KR20170062151A - 엔진시스템 - Google Patents

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KR20170062151A
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최도선
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진의 배기계 패키징을 컴팩트하게 구현하여 엔진의 주변공간에서 간섭을 최소화함과 더불어 엔진출력 증대 및 전기에너지의 회수효율을 향상시킬 수 있는 엔진시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 엔진시스템은, 엔진; 상기 엔진으로 흡기를 공급하는 흡기계; 상기 엔진으로부터 배기가스를 배출하는 배기계; 상기 흡기계의 도중에 설치되어 흡기를 압축하도록 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기; 상기 전동식 압축기에 전기에너지를 공급하는 전기저장장치; 및 상기 배기계의 도중에 설치되어 배기가스의 압력에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈;을 포함하고, 상기 터빈에 의해 생성된 전기에너지가 상기 전기저장장치에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진시스템{ENGINE SYSTEM}
본 발명은 엔진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 배기계 패키징을 컴팩트하게 구현하여 엔진의 주변공간에서 간섭을 최소화함과 더불어 엔진출력 증대 및 전기에너지의 회수효율을 향상시킬 수 있는 엔진시스템에 관한 것이다.
차량용 엔진시스템은, 연료 및 흡기를 적정비율로 혼합하여 엔진에서 연소시킴으로써 차량의 구동을 위한 동력을 발생시킨다. 엔진의 구동으로 동력을 발생시키는 과정에서 연소를 위해 흡기를 충분히 공급하여야만 원하는 출력과 연소 효율을 얻을 수 있으며, 이에 엔진의 연소 효율을 높이기 위한 연소용 공기를 과급시켜 주는 장치로서 터보차져(turbo charger)가 이용된다.
이러한 터보차져는 엔진의 배기 계통으로 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기를 압축함으로써 엔진의 연소실로 유입되는 흡기의 충진 효율이 높아지도록 하는 것으로, 배기가스의 압력에 의해 구동하는 터빈 및 터빈에 샤프트를 통해 연결된 압축기로 구성된다. 이에, 압축기는 터빈의 구동력에 의해 회전하여 흡기를 압축하여 흡기의 밀도를 높이고, 이를 통해 엔진으로 흡입되는 흡기의 충전효율을 높일 수 있다.
종래의 터보차져를 이용한 엔진시스템은, 엔진에 인접한 배기계 측에 터보차져를 설치하여야 함에 따라 엔진의 배기계 패키징이 매우 복잡한 구조로 이루어지고, 이에 엔진의 주변 공간에서 서로 다른 부품들 사이의 간섭이 심하게 발생하는 단점이 있었다.
또한, 종래의 엔진시스템은, 배기가스 또는 EGR가스 등의 배기열을 회수하여 동력에너지 또는 전기에너지로 활용하는 배기열 회수장치가 마련되어 있지만, 배기열 회수장치에 의해 회수된 배기열이 적절하게 활용하지 못할 뿐만 아니라 그 배기열원의 배분이 효과적으로 이루어지지 못하여 그 배기열 회수율이 매우 낮은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 엔진에 인접한 배기계 패키징을 매우 컴팩트하게 구현함으로써 엔진의 주변공간에서 부품들 사이의 간섭을 최소화함과 더불어 배기열회수를 위한 적절한 배기열원의 배분을 통해 엔진출력 증대 및 배기열의 회수효율을 향상시킬 수 있는 엔진시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 엔진시스템은,
엔진;
상기 엔진으로 흡기를 공급하는 흡기계;
상기 엔진으로부터 배기가스를 배출하는 배기계;
상기 흡기계의 도중에 설치되어 흡기를 압축하도록 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기;
상기 전동식 압축기에 전기에너지를 공급하는 전기저장장치; 및
상기 배기계의 도중에 설치되어 배기가스의 압력에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈;을 포함하고,
상기 터빈에 의해 생성된 전기에너지가 상기 전기저장장치에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전동식 압축기에는 상기 전기저장장치로부터 공급받는 전기에너지에 의해 구동하는 전동모터가 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 전동식 압축기와 상기 엔진의 흡기매니폴드 사이에는 압축된 흡기를 냉각하는 냉각기가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈의 회전축에는 발전기가 연결되고, 상기 발전기는 배기가스에 의해 상기 터빈의 회전축이 회전함에 따라 전기에너지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 회전에너지를 상기 엔진의 크랭크축으로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 배기계는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리장치(exhaust gas after-treatment device)를 더 포함하고,
상기 터빈은 상기 배기가스 처리장치의 상류 측에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 배기가스 후처리장치의 하류 측에는 배기열 회수장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 배기열 회수장치는 작동유체가 순환하는 순환경로와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 상기 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 상기 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 순환경로 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프를 포함하고,
상기 보일러는 상기 배기계 상에서 상기 배기가스 후처리장치의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 팽창기의 회전축에는 발전기가 연결되고, 상기 작동유체에 의해 상기 팽창기의 회전축이 회전함에 따라 상기 발전기가 전기에너지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 팽창기는 회전에너지를 상기 엔진의 크랭크축으로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 팽창기의 발전기에 의해 생성된 전기에너지는 상기 전기저장장치에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다
본 발명의 다른 측면에 따른 엔진시스템은,
흡기매니폴드 및 배기매니폴드를 가진 엔진;
상기 엔진의 흡기매니폴드에 흡기를 공급하는 흡기계;
상기 엔진의 배기매니폴드로부터 배기가스를 배출하는 배기계;
상기 흡기계의 도중에 설치되어 흡기를 압축하는 전동식 압축기;
상기 전동식 압축기에 전기에너지를 공급하는 전기저장장치; 및
상기 배기계의 도중에 설치되어 배기가스에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈; 및
상기 터빈의 하류 측에 설치되어 배기가스의 폐열에 의해 전기에너지를 생성하는 팽창기를 가진 배기열 회수장치;를 포함하고,
상기 배기열 회수장치의 팽창기에 의해 생성된 전기에너지 및 상기 터빈에 의해 생성된 전기에너지는 상기 전기저장장치 측에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 배기계는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리장치(exhaust gas after-treatment device)를 더 포함하고,
상기 터빈은 상기 배기가스 처리장치의 상류 측에 배치되며,
상기 배기열 회수장치는 상기 배기가스 처리장치의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 터빈과 압축기가 샤프트를 통해 일체로 연결된 터보차져를 제거하고, 흡기계 측에 전동식 압축기를 설치함과 더불어 배기계 측에 배기가스에 의해 구동하는 터빈을 설치한 상태에서 터빈에 의해 생성된 전기에너지를 전동식 압축기로 공급하도록 구성함으로써 엔진에 인접한 배기계 패키징을 매우 컴팩트하게 구현할 수 있고, 이를 통해 엔진의 주변공간에서 부품들 사이의 간섭을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 터빈을 배기가스 후처리장치의 상류 측에 배치되고, 배기열 회수장치를 배기가스 후처리장치의 하류 측에 배치함으로써 배기열 회수를 위한 배기열원의 배분이 효율적으로 이루어져 엔진출력 증대 및 배기열의 회수효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 엔진시스템은, 엔진(1)과, 엔진(1)으로 흡기를 공급하는 흡기계(2)와, 엔진(1)으로부터 배기가스를 배출하는 배기계(3)를 포함한다.
흡기계(2)는 흡기가 이송되는 흡기라인(4)을 가지고, 흡기라인(4)의 상류 측에는 흡기의 이물질을 정화하는 에어클리너(6)가 설치되며, 흡기라인(4)의 도중에는 흡기를 압축하도록 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기(11)가 설치될 수 있다.
전동식 압축기(11)는 회전축(11a)을 가지고, 이러한 회전축(11a)에는 전동모터(13)가 연결된다. 전동모터(13)는 배터리 등과 같은 전기저장장치(15, power storage)로부터 전원을 공급받아 작동하고, 이에 전동모터(13)가 전동식 압축기(11)의 회전축(11a)을 회전시킴으로써 흡기라인(4)을 따라 이송되는 흡기를 적절한 압력으로 압축할 수 있다.
그리고, 전동식 압축기(11)와 엔진(1)의 흡기매니폴드 사이의 흡기라인(4)에는 인터쿨러 등과 같은 냉각기(12)가 설치될 수 있고, 냉각기(12)는 전동식 압축기(11)에 의해 압축된 흡기를 냉각하도록 구성된다.
배기계(3)는 배기가스가 이송되는 배기라인(5)을 가지고, 배기라인(5)의 도중에는 배기가스의 압력에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈(21)이 설치될 수 있다.
터빈(21)은 회전축(21a)을 가지고, 회전축(21a)의 일측에는 발전기(23)가 연결된다. 이에, 배기가스의 압력에 의해 터빈(21)의 회전축(21a)이 회전함에 따라 회전에너지가 생성되며, 그 생성된 회전에너지가 발전기(23)로 전달되면 발전기(23)는 그 회전에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 이러한 발전기(23)에 의해 생성된 전기에너지는 전류변환기(16)를 거쳐 전기저장장치(15) 측에 충전되도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 터빈(21)은 전기에너지를 생성하고 남는 회전에너지를 풀리(7, 9) 및 벨트(9) 등을 통해 엔진(1)의 크랭크축(1a)으로 전달할 수도 있다.
터빈(21)의 회전축(21a)에는 클러치(28) 및 제1풀리(7)가 설치되고, 엔진(1)의 크랭크축(1a)에 제2풀리(8)가 설치되며, 벨트(9)는 제1풀리(7)와 제2풀리(8)에 감겨질 수 있다. 이에, 클러치(28)가 결합되면 터빈(21)의 동력이 엔진(1)의 크랭크축(1a) 및 발전기(23)로 전달될 수 있고, 클러치(28)가 해제되면 터빈(21)의 동력은 발전기(23)로만 전달되어 전기에너지를 생성할 수 있다.
그외 나머지 구성은 선행하는 제1실시예와 유사 내지 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 배기계(3)의 배기라인(5) 도중에는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리장치(25, exhaust gas after-treatment device)가 설치될 수 있다.
특히, 터빈(21)은 배기라인(5) 상에서 배기가스 후처리장치(25)의 상류 측에 배치되고, 이에 배기가스가 배기가스 후처리장치(25)에 유입되기 전에 터빈(21)을 먼저 통과함으로써 터빈(21)의 회전에너지 생성율을 더욱 높일 수 있다.
그리고, 배기라인(5) 상에서 배기가스 후처리장치(25)의 하류 측에 배기열 회수장치(30)가 설치될 수 있다. 이에, 터빈(21)은 배기열 회수장치(30)의 상류 측에 설치될 수 있다.
배기열 회수장치(30)는 작동유체가 순환하는 순환경로(36)와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러(35)와, 보일러(35)로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander, 31)와, 팽창기(31)에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기(32)와, 순환경로(36) 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프(34)를 포함할 수 있다.
보일러(35)는 배기계(3)의 배기라인(5) 상에서 배기가스 후처리장치(25)의 하류 측에 설치될 수 있다. 이에 보일러(35)는 배기가스 후처리장치(25)를 통과한 배기가스에 의해 작동유체를 가열 및 증발시킬 수 있다.
팽창기(31)는 순환경로(36) 상에서 보일러(35)의 하류 측에 설치되고, 팽창기(31)의 회전축(31a)에는 발전기(33)가 연결된다.
보일러(35)에 가열된 기체상태의 작동유체가 팽창기(31)를 통과함에 따라 팽창기(31)의 회전축(31a)이 회전하여 회전에너지가 생성되고, 이러한 회전에너지가 발전기(33)로 전달되면 발전기(33)는 그 회전에너지를 전기에너지로 변환함으로써 전기에너지를 생성할 수 있다. 이러한 팽창기(31)의 발전기(33)에 의해 생성된 전기에너지는 전류변환기(16)를 거쳐 전기저장장치(15) 측에 충전되도록 구성될 수 있다.
또한, 팽창기(31)는 전기에너지를 생성하고 남는 회전에너지를 풀리(6, 9) 및 벨트(9) 등을 통해 엔진(1)의 크랭크축(1a)으로 전달할 수도 있다.
팽창기(31)의 회전축(31a)에는 클러치(38) 및 제1풀리(6)가 설치되고, 엔진(1)의 크랭크축(1a)에 제2풀리(8)가 설치되며, 벨트(9)는 제1풀리(6)와 제2풀리(8)에 감겨질 수 있다. 이에, 클러치(38)가 결합되면 팽창기(31)의 동력이 엔진(1)의 크랭크축(1a) 및 발전기(33)로 전달될 수 있고, 클러치(38)가 해제되면 팽창기(31)의 회전에너지는 발전기(33)로만 전달되어 전기에너지를 생성할 수 있다.
그외 나머지 구성은 선행하는 제1, 제2 실시예와 유사 내지 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
1: 엔진 2: 흡기계
3: 배기계 4: 흡기라인
5: 배기라인 6: 에어클리너
11: 전동식 압축기 12: 냉각기
13: 전동모터 15: 전기저장장치
16: 전류변환기 21: 터빈
25: 배기가스 후처리장치 30: 배기열 회수장치
31: 팽창기 32: 응축기
34: 순환펌프 35: 보일러

Claims (13)

  1. 엔진;
    상기 엔진으로 흡기를 공급하는 흡기계;
    상기 엔진으로부터 배기가스를 배출하는 배기계;
    상기 흡기계의 도중에 설치되어 흡기를 압축하도록 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기;
    상기 전동식 압축기에 전기에너지를 공급하는 전기저장장치; 및
    상기 배기계의 도중에 설치되어 배기가스의 압력에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈;을 포함하고,
    상기 터빈에 의해 생성된 전기에너지가 상기 전기저장장치에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전동식 압축기에는 상기 전기저장장치로부터 공급받는 전기에너지에 의해 구동하는 전동모터가 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전동식 압축기와 상기 엔진의 흡기매니폴드 사이에는 압축된 흡기를 냉각하는 냉각기가 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈의 회전축에는 발전기가 연결되고, 상기 발전기는 배기가스에 의해 상기 터빈의 회전축이 회전함에 따라 전기에너지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 터빈은 회전에너지를 상기 엔진의 크랭크축으로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기계는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리장치(exhaust gas after-treatment device)를 더 포함하고,
    상기 터빈은 상기 배기가스 처리장치의 상류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배기가스 후처리장치의 하류 측에는 배기열 회수장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배기열 회수장치는 작동유체가 순환하는 순환경로와, 엔진의 폐열에 의해 작동유체를 가열 및 증발시키는 보일러와, 상기 보일러로부터 공급받은 작동유체를 팽창시켜 회전동력을 생성하는 팽창기(expander)와, 상기 팽창기에서 배출된 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 순환경로 상으로 작동유체를 순환시키는 순환펌프를 포함하고,
    상기 보일러는 상기 배기계 상에서 상기 배기가스 후처리장치의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 팽창기의 회전축에는 발전기가 연결되고, 상기 작동유체에 의해 상기 팽창기의 회전축이 회전함에 따라 상기 발전기가 전기에너지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 팽창기는 회전에너지를 상기 엔진의 크랭크축으로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 팽창기의 발전기에 의해 생성된 전기에너지는 상기 전기저장장치에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  12. 흡기매니폴드 및 배기매니폴드를 가진 엔진;
    상기 엔진의 흡기매니폴드에 흡기를 공급하는 흡기계;
    상기 엔진의 배기매니폴드로부터 배기가스를 배출하는 배기계;
    상기 흡기계의 도중에 설치되어 흡기를 압축하는 전동식 압축기;
    상기 전동식 압축기에 전기에너지를 공급하는 전기저장장치; 및
    상기 배기계의 도중에 설치되어 배기가스에 의해 회전함으로써 전기에너지를 생성하는 터빈; 및
    상기 터빈의 하류 측에 설치되어 배기가스의 폐열에 의해 전기에너지를 생성하는 팽창기를 가진 배기열 회수장치;를 포함하고,
    상기 배기열 회수장치의 팽창기에 의해 생성된 전기에너지 및 상기 터빈에 의해 생성된 전기에너지는 상기 전기저장장치 측에 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 배기계는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리장치(exhaust gas after-treatment device)를 더 포함하고,
    상기 터빈은 상기 배기가스 처리장치의 상류 측에 배치되며,
    상기 배기열 회수장치는 상기 배기가스 처리장치의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진시스템.
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