KR101020951B1

KR101020951B1 - 알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급시스템

Info

Publication number: KR101020951B1
Application number: KR1020090022740A
Authority: KR
Inventors: 최우연
Original assignee: 지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2011-03-09
Also published as: KR20100104367A

Abstract

알코올연료 사용 차량용 연료탱크가 제공된다. 개시된 알코올연료 사용 차량용 연료탱크는 주연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크로부터 일정거리 이격되어 연결유로를 통해 상호 연통되는 보조연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크의 일측 벽면에 관통되며 일측단이 상기 주연료저장탱크의 내부로 향하는 연료주입구, 상기 보조연료저장탱크와 상기 연료주입구를 상호 연결하는 연료이송관 및 상기 연료주입구 내부면에 부설되며 유선 형상으로 이루어지는 오리피스를 포함하며, 상기 연료주입구를 통해 외부로부터 연료가 주입되는 경우에 상기 연료주입구 내측의 오리피스 부근에서 상기 보조연료저장탱크의 잔류 알코올 연료가 분사 및 혼합됨으로써 상기 주연료저장탱크로 이송될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 연료탱크에 알코올 연료를 주입하는 과정에서 잔류하는 알코올 연료와 새로 주입하는 알코올 연료를 적절한 비율로 균일하게 섞을 수 있는 특징이 있으므로 연료탱크 내에 존재하는 알코올 연료의 성분비를 작은 허용오차 범위 내에서 유지할 수 있게 되는 효과가 있다.

알코올, 연료, 탱크, 주입구, 오리피스, 유로

Description

알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급 시스템{Fuel Tank for Vehicle Using Alcohol Fuel and Fuel Supply System Using The Same}

본 발명은 알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알코올 연료를 저장하기 위한 복수의 저장탱크로 구성되는 연료탱크에서 연료주입구로부터 직접 주입되는 주연료저장탱크 및 별도의 위치에 배치되는 보조연료저장탱크에 저장되는 알코올 연료의 성분비를 엔진작동에 필요한 일정범위 내로 유지하는 알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급 시스템에 관한 것이다.

최근의 국제 원유가격의 상승 및 CO₂ 법규 강화로 국제적으로 혼합연료(FLex Fuel)의 사용이 증가하고 있고, 국내에서도 관심이 고조되고 있는 상황이다. 혼합연료로 사용되는 연료는 E85(에탄올 85%와 가솔린 15%의 혼합연료), M85(메탄올 85%와 가솔린 15%의 혼합연료) 등이 있으며 연료에 따라 성분비가 다양하므로 연료 탱크 중의 알코올 함량을 연료센서를 이용하여 감지함으로써 운전에 필요한 연료량과 점화시기 등을 최적으로 선택하여 주행할 수 있게 된다.

상기 알코올 연료는 온실가스와 스모그가스 배출을 줄이는 환경적 이점과 가솔린에 비해 높은 출력과 옥수수를 원료로 사용함으로써 원유 수입 의존도를 낮출 수 있는 장점이 있는 반면에 가솔린에 비해 연비가 20~30% 떨어지면서 가격경쟁력은 아직 미흡한 상태로서 알코올 연료를 사용하기 위해서는 특별한 연료 탱크와 연료 라인이 필요하다는 단점이 있다.

알코올 혼합연료가 사용되면 기존의 가솔린을 사용하던 차량 시스템에서와는 다르게 공연비의 변화가 있게 되고 이에 따른 제어 로직의 변화가 필요하게 되어 소프트웨어적으로 대응하는 방법이 있을 수 있으나, 상기 소프트웨어에 의해서 대응하는 방법에는 기술적으로 문제점을 내포한다는 단점이 있어 직접적으로 엔진에 공급되는 알코올 연료의 성분비를 체크하는 알코올 센서가 사용되고 있는 실정이다.

상기와는 별도로 차량의 연료탱크에 공급되는 연료가 어느 지역에서 주입하느냐에 관계없이 균일한 성분비로 공급된다고 가정한다면 소프트웨어적으로 제어가 가능한 시스템을 구성할 수 있게 되어 값비싼 알코올 센서를 사용할 필요가 없는 상황이 생길 수 있다. 그러나, 여전히 알코올 함유량을 동일 성분비로 어느 연료 주입소에서나 동일하게 하는 것은 한계가 있게 되는 문제가 있고, 또한 구조적으로 복잡한 연료탱크의 경우에는 차량 운행 중에 갑작스런 진동이나 충격등의 의해서 다량의 알코올이 갑작스럽게 엔진으로 공급될 수 있다는 문제가 상존하므로 알코올 센서를 사용해야만 하는 한계점에 이르게 된다.

예를 들어 설명하면, 안장형(Saddle Type) 탱크의 경우에 소비자가 연료를 다 사용하지 않은 상태에서 연료주입구를 통해 연료를 주입하는 경우에는 기존에 연료탱크에 저장되어 있는 연료와 새로 공급하는 연료와의 사이에는 알코올 성분의 차이가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 잔류연료 저장탱크를 연료탱크의 주입구 측에 연결하고 상기 주입구의 형상을 오리피스 형태로 구성함으로써 상기 잔류연료 저장탱크에 연료가 잔존하는 상태에서 연료가 주입되는 경우에 상기 오리피스를 통한 연료주입으로 인한 압력 강하로 인해 상기 잔류연료 저장탱크에 저장된 연료가 새로 유입되는 연료와 균일하게 섞일 수 있게 하는 알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 일 관점에 따른 알코올연료 사용 차량용 연료탱크는 주연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크로부터 일정거리 이격되어 연결유로를 통해 상호 연통되는 보조연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크의 일측 벽면에 관통되며 일측단이 상기 주연료저장탱크의 내부로 향하는 연료 주입구, 상기 보조연료저장탱크와 상기 연료주입구를 상호 연결하는 연료이송관 및 상기 연료주입구 내부면에 부설되며 유선 형상으로 이루어지는 오리피스를 포함하며, 상기 연료주입구를 통해 외부로부터 연료가 주입되는 경우에 상기 연료주입구 내측의 오리피스 부근에서 상기 보조연료저장탱크의 잔류 알코올 연료가 분사 및 혼합됨으로써 상기 주연료저장탱크로 이송될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 다른 관점에 따른 연료공급 시스템은 주연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크로부터 일정거리 이격되어 연결유로를 통해 상호 연통되는 보조연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크의 일측 벽면에 관통되며 일측단이 상기 주연료저장탱크의 내부로 향하는 연료주입구, 상기 보조연료저장탱크와 상기 연료주입구를 상호 연결하는 연료이송관, 및 상기 연료주입구 내부면에 부설되며 유선 형상으로 이루어지는 오리피스를 구비하는 차량용 연료탱크와, 상기 주연료저장탱크와 엔진 사이에 구비된 주연료공급라인 상에 배치되는 알코올 감지센서와, 상기 주연료저장탱크로부터 연료의 유출을 조절하는 제1조절밸브 및 상기 보조연료저장탱크로부터 연료의 유출을 조절하는 제2조절밸브로 이루어지는 조절밸브 및 상기 차량용 연료탱크, 상기 알코올 감지센서, 상기 조절밸브 및 상기 엔진과 전기적으로 연결되며, 상기 엔진에서의 알코올 연료의 연소 상태를 판단하는 전자제어장치를 포함하며, 상기 전자제어장치는 상기 조절밸브의 개폐를 조절하여 상기 연료저장탱크들로부터 토출되는 알코올 연료이송량의 조절을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 연료주입구를 통해 외부로부터 연료가 주입되는 경우에 상 기 연료주입구 내측의 오리피스 부근에서 상기 보조연료저장탱크의 잔류 알코올 연료가 분사 및 혼합되어짐으로써 상기 주연료저장탱크로 이송될 수 있다.

또한, 상기 전자제어장치는 상기 엔진 구동초기에는 상기 제1조절밸브를 개방하여 상기 주연료저장탱크로부터 연료를 공급하게 하고, 상기 알코올 감지센서의 측정치가 상기 전자제어장치에 기입력된 기준범위를 벗어나는 경우에는 상기 제1조절밸브와 상기 제2조절밸브를 동시에 개방하여 공급연료의 알코올 성분비를 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명인 알코올연료 사용 차량용 연료탱크는 연료탱크에 알코올 연료를 주입하는 과정에서 잔류하는 알코올 연료와 새로 주입하는 알코올 연료를 적절한 비율로 균일하게 섞을 수 있는 특징이 있으므로 연료탱크 내에 존재하는 알코올 연료의 성분비를 작은 허용오차 범위 내에서 유지할 수 있게 되는 장점이 있게 된다.

또한, saddle type과 같은 복잡한 구조의 연료탱크에서 사용되는 알코올 센서의 장착을 생략할 수 있으므로 하드웨어적으로 원가절감 차원에서 이점이 있게 된다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 알코올연료 사용 차량용 연료탱크 및 이를 이용한 연료공급 시스템을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본발명에 따른 알코올연료 사용 차량용 연료탱크를 중심으로 한 알코올 연료공급 시스템을 나타낸 개념도, 및 도 2는 본발명에 따른 알코올 연료공급 시스템을 사용하여 엔진에 연료를 공급하는 시계열적인 순서를 도시하는 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본발명에 따른 차량용 연료탱크(100)는 안장형상으로 이루어지는 새들(Saddle) 타입의 연료저장용기로서 복수의 연료저장탱크를 구비하고 있다. 즉, 차량용 연료탱크(100)는 연료주입구(110) 인근에 배치된 주연료저장탱크(101)와 주연료저장탱크(101)로부터 일정거리 이격어되지고 연결유로(104)를 통해 상호 연통되는 구조로 이루어진 보조연료저장탱크(102)를 구비한다. 새들 타입 저장용기는 주로 연료저장성이 큰 특성을 지니므로 일반 소형승용차에 적용하는 것 보다는 SUV(sports utility vehicle) 차량에 적용되어지는 바람직할 수 있다. 즉, 평소에는 주연료저장탱크(101)로부터 엔진(160)으로 연료를 공급하다가 장거리 운전이나 연료의 성분비 조정을 위한 필요성이 있을 경우에는 전자제어장치(150)가 연료저장탱크들(101,102)을 적절히 조절하여 연료 성분비를 조정할 수 있다.

연료주입구(110)는 주연료저장탱크(101)의 일측 벽면에 관통하여 설치될 수 있는데, 연료주입구(110)의 일측단에 형성된 토출부(112)가 주연료저장탱크(101)의 내부 하측방으로 경사지게 배치되도록 한다. 연료주입구(110)에는 그 내부에 유로의 폭을 좁히는 형상으로 오리피스(130)가 배치된다. 상기 오리피스(130)는 일정한 곡률을 가진 유선형상으로 제작되어 배치되어 오리피스(130)의 사이를 지나는 유체의 속도를 순간적으로 증가시키게 하는 구조물로 정의할 수 있다.

연료주입구(110) 내에서 오리피스(130)와 토출부(112) 사이에는 연료 접속구(122)가 형성되어지는데, 상기 연료 접속구(122)를 통해서 보조연료저장탱크(102)에 저장된 알코올 연료가 연료주입구(110) 측과 연결되는 구조가 된다.

보조연료저장탱크(102)로부터 연료가 이동하는 원리를 보면 다음과 같다. 오리피스(130) 내부의 고속유동 구간부(132)를 지나면서 속도가 증가된 유체에 의해서 베르누리정리에 따라 자연스럽게 압력이 저하되는데, 상기의 과정을 통해 연료 접속구(122)의 하단에 형성되는 연료혼합부(134)는 보조연료저장탱크(102)의 내부압력보다 작은 상태의 압력을 유지하게 되므로 보조연료저장탱크(102)에 저장된 잔류 알코올연료(105)는 자연스럽게 연료이송관(120)를 따라 연료주입구(110)로 이동하게 된다.

이하, 계속 도 1을 참조하여 차량용 연료탱크(100)의 주위에 배치된 장치들과의 관계에 대해서 설명한다. 먼저, 주연료저장탱크(101)는 주연료공급라인(156)을 통해 전자제어장치(150,ECU)에 연결된다. 주연료공급라인(156) 상에는 구동펌프(152), 알코올 감지센서(154) 및 주연료저장탱크(101)와의 연결단에 구비되는 제 1조절밸브(142)가 배치될 수 있다. 한편으로, 보조연료공급라인(158)은 보조연료저장탱크(102)로부터의 연료를 주연료공급라인(156) 상으로 이송하는 기능을 담당한다. 여기에서, 보조연료저장탱크(102)와의 연결단에 구비되는 제2조절밸브(144)가 구비될 수 있다. 상기 조절밸브들(142,144)은 연료공급라인들(156,158) 상에 매설된 전기 선로(미도시)를 통해 전자제어장치(150)에 연결된다.

전자제어장치(150)는 엔진(160), 구동펌프(152) 및 알코올 감지센서(154)에 전기적으로 연결되고 차량의 구동시에 엔진(160)에서의 원활한 연소를 지원하는 기능을 하게 된다. 전자제어장치(150)의 기능을 간단히 살피면 다음과 같다.

알코올 감지센서(154)는 주연료저장탱크(101)로부터 공급되는 알코올 연료에 대해 주기적으로 알코올과 가솔린의 성분비를 분석하는 과정을 거친다. 상기의 분석 과정에서 전자제어장치(150)에 기 입력된 성분비를 벗어난다고 판단되면 조절밸브들(142,144)의 개방 정도를 적절히 조절하여 엔진(160)으로 공급되는 알코올 연료를 최적화된 성분비 값으로 공급할 수 있게 한다.

한편, 제1조절밸브(142)를 개방하여 주연료저장탱크(101)로부터 먼저 연료를 공급받는 과정에서 알코올 감지센서(154)를 사용하는 단계를 개시하기 전에 소프웨어적으로 제어하는 과정을 거치게 할 수 있다. 즉, 다시 설명하면 전자제어장치(150)는 엔진(160)에서 연소하는 연료의 공연비, 효율, 및 출력 등을 고려하여 소프트웨어적으로 알코올 연료의 성분비를 계산하여 그 정보를 연료저장탱크(101,102) 전체의 기본 정보로서 주기적으로 업데이트하는 단계를 거칠 수 있다.

여기에서, 상기의 내용을 정리하면 전자제어장치(150)는 엔진(160)의 구동에 있어서 출력, 작용부하, 마모 등 엔진(160)에 영향을 끼치는 모든 변수에 대해서 적절히 조절하는 중앙처리장치에 해당하는 것으로서 연료의 주입시에 차량용 연료탱크(100) 내에 알코올 연료가 적절히 섞임으로써 엔진(160)이 무리없이 작동하는 범위에 해당한다면 알코올 감지센서(154)의 적용은 불필요할 수도 있게 된다. 이상과 같이 본발명은 알코올 연료가 적절히 섞이는 과정을 통해서 엔진(160)의 연소 효율을 높이도록 구성될 수 있는데, 경우에 따라서는 순수한 가솔린 연료만의 사용도 가능할 것이다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 차량용 연료탱크(100)를 이용한 알코올 연료공급 시스템의 전체적인 구동에 대해서 시간적인 순서대로 설명한다.

차량의 엔진(160) 구동이 정지한 상태에서 연료주입구(110)를 통해 신규연료를 주입한다(S10). 여기에서, 보조연료저장탱크(102)에는 잔류하는 연료가 일반적으로 있다고 보게 되는데, 연료주입구(110)의 오리피스(130)를 통과하는 과정에서 연료의 이송속도가 증가하므로 이에 따라 상대적으로 감압하는 과정이 이루어진다(S11). 연료혼합부(134) 내로 보조연료저장탱크(102)에서 연료이송관(120)을 통해 잔류 알코올연료(105)가 이송된다(S12). 상기의 과정에서 희석된 알코올 연료는 주연료저장탱크(101) 내에 희석 알코올연료(106)로 저장된다.

차량용 연료탱크(100)에 연료의 주입이 이루어진 이후에는 엔진(160)이 가동된다(S13). 주연료저장탱크(101)에서 주연료공급라인(156)을 통해 유동하는 연료에 대해서 알코올 감지센서(154)는 알코올/가솔린의 성분비를 수시로 체크한 후(S14), 전자제어장치(150)로 그 정보를 전송한다. 전자제어장치(150)는 미리 입력되어 있 는 연료 성분비와 알코올 감지센서(154)로부터 제공된 정보를 상호 비교하여 기준 성분비의 범위 내인지 여부를 체크한다(S15).

상기 S15 단계는 엔진(160) 구동 후에 최초로 알코올 감지센서(154)에 입력되는 정보를 기준 정보로 하고 상기 기준 정보를 차량용 연료탱크(100)에 저장된 모든 연료의 정보로 활용할 수도 있게 된다.

S15 단계에서 상기의 기준 범위를 벗어난다고 판단하면 전자제어장치(150)는 조절밸브들(142,144)의 개방을 조절하여 연료저장탱크들(101,102)로부터의 연료공급비율을 조절한다(S16). 또한, S15 단계에서 상기의 기준 범위를 만족한다고 판단하면 전자제어장치(150)는 계속적으로 엔진(160)으로의 연료공급을 하게 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 본원발명에 따른 알코올연료 사용 차량용 연료탱크를 중심으로 한 알코올 연료공급 시스템을 나타낸 개념도, 및

도 2는 본원발명에 따른 알코올 연료공급 시스템을 사용하여 엔진에 연료를 공급하는 시계열적인 순서를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 차량용 연료탱크 101 : 주연료저장탱크

102 : 보조연료저장탱크 104 : 연결유로

105 : 잔류 알코올 연료 106 : 희석 알코올 연료

110 : 연료주입구 112 : 토출부

120 : 연료이송관 122 : 연료접속구

130 : 오리피스 132 : 고속유동공간부

134 : 연료혼합부 140 : 조절밸브

142 : 제1조절밸브 144 : 제2조절밸브

150 : 전자제어장치 152 : 구동펌프

154 : 알코올 감지센서 156 : 주연료공급라인

158 : 보조연료공급라인 160 : 엔진

Claims

주연료저장탱크;

상기 주연료저장탱크로부터 일정거리 이격되어 연결유로를 통해 상호 연통되는 보조연료저장탱크;

상기 주연료저장탱크의 일측 벽면에 관통되며 일측단이 상기 주연료저장탱크의 내부로 향하는 연료주입구;

상기 보조연료저장탱크와 상기 연료주입구를 상호 연결하는 연료이송관; 및

상기 연료주입구 내부면에 부설되며 유선 형상으로 이루어지는 오리피스;를 포함하며,

상기 연료주입구를 통해 외부로부터 연료가 주입되는 경우에 상기 연료주입구 내측의 오리피스 부근에서 상기 보조연료저장탱크의 잔류 알코올 연료가 분사 및 혼합됨으로써 상기 주연료저장탱크로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 알코올연료 사용 차량용 연료탱크.
주연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크로부터 일정거리 이격되어 연결유로를 통해 상호 연통되는 보조연료저장탱크, 상기 주연료저장탱크의 일측 벽면에 관통되며 일측단이 상기 주연료저장탱크의 내부로 향하는 연료주입구, 상기 보조연료저장탱크와 상기 연료주입구를 상호 연결하는 연료이송관, 및 상기 연료주입구 내부면 에 부설되며 유선 형상으로 이루어지는 오리피스를 구비하는 차량용 연료탱크;

상기 주연료저장탱크와 엔진 사이에 구비된 주연료공급라인 상에 배치되는 알코올 감지센서;

상기 주연료저장탱크로부터 연료의 유출을 조절하는 제1조절밸브 및 상기 보조연료저장탱크로부터 연료의 유출을 조절하는 제2조절밸브로 이루어지는 조절밸브; 및

상기 차량용 연료탱크, 상기 알코올 감지센서, 상기 조절밸브 및 상기 엔진과 전기적으로 연결되며, 상기 엔진에서의 알코올 연료의 연소 상태를 판단하는 전자제어장치;를 포함하며,

상기 전자제어장치는 상기 조절밸브의 개폐를 조절하여 상기 연료저장탱크들로부터 토출되는 알코올 연료이송량의 조절을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 연료공급 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 연료주입구를 통해 외부로부터 연료가 주입되는 경우에 상기 연료주입구 내측의 오리피스 부근에서 상기 보조연료저장탱크의 잔류 알코올 연료가 분사 및 혼합되어짐으로써 상기 주연료저장탱크로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료공급 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 전자제어장치는 상기 엔진 구동초기에는 상기 제1조절밸브를 개방하여 상기 주연료저장탱크로부터 연료를 공급하게 하고, 상기 알코올 감지센서의 측정치가 상기 전자제어장치에 기입력된 기준범위를 벗어나는 경우에는 상기 제1조절밸브와 상기 제2조절밸브를 동시에 개방하여 공급연료의 알코올 성분비를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료공급 시스템.