KR101049225B1 - 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치 - Google Patents

압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레귤레이터를 순환하는 냉각수로 가스연료가 누설되는 경우 이를 감지하여 냉각수로부터 누설 가스연료를 분리시키는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치를 제공한다. 본 발명에 따른 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치는, ⅰ) 냉각수 공급관과 냉각수 배출관 및 누설 가스연료 배출관을 구비하며, 냉각수 공급관을 통해 레귤레이터로부터 열교환에 사용된 냉각수를 제공받아 저장하고, 냉각수에 포함된 누설 가스연료를 포집하는 저장 챔버, ⅱ) 저장 챔버의 내부에 설치되며, 누설 가스연료 포집시 동작하여 누설 가스연료를 감지하는 감지기, 및 ⅲ) 누설 가스연료 배출관에 설치되며, 감지기의 동작에 따라 누설 가스연료 배출관을 개방하여 저장 챔버에 포집된 누설 가스연료를 흡기 매니폴드로 배출시키는 개폐 밸브를 포함한다.
압축천연가스, 레귤레이터, 냉각수, 누설, 가스연료, 챔버, 감지기, 개폐밸브, 열교환

Description

압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치 {SEPARATING DEVICE OF COOLING WATER AND LEAKAGE GAS FUEL FOR COMPRESSED NATURAL GAS VEHICLE}
본 발명은 압축천연가스 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레귤레이터를 순환하는 냉각수로 가스연료가 누설되는 경우 이를 감지하여 냉각수로부터 누설 가스연료를 분리시키는 냉각수 누설 가스연료 분리장치에 관한 것이다.
압축천연가스(compressed natural gas; CNG) 차량에서 엔진의 기본 구조는 디젤 엔진과 동일하며 연료 계통에서 차이를 보인다. 연료인 압축천연가스는 기체상태로 차량 내의 가스용기에 저장되거나, 액화상태로 단열용기에 저장된다. 가스용기 또는 단열용기에는 저장 연료의 모니터링을 위한 압력계 등의 계측기와, 내부 압력의 과다 상승시 안전밸브를 거쳐 외부로 벤팅하는 안전장치가 설치된다.
저장된 가스연료는 연료 배관을 거쳐 일정 압력으로 감압된 후 공기와 혼합되어 엔진 내부로 공급된다. 이때 감압을 위해 사용되는 부품이 레귤레이터이다. 레귤레이터는 어떠한 운전 조건에서도 연료 압력과 온도를 허용치 이내로 유지하도록 설계되어야 하며, 감압에 의한 결빙 현상과 오일 등의 이물질에 의한 성능 저하가 수반되지 않도록 해야 한다.
현재 압축천연가스 차량에 사용되는 고압 레귤레이터의 대부분은 가스연료가 감압되어 팽창을 일으키는 출구의 인접 부분에 별도의 공간을 만들어 엔진의 냉각수를 순환시키는 구조를 채택하고 있다. 따라서 레귤레이터 내부에서 가스연료와 냉각수 사이에 열교환이 일어나도록 하여 가스연료의 현상 현상을 방지한다.
그런데 레귤레이터 내부에서 가스연료가 지나가는 공간과 냉각수가 순환하는 공간의 경계부분이 부식되면 냉각수 유로로 가스연료가 누설된다. 그러면 냉각수 유로의 압력 상승으로 인해 공기배출밸브를 통해 가스연료 또는 냉각수가 외부로 배출되며, 이 현상이 계속되면 냉각수 양이 감소하여 냉각 성능이 저하되고 엔진이 과열되는 문제점이 있다.
본 발명은 레귤레이터에서 냉각수 유로로 가스연료가 누설되는 경우 이를 감지하여 냉각수로부터 누설 가스연료를 분리시킴으로써 엔진의 과열을 억제할 수 있는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치는, ⅰ) 냉각수 공급관과 냉각수 배출관 및 누설 가스연료 배출관을 구비하며, 냉각수 공급관을 통해 레귤레이터로부터 열교환에 사용된 냉각수를 제공받아 저장하고, 냉각수에 포함된 누설 가스연료를 포집하는 저장 챔버, ⅱ) 저장 챔버의 내부에 설치되며, 누설 가스연료 포집시 동작하여 누설 가스연료를 감지하는 감지 기, 및 ⅲ) 누설 가스연료 배출관에 설치되며, 감지기의 동작에 따라 누설 가스연료 배출관을 개방하여 저장 챔버에 포집된 누설 가스연료를 흡기 매니폴드로 배출시키는 개폐 밸브를 포함한다.
냉각수 공급관과 냉각수 배출관은 저장 챔버의 하부에 위치하고, 누설 가스연료 배출관은 저장 챔버의 상부에 위치할 수 있다.
감지기는 냉각수 위에 부유하는 뜨개와, 뜨개의 높이 변화를 허용하면서 뜨개를 지지하는 지지체를 포함할 수 있다. 뜨개는 작동 초기 저장 챔버 내부의 최상부에 위치하도록 설치될 수 있다.
압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치는, 개폐 밸브와 전기적으로 연결되어 개폐 밸브 개방시 운전자 경고 신호를 발생하는 제어부를 더욱 포함할 수 있다.
제어부는 엔진 감지기와 전기적으로 연결되고, 엔진의 설정값 이상의 출력 증가 또는 무부하시 엔진 회전수 증가와 개폐 밸브의 개방이 동시에 일어날 때 경고 신호를 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 부품의 설치 및 구조 변경에 의해 누설 가스연료의 냉각수 혼입을 방지할 수 있다. 따라서 엔진의 안정성을 확보할 수 있고, 운전자에게 고장 진단 등의 정보를 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 냉각수 누설 가스연료 분리장치(10)는 가스연료 감압을 위한 레귤레이터(20)와 연결되어 이로부터 냉각수를 제공받으며, 제공받은 냉각수에 누설 가스연료가 포함된 경우 냉각수로부터 누설 가스연료를 분리시키고, 분리된 누설 가스연료를 흡기 매니폴드(30)로 배출시킨다.
도 2는 도 1에 도시한 레귤레이터의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 레귤레이터(20)의 상부에는 다이어프램(21)과 밸브 조립체(22)가 설치되어 가스연료 인렛(23)으로 공급된 고압(대략 200bar 내지 20bar)의 가스연료를 저압(대략 6.8bar 내지 8.7bar)으로 감압시킨 후 가스연료 아웃렛(24)을 통해 엔진의 인젝터로 공급한다.
고압의 가스연료가 저압으로 감압 팽창할 때에는 줄 톰슨 효과(Joule Thomson Effect)에 의해 급격한 온도 강하가 발생한다. 이러한 온도 강하 현상은 가스연료의 공급 압력이 높을수록 크게 나타나며, 압축천연가스에 수분이 함유되어 있으면 결빙 현상이 동반되어 레귤레이터(20)의 성능뿐만 아니라 내구성을 크게 악화시킨다.
따라서 레귤레이터(20) 내부로 엔진 냉각수를 순환시켜 냉각수와 가스연료를 열교환시킴으로써 전술한 문제를 해결한다. 이를 위해 레귤레이터(20)의 내부에 고온의 냉각수를 제공받아 이를 저장하는 냉각수 수용부(25)를 형성한다. 냉각수 수용부(25)는 본 실시예의 냉각수 누설 가스연료 분리장치(10)와 연결된다.
다시 도 1을 참고하면, 냉각수 누설 가스연료 분리장치(10)는 레귤레이터(20)와 연결되어 열교환에 사용된 냉각수를 제공받아 임시 저장하는 저장 챔버(11)와, 저장 챔버(11)의 내부에 설치되며 냉각수에 포함된 누설 가스연료의 양을 감지하는 감지기(12)와, 저장 챔버(11)에 형성된 누설 가스연료 배출관(13)에 설치되며 감지기(12)의 동작에 따라 이를 개폐하는 개폐 밸브(14)를 포함한다.
저장 챔버(11)에는 냉각수 공급관(15)과 냉각수 배출관(16) 및 누설 가스연료 배출관(13)이 형성된다. 냉각수 공급관(15)과 냉각수 배출관(16)은 저장 챔버(11)의 하부에 위치하고, 누설 가스연료 배출관(13)은 저장 챔버(11)의 상부에 위치한다. 냉각수 공급관(15)은 레귤레이터(20)와 연결되고, 냉각수 배출관(16)은 냉각수 저장용기 또는 라디에이터를 통과하여 다시 엔진으로 공급되는 순환 유로와 연결된다.
저장 챔버(11)로 제공된 냉각수에 가스연료가 누설된 경우, 누설 가스연료는 저장 챔버(11)의 상부로 모여 포집된다. 따라서 냉각수로 누설된 가스연료의 양에 따라 저장 챔버(11) 내부에서 냉각수의 수위가 변한다. 감지기(12)는 냉각수 위에 부유하는 뜨개(121)와, 뜨개(121)의 높이 변화를 허용하면서 뜨개(121)를 지지하는 지지체(122)를 포함한다. 뜨개(121)는 냉각수 수위 변화에 연동하여 그 수직 위치가 변한다.
뜨개(121)는 작동 초기 저장 챔버(11) 내부의 최상부에 위치하도록 설치된다. 그러면 냉각수로 가스연료가 누설되지 않은 경우 뜨개(121)는 초기 위치를 그대로 유지하다가 누설 가스연료 포집에 의해 냉각수 수위가 낮아지면 뜨개(121)가 바로 하강하므로 가스연료의 누설 여부를 빠르게 감지할 수 있다.
개폐 밸브(14)는 감지기(12)와 연결되며, 감지기(12)의 작동에 따라 누설 가스연료 배출관(13)을 개방하여 저장 챔버(11)에 포집된 누설 가스연료를 배출시킨다. 누설 가스연료 배출관(13)은 엔진의 흡기 매니폴드(30)와 연결되어 저장 챔버(11)에서 포집된 누설 가스연료를 엔진으로 공급한다.
저장 챔버(11)에서 누설 가스연료가 배출되어 냉각수 수위가 다시 높아지면 뜨개(121)가 상승하고, 개폐 밸브(14)가 누설 가스연료 배출관(13)을 닫는다. 이후 레귤레이터(20)에서 냉각수로 가스연료가 다시 누설되면 전술한 과정을 반복하면서 냉각수로부터 누설 가스연료를 분리시킨다.
한편, 누설된 가스연료가 아닌 냉각수에 포함된 공기에 의해 전술한 작용이 일어날 경우 엔진의 흡기 매니폴드(30)로 공기가 제공되나, 엔진의 운전 상태에는 큰 영향을 미치지 않는다.
그러나 냉각수로 가스연료의 누설이 한번 일어나면 지속으로 가스연료가 누설되는 경향이 있으므로, 누설 정도에 따라 일정 수준으로 뜨개(121) 위치가 고정된 상태에서 개폐 밸브(14)의 개방 상태가 지속된다. 그러면 계속되는 누설 및 시간 지연에 의해 냉각수 압력이 높아진 상태가 지속되므로, 저장 챔버(11)에 누설 가스연료가 포집되는 즉시 운전자에게 경고 신호를 보내는 것이 바람직하다.
이를 위해 냉각수 누설 가스연료 분리장치(10)에는 개폐 밸브(14)와 전기적으로 연결되어 개폐 밸브(14) 개방시 운전자 경고 신호를 발생하는 제어부(17)가 제공된다. 따라서 개폐 밸브(14)가 개방되는 즉시 운전자에게 경고 신호를 보내어 냉각수 배출로 인한 과열 문제가 일어나기 전에 운전자가 적절한 조취를 취하도록 할 수 있다.
또한, 개폐 밸브(14) 개방시 엔진의 흡기 매니폴드(30)로 연료공급장치(도시하지 않음)에 의해 정밀하게 제어된 연료량 이외에 추가적인 연료(누설 가스연료)가 공급되므로, 엔진의 출력 증가 또는 무부하시 엔진 회전수의 증가를 유발한다. 따라서 제어부(17)는 엔진 감지부(도시하지 않음)와도 전기적으로 연결되어 엔진의 설정값 이상의 출력 증가 또는 무부하시 엔진 회전수 증가와 개폐 밸브(14)의 개방이 동시에 일어날 때 경고 신호를 발생할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 레귤레이터의 단면도이다.

Claims (6)

  1. 냉각수 공급관과 냉각수 배출관 및 누설 가스연료 배출관을 구비하며, 상기 냉각수 공급관을 통해 레귤레이터로부터 열교환에 사용된 냉각수를 제공받아 저장하고, 냉각수에 포함된 누설 가스연료를 포집하는 저장 챔버;
    상기 저장 챔버의 내부에 설치되며, 누설 가스연료 포집시 동작하여 누설 가스연료를 감지하는 감지기; 및
    상기 누설 가스연료 배출관에 설치되며, 상기 감지기의 동작에 따라 상기 누설 가스연료 배출관을 개방하여 상기 저장 챔버에 포집된 누설 가스연료를 흡기 매니폴드로 배출시키는 개폐 밸브
    를 포함하는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 공급관과 상기 냉각수 배출관은 상기 저장 챔버의 하부에 위치하고, 상기 누설 가스연료 배출관은 상기 저장 챔버의 상부에 위치하는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지기는 냉각수 위에 부유하는 뜨개와, 상기 뜨개의 높이 변화를 허용하면서 상기 뜨개를 지지하는 지지체를 포함하며, 상기 뜨개는 상기 냉각수의 수위 변화에 연동하여 수직 위치가 변하는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 뜨개는 작동 초기 상기 저장 챔버 내부의 최상부에 위치하도록 설치되는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개폐 밸브와 전기적으로 연결되어 상기 개폐 밸브 개방시 운전자 경고 신호를 발생하는 제어부를 더욱 포함하는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 엔진 감지기와 전기적으로 연결되고, 엔진의 설정값 이상의 출력 증가 또는 무부하시 엔진 회전수 증가와 상기 개폐 밸브의 개방이 동시에 일어날 때 경고 신호를 발생하는 압축천연가스 차량용 냉각수 누설 가스연료 분리장치.
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