KR20220067505A - 내연 엔진, 배기 시스템 및 내연 엔진의 작동 방법 - Google Patents

내연 엔진, 배기 시스템 및 내연 엔진의 작동 방법 Download PDF

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KR20220067505A
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안드레 스피쳐
도미닉 슈니터
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빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

본 발명은 내연 엔진(100), 배기 시스템(101) 및 내연 엔진(100)을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
내연 엔진(100)은 적어도 하나의 실린더(1)를 가지고, 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 저압 연료 가스를 실린더 벽(2)을 통해 실린더(1) 내로 직접 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브(24)를 갖는 실린더(1)를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진이다. 내연 엔진(100)은 소기 가스가 실린더(1) 내로 도입되는 흡기 시스템(3)과 실린더(1)에서 생성된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템(101)을 포함한다. 배기 시스템(101)은 실린더로부터 배기 가스를 배출하기 위한 배기 출구(25)를 통해 실린더(1)에 연결된 배기 가스 리시버(4), 및 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6), 바람직하게는 3개의 배기 가스 쿨러(6)를 포함하고, 물과 같은 냉각 매체를 안내하기 위한 덕트 시스템(7)을 포함하는 배기 처리 유닛(5)을 포함한다. 배기 시스템(101)은 덕트 시스템(7)에 유체로 연결되거나 연결 가능하고 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6)로부터 냉각 매체를 수용하도록 구성된 제 1 유체 라인(12a, 12b)을 포함하는 작아더 하나의 열 교환기(11a, 11b)를 포함한다.

Description

내연 엔진, 배기 시스템 및 내연 엔진의 작동 방법{Internal combustion engine, exhaust system and method for running an internal combustion engine}
본 발명은 내연 엔진, 배기 시스템 및 내연 엔진의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 바람직하게는 실린더가 적어도 200mm의 내경을 갖는 대형 선박 또는 선박 엔진 또는 고정식 엔진과 같은 내연 엔진에 관한 것이다. 엔진은 바람직하게는 2-행정 엔진 또는 2-행정 크로스 헤드 엔진이다. 엔진은 가스 엔진, 이중 연료 또는 다중 연료 엔진일 수 있다. 이러한 엔진에서 액체 및/또는 가스 연료의 연소는 자체 점화 또는 강제 점화도 가능하다.
내연 엔진은 길이 방향으로 플러싱되는 2-행정 엔진일 수 있다.
내연 엔진이라는 용어는 연료의 자기 점화를 특징으로 하는 디젤 모드뿐만 아니라 연료의 포지티브 점화(positive ignition)를 특징으로 하는 오토 모드 또는 이 둘의 혼합 모드로도 작동될 수 있는 대형 엔진을 말한다. 또한, 내연 엔진이라는 용어는 특히 이중-연료 엔진 및 연료의 자가 점화가 다른 연료의 포지티브 점화에 사용되는 대형 엔진을 포함한다.
엔진 속도는 특히 4-행정 엔진의 경우, 바람직하게는 800RPM 미만, 특히 2-행정 엔진의 경우, 더욱 바람직하게는 200RPM 미만이며, 이는 저속 엔진의 지정을 나타낸다.
연료는 디젤 또는 선박 디젤유 또는 중유 또는 에멀젼 또는 슬러리 또는 메탄올 또는 에탄올뿐만 아니라 액화 천연 가스(LNG) 액화 페트롤 가스(LPG) 등과 같은 가스일 수 있다.
요청 시 추가할 수 있는 추가 가능한 연료는, LBG(Liquefied Biogas)(액화 바이오가스), 생물학적 연료(예: 조류 또는 해초로 만든 오일), 암모니아, 수소, CO2로 만든 합성 연료(예: Power-To-Gas 또는 Power-To-Liquid)이다.
대형 선박, 특히 상품 운송용 선박은 일반적으로 내연 엔진, 특히 디젤 및/또는 가스 엔진, 주로 2-행정 크로스 헤드 엔진에 의해 구동된다. 중유, 선박 디젤유, 디젤 또는 기타 액체와 같은 액체 연료의 경우뿐만 아니라 LNG, LPG 또는 기타와 같은 가스 연료가, 엔진에 의해 연소되는 경우, 이 연소 과정에서 배출되는 배기 가스는 IMO Tier III와 같은 기존 규칙을 준수하도록 청소되어야 한다.
가스/공기 혼합물 및 메탄 슬립의 반응성을 감소시키기 위해, 예를 들어 EP 3 722 572 A1에 도시된 바와 같이, 저압 배기 가스 재순환(EGR)을 제공하는 것이 알려져 있다. 연소의 안정성을 위해, 재순환된 배기 가스를 냉각하는 것이 바람직하다.
터보 차저의 압축기는 배기 가스의 수분 함량에 의해 영향을 받아 부식될 수 있다. CN112628033A는 응축수 분리 구성요소와 혼합기를 갖는 EGR 시스템을 제안한다. 배기 가스와 신선한 가스가 혼합되고 물이 제거되기 때문에, 시스템을 배치할 가능성이 제한된다.
US 10,054,085 B2는 단일 스테이지 열교환기 또는 이중 스테이지 열교환기인 EGR 쿨러를 포함하는 전력 시스템을 보여준다. 전력 시스템의 연료를 기화시키는 데 사용되는 열은 열교환기에 의해 제공될 수 있다. 배기 가스는 열교환기를 통해 안내되어야 한다.
일반적으로, 저압 EGR 솔루션은 엔진룸에 추가 공간을 필요로 한다. 또한, 저압 EGR 솔루션은 엔진 후 낮은 배기 엔탈피를 초래하여, 증기가 감소된다. 감소된 증기량은 표준 배기 가스 이코노마이저(economizers)에 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 회피하고, 바람직하게는 응축수의 역효과가 방지되는, 엔탈피의 저하 없이 안정적인 연소를 제공하면서 감소된 공간을 필요로 하는, 특히 내연 엔진, 배기 처리 유닛 및 내연 엔진의 작동 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 독립항에 따른 내연 엔진 및 내연 엔진의 작동 방법에 의해 달성된다.
내연 엔진은 적어도 하나의 실린더를 갖는다. 특히, 내연 엔진은 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진이다.
적어도 하나의 실린더는 실린더 벽을 통해 실린더 내로 저압 연료 가스를 직접 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브를 갖는다.
적어도 하나의 실린더는 적어도 하나의 배출 출구를 갖는다. 배출 밸브는 배출 출구에 배치될 수 있다.
내연 엔진은 소기 가스가 실린더 내로 도입되는 흡기 시스템을 더 포함한다.
흡기 시스템은 실린더의 공기 입구에 유체로 연결되는 파이프를 포함할 수 있다.
흡기 시스템은 소기 공기 리시버를 포함할 수 있다. 소기 공기 리시버에 들어가기 전에, 가스는 소기 공기 쿨러를 통해 안내될 수 있다. 소기 공기는 실린더 벽의 소기 공기 포트를 통해 실린더로 들어갈 수 있다.
내연 엔진은 실린더에서 생성된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템을 더 포함한다. 배기 시스템은 실린더로부터 배기 가스를 배출하기 위해 배기 출구를 통해 실린더에 연결된 배기 가스 리시버를 포함한다.
실린더의 배기 출구는, 예를 들어 하나 이상의 실린더의 배기 가스가 수집되는 배기 가스 리시버로 이어지는 배기 도관에 연결될 수 있다.
배기 가스 리시버는 바람직하게는 예를 들어 판금(sheet metal)으로 구성된 긴 중공 원통형 보디를 갖는다. 판금은 열 손실을 방지하기 위해 절연 재료 층으로 덮일 수 있다.
배기 가스 리시버는 바람직하게는 엔진의 전체 길이를 따라[실린더 축에 수직인 방향으로] 연장되고 바람직하게는 배기 가스 리시버 내로 연장되는 독립적인 배기 도관을 통해 모든 실린더로부터 배출되는 배기 가스를 수용한다.
배기 시스템은 적어도 하나의 배기 가스 쿨러, 바람직하게는 3개의 배기 가스 쿨러를 포함하는 배기 처리 유닛을 더 포함한다.
응축수가 중력으로 인해 배기 가스 쿨러 사이에 배출될 수 있기 때문에, 복수의 배기 가스 쿨러는 단일 배기 가스 쿨러보다 더 효과적이다. 배기 가스 쿨러는 튜브(tube) 및 핀(fin) 유형일 수 있다. 배기 가스는 핀과 접촉될 수 있고 배기 가스로부터의 열은 튜브에서 안내될 수 있는 냉각 매체로 전달될 수 있다.
쿨러는 엔진 크기에 따라, 바람직하게는 전체 500-5000m2의 큰 단면을 포함하여, 압력 강하가 최소로 유지될 수 있다.
배기 처리 유닛은 물과 같은, 냉각 매체를 안내하기 위한 덕트 시스템을 포함한다. 덕트 시스템은 배기 가스 쿨러의 튜브를 포함할 수 있다.
배기 가스로부터의 열은 배기 가스 쿨러로 공급될 수 있고 덕트 시스템에서 안내되는 냉각 매체에 의해 쿨러 외부로 전달될 수 있다.
배기 시스템은 덕트 시스템에 유체로 연결되거나 연결 가능한 제 1 유체 라인을 갖는 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다. 적어도 하나의 열 교환기는 적어도 하나의 배기 가스 쿨러로부터 냉각 매체를 수용하도록 구성된다.
냉각 매체에 의해 배기 가스 쿨러로부터 전달된 열은 열교환기에서 방출될 수 있다.
내연 엔진은 흡기 시스템 상류에 배치된 압축기를 구동하는 터빈을 갖는 터보차저를 더 포함할 수 있다.
터빈은 바람직하게는 배기 처리 유닛의 상류에 배치된다. 배기 가스는 배기 처리 유닛에서 처리되지 않고 배기 가스 리시버로부터 터빈으로 직접 안내될 수 있다.
따라서, 바람직하게는 배기 가스 리시버와 배기 처리 유닛은 압력 및 온도 면에서 서로 분리되어 있다.
내연 엔진은 냉각 매체 회로를 포함할 수 있고, 냉각 매체 회로는 덕트 시스템 및 제 1 유체 라인을 포함한다.
냉각 매체는 폐쇄 회로(closed circuit)를 통해 안내될 수 있다.
냉각 매체 회로는 바람직하게는 펌프를 포함한다. 펌프는 열교환기의 상류와 배기 쿨러의 하류에 배치될 수 있다. 펌프는 덕트 시스템에서 냉각 매체를 끌어내어 열교환기의 제 1 유체 라인으로 밀어넣을 수 있다.
유리한 실시 형태에서, 적어도 하나의 열 교환기 중 적어도 하나는 가스 모드 열 교환기이다. 가스 모드 열 교환기는 연료 가스를 가열하기 위해 템퍼링 유체(tempering fluid), 특히 글리콜(Glycol)을 안내하도록 구성된 템퍼링 유체 라인을 포함한다.
템퍼링 유체는 냉각 매체에 의해 가스 모드 열교환기로 전달되는 열을 흡수한다.
가스 모드 열 교환기 또는 템퍼링 유체 라인은 연료 가스 공급 시스템의 LNG 기화 회로의 일부일 수 있다. 예를 들어, 글리콜과 같은 템퍼링 유체는 연료 가스가 가열될 때 이코노마이저(economizer)에 의해 제공되는 증기를 대체하거나 지원할 수 있다.
적어도 하나의 열교환기 중 적어도 하나는 디젤 모드 열교환기일 수 있다. 디젤 모드 열 교환기는 엔진 중앙 냉각 회로의 물을 수용하도록 구성된, 물 유체 라인을 포함할 수 있다.
바람직하게는 내연 엔진은 가스 모드 열 교환기 및 디젤 모드 열 교환기를 포함한다. 엔진이 가스로 구동되는 한, 가스 모드 열교환기가 사용될 수 있다. 엔진이 디젤로 구동되는 경우, 디젤 모드 열교환기가 사용될 수 있다.
유리한 실시 형태에서, 내연 엔진은 바람직하게는 터보차저의 저압측에 배치된, 흡기 시스템과 배기 처리 유닛을 유체로 연결하는 배기 가스 재순환 덕트를 포함한다.
배기 가스는 터보차저의 터빈 하류의 배기 라인에서 분기되어 배기 가스의 일부가 배기 처리 유닛으로 안내될 수 있고 그곳으로부터 터보차저의 압축기를 통해 흡기 시스템으로 안내될 수 있다.
배기 가스 재순환 덕트는 배기 가스 리시버와 배기 처리 유닛을 포함하는 흡기 시스템 사이에서 연장되는 EGR 시스템의 일부일 수 있다. EGR 시스템은 배기 가스의 일부를 터빈으로부터 배기 처리 유닛으로, 그곳으로부터 배기 가스 재순환 덕트를 통해 흡기 시스템으로 안내하는 EGR 도관을 갖는다.
내연 엔진은 EGR 시스템, 특히 배기 가스 재순환 덕트에 송풍기(blower)를 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로 내연 엔진은 배기 가스 재순환 덕트에서 배기 압력을 설정하기 위한 배기 가스 흐름 제한 장치를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기 가스 흐름 제한 장치는 배기 가스 재순환 속도를 제어하기 위한 조절 가능한 배압을 제공하기 위해, 특히 제어 가능한 개구를 포함하는 배기 가스 배압 밸브이다. 바람직하게는, 배기 가스 재순환 덕트의 배기 압력은 5 내지 100mbar 범위로 설정될 수 있다.
배기 가스 흐름 제한 장치는 배기 가스의 제 1 부분이 터보차저의 터빈 하류의 배기 라인으로부터 분기되고 제 2 부분이 이코노마이저(economizer) 및/또는 펀널(funnel)에 안내되는 분기 지점에 또는 그 근처에 배치될 수 있다.
배기 처리 유닛은 바람직하게는 배기 가스 쿨러의 하류에 배치된, 물 분리기(separator)를 포함할 수 있다. 물 분리기는 예를 들어 서로로부터 특정 거리, 바람직하게는 1-3m를 가질 수 있는 배기 가스 쿨러들 사이에서 배수되는 응축수를 수집한다.
물 분리기는 물 미스트 캐처(water mist catcher)일 수 있다.
수집된 물은 배출 전에 수처리 시스템에서 정화될 수 있다.
물 분리기는 작은 압력 강하, 바람직하게는 50mmWG(0.098mbar에 해당함)보다 작은 압력 강하만 발생시키도록 구성된다. 흐름 편향판(Flow deflection plates)은 관성에 의해 물방울 분리를 유발할 수 있다.
배기 처리 유닛은 바람직하게는 배기 가스 쿨러의 상류에 배치된, 적어도 하나의 배기 클리닝 요소, 예를 들어 스크러버(scrubber)를 포함할 수 있다.
유리한 실시 형태에서, 배기 처리 유닛 및 배기 리시버는 인접하게 배치되고, 바람직하게는 공통 프레임 및/또는 공통 하우징을 포함한다.
배기 가스 리시버 유닛 및 배기 리시버는 둘 다 동일한 방향으로 연장되고 및/또는 하나의 공통 벽을 공유할 수 있는 기다란 중공 보디를 가질 수 있다.
따라서 배기 시스템은 실린더에 직접 장착될 수 있는 소형 요소 및 공간 절약 요소이다.
배기 처리 유닛은 제어 유닛을 포함할 수 있다.
제어 유닛은 제 1 유체 라인을 개방 또는 폐쇄하기 위한 밸브에 연결되거나 연결 가능한, 적어도 하나의 열교환기를 통한 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 적어도 하나의 출력-라인을 포함할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 적어도 하나의 열교환기에서 열교환을 허용하거나 방지할 수 있다.
바람직하게는, 배기 처리 유닛은 열교환기 각각을 위한 밸브를 포함하고 제어 유닛은 밸브 각각을 제어하기 위한 출력-라인을 포함한다.
따라서, 배기 처리 유닛은 예를 들어 가스 모드 열교환기의 제 1 유체 라인을 통해 냉각 매체의 흐름을 허용하는 밸브를 폐쇄하고, 디젤 모드 열교환기의 제 1 유체 라인을 통해 냉각 매체의 흐름을 허용하는 밸브를 개방함으로써 가스 모드에서 디젤 모드로 전환될 수 있다.
제어 유닛은 배기 가스 흐름 제한 장치에 연결되거나 연결 가능한, 배기 가스 재순환 덕트의 배압을 설정하기 위한 출력 라인을 더 포함할 수 있다. 제어 유닛은 배기 가스 배압 밸브의 개방도를 설정함으로써 EGR 속도를 제어할 수 있다.
이 목적은 바람직하게는 전술한 바와 같이, 물 분리기를 포함하는 물 제거기를 갖는 내연 엔진에 의해 달성된다.
내연 엔진은 적어도 하나의 실린더, 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 선박 엔진을 갖는다. 내연 엔진은 바람직하게는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진이다.
내연 엔진은 소기 가스가 실린더로 유입되는 흡기 시스템 및 실린더에서 생성된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템을 더 포함한다.
배기 시스템은 실린더로부터 배기 가스를 배출하기 위한 배기 출구를 통해 실린더에 연결된 배기 가스 리시버를 포함할 수 있다. 배기 시스템은 바람직하게는 물 제거기의 상류에 쿨러를 더 포함할 수 있다.
내연 엔진은 흡기 시스템 상류에 배치된 압축기를 구동하는 터빈을 갖는 터보차저를 포함한다.
내연 엔진은 배기 시스템과 흡기 시스템을 유체로 연결하는 배기 가스 재순환 덕트를 포함한다.
바람직하게는 배기 가스 재순환 덕트는 터보차저의 저압측에 배치되어, 배기 가스가 먼저 터보차저의 터빈을 통해 안내되고, 그 다음 압축기를 통해 안내된다.
대안적으로, 고압 배기 가스는 압축기를 통해 안내될 수 있다.
물 제거기는 터보차저 압축기의 상류 및 옆에 있는 가스 재순환 덕트에 배치된다.
따라서, 압축기에 들어가기 전에, 배기 가스에서 물이 제거되어 적어도 응축수로 인해 임펠러에 충격을 줄 위험이 감소된다.
바람직하게는, 물 제거기는 압축기와 인접하게 배치되어, 물 제거기와 압축기 사이의 유로가 짧고 배기 가스가 다시 습기를 흡수하지 않도록 한다.
물 제거기는 배기 가스가 신선한 공기와 혼합되기 전에 제습될 수 있도록 배치될 수 있다.
배기 가스는 압축기에서 신선한 공기와 처음으로 접촉될 수 있으며, 배기 가스와 신선한 공기는 압축기에서 혼합된다. 대안적으로, 물 제거기는 압축기의 상류에 배치되어, 제습된 배기 가스가 신선한 공기와 합쳐지고 신선한 공기와 함께 압축기로 안내된다.
내연 엔진은 또한 신선한 공기를 위한 별도의 물 제거기를 포함할 수 있다.
물 제거기는 미스트(mist)를 포착 및/또는 물을 수집하기 위한 물 분리기를 포함한다. 물 제거기는 물 및 입자상 물질을 제거하기 위한 효율을 개선하기 위해 추가 구성요소를 포함할 수 있다.
이 물 제거기는 물 제거기의 유출 방향이 압축기의 축 방향 또는 압축기의 반경 방향이 되도록 배치될 수 있다.
축 방향의 유출 배치는 컴팩트한 구성을 가능하게 한다.
물 제거기는 가열 및/또는 냉각 요소를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 물 분리기는 특정 체적 흐름에 대응하는 효율을 갖는다. 물 분리기에 의해 수집되지 않은 잔여 물방울을 제거할 필요가 있을 수 있다.
물 미스트 제거는 남아 있는 물방울의 증발에 의해 향상될 수 있다. 이것은 물 분리기 상류의 배기 가스를 냉각시키고 및/또는 물 분리기 하류의 배기 가스를 가열함으로써 달성될 수 있다.
따라서, 배기 가스가 압축기에 들어가기 전에 전체 물이 제거될 수 있도록 보장된다.
가열 요소는 전기 가열 요소일 수 있다.
가열 요소는 물 또는 가스와 같은, 템퍼링 유체를 안내하기 위한 도관을 포함할 수 있다.
가열 및/또는 냉각 요소는 물 분리기 상류에서 열을 흡수하고 물 분리기 하류에서 열을 방출하는 템퍼링 유체를 안내하기 위한 바람직하게는 폐쇄된 도관 시스템을 포함할 수 있다.
도관 시스템은 배기 가스 쿨러의 냉각 매체를 안내하기 위한 덕트 시스템 또는 전술한 바와 같은 열교환기에 연결될 수 있다. 열 교환기는 물 분리기 하류에서 배기 가스를 가열하기 위한 템퍼링 유체를 안내하도록 구성된 템퍼링 유체 라인을 포함할 수 있다.
가열 요소는 또한 마이크로파(microwaves), 적외선(infrared waves) 및/또는 열 펌프를 사용할 수 있다.
물 제거기는 중력 및/또는 원심력으로 인해 물이 배기 가스로부터 멀어지게 유도되는 유로를 포함할 수 있다.
이 유로는 중력 방향에 수직하게 배치되어, 배기 가스는 수평으로 안내되고 제거된 물은 수직으로 배출될 수 있다.
유로는 곡선형일 수 있어, 배기 가스가 곡선형 경로를 따라 안내된다. 혼입된 물은 원심력으로 인해 방사상 바깥쪽으로 보내지고 배기 가스에서 분리될 수 있다.
이 목적은 또한 바람직하게는 전술한 바와 같이, 내연 엔진용 배기 시스템에 의해 달성된다. 배기 시스템은 적어도 하나의 배기 가스 쿨러와 배기 리시버를 갖는 배기 처리 유닛을 포함한다. 배기 처리 유닛 및 배기 리시버는 인접하게 배치되고, 바람직하게는 공통 프레임 및/또는 공통 하우징을 포함한다.
배기 처리 유닛은 적어도 하나의 열교환기에 연결될 수 있는 냉각 매체를 안내하기 위한 덕트 시스템을 포함할 수 있다.
배기 시스템은 하나의 부품으로 복수의 실린더에 직접 장착될 수 있는 공간 절약 유닛을 형성할 수 있다.
이 목적은 또한 적어도 하나의 실린더를 갖는 내연 엔진을 작동시키는 방법에 의해 달성된다. 바람직하게는, 내연 엔진은 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 실린더 벽을 통해 실린더 내에 저압 연료 가스를 직접 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브 및 배기 가스를 배출하기 위한 배출 출구를 갖는 실린더를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진을 갖는 내연 엔진, 바람직하게는 상술한 바와 같은 내연 엔진이다.
이 방법은 다음 단계를 포함한다.
배기 가스는 물과 같은, 냉각 매체로 작동되는 적어도 하나의 배기 가스 쿨러에서 냉각된다.
냉각 매체는 적어도 하나의 열교환기를 통해 안내되며, 상기 냉각 매체의 열은 연료 가스를 가열하기 위해 템퍼링 유체, 특히 글리콜에 전달되거나 엔진 중앙 냉각 회로의 물에 전달된다.
배기 가스는 실린더 내로 재순환될 수 있다.
특히, 배기 가스는 배기 가스 리시버로부터 터보차저의 터빈으로 그리고 배기 가스 쿨러에서 터보차저의 압축기로 안내될 수 있다. 보다 바람직하게는, 배기 가스는 터보차저의 터빈으로부터 배기 가스 쿨러로 안내된다.
다음에서, 본 발명은 도면에 의한 실시 형태에서 추가로 설명된다.
도 1은 내연 엔진의 측면도를 도시한다.
도 2는 실린더의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 내연 엔진의 제 1 형태의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 내연 엔진의 제 2 형태의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 내연 엔진의 제 3 형태의 개략도를 도시한다.
도 6a는 물 제거기의 제 1 배치의 개략도를 도시한다.
도 6b는 물 제거기의 제 2 배치의 개략도를 도시한다.
도 7a는 물 제거기의 제 1 형태의 개략도를 도시한다.
도 7b는 물 제거기의 제 2의 형태의 개략도를 도시한다.
도 1은 내연 엔진(100)을 측면도를 도시한다. 내연 엔진(100)은 적어도 200mm의 내경을 갖는 4개의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 이중-연료 엔진이다.
내연 엔진(100)은 실린더(1)에서 생성된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템(101)을 포함한다.
배기 시스템(101)은 실린더(1)로부터 배기 가스를 배출하기 위한 배기 출구(25)를 통해 실린더(1)에 연결된 배기 가스 리시버(receiver)(4) 및 배기 처리 유닛(5)을 포함한다.
도 2는 실린더(1)의 개략도를 도시한다. 실린더(1)는 저압 연료 가스를 실린더 벽(2)을 통해 실린더(1) 내로 직접 분사하기 위한 2개의 가스 유입 밸브(24)를 갖는다.
소기 공기(scavenge air)는 실린더 벽(2)의 소기 공기 포트(27)를 통해 흡기 시스템(3)으로부터 실린더(1)로 들어갈 수 있다. 배기 가스는 배기 출구(25)를 통해 실린더(1)로부터 배출될 수 있다. 배출 밸브(26)는 배기 출구(25)에 배치된다.
피스톤(32)은 실린더(1)에 왕복 가능하게 장착된다.
도 3은 내연 엔진(100)의 제 1 형태의 개략도를 도시한다.
내연 엔진(100)은 실린더(1)(도 1 및 도 2 참조)에서 생성된 배기 가스가 안내되는 배기 시스템(101)을 포함한다. 배기 가스 리시버(4)는 배기 출구(25)를 통해 실린더(1)에 연결된다(도 1 및 도 2 참조).
배기 처리 유닛(5)은 공통 프레임(20) 및 공통 하우징(21)에서 배기 가스 리시버(4)에 대해 인접하게 배치된다.
배기 처리 유닛(5)은 직렬로 배치된 3개의 배기 가스 쿨러(6)를 포함한다. 배기 처리 유닛(5)은 또한 배기 처리 유닛(5)에서 배기 가스의 흐름 방향(F)에 대해 배기 가스 쿨러(6)로부터 상류에 배치된 배기 클리닝 요소(19)를 포함한다.
배기 처리 유닛(5)은 쿨러(6)의 하류에 물 분리기(water separator)(18)를 더 포함한다. 물 분리기(18)에서 분리된 물은 수처리 장치(30)에서 정화될 수 있다.
배기 가스는 배기 가스 리시버(4)로부터 배기 라인(28)을 통해 터보 차저(8)의 압축기(10)를 구동하는 터보 차저(8)의 터빈(9)으로 안내된다.
배기 가스의 일부는 분기되어 배기 처리 유닛(5)을 통해 안내되어 실린더(1)로 재순환된다. 배기 처리 유닛(5)에서 배기 가스는, 예를 들어 물 분사 장치에 의해 배기 클리닝 요소(19)에서 정화된다. 그 다음 배기 가스는 배기 가스 쿨러(6)에서 냉각되고 배기 가스 재순환 덕트(16)를 통해 터보차저(8)의 압축기(10) 및 흡기 시스템(3)으로 안내된다. 압축기(10)의 상류에서 배기 가스는 신선한 공기와 혼합된다.
배기 가스 재순환 덕트(16)의 압력은 배기 가스 배압 밸브(17)에 의해 설정될 수 있다. 배기 가스 재순환은 EGR 경로(33)에서 배기 처리 유닛(5)의 상류 및 하류에 배치된 밸브(29)를 폐쇄함으로써 방지될 수 있다.
배기 시스템(101)은 냉각 회로(13)를 통해 냉각수를 안내하기 위한 덕트 시스템(7)을 포함한다. 덕트 시스템(7)은 쿨러(6)에 배치된 튜브(명시적으로 도시되지 않음)를 포함한다.
덕트 시스템은 가스 모드 열교환기(11a)의 제 1 유체 라인(12a)과 디젤 모드 열교환기(11b)의 제 1 유체 라인(12b)에 연결되어, 냉각수가 가스 모드 열교환기(11a) 및/또는 디젤 모드 열교환기(11b)를 통해 안내될 수 있다.
가스 모드 열 교환기(11a)는 글리콜(Glycol)을 안내하도록 구성된 템퍼링(tempering) 유체 라인(15a)을 포함한다. 글리콜은 연료 가스를 가열하는 데 사용된다.
디젤 모드 열 교환기(11b)는 엔진 중앙 냉각 회로의 물을 안내하도록 구성된 물 유체 라인(15b)을 포함한다.
밸브(23a)는 가스 모드 열 교환기(11a)의 제 1 유체 라인(12a)을 통해 배기 처리 유닛(5)으로부터 냉각 매체의 흐름(stream)을 허용하거나 방지할 수 있다.
밸브(23b)는 디젤 모드 열교환기(11b)의 제 1 유체 라인(12b)을 통해 배기 처리 유닛(5)으로부터 냉각 매체의 흐름을 허용하거나 방지할 수 있다.
냉각 회로(13)는 냉각 매체의 흐름 방향을 결정하는 펌프(14)를 포함한다. 배기 처리 유닛(5)에서 냉각 매체는 배기 가스의 흐름 방향(F)과 반대 방향으로 흐른다. 펌프(14)는 배기 처리 유닛(5)의 하류 및 열교환기(11a, 11b)의 상류에 배치된다.
배기 처리 유닛(5)은 제어 유닛(22)을 포함한다. 제어 유닛(22)은 가스 모드 열 교환기(11a)를 통해 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 출력-라인(24a)을 포함한다. 출력-라인(24a)은 가스 모드 열교환기(11a)의 제 1 유체 라인(12a)을 개방 또는 폐쇄하기 위한 밸브(23a)에 연결된다.
제어 유닛(22)은 디젤 모드 열교환기(11b)를 통해 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 출력-라인(24b)을 더 포함한다. 출력-라인(24b)은 디젤 모드 열교환기(11b)의 제 1 유체 라인(12b)을 개방 또는 폐쇄하기 위한 밸브(23b)에 연결된다.
제어 유닛(22)은 가스 모드와 디젤 모드 사이를 전환하도록 구성되며, 여기서 냉각 매체는 가스 가열을 위해 가스 모드 열 교환기(11a)로 안내되거나, 엔진 중앙 냉각 회로의 물에 의해 냉각수가 냉각되는 디젤 모드 열 교환기(11b)로 안내된다.
제어 유닛은 배압 밸브(17)를 설정하기 위한 추가 출력-라인(31)을 가질 수 있다. 배압 밸브(17)를 열거나 닫음으로써 어느 정도의 배기 가스가 실린더(1) 내로 재순환된다.
가스 모드 열교환기(11a)에 들어갈 때 글리콜의 온도는 대략 20℃일 수 있다. 글리콜은 가스 모드 열교환기(11a)에서 30-35℃까지 가열될 수 있다.
디젤 모드 열교환기(11b)에 들어갈 때 엔진 중앙 냉각 회로의 수온은 약 36℃일 수 있다. 엔진 중앙 냉각 회로의 물은 디젤 모드 열교환기(11b)에서 약 5℃ 이상으로 가열될 수 있다.
냉각수는 배기 처리 유닛에 들어갈 때 38-40℃의 온도를 가질 수 있다.
배기 가스는 200℃-280℃의 온도에서 40℃-50℃의 온도로 냉각된다.
배기 가스 재순환은 메탄 슬립(메탄 슬립)의 위험을 낮춘다. 내연엔진이 가스 모드로 작동될 때, 즉 연료 가스가 실린더(1) 내에 직접 분사될 때, 배기 가스의 약 50%가 재순환된다.
연소의 안정성을 위해 배기 가스는 냉각되어야 한다. 실린더에 고온 가스를 유입하면, 조기 점화(pre-ignition), 불규칙한 점화 및 원치 않는 압력 변동의 위험이 발생될 수 있다.
도 4는 내연 엔진(100)의 제 2 형태의 개략도를 도시한다.
내연 엔진(100)은 물 분리기(18)를 갖는 물 제거기(water eliminator)(40)를 추가로 포함한다. 물 제거기(40)는 압축기(10)의 상류 및 옆에 배치되고 배기 가스에 혼입될 수 있는 물이 압축기 내로 유입되는 것을 방지한다. 응축수는 콤펠러(compellers)에 부식이나 충격을 줄 수 있으므로 피해야 한다.
도 5는 실린더(1)를 갖는 내연 엔진(100)의 제 3 형태의 개략도를 도시한다.
내연 엔진(100)은 소기 가스가 실린더(1) 내로 도입되는 흡기 시스템(3)을 갖는다.
내연 엔진(100)은 실린더(1)에서 발생된 배기 가스가 배출되는 배기 가스 리시버(4)를 포함하는 배기 시스템(101)을 갖는다.
밸브(34, 35)의 설정에 따라, 배기 가스는 터보차저(8)의 터빈(9) 및/또는 바이패스(36)를 통해 안내될 수 있다.
밸브(37)가 열리면 배기 가스 재순환 덕트(16)가 배기 시스템(101)과 흡기 시스템(3)을 유체로 연결한다.
재순환된 배기 가스는 터보차저(8)의 압축기(10)로 들어가기 전에, 물 제거기(40)를 통해 안내된다.
도 6a 및 도 6b는 터보차저(8)에 대한 물 제거기(40)의 두 가지 가능한 배치를 도시한다.
도 6a에 도시된 제 1 배치에서 물 제거기(40)는 유출 방향(38)이 터보차저(8)의 축방향(39)에 있도록 배치된다.
도 6b에 도시된 제 2 배치에서 물 제거기(40)는 유출 방향(38)이 터보차저(8)의 반경 방향(41)에 있도록 배치된다. 물 제거기(40)는 또한 유출 방향(38)이 터보차저(8)의 접선 방향(도면에 도시되지 않음)에 있도록 배치될 수 있다.
도 7a는 물 제거기(40.1)의 제 1 형태의 개략도를 도시하며, 여기서 물 제거기(40.1)는 수평으로 배치되며 따라서 중력 방향(43)에 수직인 유로(42)를 포함한다.
물방울(water droplets)과 입자상 물질(particulate matter)을 포함하는 배기 가스가 물 제거기(40.1)로 들어간다. 입자가 부착된 응축수는 물 미스트 캐처(water mist catcher)(18)에 수집되고 물 제거기(40.1)에서 배출될 수 있다.
도 7b는 물 제거기(40.2)의 제 2 형태의 개략도를 도시한다. 물 제거기(40.2)는 물방울 및 입자상 물질의 수집을 개선하는 곡선형 유로(43)를 포함한다.
혼입된 물은 반경 방향(44)의 원심력으로 인해 배기 가스에서 멀어지게 유도된다. 입자상 물질이 부착된 나머지 물방울은 물 미스트 캐처(18)에 의해 수집되고 물 제거기(40.2)로부터 배출될 수 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 내연 엔진(100), 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 저압 연료 가스를 실린더 벽(2)을 통해 실린더(1) 내로 직접 분사하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브(24)를 갖는 실린더(1)를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진으로서,
    상기 내연 엔진(100)은, 소기 가스가 상기 실린더(1) 내로 도입되는 흡기 시스템(3), 상기 실린더(1)에서 발생된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템(101)을 더 포함하고,
    상기 배기 시스템(101)은, 상기 실린더(1)로부터 배기 가스를 배출하기 위해 배기 출구(25)를 통해 상기 실린더(1)에 연결된 배기 가스 리시버(receiver)(4) 및 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6), 바람직하게는 3개의 배기 가스 쿨러(6)를 포함하고, 물과 같은 냉각 매각 매체를 안내하기 위한 덕트 시스템(7)을 포함하는 배기 처리 유닛(5)을 포함하고,
    상기 배기 시스템(101)은 상기 덕트 시스템(7)에 유체로 연결되거나 연결 가능하고 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6)로부터 상기 냉각 매체를 수용하도록 구성된 제 1 유체 라인(12a, 12b)을 포함하는 적어도 하나의 열 교환기(11a, 11b)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(100)은 바람직하게는 상기 배기 처리 유닛(4)의 상류에 배치되고, 상기 흡기 시스템(3)의 상류에 배치된 압축기(10)를 구동하는, 터빈(9)을 갖는 터보차저(8)를 더 포함하는, 내연 엔진(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(100)은 냉각 매체 회로(13)를 포함하고, 상기 냉각 매체 회로(13)는 덕트 시스템(7) 및 제 1 유체 라인(12a, 12b)을 포함하고, 바람직하게는 특히 열교환기(11a, 11b)의 상류 및 배기 쿨러(6)의 하류에 배치된 펌프(14)를 포함하는, 내연 엔진(100).
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    적어도 하나의 열교환기(11a, 11b) 중 적어도 하나는 가스 모드 열교환기(11a)이고, 상기 가스 모드 열교환기(11a)는 연료 가스를 가열하기 위해 템퍼링 유체(tempering fluid), 특히 글리콜(Glycol)을 안내하도록 구성된 템퍼링 유체 라인(15a)을 포함하는, 내연 엔진(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 열 교환기(11a, 11b) 중 적어도 하나는 디젤 모드 열 교환기(11b)이고, 상기 디젤 모드 열 교환기(11b)는 엔진 중앙 냉각 회로의 물을 안내하도록 구성된 물 유체 라인(15b)을 포함하는, 내연 엔진(100).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 엔진(100)은 바람직하게 터보차저(8)의 저압측에 배치되고, 배기 처리 유닛(5)과 흡기 시스템(3)을 유체로 연결하는 배기 가스 재순환 덕트(16)를 포함하는 내연 엔진(100).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내연 엔진은 상기 배기 가스 재순환 덕트(16)에서 배기 압력을 설정하기 위한 배기 가스 흐름 제한 장치(17)를 포함하고, 바람직하게는 상기 배기 가스 흐름 제한 장치(17)는 배기 가스 배압 밸브이며, 바람직하게는 5 내지 100mbar 범위의 배기 가스 재순환 속도를 제어하기 위한 조절 가능한 배압을 제공하기 위해 특히 제어 가능한 개구를 포함하는, 내연 엔진(100).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 처리 유닛(5)은 바람직하게는 상기 배기 가스 쿨러(6)의 하류에 배치된, 물 분리기(water separator)(18)를 포함하는, 내연 엔진(100).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 처리 유닛(5)은 바람직하게는 배기 가스 쿨러(6)의 상류에 배치된, 적어도 하나의 배기 클리닝 요소(19), 예를 들어 스크러버(scrubber)를 포함하는, 내연 엔진(100).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 처리 유닛(5) 및 상기 배기 리시버(4)는 인접하게 배치되고, 바람직하게는 공통 프레임(20) 및/또는 공통 하우징(21)을 포함하는, 내연 엔진(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 처리 유닛(5)은 제어 유닛(22)을 포함하고, 상기 제어 유닛(22)은, 제 1 유체 라인(12a, 12b)을 개방 또는 폐쇄하기 위한 밸브(23a, 23b)에 연결되거나 연결될 수 있는, 적어도 열교환기(11a, 11b)를 통한 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 적어도 하나의 출력-라인(24a, 24b)을 포함하는, 내연 엔진(100.
  12. 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 바람직하게는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100), 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진으로서,
    상기 내연 엔진(100)은, 소기 가스가 상기 실린더(1) 내로 도입되는 흡기 시스템(3), 상기 실린더(1)에서 발생된 배기 가스가 배출되는 배기 시스템(101)을 더 포함하고,
    상기 내연 엔진(100)은 흡기 시스템(3)의 상류에 배치된 압축기(10)를 구동하는 터빈(9)을 갖는 터보차저(8)를 더 포함하고,
    그리고 상기 내연 엔진(100)은 바람직하게는 터보차저(8)의 저압측에 배치된, 배기 시스템(101)과 흡기 시스템(3)을 유체로 연결하는 배기 가스 재순환 덕트(16)를 포함하고,
    물 분리기(18)를 포함하는 물 제거기(40.1, 40.2)는 배기 가스가 신선한 공기와 혼합되기 전에 제습될 수 있도록 터보 차저의 압축기(10)의 상류 및 옆에 있는 가스 재순환 덕트(16)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진(100).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 물 제거기(40, 40.1, 40.2)는 상기 물 제거기(40, 40.1, 40.2)의 유출 방향이 상기 압축기(10)의 축 방향(39) 또는 상기 압축기(10)의 반경 방향(41)에 있도록 배치되는, 내연 엔진(100).
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 물 제거기(40, 40.1, 40.2)는 가열 요소(heating element)를 포함하는, 내연 엔진(100).
  15. 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 물 제거기(40, 40.1, 40.2)는 유동 통로(42, 43)를 포함하고, 여기서 물은 중력 및/또는 원심력 으로 인해 상기 배기 가스로부터 멀어지게 유도되는, 내연 엔진(100).
  16. 바람직하게는 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진(100)용 배기 시스템(101)으로서, 상기 배기 시스템(101)은 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6) 및 배기 리시버(4)를 갖는 배기 처리 유닛(5)을 포함하고, 상기 배기 처리 유닛(5)과 상기 배기 리시버(4)는 인접하게 배치되고, 바람직하게는 공통 프레임(20) 및/또는 공통 하우징(21)을 포함하는, 배기 시스템(101).
  17. 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 내연 엔진(100), 바람직하게는 적어도 200mm의 내경을 갖는 적어도 하나의 실린더(1)를 갖는 대형 선박 엔진, 바람직하게는 실린더 벽(2)을 통해 실린더(1) 내에 저압 연료 가스를 직접 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 유입 밸브(24)를 갖는 실린더를 갖는 저압 연료 가스 엔진 또는 이중-연료 엔진을 갖는 내연 엔진, 바람직하게는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 내연 엔진의 작동 방법으로서,
    - 물과 같은 냉각 매체로 작동되는 적어도 하나의 배기 가스 쿨러(6)에서 배기 가스를 냉각하는 단계,
    - 적어도 하나의 열교환기(11a, 11b)를 통해 냉각 매체를 안내하는 단계
    를 포함하고
    상기 냉각 매체의 열은 연료 가스를 가열하기 위해 템퍼링 유체, 특히 글리콜에 전달되거나 상기 엔진 중앙 냉각 회로의 물에 전달되는, 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    배기 가스는 상기 실린더(1) 내로 재순환되고, 특히 배기 가스 리시버(4)로부터 터보차저(8)의 터빈(9)으로 그리고 상기 배기 가스 쿨러(6)로부터 상기 터보차저(8)의 상기 압축기(10)로 안내되는, 방법.
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