KR20170028912A - 내연기관 - Google Patents

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KR20170028912A
KR20170028912A KR1020170024477A KR20170024477A KR20170028912A KR 20170028912 A KR20170028912 A KR 20170028912A KR 1020170024477 A KR1020170024477 A KR 1020170024477A KR 20170024477 A KR20170024477 A KR 20170024477A KR 20170028912 A KR20170028912 A KR 20170028912A
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키엠트룹 닐스
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맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
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Abstract

본 발명은 실린더(Z) 및 크랭크축과 상호 작용하는 피스톤(K)에 의해 제한되는 하나 이상의 연소실(B)을 포함하는 대형 2행정 디젤엔진에 관한 것이다. 엔진은 흡기 영역(11, 13, 14) 내 압축기(19) 및 배기 영역(12, 15) 내 터빈(18)을 포함하는 하나 이상의 터보차저(1) 및 배기 영역(12, 15) 또는 연소실(B)로부터 분기하고 흡기 영역(11, 13, 14)으로 이어지는, 배기 가스 부분 흐름을 흡기 영역(11, 13, 14) 안으로 재순환하는, 하나 이상의 재순환 가스 압축기(10)가 위치하는 재순환 라인(3)을 가지므로, 흡기 영역(11, 13, 14) 내 퍼지 가스 흐름 안에 재순환된 배기 가스 부분 흐름이 밀어 넣어질 수 있다.
본 발명은 재순환 가스 압축기(10)의 구동을 위해 토크를 전달하도록 재순환 가스 압축기(10)에 결합되는 증기 터빈(8)이 제공되어 있는, 즉 재순환 가스 압축기(10)와 함께 변속기 없는 증기 터보 세트(8, 10)를 형성하는 증기 터빈(8)이 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 제1항의 전제부에 따른 터보 과급 및 배기 가스 재순환을 포함하는 대형 2행정 디젤엔진에 관한 것이다.
엔진으로부터 나오는 배기 가스에서 에너지를 회수하고 그 결과 엔진에 공급되는 과급 공기를 또는 엔진에 공급되는 과급 가스를 압축하며 연소의 개선을 이루기 위하여, 특히 대형 디젤엔진의 경우에 터보차저 단들이 일반적으로 이용된다. 특히 다기통 엔진의 경우 이를 위해 복수의 터보차저도 이용되며, 이들 터보차저 전체는 터보차저 단을 형성한다.
터보 과급처럼, 배출되는 연소 가스 또는 배기 가스와 관련한 조치들로부터 에너지를 회수하는 외에, 오늘날 초점은 가능한 한 청정 연소에 맞춰져 있다. 이를 위해 흔히 배기 가스의 일부가 엔진의 흡기 쪽으로 재순환되므로, 이와 같은 방식으로 엔진의 연소 온도 및 NOx-배출이 저감될 수 있다.
이 경우 재순환 라인에 종종 가스 처리 장치들이, 예를 들어 배기 가스 세정기 장치가 제공되어 있으므로, 재순환된 배기 가스 안에 들어 있는 황 입자와 매연 입자가 원하지 않지만 연소실 안으로 재순환될 수 없는데, 그런 경우 배기 가스 재순환이 사실 엔진의 NOx 배출의 저감을 가져올 수도 있지만, 그 대신에 배기 가스 배출 동안 황 부담(sulphur load)의 증가를 초래할 수도 있다. 그러므로 예를 들어 출원인의 독일 특허 공보 DE 10 2009 010 808 B3호에 기술되어 있는 배기 가스 재순환을 포함하는 디젤엔진의 경우에 재순환 라인 안에 가스 세정기 장치가 위치한다.
이런 종류의 가스 처리 장치의 관류의 경우에 압력 강하가 재순환되는 배기 가스에서 발생한다. 이와 같은 가스 처리 장치의 관류 없이도, 재순환되는 배기 가스의 배출 시점에 연소실 내 압력에 상응하는 압력이 재순환되는 배기 가스에서 흔히 높지 않으므로, 배기 가스가 추가적인 압축기 없이도 직접 흡기 영역 내 퍼지 에어 또는 과급 공기 안으로 도입될 수 있을 것이다. 이는 특히 재순환 라인이 퍼지 가스 고압 측에서, 즉 엔진에 공급될 퍼지 에어 또는 과급 공기의 압축이 이루어지는 과급 공기-터보차저 또는 터보차저 단의 하류에서 흡기 영역에 연결되어야 하는 경우 유효하다. 재순환될 배기 가스가 터보차저 단의 과급 공기 압축기(들)를 통해 공급되지 않도록 하기 위해, 퍼지 가스 고압 측에서 흡기 영역 안으로 재순환 배기 가스의 도입 및 그 결과 터보차저의 터빈의 상류에서 배기 영역으로부터 재순환 라인의 분기가 바람직하지만, 내연기관의 전체 효율이 떨어질 수도 있다.
독일 특허 출원 DE 10 2007 052 118A1호에 고압 측에서 배기 가스 재순환을 포함하는, 즉 터보차저의 터빈의 상류에서 배기 영역으로부터 재순환 라인의 분기 및 과급 공기-압축기의 하류에서 흡기 영역과의 연결을 포함하는 터보 컴파운드-자동차-디젤엔진이 기술되어 있다. 과급 공기 압축에 이용되는 터보차저의 터빈의 하류에, 재순환되지 않고 오히려 외부로 배출되는 배기 가스가 관류하는 그외 파워 터빈이 배기 라인 안에 통합되어 있으며, 파워 터빈은 제어가능한 유체 커플링과 변속기에 의해 크랭크축에 연결되어 있다. 이 경우 재순환되는 배기 가스는 재순환 라인에 설치된 열교환기를 이용해 냉각된다. 이들 열교환기는 증기 발생기로서 실시되어 있으며 이에 상응하게 형성된 그외 열교환기-증기 발생기와 함께 파워 터빈의 하류에서 배기 영역에서 증기 터빈의 구동에 이용되며, 파워 터빈은 유체 커플링에 의해 구동 출력을 크랭크축에 또는 드라이브 트레인 내 보조 유닛에, 예를 들어 발전기에 공급한다. 파워 터빈을 이용하면 한편으로 엔진의 터보차저에 의해 이용되지 않는 에너지가 외부로 배출되는 배기 가스에서 회수될 수 있다. 그러나 DE 10 2007 052 118A1호에 따르면 파워 터빈을 크랭크축에 연결하는 유체 커플링의 제어에 의해 추가의 파워 터빈은 배출되는 배기 가스에 장애물로서 도중에 있는 파워 터빈에서 떨어지는 동압을 제어하는 데 주로 이용되고 그 결과 배출되는 배기 가스에 비해 재순환되는 배기 가스 성분 및 배기 영역에서 터보차저의 상류에서 주된, 재순환되는 배기 가스가 가지는 압력을 조정하는 데 이용된다. 그러므로 마침내 파워 터빈을 크랭크축에 연결하는 유체 커플링은, 흡기 영역 내 퍼지 가스 고압 측의 우세 압력 수준으로 재순환 배기 가스를 올리도록 조정된다.
그에 반해 고압 측에서 배기 가스 재순환, 즉 터보차저의 터빈의 상류에서 배기 영역으로부터 재순환 라인의 분기 및 터보차저의 압축기의 하류에서 흡기 영역과의 연결을 포함하는 대형 2행정 디젤엔진의 경우에, 일반적으로 재순환 라인 안에 전동기에 의해 구동되는 압축기가 제공되어 있으므로, 예를 들어 출원인의 WO-문서 WO 94/29587A1호(국제 출원 번호 PCT/DK93/00398)에서 알 수 있는 것처럼, 재순환되는 배기 가스가 흡기 영역 내 퍼지 가스 고압 측의 우세 압력 수준으로 상승될 수 있다. 거기에서 압축기의 상류에 가스 세정기가 재순환 라인 안에 위치한다. 이 경우 재순환 라인 내 압축기의 구동에 필요한 전기 출력은 예를 들어 내연기관에 의해 구동되는 선박의 전기 회로망의 작동을 위해 제공되는 발전기 세트에서 인가될 수 있다. 그러나 이 점 때문에 내연기관의 전체 효율은 감소한다.
다른 제안에 따라 이와 같은 디젤엔진의 경우에 재순환 라인 내 팬이 유체 터빈에 의해 구동되며 유체 터빈은 다시 모터축에 설치된 유압 펌프에 의해 고압 유압유를 공급받으며, 이는 미국 특허 출원 US 2009/0173071 A1호를 참고한다. 거기에 재순환되는 배기 가스를 냉각하는 쿨러도 공개되어 있다. 그러나 모터축에서 태핑되는 유압 펌프 출력 역시 디젤 엔진의 전체 효율을 떨어뜨린다.
배기 가스 또는 연소 가스의 재순환을 포함하는 대형 2행정 디젤엔진에 대한 다른 예는 독일 특허 공보 DE 103 31 187 B4호에서 알 수 있다. 이 경우에도 재순환 가스 압축기, 즉 재순환 라인에 배치된 압축기가 제공되어 있으므로, 재순환될 배기 가스 부분 흐름이 퍼지 가스 고압 측에, 즉 흡기 영역 내 터보 압축기의 하류에서 우세한 퍼지 압력 또는 과급 공기 압력으로 압축될 수 있다. 이 경우 재순환 라인 안에 배치되어 있는 압축기의 전동식 보조 드라이브가 터빈에 의해 서포트되고, 터빈은 재순환 가스 압축기와 함께 저압 터보차저를 형성한다. 재순환 터빈은 다시 터보차저의 과급 공기 압축기의 하류에서 과급 공기로부터 분기된, 즉 터보 과급되는 과급 공기 부분 흐름에 의해 구동된다. 이러한 과급 공기 부분 흐름은 재순환 터빈의 구동 시에 팽창되고 배기 영역 안으로 배출될 수밖에 없으며, 연소실 과급에 대한 기여가 이루어질 수 없다. 그러므로 여기에서 내연기관의 전체 효율은 재순환 터빈의 구동에 필요한 과급 공기 부분 흐름의 과급에 이용되는 출력만큼 그리고 전동식 보조 드라이브에서 사용되는 출력만큼 떨어진다.
이런 점에서 출발한 본 발명의 과제는 전술한 종류의 내연기관에서 전체 효율을 향상시키는 데 있다.
본 발명에 따라 디젤엔진, 특히 대형 2행정 디젤엔진은 재순환 가스 압축기의 구동을 위해 재순환 가스 압축기에 변속기 없이 결합되어 있는 증기 터빈을 갖는다.
이런 점 때문에 유리하게는 내연기관에서 언제나 발생하는 손실 열이 재순환 가스 압축기의 작동에 이용될 수 있다. 그러므로 예를 들어 이와 같은 종류의 대형 2행정 선박용 디젤엔진의 경우에, 재순환 가스 압축기의 구동에 반드시 사용될 디젤엔진 출력의 약 2%가 절약된다.
이 경우 연소실로부터 나오는 배기 가스 흐름은 증기 발생을 위한 손실 열의 태핑에 특히 적절하다. 그러므로 적어도 내연기관의 배기 가스의 일부로 작동되는 증기 발생기가 제공되는 것이 유리하다.
그러므로 예를 들어 내연기관의 과급 공기-터보차저 단의 배기 가스 저압 측에서 증기 발생기는 배기 가스 라인에 의해 관통될 수도 있으며, 증기 발생기는 작동 유체 라인에 의해 재순환 가스 압축기에 결합된 증기 터빈에 연결되어 있다.
본 발명은 특히 이와 같은 종류의 내연기관 및 배기 가스 재순환의 경우에 과급 공기-터보차저 또는 터보차저 단의 고압 측에서 이용될 수 있다.
특히 이와 같은 시스템에서 특히 장점은 재순환 라인 내 증기 발생기가 증기 터빈의 상류에 제공되어 있는 것이다. 왜냐하면, 한편으로 재순환되는 배기 가스 안에 들어 있는 열 에너지가 지금까지는 이용되지 않고 있기 때문이다. 다른 한편으로는 심지어 재순환되는 배기 가스가 냉각되므로 우수한 과급이 이루어지는 것을 원하고 있다. 그러므로 재순환되는 배기 가스로부터 열 회수를 통해, 지금까지 사용되지 않았던 소스로부터 재순환 가스 압축기용 구동 에너지가 회수될 뿐만 아니라 추가로 재순환되는 배기 가스의 원하던 냉각도 달성된다.
이 경우 증기 발생기는, 재순환되는 배기 가스에서 열의 회수가 이루어지는 열교환기로서 형성될 수 있으므로, 작동 매체, 정상적인 경우 물이 가열되고 증발되며 경우에 따라서는 과열될 수 있다.
재순환된 배기 가스 부분 흐름에서 재순환 가스 압축기의 증기 터빈의 구동을 위해 열에너지가 충분히 회수될 수 있기 때문에, 증기 발생기도 재순환 가스 압축기를 구동하는 증기 터빈도 상대적으로 단순한 형태로(primitively) 형성될 수 있으며, 증기 터빈을 위한 속도 제어 장치도 마찬가지이다. 유리하게는 재순환 가스 압축기는 변속기 없이 증기 터빈에 결합되고 증기 터보 세트를 구성한다. 그런 경우 증기 터빈은, 재순환 가스 압축기의 속도 범위가 대형 2행정 디젤엔진의 경우에 예를 들어 약 7000-15000 rpm/min, 증기 터빈의 속도 범위에 상응하도록 설계되어야 한다. 그러므로 이 경우 증기 터보 세트에 변속기가 없을 수도 있는데, 재순환 가스 압축기에서 또는 이에 연결된 증기 터빈에서 요구되는 힘과 재순환 라인 안에서 상류에 연결된 증기 발생기에서 발생된 그리고 증기 터빈에 인가되는 증기력 사이에 1대1 관계가 존재하기 때문이다.
이 경우 유리하게는 증기 터빈 속도의 제어를 위해 증기 발생기로부터 증기 터빈으로 이어진 압력 파이프 안에 배치된 증기 스로틀 밸브만이 제공되어 있다. 이러한 증기 밸브 또는 스로틀 밸브 또는 증기 스로틀 밸브는 증기 터빈용 속도 제어 장치로서 충분하다. 가장 단순한 경우로서, 제어되지 않는 증기 스로틀 밸브에서 직경 수축이 적절하게 선택되면, 다른 제어 소자들이 불필요하다. 그러나 증기 스로틀 밸브가 조정될 수 있으므로, 증기 스로틀 밸브가 작업자에 의해 손으로 또는 적절한 드라이브에 의해 재조정될 수 있거나 조정될 수 있다. 그러나 이런 경우에도 증기 터빈의 속도 제어는 제어되지 않는 증기 스로틀 밸브에 의해 또는 작업자가 조정할 수 있는 증기 스로틀 밸브에 의해서만 이루어질 수도 있다.
앞서 설명한 1:1 관계 때문에 많은 경우에 제어되지 않은 증기 스로틀 밸브 또는 작업자가 조정할 수 있는 증기 스로틀 밸브가 충분하므로, 증기 터빈 속도의 제어가 특히 용이하게 유지될 수 있다.
그러나 조정할 수 있는 증기 스로틀 밸브를 조정 부재로서 개방 또는 폐쇄 제어 회로 안에서 작동하도록 하는 것도 생각할 수 있을 것이며, 그런 경우 증기 스로틀 밸브를 위한 제어 장치 또는 측정 부재 및 제어 부재가 제공되어야 한다. 그러나 이런 경우에도 증기 터빈 속도의 제어는 증기 발생기로부터 증기 터빈으로 이어지는 압력 파이프 안에 배치된 증기 스로틀 밸브에 의해서만 이루어질 수 있는, 즉 재순환 라인의 단부에 배치된 압력 센서로부터 압력 센서 신호들에 대한 반응 동안 이루어진다. 물론 증기 발생기와 증기 터빈 사이 병렬의 압력 파이프들의 경우에 압력 파이프들 중 모두에 또는 단지 몇 개에서 복수의 병렬 연결된 증기 스로틀 밸브 역시 생각해 볼 수 있다.
이 경우 단순한 구조 및 용이한 제어와 관련하여 유리하게는 재순환 가스 압축기의 구동을 위해 자신의 유일한, 그외 어떤 출력에도 연결되어 있지 않은 증기 터빈이 제공되어 있으며, 재순환 가스 압축기를 위한 그외 병렬 드라이브 역시 제공되어 있지 않다. 내연기관의 시동 단계 동안 재순환 가스 압축기의 런업을 위한 소형의 전동식 보조 드라이브만이 유용하게 제공될 수 있으며, 이것은 경우에 따라서는 증기 터보 세트의 축에 결합될 수 있다.
그러나 추가적인 출력, 예를 들어 증기 터빈에 연결될 수 있는 발전기 또는 추가의 증기 소비 장치, 예를 들어 잉여 증기를 공급받을 수 있는 발전기 세트를 제공하는 것을 생각할 수 있으며, 추가의 전류 생산을 위해 잉여 증기 에너지가 이용될 수도 있다. 증기 발생기에서 또는 재순환 라인 중 하류에 배치된 라인 영역들에서 재순환되는 배기 가스 안에 들어 있는 유해 입자들로 인한 부식에 노출된, 재순환 라인 쪽 표면에 매연 청소기(sootblower)에 의해 발생 증기의 일부를 분사하는 것을 생각해 볼 수도 있다.
증기 터빈은 매우 단순하고 그 결과 경제적으로 제조할 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 하나 또는 2개의 블레이드 휠 또는 임펠러를 포함하는 구조를 가질 수 있는데, 재순환 라인 내 증기 발생기로 구동을 위한 증기 에너지가 충분히 공급되고 그 결과 높은 수준의 최적화가 불필요하기 때문이다. 증기 발생기는 다시(또한) 상대적으로 작게 유지될 수 있는데, 증기 터빈의 구동에 필요한 증기 에너지를 제공하기 위해, 단지 적은 표면만이 필요하기 때문이다.
재순환 가스 압축기-증기 터빈에서 "소비되는" 증기는, 증기 생산을 위해 깨끗한 물이 충분히 준비되면, 예를 들어 선박에 있는 해수가 준비되면, 외부로 용이하게 배출될 수 있다. 작동 유체 라인의 불순물을 피하기 위해 종종 충분하게 제공되지 않는 작동 유체가, 예를 들어 높은 염분이 없는 청수가 사용될 필요가 있기 때문에, 열역학 사이클의 범위에서, 즉 작동 유체에서 손실 없이 또는 적은 손실을 갖는 폐쇄 시스템에서 증기 발생 및 증기 에너지의 소비를 실시하는 것이 유리하다. 그러므로 작동 유체 라인이 증기 터빈으로부터 흐름 관점에서 하류에 배치된, 작동 유체가 액화되는 응축기로 이어지고 거기로부터, 작동 유체 라인에 의해 공급 펌프에 연결되어 있는 증기 발생기가 작동 유체를 공급받는 공급 펌프로 이어지는 것이 유리하다.
배기 가스 안에 들어 있는 열이 다른 목적들에, 예를 들어 추가의 전류 생산에 또는 추가의 증기 구동식 과급 공기 압축기에 의한 엔진 연소실들의 과급 개선에 더 효과적이면, 물론 비싸지만 효과적인 소자들도 이용될 수 있다. 그런 경우 증기 발생기는 예를 들어 재순환 라인에 연결된 관군(tube bundle: 管群)을 가질 수 있으며, 관군은 작동 유체 라인의 한 영역을 형성하고 재순환되는 배기 가스가 이러한 관군 주위를 흘러간다. 이 경우 관군의 파이프들은 배기 가스 경로에서 나선형으로 현수될 수 있다. 증발기 및 이의 하류에 배치된 과열기 단을 포함하는 다단의 증기 발생기 역시 생각할 수 있지만, 재순환 가스 압축기에 결합된 증기 터빈의 작동을 위해서 반드시 필요한 것은 아니다.
재순환 영역 내 추가적인 가스 세정기 장치를 통해 재순환되는 배기 가스로부터 매연 및 황의 세정이 이루어질 수 있으므로, 내연기관의 유해물 배출이 감소한다. 증기 터빈에 의한 재순환 가스 압축기의 제안된 구동은 특별히 적합한, 특히 재순환 라인 안에 배치된 증기 발생기에 의해 그리고 재순환되는 배기 가스 자체에 의해 만들어지는 증기를 이용하는 경우 적합하다. 가스 세정기 때문에 가스 압력이 재순환되는 배기 가스 안에서 떨어지므로, 재순환 가스 압축기는 대응적으로 더 강력하게 실시되어야 하지만 더 파워 절약형으로(power hungry) 실시되어야 하고 그 결과 절약 포텐셜(savings potential)은 대응적으로 높다.
재순환 라인 안에 증기 발생기가 배치된 경우에 가장 좋은 구성은, 흐름 관점에서 가스 세정기가 재순환되는 배기 가스 부분 흐름을 냉각시키는 증기 발생기와 재순환 가스 압축기 사이에 배치되는, 즉 증기 발생기의 하류에 위치하는 것이다. 이와 같은 가스 세정기는 미리 냉각되지 않는 세정기에 비하여 훨씬 더 작으며 그 결과 더 경제적일 수 있으며, 심지어는 재순환되는 배기 가스 부분 흐름 안에서 동일한 압력 강하에서도 마찬가지이다. 이 경우 증기 터빈, 증기 발생기 및 증기 터빈 속도의 제어 장치에 대해 앞서 말한 것이 유효하다. 가스 세정기 장치는 상대적으로 작고 단순한 구조를 가질 수 있는데, 예상되는 압력 손실이 재순환 가스 압축기의 구동을 위해 재순환 라인 내 증기 발생기에 의해 이용될 수 있는 풍부한 에너지 때문에 용이하게 보상될 수 있기 때문이다.
만약 추가로 하나 더 냉각 장치 또는 쿨러가, 예를 들어 냉각 매체로서 액상 물(liquid water)로 작동하는 회수-열교환기(recuperation-heat exchanger)가 재순환 라인 안에 제공되어 있으면, 재순환되는 배기 가스의 온도가 계속 떨어지므로, 낮은 온도에서 더 높은 밀도 및 배기 가스의 더 작은 유량 때문에 충진 정도가 훨씬 더 유리해진다. 만약 쿨러가 흐름 관점에서 증기 발생기와 배기 가스 세정기 장치 사이에 배치되어 있으면, 배기 가스 냉각은 플라스틱 부품들의 사용이 가스 세정기 안에서 가능한 한도에서 이루어질 수 있으므로, 제조 비용과 중량이 현저히 줄어들고 부식되지 않거나 단지 약하게 부식되는 표면들이 제공될 수 있다.
이 경우 쿨러는 동시에 증기 발생기에 액상으로 공급되는 작동 유체, 즉 일반적으로 액상 물에 대한 예열기로서 이용될 수도 있다. 다시 말하면, 작동 유체는 쿨러 안에서 가열된 냉각 매체를 통해 예열될 수 있거나 직접 냉각 매체로서 이용될 수 있다.
가스 세정기 장치가 재순환 라인 안에 있는 한, 재순환 가스 압축기의 상류에 액적 분리기가 배치되는 것이 유리하므로, 가스 세정 때문에 배기 가스 안에 존재하던 액적이 압축기에 도달하기 전에 분리될 수 있다. 그런 경우 액적은 출구 쪽 액적 분리기에서 재순환 라인을 통과하는 유량으로부터 분리되고 적절한 응축수 배출구를 통해 배출될 수 있다. 그러므로 흡기 영역과의 연결부에서 흡기 영역 내 우세 압력 수준으로 높여질 유량이 추가로 세분화된다. 액적 분리기로서 배플 플레이트, 충진체, 체(Siebe), 다공판이 입증되어 있으며, 이들은 배기 가스 냉각이기 때문에 플라스틱으로도 이루어질 수 있다.
하기에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 개략도이다.
본 발명의 주 적용 분야는 대형 엔진, 특히 대형 2행정 디젤엔진이며, 예를 들어 이러한 대형 엔진은 선박 구동 장치로서 사용되거나 발전소에서 그 사용을 찾을 수 있다. 이런 엔진들의 구조 및 작동 방법은 공지되어 있다.
도 1에 도시된 대형 2행정 디젤엔진은 직렬 실린더(Z)를 가질 수 있다. 각 실린더(Z) 모두는 이것과 상호 작용하는 피스톤(K)과 함께 연소실(B)을 제한한다. 연소실(B)의 상단부에 각각 배기 밸브(A)가 제공되어 있으며, 연소 시에 발생하는 배기 가스가 배기 밸브를 통해 배기 가스 회수 용기(15) 안으로 배출된다. 거기로부터 배기 가스는 하나 (또는 복수의) 배기 라인(12)을 통해 터보차저(1)의 터빈(18)에 도달한다.
*그러나 배기 가스의 일부는 도시된 예에서 배기 가스 회수 용기(15)에서 분기하는, 그러나 어쩌면 배기 라인(12)에서도 분기하는 재순환 라인(3)으로부터 내연기관의 흡기 쪽으로 또는 흡기 영역(11, 13, 14) 안으로 재순환된다. 재순환 라인(3)은 배기 영역(12, 15) 중 배기 가스 회수 용기(15)의 상류에서 분기할 수도 있고 또는 연소실(B)에 있는 자신의 배기구를 통해서도 분기할 수 있다.
흡기 영역(11, 13, 14)은 입구 쪽에서 과급 공기-터보차저(1)의 압축기(19)를 가지며, 공급된 과급 공기를 상승된 압력 수준으로 높이기 위해, 압축기는 터빈(18)을 통해 이송된 배기 가스에 의해 구동된다. 이러한 압축기(19)로부터 과급 공기 라인(11)은 선택적인 과급 공기 쿨러(13)에 의해 과급 공기 회수 용기(14) 또는 과급 공기 회수 라인(14)으로 이어지고, 개별 연소실(들)(B)은 과급 공기 회수 라인으로부터 새로운 공기를 이송받는다. 과급 공기 저장 용기(14) 전에 배기 가스 재순환 라인(3)이 과급 공기 라인(11)에 연결되고, 더 정확하게는 과급 공기 쿨러(13)의 상류에 또는 재순환 라인(3)에서 충분한 냉각을 이유로 바람직하게는 과급 공기 쿨러(13)의 하류에 연결되어 있다.
이 경우 재순환 라인(3)은 입구 쪽에서 열교환기로서 형성된 증기 발생기(5)에 연결되어 있고, 폐쇄 회로 시스템에서 그 반대쪽에서 작동 유체 라인(4)이 증기 발생기에 연결되어 있으며, 증기 발생기(5) 안에서 증발되는 액상 작동 유체는 작동 유체 라인에 의해 증기 발생기(5)에 공급된다. 증기 발생기(5)의 하류에서 증기 터빈(8)은 작동 유체 라인(4)의 압력 라인 영역에 의해 증기 발생기(5)에 연결되어 있으며, 증기 터빈은 증기 발생기(5) 안에서 회수한 증기압을 이용해 구동되고 재순환 가스 압축기(10)를 구동하며, 압축기는 재순환 라인(3)의 출구 쪽 단부에서 증기 발생기(5)의 하류에 위치하고 재순환된 배기 가스를 과급 공기 라인(11) 내 우세 압력 수준으로 올린다.
*작동 유체 라인(4)에 의해 형성된 물-증기 사이클은 증기 터빈(8)의 하류에서 응축기(9)를 가지며, 증기 터빈(8)에서 팽창된 증기 형태의 작동 유체가 응축기에서 응축되고 그 후 공급 펌프(16)에 의해 다시 증기 발생기에 공급된다. 이 경우, 응축된 작동 유체가 회수되는 공급 용기가 응축기(9)와 공급 펌프(16) 사이에 배치될 수 있다.
이 경우 증기 터빈(8)과 재순환 가스 압축기(10)는 토크를 전달할 수 있도록 기어 없이도 공동 축에 의해 서로 연결되어 하나의 증기 터빈 세트(8, 10)를 형성한다. 이 경우 증기 터빈(8)의 속도는 증기 발생기(5)와 터빈(8) 사이 작동 유체 라인(4)의 압력 라인 영역 내 스로틀(17) 또는 증기 스로틀 밸브(17)에 의해 조정된다.
재순환 라인은 입구 쪽 증기 발생기(5)와 출구 쪽 압축기(10) 또는 블로워 사이 영역에서 먼저 가스 처리 장치와 연결되어 있으며, 가스 처리 장치는 회수-열교환기(6) 및 이의 하류에 있는 가스 세정 장치(7)를 갖는다. 그 외에도 가스 처리 장치는 입구 쪽에서 파일럿 분사 장치, 즉 취수구로부터 오는 냉각수를 공급받아 이를 재순환 라인(3)에 분사하는, 재순환 라인(3) 안에 제공된 대략 하나 또는 복수의 노즐들을 가질 수 있으므로, 습식 환경이 재순환 라인(3) 안에, 특히 회수-열교환기(6)에 연결되고 그 결과 냉각되는, 재순환 라인(3) 중 파일럿 분사 장치의 하류에 배치된 영역에 제공될 수 있다. 그런 경우 회수-열교환기(6)의 배기 가스 쪽에서 우세한 습식 환경은, 매연의 부착 방지를 위해 또는 배기 가스 안에 들어 있는 황 입자의 화학적 침식 방지를 위해 열교환기(6)의 벽들에서 액상의 내부식 보호층을 형성한다. 이 경우 유리하게는 가스 세정기 장치(7)가 회수-열교환기(6)의 아래에 위치하므로, 파일럿 분사 장치에서 재순환 라인(3) 안에 분사된 그리고 열교환기(6)를 통과하는 냉각액이 그리고 열교환기(6) 내 냉각을 통해 배기 가스 흐름으로부터 응축되는 액체가 가스 세정기(7) 안으로 들어온다. 이 경우, 열교환기(6) 내 냉각 및 이와 관련하여 배기 가스 안에 항상 들어 있는 수증기(대형 디젤엔진의 경우에 배기 가스는 최대 25% (질량)물을 포함한다)의 응축에 의해 배기 가스의 제1 예비 세정이 이루어진다.
냉매 측면에서 회수-열교환기(6)에 차가운 액상 물이 통과하며, 이러한 물은 대부분의 경우에 양호하게 제공될 수 있으며 높은 열전달 능력을 갖는다. 선박에 이러한 내연기관을 사용하는 경우, 열교환기(6)에 해수를 공급하는 것도 생각해 볼 수 있을 것이다. 그 외에도, 도면에서 점선으로 표시된 것처럼, 냉각 매체로서 물-증기 사이클의 작동 유체를 포함하는 회수-열교환기(6)를 작동시켜 냉각 매체가 증기 발생기에 공급되기 전에, 이를 예열하는 것을 생각해 볼 수도 있을 것이다.
재순환 라인(3) 내 가스 세정기 장치의 하류에 선택에 따라서는 하나 더 액적 분리기 어셈블리, 즉 예를 들어 배기 가스 흐름의 중간에 다양한 배플 플레이트들 또는 대응하는 충진체가 제공될 수 있으므로, 차가운 배기 가스 흐름 안에 여전히 들어 있는 액적이 분리될 수 있고 그 결과 배기 가스 흐름이 건조되고 최종 세정이 이루어질 수 있다. 거기에 액체 배출구가 제공될 수도 있다.
차갑고 마른 그리고 정화된 배기 가스 흐름이 이제 압축기(10)에 공급되고, 압축기는 재순환 라인(3)의 끝에 위치하고 증기 발생기(5) 안에서 만들어진 증기 또는 이것으로 작동되는 증기 터빈(8)에 의해 구동된다.
*이 경우 증기 발생기(5)는 재순환 라인(3)의 라인 영역으로서 형성될 수 있으며, 라인 영역은 증기 보일러로서 형성된, 작동 유체 라인의 라인 영역에 연결되어 있다. 이 경우, 증기 발생기(5)에 액상으로 공급되는 작동 유체와 재순환된 배기 가스의 큰 온도차 때문에 대류 열전달을 위해 제공되는 표면이 상대적으로 작을 수 있으므로, 이중 벽의 파이프 형태로 용이하게 형성될 수 있는 증기 발생기(5) 안에서 배기 가스가 증발될 작동 유체 주변을 흐르거나 또는 반대이다.
본 발명의 범위를 벗어나지는 않으며, 도시된 실시예들의 변형들 및 수정들이 가능하다.
관군 열교환기(tube bundle heat exchanger)로서 형성된 증발기 및 관군 열교환기로서 형성된 하나 또는 복수의 과열기 단들(superheater stages)을 포함하여 증기 발생기를 2단 또는 다단으로 설계하며 그리고 재순환 가스 압축기-터보 세트에서 필요하지 않은 증기력을 이용하기 위해 그외 압력 라인을 선택에 따라서 연결할 수 있는 다른 증기 소비 장치에 제공하는 것도 생각해 볼 수 있을 것이다.
재순환 라인 안에 배치된 증기 발생기(5)에 추가로 또는 대안으로서, 도면에서 점선으로 표시된 것처럼, 재순환 가스 압축기-증기 터빈(8)의 작동에 필요한 증기 압력을 전부 또는 일부 공급하기 위해, 다른 증기 발생기(5a)가 배기 영역 내 과급 공기-터보차저(1)의 터빈(18)의 하류에 제공될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 실린더(Z) 및 크랭크축과 상호 작용하는 피스톤(K)에 의해 제한되는 하나 이상의 연소실(B)로서, 연소실이 배기 밸브(A)의 밸브 디스크와 이에 할당된 밸브 시트 사이에 형성된, 배기 가스를 배기 영역(12, 15) 안으로 배출하는 하나 이상의 배기구 및 피스톤(K)에 의해 제어될 수 있는, 흡기 영역(11, 13, 14)으로부터 퍼지 가스를 공급하는 하나 이상의 흡기구를 가지며,
    흡기 영역(11, 13, 14) 내 압축기(19) 및 배기 영역(12, 15) 내 터빈(18)을 포함하는 하나 이상의 터보차저(1) 및
    배기 영역(12, 15) 또는 연소실(B)로부터 분기하고 흡기 영역(11, 13, 14)으로 이어지는, 배기 가스 부분 흐름을 흡기 영역(11, 13, 14) 안으로 재순환하는 재순환 라인(3)으로서, 재순환 라인 안에 하나 이상의 재순환 가스 압축기(10)가 위치하므로, 흡기 영역(11, 13, 14) 내 퍼지 가스 흐름 안에 재순환된 배기 가스 부분 흐름을 밀어 넣는, 상기 부품들을 포함하는 대형 2행정 디젤엔진에 있어서,
    재순환 가스 압축기(10)의 구동을 위해 토크를 전달하도록 재순환 가스 압축기(10)에 결합되는 증기 터빈(8)이 제공되어 있고, 즉 재순환 가스 압축기(10)와 함께 변속기 없는 증기 터보 세트(8, 10)를 형성하는 증기 터빈(8)이 제공되어 있고,
    적어도 대형 2행정 디젤엔진의 배기 가스의 일부로 작동되는 증기 발생기(5; 5a)가 제공되어 작동 유체가 증발될 수 있으며, 작동 유체 라인(4)이 증기 발생기(5)로부터 증기 터빈(8)으로 이어지는 하나 이상의 압력 파이프(4)를 포함하여 재순환 가스 압축기(10)에 결합된 증기 터빈(8)에 증기가 공급될 수 있으며,
    증기 발생기(5)로서 재순환되는 배기 가스 부분 흐름으로 작동되는 열교환기(5)가 재순환 라인(3) 내 증기 터빈(8)의 상류에 제공되어 있고,
    작동 유체 라인(4)이 증기 터빈(8)으로부터 흐름 관점에서 하류에 배치된, 작동 유체가 액화되는 응축기(9)로 이어지며 그리고 응축기(9)로부터 공급 펌프(16)로 이어지고, 증기 발생기(5)가 작동 유체 라인(4)에 의해 공급 펌프(16)에 연결되어 작동 유체를 공급받고,
    재순환 라인(3)이 가스 세정기 장치(7)에 연결되어 있으며, 가스 세정기 장치가 증기 발생기(5)의 하류에 그리고 재순환 가스 압축기(10)의 상류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  2. 제1항에 있어서, 증기 발생기(5)의 영역에서 작동 유체 라인(4)이 배기 가스 경로를 통해 이어진 관 영역 또는 관군 영역으로서 형성되어 있으며 그리고/또는 증기 발생기(5)의 영역에서 작동 유체 라인(4)이 연도관(smoke conduit) 영역 또는 연도관군 영역으로서 형성된 배기 가스 경로를 에워싸는 증기 보일러 영역으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  3. 제2항에 있어서, 증기 발생기(5)로부터 증기 터빈(8)으로 이어지는 압력 파이프(4) 안에 배치되어 있는 증기 스로틀 밸브(17)만이 증기 터빈 속도의 제어를 위해 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  4. 제1항에 있어서, 증기 발생기가 증발기로서 이용되는 제1 열교환기 영역 및 과열기로서 이용되는 제2의 하나 이상의 열교환기 영역과 함께 다단으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 차단가능한 압력 라인 분기에 의해 증기 발생기가 선택적으로 연결될 수 있는, 그외 증기 소비 장치인 발전기 세트에 연결되어 있으며 그리고/또는 토크를 전달하도록 증기 터빈에 연결될 수 있는, 그외 증기 소비 장치인 발전기가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 터빈(8)이 단지 하나 또는 2개의 임펠러 단을 가지는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 대형 2행정 디젤엔진의 시동 단계 동안 재순환 가스 압축기(10)를 구동하기 위해 전동식 시동 보조 드라이브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재순환 라인(3)이 냉각 장치(6)에 연결되어 있으며, 냉각 장치는 증기 발생기(5)의 하류에 그리고 재순환 가스 압축기(10)의 상류에, 그리고 가스 세정기 장치(7)의 상류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
  9. 제8항에 있어서, 작동 유체 라인(4)이 증기 발생기(5)의 상류에 있는 한 영역에서 냉각 장치(6)에 연결되어 있으며, 작동 유체가 냉각 매체를 통해 예열되거나 직접 냉각 매체로서 이용되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤엔진.
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