 미칠 수 있다. 부식은 배기 가스 라인 시스템의 강력한 부식을 초래할 수 있는 배기 가스 유동의 성분들 중 1개 이상 예컨대 황산 등에 의해 발생되는 악영향들 중 하나일 수 있다.
본 발명은 적어도 부분적으로 종래의 시스템의 1개 이상의 측면을 개선 또는 극복하고자 한다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 예컨대 공기 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 대형 내연 기관에서 사용되도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템은, 내연 기관의 공기 입구로 제1 부분 배기 가스 유동을 재순환시키도록 구성되는 배기 가스 재순환 라인을 포함할 수 있다. 추가로, 배기 가스 배출 라인이 배기 가스 재순환 라인에 유체 연결될 수 있고, 적어도 제2 부분 배기 가스 유동을 배출하도록 구성될 수 있다. 배기 가스 터빈이 제공될 수 있고, 제2 부분 배기 가스 유동에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 배기 가스 압축기가 제공될 수 있고, 배기 가스 터빈에 의해 구동되도록 그리고 제1 부분 배기 가스 유동의 배기 가스를 압축하도록 구성될 수 있다. 나아가, 제1 배기 가스 냉각기가 배기 가스 압축기의 상류에 배열될 수 있고, 제1 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동의 배기 가스를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 제2 배기 가스 냉각기가 배기 가스 압축기의 하류에 배열될 수 있고, 제2 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동의 압축된 배기 가스를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 온도는 동일 또는 상이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 대형 내연 기관 등의 내연 기관은 공기 입구, 배기 가스 출구 그리고 여기에서 설명된 배기 가스 재순환 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 태양에 따르면, 공기 입구 및 배기 가스 출구를 갖는 대형 내연 기관의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법이 제공될 수 있다. 이 방법은, 제1 부분 배기 가스 유동을 방향 전환시키는 단계와; 제1 부분 배기 가스 유동의 배기 가스를 냉각시키는 단계와; 냉각된 제1 부분 배기 가스 유동을 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 제1 부분 배기 가스 유동의 압축된 배기 가스는 재차 냉각될 수 있고, 후속적으로 대형 내연 기관의 공기 입구로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 태양이 다음의 설명, 첨부 도면 및 특허청구범위로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시 실시예의 개략 블록도이다.
도 2는 본 발명의 추가의 예시 실시예의 내연 기관 냉각 회로의 개략도이다.
공기 입구(15) 및 배기 가스 출구(20)를 갖는 대형 내연 기관(10)에서 사용되도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템(5)의 제1 예시 실시예가 도 1을 참조하여 다음에서 설명될 것이다.
내연 기관(10)은 1개 이상의 실린더 그리고 관련된 연소 챔버(25)를 포함할 수 있다. 연소 챔버(25)는 공기 입구(15)(예컨대, 입구 공기 매니폴드) 및 배기 가스 출구(20)의 양쪽 모두에 연결될 수 있다. 배기 가스 출구(20)는 배기 가스 라인(130)에 연결될 수 있다. 배기 가스 라인(130)은 제1 밸브(135) 및/또는 제2 밸브(136)를 포함할 수 있다. 양쪽 모두의 밸브(135, 136)는 제어 유닛(181)에 연결될 수 있다. 제2 밸브(136)의 상류에서 그리고 제1 밸브(135)의 하류에서, 배기 가스 재순환 라인(140)이 분지될 수 있다. 배기 가스 터빈(155)이 제2 밸브(136)의 하류에 위치될 수 있다. 배기 가스 터빈(155)은 배기 가스 수퍼차저 시스템(150)의 구성 요소일 수 있다. 배기 가스 압축기(160)가 배기 가스 터빈(155)에 의해 샤프트(165)를 거쳐 구동될 수 있다. 배기 가스 재순환 라인(140)은 제1 배기 가스 냉각기(170)에 연결될 수 있다. 배기 가스 냉각기(170)의 출구가 배기 가스 압축기(160)로 냉각된 배기 가스를 공급할 수 있는 추가의 배기 가스 재순환 라인(175)에 연결될 수 있다.
배기 가스 재순환 라인(175)의 또 다른 부분이 배기 가스 압축기(160) 및 제2 배기 가스 냉각기(180)를 서로 연결할 수 있다. 제3 밸브(185)가 제2 배기 가스 냉각기(180)의 하류에 배열될 수 있다. 제1, 제2 및 제3 밸브(185)의 각각은 라인(140, 175)을 거친 배기 가스 유동의 차단 또는 차단 해제 그리고 배기 가스의 재순환을 가능케 하는 간단한 스로틀 밸브로 구성될 수 있다. 배기 가스 재순환 라인의 단부 부분이 매니폴드(15) 내로 밸브(185)의 하류에서 개방될 수 있다.
다음에, 내연 기관(10)의 다중 수퍼차저 시스템 배열이 설명될 것이다. 제1 수퍼차저 시스템(30)은 제1 터빈(35) 그리고 샤프트(45)를 거쳐 제1 터빈(35)에 의해 구동될 수 있는 제1 압축기(40)를 포함할 수 있다. 제2 수퍼차저 시스템(90)은 제2 터빈(95) 그리고 제2 터빈(95)에 의해 샤프트(105)를 거쳐 구동될 수 있는 제2 압축기(100)를 포함할 수 있다. 제1 흡입 공기 냉각기(50)가 제1 흡입 공기 압축기(40) 및 제2 흡입 공기 압축기(100)의 하류에 배열될 수 있다. 흡입 공기 라인(55, 60)이 제1 흡입 공기 압축기(40) 및 제2 흡입 공기 압축기(100)와 제1 흡입 공기 냉각기(50)를 연결할 수 있다. 제2 흡입 공기 압축기(100)는 제2 공기 냉각기(115)에 연결될 수 있다. 흡입 공기 냉각기(115)는 그 다음에 내연 기관(10)의 흡입 매니폴드(15)에 연결될 수 있다.
내연 기관(10)의 배기 가스 출구(20)는 제2 수퍼차저 시스템(90)의 제2 터빈(95)에 연결될 수 있다. 수퍼차저 시스템(90)의 제2 터빈(95)은 그 다음에 제1 수퍼차저 시스템(30)의 제1 터빈(35)에 연결될 수 있다. 배기 가스 라인(85)이 제2 터빈(95)으로 부분 배기 가스 유동을 안내하도록 배기 가스 출구(20)로부터 분지될 수 있다. 배기 가스 출구(20)의 하류에서 그리고 제2 터빈(95)의 상류에서, 분지 라인(80)이 제공될 수 있고, 밸브(75)에 연결될 수 있다. 밸브(75)는 그 다음에 제1 터빈(35)과 제2 터빈(95) 사이에 위치되는 연결 라인(65)으로 개방되는 배기 가스 라인(70)에 연결될 수 있다.
도 2는 예컨대 도 1에 도시된 것과 같은 내연 기관을 위한 냉각 회로의 개략도이다. 내연 기관(10)의 냉각 회로는 저온(LT: low temperature) 냉각 회로(400), 고온(HT: high temperature) 냉각 회로(500) 및 초고온(SHT: super high temperature) 냉각 회로(600)를 포함할 수 있다.
LT 냉각 회로(400)는 예컨대 해수 펌프(405)에 의해 해수가 공급되는 LT 냉각기(410)를 포함할 수 있다. LT 펌프(425)에 의해 펌핑되는 LT 냉각 회로(400) 내에서 순환되는 냉각 매체 예컨대 (해수로부터 분리된) 물의 온도는 예컨대 32℃일 수 있다. 냉각기(410)를 통해 유동되지 않은 LT 냉각 회로(400) 내에서 순환되는 냉각 매체의 부분은 밸브(420)에 의해 그리고 온도 센서(440)에 의해 검출된 온도에 따라 조정될 수 있다. 따라서, 순환되는 냉각 매체의 온도는 요구된 수치 예컨대 32℃로 조정될 수 있다. 따라서, 온도 센서(440) 및 밸브(420)는 제어 유닛(181)에 연결될 수 있다.
LT 냉각 회로(400)의 냉각 매체는 제2 배기 가스 냉각기(180)에 그리고 제1 흡입 냉각기(50)에 병렬로 LT 냉각기(410)를 통과한 후에 유동될 수 있다. 온도 디스플레이(440)가 흡입 공기 냉각기(50)의 하류에 배열될 수 있다. 추가의 온도 디스플레이(445)가 배기 가스 냉각기(180)의 하류에 배열될 수 있다. 제2 배기 가스 냉각기(180)를 떠나는 냉각 매체의 온도는 약 47.6℃일 수 있다. 흡입 공기 냉각기(50)를 떠나는 냉각 매체의 온도는 약 44.90℃일 수 있다.
HT 냉각 회로(500)는 HT 냉각기(505), HT 펌프(510), 제2 흡입 공기 냉각기(115) 및 내연 기관(10)을 포함할 수 있다. 온도 센서(530)가 기관(10)의 하류에 위치될 수 있다. 온도 디스플레이(515)가 HT 펌프(510)의 상류에 위치될 수 있고, 또 다른 온도 디스플레이가 기관(10)의 상류에 위치될 수 있다. HT 냉각 회로(500)의 냉각 매체는 제2 흡입 공기 냉각기(115) 및 기관(10)을 통해 HT 펌프(510)에 의해 펌핑될 수 있다. 디스플레이(515) 상에 표시되는 온도는 약 69℃일 수 있다. 흡입 공기 냉각기(115)를 떠나는 냉각 매체의 온도는 약 80℃일 수 있고, 이것은 디스플레이(520)에 의해 표시될 수 있다. 냉각 매체 예컨대 물이 내연 기관(10)을 통해 재순환된 후에, 그 온도는 약 90℃일 수 있다. 온도는 센서(530)에 의해 결정될 수 있다. 재차, 밸브(540)를 거쳐, HT 냉각기(505)를 통과하지 않은 HT 냉각 회로(500) 내에서 재순환되는 냉각 매체의 부분이 조정될 수 있다.
마지막으로, 초고온(SHT) 냉각 회로(600)가 설명될 것이다. SHT 냉각 회로(600)는 HT 냉각기(505)에 연결되는 SHT 냉각기(605)를 포함할 수 있다. 펌프(615)를 거쳐, SHT 냉각 회로(600)의 냉각 매체가 제1 배기 가스 냉각기(170)를 통해 펌핑된다. 냉각 매체의 온도는 약 150℃이고, 이것은 센서(610)에 의해 결정될 수 있다. 제1 배기 가스 냉각기(170)의 하류에서의 냉각 매체 온도는 약 162℃일 수 있다. 이러한 온도는 온도 디스플레이(620) 상에 표시될 수 있다. 재차, 밸브(630)를 거쳐, SHT 냉각기(605)를 통과하지 않은 회로(600) 내에서 재순환되는 냉각 매체의 부분이 조정될 수 있다. 제1 배기 가스 냉각기(170)에 매우 높은 온도의 물을 공급하는 장점은 적어도 제1 배기 가스 냉각기(170)의 표면이 제1 배기 가스 냉각기(170)에 의해 냉각될 배기 가스의 특정한 성분 예컨대 황산 등의 이슬점보다 낮은 온도를 갖지 않는 것이 보증될 수 있다는 것일 수 있다. 이와 같이, 제1 배기 가스 냉각기(170) 내에서의 부식의 단점이 감소되거나 심지어 방지될 수 있다. 추가로, 배기 가스 압축기(160) 내에서의 그리고 저온 냉각기(180)의 진입부에서의 부식을 감소시키거나 심지어 피하는 것이 가능할 수 있다.
다양한 냉각 회로(400, 500, 600)를 서로 분리하는 것이 또한 가능할 수 있다. 3개의 별개의 냉각 회로 즉 LT 냉각 회로(400), HT 냉각 회로(500) 및 SHT 냉각 회로(600)를 포함하는 냉각 시스템의 이러한 대체의 예시 실시예가 점선으로 도 2에 도시되어 있다. 이러한 경우에, 각각의 냉각 회로(400, 500, 600)는 그 자체의 해수 펌프(405') 그리고 그 자체의 복귀 라인을 가질 수 있다. 그러므로, 냉각 시스템(400, 500, 600)의 이러한 예시 실시예에서, LT 냉각기(410)와 HT 냉각기(505) 사이에는 또는 HT 냉각기(505)와 SHT 냉각기(605) 사이에 유체 연결부가 없다.
산업상 이용 가능성
다음에, 배기 가스 재순환 시스템(5)의 위의 예시 실시예의 기본 동작이 도 1 및 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 내연 기관(10)의 통상의 동작 중에, 배기 가스의 연속 유동이 배기 가스 출구(20)에서 내연 기관(10)을 떠난다. 부분 배기 가스 유동이 라인(85)을 거쳐 수퍼차저 시스템(90)의 제2 터빈(95) 내로 진입된다. 밸브(75)를 거쳐, 제2 터빈(95)을 우회하는 라인(85) 내에서 유동되는 배기 가스의 부분이 조정될 수 있다. 제2 터빈(95) 내로 진입되는 배기 가스는 제2 터빈(95)의 회전을 유발할 수 있고, 결국, 제2 압축기(100)가 구동될 수 있다. 제2 터빈(95)에 의해 배출되는 배기 가스는 제1 수퍼차저 시스템(30)의 제1 터빈(35) 내로 진입될 수 있다. 재차, 제1 터빈(35)은 배기 가스 진입으로 인해 회전되게 될 수 있다. 제1 터빈(35)을 떠한 후에, 배기 가스 유동(210)은 대기로 또는 다른 곳으로 안내될 수 있다.
제1 터빈(35)의 회전은 샤프트(45)를 거쳐 압축기(40)의 회전을 유발할 수 있다. 제1 압축기(40)의 회전으로 인해, 흡입 공기(200)가 압축될 수 있고, 제1 흡입 공기 냉각기(50)를 통해 제2 흡입 공기 압축기(100)로 안내될 수 있다. 따라서, 흡입 공기(200)는 압축, 냉각 및 재차 압축될 수 있다. 도 1에 도시된 예시 실시예와 상이하게, 단지 1개의 수퍼차저 시스템 또는 2개보다 많은 수퍼차저 시스템이 있을 수 있다. 적어도 1회 압축된 흡입 공기는 제2 흡입 공기 냉각기(115)로 흡입 공기 라인(110) 내에서 유동될 수 있다. 여기에서, 압축된 흡입 공기는 재차 냉각될 수 있고, 그 다음에 흡입 공기 라인(120)을 거쳐 매니폴드(15) 내로 유동될 수 있고, 매니폴드에서 압축 및 냉각된 흡입 공기는 재순환된 배기 가스 유동(190)과 혼합될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 재순환될 배기 가스 유동(190)이 제1 배기 가스 냉각기(170) 내로 진입될 수 있고, 그 다음에 배기 가스 압축기(160)에 의해 압축될 수 있다. 압축기(160)를 떠나는 배기 가스 유동(190)은 압축 단계로 인해 요구된 것보다 높은 온도를 가질 수 있고, 그에 따라, 냉각 및 압축된 배기 가스 유동(190)이 매니폴드(15) 내로 진입되기 전에 제2 배기 가스 냉각기(180) 내에서 냉각될 수 있다. 배기 가스의 특정한 부분이 라인(130)을 통해 안내될 수 있고 배기 가스의 잔여 부분이 라인(140, 175)을 통해 재순환될 수 있으면, 밸브(135, 185)의 양쪽 모두는 양쪽 모두의 밸브(135, 185)가 유동 경로를 차단 해제하게 하는 제어 유닛(181)으로부터의 제어 신호를 수용한다. 동시에, 밸브(136)는 배기 가스의 특정한 부분이 터빈(155)을 통해 유동될 수 있고 배기 가스의 잔여 부분이 재순환될 수 있도록 배기 가스의 통과가 단지 부분적으로 차단되게 하는 적절한 제어 신호를 수용할 수 있다.
본 발명의 예시 실시예에서, 제1 배기 가스 냉각기(170)는 배기 가스 압축기(160)의 하류에서 최대한 멀리 떨어져 배열될 수 있다. 배기 가스 냉각기(170)를 떠나는 배기 가스가 배기 가스 유동의 성분 예컨대 황 또는 황화 산(sulphured acid)의 이슬점보다 낮은 온도를 갖도록 제1 배기 가스 냉각기(170)가 제어되는 경우에, 배기 가스 압축기(160)까지의 또는 심지어 제2 배기 가스 압축기(180)까지의 파이핑 시스템 내에서의 부식 또는 다른 악영향이 감소 또는 방지될 수 있다. 제2 배기 가스 냉각기(180)는 배기 가스 냉각기(180)를 떠나는 배기 가스의 온도가 비교적 낮도록 예컨대 위에서 언급된 배기 가스의 성분의 이슬점보다 낮도록 제어 유닛(181)에 의해 제어될 수 있다.
배기 가스의 냉각의 장점은 냉각 및 압축된 배기 가스(190) 그리고 내연 기관(10)의 공기 입구(15)에서의 냉각 및 압축된 흡입 공기(120)의 혼합물의 연소의 효율이 개선될 수 있다는 것일 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 여기에서 설명되었지만, 개선 및 변형이 다음의 특허청구범위의 범주로부터 벗어나지 않고도 실시될 수 있다.
5: 배기 가스 재순환 시스템
10: 내연 기관
15: 공기 입구
20: 배기 가스 출구
25: 연소 챔버
30: 제1 수퍼차저 시스템
90: 제2 수퍼차저 시스템
130: 배기 가스 라인

Claims (12)

  1. 공기 입구(15) 및 배기 가스 출구(20)를 갖는 대형 내연 기관(10)에서 사용되도록 구성되는 배기 가스 재순환 시스템(5)이며,
    대형 내연 기관(10)의 공기 입구(15)로 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 재순환시키도록 구성되는 배기 가스 재순환 라인(140, 175, 190)과;
    배기 가스 재순환 라인(140, 175, 190)에 유체 연결되고 적어도 제2 부분 배기 가스 유동(220)을 배출하도록 구성되는 배기 가스 배출 라인(130)과;
    제2 부분 배기 가스 유동(220)에 의해 구동되도록 구성되는 배기 가스 터빈(155)과;
    배기 가스 터빈(155)에 의해 구동되도록 그리고 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 압축하도록 구성되는 배기 가스 압축기(160)와;
    배기 가스 압축기(160)의 상류에 배열되고 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키도록 구성되는 제1 배기 가스 냉각기(170)와;
    배기 가스 압축기(160)의 하류에 배열되고 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 압축된 배기 가스를 냉각시키도록 구성되는 제2 배기 가스 냉각기(180)를 포함하는
    배기 가스 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 배기 가스 냉각기(170)는 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 높은 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키도록 구성되고; 및/또는
    제2 배기 가스 냉각기(180)는 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 낮은 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 압축된 배기 가스를 냉각시키도록 구성되는
    배기 가스 재순환 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제3 부분 배기 가스 유동(210)에 의해 구동되도록 구성되는 제1 터빈(35) 그리고 제1 터빈(35)에 의해 구동되도록 구성되는 제1 압축기(40)를 포함하는 제1 수퍼차저 시스템(30)과;
    제4 부분 배기 가스 유동(85)에 의해 구동되도록 구성되는 제2 터빈(95) 그리고 제2 터빈(95)에 의해 구동되도록 구성되는 제2 압축기(100)를 포함하는 제2 수퍼차저 시스템(90)과;
    제1 압축기(40)와 제2 압축기(100) 사이에 연결되는 제1 과급 공기 냉각기(50)와;
    제2 압축기(100)와 대형 내연 기관(10)의 공기 입구(15) 사이에 연결되는 제2 과급 공기 냉각기(115)를 추가로 포함하는
    배기 가스 재순환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    압축 및 냉각된 흡입 공기 그리고 압축 및 냉각된 배기 가스를 수용하도록 구성되는 흡입 매니폴드(15)로서, 흡입 매니폴드(15)는 제2 배기 가스 냉각기(180)에 그리고 제2 과급 공기 냉각기(115)에 연결되는, 흡입 매니폴드(15)를 추가로 포함하는
    배기 가스 재순환 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 배기 가스 냉각기(170)를 떠나는 배기 가스가 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 높은 온도를 갖도록 제1 배기 가스 냉각기(170)의 냉각 매체의 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛(181)을 추가로 포함하는
    배기 가스 재순환 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 배기 가스 냉각기(180)를 떠나는 압축된 배기 가스가 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 낮은 온도를 갖도록 제2 배기 가스 냉각기(180)의 냉각 매체의 온도를 제어하도록 구성되는 제어 유닛(181)을 추가로 포함하는
    배기 가스 재순환 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 배기 가스 냉각기(170)는 배기 가스 압축기(160)보다 배기 가스 출구(20)에 더 근접하게 위치되고; 및/또는
    제2 배기 가스 냉각기(180)는 배기 가스 압축기(160)보다 흡입 공기 입구(15)에 더 근접하게 위치되는
    배기 가스 재순환 시스템.
  8. 대형 내연 기관(10)이며,
    공기 입구(15), 배기 가스 출구(20) 그리고 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 배기 가스 재순환 시스템(5)을 포함하는
    대형 내연 기관.
  9. 공기 입구(15) 및 배기 가스 출구(20)를 갖는 대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법이며,
    대형 내연 기관(10)의 배기 가스 출구(20)로부터 기인하는 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 방향 전환시키는 단계와;
    제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키는 단계와;
    냉각된 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 압축하는 단계와;
    제1 부분 배기 가스 유동(190)의 압축된 배기 가스를 냉각시키는 단계와;
    대형 내연 기관(10)의 공기 입구(15)로 냉각 및 압축된 제1 부분 배기 가스 유동(190)을 공급하는 단계를 포함하는
    대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    압축 단계를 수행하기 전에 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키는 방법 단계는 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 높은 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스의 냉각시키는 단계를 포함하고; 및/또는
    압축 단계를 수행한 후에 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스를 냉각시키는 방법 단계는 배기 가스의 미리결정된 성분의 이슬점보다 낮은 온도까지 제1 부분 배기 가스 유동(190)의 배기 가스의 냉각시키는 단계를 포함하는,
    대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    이슬점은 황산, 황화 산, HFO의 고체/무기 오염물, 아스팔텐 그리고 탄소 잔류물로 구성된 그룹 중 적어도 1개의 요소의 이슬점인
    대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    냉각 및 압축되는 재순환된 제1 부분 배기 가스 유동(190)과, 내연 기관(10)의 공기 입구(15)에서 압축 및 냉각되는 신선한 공기를 혼합하는 단계를 추가로 포함하는
    대형 내연 기관(10)의 배기 가스 유동을 재순환시키는 방법.
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