KR20160059794A - 배기열 회수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기열 회수 시스템에 관한 것으로, 배기관에 구비되고, 배기가스의 열을 작동유체로 전달하는 열교환기와, 열교환기와 메인유로를 통해 연결되고, 메인유로를 통해 기화된 작동유체를 공급받는 터빈 및, 메인유로에 장착되고, 열교환기와 터빈을 선택적으로 연통하는 압력조정밸브를 포함하며, 열교환기 내부압을 상승시킴으로써, 터빈의 발전효율이 상승되고, 궁극적으로 배기열 회수 시스템의 효율이 상승되는 효과가 있는 배기열 회수 시스템을 제공한다.

Description

배기열 회수 시스템{EXHAUST HEAT RECOVERY SYSTEM}

본 발명은 배기열 회수 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기 내부압을 상승시킴으로써, 터빈의 발전효율을 상승시키는 배기열 회수 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 더 효율적이다.

차량의 경우, 배기열을 재활용하는 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.

대한민국 공개특허공보 제10-2005-0023486호(2005.03.10.)

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 열교환기 내부압을 상승시킴으로써, 터빈의 발전효율을 상승시키고, 궁극적으로 배기열 회수 시스템의 효율을 증가시키는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템은, 배기관에 구비되고, 배기가스의 열을 작동유체로 전달하는 열교환기와, 열교환기와 메인유로를 통해 연결되고, 메인유로를 통해 기화된 작동유체를 공급받는 터빈 및, 메인유로에 장착되고, 열교환기와 터빈을 선택적으로 연통하는 압력조정밸브를 포함한다.

위와 같은 본 발명의 배기열 회수 시스템에 의하면, 열교환기 내부압을 상승시킴으로써, 터빈의 발전효율이 상승되고, 궁극적으로 배기열 회수 시스템의 효율이 상승되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 개요도,
도 2는 도 1의 배기열 회수 시스템의 요부 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템 작동 방법의 절차도,
도 4는 도 3의 배기열 회수 시스템 작동 방법의 제어블럭도,
도 5는 도 1의 배기열 회수 시스템에 구비된 열교환기의 단면도,
도 6은 도 4의 열교환기의 요부 사시도,
도 7은 도 4의 열교환기의 열교환 형태의 예시도,
도 8은 도 1의 배기열 회수 시스템의 터빈 장착 예시도,
도 9는 도 7의 터빈의 요부 사시도,
도 10은 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 터빈 제어방법의 절차도,
도 11은 도 1의 배기열 회수 시스템에 구비된 슈퍼히터 및 EGR쿨러의 사시도,
도 12는 도 11의 슈퍼히터 및 EGR쿨러의 단면도,
도 13은 도 1의 배기열 회수 시스템에 구비된 열교환기의 내부압 변화그래프,
도 14는 도 1의 배기열 회수 시스템의 열교환기와 터빈의 연결 상태 예시도,
도 15는 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 열교환기와 터빈의 연결 제어방법의 절차도,
도 16은 도 1의 배기열 회수 시스템에 구비된 TEG콘덴서와 리저버의 냉각수 공유 구조의 개요도,
도 17은 도 16의 리저버의 사시도,
도 18은 도 16의 리저버의 다른 사시도,
도 19는 도 16의 TEG 콘덴서와 리저버의 연결구조의 요부 사시도,
도 20는 도 1에 도시된 배기열 회수 시스템의 리저버 탱크의 개요도,
도 21은 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 리저버 탱크 운영 방법의 절차도이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기열 회수 시스템은, 엔진에서 배출된 배기가스가 유동하는 배기관(404)와, 배기관(404)으로부터 열에너지를 흡수한 작동유체가 유동하는 메인유로(100)와, 메인유로(100)에서 배출된 작동유체에 의해 회전하여 전기적 에너지 및 기계적 에너지를 발생하는 터빈(340)과, 엔진에서 배출된 배기가스의 일부를 흡기 다기관(2)으로 순환시키는 EGR 라인(200) 및, 메인유로(100)에 배치되어 상기 EGR라인(200)을 유동하는 배기가스와 메인유로(100)를 유동하는 작동유체가 열교환 하도록 작동유체의 유동을 단속하는 유로콘트롤밸브(S1, S2)를 포함한다.

또한, 본 발명은, 액체 상태의 작동 유체가 저장된 리저버(60)와, 리저버(60)로부터 액상의 작동유체를 공급받고 기화시키도록 배기관(404)에 구비된 열교환기(400) 및, 열교환기(400)로부터 기화된 작동유체를 유로콘트롤밸브 작동에 따라 공급받도록 EGR쿨러(300)에 연장형성되고, 흡기관으로 순환되는 배기가스의 열을 기화된 작동유체로 전달시켜 가열시키는 슈퍼히터(310)를 더 포함한다.

리저버(60)로부터 열교환기(400)로 공급되는 작동유체는 펌프(70)를 통해 가압된다. 터빈(340)은, 유로콘트롤밸브(S1, S2) 작동에 따라, 열교환기(400) 또는 슈퍼히터(310)로부터 작동유체를 선택적으로 공급받는다.

엔진(1)으로부터 배출된 입자상물질(PM; PARTICULATE MATTER)을 재생하는 후처리장치(402)가 배기관(404)에 배치된다. 터빈(340)에서 배출된 작동유체가 응축되는 TEG 콘덴서(370)와, 터빈(340)에서 TEG 콘덴서(370)로 유동하는 작동유체로부터 열에너지를 흡수하여, 리저버(60)에서 열교환기(400)로 주입되는 작동유체에 전달하는 리큐퍼레이터(50)를 더 포함한다.

슈퍼히터(310)는, EGR쿨러(300)로부터 연장되고, EGR쿨러(300)로 유입되는 배기가스의 열을 열교환기(400)를 통해 전달받은 기상의 작동유체로 전달한다. 터빈(340)은, 슈퍼히터(310) 또는 열교환기(400)와 선택적으로 연통되고, 전달받은 기상의 작동유체로부터 회전력을 받아 발전하게 된다.

메인유로(100)는, 슈퍼히터(310)에 형성된 슈퍼히터인렛(315)과 연결되는 제1 분기유로(110)와, 터빈(340)을 향해 연장되는 제2 분기유로(120)로 분기되고, 제2 분기유로(120)는, 슈퍼히터(310)에 형성된 슈퍼히터아웃렛(316)과 연결되는 제3 분기유로(130)와 터빈(340)에 형성된 터빈인렛과 연결되는 제4 분기유로(140)로 분기된다. 메인유로(100)와 분기유로(110, 120, 130, 140)의 연결관계는 작동유체의 흐름을 배제하고 단순 배열된 상태를 설명하였다.

유로콘트롤밸브(S1, S2)는, 메인유로(100)가 제1 분기유로(110) 및 제2 분기유로(120)로 분기되는 제1 분기지점 및, 제2 분기유로(120)가 제3 분기유로(130)와 제4 분기유로(140)가 분기되는 제2 분기지점에 각각 구비된다.

좀 더 정확히는, 유로콘트롤밸브(S1, S2)는, 메인유로(100)로부터 제1 분기유로(110) 및 제2 분기유로(120)로 분기되는 제1 분기지점에 구비된 제1 유로콘트롤밸브(S1) 및, 제2 분기유로(120)로부터 제3 분기유로(130) 및 제4 분기유로(140)로 분기되는 제2 분기지점에 구비된 제2 유로콘트롤밸브(S2)를 포함한다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기열 회수 시스템의 작동방법은, 엔진이 구동되는 단계(S110) 및, EGR밸브(210)가 작동하면, 메인유로(100)와 슈퍼히터(310)가 열교환되도록 유로콘트롤밸브(S1, S2)가 작동되는 단계(S120)를 포함한다.

엔진(1)이 구동 되고, EGR밸브(210)가 작동되면, 메인 유로와 슈퍼히터(310)가 연통되도록 유로콘트롤밸브가 작동된다(S121). 메인 유로와 슈퍼히터(310)가 연통되면, 작동유체가 저장된 리저버(60)로부터 작동유체를 압축하여 열교환기(400)로 공급하는 펌프(70)의 작동유체 공급량이 증가된다(S122).

EGR밸브(210)가 비작동되면, 메인 유로와 터빈(340)이 연통되도록 유로콘트롤밸브가 작동되고(S123), 작동유체가 저장된 리저버(60)로부터 작동유체를 압축하여 열교환기(400)로 공급하는 펌프(70)의 작동유체 공급량이 유지된다(S124).

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 열교환기(400)는, 에너지를 발생하는 터빈(304)에 기상의 작동냉매를 공급하도록, 배기관(404)으로부터 열에너지를 흡수하여 작동유체에 열에너지를 공급하는 배기열 회수 시스템의 열교환기에 있어서, 열교환기(400)는, 유입된 작동유체를 미립화하는 노즐(411)을 포함한다.

또한, 열교환기(400)는, 액상의 작동유체가 유입되는 열교환기유입구(410)와, 배기가스를 통해서 작동유체가 기화되어 배출되는 열교환기배출구(420)가 구비된 열교환로를 포함하며, 노즐(411)은 열교환기유입구(410)에 구비된다.

열교환로는, 열교환기하우징에 수용되고, 열교환기하우징은, 배기가스가 유동하는 후처리장치(402)에 부착된다. 열교환로는, 열교환유입구로부터 연장되고, 노즐(411)을 통해 작동유체가 미립화되도록 분무되는 챔버(430)와, 복수개의 열교환라인(441)이 등간격으로 배열되고, 미립화된 작동유체가 열교환라인(411)으로 유입되도록, 챔버(430)에 부착된 챔버연장튜브(440)와, 챔버연장튜브(440)의 일측에 위치되고, 복수개의 열교환라인(441)이 등간격으로 배열되고, 작동유체가 챔버연장튜브(440)로부터 유입되도록 수평연결부재(450)를 통해 연결된 연장튜브(460)를 포함하며, 연장튜브(460)가 열교환기배출구(420)와 연결된다.

연장튜브(460)가 등간격으로 복수개 구비되고, 열교환유입구와 열교환배출구가 연통되도록 복수개의 연장튜브(460)가 복수개의 수평연결부재(450)를 통해 연결된다. 복수개의 열교환라인(441) 사이에, 배기가스와 접촉되는 배기가스 핀(442; fin)이 구비되고, 열교환라인(441) 내부에, 작동유체와 접촉되는 작동유체 핀(fin)이 구비된다.

열교환유입구는 액상의 작동유체를 가압하여 주입하는 펌프(70) 및 펌프(70)로 작동유체를 공급하는 리저버(60)와 연결되고, 열교환배출구는 열교환배출구로부터 기상의 작동유체가 공급되는 터빈(340) 또는 슈퍼히터(310)와 선택적으로 연결된다. 열교환배출구와 터빈(340)을 연결하는 메인유로(100)에, 열교환배출구와 터빈(340)의 연통을 차단하고, 열교환배출구와 슈퍼히터(310)를 연통하는 유로콘트롤밸브가 구비된다.

도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 터빈(340)은, 발전터빈(342), 클러치와, 모터 제너레이터(341)와, 풀리(343)를 구비한다.

발전터빈(342)과 모터 제너레이터(341)의 회전자는 동축으로 연결되어 있으며, 클러치는 발전터빈(342)과 풀리(343)를 기계적으로 단속하는 역할을 수행한다.

터빈(340)은 발전터빈(342)의 회전 에너지를 직접적으로 이용하여 내연기관에 설치된 회전축을 구동할 수 있다. 여기서 내연기관에 설치된 회전축이란, 바퀴에 동력을 전달하는 엔진(1)의 크랭크축이 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. 발전터빈(342)으로부터의 회전 에너지는 벨트를 통해 회전축에 전달될 수 있는데, 여기서 벨트 대신 체인 또는 기어가 사용될 수도 있다.

한편, 모터 제너레이터(341)는 발전터빈(342)의 회전 에너지를 전기적 에너지 및 기계적 에너지로 변환할 수도 있고, 이렇게 변환된 전기 에너지는 배터리(20)에 저장해 둘 수 있다. 만약, 클러치가 발전터빈(342)과 풀리(343)를 서로 단절시킨 상태라면 발전터빈(342)의 회전은 전력 생산에만 사용되며, 클러치가 발전터빈(342)과 풀리(343)를 서로 접속시킨 상태라면 발전터빈(342)의 회전력은 전력 생산뿐만 아니라 내연기관에 설치된 회전축에 동력을 인가하는 데에 사용될 수도 있다. 모터 제너레이터(341)는 배터리(20)로부터의 전력을 공급받아 내연기관에 설치된 회전축을 구동할 수 있다.

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.

한편, 터빈(340)은 발전터빈(342)과 모터 제너레이터(341)를 기계적으로 단속할 수 있는 제2 클러치(미도시)를 더 구비할 수 있는데, 작동유체가 발전터빈(342)을 회전시키는 경우, 발전터빈(342)의 회전력이 전기 에너지로 변환되는 기간이 지나치게 길어지면 배터리(20)가 과충전될 수 있다.

이 경우, 제2 클러치는 발전터빈(342)과 모터 제너레이터(341)를 기계적으로 단절시킬 수 있고, 발전터빈(342)은 모터 제너레이터(341)와는 기계적으로 단절된 상태에서 계속 회전하게 된다. 이때, 발전터빈(342)을 공회전하게 놔두지 않고, 내연기관에 설치된 회전축(6)을 구동하게 하여 발전터빈(342)의 회전 에너지를 낭비 없이 최대한으로 활용할 수 있다.

작동 유체가 발전터빈(342)을 회전시키는 동안에 배터리(20)의 전압이 미리 정해져 있는 충전 개시 기준 전압까지 떨어지면, 제2 클러치는 발전터빈(342)과 모터 제너레이터(341)를 다시 기계적으로 연결하여 배터리(20)를 충전할 수 있도록 재활용 시스템을 구성하는 것도 가능하다.

위와 같이 구성되는 터빈(340)은, 차량의 시동 정지 후, 터빈(340)으로부터 작동유체가 배출되지 않고 내부에 존재하게 된다. 터빈(340) 내부에 잔존하는 작동유체는 냉각되어 기상에서 액상으로 상 변화하게 되고, 엔진(1) 재가동시 터빈(340) 내부에 액상과 기상의 작동유체가 공존함으로써, 캐비테이션 현상이 발생되고 액상 작동유체 및 기포에 의하여 발전터빈(342)이 파손될 수 있다.

그러므로, 도 10에 도시된 절차도에 따라, 본 발명의 배기열 회수 시스템은, 엔진(1) 시동 후, 터빈(340)을 강제로 역회전시켜 터빈(340)에 잔존하는 작동유체를 열교환기(400)로 역유입시키도록 터빈(340)을 제어한다.

배기열 회수 시스템의 터빈 제어방법을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 배기열 회수 시스템의 터빈 제어방법은, 배기관(404)에 구비된 열교환기(400)를 통해 배기가스의 열이 작동유체를 기화시키고, 작동유체가 터빈(340)에 공급되는 배기열 회수 시스템의 터빈 제어방법에 있어서, 시동이 켜지는 단계(S210)와, 열교환기(310)의 내부온도를 측정함하는 단계(S211) 및, 측정된 온도가 미리 정해진 온도 이하이면, 터빈(340)을 역방향으로 회전하는 역회전 단계(S212)를 포함한다.

시동 후, 열교환기(400)의 내부 온도를 측정하고, 측정치가 적정치(섭씨 50도) 미만일 때, 터빈(340)이 역작동 된다. 측정치가 적정치 이상일 때, 터빈(340)은 정상작동되고, 열교환기(400)의 내부 온도를 재측정하게 된다(S214).

터빈(340)이 역작동 되면, 터빈(340)으로부터 열교환기(400)로 역유입되는 작동유체의 유량이 있는지 확인하게 된다(S213). 터빈(340)으로부터 열교환기(400)로 역유입되는 작동유체의 유량이 있으면, 터빈(340)의 역작동이 지속된다. 이때, 열교환기(400)의 내부온도가 임계값(섭씨 250도)을 초과하였는지 확인하게 된다(S215).

터빈(340)으로부터 열교환기(400)로 역유입되는 작동유체의 유량이 없고, 열교환기(400)의 내부 온도가 임계값(섭씨 250도)을 초과하면, 열교환기(400)로 작동유체를 가압하여 주입하는 펌프(70)가 작동되고, 터빈(340)이 작동유체로부터 회전력을 받아 발전하게 된다(S216).

터빈(340)으로부터 열교환기(400)로 역유입되는 작동유체의 유량이 없고, 열교환기(400)의 내부 온도가 임계값 미만이면, 열교환기(400)로 작동유체를 가압하여 주입하는 펌프(70)가 비작동 된다(S217).

슈퍼히터(310)는 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, EGR쿨러(300)와 분리가능하게 연결된다. 본 발명의 일실시예에서 슈퍼히터(310)는, 배기관(404)을 통해 배출되는 배기가스로부터 열을 회수하여 기화된 작동유체를 가열시키도록 EGR쿨러(300) 일측에 형성된 슈퍼히터(310)에 있어서, EGR쿨러(300) 전단에 슈퍼히터(310)가 위치되고, EGR쿨러(300)와 슈퍼히터(310)는 분리되도록 연결된 것을 특징으로 한다.

슈퍼히터(310)와 EGR쿨러(300) 연결부위는 클램프(317)로 체결되어 결합이 유지된다. 클램프(317)를 통하여 슈퍼히터(310)와 EGR쿨러(300)의 열충격이 완화되고, 슈퍼히터(310)와 EGR쿨러(300)의 파손이 방지된다.

본 발명의 일실시예에 장착되는 배기열 회수 시스템의 분리형 슈퍼히터(310)를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 배기열 회수 시스템은, 엔진(1)에서 배출된 배기가스를 냉각하여 냉각된 배기가스를 흡기관(404)으로 순환시키는 EGR라인(200)과, 배기관(404)과 열교환하여 기화된 작동유체로 인해 회전하여 에너지를 생성하는 터빈(340)과, EGR라인(200)에 배치되어 터빈(200)으로 유동하는 작동유체와 열교환하는 슈퍼히터(310) 및, 슈퍼히터(310)와 분리되어 형성되고, EGR라인(200)에 배치되어 흡기관으로 유동하는 배기가스와 열교환하는 EGR쿨러(300)를 포함한다.

EGR쿨러(300)는 외형을 형성하는 EGR쿨러하우징(301)을 포함하고, 슈퍼히터(310)는 외형을 형성하고, EGR쿨러하우징(301)과 연결되고, 내부에 슈퍼히터내부유로(312)가 형성된다.

슈퍼히터하우징(311)의 길이방향 양단에는 각각, 배기관(404)으로부터 배기가스가 유입되는 재순환가스유입구(313) 및 EGR쿨러(300)로 배기가스를 배출하는 재순환가스배출구(314)가 형성된다

슈퍼히터내부유로(312)는, 슈퍼히터하우징(311)의 측면에 돌출형성되고, 작동유체가 공급되는 슈퍼히터인렛(315) 및 작동유체를 슈퍼히터내부유로(312)에서 배출하는 슈퍼히터아웃렛(316)이 구비된다. 앞서 기술한 바와 같이, 터빈(340)은 열교환기(400) 또는 슈퍼히터(310)로부터 작동유체를 공급받아 발전하게 된다. 슈퍼히터인렛(315)은 열교환기(400)와 연결되고, 슈퍼히터아웃렛(316)은 터빈(340)과 연결된다.

EGR쿨러(300)는, 슈퍼히터(310)의 슈퍼히터하우징(311)과 연결된 EGR쿨러하우징(301)과, EGR쿨러하우징(301) 내부에 장착된 냉각수유로(302)와, EGR쿨러하우징(301)에 돌출되고, 냉각수유로(302)로 냉각수를 유입시키는 EGR쿨러인렛(303) 및, EGR쿨러하우징(301)에 돌출되고, 냉각수유로(302)부터 냉각수를 배출하는 EGR쿨러아웃렛(304)을 포함한다.

한편, 시동 초기에는 배기가스의 열이 주행 중보다 낮고, 열교환기(400)에서의 작동유체의 기화가 주행중인 상태보다 작다. 이에 따라서, 시동 초기에는 터빈(340)으로 유입되는 작동유체의 압력이 낮아, 작동유체 유입에 의한 터빈(340)에서의 토크 발생이 낮다. 이러한 점을 감안하여, 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 열교환기(400)와 터빈(340) 연결구조는 도 13 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 배기관(404)에 구비되고, 배기가스의 열을 작동유체로 전달하는 열교환기(400)와, 열교환기(400)와 메인유로(100)를 통해 연결되고, 메인유로(100)를 통해 기화된 작동유체를 공급받는 터빈(340) 및, 메인유로(100)에 장착되고, 열교환기(400)와 터빈(340)을 선택적으로 연통하는 압력조정밸브(S3)를 포함한다.

또한, 액상의 작동유체가 저장된 리저버(60)와, 작동유체를 가압하고 열교환기(400)로 주입하는 펌프(70)를 더 포함하며, 터빈(340)으로부터 리저버(60)로 작동유체가 회수된다. 터빈(340)과 리저버(60) 사이에는, 작동유체로부터 열을 회수하는 리큐퍼레이터(50) 및 TEG 콘덴서(370)가 구비된다. 열교환기(400)의 아웃렛에는 압력센서가 장착된다.

위와 같은 열교환기(400)와 터빈(340) 연결구조를 갖는 본 발명의 배기열 회수 시스템은, 도 15에 도시된 바와 같이, 열교환기(400)의 내부압이 설정치 이상일 때, 압력조정밸브(S3)가 작동되고, 열교환기(400)와 터빈(340)을 연통하게 된다(S330).

열교환기(400)의 내부압을 측정하기 전에, 열교환기(400) 및 터빈(340)이 장착된 차량이 시동되고, 열교환기(400)로 작동유체를 공급하는 펌프(70)가 작동된다(S310). 열교환기(400) 내부압을 측정하고, 설정치 이상인지 판단하게 된다(S320). 압력조정밸브(S3)를 통하여 작동유체가 펌프(70), 열교환기(400) 및 터빈(340) 사이를 순환하게 된다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 배기열 회수 시스템을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

초기 엔진(1) 시동시와 같이 배기가스의 온도가 낮을 때는 재순환되는 배기가스 즉, EGR가스를 EGR 바이패스 밸브(220)를 이용하여, EGR쿨러(300)을 통과시키지 않고서 바로 흡기 다기관(2)에 유입시키는 것에 의하여 엔진(1)을 빠르게 예열할 수 있고, 배기가스의 온도가 충분히 상승한 이후에 배기가스를 EGR쿨러(300)로 인가함으로써 NOx를 저감할 수 있다.

EGR가스가 유입되는 흐름을 기준으로, 슈퍼히터(310)는 EGR쿨러(300)보다 상류 측에 배치될 수 있는데, 이 경우, EGR가스는 슈퍼히터(310)를 통과하면서 작동유체에 열량을 많이 전달할 수 있고, 작동유체에 미처 전달되지 못한 열량을 갖는 EGR가스가 비로소 EGR쿨러(300)에 의하여 냉각되기 때문에, 작동 유체는 EGR가스로부터 최대한의 열을 회수할 수 있게 된다.

액체 상태의 작동 유체를 저장하며 유입구(62)와 유출구(64)를 갖는 리저버(60)의 유출구(64)를 통하여 작동유체가 펌프(70)에 공급되며, 펌프(70)에 의하여 펌핑된 작동유체는 리큐퍼레이터(50)를 통과하면서 가열된다.

리큐퍼레이터(50)를 통과한 작동 유체는 열교환기(400)에 공급되어 재차 열을 전달 받으며, EGR쿨러(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(330)에 의하여 분리되고, 터빈(340)에는 슈퍼 히터(310)를 통과한 기체 상태의 작동 유체만이 공급된다.

즉, 작동 유체는 리큐퍼레이터(50)로부터 열을 전달 받으며, 열교환기(400)는 EGR쿨러(300)보다 메인유로(100)의 상류 측에 배치되어 있으므로, 순서대로 열교환기(400)와, 슈퍼히터(310)를 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(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(60)의 유입구(62) 및 유출구(64) 모두와 각각 연결되어 리저버(60)로 유입되는 작동 유체와 리저버(60)로부터 흘러 나오는 작동 유체 상호간을 열교환시킨다.

리저버(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(60)의 유출구(64)로부터 흘러나오는 작동 유체에 의하여 냉각된다. 이와 같이 리큐퍼레이터(50)는 리저버(60)의 유입구(62)를 기준으로 리저버(60)의 상류 측에 배치되고, 리저버(60)의 유출구(64)를 기준으로 리저버(60)의 하류 측에 배치되어, 리저버(60)로 공급되는 작동 유체가 액체 상태로 안정적으로 공급될 수 있도록 해주며, 이와 동시에 작동 유체를 열교환기(400)로 공급되기 전에 미리 가열하며 배기열 회수의 효율을 높여줄 수 있다.

TEG 콘덴서(370)는 리저버(60)의 유입구(62)와 리큐퍼레이터(50) 사이에 배치되어 작동 유체로부터 열량을 빼앗아 리저버(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 라디에이터로 형성될 수 있으며, 이 작동 유체 라디에이터는 냉각팬(360)에 의하여 냉각될 수 있다.

작동 유체 라디에이터의 단부는 TEG 콘덴서(370) 쪽으로 연결되어, 작동 유체 라디에이터와 냉각팬(360)에 의하여 냉각된 작동 유체가 TEG 콘덴서(370)에 의하여 추가적으로 냉각될 수 있다.

한편, 펌프(70)는 리저버(60)와 리큐퍼레이터(50) 사이에 배치되는데, 리저버(60)와 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(60)와 펌프(70)를 잇는 배관은 단열 처리될 수 있다.

메인유로(100)에서, 슈퍼히터(310)와 터빈(340)의 사이 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.

메인유로(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 메인유로(100)로부터 분리하기 위한 오일 분리기(320)는 터빈(340)과 리큐퍼레이터(50) 사이의 배관에 형성될 수 있다.

한편, TEG 콘덴서(370) 및 리저버(60)에는 작동유체를 냉각시키기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수유로(L1) 및 냉각수유로(L1)를 통해 냉각수를 순환시키는 원동력을 공급하는 냉각수펌프(P1)가 각각 구비된다. 이에 따라, TEG 콘덴서(370) 및 리저버(60)로 연결되는 파이프의 레이아웃 설계가 상당히 어렵다.

이를 감안하여 본 발명의 배기열 회수 시스템은 도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같이, TEG 콘덴서(370)와 리저버(60)가 냉각수를 공유하도록 구성된다.

본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템은, 배기가스의 열을 전달받은 작동유체를 냉각하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수유로(L1)가 연장 형성된 TEG 콘덴서(370) 및 리저버(60)를 포함한다. 또한, 냉각수유로(L1)에는, 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수펌프(P1)가 구비된다.

이를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배기열 회수 시스템은, 배기관(404)에 구비된 열교환기(400)를 통해 배기가스의 열을 전달받은 작동유체가 유입되고, 유입된 작동유체로부터 열을 회수하는 TEG 콘덴서(370) 및, TEG 콘덴서(370)로부터 작동유체를 전달받는 리저버(60)를 포함하고, TEG 콘덴서(370) 및 리저버(60) 내부에는 작동유체를 냉각하기 위한 냉각수가 흐르는 냉각수유로(L1)가 형성된다.

냉각수유로(L1)에는, 냉각수가 냉각수유로(L1)를 통해 TEG 콘덴서(370) 및 리저버(60) 내부를 순환할 수 있도록 하는 냉각수펌프(P1)가 장착된다. 리저버(60)는, 리저버(60) 내부에 장착되고, 냉각수유로(L1)와 연결된 쿨링자켓인렛(63) 및 쿨링자켓아웃렛(68)이 구비된 쿨링자켓(61)을 포함한다.

쿨링자켓(61)은, 쿨링자켓인렛이 형성된 냉각수유입챔버(65)와, 냉각수유입챔버(65)와 수평을 이루도록 배치되고, 쿨링자켓아웃렛(68)이 형성된 냉각수배출챔버(67) 및, 냉각수유입챔버(65)와 쿨링자켓아웃렛을 연결하는 복수개의 쿨링자켓내부로(66)를 포함한다. 쿨링자켓내부로(66)는, 냉각수유입챔버(65) 및 냉각수배출챔버(67)와 수직을 이루도록 형성된다.

한편, 리저버(60)는, 열교환기(400)로 작동유체를 가압 공급하는 펌프(70)와 연결된다. 열교환기(400)는, 기화된 작동유체를 공급받아 가열시키는 슈퍼히터(310)와 연결된다. 슈퍼히터(310)는, 재순환하는 배기가스를 냉각하는 EGR쿨러(300) 전단에 부착된다.

TEG 콘덴서(370)는, 열교환기(400)로부터 작동유체를 공급받는 터빈(340)과 연결된다. 터빈(340)과 TEG 콘덴서(370) 사이에는, 터빈(340)으로부터 TEG 콘덴서(370)로 유입되는 작동유체의 열을, TEG 콘덴서(370)로부터 리저버(60)로 유입되는 작동유체로 전달하도록 하는 리큐퍼레이터(50)가 구비된다.

한편, 터빈(340)의 작동부하가 커질수록 리저버(60)의 내부 온도는 상승하게 된다. 리저버(60)의 내부 온도가 상승함에 따라, 리저버(60)에 수용된 작동유체의 온도가 상승하여 액상의 작동유체가 기상으로 변환되는 기화현상이 리저버(60) 내부에서 발생된다. 작동유체가 액상에서 기상으로 변환됨에 따라서, 액상의 유체를 가압하여 열교환기(400)로 공급하는 펌프(70)의 작동이 불가능한 상태가 발생되고, 궁극적으로 액상의 작동유체를 열교환기(400)로 공급하지 못하는 상태가 발생 된다.

이와 같은 점을 감안하여 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템은, 도 20에 도시된 바와 같이, 리저버(60)가 복수개 구비되고, 복수개의 리저버(60) 중에서 내부 온도가 특정치 미만인 리저버(60)만 펌프(70)를 통해 열교환기(400)로 작동유체를 공급할 수 있도록 연통된다.

본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템은, 엔진(1)에서 배출된 배기가스가 유동하는 배기관(404)과, 배기관(404)에 장착되고, 배기가스와 내부에 흐르는 작동유체 사이에 열교환을 유도하는 열교환기(400)와, 열교환기(400)로 작동유체를 공급하는 복수개의 리저버(60) 및, 복수개의 리저버(60) 중 어느 하나를 열교환기(400)와 연통시키는 유로조정밸브(V1, V2)를 포함한다.

또한, 복수개의 리저버(60)로부터 열교환기(400)로 작동유체를 가압 공급하는 펌프(70)와, 열교환기(400)로부터 기화된 작동냉매를 공급받아 발전하는 터빈(340) 및, 터빈(340)으로부터 작동냉매를 전달받아 작동냉매의 열을 회수하는 TEG 콘덴서(50)를 더 포함한다.

유로조정밸브(V1, V2)는, TEG 콘덴서(370)로부터 액상의 작동유체가 배출되는 TEG 콘덴서아웃렛 및 복수개의 리저버(60)를 연결하는 제1 연결유로에 구비된 제1 유로조정밸브(V1)와, 복수개의 리저버(60) 및 펌프(70)를 연결하는 제2 연결유로에 구비된 제2 유로조정밸브(V2)를 포함한다.

각각의 리저버(60)의 내부에는, 온도 센서 및 압력 센서가 구비된다. 펌프(70)를 통해 작동유체를 가압 공급받는 열교환기(400) 및, 열교환기(400)로부터 작동유체를 공급받아 발전하고, 작동유체를 TEG 콘덴서(370)로 전달하는 터빈(340)을 더 포함한다. 터빈(340)에서 TEG 콘덴서(370)로 전달되는 작동유체의 열이 복수개의 리저버(60)에서 열교환기(400)로 공급되는 작동유체로 전달되도록 하는 리큐퍼레이터(50)를 더 포함한다.

리큐퍼레이터(50)는, 펌프(70)와 열교환기를 연결하는 공급파이프와 터빈(340)과 TEG 콘덴서(370)를 연결하는 회수파이프 사이에 장착된다.

도 21에 도시된 바와 같이, 위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 배기열 회수 시스템의 리저버 탱크를 작동시키기 위한 배기열 회수 시스템의 작동방법은, 복수개의 리저버(60) 내부에 구비된 온도센서 및 압력센서를 통해서 복수개의 리저버(60) 내부의 온도 및 압력을 측정하는 단계(S410)와, 복수개의 리저버(60) 내부에 저장된 작동유체가 액체 또는 기체 중 어느 상태인지 판단하는 단계(S420)와, 복수개의 리저버(60) 중 내부에 저장된 작동유체가 액체 상태인 리저버(60)와 펌프(70)를 연통시키는 단계(S430)를 포함한다.

복수개의 리저버(60) 내부에 저장된 작동유체가 모두 기체인 경우, 펌프(70)의 작동이 중지된다(S440). 복수개의 리저버(60) 내부에 저장된 작동유체가 액체인 리저버(60)가 두개 이상이면, 복수개의 리저버(60) 중 설정된 어느 한 리저버(60)와 펌프(70)가 연통된다.

최초 시동시에는 복수개의 리저버(60) 중 설정된 어느 한 리저버(60)와 펌프(70)가 연통된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 엔진 2: 흡기 다기관
7: 기어 트레인 20: 배터리
30: 인버터 40: 동력 전달부
50: 리큐퍼레이터 60: 리저버
61: 쿨링자켓 62: 유입구
64: 유출구 65: 냉각수유입챔버
67: 냉각수배출챔버 66: 쿨링자켓내부로
68: 쿨링자켓아웃렛 70: 펌프
100: 메인유로 110: 제1 분기유로
120: 제2 분기유로 130: 제3 분기유로
140: 제4 분기유로 200: EGR 라인
210: EGR밸브 220: EGR 바이패스 밸브
300: EGR쿨러 301: EGR쿨러하우징
302: 냉각수유로 303: EGR쿨러인렛
304: EGR쿨러아웃렛 310: 슈퍼히터
311: 슈퍼히터하우징 312: 슈퍼히터내부유로
313: 재순환가스유입구 314: 재순환가스배출구
315: 슈퍼히터인렛 316: 슈퍼히터아웃렛
317: 클램프 320: 오일 분리기
330: 기액 분리기 340: 터빈
341: 모터 제너레이터 342: 발전터빈
343: 풀리 350: 작동 유체 바이패스
352: 작동 유체 바이패스 밸브 360: 냉각팬
370: TEG 콘덴서 400: 열교환기
402: 후처리장치 404: 배기관
410: 열교환기유입구 411: 노즐
420: 열교환기배출구 430: 챔버
440: 챔버연장튜브 441: 열교환라인
442: 배기가스 핀 450: 수평연결부재
460: 연장튜브 S1: 제1 유로콘트롤밸브
S2: 제2 유로콘트롤밸브 S3: 압력조정밸브
L1: 냉각수유로 P1: 냉각수펌프
V1: 제1 유로조정밸브 V2: 제2 유로조정밸브

Claims (7)

1. 배기관에 구비되고, 배기가스의 열을 작동유체로 전달하는 열교환기;
   상기 열교환기와 메인유로를 통해 연결되고, 상기 메인유로를 통해 기화된 작동유체를 공급받는 터빈; 및
   상기 메인유로에 장착되고, 상기 열교환기와 상기 터빈을 선택적으로 연통하는 압력조정밸브를 포함하는 배기열 회수 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   액상의 작동유체가 저장된 리저버;
   상기 작동유체를 가압하고, 상기 열교환기로 주입하는 펌프를 더 포함하며,
   상기 터빈으로부터 상기 리저버로 작동유체가 회수되는 배기열 회수 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 터빈과 상기 리저버 사이에는,
   작동유체로부터 열을 회수하는 리큐퍼레이터 및 콘덴서가 구비된 배기열 회수 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 열교환기의 아웃렛에 장착된 압력센서를 더 포함하는 배기열 회수 시스템.
   
5. 배기가스의 열을 작동유체로 전달하는 열교환기와, 상기 열교환기와 메인유로를 통해 연결되고, 상기 메인유로를 통해 기화된 작동유체를 공급받는 터빈 및, 상기 메인유로에 장착되고, 상기 열교환기와 상기 터빈을 선택적으로 연통하는 압력조정밸브를 포함하는 배기열 회수 시스템의 작동방법에 있어서,
   상기 열교환기의 내부압이 설정치 이상일 때, 상기 압력조정밸브가 작동되고, 상기 열교환기와 상기 터빈을 연통하는 배기열 회수 시스템의 작동방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 열교환기의 내부압을 측정하기 전에, 상기 열교환기 및 상기 터빈이 장착된 차량이 시동되고,
   상기 열교환기로 상기 작동유체를 공급하는 펌프가 작동되는 배기열 회수 시스템의 작동방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 압력조정밸브를 통하여 상기 작동유체가 상기 펌프, 상기 열교환기 및 상기 터빈 사이를 순환하는 배기열 회수 시스템의 작동방법.

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