KR101294544B1

KR101294544B1 - 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101294544B1
Application number: KR1020110076699A
Authority: KR
Inventors: 장종민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-08-07
Also published as: KR20130014938A; US20130032125A1

Abstract

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대체 에너지로 개발되는 디메틸에테르(Dimethyl-Ether; DME) 연료 차량의 연료 냉각 성능을 최적화할 수 있는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 디메틸에테르가 저장되는 연료 탱크, 상기 디메틸에테르를 엔진으로 유도하도록 구비되는 연료 공급 라인, 상기 연료 공급 라인 상에 설치되고 상기 디메틸에테르를 연료 분사 장치로 압송하기 위한 연료 공급 펌프, 상기 연료 공급 펌프로부터 가압된 연료의 압력을 유지하기 위한 커먼 레일, 상기 커먼 레일로부터 공급된 디메틸에테르를 분사하는 연료 분사 장치, 상기 연료 분사 장치와 커먼 레일로부터 분지되고 상기 디메틸에테르의 잔여 연료가 회수되도록 연통되는 연료 리턴 라인, 상기 연료 리턴 라인 상에 설치되는 연료 냉각 장치 및 에어컨의 내부로 공급되는 공기가 증발기를 경유하여 히터코어를 통과하는 도중에 생성되는 응축수를 배출할 수 있도록 상기 증발기에 근접하여 형성되는 드레인 관을 포함하고, 상기 드레인 관으로부터 공급되는 응축수가 상기 연료 냉각 장치로 공급되고 이러한 응축수에 의해 상기 디메틸에테르가 냉각되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템을 제공한다.

Description

디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템{FUEL COOLING SYSTEM FOR DIMETHYL-ETHER FUEL VEHICLE}

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대체 에너지로 개발되는 디메틸에테르(Dimethyl-Ether; DME) 연료 차량의 연료 냉각 성능을 최적화할 수 있는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 적용되는 디젤 엔진의 경우에는 엔진에 비하여 열효율이 우수하고, 지구 온난화 가스인 이산화탄소의 배출이 적다는 장점은 있으나, 입자상 물질(PM)과 질소 산화물(NOx)의 배출량이 크다는 문제점이 있다.

이에 따라 디젤 엔진의 저공해 대체 연료로서, 천연가스 및 LPG의 적용이 활발하게 추진되고 있으나, 디젤 엔진에 비하여 열효율이 떨어지고, 연료 시스템 등 많은 개조가 이루어져야 한다는 문제점이 있는바, 최근에는 디젤 엔진의 대체 연료로서 DME가 크게 각광받고 있다.

상기에서 DME는 1개의 산소분자와 2개의 메탄기가 결합된 에테르 화합물(CH₃OCH₃)로서, 그동안 스프레이용 추진제, 올레핀 생산, MTG(Methanol To Gasoline), 메틸 아세테이트 합성용으로 주로 사용되어 왔다.

이러한 DME는 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 세탄가(약 60)가 높기 때문에 디젤 사이클 운전이 가능하여, 디젤 엔진과 같은 수준의 열효율과 이산화탄소 배출량을 얻을 수 있으며,

둘째, 함산소 연료(34.8wt%)이기 때문에, C-C결합이 없어 PM(입자상 물질)의 발생이 적고,

셋째, EGR을 적용하여 저NOx 및 저PM의 동시 실현이 가능할 수 있으며,

넷째, 상온, 상압에서 무색 투명한 기체이고 LPG와 마찬가지로 5.3기압 정도에서 상온 액화가 가능하므로 유사한 취급이 가능하여 현행 LPG차량의 연료 용기나 연료 공급 시스템을 거의 준용할 수 있는 장점이 있는바, 차세대 유망한 저공해 대체 연료로서 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다.

상기와 같은 DME연료가 적용되는 엔진의 연료 시스템에서 연료 온도는 연료 성상에 중요한 인자로서 40℃ 이하로 유지되어야 엔진 출력에 영향을 주지 않아 안정적으로 차량 운행이 가능하다.

즉, 연소 시스템을 순환하여 리턴되는 100℃ 이상의 고온의 연료는 DME연료의 특성 상 40℃ 이하의 저온 연료로 유지하여야 하는 바 별도의 쿨링 시스템이 구축되어 있으나, 하절기 외기온이 고온인 계절에는 연료 냉각 장치에 의한 냉각 효과가 떨어지며 냉각 장치 빈도가 높아지며 내구력 및 연비 악화의 결과를 초래하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 에어컨의 증발기에서 발생하는 차가운 응축수를 회수하여 연료 냉각 장치의 냉각효과를 극대화시키는 시스템을 구축하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템은 디메틸에테르가 저장되는 연료 탱크, 상기 디메틸에테르를 엔진으로 유도하도록 구비되는 연료 공급 라인, 상기 연료 공급 라인 상에 설치되고 상기 디메틸에테르를 연료 분사 장치로 압송하기 위한 연료 공급 펌프, 상기 연료 공급 펌프로부터 가압된 연료의 압력을 유지하기 위한 커먼 레일, 상기 커먼 레일로부터 공급된 디메틸에테르를 분사하는 연료 분사 장치, 상기 연료 분사 장치와 커먼 레일로부터 분지되고 상기 디메틸에테르의 잔여 연료가 회수되도록 연통되는 연료 리턴 라인, 상기 연료 리턴 라인 상에 설치되는 연료 냉각 장치 및 에어컨의 내부로 공급되는 공기가 증발기를 경유하여 히터코어를 통과하는 도중에 생성되는 응축수를 배출할 수 있도록 상기 증발기에 근접하여 형성되는 드레인 관을 포함하고, 상기 드레인 관으로부터 공급되는 응축수가 상기 연료 냉각 장치로 공급되고 이러한 응축수에 의해 상기 디메틸에테르가 냉각되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료 냉각 장치는 열 교환기와 냉각 전동 팬으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응축수는 상기 열 교환기의 내부에서 디메틸에테르를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료 공급 펌프는 상기 연료 공급 라인 상에 설치되어 상기 연료 탱크 내의 연료를 소정 압력으로 가압하여 상기 엔진으로 공급하는 동력을 제공하는 저압 펌프 및 상기 저압 펌프의 하류 측에 설치되고 상기 저압 펌프에서 가압된 압력보다 더 높은 압력으로 가압하기 위한 고압 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료 냉각 장치에서 냉각 처리된 후 연료 라인 내의 맥동을 방지하기 위한 어큐뮬레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료 리턴 라인 상에서 상기 연료 탱크와 연통되도록 설치되고 상기 리턴 연료의 일정한 압력을 제어하기 위한 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레귤레이터와 연료 탱크의 사이에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템에 의하면, 차가운 응축수를 연료 냉각 장치와 열교환시킴으로써 하절기 연료 냉각에 효과적이다.

또한, 하절기의 냉각 풍량 절감으로 인하여 냉각 팬 사양을 축소할 수 있으므로 원가절감을 기대할 수 있다.

또한, 응축수에 의한 연료 냉각 극대화를 통해 냉각 전동 팬의 작동 빈도가 축소되어 작동 부하를 감소시키므로 연비를 향상시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템에 적용되는 열 교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템은 연료 탱크(10), 연료 공급관(L1), 저압 펌프(20), 고압 펌프(30), 커먼 레일(40), 연료 분사 장치(50), 연료 냉각 장치(60), 어큐뮬레이터(70) 및 레귤레이터(80)를 포함한다.

상기 연료 탱크(10)는 액상의 DME 연료를 저장하는 기능을 하게 된다. 이러한 연료 탱크(10) 내부에는 저장된 연료를 토출하기 위한 저압 펌프(20)가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 DME연료를 액화 공급하기 위해서는 수기압 정도로 충분하지만, 후술하는 고압 펌프(30)에서의 온도 상승 시 기화될 우려가 있기 때문에 별도로 구비되는 2개의 연료 펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 연료 탱크(10)와 연통되어 형성되는 저압 공급 라인(L1)을 통하여 연료 탱크(10)로부터 1차적으로 연료를 토출하기 위한 저압 펌프(20)에 의하여 압송된다. 이러한 저압 펌프(20)를 경유하게 되면 약 20bar 수준으로 승압된 후 고압 펌프(30)로 공급된다.

상기 저압 펌프(20)를 통과한 DME 연료는 고압 펌프(30)를 통과하면서 고압 공급 라인(L2)에서는 약 900bar의 연료압력을 형성한다.

이후, 상기와 같이 고압 형성된 DME 연료는 고압 연료 라인(L2)을 따라 경유하는 과정에서 상기 압력을 유지하기 위해 구비되는 커먼 레일(40)에 일시적으로 저장이 되며, 커먼 레일(40)로부터 연료 분사 장치(50)를 통하여 도시하지 않은 엔진의 연소실로 분사됨으로써 공기와 압축되어 폭발하게 된다.

또한, 상기 고압 펌프(30)의 후단으로부터 회수되는 연료, 상기 커먼 레일(40)의 일단에서 회수 되는 연료 및 상기 연료 분사 장치(50)로부터 잔여하는 연료는 연료 리턴 라인(L3)을 통하여 후술하는 연료 냉각 장치(60)로 유동하도록 한다.

상기 연료 냉각 장치(60)는 전술한 바와 같이 고온으로 상승한 연료를 안정적인 액상 연료인 상태로 냉각시켜 연료 탱크(10)로 송출시키기 위함이다.

상기 연료 냉각 장치(60)는 열교환기(63) 및 냉각 전동 팬(64)를 포함한다. 여기서, 상기 리턴 연료를 액상 연료 유지 상태로 냉각 처리한 후 상기 연료 리턴 라인(L3) 내의 맥동을 방지하기 위하여 어큐뮬레이터(70)가 더 포함될 수 있다.

한편, 차량의 에어컨(AC)의 작동 시, 에어컨(AC)의 내부에서는 외부 공기가 증발기(61)를 경유하여 히터 코어(62)를 통과하는 도중에 상기 증발기(61)로부터 응축수가 발생된다.

상기와 같은 응축수를 상기 연료 냉각 장치(60)로 공급할 수 있도록 드레인 관(60a)을 설치한다. 즉, 상기 에어컨(AC)의 증발기(61) 근처에는 드레인 관(60a)을 분지 형성함으로써 증발기(61)의 응축수를 상기 연료 냉각 장치(60)로 순환시킬 수 있도록 한다. 상기와 같이 드레인 관(60a)을 통하여 분지되는 저온의 응축수가 상기 연료 냉각 장치(60)에서 연료를 냉각시킴으로써 별도의 에너지원을 이용하지 않으므로 상기 DME 연료를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있게 된다.

여기서, 도 2는 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템에 적용되는 열 교환기를 개략적으로 나타낸 것으로서, 도시한 바와 같이 상기 응축수가 열 교환기(63) 내부에서 리턴된 DME 열에너지와 상호 열교환될 수 있도록 한다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같은 구조 외에도 격벽을 사이에 두고 유량이 상호 교차를 하는 구조 또는 냉각 팬 등의 열교환 구조를 적용할 수 있을 것이다. 아울러, 상기 열 교환기(63)와 근접하게 설치되는 냉각 전동 팬(64)을 동시에 작동시킴으로써 DME의 냉각 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 상기 어큐뮬레이터(70)를 경유하여 레귤레이터(80)를 통과함으로써 연료 압력을 일정하게 제어할 수 있게 된다.

이후, 상기와 같이 리턴된 DME 연료는 상기 연료 탱크(10)로 저장된다. 이때, 상기 연료 탱크(10)와 레귤레이터(80) 사이에는 체크 밸브(90)가 설치되어서 역류 현상을 방지할 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 연료 탱크
20: 저압 펌프
30: 고압 펌프
40: 커먼 레일
50: 연료 분사 장치
60: 연료 냉각 장치
60a: 드레인 관
61: 증발기
62: 히터 코어
63: 열 교환기
64: 냉각 전동 팬
70: 어큐뮬레이터
80: 레귤레이터
90: 체크 밸브
L1: 저압 공급 라인
L2: 고압 공급 라인
L3: 연료 리턴 라인

Claims

디메틸에테르가 저장되는 연료 탱크;
상기 디메틸에테르를 엔진으로 유도하도록 구비되는 연료 공급 라인;
상기 연료 공급 라인 상에 설치되고 상기 디메틸에테르를 연료 분사 장치로 압송하기 위한 연료 공급 펌프;
상기 연료 공급 펌프로부터 가압된 연료의 압력을 유지하기 위한 커먼 레일;
상기 커먼 레일로부터 공급된 디메틸에테르를 분사하는 연료 분사 장치;
상기 연료 분사 장치와 커먼 레일로부터 분지되고 상기 디메틸에테르의 잔여 연료가 회수되도록 연통되는 연료 리턴 라인;
상기 연료 리턴 라인 상에 설치되는 연료 냉각 장치; 및
에어컨의 내부로 공급되는 공기가 증발기를 경유하여 히터코어를 통과하는 도중에 생성되는 응축수를 배출할 수 있도록 상기 증발기에 근접하여 형성되는 드레인 관을 포함하고,
상기 드레인 관으로부터 공급되는 응축수가 상기 연료 냉각 장치로 공급되고 이러한 응축수에 의해 상기 디메틸에테르가 냉각되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료 냉각 장치는 열 교환기와 냉각 전동 팬으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제2항에 있어서,
상기 응축수는 상기 열 교환기의 내부에서 디메틸에테르를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료 공급 펌프는
상기 연료 공급 라인 상에 설치되어 상기 연료 탱크 내의 연료를 소정 압력으로 가압하여 상기 엔진으로 공급하는 동력을 제공하는 저압 펌프; 및
상기 저압 펌프의 하류 측에 설치되고 상기 저압 펌프에서 가압된 압력보다 더 높은 압력으로 가압하기 위한 고압 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료 냉각 장치에서 냉각 처리된 후 연료 라인 내의 맥동을 방지하기 위한 어큐뮬레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료 리턴 라인 상에서 상기 연료 탱크와 연통되도록 설치되고 상기 리턴 연료의 일정한 압력을 제어하기 위한 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.
제6항에 있어서,
상기 레귤레이터와 연료 탱크의 사이에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 연료 차량의 연료 냉각 시스템.