KR100748479B1 - 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템 - Google Patents

천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 버스와 덤프트럭과 같이 대형엔진을 가지는 자동차의 연료를 디젤에서 천연가스로 사용할 경우 연소실에 공급되는 공기량과 천연가스의 공급량을 안정되게 공급되도록 하는 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 관한 것이다.
이러한 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템의 본 발명은,
유입되는 공기의 유속을 변화시켜 연소실로 유입되는 공기량을 일정하게 하기 위하여 흡입 통로의 단면적이 점점 감소하도록 형성된 흡기매니폴드와;
상기 흡기매니폴드와 연소실 사이에 공기가 유입되도록 형성된 다수개의 흡기포트와;
천연가스 공급레일로부터 공급되는 천연가스를 분사/제어하는 다수개의 인젝터와;
상기 흡기포트에 인젝터로부터 분사/제어되어 공급되는 천연가스를 유도하는 유도관이 설치되되, 상기 각각의 유도관은 유도관으로 공급되는 천연가스와 흡기매니폴드로부터 흡기포트로 공급되는 공기가 혼합되는 혼합공간의 거리가 상이하도록 설치되며, 상기 유도관으로 공급되는 천연가스량을 밀도변화를 측정하기 위하여 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서에서 감지되는 정보에 의하여 인젝터에서 분사되는 천연가스량이 조절된다.
특히, 거리가 상이한 상기 혼합공간은 흡기매니폴드로부터 흡기포트로 공급되는 공기와 유도관으로 공급되는 천연가스가 잘 혼합되어 연소실로 공급될 수 있도록 흡기포트로 공급되는 공기의 유속이 낮은 경우에는 혼합공간의 거리가 짧고, 흡기포트로 공급되는 공기의 유속이 빠른 경우 혼합공간의 거리가 길게 형성된다.
천연가스, 대형엔진

Description

천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템{Fuel injection system for big engine of natural gas CAR}
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 천연가스 공급 연료레일의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 흡기포트 내 천연가스 유도관의 개략도이며,
도 3은 본 발명의 실시예를 나타낸 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로 자동차의 소형엔진용 연료분사시스템의 개략도이다.
도 5는 종래의 천연가스 자동차의 연료분사시스템 개략도이고,
도 6은 종래의 천연가스 자동차의 연료분사시스템 개략도이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
110 : 흡기매니폴드 120 : 천연가스 공급레일
130 : 인젝터 140 : 유도관
150 : 온도센서 160 : 연소실
170 : 흡기포트
본 발명은 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 버스와 덤프트럭과 같이 대형엔진을 가지는 자동차의 연료를 디젤에서 천연가스로 사용할 경우 연소실에 공급되는 공기량과 천연가스의 공급량을 안정되게 공급되도록 하는 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 관한 것이다.
인류의 생활 편리성을 추구하고자 여러 가지의 기계들이 개발되었으며, 그 중에서 이동수단으로 대표적으로 개발된 것이 자동차이다.
종래의 자동차의 엔진은 사용연료에 따라 가솔린엔진과 디젤엔진으로 구별되며, 가솔린엔진은 혼합공기의 압축비가 낮은 관계로 주로 정숙 운전에 적합한 승용차에 이용되고, 디젤엔진은 혼합공기의 압축비가 높아 소음이 크나 고출력을 발생할 수 있어 주로 대형차량 등에 이용된다.
상기 디젤엔진은 주로 대형차량에 이용됨으로 대형엔진이며, 불완전 연소시 Nox와 같은 오염물질을 발생하여 최근에 와서는 디젤엔진의 사용을 억제하고 있는 실정이다.
상기와 같은 이유로 대형엔진인 디젤엔진의 연료를 디젤을 사용하지 않고, 연소시 오염물질의 적게 발생하는 천연가스를 사용하고 있다.
차량에 사용되는 천연가스 연료 공급장치는 주로 천연가스를 액체상태로 압축시켜 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 변환밸브를 매개로 하여 천연가스를 기체상태로 기화시키도록 설치된 베이퍼라이저와, 가스의 압력을 조절하는 레귤레이터와, 가스공급을 개폐시키는 차단밸브와 압력게이지가 설치되도록 구성된다.
종래에 사용되는 천연가스 자동차의 연료분사시스템에서는 레귤레이터에서 감압된 천연가스의 압력이 여전히 대기압보다 높은 압력(약 7bar)이므로, 분사되는 천연가스가 흡기매니폴드를 통해 유입되는 공기와 혼합될 때 그 부피가 약 100~400배로 팽창함으로써 연소실에 공급되는 공기량이 천연가스에 비해 흡입 공기량이 줄어드는 현상이 발생한다. 이 경우 엔진의 체적효율이 저감 되어서 (상대적으로 공연비가 높아져서) 천연가스가 충분히 연소하지 못하여 엔진의 출력이 감소되는 문제점이 있었다.
또한, 엔진의 회전수가 증가할 때, 즉 자동차가 중고속으로 운행할 때에는 이에 필요한 만큼의 충분한 연료가 공급되지 않아 엔진의 출력이 원하는 차량 속도를 뒤받침 해주지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 일반적으로 천연가스자동차는 가솔린자동차에 비하여 엔진 성능이 떨어지게 된다.
이와 같은 포트 분사식 연료 분사 시스템을 채용하고 있는 천연 가스 자동차의 제반 문제점은, 기본적으로 연료 가스를 분사하는 인젝터와 엔진 연소실 간의 거리가 짧아서 연료 가스가 분사된 후 흡입 공기와 혼합될 시간을 충분히 갖지 못하는 데에서 비롯되는 것이다.
도 5는 종래의 포트 분사식 연료 분사 시스템을 보여주는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 포트 분사식 연료 분사 시스템에서는 흡기 매니폴드(31)의 각 포트(33)에 별도로 인젝터(35)를 설치하고 있기 때문에, 인젝터(35)와 실린 더(37)의 연소실 사이의 길이가 매우 짧다. 따라서 드로틀 보디(39)의 드로틀 밸브(41)를 통해 들어오는 공기와 분사되면서 100배 이상으로 팽창하는 연료 가스가 혼합될 수 있는 시간적 여유가 부족하고, 또한 급격히 팽창하는 연료 가스로 인해 흡입 공기량이 줄어들어 체적 효율이 감소한다.
도 5와 같은 종래의 포트 분사식 연료 분사 시스템의 단점을 해결하고자 국내특허출원 1996-63088호(천연가스 자동차의 연료분사 시스템)가 제시되었다.
상기 국내특허출원 1996-63088호의 천연가스 자동차의 연료분사 시스템에서는 도 6와 같이 엔진의 흡기 매니폴드(7)와 연결되는 드로틀 보디(1)의 드로틀 밸브(3) 하류 양측에 2개의 인젝터(9)가 설치되는 것으로, 실린더(5)로 공급되는 공기와 천연가스의 혼합가스를 흡기포트 앞에서 혼합하여 실린더(5)에 공급하도록 한 것이다. 이는 공기와 천연가스가 잘 혼합되어 실린더(5)에 공급되는 장점을 가지나, 천연가스가 인젝터(9)에 분사될 경우 팽창함에 따라 실린더(5)에 공급되는 공기량이 천연가스에 비해 흡입 공기량이 줄어드는 현상이 발생하여 천연가스가 충분히 연소하지 못하여 엔진의 출력이 감소되는 문제점이 있었다.
또한, 상기 종래기술들은 흡기 매니폴드(7)가 소형엔진(승용차에 사용되는 엔진)에 사용되는 흡기 매니폴드(7)로 그 형상이 대칭으로써 각각의 흡기포트 공급되는 공기는 유속이 비교적 균일한 특징을 가지는 천연가스자동차의 연료분사시스템에 사용되는 것이다.
본 발명은 대형자동차에 사용되는 대형엔진에 사용되는 천연가스자동차의 연료분사시스템으로 종래에 사용되는 대형엔진의 흡기매니폴드의 특징은 각각의 연소 실에 공급되는 공기량을 비교적 균일하게 공급하기 위하여 유속을 변화시킬 수 있도록 단면적이 점점 작아지도록 형성하여 연소실에 공급되는 공기의 유속을 변화시켰다.
상기와 같이 각각의 연소실에 공급되는 공기의 유속이 상이함에 따라 인젝터로 공급되는 천연가스의 공급에 많은 어려움이 발생하였다.
즉, 흡기매니폴드 전에서 천연가스를 공급하게 되면 천연가스의 팽창력에 의하여 공기량이 부족하여 천연가스가 불안전 연소하는 단점이 있으며, 흡기포트에 설치할 경우 공급되는 공기의 다양한 유속에 의하여 각각의 연소실에 공급되는 공기와 천연가스의 혼합가스가 잘 혼합되어 공급되는 연소실과 혼합되지 않고 공급되는 연소실이 발생하여 엔진의 출력이 저하되는 단점이 있었다.
상기와 같은 단점을 해결하고자 각각의 흡기포트 내의 공기량과 유속에 따라 천연가스의 공급량과 분사속도를 제어하도록 설계되고 있으나, 많은 변수 매개체의 발생으로 ECU의 성능을 향상시켜야 하는 등 그 제어가 어려운 단점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로, 각각의 흡기포트에 각각의 인젝터로 제어되어 공급되는 천연가스의 유도관을 설치하되, 공기의 유속에 따라 연소실과의 거리를 조절하여 공기와 천연가스의 혼합공간의 거리를 조절하였으며, 각각의 유도관이 설치된 흡기포트에 온도센서를 설치하여 온도센서에서 전달되는 정보에 의하여 ECU에서 산정된 천연가스가 인젝터에서 분사되도록 하여 엔진의 출력이 저하되지 않도록 하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템의 본 발명은,
유입되는 공기의 유속을 변화시켜 연소실(160)로 유입되는 공기량을 일정하게 하기 위하여 흡입 통로의 단면적이 점점 감소되도록 형성된 흡기매니폴드(110)와;
상기 흡기매니폴드(110)와 연소실(160) 사이에 공기가 유입되도록 형성된 다수개의 흡기포트(170)와;
천연가스 공급레일(120)로부터 공급되는 천연가스를 분사/제어하는 다수개의 인젝터(130)와;
상기 흡기포트(170)에 인젝터(130)로부터 분사/제어되어 공급되는 천연가스를 유도하는 유도관(140)이 설치되되, 상기 각각의 유도관(140)은 유도관(140)으로 공급되는 천연가스와 흡기매니폴드(110)로부터 흡기포트(170)로 공급되는 공기가 혼합되는 혼합공간(S)의 거리가 상이하도록 설치된다.
상기 유도관(140)으로 공급되는 천연가스량을 밀도변화를 측정하기 위하여 온도센서(150)를 설치하고, 상기 온도센서(150)에서 감지되는 정보에 의하여 인젝터(130)에서 분사되는 천연가스량이 조절된다.
특히, 상기 혼합공간(S)은 흡기매니폴드(110)로부터 흡기포트(170)로 공급되는 공기와 유도관(140)으로 공급되는 천연가스가 잘 혼합되어 연소실로 공급될 수 있도록 흡기포트(170)로 공급되는 공기의 유속이 낮은 경우에는 혼합공간(S)의 거리가 짧고, 흡기포트(170)로 공급되는 공기의 유속이 빠른 경우 혼합공간(S)의 거리가 길게 형성된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 천연가스 공급 연료레일의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 흡기포트내 천연가스 유도관의 개략도이며, 도 3은 본 발명의 실시예를 나타낸 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템의 개략도이다.
대형엔진에서는 에어필터로부터 여과되어 연소실(160)로 유입되는 공기의 유속을 변화시켜 유입되는 공기량이 일정하게 각각의 연소실(160)에 유입될 수 있도록 공기의 흡입통로 단면적이 점점 감소되도록 흡기매니폴드(110)가 형성된다.
상기 흡기매니폴드(110)와 각각의 연소실(160) 사이에는 흡기매니폴드(110)로 유입되는 공기가 각각의 연소실(160)에 유입되도록 흡기포트(170)가 형성된다.
도 1과 같이 천연가스 공급레일(120)은 천연가스 저장탱크로부터 천연가스가 공급되는 공급관과 배출관이 설치되고, 각각의 인젝터(130)에 천연가스가 공급되도록 연료라인이 설치된다. 상기 천연가스 공급레일(120)의 외측은 단열되도록 에어갭(air gap)이 형성된다.
상기 인젝터(130)은 보통 솔레노이드 밸브를 사용한다.
상기 각각의 흡기포트(170)에는 천연가스 공급레일(120)로부터 각각의 인젝 터(130)로 분사/제어되어 공급되는 천연가스를 유도하는 유도관(140)이 도 2와 같이 설치되되, 상기 각각의 유도관(140)은 유도관(140)으로 공급되는 천연가스와 흡기매니폴드(110)로부터 흡기포트(170)로 공급되는 공기가 혼합되는 혼합공간(S)의 거리가 상이하도록 도 3과 같이 설치된다.
좀더 상세하게 설명하면, 도 3과 같이 상기 각각의 흡기포트(170)로 공급되는 공기량이 거의 균일하도록 흡기매니폴드(110)의 입구측부분은 단면적이 넓고, 입구측과 멀어질수록 점점 단면적을 작게 형성된다. 즉, 상기 흡기매니폴드(110)의 입구측부분에 설치되어 있는 흡기포트(170) 내의 공기유속은 느리고, 입구측부분과 떨어진 곳에 설치되어 있는 흡기포트(170) 내의 공기유속은 빠른 특징을 가진다.
상기와 같이 각각의 흡기포트(170) 내의 공기유속이 다양함으로 각각의 흡기포트(170) 내에 천연가스를 공급하기 위하여 설치되는 유도관(140)의 위치는 공기와 천연가스의 혼합공간(S)이 거리가 상이하도록 유도관(140)의 설치위치가 서로 달라야 한다.
즉, 흡기포트(170) 내의 공기유속이 느린 경우에는 혼합공간(S)의 거리가 짧아도 공기와 천연가스가 균일하게 혼합됨으로 연소실(160)에 가깝게 유도관(140)을 설치하고, 흡기포트(170) 내의 공기유속이 빠른 경우에는 혼합공간(S)의 거리가 길어야 공기와 천연가스가 균일하게 혼합됨으로 연소실(160)과 멀리 유도관(140)을 설치한다.
상기 유도관(140)으로 공급되는 천연가스량을 연소실(160)의 환경에 적합하도록 공급될 수 있도록 각각의 흡기포트(170) 내에 설치된 유도관(140)에 온도센 서(150)를 도 2와 도 3과 같이 설치한다. 상기 온도센서(150)는 유도관(140)으로 천연가스가 공급되는 부분에 대한 환경을 알 수 있도록 한다.
상기 온도센서(150)는 천연가스가 상변화가 이루어지지 않도록 천연가스의 밀도를 측정하게 되는 것으로, 상기 온도센서(150)로부터 감지되는 정보는 ECU에 전달되고, 상기 ECU에서는 온도센서(150)로부터 전달받은 정보에 의하여 인젝터(130)를 컨트롤하여 천연가스의 공급량을 조절하게 된다.
즉, 밀도는 온도의 함수이므로 천연가스의 온도에 따라 천연가스의 밀도가 측정됨으로 천연가스의 상변화를 알게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로 자동차의 소형엔진용 연료분사시스템의 개략도이다.
도 4와 같이 소형엔진에 사용되는 흡기매니폴드(110)는 대칭적 구조를 하고 있어 흡기매니폴드(110)에서 공급되는 공기는 각각의 흡기포트(170)에서 균일한 속도로 이동하여 각각의 연소실(160)에 균일한 공기량을 공급한다.
상기 각각의 흡기포트(170)에는 천연가스 공급레일(120)로부터 천연가스가 공급되는 유도관(140)이 설치되되, 상기 각각의 흡기포트(170)에 설치되는 각각의 유도관(170)은 동일한 거리의 혼합공간(S)을 가지도록 설치된다.
상기 흡기포트(170)에 설치되어 있는 유도관(140)에는 온도센서(150)를 설치하여 유도관(150)으로 공급되는 천연가스의 상태 즉 밀도를 감지할 수 있도록 한다.
상기 온도센서(150)는 각각의 유도관(140)의 어느 하나를 설치하고, 상기 온 도센서(150)에서 검출되는 정보를 ECU에 송신하여 온도센서(150)에서 송신된 정보로 각각의 인젝터(130)를 제어하도록 한다.
상기 온도센서(150)는 각각의 유도관(140)에 설치하는 것도 가능하다.
상기 천연가스 공급레일(120), 유도관(140) 등 천연가스가 공급되는 관은 단열되도록 형성하여 천연가스의 밀도가 낮아지는 것을 방지하도록 한다.
상기와 같이 구성되는 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 의하여 종래의 디젤연료가 사용되는 대형엔진을 개조하여 천연가스연료를 사용할 경우 천연가스와 공기의 혼합의 불균일한 혼합과, 천연가스의 팽창에 의하여 유입되는 공기량의 부족을 해결함으로써 엔진출력의 저하를 방지하였다.
즉, 간단한 연료분사시스템의 변형에 의하여 디젤연료의 엔진을 천연가스연료의 엔진의 전환이 가능하게 함으로써 엔진의 설계변형과 같은 설계비용을 감축시킬 수 있으며, 천연가스연료의 사용시 천연가스의 팽창력과 공기와의 불균일한 혼합에 의한 엔진출력의 감소를 해소하였다.

Claims (3)

  1. 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템에 있어서,
    유입되는 공기의 유속을 변화시켜 연소실(160)로 유입되는 공기량을 일정하게 하기 위하여 흡입 통로의 단면적이 점점 감소되도록 형성된 흡기매니폴드(110)와;
    상기 흡기매니폴드(110)와 연소실(160) 사이에 공기가 유입되도록 형성된 다수개의 흡기포트(170)와;
    천연가스 공급레일(120)로부터 공급되는 천연가스를 분사/제어하는 다수개의 인젝터(130)와;
    상기 흡기포트(170)에 인젝터(130)로부터 분사/제어되어 공급되는 천연가스를 유도하는 유도관(140)이 설치되되, 상기 각각의 유도관(140)은 유도관(140)으로 공급되는 천연가스와 흡기매니폴드(110)로부터 흡기포트(170)로 공급되는 공기가 혼합되는 혼합공간(S)의 거리가 상이하도록 설치됨을 특징으로 하는 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유도관(140)으로 공급되는 천연가스량을 밀도변화를 측정하기 위하여 온도센서(150)를 설치하고, 상기 온도센서(150)에서 감지되는 정보에 의하여 인젝터(130)에서 분사되는 천연가스량이 조절됨을 특징으로 하는 천연가스 자동차의 대 형엔진용 연료분사시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 혼합공간(S)은, 흡기매니폴드(110)로부터 흡기포트(170)로 공급되는 공기와 유도관(140)으로 공급되는 천연가스가 잘 혼합되어 연소실로 공급될 수 있도록 흡기포트(170)로 공급되는 공기의 유속이 낮은 경우에는 혼합공간(S)의 거리가 짧고, 흡기포트(170)로 공급되는 공기의 유속이 빠른 경우 혼합공간(S)의 거리가 긴 것을 특징으로 하는 천연가스 자동차의 대형엔진용 연료분사시스템.
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