KR20180072552A - 배기가스 재순환 시스템을 갖춘 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진 - Google Patents

배기가스 재순환 시스템을 갖춘 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크로스헤드를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 연소 엔진에 관한 것이다. 엔진은 복수의 실린더(1)를 포함하며, 각각의 실린더는 소기 포트(19), 소기 밸브(4), 개별 배기 밸브(4)를 통해 실린더(1)에 연결되는 배기가스 수용부(3), 터보차저(5), 배기가스 수용부(3)의 출구를 터보차저(5)의 터빈(6)에 연결하는 배기가스 도관(18), 터빈(6)에 의해 구동되는 터보차저(5)의 터보차저 압축기(9), 터보차저 압축기(9)의 출구를 소기 수용부(2)의 입구에 연결하는 소기 도관 (11), 소기 냉각기(12)를 포함하는 소기 도관(11), 개별 소기 포트(19)를 통해 실린더(1)에 연결되는 소기 수용부(2), 배기가스의 일부를 실린더(1)로 다시 재순환시키기 위한 배기가스 재순환 도관(30), 재순환된 배기가스를 실린더(1)로 다시 강제시키기 위한 송풍기(32) 또는 압축기를 포함하는 배기가스 재순환 도관(30), 소기 냉각기(22) 상류의 소기 도관(11)으로부터 터보차저(6)의 터빈(6)으로 고온 소기의 일부를 운반함으로써 실린더(1)를 바이패스 하기 위한 실린더 바이패스 도관(40) 및 보일러(36)를 구비한다. 엔진은 적어도 배기가스의 제1 부분을 보일러(36)를 통해 실린더(1)로부터 운반하도록 구성된다.

Description

배기가스 재순환 시스템을 갖춘 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 엔진{LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE COMPRESSION-IGNITING ENGINE WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION}
본 발명은 배기가스 정화 시스템을 구비한 크로스헤드 유형의 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연기관에 관한 것이다.
크로스헤드 유형의 대형 2 행정 압축 점화 내연기관은 일반적으로 대형 선박의 추진 시스템 또는 발전소의 엔진으로 사용된다. 배출 요건, 특히 질소산화물(NOx)에 대한 요건은 달성하기가 어렵고 앞으로도 어려울 것이다.
배기가스 재순환은 연소 엔진에서 NOx 감축을 지원하는 것으로 알려진 방법이다.
국제해사기구(IMO) Tier II와 특히 Tier III 배출 기준과 같은 배출 요건은 배기가스 재순환 시스템을 사용하지 않으면 달성하기가 어렵다. 배기가스 재순환율은 가변적인 것이 바람직하다.
DK(덴마크) 177388은 청구항 제1항의 전제부에 따른 대형 2 행정 압축 점화 내연기관을 개시한다.
엔진 실린더와 터보차저로 구성된 에너지 시스템은 모든 작동 조건에서 조심스럽게 균형을 유지해야 한다. 균형이 맞지 않으면 실린더의 사이클 과정에 대한 경계 조건이 허용되지 않게 되거나 터보차저의 압축기가 서지(surge) 또는 초크(choke) 중 하나로 들어간다. 압축기 특성은 터보차저가 최대 효율에 근접하여 작동하는지를 결정하지만, 충분한 서지 마진으로 압축기 안정성을 보장한다. 서지 마진은 엔진 부하가 빠르게 감소하거나 비정상적인 상황에서 터보차저 작동점이 압축기 맵의 서지 라인에 접근할 때 필요하다.
엔진이 고압 배기가스가 재순환하거나 재순환하지 않는 상태의 작동 모드 및 터보차저 구성요소가 고정된 경우 "균형 조정"이 훨씬 더 복잡해진다. 그 이유는 배기가스 수용부로부터 소기 수용부로의 배기가스 재순환 라인이 에너지 시스템으로부터 매우 많은 양의 에너지를 제거하는 냉각기를 포함하기 때문이다. 이 에너지는 용기 중앙의 냉각기에서 '손실'된다. 활발한 배기가스 재순환 없이 주행하면 이러한 에너지 제거는 존재하지 않는다. 따라서 배기가스가 재순환하는 작동으로부터 배기가스가 재순환하지 않는 작동으로 전환하거나 반대 전환의 경우, 에너지 시스템의 균형은 상당히 다르다.
현재, '균형'은 압축기 출구로부터 터빈 입구로의 실린더 바이패스와 터빈 바이패스를 사용하여 성립된다. 이러한 바이패스 제어 전략은 각 작동 모드에서 에너지 제거를 보완하도록 설계되어 있다. 배기가스 재순환 없이 주행할 때, 터빈 바이패스는 터빈에 전달되는 동력을 감소시키며, 배기가스 재순환이 이루어지는 상태에서 주행할 때 실린더 바이패스는 터빈에 전달되는 동력을 증가시킨다. 이러한 조치는 함께 배기가스 재순환 라인이 활성 또는 비활성인 효과를 보완하면서 실린더를 통과하는 소기의 유동을 감소시킨다.
따라서, 배기가스 재순환 냉각기에서 바이패스를 최소로 사용하고 에너지 손실을 최소로 할 필요와 함께 배기가스 재순환 유무와 상관없이 터보차저가 균형을 이루는 터보차징 2행정 압축 점화 내연기관이 필요하다.
위와 같은 내용을 고려할 때, 본 발명의 목적은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 크로스헤드를 구비한 대형 2 행정 압축 점화 내연기관에 관한 것이다.
전술한 목적과 다른 목적은 독립적인 청구항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속 청구항, 설명 및 도면에서 명백하다.
제1 양태에 따르면, 복수의 실린더를 포함하고 크로스헤드를 구비하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 연소 엔진이 제공되며, 각각의 실린더에는 소기 포트 와 배기 밸브, 각각의 배기 밸브를 경유하여 실린더에 연결되는 배기가스 수용부, 터보차저, 배기가스 수용부의 출구를 터보차저의 터빈에 연결하는 배기가스 도관, 터빈에 의해 구동되는 터보차저의 터보차저 압축기, 터보차저 압축기의 출구를 소기 수용부의 입구에 연결하는 소기 도관, 소기 냉각기를 포함하는 소기 도관, 각각의 소기 포트를 경유하여 실린더에 연결되는 소기 수용부, 배기가스의 일부를 다시 실린더로 재순환시키기 위한 배기가스 재순환 도관, 재순환된 배기가스를 실린더로 강제로 복귀시키기 위한 송풍기 또는 압축기를 포함하는 배기가스 재순환 도관 및 고온 소기의 일부를 소기 냉각기의 소기 도관 상류로부터 터보차저의 터빈으로 운반함으로써 실린더를 바이패스 하기 위한 실린더 바이패스 도관이 제공되며, 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하며, 엔진은 보일러를 통해 실린더로부터 배기가스의 적어도 제1 부분을 운반하도록 구성되고, 적어도 2개의 작동 모드를 가지며, 실린더로부터 보일러를 통해 그리고 보일러로부터 배기가스 재순환 도관을 통해 다시 실린더로 상기 배기가스의 제1 부분을 운반하고, 소기 냉각기 상류의 소기 도관으로부터 바이패스 도관을 통해 고온 소기의 일부를 터빈으로 운반하는 제1 작동 모드 및 배기가스 재순환 도관을 통한 유동을 방지하고 바이패스 도관을 통한 유동을 방지하며 보일러를 통해 보일러로부터 터빈으로 운반된 배기가스의 제1 부분을 운반하는 제2 작동 모드로 구성되는 것을 특징으로 한다.
배기가스가 재순환하는 작동과 배기가스가 재순환하지 않는 작동 모두에서 배기가스로부터 에너지를 제거하는 보일러를 포함함으로써, 에너지 시스템은 두 작동 모드에서 모두 균형을 이루고 배기가스가 재순환하지 않는 작동에 대해 터빈의 바이패스를 사용하지 않는다. 대신 에너지 시스템으로부터 에너지를 제거하기 위해 보일러를 사용한다. 즉, 배기가스 수용부와 병렬로 고압 보일러를 사용한다. 고압 보일러 사용의 중요한 장점은 가스 온도와 밀도가 높기 때문에 매우 효율적인 열교환기나 고압 보일러로 터빈 출구 후의 기존 보일러보다 크기와 비용이 크게 절감된 유용한 증기를 제공한다는 것이다. 이것은 증기가 항상 필요한 해양 선박에서 엔진을 사용할 때 특히 유용하다.
제1 양태의 가능한 제1 구현예에 따르면, 엔진은 보일러를 통과하지 않고 실린더로부터 터빈으로 배기가스의 제2 부분을 운반하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제2 구현예에 따르면, 엔진은 소기 도관 내에 보조 송풍기를 포함하고, 엔진은 보일러의 증기 생성을 최대화하기 위해 보조 송풍기를 작동하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 제3 구현예에 따르면, 배기가스의 제1 부분과 배기가스의 제2 부분은 함께 실린더의 전체 배기가스를 구성한다.
제1 양태의 가능한 제4 구현예에 따르면, 엔진은 보일러를 포함하는 보일러 도관을 포함하고, 보일러 도관의 입구는 배기가스 수용부 또는 제1 위치의 배기가스 도관에 연결된다.
제1 양태의 가능한 제5 구현예에 따르면, 보일러 도관의 출구는 제3 위치에서 배기가스 재순환 도관에 연결되고, 제3 위치는 바람직하게는 송풍기 또는 압축기의 상류에 있다.
제1 양태의 가능한 제6 구현예에 따르면, 보일러 도관의 출구는 제1 위치 하류의 제 2 위치에서 배기가스 도관에 연결된다.
제1 양태의 가능한 제7 구현예에 따르면, 엔진은 배기가스 재순환 도관 내에 제1 제어 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제8 구현예에 따르면, 엔진은 바이패스 도관 내에 제2 제어 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제9 구현예에 따르면, 엔진은 제3 위치와 배기가스 재순환 도관이 배기가스 도관에 연결되는 위치 사이에 제3 제어 밸브를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제10 구현예에 따르면, 배기가스 재순환 도관은 배기가스 재순환 냉각기를 포함한다.
제1 양태의 가능한 제11 구현예에 따르면, 보일러와 배기가스 도관 간 배기가스 유동의 분할은 원하는 터보차저 균형에 따라 제어된다.
제1 양태의 가능한 제12 구현예에 따르면, 보일러는 배기가스 수용부에 통합된다.
제1 양태의 가능한 제13 구현예에 따르면, 배기가스 수용부는 배기가스 수용부의 출구에 실질적으로 일정한 압력을 제공하기 위해 개별 실린더의 배기로부터 압력 펄스를 균등하게 하기 위해 큰 체적을 갖는다.
제1 양태의 가능한 제14 구현예에 따르면, 엔진은 관련 부하 조건에서 터보차저를 지원하기 위해 소기 도관과 결합하는 보조 송풍기를 더 포함한다.
제1 양태의 가능한 제15 구현예에 따르면, 소기 수용부는 개별 실린더로의 입구 유동에 의해 야기된 압력 서지를 감소시키기 위해 큰 체적을 갖는다.
제1 양태의 가능한 제16 구현예에 따르면, 엔진은 보일러의 증기 생성을 최대화하기 위해 모든 엔진 부하 수준에서 보조 송풍기를 작동하도록 구성된다. 따라서, 주 엔진의 낮은 부하 영역에서 증기 생성을 증가시키기 위한 오일 버너 등의 사용이 감소되거나 회피될 수 있다.
제1 양태의 가능한 제17 구현예에 따르면, 엔진은 터빈의 저압 측에 증기 보일러가 제공되지 않는다.
본 발명의 이들 양태와 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예로부터 명백해질 것이다.
본 개시에 관한 다음의 상세한 설명 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 일례의 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 일례의 실시예에 따른 대형 2 행정 압축 점화 터보차징 엔진의 전단부 및 일 측면을 도시한 입면도이고,
도 2는 도 1 엔진의 후단부 및 다른 측면을 도시한 입면도이고,
도 3은 흡배기 시스템을 구비한 도 1에 따른 엔진의 도식적인 표현이고,
도 4는 종래 기술 흡배기 시스템의 종래 기술 티어(Tier) III 엔진의 도식적인 표현이고,
도 5는 티어 III 모드에서, 즉 배기가스 재순환과 함께 작동하는 도 4 종래 기술 티어 III 엔진의 도식적 표현이고,
도 6은 티어 II 모드에서, 즉 배기가스 재순환 없이 작동하는 도 4 종래 기술의 티어 II 엔진의 도식적인 표현이고,
도 7은 본 발명에 따른 흡배기 시스템을 구비한 티어 III 엔진의 일례의 실시예의 도식적인 표현이고,
도 8은 티어 III 모드에서 작동하는, 즉 배기가스 재순환과 함께 작동하는 도 7 티어 III 엔진의 도식적 표현이고,
도 9는 티어 III 모드에서, 즉 배기가스 재순환 없이 작동하는 도 7 티어 III 엔진의 도식적인 표현이고,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 흡배기 시스템을 구비한 티어 III 엔진의 또 다른 일례의 실시예의 도식적인 표현이다.
다음의 상세한 설명에서, 대형 2 행정 압축 점화 내연기관을 일례의 실시예를 들어 기술한다. 도 1 및 도 2는 크랭크샤프트(22)와 크로스헤드(23)가 구비된 대형 저속 터보차징 2 행정 압축 점화 내연기관의 입면도를 도시한다. 도 3은 흡배기 시스템을 갖춘 엔진의 도식적인 표현을 도시한다. 이 일례의 실시예에서, 엔진은 열을 지어 6개의 실린더(1)를 구비한다. 대형 터보차징 디젤 엔진은 통상적으로 엔진 프레임(24)에 의해 지지되는 실린더 프레임에 의해 지지되며, 열을 지어 4개 내지 16개의 실린더를 갖는다. 엔진은 예컨대 해양을 운항하는 선박의 주 엔진 또는 발전소의 발전기 작동을 위한 고정식 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은, 예를 들면, 5,000 내지 110,000kW 범위일 수 있다.
엔진은 실린더(1) 하부 영역에 피스톤 제어 포트 링 형태의 소기 포트(19) 및 실린더(1) 상단에 배기밸브(4)가 구비된 2 행정 단류(uniflow)형의 디젤(압축 점화) 엔진이다. 따라서 연소실 내 유동은 항상 하단에서 상단이므로, 엔진은 소위 단류형이다. 소기는 소기 수용부(2)로부터 개별 실린더(1)의 소기 포트(19)로 통과한다. 실린더(1) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(21)은 소기를 압축하고, 실린더 커버(26) 내에 배열된 2개 또는 3개의 연료 밸브(27)를 경유하여 연료가 분사된다. 연소가 뒤따르고 배기가스가 발생한다. 배기밸브(4)가 개방되면 배기가스는 관련 실린더(1)와 결합된 배기 덕트(20)를 통해 배기가스 수용부(3)로 유동하고, 계속해서 배기가스 도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 유동한 후, 배기가스는 배기 도관(7)을 통해 배출된다. 샤프트(8)를 통해 터빈(6)은 에어 인테이크(10)를 경유하여 공급되는 압축기(9)를 구동한다.
압축기(9)는 소기 수용부(2)에 이르는 소기 도관(11)에 가압된 소기를 전달한다. 도관(11) 내 소기는 소기를 냉각하기 위해 인터쿨러(12)를 통과한다. 냉각된 소기는 낮은 부하 또는 부분 부하 조건에서 충전 공기 유동을 가압하는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 경유하여 충전 공기 수용부(2)로 통과한다. 더 높은 부하에서, 터보차저 압축기(9)는 충분히 압축된 소기를 전달한 다음, 보조 송풍기(16)는 역류방지 밸브(15)를 경유하여 바이패스 될 수 있다.
배기가스 수용부(3)는 실린더(1) 열의 상단에 평행하게 그리고 근접하여 배치된 대형의 세장형 원통형 용기이다. 배기가스 수용부(3)는 배기 밸브(4) 개방 시 개별 실린더(1)로부터 배기가스의 주기적인 유입에 의해 야기된 압력 펄스를 균등하게 할 수 있는 큰 체적을 갖는다. 배기가스 수용부(3)의 균등화 효과는 배기가스 수용부(3)의 출구에 실질적으로 일정한 압력을 제공한다. 배기가스 수용부(3) 출구의 일정한 압력은, 배기가스로 구동하는 터보차저(5) 또는 대형 2 행정 디젤 엔진에서 사용되는 터보차저가 일정한 공급 압력으로부터 이익을 얻는다는 장점이 있다.
배기가스는 배기가스 수용부(3)로부터 배기 도관(18)을 경유하여 터보차저(5)의 터빈(6)을 향해 유도된다(복수의 터보차저(5)가 있을 수 있고 복수의 배기가스 수용부(3)가 있을 수 있음). 배기가스는 터빈(6) 하류의 대기 중으로 배출된다. 터보차저(5)는 압력이 일정하다. 즉, 터보차저(5)는 배기가스 내의 압력 펄스로 작동하도록 구성되지 않는다. 터보차저(5)는 축 방향 또는 반경 방향의 터빈을 가지며 최대 약 500 내지 550℃의 배기가스 온도로 구성된다.
터보차저(5)는 또한 샤프트를 통해 터빈(6)에 의해 구동되는 압축기(9)를 포함한다. 압축기(9)는 에어 인테이크(10)에 연결된다. 압축기(9)는 소기 냉각기(12)를 포함하는 소기 도관(11)을 경유하여 소기 수용부(2)로 고압 소기를 전달한다.
소기 수용부(2)는 실린더(1) 열의 하단에 평행하게 그리고 근접하여 배치된 대형 세장형 원통형 용기이다. 소기 수용부(2)는 소기 포트(19) 개방 시 개별 실린더(1)로 소기의 주기적인 유출에 의해 야기되는 압력 강하를 소기 수용부(2)가 보상할 수 있는 큰 체적을 갖는다. 소기 수용부(2)의 보상 효과는 실질적으로 동일한 소기 압력이 각각의 실린더(1)에 대해 이용 가능하도록 소기 수용부(2)에서 실질적으로 일정한 압력을 제공한다. 소기 수용부(2)의 일정한 압력은 대형 2 행정 디젤 엔진에 사용되는 터보차저(5)(또는 터보차저들)가 일정한 공급 압력으로 작동되고 일정한 공급 압력을 전달하기 때문에 필요하다. 즉, 개별 실린더(1)를 소기하기 위해 사용할 수 있는 압력 펄스가 없다.
종래 기술의 엔진에는 도 4에 도시된 배기가스 재순환 시스템이 제공된다. 배기가스 재순환 시스템은 실린더(1)로부터 나오는 배기가스의 일부를 소기로 운반하도록 구성되어, 연소 온도를 낮추고 그에 따라 NOx 배출을 저감한다. 배기가스 재순환 시스템은 활성 또는 비활성이거나 다양한 배기가스 재순환율로 작동하는 유형이다. 배기가스 재순환 시스템은 배기가스 수용부(3)로부터 또는 배기가스 도관(18)으로부터 소기 도관(11) 또는 소기 수용부(2)로 연장되는 도관(30)을 포함한다. 또는, 배기가스는 밸브 또는 포트(도시되지 않음)를 경유하여 실린더(1)로부터 직접 취해질 수 있다.
도 4에 도시된 종래 기술에서, 배기가스 재순환 도관(30)은 배기가스 도관(18)을 소기 도관(11)에 연결한다. 배기가스 재순환 도관(30)은 배기가스 수용부(3)의 하류 위치에서 배기가스 도관(18)으로부터 분기되어, 배기가스 냉각기(12)의 하류 또는 상류 위치에서 소기 도관(11)에 연결된다.
배기가스 재순환 도관(30)은 다양한 구성요소를 포함한다. 이들 구성요소는 스크러버 또는 필터와 같은 세정 장비, 흡입 송풍기(32)(전기 모터 또는 유압 모터에 의해 구동되는) 및 제1 제어 밸브(34)를 포함한다.
송풍기(32) 및 제1 제어 밸브(34)와 같은 배기가스 재순환 도관(30)의 구성요소는 전자제어장치(도시되지 않음)에 연결된다. 전자제어장치는 작동 조건을 근거로 및/또는 인간 조작자의 입력으로 배기가스 재순환 시스템의 활동을 제어한다. 전자제어장치는 배기가스 재순환 시스템을 활성화 및 비활성화할 수 있고, 필요하면 배기가스 재순환율, 즉 공기와 배기가스의 비율을 가변적으로 제어할 수 있도록 구성된다.
종래 기술의 엔진에는 소기 도관(11)을 배기가스 도관(18)에 연결하는 실린더 바이패스 도관(40)이 제공된다. 실린더 바이패스 도관(40)의 일 단부는 압축기(9)의 하류와 소기 냉각기(12)의 상류 위치에서 소기 도관(11)에 연결된다. 실린더 바이패스 도관(40)의 타 단부는 배기가스 재순환 도관(30)이 배기가스 도관(18)과 터빈(6) 입구 상류에 연결되는 위치의 하류 위치에서 배기가스 도관(18)에 연결된다. 배기가스 도관(18)을 따르는 다른 연결 위치도 가능하다.
실린더 바이패스 도관(40)은 전자제어장치 또는 인간 조작자의 명령에 따라 소기 유동 경로(11)로부터 배기 도관(18)으로 소기 유동을 조절하는 제2 제어 밸브(41)를 포함한다. 제2 제어 밸브(41)는 밸브를 통한 유동에 대해 가변적이고 제어 가능한 제한의 정도를 갖는다.
또는, 제2 제어 밸브(41)는 전자제어장치에 의해 또는 인간 조작자에 의해 제어되는 온/오프 타입이다. 이 실시예에서, 전자제어장치는 배기가스 재순환 시스템이 활성일 때 제2 제어 밸브(41)를 개방하도록 구성되고, 배기가스 재순환 시스템이 비활성일 때 제2 제어 밸브(41)를 폐쇄하도록 구성된다.
배기가스 재순환 시스템은 여러 가지 이유로 비활성일 수 있다. 그 이유 중 하나는 배기가스 재순환 시스템의 결함 또는 오작동일 수 있다. 배기가스 재순환 시스템의 비활성에 대한 다른 이유는 티어 II NOx 배출 수준과 관련하여 엔진의 연료 소비를 최적화할 수 있는 기회일 수 있다. 배기가스 재순환율은 예컨대 0%에서 약 45% 사이일 수 있다.
터보차저(5)는 서지 또는 초크로 인해 엔진과 잘 맞지 않으면 잘 작동하지 않거나 전혀 작동하지 않는다. 일반적인 압축기 특성에서 압력 비율은 질량 유량 및 회전 속도의 함수로 표시되고 효율 윤곽이 중첩된다. 터보차저(5)를 엔진에 맞출 때, 엔진의 작동점을 가장 높은 효율의 윤곽 근처 또는 윤곽 이내에 두되, 서지 라인에 대한 마진이 안전하도록 하는 것이 그 목적이다.
배기가스 재순환 시스템이 활성 상태에서 비활성 상태로 바뀌면, 터보차저의 작동 조건은 상당히 변화한다. 바꾸어 말하면, 터보차저(5)는 배기가스 재순환 시스템이 활성인 상태에서 작동(즉, 약 20 내지 45%의 배기가스 재순환율 및 터보차저(5)와의 양호한 매치로 작동)을 위해 엔진에 매칭된다. 대책이 없으면 배기가스 재순환 시스템이 비활성일 때 터보차저(5)가 잘 매칭되지 않을 것이다. 왜냐하면, 소기의 압력과 유동이 높은 엔진 부하에서 허용될 수 없으며 터보차저의 초크 및 과속과 낮은 효율을 초래할 수 있기 때문이다.
IMO 티어 III 배출 법규를 충족하는 배기가스 재순환 엔진 또는 배기가스 재순환(또는 소량의 배기가스 재순환) 없이 주행하는 티어 II 엔진에 대한 터보차저(5)의 매칭은 압축기의 안정성(서지 마진)과 압축기/터보차저 효율/ 엔진(1)의 연료 소비 간의 절충이다. 배기가스 재순환 없이 주행할 때 터보차저의 압축기가 최적의 레이아웃과 일치하면, 배기가스 재순환이 압축기(9)를 통한 유량을 감소시키기 때문에(엔진 작동점이 서지 라인 쪽으로 이동) 불필요하게 큰 서지 마진이 존재한다. 기존의 터보차저 또는 가변 터빈 영역의 터보차저에는 소기 압력(부스트 압력)과 엔진 효율을 절충함이 없이 이 두 모드 간에 전환할 때 유동의 변화를 처리하는 데 필요한 유량 범위가 없다.
실시예에서, 터보차저(5)의 압축기(9)는 배기가스 재순환 작동과 매칭되어 실린더 바이패스 유로(40)를 개방한다. 배기가스 재순환이 없는 모드로 전환하면 실린더 바이패스 유로(40)가 폐쇄되어, 터보차저(5)의 압축기(9)가 초크 되는 것을 피하기 위해 유동과 소기 압력의 증가가 감소하고, 압축기 특성(맵)에서 최적의 주행 조건이 얻어지도록 한다. 다른 효과로는 실린더 바이패스 유로(40)가 개방되면 실린더(1)를 통한 공기 유동이 감소하기 때문에, 예상하는 NOx 저감을 달성하기 위해서는 더 낮은 절대 배기가스 재순환 질량 유동이 요구된다는 것이다. 또 다른 효과로는 흡입 송풍기 동력과 순환 배기가스량이 더 적게 필요하기 때문에 배기가스 재순환 시스템 자체의 용량이 감소할 수 있다는 것이다. 따라서, 전자제어장치는 배기가스 재순환율이 증가함에 따라 제2 제어 밸브(41)의 개방을 증가시키고 그 역으로도 증가하도록 구성되어, 엔진이 작동하는 모든 배기가스 재순환율에 대해 터보차저(5)가 엔진에 가장 잘 매칭되도록 한다.
바이패스 도관(40)을 통한 실린더 바이패스 유동의 부정적인 효과는 실린더(1)를 통과하는 감소한 양의 소기 가스에 의해 야기되는 엔진에 대한 열 부하가 증가한다는 점이다.
터빈 바이패스 도관(50)은 배기가스 재순환 없이 작동 중에 배기가스 도관(18)으로부터 과량의 배기가스를 분출하기 위해 제공된다. 터빈 바이패스 도관(50)을 통한 유동은 제5 제어 밸브(51)에 의해 제어된다. 배기 도관(7) 내의 증기 보일러(52)는 터빈의 출구와 터빈 바이패스(50)로부터 나오는 배기가스의 열을 증기로 전환시킨다.
도 5는 제1 제어 밸브(34)와 제2 제어 밸브(41)가 모두 개방되고 배기가스 재순환이 이루어지는 상태에서 작동하는 도 4 엔진의 작동 모드를 도시한다. 설명 목적상, 제어 밸브는 도 5에 도시되어 있지 않다.
배기가스 재순환 없이 작동하는 동안, 제1 제어 밸브(34)와 제2 제어 밸브(41)는 모두 폐쇄된다. 이 작동 모드는 도 6에 도시되어 있다. 설명 목적상, 제어 밸브는 도 6에 도시되어 있지 않다. 배기가스 재순환이 없는 작동 모드에서, 실린더(1)로부터 나오는 배기가스 중 일부는 터보차저(5)의 균형을 맞추기 위해 터빈(6)을 바이패스 할 필요가 있다. 여기서, 제5 제어 밸브(51)는 개방되어, 실린더(1)로부터 나오는 배기가스의 일부가 터빈 바이패스 도관(50)을 경유하여 터빈(6)을 바이패스 한다.
도 7은 엔진의 제1 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따른 엔진은 터빈 바이패스 도관(50), 제5 제어 밸브(51) 및 재순환 배기가스 냉각기(31)를 제외하면 종래 기술 엔진의 모든 특징을 포함한다. 실시예에서, 엔진은 터빈(6)의 저압 측에 증기 보일러(52)가 없거나 최소한 가질 필요가 없으면서 여전히 충분한 증기를 생성할 수 있는 동시에 연소된 연료로부터 최대 에너지를 충분히 추출할 수 있다.
대신에 이 실시예에 따른 엔진에는 고압 보일러(36)가 제공된다. 고압 보일러(36)는 엔진 또는 엔진이 설치된 해양 선박과 같은 환경과 관련된 다양한 소비 장치에 의해 사용될 수 있는 증기를 발생시킨다. 고압 보일러(36)는 보일러 도관(35)을 통해 실린더(1)로부터 배기가스 전체 유동의 제1 부분을 수용한다. 보일러 도관(35)은 제4 제어 밸브(38)를 포함한다.
이 실시예에서 보일러 도관(35)의 입구는 배기가스 수용부(3)에 연결되고 보일러 도관(35)의 출구는 배기가스 재순환 도관(30)에 연결된다. 배기가스 순환 도관(30)에는 제3 제어 밸브(37)가 제공된다.
제어 밸브는 수동으로 조작되거나 전자제어장치(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.
제1 작동 모드에서, 엔진은 배기가스 재순환이 이루어지면서 작동한다. 이 모드에서, 제3 제어 밸브(37)는 폐쇄되고, 제1 제어 밸브(34)와 제2 제어 밸브(41)는 개방된다. 제1 작동 모드는 도 8에 도시되어 있으며, 도시를 더 쉽게 이해할 수 있도록 활성 도관만을 표시하고 제어 밸브를 표시하지 않았다. 제1 작동 모드에서, 실린더(1)로부터 나오는 배기가스의 제1 부분은 보일러 도관(35), 고압 보일러(36), 배기가스 재순환 도관(30) 및 송풍기(32)를 통해 소기 도관(11), 바람직하게는 배기가스 냉각기(12)의 상류 위치로 운반된다(또는 재순환 배기가스는 배기가스 수용부(2)에 직접 운반될 수 있다).
고온 소기는 소기 도관(11)으로부터 바이패스 도관(40)을 경유하여 배기가스 도관(18)으로 운반됨으로써 실린더(1)를 바이패스 한다.
제2 작동 모드에서, 엔진은 배기 재순환 없이 작동한다. 이 모드에서 제3 제어 밸브(37)는 개방되고, 제1 제어 밸브(34)와 제2 제어 밸브(41)는 폐쇄된다. 제2 작동 모드는 도 9에 도시되어 있으며, 도시를 더 쉽게 이해할 수 있도록 활성 도관만을 표시하고 제어 밸브를 표시하지 않았다. 제2 작동 모드에서, 실린더(1)로부터 나오는 배기가스의 제1 부분은 보일러 도관(35), 고압 보일러(36), 개방된 제3 제어 밸브(37)를 통해 배기가스 도관(18)으로 운반되어 실린더(1)로부터 나오는 배기 유동의 제2 부분과 합류한다. 따라서, 실린더(1)로부터 나오는 배기가스는 모두 터빈(6)으로 운반된다. 그러나 종래 기술과 비교할 때, 고압 보일러(36)가 에너지의 일부를 제거하고 제거된 에너지 부분을 증기로 전환시키기 때문에 압축기(9)를 향한 배기가스 운반의 전체 유동에서 에너지량은 더 적다. 따라서, 터빈(6)이 실린더(1)로부터 배기가스의 전체 유동을 수용한다는 사실에도, 터보차저(5)는 엔진의 균형을 완벽하게 유지한다.
실린더에서 전체 배기가스 유동의 일부분은 터빈(6)의 입구로 운반되고, 바람직하게는 배기가스 재순환과 함께 및 배기가스 재순환 없이 모두 작동한다.
도 10은 배기가스 재순환 도관(30)에 재순환 된 배기가스 냉각기(스크러버)(39)가 제공된다는 것 외에는 제1 실시예와 본질적으로 동일한 제2 실시예를 도시한다.
도 11은 보일러 도관(35)의 입구가 실린더에 직접 연결되고 보일러 도관의 출구가 배기가스 도관(18)에 연결된다는 것 외에는 제1 실시예와 본질적으로 동일한 제3 실시예를 도시한다.
도 12는 보일러 도관(35)의 입구가 배기가스 도관(18)에 연결된다는 것 외에는 제1 실시예와 본질적으로 동일한 제4 실시예를 도시한다.
실시예에서 엔진은 보일러의 증기 생산을 최대화하려는 목적으로 모든 엔진 부하 레벨(낮은, 중간, 높은 엔진 부하 레벨)에서 보조 송풍기(16)를 작동하도록 구성된다. 따라서, 주 엔진의 낮은 부하 영역에서 증기 생성을 증가시키는 오일 버너 등의 사용이 감소하거나 회피될 수 있다.
실시예(도시되지 않음)에서 고압 보일러(36)는 배기가스 수용부(3) 내부에 배치된다. 이것은 배기가스의 압력에 의해 보일러 구성요소에 작용하는 힘을 현저히 감소시킨다. 고압 보일러(36)를 배기가스 수용부(3)로 통합함으로써 공간 사용이 줄어 엔진이 더 콤팩트하게 된다.
본 발명을 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명했다. 그러나 개시된 실시예에 대한 다른 변형들은 도면, 개시된 내용 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 본 청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, "하나의" 또는 "한 개"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 방안들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 방안으로 사용된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다.
청구항에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (14)

  1. 크로스헤드(23)를 포함하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연기관에 있어서,
    복수의 실린더(1)를 포함하고, 각각의 실린더(1)는 소기 포트(19), 소기 밸브(4), 개별 배기 밸브(4)를 경유하여 상기 실린더(1)에 연결되는 배기가스 수용부(3), 터보차저(5), 상기 배기가스 수용부(3)의 출구를 상기 터보차저(5)의 터빈(6)에 연결하는 배기가스 도관(18), 상기 터빈(6)에 의해 구동되는 상기 터보차저(5)의 터보차저 압축기(9), 상기 터보차저 압축기(9)의 출구를 소기 수용부(2)의 입구에 연결하는 소기 도관(11), 소기 냉각기(12)를 포함하는 상기 소기 도관(11), 개별의 소기 포트(19)를 통해 실린더(1)에 연결되는 상기 소기 수용부(2), 상기 배기가스의 일부를 상기 실린더(1)로 다시 재순환시키기 위한 배기가스 재순환 도관(30), 재순환된 배기가스를 상기 실린더(1)로 다시 강제하기 위한 송풍기(32) 또는 압축기를 포함하는 상기 배기가스 재순환 도관(30) 및 상기 소기 냉각기(22) 상류의 상기 소기 도관(11)으로부터 상기 터보차저(5)의 상기 터빈(6)으로 고온 소기의 일부를 운반함으로써 상기 실린더(1)를 바이패스 하기 위한 실린더 바이패스 도관(40) 및 보일러(36)를 구비하며,
    상기 엔진은 적어도 상기 배기가스의 제1 부분을 상기 실린더(1)로부터 상기 보일러(36)를 통해 운반하고, 적어도 두 가지 작동 모드를 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 엔진은 상기 배기가스의 제1 부분을 상기 실린더(1)로부터 상기 보일러(36)를 통해, 그리고 보일러(36)로부터 배기가스 재순환 도관(30)을 통해 다시 상기 실린더(1)로 운반하고, 고온 소기의 일부를 상기 소기 냉각기(12) 상류의 상기 소기 도관(11)으로부터 상기 바이패스 도관(40)을 통해 상기 터빈(6)으로 운반하는 제1 작동 모드 및 상기 배기가스 재순환 도관(30)을 통한 유동을 방지하고, 상기 바이패스 도관(40)을 통한 유동을 방지하며, 상기 보일러(36)로부터 상기 터빈(6)으로 운반된 상기 배기가스의 제1 부분을 운반하는 제2 작동 모드로 구성되는 것을 특징으로 하는 대형 터보차징 2 행정 압축 점화 내연기관.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 보일러(36)를 통과하지 않고 상기 실린더(1)로부터 상기 터빈(6)으로 상기 배기가스의 제2 부분을 운반하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 소기 도관(11) 내에 보조 송풍기(16)를 더 포함하고, 상기 보일러(36)의 증기 생성을 최대화하기 위해 상기 보조 송풍기(16)를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스의 제1 부분과 상기 배기가스의 제2 부분은, 함께 상기 실린더(1)로부터의 전체 배기가스를 구성하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 보일러(36)를 포함하는 보일러 도관(35)을 포함하고, 상기 보일러 도관(35)의 입구는 상기 배기가스 수용부(3) 또는 제1 위치에서 상기 배기가스 도관(18)에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보일러 도관(35)의 출구는, 제3 위치에서 상기 배기가스 재순환 도관(30)에 연결되고, 상기 제3 위치는 바람직하게는 상기 송풍기(32) 또는 압축기의 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  7. 제5 항 또는 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보일러 도관(35)의 출구는, 상기 제1 위치 하류의 제2 위치에서 상기 배기가스 도관에 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 배기가스 재순환 도관(30) 내에 제1 제어 밸브(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 바이패스 도관(40) 내에 제2 제어 밸브(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  10. 제6 항, 제 8항 또는 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 제3 위치와 상기 배기가스 재순환 도관(30)이 상기 배기가스 도관(18)에 연결된 위치 사이에 제3 제어 밸브(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스 재순환 도관(30)은, 배기가스 재순환 냉각기(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보일러(36)와 상기 배기가스 도관(18) 간 배기가스 유동의 분할은, 상기 제2 작동 모드에서 작동할 때 원하는 터보차저 균형에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보일러(36)는, 상기 배기가스 수용부(3)에 통합되는 것을 특징으로 하는 엔진.
  14. 제3 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 보일러(36)의 증기 생성을 최대화하기 위해 모든 엔진 부하 수준에서 보조 송풍기(16)를 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진.
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