KR20160132004A - 배기 가스 재순환 시스템, 엔진, 배기 가스 재순환 시스템의 용도, 배기 가스 재순환 방법 및 디젤 배기 조성 - Google Patents

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Abstract

엔진, 바람직하게는 2-행정 엔진의 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치될 수 있는 배기 가스 재순환 시스템(1)이 개시된다. 이 시스템은, 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이의 제 1 기능 덕트(5)에 있는 제 1 터보 과급기(4) 및 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이의 제 2 기능 덕트(7)에 있는 제 2 터보 과급기(6)를 포함한다. 제 1 및 제 2 터보 과급기(4, 6)는 개별적이고 병렬로 배치되며, 바람직하게는 제 1 기능 덕트(5)와 제 2 기능 덕트(7)는 개별적이고 병렬로 배치된다. 본 시스템은 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치되는 공기 덕트(9)에 배치되는 배기 가스 정화 장치(8), 및 시스템(1)의 기능적 상태를 제어하기 위한 제어 유닛을 더 포함한다. 공기 덕트(9)는 적어도 부분적으로 제 2 기능 덕트(7)와 병렬로 배치되고, 제어 유닛은, 배기 가스 정화 장치(8)의 상류에서 공기 덕트(9)에 배치되어 있는 제 1 유입 밸브(10) 및 제 2 터보 과급기(6)의 상류에 배치되어 있는 제 2 유입 밸브(11) 둘 모두가 적어도 부분적으로 개방된 위치를 동시에 취할 수 있도록 제 1 유입 밸브(10)와 제 2 유입 밸브(11)를 제어하도록 되어 있다.

Description

배기 가스 재순환 시스템, 엔진, 배기 가스 재순환 시스템의 용도, 배기 가스 재순환 방법 및 디젤 배기 조성{A SYSTEM FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION, ENGINE, USE OF A SYSTEM FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION, METHOD FOR EXHAUST GAS RECIRCULATION AND DIESEL EXHAUST COMPOSITION}
본 발명은 독립 청구항에 따른 배기 가스 재순환 시스템, 엔진, 시스템의 용도, 배기 가스 재순환 방법 및 디젤 배기 가스 조성에 관한 것이다.
NOX 배출량을 줄이는 일 방법으로서 (냉각된) 배기 가스를 디젤 엔진의 흡기부 안으로 외부적으로 재순환시키는 것(EGR)이 알려져 있고 자동차 분야에서 오랫동안 사용되고 있다. 대형 선박 2-행정 디젤 엔진의 경우, 이 기술은 여전히 개선되어야 한다. 따라서, 연소의 최적화를 위해 엔진의 배기 출구에서 나온 배기 가스를 엔진의 공기 입구로 재순환시키는 것이 일반적으로 알려져 있다.
최대 3.5%m의 황을 함유하는 잔류 연료 오일을 사용하면, 배기 가스 내에 황산(H2SO4)이 존재하며, 이 황산은 연소 생성물인 SOX 및 H2O로 생성된다. 산성 배기 가스가 재순환되면 엔진 부품에 부식이 일어난다. 또한, 잔류 연료가 연소되면, 증류액 연료 보다 더 많은 미립자 물질(PM)이 생성된다. 그래서, 미립자 물질이 많은 배기 가스를 재순환시키면, 그 배기 가스와 접촉하는 엔진 부품이 과도하게 오염될 위험이 있게 된다.
특허 출원 DE 10 2012 009 319 에는 선박 디젤 엔진용 배기 가스 재순환 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템의 배기 가스는 엔진의 입구로 되돌아가는 배기 가스를 압축하는 압축기에 동력을 주기 위해 사용된다. 이 시스템은 재순환 가스를 사용하지만, 배기 가스 정화 덕트에서 터보 과급기를 필요로 한다. 그래서, 배기 가스가 정화 장치를 통과하지 않으면 그 터보 과급기는 사용될 수 없다.
DE 10 2012 009 315 에는 배기 가스 정화 장치가 개시되어 있는데, 여기서 배기 가스는 제 2 터빈에 동력을 주거나 정화 장치를 통해 재순환될 수 있다. 배기 가스가 동시에 제 2 터빈에 동력을 주고 또한 재순환될 가능성은 없다.
문헌 WO 2011/141631 에는, 배기 가스 재순환 및 터보 과급을 위한 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 2개의 터보 과급기가 서로 앞뒤로 직렬로 배치된다. 터보 과급이 두 단계로 직렬로 일어나는 것은 병렬식 터보 과급 보다 복잡하다.
문헌 DE 10 2012 009 319 에는 배기 가스 재순환이 있는 연소 엔진이 개시되어 있는데, 여기서 배기 가스는 압축기에 등력을 주기 위해 사용되거나 정화 장치를 통해 재순환된다. 정화의 양을 필요한 상황에 적합하게 하지는 못한다.
DE 103 31 187 에는 배기 가스 재순환이 있는 엔진이 개시되어 있는데, 여기서는 배기 가스 재순환 장치에 동력을 주기 위해 배기 가스의 열이 사용된다. 재순환되는 배기 가스의 양 및 배기 상황에 대한 적합화에 대한 개시는 없다.
WO 94/29587 에는 대형 과급식 디젤 엔진을 위한 배기 가스 재순환이 개시되어 있는데, 여기서 배기 정화 장치가 터보 과급기와 직렬로 배치된다. 그래서, 엔진에서 나온 배기 가스는 먼저 정화되고 그런 다음에 터보 과급기에 들어가므로, 효율 인자가 가능하다. 터보 과급기에 도달하는 공기는 이미 상당한 양의 에너지를 잃은 상태이다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점들을 회피하고 특히 배기 가스 조성을 원하는 값으로 적합하게 할 수 있는 배기 가스 재순환 시스템, 엔진, 배기 가스 재순환 방법 및 디젤 배기 가스 조성을 실현하는 것이다.
상기 목적은 독립 청구항에 따른 시스템, 엔진, 방법 및 배기 가스 조성으로 달성된다.
특히, 상기 목적은 엔진의 배기 출구와 공기 입구 사이에 배치될 수 있는 배기 가스 재순환 시스템으로 달성된디. 엔진은 바람직하게는 2-행정 엔진이다. 상기 시스템은 상기 배기 출구와 공기 입구 사이에 있는 제 1 터보 과급기와 제 1 기능 덕트, 및 상기 배기 출구와 공기 입구 사이에 있는 제 2 터보 과급기와 제 2 기능 덕트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 터보 과급기는 개별적이고 병렬로 배치된다. 바람직하게는 상기 제 1 기능 덕트와 제 2 기능 덕트는 개별적이고 병렬로 배치된다. 상기 배기 가스 재순환 시스템은 상기 배기 출구와 공기 입구 사이에 배치되는 공기 덕트에 배치되는 배기 가스 정화 장치를 더 포함한다. 추가로, 상기 시스템은 이시스템의 기능적 상태를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 상기 공기 덕트는 적어도 부분적으로 제 2 기능 덕트와 병렬로 배치되고, 상기 제어 유닛은, 상기 배기 가스 정화 장치의 상류에서 공기 덕트에 배치되어 있는 제 1 유입 밸브 및 제 2 터보 과급기의 상류에 배치되어 있는 제 2 유입 밸브 둘 모두가 적어도 부분적으로 개방된 위치를 동시에 취할 수 있도록 상기 제 1 유입 밸브와 제 2 유입 밸브를 제어하도록 되어 있다.
적어도 부분적으로 개방된 위치를 동시에 취할 수 있는 2개의 유입 밸브를 갖는 배기 가스 재순환 시스템에 의해, 엔진 동력과는 독립적으로 배기 가스 재순환을 일어나게 할 수 있다. 추가로, 2개의 터보 과급기를 병렬적으로 사용할 수 있고 또한 추가로 배기 가스의 일 부분을 정화하여 재순환시킬 수 있다. 따라서, 이러한 시스템은 배기 가스 조성을 요구되는 표준에 따라 쉽게 적합하게 할 수 있다.
상기 배기 출구는 연소 엔진의 하나 이상의 실린더의 출구에 배치된다. 엔진의 공기 입구는 바람직하게는 소기(scavenge) 공기 수용부를 포함한다.
본 발명에 따른 기능 덕트는 터보 과급기에 동력을 주기 위해 배기 가스를 사용하고 신기(fresh air)를 엔진의 공기 입구에 보낸다. 본 발명에 따른 공기 덕트는 배기 출구에서 나온 배기 가스를 엔진의 공기 입구에 보낸다.
유입 밸브들은 적어도 부분적으로 개방된 위치를 취할 수 있어, 공기 덕트와 제 2 기능 덕트는 병렬적으로 사용될 수 있다. 제어 유닛은 다른 밸브와 독립적으로 완전 폐쇄에서 완전 개방으로 두 밸브의 개방을 제어할 수 있다. 또한, 밸브의 위치는 상황에 적합하게 될 수 있다.
제 1 기능 덕트는 제 1 터보 과급기의 하류에 있는 제 1 냉각기 및 바람직하게 그 제 1 냉각기의 하류에 있는 제 1 물 연무(mist) 포집기를 포함한다.
터보 과급기의 하류에 냉각기를 둠으로써, 냉각된 공기는 따뜻한 공기와 비교하여 더 높은 밀도를 가지므로 엔진의 유효 인자가 더 높게 된다. 물 연무 포집기는 공기를 건조시키며 그래서 연소실에서 부식이 덜 일어나게 된다.
상기 배기 가스 정화 장치는 스크러버(scrubber) 및 적어도 제 2 물 연무 포집기를 포함한다.
스크러버는 스크러버에 의해 배기 가스에 도입된 물을 잡는 물 연무 포집기와 함게 배기 가스를 정화하는데에 사용될 수 있다.
상기 스크러버는 가스 수집과 미립자 물질 제거를 위한 결합형 스크러버일 수 있다.
하류에 있는 부품의 오염과 부식을 방지하기 위해 스크러버는 재순환 배기 가스로부터 미립자 물질인 SO3 및 H2SO4를 제거해야 한다. 배기 가스 스크러빙을 위한 다양한 스크러버 기술이 알려져 있지만, 고압용으로 사용되는 컴팩트한 형태의상용화된 제품은 존재하지 않는다. 건식 및 반건식 스크러버가 이용가능한데, 이는 가스 제거에 있어 매우 효율적이다. 또한, 건식 스크러버는 크고 무거운데, 그래서 선박 엔진에 건식 스크러버를 추가하는 것은 거의 불가능하다. 미립자 물질 제거를 위해 습식 또는 전기 사이클론 스크러버와 같은 다른 종류의 스크러버가 가장 효율적이다. 다른 종류의 스크러버가 결합되면, 그 스크러버를 위한 보조 장치는 동일한 매체 또는 세제를 사용해야 한다. 이에 따라, 결합 스크러버의 경제적인 통합이 이루어진다.
연소 과정 중에 생기는 물 및 30 ∼ 35℃로의 재순환 배기 가스의 필요한 냉각 때문에, 공기 덕트 안에서 응축이 일어날 것이다. 응축물은 모아서 처리하여 배출시키거나 저장해야 한다. 그래서, 응축물 또는 스크러버 물 처리를 위한 탑재식 장치가 설치되어야 한다. 습식 스크러버의 경우, 응축물 처리 장치는 스크러버 물 처리를 위해 추가적으로 설계되고 사용될 수 있다. 추가적인 스크러버 세제 취급 장치는 필요치 않다. 습식 스크러버는 기체 오염물질과 미립자 물질을 높은 효율로 제거할 수 있으므로, 습식 스크러버는 위에서 언급한 요건들을 결합하며, 결합이 필요 없거나 가능하지 않는 경우에는 가장 바람직한 스크러버 유형이다.
습식 스크러버에서는 중화(neutralisation) 유닛, 물 공급 및 슬러지 탱크 또는 물 분리 유닛과 같은 스크러버 물 처리 장치가 필요하다. 세척액은 바닷물(개루프 시스템) 또는 산(acid) 중화를 위한 적절한 알칼리도를 갖는 신수(fresh water)(폐루프 시스템)일 수 있다.
가능한 스크러버는 플레이트 타워 스크러버, 스프레이 타워 스크러버 또는 SO2 흡수를 위한 이젝터 벤튜리 스크러버 및/또는 미립자 물질 제거를 위한 벤튜리 스크러버 또는 다중 벤튜리 스크러버이다.
제 2 물 미스트 포집기의 하류에는 블로어 또는 압축기와 같은 압력 증가 장치가 있다.
이 블로어는 바람직하게는 제어가능한 속도로 전기적 또는 기계적으로 구동될 수 있다. 이러한 가변성으로 인해, 엔진 부하점 및 조정 요건에 따라 배기 가스 유량 및 압력 증가를 비교적 간단하게 조절할 수 있다.
압력 증가 장치를 사용하면 배기 가스 재순환 시스템은 2-행정 엔진에도 사용될 수 있다. 압력 증가 장치가 없으면 배기 가스 재순환 시스템은 4-행정 엔진에만 사용될 수 있다.
제 2 기능 덕트는 제 2 터보 과급기의 하류에 있는 제 2 냉각기를 포함할 수 있다.
제 2 냉각기의 사용으로, 냉각된 공기가 배기 가스에 바로 나온 따뜻한 공기 보다 밀도가 더 크기 때문에 엔진의 효율 인자가 커지게 된다.
제 1 밸브가 제 2 터보 과급기의 바로 하류에 배치될 수 있다.
제 2 터보 과급기의 바로 하류에 있는 제 1 밸브로 인해, 제 2 터보 과급기를 완전히 차단할 수 있고 또한 배기 가스의 일 부분을 위한 턱트에서만 배기 가스 재순환을 사용할 수 있다.
"바로" 라는 용어는, 터보 과급기에서 나가는 공기에 영향을 주는 다른 장치가 터보 과급기와 밸브 사이에 없는 것으로 이해하면 된다. 물론, 다른 길이 또는 직경을 가질 수 있는 라인이 밸브와 터보 과급기 사이에 있을 수 있다.
공기 덕트는 배기 가스 정화 장치의 상류에 배치되는 제 3 냉각기를 포함할 수 있다.
제 3 냉각기에 의해, 배기 가스 정화 장치를 통과하는 공기도 냉각되므로 엔진의 효율 인자가 더 커지게 된다.
제 2 냉각기와 제 3 냉각기는 제 2 터보 과급기의 하류 및 공기 덕트에 있는 제 1 밸브의 하류에 배치되는 결합형 냉각기일 수 있다.
결합형 냉각기는 단지 하나의 구성품만 필요로 하고 설치가 쉽다. 공기 덕트는 결합형 냉각기의 하류에 있는 결합 라인 밸브를 포함할 수 있다. 결합 라인 밸브는 바람직하게는 3-방(way) 밸브이다.
결합 라인 밸브에 의해, 냉각된 배기 가스 또는 신기를 스크러버에 통과시킬지 또는 그 스크러버를 우회시킬지를 선택할 수 있다. 그래서, 오염물질의 양은 필요한 상황에 따라 적합하게 될 수 있다.
상기 배기 가스 정화 장치는 스크러버를 우회하기 위해 상기 결합 라인 밸브와 제 2 물 연무 포집기 사이에 있는 우회 덕트를 포함할 수 있다.
우회에 의해, 공기는 스크러버를 우회할 수 있고 그래서 스크러버의 사용을 피할 수 있고 또는 스크러버가 사용되지 않을 때 공기가 그 스크러버를 통과하는 것을 피할 수 있다.
이리하여 전체 시스템의 수명이 길어지게 된다.
상기 제 3 냉각기의 하류에는 2개의 3-방 밸브가 직렬로 배치되어 있고, 상기 공기 덕트는 2개의 연결 라인에 의해 상기 제 2 기능 덕트에 연결되며, 제 1 연결 라인은 제 1 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 바로 상류에서 제 1 연결점에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있다. 제 2 연결 라인은 제 2 3-방 밸브에서 시작되고 상기 제 2 냉각기의 바로 하류에서 제 2 연결점에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있다. 제 1 체크 밸브가 상기 제 1 연결점의 상류에 배치되고 제 2 체크 밸브가 상기 제 2 연결점의 하류에 배치되어 있다.
이러한 구성으로, 제 1 터보 과급기와 제 2 터보 과급기의 결합된 작동 및 공기 덕트에서의 배기 가스 정화가 가능하게 된다. 추가적으로, 제 2 터보 과급기는 중단될 수 있고 공기 덕트에만, 완전히 정화된 배기 가스가 공급될 수 있다. 이러한 경우를 위해, 제 1 및 2 냉각기가 직렬로 배치되고 그래서 단지 하나의 냉각기가 있는 경우 보다 더 높은 냉각 성능을 얻는 것이 유리하다. 또한, 이러한 구성은 그의 이용에 있어 극히 신뢰적이다.
상기 제 3 냉각기의 하류에 있는 상기 2개의 3-방 밸브는 하나의 밸브, 바람직하게는 하나의 플랩으로 결합될 수 있다.
두 밸브가 하나로 결합됨으로써, 제조 비용이 낮아지고 전체 시스템의 설치를 위한 공간이 최적으로 사용될 수 있다.
연결점 후 밸브, 바람직하게는 플랩이 상기 제 2 연결점의 하류에 배치될 수 있다.
연결점 후 밸브에 의해, 완전한 공기 또는 배기 가스를 배기 가스 재순환 시스템의 정화 시스템에 통과시킬 수 있다.
제 3 물 연무 포집기가 상기 연결점 후 밸브의 하류에 배치될 수 있다.
제 2 기능 덕트에 있는 제 3 물 연무 포집기에 의해 건조한 공기가 얻어지고, 이 공기는 엔진의 공기 입구에 공급된다. 이리하여 부식이 적게 된다.
대안적으로, 상기 제 3 냉각기의 하류에는 2개의 3-방 밸브가 직렬로 배치되어 있고, 상기 공기 덕트는 2개의 연결 라인에 의해 상기 제 2 기능 덕트에 연결된다. 제 1 연결 라인은 제 1 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 상류에 있는 제 3 3-방 밸브에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있으며, 제 2 연결 라인은 제 2 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 바로 하류에 있는 제 4 3-방 밸브에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있다.
앞의 구성처럼 이 구성에 의해, 제 2 터보 과급기 또는 공기 덕트 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 이리하여, 필요한 상황에 적합하게 될 수 있는 매우 유연한 시스템이 얻어진다.
예비 물 연무 포집기가 상기 제 3 냉각기의 하류에 배치될 수 있다.
이러한 예비 물 연무 포집기는 스크러버의 효율을 향상시키고 그래서 더 깨끗한 재순환 배기 가스가 얻어지게 된다.
예비 스크러버가 상기 제 1 유입 밸브의 하류에 배치될 수 있다.
예비 스크러버에 의해, 배기 가스의 정화가 더 효율적으로 이루어지며 또한 제 3 냉각기의 표면을 깨끗하게 유지하는데에 도움이 될 수 있다.
재순환 배기 가스는 소기 공기와 혼합되기 전에 소기 공기 온도까지 냉각되어야 한다. 목표 온도는 ISO 조건에서 30 ∼ 35℃ 이다. 재순환율이 40%인 습식 스크러버가 사용되는 경우, 그 스크러버의 상류에서 열교환기가 사용되지 않는다면, 총 배기 가스 에너지의 약 40%가 스크러버 물에서 소산된다. 터빈 전 배기 가스의 높은 온도(350 ∼ 500℃)로 인해, 열교환기를 포함하는 배기 가스 재순환 시스템의 설계가 폐열 회수 면에서 유리하다(예컨대, 회수된 에너지는 신수 발생기의 작동에 사용될 수 있음).
두 종류의 열교환기(냉각기라고도 함)가 사용될 수 있다. 첫째, 건식 열교환기가 있는데, 배기 가스의 출구 온도는 수증기의 이슬점 보다 높고 냉각 과정으로 인해 웅축물이 생기지 않는다. 냉각기의 표면에 퇴적물이 축적되는 것을 방지하기 위해, 열교환기를 통과하는 가스 속도는 비교적 높을 것이 요구되는데, 그러면, 열교환기에서의 압력 손실이 증가하게 된다. 둘째, 습식 열교환기가 있는데, 냉각기 출구에서 배기 가스의 온도는 의도적으로 수증기의 이슬점 보다 낮게 된다. 응축물은 냉각기 관을 영구적으로 정화시킨다. 증가된 응축물 유동에 의한 정화 효과를 높히기 위해, 열교환기의 상류에서 예컨대 물이 분사되는 추가적인 예비 스크러버가 설치될 수 있다.
한편, 출구 온도는 이슬점 온도에 의해 제한되지 않으므로, 회수되는 에너지는 건식 열교환기 보다 습식 열교환기의 경우에 더 크다. 다른 한편, 열교환기 선택은, 스크러버 입구에서의 배기 가스 조건, 즉 물 액적으로의 포화 및 로딩에 대해, 스크러버의 종류 및 그의 요건에 의해 제한될 수 있다. 열교환기 재료는 건식 및 습식의 작동 방식에도 달려 있다.
제 3 물 연무 포집기가 상기 제 4 3-방 밸브의 하류에 배치될 수 있다.
제 3 물 연무 포집기는 공기로부터 습기를 제거하는데, 그래서, 공기가 실린더에 도입될 때 엔진에서 부식이 덜 일어나게 된다.
앞에서 언급한 시스템 중 어떤 것도, 상기 기능 덕트 및/또는 공기 덕트에서 나온 공기가 혼합될 수 있는 혼합 장치를 포함할 수 있다.
상기 혼합 장치는 능동형 또는 수동형 혼합 장치일 수 있고 재순환 배기 가스와 터보 과급기 외부의 신기를 혼합하는데 사용되며, 그래서 엔진에 도입되는 공기의 조성이 균일하게 되고 또한 오염물질, 미립자 물질 또는 산소의 피크를 갖지 않는다.
수동형 혼합 장치는 공기가 스스로 혼합될 수 있는 공간의 외부에 구성되며, 여기서 능동형 혼합 장치는 예컨대 교반 장치를 이용하여 공기를 적극적으로 혼합한다.
상기 배기 가스 정화 장치는 소기(scavenge) 공기 유닛과 결합될 수 있다.
양 장치의 조합에 의해 가용 공간이 더 잘 이용된다.
소기 공기 유닛은 적어도 냉각기 및 물 연무 포집기를 포함한다. 배기 가스 정화 장치는 일반적으로 스크러버 및 선택적으로 다른 물 연무 포집기를 포함한다.
냉각기는 하나의 장치에서 소기 공기 냉각기 및/또는 배기 가스 냉각기로 사용될 수 있다. 이리하여 또한 시스템의 비용이 최적화된다.
상기 목적은, 전술한 바와 같은 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진, 바람직하게는 2-행정 엔진으로도 달성된다.
이러한 엔진은 주변의 배기 가스 재순환에 유연하게 적합하게 될 수 있다.
상기 목적은 또한, 해양 선박의 엔진을 업그레이드하기 위한 전술한 바와 같은 배기 가스 재순환 시스템의 용도로 달성된다. 전술한 바와 같은 배기 가스 재순환 시스템으로 해양 선박의 엔진을 업그레이드함으로써, 이미 운행되고 있는 인 선박에 의해서도 배기 가스 조절이 이루어질 수 있다.
상기 목적은, 바람직하게는 전술한 바와 같은 시스템을 사용하여 바람직하게는 해양 선박에서 배기 가스를 재순환시키기 위한 방법으로도 달성되는데, 이 방법은,
a. 제 1 기능 덕트에 있는 제 1 터보 과급기의 제 1 터빈을 작동시키기 위해 연소 엔진의 배기 가스의 적어도 일 부분을 사용하여 제 1 압축기에서 공기를 압축하고 압축 공기를 연소 엔진의 공기 입구에 전달하는 단계;
b. 제 2 기능 덕트에 있는 제 2 터보 과급기의 제 2 터빈을 작동시키기 위해 연소 엔진의 배기 가스의 적어도 일 부분을 사용하여 제 2 압축기에서 공기를 압축하고 압축 공기를 연소 엔진의 공기 입구에 전달하는 단계; 및
c. 배기 가스를 재순환시키기 위해 공기 덕트에서 연소 엔진의 배기 가스의 제 3 부분을 사용하고 배기 가스 출구와 연소 엔진의 공기 흡기부 사이에서 배기 가스를 배기 가스 정화 유닛에서 정화하는 단계를 포함하고,
d. 상기 공기 덕트에 있는 제 1 유입 밸브와 제 2 터빈의 상류에 있는 제 2 유입 밸브 모두가 적어도 부분적으로 개방된 위치를 취할 수 있도록 제어 유닛이 상기 제 2 터빈과 공기 덕트를 통과하는 배기 가스의 양을 제어한다.
이러한 배기 가스 재순환 방법에 의해, 엔진이 100%로 완전 작동 중일 때에도, 배기 웨이스트 게이트를 사용할 필요 없이, 배기 가스의 일 부분을 재순환시키고 정화할 수 있다.
그래서, 배기 가스 정화가 이루어질 수 있기 전에 엔진 동력을 감소시켜야 하는 시스템과 비교하여 더 쉽게 배기 오염물질 값을 직접 얻을 수 있다.
상기 공기 덕트 내의 배기 가스는 제 1 유입 밸브의 하류에 있는 예비 스크러버를 통과할 수 있다.
제 1 유입 밸브의 하류에 있는 예비 스크러버에 의해, 배기 가스가 사전에 정화되고 또한 배기 가스 정화 효율이 더 높게 된다.
상기 배기 가스는 상기 유입 밸브의 하류에 있는 적어도 하나의, 바람직하게는 2개의 냉각기를 통과할 수 있다.
배기 가스의 냉각에 의해, 엔진에 다시 도입되기 전에 배기 가스의 밀도가 낮아지고 엔진의 효율이 더 높게 된다. 2개의 냉각기를 사용함으로써, 배기 가스 정화를 받는 배기 가스의 양을 적합하게 할 수 있다.
상기 배기 가스는 상기 냉각기의 하류에 있는 스크러버를 통과할 수 있다.
스크러버는 배기를 정화하고 전술한 바와 같은 결합형 스크러버일 수 있다.
상기 압축 공기는 냉각기의 하류에서 스크러버를 우회할 수 있다.
배기 가스 정화가 필요하기 않는 경우, 스크러버는 우회되어 보전될 수 있고 그 스크러버의 사용 수명이 길어지게 된다.
상기 배기 가스는 냉각기의 하류 및/또는 스크러버의 하류에 있는 적어도 하나의 물 연무 포집기를 통과할 수 있다.
물 연무 포집기를 사용함으로써, 공기 또는 배기 가스로부터 물이 제거되어 엔진에서의 부식이 감소하게 된다.
상기 배기 가스는 공기 흡기부 안으로 재순환되기 전에 외부의 압축 공기와 혼합될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 시스템의 제 1 실시 형태의 개략도이다.
도 2 는 제 1 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 0% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 3 은 제 1 실시 형태의 0 ∼ 60% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 4 는 제 1 실시 형태의 60 ∼ 100% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 5 는 제 1 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 40% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 6 은 본 시스템의 제 2 실시 형태의 개략도이다.
도 7 은 제 2 실시 형태의 0 ∼ 60% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 8 은 제 2 실시 형태의 60 ∼ 100% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 9 는 제 2 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 0% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 10 은 제 2 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 40% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도이다.
도 11 은 배기 가스 재순환 시스템을 위한 공간을 갖는 엔진의 단면도이다.
도 12 는 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 13 은 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 14 는 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 15 는 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 16 은 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 17 은 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 18 은 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 19 는 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 20 은 제 1 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 21 은 제 2 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도이다.
도 22 는 A - A 에서 잘라서 본 도 20 또는 21 의 단면도이다.
도 23 은 제 1 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 24 는 제 2 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도이다.
도 1 은 본 시스템(1)의 일 실시 형태의 개략도를 나타낸다. 배기 가스 재순환 시스템(1)은 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치된다. 배기 출구(2)에서 나오는 배기 가스는 부분적으로 제 1 터보 과급기(4) 안으로 가고, 거기서 배기 가스가 터빈에 동력을 주고 신기(fresh air)가 압축기 안으로 흡인되며, 그 압축기는 제 1 터보 과급기(4)의 터빈으로 구동된다. 압축 공기는 제 1 냉각기(12)로 가고 그런 다음 제 1 물 연무(mist) 포집기(13)를 통과하게 된다. 제 1 물 연무 포집기(13)로부터 압축 공기는 혼합 장치(37)로 가게 된다. 배기 출구(2)에서 나오는 배기 가스의 다른 부분은 제 2 터보 과급기(6)를 통과하고, 거기서 배기 가스는 제 1 터보 과급기(4)와 유사한 터빈을 구동시킨다. 제 2 터보 과급기(6)의 터빈의상류에는 제 2 유입 밸브(11)가 배치되어 있다. 터보 과급기(6)의 압축기에 의해 압축된 신기는 제 1 밸브(18) 및 제 2 냉각기(17)를 통과하여 제 4 3-방(way) 밸브(33)로 간다. 제 4 3-방 밸브(33)의 하류에는 제 3 물 연무 포집기(29)가 배치되어 있다. 그리고 건조 공기가 혼합 장치(37)로 간다. 배기 가스의 제 3 부분은 배기 출구(2)로부터 나와 제 1 유입 밸브(10)를 통과해 제 3 냉각기(19) 안으로 간다. 제 3 냉각기(19)의 하류에는 2개의 3-방 밸브(22a, 22b)가 직렬로 배치되어 있다. 이들 두 3-방 밸브(22a, 22b)의 하류에는 배기 가스 정화 장치(8)가 배치되어 있다. 이 배기 가스 정화 장치(8)는 스크러버(scrubber)(14) 및 이 스크러버(14)의 하류에 있는 제 2 물 연무 포집기(15)를 포함한다. 제 2 물 연무 포집기(15)의 하류에는 압력 증가 장치(16)가 배치되어 있다. 이 실시 형태에서 압력 증가 장치는 블로어(blower)이다. 블로어에서 나온 공기는 혼합 장치(37) 안으로 간다. 제 1 3-방 밸브(22a)는 연결 라인(23a)에 의해 제 3 3-방 밸브(32)에 연결된다. 이 실시 형태에서 제 3 3-방 밸브(32)는 제 1 밸브(18)에 대응한다. 제 2 3-방 밸브(22b)는 연결 라인(23b)에 의해 제 4 3-방 밸브(33)에 연결된다. 이 설계의 이점은 도 2 ∼ 5와 관련한 설명에서 제시할 것이다.
도 2 는 도 1에 나타나 있는 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 0% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 작동 모드에서, 터보 과급기(4, 6) 모두는 100% 능력으로 작동한다. 제 1 터보 과급기(4)는 대략 60%의 배기 가스에 의해 동력을 받으며, 제 2 터보 과급기(6)는 대략 40%의 배기 가스에 의해 동력을 받는다. 양 터보 괴급기(4, 6)의 하류에는 냉각기(12, 17)가 각각 배치되어 있다. 모든 냉각기(12, 17)의 하류에는 물 연무 포집기(13, 15)가 배치되어 있다. 양 터보 과급기(4, 6)에서 나온 압축 공기는 혼합 장치(37)로 가며, 거기서 공기가 공기 입구(3)로 가기 전에 혼합된다. 상기 시스템(1)의 이 작동 모드에서, 제 1 기능 덕트(5)가 제 1 터보 과급기(4), 제 1 냉각기(12) 및 제 1 물 연무 포집기(13)에 의해 형성된다. 제 2 기능 덕트(7)는 제 2 터보 과급기(6), 제 2 냉각기(17) 및 제 2 물 연무 포집기(15)에 의해 형성된다. 제 2 터보 과급기(6)의 상류에는 제 2 유입 밸브(11)가 배치되어 있는데, 이 밸브는 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이의 위치를 취할 수 있다. 그래서, 제 2 기능 덕트(7)를 통과하는 배기 가스의 양은 엔진 부하에 따라 제어될 수 있다. 제 2 유입 밸브(11)의 위치는 제어 유닛(미도시)에 의해 제어된다. 이 작동 모드에서 상기 시스템(1)은 TIER Ⅱ 한계의 요건을 만족한다.
도 3은 도 1에 나타나 있는 제 1 실시 형태의 0 ∼ 60% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 작동 상태에서, 제 1 터보 과급기(4), 제 1 냉각기(12) 및 제 1 물 연무 포집기(13)에 의해 형성되는 상기 제 1 기능 덕트(5)가 도 2 에 나타나 있는 바와 같이 작동한다. 도 2 의 작동 상태와는 달리, 이 작동 상태에서는 배기 가스 재순환이 일어난다. 대략 60%의 배기 가스가 제 1 터보 과급기(4)를 통과하여 터보 과급기(4)에 동력을 주고 또한 그와 함께 제 1 기능 덕트(5)에 동력을 준다. 나머지 배기 가스는 공기 턱트(9)를 통과하고, 이 공기 덕트는 제 1 유입 밸브(10), 제 3 냉각기(19), 스크러버(14), 물 연무 포집기(15) 및 압력 증가 장치(16)로 구성된다. 그런 다음 배기 가스는 압력 증가 장치(16)로부터 혼합 장치(37)로 가서, 제 1 기능 덕트(5)로부터 온 신기와 재혼합된다. 3-방 밸브(22a, 22b)는 배기 공기만 공기 덕트(9)를 관류할 수 있게 해준다. 적어도 제 1 유입 밸브(10)의 위치는 제어 유닛(미도시)에 의해 제어되며, 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 제어될 수 있다.
도 4 는 도 1에 나타나 있는 제 1 실시 형태의 60 ∼ 100% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 작동 상태에서는, 양 기능 덕트(5, 7) 및 공기 덕트(9)가 작동한다. 도 2 및 3 과 관련하여 이미 언급한 바와 같이, 제 1 기능 덕트(5)에는, 제 1 터보 과급기(4)의 터빈에 동력을 주는 대략 60%의 배기 가스가 공급되고, 제 1 터보 과급기(4)에서 나온 압축 공기는 제 1 냉각기(12)와 제 1 물 연무 포집기(13)를 통과해 혼합 장치(37)로 가게 된다. 나머지 배기 가스는 기능 덕트(7)와 공기 덕트(9)를 통과한다. 기능 덕트(7)의 구성은 도 2 의 기능 덕트(7)에 대응하고, 공기 덕트(9)의 구성은 도 3 의 공기 덕트(9)에 대응한다. 공기 덕트(9)와 기능 덕트(7)를 통과하는 배기 가스의 양을 제어하기 위해, 공기 덕트(9)의 제 1 유입 밸브(10) 및 기능 덕트(7)의 제 2 유입 밸브(11)는 제어 유닛(미도시)에 의해 제어된다. 이 작동 모드에서는, 100% 엔진 부하에서 배기 가스를 부분적으로 재순환시킬 수 있어, TIER Ⅱ 요건이 만족된다.
도 5 는 도 1에 나타나 있는 제 1 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 40% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 실시 형태에서는 제 2 터보 과급기(6)(도 1 참조)가 차단된다. 도 2 ∼ 4 와 관련하여 이미 언급한 바와 같이, 제 1 기능 덕트(5)가 작동한다. 공기 덕트(9)는 모두 4개의 3-방 밸브(22a, 22b, 32, 33)를 통해 제 2 냉각기(17)에 의해 연장된다. 여기서, 배기 가스는 배기 출구(2)로부터 제 1 유입 밸브(10)를 통과해 제 3 냉각기(19)로 가고, 그런 다음에 3-방 밸브(22b)에 의해 연결 라인(23a)을 통해 제 3 3-방 밸브(32)로 가고 또한 제 2 냉각기(17)를 통과하게 된다. 제 2 냉각기(17)의 하류에서 배기 가스는 제 4 3-방 밸브(32) 및 연결 라인(32b)을 통과해 3-방 밸브(22a)로 가고 이어서 배기 가스 정화 장치(8)를 통과하게 되며, 이 정화 장치는 스크러버(14)와 제 2 물 연무 포집기(15)로 구성된다. 배기 가스 정화 장치(8)의 하류에서 공기는 압력 증가 장치(16)를 통과하여 혼합 장치(37) 안으로 공급된다. 제 1 기능 덕트(5)로부터 온 신기와의 혼합 후, 혼합 공기는 공기 입구(3)를 통과한다. 이 구성에서, 상기 시스템(1)은 100% 엔진 부하에서 TIER Ⅲ 기준을 만족할 수 있다.
도 6 은 상기 시스템(1)의 제 2 실시 형태의 개략도를 나타낸다. 제 2 실시 형태의 시스템(1)은 제 1 기능 덕트(5)를 포함하고, 이 기능 덕트는 제 1 터보 과급기(4), 제 1 냉각기(12) 및 제 1 물 연무 포집기(13)를 포함한다. 제 1 기능 덕트(5)로부터 나온 압축된 신기는 공기 입구(3)에서 엔진(미도시)에 들어가기 전에 혼합 장치(37)에 들어가게 된다. 도 1 에 따른 제 1 실시 형태와 다르게, 제 1 기능 덕트(5)는 배기 웨이스트 게이트(waste gate)(39)를 더 포함하는데, 이 배기 웨이스트 게이트는 터보 과급기에 동력을 주기 위해 배기 가스를 사용하거나 배기 가스를 재순환시킴이 없이 배기 가스를 버릴 수 있다.
제 2 기능 덕트(7)는 제 2 유입 밸브(11)를 포함하고, 이 유입 밸브는 제 2 터보 과급기(6)의 상류에 배치된다. 제 2 터보 과급기(6)로부터 나온 압축 공기는 제 1 밸브(18)를 통과하여 제 2 냉각기(17) 안으로 들어간다. 이 제 2 냉각기(17)의 하류에는, 3-방 밸브 형태의 결합 라인 밸브(20)가 배치된다. 이 결합 라인 밸브(20)로부터 제 1 라인이 스크러버(14)에 연결되어 있고 또한 물 연무 포집기(15) 안으로 이어져 있다. 또한, 결합 라인 밸브(20)로부터 우회 덕트(21)가 스크러버(14)를 우회하여 물 연무 포집기(15)에 직접 이어져 있다. 배기 가스는 배기 출구(2)로부터 나와 제 1 유입 밸브(10)를 통과하여 냉각기(17) 안으로 들어간다. 그래서 냉각기(17)는 제 2 기능 덕트(7)와 공기 덕트(9)를 위한 결합형 냉각기이다. 또한, 제 2 물 연무 포집기(15)는 공기 덕트(9)와 제 2 기능 덕트(7) 사이에 공유된다. 제 2 물 연무 포집기(15)의 하류에는 압력 증가 장치(16)가 혼?d 장치(37)의 바로 상류에 배치되어 있다. 혼합 장치(37)에서, 재순환된 배기 가스와 압축 신기가 혼합되어 공기 입구(3) 안으로 공급된다. 또한, 제 2 실시 형태는, 제 2 물 연무 포집기(15)로부터 나온 공기의 압력이 공기 입구(3) 안으로의 직접적인 도입에 충분한 경우를 위해 역류 방지 밸브(40)를 포함한다. 이 도에 따른 제 2 실시 형태의 작동 모드를 도 7 ∼ 10 을 참조하여 설명한다.
도 7 은 도 6에 따른 제 2 실시 형태의 0 ∼ 60% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 제 1 기능 덕트(5)는 도 1 ∼ 6 과 관련하여 설명한 바와 같이 터보 과급기(4), 제 1 냉각기(12) 및 제 1 물 연무 포집기(14)로 구성된다. 배기 출구(2)로부터 나온 대략 60%의 배기 가스가 압축기에 동력을 주기 위해 터보 과급기(4) 안으로 공급된다. 나머지 배기 가스는 배기 출구(2)로부터 제 1 유입 밸브(10)를 통과해 제 2 냉각기(17) 안으로 들어간다. 제 2 냉각기(17)의 하류에서, 상기 결합 라인 밸브(20)는 배기 가스를 스크러버(14)와 물 연무 포집기를 통해 블로어(16) 안으로 보내는 위치에 있다. 블로어(16)의 하류에서 배기 가스는 혼합 장치(37) 안으로 들어가고 이어서 공기 입구(3)로 가게 된다. 이 구성으로 TIER Ⅱ 요건이 만족된다.
도 8 은 도 6에 따른 제 2 실시 형태의 60 ∼ 100% 엔진 부하 및 10% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 작동 조건은, 더 높은 엔진 부하에서 과잉의 배기 가스를 대기에 직접 버릴 수 있는 배기 게이트(39)를 제외하고는, 도 7 의 작동 조건에 대응한다. 공기 덕트(5)는 터보 과급기 능력의 한한계 때문에 이들 부하에서는 나머지 배기 가스 유동을 다룰 수 없다. 이 구성으로 TIER Ⅱ 기준이 만족된다.
도 9 는 도 6에 따른 제 2 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 0% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 대략 60%의 배기 가스가 배기 출구(2)로부터 나와 제 1 터보 과급기(4)를 통과한다. 터보 과급기(4)로부터 나온 압축 공기는 제 1 냉각기(12)와 제 1 물 연무 포집기(13)를 통과해 혼?d 장치(37) 안으로 들어간다. 이 제 1 기능 덕트(5)는 도 1 에 나타나 있는 제 1 실시 형태의 제 1 기능 덕트(5)에 대응한다. 이 실시 형태에서 배기 가스는 재순환되지 않으므로, 대략 40%의 배기 가스가 사용되어 터보 과급기(6)에 동력을 주게 된다. 이 터보 과급기에 동력을 주기 위해 사용되는 배기 가스의 양은, 제어 유닛(미도시)에 의해 제어되는 제 2 유입 밸브(11)에 의해 제어될 수 있다. 터보 과급기(6)에 의해 압축된 공기는 제 1 밸브(18)를 통과하여 제 2 냉각기(17)로 가게 된다. 공기가 제 2 냉각기(17)에서 냉각된 후에, 그 공기는 결합 라인 밸브(20) 및 우회 덕트(21)를 통과하여 정화 장치를 우회하게 된다. 우회 덕트(21)의 하류에서 공기는 제 2 물 연무 포집기(15)를 통과하고, 공기는 그의 높은 압력 레벨 때문에 추가 압력 증가에 대한 필요 없이 공기 입구(3) 안으로 직접 공급될 수 있다. 이 작동 모드에서, TIER Ⅱ의 요건이 달성될 수 있다.
도 10 은 도 6에 따른 제 2 실시 형태의 0 ∼ 100% 엔진 부하 및 40% 배기 가스 재순환에 대한 작동 조건의 개략도를 나타낸다. 이 작동 모드의 제 1 기능 덕트(5)는 도 9 의 제 1 기능 덕트에 대응한다. 배기 가스를 제순환시키기 위해, 배기 가스는 배기 출구(2)로부터 나와 제 1 유입 밸브(10)를 통과하여 냉각기(17) 안으로 들어가고 이어서 결합 라인 밸브(20)로 가게 된다. 결합 라인 밸브(20)는 배기 가스를 스크러버(14)와 제 2 물 연무 포집기(15)에 보내는 위치에 있다. 그래서, 이 실시 형태에서는 제 1 터보 과급기(4)만 필요하다. 제 1 유입 밸브(10)는 제어 유닛(미도시)에 의해 제어된다. 이 작동 모드로 TIER Ⅲ 기준이 만족된다.
도 11 은 배기 가스 재순환 시스템(1)을 위한 공간을 갖는 엔진(38)의 단면도를 나타낸다. 배기 가스 재순환 시스템(1)을 위한 공간은 엔진(38)의 가용 공간에 통합되어야 한다. 이러한 통합에 의해, 배기 가스 재순환 시스템(1)에서의 압력 손실이 낮게 된다. 도 12 ∼ 24 에 나타나 있는 다음의 설계안은 도 1 또는 6 의 실시 형태에 기초하고 도 11 에 나타나 있는 가용 공간에 적합하게 되어 있다.
도 12 는 배기 가스 재순환 모드에 있는 도 6 에 나타나 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도를 나타낸다. 전반적인 설계는 2개의 격실, 즉 소기(scavenge) 공기 격실(41)인 외측 격실 및 스크러버(14)를 포함하는 내측 격실로 이루어져 있다. 제 2 기능 덕트(7) 및/또는 공기 덕트(9)로부터 나온 배기 가스는 제 2 냉각기(17)를 통과한다. 제 2 냉각기(17)의 하류에 있는 결합 라인 밸브(20)는 2개의 플랩으로 구성되어 있는데, 이들 플랩은 회전점(42) 주위로 회전할 수 있다. 결합 라인 밸브(20)는 배기 가스 재순환이 일어날 수 있게 해주는 위치에 있다. 배기 가스는 스크러버(14)를 통과한다. 소기 공기 격실(41)을 통한 직접적인 가스 유동은 차단되고 배기 가스는 벤튜리 노즐(45)을 통해 스크러버(14)를 통해 안내된다. 최고의 미립자 제거 효율을 위해 세척액 스프레이 노즐(43)이 벤튜리 노즐 목부에 위치되어 있다. 배기 가스 유동이 벤튜리 노즐(45)을 지난 후에는 둥근 스크러버 격실 형상으로 인해 직접 상방으로 가스 스크러버(14) 안으로 가게 된다. 스크러버의 가장 낮은 지점에는 드레인이 위치될 수 있다. 배기 가스는 상류 유동으로 가스 스크러버(14)를 통과한다. 스크러버(14)는 플레이트 스크러버로 설계되어 있다. 플레이트는 단순한 천공 플레이트, 시이브(seive) 플레이트, 충돌 플레이트, 버블 컷 플레이트 또는 밸브 플레이트 또는 이것들의 조합형일 수 있다. 가스 제거 효율이 충분하지 않으면, 추가적인 패킹 재료가 접촉 면적을 증가시키기 위해 플레이트 사이에 배치될 수 있다. 플레이트의 상부에서 세척액이 가스 스크러버(14) 안으로 부어지고 중력에 의해 배기 가스에 대해 대향류 유동으로 하방으로 플레이트를 관류하게 된다. 스크러버 플레이트 위쪽에서 배기 가스는 스크러버 격실의 길이 방향 중심 안으로 안내된다. 그런 다음 배기 가스는 대각선 방향의 하향 채널(44)(도 14 참조) 안으로 들어가게 된다. 배기 가스는 이 채널을 떠난 후 소기 공기 격실(41)에 들어가고, 분사된 세척액을 제거하기 위해 물 연무 포집기(15)를 통과한다. 그런 다음, 정화된 배기 가스는 압력 증가 장치(16)(미도시) 및 혼합 장치(37)(미도시)로 가게 된다.
도 13 은 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템(1)(도 6 에 도시)의 단면도를 나타낸다. 배기 가스 재순환이 없는 상태에서 플랩형태의 결합 라인 밸브(20)는 스크러버(14)에의 접근을 차단하는 위치에 있다. 터보 과급기(4)(미도시)에서 오는 압축 공기가 냉각기(17)를 통해 들어간다. 그런 다음 압축 공기는 소기 공기 격실(41)과 물 연무 포집기(15)를 직접 관류하게 된다. 물 연무 포집기(15)의 하류에서 공기는 공기 입구(3)(미도시)로 되돌아간다.
도 14 는 EGR 모드(도 12 참조)에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다.
도 15 는 도 13 에 따른 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다.
도 16 은 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도를 나타낸다. 이 실시 형태는 도 12 에 나타나 있는 실시 형태에 대응한다. 유일한 차이는 플랩(결합 라인 밸브(20)에 대응함)의 기하학적 구조에 있다. 이 실시 형태의 결합 라인 밸브(20)는 도 12 에 나타나 있는 바와 같은 하나의 플랩으로 결합되어 있지 않고, 2개의 개별적인 플랩을 포함한다. 이러한 설계의 이점은 플랩의 회전을 위해 필요한 공간이 적다는 것이다. 그래서, 이러한 실시 형태에서는 스크러버 격실은 더 많은 공간을 가질 수 있다.
도 17 은 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 단면도를 나타낸다. 이 실시 형태는 도 13 에 나타나 있는 실시 형태에 기초한 것으로, 도 12 및 16 사이의 차이와 동일한 차이를 가지고 있다. 결합 라인 밸브(20)는 더 적은 공간을 필요로 한다.
도 18 은 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다. 도 18 의 3차원도는 도 16 의 단면도에 대응한다. 결합 라인 밸브(20)는 2개의 개별적인 플랩을 포함하고 그래서 도 14 의 실시 형태와 비교하여 더 적은 공간을 필요로 한다.
도 19 는 비 EGR 모드에 있는 제 2 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다. 도 19 의 실시 형태는 도 17 의 단면도에 대응하는데, 도 15 의 실시 형태와 다른 점은, 결합 라인 밸브(20)가 2개의 개별적인 플랩을 가지고 있다는 것이다. 그 이점은 도 18 과 관련하여 이미 언급한 바와 같다.
도 20 은 제 1 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템(도 1 에 나타나 있음)의 단면도를 나타낸다. 제 1 작동 모드는 낮은 배기 가스 재순환율(대략 10%) 및 터보 과급기(6)로부터 나오는 감소된 압축 공기 유동(대략 30%)을 포함하거나 또는 0 ∼ 25% 엔진 부하에서의 약 40%의 배기 가스 재순환율 또는 컷오프 배기 가스 재순환을 포함한다. 상기 배기 가스 재순환 시스템은 일반적으로 소기 공기 격실(41) 및 배기 가스 정화 장치(8)를 포함한다. 배기 가스는 상부에서 스크러버(14)에 들어간다. 배기 가스는 특수한 배기 가스 재순환 냉각기(19)를 통과하고 선택적으로는 예비 물 연무 포집기를 통과한다. 냉각된 배기 가스는 그리고 나서 스크러버(14)에 들어간다. 이 스크러버(14)는 2개의 부분, 즉 미립자 스크러버와 가스 스크러버로 이루어져 있다. 미립자 스크러버는 벤튜리 스크러버 원리에 기초한다. 특히, 복수 개의 벤튜리 노즐(도 22 에 나타나 있음)이 수평으로 배치된다. 약 0.04 ㎛의 서브미크론 범위로 최고의 미립자 제거 효율을 달성하기 위해, 복수 개의 물 스프레이 노즐(43)(도 22 참조)이 벤튜리 노즐(45)에 배치된다. 배기 가스 유동은 벤튜리 노즐(45)을 지난 후에 둥근 형태(도 22 참조)로 인해 상방으로 플레이트 스크러버(14)를 통과하게 된다. 제 3 물 연무 포집기(29)에서 물 액적은 공기 입구(3)(미도시)에 들어가기 전에 상기 정화된 배기 가스로부터 제거된다. 이와 더불어, 터보 과급기(6)로부터 나온 압축 흡기 공기가 소기 공기 격실(41)에 들어가 냉각기(17)에서 냉각되고 또한 그 격실에서 물 액적이 제 3 물 연무 포집기(29)에 의해 제거된다. 그런 다음 배기 가스는 제 3 물 연무 포집기(15)를 통과하여 공기 입구(3)(미도시)에 들어간다.
도 21 은 제 2 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템(도 1 에 나타나 있음)의 단면도를 나타낸다. 제 2 작동 모드는 40%의 배기 가스 재순환율 포함한다. 이 작동 모드에서 배기 가스는 제 3 냉각기(19) 및 제 2 냉각기(17)를 차례로 관류하게 된다. 이러한 목적으로, 플랩(46, 47)은 수평 위치에 있다. 터보 과급기(6)는 차단되어 있고, 그래서 압축 흡기 공기 유동은 없다. 제 2 냉각기(17)의 하류에서 배기 가스는 배기 가스 정화 장치(8)로 가게 된다. 이러한 목적으로 플랩(47)이 폐쇄된다.
도 22 는 A - A 에서 각각 잘라서 본 도 20 또는 21 의 단면도이다. 배기 가스는 제 3 냉각기(19)를 통해 특별한 배기 가스 재순환 냉각기에 들어간다. 그런 다음 배기 가스는 세척액을 갖는 스프레이 노즐(43)이 구비되어 있는 벤튜리 노즐(45)을 통과하게 된다. 둥근 형상의 바닥 때문에 배기 가스 유동은 상방으로 향하고 배기 가스는 가스 스크러버에 들어가게 된다. 둥근 형상으로 인해 벤튜리 노즐 내의 분사된 세척액은 물 처리 시스템에 이어져 있는 드레인 파이프(미도시) 내로 들어가는 가장 낮은 지점에서 이미 분리될 수 있다. 가스와 세척액 사이의 넓은 접촉 면적 및 긴 주재 시간이 최대의 가스 제거 효율을 얻는데 있어 중요한 요인이다. 이는 복수의 수평 플레이트로 이루어지는 플레이트 스크러버로 실현될 수 있다. 이들 플레이트는 단순한 천공 플레이트, 시이브 플레이트, 충돌 플레이트, 버블 컷 플레이트 또는 밸브 플레이트 또는 이것들의 조합형일 수 있다. 가스 제거 효율이 충분하지 않으면, 추가적인 패킹 재료가 접촉 면적을 증가시키기 위해 플레이트 사이에 배치될 수 있다. 플레이트의 상부에서 세척액이 가스 스크러버(14) 안으로 부어지고 중력에 의해 배기 가스에 대해 대향류 유동으로 하방으로 플레이트를 관류하게 된다. 가스 스크러버의 하류에서 배기 가스는 물 연무 포집기(15)를 통과한다. 그리고 공기가 압력 증가 장치(미도시)로 간다.
도 23 은 도 20 에 나타나 있는 제 1 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다. 스크러버 격실은 도 22 에 나타나 있는 스크러버에 대응한다.
도 24 는 도 21 에 나타나 있는 제 2 작동 모드에 있는 제 1 실시 형태에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 3차원도를 나타낸다. 스크러버 격실은 도 22 에 나타나 있는 스크러버에 대응한다.

Claims (30)

  1. 엔진, 바람직하게는 2-행정 엔진의 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치될 수 있는 배기 가스 재순환 시스템(1)으로서, 상기 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이의 제 1 기능 덕트(5)에 있는 제 1 터보 과급기(4) 및 상기 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이의 제 2 기능 덕트(7)에 있는 제 2 터보 과급기(6)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 터보 과급기(4, 6)는 개별적이고 병렬로 배치되며, 바람직하게는 상기 제 1 기능 덕트(5)와 제 2 기능 덕트(7)는 개별적이고 병렬로 배치되며, 상기 배기 가스 재순환 시스템은 상기 배기 출구(2)와 공기 입구(3) 사이에 배치되는 공기 덕트(9)에 배치되는 배기 가스 정화 장치(8), 및 상기 시스템(1)의 기능적 상태를 제어하기 위한 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 공기 덕트(9)는 적어도 부분적으로 제 2 기능 덕트(7)와 병렬로 배치되고, 상기 제어 유닛은, 상기 배기 가스 정화 장치(8)의 상류에서 공기 덕트(9)에 배치되어 있는 제 1 유입 밸브(10) 및 제 2 터보 과급기(6)의 상류에 배치되어 있는 제 2 유입 밸브(11) 둘 모두가 적어도 부분적으로 개방된 위치를 동시에 취할 수 있도록 상기 제 1 유입 밸브(10)와 제 2 유입 밸브(11)를 제어하도록 되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기능 덕트는 제 1 터보 과급기의 하류에 있는 제 1 냉각기 및 바람직하게 상기 제 1 냉각기의 하류에 있는 제 1 물 연무(mist) 포집기를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 스크러버(scrubber) 및 적어도 제 2 물 연무 포집기를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스크러버는 가스 수집과 미립자 물질 제거를 위한 결합형 스크러버인, 배기 가스 재순환 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 물 연무 포집기의 하류에는 블로어(blower)와 같은 압력 증가 장치가 제공되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 기능 덕트는 제 2 터보 과급기의 하류에 있는 제 2 냉각기를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 밸브가 상기 제 2 터보 과급기의 바로 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 덕트는 배기 가스 정화 장치의 상류에 배치되는 제 3 냉각기를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각기 및 제 3 냉각기는 제 2 터보 과급기의 하류 및 공기 덕트에 있는 제 1 밸브의 하류에 배치되는 결합형 냉각기인, 배기 가스 재순환 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기 덕트는 결합형 냉각기의 하류에 있는 결합 라인 밸브, 바람직하게는 3-방(way) 밸브를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 스크러버를 우회하기 위해 상기 결합 라인 밸브와 제 2 물 연무 포집기 사이에 있는 우회 덕트를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 냉각기의 하류에는 2개의 3-방 밸브가 직렬로 배치되어 있고, 상기 공기 덕트는 2개의 연결 라인에 의해 상기 제 2 기능 덕트에 연결되며, 제 1 연결 라인은 제 1 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 바로 상류에서 제 1 연결점에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있으며, 제 2 연결 라인은 제 2 3-방 밸브에서 시작되고 상기 제 2 냉각기의 바로 하류에서 제 2 연결점에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있으며, 제 1 체크 밸브가 상기 제 1 연결점의 상류에 배치되고 제 2 체크 밸브가 상기 제 2 연결점의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 냉각기의 하류에 있는 상기 2개의 3-방 밸브는 하나의 밸브, 바람직하게는 하나의 플랩으로 결합되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    연결점 후 밸브, 바람직하게는 플랩이 상기 제 2 연결점의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 3 물 연무 포집기가 상기 연결점 후 밸브의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 냉각기의 하류에는 2개의 3-방 밸브가 직렬로 배치되어 있고, 상기 공기 덕트는 2개의 연결 라인에 의해 상기 제 2 기능 덕트에 연결되며, 제 1 연결 라인은 제 1 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 상류에 있는 제 3 3-방 밸브에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있으며, 제 2 연결 라인은 제 2 3-방 밸브에서 시작되고 제 2 냉각기의 바로 하류에 있는 제 4 3-방 밸브에서 상기 제 2 기능 덕트에 연결되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예비 물 연무 포집기가 상기 제 3 냉각기의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    예비 스크러버가 상기 제 1 유입 밸브의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 물 연무 포집기가 상기 제 4 3-방 밸브의 하류에 배치되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 기능 덕트 및/또는 공기 덕트에서 나온 공기가 혼합될 수 있는 혼합 장치를 포함하는, 배기 가스 재순환 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 소기(scavenge) 공기 유닛과 결합되어 있는, 배기 가스 재순환 시스템.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 재순환 시스템을 포함하는 엔진, 바람직하게는 2-행정 엔진.
  23. 해양 선박의 엔진을 업그레이드하기 위한 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 재순환 시스템의 용도.
  24. 바람직하게는 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 사용하여 바람직하게는 해양 선박에서 배기 가스를 재순환시키기 위한 방법으로서,
    a. 제 1 기능 덕트에 있는 제 1 터보 과급기의 제 1 터빈을 작동시키기 위해 연소 엔진의 배기 가스의 적어도 일 부분을 사용하여 제 1 압축기에서 공기를 압축하고 압축 공기를 연소 엔진의 공기 입구에 전달하는 단계;
    b. 제 2 기능 덕트에 있는 제 2 터보 과급기의 제 2 터빈을 작동시키기 위해 연소 엔진의 배기 가스의 적어도 일 부분을 사용하여 제 2 압축기에서 공기를 압축하고 압축 공기를 연소 엔진의 공기 입구에 전달하는 단계; 및
    c. 배기 가스를 재순환시키기 위해 공기 덕트에서 연소 엔진의 배기 가스의 제 3 부분을 사용하고 배기 가스 출구와 연소 엔진의 공기 흡기부 사이에서 배기 가스를 배기 가스 정화 유닛에서 정화하는 단계를 포함하고,
    d. 상기 공기 덕트에 있는 제 1 유입 밸브와 제 2 터빈의 상류에 있는 제 2 유입 밸브 모두가 적어도 부분적으로 개방된 위치를 취할 수 있도록 제어 유닛이 상기 제 2 터빈과 공기 덕트를 통과하는 배기 가스의 양을 제어하는, 배기 가스 재순환 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 공기 덕트 내의 배기 가스는 상기 유입 밸브의 하류에 있는 예비 스크러버를 통과하는, 배기 가스 재순환 방법.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 배기 가스는 제 1 유입 밸브의 하류에 있는 적어도 하나의, 바람직하게는 2개의 냉각기를 통과하는, 배기 가스 재순환 방법.
  27. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스는 상기 냉각기의 하류에 있는 스크러버를 통과하는, 배기 가스 재순환 방법.
  28. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 공기는 냉각기의 하류에서 스크러버를 우회하는, 배기 가스 재순환 방법.
  29. 제 24 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스는 냉각기의 하류 및/또는 스크러버의 하류에 있는 적어도 하나의 물 연무 포집기를 통과하는, 배기 가스 재순환 방법.
  30. 제 24 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스는 공기 흡기부 안으로 재순환되기 전에 외부의 압축 공기와 혼합되는, 배기 가스 재순환 방법.
KR1020167021036A 2014-03-13 2015-01-29 배기 가스 재순환 시스템, 엔진, 배기 가스 재순환 시스템의 용도, 배기 가스 재순환 방법 및 디젤 배기 조성 KR102221645B1 (ko)

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