KR100866326B1 - Ｌｐlｉ 엔진 시스템 및 ｌｐｌｉ 엔진 시스템의 연료 공급 방법 - Google Patents

Ｌｐlｉ 엔진 시스템 및 ｌｐｌｉ 엔진 시스템의 연료 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 LPLI 연료 시스템은 LPG 연료를 연소시켜 운동 에너지를 발생시키는 엔진(engine)과 엔진의 흡기 계통에 설치되어 LPG 연료를 분사하는 인젝터(injector)와 상기 인젝터에 제공되는 LPG 연료를 저장하는 연료 봄베(bombe)와 상기 인젝터와 상기 연료 봄베를 연결하여 LPG 연료를 공급하는 공급라인과 LPG 연료를 회수하는 회수라인을 포함하는 이송부와 상기 이송부에 연결 설치되어 엔진 시동 시에 시동 압력으로 상기 인젝터로 연료를 공급하고, 시동 후에는 상기 시동 압력보다 더 낮은 운전 압력으로 상기 인젝터로 연료를 공급하는 압력 조정기, 및 상기 압력 조정기의 작동압을 제어하는 제어부를 포함한다.
인젝터, 운전 압력, 시동 압력, 압력 조정기, 이송부

Description

ＬＰLＩ 엔진 시스템 및 ＬＰＬＩ 엔진 시스템의 연료 공급 방법 {LPLI ENGINE SYSTEM AND FUEL SUPPLYING METHOD THEREOF}
본 발명은 LPLI 연료 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력 조정기가 설치된 LPLI 연료 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 LPG(Liquefied Petroleum Gas; 액화석유가스) 엔진은 봄베(Bombe)에 저장되어 공급된 LPG 연료를 믹서와 기화기를 통해서 기화시켜 엔진에 공급하도록 시스템이 구성되어 있으나, 이러한 LPG 엔진은 엔진 제어 유니트(ECU)에 의한 연료의 분사량에 대한 정밀한 제어가 어려워서 겨울철 시동이 어렵고, 동력 성능 및 연비 수준이 저하될 뿐만 아니라, LPG 연료의 연소 시에 발생하는 타르 문제로 인해 아이들 시 불안정하고 시동 중 잦은 시동의 꺼짐 현상 등을 초래하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이 믹서와 기화기를 사용하지 않고 LPG 연료를 인젝터를 통해 고압의 액상으로 직접 분사하는 LPG 액상분사식(Liquid Phase LPG Injection, 이하 'LPLI'라 함.) 연료공급방법이 개발되었다.
LPLI 엔진은 인젝터를 통해 LPG 연료를 직접 분사하기 때문에 분사되는 연료 의 시기와 양을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 이에 따라 차량의 연비 특성과 동력 성능을 개선할 수 있고, 동절기 시동성 향상과 불필요한 정비를 배제할 수 있는 효과가 있다.
일반적으로 LPLI 시스템의 연료공급 장치는 가솔린 분사 방식과 동일한 방식을 채택하고 있으며 가솔린 엔진에서 사용하는 바텀 피드 방식의 인젝터를 사용하고 있다. 이러한 LPLI 엔진은 믹서 타입의 엔진과 동일하게 시동 종료 시, 봄베로부터 연료 공급이 차단된다. 가솔린 및 LPG 엔진과 같은 SI 엔진에서 가장 문제가 되고 있는 유해 배기물질은 미연탄화수소로서 대부분 매연 감소기의 촉매가 활성화되기 전의 냉간 시동 조건에서 배출된다.
이러한 미연탄화수소의 배출을 감소시키기 위해서 최근에는 연료전지 기술에 이용되는 연료 개질 기술로 기존의 자동차 연료를 개질하여 수소를 포함하는 합성가스를 생산하여 내연기관의 연료로 이용하는 방법에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 이러한 합성가스의 이용은 합성가스를 생산하기 위한 기술적인 문제와 합성가스를 공급하기 위한 인프라 구축을 위해 소모되는 막대한 비용과 시간 등에 대한 이유로 합성가스를 연료로 상용화하기에는 많은 문제점이 있다.
이러한 초기 냉간 시동에서 배출되는 미연탄화수소의 배출량을 근원적으로 저감하기 위해서는 수소와 같은 탄소를 포함하지 않은 우수한 연료특성을 가진 연료를 사용하는 것이 가장 이상적이나 비용 등을 고려할 때 효과적이지 못하다.
높은 작동압력 및 기밀성이 요구되는 가스연료를 현재의 LPLI 시스템에 적용 할 경우 이그니션 오프(ignition off) 시, 연료 시스템의 온도 상승으로 인해 연료 계통에서 압력이 과다하게 상승하고 이로 인해 LPG 연료가 인젝터를 통해 엔진의 흡기 계통으로 누설되는 문제가 있다.
LPLI 시스템에서 사용되는 인젝터는 기본적으로 가솔린 엔진에서 사용되는 인젝터와 동일한 것으로, 상대적으로 낮은 분사압력 조건에서 작동하도록 설계되어 있기 때문에 시동 종료 후 엔진 각부의 고온에 의해서 발생되는 인젝터 팁에서의 연료 누설을 차단시키는 것은 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉간시동 시, 미연탄화수소의 배출량을 감소시킬 수 있는 LPLI 연료 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 엔진 정지 시, 인젝터로 누출되는 연료의 누설을 방지할 수 있는 LPLI 연료 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 LPLI 연료 시스템은 LPG(liquefied petroleum gas) 연료를 연소시켜 운동 에너지를 발생시키는 엔진(engine)과 엔진의 흡기 계통에 설치되어 LPG 연료를 분사하는 인젝터(injector)과 상기 인젝터에 제공되는 LPG 연료를 저장하는 연료 봄베(bombe)와 상기 인젝터와 상기 연료 봄베를 연결하여 LPG 연료를 공급하는 공급라인과 LPG 연료를 회수하는 회수라인을 포함하는 이송부와 상기 이송부에 연결 설치되어 엔진 시동 시에 시동 압력으로 상기 인젝터로 연료를 공급하고, 시동 후에는 상기 시동 압력보다 더 낮은 운전 압력으로 상기 인젝터로 연료를 공급하는 압력 조정기, 및 상기 압력 조정기의 작동압을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 시동 압력은 상기 연료 봄베 내의 압력에 비하여 10bar 내지 12bar 더 높은 압력일 수 있으며, 상기 운전 압력은 상기 시동 압력보다 5bar 내지 7bar 더 낮은 압력일 수 있다.
상기 이송부에는 유로 면적의 제어가 가능한 밸브가 설치될 수 있으며, 상기 압력 조정기는 상기 회수라인에 설치될 수 있다.
상기 엔진의 배기 계통에 설치되며 산화촉매를 이용하여 매연 감소시키는 매연 저감기를 포함할 수 있으며, 상기 매연 저감기에는 촉매의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전달하는 온도 센서가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법은 LPG가 저장된 연료 봄베에서 LPG 연료를 이송부를 통해서 인젝터로 공급하는 단계와, 상기 인젝터로 공급되는 LPG 연료의 압력을 상기 연료 봄베의 압력보다 높은 시동압력으로 승압하는 단계, 및 상기 LPG 연료의 압력을 상기 시동압력보다 낮은 운전압력으로 감압하는 단계를 포함한다.
상기 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법은 상기 엔진의 정지 시, 상기 이송부의 압력을 상기 운전 압력보다 낮은 정지 압력으로 낮추는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 정지 압력은 상기 봄베의 압력과 동일한 압력일 수 있다.
상기 LPG 연료의 압력을 시동 압력으로 높이는 단계 이후에, 상기 엔진에서 배기 계통에 설치된 매연 저감기의 촉매온도를 측정하여 기준 온도와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기준 온도는 매연 저감기의 촉매의 작동 온도일 수 있으며, 상기 운전 압력으로 감압하는 단계에 있어서, 압력의 강하는 상기 이송부에 연결 설치된 압력 조정기에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 운전 압력으로 감압하는 단계에 있어서, 압력의 강하는 상기 이송부에 연결 설치된 압력 조정기와 인접하게 설치되며, 유로 면적의 제거가 가능한 밸브에 의하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템은 인젝터로 공급되는 압력을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 시동 초기에 LPG 연료를 시동 압력으로 승압하여 공급함으로써 연료입자의 미립화와 증발율을 향상시킬 수 있다.
또한, 시동 초기에 매연 저감장치의 촉매가 작동 온도까지 상승하지 아니한 경우에도 연료의 불완전 연소를 방지하여 시동 초기에 일산화 탄소와 탄화수소가 다량으로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 운전 정지 시에는 LPG 연료의 압력을 봄베 압력 수준으로 감압하여 인젝터에서 연료가 누출되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LPLI 연료 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 LPLI 연료 시스템은 LPG(liquefied petroleum gas) 연료를 연소시켜 운동 에너지를 발생시키는 엔진(engine)(100)과 엔진(100)의 흡기 계통에 설치되어 LPG 연료를 분사하는 인젝터(injector)(150)와, 인젝터(150)에 제공되는 LPG 연료를 저장하는 연료 봄베(bombe)(210)와 인젝터(150)와 연료 봄베(210)를 연결하며 LPG 연료를 공급하고 회수하는 이송부(230), 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 조절하는 압력 조정기(300), 및 압력 조정기(300)의 작동압을 제어하는 제어부(310)를 포함한다.
본 실시예에서 엔진(100)이라 함은 LPG 연료를 연소시켜 기계적인 일을 하는 통상적인 내연기관을 말한다. 인젝터(150)는 엔진(100)으로 공기 및 연료를 공급하는 흡기관(112)에 연결 설치되는데, 엔진(100)으로 LPG 연료를 분사하는 역할을 한다.
연료 봄베(210)는 LPG 연료를 저장할 수 있는 일반적인 용기로 이루어지며, 연료 봄베(210) 내에는 LPG 연료를 고압의 액상으로 승압하여 인젝터(150)로 공급하는 연료 펌프(220)가 설치되어 있다.
이송부(230)는 연료 봄베(210)와 인젝터(150) 사이에 설치되어 LPG 연료가 인젝터(150)로 공급되는 통로를 제공하는 공급라인(231)과, 인젝터(150)로부터 연료 봄베(210)로 LPG 연료가 회수될 수 있도록 통로를 제공하는 회수라인(235)을 포함한다.
엔진(100)의 배기 계통에는 배기가스가 배출되는 통로를 제공하는 배기관(120)이 설치되며, 이 배기관(120)에는 배기가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수 소를 산화촉매를 이용하여 제거하는 매연 저감기(110)가 설치된다. 그리고 매연 저감기(110)에는 매연 저감기(110)의 촉매 온도를 검출하여 제어부(310)로 전달하는 온도 센서(115)가 설치되어 있다.
한편, 이송부(230)에는 이송부(230) 내의 LPG 연료의 압력을 조절하는 압력 조정기(300)가 설치되는데, 압력 조정기(300)는 전자식 압력 조정기로 이루어지며, 회수라인(235)에 연결 설치된다. 압력 조정기(300)는 회수라인(235)에서 연료 봄베(210)로 진행하는 LPG 연료의 양을 조절하여 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 일정한 수준으로 조절한다.
한편, 압력 조정기(300)에는 압력 조정기(300)의 작동을 제어하는 제어부(310)가 연결 설치되는데, 제어부(310)는 상황에 따라 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력이 승압 또는 감압되도록 압력 조정기(300)의 작동을 제어한다.
제어부(310)는 압력 조정기(300)를 제어하는 별개의 부재일 수 있으며, 압력 조정기(300)의 압력을 제어하는 기능이 추가된 엔진 제어 유닛(ECU)일 수도 있다.
본 실시예에서는 촉매 온도를 측정하는 온도 센서(115)를 별도로 구비하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 온도 센서(115)를 구비하지 아니하고, 일정 시간이 지난 후에 압력 조정기가 압력을 운전 압력으로 감압하도록 설정할 수도 있다.
제어부(310)는 상기한 온도 센서(115)로부터 제공된 신호를 바탕으로 촉매의 온도가 기준 온도 이하일 경우, 압력 조정기(300)가 압력을 시동 압력으로 승압하도록 제어하고, 촉매의 온도가 기준 온도 이상일 경우, 압력 조정기(300)가 압력을 운전 압력으로 감압하도록 제어한다.
이는 시동 시에 매연 저감기(110)의 촉매 온도가 낮아서 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 온도를 제대로 제거하기 못하는 것을 방지하기 위함이다.
통상적으로 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력은 연료 봄베(210) 내의 압력보다 5bar 정도 높도록 설정된다. 그러나 본 실시예의 압력 조정기(300)는 시동 초기에 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 연료 봄베(210) 내의 압력보다 10bar 내지 12bar 더 높은 시동 압력으로 조절한다. 그리고 촉매의 온도가 일정 수준으로 상승하면, 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 운전 압력으로 하강시킨다. 이때 운전 압력은 시동 압력보다 5bar 내지 7bar 더 낮게 설정된다.
이와 같이 분사 압력을 증가시키면 인젝터(150)에서 분사되는 연료입자의 미립화가 촉진되고 증발율이 증가하여 연료와 공기의 혼합을 촉진시켜 불완전 연소가 개선된다. 또한 예혼합 연소율이 증가하여 매연의 발생이 감소된다. 도 2를 참조하여 분사 압력의 증가에 따른 효과를 보다 자세히 살펴본다.
도 2는 분사 후, 4ms 이후의 연료 분포를 도시한 사진으로서, 유속이 5.4m/s일 때의 분사 압력을 측정하여 각 압력에 따른 연료의 분포를 나타내었다. 도 2(a)는 각 압력에 따른 연료의 분무 상태를 나타낸 사진이고, 도 2(b)는 각 압력에 따른 연료의 기화 상태를 나타낸 사진이다.
도 2(A)에 도시된 바와 같이 분사 압력이 높을 수록 연료가 보다 넓게 분무된 것을 알 수 있으며, 도 2(B)에 도시한 바와 같이 분사 압력이 높을수록 연료가 보다 많이 기화됨을 알 수 있다.
이와 같이 분사압이 높으면 연료의 미립화와 증발이 촉진되어 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 감소된다.
또한, 본 실시예에 따른 압력 조정기는 제어부(310)에 의하여 LPG 연료의 압력을 조정할 수 있는 바, 엔진 정지(100) 시에는 LPG 연료의 압력을 정지압력으로 감압할 수 있다. 이때 압력 조정기는 회수관의 LPG 연료가 자유롭게 유동하도록 개방하여 정지압력이 연료 봄베(210)의 압력과 동일한 압력으로 설정된다. 이에 따라 엔진 정지(100) 시 압력 조정기(300)와 인젝터(150) 사이에 잔류하는 LPG 연료가 흡기 매니폴더로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 상기한 LPLI 엔진 시스템을 이용하여 매연 저감할 수 있도록 연료를 제어하는 방법에 대해서 살펴본다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 제1 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법은 인젝터(150)로 LPG 연료를 공급하는 단계(S201)와, 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 시동압력으로 승압하는 단계(S202)와 엔진(100)의 배기 계통에 설치된 매연 저감기(110)의 촉매 온도를 측정하여 기준온도와 비교하는 단계(S203)와 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 운전 압력으로 감압하는 단계(S204)와 엔진(100) 정지 시 LPG 연료의 압력을 정지 압력으로 감압하는 단계(S205)를 포함한다.
인젝터(150)로 LPG 연료를 공급하는 단계(S201)에 있어서, LPG 연료는 연료 봄베(210)에 저장된 상태에서 연료 봄베(210)와 인젝터(150)를 연결하는 공급라인(231)을 통해서 인젝터(150)로 공급된다.
또한, LPG 연료의 압력을 시동 압력으로 승압하는 단계(S202)에 있어서, 시동 압력은 연료 봄베(210) 압력보다 10bar 내지 12bar 더 높은 압력을 말한다. 시동 압력으로 승압한 이후에는 엔진(100)의 배기 계통에 설치된 매연 저감기(110)의 촉매 온도를 측정하여 기준 온도와 비교한다. 여기서 기준 온도는 산화촉매의 작동 온도이다. 촉매 온도가 기준 온도보다 낮으면 시동 압력을 유지하고, 촉매 온도가 기준 온도보다 높으면 시동 압력에서 운전 압력으로 감압한다.
본 실시예에서는 촉매 온도를 기준으로 시동압력을 운전압력으로 감압하는지 여부를 결정하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 시동 후, 경과된 시간을 기준으로 시동 압력을 운전 압력으로 감압할 수도 있다.
운전 압력으로 감압하는 단계(S204)에서 운전 압력은 시동 압력보다 5bar 내지 7bar 더 낮은 압력이다. 또한, 정지 압력으로 감압하는 단계(S204)에 있어서 정지 압력은 연료 봄베(210) 압력과 동일한 압력이다. 이때 압력 조정기(300)는 완전히 개방되며 인젝터(150)와 압력 조정기(300) 사이에 있는 LPG 연료가 연료 봄베로 자유롭게 이동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템은 압력 조정기(300)와 제어 밸브(320)의 구성을 제외하고는 상기한 제1 실시예와 동일한 구조 로 이루어지며, 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 압력 조정기(300)는 기계식 압력 조정기로 이루어진다. 이러한 기계식 압력 조정기는 이송부의 압력을 항상 일정한 압력으로 유지시키는 역할을 한다. 그리고 회수라인(235)에는 압력 조정기(300)와 인접하게 제어 밸브(320)가 설치되는데, 제어 밸브(320)는 유로 면적의 제어가 가능한 솔레노이드 밸브 등으로 이루어진다. 또한, 제어 밸브(320)는 제어 밸브(320)의 작동을 제어하는 제어부(310)와 연결되는데, 제어부(310)가 제어 밸브(320)를 통해서 회수되는 LPG 연료의 양을 조절함으로써 인젝터(150)로 공급되는 LPG 연료의 압력을 용이하게 제어할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 LPLI 엔진 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 압력의 변화에 따른 연료의 분포를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템의 연료 공급 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LPLI 엔진 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
100: 엔진 110: 매연 저감기
112: 흡기관 115: 온도 센서
120: 배기관 150: 인젝터
210: 연료 봄베 220: 연료 펌프
230: 이송부 231: 공급라인
235: 회수라인 300: 압력 조정기
310: 제어부 320: 제어 밸브

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  8. LPG가 저장된 연료 봄베에서 LPG 연료를 이송부를 통해서 엔진의 흡기 계통에 설치된 인젝터로 공급하는 단계;
    상기 인젝터로 공급되는 LPG 연료의 압력을 상기 연료 봄베의 압력보다 10bar 내지 12bar 더 높은 시동압력으로 승압하는 단계;
    상기 엔진에서 배기 계통에 설치된 매연 저감기의 촉매온도를 측정하여 기준 온도와 비교하는 단계; 및
    상기 LPG 연료의 압력을 상기 시동압력보다 5bar 내지 7bar 더 낮은 운전압력으로 감압하는 단계;
    를 포함하는 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
  9. LPG가 저장된 연료 봄베에서 LPG 연료를 이송부를 통해서 엔진의 흡기 계통에 설치된 인젝터로 공급하는 단계;
    상기 인젝터로 공급되는 LPG 연료의 압력을 상기 연료 봄베의 압력보다 높은 시동압력으로 승압하는 단계;
    상기 엔진에서 배기 계통에 설치된 매연 저감기의 촉매온도를 측정하여 기준 온도와 비교하는 단계;
    상기 LPG 연료의 압력을 상기 시동압력보다 낮은 운전압력으로 감압하는 단계; 및
    상기 엔진의 정지 시, 상기 이송부의 압력을 상기 운전 압력보다 낮은 정지 압력으로 낮추는 단계를 포함하며,
    상기 정지 압력은 상기 봄베의 압력과 동일한 압력인 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
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  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 매연 저감기의 촉매의 작동 온도인 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 운전 압력으로 감압하는 단계에 있어서, 압력의 강하는 상기 이송부에 연결 설치된 압력 조정기에 의하여 이루어지는 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 운전 압력으로 감압하는 단계에 있어서, 압력의 강하는 상기 이송부에 연결 설치된 압력 조정기와 인접하게 설치된 솔레노이드 밸브에 의하여 이루어지는 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스에서 촉매반응으로 매연을 감소시키는 단계를 포함하는 LPLI 엔진 시스템의 연료 제어 방법.
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