KR101137093B1 - 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치 - Google Patents

엔진의 배기가스를 이용한 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 화학에너지를 기계에너지로 변환시키는 엔진; 상기 엔진에서 발생되는 배기가스를 배기구를 통해 배출시키기 위한 배기관; 및 상기 엔진과 배기관 사이의 유로 상에 배치되어 배기가스의 배기량을 제어하면서 유동되는 배기가스에 의해 축회전되는 터빈휠을 갖는 발전수단;을 포함하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치가 제공된다.
이에 의하면, 배기가스의 배압 상승을 방지하면서 배기열의 회수율을 선택적으로 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

엔진의 배기가스를 이용한 발전장치 {Generation apparatus using engine's exhaust}
본 발명은 배출되는 자동차의 배기가스로부터 전기에너지의 형태로 회수함으로써 엔진 구동원으로 재활용할 수 있는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 엔진은 화학에너지를 연소시켜 기계에너지로 변환시키게 되는데, 이 과정의 열효율은 높아야 30% 정도에 불과하다.
즉, 많은 량의 에너지가 사용되지 못한채 자동차의 배기구를 통해 배기가스와 함께 고온의 배기열 형태로 버려지게 된다.
이에 따라 도출된 종래의 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치는 두 개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고, 배기 유로 상에 배기가스 및 냉각수의 유동에 따른 양측의 온도차에 의해 두 접점 사이에 전위차를 발생시키는 열전소자(thermoelectric element)를 배치하여 폐열을 회수 및 재활용한 바와 같다.
즉, 열전소자가 적층된 챔버 내부로 고온의 배기가스가 지나는 과정에서 각각의 열전소자는 그 일측면이 저온의 냉각수로 냉각이 이루어지며, 타측면은 고온의 배기가스의 열에너지로 인해 가열됨으로써 열전소자의 양측면 온도차이에 의해 기전력이 발생하며 전기가 생성이 된다.
그런데, 종래의 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치는 배기가스의 회수율을 높이기 위해 열전소자를 과다하게 적층시킬 경우, 배기가스의 배압 상승으로 충분한 출력을 기대하기 어려워 열전소자의 사용에 제약이 따르는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 배기가스의 배압 상승을 방지하면서 배기가스의 에너지 회수율을 높일 수 있는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치는, 화학에너지를 기계에너지로 변환시키는 엔진; 상기 엔진에서 발생되는 배기가스를 배기구를 통해 배출시키기 위한 배기관; 및 상기 엔진과 배기관 사이의 유로 상에 배치되어 배기가스의 배기량을 제어하면서 유동되는 배기가스에 의해 축회전되는 터빈휠을 갖는 발전수단;을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 엔진은, 각 실린더 별로 배출된 배기가스를 모아 배출시키기 위한 배기 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전수단은, 상기 배기 매니폴드의 후단과 상기 배기관 사이에 배치되어 초기 시동시의 배기가스를 상기 배기구 측으로 바이패스시키기 위한 바이패스관을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스관의 입구에는, 유로를 개폐하기 위한 밸브가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전수단은, 상기 터빈휠을 상기 배기관의 길이방향으로 이동시키면서 상기 배기관을 유동하는 배기가스의 유속을 증감시키는 실린더장치를 더 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실린더장치는, 상기 터빈휠과 결합되어 축회전되는 구동축과, 일단이 상기 구동축과 스트러스베어링을 통해 연동되어 상기 터빈휠을 상기 배기관의 길이방향으로 왕복운동시키는 피스톤과, 상기 피스톤의 타단이 수용되어 지지되는 실린더로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전수단은, 상기 구동축의 외주면에 스플라인 결합되는 구동기어와, 상기 구동기어와 맞물림되어 회전되는 종동기어와, 상기 종동기어와 스플라인 결합되는 피동축과, 상기 피동축의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 제너레이터를 더 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진에는, 전기에너지를 이용해 상기 엔진의 발전부하를 저감시키도록 알터네이터가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 제너레이터로부터 전기에너지를 공급받으며 상기 알터네이터에 전기에너지를 부여할 수 있도록 설치되는 밧데리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치에 의하면, 배기가스의 배압 상승을 방지하면서 배기열의 회수율을 선택적으로 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치를 나타내 보인 개략도, 및
도 2는 도 1의 발전수단을 상세히 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치에 대해 상세하게 살펴본다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200)는 엔진(210)과, 배기관(230) 및 발전수단(250)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 엔진(210)은 화학에너지를 기계에너지로 변환시키는 장치로서, 복수의 실린더(도면부호 생략)가 구비되며, 각 실린더 별로 배출된 배기가스를 모아 배출시키기 위한 배기 매니폴드(211)가 연결되어 이루어진다.
이 엔진(210)에는 후술할 밧데리(260)로부터 전기에너지를 공급받아 상기 엔진(210)의 발전부하를 저감시키도록 구비되는 알터네이터(212)가 설치됨이 바람직하다.
또, 상기 엔진(210)의 일측으로는 전자제어유닛(ECU)가 설치되어 그 발전부하를 선택적으로 조절할 수 있다.
상기한 배기관(230)은 상기 엔진(210)에서 발생되는 배기가스를 배기구(231)를 통해 배출시키기 위해 구비된다.
이 배기관(230) 상에는 배기가스를 정화시키기 위한 촉매변환부(도시 생략)와, 상기 배기구(231)와 인접한 단부에 배기 소음을 저감시키기 위한 머플러(233)가 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 발전수단(250)은 상기 엔진(210)과 배기관(230) 사이의 유로 상에 배치되어 배기가스의 배기량에 따라 배기유량을 제어하면서 축회전되는 터빈휠(251)을 포함하는 구성이다.
특히, 상기 발전수단(250)은 상기 배기 매니폴드(211)의 후단과 상기 배기관(230) 사이에 배치되어 초기 시동을 제외한 중, 저속 및 고속 구간에서 배기열을 회수하게 되는바, 초기 시동시의 배기가스를 상기 배기구(231) 측으로 바이패스시키기 위한 바이패스관(252)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이는 상기 엔진(210)의 초기 시동시에는 배기가스의 유동량이 작으므로 전량 촉매변환부 측으로 바이패스 시켜 배압 상승을 방지함으로써 배기효율의 저하를 방지하게 된다.
또한, 상기 발전수단(250)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 터빈휠(251)을 상기 배기관(230)의 길이방향으로 이동시키면서 상기 배기관(230)을 유동하는 배기가스의 유속을 증감시키는 실린더장치(253)를 더 갖는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 상기 실린더장치(253)는 상기 터빈휠(251)과 결합되어 축회전되는 구동축(253a)과, 일단이 상기 구동축(253a)과 스트러스베어링(B)을 통해 연동되어 상기 터빈휠(251)을 상기 배기관(230)의 길이방향으로 왕복운동시키는 피스톤(253b)과, 상기 피스톤(253b)의 타단이 수용되어 지지되는 유압 또는 공압식의 실린더(253c)를 구비하여 이루어진다.
아울러, 상기 발전수단(250)은 상기 구동축(253a)의 외주면에 스플라인 결합되는 구동기어(254)와, 상기 구동기어(254)와 맞물림되어 회전되는 종동기어(255)와, 상기 종동기어(255)와 스플라인 결합되는 피동축(256)과, 상기 피동축(256)의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 제너레이터(257)를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 제너레이터(257)로부터 전기에너지를 공급받으며 상기 알터네이터(212)에 전기에너지를 부여할 수 있도록 설치되는 밧데리(260)를 더 포함하여 구성된다.
또, 상기 밧데리(260)의 일측으로는 그 잔존 용량을 감지하기 위한 SOC(State of charge)가 설치된다.
아울러, 본 발명은 상기 알터네이터(212)와 함께 상기 전자제어유닛(ECU)을 제어하기 위한 제어부(270)가 설치가 된다.
미설명된 도면부호인 'V'는 상기 바이패스관(252)의 입구를 개폐하기 위한 밸브이다.
이하, 도면을 참조하여 상술한 본 발명 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200)의 작용에 대해 살펴본다.
엔진(210)의 초기 시동시에는 배기가스의 유동량이 크지 않기 때문에 발생된 배기가스는 최대로 개방된 상태의 밸브(V)를 통해 바이패스관(252)을 경유하여 대부분 촉매변환부 측으로 바이패스된다.
따라서, 바이패스된 배기가스는 배기구(231)를 통해 배출됨으로써 배압 상승이 방지됨과 아울러 배기효율의 저하를 방지하게 된다.
한편, 엔진(210)이 초기 시동을 벗어나 중, 저속 및 고속 상황에서는 배기가승의 유동량이 충분한 상태가 되어 밸브(V)의 개방상태는 적절히 조절되어 바이패스 량은 최소화되고, 다량의 배기가스가 터빈휠(251) 측으로 유동되어 터빈휠(251)을 축회전시키게 된다.
이때, 배기가스의 유동량이 상대적으로 적을 경우는 실린더장치(253)의 작동으로 터빈휠(251)이 도면의 좌측으로 이동되어 배기관(230) 상의 유로를 일부 차단시킴으로써 유속이 증대되며, 유량이 충분하게 많을 경우는 터빈휠(251)이 도면의 우측으로 이동되어 터빈휠(251)의 축회전 속도를 최대로 제어할 수 있다.
터빈휠(251)의 축회전에 따른 기계적에너지는 발전기(257)에서 전기에너지로 변환되어 밧데리(260)에 저장이 되며, 알터네이터(212)의 가동에 필요한 전원을 공급할 수 있게 된다.
이후, 제어부(270)는 엔진(210)의 가동에 있어 그 발전부하를 최소화할 수 있도록 전자제어유닛(ECU) 및 알터네이터(212)을 적절히 제어하게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200)에 따르면, 배기가스의 배압 상승을 방지하면서 배기열의 회수율을 선택적으로 높일 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이에 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

Claims (9)

  1. 화학에너지를 기계에너지로 변환시키는 엔진(210);
    상기 엔진(210)에서 발생되는 배기가스를 배기구(231)를 통해 배출시키기 위한 배기관(230); 및
    상기 엔진(210)과 배기관(230) 사이의 유로 상에 배치되어 배기가스의 배기량을 제어하면서 유동되는 배기가스에 의해 축회전되는 터빈휠(251)을 갖는 발전수단(250);을 포함하며,
    상기 발전수단(250)은, 상기 터빈휠(251)을 상기 배기관(230)의 길이방향으로 이동시키면서 상기 배기관(230)을 유동하는 배기가스의 유속을 증감시키는 실린더장치(253)를 더 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 엔진(210)은,
    각 실린더에서 배출된 배기가스를 모아 배출시키기 위한 배기 매니폴드(211)를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  3. 제 2항에 있어서, 상기 발전수단(250)은,
    상기 배기 매니폴드(211)의 후단과 상기 배기관(230) 사이에 배치되어 초기 시동시의 배기가스를 상기 배기구(231) 측으로 바이패스시키기 위한 바이패스관(252)을 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  4. 제 3항에 있어서, 상기 바이패스관(252)의 입구에는,
    유로를 개폐하기 위한 밸브(V)가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 실린더장치(253)는,
    상기 터빈휠(251)과 결합되어 축회전되는 구동축(253a)과, 일단이 상기 구동축(253a)과 스트러스베어링(B)을 통해 연동되어 상기 터빈휠(251)을 상기 배기관(230)의 길이방향으로 왕복운동시키는 피스톤(253b)과, 상기 피스톤(253b)의 타단이 수용되어 지지되는 실린더(253c)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  7. 제 6항에 있어서, 상기 발전수단(250)은,
    상기 구동축(253a)의 외주면에 스플라인 결합되는 구동기어(254)와, 상기 구동기어(254)와 맞물림되어 회전되는 종동기어(255)와, 상기 종동기어(255)와 스플라인 결합되는 피동축(256)과, 상기 피동축(256)의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 제너레이터(257)를 더 갖는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  8. 제 7항에 있어서, 상기 엔진(210)에는,
    전기에너지를 이용해 상기 엔진(210)의 발전부하를 저감시키도록 알터네이터(212)가 설치된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제너레이터(257)로부터 전기에너지를 공급받으며 상기 알터네이터(212)에 전기에너지를 부여할 수 있도록 설치되는 밧데리(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스를 이용한 발전장치(200).
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