WO2013111980A1 - 차량용 터보 컴파운드 시스템 - Google Patents

차량용 터보 컴파운드 시스템 Download PDF

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WO2013111980A1
WO2013111980A1 PCT/KR2013/000587 KR2013000587W WO2013111980A1 WO 2013111980 A1 WO2013111980 A1 WO 2013111980A1 KR 2013000587 W KR2013000587 W KR 2013000587W WO 2013111980 A1 WO2013111980 A1 WO 2013111980A1
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vehicle
power transmission
engine
actuator
compound system
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PCT/KR2013/000587
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왕태중
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두산인프라코어 주식회사
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    • F02B37/005—Exhaust driven pumps being combined with an exhaust driven auxiliary apparatus, e.g. a ventilator
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle turbo compound system for recovering exhaust gas energy of an engine, and more particularly, to a vehicle turbo compound system capable of recovering exhaust gas energy and providing the same to various vehicle auxiliary apparatuses.
  • the present invention relates to a vehicle turbo compound system capable of simplifying installation and control, as well as preventing fuel efficiency or output from being reduced, since the recovered exhaust gas energy is directly transmitted to the vehicle auxiliary device.
  • the present invention relates to a vehicle turbo compound system that guarantees operational stability by variably controlling power transmitted to a vehicle auxiliary device in response to a change in energy of exhaust gas according to an engine operating condition.
  • waste energy which is discarded as exhaust gas or engine cooling water, in the post-power generation stage, and then recycle the waste energy into electrical energy or mechanical energy.
  • the most actively researched fuel efficiency improving technology using waste energy includes a turbo compound technology that recovers kinetic energy of engine exhaust gas, and an electric field that recovers thermal energy from exhaust gas and engine cooling water.
  • Thermo-Electric Generator technology and Rankine Steam Cycle technology includes a turbo compound technology that recovers kinetic energy of engine exhaust gas, and an electric field that recovers thermal energy from exhaust gas and engine cooling water.
  • turbo compound technology is actually applied to some medium and large trucks.
  • the turbo compound system adds a blow-down turbine to the engine exhaust system in addition to the turbocharger turbine used for supercharging fuel air. By mounting the waste energy of the exhaust gas, it is divided into mechanical and electrical according to the transfer method of energy recovered from the blowdown turbine.
  • the turbocharger compressor 12 is operated by a turbocharger turbine 11 that converts the exhaust gas energy of the engine 10 into mechanical work as shown in FIG. 1 to supply compressed air for fuel to the engine 10, in particular blow.
  • the power generated in the down turbine 20 is transmitted to the crankshaft 40 via a mechanical power train 30a consisting of a transmission 31a and a reduction gear 32a, thereby delivering the output of the engine 10 without additional fuel consumption. Increase.
  • the turbocharger compressor 12 is operated by the turbocharger turbine 11 to supply compressed air to the engine 10.
  • the power generated by the blowdown turbine 20 is generated by the generator 31b.
  • the waste energy of the exhaust gas of the engine 10 is increased to increase the output of the crankshaft 40, and as shown in FIG. 3, the compressor of the vehicle air conditioner 50 through a belt (not shown) or the like. And the crankshaft 40 by direct contact method to operate the compressor to compress the refrigerant.
  • the vehicle is tuned to the vehicle including the engine 10 in order to achieve emission regulations and fuel efficiency targets during vehicle development, and additional costs are required because an additional tuning and control logic must be established in preparation for the operation of the air conditioner 50.
  • additional costs are required because an additional tuning and control logic must be established in preparation for the operation of the air conditioner 50.
  • due to technical difficulties in the mass production of the tuning technology when the air conditioner 50 is operated, there are frequent cases where the exhaust gas exceeds the regulatory allowance.
  • the auxiliary machinery 60 for assisting the driving of the engine 10 also has a crankshaft, such as the coolant pump 61, the fuel pump 62, and the fuel fan (or the cooling fan) 63. Since the operation is connected to the (40), as described above, in the operation of the auxiliary machinery 60, there is a problem in that fuel consumption is further deteriorated because fuel is further consumed to maintain the output of the crankshaft 40.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems, to provide a vehicle turbo compound system that can be provided in a variety of forms to the exhaust gas energy of the engine to a variety of vehicle auxiliary devices.
  • the present invention since the recovered exhaust gas energy is directly transmitted to the vehicle auxiliary device without passing through the vehicle crankshaft, it is possible to prevent fuel consumption or output from being reduced, as well as to simplify the installation and control of a vehicle turbo compound system. To provide.
  • the present invention provides a variable control vehicle turbo compound system that guarantees operational stability by variably controlling the power transmitted to the vehicle auxiliary device in response to a change in the energy of the exhaust gas according to the driving conditions of the engine.
  • bypass compound is adjusted according to the operating conditions so that the turbo compound system can achieve optimum efficiency in a wide operating range.
  • an actuator is installed between the reduction gear and the crankshaft to selectively short-circuit the connection between the crankshaft and the reduction gear according to the operating conditions to increase the engine efficiency.
  • the vehicle turbo compound system includes an engine of an internal combustion engine; A blow-down turbine installed at an exhaust gas discharge side of the engine and converting energy of the exhaust gas into mechanical work to recover waste energy; A power train coupled to the blow down turbine and operated; And a vehicle auxiliary device operated by directly receiving power from the power transmission device without passing through a crankshaft of the vehicle. Characterized in that it comprises a.
  • the vehicle auxiliary device is an air conditioner
  • the air conditioner is preferably operated by the power transmission device to form a refrigerant cycle.
  • the vehicle auxiliary device is an auxiliary machine of the engine, and the auxiliary machine is operated by the power transmission device to assist in driving the engine.
  • the power transmission device is preferably a mechanical power transmission device including a transmission provided on the output side of the blow down turbine and a reduction gear provided on the output side of the transmission.
  • the power transmission device is preferably an electric power transmission device including a generator provided on the output side of the blow down turbine and a motor provided on the output side of the power generation.
  • crankshaft 140 is rotated by the engine 110; And a control unit for controlling power transmitted from the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b to the vehicle auxiliary device according to the driving condition of the engine 110, respectively.
  • vehicle auxiliary devices 150 and 160 are connected to the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b, respectively, so that the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b. It is characterized in that driven by receiving power from.
  • crankshaft 140 is connected to the vehicle auxiliary device 150 through a first actuator (Actuator1)
  • the blowdown turbine 120 is the power transmission device (130a) through a second actuator (Actuator2) And 130b)
  • the power transmission devices 130a and 130b are connected to the vehicle auxiliary device 150 through a third actuator (Actuator3)
  • the control unit is the first actuator (Actuator1) to the third. It is characterized in that for controlling the connection state of the actuator (Actuator3), respectively.
  • bypass line 150 for bypassing the exhaust gas entering the blow down turbine 120 in accordance with the operating conditions of the engine 110; And a bypass valve 151 provided upstream of the bypass line 150 to control the flow of the exhaust gas.
  • it characterized in that it further comprises a first control unit for controlling the bypass valve 151 according to the operating conditions of the engine 110.
  • an actuator 160 for engaging and disengaging the crankshaft 140 and the reduction gear 132a may be provided between the crankshaft 140 and the reduction gear 132a.
  • control unit for controlling the actuator 160 in accordance with the operating conditions of the engine 110.
  • the first control unit may be configured to control the bypass valve by dividing the engine 110 into a low speed and low load operation state and a high speed and high load operation state.
  • the second control unit may be configured to control the actuator 160 by dividing the engine 110 into a low speed and low load operation state and a high speed and high load operation state.
  • the exhaust gas energy of the engine can be recovered and provided in various forms to various vehicle auxiliary apparatuses, including vehicle air conditioners or auxiliary machinery to assist the driving of the engine.
  • the present invention since the recovered exhaust gas energy is directly transmitted to the vehicle auxiliary apparatus without passing through the vehicle crankshaft, it is possible to prevent the fuel economy from being lowered or the output from being reduced, as well as simplify the installation and control.
  • variable-control vehicle turbo compound system by controlling the power transmitted to the vehicle auxiliary device from the crankshaft and the power transmission device in accordance with the operating conditions of the engine, it is possible to improve the operational stability of the system do.
  • turbo compound system according to the present invention, it is possible to solve the problem of increasing the exhaust pressure by bypassing the flow rate of the exhaust gas entering the blow-down turbine according to the operating conditions of the engine, it is possible to prevent the loss of thermal energy.
  • turbo compound system according to the present invention, by controlling the connection between the crankshaft and the reduction gear according to the operating conditions of the engine it is possible to solve the problem of fuel economy worsening.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a mechanical turbo compound system according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an electric turbo compound system according to the prior art.
  • Figure 3 is an example showing the use of the recovered energy of the conventional turbo compound system.
  • Figure 4 is another example showing the use of the recovered energy of the conventional turbo compound system.
  • Figure 5 is an embodiment showing a mechanical vehicle turbo compound system according to the present invention.
  • Figure 6 is an embodiment showing an electric vehicle turbo compound system according to the present invention.
  • FIG. 7 is another embodiment of a mechanical vehicle turbo compound system according to the present invention.
  • FIG 8 is another embodiment of a turbo compound system for an electric vehicle according to the present invention.
  • Figure 9 is an embodiment showing a variable controlled turbo compound system according to the present invention.
  • FIG. 10 is another embodiment of a variable controlled turbo compound system in accordance with the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of operating a variable controlled turbo compound system according to the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of operating a mechanical turbo compound system according to another embodiment of the present invention.
  • turbocharger compressor 120 blow down turbine
  • crankshaft 150 160: vehicle auxiliary
  • blowdown turbines described below are also referred to as power turbines, it will be apparent that they are the same configuration despite the difference in their names.
  • the vehicle turbo compound system according to the present invention is installed on the engine 110 of the internal combustion engine and the exhaust gas discharge side of the engine 110, and converts the energy of the exhaust gas into mechanical work to close the waste.
  • turbocharger Turbine Turbocharger Turbine
  • turbocharger compressor 112 for compressing the air to the engine 110 to charge, it is possible to supply the fuel air using the waste energy as before.
  • the power transmission device 130a of the vehicle turbo compound system is installed at the output side of the transmission 131a and the transmission 131a installed at the output side of the blowdown turbine 120 as an example, and supplies power to the vehicle auxiliary device 150.
  • a mechanical power train 130a including a reduction gear 132a for transmitting is used.
  • transmissions 131a There are two types of transmissions 131a and a direct contact method. Any one of them may be used. However, when the fluid type through fluid coupling is used, the power transmission efficiency is higher than that of the direct contact type. Although it is somewhat low, it is easy to develop and control matching.
  • the vehicle auxiliary device 150 used to recover and recycle the waste energy of the exhaust gas has a large power load, except for the crankshaft 140, which is a core control target of the vehicle, and various vehicles as long as the waste energy can be recovered and recycled. Can be a part of In particular, the vehicle auxiliary device 150 is preferably an air conditioner 150 that greatly affects fuel consumption during operation during driving.
  • the air conditioner 150 is operated by the mechanical power transmission device 130a to form a refrigerant cycle, and generally includes a compressor, a condenser, an expansion valve, an evaporator, and the like, the compressor may be blown down to the turbine 120.
  • the compression motor is operated by the blowdown turbine 120 to compress the refrigerant.
  • the condenser, the expansion valve and the evaporator can also be operated by the blow down turbine 120.
  • the present invention can operate the compressor of the air conditioner 150 with the blowdown turbine 120 converting the waste energy of the exhaust gas into mechanical work, the waste energy can be utilized in the vehicle auxiliary device 150, and additional fuel It uses waste energy to operate the compressor without wasting, thus preventing fuel economy from deteriorating.
  • the waste energy is first transmitted to the crankshaft 140, and then the compressor is operated by the crankshaft 140, compared to the blowdown turbine 120 without passing through the crankshaft 140. Because the mechanical work of the direct transmission to the compressor to prevent the output of the crankshaft 140 during operation of the air conditioner 150.
  • the air conditioner 150 (particularly, the compressor) is taken as an example of the vehicle auxiliary device 150 used to recover and recycle the waste energy of the exhaust gas, and the transmission 131a and the reduction gear may be used as the power transmission device 130a.
  • a mechanical power train 130a consisting of 132a is taken as an example.
  • the electric power transmission device 130b may also be used as the power transmission device for transmitting the mechanical work generated in the blowdown turbine 120 to the air conditioner 150, and the electric power transmission device. 130b makes it possible to operate the air conditioner 150 after converting the waste energy into electrical energy.
  • the electric power transmission device 130b includes a generator 131b installed at the output side of the blow down turbine 120 and a motor 132b installed at the output side of the generator 131b and operated by generating power. Power of the motor 132b operated by the generated power is transmitted to the air conditioner 150 to operate the compressor and the like.
  • the present invention can be utilized in the vehicle auxiliary device 150 using waste energy as described above, without additional fuel consumption, and prevents the output of the crankshaft 140 when the air conditioner 150 is operated. This greatly simplifies further tuning and related control logic.
  • the generator 131b uses the generated power of the vehicle to charge the battery of the vehicle (not shown) for use for starting, or directly supply the generated power to various electric devices (not shown) such as a vehicle lighting device or a display device. This allows for a wider variety of applications and maintains high efficiency over a wider operating range, although the system cost is higher than for mechanical systems.
  • Another embodiment of the present invention is the same as the embodiment of the present invention described above, except that the vehicle auxiliary device in which the recovered waste energy is recycled is an auxiliary machine that assists in driving the engine. Therefore, hereinafter, redundant description will be omitted.
  • a vehicle turbo compound system includes an engine 110 of an internal combustion engine, a blowdown turbine 120 for converting energy of exhaust gas into mechanical work to recover waste energy, and the blow It includes a power transmission device 130a connected to the down turbine 120 and operated and a vehicle auxiliary device 160 operated by being directly supplied with power from the power transmission device 130a.
  • the turbocharger turbine 111 converts the energy of the exhaust gas into mechanical work and the turbocharger compressor operated by the turbocharger turbine 111 and compresses the air for fuel to supercharge the engine 110 ( 112) may be further included.
  • the power transmission device 130a of the vehicle turbo compound system is installed at the output side of the transmission 131a and the transmission 131a installed at the output side of the blowdown turbine 120 as an example, and supplies power to the vehicle auxiliary device 150.
  • a mechanical power train 130a including a reduction gear 132a for transmitting is used.
  • vehicle auxiliary device 160 used to recover and recycle the waste energy of the exhaust gas is assisted to assist the driving of the engine 110 such as the coolant pump 161, the fuel pump 162, and the fuel fan 163.
  • Machinery 160 abbreviated as 'accessory' for short).
  • the present invention can operate the auxiliary machinery 160 with the blow down turbine 120, the waste energy can be utilized in the vehicle auxiliary device 160, and the waste machinery can be utilized using the waste energy without additional fuel consumption. Operation of the fuel cell 160 to prevent fuel economy from deteriorating.
  • the present invention transmits the mechanical work of the blow down turbine 120 directly to the auxiliary machinery 160 without passing through the crankshaft 140, so that the output of the crankshaft 140 is reduced when the auxiliary machinery 160 is operated. Prevent it.
  • auxiliary machinery 160 is operated independently by the mechanical work of the blowdown turbine 120, additional tuning and related control logic for the operation of the auxiliary machinery 160 when tuning is performed in a vehicle development stage is performed. Much simplified or unnecessary
  • the electric power transmission device 130b may also be used as a power transmission device for transmitting the mechanical work generated in the blow down turbine 120 to the auxiliary machinery 160, an electric power transmission device. 130b operates the auxiliary machinery 160 after converting the waste energy into electrical energy.
  • the electric power transmission device 130b includes a generator 131b installed at the output side of the blow down turbine 120 and a motor 132b installed at the output side of the power generation and operated by generated power.
  • the auxiliary machinery 160 is operated by the power of the motor 132b operated by the motor.
  • the present invention in addition to the advantages of the mechanical power transmission device 130a described above, it is possible to charge the battery with the generated power of the generator 131b, or the generated power to various electric devices such as a vehicle lighting device or a display device. By supplying directly, it can be used more.
  • variable control vehicle turbo compound system includes an engine 110 of an internal combustion engine, a blowdown turbine 120 installed at an exhaust gas discharge side of the engine 110, Power transmission devices 130a and 130b connected to the blow down turbine 120, crankshaft 140 rotated by the engine 110, and power from the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b. It includes a control unit (not shown) for controlling the power transmitted to the vehicle auxiliary device 150 in accordance with the driving conditions of the vehicle auxiliary device 150 and the engine 110 is driven by receiving.
  • turbocharger turbine 111 and the turbocharger turbine 111 which converts energy of the exhaust gas into mechanical work, and is fueled.
  • turbocharger compressor 112 for compressing the air to the engine 110 to charge, it is possible to supply the fuel air using the waste energy as before.
  • the waste energy of the exhaust gas is recovered from the blowdown turbine 120 and converted into mechanical work (that is, power generation), and the power generated from the blowdown turbine 120 is transferred to the power transmission device 130a, Since it is transmitted to the vehicle auxiliary device 150 through 130b), it can be used in a configuration for operating the vehicle auxiliary device 150 together with the crankshaft 140.
  • the vehicle auxiliary device 150 is connected to the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b, respectively, and is driven by receiving power from the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b.
  • the control unit controls the power transmitted from the crankshaft 140 and the power transmission device (130a, 130b) to the vehicle auxiliary device (150) in accordance with the operating conditions of the engine 110, so that the turbo compound system can be stably operated. To be able.
  • the power transmission device 130a of the vehicle turbo compound system is installed on the output side of the transmission 131a and the transmission 131a installed on the output side of the blowdown turbine 120 for the vehicle
  • a mechanical power train 130a may be used that includes a reduction gear 132a that transmits power to the auxiliary device 150.
  • transmissions 131a There are two types of transmissions 131a and a direct contact method. Any one of them may be used. However, when the fluid type through fluid coupling is used, the power transmission efficiency is higher than that of the direct contact type. Although it is somewhat low, it is easy to develop and control matching.
  • the power transmission device 130a of the vehicle turbo compound system is also an electric power transmission device 130b for operating the vehicle auxiliary device 150 after converting waste energy into electrical energy. Can be used.
  • the electric power transmission device 130b is a generator 131b installed at the output side of the blow down turbine 120 and a motor 132b installed at the output side of the generator 131b and operated by generating power and connected to the vehicle auxiliary device 150. ).
  • the electric power transmission device 130b charges the battery of the vehicle with the generated power of the generator 131b to be used for starting, or by directly supplying the generated power to various electric devices such as a vehicle lighting device or a display device. Make it available in form. In addition, the system cost is higher than that of the mechanical system, but it can maintain high efficiency over a wider operating range.
  • the vehicle auxiliary device 150 used to recover and recycle the waste energy of the exhaust gas in the present invention can recover and recycle the waste energy except for the crankshaft 140, which has a large power load and is a key control target of the vehicle. It can be a part of various vehicles.
  • the vehicle auxiliary apparatus 150 is an air conditioner 151 which greatly influences fuel consumption during operation while driving, and the air conditioner 151 is composed of a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, and thus blows down the compressor.
  • a compression motor is operated by the blowdown turbine 120 to compress the refrigerant.
  • the condenser, the expansion valve and the evaporator can also be operated by the blow down turbine 120.
  • the vehicle auxiliary device 150 may be an auxiliary machine (hereinafter, simply referred to as a 'view accessory') that assists in driving the engine 110, such as the coolant pump 152, the fuel pump 153, and the fuel fan 154. May also be used.
  • a 'view accessory' an auxiliary machine that assists in driving the engine 110, such as the coolant pump 152, the fuel pump 153, and the fuel fan 154. May also be used.
  • crankshaft 140 is connected to the vehicle auxiliary device 150 through the first actuator (Actuator1), the blow down turbine 120 through the second actuator (Actuator2) power transmission device (130a, 130b), and the power transmission devices 130a and 130b are connected to the vehicle auxiliary device 150 through the third actuator Actuator3.
  • the vehicle auxiliary apparatus 150 may be operated through the crankshaft 140 and the blowdown turbine 120, respectively, and power transmission of the crankshaft 140 and the blowdown turbine 120 may be performed through the control unit. Provides a controlled environment for each.
  • the control unit may be provided integrally or modularly provided in the ECU (Electronic Controller Unit) or EPOS (Electronic Power Controller System) mounted on various vehicles including heavy equipment, and may be separately provided, and the first actuator (Actuator1) through such a control unit. To control the connection state of the third actuator (Actuator3), respectively.
  • ECU Electronic Controller Unit
  • EPOS Electronic Power Controller System
  • connection status is largely divided into 'connected' and 'disconnected'.
  • the 'connection' may be divided into 'stages' of various stages, such as gear change, so that the torque or speed transmitted to the vehicle auxiliary apparatus 150 may be adjusted in various stages, and the degree of connection may be controlled respectively. It may be.
  • control unit may be divided into a case in which the engine 110 is in a variable driving state and a case in which the engine 110 is in a different driving state (for example, a constant speed driving state), and the crankshaft 140 and the power transmission units 130a and 130b may be used. It is preferable to control the power transmitted to the vehicle auxiliary device 150, respectively.
  • the blow down turbine 120 depends on the heat energy of the exhaust gas of the engine 110, and the heat energy of the exhaust gas changes depending on the driving conditions of the vehicle (engine).
  • the power supplied from the blow down turbine 120 to the vehicle auxiliary device 150 is also variable.
  • the present invention is classified into a case where the vehicle is in a variable driving state and other driving states, and the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b are transferred to the vehicle auxiliary device 150 according to the driving state.
  • the turbo compound system can be operated stably.
  • the present invention operates the vehicle auxiliary device 150 through both the crankshaft 140 and the power transmission devices 130a and 130b according to the operating conditions of the engine 110 through the control unit, or the crankshaft 140
  • the vehicle auxiliary device 150 By operating the vehicle auxiliary device 150 through any one of the) and the power transmission device (130a, 130b), the operation of the turbo compound system is always made stable.
  • the first actuator (Actuator1) is connected with the vehicle auxiliary device 150 to operate the vehicle auxiliary device 150 only through the crankshaft 140, and the second actuator (Actuator2) and the first actuator.
  • the three actuators Actuator3 release the connection with the vehicle auxiliary device 150.
  • the first actuator releases the connection with the vehicle auxiliary device 150 to operate the vehicle auxiliary device 150 only through the blowdown turbine 120, and the second actuator ( Actuator2) and the third actuator (Actuator3) are connected to the vehicle auxiliary device 150.
  • both the second actuator Actuator2 and the third actuator Actuator3 may be connected or released.
  • the second actuator (Actuator2) may be connected and the third actuator (Actuator3) may be controlled to be released.
  • the control unit monitors the driving state of the vehicle (engine) to determine whether it is in the constant speed driving state (S110).
  • the monitoring of the operation state may be used in addition to the method directly performed by the control unit, and the method of providing the result to the control unit after being performed through the ECU or EPOS.
  • the second actuator (Actuator2) and the third actuator (Actuator3) and the vehicle accessories are connected (S121, S122) under the control of the control unit, and the first actuator (Actuator1) and the vehicle accessories are controlled.
  • the connection of the device is released (S123).
  • the driving status is not the constant speed driving result, it is determined that the variable driving status, under the control of the control unit, the first actuator (Actuator1) and the vehicle accessories are connected (S131), the second actuator (Actuator2) and The connection between the third actuator Actuator3 and the vehicle accessory is released (S132, S133).
  • the turbo compound system includes an engine 110 of an internal combustion engine, a blowdown turbine 120 installed at an exhaust gas discharge side of the engine 110, and a blowdown turbine 120.
  • the power transmission device 130a connected to the crank shaft 140 rotated by the engine 110 and the bypass for bypassing the exhaust gas entering the blowdown turbine 120 according to the operating conditions of the engine 110.
  • a bypass valve 151 provided upstream of the pass line 150 and the bypass line 150 to control the flow of the exhaust gas.
  • turbocharger turbine 111 is installed on the exhaust gas discharge side of the engine 110 and is operated by a turbocharger turbine 111 and the turbocharger turbine 111 for converting energy of the exhaust gas into mechanical work, and for fuel air. It further comprises a turbocharger compressor 112 to compress the supercharged to the engine 110, it is possible to supply the air for fuel by using the waste energy as before.
  • the waste energy of the exhaust gas is recovered from the blowdown turbine 120 and converted into mechanical work (that is, power generation), and the power generated from the blowdown turbine 120 is transferred to the power transmission device 130a. It is transmitted to the crankshaft 140.
  • the power transmission device 130a of the vehicle turbo compound system is installed on the output side of the transmission 131a and the transmission 131a installed on the output side of the blowdown turbine 120 and the crank.
  • a mechanical power train 130a may be used that includes a reduction gear 132a that transmits power to the shaft 140.
  • transmissions 131a There are two types of transmissions 131a and a direct contact method. Any one of them may be used. However, when the fluid type through fluid coupling is used, the power transmission efficiency is higher than that of the direct contact type. Although it is somewhat low, it is easy to develop and control matching.
  • the power transmission device 130a of the turbo compound system may use an electric power transmission device that converts waste energy into electric energy and then operates an auxiliary device for a vehicle.
  • the electric power transmission device includes a generator installed at the output side of the blow down turbine 120 and a motor installed at the output side of the generator and operated by generating power and connected to the vehicle auxiliary device.
  • the electric power transmission device can be used in various forms by charging the battery of the vehicle with the power generated by the generator to start the vehicle or by directly supplying the generated power to various electric devices such as a vehicle lighting device or a display device.
  • the system cost is higher than that of the mechanical system, but it can maintain high efficiency over a wider operating range.
  • the vehicle auxiliary device used to recover and recycle the waste energy of the exhaust gas in the present invention is a variety of vehicles as long as it can recover and recycle the waste energy except for the crankshaft 140 which is a large power load and the core control target of the vehicle Can be a part of
  • the vehicle auxiliary is an air conditioner that greatly affects fuel consumption during operation while driving, and since the air conditioner is composed of a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, when the compressor is operated by the blowdown turbine 120, blow The compressor is operated by the down turbine 120 to compress the refrigerant.
  • the condenser, the expansion valve and the evaporator can also be operated by the blow down turbine 120.
  • the vehicle auxiliary device may also use an auxiliary machine (hereinafter, also referred to as an accessory) that assists in driving the engine 110, such as a coolant pump, a fuel pump, and a fuel fan.
  • an auxiliary machine hereinafter, also referred to as an accessory
  • a coolant pump such as a coolant pump, a fuel pump, and a fuel fan.
  • the turbo compound system according to the present invention has a bypass line 150 connected to the front and rear of the blow down turbine for bypassing exhaust gas entering the blow down turbine.
  • bypass valve 151 is provided upstream of the bypass line 150 to control the flow of the exhaust gas, the bypass valve 151 may be used a variety of valves, such as mechanical to electronic proportional valve Can be.
  • the turbo compound system may further include a first control unit for controlling the bypass valve 151. That is, the opening and closing of the bypass valve 151 is controlled according to the operating condition of the engine.
  • the exhaust gas discharged from the engine 110 in a low speed and low load state is prevented from increasing the exhaust pressure by the blow down turbine 120 or loss of thermal energy required by the exhaust gas aftertreatment device.
  • the flow rate of the exhaust gas bypassed by the bypass line 150 so that the mechanical turbo compound system can obtain the optimum efficiency in all operating ranges.
  • an actuator 160 is provided between the crankshaft 140 and the reduction gear 132a.
  • the actuator 160 may connect and disconnect the power supplied from the blow down turbine 120 to the crankshaft 140.
  • the actuator 160 can improve fuel efficiency by separating the coupling in a state such as low speed and low load, and engaging the coupling in a state such as high speed and high load according to the operating conditions of the engine.
  • the turbo compound system may further include a second control unit for controlling the actuator 160. That is, the operation of the actuator 160 is controlled according to the operating condition of the engine.
  • crankshaft 140 is connected to the reduction gear 132a through an actuator (160), the blow down turbine 120 is connected to the power transmission device (130a) through a second actuator (Actuator2)
  • the power transmission device 130a may be connected to the vehicle auxiliary device through the third actuator Actuator3.
  • the vehicle auxiliary apparatus can be operated through the crankshaft 140 and the blowdown turbine 120, respectively, and power transmission of the crankshaft 140 and the blowdown turbine 120 is respectively performed through the second control unit. Provide a controlled environment.
  • the first control unit to the second control unit may be provided separately or integrally provided in the ECU (Electronic Controller Unit) or EPOS (Electronic Power Controller System) mounted on various vehicles including heavy equipment, such a control unit Through this control the connection state of the actuator (Actuator, 160) and the bypass valve 151, respectively.
  • ECU Electronic Controller Unit
  • EPOS Electronic Power Controller System
  • connection status is largely divided into 'connected' and 'disconnected'.
  • the 'connection' may be divided into 'stages' of various stages, such as gear changes, so as to adjust the torque or speed transmitted to the vehicle auxiliary device in various stages, and control the degree of the connection.
  • crankshaft 140 and the power may be divided into the first control unit and the second control unit into a case in which the engine 110 is in a variable driving state and in other operation states (for example, a constant speed driving state). It is preferable to control the power transmitted from the delivery device (130a) to the vehicle auxiliary.
  • the blow down turbine 120 is dependent on the heat energy of the exhaust gas of the engine 110, and the heat energy of the exhaust gas changes according to the operating conditions of the vehicle (engine), and when the heat energy of the exhaust gas changes every time, the blow down turbine (
  • the power supplied to the power transmission device 130a in 120 is also variable.
  • the present invention controls the power transmitted from the crankshaft 140 to the vehicle auxiliary device in the power transmission device 130a according to the driving state, so that the operation of the turbo compound system can be made stable.
  • the present invention connects and disconnects the crankshaft 140 and the power transmission device 130a according to the operating conditions of the engine 110 through the first to second control units, the blowdown turbine ( By adjusting the flow rate by bypassing the exhaust gas entering 120, the turbo compound system is always operated stably.
  • the actuator 160 is disconnected so that only the crankshaft 140 is operated, and the bypass valve 151 is opened to exhaust gas discharged from the engine 110. Bypasses the bypass line 150.
  • the opening amount of the bypass valve 151 may be operated in the on / off state, depending on the situation may be able to bypass some amount.
  • the exhaust gas discharged from the engine 110 by closing the bypass valve 151 in the constant speed operation state or the high speed and high load operation state is not the low speed and low load operation state. It will not be bypassed to enter the blow down turbine 120.
  • the actuator 160 connected between the crankshaft 140 and the power transmission device 130a is connected so that the power of the power transmission device 130a is transmitted to the rank shaft 140.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a process in which the turbo compound system selects the operation of the bypass valve 151 and the actuator 160 according to the operating condition of the engine 110.
  • the driving state of the vehicle is monitored to determine whether the driving state is the constant speed driving state or the low speed, low load driving state (S110).
  • the monitoring of the operating state may be performed by the ECU or the EPOS and then providing the result.
  • the actuator 160 is released, and the bypass valve 151 is opened to bypass the exhaust gas to the bypass line 150 and discharge.
  • bypass valve 151 is closed to allow the exhaust gas to enter the blowdown turbine 120, and maintain the fastening of the actuator 160 to maintain the power transmission device. 130a causes power to be transmitted to the crankshaft 140.
  • the vehicle turbo compound system according to the present invention can be used in a vehicle turbo compound system that can recover the exhaust gas energy and provide it to various vehicle auxiliary devices.

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Abstract

본 발명은 엔진의 배출가스 에너지를 회수하는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것으로, 특히 배출가스 에너지를 회수하여 다양한 차량용 보조장치에 다양한 형태로 제공할 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 회수된 배출가스 에너지가 차량용 크랭크축을 거치지 않고 직접 차량용 보조장치에 전달되므로, 연비가 저하되거나 출력이 감소되는 것을 방지함은 물론, 설비 및 제어를 단순화시킬 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 터보 컴파운드 시스템
본 발명은 엔진의 배출가스 에너지를 회수하는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배출가스 에너지를 회수하여 다양한 차량용 보조장치에 다양한 형태로 제공할 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 회수된 배출가스 에너지가 직접 차량용 보조장치에 전달되므로, 연비가 저하되거나 출력이 감소되는 것을 방지함은 물론, 설비 및 제어를 단순화시킬 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다.
또한, 엔진의 운전 조건에 따라 배출가스의 에너지가 변화되는 것에 대응하여 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 가변적으로 제어함으로써 운용 안정성을 보장하는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 탄화수소 연료를 사용하는 엔진의 연비를 개선하기 위해 경량화, 터보차저(turbocharger), 연료분사시스템, 냉각시스템 및 다운사이징과 같이 엔진, 부가장치 및 마찰 등 동력 발생 단계에서의 기술 개선이 주를 이루고 있다.
그러나, 최근에는 동력 발생 이후의 단계에서 배출가스나 엔진 냉각수 등으로 버려지는 폐 에너지(Waste Energy)를 회수하여 전기 에너지 또는 기계 에너지로 재생시키는 기술에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
폐 에너지 회수 기술에 관심이 집중되는 주요한 이유는 높은 효율을 갖는 엔진에서조차 버려지는 에너지가 여전히 상당하며, 연비 개선을 위한 연소 및 엔진 주변장치에 대한 기술개발이 어느 정도 한계에 도달했다고 판단하기 때문이다.
즉, 효율이 향상된 엔진의 일 예로서 대형의 상용 트럭용 디젤 엔진의 에너지 균형을 살펴보면, 연료의 최대 에너지 전환 효율은 42% 수준에 불과하고, 나머지 31%는 기계적 마찰 및 냉각 손실로 버려지고 27%는 배기 에너지 형태로 버려지고 있어서 여전히 그 한계를 극복하지 못하고 있기 때문이다.
이에, 폐 에너지를 활용한 연비 향상 기술로서 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 것으로는 엔진 배출가스의 운동 에너지를 회수하는 터보 컴파운드(Turbo Compound) 기술과, 배출가스와 엔진 냉각수 등으로부터 열에너지를 회수하는 연전 발전(Thermo-Electric Generator) 기술 및 랭킨 스팀 사이클(Rankine Steam Cycle) 기술이 있다.
그 중 터보 컴파운드 기술만이 일부 중대형 트럭에 실제 적용되고 있는데, 터보 컴파운드 시스템은 엔진 배기계에 연료 공기의 흡기과급에 사용되는 터보차저 터빈(Turbocharger Turbine) 이외에 블로우 다운 터빈(Blow-down Turbine)을 더 장착함으로써 배출가스의 폐 에너지를 회수하며, 블로우 다운 터빈에서 회수한 에너지의 전달 방식에 따라 기계식과 전기식으로 구분된다.
기계식은 도 1과 같이 엔진(10)의 배출가스 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(11)으로 터보차저 콤프레서(12)를 작동시켜 엔진(10)에 연료용 압축 공기를 공급하고, 특히 블로우 다운 터빈(20)에서 생성된 동력은 변속기(31a)와 감속 기어(32a)로 이루어진 기계식 동력전달장치(30a)를 통해 크랭크축(40)에 전달함으로써 추가적인 연료 소모 없이 엔진(10)의 출력을 증가시킨다.
전기식은 도 2와 같이 터보차저 터빈(11)으로 터보차저 콤프레서(12)를 작동시켜 엔진(10)에 압축 공기를 공급하고, 특히 블로우 다운 터빈(20)에서 생성된 동력은 발전기(31b)와 모터(32b)로 이루어진 전기식 동력전달장치(30b)를 통해 크랭크축(40)에 전달하여, 배출가스 에너지를 전기에너지로 전환하여 활용한다.
한편, 종래에는 이상과 같이 엔진(10) 배출가스의 폐 에너지를 재생하여 크랭크축(40)의 출력을 증가시키고, 아울러 도 3과 같이 벨트(미도시) 등을 통해 차량용 에어컨디셔너(50)의 압축기와 크랭크축(40)을 직접 접촉 방식으로 연결하여 상기 압축기를 작동시킴으로써 냉매를 압축시켰다.
따라서, 크랭크축(40)의 동력 중 일부를 압축기에 사용하기 때문에 차량 운전 시 에어컨디셔너(50)를 가동하게 되면 동일한 출력을 유지하기 위해 추가적인 연료를 소모하게 되어 종전과 같이 연비가 악화됨은 물론 동일 연료 소모 시 출력이 감소하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 차량 개발시 배출가스 규제 및 연비 목표치를 달성하기 위해 엔진(10)을 포함한 차량의 튜닝을 수행하는데, 에어컨디셔너(50) 가동 시에 대비하여 추가적인 튜닝 및 제어 로직 구축을 해야 하므로 소요되는 비용이 상당하며, 튜닝 기술의 양산 적용에 있어서의 기술적 어려움으로 에어컨디셔너(50) 가동 시 배출가스가 규제 허용치를 초과하는 경우도 빈번히 발생하였다.
또한, 종래에는 도 4와 같이 냉각수 펌프(61), 연료 펌프(62) 및 연료 팬(혹은, 냉각 팬)(63)과 같이 엔진(10)의 구동을 보조하는 보조기계류(60) 역시 크랭크축(40)에 연결하여 작동시켰기 때문에, 이상에서 설명한 바와 마찬가지로 보조기계류(60)의 작동시에는 크랭크축(40)의 출력을 유지하기 위해 추가로 연료를 소모하게 되어 연비가 악화되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 엔진의 배출가스 에너지를 회수하여 다양한 차량용 보조장치에 다양한 형태로 제공할 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 회수된 배출가스 에너지가 차량용 크랭크축을 거치지 않고 직접 차량용 보조장치에 전달되므로, 연비가 저하되거나 출력이 감소되는 것을 방지함은 물론, 설비 및 제어를 단순화시킬 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 엔진의 운전 조건에 따라 배출가스의 에너지가 변화되는 것에 대응하여 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 가변적으로 제어함으로써 운용 안정성을 보장하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 블로우 다운 터빈 전후로 바이패스 라인을 구성하고 상류에 바이패스 밸브를 설치한 후 운전조건에 따라 바이패스 유량을 조절하여 터보 컴파운드 시스템이 넓은 운전영역에서 최적의 효율을 낼 수 있도록 한다.
또한, 감속기어와 크랭크축 사이에 액추에이터를 설치하여, 운전조건에 따라 크랭크축과 감속기어의 연결을 선택적으로 단락시켜 엔진의 효율을 증가시키도록 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템은 내연기관의 엔진과; 상기 엔진의 배출가스 배출측에 설치되며, 상기 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시켜 폐 에너지를 회수하는 블로우 다운 터빈(blow-down turbine)과; 상기 블로우 다운 터빈에 연결되어 작동되는 동력전달장치; 및 차량의 크랭크축을 거치지 않고 상기 동력전달장치로부터 직접 동력을 공급받아 작동되는 차량용 보조장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 차량용 보조장치는 에어컨디셔너이며, 상기 에어컨디셔너는 상기 동력전달장치에 의해 작동되어 냉매 싸이클을 형성시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 차량용 보조장치는 상기 엔진의 보조기계류(보기류)이며, 상기 보조기계류는 상기 동력전달장치에 의해 작동되어 상기 엔진의 구동을 보조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 동력전달장치는 상기 블로우 다운 터빈의 출력측에 설치된 변속기 및 상기 변속기의 출력측에 설치된 감속 기어를 포함한 기계식 동력전달장치인 것이 바람직하다.
또한, 상기 동력전달장치는 상기 블로우 다운 터빈의 출력측에 설치된 발전기 및 상기 발전의 출력측에 설치된 모터를 포함한 전기식 동력전달장치인 것이 바람직하다.
또한, 상기 엔진(110)에 의해 회전되는 크랭크축(140); 및 상기 엔진(110)의 운전 조건에 따라 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 상기 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 각각 제어하는 제어유닛; 을 더 포함하며, 상기 차량용 보조장치(150, 160)는 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에 각각 연결되어 있어서 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)로부터 동력을 전달받아 구동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 크랭크축(140)은 제1액츄에이터(Actuator1)를 통해 상기 차량용 보조장치(150)에 연결되고, 상기 블로우 다운 터빈(120)은 제2액츄에이터(Actuator2)를 통해 상기 동력전달장치(130a, 130b)에 연결되고, 상기 동력전달장치(130a, 130b)는 제3액츄에이터(Actuator3)를 통해 상기 차량용 보조장치(150)에 연결되며, 상기 제어유닛은 상기 제1액츄에이터(Actuator1) 내지 제3액츄에이터(Actuator3)의 연결상태를 각각 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가는 배출가스를 우회시키기 위한 바이패스 라인(150); 및 상기 바이패스 라인(150)의 상류에 마련되어 배출가스의 흐름을 제어하는 바이패스 밸브(151)를 더 포함한다.
또한, 상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 바이패스 밸브(151)를 제어하는 제1제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 크랭크축(140)과 감속기어(132a)를 결합 및 결합해제 하기 위한 액추에이터(160)가 상기 크랭크축(140)과 감속기어(132a) 사이에 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 액추에이터(160)를 제어하는 제2 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1제어유닛은 상기 엔진(110)이 저속, 저부하 운전상태인 경우와, 고속, 고부하 운전상태인 경우로 구분하여 상기 바이패스 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 제어유닛은 상기 엔진(110)이 저속, 저부하 운전상태인 경우와, 고속, 고부하 운전상태인 경우로 구분하여 상기 액추에이터(160)을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템에 의하면, 엔진의 배출가스 에너지를 회수하여 차량용 에어컨디셔너나 엔진의 구동을 보조하는 보조기계류를 비롯하여 다양한 차량용 보조장치에 다양한 형태로 제공할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 회수된 배출가스 에너지가 차량용 크랭크축을 거치지 않고 직접 차량용 보조장치에 전달되므로, 연비가 저하되거나 출력이 감소되는 것을 방지함은 물론, 설비 및 제어를 단순화시킬 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템에 의하면, 엔진의 운전 조건에 따라 크랭크축과 동력전달장치에서 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 각각 가변적으로 제어함으로써 시스템의 운용 안정성을 향상시킬 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템에 의하면, 엔진의 운전조건에 따라 블로우 다운 터빈으로 들어가는 배출가스의 유량을 우회시키켜 배기압이 증가되는 문제를 해결하고, 열에너지의 손실을 막을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템에 의하면, 엔진의 운전조건에 따라 크랭크축과 감속기어 사이의 연결을 제어하여 엔진의 연비악화 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 기계식 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전기식 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 터보 컴파운드 시스템의 회수 에너지 사용예를 나타낸 일 예이다.
도 4는 종래 기술에 따른 터보 컴파운드 시스템의 회수 에너지 사용예를 나타낸 다른 예이다.
도 5는 본 발명에 따른 기계식 차량용 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 일 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기식 차량용 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 일 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 기계식 차량용 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 다른 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기식 차량용 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 다른 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 가변 제어식 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 일 실시예이다.
도 10은 본 발명에 따른 가변 제어식 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 다른 실시예이다.
도 11은 본 발명에 따른 가변 제어식 터보 컴파운드 시스템의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 기계식 터보 컴파운드 시스템을 나타낸 또 다른 실시예이다.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 기계식 터보 컴파운드 시스템의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
*도면 부호*
110: 엔진 111: 터보차저 터빈
112: 터보차저 콤프레서 120: 블로우 다운 터빈
130a: 기계식 동력전달장치 131a: 변속기
132a: 감속 기어 130b: 전기식 동력전달장치
131b: 발전기 132b: 모터
140: 크랭크축 150, 160: 차량용 보조장치
150: 에어컨디셔너 160: 보조기계류
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템에 대해 상세히 설명한다.
단, 이하에서 설명되는 블로우 다운 터빈은 파워 터빈이라고도 불리기도 하지만 그 명칭의 차이에도 불구하고 이들이 서로 동일한 구성임은 자명할 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템은 내연기관의 엔진(110)과, 상기 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치되며, 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시켜 폐 에너지를 회수하는 블로우 다운 터빈(blow-down turbine)(120)과, 상기 블로우 다운 터빈(120)에 연결되어 작동되는 동력전달장치(130a) 및 상기 동력전달장치(130a)로부터 직접 동력을 공급받아 작동되는 차량용 보조장치(150)를 포함한다.
또한, 필요에 따라서는 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치되며 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(Turbocharger Turbine)(111) 및 상기 터보차저 터빈(111)에 의해 작동되며 연료용 공기를 압축하여 엔진(110)으로 과급시키는 터보차저 콤프레서(112)를 더 포함하여, 종전처럼 폐 에너지를 이용하여 연료용 공기를 공급할 수 있게 한다.
이때, 차량용 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 일 예로 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기(131a) 및 상기 변속기(131a)의 출력측에 설치되어 차량용 보조장치(150)로 동력을 전달하는 감속 기어(132a)를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)가 사용된다.
변속기(131a)는 유체를 사용하는 방법과 직접 접촉식의 두 가지가 있고 이들 중 어느 것이나 사용될 수 있지만, 유체 커플링(Fluid Coupling) 등을 통한 유체식을 사용하면 직접 접촉식에 비해 동력 전달 효율이 다소 낮기는 하지만 매칭 개발 및 제어 등이 용이하여 시스템 구현성이 높다.
또한, 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 재활용하는데 사용되는 차량용 보조장치(150)는 동력부하가 크고 차량의 핵심 제어 대상인 크랭크축(140)을 제외하고 폐 에너지를 회수하여 재활용할 수 있기만 하면 다양한 차량의 부품이 될 수 있다. 특히, 차량용 보조장치(150)는 주행 중 가동 시 연료 소모에 큰 영향을 주는 에어컨디셔너(150)인 것이 바람직하다.
또한, 에어컨디셔너(150)는 기계식 동력전달장치(130a)에 의해 작동되어 냉매 싸이클을 형성하는 것으로 일반적으로 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등으로 이루어져 있으므로, 일 예로 압축기를 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시키는 경우에는 압축용 모터를 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시켜 냉매를 압축시킬 수 있게 한다. 물론, 압축기 이외에 응축기, 팽창밸브 및 증발기도 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시킬 수 있음은 자명하다.
따라서, 본 발명은 배출가스의 페 에너지를 기계적 일로 변환시키는 블로우 다운 터빈(120)으로 에어컨디셔너(150)의 압축기를 작동시킬 수 있기 때문에 폐 에너지를 차량용 보조장치(150)에 활용할 수 있고, 추가적인 연료 소모 없이 폐 에너지를 이용하여 압축기를 작동시키기 때문에 연비가 악화되는 것을 방지한다.
또한, 종래에는 페 에너지를 먼저 크랭크축(140)에 전달하고, 그 후 크랭크축(140)에 의해 압축기를 작동시켰음에 비해, 본 발명은 크랭크축(140)을 거치지 않고 블로우 다운 터빈(120)의 기계적 일을 직접 압축기로 전달하기 때문에 에어컨디셔너(150)의 작동시 크랭크축(140)의 출력이 감소하는 것을 방지한다.
또한, 블로우 다운 터빈(120)으로 압축기를 독립적으로 가동시킴에 따라, 차량 개발시 배출가스 규제 및 연비 목표치를 달성하기 위해 튜닝을 수행시, 에어컨디셔너(150)의 가동 시에 대비한 추가적인 튜닝 및 관련 제어 로직이 월등히 단순화되거나 불필요하게 되므로, 개발 비용 및 기간이 절약되고, 에어컨디셔너(150) 작동 시 나타날 수 있는 배출가스 허용치 초과 문제도 방지한다.
한편, 이상에서는 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 재활용하는데 사용되는 차량용 보조장치(150)로서 에어컨디셔너(150)(특히, 압축기)를 예로 들고, 동력전달장치(130a)로는 변속기(131a) 및 감속 기어(132a)로 이루어진 기계식 동력전달장치(130a)를 예로 들었다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 블로우 다운 터빈(120)에서 발생된 기계적 일을 에어컨디셔너(150)로 전달하는 동력전달장치로는 전기식 동력전달장치(130b)도 사용될 수 있는데, 전기식 동력전달장치(130b)는 폐 에너지를 전기 에너지로 변환한 후 에어컨디셔너(150)를 작동시킬 수 있게 한다.
이를 위해, 전기식 동력전달장치(130b)는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기(131b) 및 상기 발전기(131b)의 출력측에 설치되어 발전 전력에 의해 작동되는 모터(132b)를 포함하며, 발전 전력에 의해 작동된 모터(132b)의 동력이 에어컨디셔너(150)로 전달되어 압축기 등을 작동시킨다.
따라서, 본 발명은 이상에서 설명한 기계식과 마찬가지로 추가적인 연료 소모 없이 폐 에너지를 이용하여 차량용 보조장치(150)에 활용할 수 있고, 에어컨디셔너(150)의 작동시 크랭크축(140) 출력이 감소하는 것을 방지하며, 추가적인 튜닝 및 관련된 제어 로직을 월등히 단순화시킨다.
또한, 그에 더해 발전기(131b)의 발전 전력으로 차량의 배터리(미도시)를 충전시켜 시동용 등으로 사용하거나, 발전 전력을 차량용 조명장치나 디스플레이장치와 같은 다양한 전기장치(미도시)에 직접 공급함으로써 좀더 다양한 형태로 활용할 수 있게 하며, 기계식에 비해 시스템 비용이 고가이기는 하지만 더 넓은 운전범위에서 높은 효율을 유지할 수 있게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템에 대해 설명한다.
본 발명의 다른 실시예는 회수된 폐 에너지가 재활용되는 차량용 보조장치가 엔진의 구동을 보조하는 보조기계류라는 점을 제외하고는 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예와 동일하다. 그러므로, 이하에서는 가급적 중복적인 설명을 생략한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템은 내연기관의 엔진(110)과, 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시켜 폐 에너지를 회수하는 블로우 다운 터빈(120)과, 상기 블로우 다운 터빈(120)에 연결되어 작동되는 동력전달장치(130a) 및 상기 동력전달장치(130a)로부터 직접 동력을 공급받아 작동되는 차량용 보조장치(160)를 포함한다.
물론, 필요에 따라서는 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(111) 및 상기 터보차저 터빈(111)에 의해 작동되며 연료용 공기를 압축하여 엔진(110)으로 과급시키는 터보차저 콤프레서(112)를 더 포함할 수도 있다.
이때, 차량용 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 일 예로 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기(131a) 및 상기 변속기(131a)의 출력측에 설치되어 차량용 보조장치(150)로 동력을 전달하는 감속 기어(132a)를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)가 사용된다.
또한, 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 재활용하는데 사용되는 차량용 보조장치(160)는 냉각수 펌프(161), 연료 펌프(162) 및 연료 팬(163) 등과 같이 엔진(110)의 구동을 보조하는 보조기계류(160)(간략히, '보기류'라고도 함)이다.
따라서, 본 발명은 블로우 다운 터빈(120)으로 보조기계류(160)를 각각 작동시킬 수 있기 때문에 폐 에너지를 차량용 보조장치(160)에 활용할 수 있고, 추가적인 연료 소모 없이 폐 에너지를 이용하여 보조기계류(160)를 작동시키기 때문에 연비가 악화되는 것을 방지한다.
또한, 본 발명은 크랭크축(140)을 거치지 않고 블로우 다운 터빈(120)의 기계적 일을 직접 보조기계류(160)로 전달하기 때문에 보조기계류(160)의 작동시 크랭크축(140)의 출력이 감소하는 것을 방지한다.
또한, 블로우 다운 터빈(120)의 기계적 일로 보조기계류(160)를 독립적으로 가동시킴에 따라, 차량의 개발단계에서 튜닝을 수행시 보조기계류(160)의 가동에 대비한 추가적인 튜닝 및 관련된 제어 로직이 월등히 단순화되거나 불필요하게 한다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 블로우 다운 터빈(120)에서 발생된 기계적 일을 보조기계류(160)로 전달하는 동력전달장치로서 전기식 동력전달장치(130b)도 사용될 수 있는데, 전기식 동력전달장치(130b)는 폐 에너지를 전기 에너지로 변환한 후 보조기계류(160)를 작동시킨다.
이를 위해, 전기식 동력전달장치(130b)는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기(131b) 및 상기 발전의 출력측에 설치되어 발전 전력에 의해 작동되는 모터(132b)를 포함하며, 발전전력에 의해 작동된 모터(132b)의 동력으로 보조기계류(160)를 작동시킨다.
따라서, 본 발명은 이상에서 설명한 기계식 동력전달장치(130a)의 장점 이외에, 발전기(131b)의 발전전력으로 배터리를 충전시킬 수 있도록 하거나, 발전 전력을 차량용 조명장치나 디스플레이장치와 같은 다양한 전기장치에 직접 공급함으로써 그 활용도를 더욱 높일 수 있게 한다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템은 내연기관의 엔진(110)과, 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치된 블로우 다운 터빈(120)과, 블로우 다운 터빈(120)에 연결된 동력전달장치(130a, 130b)와, 엔진(110)에 의해 회전되는 크랭크축(140)과, 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)로부터 동력을 전달받아 구동되는 차량용 보조장치(150) 및 엔진(110)의 운전 조건에 따라 차량용 보조장치(150)에 전달되는 동력을 각각 제어하는 제어유닛(미도시)을 포함한다.
물론, 필요에 따라서는 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치되며 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(Turbocharger Turbine)(111) 및 상기 터보차저 터빈(111)에 의해 작동되며 연료용 공기를 압축하여 엔진(110)으로 과급시키는 터보차저 콤프레서(112)를 더 포함하여, 종전처럼 폐 에너지를 이용하여 연료용 공기를 공급할 수 있게 한다.
이상과 같은 구성에 의하면, 블로우 다운 터빈(120)에서 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 기계적 일로 변환(즉, 동력발생)시키고, 블로우 다운 터빈(120)에서 발생된 동력은 동력전달장치(130a, 130b)를 통해 차량용 보조장치(150)로 전달되므로, 크랭크축(140)과 함께 차량용 보조장치(150)를 작동시키는 구성으로 사용할 수 있게 한다.
따라서, 엔진(110)의 배출가스 에너지를 블로우 다운 터빈(120)에서 회수하여 차량용 보조장치(150)에 제공하므로, 차량용 보조장치(150)를 작동시키기 위해 추가적으로 연료를 소모할 필요가 없고, 그에 따라 연비가 저하되거나 출력이 감소되는 것을 방지할 수 있게 한다.
특히, 차량용 보조장치(150)가 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에 각각 연결되어 있어서 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)로부터 동력을 전달받아 구동되고, 이때 제어유닛은 엔진(110)의 운전 조건에 따라 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 차량용 보조장치(150)에 전달되는 동력을 각각 제어하므로 터보 컴파운드 시스템을 안정적으로 운용할 수 있게 한다.
한편, 도 9에 일 예로 도시한 바와 같이, 차량용 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기(131a) 및 상기 변속기(131a)의 출력측에 설치되어 차량용 보조장치(150)로 동력을 전달하는 감속 기어(132a)를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)가 사용될 수 있다.
변속기(131a)는 유체를 사용하는 방법과 직접 접촉식의 두 가지가 있고 이들 중 어느 것이나 사용될 수 있지만, 유체 커플링(Fluid Coupling) 등을 통한 유체식을 사용하면 직접 접촉식에 비해 동력 전달 효율이 다소 낮기는 하지만 매칭 개발 및 제어 등이 용이하여 시스템 구현성이 높다.
또한, 도 10에 일 예로 도시한 바와 같이, 차량용 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 폐 에너지를 전기 에너지로 변환한 후 차량용 보조장치(150)를 작동시키는 전기식 동력전달장치(130b)도 사용될 수 있다.
전기식 동력전달장치(130b)는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기(131b) 및 상기 발전기(131b)의 출력측에 설치되어 발전 전력에 의해 작동되며 차량용 보조장치(150)에 연결된 모터(132b)를 포함한다.
이러한 전기식 동력전달장치(130b)는 발전기(131b)의 발전 전력으로 차량의 배터리를 충전시켜 시동용 등으로 사용하거나, 발전 전력을 차량용 조명장치나 디스플레이장치와 같은 다양한 전기장치에 직접 공급함으로써 좀더 다양한 형태로 활용할 수 있게 한다. 또한, 기계식에 비해 시스템 비용이 고가이기는 하지만 더 넓은 운전범위에서 높은 효율을 유지할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에서 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 재활용하는데 사용되는 차량용 보조장치(150)는 동력부하가 크고 차량의 핵심 제어 대상인 크랭크축(140)을 제외하고 폐 에너지를 회수하여 재활용할 수 있기만 하면 다양한 차량의 부품이 될 수 있다.
일 예로, 차량용 보조장치(150)는 주행 중 가동 시 연료 소모에 큰 영향을 주는 에어컨디셔너(151)이고, 에어컨디셔너(151)는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등으로 이루어져 있으므로, 압축기를 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시키는 경우에는 블로우 다운 터빈(120)으로 압축용 모터를 작동시켜 냉매를 압축한다.
물론, 압축기 이외에 응축기, 팽창밸브 및 증발기도 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시킬 수 있음은 자명하다.
다른 예로, 차량용 보조장치(150)는 냉각수 펌프(152), 연료 펌프(153) 및 연료 팬(154) 등과 같이 엔진(110)의 구동을 보조하는 보조기계류(간략히, '보기류'라고도 함)도 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서 크랭크축(140)은 제1액츄에이터(Actuator1)를 통해 차량용 보조장치(150)에 연결되고, 블로우 다운 터빈(120)은 제2액츄에이터(Actuator2)를 통해 동력전달장치(130a, 130b)에 연결되며, 동력전달장치(130a, 130b)는 제3액츄에이터(Actuator3)를 통해 차량용 보조장치(150)에 연결되어 있다.
따라서, 크랭크축(140)과 블로우 다운 터빈(120)을 통해 각각 차량용 보조장치(150)를 작동시킬 수 있게 하고, 제어유닛을 통해 크랭크축(140)과 블로우 다운 터빈(120)의 동력전달을 각각 제어할 수 있는 환경을 제공한다.
제어유닛은 중장비를 비롯한 각종 차량에 탑재되어 있는 ECU(Electronic Controller Unit)나 EPOS(Electronic Power Controller System)에 일체로 구비되거나 모듈화하여 별도로 구비될 수 있으며, 이러한 제어유닛을 통해 제1액츄에이터(Actuator1) 내지 제3액츄에이터(Actuator3)의 연결상태를 각각 제어한다.
연결상태로는 크게 '연결'과 '연결 해제'로 구분된다. 물론, 필요에 따라서 상기 '연결'은 차량용 보조장치(150)로 전달되는 토크나 속도를 여러 단계로 조절할 수 있도록 마치 기어 변경처럼 여러 단계의 '연결'로 구분하고, 그 연결 정도를 각각 제어할 수도 있다.
또한, 제어유닛은 엔진(110)이 가변(transient) 운전상태인 경우와 그 외의 운전상태(예: 정속 운전상태)인 경우로 구분하여 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 차량용 보조장치(150)에 전달되는 동력을 각각 제어하는 것이 바람직하다.
블로우 다운 터빈(120)은 엔진(110)의 배출가스가 가진 열에너지에 의존적이고 이때 배출가스의 열에너지는 차량(엔진)의 운전 조건에 따라 변하는데, 가변 운전 조건 하에서 배출가스의 열에너지가 시시각각 변화하면 블로우 다운 터빈(120)에서 차량용 보조장치(150)에 공급하는 동력도 가변된다.
따라서, 본 발명은 차량이 가변 운전상태인 경우와 그 외 운전상태인 경우로 구분하고, 운전상태에 별로 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 차량용 보조장치(150)에 전달되는 동력을 각각 제어하여 터보 컴파운드 시스템의 운영이 안정적으로 이루어질 수 있게 한다.
즉, 본 발명은 제어유닛을 통해 엔진(110)의 운전 조건에 따라 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b) 모두를 통해 차량용 보조장치(150)를 작동시키거나, 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b) 중 어느 하나를 통해 차량용 보조장치(150)를 작동시킴으로써, 터보 컴파운드 시스템의 운영이 항상 안정적으로 이루어지도록 한다.
예컨대, 가변 운전상태인 경우에는 크랭크축(140)을 통해서만 차량용 보조장치(150)를 작동시키도록 제1액츄에이터(Actuator1)는 차량용 보조장치(150)와 연결시키고, 제2액츄에이터(Actuator2) 및 제3액츄에이터(Actuator3)는 차량용 보조장치(150)와의 연결을 해제시킨다.
그 외, 정속 운전상태인 경우에는 블로우 다운 터빈(120)을 통해서만 차량용 보조장치(150)를 작동시키도록 제1액츄에이터(Actuator1)는 차량용 보조장치(150)와의 연결을 해제시키고, 제2액츄에이터(Actuator2) 및 제3액츄에이터(Actuator3)는 차량용 보조장치(150)와 연결시킨다.
또한, 동력전달장치(130a, 130b)와 차량용 보조장치(150)의 연결상태를 제어함에 있어서, 이상과 같이 제2액츄에이터(Actuator2)와 제3액츄에이터(Actuator3)를 모두 연결시키거나 해제시킬 수 있지만, 그 외 제2액츄에이터(Actuator2)는 연결시키고 제3액츄에이터(Actuator3)는 해제시키도록 제어할 수도 있다.
제어유닛에 의해 제2액츄에이터(Actuator2)는 연결되고 제3액츄에이터(Actuator3)는 연결이 해제되면, 특히 전기식 동력전달장치(130b)를 사용하는 경우 제2액츄에이터(Actuator2)에 의해 블로우 다운 터빈(120)과 발전기(131a)가 연결되어 발전 상태를 유지하므로, 발전기(131a)의 발전전력으로 차량용 배터리를 충전시키거나 각종 전기장치에 전원을 공급할 수 있어서 폐 에너지 회수율을 높일 수 있게 한다.
이하, 도 11를 참조하여 본 발명에 따른 가변 제어식 터보 컴파운드 시스템의 동작 방법에 대해 설명한다.
먼저, 운전이 시작되면 제어유닛은 차량(엔진)의 운전상태를 감시하여 정속운전 상태인지의 여부를 판단(S110)한다. 운전상태의 감시는 상기 제어유닛에서 직접 수행하는 방식 이외에 ECU나 EPOS를 통해 수행된 후 그 결과를 제어유닛에 제공하는 방식도 사용될 수 있다.
운전상태 감시결과 정속 운전상태인 경우에는 제어유닛의 제어하에 제2액츄에이터(Actuator2) 및 제3액츄에이터(Actuator3)와 차량용 부속장치는 연결(S121, S122)시키고, 제1액츄에이터(Actuator1)와 차량용 부속장치의 연결은 해제(S123)시킨다.
따라서, 블로우 다운 터빈(120)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시킴으로써 추가적인 연료 소모 없이도 차량용 부속장치를 작동시킬 수 있게 한다.
반면, 운전상태 감시결과 정속 운전상태가 아닌 경우에는 가변 운전상태인 것으로 판단하고, 제어유닛의 제어하에 제1액츄에이터(Actuator1)와 차량용 부속장치는 연결(S131)시키고, 제2액츄에이터(Actuator2) 및 제3액츄에이터(Actuator3)와 차량용 부속장치의 연결은 해제(S132, S133)시킨다.
따라서, 크랭크축(140)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시킴으로써 배출가스 에너지의 변동으로 터보 컴파운드 시스템의 운영이 불안정해지는 것을 방지한다.
물론, 블로우 다운 터빈(120)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시키거나, 크랭크축(140)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시키는 경우 이외에, 도시는 생략되었지만 더욱 다양하게 바뀔 수 있는 운전상태에 따라 블로우 다운 터빈(120)과 크랭크축(140) 모두를 통해 동시에 차량용 부속장치를 작동시키고, 이때 각각의 연결 정도를 단계별로 미세 조절하는 등의 제어도 가능함은 자명하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템은 내연기관의 엔진(110)과, 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치된 블로우 다운 터빈(120)과, 블로우 다운 터빈(120)에 연결된 동력전달장치(130a)와, 엔진(110)에 의해 회전되는 크랭크축(140), 상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가는 배출가스를 우회시키기 위한 바이패스 라인(150) 및 상기 바이패스 라인(150)의 상류에 마련되어 배출가스의 흐름을 제어하는 바이패스 밸브(151)를 포함한다.
필요에 따라서는 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치되며 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시키는 터보차저 터빈(Turbocharger Turbine)(111) 및 상기 터보차저 터빈(111)에 의해 작동되며 연료용 공기를 압축하여 엔진(110)으로 과급시키는 터보차저 콤프레서(112)를 더 포함하여, 종전처럼 폐 에너지를 이용하여 연료용 공기를 공급할 수 있게 한다.
이상과 같은 구성에 의하면, 블로우 다운 터빈(120)에서 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 기계적 일로 변환(즉, 동력발생)시키고, 블로우 다운 터빈(120)에서 발생된 동력은 동력전달장치(130a)를 크랭크축(140)에 전달된다.
한편, 도 12에 일 예로 도시한 바와 같이, 차량용 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기(131a) 및 상기 변속기(131a)의 출력측에 설치되어 크랭크축(140)으로 동력을 전달하는 감속 기어(132a)를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)가 사용될 수 있다.
변속기(131a)는 유체를 사용하는 방법과 직접 접촉식의 두 가지가 있고 이들 중 어느 것이나 사용될 수 있지만, 유체 커플링(Fluid Coupling) 등을 통한 유체식을 사용하면 직접 접촉식에 비해 동력 전달 효율이 다소 낮기는 하지만 매칭 개발 및 제어 등이 용이하여 시스템 구현성이 높다.
또한, 터보 컴파운드 시스템의 동력전달장치(130a)는 폐 에너지를 전기 에너지로 변환한 후 차량용 보조장치 등을 작동시키는 전기식 동력전달장치도 사용될 수 있다.
전기식 동력전달장치는 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기 및 상기 발전기의 출력측에 설치되어 발전 전력에 의해 작동되며 차량용 보조장치에 연결된 모터를 포함한다.
이러한 전기식 동력전달장치는 발전기의 발전 전력으로 차량의 배터리를 충전시켜 시동용 등으로 사용하거나, 발전 전력을 차량용 조명장치나 디스플레이장치와 같은 다양한 전기장치에 직접 공급함으로써 좀더 다양한 형태로 활용할 수 있게 한다. 또한, 기계식에 비해 시스템 비용이 고가이기는 하지만 더 넓은 운전범위에서 높은 효율을 유지할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에서 배출가스의 폐 에너지를 회수하여 재활용하는데 사용되는 차량용 보조장치는 동력부하가 크고 차량의 핵심 제어 대상인 크랭크축(140)을 제외하고 폐 에너지를 회수하여 재활용할 수 있기만 하면 다양한 차량의 부품이 될 수 있다.
일 예로, 차량용 보조장치는 주행 중 가동 시 연료 소모에 큰 영향을 주는 에어컨디셔너이고, 에어컨디셔너는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등으로 이루어져 있으므로, 압축기를 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시키는 경우에는 블로우 다운 터빈(120)으로 압축용 모터를 작동시켜 냉매를 압축한다.
물론, 압축기 이외에 응축기, 팽창밸브 및 증발기도 블로우 다운 터빈(120)으로 작동시킬 수 있음은 자명하다.
다른 예로, 차량용 보조장치는 냉각수 펌프, 연료 펌프 및 연료 팬 등과 같이 엔진(110)의 구동을 보조하는 보조기계류(간략히, '보기류'라고도 함)도 사용될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템은 블로우 다운 터빈으로 들어가는 배출가스를 우회시키기 위한 바이패스 라인(150)이 상기 블로우 다운 터빈의 전후에 연결된다.
또한, 상기 바이패스 라인(150)의 상류에는 배출가스의 흐름을 제어하기 위한 바이패스 밸브(151)이 마련되는데, 상기 바이패스 밸브(151)는 기계식 내지 전자식 비례밸브 등과 같이 다양한 밸브가 이용 될 수 있다.
상기 터보 컴파운드 시스템은 상기 바이패스 밸브(151)를 제어하기 위한 제1제어유닛을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 엔진의 운전조건에 따라 상기 바이패스 밸브(151)의 개폐를 제어한다.
따라서, 저속, 저부하 상태의 엔진(110)에서 배출되는 배출가스가 상기 블로우 다운 터빈(120)에 의해 배기압이 증가되거나 배출가스 후처리장치가 필요로 하는 열에너지의 손실이 발생하는 문제점을 방지하기 위해 상기 바이패스 라인(150)에 의해 우회되는 배출가스의 유량을 조절하여 기계식 터보 컴파운드 시스템이 모든 운전영역에서 최적의 효율을 얻을 수 있도록 한다.
도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템은 크랭크축(140)과 감속기어(132a) 사이에 액추에이터(160)가 마련된다. 상기 액추에이터(160)는 상기 블로우 다운 터빈(120)으로부터 공급받은 동력을 상기 크랭크축(140)과 연결 및 연결 해제 가능하도록 한다.
따라서, 상기 액추에이터(160)는 상기 엔진의 운전조건에 따라 저속, 저부하와 같은 상태에서는 결합을 분리하고, 고속, 고부하와 같은 상태에서는 결합을 체결함으로써 연비를 개선시킬 수 있는 것이다.
상기 터보 컴파운드 시스템은 상기 액추에이터(160)를 제어하기 위한 제2제어유닛을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 엔진의 운전조건에 따라 상기 액추에이터(160)의 동작을 제어한다.
본 발명에서 크랭크축(140)은 액츄에이터(Actuator, 160)를 통해 감속기어(132a)에 연결되는데, 블로우 다운 터빈(120)은 제2액츄에이터(Actuator2)를 통해 동력전달장치(130a)에 연결되며, 동력전달장치(130a)는 제3액츄에이터(Actuator3)를 통해 차량용 보조장치에 연결될 수 있다.
따라서, 크랭크축(140)과 블로우 다운 터빈(120)을 통해 각각 차량용 보조장치를 작동시킬 수 있게 하고, 제2제어유닛을 통해 크랭크축(140)과 블로우 다운 터빈(120)의 동력전달을 각각 제어할 수 있는 환경을 제공한다.
상기 제1제어유닛 내지 제2제어유닛은 중장비를 비롯한 각종 차량에 탑재되어 있는 ECU(Electronic Controller Unit)나 EPOS(Electronic Power Controller System)에 일체로 구비되거나 모듈화하여 별도로 구비될 수 있으며, 이러한 제어유닛을 통해 액츄에이터(Actuator, 160)의 연결상태 및 바이패스 밸브(151)를 각각 제어한다.
연결상태로는 크게 '연결'과 '연결 해제'로 구분된다. 물론, 필요에 따라서 상기 '연결'은 차량용 보조장치로 전달되는 토크나 속도를 여러 단계로 조절할 수 있도록 마치 기어 변경처럼 여러 단계의 '연결'로 구분하고, 그 연결 정도를 각각 제어할 수도 있다.
또한, 상기 제1제어유닛 내지 제2제어유닛은 엔진(110)이 가변(transient) 운전상태인 경우와 그 외의 운전상태(예: 정속 운전상태)인 경우로 구분하여 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a)에서 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 각각 제어하는 것이 바람직하다.
블로우 다운 터빈(120)은 엔진(110)의 배출가스가 가진 열에너지에 의존적이고 이때 배출가스의 열에너지는 차량(엔진)의 운전 조건에 따라 변하는데, 배출가스의 열에너지가 시시각각 변화하면 블로우 다운 터빈(120)에서 동력전달장치((130a)에 공급하는 동력도 가변된다.
따라서, 본 발명은 운전상태에 따라 동력전달장치(130a)에서 크랭크축(140) 내지 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 각각 제어하여 터보 컴파운드 시스템의 운영이 안정적으로 이루어질 수 있게 한다.
즉, 본 발명은 제1제어유닛 내지 제2제어유닛을 통해 엔진(110)의 운전 조건에 따라 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a)를 연결 및 연결해제하고, 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가는 배출가스를 우회시켜 유량을 조절함으로써, 터보 컴파운드 시스템의 운영이 항상 안정적으로 이루어지도록 한다.
예컨대, 저속, 저부하 운전상태인 경우에는 크랭크축(140)만 작동되도록 상기 액츄에이터(160)의 연결을 해제하고, 상기 바이패스 밸브(151)를 개방하여 상기 엔진(110)에서 배출된 배출가스를 상기 바이패스 라인(150)으로 우회시킨다.
이때, 상기 바이패스 밸브(151)의 개도량은 on/off의 상태로 작동할 수도 있으며, 상황에 따라서는 일부량을 우회시킬수도 있을 것이다.
그 외, 저속, 저부하 운전상태가 아닌 정속 운전상태이거나 고속, 고부하의 운전상태에서는 상기 바이패스 밸브(151)를 폐쇄하여 상기 엔진(110)에서 배출되는 배출가스가 상기 바이패스 라인(150)으로 우회되지 않고, 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가도록 한다.
이때, 상기 크랭크축(140)과 상기 동력전달장치(130a) 사이에 연결된 상기 액추에이터(160)를 연결하여 상기 동력전달장치(130a)의 동력이 상기 랭크축(140)에 전달되도록 한다.
이하, 도 13은 본 발명에 따른 터보 컴파운드 시스템이 상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 바이패스 밸브(151) 내지 상기 액추에이터(160)의 동작을 선택하는 과정을 설명하는 순서도이다.
먼저, 운전이 시작되면 차량(엔진)의 운전상태를 감시하여 정속운전 상태인지 저속, 저부하의 운전상태인지 여부를 판단(S110)한다. 운전상태의 감시는 직접 수행하는 방식 이외에 ECU나 EPOS를 통해 수행된 후 그 결과를 제공하는 방식도 사용될 수 있다.
운전상태 감시결과 저속/저부하의 운전조건에서는 상기 액추에이터(160)의 결합을 해제하고, 상기 바이패스 밸브(151)를 개방하여 상기 바이패스 라인(150)으로 배출가스를 우회시켜 배출한다.
또한, 정속운전이나 고속/고부하 운전조건에서는 상기 바이패스 밸브(151)를 폐쇄하여, 배출가스가 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가게 하며, 상기 액추에이터(160)의 체결을 유지하여 상기 동력전달장치(130a)이 동력이 상기 크랭크축(140)에 전달되도록 한다.
또한, 블로우 다운 터빈(120)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시키거나, 크랭크축(140)을 통해서만 차량용 부속장치를 작동시키는 경우 이외에, 도시는 생략되었지만 더욱 다양하게 바뀔 수 있는 운전상태에 따라 블로우 다운 터빈(120)과 크랭크축(140) 모두를 통해 동시에 차량용 부속장치를 작동시키고, 이때 각각의 연결 정도를 단계별로 미세 조절하는 등의 제어도 가능함은 자명하다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에 따른 차량용 터보 컴파운드 시스템은 배출가스 에너지를 회수하여 다양한 차량용 보조장치에 제공할 수 있는 차량용 터보 컴파운드 시스템에 이용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 내연기관의 엔진(110)과;
    상기 엔진(110)의 배출가스 배출측에 설치되며, 상기 배출가스의 에너지를 기계적 일로 변환시켜 폐 에너지를 회수하는 블로우 다운 터빈(blow-down turbine)(120)과;
    상기 블로우 다운 터빈(120)에 연결되어 작동되는 동력전달장치(130a, 130b); 및
    상기 동력전달장치(130a, 130b)로부터 직접 동력을 공급받아 작동되는 차량용 보조장치(150, 160); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 블로우 다운 터빈(120)으로 들어가는 배출가스를 우회시키기 위한 바이패스 라인(150); 및
    상기 바이패스 라인(150)의 상류에 마련되어 배출가스의 흐름을 제어하는 바이패스 밸브(151)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 보조장치(150)는 에어컨디셔너(150)이며, 상기 에어컨디셔너(150)는 상기 동력전달장치(130a, 130b)에 의해 작동되어 냉매 싸이클을 형성시키는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 보조장치(160)는 상기 엔진(110)의 보조기계류(160)이며, 상기 보조기계류(160)는 상기 동력전달장치(130a, 130b)에 의해 작동되어 상기 엔진(110)의 구동을 보조하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달장치(130a)는 상기 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기(131a) 및 상기 변속기(131a)의 출력측에 설치된 감속 기어(132a)를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)인 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달장치(130b)는 상기 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기(131b) 및 상기 발전의 출력측에 설치된 모터(132b)를 포함한 전기식 동력전달장치(130b)인 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 동력전달장치(130a)는 상기 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기 및 상기 변속기의 출력측에 설치된 감속 기어를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)인 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 바이패스 밸브(151)를 제어하는 제1제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 크랭크축(140)과 감속기어(132a)를 결합 및 결합해제 하기 위한 액추에이터(160)가 상기 크랭크축(140)과 감속기어(132a) 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진(110)의 운전조건에 따라 상기 액추에이터(160)를 제어하는 제2 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1제어유닛은 상기 엔진(110)이 저속, 저부하 운전상태인 경우와, 고속, 고부하 운전상태인 경우로 구분하여 상기 바이패스 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 제어유닛은 상기 엔진(110)이 저속, 저부하 운전상태인 경우와, 고속, 고부하 운전상태인 경우로 구분하여 상기 액추에이터(160)을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 엔진(110)에 의해 회전되는 크랭크축(140); 및
    상기 엔진(110)의 운전 조건에 따라 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 상기 차량용 보조장치에 전달되는 동력을 각각 제어하는 제어유닛; 을 더 포함하며,
    상기 차량용 보조장치(150, 160)는 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에 각각 연결되어 있어서 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)로부터 동력을 전달받아 구동되는 것을 특징으로 하는 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 동력전달장치(130a)는 상기 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 변속기 및 상기 변속기의 출력측에 설치된 감속 기어를 포함한 기계식 동력전달장치(130a)인 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 동력전달장치(130b)는 상기 블로우 다운 터빈(120)의 출력측에 설치된 발전기 및 상기 발전의 출력측에 설치된 모터를 포함한 전기식 동력전달장치(130b)인 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 크랭크축(140)은 제1액츄에이터(Actuator1)를 통해 상기 차량용 보조장치(150)에 연결되고, 상기 블로우 다운 터빈(120)은 제2액츄에이터(Actuator2)를 통해 상기 동력전달장치(130a, 130b)에 연결되고, 상기 동력전달장치(130a, 130b)는 제3액츄에이터(Actuator3)를 통해 상기 차량용 보조장치(150)에 연결되며, 상기 제어유닛은 상기 제1액츄에이터(Actuator1) 내지 제3액츄에이터(Actuator3)의 연결상태를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 엔진(110)의 운전 조건에 따라 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b) 모두를 통해 상기 차량용 보조장치(150)를 작동시키거나, 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b) 중 어느 하나를 통해 상기 차량용 보조장치(150)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 동력전달장치(130a, 130b)와 차량용 보조장치(150)의 연결상태를 제어함에 있어서, 상기 제2액츄에이터(Actuator2)와 제3액츄에이터(Actuator3)를 모두 연결시키거나, 상기 제2액츄에이터(Actuator2)와 제3액츄에이터(Actuator3)를 모두 연결 해제시키거나, 혹은 상기 제2액츄에이터(Actuator2)는 연결시키고 제3액츄에이터(Actuator3)는 연결 해제시키는 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 엔진(110)이 가변 운전상태인 경우와 정속 운전상태인 경우로 구분하여 상기 크랭크축(140)과 동력전달장치(130a, 130b)에서 상기 차량용 보조장치(150)에 전달되는 동력을 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 제어식 차량용 터보 컴파운드 시스템.
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