KR20130069820A - 내연기관의 폐열 이용 장치 - Google Patents

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KR20130069820A
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야스아키 카노우
준이치로 카스야
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산덴 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 랭킨 회로(40)는, 복수의 열교환기로서 EGR 회로의 EGR 쿨러(36)와 배기 통로의 배기가스 열교환기(41)를 가지며, 이들 EGR 쿨러와 배기가스 열교환기를 랭킨 회로의 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 EGR 쿨러가 배기가스 열교환기보다도 상류에 위치하도록 배치하고, 제어 수단(60)에 의해 EGR 가스 온도 검출 수단(39)에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도범위(예컨대, 150℃~200℃)가 되도록, EGR 쿨러에서의 EGR 가스와 작동 유체 간의 열교환량을 제어한다.

Description

내연기관의 폐열 이용 장치{APPARATUS FOR UTILIZING WASTE HEAT FROM INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연기관의 폐열 이용 장치에 관한 것으로서, 상세하게는, 차량의 내연기관의 폐열을 회수하여 이용하는데 적합한 폐열 이용 장치에 관한 것이다.
이러한 종류의 폐열 이용 장치는, 작동 유체로서의 냉매의 순환로에, 내연기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생하는 팽창기, 상기 팽창기에서 발생한 회전 구동력이 전달되는 피(被)동력 전달 장치, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순차 개재하여 장착(介裝)된 랭킨 사이클(Rankine cycle)을 구비하고 있다.
내연기관의 폐열의 하나로서, NOx 저감을 위해서 배기가스의 일부를 흡기로 환류(還流)되는 EGR 가스(배기 재순환 가스)의 열, 즉 EGR 통로에 EGR 가스의 온도를 저하시키도록 설치된 EGR 쿨러(cooler)로부터의 방열이 있으며, 이러한 EGR 가스의 열을 이용한 랭킨 사이클 시스템이 공지이다(특허 문헌 1 참조).
일본 특허공개 2007－239513호 공보
상기 특허 문헌 1에 개시된 기술에서는, EGR 가스를 열원으로 이용하여 랭킨 사이클 시스템을 구성하도록 하고 있지만, 예를 들면 내연기관의 운전 상황에 따라서는 EGR 통로에 설치된 EGR 밸브를 조절함으로써 EGR 가스 유량을 증감시킬 필요가 있으며, EGR 밸브에 의해 EGR 가스가 차단된 것과 같은 경우에는, 차단되고 있는 동안, EGR 가스의 열을 랭킨 사이클 시스템에 전혀 이용할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 특허 문헌 1에 개시되는 기술에서는, EGR 가스의 열을 랭킨 사이클 시스템에 이용하기 때문에, 반대로 EGR 가스의 온도는 저하하게 되지만, 일반적으로 EGR 가스는 온도가 100℃를 하회하면 EGR 가스 중의 수분이 응축하며, 산(酸)이 발생하여 EGR 통로 등을 부식시킨다고 하는 문제가 있어, EGR 가스 중의 수분을 어떻게 응축시키지 않도록 할지가 과제로 되어 있다.
또, 특허 문헌 1에 개시된 기술에서는, 기본적으로 EGR 가스를 열원으로서 이용하도록 하고 있지만, 예를 들면 EGR 가스 이외에 내연기관의 복수의 열원을 이용하여 랭킨 사이클 시스템을 구성하는 경우, 어떻게 내연기관의 복수의 열원을 이용하여 랭킨 사이클 시스템을 구성할지도 과제가 된다.
본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, EGR 가스를 포함한 내연기관의 복수의 열원을 EGR 가스 중의 수분을 응축시키지 않고 효율적으로 랭킨 사이클 시스템에 이용가능한 내연기관의 폐열 이용 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 내연기관의 폐열 이용 장치는, 작동 유체의 순환로에, 내연기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기, 상기 복수의 열교환기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생하는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 열교환기로 송출하는 펌프가 순차 개재하여 장착(介裝)된 랭킨 회로와, 내연기관의 배기가스를 대기에 방출시키는 배기 통로 사이에 장착된 배기가스 열교환기와, 내연기관의 배기가스의 일부를 EGR 가스로서 흡기(吸氣)로 환류(還流)시키는 EGR 통로, 상기 EGR 통로 사이에 장착되어 적어도 내연기관의 운전 상태에 따른 개폐에 의해 EGR 가스의 유통과 차단을 행하는 EGR 밸브 및 상기 EGR 통로 사이에 장착되어 EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 가지는 EGR 회로와, 상기 EGR 통로의 EGR 가스의 흐름 방향에서 보았을 때 상기 EGR 쿨러의 하류에 설치되며, EGR 가스의 온도를 검출하는 EGR 가스 온도 검출 수단과, 적어도, 상기 EGR 밸브가 개방되어 EGR 가스가 유통되고 있을 때, 상기 EGR 쿨러에서의 EGR 가스의 열교환량을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 랭킨 회로에 있어서의 상기 복수의 열교환기는, 상기 EGR 쿨러와 상기 배기가스 열교환기로서, 상기 순환로의 작동 유체의 흐름방향에서 보았을 때 상기 EGR 쿨러가 상기 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하며, 상기 EGR 쿨러에서 EGR 가스의 열에 의해 작동 유체를 가열하고, 상기 배기가스 열교환기에서 배기가스의 열에 의해 작동 유체를 가열하도록 구성되며, 상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 EGR 쿨러에서의 EGR 가스와 작동 유체 간의 열교환량을 제어하는 것을 특징으로 한다(청구항 1).
바람직하게는, 상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 랭킨 회로의 상기 팽창기의 부하를 변화시킴으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 압력을 가변시키는 것이 좋다(청구항 2).
또, 상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 랭킨 회로의 상기 펌프의 토출량을 변화시킴으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것이 좋다(청구항 3).
또, 상기 랭킨 회로는, 상기 순환로로부터 분기(分岐) 합류하여 상기 EGR 쿨러를 바이패스하는 EGR 쿨러 바이패스 통로와, 작동 유체의 흐름을 상기 순환로와 상기 EGR 쿨러 바이패스 통로로 조절하는 조절 밸브를 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 조절 밸브를 조절함으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것이 좋다(청구항 4).
또, 내연기관의 냉각수를 라디에이터(radiator)로 순환시키는 냉각수 통로와, 상기 냉각수 통로에 장착되어 냉각수의 열과 작동 유체의 열을 열교환하는 냉각수 열교환기를 가지는 냉각수 회로를 더 구비하고, 상기 랭킨 회로에 있어서의 상기 순환로의 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 상기 냉각수 열교환기가 상기 EGR 쿨러 및 상기 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하는 것이 좋다(청구항 5).
또, 상기 랭킨 회로는, 상기 순환로로부터 분기 합류하여 상기 냉각수 열교환기를 바이패스하는 냉각수 열교환기 바이패스 통로와, 작동 유체의 흐름을 상기 순환로와 상기 냉각수 열교환기 바이패스 통로로 조절하는 제2의 조절 밸브와, 내연기관으로 반환되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 냉각수 온도 검출 수단에 의해 검출되는 냉각수의 온도가 규정 온도 이하가 되지 않도록, 상기 제 2의 조절 밸브를 조절함으로써 상기 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것이 좋다(청구항 6).
또, 상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 제 2의 조절 밸브를 조절하여 상기 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 변화시킴으로써 상기 냉각수 열교환기에서의 흡열량을 가변시키는 것이 좋다(청구항 7).
본 발명의 내연기관의 폐열 이용 장치에 따르면, 랭킨 회로는 복수의 열교환기를 가지며, 복수의 열교환기는, EGR 회로의 EGR 쿨러와 배기 통로의 배기가스 열교환기로서, 이들 EGR 쿨러와 배기가스 열교환기를 랭킨 회로의 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 EGR 쿨러가 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하도록 배치해 두고, 제어 수단에 의해, EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, EGR 쿨러에서의 EGR 가스와 작동 유체간의 열교환량을 제어하도록 하고 있다.
따라서, 랭킨 회로의 작동 유체는, EGR 가스가 환류되고 있을 때에는, 먼저 EGR 쿨러에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열함으로써 EGR 가스를 소정 온도 범위까지 저하시키고, 그 후 배기가스 열교환기에 있어서 배기가스의 열을 더욱 흡열하게 된다.
이것에 의해, EGR 가스를 예를 들면 EGR 가스 중의 수분이 응축되지 않고 산을 발생하지 않는 100℃ 이상으로 유지하여 EGR 통로나 EGR 밸브의 부식을 방지하면서, EGR 쿨러에서 EGR 가스의 열을 랭킨 회로의 작동 유체로 충분히 흡열시킴으로써 EGR 가스의 온도를 소정 온도 범위로 저하시키고, 또한 배기가스 열교환기에서 배기가스의 열을 랭킨 회로의 작동 유체로 흡열시킬 수 있어, 내연기관의 폐열을 효율적으로 이용할 수 있다(청구항 1).
또, 랭킨 회로의 작동 유체는, EGR 가스가 환류되고 있지 않을 때라도, 배기가스 열교환기에 있어서 배기가스의 열을 흡열하여 승온(昇溫), 승압(昇壓)시키므로, 마찬가지로 내연기관의 폐열을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 랭킨 회로의 팽창기의 부하를 변화시켜 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 압력을 가변시키는 것, 즉 증발 온도를 가변시킴으로써 EGR 쿨러에서의 열교환량을 조정할 수 있어, EGR 가스의 온도를 소정 온도 범위로 유지하도록 할 수 있다(청구항 2).
또, 랭킨 회로의 펌프의 토출량을 변화시켜 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시킴으로써 EGR 쿨러에서의 열교환량을 조정할 수 있어, EGR 가스의 온도를 소정 온도 범위로 유지하도록 할 수 있다(청구항 3).
또한, 작동 유체의 흐름을 순환로와 EGR 쿨러 바이패스 통로로 조절하는 조절 밸브를 조절하여 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시킴으로써 EGR 쿨러에서의 열교환량을 조정할 수 있어, EGR 가스의 온도를 소정 온도 범위로 유지하도록 할 수 있다(청구항 4).
또, 냉각수 열교환기와 EGR 쿨러와 배기가스 열교환기를 랭킨 회로의 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 냉각수 열교환기가 EGR 쿨러 및 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하도록 배치해 두고, 제어 수단에 의해, EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, EGR 쿨러에서의 EGR 가스와 작동 유체간의 열교환량을 제어하도록 하고 있다.
따라서, 랭킨 회로의 작동 유체는, EGR 가스가 환류되고 있을 때에는, 먼저 냉각수 열교환기에 있어서 냉각수의 열을 흡열하고, 다음으로 EGR 쿨러에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열함으로써 EGR 가스를 소정 온도 범위까지 저하시키며, 그 후 배기가스 열교환기에 있어서 배기가스의 열을 흡열하게 된다.
이것에 의해, 우선 냉각수 열교환기에서 EGR 가스나 배기가스보다 온도가 낮은 냉각수의 열을 먼저 랭킨 회로의 작동 유체로 흡열한 후, EGR 가스를 예를 들면 EGR 가스 중의 수분이 응축되지 않고 산을 발생하지 않는 100℃ 이상의 소정 온도 범위로 유지하여 EGR 통로나 EGR 밸브의 부식을 방지하면서, EGR 쿨러에서 EGR 가스의 열을 랭킨 회로의 작동 유체로 충분히 흡열시키고, 배기가스 열교환기에서 더욱 배기가스의 열을 랭킨 회로의 작동 유체로 흡열시킬 수 있어, 내연기관의 폐열을 더욱 효율적으로 이용할 수 있다(청구항 5).
또, 작동 유체의 흐름을 순환로와 냉각수 열교환기 바이패스 통로로 조절하는 제2의 조절 밸브를 조절하여 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시킴으로써 냉각수 열교환기에서의 열교환량을 조정할 수 있어, 냉각수의 온도가 규정 온도 이하가 되지 않게 할 수 있다. 이것에 의해, 내연기관의 효율의 저하를 방지할 수 있다(청구항 6).
또한, 제2의 조절 밸브를 조절하여 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 변화시켜 냉각수 열교환기에서의 흡열량을 가변시킴으로써 EGR 쿨러에서의 열교환량을 조정할 수 있어, EGR 가스의 온도를 소정 온도 범위로 유지하도록 할 수 있다. 예를 들면, EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위보다 높은 것과 같은 경우에, 제2의 조절 밸브를 조절하여 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 적게 하여 냉각수 열교환기에서의 흡열량을 낮게 억제함으로써, EGR 쿨러에 있어서의 EGR 가스의 열의 작동 유체로의 흡열을 촉진할 수 있다(청구항 7).
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 제1 실시예에 관한 몰리에르 선도(Mollier diagram)를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 제2 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제3 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 나타내는 모식도이다.
도 6은, 제3 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제4 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 제4 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 트럭 등의 중량(重量) 차량에 있어서의 엔진 출력과 가스 온도간의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 도면에 의해 본 발명의 일실시형태에 대하여 설명한다.
［제1 실시예］
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
폐열 이용 장치는, 예를 들면 차량에 탑재되며, 엔진(2) 및 랭킨 회로(40)로 구성되어 있다.
엔진(2)은, 엔진 본체(내연기관)(3)가 예를 들면 디젤 엔진으로서, 엔진 본체(3)의 흡기(吸氣) 포트에 흡기 매니폴드(intake manifold)를 통하여 흡기 통로(4)가 연통되고, 배기(排氣) 포트에 배기 매니폴드를 통하여 배기 통로(6)가 연통하여 구성되어 있다. 또, 흡기 통로(4) 및 배기 통로(6)에는, 흡기 통로(4)와 배기 통로(6)에 걸쳐 과급기(supercharger, 8)가 설치되어 있으며, 상기 과급기(8)에 의해, 배기 가스류를 이용하여 흡기를 과급(supercharging)할 수 있다. 흡기 통로(4)에는 인터쿨러(intercooler, 10)가 장착되어 있으며, 상기 인터쿨러(10)에 의해, 흡기를 냉각하여 흡기 효율의 향상을 도모할 수 있다.
엔진(2)에는, 엔진 본체(3)의 내부의 워터자켓(water jacket)을 냉각수가 순환하는 냉각수 회로(20)가 설치되어 있으며, 냉각수 회로(20)는, 워터자켓과 연통하는 냉각수 순환 통로(22)에, 냉각수의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로 라디에이터(24), 자동 온도조절장치(thermostat, 26), 엔진 본체(3)에 의해 구동되는 워터펌프(water pump, 27), 엔진 본체(3)가 개재하여 장착(介裝)되어 구성되어 있다. 자동 온도조절장치(26)에는, 라디에이터(24)를 바이패스 하는 라디에이터 바이패스 유로(28)가 합류되어 있으며, 이것에 의해, 자동 온도조절장치(26)는, 냉각수의 온도에 따라서 자동적으로, 냉각수를 라디에이터(24)를 바이패스시켜 흘리거나, 혹은 라디에이터(24)로 흘리도록 할 수 있다. 또한, 라디에이터(24)에는 냉각 팬(25)이 설치되어 있다. 이것에 의해, 냉각수가 라디에이터(24)에 의해 외기(外氣)와 열교환되어, 엔진 본체(3)가 냉각된다.
또한, 엔진(2)에는, 주로 NOx 저감을 위해서 배기가스의 일부를 EGR 가스(배기 재순환 가스)로서 흡기로 환류시키는 EGR 회로(배기 재순환 회로)(30)가 설치되어 있으며, EGR 회로(30)는, EGR 통로(32) 사이에 EGR 가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(34)와 EGR 가스의 온도를 저하시키는 EGR 쿨러(36)가 장착되어 구성되어 있다.
랭킨 회로(40)는, 작동 유체(예를 들면, 에탄올)의 순환로(42)에, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 상기 EGR 쿨러(열교환기)(36), 배기 통로(6)와의 사이에서 열교환을 행하는 배기가스 열교환기(열교환기, 과열기)(41), 이들 EGR 쿨러(36)나 배기가스 열교환기(41)에 의해 가열되어 과열 상태가 되는 작동 유체의 팽창에 의해 회전 구동력을 발생하는 팽창기(44), 랭킨 콘덴서(응축기)(45), 작동 유체를 순환시키는 펌프(46)가 장착(介裝)되어 구성되어 있다. 또한, 랭킨 콘덴서(45)에는 냉각 팬(47)이 설치되어 있다.
랭킨 회로(40)의 순환로(42)에는, EGR 쿨러(36)를 바이패스하도록 하여 EGR 쿨러 바이패스 통로(50)가 설치되어 있으며, EGR 쿨러 바이패스 통로(50)의 순환로(42)로부터의 분기부에는 삼방밸브(조절 밸브)(52)가 장착(介裝)되어 있다.
이러한 구성에 의해, 랭킨 회로(40)에서는, EGR 쿨러(36)를 통하여 EGR 회로(30)를 환류하는 EGR 가스로부터 작동 유체로 흡열을 행하는 동시에 배기가스 열교환기(41)에서 엔진(2)의 배기 통로(6)를 흐르는 배기가스로부터 작동 유체로 흡열을 행함으로써 엔진(2)의 폐열을 회수 가능하다.
또한, EGR 쿨러(36)를 배기가스 열교환기(41)보다 상류 측에 배치하는 것은, 먼저 배기가스 열교환기(41)에 작동 유체를 흘렸다고 하면, 배기가스 열교환기(41)에서 작동 유체가 충분히 흡열되어 버려, EGR 쿨러(36)에서 흡열할 수 있는 열량이 부족하여, EGR 가스가 소정의 온도까지 내려가지 않을 가능성이 있기 때문이다.
팽창기(44)에는, 동기(同期) 회전가능하게 발전기(56)가 연결되는 동시에 상기 펌프(46)가 연결되어 있다. 이것에 의해, 팽창기(44)에 의해 발생한 회전 구동력이 발전기(56) 및 펌프(46)에 전달되어, 발전기(56)에 의해 발전이 행해지고, 펌프(46)에 의해 작동 유체의 순환이 행해진다. 또한, 발전기(56)는 발전 부하를 가변 가능하게 구성되며, 펌프(46)는 용량을 가변가능하게 구성되어 있다. 여기에, 발전기(56)에 의해 발전된 전력은, 배터리에 축적되며, 예를 들면 차량의 공기 조절 장치의 동력원으로서, 혹은 차량이 냉동차와 같은 경우에는 냉동 냉장용 콤프레서(refrigerating compressor)의 동력원으로서 사용된다.
냉각수 회로(20)의 냉각수 순환 통로(22)의 워터펌프(27) 근방 위치에는 냉각수의 온도(Tw)를 검출하는 냉각수 온도 센서(냉각수 온도 검출 수단)(29)가 설치되고, EGR 회로(30)의 EGR 통로(32)의 EGR 쿨러(36) 하류 위치에는 EGR 가스의 온도(Tegr)를 검출하는 EGR 가스 온도 센서(EGR 가스 온도 검출 수단)(39)가 설치되며, 엔진(2)의 배기 통로(6)의 배기 매니폴드 근방 위치에는 배기가스의 온도(Tex)를 검출하는 배기 온도 센서(19)가 설치되어 있다.
그리고, 폐열 이용 장치에는, 엔진(2) 및 랭킨 회로(40)를 통합적으로 제어하는 전자 제어 유닛(ECU)(제어 수단)(60)이 설치되고, 그 입력 측에는 배기 온도 센서(19), 냉각수 온도 센서(29), EGR 가스 온도 센서(39) 등의 각종 센서류가 전기적으로 접속되며, 그 출력 측에는, 냉각 팬(25), EGR 밸브(34), 펌프(46), 냉각 팬(47), 삼방밸브(52), 발전기(56) 등의 각종 디바이스류가 전기적으로 접속되어 있다.
이것에 의해, ECU(60)는, 배기 온도 센서(19), 냉각수 온도 센서(29), EGR 가스 온도 센서(39)로부터의 입력에 근거하여, 냉각 팬(25), EGR 밸브(34), 펌프(46), 냉각 팬(47), 삼방밸브(52), 발전기(56)를 적절하게 제어 가능하다.
이하, 이와 같이 구성된 제1 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치의 작동에 대해 설명한다.
엔진(2)은, 엔진 본체(3)가 시동되면, 냉각수 회로(20)의 워터펌프(27)가 구동을 개시하여, 냉각수 순환 통로(22)를 냉각수가 순환하기 시작한다. 이때, 엔진 본체(3)가 냉태(冷態, cold state) 시동 상태에 있으며 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T1)(자동 온도조절장치(thermostat) 설정치)보다 낮은 경우에는, 자동 온도조절장치(26)에 의해 냉각수는 라디에이터(24)를 바이패스하도록 흐르고, 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T1)가 되면, 냉각수는 라디에이터(24)를 흘러 냉각된다. 이것에 의해, 엔진 본체(3)가 냉태 시동 상태에 있을 때에는, 엔진 본체(3)의 웜업(暖機, warm-up)이 촉진되며, 엔진 본체(3)의 웜업 후에는 냉각 팬(25)이 적절하게 작동 제어되어, 라디에이터(24)에 의해 냉각되는 냉각수의 온도(Tw)는 소정 온도(T2)(예를 들면, 80℃)로 유지된다.
엔진(2)이 EGR 가스를 흡기로 환류 가능한 운전 상태에 있을 때에는, EGR 가스가 EGR 밸브(34)의 개방도에 따라서 EGR 통로(32)를 환류한다.
이때, 랭킨 회로(40)에 있어서 삼방밸브(52)가 작동 유체를 EGR 쿨러(36) 측으로 흘리도록 조작되고 있으면, EGR 가스와 순환로(42)를 흐르는 작동 유체가 EGR 쿨러(36)에 있어서 열교환되어, EGR 가스의 온도가 저하되는 한편, 작동 유체의 온도 및 압력이 상승한다.
랭킨 회로(40)의 순환로(42)를 흐르는 작동 유체는, EGR 쿨러(36)에서 흡열 된 후, 배기가스 열교환기(41)에 있어서 더욱 배기가스와 열교환되어, 배기가스의 온도가 저하하는 한편, 작동 유체의 온도 및 압력이 더욱 상승한다.
이와 같이 승온, 승압된 작동 유체는, 팽창기(44)로 유입되어, 팽창기(44)에 의해 회전 구동력을 발생시킨다. 이것에 의해 발전기(56)가 발전구동된다. 또, 펌프(46)가 구동됨으로써 작동 유체가 순환로(42)를 순환한다.
팽창기(44)로부터는 작동 유체가 감압되어 배출되며, 이 감압된 작동 유체는 랭킨 콘덴서(45)에 의해 외기로 방열된다.
그런데, 이와 같이 EGR 회로(30)의 EGR 가스의 열과 배기 통로(6)의 배기가스의 열이 랭킨 회로(40)의 순환로(42)를 흐르는 작동 유체로 흡열되며, 승온 및 승압된 작동 유체에 의해 발전기(56)가 구동되어 발전이 행해지지만, EGR 쿨러(36)에 있어서 작동 유체로 흡열하는 흡열량(열교환량)은, ECU(60)에 의해 적절하게 조정된다. 상세하게는, EGR 가스 온도 센서(39)에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도 (Tegr)에 근거하여, 흡기로 환류되는 EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 작동 유체로의 흡열량이 제어된다.
여기에, 소정 온도(T3)는, EGR 쿨러(36)의 증발 온도를 100℃ 이상으로 하여, 예를 들면 150℃~200℃(소정 온도 범위)로 된다. 이와 같이 소정 온도(T3)를 100℃이상의 예를 들면 150℃~200℃로 하는 것은, EGR 가스의 온도(Tegr)가 100℃ 미만으로 되면, EGR 가스 중의 수분이 응축하여 산을 발생시켜 EGR 통로(32)나 EGR 밸브(34) 등의 부식을 초래할 우려가 있는 한편, 가능한 한 낮은 온도로 하는 것이 바람직하기 때문이다.
구체적으로는, 작동 유체로의 흡열량은, EGR 쿨러(36)를 흐르는 작동 유체의 증발 온도, 즉 증발 압력을 조절함으로써 제어할 수 있기 때문에, ECU(60)에 의해, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 팽창기(44) 나아가서는 발전기(56)의 부하를 가변조작하여 작동 유체의 압력을 조절한다.
또한, 작동 유체로의 흡열량은, EGR 쿨러(36)를 흐르는 작동 유체의 유량을 조절하는 것으로도 제어할 수 있기 때문에, ECU(60)에 의해, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 펌프(46)의 용량(토출량)을 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절한다.
혹은, EGR 쿨러(36)를 흐르는 작동 유체의 유량의 조절은, 삼방밸브(52)의 개방도를 조절하는 것으로도 제어할 수 있기 때문에, ECU(60)에 의해, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절한다.
또, 이들을 조합하여, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)로 유지되도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하는 동시에, 펌프(46)의 용량을 가변조작하고, 또한 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하도록 해도 좋다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에서는, 랭킨 회로(40)는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 상류 측에 EGR 쿨러(36)가 설치되며, 하류 측에 배기가스 열교환기(41)가 설치되어 있으므로, 랭킨 회로(40)의 순환로(42)를 흐르는 작동 유체는, 도 2에 제1 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 바와 같이, 먼저 EGR 쿨러(36)에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열하여 EGR 가스의 온도를 충분히 저하시키도록 할 수 있고, 그 후 더욱이 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스의 열도 흡열하도록 할 수 있다. 이것에 의해, 작동 유체의 온도 및 압력을 상승시켜 팽창기(44)를 작동시키며, 엔진(2)의 폐열을 효과적으로 발전기(56)에 의한 발전에 이용할 수 있다.
특히, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하여 작동 유체의 압력을 조절하고, 혹은 펌프(46)의 용량을 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절하며, 혹은 삼방밸브(52)의 개방도를 가변 조작하여 작동 유체의 유량을 조절하고, 혹은 이들을 조합하여 실시하므로, EGR 가스의 환류가 행해지는 경우에는, EGR 가스의 온도(Tegr)를 확실하게 소정 온도(T3)(예를 들면, 150℃~200℃)로 유지하도록 할 수 있으며, EGR 가스 중의 수분이 응축하여 산을 발생하지 않게 할 수 있어, EGR 통로(32)나 EGR 밸브(34) 등의 부식을 적합하게 방지할 수 있다.
한편, 엔진(2)이 EGR 가스를 흡기로 환류할 수 없는 운전 상태에 있을 때에는, EGR 밸브(34)는 차단되어 EGR 가스는 흡기로 환류되지 않기 때문에, EGR 가스의 열을 랭킨 회로(40)에서 이용할 수는 없다. 이 경우에는, 랭킨 회로(40)의 순환로(42)를 흐르는 작동 유체는, 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스와만 열교환되어, 배기가스의 온도가 저하되는 한편, 작동 유체의 온도 및 압력이 상승한다.
이것에 의해, EGR 가스의 환류가 차단된 상황이더라도, 배기가스 열교환기(41)를 통하여 배기가스의 열을 흡열하도록 할 수 있어, EGR 회로(30)의 상태에 관계없이, 엔진(2)의 폐열을 효과적으로 발전기(56)에 의한 발전에 이용할 수 있다.
[제2 실시예］
도 3은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
제2 실시예에서는, 냉각수 회로(20)의 냉각수 순환 통로(22)를 흐르는 냉각수의 열도 랭킨 회로(40)에서 이용하는 점이 상기 제 1 실시예와 다르게 되어 있으며, 이하 제 1 실시예와 다른 부분에 대하여 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 엔진(2)에는, 냉각수 회로(20')가 설치되어 있으며, 냉각수 회로(20')의 냉각수 순환 통로(22') 중 냉각수의 흐름 방향에서 보았을 때 라디에이터(24)의 상류에는, 랭킨 회로(40')와의 사이에서 열교환을 행하는 프리히터(preheater)(냉각수 열교환기, 열교환기)(23)가 개재하여 장착(介裝)되어 있다.
프리히터(23)는, 랭킨 회로(40')에 있어서는, 순환로(42') 중 EGR 쿨러(36)보다 상류 측에 위치하며 펌프(46)와 삼방밸브(52)와의 사이에 장착되어 있다. 즉, 제2 실시예에서는, 랭킨 회로(40')는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 가장 상류 측에 프리히터(23)가 설치되며, 다음에 EGR 쿨러(36)가 설치되고, 가장 하류 측에 배기가스 열교환기(41)가 설치되어 구성되어 있다.
또한, 프리히터(23)를 EGR 쿨러(36)보다 상류 측에 배치하는 것은, 작동 유체의 증발 온도는 100℃ 이상, 예를 들면 150℃이며, 냉각수의 온도는 예를 들면 80℃로 그보다 낮기 때문에, 상류 측에 없다면 프리히터(23)로부터 흡열할 수 없기 때문이다.
또, 랭킨 회로(40')의 순환로(42')에는, 프리히터(23)를 바이패스하도록 하여 프리히터 바이패스 통로(냉각수 열교환기 바이패스 통로)(53)가 설치되어 있으며, 프리히터 바이패스 통로(53)의 순환로(42')로부터의 분기부에는 삼방밸브(제2의 조절 밸브)(54)가 개재하여 장착되어 있다. 그리고, 삼방밸브(54)는 ECU(60)의 출력 측에 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 랭킨 회로(40')의 순환로(42')의 프리히터(23) 하류 위치에는 작동 유체의 온도(Tr)를 검출하는 작동 유체 온도 센서(59)가 설치되어 있다.
이하, 이와 같이 구성된 제2 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치의 작동에 대해 설명한다.
엔진(2)에 있어서, 엔진 본체(3)가 냉태 시동 상태에 있으며 냉각수 회로(20')의 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T1)보다 낮은 경우에는, 자동 온도조절장치(26)에 의해 냉각수는 라디에이터(24)를 바이패스하도록 흐른다. 이때, 랭킨 회로(40')에서는, 삼방밸브(54)가 작동 유체를 프리히터 바이패스 통로(53)로 흘리도록 조작되어, 작동 유체의 프리히터(23)로의 유통이 회피된다. 이것에 의해, 엔진 본체(3)의 냉각수의 열이 불필요하게 랭킨 회로(40')의 작동 유체로 흡열되는 것이 방지되어, 엔진 본체(3)의 웜업이 촉진된다.
엔진 본체(3)가 웜업되고, 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T1)가 되면, 냉각수 회로(20')의 냉각수는 라디에이터(24)를 흘러 냉각되며, 랭킨 회로(40')에 있어서는 삼방밸브(54)가 작동 유체를 프리히터(23)에 흘리도록 조작된다. 이것에 의해, 엔진 본체(3)의 냉각수의 열이 프리히터(23)를 통하여 랭킨 회로(40)의 작동 유체로 흡열되기 시작하여, 냉각수의 온도가 저하하는 한편, 작동 유체의 온도가 상승한다.
그리고, 엔진(2)이 EGR 가스를 흡기로 환류가능한 운전 상태에 있을 때에는, EGR 가스가 EGR 밸브(34)의 개방도에 따라서 EGR 통로(32)를 환류하고, 랭킨 회로(40')에 있어서 삼방밸브(52)가 작동 유체를 EGR 쿨러(36) 측으로 흘리도록 조작되어 있으면, EGR 가스와 순환로(42')를 흐르는 작동 유체가 EGR 쿨러(36)에 있어서 열교환되어, EGR 가스의 온도가 저하하는 한편, 작동 유체의 온도 및 압력이 상승한다.
랭킨 회로(40')의 순환로(42')를 흐르는 작동 유체는, EGR 쿨러(36)에서 흡열한 후, 배기가스 열교환기(41)에 있어서 더욱 배기가스와 열교환되어, 배기가스의 온도가 저하하는 한편, 작동 유체의 온도 및 압력이 한층 더 상승한다.
이와 같이 승온, 승압된 작동 유체는, 팽창기(44)로 유입하여, 팽창기(44)에서 회전 구동력을 발생시킨다. 이것에 의해 발전기(56)가 발전구동된다. 또한, 펌프(46)가 구동됨으로써 작동 유체가 순환로(42')를 순환한다.
그런데, 제2 실시예에서는, 이와 같이 냉각수 회로(20')의 냉각수의 열과 EGR 회로(30)의 EGR 가스의 열과 배기 통로(6)의 배기가스의 열이 랭킨 회로(40')의 순환로(42')를 흐르는 작동 유체로 흡열되며, 승온 및 승압된 작동 유체에 의해 발전기(56)가 구동되어 발전이 행해지지만, 프리히터(23) 및 EGR 쿨러(36)에 있어서 작동 유체로 흡열되는 흡열량(열교환량)은, ECU(60)에 의해 적절하게 조정된다.
프리히터(23)에 있어서는, 냉각수 온도 센서(29)에 의해 검출되는 냉각수의 온도(Tw)에 근거하여, 엔진 본체(3)로 반환되는 냉각수의 온도(Tw)가 상기 소정 온도(T2)(규정 온도, 예를 들면, 80℃) 이하가 되지 않도록, 작동 유체로의 흡열량이 제어된다. 구체적으로는, 작동 유체로의 흡열량은, 프리히터(23)를 흐르는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 제어할 수 있기 때문에, ECU(60)에 의해, 삼방밸브(54)의 개방도를 가변조작하여, 프리히터(23)를 흐르는 작동 유체의 유량을 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T2) 이하가 되지 않게 조절한다. 이것에 의해, 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T2)보다 높은 온도로 유지되어, 엔진 본체(3)의 과도한 냉각에 의한 효율의 저하가 방지된다.
또한, 동시에, 냉각수의 온도(Tw)가 소정 온도(T2)보다 높아지는 것과 같은 경우에는, 냉각 팬(25)이 적당히 작동 제어되어, 라디에이터(24)에 의해 냉각되는 냉각수의 온도(Tw)는 소정 온도(T2)로 유지된다.
EGR 쿨러(36)에 대해서는, EGR 가스 온도 센서(39)에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도(Tegr)에 근거하여, 흡기로 환류되는 EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 작동 유체로의 흡열량이 제어된다. 여기에, 소정 온도(T3)는, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 100℃ 이상의 예를 들면 150℃~200℃로 된다.
구체적으로는, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)로 유지되도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하여 작동 유체의 압력을 조절하고, 혹은 펌프(46)의 용량을 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절하며, 혹은 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절한다. 혹은, EGR 쿨러(36)에서의 EGR 가스의 열의 작동 유체로의 흡열이 촉진되도록, 삼방밸브(54)의 개방도를 가변조작하여, 프리히터(23)를 흐르는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 프리히터(23)에서의 흡열량을 조절한다. 또, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)로 유지되도록, 이들을 선택적으로 조합하여 실시하도록 해도 좋다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에서는, 랭킨 회로(40')는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 가장 상류 측에 프리히터(23)가 설치되고, 다음에 EGR 쿨러(36)가 설치되며, 가장 하류 측에 배기가스 열교환기(41)가 설치되어 있으므로, 랭킨 회로(40')의 순환로(42')를 흐르는 작동 유체는, 도 4에 제2 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 바와 같이, 먼저 프리히터(23)에 있어서 냉각수의 열을 흡열하고, 다음에 EGR 쿨러(36)에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열하여 EGR 가스의 온도를 충분히 저하시키도록 할 수 있으며, 그 후 더욱 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스의 열도 흡열하도록 할 수 있다. 이것에 의해, 작동 유체의 온도 및 압력을 충분히 상승시켜 팽창기(44)를 작동시키며, 엔진(2)의 폐열을 효과적으로 발전기(56)에 의한 발전에 이용할 수 있다.
특히, 본 발명의 제2 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에서는, 프리히터(23)에 있어서, 엔진 본체(3)로 반환되는 냉각수의 온도(Tw)가 상기 소정 온도(T2)(예를 들면, 80℃) 이하가 되지 않도록 작동 유체의 유량을 조절하므로, 프리히터(23)에서 냉각수의 열을 작동 유체로 양호하게 흡열하면서, 엔진(2)의 성능의 저하를 억제할 수 있는 동시에, 하류에 위치하는 EGR 쿨러(36)에서 EGR 가스의 열을 충분히 흡열하도록 할 수 있다.
또, 제1 실시예와 마찬가지로, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하여 작동 유체의 압력을 조절하고, 혹은 펌프(46)의 용량을 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절하며, 혹은 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절하고, 혹은 삼방밸브(54)의 개방도를 가변조작하여 프리히터(23)를 흐르는 작동 유체의 유량을 조절하고, 혹은 이들을 조합하여 실시하므로, EGR 가스의 환류가 행해지는 경우에는, EGR 가스의 온도(Tegr)를 확실하게 소정 온도(T3)(예를 들면, 150℃~200℃)로 유지하도록 할 수 있으며, EGR 가스 중의 수분이 응축하여 산을 발생하지 않도록 할 수 있어, EGR 통로(32)나 EGR 밸브(34) 등의 부식을 적절하게 방지할 수 있다.
한편, 엔진(2)이 EGR 가스를 흡기로 환류할 수 없는 운전 상태에 있을 때에는, EGR 밸브(34)는 차단되어 EGR 가스는 흡기로 환류되지 않기 때문에, EGR 가스의 열을 랭킨 회로(40')에서 이용할 수 없다. 이 경우에는, 랭킨 회로(40')의 순환로(42')를 흐르는 작동 유체는, 프리히터(23)에 있어서 냉각수와 열교환되는 동시에 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스와 열교환되고, 혹은 냉각수의 온도(Tw)나 작동 유체의 온도(Tr)에 따라서는 오직 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스와 열교환되어 온도 및 압력이 상승한다.
이것에 의해, EGR 가스의 환류가 차단된 상황이더라도, 프리히터(23)나 배기가스 열교환기(41)를 통하여 엔진 본체(3)의 냉각수나 배기가스의 열을 랭킨 회로(40')의 작동 유체로 양호하게 흡열하도록 할 수 있어, EGR 회로(30) 상태에 관계없이, 엔진(2)의 폐열을 효과적으로 발전기(56)에 의한 발전에 이용할 수 있다.
［제3 실시예］
도 5는, 본 발명의 제3 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
제3 실시예에서는, 랭킨 회로(140)에 있어서 2단 팽창을 행하는 점이 상기 제 1 실시예와 다르게 되어 있으며, 이하 제 1 실시예와 다른 부분에 대하여 설명한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 랭킨 회로(140)는, 작동 유체(예를 들면, 물)의 순환로(142)에, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 상기 EGR 쿨러(36), 배기 통로(6)와의 사이에서 열교환을 행하는 배기가스 열교환기(열교환기, 과열기) (41), 팽창기(44), 제2의 배기가스 열교환기(열교환기, 과열기)(141), 제2의 팽창기(144), 랭킨 콘덴서(45), 작동 유체를 순환시키는 펌프(46)가 개재하여 장착되어 구성되어 있다. 또한, 랭킨 콘덴서(45)에는 냉각 팬(47)이 설치되어 있다. 그리고, 팽창기(44)에는, 동기 회전가능하게 발전기(56)가 연결되고, 제2의 팽창기(144)에는, 동기 회전가능하게 제2의 발전기(156)가 연결되어 있으며, 각각 ECU(60)의 출력 측에 전기적으로 접속되어 있다.
이와 같이, 랭킨 회로(140)에서는, EGR 쿨러(36) 및 배기가스 열교환기(41)에 있어서 작동 유체를 승온, 승압시키고, 승온, 승압된 작동 유체에 의해 팽창기(44)에서 회전 구동력을 발생시킨 후, 또한 제2의 배기가스 열교환기(141)에서 작동 유체를 재차 승온시켜, 재차 승온된 작동 유체에 의해 더욱 제2의 팽창기(144)에서 회전구동력을 발생시키도록 하고 있다.
이때, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, EGR 쿨러(36)에 있어서 작동 유체로 흡열하는 흡열량은, ECU(60)에 의해 적절하게 조정된다. 상세하게는, EGR 가스 온도 센서(39)에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도(Tegr)에 근거하여, 흡기로 환류되는 EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 작동 유체로의 흡열량이 제어된다. 여기에, 소정 온도(T3)는, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 100℃ 이상의 예를 들면 150℃~200℃로 된다.
구체적으로는, 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)를 유지하도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하여 작동 유체의 압력을 조절하고, 혹은 펌프(46)의 용량을 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절하며, 혹은 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하여 작동 유체의 유량을 조절한다. 또, 이들을 조합하여 EGR 가스의 온도(Tegr)가 소정 온도(T3)로 유지되도록, 발전기(56)의 부하를 가변조작하는 동시에, 펌프(46)의 용량을 가변조작하고, 또한 삼방밸브(52)의 개방도를 가변조작하도록 해도 좋다.
여기에, 발전기(56)의 부하를 가변조작하는 것은, 증발 압력은 랭킨 콘덴서(45)에 접속되어 있는 팽창기(44)의 부하를 변화시켜 컨트롤하기 위함이다. 즉, 제2의 발전기(156)가 아니라 발전기(56)의 부하를 가변조작하는 것은, 예를 들면 발전기(56)의 부하가 가벼우면 팽창기(44)가 고속으로 회전하여, 작동 유체가 속속 랭킨 콘덴서(45) 측으로 보내져, EGR 쿨러(36)에서의 증발이 따라잡지 못하고 증발 압력이 내려가는 것이지만, 한편, 제2의 발전기(156)의 부하를 가변조작하여 2단(段)째의 팽창기(144)의 부하를 가볍게 하며 팽창기(144)가 고속으로 회전하더라도, 1단째의 팽창기(44)가 빠르게 회전하지 않으면 증발 압력은 변화하지 않기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에 있어서, 랭킨 회로(140)는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 상류 측에 EGR 쿨러(36)가 설치되며, 하류 측에 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)가 설치되어 있으므로, 랭킨 회로(140)의 순환로(142)를 흐르는 작동 유체는, 도 6에 제3 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 바와 같이, 먼저 EGR 쿨러(36)에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열하여 EGR 가스의 온도를 충분히 저하시키도록 할 수 있으며, 그 후 더욱이 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)에 있어서 배기가스의 열도 흡열하도록 할 수 있어, 작동 유체의 온도 및 압력을 상승시켜 엔진(2)의 폐열을 효과적으로 발전기(56) 및 제2의 발전기(156)에 의한 발전에 이용할 수 있다.
특히, 본 발명의 제3 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에서는, 랭킨 회로(40)에 있어서, 팽창기(44)와 제2의 팽창기(144)를 구비하는 동시에, 배기가스 열교환기(41)와 제2의 배기가스 열교환기(141)를 구비하고, 배기가스 열교환기(41)에 있어서 배기가스로부터 흡열한 작동 유체로 팽창기(44)를 작동시켜 발전기(56)에 의해 발전을 행한 후, 또한 제2의 배기가스 열교환기(141)에 있어서 배기가스로부터 흡열한 작동 유체로 제2의 팽창기(144)를 작동시켜 제2의 발전기(156)에 의해 발전을 행하도록 하고 있으므로, 2단 팽창을 실시함으로써, 엔진(2)의 폐열을 한층 더 효과적으로 이용할 수 있다.
그런데, 상기 제 1 및 제2 실시예의 경우와 같이 작동 유체가 에탄올에 있어서는, 팽창기(44)의 입구 200℃에서 등엔트로피 팽창(isentropic expansion)시켜, 랭킨 콘덴서(45)의 입구에서 가스의 상태(gaseous state)를 유지할 수 있다. 그렇지만, 본 실시예와 같이 작동 유체가 물에 있어서는, 팽창기(44)의 입구 200℃에서 등엔트로피 팽창시켜, 랭킨 콘덴서(45)의 입구에서 기액(gas and liquid) 2상(相)이 되어 버린다. 약간의 액상은 문제없지만, 대폭적으로 액상이 되면 부식(erosion) 등에 의해 팽창기(44)가 손상된다고 하는 문제가 있다. 따라서, 본 실시예에 있어서는, 도중에 일단 온도를 상승시키고 나서 재팽창시키도록 하고 있다.
[제4 실시예］
도 7은, 본 발명의 제4 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
제4 실시예에서는, 상기 제 2 실시예와 마찬가지로 냉각수 회로(20)의 냉각수 순환 통로(22)를 흐르는 냉각수의 열도 랭킨 회로(140)에서 이용하는 점이 상기 제 3 실시예와 다르게 되어 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 엔진(2)에는, 냉각수 회로(20')가 설치되어 있으며, 냉각수 회로(20')의 냉각수 순환 통로(22') 중 냉각수의 흐름 방향에서 보았을 때 라디에이터(24)의 상류에는, 랭킨 회로(140')와의 사이에서 열교환을 행하는 프리히터(23)가 개재하여 장착되어 있다.
프리히터(23)는, 제2 실시예와 마찬가지로, 랭킨 회로(140')에 있어서는, 순환로(142') 중 EGR 쿨러(36)보다 상류 측에 위치하며 펌프(46)와 삼방밸브(52)와의 사이에 장착되어 있다. 즉, 제4 실시예에서는, 랭킨 회로(140')는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 가장 상류 측에 프리히터(23)가 설치되고, 다음에 EGR 쿨러(36)가 설치되며, 가장 하류 측에 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)가 설치되어 구성되어 있다. 그리고, 랭킨 회로(140')의 순환로(142')에는, 제2 실시예와 마찬가지로, 프리히터(23)를 바이패스하도록 하여 프리히터 바이패스 통로(53)가 설치되어 있고, 프리히터 바이패스 통로(53)의 순환로(142')로부터의 분기부에는 삼방밸브(54)가 개재하여 장착되며, 순환로(142')의 프리히터(23) 하류 위치에는 작동 유체의 온도(Tr)를 검출하는 작동 유체 온도 센서(59)가 설치되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에서는, 랭킨 회로(140')는, 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 차례로, 가장 상류 측에 프리히터(23)가 설치되고, 다음에 EGR 쿨러(36)가 설치되며, 가장 하류 측에 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)가 설치되어 있으므로, 랭킨 회로(140')의 순환로(142')를 흐르는 작동 유체는, 도 8에 제4 실시예에 관한 몰리에르 선도를 모식적으로 나타내는 바와 같이, 먼저 프리히터(23)에 있어서 냉각수의 열을 흡열하고, 다음에 EGR 쿨러(36)에 있어서 EGR 가스의 열을 흡열하여 EGR 가스의 온도를 충분히 저하시키도록 할 수 있으며, 그 후 더욱 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)에 있어서 배기가스의 열도 흡열하도록 할 수 있어, 상기 제 2 실시예와 동일한 효과 및 2단 팽창에 의한 제3 실시예와 동일한 효과를 나타내면서, 작동 유체의 온도 및 압력을 충분히 상승시켜 엔진(2)의 폐열을 한층 더 효과적으로 이용할 수 있다.
이상, 제1 내지 제 4 실시예에 근거하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 내연기관의 폐열 이용 장치에 의하면, EGR 가스를 포함한 엔진(2)의 복수의 열원을, EGR 가스 중의 수분을 응축시키지 않고, 효율적으로 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')에 이용할 수 있다.
또한, 냉각수나 EGR 가스나 배기가스로부터 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')의 작동 유체로 흡열할 수 있는 열량은, 차량의 적재량이나 도로 구배(句配)의 변화에 따라서 변동하는 엔진 본체(3)의 부하에 의해 증감하지만, 엔진 본체(3)의 부하의 증감은 배기가스의 온도(Tex)에 비례하기 때문에, ECU(60)에 의해, 배기 온도 센서(19)에 의해 검출되는 배기가스의 온도(Tex)에 따라서 랭킨 콘덴서(45)의 냉각 팬(47)의 작동을 제어하는 것이 좋다.
구체적으로는, 배기 온도 센서(19)에 의해 검출되는 배기가스의 온도(Tex)의 상승에 따라서 냉각 팬(47)의 회전 속도를 증대시킨다. 이와 같이 함으로써, 차량의 적재량이 많은 경우나 구배가 큰 경우라도, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')를 더욱 효율적으로 기능시킬 수 있다.
냉각수나 EGR 가스나 배기가스로부터 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')의 작동 유체를 흡열할 수 있는 열량이 충분하여 팽창기(44) 입력 전의 증발 압력(고압측 압력)을 상승시킬 수 있더라도, 랭킨 콘덴서(45)에 있어서의 방열량이 충분하지 않으면 응축압(저압측 압력)이 상승하여, 팽창기(44) 전후의 압력비가 충분히 취해지지 않으며, 팽창기(44)에서 회수할 수 있는 출력을 향상시킬 수 없다. 즉, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')의 고압측에서의 입력이 증가한 만큼, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')의 저압측에서의 방열량도 증가시키지 않으면 안 된다.
그 때문에, 랭킨 콘덴서(45)의 압력이나 온도를 검출하여 랭킨 콘덴서(45)의 압력이 소정 압력값이 되도록 냉각 팬(47)의 회전 속도를 제어하여 랭킨 콘덴서(45)에서의 방열량을 증가시키는 것은 이미 행해지고 있다.
그러나, 랭킨 콘덴서(45)의 압력이나 온도를 검출하여 랭킨 콘덴서(45)의 압력이 소정 압력값이 되도록 냉각 팬(47)의 회전 속도를 제어하는 경우, 차량이 오르막길 주행상태로 들어감으로써 엔진 본체(3)의 부하가 커지며 엔진 본체(3)로부터의 폐열 회수가 가능한 상태에도 불구하고, 랭킨 콘덴서(45)의 압력이나 온도의 변동이 조금 지연되어 검출되기 때문에, 엔진 본체(3)의 부하 증대에 의한 폐열이 충분히 회수되지 않는 상태가 잠시 계속된다. 또, 차량이 오르막길 주행상태로부터 평지 주행상태로 이동한 경우, 엔진 본체(3)의 부하가 감소하여 엔진 본체(3)로부터의 폐열 회수량이 적어진 상태임에도 불구하고, 랭킨 콘덴서(45)의 압력이나 온도의 변동이 조금 지연되어 검출되기 때문에, 냉각 팬(47)을 작동시켜 쓸데없는 전력을 소비하는 상태가 발생하는 경우가 있다.
한편, 트럭 등의 중량 차량의 경우, 차량의 적재량이나 오르막 구배 등의 영향으로 엔진 본체(3)의 부하가 변동하지만, 도 9에 나타내는 바와 같이, 엔진 본체(3)의 부하(엔진 출력)의 증감은 배기가스 온도(가스 온도)에 비례하는 것, 및, 배기가스 온도는 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')에 있어서의 랭킨 콘덴서(45)의 압력이나 온도에 비해 엔진 부하에 대한 응답성이 빠른 것이 본 발명의 발명자의 연구 결과에 의해 명백해졌다. 이것으로부터, ECU(60)가, 배기 온도 센서(19)에 의해 검출되는 배기가스의 온도(Tex)에 따라서 랭킨 콘덴서(45)의 냉각 팬(47)의 작동을 제어함으로써, 엔진 본체(3)의 부하 변동에 즉시 대응하여 폐열 회수가 도모되며, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')를 효율적으로 작동시킬 수 있다. 또, 배기가스의 온도는, EGR 가스 온도를 측정함으로써, 더욱 양호한 응답성으로 폐열 회수가 도모되어, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')를 효율적으로 작동시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 일실시 형태에 대한 설명을 마치지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능한 것이다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 랭킨 회로(40, 40', 140, 140')에 있어서, 팽창기(44, 144)에 의해 회전 구동력을 발생시키며, 발전기(56, 156)로 발전을 행하도록 하여 엔진(2)의 폐열을 전기 에너지로 변환하여 이용하도록 하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 팽창기(44, 144)의 회전 구동력으로 엔진 본체(3)의 구동을 어시스트하도록 하여도 좋다.
또, 상기 실시 형태에서는, 엔진 본체(3)가 예컨대 디젤 엔진인 경우를 예로 설명했지만, 엔진 본체(3)는 내연기관이면 예컨대 가솔린엔진이어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 배기가스 열교환기(41) 및 제2의 배기가스 열교환기(141)는, 배기 통로(6)에 직렬로 배치했지만, 배기 통로를 2중으로 하여 병렬로 해도 좋다.
또, 상기 실시 형태에서는, 프리히터(23), EGR 쿨러(36)에서의 흡열량은, 작동 유체를 바이패스시켜 조정했지만, 냉각수나 EGR 가스를 바이패스시켜 조정해도 좋다.
또한, 흡열원으로서 더욱이 인터쿨러(10)의 폐열이나 도시하지 않은 오일 쿨러(oil cooler) 등을 추가하도록 해도 좋다.
또, 팽창기(44) 및 제2의 팽창기(144)를 동축으로 배치하고, 발전기(56) 및 제2의 발전기(156)를 하나로 통합하도록 해도 좋다.
2 엔진
3 엔진 본체(내연기관)(engine body(internal combustion engine))
6 배기 통로(exhaust passage)
20, 20' 냉각수 회로
23 프리히터(냉각수 열교환기, 열교환기)(preheater(cooling water heat exchanger, heat exchanger))
29 냉각수 온도 센서(냉각수 온도 검출 수단)(cooling water temperature sensor(cooling water temperature detector))
30 EGR 회로
36 EGR 쿨러(열교환기)
39 EGR 가스 온도 센서(EGR 가스 온도 검출 수단)
40, 40', 140, 140' 랭킨 회로
41 배기가스 열교환기(열교환기, 과열기)(exhaust gas heat exchanger (heat exchanger, superheater))
44 팽창기(expander)
45 랭킨 콘덴서(응축기)(Rankine condenser(condenser))
46 펌프
50 EGR 쿨러 바이패스 통로(EGR cooler bypass passage)
52 삼방밸브(조절 밸브)(three-way valve(regulating valve))
53 프리히터 바이패스 통로(냉각수 열교환기 바이패스 통로)
54 삼방밸브(제2의 조절 밸브)
56 발전기(electric generator)
60 전자 제어 유닛(ECU)
141 제2의 배기가스 열교환기(열교환기, 과열기)
144 제2의 팽창기
156 제2의 발전기

Claims (7)

  1. 작동 유체의 순환로에, 내연기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기, 상기 복수의 열교환기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생하는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 열교환기로 송출하는 펌프가 순차 개재하여 장착(介裝)된 랭킨 회로와,
    내연기관의 배기가스를 대기에 방출시키는 배기 통로 사이에 장착된 배기가스 열교환기와,
    내연기관의 배기가스의 일부를 EGR 가스로서 흡기로 환류시키는 EGR 통로, 상기 EGR 통로 사이에 장착되어 적어도 내연기관의 운전 상태에 따른 개폐에 의해 EGR 가스의 유통과 차단을 행하는 EGR 밸브 및 상기 EGR 통로 사이에 장착되어 EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 가지는 EGR 회로와,
    상기 EGR 통로의 EGR 가스의 흐름 방향에서 보았을 때 상기 EGR 쿨러의 하류에 설치되어, EGR 가스의 온도를 검출하는 EGR 가스 온도 검출 수단과,
    적어도, 상기 EGR 밸브가 개방되어 EGR 가스가 유통되고 있을 때, 상기 EGR 쿨러에서의 EGR 가스의 열교환량을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 랭킨 회로에 있어서의 상기 복수의 열교환기는, 상기 EGR 쿨러와 상기 배기가스 열교환기로서, 상기 순환로의 작동 유체의 흐름방향에서 보았을 때 상기 EGR 쿨러가 상기 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하며, 상기 EGR 쿨러에서 EGR 가스의 열에 의해 작동 유체를 가열하고, 상기 배기가스 열교환기에서 배기가스의 열에 의해 작동 유체를 가열하도록 구성되며,
    상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 EGR 쿨러에서의 EGR 가스와 작동 유체 간의 열교환량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 랭킨 회로의 상기 팽창기의 부하를 변화시킴으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 압력을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 랭킨 회로의 상기 펌프의 토출량을 변화시킴으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 랭킨 회로는, 상기 순환로로부터 분기(分岐) 합류하여 상기 EGR 쿨러를 바이패스하는 EGR 쿨러 바이패스 통로와, 작동 유체의 흐름을 상기 순환로와 상기 EGR 쿨러 바이패스 통로로 조절하는 조절 밸브를 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 조절 밸브를 조절함으로써 상기 EGR 쿨러를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    내연기관의 냉각수를 라디에이터로 순환시키는 냉각수 통로와, 상기 냉각수 통로 사이에 장착되어 냉각수의 열과 작동 유체의 열을 열교환하는 냉각수 열교환기를 가지는 냉각수 회로를 더 구비하고,
    상기 랭킨 회로에 있어서의 상기 순환로의 작동 유체의 흐름 방향에서 보았을 때 상기 냉각수 열교환기가 상기 EGR 쿨러 및 상기 배기가스 열교환기보다 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 랭킨 회로는, 상기 순환로로부터 분기 합류하여 상기 냉각수 열교환기를 바이패스하는 냉각수 열교환기 바이패스 통로와, 작동 유체의 흐름을 상기 순환로와 상기 냉각수 열교환기 바이패스 통로로 조절하는 제2의 조절 밸브와, 내연기관으로 반환되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 검출 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 냉각수 온도 검출 수단에 의해 검출되는 냉각수의 온도가 규정 온도 이하가 되지 않도록, 상기 제 2의 조절 밸브를 조절함으로써 상기 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 EGR 가스 온도 검출 수단에 의해 검출되는 EGR 가스의 온도가 소정 온도 범위가 되도록, 상기 제 2의 조절 밸브를 조절하여 상기 냉각수 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 변화시킴으로써 상기 냉각수 열교환기에서의 흡열량을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 폐열 이용 장치.
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