WO2014051174A1 - 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치 - Google Patents

엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치 Download PDF

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육욱성
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볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60W2300/17—Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
    • E02F9/2075—Control of propulsion units of the hybrid type

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device for a hybrid construction machine using waste heat of the engine, and in particular, a hybrid type capable of generating electrical energy by driving a turbine and a generator by recovering a high temperature waste heat source generated when an engine such as an excavator is operated. It relates to a power generation device for construction machinery.
  • the useful work of an engine using diesel and the like is typically 30%, assuming 100% of the energy work of the fuel. At this time, the remaining 30% is consumed by the cooling loss of cooling the engine coolant to below the allowable temperature, and the other 40% is discharged to the atmosphere as exhaust gas. As a result, how to recover 70% of the waste energy that is thrown away as waste heat serves as an important marketing point in determining the purchasing power of construction equipment in automobile companies including engines.
  • the engine 10 is the engine 10,
  • Generator for generating electrical energy by the power generated by the engine (10),
  • An energy storage system for storing electrical energy generated by the generator 20 (for example, having a rechargeable battery (referring to a capacitor) and a converter);
  • An electric motor 40 (electric motor) generating auxiliary power by the stored electric energy
  • Is connected to the electric motor 40 is provided with a rotary motor or an electric actuator (50) (actuator) to perform a linear movement.
  • the hydraulic pump is driven by the power of the engine to drive the boom cylinder and the like by the hydraulic oil supplied, and the electrical energy is generated by the engine power and stored in the power storage device, and then stored.
  • the electric actuator By driving the electric actuator using energy, it has the advantage to increase the fuel economy by minimizing the engine uptime.
  • Embodiment of the present invention while generating the electric energy by recovering the waste heat of the high temperature coolant and exhaust gas generated when the engine operating as much as possible, driving the electric motor of the hybrid-type construction equipment, reducing the engine uptime as much as possible to increase fuel economy
  • the present invention relates to a power plant for hybrid construction machinery using engine waste heat to prevent air pollution.
  • the power generation apparatus for a hybrid construction machine using the engine waste heat according to an embodiment of the present invention
  • the power generation device for a hybrid construction machine having an engine, a generator, an energy storage device, an electric motor and an actuator,
  • a water-cooled preheater for recovering heat from the engine cooling water of the engine by mutual heat exchange
  • a waste heat recovery boiler for converting the working fluid transferred from the water-cooled preheater into steam by mutual heat exchange with the exhaust gas discharged from the engine
  • a feed pump for pressurizing the steam passing through the condenser to the water-cooled preheater.
  • a plate heat exchanger may be used as the waste heat recovery heat exchanger.
  • a double tube heat exchanger may be used as the water-cooled preheater.
  • the hybrid generator-based power generation apparatus using the engine waste heat according to the embodiment of the present invention configured as described above has the following advantages.
  • Electric energy is generated by recovering the waste heat of high temperature coolant and exhaust gas generated during engine operation, but it is used as the main power source for electric motor of hybrid construction equipment. It can improve operation efficiency and prevent air pollution.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a construction machine hybrid system according to the prior art
  • FIG. 2 is a block diagram of a power generation device for a hybrid construction machine using engine waste heat according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation device for a hybrid construction machine having an engine 10, a generator 20, an energy storage device 30, an electric motor 40 and an actuator 50,
  • a water-cooled preheater 11 which recovers heat by mutual heat exchange from the engine coolant of the engine 10 (to serve to raise the working fluid temperature in the rankine cycle to before the boiling temperature)
  • a heat recovery steam generator (HRSG) 12 for converting the working fluid transferred from the water-cooled preheater 11 into steam by mutual heat exchange with the exhaust gas discharged from the engine 10;
  • a feed pump 15 for pressurizing the steam passing through the condenser 14 to the water-cooled preheater 11 is provided.
  • a plate heat exchanger may be used as the waste heat recovery boiler 12, and a double tube heat exchanger may be used as the water-cooled preheater 11.
  • high heat can be recovered from the engine coolant by mutual heat exchange between the engine coolant (maintaining about 100 ° C.) and the water-cooled preheater 11 maintaining the high temperature of the engine 10.
  • This maximizes the efficiency of energy recovery by preheating the working fluid sufficiently in the step prior to generating the steam used to rotate the turbine 13.
  • a double tube heat exchanger (a series type is used as an example) having excellent heat transfer effect in a narrow area may be used, and since the structure is used in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the water-cooled preheater 11 may be used a separate control system that can adjust the amount of cooling water in real time so that the temperature of the engine cooling water is always maintained below 100 °C.
  • the working fluid (referred to as water) transferred from the water-cooled preheater 11 by the waste heat recovery boiler 12 connected to the exhaust system of the engine 10 is converted into a vapor state by mutual heat exchange of the exhaust gases. That is, when a heat exchange passage is provided between the exhaust system of the engine 10 and the waste heat recovery boiler 12, the working fluid can be converted into a vapor state by the high heat of the exhaust gas (maintaining about 500 ° C).
  • a plate heat exchanger in which exhaust gas flows between the plate and the plate may be used, and since the structure is used in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the working fluid in the Rankine cycle is preferably guided to flow through the plurality of tubes of the plate heat exchanger.
  • This has the effect of replacing the engine gas recirculation (EGR) cooler that is now standard on Tier 4 engines. That is, the gas temperature of the exhaust gas side of the engine 10 passing through the waste heat recovery boiler 12 is lowered after passing through the waste heat recovery boiler 12. Therefore, when the exhaust gas passing through the waste heat recovery boiler 12 is re-introduced into the combustion gas for the engine 10, a reduction effect of nitrogen oxides can be obtained.
  • EGR engine gas recirculation
  • the rotor of the turbine 13 is rotated by the superheated steam generated by the waste heat recovery boiler 12, and electrical energy is generated by the rotor rotation of the generator 20 connected to the rotor of the turbine 13. Will be created.
  • the technical content of generating electrical energy by rotating the rotor of the generator 20 connected to the turbine 13 is used in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the temperature and pressure of the expanded steam can be reduced.
  • An air-cooled fin-tube method may be used as the condenser 14, and a separate blowing fan is required.
  • the steam passing through the condenser 14 is pressurized by the feed pump 15 and transferred to the water-cooled preheater 11.
  • the engine coolant in the engine 10 and waste heat of the exhaust gas discharged from the engine 10 are recovered to drive the turbine 13, condensing the steam driving the turbine 13, and condensing. It is possible to generate electric energy by applying a Rankine cycle that repeats the step of pressurizing the steam by the feed pump 15 to be transferred to the water-cooled preheater 11.
  • the waste heat of the high temperature cooling water and exhaust gas generated during engine operation is recovered to generate electrical energy, but is used as a driving main power source for the electric motor of the hybrid construction equipment, By reducing the engine operating time, it increases fuel economy, and can prevent air pollution.

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Abstract

엔진 가동시 발생되는 고온의 냉각수 및 배기가스의 폐열을 회수하여 터빈 및 발전기를 구동시켜 전기에너지를 생성하기 위한 건설기계용 발전장치를 개시한다. 본 발명에 따른 엔진, 발전기, 에너지 저장장치, 전기모터 및 액츄에이터를 구비하는 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 있어서, 상기 엔진의 엔진 냉각수로부터 상호 열교환에 의해 열을 회수하는 수냉식 예열기와, 상기 수냉식 예열기로부터 이송된 작동유체를 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 상호 열교환에 의해 증기로 변환시키는 폐열회수보일러와, 상기 폐열회수보일러에 의해 생성된 과열증기에 의해 회전되는 회전자에 의해 상기 발전기의 회전자를 회전시키는 터빈과, 상기 터빈을 구동시킨 팽창된 증기의 온도 및 압력을 다운시키는 응축기와, 상기 응축기를 통과하는 증기를 가압하여 상기 수냉식 예열기에 이송시키는 피이드펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계용 발전장치를 제공한다.

Description

엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치
본 발명은 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 관한 것으로, 특히 굴삭기 등의 엔진 가동시 발생되는 고온의 폐열 열원을 회수하여 터빈 및 발전기를 구동시켜 전기에너지를 생성할 수 있도록 한 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 경유 등을 사용하는 엔진의 효율(useful work)은 연료가 가지는 에너지일을 100%으로 가정할 경우 통상적으로 30%에 해당된다. 이때 나머지 30%는 엔진 냉각수를 허용온도 이하까지 냉각시키는 냉각손실로 소모되고, 다른 나머지 40%는 배기가스로 대기중으로 배출되어진다. 이로 인해 폐열로서 버려지는 폐에너지 70%를 어떻게 회수하는냐가 엔진을 포함한 완성차 업체에서는 건설장비의 구매력을 결정하는 중요한 마켓팅 포인트로 작용하고 있다.
도 1에 도시된 종래 기술에 의한 건설기계 하이브리드시스템은,
엔진(10)과,
상기 엔진(10)에 의해 발생되는 동력에 의해 전기에너지를 생성하는 발전기(20)(generator)와,
상기 발전기(20)에 의해 생성된 전기에너지를 저장하는 에너지 저장장치(30)(energy storage system)(일 예로서 충방전식 배터리(축전기를 말함) 및 컨버터를 구비함)와,
저장된 전기에너지에 의해 보조 동력을 발생시키는 전기모터(40)(electric motor)와,
상기 전기모터(40)에 연결되어 회전운동을 하게 되는 회전모터 또는 직선운동을 하게 되는 전동액츄에이터(50)(actuator)를 구비한다.
따라서 종래의 건설기계 하이브리드시스템에서는, 엔진의 동력에 의해 유압펌프를 구동시켜 공급되는 작동유에 의해 붐실린더 등을 구동시키며, 또한 엔진의 동력으로 전기에너지를 생성하여 축전장치에 저장한 후, 저장된 전기에너지를 이용하여 전동액츄에이터를 구동시킴에 따라, 엔진 가동시간을 최소화하여 연비를 높일 수 있는 이점을 갖는다.
반면에, 엔진 가동시 발생되는 고온의 엔진냉각수(약 100℃정도임) 및 배기가스의 폐열(약 500℃정도임)을 이용하여 에너지를 재생시키기 위한 발전장치가 계속적으로 연구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는, 엔진 가동시 발생되는 고온의 냉각수 및 배기가스의 폐열을 최대한 회수하여 전기에너지를 생성하되, 하이브리드형 건설장비의 전기모터를 구동시키므로, 엔진 가동시간을 최대한 줄여 연비를 높이고, 대기환경오염을 방지할 수 있도록 한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치와 관련된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치는,
엔진, 발전기, 에너지 저장장치, 전기모터 및 액츄에이터를 구비하는 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 있어서,
상기 엔진의 엔진 냉각수로부터 상호 열교환에 의해 열을 회수하는 수냉식 예열기와,
상기 수냉식 예열기로부터 이송된 작동유체를 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 상호 열교환에 의해 증기로 변환시키는 폐열회수보일러와,
상기 폐열회수보일러에 의해 생성된 과열증기에 의해 회전되는 회전자에 의해 상기 발전기의 회전자를 회전시키는 터빈과,
상기 터빈을 구동시킨 팽창된 증기의 온도 및 압력을 다운시키는 응축기와,
상기 응축기를 통과하는 증기를 가압하여 상기 수냉식 예열기에 이송시키는 피이드펌프를 구비한다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 폐열회수 열교환기로서 판형 열교환기가 사용될 수 있다.
상기 수냉식 예열기로서 이중관 열교환기가 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 의한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치는 아래와 같은 이점을 갖는다.
엔진 가동시 발생되는 고온의 냉각수 및 배기가스의 폐열을 회수하여 전기에너지를 생성하되 하이브리드형 건설장비의 전기모터용 구동 주전원으로 활용하므로, 재생된 에너지에 의해 엔진 가동시간을 줄여 연비를 높이므로 장비 운전효율을 향상시키고, 대기환경오염을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 건설기계 하이브리드시스템의 개략적인 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치의 블록도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명〉
10; 엔진(engine)
11; 예열기(preheater)
12; 폐열회수보일러(HRSG;heat recovery steam generator)
13; 터빈(turbine)
14; 응축기(condenser)
15; 피이드 펌프(feed pump)
20; 발전기(generator)
30; 에너지 저장장치(energy storage system)
40; 전기모터(electric motor)
50; 액츄에이터(actuator)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치는,
엔진(10), 발전기(20), 에너지 저장장치(30), 전기모터(40) 및 액츄에이터(50)를 구비하는 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 있어서,
상기 엔진(10)의 엔진 냉각수로부터 상호 열교환에 의해 열을 회수하는 수냉식 예열기(11)(preheater)(랭킨 싸이클(rankine cycle)내의 작동유체 온도를 비등온도이전까지 상승시키도록 하는 역할을 하게 됨)와,
상기 수냉식 예열기(11)로부터 이송된 작동유체를 상기 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스와 상호 열교환에 의해 증기로 변환시키는 폐열회수보일러(12)(HRSG;heat recovery steam generator)와,
상기 폐열회수보일러(12)에 의해 생성된 과열증기에 의해 회전되는 회전자에 의해 상기 발전기의 회전자를 회전시키는 터빈(13)(turbine)과,
상기 터빈(13)을 구동시킨 팽창된 증기의 온도 및 압력을 다운시키는 응축기(14)(condenser)와,
상기 응축기(14)를 통과하는 증기를 가압하여 상기 수냉식 예열기(11)에 이송시키는 피이드 펌프(15)(feed pump)를 구비한다.
이때, 상기 폐열회수보일러(12)로서 판형 열교환기가 사용될 수 있고, 상기 수냉식 예열기(11)로서 이중관 열교환기가 사용될 수 있다.
한편, 상기 엔진(10), 발전기(20), 에너지저 장장치(30)와, 전기모터(40) 및 액츄에이터(50)를 포함하는 구성은, 도 1에 도시된 건설기계 하이브리드시스템의 구성과 동일하므로, 이하에서 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치의 사용예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2에서와 같이, 상기 엔진(10)의 고온을 유지하는 엔진 냉각수(약 100℃정도를 유지함)와, 수냉식 예열기(11)의 상호 열교환에 의해 엔진 냉각수로부터 높은 열을 회수할 수 있게 된다. 이로 인해 상기 터빈(13)을 회전시키도록 사용되는 증기를 발생시키기 이전 단계에서 작동유체를 충분하게 예열시킴에 따라 에너지를 회수하는 효율을 극대화할 수 있다. 상기 수냉식 예열기(11)로서 좁은 영역에서 열 전달 효과가 우수한 이중관 열교환기(일 예로서 직렬형이 사용됨)가 사용될 수 있으며, 이는 당해분야에서 사용되는 구성이므로 이에 대한 구성의 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 수냉식 예열기(11)는 엔진 냉각수의 온도가 100℃이하를 항시 유지할 수 있도록 냉각수 량을 실시간으로 조절할 수 있는 별도의 제어시스템이 사용될 수 있다.
상기 엔진(10)의 배기시스템에 연결되는 폐열회수보일러(12)에 의해 상기 수냉식 예열기(11)로부터 이송된 작동유체(물을 말함)를 배기가스의 상호 열교환에 의해 증기상태로 변환시킨다. 즉 엔진(10)의 배기시스템과 폐열회수보일러(12)사이에 열교환 통로를 설치할 경우, 작동유체를 배기가스(약 500℃정도를 유지함)의 높은 열에 의해 증기상태로 변환시킬 수 있다. 상기 폐열회수보일러(12)로서 배기가스가 판과 판사이를 흐르도록 형성되는 판형 열교환기가 사용될 수 있으며 이는 당해분야에서 사용되는 구성이므로 이에 대한 구성의 상세한 설명은 생략한다. 한편랭킨 싸이클내의 작동유체는 상기 판형 열교환기의 다수의 튜브 내를 흐르도록 유도하는 것이 바람직하다. 이는 현재 Tier 4 엔진에 기본사양으로 장착되는 EGR(engine gas recirculation) 쿨러를 대체할 수 있는 효과를 갖게 된다. 즉 폐열회수보일러(12)를 통과한 엔진(10) 배기가스측 가스 온도는 폐열회수보일러(12)를 통과한 후 온도가 떨어지게 된다. 이로 인해 폐열회수보일러(12)를 통과하는 배기가스를 엔진(10) 연소용가스로 재유입시킬 경우 질소산화물의 저감 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기 폐열회수보일러(12)에 의해 생성된 과열증기에 의해 터빈(13)의 회전자를 회전시키되, 상기 터빈(13)의 회전자와 연결되는 발전기(20)의 회전자 회전에 의해 전기에너지를 생성하게 된다. 이때 터빈(13)과 연결되는 발전기(20)의 회전자 회전에 의해 전기에너지를 생성하는 기술내용은 당해분야에서 사용되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 터빈(13)을 구동시킨 팽창된 증기를 응축기(14)를 통과시킴에 따라 팽창된 증기의 온도 및 압력을 다운시킬 수 있다. 상기 응축기(14)로서 공랭식 fin-tube방식이 사용될 수 있으며, 이때 별도의 송풍팬 사용이 요구된다.
상기 응축기(14)를 통과한 증기를 상기 피이드 펌프(15)에 의해 가압하여 수냉식 예열기(11)에 이송시킨다.
전술한 바와 같이, 상기 엔진(10) 내부의 엔진 냉각수와 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 터빈(13)을 구동시키고, 터빈(13)을 구동시킨 증기를 응축시키며, 응축된 증기를 피이드 펌프(15)에 의해 가압하여 수냉식 예열기(11)에 이송시키는 단계를 반복하는 랭킨 싸이클을 응용하여 전기에너지를 생성할 수 있게 된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 엔진 가동시 발생되는 고온의 냉각수 및 배기가스의 폐열을 회수하여 전기에너지를 생성하되 하이브리드형 건설장비의 전기모터용 구동 주전원으로 활용하므로, 재생된 에너지에 의해 엔진 가동시간을 줄여 연비를 높이고, 대기환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 엔진, 발전기, 에너지 저장장치, 전기모터 및 액츄에이터를 구비하는 하이브리드형 건설기계용 발전장치에 있어서:
    상기 엔진의 엔진 냉각수로부터 상호 열교환에 의해 열을 회수하는 수냉식 예열기와,
    상기 수냉식 예열기로부터 이송된 작동유체를 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 상호 열교환에 의해 증기로 변환시키는 폐열회수보일러와,
    상기 폐열회수보일러에 의해 생성된 과열증기에 의해 회전되는 회전자에 의해 상기 발전기의 회전자를 회전시키는 터빈과,
    상기 터빈을 구동시킨 팽창된 증기의 온도 및 압력을 다운시키는 응축기와,
    상기 응축기를 통과하는 증기를 가압하여 상기 수냉식 예열기에 이송시키는 피이드펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐열회수보일러로서 판형 열교환기가 사용되는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수냉식 예열기로서 이중관 열교환기가 사용되는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열을 이용한 하이브리드형 건설기계용 발전장치.
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