KR100422739B1 - 차량 엔진의 연료 예열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발유를 연료로 사용하는 차량에서 엔진에 공급되는 연료를 예열하여 연소 효율과 연비를 향상시키고 매연을 감소시키는 장치에 관한 것으로서, 본 발명은 냉각수를 사용하여 연료를 가열하고 가열된 연료 중 엔진에 분사되고 남은 부분을 연료 탱크로 바로 피드백 시키지 않고 탱크에서 새로 공급되는 연료와 혼합하여 다시 엔진에 공급함으로써 연료 탱크의 과열로 인한 위험을 방지하고 연료에 기포가 발생하는 문제를 방지하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 장치는 기존의 차량의 구조를 크게 변경하지 않고 용이하게 장착될 수 있는 장점이 있다.

Description

차량 엔진의 연료 예열 장치 {FUEL PREHEATING APPARATUS FOR AUTOMOBILE ENGINE}

본 발명은 차량용 휘발유 엔진에 사용되는 연료 예열 시스템에 관한 것으로서 특히 엔진의 냉각수를 이용하여 연료를 가열하여 엔진에 공급하고 가열된 연료 중 엔진 연소실 내로 분사되지 않고 남은 부분을 연료 탱크로 보내지 않고 재순환시켜 다시 엔진으로 공급하는 장치에 관한 것이다.

차량용 휘발유 엔진은 연료 탱크부터 연료 펌프에 의해서 연료 필터로 연료를 공급하고, 필터를 통과한 휘발유가 기화기 또는 분사기를 사용하여 공기와 함께 연소실 내로 분사되어 연소되는 방식을 사용한다. 이때 연료의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 연소실 내로 분사되는 연료의 기화가 지연되어 액체 상태로 남는 부분이 생겨 연료가 불완전 연소되어 연비가 떨어지고, 매연이 증가하며, 진동 및 소음이 증가하는 문제가 있었다.

그리하여 연료를 엔진에 공급하기 전에 예열하여 연소 효율을 높이려는 기술적 시도가 있어왔다. 실용신안등록 제231924호에는 엔진 냉각수를 이용하여 연료를 예열하는 방법을 제시하고 있고, 실용신안등록 300193호에는 전기 히터에 의해서 연료를 예열하는 기술이 제시되어 있다. 그 외에도 실용신안등록 138315호는 전기극성 변화를 이용하여 연료를 냉각 및 가열하는 기술을 제시하고, 공개실용신안 1999-5666호는 흡기 공기를 가열하는 기술을 제시하고 있다. 그 밖에도 공개특허공보 2003-4453호에는 배기 가스를 이용하여 연료를 예열하는 방법을 제시하고 있다.

휘발유를 사용하는 차량의 연료 계통은 연료 탱크에 부착된 연료 펌프가 일정량의 연료를 연료 필터로 공급하고, 연료 필터를 통과한 연료 중 일부는 기화기 또는 분사기를 사용하여 연소실로 분사되고 나머지 연료는 다시 연료 탱크로 되돌려 보내는 방식을 사용하고 있다. 연료를 가열하여 엔진에 공급하고 남은 연료를 연료 탱크로 되돌려 보내면 연료 탱크 내의 연료가 가열되어 기화되는 문제가 발생한다. 특히 휘발유의 경우에는 기화점이 낮으므로 가열된 연료가 지속적으로 연료탱크에 유입되면 연료에 기포가 발생하여 엔진 가동이 중단되거나 기화 가스가 폭발할 수 있는 위험이 있다.

종래의 연료 예열 기술들은 연료의 가열 방식만을 고려할 뿐 가열된 연료가 연료 탱크로 회귀하여 발생하는 기술적 문제와 위험성에 대하여 고려하지 못하고 있다. 그러나 위에서 설명한 이유로 연료 예열 장치를 실제 차량에 장착하여 사용하기 위해서는 엔진에서 복귀되는 가열된 연료가 연료 탱크로 들어가지 않고 처리되도록 하는 것이 필수적으로 요구된다.

본 발명은 종래의 차량 연료 예열 장치를 개선하여 효과적으로 차량 엔진에 공급되는 연료를 기화되기에 적절한 온도로 가열하는 한편, 엔진에서 연소되지 않은 가열된 연료를 연료 탱크로 회귀시키지 않고 다시 엔진으로 재순환시켜 연료 탱크의 과열을 방지하는 연료 예열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 가열기의 사시도.

도 2는 도 1의 연료 가열기의 내부 구성을 보여주는 부분 절개도.

도 3은 본 발명에 따른 연료 공급 및 가열 계통의 개념도.

도 4는 본 발명에 따른 연료 재순환 장치의 계통도.

도 5A 및 도 5B는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 제작된 연료 재순환 장치의 사시도 및 투시 평면도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 예열 시스템의 구체적 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 연료 가열기(10)의 사시도이다. 본 발명의 연료 가열기(10)는 엔진 냉각수를 사용하여 연료를 가열하는 방식을 사용한다. 엔진에서 가열된 냉각수가 가열기 몸체(11)의 한편에 형성된 냉각수 입구(12)를 통하여유입되고 반대편의 냉각수 출구(13)를 통하여 배출되어 엔진으로 되돌아간다. 연료는 연료 인입구(14)를 통하여 유입되어 몸체(11) 내부에 설치된 나선형 가열관을 통과하면서 가열되어 연료 배출구(15)로 배출된다.

도 2는 연료 가열기(10)의 내부 구성을 보여주는 부분 절개도이다. 몸체(11) 내부에는 몸체 중심축을 따라 냉각수 입구(12)로부터 냉각수 출구(13)까지 연장되는 원통형 철망(16)이 설치되어 있다. 원통형 철망(16)은 냉각구 입구(12)로부터 출구(13)까지 유동하는 냉각수의 유동로를 형성하는 한편 냉각수가 철망 외측에 권취된 가열관(17)과 원활하게 균일하게 열교환을 할 수 있도록 한다. 원통형 철망(16) 외측에는 가열관(17)이 나선형으로 권취되어 있는데, 가열관의 한 단부는 연료 인입구(14)와 연결되어 있고, 다른 단부는 연료 배출구(15)에 연결되어 있다. 연료 인입구(14)로 유입된 연료는 나선형 가열관(17)을 통과하면서 가열기 몸체(11) 내를 흐르는 냉각수와 열교환을 하면서 가열된다. 효과적 열교환을 위해서 통상 연료 인입구(14)와 냉각수 입구(12)는 도시된 바와 같이 서로 반대편에 위치하는 것이 바람직한데, 그 이유는 열을 교환하는 유체간의 온도차를 되도록 작게 하면 열교환 효율이 높아지기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량 연료 계통을 보여주는 개념도이다. 본 개념도는 휘발유 엔진을 사용하는 차량의 예를 보여준다. 연료 탱크(20)에는 연료가 채워져 있고 통상 연료 탱크와 일체로 또는 인접하여 연료 펌프(21)가 장착되어 있다. 펌프에서 공급되는 연료는 도관(22)을 통하여 연료 필터(23)로 보내진다. 연료 필터(23)를 통과한 연료는 본 발명에 따른 연료 재순환 장치(30)의 필터 측 입구(31)로 들어가 일부는 기화기(25)로부터 되돌아와 피드백 입구(34)로 유입되는 가열된 연료와 혼합되어 가열기 측 출구(33)로 배출된다. 필터 측 입구(31)로부터 유입되어 가열기 측 출구(33)로 배출되지 못한 연료는 피드백 출구(32)를 통하여 배출되어 유도관(27)을 통하여 연료 탱크(27)로 되돌아간다. 연료 재순환 장치의 구체적 구성과 동작은 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다. 연료 재순환 장치의 출구(33)로 배출된 연료는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 연료 가열기(10)의 연료 인입구(14)로 들어가 냉각수에 의해서 가열되어 연료 배출구(15)로 배출된다. 연료 가열기(10)의 냉각수 입구(12) 및 냉각수 출구(13)는 차량의 냉각수 순환 계통에 연결되어 냉각수를 공급받는다. 가열기는 휘발유를 최소 40^oC 이상으로 가열하는 것이 바람직하다. 휘발유의 온도가 이보다 낮으면 연료가 기화하는데 필요한 증발잠열을 외부로부터 흡수하여야 하므로 기화하는데 시간이 지연되거나 연료가 액체 상태로 존재하여 엔진의 고속 회전시 공기와의 혼합비율이 저하될 수 있다. 반면에 연료가 적절한 온도로 예열되면 연료 입자가 미세하게 분해되어 공기와 혼합이 잘 이루어지고 완전 연소가 유도되어 매연이 감소되고 출력이 증대되는 효과가 있다.

연료 배출구(15)에서 배출된 연료는 유도관(24)을 통하여 엔진의 기화기(25)에 제공되고 기화기는 연료를 기화시키고 공기와 혼합하여 연소실로 주입하게 된다. 한편 연료 분사식 엔진에서는 기화기 대신 연료 분사기(25)가 사용되나 어느 것을 사용하더라도 본 발명의 원리 및 구성이 동일하게 적용될 수 있음이 자명하다. 가열기(10)에 의하여 가열되어 엔진에 공급되는 연료의 전량이 연소되지 못하고 일부는 분기관(26)을 통하여 연료 재순환 장치(30)의 피드백 입구(34)로 유입된다.

피드백 입구(34)로 유입되는 연료는 가열기에 의해서 가열된 고온 상태이므로 피드백 되는 연료가 바로 연료 탱크(20)로 들어가면 전술한 바와 같은 연료 탱크 과열의 문제가 발생한다. 따라서 본 발명은 엔진으로부터 피드백되는 연료의 전량을 필터 측 입구(31)로부터 공급되는 차가운 연료와 혼합하여 가열기 측 출구(33)로 배출한다. 그리하여 본 발명에 따른 장치는 가열된 연료를 연료 탱크로 되돌려 보내지 않고 엔진 측으로 재순환시키게 된다. 본 발명에 따르면 연료 가열기에 공급되는 연료 중 일부가 이미 가열된 상태로 공급되므로 비교적 작은 용량의 연료 가열기를 사용하더라도 효과적으로 연료를 가열할 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료 재순환 장치의 구성 및 작용을 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 연료 재순환 장치의 내부 계통도이다. 엔진으로부터 피드백 입구(34)로 유입되는 가열된 연료는 화살표 방향을 따라 필터 측 입구(31)로부터 유입되는 연료와 혼합 지점(37)에서 혼합되어 가열기 측 출구(33)로 배출된다. 필터 측 입구(31)로 유입되는 연료 중 엔진에 공급되는 연료량을 초과하는 양은 제1 압력 조절 밸브(35)를 통해서 피드백 출구(32)로 배출되어 연료 탱크로 되돌아간다. 피드백 입구(34)로 유입되는 가열된 연료의 온도와 압력이 적정 수준 이상인 경우 이를 다시 가열기로 재순환시키면 연료의 과열이 발생할 우려가 있으므로 본 발명에서는 피드백 되는 연료의 온도와 압력에 따라 이를 가열기 측으로 재순환시키지 않고 제2 압력 조절 밸브(36)를 통하여 연료 탱크로 배출시킬 수도 있도록 하였다. 또한 제2 압력 조절 밸브는 피드백되는 연료에 포함된 기포를 제거하는 역할을 한다. 엔진에서 피드백되는 연료에서 기포가 제거되지 않으면 연료 가열기에서 가열시 기포가 더욱 증가하여 엔진 운전에 이상을 일으킬 위험이 높다.

도 5A 와 도 5B는 도 4와 같은 연료 재순환 장치를 3차원 블록 형태로 구성한 하나의 실시예를 보여준다. 도 5A는 본 발명의 실시예에 따른 연료 재순환 장치의 사시도이고 도 5B는 동일한 장치의 평면 투시도이다. 도 5A에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 연료 재순환 장치는 대체적으로 직육면체 형태로 되어 있는데 하부는 연료 통로가 형성된 블록(41)으로 되어 있고, 상부에는 풀 형태의 연료 수용 공간이 형성되어 있다. 하부 블록에는 필터 측 입구(31), 가열기 측 출구(33) 및 피드백 입구(34)가 형성되어 있고, 이들은 도 5B에 점선으로 도시된 바와 같은 연료 통로에 의하여 상호 연결되어 있다. 상부 수용 공간에는 필터 측 입구(31)와 연결되는 연료 통로로부터 수용 공간으로 연료를 통과시키는 제1 압력 조절 밸브(35)가 설치되어 있고, 피드백 입구(34)와 연결되는 연료 통로로부터 수용 공간으로 연료를 통과시키는 제2 압력 조절 밸브(36)가 설치되어 있다. 수용 공간의 윗면은 연료를 밀폐하는 커버(38)가 덮여 있고 커버에는 제1 및 제2 압력 조절 밸브(35, 36) 상단의 압력 조절 레버를 노출시키기 위한 구멍(39)이 형성되어 있다. 제1 압력 밸브와 제2 압력 밸브는 하부 블록(40)의 연료 통로로부터 상부 수용 공간의 일방으로만 연료를 통과시키도록 구성되어 있고 커버 위로 노출된 압력 조절 레버를 돌려서 외부에서도 통과 압력을 조절할 수 있다. 상부 수용 공간의 측벽에는 피드백 출구(32)가 형성되어 있는데, 제1 압력 조절 밸브(35) 및 제2 압력 조절 밸브(36)를 통하여 하부의 연료 통로로부터 수용 공간으로 분출된 연료가 피드백 출구(32)를 통하여 연료 탱크로 회귀한다.

엔진으로부터 피드백 입구(34)로 유입된 가열 상태의 연료는 그 압력이 소정 수준 이상인 경우에만 제2 압력 조절 밸브를 통하여 상측 수용 공간으로 분출되고 그렇지 않은 통상의 경우에는 모두 필터 측 입구(31)로부터 유입되는 찬 연료와 혼합 지점(37)에서 혼합되어 가열기 측 출구(33)로 배출된다. 연료 펌프에 의해서 필터 측 입구(31)로 유입되나 가열기 측 출구(33)로 배출되지 못한 연료는 제1 압력 조절 밸브(35)를 통과하여 수용 공간으로 분출되어 피드백 출구(32)를 통해서 연료 탱크로 되돌아간다. 이와 같이 도 4에 도시된 연료 흐름 계통과 도 5A 및 도 5B의 구성은 상호 동일한 것임을 알 수 있다.

이상 본 발명의 내용이 실시예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시예는 본 발명의 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구의 범위에 기재된 사항과 그 균등영역을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

예들 들어, 본 발명의 실시예서는 연료 재순환 장치를 연료 필터와 연료 가열기 사이에 배치한 구성을 예시하였으나 본 발명의 원리 및 범위 내에서 연료 재순환 장치를 연료 탱크와 연료 필터 사이에 설치할 수도 있음을 본 발명이 속하는 분야의 기술자라면 자명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 실시예는 냉각수를 이용한 연료 가열기를 예시하였으나, 배기 가스 또는 전기 히터를 사용하여 연료를 가열하는 공지의 기술을 적용할 수도 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 차량의 연료를 예열함으로써 연소 효율을 높이고 매연을 감소시키는 효과가 있다. 또한 본 발명은 가열된 연료를 연료 탱크로 피드백 시키지 않고 이를 다시 연료 가열기로 제공함으로써 연료 탱크 과열로 인한 위험과 기포 발생 등의 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 장치는 가열 연료 재순환 방식을 사용하여 연료 가열 효율이 높고, 기존의 디젤 차량의 구조를 크게 변경하지 않고 간단하게 장착될 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 휘발유 엔진을 탑재한 차량의 연료 계통에 장착되어 엔진에 공급되는 연료를 예열하는 장치에 있어서,

   연료 필터로부터 공급되는 연료와 상기 엔진으로부터 복귀되는 가열된 연료를 혼합하여 연료 가열기로 공급하고, 상기 연료 필터로부터 공급된 연료 중 일부를 연료 탱크로 돌려보내는 연료 재순환 장치; 및

   상기 연료 재순환 장치로부터 공급받은 연료를 가열하여 엔진의 기화기 또는 연료 분사기로 공급하는 연료 가열기를 포함하고,

   상기 연료 재순환 장치가 상기 연료 필터로부터 공급되는 연료의 일부를 상기 연료 탱크로 되돌려 보내는 제1 압력 조절 밸브와 상기 엔진으로부터 돌아오는 연료의 압력이 소정 얍력 이상인 경우 이를 상기 연료 탱크로 바이패스 시키는 제2 압력 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 차량 연료 예열 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 가열기가 엔진의 냉각수를 이용하여 연료를 가열하는 것을 특징으로 하는 차량 연료 예열 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 가열기에 의하여 가열된 연료의 일부가 상기 기화기 또는 연료 분사기에 의하여 상기 엔진의 연소실로 분사되고 나머지 연료는 상기 연료 재순환 장치로 피드백 되는 것을 특징으로 하는 차량 연료 예열 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 재순환 장치가 상기 연료 탱크에 설치된 연료 펌프로부터 직접 연료를 공급받고 상기 연료 필터가 상기 연료 재순환 장치와 상기 연료 가열기 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 차량 연료 예열 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 가열기가 연료를 40^oC 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 차량 연료 예열 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 연료 가열기가 상기 엔진으로부터 냉각수가 유입되는 냉각수 입구 및 냉각수가 배출되는 냉각수 출구를 포함하고, 상기 냉각수 입구 및 상기 냉각수 출구 사이에 원통형 철망이 설치되고 상기 원통형 철망 주위로 나선형으로 설치된 가열관으로 연료가 통과하는 것을 특징으로 하는 차량 연료 예열 장치.