KR101259211B1 - 터보차지된 피스톤 엔진과 관련된 방법 및 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈콤프레서(2)가 마련된 피스톤 엔진(1)과 관련된 구조 및 방법에 관한 것이다. 그 방법에 있어서, 엔진(1)으로부터의 연소공기는 터보콤프레서(2)의 콤프레서(3)로 연소공기가 압축되고, 압축된 연소공기가 가습되고, 연소공기의 수단에 의하여 엔진(1)의 실린더(10)내에서 연료가 연소되며, 연소시에 발생된 배기가스는 터보콤프레서(2)의 터빈(4)으로 반송된다. 부분 기류가, 압축된 연소공기류로부터 분리되고, 엔진(1)을 지나쳐서 반송되며, 터빈(4)으로 들어가는 배기가스류와 혼합된다.

Description

터보차지된 피스톤 엔진과 관련된 방법 및 구조 {A METHOD AND AN ARRANGEMENT IN CONNECTION WITH A TURBOCHARGED PISTON ENGINE}

본 발명은 터보 콤프레서가 마련된 피스톤 엔진과 관련된 방법에 관한 것이다.

높은 연소온도에서는, 피스톤 엔진의 실린더내에 질소 산화물(NO_x)가 생성되고 배기가스에 실려서 공기중으로 방출된다. 질소산화물 배출의 해로운 환경영향 때문에, 질소 산화물의 발생을 방지하거나(1차적 방법) 또는 발생된 질소 산화물을 배기가스로부터 제거하는(2차적 방법) 노력이 취해져 왔다.

연소공기에 물을 첨가하여 연소처리를 하면 질소 산화물 방출의 발생을 저감할 수 있다. 물은 실린더내의 온도를 저하하고, 그에 의하여 질소산화물이 덜 발생한다. 실제적으로, 피스톤 엔진의 연소처리시에 물을 첨가하는 데에는 2가지 선택적인 방법이 있다. 물은 엔진의 실린더의 연소실에 직접적으로 공급될 수 있거나 또는 실린더에 들어가기 전에 연소공기와 혼합될 수 있다.

엔진의 출력을 증가하기 위하여, 피스톤 엔진들에는 가끔 콤프레서를 포함하여 구성되는 터보콤프레서가 장착되는 경우가 있으며, 그에 의하여 압축 연소공기 가 엔진에 공급된다. 또한, 터보콤프레서는 콤프레서를 구동하는 터빈을 포함하여 구성된다. 엔진으로부터의 배기가스들은 터빈으로 유입되고, 이 배기가스내의 에너지를 콤프레서의 구동력으로 전환하게 된다.

터보콤프레서의 콤프레서부의 작용은, 한편으로는 콤프레서의 최대용량에 대응하는 한계에 의하여, 또 한편으로는 소위 서지 한계(surge limit)에 의하여 제한된다. 콤프레서의 서지는, 엔진의 동작에 악영향을 미치는데, 콤프레서가 서지현상을 일으키자마자 엔진에 공급되는 연소공기의 압력과 유량이 감소되기 때문이다. 이러한 이유로, 변화하는 조건내에서 엔진과 콤프레서의 최적 작동을 보장하기 위하여는, 콤프레서의 작동점과 서지한계의 사이에 특정한 안전상의 여유가 있어야 한다. 또한, 작동점이 서지한계로부터 일정하게 떨어져 있을때에, 콤프레서의 작동효율이 최대로 되어야 한다. 따라서, 각각의 특정한 어플리케이션이 통상의 운전조건내에서 서지한계로부터 필요한 간격을 두고 운전되도록 선택된다.

만약 터보차지된 피스톤 엔진에, 컴프레서 이후의 점에서 질소 산화물의 감소를 위하여 물이 연소공기와 혼합되는 시스템이 마련되면, 물의 공급은 터빈을 통과하는 배기가스의 유량을 증가하게 된다. 결과적으로, 터빈의 회전속도가 역시 증가하게 되며, 만약 엔진이 일정한 부하를 가지고 운전된다면 그에 의하여 흡입공기의 압력이 콤프레서의 뒤에서 증가하게 된다. 그러나, 콤프레서를 통과하는 연소공기의 유량은 일정하게 유지될 것이며, 그에 의하여 콤프레서의 작동점과 서지한계 사이의 안전 여유가 없어지거나 사라지게 된다.

연소공기의 가습이 사용되지 않는 상황에서도 엔진을 운용할 수 있어야만 하 므로, 콤프레서는 2개의 상이한 운전조건에서 운용될 수 있을 필요가 있다. 즉:

1. 연소공기의 가습이 사용될 때에는, 연소공기의 온도가 70 - 75℃의 온도로 되고, 터빈을 통과하는 유량은 물이 공급된 것과 같은 정도로 증가된다.

2. 연소공기의 가습이 사용되지 않을 때에는, 연소공기의 온도가 50 - 55℃의 온도로 되고, 터빈을 통과하는 유량에 초과가 없게 된다.

적은 유량용의 콤프레서를 사용함으로써, 서지에 대하여 충분한 안전 여유를 가지도록 할 수 있어야 하지만, 한편으로 이는, 연소공기에 대한 가습이 실행중에 있을 때에는, 터보콤프레서를 과속으로 회전하는 위험성을 내포하기도 한다. 만약 연소공기용 가습시스템이 동작되지 않으면, 콤프레서의 작동점이 최대용량에 대응하는 한계치로 향하여 강하게 이동하고, 그에 의하여 콤프레서의 작동효율이 감소하게 된다. 또한, 터보콤프레서의 회전속도가, 일반사양에 따른 콤프레서가 사용되는 환경과 비교할 때 현저하게 높아지게 된다.

본 발명의 목적은 연소공기의 가습기능이 구비된 피스톤 엔진의 터보콤프레서의 동작이 최적화될 수 있는 기술적 해결방법을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 방법은, 연소공기로부터 부분적인 유량의 기류가 콤프레서로부터 엔진으로 흐르고, 엔진을 지나쳐서 운반되고 터빈으로 가는 배기가스의 흐름과 결합한다는 발명개념에 근거한 것이다.

본 발명에 따른 구성은 우회채널을 포함하여 구성되며, 이를 통하여 엔진으로 반송되는 연소공기의 흐름의 일부가 엔진을 지나쳐서 전환되고, 터빈으로 향하는 배기가스류와 결합된다.

보다 상세하게는, 본 발명에 따른 방법은 특허청구의 범위 제 1 항의 특징부에 서술된 바를 특징으로 한다.

본 발명은 현저한 효과를 제공한다.

본 발명의 수단에 의하면, 연소공기의 가습이 이용될 때, 콤프레서의 서지를 방지할 수 있으며, 통상의 연소공기 및 배기가스류에 대하여 최적화된다. 연소공기의 일부를 엔진의 실린더를 지나치도록 전환시키고, 터빈으로 가는 배기가스류에 결합시킴으로써, 연소공기에 대한 가습이 이루어지고 있을 때, 콤프레서의 작동점이 서지한계로부터 한층 멀어지게 된다. 또한, 콤프레서의 작동점이 운전효율 및 회전속도의 관점에서 최적의 레벨로 유지될 수 있다. 만약 연소공기의 가습이 사용중이 아니면, 우회채널이 폐쇄되고, 그에 의하여 전체 연소공기가 콤프레서로부터 엔진으로 통상의 방식으로 반송된다.

본 발명에 의하여 야기되는 에너지의 손실은 미약하다. 수행된 시험에 따르면, 연소공기의 가습구조가 채택된 터보차지된 피스톤 엔진의 연료소비는, 본 발명에 따른 구성이 사용되었을 때에, 85%의 엔진부하레벨에서 약 0.3% 증가에 지나지 않았다.

본 발명의 한 실시예에서, 일부의 흐름이 연소공기류로부터 분리되고, 엔진을 지나쳐서 반송되며 배기가스류와 혼합되며, 콤프레서의 특성곡선은 서지한계에 가깝게, 즉 전형적으로는 엔진부하가 50 - 85%일때로 된다. 부하가 50% 이하이고 85% 이상인 때에는, 우회시스템은 사용되지 않고, 모든 연소공기가 콤프레서로부터 엔진으로 도출된다. 그리고, 터보콤프레서의 회전속도는 작동효율의 관점에서 최적레벨로 유지될 수 있고, 고부하에서의 회전속도의 과도한 증가가 회피된다.

이하에서, 본 발명은 예시의 수단으로 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 도면은 본 발명에 따른 하나의 구성의 모식도이다.

도면에 따른 구성은, 터보콤프레서(2)를 구비한 피스톤 엔진(1)을 포함하여 구성된다. 터보콤프레서(2)는 콤프레서(3)와 터빈(4)을 포함하여 구성되며, 이들은 구동축(5)의 수단에 의하여 상호결합되어 있다. 구동축(5)은 베어링시스템을 통하여 터보콤프레서(2)의 하우징에 배치된다. 콤프레서(3)의 역할은 압축된 연소공기를 엔진(1)으로 공급하는 것이다. 콤프레서(3)는 엔진(1)으로 반송될 연소공기를 압축하기 위하여 날개가 마련된 회전가능한 회전자를 포함하여 구성된다. 압축된 연소공기를 실린더(10)로 반송하기 위하여, 콤프레서(3)의 고압측, 즉 콤프레서(3)와 엔진실린더의 연소실(10)의 사이에, 유로공간(6)이 채택된다. 유로공간(6)에는 연소공기를 냉각 또는 가열하기 위한 열교환기(7)가 마련된다. 유로공간(6)은 또한 차지(charge)공기 수납기(8)로부터 실린더(10)로 연소공기를 반송하기 위하여 각 실린더(10)와 차지공기 수납기(8)의 사이에 채택되는 입구 채널(9)을 포함하여 구성된다.

엔진의 배기가스를 터빈(4)으로 반송하기 위하여 터빈(4)의 고압측과 실린더(10)들의 사이에 배기가스 채널(11)이 채택된다. 또한, 터빈(4)은 날개가 마련 되고 엔진(1)으로부터의 배기가스에 의하여 회전하는 회전자를 포함하여 구성된다. 또한, 엔진(1)은 연료를 실린더(10)들로 공급하기 위하여 연료공급수단(도시않됨)을 포함하여 구성된다.

엔진(1)에는 가습장치가 마련되어 있어서, 엔진이 운용되는 동안에 연소공기의 수분함량이 증가된다. 연소공기를 가습하면 연소시에 발생되는 질소산화물(NO_x)의 양이 감소한다. 연소공기는 물을 분사함으로써 가습된다. 물은, 연소공기가 열교환기(7)로 반송되기 전에 유로공간(6)내에서 연소공기와 혼합된다. 연소공기 가습장치는 수처리 시스템에 접속된 공급파이프(12)를 포함하여 구성된다. 유로공간(6)내로 개구된 분사노즐(15)은 공급파이프(12)에 접속되고, 연소공기의 유로방향내에서 열교환기(7) 앞에 위치된 점에서 유로공간(6)내로 물방울 또는 안개의 형태로 노즐의 물이 공급된다. 또한, 공급파이프(12)에는 차단밸브(16)가 마련되어 있어서, 분사노즐(15)로의 물의 흐름이 허용 또는 방지될 수 있다.

연소공기 가습장치가 사용될 때에는, 터빈(4)을 통한 배기가스의 유량은 물이 분사되는 것과 같은 정도로 증가한다. 결과적으로, 터빈(4)의 회전속도가 증가하고 유로공간(6)내의 연소공기의 압력이 일정한 엔진부하에서 상승하게 된다. 그러나, 콤프레서(3)를 통과하는 공기의 유량은 일정하게 유지되며, 그에 의하여 콤프레서(3)의 작용점이 서지 한계로 다가간다. 콤프레서(3)의 서지를 방지하기 위하여, 연소공기의 가습시에 콤프레서(3)의 작용점을 이동하도록 엔진(1)과 관련하여 마련되는 우회구조가 있다. 이 구조는, 유로공간(6)으로부터 배기가스 채 널(11)로 연장되는 우회채널(13)을 포함하여 구성되며, 이 우회채널을 통하여, 일부의 연소공기가 유로공간(6)을 통하여 엔진의 실린더(10)를 지나쳐서 배기가스 채널(11)로 반송될 수 있다. 우회채널(13)의 제 1 끝단은 유로공간(6)으로 개방되고, 제 2 끝단은 배기가스 채널(11)로 개방된다. 유로공간(6)내로 분사된 물이 우회채널(13)내로 흘러들어가는 것을 방지하기 위하여, 우회채널(13)의 제 1 끝단은 연소공기의 흐르는 방향내에서 노즐(15)의 분사위치의 앞에 위치에서 유로공간(6)내로 개방된다. 우회채널(13)의 제 2 끝단은 배기가스의 흐르는 방향에서 터빈(4)의 앞에 위치한 점에서 배기가스 채널(11)로 개방된다. 도면에 있어서의 화살표는 연소공기 및 배기가스의 흐르는 방향을 나타낸다. 우회채널(13)은 그 우회채널(13)을 흐르는 연소공기를 조정하기 위한 제어밸브(14)가 마련된다.

엔진(1)이 운전되고 있을 때, 연소공기는 콤프레서(3)로 도입되고, 여기에서 그의 압력이 회전자에 의하여 증가하여 대기압을 초과하게 된다. 압축공기는 콤프레서(3)의 고압측상에서 유로공간(6)으로 도출된다. 만약 연소공기의 가습이 사용되면, 일부의 흐름이 연소공기의 흐름으로부터 분리되어 우회채널(13)로 도출된다. 우회채널(13)로 도입된 연소공기는 엔진의 실린더(10)내의 연소과정에 참여하지 않게 된다. 우회채널(13)로 도입되는 부분적인 기류는 콤프레서(3)를 통하여 흐르는 전체 유량의 5-10% 정도이다. 부분기류의 양은 제어밸브(14)에 의하여 조절된다. 연소공기는 노즐(15)을 통하여 그곳에 분사되는 물에 의하여 가습된다. 연소공기와 혼합되는 물의 양은, 실린더(10)로 반송되는 연소공기가 포화되거나 또는 거의 포화될 정도로 조정된다. 연소공기에 공급되는 물의 양은 필요에 따라서, 각 노즐 의 분사압력이 대략 일정할 때, 물분사 노즐(15)의 적절한 수를 개방 및 폐쇄함으로써 조절된다. 따라서, 물방울 형태 또는 분무의 형태 양자로 제공하는 것이 가능하며, 동시에 적절한 양의 물이 연소공기와 혼합된다.

가습된 연소공기는 열교환기(7)로 전달되고 열교환기(7)에 의하여 전형적으로는 70-85℃ 로 가열 또는 냉각된다. 연소공기는 예를 들어 열교환기(7)로 이르는 엔진(1)의 저온 냉각수에 의하여 가열 또는 냉각된다. 가열/냉각의 후에, 연소공기는 차지공기 수납기(8)로 반송된다. 차지공기 수납기(8)로부터, 연소공기는 입구채널(9)을 경유하여 실린더(10)로 도입된다. 연료, 예를 들어 중유가 실린더(10)로 공급되고 실린더의 연소실(10)내의 연소공기의 수단에 의하여 연소된다. 연소시에 발생된 배기가스는 배기가스 채널(11)을 통하여 터빈(4)으로 향하여 반송된다. 터빈(4)으로 들어가기 전에 배기가스류는 유로공간(6)으로부터 우회채널(13)로 가는 연소공기와 합쳐진다. 따라서 그곳에서 합쳐진 배기가스류와 연소공기류가 터빈(4)으로 반송된다. 터빈(4)을 통과하는 동안 기 기류는 터빈(4)의 회전자를 회전하게 되고, 그의 회전운동은 축(5)에 의하여 콤프레서(3)의 회전자로 전달된다.

부분기류는, 연소공기의 가습이 이루어지고 있을 때에는 언제나, 연소공기류로부터 분리되고 우회채널(13)을 경유하여 배기가스 채널(11)로 인도된다. 그리고, 제어밸브(14)가 개방된 상태로 유지된다. 선택적 해결방법으로서는, 연소공기의 가습이 이루어지고 있는 것과 관계없이, 엔진(1)의 부하가 특정레벨에 있을 때에만 부분기류를 분리하는 것이다. 일반적으로, 엔진(1)의 부하레벨이 85%를 초과하거 나 또는 50% 이하인 때에는, 콤프레서(1)의 작용점이 충분히 서지한계로부터 멀리 있게 되며, 그에 의하여 우회 시스템이 밸브(14)의 폐쇄에 의해 차단될 수 있다. 엔진의 부하가 50-85% 인 때에는, 밸브(14)가 개방된 상태로 있고, 그에 의하여 우회 시스템(13)이 사용된다. 터보콤프레서(2)의 회전속도의 과도한 상승을 방지하기 위하여, 부하레벨이 85%를 초과하였을 때에는 우회시스템(13)이 차단될 수 있다.

연소공기 가습시스템이 사용되지 않는다면, 공급파이프(12)의 차단밸브(16)가 폐쇄되고, 그에 의하여 물이 분사노즐(15)로 들어가지 않게 된다. 또한, 우회채널(13)의 밸브(14)가 폐쇄되고, 그에 의하여 연소공기가 우회채널(13)을 경유하여 배기가스 채널(11)로 들어가지 못하게 된다. 그리고, 콤프레서(3)로부터의 전체 연소공기류는 열교환기(7)를 경유하여 실린더(10)로 반송된다. 연소공기는 열교환기(7)에 의하여, 전형적으로는 50 - 55℃로 냉각된다.

본 발명은 현저한 효과를 제공한다.

본 발명의 수단에 의하면, 연소공기의 가습이 이용될 때, 콤프레서의 서지를 방지할 수 있으며, 통상의 연소공기 및 배기가스류에 대하여 최적화된다. 연소공기의 일부를 엔진의 실린더를 지나치도록 전환시키고, 터빈으로 가는 배기가스류에 결합시킴으로써, 연소공기에 대한 가습이 이루어지고 있을 때, 콤프레서의 작동점이 서지한계로부터 한층 멀어지게 된다. 또한, 콤프레서의 작동점이 운전효율 및 회전속도의 관점에서 최적의 레벨로 유지될 수 있다. 만약 연소공기의 가습이 사 용중이 아니면, 우회채널이 폐쇄되고, 그에 의하여 전체 연소공기가 콤프레서로부터 엔진으로 통상의 방식으로 반송된다.

Claims (4)

1. 터보콤프레서(2)의 콤프레서(3)로 연소공기가 압축되고,

   압축된 연소공기가 가습되고,

   연소공기의 수단에 의하여 엔진(1)의 실린더(10)내에서 연료가 연소되며,

   연소시에 발생된 배기가스는 터보콤프레서(2)의 터빈(4)으로 반송되는, 터보콤프레서(2)를 구비하는 피스톤 엔진(1)에 관한 방법에 있어서,

   콤프레서(3)를 통과하는 전체 기류의 5 - 10%의 체적의 부분 기류가, 압축된 연소공기류로부터 분리되고, 엔진(1)을 지나쳐서 반송되며, 터빈(4)으로 들어가는 배기가스류와 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 부분 기류는 연소공기의 가습전에 연소공기류로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가습된 연소공기는 피스톤 엔진(1)으로 반송되기 전에 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 상기 항 중의 어느 한 항에 있어서, 엔진(1)의 부하가 그의 최대부하의 50 - 85%인 경우에만 연소공기로부터 부분기류가 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.

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