(57)【要約】      （修正有）【課題】車両が運行を停止したり外気の温度が設定値よりも低い場合に、作動流体の氷結により発生される問題を根本的に解決することができる車両の廃熱回収システムを提供する。【解決手段】排気ガスボイラー200の下部に設置され、その内部に作動流体が貯蔵され得る設定された空間が形成されたリザーバ225、前記排気ガスボイラーと前記リザーバを連結する回収ライン222、前記回収ラインを開閉させるように設置される回収供給制御バルブ215、および前記作動流体を前記リザーバに回収する回収条件が満足されると、前記回収供給制御バルブを制御して前記回収ラインを開放させて前記排気ガスボイラー内部の作動流体を前記リザーバに回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで排出される排気ガスの熱を利用して作動流体を加熱させる排気ガスボイラー、前記排気ガスボイラーで形成された作動流体蒸気を加熱させるスーパーヒーター、前記スーパーヒーターで発生した蒸気化された作動流体を利用して回転力を発生させるタービンを含む車両の廃熱回収システムにおいて、
前記排気ガスボイラーよりも下方に設置され、その内部に前記作動流体が貯蔵され得る設定された空間が形成されたリザーバ；
前記排気ガスボイラーと前記リザーバを連結する回収ライン；
前記回収ラインを開閉させるように設置される回収供給制御バルブ；および
前記作動流体を前記リザーバに回収する回収条件が満足されると、前記回収供給制御バルブを制御して前記回収ラインを開放させて前記排気ガスボイラー内部の作動流体を前記リザーバに回収する制御部；を含むことを特徴とする、車両の廃熱回収システム。
【請求項２】
前記リザーバから前記回収供給制御バルブに形成された供給ライン；および
前記供給ラインに設置されて前記リザーバに充填された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給する作動流体供給ポンプ；をさらに含み、
供給条件が満足されると、前記制御部は、前記回収供給制御バルブと前記作動流体供給ポンプを制御して前記リザーバに貯蔵された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給することを特徴とする、請求項１に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項３】
前記リザーバに貯蔵された前記作動流体を加熱させるために前記エンジンの冷却水が前記リザーバを循環するようにする加熱ライン；および
前記加熱ラインを開閉するように設置される加熱制御バルブ；をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項４】
前記制御部は、
前記作動流体供給ポンプを稼動して前記リザーバに貯蔵された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給する前に、
前記リザーバ内部に充填された作動流体の温度を確認し、その温度が設定された温度未満である場合、前記加熱制御バルブを開放させて前記リザーバに充填された作動流体が前記設定温度よりも高くなるようにすることを特徴とする、請求項３に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項５】
前記リザーバの内部と前記スーパーヒーターの内部を外部と選択的に連結させる外気制御バルブ；をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記排気ガスボイラーから前記リザーバに作動流体を回収する或いは前記リザーバから前記排気ガスボイラーに作動流体を供給する時、前記外気制御バルブを開放することを特徴とする、請求項５に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項７】
前記タービンを通じて回転力を発生させた後に発生した作動流体蒸気を凝縮させるコンデンサ；
前記コンデンサと冷媒クーラーとの間で冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ；
前記冷媒クーラーを冷却させる冷却ファン；および
前記コンデンサで生成された作動媒体の凝縮水を前記排気ガスボイラーに再供給する作動流体循環ポンプ；をさらに含み、
前記制御部は、
前記回収条件が満足されると、前記作動流体循環ポンプと前記冷却ファンを作動させて凝縮された作動流体を前記排気ガスボイラーに回収することを特徴とする、請求項５に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記リザーバの水位レベルが設定値以上に判断されると、前記回収供給制御バルブを利用して前記回収ラインを閉鎖し、前記外気制御バルブを閉鎖することを特徴とする、請求項７に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項９】
前記制御部は、
前記加熱制御バルブを開放させて前記リザーバに充填された作動流体が前記設定温度よりも高くなるように暖めた後に、
前記加熱制御バルブを閉鎖し、
前記作動流体供給ポンプを作動させて前記リザーバに充填された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給し、
前記リザーバに充填された作動流体の水位が設定値以下に判断されると、前記作動流体供給ポンプを停止して作動流体の供給を中断し、
前記外気制御バルブを閉鎖することを特徴とする、請求項５に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項１０】
前記作動流体は、水を含むことを特徴とする、請求項１に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項１１】
前記回収条件は、エンジンの動作がオフされる条件で外気温度が設定値よりも低い条件を含むことを特徴とする、請求項１に記載の車両の廃熱回収システム。
【請求項１２】
前記供給条件は、エンジンがオンされる条件で前記リザーバに貯蔵された作動流体の温度が設定値よりも高い条件を含むことを特徴とする、請求項２に記載の車両の廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の排気ガスを通じて浪費される廃熱を作動流体を通じて回収し、回収された熱エネルギーを運動エネルギーに転換することによって全体的なエネルギーの効率を向上させる車両の廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エンジンで外部に排出される排気ガスからエネルギーを回収するための技術が開発されている。
【０００３】
このような技術は、ターボ発電機により排気ガスの流れを直ちに回転エネルギーに転換して発電を行う技術と、ランキンサイクルを通じて排気ガスの熱を利用してスチームを発生させ、これを利用してタービンを回転させる技術がある。また、熱電素子を利用して電気エネルギーを発生させる技術がある。
【０００４】
前記ランキンサイクルを利用して捨てられる排気ガスからエネルギーを回収するために別途の作動流体が使用されるが、このような作動流体の一つは水がある。
【０００５】
しかし、水は氷点が摂氏０度であり、車両の多様な運行条件を考慮すれば、氷結に従う問題によりランキンサイクルに適用することが難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ランキンサイクルを利用して捨てられる廃熱からエネルギーを回収するために使用される作動流体が氷結することを基本的に防止することができる車両の廃熱回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によって、エンジンで排出される排気ガスの熱を利用して作動流体を加熱させる排気ガスボイラー、前記排気ガスボイラーで形成された作動流体蒸気を加熱させるスーパーヒーター、前記スーパーヒーターで発生した蒸気化された作動流体を利用して回転力を発生させるタービンを含む車両の廃熱回収システムは、前記排気ガスボイラーよりも下方に設置され、その内部に前記作動流体が貯蔵され得る設定された空間が形成されたリザーバ、前記排気ガスボイラーと前記リザーバを連結する回収ライン、前記回収ラインを開閉させるように設置される回収供給制御バルブ、および前記作動流体を前記リザーバに回収する回収条件が満足されると、前記回収供給制御バルブを制御して前記回収ラインを開放させて前記排気ガスボイラー内部の作動流体を前記リザーバに回収する制御部を含む。
【０００８】
前記リザーバから前記回収供給制御バルブに形成された供給ライン、および前記供給ラインに設置されて前記リザーバに充填された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給する作動流体供給ポンプをさらに含み、供給条件が満足されると、前記制御部は、前記回収供給制御バルブと前記作動流体供給ポンプを制御して前記リザーバに貯蔵された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給することができる。
【０００９】
前記リザーバに貯蔵された前記作動流体を加熱させるために前記エンジンの冷却水が前記リザーバを循環するようにする加熱ライン、および前記加熱ラインを開閉するように設置される加熱制御バルブをさらに含むことができる。
【００１０】
前記制御部は、前記作動流体供給ポンプを稼動して前記リザーバに貯蔵された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給する前に、前記リザーバ内部に充填された作動流体の温度を確認し、その温度が設定された温度未満である場合、前記加熱制御バルブを開放させて前記リザーバに充填された作動流体が前記設定温度よりも高くなるようにすることができる。
【００１１】
前記リザーバの内部と前記スーパーヒーターの内部を外部と選択的に連結させる外気制御バルブをさらに含むことができる。
【００１２】
前記制御部は、前記排気ガスボイラーから前記リザーバに作動流体を回収する或いは前記リザーバから前記排気ガスボイラーに作動流体を供給する時、前記外気制御バルブを開放することができる。
【００１３】
前記タービンを通じて回転力を発生させた後に発生した作動流体蒸気を凝縮させるコンデンサ、前記コンデンサと冷媒クーラーとの間で冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ、前記冷媒クーラーを冷却させる冷却ファン、および前記コンデンサで生成された作動媒体の凝縮水を前記排気ガスボイラーに再供給する作動流体循環ポンプをさらに含み、前記制御部は、前記回収条件が満足されると、前記作動流体循環ポンプと前記冷却ファンを作動させて凝縮された作動流体を前記排気ガスボイラーに回収することができる。
【００１４】
前記制御部は、前記リザーバの水位レベルが設定値以上に判断されると、前記回収供給制御バルブを利用して前記回収ラインを閉鎖し、前記外気制御バルブを閉鎖することができる。
【００１５】
前記制御部は、前記加熱制御バルブを開放させて前記リザーバに充填された作動流体が前記設定温度よりも高くなるように暖めた後に、前記加熱制御バルブを閉鎖し、前記作動流体供給ポンプを作動させて前記リザーバに充填された作動流体を前記排気ガスボイラーに供給し、前記リザーバに充填された作動流体の水位が設定値以下に判断されると、前記作動流体供給ポンプを停止して作動流体の供給を中断し、前記外気制御バルブを閉鎖することができる。
【００１６】
前記作動流体は、水であってもよい。
【００１７】
前記回収条件は、エンジンの動作がオフされる条件で外気温度が設定値よりも低い条件を含むことができる。
【００１８】
前記供給条件は、エンジンがオンされる条件で前記リザーバに貯蔵された作動流体の温度が設定値よりも高い条件を含むことができる。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムにおいて、車両が運行を停止したり外気の温度が設定値よりも低い場合に、廃熱回収システムの排気ガスボイラーに充填された作動流体をリザーバに回収して作動流体の氷結により発生される問題を根本的に解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムの概略的な構成図である。
【図２】本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムで作動流体を回収する方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムで作動流体を供給する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムの概略的な構成図である。
【００２３】
図１を参照すると、車両の廃熱回収システムは、冷媒クーラー１１５、インタークーラー１１０、エンジルラジエーター１０５、冷却ファン１２０、冷却水ポンプ１２５、吸気マニホールド１３０、エンジン１３５、排気マニホールド１４０、ターボチャージャ１５０、モータゼネレータ１４５、スーパーヒーター１７０、ボイラー１６５、ＥＧＲバルブ１６０、冷媒循環ポンプ１９５、コンデンサ１９０、レキュペレータ１８０、作動流体循環ポンプ１８５、タービン１７５、発電機１７２、パワー調節部１９７、排気ガスボイラー２００、後処理装置２０５、流路転換バルブ２１０、回収供給制御バルブ２１５、供給ライン２２４、回収ライン２２２、作動流体供給ポンプ２２０、リザーバ２２５、加熱制御バルブ２３０、および加熱ライン２３２を含む。
【００２４】
同時に、本発明の実施形態による制御部（図示せず）を含み、前記制御部はシステムで制御可能なすべての構成要素をそれぞれ制御する。
【００２５】
まず、前記ターボチャージャ１５０のコンプレッサーにより圧縮された吸気は、前記インタークーラー１１０を通じて冷却されて前記吸気マニホールド１３０に供給され、吸気は燃料と共に前記エンジン１３５の燃焼室で燃焼されて前記排気マニホールド１４０に排出される。
【００２６】
前記排気マニホールド１４０を通じて排出される排気ガスは、前記ターボチャージャ１５０のタービンを回転させ、前記後処理装置２０５と前記排気ガスボイラー２００を通過して外部へ排出される。ここで、前記流路転換バルブ２１０は、排気ガスを前記排気ガスボイラー２００に選択的に供給する。
【００２７】
前記排気マニホールド１４０を通過する排気ガスは、前記スーパーヒーター１７０と前記ボイラー１６５、および前記ＥＧＲバルブ１６０を通じて前記吸気マニホールド１３０へ再循環される。
【００２８】
前記排気ガスボイラー２００内部に充填された作動流体（または水）は１次に加熱され、前記ボイラー１６５で２次に加熱され、前記スーパーヒーター１７０で３次に加熱される。
【００２９】
前記スーパーヒーター１７０で過熱された蒸気化された作動流体はタービンに伝達され、前記タービンは前記発電機１７２を通じて電気を生成する。生成された電気は、前記パワー調節部１９７を通じて前記モータゼネレータ１４５を駆動したり別途に備えられる２次電池（図示せず）に充電される。
【００３０】
蒸気化された作動流体が前記タービンを回転させた後に、前記レキュペレータ１８０と前記コンデンサ１９０を通過し、前記冷媒循環ポンプ１９５により循環する冷媒により作動流体は凝縮される。そして、凝縮された作動流体は、前記作動流体循環ポンプ１８５と流路転換バルブ２１０を通じて前記ボイラー１６５または前記排気ガスボイラー２００に再分配される。
【００３１】
前記ボイラー１６５、前記スーパーヒーター１７０、前記タービン１７５、前記レキュペレータ１８０、前記コンデンサ１９０、または前記作動流体循環ポンプ１８５に残った作動流体を回収するために、前記リザーバ２２５が備えられる。
【００３２】
前記ボイラー１６５、前記スーパーヒーター１７０、前記タービン１７５、前記レキュペレータ１８０、前記コンデンサ１９０、または前記作動流体循環ポンプ１８５に残った作動流体は、自重により前記排気ガスボイラー２００に集まり、設定された回収条件で前記排気ガスボイラー２００に充填された作動流体は、前記リザーバ２２５に回収される。
【００３３】
より詳細に説明すると、前記排気ガスボイラー２００の下部と前記リザーバ２２５は回収ライン２２２により連結され、その中間に回収供給制御バルブ２１５が配置される。同時に、前記リザーバ２２５と前記回収供給制御バルブ２１５の間に供給ライン２２４が別途に形成され、前記供給ライン２２４に前記作動流体供給ポンプ２２０が配置される。
【００３４】
制御部は、前記回収供給制御バルブ２１５と前記作動流体供給ポンプ２２０を制御して前記排気ガスボイラー２００の作動流体を前記リザーバ２２５に回収したり前記リザーバ２２５の作動流体を前記排気ガスボイラー２００に供給する。
【００３５】
前記リザーバ２２５と前記スーパーヒーター１７０は、一つの外気制御バルブ２３５と連結される。ここで、前記リザーバ２２５と前記スーパーヒーター１７０内部の圧力を外部に解消させることによって作動流体の供給と回収を円滑にする。
【００３６】
前記リザーバ２２５内部に充填された作動流体が氷結された場合、またはその温度が設定値未満である場合、前記作動流体を解凍させたり暖めるための加熱ラインが形成される。
【００３７】
前記加熱ライン２３２は、前記エンジン１３５の冷却水出口→前記リザーバ→前記エンジン１３５の冷却水入口を循環する暖かい冷却水を利用して前記リザーバ２２５に貯蔵された作動流体を解凍したり暖める。
【００３８】
ここで、前記制御部は、前記リザーバ２２５内部の温度を感知して前記加熱ライン２３２に設置された加熱制御バルブ２３０を開閉する。
【００３９】
制御部は、回収条件が満足される状態で、前記冷媒循環ポンプ１９５、前記冷却ファン１２０、および前記作動流体循環ポンプ１８５を作動させて、システム内部の作動流体を凝縮させる。そして、凝縮された作動流体は、自重により前記排気ガスボイラー２００に集まる。
【００４０】
その後、制御部は、前記外気制御バルブ２３５を開け、前記回収供給制御バルブ２１５を制御して前記排気ガスボイラー２００の作動流体を前記リザーバ２２５に回収する。そして、前記リザーバ２２５のレベルが設定値以上に判断されると、前記回収供給制御バルブ２１５を通じて前記回収ライン２２２を閉鎖し、前記外気制御バルブ２３５を閉じる。
【００４１】
前記回収条件は、前記エンジン１３５が停止した状態で外気の温度が設定された数値よりも低い場合、または回収ボタン（図示せず）がオンされた状態を含む。
【００４２】
また、制御部は、供給条件が満足される状態で、前記外気制御バルブ２３５を開け、前記回収供給制御バルブ２１５を制御し、前記作動流体供給ポンプ２２０を作動させて、前記リザーバ２２５の作動流体を前記排気ガスボイラー２００に供給する。
【００４３】
そして、前記リザーバ２２５のレベルが設定値未満に判断されると、前記作動流体供給ポンプ２２０を停止し、前記回収供給制御バルブ２１５を通じて前記回収ライン２２２を閉鎖し、前記外気制御バルブ２３５を閉じる。
【００４４】
前記供給条件は、前記エンジン１３５が稼動される状態で、前記リザーバ２２５内部に充填された作動流体の温度が設定値以上である場合を含む。
【００４５】
ここで、前記リザーバ２２５内部に充填された作動流体の温度が設定値未満である場合には、前記制御部は、前記加熱制御バルブ２３０を開放して前記エンジン１３５の暖かい冷却水を通じて前記リザーバ２２５内部に充填された作動流体を暖める。
【００４６】
本発明の実施形態において、前記加熱制御バルブ２３０が開放される条件は、前記リザーバ２２５内部の作動流体が氷結した状態を含むことができる。
【００４７】
図２は、本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムで作動流体を回収する方法を示すフローチャートである。
【００４８】
図２を参照すると、回収条件が満足されたり作動流体の回収ボタンがオンされると、段階Ｓ２００で回収動作が開始される。
【００４９】
そして、段階Ｓ２１０で作動流体を凝縮させる。本発明の実施形態において、前記作動流体を凝縮させるために、前記作動流体循環ポンプ１８５を最大に稼動し、前記冷却ファンを最大に稼動し、前記冷媒循環ポンプ１９５も最大に稼動することができる。
【００５０】
そして、段階Ｓ２２０で前記排気ガスボイラー２００に集まった作動流体を回収する。本発明の実施形態において、前記作動流体を回収するために、前記外気制御バルブ２３５を開放し、前記回収供給制御バルブ２１５を通じて前記回収ライン２２２を開放する。
【００５１】
そして、段階Ｓ２３０で前記リザーバ２２５に貯蔵された作動流体のレベルが設定値以上に判断されると、段階Ｓ２４０で前記回収供給制御バルブ２１５を通じて前記回収ライン２２２を閉鎖（図面で、０に制御）し、前記外気制御バルブ２３５を閉じる。最後に、段階Ｓ２５０で回収動作が完了し、回収完了灯が点灯する。
【００５２】
図３は、本発明の実施形態による車両の廃熱回収システムで作動流体を供給する方法を示すフローチャートである。
【００５３】
図３を参照すると、段階Ｓ３００で前記エンジン１３５が始動される。そして、段階Ｓ３１０で前記リザーバ２２５に充填された作動流体の温度が設定値よりも大きいか判断する。ここで、前記設定値は摂氏２０度である。
【００５４】
前記作動流体の温度が前記設定値以下に判断されると、段階Ｓ３２０で前記リザーバ２２５に貯蔵された作動流体を加熱する動作が行われる。ここで、制御部は、前記加熱制御バルブ２３０を開放してエンジンの暖かい冷却水が前記作動流体を加熱するようにする。
【００５５】
前記作動流体の温度が前記設定値よりも高いと判断されると、段階Ｓ３３０で作動流体が供給される。ここで、制御部は、前記加熱制御バルブ２３０を閉じ、前記外気制御バルブ２３５を開け、前記回収供給制御バルブ２１５を制御し、前記作動流体供給ポンプ２２０を駆動して、前記リザーバ２２５の作動流体を前記排気ガスボイラーに供給する。
【００５６】
そして、段階Ｓ３４０で、前記リザーバ２２５のレベルが設定値未満に判断されると、段階Ｓ３５０が行われる。段階Ｓ３５０で、前記回収供給制御バルブ２１５を制御して前記供給ライン２２４または前記回収ライン２２２を遮断（図面で、０に制御）し、前記作動流体供給ポンプ２２０をオフさせ、前記外気制御バルブ２３５を閉じる。
【００５７】
そして、段階Ｓ３６０で廃熱回収システムが正常に作動する。本発明の実施形態において、前記廃熱回収システムが作動する方法は公知技術を参照し、詳細な説明は省略する。
【００５８】
本発明の実施形態では、多様な作動流体が使用され得るが、水を使用することによって外部に排出する廃熱をより効率的に回収することができる。
【００５９】
そして、水の熱容量と比熱が高いため回収システムの大きさを減縮することができ、材質選定に有利であり、漏水に対する安定性が高い。
【００６０】
同時に、作動流体として水を使用する場合、前記リザーバ２２５は水の氷結による膨張を考慮して材質および容量を選択することによって、氷結により発生される体積膨張の問題を解決することができる。
【００６１】
また、前記リザーバ２２５は、密閉型構造で回収システムの最下部に位置することによって、作動流体を効果的に回収し、自然蒸発量を最小化することができる。
【００６２】
以上で本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により容易に変更されて均等であると認められる範囲のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００６３】
１０５…エンジンラジエーター
１１０…インタークーラー
１１５…冷媒クーラー
１２０…冷却ファン
１２５…冷却水ポンプ
１３０…吸気マニホールド
１３５…エンジン
１４０…排気マニホールド
１４５…モータゼネレータ
１５０…ターボチャージャ
１６０…ＥＧＲバルブ
１６５…ボイラー
１７０…スーパーヒーター
１７２…発電機
１７５…タービン
１８０…レキュペレータ
１８５…作動流体循環ポンプ
１９０…コンデンサ
１９５…冷媒循環ポンプ
１９７…パワー調節部
２００…排気ガスボイラー
２０５…後処理装置
２１０…流路転換バルブ
２１５…回収供給制御バルブ
２２０…作動流体供給ポンプ
２２２…回収ライン
２２４…供給ライン
２２５…リザーバ
２３０…加熱制御バルブ
２３２…加熱ライン
２３５…外気制御バルブ
【図１】
2014088866.tif 000003
【図２】
2014088866.tif 000004
【図３】
2014088866.tif 000005