KR20180034177A - 완벽한 배기 열 관리 모듈로 배기가스 재순환(egr), 배기 열 회수(ehrs) 및 잠열 저장소의 통합 - Google Patents

완벽한 배기 열 관리 모듈로 배기가스 재순환(egr), 배기 열 회수(ehrs) 및 잠열 저장소의 통합 Download PDF

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Abstract

자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템은 내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로를 포함한다. 냉각제 회로는 이를 통해 냉각제를 전달하도록 구성된다. 열 에너지 관리 시스템은 내연 기관, 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 포함하는데, 배기 라인은 기관에 의해 생성된 배기가스를 가스 회로로부터 전달하도록 구성된다. 제 1 열 교환기는 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환한다.

Description

완벽한 배기 열 관리 모듈로 배기가스 재순환(EGR), 배기 열 회수(EHRS) 및 잠열 저장소의 통합{INTEGRATION OF EXHAUST GAS RECIRCULATION (EGR), EXHAUST HEAT RECOVERY (EHRS) AND LATENT HEAT STORAGE IN A COMPLETE EXHAUST THERMAL MANAGEMENT MODULE}
[0001] 본 특허출원은 2016년 9월 27일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/400,565호를 우선권으로 주장한다. 상기 특허출원의 전체 개시는 이로써 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
[0002] 본 개시는 내연 기관을 갖는 자동차의 열 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
[0003] 내연 기관에 존재하는 하나의 문제점은 기관의 작동 개시시 엔진 블록의 낮은 온도와 관련된다. 기관의 작동 개시시 엔진 블록의 낮은 온도는 바람직하지 않게 더 높은 기계적 마찰을 초래한다. 더 높은 기계적 마찰은 더 높은 연료 소모와 더 높은 이산화탄소(CO2) 배출을 유발한다. 이 문제는 특히 내연 기관이 일반적으로 비-하이브리드 차량의 내연 기관에 비해 더 낮은 온도로 유지되는 "정지/시동" 상태들을 포함한 가솔린/전기식 하이브리드 차량에서 발생한다. 하이브리드 차량의 내연 기관은 하이브리드 차량이 전기 모드에서 작동하고 있을 때와 같이 빈번한 셧-다운 기간들의 발생으로 인해 더 낮은 온도로 유지된다.
[0004] 따라서 내연 기관이 내연 기관의 온도 조절을 돕기 위해 열원들로서 재순환 유체들을 이용하는 것이 바람직하다. 재순환 유체들을 이용하는 시스템들의 일반적인 예들은 배기가스 재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation) 시스템 및 별도의 배기 열 회수 시스템(EHRS: Exhaust Heat Recovery System)이다. 이러한 시스템들은 예를 들어, 내연 기관의 배기가스들과 내연 기관의 엔진 블록의 온도를 조절하는데 사용되는 냉각제 시스템의 냉각제 사이의 열 에너지의 교환을 이용할 수 있다.
[0005] EHRS는 기관의 시동 후에 배기가스들의 열 에너지를 회수함으로써, 기관의 연료 소비 및 CO2 배출을 최소화한다. 냉각제와 배기가스들 사이의 열 에너지의 전달 동안 발생할 수 있는 하나의 상태는 기관의 시동 직후 냉각제의 바람직하지 않은 과냉각에 관한 것이다. 기관 시동 이후의 시간 기간들에 EHRS의 열 관성은 저온 배기가스들이 냉각제와 열 에너지를 교환하게 함으로써, 엔진 블록을 가열하는 데 초기에 도움이 되도록 의존하게 되는 냉각제가 EHRS 내에서 실제로는 불리하게 냉각되는 상황을 초래할 수 있다. 냉각제의 냉각은 엔진 블록의 가열이 부정적으로 영향을 받게 한다.
[0006] EGR 시스템을 이용하는 내연 기관과 연관된 다른 조건은 기관의 안정된 주행 중에 발생한다. 기관의 안정화된 주행 동안, EGR 시스템은 어떤 경우들에는 배기가스들로부터의 열 에너지를 냉각제로 전달할 수 있으며, 여기서 주 냉각제 라디에이터 상의 열 전달 요구는 원하는 온도 이상으로의 냉각제의 과도한 가열로 인해 증가된다. 증가된 열 전달은 보다 높은 공기 역학 항력을 갖는 더 큰 열 교환기의 필요성을 야기하는데, 이는 결과적으로 더 높은 연료 소비 및 차량 내의 컴포넌트 포장 공간의 손실을 초래한다. 이러한 프로세스에 의해 낭비되는 에너지는 재순환을 위한 어떠한 용도도 아니며, 이에 따라 시스템의 효율을 더욱 낮춘다.
[0007] 내연 기관에서 배출되는 배기가스의 열 에너지를 이용함으로써 내연 기관의 온도를 효과적으로 조절하는 개선된 열 에너지 관리 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
[0008] 개선된 열 에너지 시스템을 제공하기 위해, 내연 기관의 초기 가온 상태들 동안 냉각제를 가열할 때 열 에너지 시스템을 돕기 위해 잠열 저장 유닛(LHSU: Latent Heat Storage Unit)을 추가하는 것이 바람직하다. LHSU를 포함하는 시스템은 배기가스들과 기관의 냉각제 사이의 열 에너지 전달을 이용하는 2 유체 EHRS를 더 포함한다. EGR 시스템과 EHRS를 냉각제, 배기가스들 및 LHSU 3개 모두와 열 교환 관계에 있는 각각의 시스템에 공통인 단일 열 교환기를 갖는 통합 시스템으로 결합하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. EGR 시스템에서 2개의 비례 밸브들과 하나의 온/오프 또는 비례 밸브의 사용에 의해 배기가스 라우팅의 서로 다른 결합들이 달성될 수 있다. LHSU가 열 에너지를 축적함으로써 대기로 소산될 열 에너지의 양을 감소시키는 것이 또한 바람직하며, 여기서 축적된 열 에너지는 내연 기관의 연료 소비를 최소화하는 동시에 또한 열 에너지 전달을 수행하기 위한 라디에이터에 대한 요구를 최소화하기 위해 기관 시동 후 재사용된다. 라디에이터에 대한 요구를 최소화하는 것은 라디에이터의 크기를 최소화할 수 있게 하며, 이는 결국 라디에이터의 공기 역학 항력을 최소화하여 차량의 연료 소비 및 CO2 배출을 최소화하도록 돕는다.
[0009] 기관이 안정화 상태에서 주행하고 있는 동안 내연 기관을 윤활시키는데 사용되는 오일의 냉각을 보조하는 별도의 오일 쿨러 또는 수냉식 오일 쿨러에 대한 필요성이 또한 존재한다. 이에 따라, 엔진 블록의 온도를 효율적으로 관리하기 위해 냉각제와 배기가스 그리고 엔진 오일 사이의 열 에너지의 전달을 가능하게 하는 3 유체 EHRS를 이용하는 것이 또한 바람직하다.
[0010] 본 발명에 따라 그리고 그에 일치하게, 내연 기관에서 배출되는 배기가스의 열 에너지를 이용함으로써 내연 기관의 온도를 효과적으로 조절하는 개선된 열 에너지 관리 시스템이 놀랍게도 발견되었다.
[0011] 본 발명의 실시예에 따르면, 자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템은 내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로를 포함한다. 냉각제 회로는 이를 통해 냉각제를 전달하도록 구성된다. 열 에너지 관리 시스템은 내연 기관, 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 포함하는데, 배기 라인은 기관에 의해 생성된 배기가스를 가스 회로로부터 전달하도록 구성된다. 제 1 열 교환기는 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환한다.
[0012] 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템이 개시된다. 이 시스템은 내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로를 포함한다. 냉각제 회로는 이를 통해 냉각제를 전달하도록 구성된다. 가스 회로는 내연 기관, 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 포함하는데, 배기 라인은 기관에 의해 생성된 배기가스를 가스 회로로부터 전달하도록 구성된다. 제 1 열 교환기는 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환한다. 오일 회로는 제 1 열 교환기와 유체 연통하는 제 2 열 교환기를 포함한다.
[0013] 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템을 작동시키는 방법이 개시된다. 이 방법은 내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로를 제공하는 단계들을 포함한다. 냉각제 회로는 이를 통해 냉각제를 전달하도록 구성된다. 이 방법은 또한 내연 기관, 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 제공하는 단계를 포함하는데, 배기 라인은 기관에 의해 생성된 배기가스를 가스 회로로부터 전달하도록 구성된다. 제 1 열 교환기는 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환한다. 추가 단계는 제 1 상태 및 제 2 상태 중 적어도 하나로 열 관리 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 더욱이, 이 방법은 열 교환기를 우회하여 기관으로 유입되고 있는 공기와 혼합하는 것, 배기 라인으로 흐르는 것, 그리고 제 1 열 교환기를 통해 흐르는 것 중 하나를 수행하도록 배기가스의 흐름 전체의 적어도 일부를 선택적으로 제어하는 단계를 포함한다.
[0014] 적용 가능성의 추가 분야들은 본 명세서에서 제공되는 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 개요의 설명 및 특정 예들은 단지 예시를 위해 의도된 것이며 본 개시의 범위를 한정하도록 의도되는 것은 아니다.
[0015] 본 명세서에서 설명되는 도면들은 가능한 모든 구현들이 아니라 선택된 실시예들의 예시 목적일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다.
[0016] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
[0017] 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연 기관에 사용되는 잠열 저장 유닛을 갖는 열 에너지 관리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
[0018] 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연 기관에 사용되는 오일 열 교환기를 갖는 열 에너지 관리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
[0019] 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연 기관에 사용되는 잠열 저장 유닛 및 오일 증발기를 모두 갖는 열 에너지 관리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
[0020] 다음 상세한 설명 및 첨부 도면들은 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들을 설명 및 예시한다. 설명과 도면들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 제작 및 사용할 수 있게 하는 역할을 하며, 본 개시, 애플리케이션 또는 용도들을 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다.
[0021] 도 1은 내연 기관(1)을 갖는 차량의 열 에너지 관리 시스템(20)을 예시한다. 기관(1)은 차량에 동력을 공급하기 위해 전기 에너지원을 또한 이용하는 하이브리드 차량에 설치될 수 있다. 이에 따라, 차량의 전기 에너지원이 주로 또는 단독으로 차량에 동력을 공급하기 위해 사용되는 동안 기관(1)이 비활동 기간들이 되는 상황들이 존재한다. 그러나 기관(1)은 임의의 2차 형태의 동력원 또는 에너지원과 연관하여 사용될 수도 있고, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 2차 동력원 또는 에너지원 없이 사용될 수 있다.
[0022] 기관(1)은 가스 회로(21)와 유체 연통 및 열 교환 연통한다. 가스 회로(21)는 압축기(3), 기관(1), 압축기(3)를 기계적으로 구동하는 터빈(2), 3원 촉매(4), 이물질 필터(5), 제 1 비례 밸브(6), 예를 들어 가스-냉각제 열 교환기와 같은 열 교환기(7) 및 제 2 비례 밸브(8)를 포함한다. 압축기(3)의 상류 단부는 제 2 비례 밸브(8)의 하류에 배치되고, 압축기(3)의 하류 단부는 기관(1)으로부터의 상류에 배치된다. 가스 회로(21)는 제 1 비례 밸브(6)의 브랜치로부터 예를 들어, 대기와 같은 환경에 노출된 배기 라인(23)으로 연장하는 배기 브랜치(22)를 더 포함한다. 배기 브랜치(22)는 제 1 비례 밸브(6)의 하류 및 배기 라인(23)의 상류에 배치된 온/오프 밸브(9)를 포함한다. 배기 라인(23)은 온/오프 밸브(9) 및 제 2 비례 밸브(8) 각각과 유체 연통한다. 제 1 재순환 라인(24)은 제 2 비례 밸브(8)로부터 압축기(3)의 상류 단부까지 연장한다. 제 2 재순환 라인(25)은 온/오프 밸브(9)로부터 압축기(3)의 상류 단부까지 연장한다.
[0023] 기관(1)은 또한 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 회로(31)와 유체 연통 및 열 교환 연통한다. 냉각제 회로(31)는 기관(1), 제 1 서모스태틱(thermostatic) 밸브(13), 라디에이터(14) 및 열 교환기(7)를 포함한다. 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 기관(1)을 통과한 이후의 냉각제의 온도를 기초로 라디에이터(14)를 통과하는 냉각제의 흐름을 제어한다. 라디에이터(14)는 냉각제가 라디에이터(14)를 통과하게 될 때 냉각제의 열 에너지를 방출한다.
[0024] 가스 회로(21) 및 냉각제 회로(31)를 포함하는 열 에너지 관리 시스템(20)의 작동은 기관(1)의 서로 다른 온도 조건들에 대응하는 3개의 작동 상태들을 참조하여 설명될 수 있다. 3개의 작동 상태들의 이용은 기관(1)의 가열 동안 기관(1)의 연료 소비 및 CO2 배출들의 저감을 돕는다.
[0025] 제 1 상태는 기관 시동 직후에 발생하는데, 여기서 냉각제는 저온 조건이고, 배기가스들은 저온 조건이며, 기관(1) 및 연관된 엔진 블록은 또한 저온 조건에 있다. 우선, 기관(1)의 활성화에 이어, 공기가 압축기(3)로 안내되어 기관(1)에 들어가기 전에 압축된다. 공기는 연료와 혼합되고 기관(1)에서 연소되어 배기가스들을 생성한다. 배기가스들은 터빈(2)을 통해 흘러 압축기(3)를 구동시킨다. 다음에 배기가스들은 3원 촉매(4) 및 이물질 필터(5)를 통해 흐른다. 이물질 필터(5)는 배기가스들에 의해 운반되는 이물질을 제거함으로써 압축기(3)를 손상으로부터 보호한다.
[0026] 제 1 상태에서 작동할 때, 제 1 비례 밸브(6)는 배기가스들의 적어도 일부를 온/오프 밸브(9) 쪽으로 향하도록 조절된다. 온/오프 밸브(9)는 이를 통과하는 흐름 전체를 제 2 재순환 라인(25)을 통해 안내하도록 포지셔닝된다. 어떤 상황들에서, 배기가스들의 흐름 전체는 제 1 비례 밸브(6) 그리고 다음에 제 2 재순환 라인(25)을 통해 흐르게 된다. 제 2 재순환 라인(25)을 통과하는 배기가스들은 열 교환기(7)를 우회하여, 열 교환기(7)를 통해 흐르는 냉각제와 열 에너지를 교환하지 않는다. 그 결과, 제 2 재순환 라인(25)을 통과하는 배기가스들이 기관(1)으로 유입되고 있는 공기와 혼합되어 상승된 온도를 갖는 가스 혼합물을 야기한다. 이 가열된 가스 혼합물은 다음에 제 1 상태 동안 기관(1)의 급속 가열을 보조하여 그 내부의 기계적 마찰의 발생을 감소시킬 수 있다.
[0027] 배기가스들의 일부가 제 1 비례 밸브(6) 및 열 교환기(7)를 통과하는 동작들 동안, 열 에너지가 열 교환기(7)를 통과하는 냉각제와 교환된다. 냉각제는 기관(1)을 통과하기 전에 가열되어 기관(1)의 가열시 냉각제를 보조한다. 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 냉각제가 라디에이터(14)를 우회하여 냉각제가 기관(1)을 가열하기 위해 열 교환기(7) 내에서 계속해서 가열될 수 있게 조절된다. 이에 따라, 기관(1)은 냉각제 및 재순환된 배기가스들의 이중 작용에 의해 가열된다. 제 2 비례 밸브(8)는 열 교환기(7)를 통과하는 배기가스들의 흐름 전체가 배기 라인(23)으로 흐르게 하여 열 에너지 관리 시스템(20)으로부터 가스들을 배출하도록 조정된다.
[0028] 제 2 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(20)의 동작은 제 2 재순환 라인(25)을 통과하는 냉각되지 않은 배기가스들이 없는 경우에 열 교환기(7)에서의 냉각제의 가열이 기관(1)을 가열하기에 적합한 온도에 기관(1)이 도달할 때 발생한다. 제 2 상태는 일반적으로 기관 시동 후 일정 기간의 시간 후에 발생하며, 여기서 기관(1)은 그 기간의 시간 동안 작동하고 있었다. 이에 따라, 제 1 비례 밸브(6)는 배기가스들의 흐름 전체가 온/오프 밸브(9) 쪽 대신에 열 교환기(7) 쪽으로 흐르도록 조절된다. 따라서 가열된 배기가스들은 열 교환기(7)를 통과하는 냉각제가 기관(1)을 계속 가열하는데 사용되기 전에 냉각제를 가열한다. 제 2 비례 밸브(8)는 열 교환기(7)를 통과하는 배기가스들이 압축기(3)에 들어가는 공기와 혼합되는 원하는 정도의 배기가스를 형성하도록 원하는 비율들로 배기 라인(23) 및 제 1 재순환 라인(24) 쪽으로 안내되는 위치로 조절될 수 있다. 제 2 상태에서의 작동 중에, 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 계속해서 냉각제가 라디에이터(14) 상에 흐르지 않게 하여 냉각제가 열 교환기(7) 내에서 계속해서 가열될 수 있게 할 수 있다.
[0029] 제 3 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(20)의 작동은 기관(1)이 안정화된 기능에 도달했고 가열 대신 냉각을 요구할 때 발생한다. 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 냉각제를 라디에이터(14)를 통해 흐르게 하여 냉각제를 냉각시키도록 조절된다. 냉각된 냉각제는 다음에 열 교환기(7)를 통해 흐르게 된다. 제 1 비례 밸브(6)는 배기가스들 전체가 열 교환기(7)를 통해 흐르게 하도록 조절된다. 냉각제는 열 교환기(7)에서 배기가스들을 냉각시키고 배기가스들은 원하는 정도의 배기가스 및 공기 혼합과 연관하여 제 2 비례 밸브(8)에 의해 제 1 재순환 라인(24) 및 배기 라인(23)으로 전달된다.
[0030] 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 비례 밸브(6), 제 2 비례 밸브(8), 열 교환기(7) 및 온/오프 밸브(9)는 단일 모듈(15)로서 함께 패키지화될 수 있다. 모듈(15)은 열 에너지 관리 시스템(20)의 형성시 위에서 개시한 것들과 같은 유사한 컴포넌트들을 갖는 복수의 서로 다른 차량들로의 적응에 적합할 수 있다.
[0031] 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 에너지 관리 시스템(120)을 예시한다. 열 에너지 관리 시스템(120)은 잠열 저장 유닛(LHSU)(11) 및 연관된 통합 구조의 추가를 제외하면 도 1의 열 에너지 관리 시스템(20)과 실질적으로 유사하다. 도 1의 열 에너지 관리 시스템(20)의 특징들과 유사한 특징들은 편의상 동일한 참조 번호로 참조된다.
[0032] LHSU(11)는 가스 회로(21) 상에 배치된 제 2 서모스태틱 밸브(12)의 하류에 배치된다. 제 2 서모스태틱 밸브(12)는 제 1 서모스태틱 밸브(13) 및 라디에이터(14) 각각의 하류에 배치된다. 제 2 서모스태틱 밸브(12)는 열 교환기(7) 및 LHSU(11) 중 하나 쪽으로의 냉각제 흐름을 제어하도록 구성된다. 제 2 서모스태틱 밸브(12)는 또한 제 2 서모스태틱 밸브(12)에 닿을 때의 냉각제 온도를 기초로 냉각제의 분배를 제어하도록 구성될 수도 있다. 열 교환기(7)를 통해 흐르는 냉각제는 또한 열 교환기(7)의 하류 및 기관(1)의 상류의 LHSU(11)와 유체 연통한다.
[0033] 열 에너지 관리 시스템(120)은 열 에너지 관리 시스템(20)과 유사한 방식으로 기관(1)의 온도에 기초한 3개의 서로 다른 작동 상태들로 작동 가능할 수 있다.
[0034] 제 1 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(120)의 작동은 냉각제, 배기가스들 및 기관(1)이 저온 조건에 있는 것을 포함한다. 제 1 비례 밸브(6) 및 온/오프 밸브(9)는 배기가스들의 적어도 일부를 압축기(3)로 안내하고 열 교환기(7)를 우회하여 기관(1)의 가열 속도를 증가시키도록 조절된다. 열 교환기(7)를 통해 흐르는 임의의 배기가스들은 냉각제의 가열을 돕고 제 2 비례 밸브(8)를 통해 배기 라인(23)을 거쳐 배출된다. LHSU(11)에 저장된 잠열 에너지는 냉각제로 전달되어 냉각제를 더 가열한다. 그 다음, 가열된 냉각제는 기관(1)의 급속 가열을 보조하여 그 내부의 기계적 마찰의 발생을 감소시킨다. 어떤 상황들에서, 제 1 상태는 열 에너지 관리 시스템(120)의 효율을 최대화하기 위해 LHSU(11)로부터의 열 회수를 최대화하기 위해 LHSU(11)를 통해 모든 냉각제를 안내하는 제 2 서모스태틱 밸브(12)를 포함할 수 있다.
[0035] 제 2 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(120)의 작동은 열 교환기(7)에서 냉각제의 가열이 LHSU(11)에 존재하는 저장된 열 에너지 없이 기관(1)을 가열하기에 적합한 온도에 기관(1)이 도달한 것을 포함한다. 제 1 비례 밸브(6)는 온/오프 밸브(9) 및 제 2 재순환 라인(25)을 향하여 배기가스들의 일부 또는 전부를 안내하는 대신에 배기가스의 흐름 전체가 열 교환기(7) 쪽으로 흐르도록 조절된다. 제 2 서모스태틱 밸브(12)는 배기가스들 전체가 열 교환기(7) 쪽으로 흐르게 하도록 조절된다. 따라서 가열된 배기가스들은 냉각제가 기관(1)을 가열하는데 사용되기 전에 열 교환기(7) 내의 냉각제를 가열한다. 제 2 비례 밸브(8)는 열 교환기(7)를 통과하는 배기가스들이 압축기(3)에 들어가는 공기와 혼합되는 원하는 정도의 배기가스를 형성하도록 원하는 비율들로 배기 라인(23) 및 제 1 재순환 라인(24) 쪽으로 안내되는 위치로 조절될 수 있다. 제 2 상태에서의 작동 중에, 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 계속해서 냉각제가 라디에이터(14)를 우회하게 하거나 라디에이터(14) 상에 흐르지 않게 하여 냉각제의 바람직하지 않은 냉각을 막을 수 있다.
[0036] 제 3 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(120)의 작동은 기관(1)이 안정화된 기능에 도달했고 가열 대신 냉각을 요구할 때 발생한다. 제 1 서모스태틱 밸브(13)는 냉각제를 라디에이터(14)를 통해 흐르게 하여 냉각제를 냉각시키도록 조절된다. 제 2 서모스태틱 밸브(12)는 제 2 서모스태틱 밸브(12)를 통해 흐르는 냉각제가 LHSU(11)를 향해서가 아니라 열 교환기(7) 쪽으로 완전히 안내되게 하도록 조절된다. 제 1 비례 밸브(6)는 배기가스들 전체가 열 교환기(7)를 통해 흐르게 하도록 조절된다. 냉각된 냉각제는 다음에 열 교환기(7)를 통해 흐르게 되는데, 여기서 냉각제는 가열된 배기가스들로부터 열 에너지를 받는다. 냉각제 및 배기가스들은 열 교환기(7)에서 열 에너지를 교환하고, 배기가스들은 원하는 정도의 배기가스 및 공기 혼합과 연관하여 제 2 비례 밸브(8)에 의해 제 1 재순환 라인(24) 및 배기 라인(23)으로 전달된다. 그 다음, 가열된 냉각제는 제 1 상태에서 열 에너지 관리 시스템(120)의 작동을 예상하여 LHSU(11) 내에 열 에너지를 저장하기 위해 LHSU(11)를 통해 흐른다. 냉각제로부터 LHSU(11)로의 열 에너지의 방출은 유리하게는 라디에이터(14)의 열 전달 요구가 감소되게 함으로써, 라디에이터(14)에 필요한 크기를 축소시킨다.
[0037] 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 비례 밸브(6), 제 2 비례 밸브(8), 열 교환기(7), 온/오프 밸브(9) 및 LHSU(11)는 단일 모듈(115)로서 함께 패키지화될 수 있다. 모듈(115)은 열 에너지 관리 시스템(120)의 형성시 위에서 개시한 것들과 같은 유사한 컴포넌트들을 갖는 복수의 서로 다른 차량들로의 적응에 적합할 수 있다.
[0038] 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 에너지 관리 시스템(220)을 예시한다. 도 1 - 도 2의 열 에너지 관리 시스템(20, 120)과 유사한 특징들은 "2"가 선행하는 동일한 참조 번호로 참조된다. 열 에너지 관리 시스템(220)은 압축기(203), 내연 기관(201), 터빈(202), 3원 촉매(204), 이물질 필터(205), 온/오프 밸브(209) 및 열 교환기(207)를 갖는 가스 회로(221)를 포함한다. 온/오프 밸브(209)는 기관(201)으로부터의 배기가스들의 흐름 전체가 열 교환기(207) 및 배기 라인(223) 중 하나를 향해 흐르게 하도록 조정 가능하다. 열 교환기(207)의 하류 단부는 또한 배기 라인(223)과 유체 연통한다.
[0039] 기관(201)은 또한 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 회로(231)와 유체 연통 및 열 교환 연통한다. 냉각제 회로(231)는 기관(201), 제 1 서모스태틱 밸브(213), 라디에이터(214), 열 교환기(207) 및 오일 열 교환기(210)를 포함한다. 오일 열 교환기(210)는 기관(201)을 통해 순환하는 오일과 냉각제 회로(231)를 통해 흐르는 냉각제 사이에서 열 에너지를 교환하도록 구성된다. 오일은 기관(201)으로부터 오일 열 교환기(210)로 그리고 오일 루프(241)를 통해 오일 열 교환기(210)로부터 다시 기관(201)으로 흐른다.
[0040] 열 에너지 관리 시스템(220)은 기관(201)의 온도에 기초한 2개의 서로 다른 작동 상태들로 작동 가능할 수 있다.
[0041] 제 1 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(220)의 작동은 냉각제, 배기가스들 및 기관(201)이 저온 조건에 있는 것을 포함한다. 기관(201)을 빠져나가는 배기가스들의 적어도 일부는 온/오프 밸브(209)에 의해 열 교환기(207) 쪽으로 안내되는데, 여기서 가열된 배기가스들은 열 교환기(207)를 통과하는 냉각제로 열 에너지를 방출한다. 열 교환기(207) 쪽으로 향하지 않는 배기가스들은 배기 라인(223) 쪽을 향하게 된다. 특정 시나리오들에서는, 온/오프 밸브(209)를 통해 흐르는 배기가스들 전체가 열 교환기(207)로 흐를 것이다. 그 다음, 가열된 냉각제는 열 교환기(207)로부터 오일 열 교환기(210) 쪽으로 흐르는데, 여기서 가열된 냉각제는 기관(201)을 통해 순환될 오일을 더 가열한다. 이에 따라, 냉각제와 오일 모두 기관(201)이 가열되게 하도록 배기가스들에 의해 가열되어 기관(201) 내에서 기계적 마찰의 발생을 감소시킨다. 제 1 서모스태틱 밸브(213)는 냉각제가 라디에이터(214)로 흐르는 것을 막도록 조절되어, 라디에이터(214)를 우회한다.
[0042] 제 2 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(220)의 작동은 기관(201)이 안정화된 기능에 도달했고 가열 대신 냉각을 요구할 때 발생한다. 이에 따라, 냉각제는 기관(201)을 직접 냉각할 뿐만 아니라 기관(201) 내에서 순환되는 오일을 냉각시킴으로써, 기관(201)의 이중 냉각을 제공하는데 사용될 수 있다. 제 2 상태에서, 제 1 서모스태틱 밸브(213)는 라디에이터(214)를 통해 냉각제가 흐르게 하도록 포지셔닝되는데, 여기서 냉각제로부터의 열 에너지가 방출된다. 온/오프 밸브(9)는 배기가스들 전체가 열 교환기(207)를 통해 흐르게 하도록 조절된다. 라디에이터(214)로부터의 냉각된 냉각제는 다음에 열 교환기(207)를 통해 흐르게 되는데, 여기서 냉각제는 가열된 배기가스들로부터 열 에너지를 받는다. 냉각제 및 배기가스들은 열 교환기(207)에서 열 에너지를 교환하고, 배기가스들은 배기 라인(223)으로 전달된다. 냉각된 냉각제는 또한 오일 열 교환기(210)를 통해 순환되는데, 여기서는 오일 루프(241)를 통해 흐르는 오일과 냉각제 회로(231)를 통해 흐르는 냉각제 사이에서 열 에너지가 교환된다.
[0043] 도 3에 도시된 바와 같이, 온/오프 밸브(209), 열 교환기(207) 및 오일 열 교환기(210)는 단일 모듈(215)로서 함께 패키지화될 수 있다. 모듈(215)은 열 에너지 관리 시스템(220)의 형성시 개시한 것들과 같은 유사한 컴포넌트들을 갖는 복수의 서로 다른 차량들로의 적응에 적합할 수 있다.
[0044] 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 에너지 관리 시스템(320)을 예시한다. 도 1 - 도 3의 열 에너지 관리 시스템(20, 120, 220)과 유사한 특징들은 "3"이 선행하는 동일한 참조 번호로 참조된다. 열 에너지 관리 시스템(320)은 압축기(303), 기관(301), 터빈(302), 3원 촉매(304), 이물질 필터(305), 온/오프 밸브(309) 및 열 교환기(307)를 갖는 가스 회로(321)를 포함한다. 온/오프 밸브(309)는 배기가스들의 흐름 전체가 열 교환기(307) 및 배기 라인(323) 중 하나를 향해 흐르게 하도록 조정 가능하다. 열 교환기(307)의 하류 단부는 또한 배기 라인(323)과 유체 연통한다.
[0045] 기관(301)은 또한 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 회로(331)와 유체 연통 및 열 교환 연통한다. 냉각제 회로(331)는 기관(301), 제 1 서모스태틱 밸브(313), 라디에이터(314), 제 2 서모스태틱 밸브(312), 열 교환기(307), 오일 열 교환기(310) 및 LHSU(311)를 포함한다. 오일 열 교환기(310)는 기관(301)을 통해 순환하는 오일과 냉각제 회로(331)를 통해 흐르는 냉각제 사이에서 열 에너지를 교환하도록 구성된다. LHSU(311)는 냉각제 회로(331)에 배치된 제 2 서모스태틱 밸브(312)의 하류에 배치된다. 제 2 서모스태틱 밸브(312)는 제 1 서모스태틱 밸브(313) 및 라디에이터(314) 각각의 하류에 배치된다. 제 2 서모스태틱 밸브(312)는 열 교환기(307) 및 LHSU(311) 중 하나 쪽으로의 냉각제 흐름을 제어하도록 구성된다. 제 2 서모스태틱 밸브(312)는 제 2 서모스태틱 밸브(312)에 닿을 때의 냉각제 온도를 기초로 냉각제의 분배를 제어하도록 구성될 수 있다. 열 교환기(307)를 통해 흐르는 냉각제는 또한 냉각제의 흐름에 대해 열 교환기(307)의 하류 및 기관(301)의 상류의 오일 열 교환기(310) 및 LHSU(311) 각각과 유체 연통한다.
[0046] 열 에너지 관리 시스템(320)은 열 에너지 관리 시스템들(20, 120)과 유사한 방식으로 기관(301)의 온도에 기초한 3개의 서로 다른 작동 상태들로 작동 가능할 수 있다.
[0047] 제 1 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(320)의 작동은 냉각제, 배기가스들 및 기관(301)이 저온 조건에 있는 것을 포함한다. 기관(301)을 빠져나가는 냉각제는 제 1 서모스태틱 밸브(313)를 통해 라디에이터(314)를 우회하여 제 2 서모스태틱 밸브(312)에 의해 열 교환기(307) 쪽으로가 아니라 LHSU(311) 쪽으로 향하게 된다. LHSU(311)는 이를 통과하는 냉각제로 잠열을 방출하여 냉각제를 가열한다. LHSU(311)에 의해 가열된 냉각제는 다음에 기관(301)을 통해 순환되어 기관(301)을 가열할 수 있다. 특정 실시예들에서, 기관(301)을 빠져나가는 배기가스들의 적어도 일부는 온/오프 밸브(309)에 의해 열 교환기(307) 쪽으로 안내되는데, 여기서 가열된 배기가스들은 열 교환기(307)를 통과하는 냉각제로 열 에너지를 방출한다. 열 교환기(307) 쪽으로 향하지 않는 배기가스들은 배기 라인(323) 쪽을 향하게 된다. 특정 시나리오들에서는, 온/오프 밸브(309)를 통해 흐르는 배기가스들 전체가 열 교환기(307)로 흐를 것이다. 그 다음, 가열된 냉각제는 열 교환기(307)로부터 오일 열 교환기(310) 쪽으로 흐르는데, 여기서 가열된 냉각제는 기관(301)을 통해 순환될 오일을 더 가열한다. 가열된 냉각제는 그 후 LHSU(311)에 열을 저장하도록 LHSU(311)로 흘러 LHSU(311)를 통과하는 냉각제를 추가로 가열한다.
[0048] 제 2 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(320)의 작동은 LHSU(311)가 그에 저장된 열 에너지를 이미 냉각제에 전달한 것을 포함한다. 제 2 서모스태틱 밸브(312)는 냉각제가 LHSU(311)를 향해 직접적으로가 아니라 열 교환기(307) 쪽으로 흐르게 하는 위치로 조절된다. 기관(301)을 빠져나가는 가열된 배기가스들은 열 교환기(307)를 통해 흐르는 냉각제를 가열하는데 사용된다. 가열된 냉각제는 다음에, 오일 열 교환기(310)를 통해 흐르는 오일과 기관(301) 자체에 열 에너지를 전달하여, 기관(301)의 이중 작용 가열을 촉진할 수 있다.
[0049] 제 3 상태에서의 열 에너지 관리 시스템(320)의 작동은 기관(301)이 안정화된 기능에 도달했고 가열 대신 냉각을 요구할 때 발생한다. 냉각제는 기관(301)을 빠져나가기 전에 냉각제를 냉각하도록 라디에이터(314)를 통해 흐르게 된다. 냉각된 냉각제는 다음에, 열 교환기(307), 오일 열 교환기(310) 및 LHSU(311) 각각을 통해 흐른다. 냉각제는 열 교환기(307)를 통과하는 배기가스들 및 오일 열 교환기(310)를 통과하는 오일 각각으로부터 열 에너지를 받는다. 그 다음, 가열된 냉각제는 제 1 상태에서 열 에너지 관리 시스템(320)의 작동을 예상하여 LHSU(311) 내에 열 에너지를 저장하기 위해 LHSU(311)를 통해 흐른다. 냉각제로부터 LHSU(311)로의 열 에너지의 방출은 유리하게는 라디에이터(314)의 열 전달 요구가 감소되게 한다.
[0050] 도 4에 도시된 바와 같이, 온/오프 밸브(309), 열 교환기(307), 오일 열 교환기(310) 및 LHSU(311)는 단일 모듈(315)로서 함께 패키지화될 수 있다. 모듈(315)은 열 에너지 관리 시스템(320)의 형성시 개시한 것들과 같은 유사한 컴포넌트들을 갖는 복수의 서로 다른 차량들로의 적응에 적합할 수 있다.
[0051] 본 발명의 예시적인 실시예들은 본 개시가 철저하게 되고, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 본 개시의 양상들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 컴포넌트들, 디바이스들 및 방법들의 예들과 같이 많은 특정 세부사항들이 제시된다. 특정 세부사항들이 이용될 필요는 없으며, 예시적인 양상들은 많은 다양한 형태들로 구현될 수 있고, 어느 것도 본 개시의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다는 점이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 일부 예시적인 양상들에서, 잘 알려진 프로세스들, 잘 알려진 디바이스 구조들 및 잘 알려진 기술들은 상세히 설명되지 않는다.
[0052] 본 발명의 실시예들에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 포괄적이거나 개시를 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 특정 실시예의 개개의 엘리먼트들 또는 특징들은 일반적으로 그 특정 실시예로 한정되는 것이 아니라, 적용 가능한 경우에 상호 교환 가능하며, 구체적으로 도시 또는 기술되지 않더라도, 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 이는 또한 여러 면들에서 다양할 수도 있다. 이러한 변형들은 개시로부터의 이탈로 간주되지 않아야 하며, 이러한 모든 수정들은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템으로서,
    내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로 ― 상기 냉각제 회로는 상기 냉각제 회로를 통해 냉각제를 전달하도록 구성됨 ―; 및
    상기 내연 기관, 상기 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 포함하며,
    상기 가스 회로는 상기 기관에 의해 생성된 배기가스를 전달하도록 구성되고,
    상기 제 1 열 교환기는 상기 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스는 상기 기관에 의해 가열되고 상기 제 1 열 교환기 내에서 열 에너지를 상기 냉각제로 전달하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기관에 의해 가열된 배기가스의 적어도 일부는 상기 제 1 열 교환기를 통해 흐르지 않고 상기 기관으로 재순환되는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기관으로부터의 오일을 전달하는 오일 회로를 더 포함하고,
    상기 오일 회로는 제 2 열 교환기를 포함하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 열 교환기는 상기 냉각제 회로에서 상기 제 1 열 교환기와 유체 연통하며,
    상기 제 2 열 교환기는 상기 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 상기 오일 회로에서 상기 기관으로부터 흐르는 오일 사이에서 열 에너지를 교환하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제 회로는 상기 제 1 열 교환기와 유체 연통하는 잠열 저장 유닛을 더 포함하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각제 회로는 상기 제 1 열 교환기 및 상기 잠열 저장 유닛 각각과 유체 연통하는 제 2 열 교환기를 더 포함하고,
    상기 제 2 열 교환기는 상기 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 오일 회로에서 상기 기관으로부터 흐르는 오일 사이에서 열 에너지를 교환하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 회로는 상기 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스의 방향에 대해 상기 제 1 열 교환기의 상류에 배치된 제 1 비례 밸브를 포함하고,
    상기 제 1 비례 밸브는 상기 배기가스를 상기 제 1 열 교환기, 상기 배기 라인 및 상기 기관 중 적어도 하나에 흐르도록 선택적으로 안내하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 회로는 상기 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스의 방향에 대해 상기 제 1 열 교환기의 하류에 배치된 제 2 비례 밸브를 포함하고,
    상기 제 2 비례 밸브는 상기 배기가스를 상기 배기 라인 및 상기 기관 중 적어도 하나에 흐르도록 선택적으로 안내하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배기가스의 적어도 일부는 상기 제 1 비례 밸브를 통해 흐르고,
    상기 가스 회로는 상기 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스의 방향에 대해 상기 제 1 비례 밸브의 하류에 배치된 온/오프 밸브를 포함하며,
    상기 온/오프 밸브는 상기 제 1 비례 밸브를 통해 흐르는 배기가스의 적어도 일부를 상기 배기 라인 및 상기 기관 중 적어도 하나에 선택적으로 전달하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 비례 밸브, 상기 제 2 비례 밸브, 상기 열 교환기 및 상기 온/오프 밸브는 모듈로서 패키지화되는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 회로는 상기 배기가스를 각각 전달하는 압축기, 터빈, 3원 촉매 및 이물질 필터를 더 포함하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  13. 자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템으로서,
    내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로 ― 상기 냉각제 회로는 상기 냉각제 회로를 통해 냉각제를 전달하도록 구성됨 ―;
    상기 내연 기관, 상기 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로 ― 상기 가스 회로는 상기 기관에 의해 생성된 배기가스를 전달하도록 구성되고, 상기 제 1 열 교환기는 상기 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환함 ―; 및
    상기 제 1 열 교환기와 유체 연통하는 제 2 열 교환기를 포함하는 오일 회로를 포함하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 회로는 상기 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스에 대해 상기 제 1 열 교환기의 상류에 배치된 제 1 비례 밸브를 포함하고,
    상기 제 1 비례 밸브는 상기 배기가스를 상기 제 1 열 교환기 및 상기 배기 라인 중 적어도 하나에 흐르도록 선택적으로 안내하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 비례 밸브, 상기 제 1 열 교환기 및 상기 제 2 열 교환기는 모듈로서 패키지화되는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉각제 회로는 상기 냉각제를 전달하며 상기 가스 회로와 유체 연통하는 잠열 저장 유닛을 포함하는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 비례 밸브, 상기 제 1 열 교환기, 상기 제 2 열 교환기 및 상기 잠열 저장 유닛은 모듈로서 패키지화되는,
    자동차의 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템.
  18. 내연 기관용 열 에너지 관리 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    내연 기관 및 제 1 열 교환기를 포함하는 냉각제 회로를 제공하는 단계 ― 상기 냉각제 회로는 상기 냉각제 회로를 통해 냉각제를 전달하도록 구성됨 ―;
    상기 내연 기관, 상기 제 1 열 교환기 및 배기 라인을 포함하는 가스 회로를 제공하는 단계 ― 상기 가스 회로는 상기 기관에 의해 생성된 배기가스를 전달하도록 구성되고, 상기 제 1 열 교환기는 상기 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제와 가스 회로를 통해 흐르는 배기가스 사이에서 열 에너지를 교환함 ―;
    제 1 상태 및 제 2 상태 중 적어도 하나로 상기 열 관리 시스템을 작동시키는 단계; 및
    상기 열 교환기를 우회하여 상기 기관으로 유입되고 있는 공기와 혼합하는 것, 상기 배기 라인으로 흐르는 것, 그리고 상기 제 1 열 교환기를 통해 흐르는 것 중 하나를 수행하도록 상기 배기가스의 흐름 전체의 적어도 일부를 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는,
    내연 기관용 열 에너지 관리 시스템을 작동시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 상태 동안 상기 배기가스의 흐름 전체가 상기 제 1 열 교환기를 우회하는,
    내연 기관용 열 에너지 관리 시스템을 작동시키는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 동안 상기 배기가스의 흐름 전체가 상기 제 1 열 교환기를 통해 흐르는,
    내연 기관용 열 에너지 관리 시스템을 작동시키는 방법.
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