KR20180100388A - 연소 엔진용 냉각 시스템 및 whr 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량(1) 내 연소 엔진과 WHR 시스템을 위한 냉각 시스템에 관한 것이다. 냉각 시스템은 라디에이터(8)를 통과하게 냉각제를 안내하는 라디에이터 라인(7), 냉각제가 상기 라디에이터(8)를 지나치게 안내하는 라디에이터 우회 라인(9), WHR 시스템의 응축기(18)를 통과하게 냉각제를 안내하는 응축기 라인(22), 라디에이터(8)를 지나치게 냉각제를 안내하는 응축기 우회 라인(3a)을 포함한다. 또한 냉각 시스템은 응축기 우회 라인(3a)에 배치되어 있는 밸브(23)로, 상기 밸브에 의해 응축기 라인(22) 내 유동 저항과 관련하여 응축기 우회 라인(3a) 내 유동 저항을 조절할 수 있으며, 이에 따라 응축기 라인(22)을 통과하는 냉각제 유속(*)과 관련하여 응축기 우회 라인(3a)을 통과하는 냉각제 유속(*)을 조절할 수 있는, 밸브(23)와, 응축기(18)로 안내되는 냉각제의 온도 및 유속이 응축기(18) 내 작동 매체가 실제 작동 조건에서 소망하는 응축 온도/압력이 되도록 밸브(23)를 제어하게 구성되는 컨트롤 유닛(24)을 포함한다.

Description

연소 엔진용 냉각 시스템 및 WHR 시스템
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연소 엔진 및 WHR 시스템을 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
차량에서 폐열 에너지를 회수하고, 회수된 폐열 에너지를 기계에너지나 전기에너지로 변환하는 데에 WHR 시스템(Waste Heat Recovery System)이 사용될 수 있다. WHR 시스템은 폐쇄된 회로에서 작동 매체를 가압하여 순환시키는 펌프를 포함한다. 이 회로는 하나 또는 여러 개의 증발기를 포함한다. 증발기에서 작동 매체가 예를 들어 연소 엔진에서 나오는 배기가스 같은 하나 또는 복수의 열원에 의해 가열되어 증발된다. 가압되고 가열된 기상 작동 매체는 그 작동 매체가 팽창하는 팽창기로 향한다. 팽창기는 기계에너지를 발생시키고, 발생된 기계에너지는 차량 또는 차량의 장치를 구동하는 데에 사용될 수 있다. 또는 팽창기는 전기에너지를 발생시키는 발전기에 연결되어 있다. 팽창기를 빠져나온 작동 매체는 응축기를 향한다. 응축기에서 작동 매체는 작동 매체가 응축되는 온도로 냉각된다. 액화된 작동 매체는 다시 작동 매체가 가압되는 펌프를 향한다. 이에 따라, 예를 들면 차량의 연소 엔진에서 나온 배기가스로부터 얻은 폐열 에너지는 WHR 시스템에 의해 회수될 수 있다. 그 결과, WHR 시스템은 연소 엔진의 연료 소모를 줄일 수 있게 된다.
WHR 시스템에서 높은 열효율을 달성하기 위해, 응축기 내에서 작동 매체는 실질적으로 과냉되지 않으면서 가능하면 낮은 응축 온도로 냉각된다. 그 결과로, WHR 시스템에서 높은 열효율을 달성하기 위해, 작동 매체는 적당한 냉각 효과로 냉각되게 된다. 그러나 응축기 내에서 작동 매체의 적당한 냉각 효과는 예를 들면 배기가스로부터 증발기로 공급되는 가열 효과와 함께 작동 조건이 다른 상황에서 변한다. 배기가스로부터 공급되는 열이 급격하게 변할 수 있기 때문에, WHR 시스템이 높은 열효율이 되게 작동 매체의 냉각 효과를 연속적으로 제공하는 것이 어렵다.
US2013/0118423호는 순환하는 냉각제가 모터를 냉각시키는 냉각 회로를 도시하고 있다. 냉각 회로는 WHR 시스템의 응축기에서 냉각제가 작동 매체를 냉각시키는 냉각 라인과 작동 매체가 응축기를 지나치게 하는 우회 라인을 포함한다. 우회 라인을 통과하는 냉각제 유동은 특정 압력에서 개방되는 릴리프 밸브에 의해 조절된다.
본 발명의 목적은 WHR 시스템이 높은 열효율을 받는 응축기 내 작동 매체의 응축 온도/압력을 거의 연속적으로 설정하기 위해, WHR 시스템의 응축기 내에 있는 작동 매체의 냉각 효과를 신속하면서도 간단한 방식으로 조절할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적은 청구항 제1항의 특징부에 따른 냉각 시스템에 의해 달성된다. 이 경우, 연소 엔진을 냉각시키는 냉각 시스템은 WHR 시스템의 응축기 내의 작동 매체를 냉각시키는 데에도 사용된다. 이에 따라, 추가의 냉각 시스템을 사용할 필요가 없다. 응축기 내 작동 매체의 냉각 효과는 응축기를 통과하는 냉각제 유속(flow rate) 및 냉각제 온도와 관련되어 있다. 냉각 시스템은 냉각제를 응축기를 통해 안내하는 응축기 라인과 냉각제가 응축기를 지나치게 냉각제를 안내하는 응축기 우회 라인을 포함한다. 응축기 우회 라인에 밸브가 배치되어 있다. 이러한 밸브를 사용하여, 응축기 내 유동 저항과 관련하여 우회 라인 내 유동 저항을 조절할 수 있으며, 이에 따라 응축기 라인 내 유속과 관련하여 우회 라인 내 냉각제 유속을 조절할 수 있다. 더 이상의 추가의 밸브를 사용할 필요가 없다. 이 밸브를 사용하여 응축기를 통과하는 냉각제 유속이 신속하고 신뢰성 있는 방식으로 조절될 수 있다. 응축기를 통해 냉각제 유속을 제공하는 거의 가능하고, 이는 다양한 작동 조건에서 응축기 내 작동 매체를 소망하는 응축 온도/압력으로 냉각시킬 수 있게 한다. 그러나 실용적인 이유로, 많은 경우에서 WHR 시스템 내에 음압은 피하는 것이 적당하다. 이 경우, 응축기 압력이 1 바 바로 위에 있게 하는 것이 적절하다. 소망하는 압력 범위는 예를 들면 1.1 내지 1.5 바 사이일 수 있다. 작동 매체의 응축 압력은 대응 응축 온도를 구비함에 주목해야 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 응축기 우회 라인은 엔진 유입 라인의 일부이다. 이 경우, 라디에이터 라인으로부터 냉각된 냉각제 및/또는 상대적으로 짧은 라인을 통해 응축기 우회 라인 내의 라디에이터 우회 라인으로부터 냉각되지 않은 냉각제를 수용할 수 있다. 밸브가 완전히 개방된 위치에 있을 때, 응축기 우회 라인 내의 유동 저항이 응축기 라인 내의 유동 저항보다 상당히 낮은 것이 유리하다. 이 경우, 응축기 우회 라인 내 유동 저항을 응축기 라인 내 유동 저항과 관련하여 크게 변화시킬 수 있으며, 응축기 라인과 응축기 우회 라인을 통과하는 냉각제의 비율을 대응하는 정도로 변경시킬 수 있다. 밸브는 무단 방식으로 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 응축기 우회 라인과 응축기 라인 사이의 냉각제 유속을 높은 정밀도로 변경시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 라디에이터 우회 라인은 제1 연결 지점에서 응축기 우회 라인에 연결된다. 이러한 제1 연결 지점은 라디에이터 우회 라인으로부터 응축기 우회 라인으로 냉각되지 않은 냉각제가 흐르게 한다. 라디에이터 우회 라인 내의 냉각되지 않은 냉각제는 많은 경우에 응축기 내 작동 매체를 냉각시키기에 너무 높은 온도를 구비한다. 라디에이터 라인은 제2 연결 지점에서 응축기 라인에 연결될 수 있다. 이러한 제2 연결 지점은 라디에이터 라인으로부터 응축기 라인으로 냉각된 냉각제가 흐르게 한다. 통상적으로, 라디에이터를 빠져나가는 냉각제의 온도는 응축기 내 작동 매체를 냉각시키기에 매우 적절하다. 냉각 시스템은 제1 연결 지점과 제2 연결 지점을 연결하는 연결 라인을 포함할 수 있다. 이러한 연결 라인은, 특정 작동 조건에서, 라디에이터 우회 라인으로부터 응축기 라인으로 냉각제가 안내되게 할 수 있고, 다른 작동 조건에서는 라디에이터 라인으로부터 응축기 우회 라인으로 냉각제가 안내되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 컨트롤 유닛은, 서모스탯이 닫혀 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기 내 매체의 소망하는 냉각 온도/압력을 추정하고, 매체가 소망하는 온도를 수용할 때 응축기로 향하게 되는 온도에서 요구되는 냉각제 유속을 계산하고, 계산된 냉각제 유동이 응축기로 안내되도록 밸브를 조절하도록 구성되어 있다. 이 경우, 서모스탯은 전체 냉각제 유속을 라디에이터 우회 라인으로 안내한다. 냉각 시스템 내 총 냉각제 유속은 냉각제 펌프의 성능 데이터에 관한 정보를 사용하여 추정될 수 있다. 라디에이터 우회 라인 내 냉각제 온도는 온도 센서로 측정될 수 있다. 이 경우, 작동 매체를 소망하는 응축 온도/압력으로 냉각시키기 위해 응축기로 안내되어야 하는 냉각제 유속을 계산하는 것은 비교적 덜 복잡하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 컨트롤 유닛은, 서모스탯이 부분적으로 개방되어 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기 내 매체의 소망하는 냉각 온도를 추정하고, 라디에이터 라인을 통과하는 냉각제 유속과 라디에이터 우회 라인을 통과하는 냉각제 유속을 계산하고, 응축기 내 매체가 소망하는 온도로 냉각되는 냉각제 유속과 냉각제 온도 조합을 계산하고, 선택된 냉각제 유속과 냉각제 온도 조합이 응축기 라인과 응축기로 안내되도록 밸브를 조절하도록 구성되어 있다. 서모스탯이 부분적으로 개방되어 있을 때, 서모스탯은 제1 냉각제 유속을 라디에이터 라인으로 안내하고, 제2 냉각제 유속은 라디에이터 우회 라인으로 안내한다. 제1 냉각제 유속은 냉각제가 라디에이터를 빠져나갈 때 제1 온도에 있고, 제2 냉각제 유속은 제2 온도에 있다. 서모스탯이 부분적으로 개방되어 있을 때, 제1 온도에 있는 제1 냉각제 유속과 제2 온도에 있는 제2 냉각제 유속의 적당한 혼합이 작동 매체를 소망하는 온도/압력으로 냉각하기 위해 응축기로 안내되게 할 수 있다. 냉각제의 제1 온도와 제2 온도는 온도 센서로 측정할 수 있다. 그러나 라디에이터 라인과 라디에이터 우회 라인에 높은 정밀도로 냉각제 유속을 측정하는 유량계를 설치하는 것은 복잡하고 비용이 많이 든다. 유량계를 설치하지 않도록 하기 위해, 라디에이터를 통과하는 제1 냉각제 유속이 계산되자마자 라디에이터 내 냉각 효과가 추정된다. 이 경우, 라디에이터 내 제1 냉각제 유속을 높은 정밀도로, 간단하면서도 저렴한 비용을 추측할 수 있다. 제2 냉각제 유속은 총 냉각제 유속과 제1 냉각제 유속 사이의 차이로 계산될 수 있다. 냉각 시스템 내 총 냉각제 유속은 냉각제 펌프의 성능 데이터에 관한 정보를 사용하여 예측될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 컨트롤 유닛은, 서모스탯이 완전 개방되어 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기 내 매체의 소망하는 냉각 온도를 추정하고, 매체가 소망하는 온도를 수용할 때 응축기로 향하게 되는 온도에서 요구되는 냉각제 유속을 계산하고, 계산된 냉각제 유동이 응축기로 안내되도록 밸브를 조절하도록 구성되어 있다. 이 경우, 서모스탯은 전체 냉각제 유속을 라디에이터 라인으로 안내한다. 냉각 시스템 내 총 냉각제 유속은 냉각제 펌프의 성능 데이터에 관한 정보로 예측될 수 있다. 라디에이터 라인 내 냉각제 온도는 온도 센서로 측정될 수 있다. 이 경우, 작동 매체를 소망하는 응축 온도/압력으로 냉각시키기 위해 응축기로 안내되어야 하는 냉각제 유속을 계산하는 것은 비교적 덜 복잡하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 냉각 시스템은 응축기 내 작동 매체의 실제 응축 온도/압력과 관련된 파라미터를 검출하는 센서를 포함할 수 있다. 다른 작동 조건에서 실제 응축 온도/압력을 소망하는 온도/압력으로 조절할 수 있는 조건은 실제 응축 온도/압력에 관한 정보를 수신하는 것이다. 그러한 센서는 응축기 내의 압력 또는 온도를 검출할 수 있다. 또는, 그러한 센서는 응축기를 빠져나가는 냉각제의 온도를 검출할 수도 있다. 응축기를 빠져나가는 냉각제의 온도는 응축 온도와 상당히 관련되어 있다. 컨트롤 유닛은 상기 파라미터를 사용하여 응축기 내 작동 매체의 실제 온도를 추정하고, 실제 작동 조건에서 실제 응축 온도와 소망하는 응축 온도를 비교하고, 실제 응축 온도와 소망하는 응축 온도 간에 발생할 수 있는 차이를 없애도록 밸브를 제어하게 구성될 수 있다. 컨트롤 유닛은 다른 작동 조건에서 소망하는 응축 온도/압력의 저장된 값에 접근할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, WHR 시스템 내 작동 매체가 에탄올이다. 1바에서 에탄올의 증발 온도는 약 78℃이다. 적당한 레벨에서 냉각제 온도를 에탄올 증발 온도 미만으로 하고, 응축기 내에서 에탄올을 78℃보다 바로 위의 응축 온도로 냉각시키는 것은 상대적으로 용이하다. 그러나 예컨대 R245fa 같은 다른 작동 매체를 사용할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 연소 엔진에서 나오는 배기가스를 사용하여 WHR 시스템의 증발기에서 작동 매체를 가열한다. 연소 엔진에서 나오는 배기가스는 다량의 열에너지를 함유하고 있으며, 이는 일반적으로 주위 환경으로 배출된다. WHR 시스템을 사용하면, 배기가스 내에 있는 열에너지 중 많은 부분을 회수할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참고하여 일 예시로 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 냉각 시스템을 도시한 도면이다.
도 1은 개략적으로 도시되어 있는 차량(1)을 구동하는 연소 엔진(2)을 도시하는 도면이다. 연소 엔진(2)은 디젤 엔진일 수 있다. 차량(1)은 중대형 차량일 수 있다. 차량(1)은 냉각 시스템 내에서 냉각제를 순환시키는 펌프(4)가 제공되어 있는 엔진 입구 라인(3)을 포함하는 냉각 시스템을 포함한다. 펌프(4)는 연소 엔진(2)을 통해 냉각제 유속(
Figure pct00001
)을 제공한다. 냉각제가 연소 엔진(2)을 통해 순환할 때, 냉각제가 엔진 출구 라인(5)에 수용된다. 서모스탯(6)이 엔진 출구 라인(5) 끝부분에 배치되어 있다. 서모스탯(6)은 온도 t2에서 냉각제 유속(
Figure pct00002
)을 받아들인다. 냉각 시스템은 냉각제를 라디에이터(8)를 통해 흐르게 하는 라디에이터 라인(7)을 포함한다. 라디에이터 라인(7)은 라디에이터 입구 라인(7a)과 라디에이터 출구 라인(7b)을 포함한다. 냉각 시스템은 냉각제가 라디에이터(8)를 지나치게 하는 우회 라인(9)을 포함한다. 라디에이터 우회 라인(9)과 라디에이터 출구 라인(7b)은 연결 라인(10)을 통해 서로가 연결되어 있다. 연결 라인(10)은 제1 연결 지점(9a)을 통해 라디에이터 우회 라인(9)에 연결되어 있고, 제2 연결 지점(7c)을 통해 라디에이터 출구 라인(7b)에 연결되어 있다.
냉각제 온도 t2가 서모스탯(6)의 규제 온도보다 낮으면 서모스탯(6)이 폐쇄된다. 폐쇄된 상태에서, 서모스탯(6)은 전체 냉각제 유속(
Figure pct00003
)이 라디에이터 우회 라인(9)을 향하게 한다. 그러나 서모스탯 우회 라인(6a)을 통해 엔진 출구 라인(5)에서 냉각제 유속의 일부를 라디에이터 라인(7)으로 향하게 할 수 있다. 서모스탯 우회 라인(6a)을 통과하는 냉각제 유속은 밸브(6b)에 의해 조절된다. 냉각제 온도 t2가 규제 온도보다 약간 높은 온도 범위 내에 있으면 서모스탯(6)이 부분적으로 개방된다. 서모스탯(6)이 일부 개방된 위치에서, 서모스탯(6)은 냉각제 유속의 제1 부분(
Figure pct00004
)은 라디에이터 라인(7)을 향하게 하고, 냉각제 유속의 제2 부분(
Figure pct00005
)은 라디에이터 우회 라인(9)을 향하게 한다. 냉각제 온도가 서모스탯(6)이 부분적으로 개방되는 상기 온도 범위에서의 최고 높은 온도보다도 높은 경우, 서모스탯(6)이 완전히 개방된다. 서모스탯(6)이 완전 개방된 위치에서, 서모스탯(6)은 냉각제 유동 범위(
Figure pct00006
) 전부가 라디에이터 라인(7)을 향하게 한다. 램 공기와 라디에이터 팬(11)은 라디에이터(8)를 통한 냉각 공기 유동을 제공한다. 라디에이터(8)에서 냉각제는 온도(t1)로 냉각된다.
차량에 WHR 시스템(Waste Heat Recovery System)이 제공되어 있다. WHR 시스템은 폐쇄된 회로(13)에서 작동 매체를 가압하여 순환시키는 펌프(12)를 포함한다. 이 경우, 작동 매체는 에탄올이다. 그러나 예컨대 R245fa 같은 다른 종류의 작동 매체를 사용할 수도 있다. 펌프(12)는 작동 매체를 가압하여 증발기(14)로 순환시킨다. 작동 매체는 증발기(14)에서 예를 들면 연소 엔진에서 오는 배기가스에 의해 가열된다. 증발기(14)에서 작동 매체는 작동 매체가 증발하는 온도로 가열된다. 증발기(14)로부터 팽창기(15)로 작동 매체가 순환한다.
가압되고 가열된 작동 매체는 팽창기(15) 내에서 팽창한다. 팽창기(15)는 회전 운동을 발생시키고, 이 회전 운동은 적당한 기계적 트랜스미션(16)을 통해 차량(1)의 파워트레인의 샤프트(17)로 전달될 수 있다. 또는 팽창기(15)는 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기에 연결될 수 있다. 전기에너지는 배터리 내에 저장될 수 있다. 작동 매체가 팽창기(15)를 통과한 후, 응축기(18)를 향한다. 응축기(18)에서 작동 매체는 냉각 시스템에서 오는 냉각제에 의해 작동 매체가 응축되는 온도로 냉각된다. 작동 매체는 응축기(18)에서부터 리시버(19)를 향한다. 펌프(12)는 리시버(19) 하부로부터 작동 매체를 빨아들여서 액체 상태에 있는 작동 매체만이 펌프(12)로 공급되게 한다. 제1 제어 유닛(20)은 WHR 시스템을 제어한다. 제1 제어 유닛(20)은 펌프(12)와 팽창기(15)의 작동을 제어한다. WHR 시스템은 배기가스로부터 나오는 열에너지가 기계에너지나 전기에너지로 변환될 수 있게 한다.
배기가스 온도와 이에 따른 증발기(14) 내 작동 매체의 가열 효과는 작동 조건이 달라짐에 따라 변동한다. WHR 시스템 내에서 거의 연속적으로 높은 열 효율을 유지하기 위해, 응축기(18) 내 작동 매체는 냉각 효과를 조절하면서 냉각되어야 한다. 다른 작동 조건에서 응축 압력을 가능하면 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 그러나 실제적인 이유로 WHR 시스템 내에 음압이 생기지 않도록 하는 것이 적절하다. 이러한 사실들에 비추어 보면, 응축기(18) 내의 작동 매체에 1바(bar) 바로 위의 응축 압력으로 냉각을 제공하는 것이 적절하다. 그 결과로, 높은 열 효율을 유지하기 위해, 배기가스로부터 공급되는 열 에너지를 감안하여 응축 압력이 1바 바로 위의 압력이 되도록 응축기(18) 내 작동 매체의 냉각 효과를 조절할 필요가 있다. 작동 매체 에탄올의 응축 온도는 1 바에서 78℃이다. 이 경우, 응축기(18) 내 응축 온도가 78℃ 바로 위 온도가 되게 하는 것이 적절하다.
냉각 시스템은 냉각제를 응축기(18)를 통과하게 하는 응축기 라인(22)을 포함한다. 응축기 라인(22)은 냉각제가 응축기(18)를 향하게 하는 응축기 유입 라인(22a)을 포함한다. 응축기 유입 라인(22a)은 라디에이터 배출 라인(7b) 및/또는 연결 라인(10)으로부터 제2 연결 지점(7c)을 거쳐 냉각제를 받아들인다. 응축기 라인(22)은 냉각제를 응축기(18)로부터 엔진 유입 라인(3)을 구비하는 제3 연결 지점(22c)으로 향하게 하는 응축기 배출 라인(22b)을 포함한다. 제3 연결 지점은 엔진 유입 라인(3) 내에 그리고 펌프(4) 상류에 배치되어 있는 밸브(23) 하류 지점에 배치되어 있다. 제1 연결 지점(9a)과 제3 연결 지점(22c) 사이에 배치되어 있는 엔진 유입 라인(3) 부분은 응축기 우회 라인(3a)을 규정한다. 밸브(23)는 응축기 우회 라인(3a) 내에서 냉각제에 대해 무단 방식으로 조절 가능한 유동 저항을 제공한다. 응축기 라인(22)은 냉각제에 대해 일정한 유동 저항을 제공한다. 스로틀 밸브일 수 있는 밸브(23)를 사용함으로써, 응축기 라인(22)에서의 일정한 유동 저항과 관련하여 응축기 우회 라인(3a)에서 유동 저항을 조절할 수 있다. 이에 따라 응축기 라인(22)을 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00007
)과 관련하여 응축기 우회 라인(3a)을 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00008
)을 조절할 수 있다.
제2 컨트롤 유닛(24)은 밸브(6)와 밸브(23)를 제어한다. 제1 온도 센서(25)는 주변 온도를 검출한다. 제2 온도 센서(26)는 엔진 배출 라인(5) 내 냉각제의 온도(t2)를 검출한다. 제3 온도 센서(27)는 라디에이터 배출 라인(7b) 내 냉각제의 온도(t1)를 검출한다. 제2 컨트롤 유닛(24)은 상기 온도 센서들(25-27)로부터 실제 온도에 관한 정보를 거의 연속적으로 수신한다. 제2 컨트롤 유닛(24)은 제1 컨트롤 유닛(20)으로부터 WHR 시스템의 작동 조건에 관한 정보도 수신한다. 또한, 제2 컨트롤 유닛(24)은 차량 속도 와 라디에이터 팬(11) 속도 같은 차량의 작동 파라미터(28)에 관한 정보를 수신한다. 제2 컨트롤 유닛(24)은 변동하는 공기 유동에서 라디에이터(8)의 성능 데이터에 관해 저장되어 있는 정보에 접근할 수 있다. 팽창 탱크(29)는 정적 라인(20)을 통해 밸브(23) 하류 그리고 펌프(4) 상류 지점에서 엔진 유입 라인(3)에 연결되어 있다. 온도 센서(21) 또는 압력 센서는 응축기(18) 내의 응축 온도 또는 응축 압력을 검출한다.
작동하는 중에, 컨트롤 유닛(24)은 차량(1)의 관련 작동 파라미터에 관한 정보를 수신한다. 작동 파라미터는 차량(1) 속도와 라디에이터 팬(11) 속도를 포함한다. 또한, 컨트롤 유닛(24)은 WHR 시스템의 관련 작동 파라미터에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 예를 들어 온도 센서(21)로부터 응축기(18) 내 실제 응축 온도(Ta)에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 응축기(18) 내 작동 매체의 소망하는 응축 온도를 추정한다. 작동 매체로 에탄올이 사용되는 경우, 거의 모든 작동 조건에서 약 80℃의 응축 온도가 바람직하다. 컨트롤 유닛(24)은 수신한 작동 매체의 바람직한 응축 온도(T)에서 응축기(18) 내 작동 매체에 대해 요구되는 냉각 효과(Qc)를 추정한다.
컨트롤 유닛(24)은 엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 온도(t2)에 관한 정보를 수신한다. 엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 온도(t2)가 서모스탯(6)의 규제 온도보다 낮은 작동 조건에서, 컨트롤 유닛(24)은 서모스탯(6)이 폐쇄 상태에 있는 것으로 인식한다. 밸브(6b)가 닫혀 있는 경우, 온도(t2)에서 전체 냉각제 유속(
Figure pct00009
) 라디에이터 우회 라인(9)으로 흐른다. 컨트롤 유닛(24)은 응축기(18)를 향하는 냉각제의 온도(t2)와 응축기(18) 내에서 요구되는 냉각 효과(Qc)에 관한 정보를 수신한다. 또한, 컨트롤 유닛(24)은 냉각제와 작동 매체의 열용량 및 응축기(18)의 성능 데이터 같은 필수 파라미터에 접근한다. 이러한 사실을 고려하면, 작동 매체가 응축하는 소망 응축 온도(T)에서 추정된 냉각 효과(Qc)로 응축기(18) 내 작동 매체를 냉각시키기 위해, 컨트롤 유닛(24)은 응축기(18)를 향하게 되는 온도(t2)에서 요구되는 냉각제 유속(
Figure pct00010
)을 계산할 수 있다.
그런 다음, 컨트롤 유닛(24)은 밸브(23)가 응축기 우회 라인(3a) 내에 유동 저항을 제공하여, 라디에이터 우회 라인(9)에서의 냉각제 유속(
Figure pct00011
)이 연결 라인(10)을 통해 응축기 라인(22)으로 향하는 냉각제 유속(
Figure pct00012
)과 응축기 우회 라인(3a)을 통과하는 나머지 냉각제 유속(
Figure pct00013
)으로 분할되도록 밸브(23)를 조절한다. 나머지 냉각제 유속은
Figure pct00014
이다. 컨트롤 유닛(24)은 온도 센서(21)로부터 실제 응축 온도(Ta)에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 실제 응축 온도(Ta)를 소망하는 응축 온도(T)와 비교한다. 실제 응축 온도(Ta)와 소망하는 응축 온도(T) 사이에 차이가 있는 경우, 그러한 상정 가능한 차이를 없애기 위해 컨트롤 유닛(24)은 밸브를 추가로 조절한다.
작업 조건 중에 엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 온도(T2)가 비교적 높지만 서모스탯(6)의 규제 온도보다는 낮은 경우, 온도(T2)에서 냉각제를 응축기(18)로 향하게 하는 것은 적당하지 않다. 이 경우, 엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 유속(
Figure pct00015
)의 일부가 라디에이터(10)를 향하게 컨트롤 유닛(24)이 밸브(6b)를 개방할 수 있다. 이러한 대책은 온도(T2)보다 낮은 온도의 냉각제가 응축기(18)를 향하게 할 수 있다.
엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 온도(T2)가 서모스탯(6)이 일부 개방되어 있는 온도 범위에 속하는 경우, 서모스탯(6)은 냉각제 유속의 제1 부분(
Figure pct00016
)은 라디에이터 라인(7)을 향하게 하고, 냉각제 유속의 제2 부분(
Figure pct00017
)은 라디에이터 우회 라인(9)을 향하게 한다. 냉각제 유속의 제1 부분(
Figure pct00018
)은 라디에이터(8) 내에서 온도(T1)로 냉각된다. 컨트롤 유닛(24)은 공기 유동과 공기 온도가 변화할 때 라디에이터(8)의 성능 데이터에 의해 라디에이터(8) 내 냉각 효과(Qr)를 추정한다. 라디에이터(8)를 통과하는 기류는 차량(1) 속도와 라디에이터 팬(11) 정보로 추정된다. 컨트롤 유닛(24)은 온도 센서(25)로부터 주변 공기 온도에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 식
Figure pct00019
에 따라 라디에이터(8)를 관통하는 냉각제 유속 (
Figure pct00020
)을 계산한다. 라디에이터 내 냉각 효과(Qr)는 위 식에 따라 추정되며, cp는 냉각제의 열 용량, t2는 온도 센서(27)에서 수신한 온도, t1은 온도 센서(27)에서 수신한 온도이다. 이에 따라, 라디에이터(8)를 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00021
)만이 위 식에서 미지의 파라미터이므로, 라디에이터(8)를 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00022
)이 계산될 수 있다. 라디에이터 우회 라인(9)을 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00023
)이
Figure pct00024
에서 계산될 수 있다. 여기서,
Figure pct00025
는 펌프(4)에 의해 규정되는 냉각 시스템 내 총 냉각제 유동이다.
이제 컨트롤 유닛(24)은 라디에이터 라인(7) 내 냉각제의 유속(
Figure pct00026
)과 온도(t1)에 관한 정보와 라디에이터 우회 라인(9) 내 냉각제의 유속(
Figure pct00027
)과 온도(t2)에 관한 정보를 가지고 있다. 이 경우, 온도(t1)에서 전체 냉각제 유속(
Figure pct00028
)은 라디에이터 배출 라인(7b)으로부터 응축기 라인(22)과 응축기(18)를 향하게 된다. 그러나 밸브(23)를 사용하여, 온도(t2)에서 가변 양의 냉각제 유속(
Figure pct00029
)을 라디에이터 우회 라인(9)으로부터 연결 라인(10)을 거쳐 응축기 라인(22)으로 도입할 수도 있다. 컨트롤 유닛(24)은 가능한 냉각제 유속(
Figure pct00030
)과 온도(t3) 조합을 계산하며, 이는 소망하는 응축 온도(T)에서 작동 매체가 응축되는 응축기 내에서 요구되는 냉각 효과(Qc)를 제공한다. 일부 작동 조건 중에, 이러한 조합의 수는 상대적으로 클 수 있다. 응축기(18)에 대한 너무 작은 냉각제 유속(
Figure pct00031
)의 조합은 배제될 수 있다. 컨트롤 유닛(24)은 응축기(18)를 향하는 냉각제의 냉각 유속(
Figure pct00032
)과 냉각제 온도(t3)의 조합 중 가장 바람직한 조합을 선택한다. 선택된 냉각제 유속(
Figure pct00033
)과 냉각제 온도(t3)의 조합으로 냉각제를 응축기 라인(22)과 응축기(18)로 향하게 하기 위해, 컨트롤 유닛(24)은 밸브(23)와 응축기 우회 라인(3a) 내 유동 저항을 조절한다.
컨트롤 유닛(24)은 온도 센서(21)로부터 응축기(18) 내 실제 응축 온도(Ta)에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 실제 응축 온도(Ta)를 소망하는 응축 온도(T)와 비교한다. 만약 실제 응축 온도(Ta)와 소망하는 응축 온도(T) 사이에 차이가 있으면, 그러한 상정 가능한 차이를 없애기 위해 컨트롤 유닛(24)은 밸브(23)를 추가로 조절한다.
엔진 배출 라인(5) 내 냉각제 온도(T2)가 서모스탯(6)이 일부 개방되어 있는 상기 온도 범위 내에서의 최고 온도보다 높은 경우, 서모스탯(6)이 완전히 개방되어 전체 냉각제 유속(
Figure pct00034
)이 엔진 배출 라인(5)으로부터 라디에이터 라인(7)과 라디에이터(8)를 향하게 한다. 소망하는 응축 온도(T)에서 작동 매체가 응축할 때 응축기(18) 내 작동 매체를 추정된 냉각 효과(Qc)로 냉각시키기 위해, 컨트롤 유닛(24)은 온도(t1)에서 응축기(18)를 향하는 데에 필요한 냉각제 유속(
Figure pct00035
)을 계산한다. 이 경우, 컨트롤 유닛(24)은 온도 센서(27)로부터 냉각제 온도(t1)에 관한 정보를 수신한다. 또한, 컨트롤 유닛(24)은 냉각제와 작동 매체의 열 용량(cp)과 응축기(18)의 성능 데이터 같은 필수 파라미터에 접근한다. 이러한 사실을 감안하면, 컨트롤 유닛(24)은 온도(t1)에서 냉각제가 응축기(18)를 향하기 위해 요구되는 냉각제 유속(
Figure pct00036
)을 계산할 수 있다.
컨트롤 유닛(24)은, 응축기 우회 라인(3a)에 유동 저항을 제공하여 라디에이터 라인(7) 내 냉각제 유속(
Figure pct00037
)이 응축기 라인(22)을 통과하는 냉각제 유속(
Figure pct00038
)과 연결 라인(10)을 거쳐 응축기 우회 라인(3a)으로 향하는 냉각제 유속(
Figure pct00039
)으로 분할되도록, 밸브(23)를 제어한다. 컨트롤 유닛(24)은 온도 센서(21)로부터 실제 응축 온도(Ta)에 관한 정보를 수신한다. 컨트롤 유닛(24)은 실제 응축 온도(Ta)와 소망하는 응축 온도(T)를 비교한다. 실제 응축 온도(Ta)와 소망하는 응축 온도(T) 사이에 차이가 존재하면, 이러한 차이를 없애기 위해 컨트롤 유닛(24)은 밸브를 추가로 조절한다.
본 발명은 전술한 실시형태로 한정되지 않고, 청구항의 범위 내에서 자유롭게 변경될 수 있다.

Claims (12)

  1. 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템으로, 상기 냉각 시스템은,
    - 냉각제가 제1 온도(t1)로 냉각되는 라디에이터(8)를 통과하게 냉각제를 안내하는 라디에이터 라인(7),
    - 냉각제가 상기 라디에이터(8)를 지나치게 안내하는 라디에이터 우회 라인(9),
    - 라디에이터 라인(7) 및/또는 라디에이터 우회 라인(9)으로부터 냉각제를 받아들여 냉각제가 WHR 시스템의 응축기(18)를 통과하게 냉각제를 안내하는 응축기 라인(22),
    - 라디에이터 라인(7) 및/또는 라디에이터 우회 라인(9)으로부터 냉각제를 받아들여 냉각제가 라디에이터(8)를 지나치게 냉각제를 안내하는 응축기 우회 라인(3a),
    - 제2 온도(t2)에서 냉각제 유동 범위(
    Figure pct00040
    )를 수용하는 서모스탯(6)으로, 상기 서모스탯(6)이 닫힘 위치에 있을 때 서모스탯(6)이 전체 냉각제 유동 범위(
    Figure pct00041
    )를 라디에이터 우회 라인(9)으로 안내하고, 상기 서모스탯(6)이 부분적으로 개방되어 있는 위치에 있을 때에는 제1 냉각제 유동 범위(
    Figure pct00042
    )는 라디에이터 라인(7)으로 안내하고 제2 냉각제 유동 범위(
    Figure pct00043
    )는 라디에이터 우회 라인(9)으로 안내하며, 상기 서모스탯(6)이 완전 개방된 위치에 있을 때에는 전체 냉각제 유속(
    Figure pct00044
    )이 라디에이터 라인(7)으로 안내하는 서모스탯(6)을 포함하며,
    상기 냉각 시스템은,
    - 응축기 우회 라인(3a)에 배치되어 있는 밸브(23)로, 상기 밸브에 의해 응축기 라인(22) 내 유동 저항과 관련하여 응축기 우회 라인(3a) 내 유동 저항을 조절할 수 있으며, 이에 따라 응축기 라인(22)을 통과하는 냉각제 유속(
    Figure pct00045
    )과 관련하여 응축기 우회 라인(3a)을 통과하는 냉각제 유속(
    Figure pct00046
    )을 조절할 수 있는, 밸브(23)와,
    - 응축기(18)로 안내되는 냉각제의 온도 및 유속이 응축기(18) 내 작동 매체가 실제 작동 조건에서 소망하는 응축 온도/압력이 되도록 밸브(23)를 제어하게 구성되는 컨트롤 유닛(24)을 포함하는, 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛(24)은, 서모스탯(6)이 부분적으로 개방되어 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기(18) 내 매체의 소망하는 냉각 온도(T)를 추정하고, 라디에이터 라인(7)을 통과하는 냉각제 유속(
    Figure pct00047
    )과 라디에이터 우회 라인(9)을 통과하는 냉각제 유속(
    Figure pct00048
    )을 계산하고, 응축기(18) 내 매체가 소망하는 온도(T)로 냉각되는 냉각제 유속(
    Figure pct00049
    )과 냉각제 온도(T3) 조합을 계산하고, 선택된 냉각제 유속(
    Figure pct00050
    )과 냉각제 온도(T3) 조합이 응축기 라인(22)과 응축기(18)로 안내되도록 밸브(23)를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    응축기 우회 라인(3a)이 엔진 유입 라인(3)의 일부분인 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    응축기 우회 라인(3a)이 펌프(4) 상류 위치 및 엔진 유입 라인(3)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브(23)가 무단 방식으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    라디에이터 우회 라인(9)이 제1 연결 지점(9a)에서 응축기 우회 라인(3a)에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    라디에이터 라인(7)이 제2 연결 지점(7c)에서 응축기 라인(22)에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  7. 제5항 및 제6항에 있어서,
    제1 연결 지점(9a)과 제2 연결 지점(7c)을 연결하는 연결 라인(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛(24)은, 서모스탯(6)이 닫혀 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기(18) 내 매체의 소망하는 냉각 온도(T)를 추정하고, 매체가 소망하는 온도(T)를 수용할 때 응축기(18)로 향하게 되는 온도(t2)에서 요구되는 냉각제 유속(
    Figure pct00051
    )을 계산하고, 계산된 냉각제 유동(
    Figure pct00052
    )이 응축기(18)로 안내되도록 밸브(23)를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  9. 선행하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤 유닛(24)은, 서모스탯(6)이 완전 개방되어 있는 위치에 있는 상태에서 작동하는 중에, 응축기(18) 내 매체의 소망하는 냉각 온도(T)를 추정하고, 매체가 소망하는 온도(T)를 수용할 때 응축기(18)로 향하게 되는 온도(t1)에서 요구되는 냉각제 유속(
    Figure pct00053
    )을 계산하고, 계산된 냉각제 유동(
    Figure pct00054
    )이 응축기(18)로 안내되도록 밸브(23)를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    응축기(18) 내 작동 매체의 실제 응축 온도/압력과 관련된 파라미터를 검출하는 센서(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    WHR 시스템 내 작동 매체가 에탄올인 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
  12. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 매체가, 연소 엔진(2)에서 나오는 배기가스에 의해 WHR 시스템의 증발기(14) 내에서 가열되는 것을 특징으로 하는 차량(1)의 WHR 시스템과 연소 엔진용 냉각 시스템.
KR1020187022351A 2016-01-15 2016-12-13 연소 엔진용 냉각 시스템 및 whr 시스템 KR102116537B1 (ko)

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SE1650043-1 2016-01-15
SE1650043A SE539403C2 (en) 2016-01-15 2016-01-15 A cooling system for a combustion engine and a WHR system
PCT/SE2016/051255 WO2017123132A1 (en) 2016-01-15 2016-12-13 A cooling system for a combustion engine and a whr system

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