KR100805131B1 - 초음파 발생기를 이용한 ｌｐｇ연료공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 발생기를 이용한 연료공급장치에 대한 것으로, 더욱 자세하게는 연료탱크의 내부에 초음파 발생기를 구비하여 연료공급시스템의 단순화를 실현하고, 겨울철에 빈번히 발생하는 시동 문제(연료공급 중단현상)를 방지하는 초음파 발생기를 이용한 연료공급장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 LPG연료를 수용하는 연료탱크와 상기 연료탱크의 LPG연료를 엔진에 이르도록 구성된 연료공급장치에서, 상기 연료탱크의 내부에 구비되며 초음파를 이용하여 LPG연료의 기화량을 조절하는 초음파 발생기와; 상기 LPG연료에 포함된 이물질을 여과하는 여과부와, LPG연료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브로부터 LPG연료를 제공받아 압력을 조절하여 공급하는 레귤레이터와; 상기 레귤레이터로부터 LPG연료를 공급받고 공기와 혼합하여 상기 엔진에 공급하는 믹서와; 상기 연료탱크, 여과부, 솔레노이드 밸브, 레귤레이터, 믹서의 각각의 일측에 연결된 연료공급라인;을 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

초음파 발생기, 초음파, LPG, 연료탱크, 고주파수

Description

초음파 발생기를 이용한 ＬＰＧ연료공급장치{The fuel feeder of liquefied petroleum gas for vehicles}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생기가 구비된 LPG연료탱크를 나타낸 도면,

도 3은 입자가속도의 무화현상을 나타낸 사진,

도 4는 초음파 주파수에 따른 입자크기를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 연료탱크 21,22,23: 연료공급라인

31: 여과부 32: 솔레노이드 밸브

40: 믹서 50: 엔진

60: 레귤레이터 70: 초음파 발생기

본 발명은 초음파 발생기를 이용한 연료공급장치에 대한 것으로, 더욱 자세 하게는 연료탱크의 내부에 초음파 발생기를 구비하여 연료공급시스템의 단순화를 실현하고, 겨울철에 빈번히 발생하는 시동 문제(연료공급 중단현상)를 방지하는 초음파 발생기를 이용한 연료공급장치에 관한 것이다.

전 세계적으로 자동차로 인한 대기환경오염문제의 심각성이 제기되고 있는 가운데 액화석유가스(liquefied petroleum gas,이하 LPG)가 청정대체 연료로 많이 사용되고 있다.

비 독성이고 쉽게 생산이 가능하며 취급이 용이한 LPG는 일반적으로 약 7bar정도의 낮은 압력에서 쉽게 액화가 가능하여 저장이 용이하고,폭넓은 연결망과 충전시설이 널리 퍼져있어 자동차 연료로써 사용에 대한 공감대가 충분히 형성되어 있다. 또한 우리나라에서 LPG는 매연발생이 거의 없고 풍부한 연료와 저렴한 가격 때문에 30여 년 전부터 차량의 대체연료로 많이 사용되어져 왔고, LPG엔진 관련기술 및 연료 소비 면에서 세계 우위를 차지하고 있다.

기존 LPG엔진의 연료공급방식은 기체 LPG와 공기를 혼합하는 믹서(mixer)방식으로 장치가 간단하면서 시스템이 안정되어 사용하기 편리한 장점이 있으나 연료저장탱크인 봄베내의 연료압력만을 이용하여 연료를 엔진내로 공급하는 구조는 온도가 낮은 겨울철에 요구연료량 부족으로 인한 초기 시동성 불량 및 급가속시 엔진부조의 원인이 되고, 난기 운전 중에는 기화기(vaporizer)를 통해 따듯하게 데워진 기체연료의 밀도가 낮아 체적효율을 떨어뜨리므로 출력이 저하되는 단점이 있다.

이 외에도 역화의 발생,연료가 기화되면서 생성되는 타르에 의한 연료공급계의 막힘 등의 문제점은 미완의 과제이다. 특히 믹서방식은 연료제어의 정확도가 전 자제어분사(multipointinjection)방식에 비해 열세이기 때문에 갈수록 강화되는 환경규제를 만족하기 위하여 LPG엔진에도 전자제어분사방식의 도입이 필요하였다.

그 가운데 LPG를 액상으로 분사하는 LPi(LiquidPropaneinjection)엔진의 개발은 기존의 체적효율을 좋게 하며 출력을 증대시켜 좋은 평가를 받고 있다.

LPi방식은 유럽 등에서 가솔린엔진에 LPG를 동시에 사용하는 이중연료방식(bi-fueltype)으로 개조되어 사용되어 왔으나 한국에서 최초로 LPG 단일연료만을 사용하는 LPi전용(monofueltype)엔진을 개발하여 상용화하였다.

LPi엔진은 흡기관에 액체 상태로 LPG를 분사하므로 흡기온도를 저하시키고 밀도를 향상시키므로 체적효율을 상승시킬 수 있어 출력상승을 도모한다.또한 연소온도를 다소 낮게 할 수 있어 노킹현상 억제 및 점화진각(spark advanced)으로 배기온도를 저하시켜 배기계통 부품의 내구성을 향상시킬 수 있었다.

그러나 상온에서도 쉽게 기화되는 LPG의 특성상 인젝터까지 LPG를 압송해야 하고 이에 따른 문제점들이 발생하였다. 시동 초기에 연료분사 시 연료의 기화로 인해 인젝터 팁 표면의 온도가 낮아져 얼음이 형성되는 얼음형성(icing)현상이 발생하여 공연비제어가 어려운 문제, 차량주행 후 엔진복사열에 의해 연료라인내의 액상 LPG가 기화하면서 재시동 시에 발생되는 시동성능 불량 즉 열간 재시동성 불량문제 등이 발생하였고, 특히 엔진 정지 이후에도 고압의 연료가 연료라인 내에 잔재하여 인젝터의 장시간 사용으로 생성된 미세한 틈으로 누출되는 인젝터의 연료누출문제는 재시동 시 시동성능 저하의 원인이 되며 누출된 연료가 시동 시 그대로 미연소상태의 탄화수소(hydrocarbon,이하 HC)로 배출되어 오염원으로 문제가 제기 되었다. 따라서 인젝터에서 발생하는 얼음형성,열간 재시동성 등의 문제와 함께 인젝터의 연료누출문제가 해결과제로 등장하여 연구보완이 요구된다.

한편, LPG 연료공급시스템 및 연소방식이 기존의 믹서방식에서 LPG를 고압으로 펌핑하여 전용 인젝터로 전자분사시킴으로써 보다 정교한 연료제어 방식인 LPLi방식으로 전환되고 있으나 아직은 믹서방식의 LPG차량이 운행차의 많은 비율을 차지하고 있는 실정이다.

LPG 연료는 주로 프로판과 부탄연료가 대부분이며, 특히 수송용으로는 부탄성분이 대부분이다. 부탄 성분은 보통 노말부탄과 이소부탄으로 나뉘며 약 6:4에서 7:3의 비율로 존재하고 각각의 성질도 약간의 차이가 있어, 비점의 경우 노말부탄은 영하 0.5℃이며 이소부탄은 영하 11.7℃이다. 우리나라의 겨울철과 같이 기온이 영하로 떨어지는 환경 하에서 믹서방식이나 가스공급 방식의 LPG 연료공급시스템을 사용할 경우 연료탱크 내에 액상으로 존재하는 저비등점의 LPG 연료의 기화가 일어나지 않아 엔진의 시동이 걸리지 않는 현상이 발생한다. 따라서 상용화된 믹서방식 또는 가스분사 방식의 LPG 연료시스템에는 이러한 현상을 방지하기 위하여 시동시에만 운전되는 펌프를 설치하기도 한다.

현재 우리나라의 LPG차량의 수가 200만대를 넘어 세계 최고수준의 LPG 공급기술을 확보한 상황에서, 엔진의 성능 및 효율에 영향을 미칠 수 있는 기술이기 때문에 이에 대한 개발이 매우 절실히 필요한 시점이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 효율적인 연료공급과 겨울철 시동 문제를 개선함과 더불어 연료공급장치의 간소화한 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, LPG연료를 수용하는 연료탱크와 상기 연료탱크의 LPG연료를 엔진에 이르도록 구성된 연료공급장치에서, 상기 연료탱크의 내부에 구비되며 초음파를 이용하여 LPG연료의 기화량을 조절하는 초음파 발생기와; 상기 LPG연료에 포함된 이물질을 여과하는 여과부와, LPG연료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브로부터 LPG연료를 제공받아 압력을 조절하여 공급하는 레귤레이터와; 상기 레귤레이터로부터 LPG연료를 공급받고 공기와 혼합하여 상기 엔진에 공급하는 믹서와; 상기 연료탱크, 여과부, 솔레노이드 밸브, 레귤레이터, 믹서의 각각의 일측에 연결된 연료공급라인;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 초음파 발생기는 가변전원을 공급하는 전원공급장치와 전기 신호적으로 연결되어 상기 전원공급장치의 전원공급에 따라 LPG연료의 기화량을 조절하는 것이 특징이며, 연료탱크의 내부에 소량의 LPG연료가 남은 경우에도 기화가 일으켜 LPG 연료의 완전소진을 달성하는 위치에 구비되는 것이 특징이다.

또한, 본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하되, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생기가 구비된 LPG연료탱크를 나타낸 도면이고, 도 3은 입자가속도의 무화현상을 나타낸 사진이고, 도 4는 초음파 주파수에 따른 입자크기를 나타낸 그래프이다.

우선, 본 발명에 따른 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치의 구성은 LPG연료를 수용하는 연료탱크(10)와 상기 연료탱크(10)의 LPG연료를 엔진(50)에 이르도록 구성된 연료공급장치에서, 상기 연료탱크(10)의 내부에 구비되며 초음파를 이용하여 LPG연료의 기화량을 조절하는 초음파 발생기(70)와, 상기 LPG연료에 포함된 이물질을 여과하는 여과부(31)와, LPG연료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브(32)와, 상기 솔레노이드 밸브(32)로부터 LPG연료를 제공받아 압력을 조절하여 공급하는 레귤레이터(60)와, 상기 레귤레이터(60)로부터 LPG연료를 공급받고 공기와 혼합하여 상기 엔진(50)에 공급하는 믹서(40)와, 상기 연료탱크(10), 여과 부(31), 솔레노이드 밸브(32), 레귤레이터(60), 믹서(40)의 각각의 일측에 연결된 연료공급라인(21,22,23)을 포함한다.

초음파 발생기(70)는 700kHz 이상의 고주파수를 발생시키는 기기로, 가변전원을 공급하는 전원공급장치와 전기 신호적으로 연결되어 상기 전원공급장치의 전원공급에 따라 연료탱크(10) 내의 LPG연료의 기화량을 조절한다. 또한, 이러한 초음파 발생기(70)는 연료탱크(10)의 내부에 소량의 LPG연료가 남은 경우에도 기화를 일으켜 LPG 연료의 완전소진을 달성하는 위치에 구비하되, 바람직한 위치는 연료탱크(10)의 내하측이다.

여기서, 초음파 발생기(70)가 700kHz 이상의 고주파수를 발생시키는 것은 도 3과 같은 연료의 무화현상이 700kHz 이상에서부터 수 마이크로미터 크기의 연료분무가 발생되기 때문이다.(도 4의 그래프 참조)

한편, 상기 초음파 발생기(70)와 전원공급장치는 피복된 전원선으로 연결하되, 피복의 재질은 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 재질을 사용하여야 하고, 초음파 발생기(70)의 외피 또한 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 재질을 사용하여 피복한다. 이와 같은 재질은 바람직하기로 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 수소첨가 니트릴고무(Hydrogenated Nitrile Highly Saturated Nitrile, 이하 HNBR)를 사용한다.

연료탱크(10), 엔진(50), 여과부(31), 솔레노이드 밸브(32), 레귤레이터(60), 믹서(40), 연료공급라인(21,22,23)은 종래의 믹서방식에서 채택되는 구성으로 그 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는, 이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치의 동작을 설명한다.

엔진(50)에서 LPG연료를 원하면 전자제어유닛(ECU)은 전원공급장치에 전원을 공급하기 위한 신호를 인가하여, 전원공급장치로부터 초음파발생기(70)에 전원을 공급하도록 한다. 이때 전자제어유닛(ECU)은 엔진(50)에서 필요로 하는 LPG연료에 맞게 초음파발생기(70)가 연료탱크(10) 내의 LPG연료를 기화할 수 있도록 해당 기화량에 맞는 전원신호를 전원공급장치에 인가한다.

즉, 엔진(50)에서 LPG연료를 많이 필요로 하면 전자제어유닛(ECU)은 초음파 발생기(70)에 전원을 공급하는 전원공급장치에 그에 맞는 신호를 인가하고, 엔진(50)에서 LPG연료를 적게 필요로 하면 전자제어유닛(ECU)은 초음파 발생기(70)에 전원을 공급하는 전원공급장치에 해당되는 신호를 인가한다. 따라서, 전원공급장치는 전자제어유닛(ECU)의 신호에 따라 해당되는 전원을 초음파 발생기(70)에 공급하고, 이러한 전원을 통하여 초음파 발생기(70)는 초음파를 발생하여 LPG연료를 기화시킨다. 기화된 LPG연료는 연료공급라인(21,22)을 통하여 여과부(31)와 솔레노이드 밸브(32)를 거쳐 레귤레이터(60)에 도달되고, 도달된 기화LPG연료는 상기 레귤레이터(60)의 압력조절과 연료공급라인(23)을 통해 믹서(40)에 공급되며, 믹서(40)를 통해 공기와 LPG연료를 혼합하여 엔진(50)에 공급되게 된다.

전술한 바와 같은 초음파 발생기를 이용한 LPG연료공급장치의 사용으로, 종래에 사용된 복잡한 구조의 베이퍼라이저가 배제할 수 있어 연료공급장치의 간소화 가 실현되고, LPG연료의 기화를 날씨에 관계없이 달성할 수 있어 겨울철 시동문제가 해소되며, LPG연료의 효율적인 소모를 이룰 수 있다.

또한, 베이퍼라이저를 구성에서 제외할 수 있으므로, 제작단가가 감소되는 효과가 있다.

이상 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. LPG연료를 수용하는 연료탱크(10)와 상기 연료탱크(10)의 LPG연료를 엔진(50)에 이르도록 구성된 연료공급장치에 있어서,

   상기 연료탱크(10)의 내부에 구비되며 초음파를 이용하여 LPG연료의 기화량을 조절하는 초음파 발생기(70)와;

   상기 LPG연료에 포함된 이물질을 여과하는 여과부(31)와, LPG연료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브(32)와;

   상기 솔레노이드 밸브(32)로부터 LPG연료를 제공받아 압력을 조절하여 공급하는 레귤레이터(60)와;

   상기 레귤레이터(60)로부터 LPG연료를 공급받고 공기와 혼합하여 상기 엔진(50)에 공급하는 믹서(40)와;

   상기 연료탱크(10), 여과부(31), 솔레노이드 밸브(32), 레귤레이터(60), 믹서(40)의 각각의 일측에 연결된 연료공급라인(21,22,23);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 초음파 발생기(70)는 가변전원을 공급하는 전원공급장치와 전기 신호적으로 연결되어 상기 전원공급장치의 전원공급에 따라 LPG연료의 기화량을 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 초음파 발생기(70)는 연료탱크(10)의 내부에 소량의 LPG연료가 남은 경우에도 기화를 일으켜 LPG 연료의 완전소진을 달성하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 초음파 발생기(70)는 연료탱크(10)의 내하측에 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 초음파 발생기(70)와 전원공급장치는 피복된 전원선으로 연결하되, 피복의 재질은 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 초음파 발생기는 외피를 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 재질을 사용하여 피복한 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 LPG 연료와 화학적 반응을 일으키지 않는 재질은 수소첨가 니트릴고무(HNBR)인 것을 특징으로 하는 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 초음파 발생기(70)는 700kHz 이상의 고주파수를 발생하는 것이 특징인 초음파 발생기를 이용한 LPG 연료공급장치.

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