KR100590962B1

KR100590962B1 - 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치 및 디메틸에테르를이용한 냉시동제어방법

Info

Publication number: KR100590962B1
Application number: KR1020030081572A
Authority: KR
Inventors: 홍현준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2006-06-19
Also published as: KR20050047782A

Abstract

본 발명은 온도가 특히 낮은 지역 혹은 대기온이나 냉각수온이 -15℃ 이하로 강하되는 조건에서 세탄가가 경유에 비해 높고 증발성이 좋아 연소 화학반응을 촉진시킬 수 있는 디메틸에테르를 엔진 회전수 600rpm 전후까지 흡기포트 내에 분류(噴流)시켜 줌으로써, 혹한조건에서의 냉시동성을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 한 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치 및 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 디메틸에테르의 분류 전 기화탱크 내에서 충분히 기화시키는 과정을 거친 후 흡기포트 내에 분류하는 방식을 채용하는 한편, 엔진 시동초기에는 디메틸에테르의 분류를 이용한 시동성 제어를 수행하고, 엔진 회전수가 적정 rpm에 도달한 시점부터는 경유의 분사를 이용한 엔진의 운전제어를 수행함으로써, 온도가 특히 낮은 지역 혹은 대기온이나 냉각수온이 -15℃ 이하로 강하되는 혹한조건에서의 냉시동성을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

디젤엔진시스템, 디메틸에테르, 냉시동성, 혹한지역

Description

디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치 및 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법{Dimethylether injection apparatus and cold starting control method using dimethylether for diesel engine}

도 1은 종래의 디메틸에테르 공급장치의 구성을 보여주는 개략도

도 2는 본 발명에 따른 디메틸에테르 공급장치의 구성을 보여주는 개략도

도 3은 본 발명에 따른 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법의 제어로직을 보여주는 순서도

도 4는 디메틸에테르와 경유의 배기특성을 보여주는 그래프

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 디메틸에테르 저장용 봄베 11,11b,11b : 솔레노이드밸브

12 : 첵밸브 13 : 기화탱크

14 : 히터 15 : 열선

일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 효율이 우수하고 이산화탄소의 배출량이 낮아 버스, 트럭 등 상용차량 뿐만 아니라 승용차량에도 탑재되는 추세이다.

특히, 최근에는 연료를 고압으로 분사하는 커먼레일 시스템을 사용하여 기존의 기계식 디젤엔진에 비해 성능이 향상되고, 매연은 상대적으로 감소시켜 그 수요가 점점 증가하고 있는 추세이다.

그러나, 가솔린 연료에 비해 끓는점이 높고 분자구조가 복잡하여 동절기, 특히 대기온이 -20℃ 이하로 강하되는 혹한지역 조건에서는 시동성이 급격히 나빠지는 취약점이 있다.

보통 커먼레일 시스템을 사용하고 있는 디젤엔진시스템에서는 소형, 대형에 관계없이 연소실 내 글로우플러그라는 별도의 열원을 두거나, 흡기포트 전단에 공기를 가열하도록 에어히터를 설치하여 냉시동성 시간의 단축을 꾀하고 있다.

기존 대부분의 디젤엔진시스템을 채용한 차량에 있어서는 동절기시 대기 혹은 냉각수온도가 -15℃ 이하, 특히 -20℃ 이하로 강하되는 혹한기에는 연료에 왁싱 이 발생하는 문제, 엔진크랭킹 회전수 저하, 연소실 내 연료무화시 증발잠열에 의한 연소실온도 저하 등으로 시동이 잘 걸리지 않아 고객 클레임이 빈번한 실정이다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 디젤엔진시스템의 냉시동성을 높일 수 있는 기술, 예를 들면 매연저감을 위한 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치 및 방법에 대한 기술이 제시되어 있으나, 여기서는 디메틸에테르를 디메틸에테르 저장용 봄베(10)에서 곧바로 흡기포트로 분사하는 방식으로 되어 있기 때문에 대기온도 혹은 냉각수온도가 디메틸에테르의 끓는점인 -24.9℃ 근방에서는 디메틸에테르 분사시 증발잠열로 인해 오히려 주위 온도를 떨어뜨리면서 냉시동성을 더욱 악화시키는 문제가 있다.

여기서, 미설명 부호 11은 솔레노이드밸브를 나타낸다.

더욱이, 연료로서의 디메틸에테르를 단독으로 사용하지 않고 경유는 연소실 내로 분사하면서 단지 흡기포트 내로 디메틸에테르를 첨가하는 방식이기 때문에 동절기 혹은 혹한지역에서의 냉시동성을 만족할만큼 개선시키는데에는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 디메틸에테르의 분류 전 기화탱크 내에서 충분히 기화시키는 과정을 거친 후 흡기포트 내에 분류하는 방식을 채용함으로써, 온도가 특히 낮은 지역 혹은 대기온이나 냉각수온이 -15℃ 이하로 강하되는 혹한조건에서의 냉시동성을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 한 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 엔진 시동초기에는 디메틸에테르의 분류를 이용한 시동성 제어를 수행하고, 엔진 회전수가 적정 rpm에 도달한 시점부터는 경유의 분사를 이용한 엔진의 운전제어를 수행함으로써, 혹한지역에서의 냉시동성을 안전하게 확보할 수 있도록 하는 다른 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 디메틸에테르 공급장치는 디메틸에테르 저장용 봄베를 구비하여 엔진 흡기포트측으로 디메틸에테르를 공급하는 장치에 있어서, 상기 디메틸에테르 저장용 봄베와는 제1솔레노이드밸브로 연결되고 흡기포트측과는 제2솔레노이드밸브로 연결되어 냉각수온도에 따라 디메틸에테르 저장용 봄베로부터 액체상태의 디메틸에테르를 공급받은 후 일정시간 동안 일정온도 승온시키고 승온이 끝난 디메틸에테르를 흡기포트측으로 분류하는 기화탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기화탱크 내에서의 승온방식은 탱크를 둘러싸는 열선이나, 또는 탱크 벽면에 부착되는 히터를 이용하는 방식인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 디메틸에테르 저장용 봄베와 기화탱크 간의 디메틸에테르 흐름을 단속하는 제1솔레노이드밸브는 냉각수온도값이 -15℃ 이하에서 ECU의 제어신호를 받아 열리도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기화탱크 내에서 승온을 마친 디메틸에테르의 흡기포트측 흐름을 단속하는 제2솔레노이드밸브는 예열표시등 소멸 0.2∼0.5초 전부터 7∼8초간 열린 후 닫히도록 된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 냉시동제어방법은 ECU에서 시동키 ON 상태와 냉각수온을 읽는 단계와, 냉각수온이 -15℃ 이하인지 판단하는 단계와, 냉각수온 -15℃ 이하 조건에서 디메틸에테르 저장용 봄베 내의 디메틸에테르를 기화탱크측에 제공하여 기화탱크 내에서 일정시간 승온시키는 단계와, 일정시간 승온 후 기화탱크 내의 디메틸 에테르를 일정시간 동안 흡기포트측에 공급하여 디메틸에테르만으로 엔진을 운전하는 단계와, 엔진 시동 후 엔진 회전수가 600rpm 이상인지 판단하는 단계와, 엔진 회전수가 600rpm 이상이면 정상적인 운전모드로 진행하고 그렇지 않으면 디메틸에테르 저장용 봄베 내의 디메틸에테르를 기화탱크측에 제공하는 단계로 돌아가 반복작업을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기화탱크 내에서 디메틸에테르를 승온시키는 단계는 글로우플러그나 에어히터의 예열시간을 기준하여 1/2 수준의 시간 동안 약 40∼50℃까지 승온시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 승온 후 기화탱크 내의 디메틸에테르를 흡기포트측에 공급하는 단계는 예열표시등 소멸 0.2∼0.5초 전부터 7∼8초 동안만 디메틸에테르를 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 디메틸에테르를 봄베로부터 기화탱크로 보내고, 전열선 혹은 히터를 사용하여 기화탱크 내의 디메틸에테르를 충분히 기화시켜 20∼40℃까지 승온시킨 후, 흡기포트로 분류하여 냉시동성을 향상시킬 수 있도록 하였다.

도 2에 도시한 바와 같이, 디메틸에테르는 상온에서의 증기압이 약 5.1기압이므로 디메틸에테르를 6기압 이상의 디메틸에테르 저장용 봄베(10)에 저장하게 되면, 액체상태로 저장이 가능하다.

따라서, 저장성 및 운반성 측면에서 6∼7기압 정도의 봄베에 디메틸에테르를 액체상태로 저장하여 둔다.

운전자가 동절기 냉시동을 하기 위해 키를 ON 상태로 가져가면, ECU는 냉각수 온도값을 읽고 이때의 값이 -15℃ 이하이면 디메틸에테르 저장용 봄베(10)의 제1솔레노이드밸브(11a)를 작동시켜 디메틸에테르를 대기압상태의 기화탱크(13)로 보낸다.

이때, 디메틸에테르 저장용 봄베(10)와 기화탱크(13) 사이에는 첵밸브(14)를 설치하여 기화된 디메틸에테르가 봄베로 역류하는 것을 방지한다.

디메틸에테르가 기화탱크(13)에 충진되면, 기화탱크(13)를 둘러싼 열선(15) 혹은 탱크 측면에 부착한 히터(14)가 t₁초 동안 작동하여 디메틸에테르가 약 40∼50℃까지 승온되도록 한다.

열선 혹은 히터에 가해져야 할 Q_열량 와 가열시간 t₁은 디메틸에테르의 가열온도가 50℃라 하면 아래의 식에서 구할 수 있다.

Q_열량(cal) = m×Cp×(50-T)

t1 = Q_열량(cal)/Q_히터용량

여기서, Cp는 디메틸에테르의 비열, m은 디메틸에테르의 질량, T는 대기온도, t₁은 가열시간이다.

가열시간 t₁은 너무 길거나 짧아도 문제가 되므로 예열시간의 1/2수준으로 하면, Q_히터용량가 계산된다.

한편, 열선 혹은 히터는 배터리에서 전원을 공급받도록 한다.

승온이 끝나면 운전판넬에 예열등이 없어지기 0.2∼0.5초 전에 기화탱크(13)의 제2솔레노이드밸브(11b)를 열어 흡기포트 내로 디메틸에테르를 분류시킨다.

디메틸에테르의 분류는 기화탱크와 흡기포트 내의 압력차가 없어져서 분류가 이루어지지 않을 때까지 자동적으로 이루어지게 하고, 일정시간, 예를 들면 약 7∼8초 정도의 시간이 지나면 기화탱크의 제2솔레노이드밸브(11b)를 닫는다.

통상적으로 운전자는 운전판넬의 예열표시등이 없어지면 키를 스타트위치로 옮겨 시동을 걸기 때문에 예열표시등 소멸 0.2∼0.5초 전부터 7∼8초간 디메틸에테르를 흡기포트 내로 분류하면 이 기간 동안 디메틸에테르만 사용하여 엔진이 운전될 수 있다.

7∼8초 정도의 분류가 이루어지도록 하기 위한 기화탱크의 용량은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.

V = ma×φ×stoic×t×S×ρ

여기서, ma는 크랭킹시의 흡입공기량(g/s), φ는 당량비, stoic.는 디메틸 에테르의 완전연소를 위한 화학양론비(14.29), S는 안전율(통상적으로 30%), ρ는 디메틸에테르의 밀도(0℃에서 2110kg/㎥)를 나타낸다.

디메틸에테르의 분류가 끝나고 엔진이 시동되어 엔진회전수가 600rpm을 넘어서면 ECU는 통상적인 운전모드, 즉 경유를 분사하여 엔진이 운전되게 한다.

이는 디메틸에테르 연소가 끝나기 전 경유연료의 연소를 유도하여 연소안전성을 높이기 위한 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 본 발명에서 제공하는 냉시동제어방법의 제어로직을 보여준다.

1) ECU는 키위치가 ON이고 냉각수온을 읽는다.

2) 냉가수온이 -15℃ 이하인지를 판단한다.

3) 냉각수온이 -15℃ 이하이면, 디메틸에테르 저장용 봄베의 제1솔레노이드밸브를 연다.

4) 기화탱크에 부착된 히터 또는 열선을 이용하여 글로우플러그 혹은 에어히터 가열시간의 1/2만큼 가열한다.

5) 기화탱크의 제2솔레노이드밸브를 열어서 디메틸에테르를 흡기포트 내로 공급한다.

6) 일정한 시간, 예를 들면 7∼8초 경과 후 기화탱크의 제2솔레노이드밸브를 닫는다.

7) 엔진 시동 후 엔진 회전수가 600rpm 이상이면 통상운전모드로 전환하고, 그렇지 않으면 그렇지 않으면 디메틸에테르 저장용 봄베 내의 디메틸에테르를 기화 탱크측에 제공하는 단계로 돌아가서 반복작업을 수행한다.

아래의 표 1은 디메틸에테르의 착화지연, 즉 연소실 내에서 연료분무 후부터 연소개시까지의 시간인 착화지연을 나타내는데, 표 1에서 볼 수 있는 것처럼 디메틸에테르의 착화지연이 경유연료에 비해 현저히 짧음을 알 수 있다.

BMEP	경유	디메틸에테르
0.2MPa	1.95ms	1.4ms
0.4MPa	1.6ms	1.2ms

따라서, 상기와 같이 냉시동 초기에 디메틸에테르를 흡기포트 내에 분류함으로써, 냉시동시간을 획기적으로 단축시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 디메틸에테르가 경유연료에 비해 질소산화물은 약 2/3수준이고, 입자상물질의 배출은 0에 가까우므로 초기 냉시동시의 매연 및 질소산화물을 현저히 줄일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 증발성 및 세탄가가 높아 착화지연이 경유에 비해 짧은 디메틸에테르를 냉시동 초기에 분류하여 경유대신 사용함으로써, 동절기나 혹한지역에서의 냉시동을 안전하게 확보할 수 있으며, 냉시동 시간 자체도 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 냉시동 초기의 매연 및 질소산화물 배출농도도 현저히 저감시킬 수 있 다.

Claims

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디메틸에테르 저장용 봄베(10)를 구비하여 엔진 흡기포트측으로 디메틸에테르를 공급하되, 상기 디메틸에테르 저장용 봄베(10)와는 제1솔레노이드밸브(11a)로 연결되고 흡기포트측과는 제2솔레노이드밸브(11b)로 연결되어 냉각수온도에 따라 디메틸에테르 저장용 봄베(10)로부터 액체상태의 디메틸에테르를 공급받은 후 일정시간 동안 일정온도 승온시키고 승온이 끝난 디메틸에테르를 흡기포트측으로 분류하는 기화탱크(13)를 더 포함하는 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치에 있어서,

상기 디메틸에테르 저장용 봄베(10)와 기화탱크(13) 간의 디메틸에테르 흐름을 단속하는 제1솔레노이드밸브(11a)는 냉각수온도값이 -15℃ 이하에서 ECU의 제어신호를 받아 열리도록 된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치.
디메틸에테르 저장용 봄베(10)를 구비하여 엔진 흡기포트측으로 디메틸에테르를 공급하되, 상기 디메틸에테르 저장용 봄베(10)와는 제1솔레노이드밸브(11a)로 연결되고 흡기포트측과는 제2솔레노이드밸브(11b)로 연결되어 냉각수온도에 따라 디메틸에테르 저장용 봄베(10)로부터 액체상태의 디메틸에테르를 공급받은 후 일정시간 동안 일정온도 승온시키고 승온이 끝난 디메틸에테르를 흡기포트측으로 분류하는 기화탱크(13)를 더 포함하는 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치에 있어서,

상기 기화탱크(13) 내에서 승온을 마친 디메틸에테르의 흡기포트측 흐름을 단속하는 제2솔레노이드밸브(11b)는 예열표시등 소멸 0.2∼0.5초 전부터 7∼8초간 열린 후 닫히도록 된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디메틸에테르 공급장치.
ECU에서 시동키 ON 상태와 냉각수온을 읽는 단계와, 냉각수온이 -15℃ 이하인지 판단하는 단계와, 냉각수온 -15℃ 이하 조건에서 디메틸에테르 저장용 봄베 내의 디메틸에테르를 기화탱크측에 제공하여 기화탱크 내에서 일정시간 승온시키는 단계와, 일정시간 승온 후 기화탱크 내의 디메틸 에테르를 일정시간 동안 흡기포트측에 공급하여 디메틸에테르만으로 엔진을 운전하는 단계와, 엔진 시동 후 엔진 회전수가 600rpm 이상인지 판단하는 단계와, 엔진 회전수가 600rpm 이상이면 정상적인 운전모드로 진행하고 그렇지 않으면 디메틸에테르 저장용 봄베 내의 디메틸에테르를 기화탱크측에 제공하는 단계로 돌아가 반복작업을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법.
청구항 5에 있어서, 상기 기화탱크 내에서 디메틸에테르를 승온시키는 단계는 글로우플러그나 에어히터의 예열시간을 기준하여 1/2 수준의 시간 동안 40∼50℃까지 승온시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법.
청구항 5에 있어서, 상기 승온 후 기화탱크 내의 디메틸에테르를 흡기포트측에 공급하는 단계는 예열표시등 소멸 0.2∼0.5초 전부터 7∼8초 동안만 디메틸에테르를 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디메틸에테르를 이용한 냉시동제어방법.