KR102094958B1 - 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치 - Google Patents

디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤연료 베이스의 디젤 차량에 디젤과 액상연료를 혼합하여 엔진 연료로 공급하는 혼소 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 혼소 연료 공급시 액상연료와 디젤을 미리 믹싱하여 엔진으로 주입함으로써, 액상연료용 인젝터를 추가적으로 구비하지 않고 디젤용 인젝터만을 이용하여 엔진으로의 연료공급을 수행할 수 있도록 해 주는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치는 디젤 차량에 디젤과 액상연료를 혼소하여 디젤 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 디젤-액상연료 혼소 시스템에 있어서, 디젤 탱크로부터 디젤을 공급받기 위한 제1 밸브와, 액상연료 탱크로부터 액상연료를 공급받기 위한 제2 밸브를 구비하여 구성되고, 제1 밸브와 제2 밸브 중 적어도 하나로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 출력하는 연료 믹싱부와, 상기 연료 믹싱부로부터 유입되는 연료를 고압으로 출력하는 고압 펌프, 상기 고압 펌프로부터 인가되는 고압의 연료를 디젤 차량에 구동력을 제공하는 엔진에 공급하는 인젝터 및, 외부로부터 인가되는 연료 공급 모드정보를 근거로 디젤 모드 또는 혼소 모드에 따른 연료 공급 제어처리를 수행하되, 디젤 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브만 개방시켜 연료 믹싱부로 디젤만 공급함으로써 상기 고압 펌프 및 디젤 인젝터를 통해 엔진으로 디젤만 공급되도록 설정하고, 혼소 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브와 제2 밸브를 모두 개방하여 연료 믹싱부로 디젤과 액상연료를 모두 공급함으로써, 디젤과 액상연료가 혼합된 형태의 혼소 연료를 엔진으로 공급하도록 제어하는 연료 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치{Fuel supply apparatus for Diesel- liquidfuel dual fuel system}
본 발명은 디젤연료 베이스의 디젤 차량에 디젤과 액상연료를 혼합하여 엔진 연료로 공급하는 혼소 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 혼소 연료 공급시 액상연료와 디젤을 미리 믹싱하여 엔진으로 주입함으로써, 액상연료용 인젝터를 추가적으로 구비하지 않고 디젤용 인젝터만을 이용하여 엔진으로의 연료공급을 수행할 수 있도록 해 주는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진이나 가스(CNG, LNG 등) 엔진에 비 더 큰 출력을 얻을 수 있다는 장점은 있으나, 가솔린엔진이나 가스엔진에 비해 배기가스의 배출량이 많을 뿐만 아니라 배기가스에 섞여 배출되는 NOX 또는 SOX 등에 의한 환경오염의 문제점이 있으며, 또한 경제적으로 가스(LPG, LNG)보다 비싸다는 단점이 있다.
또한, 내연기관차량의 생산비중이 95%이상을 차지하는 현재의 자동차 산업구조 및 시장의 특성을 고려할 때 현재의 저유가 기조는 석유소비 및 지구온난화를 가속화하고 있으며, 특히 실도로상 디젤 차량에서 배출되는 PM, NOx는 미세먼지의 주요원인으로 작용하고 있는 상황이다.
현재, 상기한 디젤엔진의 단점을 극복하고자 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 연구 중 디젤연료와 가스를 혼합하여 운전하는 디젤연료-가스 혼소 엔진에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 디젤연료-가스 혼소 엔진을 구비하는 혼소 공급 시스템은 디젤엔진의 전자제어장치(ECU : electric control unit)에서 입/출력되는 센서신호들을 변경없이 적용하고, 별도의 가스연료에 대한 전자제어장치를 포함하는 것으로, 엔진의 구조변경 없이 디젤 엔진을 디젤-가스 혼소 엔진으로의 개조가 가능하다.
혼소 공급시스템이 디젤 차량에 설치되는 경우, 기존 디젤엔진에 비하여 연료비 35%이상 절감 등 에너지 이용효율을 높이고 유해배출가스 저감과 이산화탄소 등의 배기가스를 획기적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
도1은 종래 혼소 공급시스템의 연료 제어 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 혼소 공급시스템의 연료 제어 장치는 디젤 탱크(10)로부터 출력되는 디젤 연료는 고압 펌프(20) 및 디젤 인젝터(30)를 통해 엔진(40)으로 유입되고, 가스 탱크(50)로부터 출력되는 가스 연료는 가스 펌프(60) 및 가스 인젝터(70)를 통해 엔진(40)으로 유입된다.
도1과 같이 종래 혼소 공급시스템의 연료 제어 장치는 디젤 연료는 디젤 인젝터(30)를 통해 엔진(40)에 공급하고, 가스 연료는 별도의 가스 인젝터(70)를 통해 엔진(40)에 공급한다. 이때, 디젤 인젝터(30)는 디젤 ECU(1)를 통해 제어되고, 가스 인젝터(70)는 가스 제어부(2)를 통해 제어된다.
이와 같이 종래 혼소 공급시스템의 연료 제어 장치는 동일한 구조 및 기능을 수행하는 디젤 인젝터(30)와 가스 인젝터(70)를 각각 구비함은 물론, 이 디젤 인젝터(30)와 가스 인젝터(70)를 각각 제어하도록 구성됨에 따라 구조가 복잡해짐은 물론, 장비 비용이 비싸지게 된다.
1. 국내공개특허 제10-2014-0026906호 (명칭: 디젤-천연가스 혼소 엔진 시스템 및 이의 제어방법)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 액상연료를 디젤 엔진으로 주입하기 위한 액상연료용 인젝터를 추가적으로 구비하지 않고 디젤용 인젝터만을 이용하여 엔진으로 디젤-액상연료로 이루어지는 혼소 연료를 공급함으로써, 혼소 연료 시스템의 구조를 간단화함은 물론, 보다 저렴한 비용으로 혼소 연료 시스템을 공급할 수 있도록 해 주는 디젤-액상연료 혼소 공급시스템 및 그 방법을 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
또한, 혼소 모드에서 디젤 연료과 액상 연료가 보다 균일하게 혼합된 상태의 혼소 연료를 엔진으로 공급함으로써, 혼소 연료 공급에 따른 안정된 엔진 출력을 보장할 수 있는 디젤-액상연료 혼소 공급시스템 및 그 방법을 제공함에 또 다른 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 디젤 차량에 디젤과 액상연료를 혼소하여 디젤 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 디젤-액상연료 혼소 시스템에 있어서, 디젤 탱크로부터 디젤을 공급받기 위한 제1 밸브와, 액상연료 탱크로부터 액상연료를 공급받기 위한 제2 밸브를 구비하여 구성되고, 제1 밸브와 제2 밸브 중 적어도 하나로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 출력하는 연료 믹싱부와, 상기 연료 믹싱부로부터 유입되는 연료를 고압으로 출력하는 고압 펌프, 상기 고압 펌프로부터 인가되는 고압의 연료를 디젤 차량에 구동력을 제공하는 엔진에 공급하는 인젝터 및, 외부로부터 인가되는 연료 공급 모드정보를 근거로 디젤 모드 또는 혼소 모드에 따른 연료 공급 제어처리를 수행하되, 디젤 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브만 개방시켜 연료 믹싱부로 디젤만 공급함으로써 상기 고압 펌프 및 디젤 인젝터를 통해 엔진으로 디젤만 공급되도록 설정하고, 혼소 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브와 제2 밸브를 모두 개방하여 연료 믹싱부로 디젤과 액상연료를 모두 공급함으로써, 디젤과 액상연료가 혼합된 형태의 혼소 연료를 엔진으로 공급하도록 제어하는 연료 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 연료 제어부는 디젤모드에서는 디젤 연료공급을 제어하는 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤 분사신호를 디젤 인젝터로 제공하여 디젤 분사를 제어하고, 혼소모드에서는 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤 분사신호에 대응되는 디젤 분사량을 획득하여 이 디젤 분사량에 해당하는 엔진 출력 특성을 갖도록 혼소 연료를 엔진으로 공급하도록 제어하되, 먼저 디젤 분사량에 해당하는 엔진 출력 특성을 갖는 목표 혼소율을 결정하고, 이 목표 혼소율에 엔진 RPM과 엔진 부하량을 적용하여 최종 혼소율을 결정하며, 최종 혼소율에 대응되도록 연료 믹싱부의 제2 밸브의 개방정도를 설정함으로써, 연료 믹싱부를 통해 디젤과 액상연료가 최종 혼소율로 믹싱된 상태의 혼소 연료를 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
또한, 상기 연료 믹싱부의 제1 밸브로는 디젤이 제1 압력으로 인가되고, 제2 밸브로는 액상연료가 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 인가되며, 상기 제1 밸브는 원 웨이(One Way) 유로 특성을 갖는 체크 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
또한, 상기 액상연료 탱크와 연료 믹싱부 사이의 유로상에 배치되어 액상연료를 일정 압력으로 연료 믹싱부로 공급하는 액상연료 공급부를 추가로 구비하여 구성되고, 상기 액상연료 공급부는 액상연료 탱크에서 연료 믹싱부로 액상연료가 유입되는 제1 유로와 일단이 연결되고, 타단은 액상연료 탱크와 제2 유로를 통해 결합되어, 액상연료 압력이 규정 압력을 초과하면 여분의 액상 연료를 제2 유로를 통해 액상연료 탱크로 복귀시키는 연료 압력 레귤레이터를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
또한, 상기 액상연료 공급부는 액상연료 탱크에서 연료 믹싱부로 액상연료를 유입시키기 위한 제1 유로상에 설치되어 액상연료의 온도값을 연료 제어부로 제공하는 온도 센서와, 상기 제1 유로상에 설치되어 액상연료의 온도를 저감하기 위한 냉각기를 추가로 구비하여 구성되고, 상기 연료 제어부는 상기 온도 센서로부터 제공되는 액상연료의 온도값을 근거로 액상연료가 일정 온도 이하를 유지하도록 상기 냉각기를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
삭제
또한, 상기 연료 제어부는 엔진 RPM이 높거나 엔진 부하량이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 엔진 RPM 또는 엔진 부하량과 기준 레벨간의 차이가 클수록 목표 혼소율에서 디젤 분사량의 비율이 보다 높게 되도록 최종 혼소율을 결정하는 것을 특징으로 하는 LNG-디젤 혼소연료 공급시스템의 연료 제어 장치가 제공된다.
또한, 상기 연료 제어부는 상기 최종 혼소율에 대응하여 디젤 혼소량과 액상연료량을 산출하고, 디젤 혼소량과 액상연료량 비율에 대응되는 분사시간을 갖는 혼소연료 분사신호를 생성하여 상기 디젤 인젝터로 제공함으로써, 혼소연로 분사신호에 따라 엔진으로 혼소 연료를 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
또한, 상기 액상연료량은 액상연료 주입량과 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력을 근거로 결정되되, 액상연료량은 액상연료 주입량이 많을수록, 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력이 낮을수록 보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
또한, 상기 연료 제어부는 분사량에 대응되는 크기와 분사시간에 대응되는 폭을 갖는 펄스가 일정 주기를 갖도록 구성되는 혼소연료 분사신호를 생성하되, 혼소연료 분사신호는 최종 혼소율의 액상연료 비율이 높을수록 분사시간이 보다 길게 설정되도록 펄스 폭 및 펄스 크기가 변경 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 액상연료를 디젤 엔진으로 주입하기 위한 액상연료용 인젝터를 추가적으로 구비하지 않고 디젤용 인젝터만을 이용하여 엔진으로 디젤-액상연료로 이루어지는 혼소 연료를 공급함으로써, 혼소 연료 시스템의 구조를 간단화함은 물론, 보다 저렴한 비용으로 혼소 연료 시스템을 공급할 수 있다.
또한, 혼소 연료 공급시 디젤 연료과 액상 연료가 보다 균일하게 혼합된 상태의 혼소 연료를 엔진으로 공급함으로써, 혼소 연료 공급에 따른 안정된 엔진 출력을 보장할 수 있다.
도1은 종래 혼소 공급시스템의 연료 제어 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 도면.
도3은 도2에 도시된 액상연료 공급부(700)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 도면.
도4는 도2에 도시된 연료 제어부(900)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 도면.
도5는 도4에 도시된 분사정보 결정블럭(960)에서 혼소연료 분사정보를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도6은 도2에 도시된 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
먼저, 이하의 명세서에서 디젤 ECU 에서 디젤 분사를 위해 디젤 인젝터로 전송되는 신호는 "디젤 분사제어신호"로, 혼소모드시 연료 제어부에서 디젤 분사를 위해 새룝게 생성되어 디젤 인젝터로 전송되는 신호는 "디젤 분사신호"로 정의한다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 도면이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치는, 엔진(100)과, 디젤 인젝터(200), 고압 펌프(300), 디젤 탱크(400), 디젤 공급부(500), 액상연료 탱크(600), 액상연료 공급부(700), 연료 믹싱부(800), 연료 제어부(900)를 포함한다. 여기서, 엔진(100)과 디젤 인젝터(200), 고압 펌프(300), 디젤 탱크(400) 및 디젤 공급부(500)는 디젤 차량에 기본적으로 구비되는 디젤 연료 공급장치의 구성 요소로, 혼소모드에서 혼소 연료는 디젤 차량에 구비된 고압 펌프(300)와 디젤 인젝터(200)를 그대로 이용하여 엔진(100)에 공급된다.
엔진(100)은 디젤 인젝터(200)로부터 공급되는 연료를 연소시켜 차량에 구동력을 제공한다.
디젤 인젝터(200)는 고압펌프로부터 인가되는 고압의 연료를 엔진(100)에 공급한다. 디젤 인젝터(200)는 엔진(100)으로 디젤 또는 디젤과 액상연료가 혼합된 혼소 연료를 분사한다.
고압 펌프(300)는 연료 믹싱부(800)로부터 인가되는 디젤 또는 디젤과 액상연료가 혼합된 혼소 연료를 고압으로 디젤 인젝터(200)에 공급한다.
디젤 탱크(400)는 디젤 연료를 수용하고, 디젤 공급부(500)는 디젤 탱크(400) 내의 디젤 연료를 연료 믹싱부(800)로 유동시킨다.
액상연료 탱크(600)는 LPG, LNG 를 포함하는 액상연료 중 한 종류의 액상연료를 수용하고, 액상연료 공급부(700)는 액상연료 탱크(600) 내의 액상 연료를 연료 믹싱부(800)로 유동시킨다. 이때, 액상연료 공급부(700)는 디젤 연료보다 높은 압력을 갖도록 액상연료를 연료 믹싱부(800)에 공급한다. 또한, 액상연료 공급부(700)는 액상 연료의 온도를 포함하는 액상 연료 상태정보를 연료 제어부(900)로 제공한다.
연료 믹싱부(800)는 디젤 공급부(500)로부터 유입되는 디젤 연료와 액상연료 공급부(700)로부터 유입되는 액상 연료 중 적어도 하나를 믹싱처리하여 고압 펌프(300)로 출력한다. 즉, 연료 믹싱부(800)는 디젤 공급부(500)로부터 유입되는 디젤 연료만을 믹싱 처리하여 출력하거나 디젤 연료와 액상연료가 믹싱 처리한 혼소 연료를 출력한다.
이러한 연료 믹싱부(800)는 일측에 디젤 공급부(500)로부터 인가되는 디젤 연료의 공급을 단속하기 위한 체크 밸브(810)를 구비하고, 타측에 액상연료 공급부(700)로부터 인가되는 액상 연료의 공급을 단속하기 위한 유로 단속밸브(820)를 구비하여 구성된다. 유로 단속밸브(820)는 인젝터로 구현될 수 있다.
여기서, 디젤은 4Bar 압력으로 연료 믹싱부(800)로 공급되고, 액상연료는 디젤보다 높은 6Bar 압력으로 연료 믹싱부(800)로 공급된다. 이에 본 발명에서는 혼소 모드시 연료 믹싱부(800)로 보다 높은 압력으로 유입되는 액상 연료가 보다 낮은 압력으로 유입되는 디젤 연료 유입부를 통해 디젤 탱크(400)측으로 역류하는 것을 방지하기 위해 디젤 연료 유입부에는 원 웨이(One way) 유로를 형성하는 체크 밸브(810)가 구비되는 것이다.
또한, 상기 연료 믹싱부(800)는 그 출력단에 디젤과 액상연료를 보다 균일하게 혼합하여 출력하기 위한 스태틱 믹서(Static Mixer)를 추가로 구비하여 구성될 수 있다.
연료 제어부(900)는 외부로부터 인가되는 연료 공급 모드정보를 근거로 디젤 모드 또는 혼소 모드에 따른 연료 공급 제어처리를 수행한다.
기본적으로 연료 제어부(900)는 디젤 모드에서는 연료 믹싱부(800)의 체크 밸브(810)는 개방시키고 유료 단속 밸브(820)는 폐쇄하여 연료 믹싱부(800)로 디젤 만 유입되도록 설정하고, 혼소 모드에서는 연료 믹싱부(800)의 체크 밸브(810)와 유료 단속 밸브(820)를 모두 개방하여 연료 믹싱부(800)로 디젤과 액상연료가 모두 유입되도록 설정한다.
또한, 연료 제어부(900)는 디젤모드에서는 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤분사신호를 근거로 디젤 인젝터(200)를 제어한다. 이때, 디젤 ECU는 디젤 차량의 전반적인 제어처리를 수행하는 장치로서, 디젤 인젝터(200)를 통해 디젤 연료를 분사하기 위한 디젤 분사신호를 생성하여 연료 제어부(900)로 제공한다.
또한, 연료 제어부(900)는 혼소 모드에서 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤 분사신호를 근거로 디젤 분사량 및 혼소율을 결정하고, 이에 기반하여 연소 믹싱부(800)의 유로 단속밸브(820)를 제어함과 더불어, 디젤 인젝터(200)를 제어하여 혼소 연료가 엔진(100)으로 공급되도록 한다.
즉, 연료 제어부(900)는 디젤 모드에서는 기존 디젤 차량의 운영 방식과 동일하게 엔진(100)에 대한 디젤 연료공급처리를 수행하고, 혼소 모드에서는 디젤과 액상연료가 혼합된 상태의 혼소 연료를 디젤 인젝터(200)를 이용하여 엔진(100)에 공급하도록 제어한다.
도3은 도2에 도시된 액상연료 공급부(700)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 블록구성도이다.
도3을 참조하면, 액상연료 공급부(700)는 액상연료 펌프(710)와 연료 압력 레귤레이터(720)를 포함한다. 이때, 액상 연료 펌프(710)와 연료 압력 레귤레이터(720)는 액상연료 탱크(600)와 연료 믹싱부(800) 사이에 연결된 유로상에 구비된다.
액상연료 펌프(710)는 액상연료 탱크(600)에 수용된 액상연료를 기 설정된 압력으로 출력한다. 예컨대, 6Bar 압력으로 출력한다.
연료 압력 레귤레이터(720)는 액상연료 탱크(600)와 연료 믹싱부(800) 사이에 연결된 유로의 액상연료 압력을 일정하게 유지하도록 조절함으로써, 결과적으로 액상연료 탱크(600)에서 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 압력이 일정하도록 한다.
이러한 연료 압력 레귤레이터(720)는 액상연료 탱크(600)에서 연료 믹싱부(800)로 액상연료가 유입되는 제1 유로(P1)와 일단이 연결되고, 타단은 액상연료 탱크(600)와 제2 유로(P2)를 통해 결합되어 액상연료 압력이 규정 압력을 초과하면 여분의 액상 연료를 제2 유로(P2)를 통해 액상연료 탱크(600)로 복귀시킨다.
또한, 액상연료 공급부(700)는 액상연료 탱크(600)에서 연료 믹싱부(800)로 액상연료를 유입시키기 위한 제1 유로(P1)상에 온도 센서(730)와 압력 센서(740)를 추가로 구비할 수 있다.
이때, 온도 센서(730)는 제1 유로(P1)를 통해 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 온도값을 감지하여 연료 제어부(900)로 제공하고, 압력 센서(740)는 제1 유로(P1)를 통해 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 압력값을 감지하여 연료 제어부(900)로 제공한다. 여기서, 압력 센서(740)는 제1 유로(P1)를 통해 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 압력값을 감지하는 제1 압력센서와 유로 단속 밸브(820)을 통과하여 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 압력값을 감지하는 제2 압력센서를 구비할 수 있다.
한편, 일반적으로 LPG, LNG 와 같은 액상 연료는 압력이나 온도에 따라 쉽게 기체 상태로 상변화하는 특성이 있고, 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료는 액체상태를 유지하여야 한다.
이에, 상기 액상연료 공급부(700)는 액상연료 탱크(600)에서 연료 믹싱부(800)로 액상연료가 유입되는 제1 유로(P1)상에 온도 센서(730)가 구비되는 구조에 있어서는, 제1 유로(P1)를 통해 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 온도를 저감하기 위한 냉각기(750)를 더 구비하여 구성될 수 있다.
즉, 연료 제어부(900)를 통해 액상연료 탱크(600)에서 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 온도가 일정 온도를 초과하지 않도록 냉각기(750)를 구동 제어함으로써, 연료 믹싱부(800)로 항상 액상의 연료가 유입될 수 있도록 한다.
도4는 도2에 도시된 연료 제어부(900)의 내부구성을 기능적으로 분리하여 나타낸 기능블록도이다.
도4를 참조하면, 연료 제어부(900)는 공급연료 선택블럭(910)과, 상태정보 수집블럭(920), 액상연료 환경설정블럭(930), 혼소율 결정블럭(940), 연료 혼소량 결정블럭(950), 분사정보 결정블럭(960)을 포함한다.
공급연료 선택블럭(910)은 디젤 모드에서는 연료 믹싱부(800)의 체크 밸브(810)는 개방시키고 유료 단속 밸브(820)는 폐쇄하여 연료 믹싱부(800)로 디젤 만 유입되도록 설정하고, 혼소 모드에서는 연료 믹싱부(800)의 체크 밸브(810)와 유료 단속 밸브(820)를 모두 개방하여 연료 믹싱부(800)로 디젤과 액상연료가 모두 유입되도록 설정한다.
상태정보 수집블럭(920)은 엔진 RPM과 엔진 부하량을 포함하는 차량 상태정보와, 액상연료 온도값, 액상연료 압력값, 액상연료 주입량을 포함하는 액상연료 상태정보를 수집한다. 이때, 액상연료 압력값은 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 제1 압력값과 유로 단속 밸브(820)을 통과하여 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 제2 압력값이 될 수 있고, 이를 통해 액상연료의 압력차를 획득할 수 있다. 그리고, 디젤 연료 압력과 RPM, 엔진 부하량을 포함하는 차량 상태정보는 디젤 ECU를 통해 제공되거나 해당 센서(미도시)를 통해 직접 제공될 수 있다.
액상연료 환경설정블럭(930)은 상태정보 수집블럭(920)에서 수집된 액상연료 온도값, 액상연료 압력값을 근거로 액상연료 공급부(700)에서 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료의 상태가 기 설정된 조건을 만족하도록 온도 및 압력 상태를 조절한다. 즉, 액상연료 환경설정블럭(930)은 액상연료 온도값에 기반하여 액상연료 공급부(700)에서 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료가 일정 온도 이하로 유지되도록 냉각기(750)를 구동제어한다. 또한, 액상연료 환경설정블럭(930)은 액상연료 압력값을 기반으로 액상연료 공급부(700)에서 연료 믹싱부(800)로 유입되는 액상연료가 일정 압력을 유지하도록 액상연료 펌프(710)를 제어할 수 있다.
혼소율 결정블럭(940)은 혼소모드에서 디젤 분사정보에 대응되는 디젤 분사량을 확인하고, 디젤 분사량에 대응하는 엔진 출력을 발생시키기 위한 목표 혼소율을 산출함으로써, 최종 혼소율을 결정한다. 여기서, 디젤 분사량은 디젤 분사정보를 근거로 분사주기 및 분사시간에 기반하여 직접 산출하거나, 기 저장된 디젤 분사정보에 대응되는 디젤 분사량정보를 호출하거나, 상태정보 수집블럭(920)을 통해 수집된 디젤 압력값과 디젤 인젝터 구동 신호에 기반하여 기 설정된 알고리즘에 따라 산출될 수 있다.
또한, 상기 목표 혼소율은 기 설정된 혼소율 산출 함수를 이용하여 산출하거나, 또는 디젤 ECU에서 요구하는 디젤 분사량에 대응되게 기 저장된 목표 혼소율을 호출하는 방식으로 획득할 수 있다. 여기서, 디젤 분사량에 대응되는 목표 혼소율은 디젤 ECU에서 요구하는 엔진 출력을 보장할 수 있는 디젤과 LNG 의 혼소 비율로서, 차량의 종류에 따라 다르게 설정된다.
또한, 혼소율 결정블럭(940)은 엔진 RPM과 엔진 부하에 대응하여 목표 혼소율에서 디젤과 액상연료간의 비율을 변경하여 혼소율을 결정할 수 있다. 예컨대 엔진 RPM이 높거나 엔진 부하량이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 엔진 RPM 또는 엔진 부하량과 기준 레벨간의 차이가 클수록 목표 혼소율에서 디젤 분사량의 비율이 보다 높게 되도록 최종 혼소율을 결정할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 차량의 상태에 따라 목표 혼소율이 그대로 혼소율로 결정되거나 또는 목표 혼소율이 변경된 상태로 혼소율이 결정될 수 있다.
연료 혼소량 결정블럭(950)은 혼소율에서의 디젤 비율을 근거로 디젤 혼소량을 결정하고, 혼소율에서의 액상연료 비율을 근거로 액상연료량을 결정한다. 이때, 액상연료량은 액상연료 주입량과 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력을 입력으로 하며, 엔진의 작동특성을 기반으로 사건에 결정된 함수에 의해 산출된 값에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 액상 연료량은 액상연료 주입량이 많을수록 증가하고, 액상연료 압력이 높을수록 감소하는 특성을 갖는 함수에 의해 결정되며, 액상연료 주입량 및 액상연료 압력에 따른 액상 연료량은 미리 산출되어 룩업테이블형태로 저장될 수 있다. 즉, 연료 혼소량 결정블럭(950)은 액상연료 주입량과 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력을 근거로 룩업테이블에서 액상연료량을 호출함으로써, 액상연료량을 결정할 수 있다.
분사정보 결정블럭(960)은 엔진(100)으로 분사되는 혼소 연료의 분사주기 및 분사시간을 결정하고, 이에 대응되는 혼소연료 분사신호를 생성하여 디젤 인젝터(200)로 제공함으로써, 엔진(100)으로 공급되는 연료에 대한 분사 제어를 수행한다. 이때, 분사정보 결정블럭(960)은 액상연료와 디젤간의 연소율 차이를 고려하여 액상연료의 비율이 높을수록 분사시간을 보다 길게 설정할 수 있다.
한편, 상기 분사정보 결정블럭(960)에서 생성되는 혼소연료 분사신호는 도5에 도시된 바와 같이 펄스형태의 신호로 이루어진다. 이때, 펄스 크기(S1,S2,S3)는 분사량에 대응되고, 펄스 폭(W1,W2,W3)은 분사시간에 대응된다.
도5에는 디젤과 액상연료의 혼소율에 대응하여 동일 연료량에 대하여 분사시간이 다르게 설정되는 혼소연료 분사신호가 예시되어 있다.
도5에서 (A)는 디젤 분사량(D)이 25%이고, 액상연료량(G)이 75%인 혼소 연료에 대한 분사신호이고, (B)는 디젤 분사량(D)이 50%이고, 액상연료량(G)이 50%인 혼소 연료에 대한 분사신호이며, (C)는 디젤 분사량(D)이 75%이고, 액상연료량(G)이 25%인 혼소 연료에 대한 분사신호이다.
도5에 의하면, 동일 연료량 조건에서 액상연료량의 비율이 높을수록 분사시간이 보다 길게 설정되도록 펄스 폭 및 펄스 크기가 변경된 형태의 혼소연료 분사신호가 생성됨을 알 수 있다.
이어, 도6에 도시된 흐름도를 참조하여 본 발명에 따른 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 제어 장치의 동작을 설명한다. 이하에서는 연료 제어부(900)의 동작을 기준으로 설명하기로 한다.
도6을 참조하면, 연료 제어부(900)는 외부로부터 연료공급모드 정보를 수신하고, 수신된 연료공급모드가 혼소모드인지를 판단한다(ST100, ST110).
상기 ST110 단계에서 수신된 연료공급모드가 디젤모드이면, 연료 제어부(900)는 연료 믹싱부(800)의 체크 밸브(810)는 개방시키고 유료 단속 밸브(820)는 폐쇄하여 연료 믹싱부(800)로 디젤 만 유입되도록 설정한다(ST130). 이때, 연료 믹싱부(800)는 디젤 연료만을 믹싱하여 고압 펌프(300)로 출력하고, 고압 펌프(300)에서 2,000Bar 이상의 고압으로 디젤 인젝터(200)에 유입된다.
그리고, 연료 제어부(900)는 디젤 ECU로부터 수신된 디젤 분사신호를 디젤 인젝터(200)로 제공하여 디젤 인젝터(200)가 디젤 ECU로부터 생성된 디젤 분사신호에 따라 동작되도록 제어한다(ST140). 즉, 디젤 인젝터(200)는 디젤 분사신호에 따라 고압의 디젤을 엔진(100)에 공급한다.
한편, 상기 ST110 단계에서 외부로부터 수신된 연료공급모드가 혼소모드이면, 연료 제어부(900)는 디젤 ECU로부터 수신된 디젤 분사신호에 대응되는 디젤 분사량정보를 획득한다(ST150). 이때, 연료 제어부(900)는 디젤 압력값과 디젤 인젝터 구동 신호를 근거로 기 설정된 알고리즘을 이용하여 디젤 분사량을 직접 산출할 수 있다.
또한, 연료 제어부(900)는 엔진 RPM, 엔진 부하량을 포함하는 차량 상태 정보를 수집하고(ST160), 상기 ST150 단계에서 산출된 디젤 분사량과 차량 상태정보를 근거로 혼소율을 결정한다(ST170). 연료 제어부(900)는 디젤 분사량에 기반하여 1차적으로 목표 혼소율을 획득하고, 목표 혼소율에서 엔진 RPM 및 엔진 부하량에 기반하여 최종적으로 디젤과 액상연료 비율로 이루어지는 혼소율을 결정한다.
또한, 연료 제어부(900)는 상기 ST170 단계에서 산출된 혼소율을 근거로 디젤 혼소량 및 액상연료량을 산출하고(ST180), 이를 근거로 연료 믹싱부(800)의 유료 단속 밸브(820)의 개방 정도를 조절하여 연료 믹싱부(800)로 디젤과 액상연료가 최종 결정된 혼소율 비율로 유입되도록 설정한다(ST190). 이때, 연료 믹싱부(800)는 디젤과 액상연료를 믹싱한 상태의 혼소 연료를 고압펌프(300)로 출력하고, 고압펌프(300)를 통해 2,000Bar 이상의 고압으로 혼소연료를 디젤 인젝터(200)에 공급한다.
또한, 연료 제어부(900)는 디젤 혼소량과 액상연료량을 근거로 혼소 연료의 분사시간 및 분사주기로 이루어지는 혼소연료 분사신호를 생성하고(ST200), 혼소연료 분사신호를 디젤 인젝터(200)로 전송하여 디젤 인젝터(200)가 혼소연료 분사신호에 따라 동작되도록 제어한다(ST210). 즉, 디젤 인젝터(200)는 혼소연료 분사신호에 따라 고압의 혼소연료를 엔진(100)에 공급한다.
상술한 동작은 디젤 ECU(600)로부터 새로운 연료공급모드정보가 수신되거나 또는 차량 시동이 오프되는 때까지 반복적으로 수행된다.
100 : 엔진, 200 : 디젤 인젝터,
300 : 고압 펌프, 400 : 디젤 탱크,
500 : 디젤 공급부, 600 : 액상연료 탱크,
700 : 액상연료 공급부, 800 : 연료 믹싱부,
810 : 체크밸브, 820 : 유로 단속밸브,
900 : 연료 제어부.

Claims (9)

  1. 디젤 차량에 디젤과 액상연료를 혼소하여 디젤 엔진의 연료로 이용할 수 있도록 해 주는 디젤-액상연료 혼소 시스템에 있어서,
    디젤 탱크로부터 디젤을 공급받기 위한 제1 밸브와, 액상연료 탱크로부터 액상연료를 공급받기 위한 제2 밸브를 구비하여 구성되고, 제1 밸브와 제2 밸브 중 적어도 하나로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 출력하는 연료 믹싱부와,
    상기 연료 믹싱부로부터 유입되는 연료를 고압으로 출력하는 고압 펌프,
    상기 고압 펌프로부터 인가되는 고압의 연료를 디젤 차량에 구동력을 제공하는 엔진에 공급하는 인젝터 및,
    외부로부터 인가되는 연료 공급 모드정보를 근거로 디젤 모드 또는 혼소 모드에 따른 연료 공급 제어처리를 수행하되, 디젤 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브만 개방시켜 연료 믹싱부로 디젤만 공급함으로써 상기 고압 펌프 및 디젤 인젝터를 통해 엔진으로 디젤만 공급되도록 설정하고, 혼소 모드에서는 연료 믹싱부의 제1 밸브와 제2 밸브를 모두 개방하여 연료 믹싱부로 디젤과 액상연료를 모두 공급함으로써, 디젤과 액상연료가 혼합된 형태의 혼소 연료를 엔진으로 공급하도록 제어하는 연료 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 연료 제어부는 디젤모드에서는 디젤 연료공급을 제어하는 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤 분사신호를 디젤 인젝터로 제공하여 디젤 분사를 제어하고,
    혼소모드에서는 디젤 ECU로부터 제공되는 디젤 분사신호에 대응되는 디젤 분사량을 획득하여 이 디젤 분사량에 해당하는 엔진 출력 특성을 갖도록 혼소 연료를 엔진으로 공급하도록 제어하되, 먼저 디젤 분사량에 해당하는 엔진 출력 특성을 갖는 목표 혼소율을 결정하고, 이 목표 혼소율에 엔진 RPM과 엔진 부하량을 적용하여 최종 혼소율을 결정하며, 최종 혼소율에 대응되도록 연료 믹싱부의 제2 밸브의 개방정도를 설정함으로써, 연료 믹싱부를 통해 디젤과 액상연료가 최종 혼소율로 믹싱된 상태의 혼소 연료를 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 믹싱부의 제1 밸브로는 디젤이 제1 압력으로 인가되고, 제2 밸브로는 액상연료가 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 인가되며,
    상기 제1 밸브는 원 웨이(One Way) 유로 특성을 갖는 체크 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상연료 탱크와 연료 믹싱부 사이의 유로상에 배치되어 액상연료를 일정 압력으로 연료 믹싱부로 공급하는 액상연료 공급부를 추가로 구비하여 구성되고,
    상기 액상연료 공급부는 액상연료 탱크에서 연료 믹싱부로 액상연료가 유입되는 제1 유로와 일단이 연결되고, 타단은 액상연료 탱크와 제2 유로를 통해 결합되어, 액상연료 압력이 규정 압력을 초과하면 여분의 액상 연료를 제2 유로를 통해 액상연료 탱크로 복귀시키는 연료 압력 레귤레이터를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액상연료 공급부는 액상연료 탱크에서 연료 믹싱부로 액상연료를 유입시키기 위한 제1 유로상에 설치되어 액상연료의 온도값을 연료 제어부로 제공하는 온도 센서와, 상기 제1 유로상에 설치되어 액상연료의 온도를 저감하기 위한 냉각기를 추가로 구비하여 구성되고,
    상기 연료 제어부는 상기 온도 센서로부터 제공되는 액상연료의 온도값을 근거로 액상연료가 일정 온도 이하를 유지하도록 상기 냉각기를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 제어부는 엔진 RPM이 높거나 엔진 부하량이 기 설정된 기준 레벨 이상인 경우, 엔진 RPM 또는 엔진 부하량과 기준 레벨간의 차이가 클수록 목표 혼소율에서 디젤 분사량의 비율이 보다 높게 되도록 최종 혼소율을 결정하는 것을 특징으로 하는 LNG-디젤 혼소연료 공급시스템의 연료 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 제어부는 상기 최종 혼소율에 대응하여 디젤 혼소량과 액상연료량을 산출하고, 디젤 혼소량과 액상연료량 비율에 대응되는 분사시간을 갖는 혼소연료 분사신호를 생성하여 상기 디젤 인젝터로 제공함으로써, 혼소연로 분사신호에 따라 엔진으로 혼소 연료를 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서
    상기 액상연료량은 액상연료 주입량과 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력을 근거로 결정되되, 액상연료량은 액상연료 주입량이 많을수록, 연료 믹싱부로 공급되는 액상연료 압력이 낮을수록 보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연료 제어부는 분사량에 대응되는 크기와 분사시간에 대응되는 폭을 갖는 펄스가 일정 주기를 갖도록 구성되는 혼소연료 분사신호를 생성하되,
    혼소연료 분사신호는 최종 혼소율의 액상연료 비율이 높을수록 분사시간이 보다 길게 설정되도록 펄스 폭 및 펄스 크기가 변경 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤-액상연료 혼소 시스템의 연료 공급 장치.


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