KR20150073704A - 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: 내연기관의 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인; EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각함과 동시에 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛; 및 상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 사이에 형성되어 상기 작동 유체의 기체 성분만을 상기 터빈에 공급하는 기액 분리기;를 구비할 수 있다.

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 내연기관이 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.

상기 배기열 재활용 시스템의 효율을 높이기 위해서는 작동 유체를 최대한 기화시키고, 작동 유체를 고에너지 상태에서 터빈에 고속으로 공급해야 하는데, 차량 등에 내연기관이 설치되는 레이아웃이나, 주변의 온도, 겨울과 같이 기온이 낮은 경우 등 수많은 변수에 의하여 기체 상태의 작동 유체 중 일부는 터빈에 공급되기 전에 액화될 수 있으며, 액체 상태의 작동 유체가 터빈에 유입되면 터빈 내부의 유효 체적이 줄어들어 배기열 재활용 시스템의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 터빈 내부의 유효 체적을 최대한 확보하여 효율을 높일 수 있는 내연기관의 배기열 재활용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템은: 내연기관의 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인; EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각함과 동시에 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛; 및 상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 사이에 형성되어 상기 작동 유체의 기체 성분만을 상기 터빈에 공급하는 기액 분리기;를 구비할 수 있다.

또한, 상기 기액 분리기는, 액체 상태의 상기 작동 유체를 내부에 수용할 수 있는 액체 수용 챔버; 및 상기 EGR측 열교환 유닛으로부터 상기 터빈을 잇는 도관인 터빈 유입관과 상기 액체 수용 챔버를 유체 연통시키는 연통관;을 가질 수 있다.

또한, 상기 연통관은, 상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 중 상기 EGR측 열교환 유닛에 상대적으로 가까이 배치되는 제1 연통관과, 상기 터빈에 상대적으로 가까이 배치되는 제2 연통관을 가질 수 있다.

또한, 상기 터빈 유입관의 상기 제1 연통관과 연결된 부분의 직경과, 상기 터빈 유입관의 상기 제2 연통관과 연결된 부분의 직경은 동일할 수 있다.

또한, 상기 액체 수용 챔버는 상기 터빈 유입관보다 낮은 곳에 배치될 수 있다.

또한, 상기 연통관의 상측 단부는 상기 터빈 유입관의 측부 또는 하부에 연결될 수 있다.

또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 배기 가스를 외부로 배출하는 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 유닛보다 상기 작동 유체 순환 라인의 상류 측에 배치되어 있을 수 있다.

또한, 상기 작동 유체는 상기 배기측 열교환 유닛을 상시 통과하며, 상기 작동 유체는 상기 EGR 라인을 흐르는 배기 가스의 온도가 특정 온도(T1) 이상일 때만 상기 EGR측 열교환 유닛을 통과할 수 있다.

또한, 상기 T1은 500℃일 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈 내부의 유효 체적을 최대한 확보하는 것에 의하여 효율을 높일 수 있는 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 본 발명에 구비되는 기액 분리기의 사시도이다.
도 3은 기액 분리기와 터빈 유입관 내부를 흐르는 작동 유체의 흐름을 나타낸 개략도이다.

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.

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

본 발명은 EGR 라인(200)으로부터 전달받은 열에 의하여 기화되어 터빈(340)에 공급되는 작동 유체가 액화되는 경우에 발생하는 문제를 해결하는 데에 주안점이 있으나, 이와 같은 문제의 해결에 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 터빈(340)에 공급되는 작동 유체가 액화되는 문제를 해결하는 것과 관련된 구성 및 이로 인한 효과에 대하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템(이하, '재활용 시스템'이라 한다)은, 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인(200)과, EGR 라인(200)으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈(340)을 회전시키는 작동 유체 순환 라인(100)과, EGR 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛(300)과, 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 배기 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛(400)을 구비한다.

작동 유체는 배기측 열교환 유닛(400)을 상시 통과하나, EGR 라인(200)을 흐르는 배기 가스의 온도가 특정 온도(T1) 이상일 때에만 작동 유체가 EGR측 열교환 유닛(300)을 통과한다. 디젤 엔진(1)을 기준으로 하였을 때 T1은 500℃로 설정될 수 있다.

이하에서는, T1이 500℃로 설정되었을 때를 예로 들어 EGR 가스의 EGR 라인(200)을 통한 순환 경로에 대하여 설명하도록 한다.

배기 매니폴드(3)로부터 EGR 밸브(210)를 통해 EGR 바이패스 밸브(220)로 인가되는 EGR 가스가 500℃ 이상이면 EGR 바이패스 밸브(220)는 개방되어 도 1을 기준으로 EGR 가스는 EGR 바이패스 밸브(220)의 오른쪽으로 이동하여 EGR측 열교환 유닛(300)을 통과하여 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, 배기 가스의 온도가 충분히 상승한 이후에 배기 가스를 EGR측 열교환 유닛(300)으로 인가함으로써 배기 열을 재활용 할 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.

EGR 가스가 EGR측 열교환 유닛(300)에 유입되는 흐름을 기준으로, 슈퍼 히터(310)는 EGR 쿨러(320)보다 상류 측에 배치될 수 있는데, 이 경우, EGR 가스는 슈퍼 히터(310)를 통과하면서 작동 유체에 열량을 많이 전달할 수 있고, 작동 유체에 미처 전달되지 못한 열량을 갖는 EGR 가스가 비로소 EGR 쿨러(320)에 의하여 냉각되기 때문에, 작동 유체는 EGR 가스로부터 최대한 많은 열량을 회수할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는, 작동 유체 순환 라인(100) 상에서 작동 유체가 순환하는 경로에 대하여 설명하도록 한다.

액체 상태의 작동 유체를 저장하며 유입구(62)와 유출구(64)를 갖는 리저버 탱크(60)의 유출구(64)를 통하여 작동 유체가 작동 유체 펌프(70)에 공급되며, 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 저하 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(340)에는 슈퍼 히터(310)를 통과한 기체 상태의 작동 유체만이 공급된다. 기액 분리기(330)에 대해서는 차후에 상세하게 설명하도록 한다.

이와 같이, 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)로부터 열을 전달 받으며, 배기측 열교환 유닛(400)은 EGR측 열교환 유닛(300)보다 작동 유체 순환 라인(100)의 상류 측에 배치되어 있으므로, 순서대로 배기측 열교환 유닛(400)과, EGR측 열교환 유닛(300)을 통과하며 열을 추가적으로 전달받는다.

기체 상태의 작동 유체는 터빈(340)에 공급되어 터빈(340)을 회전시키고, 터빈(340)을 회전시키는 것에 의하여 에너지를 잃은 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하여 리저버 탱크(60)의 유입구(62)로 되돌아온다.

이와 같은 경로를 통해 순환되는 작동 유체는 랭킨 사이클 조건을 만족할 수 있는데, 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.

리큐퍼레이터(50)는 리저버 탱크(60)의 유입구(62) 및 유출구(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 유출구(64)로부터 흘러나오는 작동 유체의 관점에서 보면, 터빈(340)을 통과한 후 리큐퍼레이터(50)로 유입되는 작동 유체로부터 열을 전달 받아 가열되며, 반대로, 터빈(340)을 통과한 후 리큐퍼레이터(50)로 유입되는 작동 유체의 관점에서 보면, 리저버 탱크(60)의 유출구(64)로부터 흘러나오는 작동 유체에 의하여 냉각된다. 이와 같이 리큐퍼레이터(50)는 리저버 탱크(60)의 유입구(62)를 기준으로 리저버 탱크(60)의 상류 측에 배치되고, 리저버 탱크(60)의 유출구(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 유입구(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(340)을 잇는 도관인 터빈 유입관(304) 상의 지점, 그리고, 터빈(340)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(340)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(340)을 회전시켜야 하고, 터빈(340)이 고속으로 회전하면서 파손되는 것을 방지하기 위하여 터빈(340)은 터빈 윤활유에 의하여 윤활 된다. 따라서, 터빈(340)을 통과한 작동 유체에는 터빈 윤활유가 섞일 수 있으며, 터빈(340)으로부터 배출되는 터빈 윤활유를 비롯하여 작동 유체가 아닌 다른 유체들을 작동 유체 순환 라인(100)으로부터 분리하기 위한 오일 분리기(302)는 터빈(340)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(6B)를 고속으로 회전시키면서, 이 임펠러(6B)와는 동축으로 형성된 흡기측 임펠러(6A)를 회전시키고, 이에 의하여 과급된 공기는 인터쿨러(5)와 엔진 라디에이터(4)를 거쳐 흡기 매니폴드(2)에 유입될 수 있다. 임펠러(6B)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(6A, 6B) 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.

이하에서는 작동 유체에 의하여 회전하는 터빈(340)의 회전력을 이용하는 방식에 대하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 모터 제너레이터(10)는 터빈(340)의 회전축과 함께 회전 할 수 있으며, 터빈(340)으로부터 회전력을 전달받아 배터리(20)에 저장하거나 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있고, 배터리(20)로부터 전력을 공급받아 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 터빈(340)과 모터 제너레이터(10)의 회전자는 동축으로 연결되어 있고, 터빈(340)은 풀리(도 1을 기준으로 터빈의 위쪽 단부에 연결될 수 있음)와 클러치에 의하여 연결될 수 있으며, 이 클러치는 터빈(340)과 풀리를 서로 단속할 수 있다.

터빈(340)이 회전하면 모터 제너레이터(10)는 전력을 생산하고, 이 전력을 배터리(20)에 저장해 둘 수 있다. 만약 클러치가 터빈(340)과 풀리를 서로 단절시킨 상태라면 터빈(340)의 회전은 전력 생산에만 사용되며, 클러치가 터빈(340)과 풀리를 서로 접속시킨 상태라면 터빈(340)의 회전력은 전력 생산뿐만 아니라 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가하는 데에 사용될 수도 있다. 여기서, 내연기관에 설치된 회전축이란 구동축에 동력을 전달하는 엔진(1)의 메인 구동축이 될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 에어컨 펌프, 냉각수 펌프 등 엔진(1)에 부가적으로 장착되며 회전력을 이용하여 가동하는 장치들을 구동하는 축이 될 수도 있다.

또한, 작동 유체가 순환하지 않아서 모터 제너레이터(10)가 터빈(340)으로부터 구동력을 전달받지 않을 때, 모터 제너레이터(10)는 모터의 역할을 수행할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면 터빈(340)과 풀리는 클러치에 의하여 서로 접속되며, 배터리(20)를 전력 소스로 하여 인버터(30)를 통과한 전력이 모터 제너레이터(10)에 공급되어, 모터 제너레이터(10) 및 이에 연결된 터빈(340)과 풀리를 모두 회전시키고, 풀리는 내연기관에 설치된 회전축에 벨트(체인 또는 기어 등으로 대체 가능함)에 의하여 연결되어 있기 때문에 결국 모터 제너레이터(10)는 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있다.

한편, 엔진(1)의 기어 트레인(7)에는 동력 전달부(40)가 맞물리도록 설치될 수 있는데, 이 동력 전달부(40)는 배터리(20)로부터 인버터(30)를 통해 전력을 전달받아 엔진(1)을 시동하는 데에 사용될 수도 있고, 엔진(1)을 보조하는 구동원으로서의 역할을 수행하여 엔진(1)의 출력을 상승시키거나 엔진(1)의 부하를 낮춰 엔진(1)의 연비를 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.

이하에서는, 터빈(340)에 공급되는 작동 유체가 액화되는 문제를 해결하는 것과 관련된 구성 및 이로 인한 효과에 대하여 설명하도록 한다.

EGR측 열교환 유닛(300)은 EGR 가스와 작동 유체를 열교환하여 EGR 가스를 냉각함과 동시에 EGR 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 구성인데, 기액 분리기(330)는 EGR측 열교환 유닛(300)과 터빈(340) 사이에 형성되어 있으며, 작동 유체의 기체 성분만을 터빈(340)에 공급한다. 여기서 작동 유체의 기체 성분만을 터빈(340)에 공급한다는 것은, 수학적으로 정확히 100% 기체 상태인 작동 유체를 터빈(340)에 공급하는 것뿐만 아니라, 작동 유체로부터 액체 성분을 분리해 낸 상태로서 대부분의 액체 성분이 제거되어 주로 기체 성분을 포함하는 작동 유체를 터빈(340)에 공급하는 것도 포함하는 의미로 사용되는 것임을 분명하게 밝혀둔다.

도 2는 본 발명에 구비되는 기액 분리기의 사시도이고, 도 3은 기액 분리기와 터빈 유입관 내부를 흐르는 작동 유체의 흐름을 나타낸 개략도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 기액 분리기(330)는, 액체 상태의 작동 유체를 내부에 수용할 수 있는 액체 수용 챔버(334)와, 터빈 유입관(304)과 액체 수용 챔버(334)를 유체 연통시키는 연통관(332)을 갖는다.

여기서 연통관(332)은, EGR측 열교환 유닛(300)과 터빈(340) 중에서 EGR측 열교환 유닛(300)에 상대적으로 가까이 배치되는 제1 연통관(332A)과, 터빈(340)에 상대적으로 가까이 배치되는 제2 연통관(332B)을 가질 수 있다.

EGR측 열교환 유닛(300)으로부터 터빈 유입관(304)으로 이송되는 작동 유체는 제1 연통관(332A)과 터빈 유입관(304)의 분기점에서 흐름이 나눠져, 일부는 터빈 유입관(304)을 따라 계속 흐르며, 다른 일부는 액체 수용 챔버(334)의 내부로 유입된다. 기체 상태의 작동 유체는 터빈 유입관(304)을 따라 계속 흐르거나, 액체 수용 챔버(334)의 내부로 유입되더라도 제2 연통관(332B)을 통하여 터빈 유입관(304)에 다시 합류할 수 있다. 그러나, 액체 상태의 작동 유체는 중력에 의하여 제1 연통관(332A)을 통해 액체 수용 챔버(334)의 내부에 유입되어 저장되므로, 제2 연통관(332B)을 통해 터빈 유입관(304)으로 합류할 수 없다. 이와 같은 방식으로 기체 상태의 작동 유체만이 터빈 유입관(304)을 통해 터빈(340)까지 공급될 수 있다.

EGR측 열교환 유닛(300)으로부터 터빈 유입관(304)으로 유입되는 작동 유체는 고속으로 이동하기 때문에, 액체 상태의 작동 유체 중 일부는 제1 연통관(332A)으로 미처 이동하지 못할 수도 있으나, 작동 유체의 흐름의 하류 측에 제2 연통관(332B)이 위치하기 때문에, 제1 연통관(332A)으로 미처 이동하지 못한 액체 상태의 작동 유체는 제2 연통관(332B)을 통해 액체 수용 챔버(334) 내에 저장될 수 있다.

연통관(332)의 개수가 1개인 경우에도 액체 상태의 작동 유체가 액체 수용 챔버(334)에 저장될 수 있고, 기체 상태의 작동 유체가 연통관(332)을 통해 액체 수용 챔버(334)로 유입되더라도 다시 연통관(332)을 통해 빠져 나올 수 있다. 그러나, 위와 같이 연통관(332)의 개수가 적어도 2개인 경우에는 기체 상태의 작동 유체가 액체 수용 챔버(334)로 들어가는 경로와 나오는 경로가 다르기 때문에 작동 유체의 흐름이 더 원활해지는 장점이 있다.

만약 터빈 유입관(304)의 제1 연통관(332A)과 연결된 부분의 직경이, 터빈 유입관(304)의 제2 연통관(332B)과 연결된 부분의 직경보다 크다면, 터빈 유입관(304)은 벤투리 관의 역할을 수행하게 되며 이로 인해 액체 수용 챔버(334) 내부에 저장된 액체 상태의 작동 유체가 터빈 유입관(304)으로 빨려 올라올 수 있다. 반대로, 터빈 유입관(304)의 제1 연통관(332A)과 연결된 부분의 직경이, 터빈 유입관(304)의 제2 연통관(332B)과 연결된 부분의 직경보다 작다면 액체 상태의 작동 유체가 터빈 유입관(304)으로 빨려 올라오는 현상은 발생하지 않지만, 작동 유체가 이동하는 터빈 유입관(304)의 단면적이 점점 커지게 되므로 작동 유체의 속도가 느려지게 되고, 터빈(340)은 고속으로 회전할 수 없게 된다.

따라서, 터빈 유입관(304)의 제1 연통관(332A)과 연결된 부분의 직경은 터빈 유입관(304)의 제2 연통관(332B)과 연결된 부분의 직경과 동일한 것이 바람직하며, 이 경우, 액체 수용 챔버(334) 내부에 저장된 액체 상태의 작동 유체가 터빈 유입관(304)으로 빨려 올라오는 현상을 방지함과 동시에 터빈(340)에 강한 에너지를 가할 수 있다.

별도의 펌프가 없더라도, 터빈 유입관(304)을 통과하는 액체 상태의 작동 유체가 중력에 의하여 원활하게 액체 수용 챔버(334)에 저장될 수 있도록, 액체 수용 챔버(334)는 터빈 유입관(304)보다 낮은 곳에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 터빈 유입관(304)을 지나는 작동 유체로부터 액체 상태의 작동 유체를 최대한으로 분리할 수 있도록, 제1 연통관(332A)과 제2 연통관(332B)의 상측 단부는 터빈 유입관(304)의 하부에 연결되거나 적어도 측부에 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 재활용 시스템은 기액 분리기(330)를 구비하고 있기 때문에, 작동 유체에서 액체 성분을 최대한 제거한 기재 상태의 작동 유체를 터빈(340)에 온전하게 공급할 수 있으며, 이로 인해 터빈(340) 내부의 유효 체적을 최대한 확보할 수 있고, 배기열 재활용의 효율을 높일 수 있는 효과가 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 7 : 기어 트레인
10 : 모터 제너레이터 20 : 배터리
30 : 인버터 40 : 동력 전달부
50 : 리큐퍼레이터 60 : 리저버 탱크
62 : 유입구 64 : 유출구
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 332 : 연통관
332A : 제1 연통관 332B : 제2 연통관
334 : 액체 수용 챔버 340 : 터빈
350 : 작동 유체 바이패스 352 : 작동 유체 바이패스 밸브
360 : 냉각팬 370 : TEG 콘덴서
400 : 배기측 열교환 유닛 402 : 후처리 유닛
404 : 배기관

Claims (10)

1. 내연기관의 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인;
   EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각함과 동시에 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛; 및
   상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 사이에 형성되어 상기 작동 유체의 기체 성분만을 상기 터빈에 공급하는 기액 분리기;를 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기액 분리기는,
   액체 상태의 상기 작동 유체를 내부에 수용할 수 있는 액체 수용 챔버; 및
   상기 EGR측 열교환 유닛으로부터 상기 터빈을 잇는 도관인 터빈 유입관과 상기 액체 수용 챔버를 유체 연통시키는 연통관;을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 연통관은, 상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈 중 상기 EGR측 열교환 유닛에 상대적으로 가까이 배치되는 제1 연통관과, 상기 터빈에 상대적으로 가까이 배치되는 제2 연통관을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 터빈 유입관의 상기 제1 연통관과 연결된 부분의 직경과, 상기 터빈 유입관의 상기 제2 연통관과 연결된 부분의 직경은 동일한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 액체 수용 챔버는 상기 터빈 유입관보다 낮은 곳에 배치된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
6. 제2항에 있어서,
   상기 연통관의 상측 단부는 상기 터빈 유입관의 측부 또는 하부에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 배기측 열교환 유닛은 상기 EGR측 열교환 유닛보다 상기 작동 유체 순환 라인의 상류 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
9. 제7항에 있어서,
   상기 작동 유체는 상기 배기측 열교환 유닛을 상시 통과하며,
   상기 작동 유체는 상기 EGR 라인을 흐르는 배기 가스의 온도가 특정 온도(T1) 이상일 때만 상기 EGR측 열교환 유닛을 통과하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 T1은 500℃인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.

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