KR101483958B1 - 가스 매체에 대한 압력 조절기 - Google Patents

가스 매체에 대한 압력 조절기 Download PDF

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Abstract

각각의 실린더를 충전하기 위하여 사용된 주입 밸브상 가스 압력 상수를 유지하기 위한 전기적으로 제어된 압력 감소기로서 CNG 동작 자동차에 특히 사용될 수 있는 압력 조절기가 개시된다. 상기 압력 조절기는 제어 유닛(1), 상기 제어 유닛(1)에 의해 제어되는 압력 감소기(3), 및 제어 유닛(1)의 작동 챔버(17)의 가스 출구들(200,40) 및 압력 감소기(3)를 접속하는 스로틀(2)로 구성된다. 오버플로우 장치(14)의 밸브(21,22)에 영향을 미치는 피에조전기 작동기(11)는 제어 유닛(1)의 작동 챔버(17)내 가스 압력(P2)을 특정하게 변형하고 동시에 압력 감소기(3)의 오버플로우 장치(33)의 밸브(38,39) 위치에 영향을 미치게 하여, 압력 감소기(3)의 출력 압력(Pout)이 미리 정의된 목표된 값으로 조절되게 한다.

Description

가스 매체에 대한 압력 조절기{PRESSURE REGULATOR FOR GASEOUS MEDIA}
본 발명은 가스 매체에 대한 압력 조절기에 관한 것이다.
천연 가스는 특히 디젤 또는 가솔린 연료에 대한 환경적으로 허용 가능하고 제공할 수 있는 대안으로서 고려된다. 자동차에 충분한 양의 연료로서 공급되는 천연 가스를 운반하기 위하여, 가스는 가스 양 및 온도에 따라 대략 10-200 바르로 압축되고, 가압 탱크에 저장된다. 따라서 저장 압력은 엔진의 실린더들 각각을 충전하는 주입 밸브들의 동작 압력보다 상당히 높다. 그러므로 압축 천연 가스(CNG)에 의해 동력이 공급되는 자동차의 연료 공급부에는 가스 저장소 및 주입 밸브 사이에 배치되고 200 바르까지에 이르는 저장 압력을 통상적으로 8 바르의 미리 설정된 값으로 낮추는 예를들어 DE 195 24 413, US 5,771,857 또는 US 6,003,543에 공지된 압력 감소기 또는 압력 조절기가 장착된다.
만약 다량의 천연 가스가 로드의 갑작스러운 변화로 인해 내연 엔진의 실린더들 내로 흐르면, 천연 가스를 주입 밸브에 공급하는 공급 라인의 압력은 일시적으로 목표된 설정포인트 압력 아래로 강하하는데, 그 이유는 압력 조절기가 시간 지연 후에만 이런 압력 강하에 반응하기 때문이다. 이런 응답은 자동차의 목표된 구동 동력에 바람직하지 않은 영향을 가진다. 그러므로 압력 감소기/조절기 및 할 당된 주입 밸브 사이의 가스 라인의 위치를 가능한 한 작게 유지하기 위한 노력이 이루어졌다. 그러나, 실제로 이것은 주입 밸브에 인접하게 압력 감소기/조절기의 설치가 큰 설계 엔지니어링 문제들을 취하기 때문에 제한된 범위까지만 실현된다. 게다가, 두 개의 구성요소들을 한곳에 모으는 것은 저장측, 고압 저항 및 결과적으로 비교적 값비싼 가스 라인을 대응하여 길어지게 한다.
본 발명의 목적은 출력측 압력 레벨이 넓은 범위에 거쳐 비교적 빠르게 가변될 수 있거나 미리 정의된 값으로 설정될 수 있는 가스 매체에 대한 압력 조절기를 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 제 1 항에 기재된 특징들을 가진 압력 조절기에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 종속항들은 청구항 제 1 항에 따른 압력 조절기의 바람직한 실시예들 및 개선들에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압력 조절기는 주입 밸브 상수에서 또는 모터 작동 노즐 또는 주입 밸브와 협력하여 시스템 압력을 유지하기 위한 전기적으로 제어 가능한 압력 감소기가 가스 매체에 대한 전기적으로 제어된 측정 유닛으로서 사용될 때, 특히 CNG 공급 차량에 사용될 수 있다. 그러므로, 압력 조절기의 기능 및 엔진 제어기에 의해 제어되는 단일의 컴팩트하게 설계된 유닛의 주입 밸브의 기능을 구현하는 것은 가능하다.
본 발명의 도움으로 압력 감소기의 출력 압력 또는 상기 경우와 같이 대량 흐름은, 상태 변화에 영향을 주는 제어 유닛이 최종 제어 엘리먼트로서 전기 신호들에 매우 빠르게 응답하고 예를들어 엔진 제어기에 의해 제어되는 전자기 트랜스듀서를 포함하기 때문에 제어 가능하게 가변될 수 있다.
본 발명은 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 CNG 동력 공급 내연 엔진에 따른 압력 조절기의 개략적인 구조를 도시한다.
도 2 및 3은 CNG 동력 공급 내연 엔진용 가스 공급기의 두 개의 변형들을 도시한다.
4.1 압력 조절기의 구조
도 1에 단순히 개략적으로 도시된 CNG 동력 공급 내연 엔진을 위한 압력 조절기의 제어 유닛(1)에는 최종 제어 엘리먼트로서 엔진 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어되는 전기기계 트랜스듀서(11)가 장착된다. 피에조전기 액츄에이터는 특히 그 길이가 전기 전압의 인가에 의해 정의되고 재생 가능한 방식으로 매우 빠르게 변화될 수 있기 때문에 전기기계 트랜스듀서(11)로서 적당하다. 전기기계 트랜스듀서(11)는 실린더 하우징(12)에서 축방향으로 변위 가능하도록 장착되고 동시에 트랜스듀서측상에서 가스 기밀식으로 제어 유닛(1)의 하우징을 밀폐하는 피스톤(13)에 작용한다. 특히 원형 통과 개구부(14)를 구비한 구획부(15)는 제어 유닛(1)의 하우징(12)을 두 개의 실린더 챔버들(16/17)로 나누고, 저장 압력(Pin = 200-250 바르)은 고압 저항 공급 라인(18)을 통하여 천연 가스 저장소(19)로 접속된 하부 챔버(16)에서 우세하고, 낮은 압력(P2≤Pin)이 상부 하우징 챔버(17)의 가스 출구(20)에 제공된다.
비동작 상태(피에조전기 액츄에이터 11가 해제되거나 작동되지 않음)에서, 밸브로서 사용하는 피스톤(13)에 접속된 태핏(22)의 테이퍼된 콘 또는 디스크 모양 헤드(21)는 밀봉 시트로서 구현된, 구획부(15)의 통과 개구부(14)를 밀폐하고, 그 결과 천연 가스는 하부 하우징 챔버(16)로부터 작동 챔버로서 다음에 설계된 상부 하우징 챔버(17)로 흐를 수 없다. 밸브로서 사용하는 태핏 헤드(21)는 비록 피에조전기 액츄에이터(11)가 결함으로 인해 작동하지 않거나 만약 다른 이유들로 인해 더 이상 제어 가능하지 않더라도 이 위치에 유지된다. 이런 작용은 압력 조절기가 오기능의 경우에 안정성 이유들로 인해 밀폐("정상적으로 오프됨")를 유지하는 것을 보장한다.
도 1에 도시된 상태에서, 힘 Ep = Pin x A2 + P2 x (A1-A2)는 피스톤(13)에 가해지고 따라서 피에조전기 액츄에이터(11)에 가해지고, 여기서 Pin 및 P2는 상기된 챔버 압력을 가리키고, A1은 피스톤(13)의 태핏 측 표면을 가리키고, A2는 압력이 영향을 미치는 태핏 헤드(21)의 표면을 가리킨다. 따라서, 태핏 헤드(21)는 밀봉 시트로부터 들어 올려지고 피에조전기 액츄에이터(11)의 능동 변화에 의해 가해진 피에조 바디의 길이 변화가 피스톤(13)상 조건들(Fpiezo > Fp) 중 하나를 만족시키는 힘을 가할 때만 통과 구멍(14)을 드러내고 피스톤(13) 및 상기 피스톤에 고정된 태핏(22)은 축방향으로 하향으로 이동한다.
제어 유닛(1)에 의해 제어되는 압력 감소기(3)의 실린더 하우징(31)은 축방향(밸브측 표면 A3)으로 변위 가능한 방식으로 가이드되는 피스톤(32) 및 원형 통과 개구부(33)를 구비한 구획부(34)에 의해 3 개의 챔버들(35-37)로 분할된다. 가스 기밀 방식으로 상부 챔버(35)를 폐쇄하는 피스톤(32)의 하우징(31) 내 위치에 따라, 피스톤(32)에 접속된 태핏(39)의 밸브(압력 인가 표면 A4)로서 사용하는 테이퍼된 콘 또는 디스크 모양 헤드(38)는 보다 크거나 작은 정도로 구획부(34)의 통과 개구부(33)를 드러내거나 완전히 이를 밀봉한다. 압력 감소기(3)의 상부 하우징 챔버(35)가 공급 라인(40)을 통하여 제어 유닛(1)의 작동 챔버(17)에 유체공학적으로 접속되기 때문에, 압력 P2가 얻어진다. 압력 감소기(3)의 하부 하우징 챔버(37)는 저장 유닛(19)에 의해 공급 라인(18)의 브랜치(18')를 통하여 천연 가스가 충전되고 챔버 압력은 이런 방식으로 Pin에서 일정하게 유지된다.
가스 압력(Pout)은 중간 하우징 챔버(36)에서 자체적으로 설정된다. 상기 압력(Pout)은 중간 하우징 챔버(36)의 가스 출구(40)에 접속되고 각각의 주입 밸브에 직접 접속되거나 가스 분기관이라 불리는 것에 유도되는 가스 라인(41)에 얻어진다.
스로틀(2)(단면 영역 D2)은 제어 유닛(1)의 작동 챔버(17)를 압력 감소기(3)의 중간 하우징 또는 가스 라인(41)에 접속한다.
두 개의 센서들(42/43)은 중간 하우징 챔버(36)의 가스 출구(40)에서 저장 압력(Pin) 및 압력(P2)을 측정하고 각각의 측정된 값들을 엔진 제어기에 보고하여 엔진 제어기는 이에 따라 피에조전기 액츄에이터를 제어하고 압력(P2)을 조절하거나 미리 정의된 설정포인트 값으로 설정한다.
4.2 압력 조절기의 동작 모드
충전의 결과로서 피에조전기 액츄에이터(11)는 늘어나고 제어 유닛(1)의 하우징(12)내 피스톤(13)이 아래쪽으로 이동되게 한다. 이런 움직임은 피스톤(13)에 기계적으로 단단하게 접속된 태핏(22)에 전달되어, 밸브로서 구현된 태핏의 헤드(21)는 밀봉 자리로부터 들어올려지고 통과 개구부(14)를 드러낸다. 천연 가스는 하부 하우징 챔버(16)로부터 작동 챔버(17)로 흐를 수 있고, 그 결과 가스 압력(P2)은 작동 챔버(17) 및 작동 챔버(17)에 접속된 압력 감소기(3)의 상부 하우징 챔버(35) 모두에서 증가한다. 만약 하우징 챔버(35)의 가스 압력(P2)이 저장 압력(Pin) 및 피스톤(32) 또는 태핏 헤드(38)의 표면들(A3 및 A4)에 따른 임계값을 초과하면, 피스톤(32) 및 상기 피스톤에 기계적으로 단단하게 접속된 태핏(39)은 밸브(38)와 함께 아래로 이동한다. 따라서 천연 가스는 중간 하우징 챔버(35)로 흐르고 출구(40)를 통하여 가스 라인(41)으로 흐른다. 상기 가스 흐름은 스로틀(2)을 통하여 제어 유닛(1)의 작동 챔버(17)로부터 방출하는 구성 유도 보다 작은 가스 흐름에 의해 추가로 강화된다. 주입 처리는 표면들(A1,A2,D2,A3 및 A4)에 따른 압력(Pout)이 설정포인트 값에 도달하고 엔진 제어기가 주입 밸브를 개방할 때 시작한다.
피에조전기 액츄에이터(11)가 해제될 때, 제어 유닛(1)의 피스톤(13)은 얻어진 압력 조건들로 인해 시작 위치로 다시 상향으로 밀려지고, 그 결과 밸브(21)는 하부 하우징 챔버(16)로부터 작동 챔버(17)로 천연 가스가 오버플로우하는 것을 방지한다. 이런 밀폐 동작의 동력들은 이 경우 스로틀 직경(D2)의 크기에 따른다. 이런 작동 챔버(17)의 압력(P2)과 함께, 압력 감소기(3)의 상부 하우징 챔버(35)의 압력은 또한 대응하여 감소하고 밸브(38)는 밀폐된다. 이런 주입 처리는 따라서 종료된다.
4.3 내연 엔진의 가스 공급
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 내연 엔진(50)의 실린더들 각각의 가스 공급부는 예를들어 CNG 저장 탱크(51)로부터 제공되는 도 1에 따른 압력 조절기(52) 및 전자기적으로 작동되는 주입 밸브(53)로 구성된다. 부가적으로 요구되는 절연 밸브들 및 온도 및 압력 센서들은 도시되지 않는다. 다양한 엔진 구성요소들 외에, 엔진 제어기(54)는 주입 밸브(53) 및 압력 조절기(52) 또는 상기 조절기의 피에조전기 액츄에이터를 제어한다. 엔진 제어기(54)가 엔진 전력 및 이에 따른 주입 처리를 결정하는 모든 파라미터들을 알기 때문에, 로드의 변화 동안 각각의 실린더에 할당되는 주입 밸브(53)에서 발생하는 압력 변화들을 미리(시간 T) 계산하고 압력 감소기(52)의 엔진측 출력에서 가스 압력을 사전(시간 T': = T - dT) 조절에 의해 보상할 수 있다.
내연 엔진의 가스 공급부는 개별 실린더들의 독립된 충전을 필요없게 함으로써 상당히 간략화된다. 천연 가스는 각각의 실린더의 흡입 파이프에 더 이상 주입되지 않고, 다른 말로 독립적으로 주입되지만, 흡입 분기관의 충만시 흡출된 공기와 혼합된다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 이런 종류의 시스템에서, 단일 측정 유닛(60)만이 사용되고, 상기 측정 유닛(60)은 상기된 압력 조절기 및 압력 조절기에 의해 공급되고 스텝퍼 또는 서보 모터들에 의해 작동되는 노즐로 구성된다. 압력 조절기의 기능들 및 주입 밸브의 기능들을 결합한 이런 유닛에 의해, 제어 가능한 대량 흐름은 엔진 제어기(54)의 제어하에서 생성되고 스로틀(55)을 통하여 엔진에 공급된다.

Claims (9)

  1. 제어 유닛(1) 및 상기 제어 유닛(1)에 의해 제어되는 압력 감소기(3)를 가진 가스 매체용 압력 조절기로서,
    상기 제어 유닛(1)의 제 1 하우징 챔버(16)는 저장 유닛(19)에 접속되는 입력부를 갖고, 상기 제어 유닛의 제 1 하우징 챔버는 가변 단면을 가진 제 1 오버플로우 장치(14/21)를 통하여 상기 제어 유닛(1)의 제 2 하우징 챔버(17)에 추가로 접속되고, 상기 저장 유닛(19)은 압축된 가스 매체를 포함하고,
    상기 압력 감소기(3)의 제 1 하우징 챔버(37)는 상기 저장 유닛(19)에 접속되는 입력부를 갖고, 상기 압력 감소기의 제 1 하우징 챔버는 상기 압력 감소기(3)의 제 2 하우징 챔버(36)에 접속된 가변 단면을 가진 제 2 오버플로우 장치(33/38)에 추가로 접속되고,
    상기 압력 감소기(3)의 제 2 하우징 챔버(36)의 가스 출구(40)는 가스 라인(41)에 간접적 또는 직접적으로 연결되고,
    상기 압력 감소기(3)의 제 3 하우징 챔버(35)는 상기 제어 유닛(1)의 제 2 하우징 챔버(17)의 가스 출구(20)에 유체적으로 접속되고, 상기 제어 유닛의 출구 압력은 상기 제 3 하우징 챔버 내에서 상기 제 2 오버플로우 장치의 밀폐 엘리먼트와 기계적으로 결합된 압력 감지성 영역 상에 작용하고,
    스로틀 유닛(2)은 가스 입구측에서 상기 제어 유닛(1)의 제 2 하우징 챔버의 가스 출구(20)에 접속되고 가스 출구측에서 상기 가스 라인(41)에 접속되는,
    압력 조절기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(1)의 하우징 챔버들(16/17)은 제 1 가스 통과 개구부(14)를 구비한 공통 제 1 구획부(15)를 가지며, 비동작 위치에서 제 1 가스 통과 개구부(14)를 밀봉하는 제 1 밀폐 엘리먼트(21/22)는 제 1 가스 통과 개구부(14)에 대하여 변위 가능한 방식으로 가이드되는,
    압력 조절기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 밀폐 엘리먼트(21/22)는 상기 제어 유닛(1)의 제 2 하우징 챔버(17)의 외부 벽(13)에 고정되고, 상기 외부 벽은 축방향으로 변위 가능한 방식으로 가이드되는,
    압력 조절기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기기계적 트랜스듀서(11)는 제 2 하우징 챔버(17)의 외부 벽(13) 또는 제 1 밀폐 엘리먼트(21/22)를 축방향으로 변위시키는,
    압력 조절기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기기계적 트랜스듀서(11)는 피에조전기, 자기저항 또는 전왜 트랜스듀서(11)인,
    압력 조절기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 감소기(3)의 제 1 및 제 2 하우징 챔버들(36,37)은 제 2 가스 통과 개구부(33)를 구비하는 공통 제 2 구획부(34)를 가지며, 비동작 위치에서 제 2 가스 통과 개구부(33)를 밀봉하는 제 2 밀폐 엘리먼트(38/39)는 제 2 가스 통과 개구부(33)에 대하여 변위 가능한 방식으로 가이드되는,
    압력 조절기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 밀폐 엘리먼트(38/39)는 상기 압력 감소기(3)의 제 2 및 제 3 하우징 챔버들(35/36)에 공통인 구획부(34)에 고정되고 축방향으로 변위 가능한 방식으로 가이드되는,
    압력 조절기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(1) 및 상기 압력 감소기(3)의 하우징 챔버들(16,17 및 35 내지 37) 중 적어도 하나는 각각의 경우 원통형으로 구현되고, 상기 제어 유닛(1)의 제 2 하우징 챔버(17)의 외부 벽, 및 상기 압력 감소기(3)의 제 2 및 제 3 하우징 챔버들(35,36)의 공통 구획부 중 적어도 하나는 피스톤(13/32) 형태를 가지는,
    압력 조절기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 가스 통과 개구부(14/33) 중 적어도 하나는 밀봉 시트로 구현되고, 제 1 및 제 2 밀폐 엘리먼트(21/22,38/39) 중 적어도 하나는 디스크 모양, 콘 모양 또는 테이퍼된 밸브를 가지는,
    압력 조절기.
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