KR101534983B1 - 내연기관의 배기열 재활용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 배기열을 이용하여 작동 유체를 순환시키는 재활용 방식을 포함하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 엔진의 크랭크 축과 함께 회전하며 상기 엔진의 하부에 배치된 크랭크 풀리; 기화된 작동 유체로부터 에너지를 전달받아 회전할 수 있는 터빈과, 상기 터빈의 회전력을 전기 에너지로 변환하거나 배터리로부터 전달받은 전기 에너지로 상기 터빈을 회전시키는 모터 제너레이터를 가지며, 상기 크랭크 풀리의 상측방에 위치하는 터빈 제너레이팅 유닛; 액화된 상기 작동 유체를 펌핑하며 상기 엔진의 하부에 배치된 작동 유체 펌프; 및 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하여 기화시키는 EGR측 열교환 유닛;을 구비한다.

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 엔진이 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.

본 발명의 발명자는 배기열 재활용 시스템을 엔진에 설치하고자 하나, 엔진이 설치되는 엔진룸이 협소하기 때문에 엔진룸에 배기열 재활용 시스템이 설치된 엔진을 설치하기 위해서는, 배기열 재활용 시스템을 이루는 각 구성요소들을 엔진과의 관계에서 최적의 위치에 배치하는 것이 필요하다.

또한, 작동 유체가 원활하게 순환하면서 터빈에 에너지를 전달할 수 있도록, 배기열 재활용 시스템을 이루고 있는 각 구성들 상호 간의 위치를 최적으로 배치하는 것이 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 엔진에 부설되어 엔진룸에 설치될 수 있으며 이와 동시에 작동 유체가 원활하게 순환하면서 터빈에 에너지를 전달하기에 적합한 레이아웃을 갖는 내연기관의 배기열 재활용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 엔진의 크랭크 축과 함께 회전하며 상기 엔진의 하부에 배치된 크랭크 풀리; 기화된 작동 유체로부터 에너지를 전달받아 회전할 수 있는 터빈과, 상기 터빈의 회전력을 전기 에너지로 변환하거나 배터리로부터 전달받은 전기 에너지로 상기 터빈을 회전시키는 모터 제너레이터를 가지며, 상기 크랭크 풀리의 상측방에 위치하는 터빈 제너레이팅 유닛; 액화된 상기 작동 유체를 펌핑하며 상기 엔진의 하부에 배치된 작동 유체 펌프; 및 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하여 기화시키는 EGR측 열교환 유닛;을 구비할 수 있다.

또한, 상기 EGR측 열교환 유닛은 상기 작동 유체 펌프보다 상측에 위치할 수 있다.

또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 액체 상태의 작동 유체를 저장하며 상기 작동 유체가 드나드는 입구와 출구를 갖는 리저버 탱크; 및 상기 리저버 탱크의 입구 및 출구 모두와 유체 연통되어 상기 리저버 탱크로 유입되는 작동 유체와 상기 리저버 탱크로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시키는 리큐퍼레이터;를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 리큐퍼레이터는, 상기 리저버 탱크의 입구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 상류 측에 배치되고, 상기 리저버 탱크의 출구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 하류 측에 배치될 수 있다.

또한, 상기 리큐퍼레이터가 상기 엔진에 설치된 높이는 상기 터빈 제너레이팅 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이보다 높지 않을 수 있다.

또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 배기 가스를 외부에 방출하는 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 유닛에 비하여 상기 작동 유체의 흐름을 기준으로 상류 측에 배치되어 있을 수 있다.

또한, 상기 EGR측 열교환 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이는 상기 배기측 열교환 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이보다 더 높을 수 있다.

또한, 상기 터빈은 상기 엔진에 설치된 회전축에 구동력을 전달할 수 있게 연결되되, 상기 크랭크 풀리와는 항상 동력이 단절되어 있을 수 있다.

또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 상기 크랭크 풀리와 연결되며 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 크랭크 풀리를 구동하는 보조 모터를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 보조 모터는 상기 터빈과는 항상 동력이 단절되어 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 엔진에 부설되어 엔진룸에 설치될 수 있으며 이와 동시에 작동 유체가 원활하게 순환하면서 터빈에 에너지를 전달하기에 적합한 레이아웃을 갖는 내연기관의 배기열 재활용 시스템을 제공할 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.
도 2는 내연기관의 배기열 재활용 시스템이 설치된 엔진의 개략 사시도이다.

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.

본 발명은 내연기관의 배기열 재활용 시스템(이하, '재활용 시스템'이라 한다)의 최적 레이아웃을 주요 내용으로 하나, 이에 대한 설명에 앞서 재활용 시스템을 가동하기 위하여 배기 가스, EGR 가스, 작동 유체가 흐르는 경로 및 이 경로 상에 위치하는 각 구성들을 포함한 재활용 시스템의 전반적인 내용에 대해 살펴보고, 그 이후에 재활용 시스템의 최적 레이아웃에 대하여 설명하도록 한다.

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

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 재활용 시스템은, 랭킨 사이클을 만족하는 작동 유체가 내부를 순환하는 작동 유체 순환 라인(100)과, 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 배기 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛(400)과, 터빈(510)과 모터 제너레이터(530)와 클러치(520)와 터빈측 풀리(540)를 갖는 터빈 제너레이팅 유닛(500)과, 내연기관의 크랭크 풀리(7)와 연결되며 배터리(20)로부터 전력을 공급받아 이 크랭크 풀리(7)를 구동하는 보조 모터(40)를 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.

상기 재활용 시스템은, 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인(200)과, 이 EGR 라인(200)을 흐르는 EGR 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하여 기화시키는 EGR측 열교환 유닛(300)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)을 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 실린더 헤드 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)가 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 액화된 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 저하되는 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 유체의 흐름을 기준으로 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 제너레이팅 유닛(500)은, 크게 터빈(510)과, 클러치(520)와, 모터 제너레이터(530)와, 터빈측 풀리(540)를 구비한다.

터빈(510)은 기화된 작동 유체로부터 에너지를 전달받아 회전하며, 터빈(510)과 모터 제너레이터(530)의 회전자(rotor)는 함께 회전할 수 있도록 연결되어 있으며, 모터 제너레이터(530)는 터빈(510)의 회전력을 전기 에너지로 변환하거나, 배터리(20)로부터 전달받은 전기 에너지로 터빈(510)을 회전시킨다. 클러치(520)는 터빈(510)과 터빈측 풀리(540)를 기계적으로 단속하는 역할을 수행한다.

크랭크 풀리(7)는 엔진(1)의 크랭크 축과 함께 회전하며, 보조 모터(40)는 엔진(1)의 크랭크 풀리(7)와 맞물리도록 설치될 수 있는데, 이 보조 모터(40)는 배터리(20)로부터 인버터(30)를 통해 전력을 전달 받으며 배터리(20)가 만충전 되어 있는 상태부터 배터리(20)의 전압이 하강하여 미리 정해져 있는 충전 개시 기준 전압이 될 때까지 내연기관에 설치된 크랭크 풀리(7)를 구동할 수 있다. 또한, 보조 모터(40)는 엔진(1)을 시동하는 데에 사용될 수도 있다.

터빈(510)의 회전력은 모터 제너레이터(530)에 의하여 전기 에너지로 변환되고, 이 전기 에너지는 배터리(20)에 충전되며, 보조 모터(40)는 배터리(20)로부터 전력을 공급받아 크랭크 풀리(7)를 회전시킬 수 있기 때문에, 터보 컴파운드 등을 이용한 시스템과는 달리 본 발명은 엔진(1) 자체의 출력을 저하시키지 않고서도 보조 모터(40)를 구동하는 출력을 발생시키는 것이 가능하며, 보조 모터(40)를 이용하여 엔진(1)의 부하를 줄일 수 있고, 이를 통해 내연기관의 연비를 높일 수 있다. 또한, 엔진(1)의 구동력을 보조하여 엔진(1)의 출력을 상승시킬 수도 있다.

터빈(510)은 내연기관에 설치되어 있는 회전축(6)에 구동력을 전달할 수 있게 연결되어 있으나, 이 터빈(510)은 크랭크 풀리(7)와는 항상 동력이 단절되어 있다. 기화된 작동 유체에 의하여 터빈(510)이 회전하는 경우로서 터빈(510)과 풀리(540)가 클러치(520)에 의해 접속되면, 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 터빈(510)의 회전력을 전기 에너지로 변환함과 동시에 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동할 수 있다. 여기서 내연기관에 설치된 회전축(6)이란, 에어컨 컴프레서의 회전축(6B), 냉각수 펌프의 회전축(6A) 등 엔진(1)에 부가적으로 장착되며 회전력을 이용하여 가동하는 부대장치들을 구동하는 축이 될 수 있다.

결국, 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 엔진(1)에 설치된 부대장치의 회전축(6)은 회전시키되 크랭크 풀리(7)와는 단절되어 있기 때문에, 엔진(1)이 가동하여 크랭크 풀리(7)가 회전하더라도 이 크랭크 풀리(7)가 부대장치의 회전축(6)을 가동하는 경우는 발생하지 않는다. 따라서 부대장치의 회전축(6)이 회전하더라도 이로 인한 엔진(1) 자체의 구동력 손실은 발생하지 않으며, 엔진(1) 자체의 회전으로 인하여 발생하는 구동력이 바퀴의 구동에 관련된 장치에 온전히 사용될 수 있기 때문에 엔진(1)의 부하가 줄어든다는 장점이 있다.

터빈(510)으로부터의 회전 에너지는 벨트(8)를 통해 회전축(6)에 전달될 수 있는데, 벨트(8)를 대신하여 체인 또는 기어가 사용될 수도 있음은 물론이다. 또한, 본 발명에서 말하는 터빈측 풀리(540)는 클러치(520)에 의하여 터빈(510)에 접속된 상태에서 터빈(510)과 함께 회전할 수 있는 동력 전달용 구성을 대표적으로 지칭하는 것으로서, 기어, 스프로켓 등과는 구별되는 기계요소인 좁은 의미로서의 풀리를 나타내는 것이 아니라, 기어, 스프로켓 등을 포함하는 동력 전달용 구성요소를 넓게 의미하는 것으로 사용되었음을 밝혀둔다.

기화된 작동 유체에 의하여 터빈(510)이 회전하는 경우로서 터빈(510)과 터빈측 풀리(540)가 클러치(520)에 의해 단절되면 터빈 제너레이팅 장치는 터빈(510)의 회전력을 전기 에너지로 변환할 수 있다.

또한, 작동 유체의 순환이 정지되어 터빈(510)이 회전하지 않으면 터빈 제너레이팅 장치(500)는 배터리(20)로부터 전력을 공급받아 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동할 수 있다.

리저버 탱크(60)는 액체 상태의 작동 유체를 저장하며 작동 유체가 드나드는 입구(62)와 출구(64)를 갖는다. 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 유체를 리큐퍼레이터(50)로 선택적으로 바이패스 시키는 작동 유체 바이패스 밸브(352)가 설치되어 있다.

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(510)을 통과하기 전에 다시 정상 상태로 만들기 위하여 작동 유체 바이패스 밸브(352)를 이용하여 작동 유체를 리큐퍼레이터(50)로 공급되게 한다. 리큐퍼레이터(50)로 바이패스된 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하며 정상 상태로 되돌아 올 수 있다.

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(9B)를 고속으로 회전시키면서, 이 임펠러(9B)와는 동축으로 형성된 흡기측 임펠러(9A)를 회전시키고, 이에 의하여 과급된 공기는 인터쿨러(5)와 엔진 라디에이터(4)를 거쳐 흡기 매니폴드(2)에 유입될 수 있다. 임펠러(9B)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(9A, 9B) 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.

도 2는 터빈 제너레이팅 유닛과 엔진에 설치된 부대장치의 회전축의 연결관계를 도시하며, 이하에서는 도 2를 참조하여 재활용 시스템의 최적 레이아웃에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

엔진(1)의 크랭크 축은 통상적으로 엔진(1)의 하부에 배치된 오일 팬에 의하여 윤활이 되어야 하며, 크랭크 축은 크랭크 풀리(7)와 연결되어 있으므로, 크랭크 풀리(7)도 엔진(1)의 하부에 배치된다.

본 발명에 따른 재활용 시스템에 구비되는 터빈 제너레이팅 유닛(500)은, 종래기술에 따른 엔진(1)에 설치되어 있는 알터네이터의 역할도 함께 수행하는 구성이므로, 엔진(1)에서 알터네이터가 통상적으로 설치되는 위치에 알터네이터를 대체하여 설치될 수 있다. 게다가 터빈(510)이 크랭크 풀리(7)와는 동력이 단절되어 있는 것까지 고려하였을 때, 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 위치를 크랭크 풀리(7)가 위치하고 있는 엔진(1)의 하방까지 내리는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 크랭크 풀리(7)의 대체적으로 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로 설명하며, 크랭크 풀리(7)는 엔진(1) 하부에서 상당히 많은 영역을 차지하고 있기 때문에, 크랭크 풀리(7)의 정확히 상측에 터빈 제너레이팅 유닛(500)을 설치하기는 어렵다. 따라서, 크랭크 풀리(7)에 간섭되지 않는 위치, 크랭크 풀리(7)와의 동력 단절, 그리고 알터네이터를 대체한다는 것까지 모두 고려하였을 때 터빈 제너레이팅 유닛(500)은 크랭크 풀리(7)의 상측방에 위치하는 것이 가장 바람직하다. 여기서, 크랭크 풀리(7)와 터빈 제너레이팅 유닛(500)의 위치 관계는 터빈(510)의 회전축과 크랭크 풀리(7)의 중심축의 위치를 기준으로 하였음을 밝혀둔다.

작동 유체 펌프(70)는 리저버 탱크(60)로부터 액체 상태의 작동 유체를 펌핑해야 하며, 액체 상태의 작동 유체는 중력방향을 따라 이동하기 때문에 리저버 탱크(60)는 엔진(1)의 하부에 위치하는 것이 바람직하며, 결국 작동 유체 펌프(70)도 엔진(1)의 하부에 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 작동 유체 펌프(70)에 의하여 펌핑된 액체 상태의 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)와, 배기측 열교환 유닛(400)과, EGR측 열교환 유닛(300)을 차례로 거치면서 가열되어 기화되는데, 작동 유체는 배기측 열교환 유닛(400)을 통과한 후에 상당량이 기체 상태로 존재하며 기화된 작동 유체가 EGR측 열교환 유닛(300)으로 자연스럽게 흘러 들어갈 수 있도록 EGR측 열교환 유닛(300)은 가능한 한 엔진(1)의 높은 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 따라서, EGR측 열교환 유닛(300)이 엔진(1)에 설치된 높이는 배기측 열교환 유닛(400)이 엔진(1)에 설치된 높이보다 더 높은 것이 바람직하다.

또한, 기화된 작동 유체가 액화된 작동 유체보다는 높은 위치에서 순환될 수 있도록, EGR측 열교환 유닛(300)은 작동 유체 펌프(70)보다 상측에 위치하는 것이 바람직하다.

리큐퍼레이터(50)는 리저버 탱크(60)로 유입되는 작동 유체와 리저버 탱크(60)로부터 흘러나오는 작동 유체 상호 간을 열교환시켜야 하므로, 리저버 탱크(60)의 근방에 위치해야 하며, 작동 유체 펌프(70)도 리저버 탱크(60)의 근방에 위치해야 한다. 그런데, 리저버 탱크(60)와 작동 유체 펌프(70)는 엔진(1)은 하부에 배치되기 때문에 리큐퍼레이터(50)도 엔진(1)의 하부에 배치되는 것이 좋다.

한편, 리큐퍼레이터(50)의 내부에는 액체 상태의 작동 유체가 유동하며, 터빈 제너레이팅 유닛(500)에 구비된 터빈(510)에는 기체 상태의 작동 유체가 공급된다는 점을 고려해 보았을 때, 액체 상태의 작동 유체가 기체 상태의 작동 유체보다는 작동 유체 순환 라인 상에서 하부에 위치하는 것이 바람직하며, 따라서, 리큐퍼레이터(50)가 엔진(1)에 설치된 높이는 적어도 터빈 제너레이팅 유닛(500)이 엔진(1)에 설치된 높이보다는 높지 않은 것(즉, 낮거나 동일한 높이인 것)이 바람직하다.

도 2에 도시되어 있지는 않으나, 이미 설명한 바와 같이 보조 모터(40)는 크랭크 풀리(7)와 맞물리도록 설치되어, 시동시에 크랭크 풀리(7)를 회전하는 데에 사용되거나 크랭크 풀리(7)에 동력을 추가 공급하여 엔진(1)의 출력을 향상시키고 엔진(1)의 연비를 개선시키는 데에 사용되기 때문에, 터빈(510)과는 동력이 단절된 상태로 설치할 수 있다.

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 6 : 회전축
7 : 크랭크 풀리 8 : 벨트
20 : 배터리 30 : 인버터
40 : 보조 모터 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 : 터빈측 풀리

Claims (11)

1. 엔진의 크랭크 축과 함께 회전하며 상기 엔진의 하부에 배치된 크랭크 풀리;
   기화된 작동 유체로부터 에너지를 전달받아 회전할 수 있는 터빈과, 상기 터빈의 회전력을 전기 에너지로 변환하거나 배터리로부터 전달받은 전기 에너지로 상기 터빈을 회전시키는 모터 제너레이터를 가지며, 상기 크랭크 풀리의 상측방에 위치하는 터빈 제너레이팅 유닛;
   액화된 상기 작동 유체를 펌핑하며 상기 엔진의 하부에 배치된 작동 유체 펌프; 및
   EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하여 기화시키는 EGR측 열교환 유닛;을 포함하고,
   상기 EGR측 열교환 유닛은 상기 작동 유체 펌프보다 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   액체 상태의 작동 유체를 저장하며 상기 작동 유체가 드나드는 입구와 출구를 갖는 리저버 탱크; 및
   상기 리저버 탱크의 입구 및 출구 모두와 유체 연통되어 상기 리저버 탱크로 유입되는 작동 유체와 상기 리저버 탱크로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시키는 리큐퍼레이터;를 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 리큐퍼레이터는, 상기 리저버 탱크의 입구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 상류 측에 배치되고, 상기 리저버 탱크의 출구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 리큐퍼레이터가 상기 엔진에 설치된 높이는 상기 터빈 제너레이팅 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이보다 높지 않은 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   배기 가스를 외부에 방출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 배기측 열교환 유닛은 상기 EGR측 열교환 유닛에 비하여 상기 작동 유체의 흐름을 기준으로 상류 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 EGR측 열교환 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이는 상기 배기측 열교환 유닛이 상기 엔진에 설치된 높이보다 더 높은 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 터빈은 상기 엔진에 설치된 회전축에 구동력을 전달할 수 있게 연결되되, 상기 크랭크 풀리와는 항상 동력이 단절되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 크랭크 풀리와 연결되며 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 크랭크 풀리를 구동하는 보조 모터를 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 보조 모터는 상기 터빈과는 항상 동력이 단절되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.

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