KR100931101B1 - Ｌｎｇ 연료탱크의 압력 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 연료탱크의 내부 설정압력과 동일한 내부 압력을 가지며 상기 LNG 연료탱크와 연통되도록 장착되어, 상기 연료탱크 내부 압력 상승시 연료탱크 내의 연료 일부가 내부로 유입되도록 구성됨으로써, 차량의 장기 주차 후에 시동을 걸어도 LNG 연료탱크 내의 압력이 초기 설정압력과 큰 변화가 일어나지 않기 때문에 차량의 안전운행을 도모할 수 있게 되는 LNG 연료탱크의 압력조절장치를 제공한다.

LNG, 연료탱크, 압력조절장치, 고압실린더, 레귤레이터,

Description

ＬＮＧ 연료탱크의 압력 조절장치{Pressure control device of LNG fuel tank}

본 발명은 압력 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 연료탱크 내부의 온도상승으로 인한 고압 발생을 방지할 수 있는 LNG 연료탱크의 압력 조절장치에 관한 것이다.

도심의 대기환경 개선을 위해 시작된 CNG(Compressed Natural Gas ; 압축천연가스) 차량 보급이 성공적이라는 평가를 받고 있으나, CNG 차량은 연료의 특성상 기체 상태의 가스를 압축하여 연료탱크 내에 충전되어 1회 충전시 대략 350Km 정도 밖에 운행하지 못하기 때문에 고속버스나 대형 화물트럭 등에는 적용하기가 어렵다.

이를 해결하기 위하여 최근에는 기존 CNG 차량과 동일한 천연가스 연료이지만, 1회 충전시 대략 900km 정도를 운행할 수 있는 LNG(liquified natural gas ; 액화천연가스) 차량이 개발되었다.

즉, LNG 차량은 연료를 CNG 차량처럼 기체상태로 충전하는 것이 아니라, 액체상태로 충전하기 때문에 CNG 대비 연료의 에너지 밀도가 2.6배 수준으로 보다 작은 연료탱크에 많은 양의 연료를 저장할 수 있어 1회 충전으로 상기 CNG 차량보다 더 많은 주행거리를 확보할 수 있으며, 차량 Install 시에도 공간을 작게 차지하는 등의 많은 장점을 가지고 있기 때문에 장거리를 운행하는 고속버스나 대형 화물트럭에 적용이 가능하다.

첨부된 도면을 참조하여 종래의 LNG 연료장치의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 LNG 차량에 장착되는 연료장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 1의 도시와 같이 LNG 연료장치는 저온(-140 ~ -150℃)의 액화천연가스를 저장하는 연료탱크(1)와, LNG를 기화시켜 기체상태로 엔진으로 공급하는 기화기(미도시) 등으로 구성되어 있다. 연료탱크(1) 내부의 연료는 약 90%정도만 충전하며, 상단 10%의 공간에 기화되어 있는 포화기체의 압력으로 배관을 통해 LNG를 밀어내어 연료를 공급는 구조이다.

그러므로 연료의 양을 항상 일정하게 공급하기 위해서는 연료탱크(1) 상단 포화기체의 압력을 운전조건에 상관없이 항상 일정하게 유지되어야 하며, 그 기능을 수행하는 것이 압력조절부(2)이다.

예를 들어, 연료를 사용함에 따라 상단 포화기체 구간의 체적이 커지면서 압력이 작아지는 것을 LNG를 엔진으로 공급되는 연료라인과는 별도로 기화시켜 연료 탱크(1) 상단부에 공급함으로써, 압력을 항상 일정하게 유지시켜 주게 되는 것이다.

한편, LNG 연료탱크(1)는 단열용기로 초저온의 LNG를 일정한 압력(50 ~ 80psi)으로 저장한다. 차량의 주행중에는 전체 액상의 부피가 줄어들면서 기상부분의 압력이 떨어지는 것을 상기 압력조절부(2)가 보상하지만, 차량의 장기 주차시 연료탱크(1) 내의 온도상승(100% 단열은 불가)에 의해 LNG가 기화되면서 기상부분의 압력이 과다하게 상승하면 설정된 압력(156psi)에서 대기중으로 방출시켜 연료탱크를 보호한다.

LNG 연료장치의 가장 중요한 성능은 차량의 운전조건하에서 항상 일정한 압력을 유지해주는 것이 중요하며, 대체적으로 80psi의 압력으로 설정되는 것이 일반적이다.

연료탱크 자체의 압력조절기능은 액상의 LNG를 사용함에 따라 압력이 낮아지는 것은 보상되지만, 현재 차량의 장기 주차 후 압력이 상승한 상태에서의 압력조절 기능은 없으며, 엔진 기동을 통해 연료를 사용하면서 하강시키게 되어 있어 정상압력 (80psi)으로 하강 될 때까지는 이미 Mappin된 엔진 성능에 문제가 될 수 있다.

예를 들어, 80psi의 설정압력을 가진 차량이 5일 정도 장기 주차 후 시동시 압력은 100psi가 넘게 된다. 즉, 차량 장기 주차시의 압력증가는 연료탱크의 단열성능에 따라 변화되지만, 대체적으로 1일에 6~10psi씩 증가하기 때문에 (80 + (10 * 5)=130psi)큰 압력을 갖게 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이러한 본 발명의 목적은 차량의 장기 주차시 연료탱크의 온도상승에 따른 내부 압력 상승현상을 적절하게 조절하여 연료탱크 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 하는 LNG 연료탱크의 압력조정장치를 제공함에 있다.

본 발명은 LNG 연료탱크의 내부 설정압력과 동일한 내부 압력을 가지며 상기 LNG 연료탱크와 연통되도록 장착되어, 상기 연료탱크 내부 압력 상승시 연료탱크 내의 연료 일부가 내부로 유입되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 LNG 연료탱크의 압력조절장치에 의하면, 차량의 장기 주차 후에 시동을 걸어도 LNG 연료탱크 내의 압력이 초기 설정압력과 큰 변화가 일어나지 않기 때문에 차량의 안전운행을 도모할 수 있게 되는 효과를 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 LNG 연료시스템에 구비되는 압력조절장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 2의 도시와 같이 본 발명은 차량의 주차시 연료탱크(10)의 온도상승에 따른 압력 상승을 적절하게 조절하여 연료탱크(10) 내부 압력이 일정하게 유지되도록 하는 것에 그 특징이 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 연료탱크(10) 외부에 상기 연료탱크(10) 내부의 압력을 조절하는 압력조절장치(20)가 장착된다.

즉, 연료탱크(10) 외부에 상기 연료탱크(10)의 압력과 동일한 압력이 제공되는 압력조절장치(20)를 장착하여 상기 연료탱크(10)의 압력과 압력조절장치(20)의 압력차이에 의해 연료탱크(10) 내의 연료가 이동되면서 상기 연료탱크(10) 내의 압력을 조절하게 되는 것이다.

이러한 압력조절장치(20)는 크게 에어탱크(21)와, 고압실린더(22)와, 솔레노이드밸브(25) 및, 제어수단(27)을 포함하여 구성된다.

에어탱크(21)는 상기 고압실린더(22) 내부에 상기 연료탱크(10)의 설정압력과 동일한 압력의 환경을 만들어주기 위하여 구비된다.

이때, 에어탱크(21)는 별도로 구비할 필요 없이 차량에 구비되는 에어탱크(21)를 사용한다. 즉, LNG 연료를 사용하는 차량은 버스, 화물차 등의 상용차에만 장착되고 이러한 대부분의 상용차는 브레이크나 서스펜션 등의 기능을 압축공기를 이용하여 구현하기 때문에 에어탱크(21)가 구비되기 때문에 별도로 구비할 필요 없다.

고압실린더(22)는 피스톤(22a)에 의해 구획되어 일부는 압축공기라인(23)을 통해 상기 에어탱크(21)와 연결되고, 일부는 LNG 연료라인(24)을 통해 연료탱크(10)에 연결되어 LNG 연료의 출입이 가능하게 구성되어 있다.

이때, 상기 압축공기라인(23)에는 상기 에어탱크(21)로부터 공급되는 압축공기의 압력이 상기 연료탱크(10)의 설정압력과 동일한 압력으로 조정하도록 레귤레이터(26)가 설치된다.

솔레노이드밸브(25)는 상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)을 각각 개폐시키기 위하여 구비된다.

이때, 상기 솔레노이드밸브(25)는 제어수단(27)인 ECU와 연결되어 차량의 키'ON'시 상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)를 폐쇄시키고, 키'OFF'시 상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)을 개방시키도록 구성된다.

이와 같이 구성되는 압력조절장치(20)의 작동원리에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

키'ON' 상태인 차량 주행시에는 상기 솔레노이드밸브(25)가 모두 폐쇄되어 기본상태와 동일하게 된다. 즉, 초기 연료탱크(10)의 내부 압력은 엔진 기동 및 자체 압력조절기능에 의해 설정된 압력(80psi)를 유지하게 되는 것이다.

차량을 주차하기 위해 키를 'OFF'시키면 ECU가 이를 감지하여 솔레노이드밸브(25)를 모두 개방시키게 되며, 이때 고압실린더(22)에는 에어탱크(21) 및 레귤레이터(26)에 의해 연료탱크(10) 내의 설정압력과 동일한 압력으로 조정된 압축공기가 주입되기 때문에 연료탱크(10) 내의 압력과 고압실린더(22)의 압력을 평형상태로 유지하게 된다.

이와 같은 상태에서 주차시간이 길어짐에 따른 연료탱크(10)의 온도가 상승되면, LNG 연료의 기화가 발생되면서 연료탱크(10) 내부의 압력이 상승하게 되고, 지속적으로 상승하여 연료탱크(10) 내부 압력이 설정된 압력 이상까지 상승하게 되면, 상기 고압실린더(22)와의 압력평형이 깨지기 때문에 연료탱크(10) 내의 LNG 연료는 일정량이 고압실린더(22)측으로 이동되면서 연료탱크(10) 내의 압력을 하강시 키면서 상기 고압실린더(22)의 압력과 평형상태를 다시 유지하게 되는 것이다.

이와 같이 연료탱크(10) 내에 압력이 상승되면, LNG 연료의 이동으로 압력이 하강되어 압력평형 상태를 지속적으로 유지시킬 수 있기 때문에 일정 기간 주차후에 시동을 걸어도 연료탱크(10) 내의 압력이 초기 설정압력과 큰 변화가 없게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 LNG 차량에 장착되는 연료시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 LNG 연료시스템에 구비되는 압력조절장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.

*도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 - 연료탱크 20 - 압력조절장치

21 - 에어탱크 22 - 고압실린더

22a - 피스톤 23 - 압축공기라인

24 - LNG 연료라인 25 - 솔레노이드밸브

26 - 레귤레이터 27 - 제어수단

Claims (5)

1. 삭제
2. LNG 연료탱크(10) 내부의 설정압력과 동일한 내부 압력 환경을 만들기 위하여 압축공기를 제공하는 에어탱크(21)와;

   피스톤(22a)에 의해 내부가 구획되어 일측은 압축공기라인(23)을 통해 상기 에어탱크(21)와 연결되고, 타측은 LNG 연료라인(24)를 통해 상기 연료탱크(10)에 연결되어 연료의 출입이 가능하도록 구성되는 고압실린더(22);

   를 포함하여 구성되고,

   상기 연료탱크(10) 내부 압력 상승시 연료탱크(10) 내의 연료 일부가 상기 고압실린더(22) 내부로 유입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 LNG 연료탱크의 압력조절장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 압축공기라인(23)에는,

   상기 에어탱크(10)에서 공급되는 압축공기를 상기 연료탱크(10) 내의 설정압력과 동일한 압력으로 조정하도록 레귤레이터(26)가 장착되는 것을 특징으로 하는 LNG 연료탱크의 압력조절장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)을 개폐시키도록 설치되는 솔레노이드밸브(25) 및,

   차량의 상태를 감지하여 상기 솔레노이드밸브(25)의 개폐를 제어하는 제어수단(27)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 연료탱크의 압력조절장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어수단(27)은,

   차량의 키'ON'시 상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)이 폐쇄되고, 키'OFF'시 상기 압축공기라인(23)과 LNG 연료라인(24)이 개방되도록 상기 솔레노이드밸브(25)를 제어하는 것을 특징으로 하는 LNG 연료탱크의 압력조절장치.

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