KR20160028265A

KR20160028265A - 차등 터보차저들과 scr 시스템을 연계한 흡/배기계

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Publication number: KR20160028265A
Application number: KR1020140117107A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 유정대
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-03-11
Also published as: KR102133605B1

Abstract

본 발명은 정격출력이 다른 복수의 터보차저와 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 연계함으로써 SCR 시스템을 단순화하는 한편, 복수의 터보차저와 SCR 시스템을 함께 구비하여야 하는 흡/배기계를 실제 엔진에 쉽게 적용할 수 있도록 한 것이다. 본 발명에 따른 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계는, 정격출력이 상이한 2종 이상의 복수의 터보차저를 구비하고, 상기 2종 이상의 터보차저들을, 1대 이상의 터보차저를 모아 정격출력의 합을 크게 구성한 제1 그룹과, 1대 이상의 터보차저를 모아 제1 그룹에 비해 정격출력의 합을 작게 구성한 제2 그룹으로 나누며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 1개 이상의 제1 배기관(100a, 100b,...)을 과급 라인(101a, 101b,...)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b,...)에는 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b,...)을 상기 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b,...)에 연결하며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제2 그룹의 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한 구성으로 이루어진다.

Description

차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계{Intake/Exhaust System Combined Differentiated Turbochargers with SCR System}

본 발명은 엔진의 흡/배기계에 관한 것으로, 특히 정격출력이 다른 복수의 터보차저와 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 연계함으로써 SCR 시스템을 단순화하는 한편, 복수의 터보차저와 SCR 시스템을 함께 구비하여야 하는 흡/배기계를 실제 엔진에 쉽게 적용할 수 있도록 한 것이다.

엔진에 있어서의 터보차저(Turbo Charger)는, 엔진 출력 및 효율의 증대를 위해, 배기가스의 유동 에너지를 이용하여 터빈을 구동하고, 터빈에 의해 압축기를 구동하여 엔진으로 들어가는 흡기를 압축함으로써 엔진 출력을 증대시킨다.

이른바 '순차 과급(Sequential Supercharging)'은, 용량이 다른 복수의 터보차저를 구비하여, 엔진 부하가 낮은 영역에서는 일부 용량이 큰 터보차저만 가동하고 엔진 부하가 높은 영역에서는 모든 터보차저를 가동하는 형태로 운용된다.

순차 과급 시스템에서는 용량이 다른 2대 또는 3대 이상의 터보차저를 병렬로 연결하여 운용하도록 제안하고 있으므로, 용량이 다른 여러 대의 터보차저를 설치하여야 할 뿐만 아니라 그것들을 위한 배관이나 밸브장치들을 추가하여야 하기 때문에 엔진의 인접 주변의 구조가 비대해지고 복잡해지기 마련이다.

이러한 이유로 실제로 사용되는 엔진에서 순차 과급 시스템을 적용한 예를 찾아보기 힘들다.

SCR 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 선택적으로 제거하기 위한 시스템이다.

SCR 시스템은, 예를 들어, 북미 선박 국제환경규제지역(ECA, Emission Control Area)처럼 국제해사기구(IMO)의 대기오염규제기준에서 질소산화물 규제기준(예; 'Tier Ⅲ')을 만족하여야 하는 구역을 왕래하는 선박용 엔진에 필수적으로 적용되며, 그밖에 플랜트 발전용 디젤 엔진, 터빈 발전기 등에도 많이 적용된다.

이러한 SCR 시스템은, 촉매가 내장된 SCR 반응기(SCR Chamber)를 배기관에 설치해 두는 한편, 배기관 안에 요소수(尿素水)와 같은 환원제를 분사함으로써, 환원제의 미세 입자가 배기가스와 섞여 SCR 반응기로 들어가 촉매를 통과하는 과정에서 환원제로부터 가수분해된 암모니아와 배기가스가 반응을 일으켜 배기가스 중의 유해물질인 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시키는 것이다.

그런데 SCR 시스템은 촉매가 활성화 되기 위해 높은 배기가스 온도가 필요하며, 게다가 배기가스 온도가 낮을 경우 환원제인 암모니아가 배기가스 내에 존재하는 질소산화물이 아닌 황산화물과 반응하여 중황산암모늄(ABS, Ammonium Bisulfate)을 생성시키는데, 중황산암모늄은 높은 부식성과 부착성을 가지고 있어 촉매를 손상시키는 원인이 되기 때문에, 반응이 일정 수준 이상으로 정상적으로 일어나는 최소 온도인 이른바 '최소요구온도'를 가지고 있다.

예를 들어, 선박용 디젤 엔진에서의 SCR 반응기의 최소요구온도는 대략 330℃ 정도로 알려져 있다. 따라서, SCR 반응기 입구에서의 배기가스의 온도가 최소요구온도에 미치지 못하면 질소산화물의 제거 효율(반응효율)이 떨어진다.

이러한 SCR의 최소요구온도 조건을 충족하기 위해, 예를 들면 선박용 2-행정 디젤 엔진의 경우처럼, SCR 반응기를 터보차저 전단(상류)에 설치하여 배기가스가 엔진에서 나오자마자 곧바로 SCR을 통과하도록 하여 배기가스 온도를 온전히 이용하고, 그 이후에 터보차저를 통과하도록 하고 있다.

따라서, 복수의 터보차저를 구비하는 엔진에서 SCR 시스템을 채용하고자 하거나, SCR 시스템을 구비한 엔진에서 복수의 터보차저에 의한 순차 과급을 구성하기 위해 SCR 반응기를 복수의 터보차저의 상류 측에 배치하고자 하는 경우에는, 여러 가지 관로(또는 덕트)들이 매우 복잡하게 얽히고 각종의 밸브 조립체들도 추가로 더 설치해야 하기 때문에 엔진 인접 구조물의 구조가 매우 복잡해진다는 문제가 생긴다. 일반적으로, 터보차저는 엔진의 실린더 헤드의 배기 측에 인접하여 배치되는 배기가스 리시버에 연결되고, 배기가스 리시버는 배기 다기관에 매우 가까운 위치에서 접속하고 있기 때문에, 배기가스 리시버 및 터보차저와 함께 대형의 SCR 반응기까지 실린더 헤드에 매우 가깝게 설치하여야 한다. 그렇기 때문에, 시스템의 구성이 복잡해지고, 선박 내 한정된 공간에서의 배치 설계가 어렵고 더 넓은 엔진룸 공간을 확보하여야 하며, 조립과 유지보수 작업도 매우 어려워진다.

도 1 및 도 2에는 순차 과급을 위해 복수의 터보차저를 구비하면서 SCR 반응기를 터보차저 상류에 설치하고자 하는 경우, 본 발명자들에 의해 연구된 엔진의 흡/배기계의 구성 예들을 보인 도면이다.

먼저, 도 1은 2대의 터보차저를 구비하는 흡/배기계가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 2개의 배기관(10, 10)을 과급 라인(11, 11)과 SCR 도입 라인(20)으로 나누어, 과급 라인(11, 11)에는 각각 제1, 2 터보차저(6a, 6b)를 설치하고, SCR 도입 라인(20)에는 SCR 반응기(30)를 설치한다. 또, 과급 라인(11, 11)의 도중에는 개폐밸브(12, 12)를, SCR 도입 라인(20)의 도중에는 개폐밸브(22)를 설치하며, SCR 반응기(30)의 출구로부터 SCR 출구라인(40a, 40b)을 연장하여 상기의 개폐밸브(12, 12) 하류측의 과급 라인(11, 11)에 접속하고, SCR 출구라인(40a, 40b)에는 개폐밸브(42a, 42b)를 구비한다. 도면에서는 배기가스 리시버(Exhaust Gas Receiver)(4)룰 구비하는 경우가 도시되어 있으나, 배기가스 리시버(4) 없는 형태에서는 배기관(10, 10)은 엔진(2)에 직접 연결된다.

따라서, 개폐밸브(12, 12) 그룹이나 개폐밸브(22)(42a. 42b) 그룹 중 어느 한쪽 그룹의 밸브를 선택적으로 개폐함에 따라, 배기가스가 SCR 도입 라인(20)을 통해 SCR 반응기(30)로 들어가 질소 산화물이 제거된 후 SCR 출구라인(40a, 40b) 및 양쪽 과급 라인(11, 11)을 차례로 경유하여 터보차저(6a, 6b)를 구동하도록 하거나, 배기가스가 양쪽 과급 라인(11, 11)으로만 곧바로 들어가 터보차저(6a, 6b)를 구동하도록 한다.

또한, 낮은 엔진 부하 조건에서는, 양쪽의 과급 라인(11, 11)의 개폐밸브(12, 12) 중 하나를 닫고, 양쪽의 SCR 출구 라인(40a, 40b)의 개폐 밸브(42a, 42b) 중 상기 개폐밸브(12)가 폐쇄된 쪽의 라인 개폐 밸브를 닫아, 한쪽의 과급 라인(11)만 이용하도록 한다.

도 2에는 3대의 터보차저를 구비하는 흡/배기계가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장되는 3개의 배기관(10, 10, 10)을 과급 라인(11, 11, 11)과 SCR 도입 라인(20)으로 나누어, 과급 라인(11, 11, 111)에는 각각 제1, 2, 3 터보차저(6a, 6b, 6c)를 설치하고, SCR 도입 라인(20)에는 SCR 반응기(30)를 설치한다. 또, 과급 라인(11, 11, 11)의 도중에는 개폐밸브(12, 12, 12)를, SCR 도입 라인(20)의 도중에는 개폐밸브(22)를 설치하며, SCR 반응기(30)의 출구로부터 SCR 출구라인(40a, 40b, 40c)을 연장하여 상기의 개폐밸브(12, 12, 12) 하류측의 과급 라인(11, 11, 11)에 접속하고, SCR 출구라인(40a, 40b, 40c)에는 각각 개폐밸브(42a, 42b, 42c)를 구비한다.

따라서, 개폐밸브(12, 12, 12) 그룹이나 개폐밸브(22)(42a. 42b, 42b) 그룹 중 어느 한쪽 그룹의 밸브를 선택적으로 개폐함에 따라, 배기가스가 SCR 도입 라인(20)을 통해 SCR 반응기(30)로 들어가 질소 산화물이 제거된 후 SCR 출구라인(40a, 40b, 40c) 및 3개의 과급 라인(11, 11, 11)을 차례로 경유하여 터보차저(6a, 6b, 6c)를 구동하도록 하거나, 배기가스가 3개의 과급 라인(11, 11, 11)으로만 곧바로 들어가 터보차저(6a, 6b, 6c)를 구동하도록 한다.

또한, 낮은 엔진 부하 조건에서는, 3개의 과급 라인(11, 11, 11)의 개폐밸브(12, 12, 12) 중 하나를 닫고, 3개의 SCR 출구 라인(40a, 40b, 40c)의 개폐 밸브(42a, 42b, 42c) 중 상기 개폐밸브(12)가 폐쇄된 한 라인의 개폐 밸브를 닫아, 2개의 터보차저만 이용하도록 한다.

도 1 및 도 2의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 복수의 터보차저를 구비하고, 복수의 터보차저 상류측에 SCR 반응기(30)를 설치하는 경우에는, 복수의 과급 라인과 여러 갈래의 SCR 도입 라인 및 SCR 출구 라인을 연결하여야 하고, 각 라인 마다 개폐 밸브를 설치하여야 함으로써, 시스템을 구성하는 관로와 밸브가 많고 복잡하게 꼬이게 된다.

또한, 전체 터보차저의 정격출력의 합이 엔진 전부하 조건일 때의 과급 용량을 충족하도록 하면서, 모두 균등한 정격출력을 가지도록 설계된다. 즉, 복수의 터보차저는 모두 동일한 정격출력을 가지는 것을 채용하고, 엔진 전부하 조건에서는 모든 터보차저를 가동하게 된다.

이처럼, 복수의 터보차저가 모두 균등한 정격출력을 가지는 경우, 도 1에서처럼 2대 중 1대의 터보차저만을 사용할 때에 발휘할 수 있는 압축 일(compression load)을 필요한 총 과급 일의 50%밖에 제공해주지 못하므로, 50% 이상의 엔진부하에서는 흡기의 밀도가 요구값보다 낮아져서 출력이 떨어지고 연비가 상승하게 된다.

또한, 도 2에서처럼 3대 중 2대의 터보차저를 사용할 때에 발휘할 수 있는 압축 일은 필요한 총 과급 일의 67%밖에 제공해주지 못하므로, 67% 이상의 엔진부하에서는 흡기의 밀도가 요구값보다 낮아져서 출력이 떨어지고 연비가 상승하게 된다.

그런데 ECA처럼 대기오염규제기준을 충족하기 위해 SCR을 구동하여야 하는 구역에서는 일반적으로 엔진을 전부하(full load)로 운전하지 않고 75% 이하의 부하로 운항하게 되는데, 도 1 및 도 2에서 일부의 터보차저만을 가동하는 경우에 터보차저가 총 과급 일의 67%밖에 제공해주지 못하기 때문에, 그 이상의 엔진부하에서는 출력이 낮아지고 연비가 증가하게(나빠지게) 되는 것이다.

또한, 대기오염규제기준을 만족하기 위해 SCR을 구동하여야 하는 구역에서는 75% 이하의 엔진부하로 운항함에도, SCR 반응기는 전부하 영역까지 감당하도록 설계되기 때문에, SCR 반응기가 필요 이상으로 비대해지게 된다.

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따라서, 본 발명의 목적은, 정격출력이 다른 복수의 터보차저를 구비하고, SCR 시스템을 복수의 터보차저들 중 일부에만 선택적으로 연계시킴으로써, SCR 시스템을 단순화하고 사이즈를 최적화함으로써 복수의 터보차저와 SCR 시스템을 함께 구비하여야 하는 흡/배기계를 실제 엔진에 쉽게 적용할 수 있도록 하며, 그와 함께, 오히려 저부하 영역에서는 터보차저가 감당할 수 있는 정격출력을 증대시킬 수 있도록 함으로써 저부하 영역에서의 연비 개선에 일조할 수 있는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계는, 정격출력이 상이한 2종 이상의 복수의 터보차저를 구비하고, 상기 2종 이상의 터보차저들을, 1대 이상의 터보차저를 모아 정격출력의 합을 크게 구성한 제1 그룹과, 1대 이상의 터보차저를 모아 제1 그룹에 비해 정격출력의 합을 작게 구성한 제2 그룹으로 나누며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 1개 이상의 제1 배기관(100a, 100b,...)을 과급 라인(101a, 101b,...)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b,...)에는 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b,...)을 상기 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b,...)에 연결하며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제2 그룹의 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한 구성으로 이루어진다.

여기서, 상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a, 101b,...)에 개폐밸브(102a, 102b,...)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a, 140b,...)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a, 102b,...)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a, 101b,...)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 그룹을 이루는 터보차저들의 정격출력의 합이 전체 터보차저들의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계는, 정격출력이 큰 1대의 제1 터보차저(110a)와, 제1 터보차저(110a)보다 정격출력이 작은 1대의 제2 터보차저(210)를 구비하고; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제1 배기관(100a)을 과급 라인(101a)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a)에는 제1 터보차저(110a)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a)을 상기 제1 터보차저(110a) 상류 측의 과급 라인(101a)에 연결하며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제2 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치하여 구성할 수 있다.

여기서, 상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a)에 개폐밸브(102a)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 터보차저(110a)의 정격출력이, 제1, 2 터보차저(110a, 210)의 정격출력을 합의 70% ~ 80% 범위가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계는, 정격출력이 큰 2대의 제1, 2 터보차저(110a, 110b)와, 제1, 2 터보차저(110a, 110b)보다 정격출력이 작은 1대의 제3 터보차저(210)를 구비하고; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 배기관을 과급 라인(101a, 101b)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b)에는 제1, 2 터보차저(110a, 110b)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b)을 상기 제1 터보차저(110a, 110b) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 연결하며; 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제3 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치하여 구성할 수 있다.

여기서, 상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 개폐밸브(102a, 102b)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a, 140b)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a, 102b)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a, 101b)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1, 2 터보차저(110a, 110b)의 정격출력의 합이, 제1, 2, 3 터보차저(110a, 110b, 210)의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계는, 정격출력이 차이가 나는 복수의 터보차저를 구비하고, 이들을 정격출력의 합이 큰 제1 그룹과 정격출력의 합이 작은 제2 그룹으로 나누고, 정격출력이 큰 제1 그룹의 터보차저들에는 SCR 반응기를 연결하고, 정격출력이 작은 제2 그룹의 터보차저에는 SCR 반응기를 연결한 것이다.

따라서, SCR 반응기를 전부하 영역까지 감당하도록 설계하지 않고도 SCR 가동이 필요한 때의 부하영역만을 감당하도록 설계할 수 있다. 따라서, SCR 반응기를 필요 이상으로 비대하게 구성할 필요가 없다.

또한, SCR 반응기를 사용하는 부하영역을 모자람 없이 충분히 감당할 수 있으므로, 순차 과급 시에 출력이 낮아지거나 연비가 나빠지는 현상을 많이 들게 되는 것이다.

도 1은 본 발명자 등에 의해 제안되었던 2개의 터보차저와 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명자 등에 의해 제안되었던 3개의 터보차저와 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 2개의 차등 터보차저와 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 3개의 차등 터보차저와 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계의 예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 배기계의 실시예를 구체적으로 설명한다.

도 3 내지 도 4에서 도시한 엔진(10)은 2-행정 엔진을 일례로 설정하여 나타내었으나, 이는 하나의 예시일뿐 본 발명이 반드시 2-행정 엔진에만 적용되는 것은 아니며, 4-행정 엔진에도 동일하게 적용된다. 또한, 배기가스 리시버(4)가 있는 형태의 배기계를 도시하였으나, 배기가스 리시버(4)는 배기계의 구성에 따라 구비할 수도 있고 구비하지 않을 수도 있다.

또한, 본 명세서에서 언급하는 '상류', '하류'는 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 방향을 기준으로 한다. 예를 들어, 어떤 한 지점에 대해 '상류'라 함은 그 지점으로 배기가스가 흘러오는 방향이고, '하류'라 함은 그 지점으로부터 배기가스가 흘러가는 방향이 된다.

도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡/배기계가 도시되어 있고, 도 4에는 제1 실시예에 따른 흡/배기계가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4에서, 복수의 터보차저들은 '제1 그룹'이라고 구분한 터보차저들(110a, 110b)과 '제2 그룹'이라고 구분한 터보차저(210)로 나뉜다. 제1 그룹의 터보차저는 SCR 반응기(130)와 연결된 것들이고, 제2 그룹의 터보차저는 SCR 반응기(130)와 연결되지 않은 것들이다. 즉, SCR 반응기(130)에 연결된 터보차저들은 제1 그룹으로 분류되고, SCR 반응기(130)에 연결되지 않은 터보차저들은 제2 그룹으로 분류된다.

제1 그룹에 속한 터보차저들과 제2 그룹에 속한 터보차저들의 정격출력은 상이하게 구성된다. 이와 함께, 제1 그룹에 속한 터보차저들의 정격출력의 합(合)은 제1 그룹에 속한 터보차저의 정격출력의 합보다 크게 구성한다. 바람직하기로, 제2 그룹에 속한 터보차저는 제1 그룹에 속한 터보차저들에 비해 정격출력이 작은 것으로 이루어진다.

바람직하게, 제1 그룹의 터보차저들의 정격출력의 합이 전체 터보차저들의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위가 되도록 설정한다. 그러면, SCR 반응이 필요할 때(이는 '배기가스 중에 질소산화물을 제거하고자 할 때'나, 'SCR 시스템을 사용하고자 할 때'와 동일한 의미이다), 제1 그룹의 터보차저만으로 80% 이하의 엔진 부하 영역까지 충분한 과급 일을 제공해 줄 수 있게 된다.

통상적으로, 대기오염규제기준을 만족하기 위해 SCR을 구동하여야 하는 구역에서는 75% 이하의 엔진부하로 운항하므로, 제1 그룹의 터보차저만을 사용할 때의 과급일 만큼은 충분히 제공해 줄 수 있다.

이에 따르면, SCR 반응기(130)를 전부하 영역까지 감당하도록 설계하지 않고도 SCR 가동이 필요한 때의 부하영역인 75% 이하(더 구체적으로는 80% 이하)의 부하영역만을 감당하도록 설계할 수 있기 때문에 SCR 반응기(130)를 필요 이상으로 비대하게 구성할 필요가 없다. 즉, SCR 반응기(130)의 용량을 비교적 작게 구성할 수 있다. 또한, SCR 반응기(130)를 사용하는 부하영역(75% 이하의 부하영역)은 모자람 없이 충분히 감당할 수 있으므로, 순차 과급 시에 출력이 낮아지거나 연비가 나빠지는 현상을 많이 들게 되는 것이다.

다음으로, 위와 같은 본 발명의 흡/배기계의 구성을, 도 3도에 도시된 제1 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.

도 3에 도시된 실시예에는 총 2대의 터보차저(110a, 210)와 1대의 SCR 반응기(130)를 구비하는 형태이다. 즉, 그룹마다 1대씩의 터보차저를 구비하는 형태이다.

제1 그룹에 속하는 1대의 터보차저(제1 터보차저)(110a)는 SCR 반응기(130)와 연결되고, 제2 그룹에 속하는 나머지 1대의 터보차저(제2 터보차저)(110a)는 SCR 반응기(130)와 연결되지 않는다.

따라서, SCR 시스템을 사용하고자 할 때에는 제2 그룹의 터보차저(210)는 사용하지 않고 제1 그룹에 속한 터보차저(110a)만을 사용한다.

SCR 시스템을 사용할 필요가 없을 때에는, 엔진의 부하 상태에 따라 제1 그룹의 터보차저(110a)만을 사용할 수도 있고(예; 엔진 부하 80% 이하로 운항할 때), 제2 그룹의 터보차저(210)만을 사용할 수도 있으며(예; 엔진 부하 20% 이하로 운항할 때), 제1, 2 그룹의 터보차저(110a, 210)를 모두 사용할 수도 있다(예; 엔진 부하 80% 이상으로 운항할 때).

도 3에서, 엔진의 배기 측으로부터 연장한 제1 배기관(100a)을 과급 라인(101a)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어진다. 과급 라인(101a)에는 제1 터보차저(110a)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결한다. SCR 반응기(130)의 출구라인(140a)은 제1 터보차저(110a) 상류 측의 과급 라인(101a)에 연결한다.

또한, SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a)에 개폐밸브(102a)를 설치하고, SCR 도입라인(120)을 단속하기 위한 개폐밸브(122)와 출구라인(140a)을 단속하기 위한 개폐밸브(142)를 설치한다. 따라서, 개폐밸브(102a)와 개폐밸브(122)(142)를 선택적으로 개폐함에 따라 엔진(2)에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a)이나 SCR 도입라인(120) 중 한가지로 선택할 수 있다. 즉, SCR 시스템을 사용하고자 할 때에는 개폐밸브(102a)는 닫고 개폐밸브(122)(142)는 열어, 배기가스가 SCR 도입라인(120)으로 들어가 SCR 반응기(130)를 통과한 후 제1 터보차저(110a)로 들어가도록 한다. 또, SCR 시스템이 필요 없을 때에는 개폐밸브(102a)는 열고 개폐밸브(122)(142)는 닫아, 배기가스가 과급 라인(101a)을 통해 제1 터보차저(110a)로 들어가도록 한다.

또한, 제2 터보차저(210)는, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을, SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 제2 터보차저(210)에 연결한다. 제2 배기관(200)에는 개폐밸브(202)가 설치된다.

따라서, 개폐밸브(202)와 개폐밸브(102a)(122)(142)를 선택적으로 개폐함에 따라 엔진(2)에서 나온 배기가스가 제1 그룹의 터보차저(110a)만을 경유하도록 하거나, 제2 그룹의 터보차저(210)만을 경유하도록 하거나, 제1, 2 그룹의 터보차저(110a)(210)들을 모두 경유하는 방법을 선택할 수 있다.

도 4에 도시된 실시예에는 총 3대의 터보차저(110a, 110b, 210)와 1대의 SCR 반응기(130)를 구비하는 형태이다. 즉, 제1 그룹에는 2대의 터보차저(제1, 2 터보차저)(110a, 110b)를 구비하고, 제2 그룹에는 1대의 터보차저(제3 터보차저)(210)를 구비한 형태이다.

즉, 정격출력이 큰 2대의 제1, 2 터보차저(110a, 110b)와, 제1, 2 터보차저(110a, 110b)보다 정격출력이 작은 1대의 제3 터보차저(210)를 구비한다.

이와 함께, 제1, 2 터보차저(110a, 110b)의 정격출력의 합이, 제1, 2, 3 터보차저(110a, 110b, 210)의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위로 설정된다.

또한, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장한 배기관을 과급 라인(101a, 101b)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b)에는 제1, 2 터보차저(110a, 110b)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b)을 상기 제1 터보차저(110a, 110b) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 연결한다.

이와 함께, 엔진(2)의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 제3 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한다.

또한, SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 개폐밸브(102a, 102b)를 설치하고, SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a, 140b)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치한다. 따라서, 개폐밸브(102a, 102b)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해, 엔진(2)에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a, 101b)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있다.

도 4에 있어서, SCR 시스템을 사용하고자 할 때에는, 제2 그룹의 개폐밸브(202)는 닫아 제3 터보차저(210)는 사용하지 않고, 제1 그룹의 터보차저(110a, 100b)만을 사용한다.

SCR 시스템을 사용할 필요가 없을 때에는, 엔진의 부하 상태에 따라 제1 그룹의 개폐밸브(102a, 102b)(122)와 제2 그룹의 개폐밸브(20)를 선택적으로 개폐하는 것으로, 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b)만을 사용할 수도 있고(예; 엔진 부하 80% 이하로 운항할 때), 제2 그룹의 터보차저(210)만을 사용할 수도 있으며(예; 엔진 부하 20% 이하로 운항할 때), 제1, 2 그룹의 터보차저(110a, 110b, 210)를 모두 사용할 수도 있다(예; 엔진 부하 80% 이상으로 운항할 때).

구체적으로, 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b)만을 사용할 때에는, 제2 그룹의 개폐밸브(202)와 SCR 도입라인(120)의 개폐밸브(122)는 닫고, 제1 그룹의 과급 라인(101a, 101b)의 개폐밸브(102a, 102b)를 연다.

제2 그룹의 터보차저(210)만을 사용할 때에는, 제2 그룹의 개폐밸브(202)를 열고, SCR 도입라인 개폐밸브(122), 배출라인 개폐밸브(142), 및 과급 라인(101a, 101b) 개폐밸브(102a, 102b)를 닫는다.

제1, 2 그룹의 터보차저(110a, 110b, 210)를 모두 사용할 때에는, SCR 도입라인 개폐밸브(122) 및 배출라인 개폐밸브(142)를 닫고 나머지의 개폐밸브들은 모두 연다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

2 : 엔진
4 : 배기가스 리시버
101a, 101b : 과급 라인
120 : SCR 도입라인
110a, 110b, 210 : 터보차저
130 : SCR 반응기
140a, 140b : 출구라인
200 : 제2 배기관
102a, 102b, 122, 142 : 개폐밸브

Claims

정격출력이 상이한 2종 이상의 복수의 터보차저를 구비하고, 상기 2종 이상의 터보차저들을, 1대 이상의 터보차저를 모아 정격출력의 합을 크게 구성한 제1 그룹과, 1대 이상의 터보차저를 모아 제1 그룹에 비해 정격출력의 합을 작게 구성한 제2 그룹으로 나누며,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 1개 이상의 제1 배기관(100a, 100b,...)을 과급 라인(101a, 101b,...)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b,...)에는 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b,...)을 상기 제1 그룹의 터보차저(110a, 110b,...) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b,...)에 연결하며,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제2 그룹의 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제1항에 있어서,
상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a, 101b,...)에 개폐밸브(102a, 102b,...)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a, 140b,...)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a, 102b,...)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a, 101b,...)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있게 이루어지는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제1항에 있어서,
상기 제1 그룹을 이루는 터보차저들의 정격출력의 합이 전체 터보차저들의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
정격출력이 큰 1대의 제1 터보차저(110a)와, 제1 터보차저(110a)보다 정격출력이 작은 1대의 제2 터보차저(210)를 구비하고,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 제1 배기관(100a)을 과급 라인(101a)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a)에는 제1 터보차저(110a)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a)을 상기 제1 터보차저(110a) 상류 측의 과급 라인(101a)에 연결하며,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제2 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제4항에 있어서,
상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a)에 개폐밸브(102a)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있게 이루어지는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제4항에 있어서,
상기 제1 터보차저(110a)의 정격출력이, 제1, 2 터보차저(110a, 210)의 정격출력을 합의 70% ~ 80% 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
정격출력이 큰 2대의 제1, 2 터보차저(110a, 110b)와, 제1, 2 터보차저(110a, 110b)보다 정격출력이 작은 1대의 제3 터보차저(210)를 구비하고,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 배기관을 과급 라인(101a, 101b)과 SCR 도입라인(120)으로 나누어, 과급 라인(101a, 101b)에는 제1, 2 터보차저(110a, 110b)를 연결하고, SCR 도입라인(120)에는 SCR 반응기(130)를 연결함과 함께 SCR 반응기(130)의 출구라인(140a, 140b)을 상기 제1 터보차저(110a, 110b) 상류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 연결하며,
엔진의 배기 측으로부터 연장한 제2 배기관(200)을 SCR 반응기(130)와의 연결이 없이 단독으로 상기 제3 터보차저(210)에 연결하고, 제2 배기관(200)에 개폐밸브(202)를 설치한 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제7항에 있어서,
상기 SCR 도입라인(120)이 나누어진 지점의 하류 측의 과급 라인(101a, 101b)에 개폐밸브(102a, 102b)를 설치하고, 상기 SCR 도입라인(120) 및 출구라인(140a, 140b)을 단속하기 위한 개폐밸브(122) 및 개폐밸브(142)를 설치하여, 개폐밸브(102a, 102b)와 개폐밸브(122)(142)의 선택적 개폐에 의해 엔진에서 나온 배기가스의 배출 경로를 과급 라인(101a, 101b)이나 SCR 도입라인(120) 중에서 선택할 수 있게 이루어지는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.
제7항에 있어서,
상기 제1, 2 터보차저(110a, 110b)의 정격출력의 합이, 제1, 2, 3 터보차저(110a, 110b, 210)의 정격출력의 합의 70% ~ 80% 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 차등 터보차저들과 SCR 시스템을 연계한 흡/배기계.