KR20190030600A - 내연기관, 내연기관용 터보차저 및 내연기관의 작동 방법 - Google Patents

내연기관, 내연기관용 터보차저 및 내연기관의 작동 방법 Download PDF

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시릴 드라펠라
마틴 바세크
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

내연기관, 특히 가스 엔진(10)은 급기와 가스상 연료의 혼합물을 연소할 수 있는 다수의 실린더(11), 단지 급기(14)만을 압축할 수 있는 제1 터보차저(12) 및 단지 가스상 연료(20)만을 압축할 수 있는 제2 터보차저(13)를 포함한다.

Description

내연기관, 내연기관용 터보차저 및 내연기관의 작동 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE, TURBOCHARGER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 더욱이 내연기관용 터보차저와, 내연기관의 작동 방법에 관한 것이다.
가스 엔진 또는 이중 연료(dual-fuel) 엔진으로 구성된 내연기관은 다수의 실린더를 포함하며, 실린더에서는 급기와 가스상 연료의 혼합물이 연소된다. 현장으로부터 알려진 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진에서, 급기와 가스상 연료의 혼합물은 내연기관의 실린더 상류에서 혼합되고, 배기가스 터보차저를 통해 함께 압축된다. 따라서, 급기와 가스상 연료를 압축하는 공동 터보차저가 마련된다.
이것으로부터 출발하여, 본 발명은 신규한 타입의 내연기관, 이러한 내연기관용 터보차저 및 이러한 내연기관의 작동 방법을 형성하는 목적을 기초로 한다.
이 목적은 청구항 1에 따른 내연기관을 통해 해결된다.
본 발명에 따른 내연기관은, 단지 급기만이 압축될 수 있는 제1 터보차저를 포함한다.
본 발명에 따른 내연기관은, 단지 가스상 연료만이 압축될 수 있는 제2 터보차저를 포함한다.
본 발명에 따른 내연기관에서는, 급기가 제1 터보차저에서 압축되고, 가스상 연료는 이와 독립적으로 제2 터보차저에서 압축된다. 이로 인해, 급기와 가스상 연료를 각각의 압력으로 압축하고, 내연기관의 실린더 헤드 영역에서 급기와 압축 가스의 혼합을 실시하는 것이 가능하다.
유리한 다른 양태에 따르면, 제1 터보차저는 단일 압축기단을 포함하고, 제2 터보차저는 적어도 2개의 압축기단을 포함한다. 이로 인해, 특히 유리한 방식으로 가스상 연료를 급기보다 높은 압력으로 압축하는 것이 가능하다.
가스상 연료만을 압축하는 기능을 하는, 본 발명에 따른 내연기관의 터보차저가 도 4에 명시되어 있다. 상기한 터보차저는 특히 콤팩트한 구성이다. 상기한 터보차저는 급기 압축과는 독립적으로 가스상 연료를 압축하는 기능을 한다.
유리한 다른 양태에 따르면, 반경방향으로 제1 압축기단으로부터 멀어지는 제1 통로 섹션, 반경방향으로 제2 압축기단으로 통하는 제2 통로 섹션 및 제1 통로 섹션과 제2 통로 섹션 사이에서 연장되는 제3 곡선형 통로 섹션을 지닌 곡선형 흐름 통로가 압축기의 압축기단들 사이에서 연장되고, 반경방향으로 제2 압축기단 측으로 통하는 제2 통로 섹션에는 안내 블레이드가 배치된다. 이로 인해, 제1 압축기단에서 예압축된 가스상 연료가 유리하게는 추가의 압축을 위해 제2 압축기단에 공급될 수 있다.
유리한 다른 양태에 따르면, 냉각 채널이 압축기의 하우징에 도입되며, 이 냉각 채널을 통해 압축기의 압축기단이 냉각될 수 있다. 바람직하게는, 추가의 냉각 채널이 베어링 하우징에 도입될 수 있다. 압축기의 냉각과 이에 따른 압축기에 의해 압축된 가스상 연료의 냉각은 특리 유리한 내연기관의 작동을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 내연기관의 작동 방법은 청구항 9에 규정된다. 가스상 연료가 급기와는 독립적으로 급기보다 높은 압력으로 압축된다는 사실로 인해, 내연기관의 유리한 작동이 가능하다.
본 발명의 바람직한 다른 양태는 종속항 및 아래의 설명에서 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 의해 보다 상세히 설명되지만, 도면으로 제한되지 않는다.
도 1은 가스 엔진으로 구성되는 내연기관의 블럭선도.
도 2는 내연기관의 터보차저를 관통하는 축방향 단면도.
본 발명은 가스 엔진 또는 이중 연료 엔진으로서 구성되는 내연기관, 이러한 내연기관용 터보차저 및 이러한 내연기관이 작동 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 엔진(10)의 블럭선도를 매우 개략적으로 보여준다. 가스 엔진(10)은 다수의 실린더(11)를 포함하며, 실린더 내에서 급기와 가스상 연료의 혼합물이 연소된다.
가스 엔진(10)은 다수의 터보차저(12, 13)를 포함한다.
제1 터보차저(12)는 급기(14)만을 압축하는 기능을 한다. 이를 위해, 제1 터보차저(12)는 급기를 압축하는 압축기(15)와 내연기관을 빠져나가는 배기가스(17)를 팽창시키는 터빈(16)을 포함한다. 배기가스(17)는 배기가스 매니폴드(18)로부터 추출되고 제1 터보차저(12)의 터빈(16)에 공급되어 제1 터보차저(12)의 터빈(16)에서 팽창하고, 이때 추출된 에너지가 터보차저(12)의 압축기(15)에서 급기(14)를 압축하고 이 급기를 실린더 헤드(19)에 공급하기 위해 활용된다.
제1 터보차저(12)가 급기만을 압축하는 기능을 하는 한편, 제2 터보차저(13)는 가스상 연료(20)만을 압축하는 기능을 한다. 이를 위해, 제2 터보차저(13)는 다수의 압축기단(22, 23)을 지닌 압축기(21)를 포함한다. 도시한 예시적인 실시예에서, 제2 터보차저(13)의 압축기(21)는 가스상 연료(20)를 압축하는 2개의 압축기단(22, 23)을 포함하며, 가스상 연료는 마찬가지로 압축 가스상 연료(20)로서 실린더 헤드(19)에 공급되어, 실린더 헤드(19) 영역에서 압축 급기(14)와 혼합될 수 있다.
제2 터보차저(13)는 해당 프로세서에서 에너지를 추출하기 위해 내부에서 실린더(11)의 배기가스가 마찬가지로 팽창될 수 있는 터빈(24)을 포함하고, 배기가스(17)의 팽창 중에 제2 터보차저(13)의 터빈(24)에서 추출된 에너지를 활용하여 가스상 연료(20)를 압축하는 압축기(21)의 2개의 압축기단(22, 23)을 구동한다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 엔진(10)은 터보차저(12, 13)를 포함하고, 터보차저에서는 서로 독립적으로 한 쪽에서는 급기(14)가 그리고 다른 한 쪽에서는 가스상 연료(20)가 압축될 수 있다,
압축 가스상 연료(20)와 압축 급기(14)는 실린더 헤드(19) 영역에서 혼합된다. 가스상 연료(20)를 압축하는 기능을 하는 제2 터보차저(13)가 급기(14)를 압축하는 기능을 하는 제1 터보차저(12)보다 훨씬 많은 개수의 압축기단을 갖는다는 사실로 인해, 가스상 연료(20)는 급기(14)보다 높은 압력으로 압축된다. 이로 인해, 가스 엔진(10)에 대해 특히 유리한, 특히 규제된 작동이 보장될 수 있다.
도 2는 가스상 연료를 압축하는 기능을 하는 제2 터보차저(13)를 관통하는 단면도를 보여준다. 따라서, 도 2는 터빈 로터(25)와 터빈 하우징(26)을 포함하는 터빈(24)을 보여준다.
터빈(24)은 바람직하게는 팽창 대상 배기가스가 반경방향으로 유입되는 래이디얼 터빈(radial turbine)으로 구현되는 것이 바람직하며, 팽창된 배기가스는 바람직하게는 축방향으로 터빈 로터(25)로부터 흘러나간다.
압축기(21)는 압축기 하우징 섹션(27a, 27b)을 지닌 압축기 하우징(27)과 2개의 압축기 단(22, 23)을 제공하는 압축기 로터를 포함한다. 따라서, 제1 압축기단(22)은 제1 압축기 로터(28)를 포함하고, 제2 압축기단(23)은 제2 압축기 로터(29)를 포함하며, 제1 압축기 로터와 제2 압축기 로터는 공동 샤프트(30) 상에 배치된다. 터빈 로터(25)는 이 샤프트(30)를 통해 2개의 압축기 로터(28, 29)에 커플링된다. 샤프트(30)는 베어링 하우징(31)에 장착되며, 베어링 하우징(31)과 베어링(35)은 한편에서는 터빈 하우징(26)에 연결되고 다른 한편에서는 압축기 하우징(27), 특히 압축기 하우징 섹션(27b)에 연결된다.
단지 가스상 연료만을 압축하는 기능을 하는 터보차저(13)에 있는 압축기(21)의 2개의 압축기단(22, 23) 모두는 래이디얼 압축기단으로 구성되며, 이에 따라 압축 대상 가스상 연료가 축방향으로 유입되는 한편, 반경방향으로 흘러나간다.
제1 압축기단(22)의 영역에서 압축되는 가스상 연료는 추가의 압축을 위해 흐름 통로(32)를 통해 제2 압축기단(29)에 공급될 수 있다.
이 흐름 통로(32)는 다수의 통로 섹션(32a, 32b, 32c)을 포함한다. 제1 통로 섹션(32a)은 반경방향으로 연장되고, 제1 압축기단(22) 영역에서 압축된 가스상 연료를 제1 압축기단(22)으로부터 멀어지게 안내한다. 제2 통로 섹션(32b)도 마찬가지로 반경방향으로 연장되고, 제1 압축기단(22) 영역에서 압축된 가스상 연료를 제2 압축기단(23) 영역으로 안내한다. 반경방향으로 연장되는 이들 2개의 통로 섹션(32a, 32b) 사이에는, 압축된 가스상 연료를 대략 180°만큼 편향시키는 제3 곡선형 통로 섹션(32c)이 형성된다.
제3 통로 섹션(32c) 영역으로 흐름 편향되는 제2 통로 섹션(23b)에는, 안내 블레이드(33)가 배치된다. 안내 블레이드(33)는 예압축된 가스상 연료를 제2 압축기단(23) 방향으로 최적으로 공급하는 기능을 한다.
압축기(21)의 하우징(27) 또는 압축기 하우징 섹션(27a, 27b) 내와 베어링 하우징(31) 내에는 냉각 채널(34)이 도입된다. 압축기(21)와 베어링 하우징(31)은 이러한 냉각 채널(34)을 통해 냉각될 수 있다. 가스상 연료의 냉각도 또한 가능하다.
베어링 하우징 영역에 있는 냉각 채널은 고온 터빈측으로부터 단열을 초래한다. 이로 인해, 터보차저와 터보차저를 포함하는 가스 엔진의 특히 유리한 작동이 가능하다.
가스 엔진(10)은 가스상 연료(20)가 급기(14)와 독립적으로 압축되도록 작동된다. 여기에서, 가스상 연료(20)는 급기(14)보다 높은 압력으로 압축된다.
상이한 압력 수준으로 압축되는 이들 매체, 즉 가스상 연료(20)와 급기(14)는 실린더 헤드(19) 영역에서 또는 실린더 헤드(19) 이전에 혼합된 다음, 급기(14)와 가스상 연료(20)의 혼합물이 실린더(11)에 공급된다.
본 발명은 가스 엔진에 대해 설명되었지만, 본 발명은 또한 이중 연료 엔진에 대해서도 채택될 수 있다.
10 : 가스 터빈 11 : 실린더
12, 13 : 터보차저 14 : 급기
15 : 압축기 16 : 터빈
17 : 배기 가스 18 : 배기가스 매니폴드
19 : 실린더 헤드 20 : 가스상 연료
21 : 압축기 22, 23 : 압축기단
24 : 터빈 25 : 터빈 로터
26 : 터빈 하우징 27 : 압축기 하우징
27a, 27b : 압축기 하우징 섹션 28, 29 : 압축기 로터
30 : 샤프트 31 : 베어링 하우징
32 : 흐름 통로 32a, 32b, 32c : 통로 섹션
33 : 안내 블레이드 34 : 냉각 채널
35 : 베어링

Claims (10)

  1. 내연기관, 특히 가스 엔진(10)으로서,
    급기와 가스상 연료의 혼합물을 연소할 수 있는 다수의 실린더(11)를 포함하는 내연기관에 있어서,
    단지 급기(14)만을 압축할 수 있는 제1 터보차저(12)와,
    단지 가스상 연료(20)만을 압축할 수 있는 제2 터보차저(13)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 터보차저는 단일 압축기단을 포함하고,
    제2 터보차저(13)는 적어도 2개의 압축기단(22, 23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 터보차저(13)는 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 내연기관을 위한 터보차저(13)로서, 단지 가스상 연료만을 압축하는 기능을 하는 터보차저에 있어서,
    상기 터보차저는 제1 압축기단(22) 및 제1 압축기 로터(28)와, 제2 압축기단(23) 및 제2 압축기 로터(29)를 포함하며,
    상기 터보차저는 터빈 로터(25)를 지닌 터빈(24)을 포함하고,
    터빈 로터(25), 제1 압축기 로터(28) 및 제2 압축기 로터(29) 모두가 공동 샤프트(30)를 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  5. 제4항에 있어서,
    압축기(21)의 압축기단(22, 23)은 래이디얼 압축기단(radial compressor stage)이고,
    터빈(24)은 래이디얼 터빈인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 반경방향으로 제1 압축기단(22)으로부터 멀어지게 연장되는 제1 통로 섹션(32a), 반경방향으로 제2 압축기단(23)으로 통하는 제2 통로 섹션(32b) 및 제1 통로 섹션과 제2 통로 섹션 사이에서 연장되는 제3 곡선형 통로 섹션(32c)을 지닌 곡선형 통로(32)가 압축기(21)의 압축기단(22, 23)들 사이에서 연장되고, 반경방향으로 제2 압축기단(23)으로 통하는 제2 통로 섹션(32b)에 안내 블레이드(33)가 배치되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기(21)의 하우징(27) 내에 냉각 채널(34)이 도입되고, 이 냉각 채널을 통해 압축기의 압축기단(22, 23)이 냉각되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 하우징(31) 내로, 추가의 냉각 채널(34)이 도입되는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 내연기관(10)의 작동 방법에 있어서,
    제2 터보차저(13)를 통해 가스상 연료(20)가 제1 터보차저(12)를 통한 급기(14)보다 높은 압력으로 압축 가능한 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 압축 급기(14)와 이와 독립적으로 압축된 가스상 연료(20)가 실린더 헤드(19)에서 또는 실린더 헤드(19) 이전에 혼합되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 방법.
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