KR20200022955A - 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로 특히, 엔진 운전 회전수 가변 제어를 위한 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 히트 펌프 시스템에 있어서, 공기 조화기의 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 구동하고 흡기부와 배기부를 포함하는 엔진; 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 상기 엔진의 흡기부 측으로 공급하는 믹서; 상기 엔진의 배기부와 연결되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠과 회전축으로 연결되고 상기 혼합기를 압축하는 임펠러를 포함하는 터보차저; 상기 믹서와 상기 엔진의 흡기부 사이에서 상기 터보차저와 병렬로 연결되어 상기 혼합기를 압축하는 수퍼차저; 상기 터보차저 및 수퍼차저 중 적어도 하나를 통과한 혼합기를 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 엔진의 배기부에서 상기 터빈 휠 후단에 연결되는 배기가스 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법 {Heat pump system and method for controlling the same}
본 발명은 히트 펌프 시스템에 관한 것으로 특히, 엔진 운전 회전수 가변 제어를 위한 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프 시스템은 냉매를 압축하는 압축기, 실내공기와 열교환하는 실내 열교환기, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 실외공기와 열교환하는 실외 열교환기를 포함한다.
압축기 및 실외 열교환기는 실외기에 포함될 수 있고, 팽창밸브 및 실내 열교환기는 실내기에 포함될 수 있다. 경우에 따라서, 팽창밸브가 실외기에 포함되는 경우도 있을 수 있다.
압축기는 엔진에 의해 구동될 수 있다. 즉, 엔진은 공기와 연료를 혼합한 혼합기의 연소를 통해 압축기에 구동력을 제공할 수 있다.
이때, 엔진의 구동 효율을 증가시키기 위한 많은 수단이 강구되고 있다. 예를 들어, 엔진에 터보차저를 설치하여 이용할 수 있다.
그러나 이러한 터보차저는 엔진의 고 회전수 영역에서 최적의 효율을 보이기 때문에 이를 보완하여 최적의 효율을 발휘할 수 있는 수단이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 엔진의 회전수에 따라 최적의 효율로 엔진을 구동할 수 있는 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 낮은 엔진 회전수 영역에서는 수퍼차저를 이용한 효율 향상이 이루어지고, 높은 엔진 회전수 영역에서는 터보차저를 이용한 효율 향상이 이루어질 수 있도록 하는 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 히트 펌프 시스템에 있어서, 공기 조화기의 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 구동하고 흡기부와 배기부를 포함하는 엔진; 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 상기 엔진의 흡기부 측으로 공급하는 믹서; 상기 엔진의 배기부와 연결되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠과 회전축으로 연결되고 상기 혼합기를 압축하는 임펠러를 포함하는 터보차저; 상기 믹서와 상기 엔진의 흡기부 사이에서 상기 터보차저와 병렬로 연결되어 상기 혼합기를 압축하는 수퍼차저; 상기 터보차저 및 수퍼차저 중 적어도 하나를 통과한 혼합기를 냉각시키는 인터쿨러; 및 상기 엔진의 배기부에서 상기 터빈 휠 후단에 연결되는 배기가스 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 터보차저는 상기 믹서에서 일측으로 분기되고 제1 체크밸브가 설치되는 제1 경로에 설치되고, 상기 수퍼차저는 상기 믹서에서 타측으로 분기되고 제2 체크밸브가 설치되는 제2 경로에 설치될 수 있다.
또한, 상기 믹서로부터 상기 터보차저 및 상기 수퍼차저를 거치지 않고 상기 인터쿨러로 연결되고 제3 체크 밸브가 설치되는 제3 경로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진의 회전수가 증가함에 따라, 제3 체크밸브를 통하여 상기 제3 경로에 따라 상기 혼합기를 공급하고, 이후, 상기 제2 체크밸브를 통하여 상기 제2 경로에 따라 상기 수퍼차저를 통하여 상기 혼합기를 공급하고, 이후, 상기 제1 체크 밸브를 통하여 상기 제1 경로에 따라 상기 터보차저를 통하여 상기 혼합기를 공급할 수 있다.
또한, 상기 엔진의 운전영역은, 엔진 회전수가 증가함에 따라 자연흡기 영역, 상기 수퍼차저를 이용하는 수퍼차저 과급 운전영역 및 상기 터보차저를 이용하는 터보차저 과급 운전영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 수퍼차저 과급 운전영역 및 상기 터보차저 과급 운전영역은 상기 엔진의 일부 회전수 영역인 제1 회전수 영역에서 겹칠 수 있다.
또한, 상기 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm일 수 있다.
또한, 상기 엔진의 배기부측에서 상기 터보차저의 터빈휠을 거치지 않고 바이패스 하고 바이패스 밸브가 설치되는 배기 바이패스 경로를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 상기 엔진의 흡기부 측으로 공급하는 믹서, 상기 엔진의 배기부와 연결되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠과 회전축으로 연결되고 상기 혼합기를 압축하는 임펠러를 포함하는 터보차저, 상기 믹서와 상기 엔진의 흡기부 사이에서 상기 터보차저와 병렬로 연결되어 상기 혼합기를 압축하는 수퍼차저, 및 상기 엔진의 배기부측에서 상기 터보차저의 터빈 휠을 거치지 않고 바이패스 하고 바이패스 밸브가 설치되는 배기 바이패스 경로를 더 포함하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법에 있어서, 엔진 회전수가 제1 영역일 때 상기 바이패스 밸브를 열어 자연흡기를 공급하는 단계; 상기 엔진 회전수가 상기 제1 영역보다 큰 제2 영역일 때 상기 수퍼차저를 기동하는 단계; 상기 배기 바이패스 경로를 닫는 단계; 상기 수퍼차저의 회전수를 점차 감소시키는 단계; 및 상기 엔진 회전수가 상기 제2 영역보다 큰 제3 영역일 때 상기 터보차저를 기동하여 운전하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수퍼차저를 기동한 후에 상기 수퍼차저의 회전수를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 영역은 상기 제3 영역과 제1 회전수 영역에서 겹칠 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 본 발명에 의하면 수퍼차저와 터보차저의 병렬 구성을 통해 수퍼차저와 터보차저 각각에 따른 최적 성능 운전점에 의하여 엔진을 구동할 수 있다.
또한, 수퍼차저와 터보차저 각각의 운전시 구동되지 않는 과급기로 혼합기가 역류되지 않도록 하여, 모든 운전 영역에서 엔진의 출력 및 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 히트 펌프 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템에 의한 운전 영역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트 펌프 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 히트 펌프 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
히트 펌프 시스템(100)은 가스 연료로 엔진(30)을 작동하고 이 엔진(30)의 구동력을 이용하여 공기 조화기의 압축기(40)를 구동하여 공조를 수행하는 시스템을 말한다.
가스 연료는 제로 가버너(zero governor; 12)에 의해 입구 입력의 형태나 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 출구 압력을 유지하면서 공급될 수 있다. 제로 가버너(12)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진에 공급하는 가스 연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절해 주는 기능을 가진다. 또한, 제로 가버너(12)는 2개의 솔레노이드밸브를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
공기는 에어 클리너(air cleaner; 14)를 거쳐 깨끗한 공기로 여과되어 공급될 수 있다. 이러한 에어 클리너(14)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.
이와 같이 공급된 가스 연료와 공기는 믹서(mixer; 16)에 의해 공기와 연료의 혼합비가 일정한 혼합기로 되어 엔진에 흡입될 수 있다.
믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.
터보차저(turbo charger; 20)는 혼합기를 고온 고압 상태로 압축할 수 있다. 이 터보차저(20)는 배기가스의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 엔진의 실린더로 보내어 출력을 높이는 장치이다.
터보차저(20)는 터보(turbine)와 슈퍼차저(super charger; 과급기)를 합성한 용어로서, 터빈과 여기에 직결된 공기압축기로 구성되어 배기가스의 에너지로 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키고 공기압축기에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낼 수 있다.
이러한 터보차저(20)는 블레이드가 설치된 터빈 휠(21; 도 2 참조)과 공기압축기의 임펠러(22; 도 2 참조)를 하나의 회전축(20a)에 연결하고 각각 하우징으로 둘러싼 구조를 가지며, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34; 배기부) 근처에 배치될 수 있다.
혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되어 온도가 상승하기 때문에 인터쿨러(intercooler; 25)로 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(32; 흡기부)를 통해 엔진(30)으로 유입될 수 있다. 이 인터쿨러(25)는 혼합기를 냉각시켜 밀도를 크게 함으로써 엔진으로 유입되는 혼합기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시킬 수 있다.
이때, 믹서(16)와 엔진(30)의 흡기부(32) 사이에는 터보차저(20)와 병렬로 연결되어 혼합기를 압축하는 수퍼차저(90)가 구비될 수 있다.
이러한 터보차저(20) 및 수퍼차저(90)는 선택적으로 구동될 수 있다. 또한, 이러한 터보차저(20) 및 수퍼차저(90) 모두 구동되지 않고 자연흡기 방식으로 혼합기를 엔진(30)에 공급할 수도 있다.
이때, 엔진(30)의 운전영역은, 엔진 회전수가 증가함에 따라 자연흡기 영역, 수퍼차저(90)를 이용하는 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저(20)를 이용하는 터보차저 과급 운전영역을 포함할 수 있다.
또한, 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저 과급 운전영역은 엔진(30)의 일부 회전수 영역인 제1 회전수 영역에서 겹칠 수 있다. 이때, 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm일 수 있다. 이러한 수퍼차저(90) 및 터보차저(20)를 운용하는 방법에 대해서는 자세히 후술한다.
인터쿨러(25)는 공기로 냉각하는 공랭식 열교환기 또는 물로 냉각하는 수냉식 열교환 경로를 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.
이러한 인터쿨러(25)와 흡기 매니폴드(32) 사이에는, 엔진(30)에 유입되는 혼합기량을 조절하기 위해 스로틀 밸브(38)가 마련될 수 있다. 이 스로틀 밸브는 전자 스로틀 밸브(electronic throttle control valve; ETC 밸브)가 사용되는 것이 일반적이다.
또한, 엔진은 별도의 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU; 31)을 통하여 엔진의 제어와 관련된 각종 제어 변수들이 제어될 수 있다. 예를 들어, ETC 밸브(38) 및 이 밸브의 제어 주기 등이 ECU(31)에 의하여 제어될 수 있다. 또한, 이러한 ECU(31)는 엔진 발전 시스템 전체를 제어하는 발전 제어부(94; 도 2 참조)에 의하여 제어될 수 있다.
엔진(30)은 흡기 매니폴드(32)를 통해 유입된 혼합기를 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 통해 작동하는 내연기관이다. 이때, 폭발 행정은 엔진 내부에 설치된 점화플러그에 의하여 이루어질 수 있으며, 점화각도는 ECU(31)에서 점화플러그를 통한 폭발 시점을 제어함으로써 조절될 수 있다.
엔진(30)이 작동함에 따라 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(34)를 통해 배출되며, 이때 터보차저(20)의 임펠러를 회전시킨다.
엔진(30)은 압축기(40)를 회전시켜 공기 조화기를 구동하도록 한다. 이러한 공기 조화기는 실내 공조를 위한 실내기를 포함할 수 있다. 이를 위해, 엔진(30)의 회전축 일단에 마련된 풀리(36)와 압축기(40)의 회전축 일단에 마련된 풀리(46) 사이에 벨트가 연결될 수 있다.
한편, 엔진(30)은 발전기(도시되지 않음)를 구동하여 전력을 생산하고, 이러한 발전기에서 생산된 전력을 이용하여 압축기(40)를 구동하는 열병합 발전 시스템을 구성할 수도 있다. 이러한 경우에도 본 발명은 동일하게 적용될 수 있다. 이하, 엔진(30)을 이용하여 압축기(40)를 구동하는 히트 펌프 시스템을 위주로 본 발명을 설명한다.
엔진(30)은 가스 연소에 의해 작동시 상당한 열이 발생하므로 냉각수를 순환시키면서 열교환시켜 엔진에서 발생하는 고온의 열을 흡수하도록 한다.
자동차에서는 냉각수 순환 유로에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 히트 펌프 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.
이를 위해, 냉각수 순환 유로에는 온수 열교환기(50)가 마련되어 냉각수와 별도로 공급되는 물 사이에 열교환 함으로써 물이 고온의 냉각수로부터 열을 전달받도록 할 수 있다.
온수 수요처에서 온수를 사용하지 않는 경우에는 온수 열교환기(50)로 물이 공급되지 않아 냉각수 온도가 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 별도의 방열기(70)를 설치하여 필요없는 냉각수의 열량을 실외로 버릴 수 있다.
이 방열기(70)는 고온의 냉각수가 다수의 핀(fin)에 의해 공기와 열교환함으로써 방열하는 것으로서, 방열 촉진을 위해 방열팬(72)이 구비될 수 있다.
엔진(30)에서 나오는 냉각수 유로는 상기 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 분기되고, 그 분기되는 지점에 엔진측 삼방밸브(54)가 설치되고, 이 엔진측 삼방밸브(53)에는 방열기측 삼방밸브(53)가 설치되어 냉각수의 유동 방향을 상황에 따라 제어할 수 있다.
이 두 삼방밸브(53, 54)에 의해 냉각수를 온수 열교환기(50)로만 보내거나 방열기(70)로만 보내거나, 상황에 따라 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 소정 비율로 나누어 보낼 수 있다.
방열기측 삼방밸브(53)를 통과하여 방열기(70)에서 방열된 냉각수는 엔진측 삼방밸브(54)를 통과하여 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수와 합쳐져서 엔진(30)으로 유입될 수 있다.
그리고, 냉각수 순환 유로에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환 유로에서 온수 열교환기(50) 및 방열기(70)의 하류와 엔진(30)의 상류에 설치될 수 있다.
한편, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34)를 통해서 나오는 배기가스는 상기한 터보차저(20)를 작동시키기도 하지만, 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 배기가스 열교환기(60)를 구비할 수 있다.
이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 냉각수가 어느 정도 가열되어 미지근한 상태로 엔진(30)으로 유입되지만, 그 냉각수도 엔진(30)을 충분히 냉각시킬 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 방열된 배기가스는 머플러(80)를 통과하게 되고, 머플러(80)에 의해 엔진의 배기 측 소음이 저감될 수 있다.
머플러(80)를 통과한 배기가스는 드레인 필터(85)를 통과한 후 외부로 배출될 수 있다. 이 드레인 필터(85)는 머플러(80)와 배기가스 라인 등에서 생성되는 응축수를 정화하기 위해 내부에 정화석을 내장하고 있어서, 산성의 응축수를 정화하고 중화시켜 외부로 유출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 공기는 제로 가버너(12) 및 에어 클리너(14)를 통과하여 믹서(16)로 유입되고, 이 믹서(16)에서 연료와 공기가 혼합된 혼합기는 흡입 통로(24)를 통하여 엔진 흡기부(32) 측으로 공급될 수 있다.
이때, 흡입 통로(24)에는 양측으로 분기되어 일측은 터보차저(20)에 연결되고 타측은 수퍼차저(90)에 연결되는 분기 통로(23)가 연결될 수 있다.
즉, 이 분기 통로(23)의 일측은 터보차저(20)가 연결되는 제1 경로(97)와 연결되고 분기 통로(23)의 타측은 수퍼차저(90)가 연결되는 제2 경로(96)와 연결될 수 있다.
여기서 수퍼차저(90)는 배기가스 외의 다른 구동수단, 예를 들면, 모터(91)에 의하여 임펠러가 동작하여 혼합기를 압축하여 공급하는 장치를 의미할 수 있다.
또한, 터보차저(20) 및 수퍼차저(90)를 거치지 않고 엔진(30) 측으로 혼합기가 흡입될 수 있는 제3 경로(98)가 더 구비될 수 있다.
이러한 제1 경로(97)에는 제1 체크밸브(94)가 설치되고 제2 경로(96)에는 제2 체크 밸브(93)가 설치될 수 있다.
또한, 제3 경로(98)에는 제3 체크밸브(95)가 설치될 수 있다. 이와 같이, 터보차저(20) 및 수퍼차저(90)를 거치지 않고 엔진(30) 측으로 혼합기가 흡입되는 과정을 자연흡기라 칭할 수 있다.
이와 같이, 제1 경로(97), 제2 경로(96) 및 제3 경로(98)를 통하여 혼합기의 흐름을 조절할 수 있다.
이러한 제1 경로(97), 제2 경로(96) 및 제3 경로(98)는 다시 하나의 관으로 합쳐져서 인터쿨러(25)를 통과하게 된다.
즉, 터보차저(20) 및/또는 수퍼차저(90)에 의하여 압축되면서 온도가 상승한 공기는 인터쿨러(25)에서 냉각될 수 있다.
이러한 인터쿨러(25)에는 위에서 언급한 바와 같이, 공랭식 또는 수랭식 열교환기(26)가 설치될 수 있다. 수랭식 열교환기가 이용되는 경우에는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 펌프(27)가 구비될 수 있다.
이와 같이, 제1 체크밸브(93), 제2 체크밸브(94) 및 제3 체크밸브(95)의 작동에 의하여 혼합기는 자연흡기 과정으로 엔진(30) 측으로 유입되거나, 터보차저(20) 및 수퍼차저(90) 중 적어도 어느 하나를 통과하여 압축(과급)되고, 과급 과정에서 상승한 온도는 인터쿨러(25)를 지나면서 일부 냉각되어 ETC 밸브(38)를 통과하여 엔진(30)으로 유입될 수 있다.
이때, 제1 체크밸브(93), 제2 체크밸브(94) 및 제3 체크밸브(95)는 터보차저(20) 및 수퍼차저(90)의 작동에 의하여 동작할 수 있고, 이러한 터보차저(20) 및 수퍼차저(90)가 동작하지 않을 때에는 닫혀서 역류를 방지할 수 있다.
엔진(30)의 흡기부(흡기 매니폴드; 32)를 통하여 엔진(30)으로 유입된 혼합기는 엔진(30) 내부에서 연소되고, 이후 연소된 배기 가스는 배기부(배기 매니폴드; 34)를 통하여 중간 배기관(61)으로 배출될 수 있다.
이때, 배기관(61)은 터보차저(20)의 터빈 휠(21)과 연결되어, 중간 배기관(61)을 지나는 배기 가스가 이 터빈 휠(21)을 지나면서 터보자처(20)가 동작할 수 있다.
한편, 중간 배기관(61)에는 배기 바이패스 경로(99)가 구비될 수 있고, 이 배기 바이패스 경로(99)에는 바이패스 밸브(92)가 설치될 수 있다.
따라서, 배기 바이패스 밸브(92)가 열려서 배기 바이패스 경로(99)를 통하여 배기 가스가 배출될 때에는 터보차저(20)의 터빈 휠(21) 측으로는 많은 양의 배기 가스가 지나지 않게 되어 실질적으로 터보차저(20)는 동작하지 않을 수 있다.
이러한 중간 배기관(61) 및 배기 바이패스 경로(99)는 다시 합쳐져서 배기가스 열교환기(60)를 지나게 되고, 이 배기가스 열교환기(60)를 지나는 배기 가스는 배기관(62)을 통하여 배출될 수 있다.
이때, 배기가스 열교환기(60)에는 방열팬(72)이 설치된 방열기(70)가 연결될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
냉각수 펌프(55)에 의하여 순환된 냉각수는 배기가스 열교환기(60)를 통하여 유입관(63)을 거쳐 엔진(30)으로 유입되고, 엔진(30)을 통과한 냉각수는 방열기(70)로 유입된 후 다시 배기가스 열교환기(60)로 흐르도록 냉각수 펌프(55)에 의하여 순환할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 터보차저(20)는 믹서(16)에서 일측으로 분기되고 제1 체크밸브(94)가 설치되는 제1 경로(23)에 설치되고, 수퍼차저(90)는 믹서(16)에서 타측으로 분기되고 제2 체크밸브(93)가 설치되는 제2 경로(96)에 설치될 수 있다.
또한, 자연흡기를 위한 제3 경로(98)에는 제3 체크밸브(95)가 설치될 수 있다.
이러한 상태에서, 본 발명의 실시예에 의하면, 엔진(30)의 회전수가 증가함에 따라, 제3 체크밸브(95)를 통하여 제3 경로(98)에 따라 혼합기가 공급될 수 있고(자연흡기), 이후, 제2 체크밸브(93)를 통하여 제2 경로(96)에 따라 수퍼차저(90)를 통하여 혼합기가 공급될 수 있다. 이후, 제1 체크밸브(94)를 통하여 제1 경로(97)에 따라 터보차저(20)를 통하여 혼합기가 공급될 수 있다.
즉, 엔진(30)의 운전 회전수(rpm)가 증가함에 따라, 엔진(30)의 운전 영역은 자연흡기 영역, 수퍼차저를 이용하는 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저를 이용하는 터보차저 과급 운전영역을 포함할 수 있다.
이때, 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저 과급 운전영역은 엔진(30)의 일부 회전수 영역인 제1 회전수 영역에서 겹칠 수 있다.
이러한 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm일 수 있다.
이와 같이, 터보차저(20)가 동작하지 않을 때는, 배기 바이패스 밸브(92)가 열려서 배기 바이패스 경로(99)를 통하여 배기 가스가 배출될 때에는 터보차저(20)의 터빈 휠(21) 측으로는 많은 양의 배기 가스가 지나지 않을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템에 의한 운전 영역을 나타내는 그래프이다.
즉, 도 3은 엔진의 회전수(속도) 및 엔진 파워에 따라 자연흡기, 수퍼차저 과급 및 터보차저 과급 상태를 도시하고 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하며, 이러한 자연흡기 운전, 수퍼차저 과급 운전 및 터보차저 과급 운전을 전환하여 엔진(30)의 운전을 수행하는 사항에 대하여 자세히 설명한다.
1. 자연흡기로 운전할 경우
저압식(2.5kPa) 도시가스를 공급받아 구동하는 엔진 시스템으로, 제1 조건, 예를 들어, 엔진 회전수가 약 600rpm 미만이고 및 자연흡기 출력 약 80% 미만 조건에서는 수퍼차저(90)를 구동하지 않고 자연흡기 방식으로 엔진(30)의 운전을 수행할 수 있다.
이때, 수퍼차저(90)가 구동되지 않고 자연흡기 방식으로 운전할 경우 혼합기는 과급되지 않기에 인터쿨러(25)에 연결된 냉각수 펌프(27)가 구동하지 않을 수 있으며, 이와 같이, 수퍼차저(90)가 구동되지 않아서 시스템에서 소비되는 전력이 감소하여 시스템의 효율을 다소 향상시킬 수 있다.
배기 라인 상에는 바이패스 밸브(92)가 열려서 배기가스가 터보차저(20)의 터빈 휠(21)을 회전시키지 않도록 하며, 자연흡기 운전에 따른 배기 저항을 감소시켜 엔진의 출력을 최대한 상승시킬 수 있도록 운전 조건을 구성할 수 있다.
2. 수퍼차저로 과급하여 운전할 경우
저압식(2.5kPa) 도시가스를 공급받아 구동하는 엔진 시스템으로 제2 조건, 예를 들어, 엔진 회전수 약 1600rpm 이하 및 자연흡기 출력 약 80% 이상인 조건에서는 수퍼차저(90)를 구동하여 회전수를 점차 증가하며 자연흡기 방식에서 과급방식으로 전환하여 운전하도록 한다.
즉, 자연흡기 방식에서 과급 방식으로 전환하여 운전하며, 이때, 과급된 혼합기는 제2 체크밸브(93)로 인해 흡입단으로 역류되지 않고 인터쿨러(25)에서 냉각되어 엔진(30)으로 공급될 수 있다.
수퍼차저(90)는 회전수가 70Krpm까지 가변하면서 엔진(30)에 공급되는 과급량을 제어할 수 있다.
이렇게 과급된 혼합기는 고온/고압의 혼합기 상태에서 인터쿨러(25)로 공급되며, 인터쿨러(25)에서 저온 또는 중온/고압의 상태로 변환되어 엔진(30)에 공급될 수 있다.
엔진(30)에서 연소 후 배기가스 열교환기(60)를 거치 약 600도의 배기가스는 냉각수와 열교환되어 약 70도로 토출되어 외기로 배기될 수 있다.
자연흡기 운전에 관해 자연흡기 엔진에서 최대 80% 이상의 출력을 요구하게 될 경우 그 이상의 출력을 수퍼차저(90)를 이용하여 엔진을 구동함으로써 상대적으로 낮은 엔진 회전수(예를 들어, 600 내지 1750 rpm 부근)에서 높은 엔진 출력을 얻을 수 있다.
3. 터보차저로 과급하여 운전할 경우
저압식(2.5kPa) 도시가스를 공급받아 구동하는 엔진 시스템으로 약 1600rpm 이상 조건에서는 바이패스 밸브(92)를 제어하여 터보차저(20)가 구동되는 조건으로 엔진(30)을 구동함으로 엔진의 출력을 향상할 수 있다. 일반적으로, 터보차저(20)의 부스팅(Boosting) 효과는 약 1600rpm 전후부터 효과가 나타난다.
엔진 회전수 상승에 따라 터보차저(20) 구동시 바이패스 밸브(92)를 닫아서 터보차저(20) 터빈 휠(21)로 고온/고압의 배기가스가 모두 유입되도록 함으로써 터보차저(20)를 이용하여 혼합기를 과급할 수 있게 된다.
하지만, 터보차저(20) 사양에 따라 너무 높은 과급량으로 흡입압력이 향상하게 될 경우, 터보차저(20)를 보호하기 위해 바이패스 밸브(92)를 열어서 배기 유량을 일부를 바이패스하여 과급량이 감소하게 할 수도 있다.
터보차저(20) 구동으로 혼합기는 고온/고압으로 과급하게 되는데, 혼합기가 고온일 경우 유체의 밀도가 높아져 연소 효율이 낮아지게 된다. 따라서 이때 인터쿨러(25)를 동작함으로 과급된 혼합기를 저온 또는 중온 고압의 혼합기로 변환하여 엔진(30)에 공급하여 엔진의 출력이 향상될 수 있도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 수퍼차저(90)만 구동시 최대 1750rpm까지, 터보차저(20)만 구동시 1600rpm부터 과급에 따른 효과를 볼 수 있어, 수퍼차저(90)와 터보차저(20)를 병렬로 사용하여 엔진의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 엔진 시동 후 약 1650rpm까지는 수퍼차저(90)만으로 구동하여 자연흡기 대비 엔진의 출력 및 효율을 증가될 수 있도록 운전하며, 이후 배기 바이패스 밸브(92)를 닫아서 터보차저(20)가 원활하게 동작될 경우, 수퍼차저(90)의 회전수를 점차 감소하여 과급기의 구동을 터보차저(20)만으로 전환하여 제어하도록 할 수 있다.
이후 엔진 운전영역은 모두 터보차저(20)로 운전하여 터보 과급기에 따른 엔진 출력 및 효율을 향상시킬 수 있다.
터보차저(20)로 운전 시에 엔진 운전 영역이 점차 감소할 경우 일정 회전수에 도달 시 엔진 운전영역에 따라 수퍼차저(90)를 추가적으로 구동하여 엔진 출력을 보합되게 운전할 수 있다.
이때, 배기측 바이패스 밸브(92)를 점차 열어서 터보차저(20)의 터빈 휠(21) 측으로 배기가스가 유입되지 않도록 하여 터보차저(20)의 구동력을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 바이패스 밸브(92)가 열림에 따라 수퍼차저(90) 구동 회전수를 보정(감소)제어하여 엔진의 출력을 안정적으로 운전 되도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트 펌프 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 공기는 제로 가버너(12) 및 에어 클리너(14)를 통과하여 믹서(16)로 유입되고, 이 믹서(16)에서 연료와 공기가 혼합된 혼합기는 흡입 통로(24)를 통하여 엔진 흡기부(32) 측으로 공급될 수 있다.
이때, 흡입 통로(24)에는 양측으로 분기되어 일측은 터보차저(20)에 연결되고 타측은 수퍼차저(90)에 연결되는 분기 통로(23)가 연결될 수 있다.
즉, 이 분기 통로(23)의 일측은 터보차저(20)가 연결되는 제1 경로(97)와 연결되고 분기 통로(23)의 타측은 수퍼차저(90)가 연결되는 제2 경로(96)와 연결될 수 있다.
이후, 이러한 제1 경로(97)에는 제1 체크밸브(94)가 설치되고 제2 경로(96)에는 제2 체크 밸브(93)가 설치되어, 이러한 제1 경로(97) 및 제2 경로(96)를 통하여 혼합기의 흐름을 통제할 수 있다.
이러한 제1 경로(97)와 제2 경로(96)는 다시 하나의 관으로 합쳐져서 인터쿨러(25)를 통과하게 된다.
즉, 터보차저(20) 및/또는 수퍼차저(90)에 의하여 압축되면서 온도가 상승한 공기는 인터쿨러(25)에서 냉각될 수 있다.
이러한 인터쿨러(25)에는 위에서 언급한 바와 같이, 공랭식 또는 수랭식 열교환기(26)가 설치될 수 있다. 수랭식 열교환기가 이용되는 경우에는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 펌프(27)가 구비될 수 있다.
이와 같이, 제1 체크밸브(93) 및 제2 체크밸브(94)의 작동에 의하여 혼합기는 터보차저(20) 및 수퍼차저(90) 중 적어도 어느 하나를 통과하여 압축(과급)되고, 과급 과정에서 상승한 온도는 인터쿨러(25)를 지나면서 일부 냉각되어 ETC 밸브(38)를 통과하여 엔진(30)으로 유입될 수 있다.
엔진(30)의 흡기부(흡기 매니폴드; 32)를 통하여 엔진(30)으로 유입된 혼합기는 엔진(30) 내부에서 연소되고, 이후 연소된 배기 가스는 배기부(배기 매니폴드; 34)를 통하여 중간 배기관(61)으로 배출될 수 있다.
이때, 배기관(61)은 터보차저(20)의 터빈 휠(21)과 연결되어, 중간 배기관(61)을 지나는 배기 가스가 이 터빈 휠(21)을 지나면서 터보자처(20)가 동작할 수 있다.
한편, 중간 배기관(61)에는 배기 바이패스 경로(99)가 구비될 수 있고, 이 배기 바이패스 경로(99)에는 바이패스 밸브(92)가 설치될 수 있다.
따라서, 배기 바이패스 밸브(92)가 열려서 배기 바이패스 경로(99)를 통하여 배기 가스가 배출될 때에는 터보차저(20)의 터빈 휠(21) 측으로는 많은 양의 배기 가스가 지나지 않게 되어 실질적으로 터보차저(20)는 동작하지 않을 수 있다.
이러한 중간 배기관(61) 및 배기 바이패스 경로(99)는 다시 합쳐져서 배기가스 열교환기(60)를 지나게 되고, 이 배기가스 열교환기(60)를 지나는 배기 가스는 배기관(62)을 통하여 배출될 수 있다.
이때, 배기가스 열교환기(60)에는 방열팬(72)이 설치된 방열기(70)가 연결될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
냉각수 펌프(55)에 의하여 순환된 냉각수는 배기가스 열교환기(60)를 통하여 유입관(63)을 거쳐 엔진(30)으로 유입되고, 엔진(30)을 통과한 냉각수는 방열기(70)로 유입된 후 다시 배기가스 열교환기(60)로 흐르도록 냉각수 펌프(55)에 의하여 순환할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 터보차저(20)는 믹서(16)에서 일측으로 분기되고 제1 체크밸브(94)가 설치되는 제1 경로(23)에 설치되고, 수퍼차저(90)는 믹서(16)에서 타측으로 분기되고 제2 체크밸브(93)가 설치되는 제2 경로(96)에 설치될 수 있다.
이러한 상태에서, 본 발명의 실시예에 의하면, 엔진(30)의 회전수가 증가함에 따라, 저 회전수에서는 배기 바이패스 밸브(92)가 열려서 배기 바이패스 경로(99)를 통하여 배기 가스가 배출될 때에는 터보차저(20)의 터빈 휠(21) 측으로는 많은 양의 배기 가스가 지나지 않게 되어 실질적으로 터보차저(20)는 동작하지 않을 수 있다.
이때, 제2 체크밸브(93)를 통하여 제2 경로(96)에 따라 수퍼차저(90)를 통하여 혼합기가 공급될 수 있다. 이후, 제1 체크밸브(94)를 통하여 제1 경로(97)에 따라 터보차저(20)를 통하여 혼합기가 공급될 수 있다.
즉, 엔진(30)의 운전 회전수(rpm)가 증가함에 따라, 엔진(30)의 운전 영역은 수퍼차저를 이용하는 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저를 이용하는 터보차저 과급 운전영역을 포함할 수 있다.
이때, 수퍼차저 과급 운전영역 및 터보차저 과급 운전영역은 엔진(30)의 일부 회전수 영역인 제1 회전수 영역에서 겹칠 수 있다.
이러한 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
즉, 도 5에서는 도 2에서 도시하는 바와 같은 히트 펌프 시스템에 의한 제어 방법을 도시하고 있다.
이하, 도 2 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 설명한다.
먼저, 엔진 정지 상태(S10)에서 엔진 시동(S11)이 이루어지면, 먼저, 자연흡기에 의하여 엔진(30)을 운전하기 시작한다(S12).
이후, 엔진(30) 구동 조건이 제1 조건에 해당되는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 엔진 회전수가 제1 영역(1600 rpm 이하)일 때 및/또는 엔진 출력이 해당 회전수에서 자연흡기 출력 대비 80% 이상인지 판단할 수 있다(S13).
엔진(30)의 구동 조건이 이러한 제1 조건에 해당되면 수퍼차저(90)를 기동할 수 있다(S20). 이때, 엔진 회전수 및/또는 엔진 출력에 따라 수퍼차저(90)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다.
다음, 엔진(30)의 구동 조건이 제2 조건에 해당되는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 엔진 회전수가 제2 영역(1600 rpm 이상)일 때 및/또는 엔진 출력이 해당 회전수에서 자연흡기 출력 대비 80% 이상인지 판단할 수 있다(S21).
이때, 엔진(30)의 구동 조건이 제2 조건에 해당하지 않으면, 위에서와 같이, 엔진 회전수 및/또는 엔진 출력에 따라 수퍼차저(90)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다(S22). 이때, 엔진(30)의 MAP(Manifold Absolute Power) 테이블을 참조하여 수퍼차저(90)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다.
반면, 엔진(30)의 구동 조건이 제2 조건에 해당하면, 엔진의 속도(speed) 및 부하(load)를 판단할 수 있다(S23).
이후, 엔진(30)의 회전수가 제3 영역(1700 rpm 이상)인지를 판단할 수 있다(S24).
이때, 엔진(30)의 회전수가 제3 영역에 있다면, 배기 바이패스 밸브(92)를 닫기 시작한다(S25). 이때, 배기 바이패스 밸브(92)는 시간당 서서히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 매 초당 5%씩 감소시킬 수 있다.
이후, 수퍼차저(90) 회전수 보정을 수행할 수 있다(S26). 이러한 수퍼차저(90) 회전수 보정은 회전수를 증가하는 방향으로 수행될 수 있다. 이때까지는 배기 바이패스 밸브(92)가 완전히 닫히지 않은 상태에서 터보차저(20)는 구동되지 않는 상태일 수 있다.
다음, 배기 바이패스 밸브(92) 닫기가 완료될 수 있다(S27).
그러면, 수퍼차저(90)의 회전수를 점차 감소시킬 수 있다(S28). 예를 들어, 매 초당 5 내지 15%씩 점차 감소시킬 수 있다.
이때, 터보차저(20)는 구동이 시작된 상태일 수 있다. 이와 같이, 수퍼차저(90)와 터보차저(20)는 일정 엔진 회전수 영역에서 동시에 구동될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 수퍼차저(90)와 터보차저(20)가 동시에 구동되는 영역은 1600 내지 1750 rpm의 영역일 수 있다.
이후, 수퍼차저(90)의 운전은 완전히 정지할 수 있다(S30).
다음에, 엔진의 속도(speed) 및 부하(load)를 다시 판단할 수 있다(S31).
이때, 엔진 회전수 및/또는 엔진 출력에 따라 터보차저(20)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다(S32). 이때, 엔진(30)의 MAP(Manifold Absolute Power) 테이블을 참조하여 터보차저(20)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다.
이후, 엔진(30)의 회전수가 특정값, 예를 들어, 1630 rpm 이상이라면(S33), 터보차저(20)의 동작 조건을 정상화(예를 들어, 고정)하여 엔진(30)을 운전할 수 있다(S34).
이때, 엔진 회전수가 1630 rpm 이하로 떨어지면 다시 S12 단계로 복귀하여 자연흡기 운전을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 나타내는 개략도이다.
즉, 도 6에서는 도 4에서 도시하는 바와 같은 히트 펌프 시스템에 의한 제어 방법을 도시하고 있다.
이하, 도 4 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 펌프 시스템의 제어 방법을 설명한다.
먼저, 엔진 정지 상태(S10)에서 엔진 시동(S11)이 이루어지면, 먼저, 수퍼차저(90)를 기동하여 엔진(30)을 운전하기 시작한다(S20-1). 이때, 수퍼차저(90)는 최소 회전수로 구동될 수 있다.
이후, 엔진(30) 회전수가, 예를 들어, 1650 rpm 이상인지를 판단할 수 있다(S21-1).
이때, 엔진(30)의 회전수가 1650 rpm 이상이 아니라면, 엔진 회전수 및/또는 엔진 출력에 따라 수퍼차저(90)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다(S22-1). 이때, 엔진(30)의 MAP(Manifold Absolute Power) 테이블을 참조하여 수퍼차저(90)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다.
이후에, 수퍼차저(90)의 동작조건에 따라, 예를 들어, 수퍼차저(90)의 회전수를 고정하여 정상운전할 수 있다(S22-2).
반면, 엔진(30)의 회전수가 1650 rpm 이상이면, 엔진의 속도(speed) 및 부하(load)를 판단할 수 있다(S23).
이후, 엔진(30)의 회전수가 제3 영역(1700 rpm 이상)인지를 판단할 수 있다(S24).
이때, 엔진(30)의 회전수가 제3 영역에 있다면, 배기 바이패스 밸브(92)를 닫기 시작한다(S25). 이때, 배기 바이패스 밸브(92)는 시간당 서서히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 매 초당 5%씩 감소시킬 수 있다.
이후, 수퍼차저(90) 회전수 보정을 수행할 수 있다(S26). 이러한 수퍼차저(90) 회전수 보정은 회전수를 증가하는 방향으로 수행될 수 있다. 이때까지는 배기 바이패스 밸브(92)가 완전히 닫히지 않은 상태에서 터보차저(20)는 구동되지 않는 상태일 수 있다.
다음, 배기 바이패스 밸브(92) 닫기가 완료될 수 있다(S27).
그러면, 수퍼차저(90)의 회전수를 점차 감소시킬 수 있다(S28). 예를 들어, 매 초당 5 내지 15%씩 점차 감소시킬 수 있다.
이때, 터보차저(20)는 구동이 시작된 상태일 수 있다. 이와 같이, 수퍼차저(90)와 터보차저(20)는 일정 엔진 회전수 영역에서 동시에 구동될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 수퍼차저(90)와 터보차저(20)가 동시에 구동되는 영역은 1600 내지 1750 rpm의 영역일 수 있다.
이후, 수퍼차저(90)의 운전은 완전히 정지할 수 있다(S30).
다음에, 엔진의 속도(speed) 및 부하(load)를 다시 판단할 수 있다(S31).
이때, 엔진 회전수 및/또는 엔진 출력에 따라 터보차저(20)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다(S32). 이때, 엔진(30)의 MAP(Manifold Absolute Power) 테이블을 참조하여 터보차저(20)의 회전수를 가변하여 운전할 수 있다.
이후, 엔진(30)의 회전수가 특정값, 예를 들어, 1630 rpm 이상이라면(S33), 터보차저(20)의 동작 조건을 정상화(예를 들어, 고정)하여 엔진(30)을 운전할 수 있다(S34).
이때, 엔진 회전수가 1630 rpm 이하로 떨어지면 다시 S12 단계로 복귀하여 자연흡기 운전을 수행할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면 수퍼차저(90)와 터보차저(20)의 병렬 구성을 통해 수퍼차저(90)와 터보차저(20) 각각에 따른 최적 성능 운전점에 의하여 엔진(30)을 구동할 수 있다.
또한, 수퍼차저(90)와 터보차저(20) 각각의 운전시 구동되지 않는 과급기로 혼합기가 역류되지 않도록 하여, 모든 운전 영역에서 엔진의 출력 및 효율이 향상될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
20: 터보차저 25: 인터쿨러
30: 엔진 60: 배기가스 열교환기
70: 방열기 90: 수퍼차저

Claims (12)

  1. 히트 펌프 시스템에 있어서,
    공기 조화기의 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축기를 구동하고 흡기부와 배기부를 포함하는 엔진; 및
    연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 상기 엔진의 흡기부 측으로 공급하는 믹서;
    상기 엔진의 배기부와 연결되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈 휠 및 상기 터빈 휠과 회전축으로 연결되고 상기 혼합기를 압축하는 임펠러를 포함하는 터보차저;
    상기 믹서와 상기 엔진의 흡기부 사이에서 상기 터보차저와 병렬로 연결되어 상기 혼합기를 압축하는 수퍼차저;
    상기 터보차저 및 수퍼차저 중 적어도 하나를 통과한 혼합기를 냉각시키는 인터쿨러; 및
    상기 엔진의 배기부에서 상기 터빈휠 후단에 연결되는 배기가스 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터보차저는 상기 믹서에서 일측으로 분기되고 제1 체크밸브가 설치되는 제1 경로에 설치되고, 상기 수퍼차저는 상기 믹서에서 타측으로 분기되고 제2 체크밸브가 설치되는 제2 경로에 설치된 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 믹서로부터 상기 터보차저 및 상기 수퍼차저를 거치지 않고 상기 인터쿨러로 연결되고 제3 체크밸브가 설치되는 제3 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 엔진의 회전수가 증가함에 따라, 제3 체크밸브를 통하여 상기 제3 경로에 따라 상기 혼합기를 공급하고, 이후, 상기 제2 체크밸브를 통하여 상기 제2 경로에 따라 상기 수퍼차저를 통하여 상기 혼합기를 공급하고, 이후, 상기 제1 체크 밸브를 통하여 상기 제1 경로에 따라 상기 터보차저를 통하여 상기 혼합기를 공급하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 운전영역은, 엔진 회전수가 증가함에 따라 자연흡기 영역, 상기 수퍼차저를 이용하는 수퍼차저 과급 운전영역 및 상기 터보차저를 이용하는 터보차저 과급 운전영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수퍼차저 과급 운전영역 및 상기 터보차저 과급 운전영역은 상기 엔진의 일부 회전수 영역인 제1 회전수 영역에서 겹치는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 엔진의 배기부측에서 상기 터보차저의 터빈휠을 거치지 않고 바이패스 하고 바이패스 밸브가 설치되는 배기 바이패스 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
  9. 연료와 공기를 혼합하여 혼합기를 상기 엔진의 흡기부 측으로 공급하는 믹서, 상기 엔진의 배기부와 연결되어 배기가스에 의하여 회전하는 터빈휠 및 상기 터빈휠과 회전축으로 연결되고 상기 혼합기를 압축하는 임펠러를 포함하는 터보차저, 상기 믹서와 상기 엔진의 흡기부 사이에서 상기 터보차저와 병렬로 연결되어 상기 혼합기를 압축하는 수퍼차저, 및 상기 엔진의 배기부측에서 상기 터보차저의 터빈휠을 거치지 않고 바이패스 하고 바이패스 밸브가 설치되는 배기 바이패스 경로를 더 포함하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법에 있어서,
    엔진 회전수가 제1 영역일 때 상기 바이패스 밸브를 열어 자연흡기를 공급하는 단계;
    상기 엔진 회전수가 상기 제1 영역보다 큰 제2 영역일 때 상기 수퍼차저를 기동하는 단계;
    상기 배기 바이패스 경로를 닫는 단계;
    상기 수퍼차저의 회전수를 점차 감소시키는 단계; 및
    상기 엔진 회전수가 상기 제2 영역보다 큰 제3 영역일 때 상기 터보차저를 기동하여 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수퍼차저를 기동한 후에 상기 수퍼차저의 회전수를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2 영역은 상기 제3 영역과 제1 회전수 영역에서 겹치는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 회전수 영역은 1600 내지 1750 rpm인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템의 제어 방법.
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