KR20110062138A

KR20110062138A - 차량의 배기열 회수장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110062138A
Application number: KR1020090118730A
Authority: KR
Inventors: 황순현; 이봉상
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-10
Also published as: DE102010037090A1; CN102086797A; US20110126783A1; KR101509685B1

Abstract

본 발명은 차량의 배기열 회수장치로, 냉각수의 온도 조건에 따라 배기열 교환기와 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 능동적으로 제어하여 연비향상과 에미션 안정화를 제공하도록 하는 것이다.

본 발명은 엔진의 시동 온에 따라 냉각수의 온도를 검출하여 웜업 판정의 기준온도와 비교하는 과정, 냉각수의 온도가 기준온도 미만이면 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 보다 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정, 냉각수의 온도 상승으로 기준온도를 초과하면 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양 보다 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정을 포함한다.

워터펌프, 배기열, 제어밸브, 냉각수 순환, 웜업

Description

차량의 배기열 회수장치 및 방법{Exhaust heat recovery system of vehicle and method}

본 발명은 차량의 배기열 회수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수의 온도 조건에 따라 배기열 교환기와 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 능동적으로 제어하여 연비향상과 에미션 안정화를 제공하도록 하는 차량의 배기열 회수장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 차량 제작 메이커는 차량을 개발하는 과정에서 강화되는 배기가스 규제와 연비개선의 중요도가 증가함에 따라 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위해 다양한 연구개발이 진행되고 있다.

이중에서 에미션 규제를 충족시키기 위하여 배기계에 촉매 로딩량을 높이거나 EGR 쿨러의 용량을 증가시키는 경우 차량 중량의 증가에 따라 연비 악화를 초래하고, 차량의 제작 원가를 상승을 초래한다.

최근 들어 차량에 적용되는 가변형 워터펌프는 불필요한 영역의 냉각을 차단함으로써, 엔진의 웜업(warm up) 시간을 단축하여 열손실을 줄이는 동시에 마찰저항의 조기 저감을 실현시켜 연비 향상을 제공하여 준다.

통상적으로 엔진의 시동 온에 따라 발생되는 열은 엔진의 온도를 올리는데 소요되는 에너지, 마찰을 이기는데 쓰이는 에너지, 피스톤을 작동시키거나 각종 기구(CAM, 보기류에 연결되는 기구 등)를 움직이는데 사용되는 에너지, 배출가스 에너지로 구분된다.

상기한 에너지들은 손실과 동시에 다음 순서의 일을 위한 준비 에너지로 대응되지만 배출가스 에너지는 촉매를 가열하는 역할이 완료되면 순손실되는 에너지이다.

상기와 같이 순손실되는 배출가스 에너지를 회수하기 위한 배기열 회수장치가 개발되어 적용되고 있는데, 배기열 회수장치는 촉매의 후단에 장착되어 더 이상 사용되지 않고 배출되는 배기가스의 열에너지를 냉각수측으로 전열시켜 냉각수의 온도를 조기에 상승시키기 기능을 실행함으로써 엔진의 웜업 시간의 단축을 제어하여 준다.

또한, 엔진이 냉각된 상태에서 시동이 온 되면 엔진의 웜업 시간을 단축시키기 위하여 가변형 워터펌프를 작동시키지 않는데, 이를 위해 가변형 워터펌프의 마그네틱 코일에 전기를 인가하여야 한다.

그러나, 냉간 상태에서 엔진이 시동 온 되는 외기온, 냉각수온의 조건에 따라 배터리 전압의 상태가 달라지므로 알터네이터를 구동시켜 전기에너지를 생성한 다음 이를 가변형 워터펌프의 마그네틱 코일에 공급하는 현상이 발생한다.

결국 냉간 시동의 상태에서 가변형 워터펌프의 공회전을 통해 엔진의 웜업 시간을 단축하여 열 손실을 줄인다 하더라도 가변형 워터펌프의 마그네틱 코일에 공급하는 전기를 생산하는데 더 큰 부하가 걸리기 때문에 에너지 관점에서 볼 때 이득이 없는 결과가 발생되는 문제점이 있다.

그렇다고 가변형 워터펌프를 구동시키는 경우 불필요한 열손실이 불가피하게 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 엔진의 시동시 냉각수의 온도 조건에 따라 배기열 교환기와 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 능동적으로 제어하여 연비향상과 에미션 안정화를 제공하도록 하는 것이다.

즉, 에너지 효율을 극대화하기 위하여 냉시동 초기에 엔진에는 적은 양의 냉각수를 순환시키고, 배기열 교환기에는 많은 양의 냉각수를 순환시켜 최대의 에너지 효율을 확보하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 차량의 배기열 회수장치는, 엔진의 연소열을 흡수한 냉각수를 순환시켜 방열시키는 라디에이터; 촉매의 후단에 장착되어 배기가스의 열에너지를 순환되는 냉각수에 전열시켜 냉각수의 온도를 상승시키는 배기열 교환기; 엔진의 연소열을 흡수한 냉각수를 라디에이터 혹은 바이패스 라인으로 순환시키는 제1밸브; 냉각수를 순환시키는 워터펌프; 냉각수의 온도를 검출하는 수온센서를 포함하며,

워터펌프와 연결되며, 워터펌프의 동작으로 공급되는 냉각수를 엔진 및 배기 열 교환기로 분배하는 분배라인에 장착되는 제2밸브; 상기 수온센서에서 검출되는 냉각수의 온도에 따라 제1밸브를 조정하여 엔진 및 배기열 교환기로 순환되는 냉각수의 양을 조정하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 차량의 배기열 회수방법은, 엔진의 시동 온에 따라 냉각수의 온도를 검출하여 웜업 판정의 기준온도와 비교하는 과정; 냉각수의 온도가 기준온도 미만이면 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 보다 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정; 냉각수의 온도 상승으로 기준온도를 초과하면 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양 보다 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 엔진의 시동 초기에 냉각수의 순환을 능동적으로 제어하여 엔진의 활성화 시간 단축과 이에 따른 연비 향상을 제공하고, 촉매의 활성화 시간을 단축시켜 에미션 안정화를 제공하는 효과가 기대된다.

본 발명은 촉매의 로딩량을 추가하지 않아도 안정된 에미션을 확보할 수 있어 원가 절감을 제공하고, 엔진오일의 온도를 빠르게 높일 수 있어 오일 마찰이 저감되어 각 구동부품의 마모가 최소화되어 내구성이 향상되는 효과가 기대된다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기열 회수장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 엔진(10), 라디에이터(20), 배기열 교환기(30), 보조기구(40), 워터펌프(50), 수온센서(60), 제어부(70), 제1밸브(80) 및 제2밸브(90)를 포함하여 구성된다.

라디에이터(20)는 엔진(10)의 웜업이 충분하게 이루어져 연소열을 흡수한 냉각수의 순환이 실행되는 냉각수에 흡수된 열을 방열시킨다.

배기열 교환기(30)는 촉매의 후단에 장착되어 냉각수의 순환이 제공되며, 엔진의 시동 초기에 배기가스의 열에너지를 순환되는 냉각수에 전열시켜 냉각수의 온도를 조기에 상승시킴으로써 엔진(10)의 웜업 시간을 단축한다.

보조기구(40)는 차량의 실내를 난방시키는 히터 등으로 냉각수의 순환을 통해 난방을 제공한다.

워터펌프(50)는 가변형 워터펌프로 구성되며, 엔진(10)의 시동이 온 되더라도 냉각수의 온도가 일정온도 이상으로 상승되지 않는 초기조건에서 오프되어 냉각수의 순환이 제공되지 않도록 함으로써 불필요한 영역의 냉각을 차단시켜 엔진(10)의 웜업 시간을 단축하여 열손실을 줄이고 동시에 마찰저항의 조기 저감을 실현시켜 연비 향상을 제공하여 준다.

온도센서(60)는 순환되는 냉각수의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(70)에 제공한다.

제어부(70)는 엔진(10)의 시동이 온되면 온도센서(60)에서 검출되는 냉각수의 온도에 따라 워터펌프(50)의 동작과 제1밸브(80) 및 제2밸브(90)의 동작을 제어하여 엔진(10)의 웜업 시간과 엔진(10) 각부분의 조기 활성화를 실현시킨다.

제1밸브(80)는 냉각수의 순환라인에 설치되며, 제어부(80)의 제어에 따라 냉각수의 순환 경로를 결정한다.

예를 들어 엔진(10)의 웜업이 완전하게 이루어진 정상 운전조건에서는 냉각수가 라디에이터(20)를 통해 순환되도록 하고, 엔진(10)의 웜업이 충분하게 이루어지지 않은 상태에서는 라디에이터(20)를 거치지 않고 바이패스 라인을 통해 순환되도록 한다.

이때, 보조기구(40)로는 상황에 따라 냉각수 순환이 실행된다.

제2밸브(90)는 전자식 제어밸브로 구성되어 워터펌프(50)와 엔진(10) 및 배기열 교환기(30)의 냉각수 순환경로에 설치되며, 제어부(70)의 제어에 따라 워터펌프(50)의 동작으로 순환되는 냉각수의 경로를 조정한다.

예를 들어, 냉각수의 온도가 설정온도 미만으로 엔진(10)의 충분한 웜업이 이루어지지 않는 상태에서는 제어부(70)의 제어에 따라 엔진(10)을 순환하는 냉각수의 양보다 배기열 교환기(30)를 순환하는 냉각수의 양이 많게 하여 냉각수의 신속한 온도 상승을 유도한다.

또한, 냉각수의 온도가 설정온도를 초과하여 엔진(10)의 웜업이 완료된 상태 에서는 제어부(70)의 제어에 따라 배기열 교환기(30)를 순환하는 냉각수의 양을 최소화하거나 차단하고, 엔진(10)을 순환하는 냉각수의 양을 최대로 한다.

상기 제1밸브(80) 및 제2밸브(90)는 통상적인 서모스탯으로 구성되거나 제어부(70)의 제어에 의해 동작되는 전자식 밸브로 적용될 수 있다.

전술한 바와 같은 기능이 포함되는 본 발명의 동작에 대하여 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

엔진(10)이 시동 오프를 유지하는 상태에서(S101) 제어부(70)는 엔진(10)의 시동 온이 검출되면(S102) 수온센서(60)에서 제공되는 냉각수의 온도를 검출하여(S103), 냉각수의 온도가 냉시동 판정조건인 기준온도(A℃) 미만인지를 판단한다(S104).

상기 S104의 판단에서 냉각수의 온도가 기준온도(A℃)를 초과하는 상태이면냉각수의 온도에 따라 제1밸브(80)의 동작을 제어하는 통상적인 냉각수 순환 제어를 실행한다(S105).

그러나, 상기 S104의 판단에서 냉각수의 온도가 기준온도(A℃) 미만이면 냉시동으로 판정하고(S106), 제1밸브(80)를 제어하여(S107) 냉각수가 라디에이터(20)를 순환하지 않고 바이패스 라인을 통해 순환되도록 한다(S108).

그리고, 제어부(70)는 워터펌프(50)를 작동 온시켜 냉각수의 순환이 이루어질 수 있도록 하고(S109), 동시에 제2밸브(90)를 제어하여(S110) 엔진(10)을 순환하는 냉각수의 양보다 배기열 교환기(30)를 순환하는 냉각수의 양이 많게 하여 냉각수의 신속한 온도 상승을 유도한다(S111).

따라서, 배기열 교환기(30)의 순환과 엔진(10)의 연소열에 의해 냉각수의 온도가 상승하여 웜업 판정의 기준온도(B℃)를 초과하였는지를 판단한다(S112).

상기 S112에서 냉각수의 온도가 웜업 판정이 기준온도(B℃)를 초과한 상태이면 제어부(70)는 엔진(10)에 대하여 웜업 완료로 판정하고(S113), 제1밸브(80)를 제어하여(S114) 냉각수를 라디에이터(20)로 순환시킨다(S115).

동시에 제2밸브(90)를 제어하여(S116) 배기열 교환기(30)를 순환하는 냉각수의 양을 최소화하거나 차단하고, 엔진(10)을 순환하는 냉각수의 양을 최대로 유지한다(S117).

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명 실시예에 따른 차량의 배기열 회수장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 배기열 회수 절차를 도시한 흐름도이다.

Claims

엔진의 연소열을 흡수한 냉각수를 순환시켜 방열시키는 라디에이터;

촉매의 후단에 장착되어 배기가스의 열에너지를 순환되는 냉각수에 전열시켜 냉각수의 온도를 상승시키는 배기열 교환기;

엔진의 연소열을 흡수한 냉각수를 라디에이터 혹은 바이패스 라인으로 순환시키는 제1밸브;

냉각수를 순환시키는 워터펌프;

냉각수의 온도를 검출하는 수온센서;

를 포함하며,

워터펌프와 연결되며, 워터펌프의 동작으로 공급되는 냉각수를 엔진 및 배기열 교환기로 분배하는 분배라인에 장착되는 제2밸브;

상기 수온센서에서 검출되는 냉각수의 온도에 따라 제1밸브를 조정하여 엔진 및 배기열 교환기로 순환되는 냉각수의 양을 조정하는 제어부;

를 더 포함하는 차량의 배기열 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 냉각수의 온도가 기준온도 미만이면 제2밸브를 제어하여 엔진을 순환하는 냉각수의 양보다 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 냉각수의 온도가 기준온도를 초과하면 제2밸브를 제어하여 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양을 최소화하거나 차단하고, 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 최대로 조정하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수장치.
엔진의 시동 온에 따라 냉각수의 온도를 검출하여 웜업 판정의 기준온도와 비교하는 과정;

냉각수의 온도가 기준온도 미만이면 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 보다 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정;

냉각수의 온도 상승으로 기준온도를 초과하면 배기열 교환기를 순환하는 냉각수의 양 보다 엔진을 순환하는 냉각수의 양을 많게 조정하는 과정;

을 포함하는 차량의 배기열 회수방법.
제4항에 있어서,

상기 냉각수의 온도에 따라 엔진 및 배기열 교환기로 순환되는 냉각수 양의 조정은 워터펌프와 연결되는 분기라인에 설치된 제2밸브에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수방법.