KR900007790B1 - 엔진의 에너지 회수장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

엔진의 에너지 회수장치
제1도는 본 발명의 1실시예를 표시한 구성 블록도.
제2도는 배기 터어빈의 단면을 표시한 설명도.
제3도는 터어빈의 효율의 1예를 표시한 곡선도.
제4도는 본 실시예의 처리 1예를 표시한 처리흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔진 5 : 제어장치
6 : 배기 터어빈 7 : 발전기
8 : 온도센서 I 9 : 온도센서 Ⅱ
10 : 속도센서 11 : 교류전동기
12 : 축전지
본 발명은 엔진의 배기가스에 포함되는 배기 에너지의 회수장치에 관한 것이며, 특히 발전기를 갖는 배기 터어빈을 효율적으로 운전하여 배기 에너지의 회수 효율을 개선시킨 엔진의 에너지 회수장치에 관한 것이다.
근년 엔진의 연소실이나 배기관 등에 세라믹 등의 단열재료를 사용한 단열구조의 엔진이 사용되고 있다. 이 엔진에 의하면 그 내부에 발생한 열을 방열하여 엔진을 냉각할 필요가 없으며, 발생한 고온도의 배기가스가 갖는 에너지를 회생시켜서 엔진의 출력측이나 차축 등에 귀환시켜 엔진의 출력의 향상에 이용된다.
이런 종류의 배기 에너지의 회생방법으로서 배기가스에 의해 회전되는 터어빈의 회전력을 다단의 기어기구에 의해 감속하여 크랭크축을 구동하는 것이 알려져 있다.
또 발전기를 구비한 배기 터어빈과 흡기용 콤프레셔를 구비한 배기 터어빈을 직렬로 접속하여 2단 터어빈으로 하고 엔진의 출력축에 설치한 전동기에 발전기의 발전출력을 공급하여 배기 에너지의 회수를 도모하는 제안과 배기 바이패스회로를 설치하는 동시에 발전기를 구비한 배기 터어빈과 흡기용 콤프레셔를 구비한 배기 터어빈을 직렬로 접속하여 엔진의 출력축에 설치한 전동기에 발전기의 발전 출력을 공급하는 동시에 콤프레셔를 구동시켜 배기 바이패스회로의 배기가스 통과량을 제어하여 최적상태에서 엔진을 운전하는 제안이 이미 행해지고 배기 에너지 회수장치를 부착한 엔진으로서 일본국 특개소 59-141712호 공보에 제시되어 있다.
상술한 배기 에너지 회생방법에 있어서 앞서의 기어기구를 사용하여 크랭크를 구동하는 방법은 기어기구의 전달효율을 고려하면, 예컨대 통상 1단의 전달효율은 0.9 내지 0.95이므로 3단의 기어기구에서는 약80%로 효율이 저하한다. 또한 배기 터어빈의 회전수는 10만회/분 정도의 고속회전이며 이 감속에 있어서는 더욱 다단의 기어기구를 필요로하고 상기 전달효율의 저하나 마찰손실의 증대뿐만 아니라 배기 터어빈의 회전수가 엔진 회전수에 대응하기 위하여 배기 터어빈의 성능의 최적치가 얻어지지 않는 결점이 있다.
또 후자의 일본국 특개소 59-141712호 공보에 표시되어 있는 제안은 엔진의 속도 검출기와 부하 검출기의 데이터에 의해 배기 바이패스회로의 배기가스 통과량을 제어하여 최적상태에서 엔진을 운전하고는 있으나 배기 터어빈의 회전속도나 터어빈 효율을 최량으로 하는 제어가 되어 있지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 배기 터어빈을 구비한 단열구조의 엔진에 있어서 배기 터어빈의 효율을 최량상태로 제어하여 배기가스가 갖는 에너지를 효율적으로 회수하는 엔진의 에너지 회수장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 형식의 에너지 회수장치에 있어서 배기 터어빈의 입구부와 출구부에 설치한 배기가스 온도를 검출하는 온도센서로부터의 신호와 배기 터어빈의 회전수를 검출하는 속도센서로부터의 신호에 의해 배기관 도중에 설치한 발전기의 부하를 제어하는 에너지 회수장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의하면 연소실, 배기관을 단열구조로한 엔진의 배기관 도중에 설치한 발전기를 갖는 배기 터어빈과 상기 배기 터어빈의 입구부와 출구부의 배기온도를 검출하는 온도센서와 배기 터어빈의 회전수를 검출하는 속도센서와 상기 각 센서로부터의 신호에 의해 발전기의 부하를 제어하는 수단을 갖추고 있으며, 이것들에 의해 배기 터어빈을 최적상태에서 운전하여 엔진을 고효율로 운전하는 것을 특징으로 하는 엔진의 에너지 회수장치가 제공된다.
다음에 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 사용하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 관한 엔진의 에너지 회수장치에 관한 1실시예를 표시한 구성 블록도이다.
도면에 있어서, 1은 단열구조를 구비한 엔진이며, 실린더라이너, 실린더헤드 단열판, 배기밸브, 피스톤등에 세라믹을 사용하고 있다. 2는 배기 매니포울드이며 외벽은 세라믹으로 구성되어 있다. 배기 매니포울드(2)에는 터어보 과급기(3)가 접속되어 있고 배기 매니포울드(2)로부터 송출되는 배기가스에 의해 구동되는 터어빈 블레이드(3a)의 회전축에는 발전-전동기(MG)(4)의 로우터와 콤프레셔 블레이드(3b)가 직결되어 있다. 발전-전동기(4)의 로우터는 영구자석으로 구성되고 대향하는 스테이터에는 권선이 배설되어 있으며, 배기가스의 에너지에 의해서 터어빈 블레이드 (3a)가 고속회전으로 구동되면 콤프레셔 블레이드(3b)가 흡입기를 압축하여 엔진(1)에 과급하는 동시에 스테이터의 권선에는 교류가 유기되어서 접속되어 있는 제어장치(5)에 이 교류를 출력한다.
터어보 과급기(3)의 배출구(3c)에는 또 배기 터어빈(6)이 접속되고 터어빈 블레이드(3a)를 구동하여 아직 잔존하는 에너지를 갖는 배기가스(G)에 의해 구동된다. 이 배기 터어빈(6)은 회전축을 직결한 발전기(7)가 부착되고 배기가스(G)의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회수한다.
8은 온도센서(Ⅰ)이며, 터어보 과급기(3)의 배출구(3c)에 부착되어서 배기 터어빈(6)에 유입하는 배기가스(G)의 온도를 검출하여 유입온도신호(Tz)를 제어장치(5)에 송신한다.
9는 온도센서(Ⅱ)이며, 배기 터어빈(6)의 출구부에 설치되고 출구온도신호(T1)를 제어장치(5)에 송신한다. 또한 10은 배기 터어빈(6)에 부착된 속도 검출기이며 배기 터어빈(6)의 터어빈축 회전수를 검출하여 속도신호(U)를 제어장치(5)에 송신하도록 구성되어 있다.
11은 교류전동기이며 제어장치(5)를 통하여 발전기 작동시의 발전-전동기(4)와 발전기(7)의 출력이 공급된다. 그리하여 예컨대 엔진(1)의 동력 출력측과 교류전동기(11)의 회전축을 결합시켜 엔진(1)의 구동력을 도와서 배기 에너지의 회생을 도모하는 것이다.
축전지(12)는 제어장치(5)에 직류를 공급하여 제어장치(5)에 의해서 소정 주파수의 교류로 변환한 전력을 발전-전동기(4)에 송전하여 콤프레셔 블레이드(3b)를 구동하여 엔진(1)의 저회전, 고부하시의 흡입기의 과급작동을 부세하는 것이다.
제2도는 배기 터어빈의 단면을 표시한 설명도이며, 제3도는 터어빈의 효율의 1예를 표시한 곡선도이다. 제2도에 있어서 터어빈 블레이드(6a)는 스크롤(6b)과의 사이의 노즐(A)로부터 압입되고, 출구(B)에 달하는 배기가스의 에너지에 의해 구동되는 것이며, 노즐(A)에 있어서의 단열팽창에 의해 이루어지는 단열팽창속도(Cad)와 터어빈속도(U1)의 비가 다음식과 같이 표시될때 최대효율이 얻어지는 것이 알려져 있다.
Figure kpo00002
그리하여 제3도의 곡선도에 표시한 N2회전시의 효율은 약 55%이나 발전기(7)의 부하를 증가하여 배기 터어빈의 회전을 N1로 저하시키면 약 70%의 효율이 얻어지는 것을 나타내고 있다.
또한 제어장치(5)는 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있으며 연산부, ROM나 RAM 등의 메모리부, 입출력부를 구비하며, 유입온도신호(Tz), 출구온도신호(T1), 속도신호(U) 등이 입력되면 미리 ROM 메모리에 기억되어 있는 소정 데이터나 소정 계산식에 의거하여 연산을 하고 소정의 지령을 발하여 제어하도록 구성되어 있으나 이들의 구성은 주지와 같으므로 상세한 설명은 생략한다.
제4도는 본 발명의 처리의 1예를 표시한 처리 흐름도이며, 다음에 그 처리에 대하여 설명한다.
먼저 스텝 1, 2에 있어서 배기 터어빈(6)에 설치한 온도센서 Ⅰ(8), 온도센서 Ⅱ(9)로부터의 유입온도신호(Tz)와 출구온도신호(T1)를 제어장치(5)의 메모리부에 읽어 넣는다. 스텝 3에 있어서 노즐유속(C1)의 값을 다음의 (2)식에 의해 연산한다.
Figure kpo00003
여기서
Figure kpo00004
은 정수이며, 예컨대 0.251의 값을 취한다.
Figure kpo00005
은 노즐에 있어서의 손실계수이며, 예컨대 0.08의 값을 취한다. ρ는 반동도이며, 예컨대 0.4 내지 0.5로 한다. 또한 R은 가스상수이다.
다음에 스텝 4에 있어서 다음 식 (3)식에 의해 터어빈 입구 마감 온도계산을 하여 Tz*를 구한다.
Figure kpo00006
여기서 Cp는 평균정압비열이며, 예컨대 0.272의 값을 취하고
Figure kpo00007
은 노즐출구의 운동에너지이다.
스텝 5에서는 (3)식에 의해 구한 Tz*을 사용하여 (4)식에 의해서 단열팽창속도(Cad)의 연산을 행한다.
Figure kpo00008
다음에 배기 터어빈(6)에 설치한 속도센서(10)로부터의 속도신호(U)를 측정하여(스텝 6), 스템 5에서 연산을 한 Cad의 값과 비교하여(스텝 7), 속도신호가 0.7Cad 보다 크다고 판단하면 발전기(7)의 부하를 증가하여 배기 터어빈(6)의 회전을 저하시켜서 스텝 7로 복귀한다(스텝 8).
그리고 스텝 7에 의해 속도신호(U)가 0.7Cad와 같을때는 그 상태를 소정의 △t시간 유지하여(스텝 9, 10), 스텝 1에 복귀한다. 또한 스텝 9에 의해 U가 0.7Cad 보다 작을때에는 스텝 7에 진행하고 재차 U를 측정하여 0.7Cad와의 비교를 한다.
이와같이 배기 터어빈(6)의 입구온도신호와 출구온도신호에 의해 노즐 유속, 터어빈 마감온도를 연산하고 또 단열팽창속도를 산출하여 터어빈속도가 0.7Cad로 되도록 발전기(7)의 부하를 제어하여 배기 터어빈을 운전한다.
또 본 발명을 1실시예에 의해 설명하였으나 본 발명의 요지의 범위내에서 여러가지의 변형이 가능하며 이것들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.

Claims (4)

  1. 배기가스에 의해 회전되는 배기 터어빈으로부터 엔진의 배기 에너지를 회수하는 엔진의 에너지 회수장치에 있어서, 엔진의 배기구에 설치된 배기 터어빈, 이 배기 터어빈에 의해 회전되는 발전기, 배기 터어빈의 입구부의 배기온도를 검출하는 제1온도센서, 배기 터어빈의 출구부의 배기온도를 검출하는 제2온도센서, 배기 터어빈의 회전수를 검출하는 속도센서, 제1, 제2온도센서 및 속도센서의 신호에 의해 배기 터어빈의 효율을 연산하는 수단, 상기 배기 터어빈의 효율을 연산하는 수단으로부터 얻어지는 배기 터어빈의 효율을 최대로 되도록 발전기의 부하를 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 에너지 회수장치.
  2. 제1항에 있어서, 배기 터어빈의 최대효율을 U1/Cad=0.7(단, U1: 터어빈 속도,Cad : 단열팽창속도)에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진의 에너지 회수장치.
  3. 제1항에 있어서, 발전기의 부하가 축전지인 것을 특징으로 하는 엔진의 에너지 회수장치.
  4. 제1항에 있어서, 배기 터어빈과 이것에 의해 회전되는 발전기를 갖는 에너지 회수장치가 엔진의 배기구에 대하여 복수개 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진의 에너지 회수장치.
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