KR101979296B1 - 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가솔린 자동차에 탑재되는 가솔린 엔진의 배기가스 단에 설치하여 배기가스의 에너지를 효율적으로 회수하고 저가형 가변 터보챠져의 설치를 용이하게 하고자 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템에 관한 기술이다.
본 발명에 따른 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템은 열전발전소자가 구비된 열전발전통로에서, 배기매니폴드 배출구로부터 상기 열전발전통로의 배기가스 유입구로 유입된 배기가스를 열전발전하여 상기 배기가스의 열에너지를 회수하는 열전발전시스템, 및 상기 열전발전을 개시하기 위해 상기 열전발전시스템에 전기부하를 야기하는 전기부하시스템을 포함하여 구성되고, 상기 열전발전시스템은 상기 배기매니폴드의 후단과 가변 터보챠져의 전단에 배치되며, 상기 가변 터보챠져는 가솔린 엔진에 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템{Integral system of exhaust gas thermoelectric generator and variable geometry turbocharger}

본 발명은 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가솔린 자동차에 탑재되는 가솔린 엔진의 배기가스 단에 설치하여 배기가스의 에너지를 효율적으로 회수하고 저가형 가변 터보챠져의 설치를 용이하게 하고자 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템에 관한 기술이다.

종래 가솔린 엔진의 경우, 가변 터보챠져보다 기본형 터보챠져가 선호되어 왔다. 가변 터보챠져는 엔진의 운전 속도와 부하에 따라, 터보챠져의 터빈쪽 블레이드로 유입되는 배기가스의 유로 면적을 조절하는 베인을 구비하여 블레이드의 회전수를 최대화함으로써 터보챠져의 효율을 높일 수 있고 이를 통해 전체 엔진 출력을 상승시킬 수 있는 기술이다. 디젤 엔진의 경우 가변 터보챠져 기술이 10여년 전부터 이미 상용화되어 적용되어 왔다. 이와 관련하여 종래기술인 대한민국 등록특허공보 제10-1107596호를 살펴보면, 디젤 자동차에 사용되는 가변과급기의 가이드 베인을 가공하는 방법을 개선함으로써 작업공정 단축과 비용 절감 및 정밀가공시 발생하는 불량률을 현저하게 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 금속분말사출로 제작된 디젤 가변과급기의 가이드 베인 가공방법이 개시되었다.

그러나, 가변 터보챠져를 가솔린 엔진에 적용하기 힘든 이유는, 희박 연소를 하는 디젤 엔진에 비해 가솔린 엔진은 연료와 공기의 당량비가 거의 1 수준으로 유지되어 배기가스의 온도가 매우 높기 때문에 (최대 1000도 이상) 가변 터보챠져에 사용되는 주요 부품이 열부하를 견딜수 있도록 재질 및 설계가 적용되어야 하는데, 이로 인해 단가가 매우 높아지게 된다. 따라서 주요 자동차 업체들은 단가가 높은 가변 터보챠져를 적용하기 보다는 다른 유형의 터보챠져를 사용하는 등의 시도를 하고 있으나 여전히 가변 터보챠져보다는 효율이 낮은 것으로 알려져 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1107596호(2012.01.12.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가솔린 엔진의 배기가스가 터보챠져의 터빈으로 유입될 때 그 온도를 850℃ 이하로 제어하여 가솔린 엔진에 저가형 가변 터보챠져를 적용하게 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가솔린 엔진의 배기가스가 터보챠져의 터빈으로 유입되는 온도가 850℃를 초과할 경우에 열에너지를 열전발전소자를 통해 회수하여 배터리 등에 저장할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템은, 열전발전소자가 구비된 열전발전통로에서, 배기매니폴드 배출구로부터 상기 열전발전통로의 배기가스 유입구로 유입된 배기가스를 열전발전하여 상기 배기가스의 열에너지를 회수하는 열전발전시스템, 및 상기 열전발전을 개시하기 위해 상기 열전발전시스템에 전기부하를 야기하는 전기부하시스템을 포함하여 구성되고, 상기 열전발전시스템은 상기 배기매니폴드의 후단과 가변 터보챠져의 전단에 배치되며, 상기 가변 터보챠져는 가솔린 엔진에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 열전발전통로는 상기 열전발전소자를 냉각시키기 위해 냉각수가 흐르는 냉각유로에 의해 둘러싸이도록 위치하며, 냉각유로는 상기 열전발전소자의 상단에 구비되는 냉각수유입구와 상기 열전발전소자의 하단에 구비되는 냉각수배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 냉각수유입구에 유입되는 상기 냉각수는 인터쿨러의 냉각수회로로부터 상기 냉각수유입구와 연통되는 냉각수유입통로로 유입되는 것이며, 상기 냉각수유입통로에는 솔레노이드가 설치되어 상기 인터쿨러의 냉각수회로로부터의 냉각수 유입을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전기부하시스템은, 상기 열전대를 포함하여 상기 배기가스 유입구로 유입된 상기 배기가스의 온도를 실시간으로 검출하고, 상기 검출된 온도가 기준값을 초과하면 상기 열전발전시스템에 상기 전기부하를 발생시켜 상기 열전발전을 수행하며, 상기 검출된 온도가 기준값 이하면 상기 열전발전시스템에 상기 전기부하를 발생시키지 않아 상기 열전발전이 수행되지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템은, 상기 가변 터보챠져의 터빈유입구로 유입되는 상기 배기가스의 온도가 상기 기준값 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템은, 가솔린 엔진의 배기가스 측에 저가형 가변 터보챠져를 탑재할 수 있어 비용을 절감시키면서 전체 엔진의 출력을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템은, 열전발전소자를 통해 고온의 배기가스를 발전함으로써 추가적인 전기에너지를 회수할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스의 온도에 따라 열전발전을 개시하기 위해 솔레노이드와 전기스위치를 제어하는 조건을 기재한 도면이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템(1)은 배기매니폴드(10)의 배출구(11)로부터 유입된 배기가스가 가변 터보챠져(20)에 유입되기 전에 열전발전하여 상기 배기가스의 열에너지를 회수하는 열전발전시스템(100), 및 상기 열전발전을 개시하기 위해 상기 열전발전시스템(100)에 전기부하를 야기하는 전기부하시스템(200)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 열전발전시스템(100)과 상기 가변 터보챠져(20)는 일체형으로 설계되어 함께 상기 배기매니폴드(10)에 장착되게 된다.

본 발명은 상기 열전발전시스템(100)이 상기 배기매니폴드(10)의 후단과 상기 가변 터보챠져(20)의 전단에 배치되어 가솔린 엔진의 고온의 배기가스 열에너지를 회수함으로써, 견딜 수 있는 열부하가 낮은 재질을 사용하는 저가형 가변 터보챠져를 가솔린 엔진에 장착할 수 있도록 하는 것을 주된 특징으로 한다.

여기서, 상기 배기매니폴드(10)의 후단과 상기 가변 터보챠져(20)의 전단이란 배기가스의 흐름을 기준으로 배출되는 곳을 후단이라 하고 유입되는 곳을 전단이라 하였다.

상기 배기매니폴드(10)는 배기가스를 상기 열전발전시스템(100)으로 배출시키는 상기 배출구(11)를 포함하며, 이는 통상적으로 알려져 있는 가솔린 엔진의 배기매니폴드와 유사하게 구성되며, 본 발명의 정확한 파악을 위해 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 가변 터보챠져(20)는 터빈(21), 상기 터빈(21)으로 배기가스가 유입되는 터빈유입구(22), 상기 유입된 배기가스가 상기 터빈(21)을 작동시킨 후 배출되는 터빈배출구(23), 외부공기를 압축하는 압축기(24), 상기 외부공기가 유입되는 공기유입구(25), 및 상기 압축기(24)를 통해 압축된 외부공기가 엔진으로 유입되는 압축공기배출구(26)를 포함하고, 특히 엔진 부하에 따라 배기가스의 유로를 가변하는 ‘베인’이라는 부품을 더 포함하여 엔진 부하에 따라 터보챠져의 운전 영역을 최적화함으로써 에너지 회수율을 높일 수 있도록 구성되며, 상술한 바를 제외하고는 통상적으로 알려져 있는 가변 터보챠져와 유사하게 구성되며, 이 또한 본 발명의 정확한 파악을 위해 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 상기 열전발전시스템(100)은, 고온의 배기가스의 열에너지를 회수하기 위한 열전발전소자(110)와 상기 열전발전소자(110) 주위로 상기 고온의 배기가스를 유입시키는 열전발전통로(140)를 포함한다.

상기 열전발전통로(140)는, 상기 배기매니폴드(10)의 상기 배출구(11)로부터 배기가스가 유입되는 배기가스유입구(141)와 열에너지가 회수되어 저온의 배기가스를 상기 가변 터보챠져(20)의 상기 터빈유입구(22)로 배출시키는 배기가스배출구(142)를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 열전발전시스템(100)은, 인터쿨러의 냉각수회로(121)에 흐르는 냉각수 유입을 제어하는 솔레노이드(120)와 상기 솔레노이드(120)를 거친 냉각수가 냉각수유입통로(122)를 통해 상기 열전발전통로(140)를 둘러싸도록 위치하는 냉각유로(130)를 더 포함한다.

상기 냉각유로(130)는 상기 열전발전소자(110)의 상단에 구비되는 냉각수유입구(131)와 상기 열전발전소자(110)의 하단에 구비되는 냉각수배출구(132)를 포함한다.

여기서, 상기 열전발전소자(110)의 상단과 하단은 도 1을 기준으로 위치상 상단과 하단으로 구분하였다.

본 발명에 따른 상기 전기부하시스템(200)은, 상기 배기가스유입구(141)로 유입된 상기 배기가스의 온도를 실시간으로 검출하는 열전대(210)와, 상기 솔레노이드(120)와 후술할 전기스위치(231)를 제어하는 센서/액츄에이터 모듈(220)과, 상기 센서/액츄에이터 모듈(220)의 명령에 따라 상기 열전발전소자(110)에 전기부하를 발생시키는 전기부하회로(230)를 포함한다.

상기 전기부하회로(230)는 상기 센서/액츄에이터 모듈(220)의 명령에 따라 제어되는 전기스위치(231)와, 상기 열전발전소자(110)에 전기부하를 발생시키는 전기부하(232)를 포함하여 구성된다.

도 2는 배기가스의 온도에 따라 열전발전을 개시하기 위해 솔레노이드와 전기스위치를 제어하는 조건을 제시하고 있다.

상기 센서/액츄에이터 모듈(220)은 상기 배기매니폴드(10)로부터 유입된 배기가스의 열에너지를 회수하여 기준값(바람직하게는, 850℃) 이하 온도의 배기가스 상태로 상기 가변 터보챠져(20)로 배출되도록 구성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열전대(210)를 통해 검출된 배기가스의 온도가 상기 기준값(바람직하게는, 850℃)을 초과하면 상기 전기스위치(231)가 닫혀 전기부하를 상기 열전발전소자(110)에 가하여 열전발전을 개시하게 되고 동시에 상기 솔레노이드(120)가 개방되어 상기 열전발전소자(110)의 냉각을 위한 냉각수가 상기 인터쿨러의 냉각수회로(121)로부터 유입된다.

또한, 상기 열전대(210)를 통해 검출된 배기가스의 온도가 상기 기준값(바람직하게는, 850℃) 이하면 상기 전기스위치(231)가 열려 전기부하를 상기 열전발전소자(110)에 가하지 않아 열전발전이 개시되지 않으며, 동시에 상기 솔레노이드(120)도 또한 폐쇄되어 상기 열전발전소자(110)의 냉각을 위한 냉각수가 상기 인터쿨러의 냉각수회로(121)로부터 유입되지 않는다.

따라서, 상술한 제어구조로 인해 상기 가변 터보챠져(20)의 상기 터빈유입구(21)로 유입되는 상기 배기가스의 온도가 상기 기준값(바람직하게는, 850℃) 이하로 유지되며, 이를 통해 배기가스의 온도가 높은 가솔린 엔진에서도 저가형 재질(특히, 베인)의 가변 터보챠져를 장착할 수 있도록 한다.

상술한 바를 바탕으로, 이하에서는 본 발명에 따른 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템(1)의 운전 방식에 대해서 설명한다.

상기 배기매니폴드(10)를 통과해 나오는 배기가스는 고온으로 통상적으로 500℃~1000℃ 범위를 가지고 있다. 배기가스 온도는 상기 열전대(210)를 통하여 항시 온도가 측정된다. 상기 열전발전통로(140)를 통해 배기가스가 유입되면 상기 열전대(210)에서 측정한 배기가스 온도를 바탕으로 배기가스 온도가 상기 기준값(바람직하게는 850℃)을 초과하는 경우만 상기 열전발전시스템(100)에 전기 부하가 작동되면서 발전이 개시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 열전대(210)로부터 상기 전기스위치(231)와 상기 솔레노이드(120)로 신호가 전달되면서, 상기 전기스위치(231)와 상기 솔레노이드(120)가 전기적으로 동시에 제어되게 된다. 상기 기준값(바람직하게는 850℃) 이하인 경우에는 열전발전이 이루어지지 않고 상기 가변 터보챠져(20)의 상기 터빈(21)으로 배기가스가 유입된다.

한편, 가솔린 엔진에 장착되는 배기가스 터보챠져의 경우 가솔린 엔진의 경우 통상적으로 이론공연비 연소로 인해 배기가스의 온도가 매우 높기 때문에 상기 가변 터보챠져(20)를 사용하게 되면 상기 기준값(바람직하게는 850℃)을 초과하는 고온의 배기가스 열부하를 견디기 위해 고가의 가변 터보챠져(20) 재질을 사용하여야 한다.

이에, 본 발명의 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템(1)은, 상기 기준값(바람직하게는 850℃)을 초과하는 배기가스의 열에너지를 상기 열전발전시스템(100)을 통하여 회수하여 상기 가변 터보챠져(20)에는 항상 상기 기준값(바람직하게는 850℃) 이하의 배기가스를 유입시키므로, 저가형 재질의 가변 터보챠져(10)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기준값(바람직하게는 850℃)을 초과하는 배기가스의 열에너지는 상기 열전발전소자(110)를 통하여 추가적인 에너지를 회수하여 배터리 등의 저장수단에 저장할 수 있으므로 엔진의 전체 열효율을 개선할 수 있다.

또한, 상기 기준값(바람직하게는 850℃)을 초과하는 조건에서 상기 열전발전소자(110)가 작동되면 상기 열전발전소자(110)를 냉각하기 위한 상기 냉각유로(130)도 작동되어야 하므로 상기 냉각수유입통로(122)의 상기 솔레노이드(120)가 개방되면서 냉각수가 흐르게 된다. 상기 냉각수는 상기 인터쿨러의 냉각수회로(121)와 공유된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템
10 : 배기매니폴드
11 : 배기매니폴드 배출구
20 : 터보챠져
21 : 터빈
22 : 터빈 유입구
23 : 터빈 배출구
24 : 압축기
25 : 공기 유입구
26 : 압축공기 배출구
100 : 열전발전시스템
110 : 열전발전소자
120 : 솔레노이드
121 : 인터쿨러의 냉각수회로
122 : 냉각수유입통로
130 : 냉각유로
131 : 냉각수 유입구
132 : 냉각수 배출구
140 : 열전발전통로
141 : 배기가스 유입구
142 : 배기가스 배출구
200 : 전기부하시스템
210 : 열전대
220 : 센서/액츄에이터 모듈
230 : 전기부하회로
231 : 전기스위치
232 : 전기부하

Claims (5)

1. 열전발전소자가 구비된 열전발전통로에서, 배기매니폴드 배출구로부터 상기 열전발전통로의 배기가스 유입구로 유입된 배기가스를 열전발전하여 상기 배기가스의 열에너지를 회수하는 열전발전시스템; 및
   상기 열전발전을 개시하기 위해 상기 열전발전시스템에 전기부하를 야기하는 전기부하시스템;을 포함하여 구성되고,
   상기 열전발전시스템은 상기 배기매니폴드의 후단과 가변 터보챠져의 전단에 배치되며,
   상기 가변 터보챠져는 가솔린 엔진에 장착되고,
   상기 전기부하시스템은,
   열전대를 포함하여 상기 배기가스 유입구로 유입된 상기 배기가스의 온도를 실시간으로 검출하고,
   상기 검출된 온도가 기준값을 초과하면 상기 열전발전시스템에 상기 전기부하를 발생시켜 상기 열전발전이 수행되고,
   상기 검출된 온도가 기준값 이하면 상기 열전발전시스템에 상기 전기부하를 발생시키지 않아 상기 열전발전이 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가변 터보챠져의 터빈유입구로 유입되는 상기 배기가스의 온도는 상기 기준값 이하인 것을 특징으로 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열전발전통로는 상기 열전발전소자를 냉각시키기 위해 냉각수가 흐르는 냉각유로에 의해 둘러싸이도록 위치하며,
   상기 냉각유로는 상기 열전발전소자의 상단에 구비되는 냉각수유입구와 상기 열전발전소자의 하단에 구비되는 냉각수배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉각수유입구에 유입되는 상기 냉각수는 인터쿨러의 냉각수회로로부터 상기 냉각수유입구와 연통되는 냉각수유입통로로 유입되는 것이며,
   상기 냉각수유입통로에는 솔레노이드가 설치되어 상기 인터쿨러의 냉각수회로로부터의 냉각수 유입을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열전발전과 가변 터보챠져 일체형 시스템.
5. 삭제

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