KR20150073705A - 내연기관의 배기열 재활용 시스템 - Google Patents

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김세영
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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: 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인; 상기 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인; 및 상기 EGR 라인과 상기 작동 유체 순환 라인을 열적으로 연결해 주며, EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각하고, 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛;을 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.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 내연기관 자체의 출력을 낮추지 않고서도 효율적으로 내연기관의 배기열을 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 배기 가스의 배출을 방해하지 않으면서도 내연기관의 배기열을 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템은: 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인; 상기 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인; 및 상기 EGR 라인과 상기 작동 유체 순환 라인을 열적으로 연결해 주며, EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각하고, 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛;을 구비할 수 있다.
또한, 상기 작동 유체는 랭킨 사이클 조건을 만족할 수 있다.
또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 상기 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 상기 터빈의 회전축과 함께 회전할 수 있는 모터 제너레이터를 더 구비하며, 상기 모터 제너레이터는, 상기 터빈으로부터 회전력을 전달받아 배터리에 저장하거나 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있고, 상기 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 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.
한편, 상기 T1은 500℃일 수 있다.
또한, 상기 배기측 열교환 유닛은 상기 EGR측 열교환 유닛보다 상기 작동 유체 순환 라인의 상류 측에 배치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 액체 상태의 작동 유체를 저장하며 유입구와 유출구를 갖는 리저버 탱크; 및 상기 리저버 탱크의 유입구 및 유출구 모두와 유체 연통되어 상기 리저버 탱크로 유입되는 작동 유체와 상기 리저버 탱크로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시키는 리큐퍼레이터;를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 리큐퍼레이터는, 상기 유입구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 상류 측에 배치되고, 상기 유출구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 하류 측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 배기측 열교환 유닛은, 상기 배기 가스의 오염 물질 저감을 위하여 상기 배기 라인에 설치되는 후처리 유닛의 하류 측에 설치될 수 있다.
또한, 상기 EGR측 열교환 유닛은, EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러; 및 상기 배기측 열교환 유닛을 통과한 상기 작동 유체에 EGR 가스로부터의 열을 전달하는 슈퍼 히터를 가질 수 있다.
또한, 상기 EGR 가스가 상기 EGR측 열교환 유닛에 유입되는 흐름을 기준으로 상기 슈퍼 히터는 상기 EGR 쿨러보다 상류 측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 배기측 열교환 유닛은, 배기 가스가 통과하는 배기관; 상기 배기관을 내부에 수용하며 상기 작동 유체가 유입되는 챔버 입구와 상기 작동 유체가 빠져 나가는 챔버 출구를 갖는 열교환 챔버; 및 상기 열교환 챔버의 내부 공간을 상기 배기관의 길이 방향을 따라 복수 개의 구역으로 구획하는 배플;을 구비하며, 상기 배플의 적어도 일부에는 상기 열교환 챔버의 내부 공간의 일 구역으로부터 이와 인접한 타구역으로 상기 작동 유체의 이동을 허용하는 연통공이 형성될 수 있다.
또한, 어느 한 배플에 형성된 연통공 및 이와 인접한 다른 배플에 형성된 연통공은 서로 반대 측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 배기측 열교환 유닛은, 상기 열교환 챔버의 내측면으로부터 이격된 상태에서, 상기 열교환 챔버의 내부에 형성되는 복수 개의 구역 중 상기 챔버 입구와 연결되어 있는 구역인 입구 구역에 형성되되, 상기 작동 유체를 미립화시키기 위한 복수 개의 분무공을 갖는 노즐 플레이트를 가질 수 있다.
또한, 상기 챔버 입구의 상기 열교환 챔버의 내부 공간 측 단부는 깔때기 형상일 수 있다.
또한, 내연기관의 배기열 재활용 시스템은, 상기 리저버 탱크와 상기 리큐퍼레이터 사이에 배치된 작동 유체 펌프를 더 구비하며, 상기 리저버 탱크와 상기 작동 유체 펌프를 잇는 배관은 단열 처리될 수 있다.
또한, 상기 작동 유체 순환 라인은, 상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈의 사이 지점 및 상기 터빈과 상기 리큐퍼레이터의 사이 지점을 연결하는 작동 유체 바이패스와, 상기 작동 유체 바이패스에 설치되어 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터로 선택적으로 바이패스 시키는 작동 유체 바이패스 밸브를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 작동 유체 순환 라인은, 상기 터빈과 리큐퍼레이터 사이의 배관에 형성되어 상기 터빈으로부터 배출되는 터빈 윤활유를 분리하는 오일 분리기를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 작동 유체 순환 라인은, 상기 리저버 탱크의 유입구와 상기 리큐퍼레이터 사이에 배치되어 상기 작동 유체로부터 열량을 빼앗는 TEG 콘덴서를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 작동 유체 순환 라인은 냉각팬을 더 구비하고, 상기 리큐퍼레이터와 상기 TEG 콘덴서 사이의 배관은 냉각 효율을 높이기 위하여 복수 회만큼 구부러져 있는 작동 유체 라디에이터로 형성되며, 상기 작동 유체 라디에이터는 상기 냉각팬에 의하여 냉각될 수 있다.
본 발명에 따르면, 내연기관 자체의 출력을 낮추지 않고서도 효율적으로 내연기관의 배기열을 재활용할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 배기 가스의 배출을 방해하지 않으면서도 내연기관의 배기열을 재활용할 수 있는 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 작동 유체 라디에이터의 사시도이다.
도 3은 오일 분리기의 사시도이다.
도 4는 배기측 열교환 유닛의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 배기측 열교환 유닛의 종단면도이다.
도 6은 배기측 열교환 유닛에 설치되는 노즐 플레이트의 사시도이다.
도 7은 챔버 입구의 변형례의 종단면도이다.
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.
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(330)을 회전시키는 작동 유체 순환 라인(100)과, EGR 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛(300)을 구비한다.
또한, 재활용 시스템은, 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 배기 가스로부터의 열을 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛(400)을 더 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. 슈퍼 히터(310)를 통과할 때까지도 미처 기화되지 못한 액체 상태의 작동 유체는 기액 분리기(312)에 의하여 분리되고, 터빈(330)에는 슈퍼 히터(310)를 통과한 기체 상태의 작동 유체만이 공급된다.
즉, 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(330)에 공급되어 터빈(330)을 회전시키고, 터빈(330)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(330)을 통과한 후 리큐퍼레이터(50)로 유입되는 작동 유체로부터 열을 전달 받아 가열되며, 반대로, 터빈(330)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.
도 2는 작동 유체 라디에이터의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 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 냉각 효율을 높이기 위하여 복수 회만큼 구부러져 있는 작동 유체 라디에이터(362)로 형성될 수 있으며, 이 작동 유체 라디에이터(362)는 냉각팬(360)에 의하여 냉각될 수 있다. 작동 유체 라디에이터(362)의 단부(364)는 TEG 콘덴서(370) 쪽으로 연결되어, 작동 유체 라디에이터(362)와 냉각팬(360)에 의하여 냉각된 작동 유체가 TEG 콘덴서(370)에 의하여 추가적으로 냉각될 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)과 터빈(330)의 사이 지점, 그리고, 터빈(330)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(330)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.
도 3은 오일 분리기의 사시도이다.
작동 유체 순환 라인(100)에서는 작동 유체만이 순환하는 것이 이상적이나, 고온의 작동 유체는 터빈(330)을 회전시켜야 하고, 터빈(330)이 고속으로 회전하면서 파손되는 것을 방지하기 위하여 터빈(330)은 터빈 윤활유에 의하여 윤활 된다. 따라서, 터빈(330)을 통과한 작동 유체에는 터빈 윤활유가 섞일 수 있으며, 터빈(330)으로부터 배출되는 터빈 윤활유를 비롯하여 작동 유체가 아닌 다른 유체들을 작동 유체 순환 라인(100)으로부터 분리하기 위한 오일 분리기(340)는 터빈(330)과 리큐퍼레이터(50) 사이의 배관에 형성될 수 있는데, 오일 분리기(340)의 예시적인 구조가 도 3에 도시되어 있다.
오일 분리기(340)의 입구(342)와 오일 분리기(340)의 출구(348) 사이에는 벽부가 형성되는데, 오일 분리기(340)의 입구(342)와 오일 분리기(340)의 출구(348)는 평행하지 않고 예컨대 벽부(344)를 사이에 두고 직각을 이루며 배치될 수 있다. 이 경우, 오일 분리기(340)의 입구(342)에서 고속으로 유입된 터빈 윤활유와 섞여 있는 작동 유체가 벽부(344)에 부딪히면서, 터빈 윤활유는 벽부(344)의 아래에 형성되어 있는 분리홀(346)을 통해 빠져 나가고, 이 터빈 윤활유는 다시 터빈(330)으로 공급될 수 있다. 그리고, 터빈 윤활유 성분이 분리된 작동 유체는 오일 분리기(340)의 출구(348)를 통하여 리큐퍼레이터(50)로 유입된다. 리큐퍼레이터(50)로 유입된 작동 유체는 이미 설명한 바와 같이 리큐퍼레이터(50), 작동 유체 라디에이터(362) 및 TEG 콘덴서(370)를 거치면서 냉각된다.
도 4는 배기측 열교환 유닛의 사시도이고, 도 5은 도 4에 도시된 배기측 열교환 유닛의 종단면도이다
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여, 배기 가스의 배출 경로와 배기측 열교환 유닛(400)에 대하여 설명하도록 한다.
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.
배기측 열교환 유닛(400)은, 배기 가스가 통과하는 배기관(406), 이 배기관(406)을 내부에 수용하며 작동 유체가 유입되는 챔버 입구(430)와 작동 유체가 빠져 나가는 챔버 출구(440)를 갖는 열교환 챔버(410)와, 열교환 챔버(410)의 내부 공간을 배기관(406)의 길이 방향을 따라 복수 개의 구역으로 구획하는 배플(420)을 구비하며, 이 배플(420)의 적어도 일부에는 열교환 챔버(410)의 내부 공간의 일구역으로부터 이와 인접한 타구역으로 작동 유체의 이동을 허용하는 연통공(412)이 형성될 수 있다.
어느 한 배플(420)에 형성된 연통공(412) 및 이와 인접한 다른 배플(420)에 형성된 연통공(412)은 서로 반대 측에 위치할 수 있으며, 이 경우, 작동 유체는 배플(420)들에 의하여 구획되어 있는 구역을 도 5에 도시된 화살표 방향을 따라 구불구불하게 이동할 수 있고, 열교환 챔버(410) 내의 배기관(406)은 복수 개로 분기되어 있기 때문에, 작동 유체는 배기관(406)과의 넓은 접촉 면적을 확보할 수 있으며 최대한 긴 시간 동안 배기 가스로부터 배기열을 전달받을 수 있다.
도 6은 배기측 열교환 유닛에 설치되는 노즐 플레이트의 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 배기측 열교환 유닛(400)은 작동 유체를 미립화시키기 위한 복수 개의 분무공(462)을 갖는 노즐 플레이트(460)를 가질 수 있다. 이 노즐 플레이트(460)는 열교환 챔버(410)의 내측면으로부터 이격된 상태에서, 열교환 챔버(410)의 내부에 형성되는 복수 개의 구역 중 챔버 입구(430)와 연결되어 있는 구역인 입구 구역에 형성되며, 복수 개의 분무공(462)은 노즐 플레이트(460)의 둘레에 걸쳐 형성될 수 있다. 따라서, 챔버 입구(430)를 통하여 열교환 챔버(410)의 내부로 유입된 작동 유체는 노즐 플레이트(460)의 외주부와 열교환 챔버(410)의 내주부 사이에 형성된 공간에 먼저 유입되고, 복수 개의 분무공(462)을 통과하여 입구 구역에 전체적으로 분사되며, 복수 개의 구역을 모두 통과하여 챔버 출구(440)를 통하여 빠져 나갈 수 있다.
작동 유체를 기화시키기에 최적의 조건 중 하나는 액체 상태의 작동 유체가 최대한 미립화되도록 하는 것인데, 분무공(462)이 형성된 노즐 플레이트(460)는 작동 유체를 미립화하는 데에 큰 도움을 줄 수 있다.
도 7은 챔버 입구의 변형례의 종단면도이다.
도 7을 참조하면, 챔버 입구(430)의 열교환 챔버(410)의 내부 공간 측 단부는 깔때기 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 작동 유체는 챔버 입구(430)를 통과하자마자 분무될 수 있고, 노즐 플레이트(460)를 생략하는 것이 가능하다. 물론, 챔버 입구(430)를 도 7에 도시된 변형례로 형성하더라도, 배기측 열교환 유닛(400)은 노즐 플레이트(460)까지 구비하는 것이 가능하며, 이 때는 챔버 입구(430)를 통과하여 다소 굵은 입자로 분무된 작동 유체가 복수 개의 분무공(462)을 통과하면서 더 가는 입자로 분무될 수 있어, 작동 유체가 더욱 잘 미립화될 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 작동 유체에 의하여 회전하는 터빈(330)의 회전력을 이용하는 방식에 대하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 모터 제너레이터(10)는 터빈(330)의 회전축과 함께 회전 할 수 있으며, 터빈(330)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(330)과 모터 제너레이터(10)의 회전자는 동축으로 연결되어 있고, 터빈(330)은 풀리(도 1을 기준으로 터빈의 위쪽 단부에 연결될 수 있음)와 클러치에 의하여 연결될 수 있으며, 이 클러치는 터빈(330)과 풀리를 서로 단속할 수 있다.
터빈(330)이 회전하면 모터 제너레이터(10)는 전력을 생산하고, 이 전력을 배터리(20)에 저장해 둘 수 있다. 만약 클러치가 터빈(330)과 풀리를 서로 단절시킨 상태라면 터빈(330)의 회전은 전력 생산에만 사용되며, 클러치가 터빈(330)과 풀리를 서로 접속시킨 상태라면 터빈(330)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(330)으로부터 구동력을 전달받지 않을 때, 모터 제너레이터(10)는 모터의 역할을 수행할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면 터빈(330)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(330)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.
상술한 본 발명에 따른 내연기관의 배기열 재활용 시스템에 따르면, 배기측 열교환 유닛(400)이 배기 저항으로 작용하지 않기 때문에 내연기관 자체의 출력이 저하되지 않은 채로 효율적으로 내연기관의 배기열을 재활용 할 수 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
310 : 슈퍼 히터 312 : 기액 분리기
320 : EGR 쿨러 330 : 터빈
340 : 오일 분리기 346 : 분리홀
350 : 작동 유체 바이패스 352 : 작동 유체 바이패스 밸브
360 : 냉각팬 362 : 작동 유체 라디에이터
370 : TEG 콘덴서 400 : 배기측 열교환 유닛
402 : 후처리 유닛 404, 406 : 배기관
410 : 열교환 챔버 412 : 연통공
420 : 배플 430 : 챔버 입구
440 : 챔버 출구 460 : 노즐 플레이트
462 : 분무공

Claims (21)

  1. 내연기관에서 발생된 배기 가스의 일부를 흡기측으로 순환시키는 EGR 라인;
    상기 EGR 라인으로부터 전달받은 열에 의하여 기화된 작동 유체로 터빈을 회전시키는 작동 유체 순환 라인; 및
    상기 EGR 라인과 상기 작동 유체 순환 라인을 열적으로 연결해 주며, EGR 가스와 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 EGR 가스를 냉각하고, 상기 EGR 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 EGR측 열교환 유닛;을 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체는 랭킨 사이클 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 라인에 설치되어 상기 배기 가스로부터의 열을 상기 작동 유체에 전달하는 배기측 열교환 유닛을 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 터빈의 회전축과 함께 회전할 수 있는 모터 제너레이터를 더 구비하며,
    상기 모터 제너레이터는, 상기 터빈으로부터 회전력을 전달받아 배터리에 저장하거나 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있고, 상기 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  5. 제3항에 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.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 T1은 500℃인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  7. 제3항에 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.
  8. 제1항에 있어서,
    액체 상태의 작동 유체를 저장하며 유입구와 유출구를 갖는 리저버 탱크; 및
    상기 리저버 탱크의 유입구 및 유출구 모두와 유체 연통되어 상기 리저버 탱크로 유입되는 작동 유체와 상기 리저버 탱크로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시키는 리큐퍼레이터;를 더 구비하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는, 상기 유입구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 상류 측에 배치되고, 상기 유출구를 기준으로 상기 리저버 탱크의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 배기측 열교환 유닛은,
    상기 배기 가스의 오염 물질 저감을 위하여 상기 배기 라인에 설치되는 후처리 유닛의 하류 측에 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 EGR측 열교환 유닛은,
    EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러; 및
    상기 배기측 열교환 유닛을 통과한 상기 작동 유체에 EGR 가스로부터의 열을 전달하는 슈퍼 히터를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 EGR 가스가 상기 EGR측 열교환 유닛에 유입되는 흐름을 기준으로 상기 슈퍼 히터는 상기 EGR 쿨러보다 상류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 배기측 열교환 유닛은,
    배기 가스가 통과하는 배기관;
    상기 배기관을 내부에 수용하며 상기 작동 유체가 유입되는 챔버 입구와 상기 작동 유체가 빠져 나가는 챔버 출구를 갖는 열교환 챔버; 및
    상기 열교환 챔버의 내부 공간을 상기 배기관의 길이 방향을 따라 복수 개의 구역으로 구획하는 배플;을 구비하며,
    상기 배플의 적어도 일부에는 상기 열교환 챔버의 내부 공간의 일 구역으로부터 이와 인접한 타구역으로 상기 작동 유체의 이동을 허용하는 연통공이 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    어느 한 배플에 형성된 연통공 및 이와 인접한 다른 배플에 형성된 연통공은 서로 반대 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 배기측 열교환 유닛은,
    상기 열교환 챔버의 내측면으로부터 이격된 상태에서, 상기 열교환 챔버의 내부에 형성되는 복수 개의 구역 중 상기 챔버 입구와 연결되어 있는 구역인 입구 구역에 형성되되, 상기 작동 유체를 미립화시키기 위한 복수 개의 분무공을 갖는 노즐 플레이트를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 챔버 입구의 상기 열교환 챔버의 내부 공간 측 단부는 깔때기 형상인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 리저버 탱크와 상기 리큐퍼레이터 사이에 배치된 작동 유체 펌프를 더 구비하며,
    상기 리저버 탱크와 상기 작동 유체 펌프를 잇는 배관은 단열 처리된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 작동 유체 순환 라인은,
    상기 EGR측 열교환 유닛과 상기 터빈의 사이 지점 및 상기 터빈과 상기 리큐퍼레이터의 사이 지점을 연결하는 작동 유체 바이패스와,
    상기 작동 유체 바이패스에 설치되어 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터로 선택적으로 바이패스 시키는 작동 유체 바이패스 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 작동 유체 순환 라인은,
    상기 터빈과 리큐퍼레이터 사이의 배관에 형성되어 상기 터빈으로부터 배출되는 터빈 윤활유를 분리하는 오일 분리기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 작동 유체 순환 라인은,
    상기 리저버 탱크의 유입구와 상기 리큐퍼레이터 사이에 배치되어 상기 작동 유체로부터 열량을 빼앗는 TEG 콘덴서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 작동 유체 순환 라인은 냉각팬을 더 구비하고,
    상기 리큐퍼레이터와 상기 TEG 콘덴서 사이의 배관은 냉각 효율을 높이기 위하여 복수 회만큼 구부러져 있는 작동 유체 라디에이터로 형성되며, 상기 작동 유체 라디에이터는 상기 냉각팬에 의하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기열 재활용 시스템.
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