KR100559837B1 - a mutual aid system of fuel feeding system and air conditioning system for CNG vehicles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축천연가스 자동차의 연료공급장치와 냉방장치의 상호 보완 시스템에 관한 것으로, 연료공급장치의 레귤레이터(4)와 연료량조절밸브(7)의 사이에 상기 레귤레이터(4)로부터 저온의 연료가스가 유입되는 열교환기(17)가 설치되고, 이 열교환기(17)에는 냉방장치의 압축기(11)로부터 고온의 냉매가스가 유입되어 상기 레귤레이터(4)로부터 유입된 저온의 연료가스와 열교환하여 응축된 뒤 팽창밸브(13)로 흐르며, 상기 저온의 연료가스는 고온의 냉매가스에 의해 가열되어 연료량조절밸브(7)로 흐르도록 구성된다.The present invention relates to a complementary system of a fuel supply device and a cooling device of a compressed natural gas vehicle, wherein a low temperature fuel gas is discharged from the regulator 4 between the regulator 4 and the fuel amount control valve 7 of the fuel supply device. Is provided with a heat exchanger (17), and the heat exchanger (17) receives a high temperature refrigerant gas from the compressor (11) of the air conditioner and exchanges heat with the low temperature fuel gas introduced from the regulator (4). After the flow to the expansion valve 13, the low temperature fuel gas is heated by the high temperature refrigerant gas is configured to flow to the fuel amount control valve (7).
따라서, 연료공급장치와 냉방장치가 상호간의 열 관계를 보완적으로 이용할 수 있는 열교환기(17)를 공유하게 됨으로써 열교환기의 수가 줄어들게 되고, 저온의 연료가스에 의한 응축성능이 향상되어 냉각용 팬의 수나 용량을 줄일 수 있게 됨으로써 장치의 구성에 비용이 적게 소모되고, 엔진룸내의 공간확보가 용이하게 되는 효과가 있다.Therefore, the number of heat exchangers is reduced by sharing the heat exchanger 17 that the fuel supply device and the air conditioner can complement each other's thermal relationship, and the condensation performance by the low-temperature fuel gas is improved, thereby cooling the fan. By reducing the number and capacity of the components, the cost of the device is reduced, and the space in the engine room can be easily secured.
아울러, 응축성능의 향상으로 인해 냉방장치의 전반적 냉방성능도 향상될 수 있게 된다.In addition, the overall cooling performance of the cooling device can also be improved due to the improvement of the condensation performance.
연료공급장치, 냉방장치, 열교환기,Fuel supply, air conditioner, heat exchanger,
Description
도 1은 종래 압축천연가스 자동차의 연료공급장치의 구성도,1 is a configuration diagram of a fuel supply device of a conventional compressed natural gas vehicle;
도 2는 종래 압축천연가스 자동차의 냉방장치의 구성도,2 is a configuration diagram of a cooling apparatus of a conventional compressed natural gas vehicle;
도 3은 본 발명에 따른 연료공급장치와 냉방장치의 상호 보완 시스템의 구성도,3 is a configuration diagram of a complementary system of a fuel supply device and a cooling device according to the present invention;
도 4는 본 발명에 사용되는 열교환기의 개략 측면도,4 is a schematic side view of a heat exchanger used in the present invention;
도 5는 본 발명에 사용되는 열교환기의 세부 구성을 나타내는 일부 절개 사시도,5 is a partially cutaway perspective view showing a detailed configuration of a heat exchanger used in the present invention,
도 6은 도 3의 구성도에 열교환기와 바이패스관을 각각 통과한 연료가스가 섞이는 확장공간이 형성된 상태를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a view illustrating a state in which an expansion space in which fuel gas passing through a heat exchanger and a bypass pipe are mixed is formed in the configuration diagram of FIG. 3.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 : 전자제어유니트, 2 : 가스탱크,1: electronic control unit, 2: gas tank,
3 : 록밸브, 4 : 레귤레이터,3: lock valve, 4: regulator,
5 : 열교환기, 6 : 써모스탯,5: heat exchanger, 6: thermostat,
7 : 연료량조절밸브, 8 : 믹서,7: fuel control valve, 8: mixer,
9 : 스로틀밸브, 10 : 흡기매니폴드,9: throttle valve, 10: intake manifold,
11 : 압축기, 12 : 증발기,11: compressor, 12: evaporator,
13 : 팽창밸브, 14 : 콘덴서,13: expansion valve, 14: condenser,
15 : 팬, 16 : 블로어,15: fan, 16: blower,
17 : 열교환기, 18 : 유로조절밸브,17: heat exchanger, 18: flow control valve,
19 : 바이패스관, 20 : 온도감지센서,19: bypass tube, 20: temperature sensor,
21 : 확장공간.21: expansion space.
본 발명은 압축천연가스 자동차의 연료공급장치와 냉방장치에 관한 것으로, 특히 연료공급장치에서 연료의 가열과 냉방장치에서 냉매의 응축이 상호 보완적으로 이루어질 수 있도록 된 압축천연가스 자동차의 연료공급장치와 냉방장치의 상호 보완 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel supply device and a cooling device for a compressed natural gas vehicle, and more particularly, to a fuel supply device for a compressed natural gas vehicle, in which a condensation of a refrigerant is complementary to a heating and cooling device of a fuel in a fuel supply apparatus. And a complementary system of cooling systems.
자동차 배기가스에 의한 대기오염이 심화되면서, 배기가스 내에 매연 및 NOX 등 유해성분의 함량이 적은 천연가스 자동차(NGV ; Natural Gas Vehicle)의 사용이 증가하고 있으며, 연료의 사용 형태에 따라 압축된 천연가스를 사용하는 압축천연가스(CNG) 자동차, 액화상태의 천연가스를 사용하는 액화천연가스(LNG) 자동차, 그리고 천연가스를 연료용기에 흡착, 저장하였다가 사용하는 흡착천연가스(ANG) 자동 차로 구분된다.As the air pollution caused by automobile exhaust gas enrichment, exhaust soot and NO X, such as low content of the harmful components of natural gas vehicles within; the increasing use of (NGV Natural Gas Vehicle) and which, compressed in accordance with the use aspect of the fuel Compressed natural gas (CNG) vehicles using natural gas, liquefied natural gas (LNG) vehicles using natural gas in liquefied state, and adsorption natural gas (ANG) automatic used by absorbing and storing natural gas in fuel containers It is divided into cars.
그 중 상기 압축천연가스 자동차의 연료공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 압축천연가스가 보관되어 있는 가스탱크(2)와, 이 가스탱크(2)의 록밸브(3), 가스탱크(2)로부터 공급된 연료가스의 압력을 감압(200bar에서 8bar로)하는 레귤레이터(4), 가열된 엔진 냉각수를 이용하여 연료가스의 온도를 높여 주는 열교환기(5), 열교환기(5)로부터 배출된 연료가스의 온도가 지나치게 높을 경우 열교환기(5)로의 냉각수 유입을 차단하여 연료가스의 온도를 일정 수준 이하(약 40℃)로 유지해 주는 써모스탯(6), 연료의 공급량을 조절하는 연료량조절밸브(7), 에어클리너를 통해 유입된 외기와 연료가스가 혼합되는 믹서(8), 믹서(8)에서 혼합된 혼합기의 양을 조절하는 스로틀밸브(9) 및, 스로틀밸브(9)를 통과한 혼합기를 각 연소실 쪽으로 분배해주는 흡기매니폴드(10)로 이루어진다.Among them, the fuel supply device of the compressed natural gas vehicle includes a
따라서, 운전자의 키이 조작으로 시동신호가 전자제어유니트(1)에 입력되면, 전자제어유니트(1)는 상기 록밸브(3)를 열어 연료가 공급될 수 있도록 하며, 이후에는 레귤레이터(4)→열교환기(5)→써모스탯(6)→연료량조절밸브(7)→믹서(8)→스로틀밸브(9)→흡기매니폴드(10)를 순차적으로 거쳐 연소실로 공급된다.Therefore, when the start signal is input to the
한편, 압축천연가스 자동차의 냉방장치는 일반 자동차의 그것과 같은 바, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 동력으로 냉매가스를 압축하는 압축기(11), 압축기(11)에서 유입된 고온고압 가스를 팬(15)에 의해 공급되는 외기와 열교환시켜 중온고압의 액체로 상변화시키는 응축기(12), 응축기(12)에서 유입된 중온고압 액체를 작은 구멍을 통해 분사하여 급격히 팽창시킴으로써 저온저압의 안개상태로 변화(무화)시키는 팽창밸브(13), 팽창밸브(13)에서 유입된 저온저압 무상의 냉매를 블로어(16)에 의해 공급되는 공기(내기 또는 외기)와 열교환시켜 저온저압의 가스상태로 만드는 증발기(14)로 이루어지며, 증발기(14)를 거친 저온저압의 가스냉매는 다시 상기 압축기(11)로 유입되어, 동일한 경로를 순환하게 된다.On the other hand, the cooling device of the compressed natural gas vehicle is the same as that of a general vehicle, as shown in Figure 2, the high-temperature high-pressure gas introduced from the
이때, 상기 증발기(14)를 통과하면서 무상 냉매에 증발열을 제공하여 저온상태로 된 찬 공기가 실내로 공급됨으로써 냉방작용이 이루어진다.At this time, the
이상 설명한 바와 같이, 상기 연료공급장치와 냉방장치는 각각 레귤레이터(4)에서 감압되면서 저온상태(0 ~ - 3℃)로 변화한 연료가스를 데워주는 열교환기(5)와, 압축기(11)에서 유입되는 고온(약 70℃)고압의 냉매가스를 식혀주는 열교환기인 응축기(12)를 갖추고 있다.As described above, the fuel supply device and the cooling device, respectively, in the heat exchanger (5) and the compressor (11) for warming the fuel gas changed to a low temperature state (0 ~-3 ℃) while decompressing in the regulator (4) It is equipped with a
즉, 연료공급장치는 가열용의 열교환기가 필요하고, 냉방장치는 냉각용의 열교환기를 일 구성요소로 하고 있다.That is, the fuel supply device requires a heat exchanger for heating, and the air conditioner has a heat exchanger for cooling as one component.
따라서, 상기 연료공급장치와 냉방장치는 각각의 열교환기를 공용화할 수 있음에도 불구하고, 각 장치가 별도의 열교환기를 사용하고 있으므로, 장치의 구성과 비용 문제에 있어 비효율적이며, 또한 상기 장치들이 모두 엔진룸내에 설치되는 것임에 비추어 볼 때 엔진룸내의 공간 활용에도 이롭지 못한 문제점이 있게 된다.Therefore, although the fuel supply device and the air conditioner can use each heat exchanger in common, since each device uses a separate heat exchanger, it is inefficient in terms of configuration and cost of the device, and the devices are all in the engine room. In view of being installed inside, there is a problem that does not benefit the space utilization in the engine room.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료공급장치와 냉방장치의 열교환기를 상호 보완적으로 이용함으로써 열교환기와 응축기 냉각용 팬의 수가 줄어들고, 이에 따라 비용이 절감되고 엔진룸내 공간을 확보할 수 있으며, 더불어 냉방장치의 냉매 응축성능이 향상될 수 있도록 된 압축천연가스 자동차의 연료공급장치와 냉방장치의 상호 보완 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by using the heat exchanger of the fuel supply device and the cooling device complementary to reduce the number of the heat exchanger and the condenser cooling fan, thereby reducing the cost and space in the engine room The purpose of the present invention is to provide a complementary system of a fuel supply device and a cooling device of a compressed natural gas vehicle in which the refrigerant condensation performance of the cooling device can be improved.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료공급장치의 레귤레이터와 연료량조절밸브의 사이에 상기 레귤레이터로부터 저온의 연료가스가 유입되는 열교환기가 설치되고, 이 열교환기에는 냉방장치의 압축기로부터 고온의 냉매가스가 유입되어 상기 레귤레이터로부터 유입된 저온의 연료가스와 열교환하여 응축된 뒤 팽창밸브로 흐르며, 상기 저온의 연료가스는 고온의 냉매가스에 의해 가열되어 연료량조절밸브로 흐르도록 구성된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a heat exchanger through which a low temperature fuel gas flows from a regulator between a regulator of a fuel supply device and a fuel amount control valve, and the heat exchanger has a high temperature from a compressor of a cooling device. The refrigerant gas flows into the expansion valve after heat exchange with the low temperature fuel gas introduced from the regulator, and flows to the expansion valve. The low temperature fuel gas is heated by the high temperature refrigerant gas and flows to the fuel amount control valve.
즉, 레귤레이터에서 유입되는 저온의 연료가스를 이용하여 압축기에서 유입되는 고온의 냉매가스를 냉각/응축시키고, 반대로 압축기에서 유입되는 고온의 냉매가스를 이용하여 레귤레이터에서 유입되는 저온의 연료가스를 가열하여 온도를 적정온도로 상승시킬 수 있도록 된 것으로서, 상호간의 열을 보완적으로 이용할 수 있도록 된 것이다.That is, by cooling / condensing the high temperature refrigerant gas introduced from the compressor using the low temperature fuel gas introduced from the regulator, on the contrary, the low temperature fuel gas introduced from the regulator is heated by using the high temperature refrigerant gas introduced from the compressor. As the temperature can be raised to an appropriate temperature, mutual heat can be used complementarily.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 압축천연가스 자동차의 연료공급장치와 냉방장치의 상호 보완 시스템의 구성을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 전자제어유니트(1)의 록밸브(3) 개방에 의해 가스탱크(2)로부터 연료가스가 레귤레이터(4)로 유입되고, 레귤레이터(4)에서 연료가스의 감압이 이루어질 때 온도가 0 ~ -3℃로 떨어지며, 이 저온의 연료가스가 열교환기(17)를 통과한 뒤 연료량조절밸브(7)로 유입되고, 이후 믹서(8)에서 외기와 혼합되고, 스로틀밸브(9)와 흡기매니폴드(10)를 거쳐 각 연소실로 공급되는 연료공급장치의 기본 구성은 종래와 동일하다.Figure 3 shows the configuration of the complementary system of the fuel supply device and the cooling device of the compressed natural gas vehicle according to the present invention, as shown, the gas by opening the lock valve (3) of the electronic control unit (1) Fuel gas flows into the
본 발명은 상기 열교환기(17)에 엔진으로부터 냉각수가 공급되는 대신에 냉방장치를 구성하는 압축기(11)로부터 고온의 냉매가스가 유입되는 것에 그 특징이 있으며, 열교환기(17)를 거친 상기 냉매가스는 종래와 동일하게 팽창밸브(13)와 증발기(14)를 거쳐 다시 상기 압축기(11)로 유입되는 동일한 순환경로를 가짐은 물론이다.The present invention is characterized in that a high-temperature refrigerant gas is introduced from the compressor (11) constituting a cooling device instead of the cooling water supplied to the heat exchanger (17), and the refrigerant passing through the heat exchanger (17). Gas, of course, has the same circulation path that flows back into the
상기 열교환기(17)는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 팬(15)에 의해 외기가 송풍되는 전방에 압축기(11)로부터 고온의 냉매가스가 유입되는 고온측튜브(17a)가 상호 연결된 상태의 층상으로 배열되고, 이 고온측튜브(17a)의 후방에 레귤레이터(4)로부터 저온의 연료가스가 유입되는 저온측튜브(17b)가 역시 동일한 방식으로 층상 배열되며, 이 양측 튜브들은 각 층간에 이들의 폭(전방에서 후방으로의 길이) 전체에 걸쳐 일체로 이루어진 코어(17c)들이 설치되어 상호 연결된 구조로 이루어진다.As shown in FIGS. 4 and 5, the
한편, 본 발명은 상기 레귤레이터(4)와 열교환기(17)를 연결하는 관로로부터 열교환기(17)를 우회하여 열교환기(17)와 연료량조절밸브(7)를 연결하는 관로로 바이패스관(19)이 설치되고, 상기 레귤레이터(4)와 열교환기(17)를 연결하는 관로와 바이패스관(19)의 연결지점에는 전자제어유니트(1)의 신호에 의해 작동제어되는 솔레노이드밸브--작동전류 off시에는 레귤레이터(4)로부터 열교환기(17)로 유로를 개 방하고, 전자제어유니트(1)로부터 작동전류가 인가되는 on시에는 열교환기(17)측 유로가 차단되면서 바이패스관(19)쪽으로의 유로를 형성한다.--인 유로조절밸브(18)가 설치되며, 상기 열교환기(17)와 연료량조절밸브(7)를 연결하는 관로에는 온도감지센서(20)가 설치되어, 이 온도감지센서(20)에서의 측정온도가 설정값(종래의 경우와 같이 약 40℃ 전후로 설정한다.) 이하일 경우 상기 전자제어유니트(1)는 냉매가스가 레귤레이터(4)로부터 열교환기(17)로 흐르도록 하고 측정온도가 설정값 이상일 경우에는 냉매가스가 바이패스관(19)을 통해 열교환기(17)를 우회하여 연료량조절밸브(7)로 들어가도록 유로조절밸브(18)를 제어하는 구조로 이루어진다.On the other hand, the present invention bypasses the
이하, 본 발명의 작용 및 효과에 대해 설명한다.Hereinafter, the operation and effects of the present invention will be described.
운전자의 시동신호에 의해 가스탱크(2)의 연료가 록밸브(3)를 거쳐 레귤레이터(4)를 통과해 나왔을 때 상기 유로조절밸브(18)는 off상태로서 유로는 열교환기(17)쪽으로 개방되어 있다.When the fuel of the
따라서, 레귤레이터(4)에서의 감압에 의해 압력 강하와 더불어 온도가 크게 떨어진 연료가스는 열교환기(17) 후면의 저온측튜브(17b)로 유입되며, 이때 작동중인 냉방장치의 압축기(11)로부터는 고온의 냉매가스가 열교환기(17)의 앞면에 위치한 고온측튜브(17a)로 유입된다.Therefore, fuel gas whose temperature has dropped significantly due to the pressure drop in the
따라서, 상기 고온측튜브(17a)의 열은 상기 코어(17c)를 통하여 저온측튜브(17b)로 전달되어 이의 내부를 흐르는 저온의 연료가스를 데워 주며, 반면 이러한 열전달 작용으로 인해 고온측튜브(17a)의 냉매가스는 저온측튜브(17b)의 연료가스를 데워주는 양만큼의 열 손실로 인해 냉각됨으로써 응축이 이루어지게 된다.Therefore, the heat of the high
이때 냉방장치가 가동되는 여름철, 팬(15)에 의해 공급되는 외기의 온도가 상온을 크게 초과한 상태임을 고려해 보면 저온측튜브(17b)를 통과하는 연료가스의 온도는 0 ~ - 3℃의 수준이므로 연료가스에 의한 냉각효과가 매우 큼을 알 수 있고, 또한 팬(15)에 의해 보조적으로 외기의 송풍도 이루어지므로 냉매가스의 응축성능이 향상되어 전반적인 냉방성능의 향상을 도모할 수 있게 된다.At this time, considering that the temperature of the outside air supplied by the
또한, 상기와 같이 연료가스에 의한 냉매가스의 응축성능이 우수하므로 종래에 팬(15)이 전적으로 냉매가스의 냉각을 담당할 필요가 없게 되며, 이로써 팬(15)을 종래에 비하여 작은 용량의 것을 사용하거나, 또는 그 설치개수를 줄일 수 있게 되는 장점이 있다.In addition, since the condensation performance of the refrigerant gas by the fuel gas is excellent as described above, it is not necessary for the
한편, 상기와 같은 과정을 통해 응축된 냉매는 팽창밸브(13, 도 2참조)로 유입되는 통상적인 경로로 순환하게 되며, 가열된 연료가스는 연료량조절밸브(7) 이후의 부분들을 거쳐 엔진의 각 연소실로 공급된다.On the other hand, the refrigerant condensed through the above process is circulated in the normal path flowing into the expansion valve (13, see Fig. 2), the heated fuel gas is passed through the parts after the fuel flow control valve (7) of the engine It is supplied to each combustion chamber.
이때, 열교환기(17)를 통해 배출되는 가열된 연료가스의 온도는 이 관로상에 설치된 온도감지센서(20)에 의해 지속적으로 측정되어 전자제어유니트(1)로 입력되는 바, 전자제어유니트(1)는 기 설명된 바와 같이 입력된 연료가스의 온도가 설정값(약 40℃) 이상으로 상승할 경우에는 상기 유로조절밸브(18)를 on시켜 열교환기(17)쪽으로의 유로를 차단하고 바이패스관(19)쪽의 유로를 개방함으로써 연료가스가 열교환기(17)를 우회하여 연료량조절밸브(7)로 흘러갈 수 있도록 한다.At this time, the temperature of the heated fuel gas discharged through the
한편, 상기와 같이 연료가스의 전량이 열교환기(17)를 우회하여 지나치게 저온인 상태로 연료량조절밸브(7)를 거쳐 연소실로 공급될 경우 시동성 및 연소효율의 저하가 일어날 수 있는데, 이는 기존의 연료예열장치를 설치하여 해결할 수도 있고, 또한 상기 유로조절밸브(18)내 밸브구조를 조절하여 전자제어유니트(1)에 의한 on 작동시 열교환기(17)쪽으로의 유로를 완전 차단하는 것이 아니라 다소 열려진 상태를 유지하도록 하고 열교환기(17)의 출구측 관로와 바이패스관(19)의 연결부분에 확장공간(21)을 형성하면, 이 확장공간(21)에서 열교환기(17)를 통과하여 가열된 연료가스와 바이패스관(19)를 통과하여 가열되지 않은 연료가스가 혼합되어 적절한 온도상태로 연료량조절밸브(7)를 통해 연소실로 공급될 수 있게 된다. 이때 역시 온도감지센서(20)와 전자제어유니트(1)에 의한 유로조절밸브(18)의 제어는 동일하게 이루어지므로 연료의 과열을 막아 적정 온도 수준의 연료공급이 가능해지게 된다.On the other hand, as described above, when the entire amount of fuel gas bypasses the
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료공급장치와 냉방장치가 하나의 열교환기를 공용하여 상호간의 열(온도상태)을 보완적으로 이용·작동됨으로써 열교환기의 개수가 줄어들게 되고, 응축성능이 향상되어 냉각팬의 수나 용량을 감소시킬 수 있게 됨으로써 장치의 구성에 비용이 적게 들 뿐만 아니라, 엔진룸내의 설치공간 확보가 용이하며, 이렇게 형성된 여유 공간을 타 장치들의 배치에 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the fuel supply device and the air conditioner share one heat exchanger and complementarily use and operate heat (temperature) of each other, thereby reducing the number of heat exchangers and improving condensation performance. By reducing the number and capacity of the cooling fan is not only a low cost in the configuration of the device, it is easy to secure the installation space in the engine room, there is an effect that can be used in the arrangement of the other devices the free space thus formed.
또한, 상기한 바와 같이 저온 연료가스에 의한 냉매 냉각용량이 커서 압축기 로부터 공급된 고온의 냉매가스가 기존의 경우 보다--팬에 의해 송풍되는 외기와 열교환하는 응축기에서의 응축작용--그 응축성능이 향상됨으로써 냉방장치의 전반적 냉각성능의 향상도 기대할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, as described above, the refrigerant cooling capacity of the low-temperature fuel gas is large, so that the high-temperature refrigerant gas supplied from the compressor is more condensed than in the conventional case--condensation in the condenser that exchanges heat with the air blown by the fan--condensation performance thereof. As a result, the improvement of the overall cooling performance of the air conditioner can be expected.
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