KR101567171B1

KR101567171B1 - 내연기관의 배기열 재활용 시스템

Info

Publication number: KR101567171B1
Application number: KR1020130165243A
Authority: KR
Inventors: 손유상; 허경
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-11-06
Also published as: US20150184551A1; JP6389640B2; KR20150076718A; US9551240B2; CN104747318A; EP2889457A1; CN104747318B; JP2015127526A

Abstract

본 발명은 내연기관의 배기열을 이용하여 작동 유체를 순환시키는 재활용 방식을 포함하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연 기관의 배기열 재활용 시스템은: 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인; 랭킨 사이클을 만족하는 작동 유체가 내부를 순환하는 작동 유체 순환 라인; 및 상기 EGR 라인을 흐르는 EGR 가스와 상기 작동 유체 순환 라인을 흐르는 작동 유체를 상호 열교환시키는 EGR측 열교환 유닛;을 구비하고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하여 상기 흡기측으로 순환되고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하지 않고 상기 흡기측으로 순환될 수 있다.

Description

내연기관의 배기열 재활용 시스템{System of recycling exhaust heat from internal combustion engine}

본 발명은 내연기관의 배기열 재활용 시스템에 관한 것으로서, 내연기관의 배기열을 이용하여 작동 유체를 순환시키는 재활용 방식을 포함하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템에 관한 것이다.

내연기관은 차량, 선박, 소형 발전기 등에서 널리 사용되며, 내연기관의 효율을 높이고자 하는 시도는 끊임없이 있어 왔다. 내연기관에서는 많은 열량이 배기열로 배출되는 것이 일반적이며, 이러한 배기열을 회수하여 내연기관 전체의 효율을 증가시키는 여러 시스템들이 개발된 바 있다.

배기열 회수 시스템을 구성하는 데에 필요한 장치 및 부품, 하중의 증가 등을 고려하였을 때, 배기량이 작고 가벼운 소형 차량보다는 배기량이 크고 많은 인원 또는 화물을 운반할 수 있는 대형 차량에 배기열 재활용 시스템을 장착하는 것이 장착하는 것이 더 효율적이다.

차량의 경우, 배기열을 재활용 하는 시스템은 대표적으로 터보 컴파운드를 이용한 시스템과, 열전소자를 이용한 시스템이 있다.

터보 컴파운드를 이용한 시스템은, 배기 라인에 배기 터빈을 부착하고, 배기압으로 이 배기 터빈을 회전시켜 출력을 얻는 방식인데, 이 방식은 내연기관이 설치된 시스템 전체의 열효율을 높일 수 있으나, 배기 터빈이 배기 저항으로 작용하기 때문에 엔진 자체의 출력은 낮아진다는 단점이 있다.

열전소자를 이용한 시스템은 온도차이에 의하여 전기가 발생하는 열전소자를 이용하여 전기를 충전하거나, 이 전기로 보조 모터를 구동하여 엔진을 보조하는 방식을 사용한다. 그러나, 열전소자 자체의 비용을 무시할 수 없으며, 열전소자를 장착할 수 있는 공간이 협소하여, 실제 양산 차량에서 열전소자를 장착하더라도 유의미하게 엔진의 열효율을 높이기는 쉽지 않다는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 발명자는 내연기관의 배기측으로부터 전달받은 열을 이용하여 작동 유체를 순환시키고, 이 작동 유체로 터빈을 회전시키는 배기열 재활용 시스템을 개발하기 이르렀다. 다만, 이 배기열 재활용 시스템은 본 발명의 출원시를 기준으로 비밀유지의무 없는 자에게 공개된 발명이 아니라는 점을 분명하게 밝혀둔다.

상기 배기열 재활용 시스템의 효율을 높이기 위해서는 작동 유체를 가능한 한 오랫동안 순환하게 하여 터빈의 작동 시간을 최대한으로 늘리는 것이 필요할 것으로 예상하고 실험을 진행하였으나, 엔진의 온도가 낮을 때에도 작동 유체를 순환시키는 경우 오히려 엔진이 장착된 차량의 연비가 나빠지는 현상을 발견하게 되었다.

이에 작동 유체를 순환시켜서 터빈을 작동하는 구간을 최적으로 설정할 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 작동 유체를 순환시키거나 순환 정지시키기 위한 최적 조건을 도출하여, 좋은 연비를 달성할 수 있는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 작동 유체에 의하여 발생한 터빈의 회전력을 내연기관에 적합한 용도로 사용하는 것을 가능하게 하는 배기열 재활용 시스템을 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연 기관의 배기열 재활용 시스템은: 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인; 랭킨 사이클을 만족하는 작동 유체가 내부를 순환하는 작동 유체 순환 라인; 및 상기 EGR 라인을 흐르는 EGR 가스와 상기 작동 유체 순환 라인을 흐르는 작동 유체를 상호 열교환시키는 EGR측 열교환 유닛;을 구비하고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하여 상기 흡기측으로 순환되고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하지 않고 상기 흡기측으로 순환될 수 있다.

또한, 상기 배기열 재활용 시스템은, 상기 EGR 라인에 설치되어 상기 EGR 가스의 경로를 변환하는 EGR측 바이패스 밸브를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 T1은 500℃일 수 있다.

또한, 상기 배기열 재활용 시스템은, 작동 유체를 저장하고 있는 리저버 탱크로부터 상기 작동 유체를 펌핑하여 상기 작동 유체 순환 라인에 공급하는 작동 유체 펌프를 더 구비하며, 상기 작동 유체 펌프는 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때만 가동할 수 있다.

또한, 상기 배기열 재활용 시스템은, 상기 작동 유체 순환 라인으로부터 에너지를 전달받아 회전하는 터빈을 갖는 터빈 제너레이팅 유닛을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 터빈 제네레이팅 유닛은 모터 제너레이터를 가지며, 상기 모터 제너레이터는, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 상기 터빈의 회전 에너지를 직접적으로 이용하여 내연기관에 설치된 회전축을 구동하거나 전기 에너지로 변환할 수 있고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 배터리로부터의 전력을 공급받아 상기 내연기관에 설치된 회전축을 구동할 수 있다.

또한, 상기 터빈 제너레이팅 유닛은 풀리와 클러치를 더 구비하고, 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터의 회전자는 동축으로 연결되어 있으며, 상기 클러치는 상기 터빈과 상기 풀리를 단속할 수 있다.

또한, 상기 터빈 제너레이팅 유닛은 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 단속할 수 있는 제2 클러치를 더 구비하며, 상기 작동 유체가 상기 터빈을 회전시키는 경우로서, 상기 배터리가 과충전 될 수 있을 때, 상기 제2 클러치는 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 단절시킬 수 있다.

또한, 상기 제2 클러치에 의해 상기 모터 제너레이터와 기계적으로 단절된 상태에서 회전하는 상기 터빈은 상기 내연기관에 설치된 회전축을 구동할 수 있다.

또한, 상기 작동 유체가 상기 터빈을 회전시키는 경우로서, 상기 배터리의 전압이 미리 정해져 있는 충전 개시 기준 전압까지 떨어지면, 상기 제2 클러치는 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 연결시킬 수 있다.

또한, 상기 배기열 재활용 시스템은, 상기 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 배기측 열교환 유닛은 상기 EGR측 열교환 유닛보다 상기 작동 유체 순환 라인의 상류 측에 배치되어 있을 수 있다.

또한, 상기 작동 유체는 상기 배기측 열교환 유닛을 상시 통과할 수 있다.

본 발명에 따르면, 작동 유체를 순환시키거나 순환 정지시키기 위한 최적 조건을 도출하여, 좋은 연비를 달성할 수 있는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 작동 유체에 의하여 발생한 터빈의 회전력을 내연기관에 적합한 용도로 사용할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템의 개념도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템(이하, '재활용 시스템'이라 한다)은, 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인(200)과, 랭킨 사이클을 만족하는 작동 유체가 내부를 순환하는 작동 유체 순환 라인(100)과, EGR 라인(200)을 흐르는 EGR 가스와 작동 유체 순환 라인(100)을 흐르는 작동 유체를 상호 열교환시키는 EGR측 열교환 유닛(300)을 구비한다. 여기서 랭킨 사이클이란 2개의 단열 변화와 2개의 등압변화로 구성되는 사이클로서, 작동 유체가 증기와 액체의 상변화를 수반하는 사이클을 말한다. 랭킨 사이클은 널리 알려져 있는 사이클 중 하나이므로 이에 대한 더 이상의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 재활용 시스템은, 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 배기 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛(400)을 구비한다.

작동 유체는 배기측 열교환 유닛(400)을 상시 통과하나, EGR 라인(200)을 흐르는 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때에만 작동 유체는 EGR측 열교환 유닛(300)를 통과한다.

엔진(1)의 온도가 낮으면 EGR 가스의 온도도 낮고, 엔진(1)의 온도가 높으면 EGR 가스의 온도도 높기 때문에, EGR 가스의 온도는 엔진(1)의 온도를 반영한다고 볼 수 있다. 따라서, 엔진(1)이 충분히 예열되었는지를 판단하기 위해 굳이 실린더 블록이나, 엔진(1)의 헤드 커버 등의 온도를 측정할 필요 없이, EGR 가스의 온도를 측정하는 것을 통하여 엔진(1)의 예열여부를 판단할 수 있다.

엔진(1)이 충분히 예열되어 작동 유체를 순환시키고 이로 인해 터빈이 회전하였을 때, 엔진(1)이 장착된 차량의 연비가 좋아지는 시점은, 디젤 엔진을 기준으로 EGR 가스의 온도가 500℃에 도달한 시점이다. 이하에서는, 기준온도(T1)이 500℃로 설정되었을 때를 예로 들어 EGR 가스의 EGR 라인(200)을 통한 순환 경로에 대하여 설명하도록 한다.

EGR 가스의 온도가 500℃ 이상이면 EGR 가스는 EGR측 열교환 유닛(300)을 경유하여 흡기측으로 순환되고, EGR 가스의 온도가 500℃ 미만이면 EGR 가스는 EGR측 열교환 유닛(300)을 경유하지 않고 흡기측으로 순환된다.

이에 대해서 보다 상세하게 설명하도록 한다.

EGR 라인(200)에는 EGR 가스의 경로를 변환하는 EGR측 바이패스 밸브(220)가 설치되는데, 배기 매니폴드(3)로부터 EGR 밸브(210)를 통해 EGR 바이패스 밸브(220)로 인가되는 EGR 가스가 500℃ 이상이면 EGR 바이패스 밸브(220)는 개방되고 도 1을 기준으로 EGR 가스는 EGR 바이패스 밸브(220)의 오른쪽으로 이동하여 EGR측 열교환 유닛(300)을 통과한 후 흡기 매니폴드(2) 측으로 공급된다. 이에 반해, EGR 가스가 500℃ 미만이면 EGR 바이패스 밸브(220)는 폐쇄되어 도 1을 기준으로 EGR 가스는 EGR 바이패스 밸브(220)의 위쪽으로 이동하여 EGR측 열교환 유닛(300)을 통과하지 않은 채로 흡기 매니폴드(2) 측으로 공급된다.

이와 같이 초기 엔진 시동시와 같이 배기 가스의 온도가 낮을 때는 EGR 가스를 EGR측 열교환 유닛(300)을 통과시키지 않고서 바로 흡기 매니폴드(2)에 유입시키는 것에 의하여 엔진(1)을 빠르게 예열할 수 있고, 엔진(1)이 예열되지 않았을 때 무리하게 작동 유체를 순환시켜 엔진(1)의 연비를 떨어뜨리는 현상의 발생을 방지할 수 있다.

한편, EGR측 열교환 유닛(300)은 EGR 라인(200)과 작동 유체 순환 라인(100)을 열적으로 연결해주며, EGR 가스와 작동 유체를 열교환하여 EGR 가스를 냉각하고, EGR 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달한다. 또한, EGR측 열교환 유닛(300)은 EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러(320)와, 배기측 열교환 유닛(400)을 통과한 작동 유체에 EGR 가스로부터의 열을 전달하는 슈퍼 히터(310)를 갖는다.

이하에서는, 작동 유체 순환 라인(100) 상에서 작동 유체가 순환하는 경로에 대하여 설명하도록 한다.

액체 상태의 작동 유체를 저장하며 입구(62)와 출구(64)를 갖는 리저버 탱크(60)의 출구(64)를 통하여 작동 유체가 작동 유체 펌프(70)에 유입되며, 작동 유체 펌프(70)는 작동 유체를 펌핑하여 작동 유체 순환 라인(100)에 공급한다. 이미 설명한 바와 같이, EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때만 EGR 가스가 EGR측 열교환 유닛(300)을 경유하기 때문에, 작동 유체 펌프(70)는 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때만 가동하는 것이 바람직하다.

작동 유체 펌프(70)에 의하여 펌핑된 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하면서 가열된다. 리큐퍼레이터(50)를 통과한 작동 유체는 배기측 열교환 유닛(400)에 공급되어 재차 열을 전달 받으며, EGR측 열교환 유닛(300)에 구비된 슈퍼 히터(310)를 통하여 열을 전달 받는다. 여기서 배기측 열교환 유닛(400)은 작동 유체가 배기관(404)의 표면과 접촉하면서 배기 가스로부터의 열을 전달받을 수 있게 하는 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우, 터보 컴파운드를 이용한 시스템과는 달리 배기 저항이 없으므로 엔진(1) 자체의 출력이 저하 현상이 발생하지 않는 장점이 있다.

한편, 슈퍼 히터(310)를 통과할 때까지도 미처 기화되지 못한 액체 상태의 작동 유체는 기액 분리기(330)에 의하여 분리되는데, 터빈(510)에는 슈퍼 히터(310)를 통과한 기체 상태의 작동 유체만이 공급된다.

이와 같이, 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)로부터 열을 전달 받으며, 배기측 열교환 유닛(400)은 EGR측 열교환 유닛(300)보다 작동 유체 순환 라인(100)의 상류 측에 배치되어 있으므로, 순서대로 배기측 열교환 유닛(400)과, EGR측 열교환 유닛(300)을 통과하며 열을 추가적으로 전달받는다.

기체 상태의 작동 유체는 터빈 유입관(304)를 통하여 터빈(510)에 공급되어 터빈(510)을 회전시키고, 터빈(510)을 회전시키는 것에 의하여 에너지를 잃은 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하여 리저버 탱크(60)의 입구(62)로 되돌아온다.

터빈(510)은 작동 유체 순환 라인(100)으로부터 에너지를 전달받아 회전하며 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 일 구성요소인데, 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 구성 및 작동 방식에 대해서는 차후에 상세하게 설명하도록 한다.

리큐퍼레이터(50)는 리저버 탱크(60)의 입구(62) 및 출구(64) 모두와 유체 연통되어 리저버 탱크(60)로 유입되는 작동 유체와 리저버 탱크(60)로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시킨다.

리저버 탱크(60)의 출구(64)로부터 흘러나오는 작동 유체의 관점에서 보면, 터빈(510)을 통과한 후 리큐퍼레이터(50)로 유입되는 작동 유체로부터 열을 전달 받아 가열되며, 반대로, 터빈(510)을 통과한 후 리큐퍼레이터(50)로 유입되는 작동 유체의 관점에서 보면, 리저버 탱크(60)의 출구(64)로부터 흘러나오는 작동 유체에 의하여 냉각된다. 이와 같이 리큐퍼레이터(50)는 리저버 탱크(60)의 입구(62)를 기준으로 리저버 탱크(60)의 상류 측에 배치되고, 리저버 탱크(60)의 출구(64)를 기준으로 리저버 탱크(60)의 하류 측에 배치되어, 리저버 탱크(60)로 공급되는 작동 유체가 액체 상태로 안정적으로 공급될 수 있도록 해주며, 이와 동시에 작동 유체를 배기측 열교환 유닛(400)으로 공급되기 전에 미리 가열하며 배기열 회수의 효율을 높여줄 수 있다.

작동 유체 순환 라인(100)은, TEG 콘덴서(370)와, 냉각팬(360)을 구비할 수 있다.

TEG 콘덴서(370)는 리저버 탱크(60)의 입구(62)와 리큐퍼레이터(50) 사이에 배치되어 작동 유체로부터 열량을 빼앗아 리저버 탱크(60)로 흘러 들어가는 작동 유체를 액체 상태로 만드는 데에 소정의 역할을 수행한다. 또한, 리큐퍼레이터(50)와 TEG 콘덴서(370) 사이의 배관은 복수 회만큼 구부러져 있는 작동 유체 라디에이터로 형성되고, 여기에 냉각팬(360)으로 바람을 불어 주는 것에 의하여 작동 유체를 더욱 냉각할 수 있다.

한편, 작동 유체 펌프(70)는 리저버 탱크(60)와 리큐퍼레이터(50) 사이에 배치되는데, 리저버 탱크(60)와 작동 유체 펌프(70)를 잇는 배관을 흐르는 작동 유체가 주변으로부터 열을 흡수하여 기화되는 경우, 펌핑 효율이 저하될 수 있다. 이와 같은 펌핑 효율 저하를 방지하기 위하여, 리저버 탱크(60)와 작동 유체 펌프(70)를 잇는 배관은 단열 처리될 수 있다.

작동 유체 순환 라인(100)에서, EGR측 열교환 유닛(300)으로부터 터빈(510)을 잇는 도관인 터빈 유입관(304) 상의 지점, 그리고, 터빈(510)과 리큐퍼레이터(50)의 사이 지점, 이 두 지점은 작동 유체 바이패스(350)에 의하여 연결되어 있고, 이 작동 유체 바이패스(350)에는 작동 유체 바이패스 밸브(352)가 설치되며, 작동 유체 바이패스 밸브(352)의 개방작동에 의해 작동 유체는 터빈(510)을 우회하여 리큐퍼레이터(50)로 유입되도록 구성된다.

작동 유체는 특정 온도 및 압력을 넘는 경우, 분자구조가 파괴되어 작동 유체의 고유의 물성치를 잃게 될 수 있다. 이와 같이 작동 유체가 고유의 물성치를 잃을 수 있는 경우에는 작동 유체가 터빈(330)을 통과하기 전에 다시 정상 상태로 만들기 위하여 작동 유체 바이패스 밸브(352)를 개방하면 작동 유체는 터빈(510)을 우회하여 작동 유체 바이패스(350)을 통해 리큐퍼레이터(50)로 유입된다. 이에, 리큐퍼레이터(50) 내에서는 작동 유체 바이패스(350)를 통해 리큐퍼레이터(50)로 유입된 작동 유체가 작동 유체 펌프(70)에 의해 리저버 탱크(60)로부터 공급되는 작동 유체와 열교환한다. 이때, 리큐퍼레이터(50) 내에서 리저버 탱크(60)로부터 공급되는 작동 유체는 작동 유체 바이패스(350)를 통해 유입되는 작동 유체 보다 저온 상태이므로 작동 유체 바이패스(350)를 통해 유입되는 작동 유체는 그 열교환에 의해 냉각된다. 이와 같이, 작동 유체 바이패스(350)에 의해 리큐퍼레이터(50)로 유입된 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하면서 적절히 냉각되어 정상 상태로 되돌아 올 수 있다.
그리고, 작동 유체 바이패스(350)를 통해 리큐퍼레이터(50)로 유입된 작동 유체는 리저버 탱크(60)에서 공급되는 작동 유체에 의해 적절히 냉각된 이후에 TEG 콘덴서(370)에서 액체 상태가 되고, 그 이후에 리저버 탱크(60)로 흘러 들어간다.

작동 유체 순환 라인(100)에서는 작동 유체만이 순환하는 것이 이상적이나, 고온의 작동 유체는 터빈(510)을 회전시켜야 하고, 터빈(510)이 고속으로 회전하면서 파손되는 것을 방지하기 위하여 터빈(510)은 터빈 윤활유에 의하여 윤활 된다. 따라서, 터빈(510)을 통과한 작동 유체에는 터빈 윤활유가 섞일 수 있으며, 터빈(510)으로부터 배출되는 터빈 윤활유를 비롯하여 작동 유체가 아닌 다른 유체들을 작동 유체 순환 라인(100)으로부터 분리하기 위한 오일 분리기(302)는 터빈(510)과 리큐퍼레이터(50) 사이의 배관에 형성될 수 있다.

터보 차저가 장착된 내연기관은 도 1에 도시된 것과 같이, 배기 매니폴드(3)를 통하여 배출된 배기 가스가 배기관(404)의 배기 매니폴드(3) 측 단부에 형성된 임펠러(6B)를 고속으로 회전시키면서, 이 임펠러(6B)와는 동축으로 형성된 흡기측 임펠러(6A)를 회전시키고, 이에 의하여 과급된 공기는 인터쿨러(5)와 엔진 라디에이터(4)를 거쳐 흡기 매니폴드(2)에 유입될 수 있다. 임펠러(6B)를 통과한 배기 가스는 배기관(404)를 통해 후처리 유닛(402)과, 배기측 열교환 유닛(400)을 차례로 통과하여 내연기관의 외부로 배출될 수 있다. 여기서, 후처리 유닛(402)은 배기 가스의 오염 물질 저감을 위하여 배기 라인에 설치되는 것으로서, 촉매 컨버터, 활성탄 등이 내장될 수 있다.

후처리 유닛(402)이 배기 가스를 정화하려면 배기 가스의 온도가 높아야 하는 경우가 대부분이며, 이 때문에 배기측 열교환 유닛(400)은 배기 라인에 설치되어 있는 후처리 유닛(402)의 하류 측에 형성될 수 있다.

도 1을 참조하여 터보 차저가 장착된 내연기관에서 배기 가스의 배출 경로를 설명하였으나, 임펠러(6A, 6B) 등이 형성되어 있지 않은 자연흡기형 내연기관의 경우에는, 배기 매니폴드(3)로부터 배출된 배기 가스가 배기관(404)를 통해 후처리 유닛(402)과, 배기측 열교환 유닛(400)을 차례로 통과하여 내연기관의 외부로 배출될 수 있다.

이하에서는 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 구성 및 작동방식을 위주로 하여, 작동 유체에 의하여 회전하는 터빈(510)의 회전력을 이용하는 방식에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 재활용 시스템은 터빈 제너레이팅 유닛(500)을 갖는데, 터빈 제너레이팅 유닛(500)은, 크게 터빈(510)과, 클러치(520)와, 모터 제너레이터(530)와, 풀리(540)를 구비한다.

터빈(510)과 모터 제너레이터(530)의 회전자는 동축으로 연결되어 있으며, 클러치(520)는 터빈(510)과 풀리(540)를 기계적으로 단속하는 역할을 수행한다.

EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 터빈(510)의 회전 에너지를 직접적으로 이용하여 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동할 수 있다. 여기서 내연기관에 설치된 회전축(6)이란, 바퀴에 동력을 전달하는 엔진(1)의 메인 구동축이 될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 에어컨 펌프, 냉각수 펌프 등 엔진(1)에 부가적으로 장착되며 회전력을 이용하여 가동하는 장치들을 구동하는 축이 될 수도 있다. 터빈(510)으로부터의 회전 에너지는 벨트(8)를 통해 회전축(6)에 전달될 수 있는데, 여기서 벨트(8) 대신 체인 또는 기어가 사용될 수도 있음은 물론이다.

한편, EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 모터 제너레이터(530)는 터빈(510)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수도 있고, 이렇게 변환된 전기 에너지는 배터리(20)에 저장해 둘 수 있다. 만약 클러치(520)가 터빈(510)과 풀리(540)를 서로 단절시킨 상태라면 터빈(510)의 회전은 전력 생산에만 사용되며, 클러치(520)가 터빈(510)과 풀리(540)를 서로 접속시킨 상태라면 터빈(510)의 회전력은 전력 생산뿐만 아니라 내연기관에 설치된 회전축(6)에 동력을 인가하는 데에 사용될 수도 있다.

EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 모터 제너레이터(530)는 배터리(20)로부터의 전력을 공급받아 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동할 수 있다. EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 작동 유체 순환 라인(100) 내에서 작동 유체의 순환은 정지되고, 작동 유체는 터빈(510)을 회전시키지 않기 때문에 모터 제너레이터(530)는 작동 유체 순환 라인(100)으로부터의 아무런 간섭 없이 배터리(20)로부터 전력을 받아 회전력을 발생시킬 수 있고, 이 회전력이 벨트(8)를 통해 회전축(6)을 회전시키게 된다.

한편, 엔진(1)의 기어 트레인(7)에는 동력 전달부(40)가 맞물리도록 설치될 수 있는데, 이 동력 전달부(40)는 배터리(20)로부터 인버터(30)를 통해 전력을 전달받아 엔진(1)을 시동하는 데에 사용될 수도 있고, 엔진(1)을 보조하는 구동원으로서의 역할을 수행하여 엔진(1)의 출력을 상승시키거나 엔진(1)의 부하를 낮춰 엔진(1)의 연비를 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.

한편, 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 터빈(510)과 모터 제너레이터(530)를 기계적으로 단속할 수 있는 제2 클러치(미도시)를 더 구비할 수 있는데, EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이라서, 작동 유체가 터빈(510)을 회전 시키는 경우, 터빈(510)의 회전력이 전기 에너지로 변환되는 기간이 지나치게 길어지면 배터리(20)가 과충전 될 수 있다. 이 경우, 제2 클러치는 터빈(510)과 모터 제너레이터(530)를 기계적으로 단절시킬 수 있고, 터빈(510)은 모터 제너레이터(530)와는 기계적으로 단절된 상태에서 계속 회전하게 된다. 이 때 터빈(510)을 공회전하게 놔두지 않고, 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동하게 하여 터빈(510)의 회전 에너지를 낭비 없이 최대한으로 활용할 수 있다.

EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이라서, 작동 유체가 터빈(510)을 회전 시키는 경우, 만약 배터리(20)의 전압이 미리 정해져 있는 충전 개시 기준 전압까지 떨어지면, 제2 클러치는 터빈(510)과 모터 제너레이터(530)를 다시 기계적으로 연결하여 배터리(20)를 충전할 수 있도록 재활용 시스템을 구성하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1 : 엔진 2 : 흡기 매니폴드
3 : 배기 매니폴드 4 : 엔진 라디에이터
5 : 인터쿨러 7 : 기어 트레인
8 : 벨트 20 : 배터리
30 : 인버터 40 : 동력 전달부
50 : 리큐퍼레이터 60 : 리저버 탱크
62 : 입구 64 : 출구
70 : 작동 유체 펌프 100 : 작동 유체 순환 라인
200 : EGR 라인 210 : EGR 밸브
220 : EGR 바이패스 밸브 300 : EGR측 열교환 유닛
302 : 오일 분리기 304 : 터빈 유입관
310: 슈퍼 히터 320 : EGR 쿨러
330 : 기액 분리기 350 : 작동 유체 바이패스
352 : 작동 유체 바이패스 밸브 360 : 냉각팬
370 : TEG 콘덴서 400 : 배기측 열교환 유닛
402 : 후처리 유닛 404 : 배기관
500 : 터빈 제너레이팅 유닛 510 : 터빈
520 : 클러치 530 : 모터 제너레이터
540 : 풀리

Claims

내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인;
랭킨 사이클을 만족하는 작동 유체가 내부를 순환하는 작동 유체 순환 라인;
상기 작동 유체 순환 라인으로부터 에너지를 전달받아 회전하는 터빈을 갖는 터빈 제너레이팅 유닛;
상기 EGR 라인을 흐르는 EGR 가스와 상기 작동 유체 순환 라인을 흐르는 작동 유체를 상호 열교환시켜 상기 EGR 가스를 냉각하고, 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛;
액체 상태의 작동 유체를 저장하며 유입구와 유출구를 갖는 리저버 탱크;
상기 리저버 탱크의 유입구 및 유출구 모두와 유체 연통되고, 상기 리저버 탱크로 유입되는 작동 유체와 상기 리저버 탱크로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시키는 리큐퍼레이터;
상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈의 사이 지점, 그리고 상기 터빈과 상기 리큐퍼레이터의 사이 지점을 연결하는 작동 유체 바이패스; 및
상기 작동 유체 바이패스에 설치되는 작동 유체 바이패스 밸브;를 포함하고,
상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 제너레이팅 유닛의 사이 지점에 연결되고, 상기 EGR측 열교환 유닛에 의해 기화되지 못한 액체 상태의 작동 유체를 분리하는 기액 분리기;
상기 터빈으로부터 배출되는 작동 유체에서 오일을 분리하도록 상기 터빈과 상기 리큐퍼레이터 사이의 배관에 설치된 오일 분리기;
상기 작동 유체는 상기 작동 유체 바이패스 밸브의 개방작동에 의해 상기 터빈을 우회하여 상기 리큐퍼레이터로 유입되도록 구성되며,
상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하여 상기 흡기측으로 순환되고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 상기 EGR 가스는 상기 EGR측 열교환 유닛을 경유하지 않고 상기 흡기측으로 순환되는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 EGR 라인에 설치되어 상기 EGR 가스의 경로를 변환하는 EGR측 바이패스 밸브를 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 T1은 500℃인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
작동 유체를 저장하고 있는 리저버 탱크로부터 상기 작동 유체를 펌핑하여 상기 작동 유체 순환 라인에 공급하는 작동 유체 펌프를 더 구비하며,
상기 작동 유체 펌프는 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상일 때만 가동하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 터빈 제네레이팅 유닛은 모터 제너레이터를 가지며,
상기 모터 제너레이터는, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 이상이면 상기 터빈의 회전 에너지를 직접적으로 이용하여 내연기관에 설치된 회전축을 구동하거나 전기 에너지로 변환할 수 있고, 상기 EGR 가스의 온도가 기준온도(T1) 미만이면 배터리로부터의 전력을 공급받아 상기 내연기관에 설치된 회전축을 구동할 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
제6항에 있어서,
상기 터빈 제너레이팅 유닛은 풀리와 클러치를 더 구비하고,
상기 터빈과 상기 모터 제너레이터의 회전자는 동축으로 연결되어 있으며,
상기 클러치는 상기 터빈과 상기 풀리를 단속하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
제7항에 있어서,
상기 터빈 제너레이팅 유닛은 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 단속할 수 있는 제2 클러치를 더 구비하며,
상기 작동 유체가 상기 터빈을 회전시키는 경우로서, 상기 배터리가 과충전 될 수 있을 때, 상기 제2 클러치는 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 단절시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 클러치에 의해 상기 모터 제너레이터와 기계적으로 단절된 상태에서 회전하는 상기 터빈은, 상기 내연기관에 설치된 회전축을 구동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
제8항에 있어서,
상기 작동 유체가 상기 터빈을 회전시키는 경우로서, 상기 배터리의 전압이 미리 정해져 있는 충전 개시 기준 전압까지 떨어지면, 상기 제2 클러치는 상기 터빈과 상기 모터 제너레이터를 기계적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기열 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
제11항에 있어서,
상기 배기측 열교환 유닛은 상기 EGR측 열교환 유닛보다 상기 작동 유체 순환 라인의 상류 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
제12항에 있어서,
상기 작동 유체는 상기 배기측 열교환 유닛을 상시 통과하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.