KR20080012435A

KR20080012435A - 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템,하이브리드 시스템 및 발전용 내연 기관의 폐열 회수시스템

Info

Publication number: KR20080012435A
Application number: KR1020060073232A
Authority: KR
Inventors: 세이지 이시베
Original assignee: 세이지 이시베; 이종근
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-02-12
Also published as: WO2008016234A1

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 에너지 발생 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 내연 기관을 이용하는 하이브리드 차량의 내연 기관에서 버려지는 폐열을 회수하여 열 효율을 증진시키기 위한 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적을 달성 시키기 위한 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템은, 차량 구동용 전동 모터와 상기 전동 모터에 전력을 공급하기 위한 밧데리와 상기 밧데리를 충전하기 위한 제1 발전기와, 상기 전동 모터로부터 이격되어 상기 제1 발전기를 구동하거나 또는 선택적으로 차량을 직접 구동하기 위한 내연 기관과 상기 내연 기관에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 수단을 포함하는 하이브리드 자동차의 내연 기관 폐열 회수 시스템에 있어서, 상기 제1 작동 유체를 가열하는 버너와, 상기 버너에서 가열된 제1 작동 유체에 의해 회전하도록 구성되는 터빈과, 상기 터빈에 연동하여 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기와, 상기 터빈을 통과한 제1 작동 유체를 냉각시키는 냉각 수단과, 상기 제2 발전기에서 발생된 전기 에너지를 상기 밧데리로 송출하는 전력 송출 수단과, 상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 상기 제1 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기를 포함하도록 구성된다.

하이브리드, 자동차, 내연 기관, 폐열, 회수, 효율

Description

하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템, 하이브리드 시스템 및 발전용 내연 기관의 폐열 회수 시스템{System for Using Waste Energy of Hybrid Vehicle Comprising Inner Combustion Engine, Hybrid System, and System for Using Waste Energy of Inner Combustion Engine for Generating Electric Energy}

도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 자동차 구동 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 하이브리드 자동차의 내연 기관 폐열을 회수하는 시스템의 구성도.

본 발명은 폐열 회수 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 내연 기관을 이용하는 하이브리드 자동차의 내연 기관에서 버려지는 폐열을 회수하여 열 효율을 증진시키기 위한 시스템과, 내연 기관을 포함하는 하이브리드 시스템 및, 발전용 내연 기관의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.

화석 연료의 유한한 자원 매장량과, 화석 연료를 사용할 경우 발생되는 배기 가스의 공해 문제에 기인하여 자동차의 열 효율을 증진시키고 배기 가스 발생량을 줄일 수 있는 다양한 방안이 모색되어 왔으며, 그 대표적인 성과물이 소위 하이브 리드 자동차로 불리우는 복합 구동식 자동차이다. 이와 같은 하이브리드 자동차는 내연 기관에 의한 자동차 구동과 밧데리에 충전된 전기 에너지를 병행 사용하여 자동차를 운행하는 시스템으로써, 내연 기관에 의한 차량 구동이 비 효율적인 영역에서는 전기 에너지를 사용하여 차량을 운행하고, 내연 기관에 의한 차량 구동이 효율적인 영역에서는 내연 기관을 이용하여 차량을 운행하면서, 내연 기관에 연결된 발전기에 의해 밧데리에 전기 에너지를 충전시키는 방식으로 화석 연료의 사용량을 줄이고 자동차의 열교환 효율을 증대시키도록 구성된다.

이와 같은 종래 하이브리드 자동차의 대표적인 예는 대한민국 등록특허 0136743에 개시된 바 있다. 도 1은 앞서의 등록특허 0136743에 개시된 하이브리드 자동차의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 하이브리드 자동차는 차량 구동용 전동 모터(10)와, 전동 모터(10)에 전력을 공급하기 위한 밧데리(20)와, 상기 밧데리를 충전하기 위한 발전기(30)와, 전동 모터(10)로부터 구동적으로 이격되어 발전기(30)를 구동하기 위한 내연 기관(40)과, 상기 내연 기관의 시동 장치(44)와, 배기 가스 정화 장치(42)를 포함하도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의하면 종래 하이브리드 자동차는 내연 기관(40)의 구동 효율이 좋은 구간 예를 들어 60km 이상의 항속 운전 구간에서는 내연 기관(40)에 의해 차량을 구동하고, 내연 기관(40)의 구동 효율이 나쁜 구간 또는 배기 가스 내 오염 물질이 다량 포함되는 구간 예를 들어 엔진의 초기 구동 구간 또는 엔진 아이들 구간에서는 내연 기관(40)의 구간을 정지 시키고 밧데리(20)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 전동 모터(10)를 통해 차량을 구동시키며, 내연 기관(40)을 구동할 때 내연 기관에 의해 구동되는 발전기(30)를 구동하여 전기 에너지를 발생시켜 밧데리(20)를 충전하는 방법으로 구성된다.

그러나, 종래 기술에 있어서 내연 기관(40)의 운전시 발생되는 배기 가스 역시 상온의 공기보다 높은 온도를 가짐에도 불구하고, 이들 배기 가스는 그동안의 기술에 있어서는 대기 중으로 배출되어 폐기되어 왔고, 이를 위해 배기 가스 자체의 압력과 온도를 낮추기 위한 별도의 구성이 차량에 구비되어 왔으며, 결국 차량의 열 효율을 상승시키는데 근본적인 한계가 있었다. 또한, 비단 하이브리드 차량 뿐 아니라, 내연 기관의 폐열을 회수하여 회수된 폐열로부터 에너지를 추가로 변환하기 위한 효율적이고 실현 가능성이 있는 시스템이 제공되어 오지 않고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 내연 기관의 배기 행정 또는 내연 기관의 각 구성 요소 자체의 냉각시 폐기되는 폐열을 회수하여 열 에너지 변환 효율을 극대화 시키는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성 시키기 위한 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템은, 차량 구동용 전동 모터와, 상기 전동 모터에 전력을 공급하기 위한 밧데리와, 상기 밧데리를 충전하기 위한 제1 발전기와, 상기 전동 모터로부터 이격되어 상기 제1 발전기를 구동하거나 또는 선택적으로 차량을 직접 구동하기 위한 내연 기관과, 상기 내연 기관에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 수단을 포함하는 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템에 있어 서, 상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 제1 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 배기 가스와 열교환한 제1 작동 유체를 선택적으로 가열하는 버너와, 배기 가스와 열교환한 후 상기 버너에 의해 선택적으로 가열된 제1 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 연동하여 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기와, 상기 터빈을 통과한 제1 작동 유체를 냉각시키는 냉각 수단과, 상기 제2 발전기에서 발생된 전기 에너지를 상기 밧데리로 송출하는 전력 송출 수단을 포함하도록 구성된다.

이때, 차량의 배기 가스량과 배기 가스 온도 등은 차량의 운전 상태에 따라 그 변동폭이 크므로 제1 작동 유체가 터빈을 구동시키기에 충분한 온도가 되도록 제1 작동 유체를 가열하기 위한 버너가 장착되어 터빈 작동에 의한 폐열 회수를 보조하도록 구성되므로, 배기 가스와 열교환한 제1 작동 유체가 터빈을 작동시키기에 충분치 못한 경우 예를 들어 배기 가스와의 열교환 직후 제1 작동 유체의 온도가 제1 작동 유체의 끓는 점에 미치지 못하는 경우에는 위와 같이 터빈과 제1 열교환기 사이에서 배기 가스를 추가 가열하는 버너에 의해 배기 가스 온도를 터빈을 작동시키기에 충분한 온도까지 가온할 수 있다.

상기 차량에는 자동차, 기차 등 다양한 종류의 탈 것이 포함된다.

이와 같은 구성에 의하면, 종래 통상의 정화 과정만을 거쳐 배출되던 배기 가스에 포함된 폐열이 상기 제1 작동 유체에 의해 회수되고, 이를 이용하여 터빈을 회전시켜 2차 발전을 수행하므로써, 내연 기관에서 발생되는 폐열을 회수하여 하이브리드 자동차의 열 효율을 더욱 증대시킬 수 있게 된다.

바람직하게는 상기 제1 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하고, 상기 버너는 상기 제1 열교환기를 거친 제1 작동 유체의 온도가 끓는 점 이하일 때 작동하도록 구성된다.

엔진의 구동 조건에 따라서 배기 가스의 온도가 다양하게 변할 수 있고, 이와 열교환하는 제1 작동 유체의 온도 역시 차량의 운전 조건에 따라 변동할 수 있으므로, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 있어서는 버너를 구비하되 제1 작동 유체의 온도에 따라 그 가동을 제어함으로써, 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템의 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

바람직하게는, 제2 작동 유체를 이용하여 상기 내연 기관 주위의 열을 흡수하기 위한 열 흡수부와, 상기 열 흡수부를 통과한 제2 작동 유체가 축적되는 축열 탱크와, 상기 축열 탱크와 상기 열 흡수부를 상기 제2 작동 유체가 순환하도록 배치되는 순환 라인과, 상기 제2 작동 유체가 상기 버너로 유입되는 상기 제1 작동 유체와 열교환 한 후 상기 축열 탱크로 유입되도록 상기 순환 라인상의 분기점에서 분기하는 분기 라인과, 상기 분기점에 배치되는 분기 밸브를 포함하는 제2 작동 유체 순환 시스템을 더 포함하도룩 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 내연 기관의 온도에 의해 가열되는 제2 작동 유체를 축적하고 순환시켜 이를 제1 작동 유체와 열교환 하도록 하여 내연 기관 주위로 버려지는 폐열까지 회수함으로써 하이브리드 차량의 열 효율을 더욱 증대시킬 수 있게 된다.

더욱 바람직하게는, 상기 내연 기관을 냉각하기 위한 냉각 유체가 유동하는 냉각 라인이 상기 축열 탱크를 지나가도록 구성되고, 상기 배기 수단은 상기 축열 탱크를 통과하도록 구성되어, 상기 축열 탱크 내의 제2 작동 유체가 배기 가스 및 냉각수와 열교환 하도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 상기 제2 작동 유체에 의해 회수되는 내연 기관 주위의 폐열을 회수하여 제1 작동 유체를 가열할 때 냉각 라인에 의해 회수된 내연 기관의 냉각열까지 이용하게 되어 하이브리드 차량의 열 효율을 더욱 증대시킬 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 분기 밸브가 상기 제2 작동 유체의 온도가 소정 온도 이상일 때 상기 제2 작동 유체를 상기 분기 라인으로 유입시키도록 상기 제2 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 상기 제2 작동 유체가 제1 작동 유체의 온도 보다 높은 경우에만 상기 제2 작동 유체를 제1 작동 유체와 열교환하도록하여 상기 제2 작동 유체와의 열교환에 의해 터빈을 구동시켜야 하는 제1 작동 유체가 열을 빼앗기는 일이 발생하지 아니하도록 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 작동 유체는 물보다 끓는 점이 낮은 물질로 구성된다.

상기 제1 작동 유체는 암모니아, 알코올 등과 같이 물보다 끓는 점이 상대적으로 낮은 물질을 사용하게 되면, 배기 가스에 의해 가열되는 제1 작동 유체가 상대적으로 낮은 온도에서도 기체로 상변환하는 것이 가능하게 되어, 제1 작동 유체에 의해 터빈을 구동시킴에 있어서 높은 온도의 열원이 필요치 아니하게 된다.

바람직하게는 상기 터빈은 마이크로 터빈으로 구성된다. 이와 같이 터빈을 마이크로 터빈으로 구성하게 되면 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템의 부피와 무게를 줄일 수 있게 되어 차량에 본 발명을 용이하게 적용할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 하이브리드 시스템은, 내연 기관과, 내연 기관으로부터 발생하는 구동력 중 적어도 일부를 전기 에너지로 변환하는 제1 발전기를 포함하는 하이브리드 시스템에 있어서, 상기 제1 발전기와 분리되어 작동하는 제2 발전기를 더 포함하고, 상기 제2 발전기는 상기 내연 기관의 적어도 배기 가스에 포함된 폐열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 작동하는 것을 특징으로 한다. 상기 내연 기관은 특히 차량용 가솔린 내지 디젤 엔진으로부터 발생하는 폐열을 회수하도록 구성되는 것이 바람직하며, 종래 배기 가스 등으로 버려지던 내연 기관의 폐열을 회수하므로써, 에너지 효율을 높여 공해 문제 및 자원 고갈 문제를 해결할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템의 또 다른 실시예를 설명한다. 이하에서 설명될 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템은 내연 기관이 차량을 직접 구동하거나, 발전기를 구동하는 등 선택적인 동작을 하는 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템과 달리 내연 기관이 선택적인 동작을 수행하는 것이 아니기 때문에 내연 기관의 배기 가스 온도를 일정하게 유지하기 용이하고, 따라서 전술한 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템과 달리 내연 기관의 운전 조건에 따라 배기 가스의 온도가 변화할 경우를 대비하여 제공되는 버너가 반드시 제공되어야 하는 것은 아니다. 이하에서 설명될 내연 기관 폐열 회수 시스템은 전술한 하이브리드 차량의 폐열 회수를 위한 구성 대부분을 채용하되, 이와 같이 내연 기관이 차량을 구동하지 아니한다는 차이점을 고려하여 버너와, 밧데리 등이 제공되지 아니하도록 구성되었으며, 그 효과에 있어서는 내연 기관을 이용하여 전기 에너지를 발생시킴에 있어서 그 에너지 변환 효율을 증대시킬 수 있다는 점에서 전술한 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템과 대동소이하다.

본 발명에 의한 내연 기관의 폐열 회수 시스템은, 전기 에너지 모집 수단과, 상기 전기 에너지 모집 수단으로 전기 에너지를 공급하기 위한 제1 발전기와, 상기 제1 발전기를 구동하기 위한 내연 기관과, 상기 내연 기관에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 수단을 포함하는 내연 기관 폐열 회수 시스템에 있어서, 상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 제1 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 배기 가스와 열교환한 제1 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈에 연동하여 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기와, 상기 제2 발전기에서 발생된 전기 에너지를 상기 전기 에너지 모집 수단으로 송출하는 전력 송출 수단을 포함하도록 구성된다.

바람직하게는, 제2 작동 유체를 이용하여 상기 내연 기관 주위의 열을 흡수하기 위한 열 흡수부와, 상기 열 흡수부를 통과한 제2 작동 유체가 축적되는 축열 탱크와, 상기 축열 탱크와 상기 열 흡수부를 상기 제2 작동 유체가 순환하도록 배치되는 순환 라인과, 상기 제2 작동 유체가 상기 제1 작동 유체와 열교환 한 후 상기 축열 탱크로 유입되도록 상기 순환 라인상의 분기점에서 분기하는 분기 라인과, 상기 분기점에 배치되는 분기 밸브를 포함하는 제2 작동 유체 순환 시스템을 더 포함하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 터빈은 마이크로 터빈으로 구성된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하도록 하겠다.

도 2에는 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템을 포함하는 하이브리드 자동차의 구동 시스템의 바람직한 실시예가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 하이브리드 자동차의 구동 시스템은 통상의 하이브리드 자동차의 구동 시스템과 마찬가지로 차량 구동용 전동 모터(33)와, 상기 전동 모터(33)에 전력을 공급하기 위한 밧데리(19)와, 상기 밧데리(19)를 충전하기 위한 제1 발전기(14)와, 상기 전동 모터(33)로부터 이격되어 상 기 제1 발전기(14)를 구동하거나 또는 선택적으로 차량을 직접 구동하기 위한 내연 기관(29)과, 상기 내연 기관(29)에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 가스 모집관(11)과 배기 매니폴드(5) 등을 구비한 배기 수단을 포함한다. 이때 상기 제1 발전기(14)는 후술할 제2 발전기(6)와 달리 상기 내연 기관(29)의 엔진 출력 축(13)의 회전력 중 일부를 전기 에너지로 변환하도록 구성된다. 한편, 상기 배기 수단(5)은 배기 가스 모집과 배출을 위한 배기 라인과 배기 가스 정화를 위한 촉매 등을 포함한다. 앞서 종래 기술에서 설명한 바와 같이 하이브리드 자동차에 있어서 내연 기관(29)과 구동용 전동 모터(33)는 선택적으로 차량을 운행하여 더 효율이 좋은 구간에서 이용되는바 내연 기관(29)에 의한 차량 구동의 효율이 좋은 구간에서 내연 기관(29)은 구동분할기구(30)를 통해 그 출력 토크를 차량의 종동축(31) 또는 발전기(14)로 분할하에 전달하고, 내연 기관의 엔진 출력 축(13)의 출력 토크는 차량의 종동축(31)에 전달될 때 내연 기관의 엔진 출력 축(13)에 의해 회전하는 제1 감속기어와 상기 제1 감속 기어와 기어 결합되어 종동축(31)에 출력을 전달하는 제2 감속기어를 포함하는 감속기(32)를 통해 전달된다. 이때, 내연 기관(29)의 엔진 출력은 동력 전달 축(15)들에 의해 동력 분할 기구(30)를 거쳐 감속기(32), 발전기(14) 등으로 전달되고, 구동용 모터(33) 역시 감속기(32)에 동력 전달 축(15)을 통해 동력을 전달한다. 또한, 제1 발전기(14)에서 발생한 전기 에너지는 교류를 정류하는 정류 수단 등을 포함하는 인버터(17)를 통해 밧데리(19)에 저장된다. 인버터(17)와 밧데리(19)와 구동용 모터(33)들은 서로 전기 에너지 전달을 위한 전기 에너지 전달 케이블(18)로 연결된다. 이때 종동축(31)에는 차량 바퀴(34) 가 장착되어 차량을 구동하게 된다.

본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템을 포함하는 하이브리드 자동차 구동 시스템은 전술한 바와 같은 하이브리드 자동차의 구동 시스템에 1 작동 유체를 가열하는 버너(27)와, 상기 버너(27)에서 가열된 제1 작동 유체에 의해 회전하면서 발전기를 구동시키는 터빈(8)과, 상기 터빈에 의해 구동되어 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기(6)와, 상기 터빈을 통과한 제1 작동 유체를 냉각시키키 위한 냉각 수단(23)과, 상기 제2 발전기(6)에서 발생된 전류를 정류하는 정류 수단(인버터, 22)과 정류된 전류를 상기 밧데리(19)로 송출하기 위한 전기 배선(26) 등을 포함하는 전력 송출 수단과, 상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 상기 제1 작동 유체와 열교환하도록 배치되는 제1 열교환기(12)와, 상기 제1 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단(미도시)을 더 포함하도록 구성된다. 상기 제1 작동 유체는 내연 기관(29)의 배기 가스와 제1 열교환기(12)에서 열교환하여 가열된 후 증발하여 터빈(8)을 회전시켜 터빈에 연동하여 구동되는 제2 발전기(6)에서 발전을 하도록 하는데, 내연 기관(29)의 배기 가스 온도는 내연 기관의 주행 상태 등에 따라 변동되므로 배기 가스 온도가 터빈(8)을 이용한 발전에 충분히 도달하지 아니한 경우 추가 상승 시킬 수 있도록 버너(27)를 배치하고, 버너(27)의 on/off를 위해 제1 열교환기(12)와 버너(8) 사이에 배치되는 제1 작동 유체 이송 파이프의 선택된 임의의 공간에 온도 측정 수단을 구비하도록 구성하였다. 이와 같은 온도 측정 수단은 유체의 온도를 측정하기 위해 널리 알려진 통상의 다양한 구성을 채택할 수 있다. 한편, 상기 제1 작동 유체는 배기 가스와의 열교환에 의해 끊는 점 부근의 온도까지 가열되는 것이 바람직하므로 끓는 점과 비점이 낮은 유체를 선택하며, 암모니아를 그 예로 들 수 있다. 상기 터빈(8)은 마이크로 터빈으로 구성하여 전체적인 제1 작동 유체를 이용한 발전 시스템의 부피와 무게를 줄여 차량에 용이하게 장착될 수 있도록 한다. 상기 냉각 수단(23)은 널리 알려진 통상의 공냉식 냉각 장치 또는 수냉식 냉각 장치로 구성할 수 있다. 한편, 상기 제1 작동 유체의 순환을 위한 펌프(28)가 냉각 수단(23)과 열교환기(12) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템을 포함하는 하이브리드 자동차 구동 시스템는 앞서 설명한 제1 작동 유체를 이용한 발전 시스템을 이용하여 내연 기관(29)의 배기 가스에 포함된 폐열을 회수하는데서 그치지 않고, 추가적으로 내연 기관(29)의 실린더, 실린더 헤드(미도시)의 가열 및 냉각 등에 의해 대기 중으로 방출되는 폐기열까지 회수함으로써, 열 효율을 더욱 증가시키도록 구성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 이와 같은 구성은 내연 기관(29) 주위를 단열 밀폐하고 여기에 제2 작동 유체가 지나가도록 하여 내연 기관(29) 주위 대기로 방출되던 열을 회수하는 열 흡수부(40)와, 상기 열 흡수부(40)를 통과한 제2 작동 유체가 유입되어 축적되는 축열 탱크(43)와, 상기 축열 탱크(43)와 상기 열 흡수부(40)를 상기 제2 작동 유체가 순환하도록 배치되는 순환 라인(10, 20)과, 상기 제2 작동 유체가 상기 버너(8)로 유입되는 상기 제1 작동 유체와 열교환 한 후 상기 축열 탱크(43)로 유입되도록 상기 순환 라인(10, 20)상의 분기점에서 분기하는 분기 라인(9)과, 상기 분기점에 배치되는 분기 밸브(7)를 포함하는 제2 작동 유체 순환 시 스템을 더 포함하도록 구성된다. 이와 같은 제2 작동 유체의 순환을 위해서 상기 순환 라인(10,20) 상에는 펌프(24)를 배치하는 것이 바람직하며, 상기 축열 탱크(43)에는 제2 작동 유체의 교환, 보충 등을 위해 제2 작동 유체 유입구(2)를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 2 작동 유체는 물이나 공기 등 축열을 위한 임의의 유체로 선택할 수 있다.

한편, 통상 내연 기관(40)은 내연 기관 자체를 보호하고 에너지 변환 싸이클의 효율이 극대화 될 수 있도록 냉각 수단을 구비하고 있는데, 통상 4행정 싸이클로 구성된 차량용 내연 기관에 있어서는 이를 냉각수가 유동하는 파이프를 내연 기관 주위로 지나가도록 구성하고 냉각수 순환 펌프(25)를 이용하여 이를 순환시키도록 구성하고 있다. 본 발명에 있어서는 이와 같이 냉각수에 의해 폐기되는 열까지 이용하도록 구성하여 하이브리드 자동차의 열 효율을 더욱 증대시키도록, 상기 내연 기관(40)을 냉각하기 위한 냉각 라인(21)이 상기 축열 탱크(43)를 지나가도록 구성되고, 상기 배기 수단(5) 역시 상기 축열 탱크(43)를 통과하도록 구성되며, 상기 냉각 라인(21)의 축열 탱크 내부에 배치되는 부분과, 상기 배기 수단(5)의 축열 탱크 내부에 배치되는 부분을 구성함에 있어서, 상기 축열 탱크(43) 내의 제2 작동 유체가 배기 가스 및 냉각수와 열교환 할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 3종 유체의 열교환 효율은 연소 가스와, 급탕수와, 난방수가 열교환하도록 구성되는 가정용 보일러의 열교환기 등을 참고하여 구성할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 내연 기관의 폐열을 회수하는 하이브리드 자동차의 구동 시스템은, 상기 분기 밸브(7)는 삼방 밸브(3-way) 밸브로 구성하고, 상기 순환 라인(10, 20)를 유동하는 제2 작동 유체의 온도가 소정 온도 이상일 때 상기 제2 작동 유체를 상기 분기 라인(9)으로 유입시키도록 상기 제2 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하도록 구성하여, 제2 작동 유체가 축열 탱크(43)에 축적되어 내연 기관(40) 주위의 열 흡수부(40)를 순환하면서 배기 가스와, 냉각수와, 내연 기관(40) 주위로부터 열을 전달받은 후 소정 온도에 이르면, 상기 버너(27)로 유입되는 제1 작동 유체의 온도를 상승시킬 수 있도록 구성된다. 이때 상기 분기 밸브(7)는 상기 제2 작동 유체의 온도가 버너(27)로 유입되는 제1 작동 유체의 온도보다 높을 때 제2 작동 유체를 제1 작동 유체와 열교환 하도록 분기 라인을 향하는 출구를 열고, 축열 탱크를 향하는 출구를 닫도록 구성된다. 이를 위해 제2 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단은 상기 축열 탱크 내부에 배치되는 온도 센서(4) 또는 제2 작동 유체 순환 라인(10, 20) 사이의 임의의 선택된 위치에 배치되는 온도 센서(미도시) 등으로 구성할 수 있다.

본 발명에 의한 하이브리드 자동차의 내연 기관 폐열 회수 시스템의 작동을 설명하면, 자동차의 초기 작동 구간 또는 차량 아이들 상태 등 내연 기관에 의한 차량 구동의 효율이 상대적으로 떨어지는 구간에서는 차량에 구비된 밧데리(19)에 축적된 전기 에너지를 이용하여 차량 구동 모터(33)를 구동하여 차량의 구동축(31)을 구동하고, 내연 기관(29)의 경제 속도(통상 60km 내지 100km) 정속 운행 구간에서는 내연 기관(29)을 구동하여 제1 발전기(14)와 차량 구동축(31)을 구동하여 전기 에너지를 축적함과 동시에 차량을 구동하도록 한다. 이때 내연 기관(29)의 배기 가스는 종래 대기 중으로 방출되던 것과 달리 제1 열교환기(12)에서 제1 작동 유체와 열교환한 후, 다시 축열 탱크(43)에서 제2 작동 유체와 열교환한다. 한편, 제1 열교환기(12)에서 배기 가스로부터 열 에너지를 획득한 제1 작동 유체는 버너(27)에 의해 선택적으로 추가 가열된 후 터빈(8)을 구동시켜, 터빈(8)에 연결된 제2 발전기(6)에서 추가 발전을 한 후 여기서 발생한 전기 에너지를 밧데리(19)로 송출한다. 한편, 제2 작동 유체는 내연 기관(29) 주위의 열을 흡수하여 순환하고, 축열 탱크(43)에서 재차 배기 가스 및 냉각 유체(통상 냉각수)와 열교환하여 점점 온도가 올라가게 되고, 버너(27)로 유입되는 제1 작동 유체에 비해 그 온도가 높아지면 분기 라인(9)을 따라 제1 작동 유체와 열교환하여 터빈(8)을 구동하기 위한 제1 작동 유체의 온도 상승을 보조한다.

이상 본 발명에 의한 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템을 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템의 실시예 역시 전술한 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템을 참조하여 실시할 수 있다. 즉 본 발명에 의한 내연 기관 폐열 회수 시스템의 바람직한 실시예에 있어서는 버너(27)와 내연 기관에 의한 차량 구동을 위한 구성들, 예를 들어 구동분할기구(30), 밧데리(19), 모터(33) 등이 제공되지 아니하는 점을 제외하고는 전술한 하이브리드 차량의 폐열 회수 시스템과 그 구성이 대동소이하게 된다. 이때 제1 발전기(14) 및 제2 발전기(6)에 의해 발생된 전기 에너지는 전기 에너지 모집 수단 예를 들어 전선과 변전기 등을 포함하는 전기 에너지 송출 수단, 또는 별도의 밧데리에 의해 모집되도록 구성될 수 있다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조 하여 설명하였으나 본 발명의 권리 범위는 바람직한 실시예에 기재된 내용 또는 첨부 도면에 도시된 내용으로 한정하여 해석될 것이 아니고, 특허청구범위에 기재된 대로 해석되어야 한다. 또한, 특허청구범위에 기재된 발명의 구성 요소를 당업자에게 자명하고 용이한 다른 구성 요소로 치환하거나 변경하는 구성 역시 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의하면, 내연 기관에서 발생되는 배기 가스에 포함된 폐열을 회수하여 차량의 열 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 내연 기관 주위의 대기로 방출되던 폐열을 회수하여 차량의 열 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 내연 기관을 냉각하기 위한 냉각 유체를 통해 방출되던 폐열을 회수하여 차량의 열 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims

차량 구동용 전동 모터와, 상기 전동 모터에 전력을 공급하기 위한 밧데리와, 상기 밧데리를 충전하기 위한 제1 발전기와, 상기 전동 모터로부터 이격되어 상기 제1 발전기를 구동하거나 또는 선택적으로 차량을 직접 구동하기 위한 내연 기관과, 상기 내연 기관에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 수단을 포함하는 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템에 있어서,

상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 제1 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와,

배기 가스와 열교환한 제1 작동 유체를 선택적으로 가열하는 버너와,

배기 가스와 열교환한 후 상기 버너에 의해 선택적으로 가열된 제1 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과,

상기 터빈의 구동에 연동하여 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기와,

상기 터빈을 통과한 제1 작동 유체를 냉각시키는 냉각 수단과,

상기 제2 발전기에서 발생된 전기 에너지를 상기 밧데리로 송출하는 전력 송출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하고,

상기 버너는 상기 제1 열교환기를 거친 제1 작동 유체의 온도가 끓는 점 이하일 때 상기 제1 작동 유체를 가열하도록 작동하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 1에 있어서, 제2 작동 유체를 이용하여 상기 내연 기관 주위의 열을 흡수하기 위한 열 흡수부와,

상기 열 흡수부를 통과한 제2 작동 유체가 축적되는 축열 탱크와,

상기 축열 탱크와 상기 열 흡수부를 상기 제2 작동 유체가 순환하도록 배치되는 순환 라인과,

상기 제2 작동 유체가 상기 버너로 유입되는 상기 제1 작동 유체와 열교환 한 후 상기 축열 탱크로 유입되도록 상기 순환 라인상의 분기점에서 분기하는 분기 라인과,

상기 분기점에 배치되는 분기 밸브를 포함하는 제2 작동 유체 순환 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 내연 기관을 냉각하기 위한 냉각 유체가 유동하는 냉각 라인이 상기 축열 탱크를 지나가도록 구성되고,

상기 배기 수단은 상기 축열 탱크를 통과하도록 구성되어, 상기 축열 탱크 내의 제2 작동 유체가 배기 가스 및 냉각수와 열교환 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 분기 밸브가 상기 제2 작동 유체의 온도가 소정 온도 이상일 때 상기 제2 작동 유체를 상기 분기 라인으로 유입시키도록 상기 제2 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1 작동 유체는 물보다 끓는 점이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 터빈은 마이크로 터빈인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 차량의 내연 기관 폐열 회수 시스템.
내연 기관과, 내연 기관으로부터 발생하는 구동력 중 적어도 일부를 전기 에너지로 변환하는 제1 발전기를 포함하는 하이브리드 시스템에 있어서,

상기 제1 발전기와 분리되어 작동하는 제2 발전기를 더 포함하고,

상기 제2 발전기는 상기 내연 기관의 적어도 배기 가스에 포함된 폐열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 작동하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 시스템.
전기 에너지 모집 수단과, 상기 전기 에너지 모집 수단으로 전기 에너지를 공급하기 위한 제1 발전기와, 상기 제1 발전기를 구동하기 위한 내연 기관과, 상기 내연 기관에서 발생하는 배기 가스를 배출하기 위한 배기 수단을 포함하는 발전용 내연 기관의 폐열 회수 시스템에 있어서,

상기 배기 수단을 통해 배출되는 배기 가스가 제1 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와,

배기 가스와 열교환한 제1 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과,

상기 터빈에 연동하여 전기 에너지를 발생시키는 제2 발전기와,

상기 제2 발전기에서 발생된 전기 에너지를 상기 전기 에너지 모집 수단으로 송출하는 전력 송출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 9에 있어서, 제2 작동 유체를 이용하여 상기 내연 기관 주위의 열을 흡수하기 위한 열 흡수부와,

상기 열 흡수부를 통과한 제2 작동 유체가 축적되는 축열 탱크와,

상기 축열 탱크와 상기 열 흡수부를 상기 제2 작동 유체가 순환하도록 배치되는 순환 라인과,

상기 제2 작동 유체가 상기 제1 작동 유체와 열교환 한 후 상기 축열 탱크로 유입되도록 상기 순환 라인상의 분기점에서 분기하는 분기 라인과,

상기 분기점에 배치되는 분기 밸브를 포함하는 제2 작동 유체 순환 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 10에 있어서, 상기 내연 기관을 냉각하기 위한 냉각 유체가 유동하는 냉각 라인이 상기 축열 탱크를 지나가도록 구성되고,

상기 배기 수단은 상기 축열 탱크를 통과하도록 구성되어, 상기 축열 탱크 내의 제2 작동 유체가 배기 가스 및 냉각수와 열교환 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 10에 있어서, 상기 분기 밸브가 상기 제2 작동 유체의 온도가 소정 온도 이상일 때 상기 제2 작동 유체를 상기 분기 라인으로 유입시키도록 상기 제2 작동 유체의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 제1 작동 유체는 물보다 끓는 점이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는, 발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 터빈은 마이크로 터빈인 것을 특징으로 하는, 발전용 내연 기관 폐열 회수 시스템.