KR102248353B1 - Lpdi 차량의 연료압력 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LPDI 차량의 연료계통에서 연료압력을 제어하는 장치에 있어서: LPG봄베(10)의 연료펌프(12)에서 인젝터(21)를 거쳐 엔진(15)까지 연결되고, 고압펌프(22)로 연료를 승압하여 연료레일(24)로 송출하는 공급라인(20); 상기 공급라인(20)의 고압펌프(22)에서 LPG봄베(10)까지 연결되고, 고압펌프(22)의 미송출 연료를 LPG봄베(10)로 보내는 회수라인(30); 상기 회수라인(30)에 연료압력을 조절하도록 설치되는 레귤레이터(32); 및 상기 엔진(15)의 작동 조건에 대응하여 상기 레귤레이터(32)의 작동 조건을 변동하는 ECU(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, LPDI 차량의 액상 LPG 연료를 직접 분사하는 연료계통에서 차량의 주행 조건에 대응한 연료 공급의 원활성을 부여하여 출력저하와 시동지연 방지에 의한 연료 제어 최적화를 도모하는 효과가 있다.

Description

LPDI 차량의 연료압력 제어장치 {Fuel pressure control apparatus for LPDI automobile}
본 발명은 LPDI 차량의 연료라인에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인젝터를 통해 엔진의 실린더에 액상의 LPG 연료를 직접 분사하는 LPDI 차량의 연료압력 제어장치에 관한 것이다.
친환경 고효율 차량에 대한 관심이 증대되면서 다양한 대체 연료가 적용되고 있다. 그 중에서 LPG 연료는 가솔린에 비하여 탄소 함량비가 적어 이산화탄소 배출량 저감에 유리하다. LPG 연료를 사용하는 차량의 경우 LPI 방식에서 LPDI(Liquefied Petroleum-gas Direct Injection) 방식으로 발전된다. LPDI 차량은 연료계통의 제어를 통하여 액상 LPG를 엔진의 실린더 내부로 직접 분사한다. LPDI 차량의 연료 제어 최적화는 출력, 연비, 연소 안정성, 시동성 등의 엔진성능 확보에 중요한 요소로 인식된다.
이와 관련하여 한국 공개특허공보 제2014-0057025호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0671127호(선행문헌 2) 등의 선행특허를 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 연료탱크의 LPG를 일정한 압력으로 고압연료펌프에 전달하는 레귤레이터; LPG를 엔진에 공급하도록 연료탱크에서 인젝터까지 연결하는 연료공급라인; 및 잔여 LPG를 연료탱크로 리턴시키도록 설치되는 연료리턴라인; 등을 포함한다. 이에, 가변제어가 가능한 레귤레이터를 적용하여 LPG엔진의 열간 재시동 성능과 냉간 시동 성능의 개선을 기대한다.
선행문헌 2는 연료 탱크와 연료 레일의 온도를 측정하는 온도 센서; 연료 탱크와 연료 레일의 압력을 측정하는 압력 센서; 등을 구비하고, 제어부에서 온도 및 압력값에 따라 LPG 온도에 의한 변화를 보정하여 연료 분사량 및 연료 조성을 계산한다. 이에, 엔진 운전 조건 등에 의한 연료 압력의 변화에 영향을 받지 않고 정확한 연료량 제어를 행하는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌 1은 연료의 빠른 리턴을 유발하고 선행문헌 2는 연료 분사의 보정 연산을 요지로 하여 LPDI 연료 제어 최적화에 미흡하다.
한국 공개특허공보 제2014-0057025호 "LPG 직접 분사 시스템" (공개일자 : 2014.05.12.) 한국 등록특허공보 제0671127호 "엘피지 액상 인젝션 시스템의 연료 공급 제어방법" (공개일자 : 2008.03.30.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, LPDI 차량에서 액상 LPG 연료의 직접 분사와 관련되는 연료계통의 일부 개선을 통하여 차량의 주행 조건에 대응한 연료 공급의 원활성으로 연료 제어의 최적화를 도모하는 LPDI 차량의 연료압력 제어장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 LPDI 차량의 연료계통에서 연료압력을 제어하는 장치에 있어서: LPG봄베의 연료펌프에서 인젝터를 거쳐 엔진까지 연결되고, 고압펌프로 연료를 승압하여 연료레일로 송출하는 공급라인; 상기 공급라인의 고압펌프에서 LPG봄베까지 연결되고, 고압펌프의 미송출 연료를 LPG봄베로 보내는 회수라인; 상기 회수라인에 연료압력을 조절하도록 설치되는 레귤레이터; 및 상기 엔진의 작동 조건에 대응하여 상기 레귤레이터의 작동 조건을 변동하는 ECU;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 레귤레이터는 연료의 유로 상에 온도센서 및 압력센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 레귤레이터는 전기적 신호에 대응하여 유로저항과 연료압력 변동을 유발하는 액추에이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 ECU는 엔진의 부하가 증대되는 고속 또는 고토크 영역에서 레귤레이터의 유로저항 증대를 유발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 ECU는 레귤레이터로 유동하는 연료의 온도와 압력에 대응하여 연료압력 조절을 위한 출력값을 보정하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, LPDI 차량의 액상 LPG 연료를 직접 분사하는 연료계통에서 차량의 주행 조건에 대응한 연료 공급의 원활성을 부여하여 출력저하와 시동지연 방지에 의한 연료 제어 최적화를 도모하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구조가 적용된 LPDI 시스템의 모식도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제어회로를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제어상태를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 LPDI 차량의 연료계통에서 연료압력을 제어하는 장치에 관하여 제안한다. LPDI 차량에서 LPG봄베(10)에 저장된 액상 LPG 연료는 엔진(15)의 실린더에 직접 분사된다. 본 발명은 LPDI 엔진을 탑재한 차량의 연료계통을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, LPDI 차량의 연료계통은 LPG봄베(10), 연료펌프(12), 고압펌프(22), 연료레일(24), 인젝터(26) 등으로 구성된다. 연료라인은 협의적으로 연료를 이송하는 관로이지만 광의적으로 관로상에 장착된 기능품을 포함한다. LPG봄베(10)의 내부에는 연료펌프(12)가 탑재된다.
본 발명에 따르면 LPG봄베(10)의 연료펌프(12)에서 인젝터(21)를 거쳐 엔진(15)까지 연결되는 공급라인(20)이 고압펌프(22)로 연료를 승압하여 연료레일(24)로 송출하는 구조를 갖춘다. 공급라인(20)은 연료펌프(12)와 고압펌프(22)를 통하여 연료의 단계적 승압을 유발한다. 연료계통의 일예로서, 연료펌프(12)는 약 8bar의 연료를 고압펌프(22)에 공급하고, 고압펌프(22)는 약 150bar의 연료를 연료레일(24)에 공급한다. 승압된 연료는 연료레일(24)과 인젝터(26)를 통하여 엔진(15)의 실런더로 토출된다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 공급라인(20)의 고압펌프(22)에서 LPG봄베(10)까지 연결되는 회수라인(30)이 고압펌프(22)의 미송출 연료를 LPG봄베(10)로 보내는 구조를 갖춘다. 고압펌프(22)는 흡입포트, 토출포트, 회수포트로 유로를 형성하고 내부에 유량제어용 스필밸브를 포함한다. 미송출 연료는 고압펌프(22)의 토출포트를 통하여 연료레일(24)로 공급되지 않은 잔여분이다. 회수라인(30)은 고압펌프(22)의 회수포트에서 LPG봄베(10)의 디버터까지 연결된다. 연료계통의 일예로서, 회수라인(30)의 연료 압력은 약 3~8bar 범위로 유지된다.
또한, 본 발명에 따르면 레귤레이터(32)가 상기 회수라인(30)에 연료압력을 조절하도록 설치되는 구조를 이루고 있다. 도 1에 나타내는 것처럼 레귤레이터(32)는 공급라인(20)과 회수라인(30)에 동시에 설치될 수 있다. 이 경우 도 2처럼 레귤레이터(32)는 일측의 피드유로(32a)와 타측의 리턴유로(32b)를 구비한다. 공급라인(20)에 연결되는 피드유로(32a)에는 연료의 유동을 단속하는 전자밸브(도시 생략)가 설치될 수 있다. 회수라인(30)에 연결되는 리턴유로(32b)에는 연료압력을 조절하는 뱁브체가 탑재된다.
이때, 레귤레이터(32)는 고압펌프(22)의 압력 변동과 무관하게 설정된 압력의 연료를 LPG봄베(10)로 보낸다. 레귤레이터(32)는 후술하는 ECU(50)에 의하여 전기적으로 제어될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면 ECU(50)가 상기 엔진(15)의 작동 조건에 대응하여 상기 레귤레이터(32)의 작동 조건을 변동하는 구조를 이루고 있다. ECU(50)는 마이컴 회로를 기반으로 구성되고 연료펌프(12), 고압펌프(22), 인젝터(26), 레귤레이터(32) 등에 연결된다. ECU(50)는 인젝터(26)를 통해 분사되는 연료의 분사 시기와 분사량을 각각 주행 조건에 따라 설정된 범위로 제어한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 레귤레이터(32)는 연료의 유로 상에 온도센서(34) 및 압력센서(36)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 1에서, 피드유로(32a)에 설치된 온도센서(34) 및 리턴유로(32b)에 설치된 압력센서(36)를 예시한다. 그러나, 이에 한정되지 않고 온도센서(34)와 압력센서(36)를 중복적으로 적용할 수도 있다. 연료계통으로 유동하는 LPG 연료는 운도와 압력에 따라 증기압 곡선을 추종하는 물성 변화가 초래된다. 연료의 물성 변화는 인젝터(26)로 분사되는 연료량에 영향을 끼친다. LPG 연료는 특성상 온도 및 압력에 가장 많은 영향을 받게 되는데, 압력이 낮고 온도가 높을수록 기상으로 상변화가 되며, 압력이 높고 온도가 낮을수록 액상 상태를 유지하게 된다.
이에, 엔진열 등에 의하여 고압펌프(22)의 온도가 상승되면 재시동시 연료공급이 원활하지 않게 된다. 레귤레이터(32) 상에서 연료의 온도와 압력 변화를 검출하는 것은 시스템의 간소화, 내구성, 신뢰성에 유리하다. 물론, 연료레일(24) 등에서 온도와 압력을 부가적으로 검출할 수도 있다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 레귤레이터(32)는 전기적 신호에 대응하여 유로저항과 연료압력 변동을 유발하는 액추에이터(40)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 레귤레이터(32)는 다이아프램과 스프링으로 연료압력을 설정하는 방식이 보편적이지만 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 적용 가능하다. 액추에이터(40)는 소형의 전기모터 구조로 형성되고 레귤레이터(32)의 스프링 부분에 동심으로 연결된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 ECU(50)는 엔진(15)의 부하가 증대되는 고속 또는 고토크 영역에서 레귤레이터(32)의 유로저항 증대를 유발하는 것을 특징으로 한다. ECU(50)는 기본적으로 연료펌프(12)와 고압펌프(22)를 통하여 인젝터(26)의 연료량 제어를 수행한다. 엔진(15)의 일시적 고속 또는 고토크 가동으로 부하가 증가되면 ECU(50)가 레귤레이터(32)의 액추에이터(40)를 제어한다. 액추에이터(40)는 리턴유로(32b)의 유로저항을 증대하여 고압펌프(22)에 대한 연료압력과 연료량 증대를 유발한다. 물론 ECU(50)는 고압펌프(22)의 스필밸브(25)에 대한 제어도 동시에 수행할 수 있다. 반면, 엔진(15)이 정속으로 가동되거나 부하가 감소하면 액추에이터(40)의 유로저항을 감소하여 연료압력을 낮춘다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 ECU(50)는 레귤레이터(32)로 유동하는 연료의 온도와 압력에 대응하여 연료압력 조절을 위한 출력값을 보정하는 것을 특징으로 한다. ECU(50)는 LPG 연료의 운도와 압력에 따른 증기압 곡선 정보를 메모리에 저장한다. ECU(50)는 레귤레이터(32)에서 측정되는 온도와 압력에 따라 액추에이터(40)의 가동 상태를 변동한다. 출력값 보정을 처리하는 ECU(50)의 제어 알고리즘은 부하 변동에 대응하여 고압펌프(22) 측으로 유입되는 연료량을 증감힘을 요체로 한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: LPG봄베 12: 연료펌프
15: 엔진 20: 공급라인
22: 고압펌프 25: 스필밸브
24: 연료레일 26: 인젝터
30: 회수라인 32: 레귤레이터
34: 온도센서 36: 압력센서
40: 액추에이터 50: ECU

Claims (5)

  1. LPDI 차량의 연료계통에서 연료압력을 제어하는 장치에 있어서:
    LPG봄베(10)의 연료펌프(12)에서 인젝터(21)를 거쳐 엔진(15)까지 연결되고, 고압펌프(22)로 연료를 승압하여 연료레일(24)로 송출하는 공급라인(20);
    상기 공급라인(20)의 고압펌프(22)에서 LPG봄베(10)까지 연결되고, 고압펌프(22)의 미송출 연료를 LPG봄베(10)로 보내는 회수라인(30);
    상기 회수라인(30)에 연료압력을 조절하도록 설치되는 레귤레이터(32); 및
    상기 엔진(15)의 작동 조건에 대응하여 상기 레귤레이터(32)의 작동 조건을 변동하는 ECU(50);를 포함하되,
    상기 레귤레이터(32)는 연료의 유로 상에 온도센서(34) 및 압력센서(36)를 구비하고,
    상기 레귤레이터(32)는 전기적 신호에 대응하여 유로저항과 연료압력 변동을 유발하는 액추에이터(40)를 구비하며,
    상기 ECU(50)는 엔진(15)의 부하가 증대되는 고속 또는 고토크 영역에서 레귤레이터(32)의 유로저항 증대를 유발하는 것을 특징으로 하는 LPDI 차량의 연료압력 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 ECU(50)는 레귤레이터(32)로 유동하는 연료의 온도와 압력에 대응하여 연료압력 조절을 위한 출력값을 보정하는 것을 특징으로 하는 LPDI 차량의 연료압력 제어장치.
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