배기열 회수 시스템

왜 배우는가: 배기열회수시스템은 내연기관의 낮은 열효율을 보완하는 대표 기술이어서 연비 향상과 배출가스 저감을 함께 묻는 문제의 핵심 소재이다. 엔진 열관리와 난방 성능에도 연결되므로 차량 공조·열관리 영역을 이해하는 출발점이 된다.

출제 이력: 제123회 1교시 12번, 제120회 2교시 4번, 제96회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배기열회수시스템(EHRS)은 내연기관 배기가스에 버려지는 열에너지를 회수하여 전기에너지나 크랭크축의 기계에너지로 재이용하는 시스템이다.

배기열회수시스템은 배기가스가 가진 열을 배터리 충전용 전기나 크랭크축에 다시 넣는 기계에너지로 바꾸는 기술이다. 영문으로는 Exhaust Heat Recovery System이라고 부른다. 연소 과정을 바꾸지 않고 배기 쪽에서 에너지를 되찾는다는 점이 특징이며, 같은 연료로 더 많은 에너지를 얻으므로 연비 향상과 배출가스 저감을 함께 노린다. 자동차 제조사들이 효율을 계속 높이고 연료 절감과 배출가스 저감을 추구하는 흐름에서 이 기술의 관심이 커지고 있다.

용어형 답안에서는 정의 문장, 회수 대상인 배기가스 열, 회수 방식의 세 가지를 쓰면 기본 골격이 갖춰진다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 배기열회수시스템(EHRS)
• 폐열 회수
• 랭킨사이클
• 유기랭킨사이클(ORC)
• 열교환기
• 팽창기
• 증기 발생기
• 연비 개선

2. 개념 풀이

배기열회수시스템은 배기가스가 가진 열을 열교환기나 증기 발생기로 작동유체에 전달하고, 가열된 작동유체의 에너지를 팽창기나 발전기로 기계적·전기적 에너지로 되돌리는 장치 구성의 총칭이다. 회수 방식은 열을 기계 에너지로 바꾸는 방식, 열을 전기로 직접 바꾸는 방식, 냉각수를 데워 열관리에 쓰는 방식으로 나눌 수 있다. 이 셋은 회수한 에너지의 형태가 다르므로 답안에서는 방식별로 구분해 쓴다.

원리는 다음과 같다. 내연기관은 연료가 가진 에너지를 일로 바꾸는 효율이 낮다. 공급 에너지의 40~45%만 기계적 일로 바뀌고 나머지는 대부분 열로 바뀌어 냉각수와 배기가스를 통해 환경으로 빠져나간다. 이 열을 다시 일이나 전기로 바꾸면 엔진 전체의 에너지 이용률이 높아지는 것이 이 시스템의 원리이다.

가장 대표적인 방식은 랭킨사이클이다. 배기관 안에 설치한 증기 발생기에서 가압된 물이 배기 열을 받아 증기로 바뀌고, 이 증기가 팽창기를 구동한다. 팽창기는 터빈이나 피스톤 형식이며, 크랭크축에 직접 연결되거나 발전기를 돌려 전기를 만든다. 물을 쓰는 증기 랭킨사이클은 고온·대용량 열원에 적합하지만, 소형 시스템에서는 비용이 커서 불리하다. 저온 열원에서는 물보다 끓는점이 낮은 유기 매체를 쓰는 유기랭킨사이클(ORC)이 효율이 높다. 산업 폐열 분야에서는 100~400℃ 범위의 저급 열원을 회수하는 데 쓰인다.

배기열은 열을 일로 바꾸는 사이클로 회수되며, 그 대표가 랭킨사이클이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 열교환기: 배기가스와 냉각수 또는 작동유체가 벽면을 사이에 두고 열만 주고받는 장치이다. 두 유체가 직접 섞이지 않는 것이 기본 구조이다.
• 증기 발생기: 배기관에 설치되어 작동유체를 가열하고 증발시키는 장치이다.
• 폐열 회수: 버려지는 열을 다시 쓰는 행위를 가리키며, 배기열회수는 이 중 배기가스 열을 대상으로 하는 것이다.

배기열을 기계 일을 거치지 않고 곧바로 전기로 바꾸는 방식도 있다. 열전소자는 고온부와 저온부의 온도차로 전압을 만들며, 열전모듈을 냉각수에 담가 배기 열을 받는 구조가 중량 차량 연구에서 제시되어 있다. 또 배기가스를 터빈으로 팽창시키는 역브레이턴 사이클도 소형 자동차 엔진의 배기열 회수 방법으로 연구되고 있다. 이처럼 같은 배기열이라도 회수 방식에 따라 얻는 에너지 형태가 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

배기열회수시스템이 필요해진 첫 배경은 내연기관의 낮은 열효율이다. 내연기관은 공급된 연료 에너지를 기계적 일로 바꾸는 비율이 낮아 연소 에너지의 상당 부분을 열로 버린다. 그중 많은 부분이 배기가스로 빠져나며, 연소 에너지의 약 30%가 배기가스 열로 배출된다는 자료가 있어 배기가스는 주요 폐열원으로 주목받았다.

연비와 배출가스에 대한 요구가 커진 것도 배경이다. 배기열을 회수하면 같은 연료로 더 많은 일을 얻으므로 연료 사용량이 줄고, 연료가 줄면 배출가스도 함께 줄어든다. 자동차 제조사들이 효율을 계속 높이는 흐름에서 연비와 배출가스 저감을 동시에 만족하는 수단으로 이 기술이 주목받고 있다.