KR20130126507A - 내연 기관 - Google Patents

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KR20130126507A
KR20130126507A KR1020130052436A KR20130052436A KR20130126507A KR 20130126507 A KR20130126507 A KR 20130126507A KR 1020130052436 A KR1020130052436 A KR 1020130052436A KR 20130052436 A KR20130052436 A KR 20130052436A KR 20130126507 A KR20130126507 A KR 20130126507A
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키엠트룹 닐스
칼토프트 요한
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맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
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Abstract

본 발명은 내연 기관으로서, 적어도 하나의 연소 챔버 즉, 실린더 및 크랭크 샤프트와 연동하는 피스톤에 의해 범위 제한되고 배기가스 배출을 위한 적어도 하나의 배출구와 소기공기 공급을 위한 적어도 하나의 유입구를 갖는 연소 챔버와, 제 1 터보차저 스테이지(1) 즉, 제 1 배기가스 흐름을 통한 구동 및 제 1 소기공기 흐름의 압축을 위해 형성되고, 적어도 하나의 제 1 컴프레서(9)를 구동하는 적어도 하나의 제 1 터빈(8)을 포함하는 제 1 터보차저 스테이지(1)와, 배기가스 재순환 장치(3, 15) 즉, 제 2 터보차저 스테이지(2)의 배출구부터 유입구까지 제 2 배기가스 흐름의 재순환을 위한 배기가스 재순환 장치로서, 상기 제 2 배기가스 흐름의 구동과 제 2 소기공기 흐름의 압축을 위해 형성되고, 적어도 하나의 제 2 컴프레서(19)를 구동하는 적어도 하나의 제 2 터빈(18)을 포함하는 배기가스 재순환 장치(3, 15)와, 그리고 개폐 장치, 즉 상기 제 2 배기가스 흐름을 선택적으로 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)에 공급하거나 또는 재순환시킬 수 있는(3, 15) 개폐 장치(11, 12, 13)를 포함하는 그러한 내연 기관에 관한 것이다. 이때 상기 배기가스 재순환 장치(3, 15)는 배출 측으로부터 유입 측으로 이어지는 배기가스 재순환 라인(3)을 구비하며, 이 배기가스 재순환 라인(3)에는 배기가스 냉각기(6)가 배치된다.
본 발명은 컴프레스 측으로 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)를 통과하여 이어지는 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)을 특징으로 하며, 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 중간 라인 구간(L2B2)에서 상기 배기가스 재순환 라인(3) 내에 배치되는 배기가스 냉각기(6)를 통과하여 이어진다.

Description

내연 기관{Internal Combustion Engine}
본 발명은 내연 기관, 특히 디젤 엔진, 바람직하게는 2행정 대형 디젤 엔진으로서, 특허 청구범위의 청구항 1의 전제부에 따른 터보차저(turbo charger)와 배기가스 재순환 장치를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
특히 대형 디젤 엔진의 경우 엔진에서 나오는 배기가스로부터 에너지를 회수하고, 엔진에 공급되어야 할 소기공기 또는 엔진에 공급되어야 할 소기가스를 압축하기 위해 그리고 그렇게 하여 연소를 개선하기 위해 터보차저 단계가 통상적으로 이용된다. 특히 다기통 엔진의 경우 다수의 터보차저가 사용된다. 이때 압축되는 소기공기는 더욱 많은 소기공기를 공급할 수 있기 위해 자주 냉각된다. 이에 관해서는 독일 특허 명세서 DE　29　23　852　A1을 참조한다.
배출되는 연소가스 또는 배기가스로부터 에너지를 회수하기 위해 적용되는 터보 차징과 같은 조치 외에 오늘날은 가능한 청정 연소에 초점이 맞추어져 있다. 이를 위해 자주 배기가스의 일부가 엔진의 유입구 측으로 재순환되고, 이런 방식으로 엔진의 질소 산화물 배출을 저감시킨다. 배기가스 또는 연소가스 재순환 장치를 지닌 2행정 대형 디젤 엔진의 예시는 당해 출원인의 특허 명세서 DE 103　31　187　B4로부터 개시된다. 상기 인용 명세서에서 배기가스 재순환 라인에는 컴프레서가 제공되되, 복귀되어야 할 배기가스 일부를 유입구 측 소기공기 리시버 내에 지배적인 바람직한 소기공기 압력으로 압축하기 위해 제공된다. 또한 배기가스 재순환 라인에는 열교환기가 제공되되, 이 열 교환기에서는 복귀되어야 할 배기가스 흐름이 소기공기에 의해 냉각된다. 엔진 유입구 측으로 재펌핑되어야 할 배기가스 흐름을 계속하여 냉각하기 위해 상기 인용 명세서에는 물 분사 유닛도 제공된다.
DE　10　2010　003　864　A1는 배기가스 재순환 장치를 가진 또 다른 터보 차징 방식의 엔진을 개시하며, 상기 명세서에서는 배기가스 냉각기와 배기가스의 부식성 구성 요소를 중화하기 위한 중화기가 배기가스 재순환 라인에 제공된다. DE　10　2008　035　747　A1도 역시 배기가스 재순환 장치를 가진 터보 차징 방식의 소형 디젤 엔진을 개시하되, 상기 명세서에서는 배기가스 재순환 라인에 배기가스 냉각기가 배치되거나 또는 배기가스 재순환 라인이 배기가스 냉각기를 통과하여 이어진다. 이때 배기가스 재순환 라인은 재순환되는 배기가스의 온도가 이슬점 이하로 떨어져서 응축되는 물로 인해 초래되는 배기가스 재순환 라인 내 파울링(fouling)을 방지하기 위해 재순환되는 배기가스가 배기가스 냉각기를 우회하도록 배기가스 냉각기에 평행한 우회 분기 라인을 갖는다.
재순환되는 배기가스의 정화를 위해 특허 명세서 DE　10　2009　010　808　B3 및 DE　10　2007　040　934　A1에 따라 배기가스 재순환 라인이 가스 정화 장치를 통과하여 이어지는 것이 이미 제안되었다.
배기가스 재순환 장치에 의해 질소 산화물 배출이 저감되는 반면 그로 인해 대체로 타측으로는 엔진 효율이 전체적으로 현저하게 떨어지게 된다. 이는 한편으로는 복귀되는 배기가스량이 더 이상 터보차저의 구동에, 그리고 그와 더불어 소기공기의 압축에 제공되지 않기 때문이고, 다른 한편으로는 복귀되는 배기가스량이 컴프레서, 예컨대 흡입 송풍기를 통해 엔진 유입구 측, 예컨대 소기공기 리시버로 펌핑되어야 하는데, 그로 인해 배기가스 재순환 컴프레서 구동에 대한 추가의 손실이 발생하기 때문이다.
따라서 유럽 특허 명세서 EP　2　196　660　A1는 배기가스 재순환 장치를 가진 터보 차징 방식의 대형 엔진을 개시하며, 상기 명세서에서는 배기가스가 선택적으로 배기가스 재순환 라인 또는 제 1 터보차저에 대해 평행하게 그리고 배기가스 재순환 라인에 대해 평행하게 배치되는 제 2 터보차저로 공급될 수 있다. 따라서 엔진은 일측으로는 질소 산화물 배출이 저감되고 타측으로는 효율이 높아지는 2가지 구동 모드로 구동될 수 있다.
이러한 방식의 대형 엔진의 경우 공지된 배기가스 재순환 장치 또는 유입구 측으로 복귀하는 배기가스 재순환 라인 외에 그리고 그러한 내연 기관에 존재하는 터보차저 단계 -이하에서 제 1 터보차저 스테이지로 칭함-외에 이에 병렬 연결되는 제 2 또는 보조 터보차저 단계가 제공되고, 또한 개폐 장치 또는 배기가스 재순환 라인이 제공되되, 개폐 장치를 통해서는 선택적으로 이러한 제 2 터보차저 스테이지에 연소 챔버로부터 배출되는 배기가스 가운데 배기가스 부분 흐름 -이하에서 제 2 배기가스 흐름으로 칭함-이 공급된다.
이런 방식으로 예컨대 2행정 대형 디젤 엔진 형태의 일반적인 형식의 내연 기관으로 구동되는 선박 또는 내연 기관 자체가 한편으로는 예컨대 해안 근처 구역에서 (또는 자동차 내연 기관의 경우 도심에서) 배기가스 재순환 장치가 연결됨으로 인해 질소 산화물이 저감되는 "친환경" 모드로 구동될 수 있다. 다른 한편으로는 예컨대 선박은 공해 상에서, 자동차는 도시 간 주행 시에 고효율 모드로 운행될 수 있다. 고효율 모드에서는 비록 배기가스 재순환 및 그와 더불어 질소 산화물 배출 저감이 실행되지 않더라도, 제 2 터보차저 스테이지가 연결됨으로 인해 상대적으로 더욱 큰 총 소기공기 흐름 또는 더욱 압축된 총 소기공기 흐름이 형성되고, 이러한 소기공기 흐름이 유입구 측으로 엔진에 공급되어 엔진 효율이 개선된다.
이러한 배경에서 출발하여 본 발명은 고효율 모드 및 질소 산화물 배출이 적은 모드로 구동 가능한 일반적인 형식의 내연 기관과 관련하여 부품을 절감하고 및 비용면에서 경제적인 방식으로 2가지 작동 모드에서 바람직한 작동 조건을 개시하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 특허 청구항 1의 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 따라 배기가스 재순환 라인에는 냉각기가 배치되고, 이 냉각기는 동시에 제 2 터보차저 흐름에 대한 냉각기로도 이용될 수 있다. 이 외에 컴프레서 측으로 제 2 배기 공기 흐름에 대해 제 2 터보차저 스테이지를 통과하여 이어지는 라인(또는 라인 장치) -이하에서 제 2 소기공기 라인으로 칭함-도 바람직하게는 배기가스 재순환 라인에 배치되는 배기가스 냉각기를 통과하여 이어진다. 이때 제 1 터보차저 스테이지에 대해 제 2 터보차저 스테이지가 병렬 연결되는 것이 바람직하다.
제 2 소기공기 라인은 냉각기를 통과하여 이어지는 라인 구간에서 배기가스 재순환 라인 가운데 냉각기를 통과하여 이어지는 라인 구간을 이용하여 공동의 라인 구간으로 합쳐질 수 있다.
또한 바람직하게는 배기가스 재순환 라인에 배기가스 또는 연소가스 정화기 또는 배기가스 정화 장치가 제공된다. 이는 복귀 전에 가능한 걸러져야 할 검댕 및 다른 입자가 배기가스에 존재하기 때문이다. 이를 위해서 당해 출원인의 특허 명세서 DE 10　2009　010　808　B3 및 당해 출원인의 특허 명세서 DE 10　2007　040　934 A1에 개시되는 장치와 같은 배기가스 또는 연소가스 정화기가 적합하다. 이러한 정화기에서 배기가스는 세정액 탱크를 통과하여 유도되고 각각 세정액이 주입되는 다수의 부분 흐름으로 사전에 분할된다. 배기가스 정화기와 관련하여 상기 명세서들이 본발명에 완전하게 고려된다.
콤팩트한 구조 및 최적의 흐름 조건을 위해 공동의 라인 구간은 바람직하게는 연도가스 또는 배기가스 정화기 및 연소가스 또는 배기가스 정화기 후방에 배치되는 데미스터(demister)를 통과하여 이어진다. 이때 보조 터보차저로 연결되기 전에 연도가스 정화기를 비워 연도가스 정화기로부터 물 또는 세정액을 배출하기 위한 유닛이 제공되면 바람직하다. 바람직하게 이러한 유닛은 개폐 유닛을 통해 제어될 수 있다. 다른 한편으로 제 2 소기공기 흐름을 계속 냉각하기 위해 연도가스 정화기에서 제 2 터보차저 모드로 세정액 주입이 실행될 수 있다. 데미스터에서는 발생되는 에어로졸 내에 존재하는 물방울 또는 응축에 의해 발생되는 물방울이 분리된다.
바람직하게는 제 2 터보차저 스테이지는 배기가스 재순환을 위해 일반적으로 존재하는 총 배기가스 흐름 비율에 맞추어 조정된다. 총 배기가스 흐름은 순환하는 배기가스 부분 흐름 또는 제 2 터보차저 스테이지의 구동을 위해 이용되는 배기가스 부분 흐름과, 제 1 터보차저 스테이지의 구동을 위해 이용되고 그런 다음 주변으로 배출 가능한 배기가스 부분 흐름과, 그리고 제 1 배기가스 흐름 즉, 엔진 효율은 높이고 동시에 질소 산화물 배출은 감소시키기 위해 제 2 배기가스 흐름보다 더욱 커야하는 제 1 배기가스 흐름으로 구성된다. 이에 상응하여 앞서 언급된 고효율 모드에서는 (배기가스 재순환 장치는 꺼져 있고 제 2 터보차저 스테이지는 연결되어 있을 때, 즉 제 2 터보차저 모드일 때) 바람직하게는 제 1 소기공기 흐름, 즉 제 1 터보차저 스테이지를 통해 압축되는 소기공기 부분 흐름이 제 2 소기공기 흐름, 즉 제 2 터보차저 스테이지를 통해 압축되는 소기공기 부분 흐름보다 크다.
따라서 제 2 터보차저 스테이지의 터빈측은 바람직하게는 제 1 터보차저 스테이지의 터빈측보다 더 작거나 또는 더 작은 유량에 대해 설계 또는 치수화된다. 바람직하게는 제 2 터보차저 스테이지의 컴프레서 또는 압축기 측의 치수도 제 1 터보차저 스테이지의 컴프레서 측 치수에 비해 더 작거나 또는 더 작은 유량에 대해 설계 또는 치수화된다. 또한 배기가스 재순환 장치도 제 1 터보차저 스테이지의 터빈 측보다 바람직하게는 더 작거나 또는 더욱 적은 유량에 대해 설계 또는 치수화된다. 바람직하게는 배기가스 재순환 장치는 제 2 터보차저 스테이지의 터빈측과 동일한 유량에 대해 설계 또는 치수화된다.
특히 2행정 대형 디젤 엔진의 경우 제 2 터보차저 스테이지의 터빈측 치수 결정의 기준이 되는 (제 2 배기가스 흐름의) 유량이 제 1 터보차저 스테이지의 터빈측 치수 결정의 기준이 되는 (제 1 배기가스 흐름의) 유량에 비해 대략 1/3 내지 2/3일 때 특히 적합한 것으로 입증되었다. 따라서 배기가스 재순환 장치의 치수도 제 1 터보차저 스테이지의 터빈측 치수의 1/3내지 2/3일 때 특히 적합하다.
제 1 터보차저 스테이지는 이하에서 제 1 터보차저라 지칭되는 하나 또는 다수의 터보차저를 가질 수 있다. 제 2 터보차저 스테이지도 이하에서 제 2 터보차저라 지칭되는 하나 또는 다수의 터보차저를 가질 수 있다. 그러나 자주 제 1 터보차저 스테이지는 이하에서 제 1 터빈이라 지칭되는 유일한 터빈과 그 터빈에 의해 구동되며 이하에서 제 1 컴프레서라 지칭되는 유일한 컴프레서를 포함하는 유일한 제 1 터보차저를 지니며, 제 2 터보차저 스테이지는 이하에서 제 2 터빈이라 지칭되는 유일한 터빈과 그 터빈에 의해 구동되며 이하에서 제 2 컴프레서라 지칭되는 유일한 컴프레서를 포함하는 유일한 제 2 터보차저를 지닌다. 처음에 설명된 엔진의 경우 제 1 터보차저 스테이지가 다수의 제 1 터보차저를 가질 뿐만 아니라 제 2 터보차저 스테이지도 다수의 제 2 터보차저를 가질 수 있다.
이 맥락에서 언급해야 할 점은 제 2 터보차저 스테이지가 제 1 터보차저 스테이지에 병렬 연결될 때, 즉 제 2 터보차저 스테이지에 의해 압축되는 보조 소기가스 또는 제 2 소기공기 흐름은, 제 1 터보차저 스테이지에 의해 압축되는 메인 소기가스 또는 제 1 소기공기 흐름과는 다른 가스 흐름일 때 바람직하다는 점이다. 그러나 제 2 터보차저 스테이지가 제 1 터보차저 스테이지에 직렬로 연결되면, 그럼으로써 제 2 터보차저 스테이지로 제 1 소기공기 흐름이 전체적으로 또는 그 가운데 일부 흐름이 압축되되 제 1 터보차저 스테이지만을 통해 압축되는 것보다 더욱 고도로 압축될 수 있다.
또한 개폐 장치가 단지 연소가스 또는 배기가스 재순환의 선택적 개폐 또는 제 2 소기공기 흐름 압축의 선택적 개폐를 위해 형성될 뿐만 아니라, 배기가스 재순환과 제 2 소기공기 흐름을 완전히 차단시킬 때 바람직하다. 이런 방식으로 선택적으로 배기가스 재순환 또는 제 2 터보차저 스테이지가 연결되기 전에 먼저 제 1 터보차저 스테이지만 켜지면서 엔진이 시동될 때에 더욱 신속하게 안정적인 작동 상태에 도달할 수 있다. 엔진의 속도가 증가할 시에 제 1 터보차저 스테이지가 연결되기 전에 첫째로 (상대적으로 소형의) 제 2 터보차저 스테이지가 먼저 켜질 수 있다.
또한 개폐 장치가 제 2 터보차저 스테이지와 배기가스 재순환의 연결과 바람직하게는 제 2 터보차저 스테이지와 배기가스 재순환이 완전히 차단된 상태 사이의 중간 위치들도 허용하고, 그럼으로써 부분적인 질소 산화물 배출 감소와 부분적으로 추가의 차징이 이루어지는 작동 모드들도 구동될 수 있을 때 바람직하다.
바람직한 실시예들은 나머지 종속항들의 대상이며 첨부된 도면들을 이용하여 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연 기관에 의하면, 고효율 모드 및 질소 산화물 배출이 적은 모드로 구동 가능한 내연 기관과 관련하여 부품을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 비용면에서 경제적인 탁월한 효과가 있다,
도 1은 배기가스 재순환 장치는 연결되고 제 2 터보차저 스테이지는 차단된 상태에 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1과 일치하되 제 2 터보 차저 단계는 연결되고 배기가스 재순환 장치는 차단된 상태에 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 개략도이다.
본원의 도면들에서 도면 부호 5로 표시되는 배기 리시버가 식별되고, 이 배기 리시버는 자신의 유입구 측에서 본원의 도들에 미도시되는 내연 기관의 연소 챔버(들)과 연결된다. 또한 도면 부호 4로 표시되는 소기공기 리시버가 식별되고, 이 소기공기 리시버는 자신의 배기구 측에서 엔진 연소 챔버(들)의 유입구(들)과 연결된다.
배기 리시버(5)부터 제 1 연소가스 라인 또는 제 1 배기가스 라인(B1)이 제 1 터빈(8)을 통과하여 이어지고, 제 1 터빈은 제 1 컴프레서(9)를 구동하며, 제 1 컴프레서(9)는 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)을 통해 소기공기 리시버(4)로 공급되어야 할 제 1 소기공기 흐름을 압축한다. 제 1 터빈(8)과 제 1 컴프레서(9)는 도시되는 실시예에서 순전히 예시적으로 하나의 제 1 터보차저를 함께 형성하며, 따라서 이 터보차저는 개별적으로 도면 부호 1로 표시되는 제 1 터보차저 스테이지를 형성한다.
제 1 터보차저 스테이지(1)에 대해 병렬 배치되는 방식으로, 도시된 실시예에서 순전히 예시적으로 제 1 터보차저에 비해 더욱 소형의 유일한 터보차저가 위치하고, 이 터보차저는 개별적으로 제 2 터보차저 스테이지(2)를 형성한다. 따라서 제 2 터보차저 스테이지는 도시된 실시예에서 순전히 예시적으로 제 1 터보차저 스테이지(1)에 비해 소형이다. 제 2 터보차저 스테이지(2)는 이하에서 제 2 배기가스 라인으로 지칭되는 라인(B2a)을 통해 배기 리시버(5)와 연결된다.
제 2 터보차저 스테이지(2)는 제 2 터빈(18)을 가지며, 이 제 2 터빈은 제 2 터보차저 스테이지(2)는 연결되어 있고 배기가스 재순환 장치(도 2)는 차단되어 있을 시에 제 2 연소가스 흐름 또는 제 2 배기가스 흐름에 의해 구동되고, 이러한 가스 흐름은 배기 리시버(5)와 연결되는 제 2 연소가스 라인 또는 제 2 배기가스 라인(B2a)에 의해 제 2 터빈(18)을 통과하여 유도된다. 제 2 터빈(18)은 제 2 배기가스 라인(B2a)이 켜져 있을 때(제 2 터보차저 스테이지(2)가 연결되어 있고 배기가스 재순환 장치가 차단되어 있을 때) 재차 제 2 컴프레서(19)를 구동하고, 제 2 컴프레서에 의해 역시 소기공기 리시버(4)로 공급되어야 할 제 2 소기공기 흐름이 압축된다. 제 2 배기가스 라인(B2a)을 통과하는 제 2 배기가스 흐름 경로는 도 2에 가는 파선으로 표시된다. 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)을 통과하여 소기공기 리시버(4)로 흐르는 제 2 소기공기 흐름 경로도 역시 도 2에 가는 파선으로 표시된다. 이때 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 유입 구간(L21)을 갖고, 이 유입 구간에 제 2 컴프레서(19)가 배치된다.
그에 비해 도 1에는 배기가스 재순환 장치는 연결되어 있고 제 2 터보차저 스테이지는 차단되어 있는 내연 기관이 도시된다. 모두 도면 부호 3으로 표시되는 배기가스 재순환 라인을 통과하는 제 2 배기가스 흐름 경로는 굵은 파선으로 표시된다. 배기가스 재순환 라인(3)은 배기 리시버(5)에 연결되는 유입 구간(B2b)을 지닌다.
유입 구간(L21 또는 B2b) 후방에 배치되는 영역에서 배기가스 재순환 라인(3)(도 1에 굵은 파선)과 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)(도 2에 가는 파선)은 하나의 공동 라인 구간(L2B2)으로 합쳐진다. 공동 라인 구간(L2B2) 단부에서 배기가스 재순환 라인(3)과 제 2 소기공기 라인(L21, L2B, L2)은 다시 분기한다. 배기가스 재순환 라인(3)은 공동 라인 구간(L2B2)을 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 합류 구간(L1B2)과 연결하는 중간 구간(B22)로 이어진다. 합류 구간(L1B2)은 다시 배기가스 재순환 라인(3)과 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)으로 나뉜다. 마지막으로 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)과 배기가스 재순환 라인(3)의 공동 라인 구간(L2B2)은 합류 구간(L2)을 통해 소기공기 리시버(4)와 연결된다. 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)(도 2에 굵은 파선)의 이 합류 구간(L2)은 공동 라인 구간(L2B2) 단부에서 배기가스 재순환 라인(3)(도 1에 굵은 파선)으로부터 분기한다.
배기가스 재순환 라인(3)의 유입 구간(B2b)에는 배기가스 재순환 차단 밸브(11)가 배치되고, 이 밸브를 통해 배기가스 재순환 라인(3)이 해제 또는 차단될 수 있다. 제 2 배기가스 라인(B2a)에는 적합한 보조 소기공기 차단 밸브(12)가 배치되고, 이 밸브를 이용하여 배기 리시버(4)가 제 2 터보차저 스테이지(2)와 연결되는 것을 해제 및 차단할 수 있다. 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)의 유입 구간(L21)에는 재순환 가스 역류 방지 밸브(13)가 배치되고, 이 밸브를 이용하여 제 2 터보차저 스테이지(2)의 제 2 컴프레서(19)가 배기가스 재순환 라인(3)과 연결되는 것을 해제 및 차단할 수 있다.
밸브들(11, 12, 13)은 합쳐서 배기가스 재순환 장치(도 1) 또는 제 2 터보차저 스테이지(2)(도 2)를 선택적으로 연결하기 위한 개폐 유닛(11, 12, 13)을 형성한다. 연소가스 또는 배기가스가 재순환되어야 하는 경우 보조 소기공기 차단 밸브(12)는 닫히고 배기가스 재순환 차단 밸브(11)는 개방된다. 또한 재순환 가스 역류 방지 밸브(13)도 닫히고, 그렇게 됨으로써 배기가스 재순환 라인(3)에서 흐르는 배기가스가 제 2 컴프레서(19)의 유입구 측으로 흐르지 못한다. 그에 비해 제 2 터보차저 스테이지(2)가 연결되어야 하는 경우, 배기가스 재순환 차단 밸브(11)는 닫히고 보조 소기공기 차단 밸브(12)는 개방된다.
공동 라인 구간(L2B2)에는 물 냉각기(6)와 물 냉각기(6) 후방에 배치되는 연도가스 정화기(7)가 배치될 수 있다. 재차 연도가스 정화기(7) 후방에는 데미스터(17)가 배기가스 재순환 라인(3)과 제 2 소기공기 라인(L21, L2B, L2)의 공동 라인 구간(L2B2)에 위치할 수 있다.
이러한 배치로 인한 장점은 재순환되는 배기가스 흐름의 냉각 및 정화에 필요한 냉각기(6)가 제 2 터보차저 스테이지(2)에 공급되는 보조 소기공기에 대한 냉각기로도 사용될 수 있다는 점이다. 터보차저 단계에서 압축을 통해 보조 소기공기가 자주 예컨대 200℃의 상대적으로 높은 공기로 가열된다. 그러나 소기공기 흐름이 차가울 수록, 더욱 높은 밀도로 인해 압력이 동일할 시에 더욱 많은 소기공기가 엔진의 연소 챔버로 유입될 수 있다.
이와 동일한 이유로 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)에도 흐름 방향으로 제 1 컴프레서(9)의 후방 영역에 2개의 물 냉각기(27, 28)로 구성되는 냉각기 세트(27, 28)가 제공되되, 역시 압축에 의해 가열되는 제 1 소기공기 흐름을 예컨대 수용 가능한 35℃로 냉각하기 위함이다.
배기가스 재순환 차단 밸브(11) 후방에 그리고 냉각기(6) 전방에는 1차 물분사 유닛 또는 1차 물주입 유닛(10)이 배기가스 재순환 라인(3)의 유입 영역(B2b)에 배치될 수 있고, 이 유닛을 이용하여 재순환 장치가 연결되어 있는 경우에 재순환되는 배기가스 흐름에 물이 주입되고, 이런 방식으로 주입된 물방울에 검댕 입자가 미리 침착되게 하고 그렇게 함으로써 배기가스 흐름으로부터 걸러낼 수 있다.
배기가스 재순환 라인(3)의 중간 구간(B22)이 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)으로 개방되는 합류부는 2개의 물 냉각기(27, 28)의 하류에서 공동 합류 구간(L1B2)의 입구에 위치한다. 그러나 배기가스 재순환 라인과 제 2 소기공기 라인이 자체의 냉각기로 이어지는 대신, 이들이 냉각기 세트 전방에서 제 1 소기공기 라인으로 합류되게 하는 것도 생각할 수 있다. 그러나 이 경우에는 배기가스 정화가 (있는 경우에) 배기가스 재순환 라인에서 미리 이루어져야 한다.
배기가스 재순환 라인(3)의 중간 구간(B22)에는 재순환 가스 흐름을 제 1 소기공기 흐름의 압력 레벨로 높이기 위해 흡인 송풍기(15)가 위치한다. 또한 흡인 송풍기(15)의 하류에는 배기가스 재순환 라인(3)의 개방 정도를 조절할 수 있는 제어 밸브(14)가 제공된다.
메인 소기공기 라인(L1, L1B2)으로 중간 구간(B22)이 개방되는 합류부 하류에 또 다른 데미스터(16)가 위치하되, 메인 소기공기의 냉각으로 인해 제 1 소기공기 흐름 내에 존재하는 응축수를 분리시킬 뿐만 아니라 경우에 따라 재순환 가스 흐름 내에 여전히 존재하는, 분산되어 있는 물들도 분리시키기 위함이다. 이 데미스터(16) 하류에서 합류 구간(L1B2)은 소기공기 리시버(4) 방향으로 평행하게 이어지는 2개의 분기, 즉 보조 송풍기(20)가 배치되는 분기 라인과 보조 송풍기를 우회하는 우회 분기 라인으로 나뉜다. 차단 밸브(25, 26)를 통해 고도로 압축된 소기공기가 소기공기 리시버(4)로부터 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 합류 구간(L1b2)으로 역류하지 못하도록 보장된다. 보조 송풍기가 배치되는 분기 라인 또는 선택적으로 보조 송풍기에 대한 우회 분기 라인을 해제하거나 또는 차단할 수 있기 위해 본 도에 미도시되는 추가의 밸브가 제공될 수 있다.
제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)의 합류 구간(L2)도 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 합류 구간(L1B2)과 마찬가지로 2개의 분기, 즉 보조 송풍기(21)가 배치되는 분기 라인과 보조 송풍기에 대한 우회 분기 라인으로 나뉜다. 소기공기 리시버(4) 내에 위치하는 소기공기가 보조 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)으로 역류하는 것을 저지하기 위해 재차 체크 밸브(23, 24)가 제공된다. 또한 선택적으로 보조 송풍기가 배치되는 분기 라인 또는 보조 송풍기에 대한 우회 분기 라인을 해제하기 위해 추가의 밸브가 제공될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 도시된 실시예를 변경 및 수정하는 것은 가능하다.
예컨대 배기가스 재순환 라인은 중간 구간(B22)를 통해 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)으로 이어지는 대신 계속하여 제 2 소기공기 라인과 함께 제 2 소기공기 라인의 합류 구간(L2)을 통과하여 이어지는 것도 생각할 수 있다. 그에 따라 흡인 송풍기(15)는 보조 송풍기(21)에 의해 대체될 수 있고, 이러한 보조 송풍기는 적합하게 강력하게 설계되어야 하고, 적절한 밸브를 통해 보조 송풍기에 대한 우회 분기 라인 또는 보조 송풍기를 포함하는 분기 라인이 해제될 수 있다. 이 외에 우회 분기 라인을 재순환 모드로 연결할 수 있기 위해 상대적으로 큰 하나의 보조 송풍기 대신 하나 또는 다수의 또 다른 보조 송풍기가 하나 (또는 다수의) 또 다른 우회 분기 라인에 제공되는 것도 생각할 수 있다. 추가의 제 2 보조 송풍기 대신 제 2 소기공기 라인측 보조 송풍기부터 제 1 소기공기 라인측 보조 송풍기까지의 라인 연결도 제공될 수 있다.
연소 챔버로 공급되는 공기를 간단하게 항상 "소기공기"라 언급한다는 점을 여기서 지적한다. 그러나 배기가스 재순환 장치가 연결된 경우에 연소 챔버로 공급되는 혼합 가스는 엄밀한 의미에서 공기뿐만 아니라 복귀되는 배기가스로도 구성된다. 또한 연소 챔버로 공급되는 혼합 가스는 공기 또는 복귀되는 배기가스 외에 또 다른 가스도 포함할 수 있다. 따라서 "소기공기" 개념은 본 발명의 범위에서 연소 챔버 유입구 측으로 공급되어야 할 가스, 즉 소기가스로서 이해되어야 하고, 그런 의미에서 "소기공기 리시버"와 "소기공기 라인" 개념은 이러한 소기가스에 대한 리시버와 라인으로 이해해야 한다.
1 : 제 1 터보차저 스테이지 2 : 제 2 터보차저 스테이지
3 : 배기가스 재순환 라인 4 : 소기공기 리시버
5 : 배기 리시버 6 : 물 냉각기
7 : 연도가스 정화기 8 : 제 1 터빈
9 : 제 1 컴프레서 10 : 1차 세정액 분사 장치
11 : 배기가스 재순환 차단 밸브 12 : 보조 소기공기 차단 밸브
13 : 재순환 가스 역류 방지 밸브 14 : 밸브
15 : 흡인 송풍기 16 : 데미스터
17 : 데미스터 18 : 제 2 터빈
19 : 제 2 컴프레서 20, 21 : 보조 송풍기
23, 24 : 체크밸브 25, 26 : 차단밸브

Claims (14)

  1. 실린더 및 크랭크 샤프트와 연동하는 피스톤에 의해 범위 한정되고 배기가스 배출을 위해 적어도 하나의 배출구와 소기공기 공급을 위해 적어도 하나의 유입구를 구비하는 적어도 하나의 연소 챔버,
    제 1 배기가스 흐름을 통한 구동과 제 1 소기공기 흐름의 압축을 위해 형성되고, 적어도 하나의 제 1 터빈(8) 및 연계되는 제 1 터빈(8)에 의해 구동되는 적어도 하나의 제 1 컴프레서(9)를 가지는 제 1 터보차저 스테이지(1),
    배출 측부터 유입 측까지 이어지며 배기가스 냉각기(6)가 배치되는 배기가스 재순환 라인(3)을 지니고, 제 2 배기가스 흐름의 배출구부터 유입구까지의 재순환을 위한 배기가스 재순환 장치(3, 15),
    제 2 배기가스 흐름을 통한 구동과 제 2 소기공기 흐름의 압축을 위해 형성되고, 적어도 하나의 제 2 터빈(18)과 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)의 작동 시 상기 연계되는 제 2 터빈(18)에 의해 구동되는 적어도 하나의 제 2 컴프레서(19)를 가지는 제 2 터보차저 스테이지(2), 및
    제 2 배기가스 흐름이 선택적으로 제 2 터보차저 스테이지(2)에 공급가능하되거나 또는 재순환(3, 15) 가능하게 하는 개폐 장치(11, 12, 13)를 포함하는 내연 기관에 있어서,
    컴프레서 측으로 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)를 통과하여 이어지는 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 중간 라인 구간(L2B2)에서 상기 배기가스 재순환 라인(3)에 배치되는 배기가스 냉각기(6)를 통과하여 이어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 배기가스 순환 장치(3, 15)는 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)의 상기 터빈 측에 비해 보다 적은, 바람직하게는 대략 절반 크기의 유량에 대해 치수화되고, 상기 제 2 터보차저 스테이지는 터빈 측으로는 상대적으로 적은 유량, 바람직하게는 대략 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)의 절반 크기의 유량에 대해 치수화되고 컴프레서 측으로는 특히 적은 유량, 바람직하게는 대략 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)의 절반 크기의 유량에 대해 치수화되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 개폐 장치(11, 12, 13)는 상기 제 2 터보차저 스테이지(2) 뿐만 아니라 상기 배기가스 재순환 장치(3, 15)에 대해서도 상기 제 2 배기가스 흐름의 이용을 차단하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개폐장치(11, 12, 13)는 상기 제 2 터보차저 스테이지(2) 방향으로의 상기 제 2 배기가스 흐름의 완전한 공급과 상기 제 2 배기가스 흐름의 완전한 재순환(3, 15) 사이의 중간 위치 및 바람직하게는 상기 제 2 배기가스 흐름의 완전한 차단과 완전한 이용 사이의 중간 위치도 허용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 라인(3)에 배치되는 배기가스 냉각기(6)는 수냉각 방식이고, 바람직하게 상기 배기가스 냉각기(6) 하류에는 배기가스 정화기(7)가 배치되고, 이때 바람직하게 1차 세정액 분사 장치(10)가 상기 배기가스 냉각기(6) 상류에서 상기 배기가스 재순환 라인(3)에 제공되고, 상기 배기가스 재순환 라인(3)은 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)에 대해 바람직하게는 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 상기 중간 라인 구간(L2B2)에서는 상기 배기가스 정화 장치(7)를 통과하여 그리고 상기 배기가스 정화 장치(7) 하류에서는 상기 데미스터(17)를 통과하여 이어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 유입구에 연결되는 소기공기 리시버(4)로서, 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)의 컴프레서 측에서 오는 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 합류 구간(L1B2)과, 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)의 컴프레서 측에서 오는 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)의 합류 구간(L2)과 그리고 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 합류 구간(L1B2)이 합류되는 소기공기 리시버(4)를 특징으로 하는 내연 기관.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 배출구에 연결되는 배기 리시버(5)로서, 상기 배기 리시버(5)로부터 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)의 터빈 측으로 이어지는 제 1 배기가스 라인(B1), 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)의 터빈 측으로 이어지는 제 2 배기가스 라인(B2a), 및 상기 배기가스 재순환 라인(3)이 분기하는 배기 리시버(5)를 특징으로 하는 내연 기관.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 중간 라인 구간(L2B2)에서 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 중간 라인 구간(L2B2)과 함께 공동의 중간 라인 구간(L2B2)으로 합쳐지고, 이때 상기 공동의 중간 라인 구간(L2B2)의 상류에서 상기 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)의 유입 구간(L21)이 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)를 통과하여 이어지고, 상기 유입 구간(L21)에는 상기 개폐 장치(11, 12, 13) 가운데 재순환 가스 역류 방지 밸브(13)가 배치되고, 이 재순환 가스 역류 방지 밸브(13)를 이용하여 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)가 상기 공동의 중간 라인 구간(L2B2)과 연결되는 것이 해제 또는 차단 가능하고 바람직하게는 부분적으로 해제 가능한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 상기 중간 라인 구간(L2B2)에서 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 상기 중간 라인 구간(L2B2)과 함께 공동의 중간 라인 구간(L2B2)으로 합쳐지고, 이때 상기 공동의 중간 라인 구간(L2B2)의 상류에 배치되는 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 유입 구간(B2b)에는 상기 개폐 장치(11, 12, 13) 가운데 재순환 차단 밸브(11)가 배치되되, 이 재순환 차단 밸브(11)로는 상기 배출 측, 바람직하게는 배기 리시버(5)와 상기 공동의 중간 라인 구간(L2B2)의 연결이 해제 및 차단될 수 있고, 또한 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)의 상류에 배치되는 영역에는 보조 소기공기 차단 밸브(12)가 배치되되, 이 보조 소기공기 차단 밸브(12)로는 상기 배출 측, 바람직하게는 상기 배기 리시버(5)와 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)의 연결이 해제 및 차단될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  11. 청구항 6 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 소기공기 라인(L21, L2B2, L2)은 중간 라인 구간(L2B2)에서 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 중간 라인 구간(L2B2)과 함께 공동의 중간 라인 구간(L2B2)로 합쳐지고, 상기 배기가스 재순환 라인(3)의 중간 구간(B22)은 공동의 중간 라인 구간(L2B2)부터 상기 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 상기 합류 구간(L1B2)의 시작 부분까지 이어지고, 이때 상기 중간 구간(B22)에는 컴프레서, 바람직하게는 송풍기(15)가 배치되고 그리고 상기 중간 구간(B22)을 통과하는 흐름을 조절하기 위해 바람직하게는 단계 구분없이 조절 가능한 밸브(14)가 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  12. 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 상기 합류 구간(L1B2) 상류에 배치되는 상기 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 구간(L1)에는 바람직하게는 수냉각 방식의 적어도 하나의 소기공기 냉각기(27, 28)가 제공되고, 또한 바람직하게는 데미스터(16)가 상기 제 1 소기공기 라인(L1, L1B2)의 합류 구간(L1B2)에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 디젤 엔진, 바람직하게는 2행정 대형 디젤 엔진으로 형성되고, 이때 배기가스 배출을 위해 연소 챔버에 제공되는 배출구는 배출 밸브의 밸브 디스크와 연계된 디스크 시트 사이에 형성되고, 소기공기 공급을 위해 연소 챔버에 제공되는 유입구는 피스톤에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 터보차저 스테이지(1)와 상기 제 2 터보차저 스테이지(2)는 직렬이 아닌 병렬로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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