터보차지된 피스톤 엔진과 관련된 방법 및 구조 document_id A220623023065

높은 연소온도에서는, 피스톤 엔진의 실린더내에 질소 산화물(NOx)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 연소공기가 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 하므로, 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.