KR19990068584A - 가스연료를사용하는자동차의연료공급시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘피지(LPG) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 가스 연료를 기존의 가스연료의 사용압력(대기압) 보다 높은 압력으로 정확하고 빠른 속도로 제어하고 기존의 연료 믹서(Mixer)와 벤츄리와 같은 구조물을 제거하여 그 시스템 구성을 효율적으로 단순화함으로써 성능과 효율 향상 및 시스템의 경제성을 향상시킨 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 엘피지(LPG) 및 씨엔지(CNG)와 같은 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 있어서, 상기 가스 연료를 액화 또는 압축상태로 저장하는 탱크(bombe)와; 상기 탱크에 저장된 액체 상태(액상)의 가스 연료나 압축상태의 가스연료가 유입되며, 유입된 액상의 가스 연료 혹은 압축상태의 가스연료의 압력을 대기압 이상의 압력으로 제어하여 토출하는 압력 조정기와; 상기 압력조정기에서 제어된 연료가 유입되면 유입된 연료를 엔진의 부하상태에 따라 정량제어하는 복수개의 솔레노이드를 포함하며, 상기 복수개의 솔레노이드에 의해 정량제어된 연료를 엔진의 흡기 다기관의 각각 분배하거나 또는 집중하여 1곳에 분사하는 연료 분배기와; 상기 연료 분배기에서 정량 제어되어 분배된 연료를 엔진 흡기 다기관의 연소실내로 분사하는 가스 인젝터(Nozzle) ; 및 엔진 회전수(RPM), 스로틀 위치 센서(TPS), 점화 타이밍, 매니폴드 절대압력(MAP), 냉각수온, 상기 압력조정기내의 연료 온도, 산소 센서 각각의 신호 및 상기 연료 분배기의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호를 입력받아 이들 각각의 신호를 토대로 상기 복수개의 솔레노이드를 구동제어하는 제어장치;를 포함하여 된 것을 특징한다.

Description

가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템{System for providing fuel of automobile using gas fuel}
본 발명은 엘피지(LPG) 및 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 가스 연료를 높은 압력으로 정확하고 빠른 속도로 제어하고 기존의 연료 믹서(Mixer)와 벤츄리와 같은 구조물을 제거하여 그 시스템 구성을 효율적으로 단순화함으로써 성능과 효율 향상 및 시스템의 경제성을 향상시킨 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 액화석유가스인 엘피지와 압축 천연가스인 씨엔지와 같은 가스 연료를 사용하는 차량에는 도 1에 도시한 바와 같이 연료탱크(bombe; 1)에서 공급되는 가스 연료를 기체상태(기상)로 바꾸고 대기압 상태로 유지시켜 주는 기화기(베이퍼라이져; 2)와, 엔진(3)에 가스연료와 공기의 혼합기를 공급하도록 하는 믹서(4)가 필수적으로 포함되어 구성된다. 도 1에서 부재번호 6은 공기정화기이고, 부재번호 7은 기화기(2)에서 믹서(4)에 공급되는 가스연료를 1차적으로 조정하는 조정 스크류, 부재번호 8은 기화기(2)에서 믹서(4)에 공급되는 가스연료를 2차적으로 듀티(duty) 제어하여 공연비를 맞추는 듀티 솔레노이드, 부재번호 9는 쓰로틀 포지션 센서(미도시)와 연동하는 쓰로틀 밸브이다. 그리고, 부재번호 11은 가스연료와 가솔린 연료 겸용 차량인 경우 가솔린 인젝터이고, 부재번호 12는 스파크 플러그, 부재번호 13은 배기 매니폴드에 장착된 산소센서이다.
도 1과 같은 구성에 있어서, 연료의 공급방식은 시스템 특성상 믹서(4)의 벤츄리 또는 오리피스 구조에 의해 엔진 부압으로 연료가 빨려들어가게 하는 방식을 취한다.
그런데, 상기와 같은 가스연료의 공급방식에 따르면, 믹서(4)의 벤츄리 구조에 의해 엔진 출력이 저하되는 문제점이 상존한다. 이는 공기가 지나가는 통로를 믹서(4)의 벤츄리 구조에서 병목현상 발생으로 엔진의 큰 부하에서 손실이 크기 때문이다. 또한, 상기와 같은 가스연료의 공급방식에 따르면, 가스 연료와 공기의 혼합기가 부압에 의해 제어되기 때문에 그 응답성이 떨어지며, 경우에 따라서는 역화현상(Back fire)의 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 종래의 기화기와 믹서, 듀티 솔레노이드 대신 고압 기화기(또는, 압력 조정기)와 5-10개의 소형 고속 솔레노이드를 포함하는 1개 또는 2개의 연료 분배기 및 가스연료인젝터(노즐; Nozzle)를 추가하고, 연료 분배기의 고속 솔레노이드들을 각각 PWM(Pulse Width Modulation) 및 온/오프(ON/OFF) 전자제어함으로써 종래의 역화현상을 방지하고, 엔진 출력 응답성 및 흡기효율을 향상시킨 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 2개의 연료 분배기를 사용함으로써 1개의 연료 분배기를 사용할 때보다 연료 분배기와 가스인젝터 간의 파이프 길이를 짧게 함으로써 제어응답을 더욱 향상시킬수 있도록 한 자동차의 연료공급 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료분배기의 상세 단면도,
도 4는 본 발명의 연료분배기에 적용되는 온/오프 솔레노이드와 PWM 솔레노이드의 상세 단면도,
도 5a는 본 발명에 따른 온/오프 솔레노이드 및 PWM 솔레노이드의 동작 그래프,
도 5b는 본 발명에 따른 연료유량 특성 그래프,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료탱크(Bombe) 3 : 엔진
30 : 압력 조정기 40 : 연료 분배기
50 : 가스 인젝터 60 : 제어장치
S : 온/오프(ON/OFF) 솔레노이드 S' : PWM 솔레노이드
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템은,
엘피지(LPG) 및 씨엔지(CNG)와 같은 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 있어서,
상기 가스 연료를 액화 또는 압축상태로 저장하는 연료탱크(bombe);
상기 탱크에 저장된 액체 상태(액상)의 가스 연료가 유입되며, 유입된 액상의 가스 연료 혹은 압축 가스 연료의 압력을 대기압 이상의 압력으로 제어하여 토출하는 압력 조정기;
상기 압력 조정기에서 압력 제어된 연료가 유입되면 유입된 연료를 엔진의 부하상태에 따라 정량 제어하는 복수개의 솔레노이드를 포함하며, 상기 복수개의 솔레노이드에 의해 정량 제어된 연료를 엔진의 흡기 다기관의 각각에 분배하거나 집중하여 1곳에 분사하는 적어도 1개 이상의 연료 분배기;
상기 연료 분배기에서 정량 제어되어 분배된 연료를 엔진 흡기 다기관의 연소실내로 분사하는 가스 인젝터(Nozzle); 및
엔진 회전수(RPM), 스로틀 위치 센서(TPS), 점화 타이밍, 매니폴드 절대압력(MAP), 냉각수온, 상기 압력 조정기내의 연료 온도, 산소 센서 각각의 신호 및 상기 연료 분배기의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호를 입력받아 이들 각각의 신호를 토대로 상기 복수개의 솔레노이드를 구동제어하는 제어장치;를 포함하여된 점에 그 특징이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수개의 솔레노이드 각각은 상기 제어장치의 펄스폭 변조(PWM) 신호와 온/오프(ON/OFF) 신호의 조합에 의해 구동제어된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어장치는 상기 연료 분배기의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호와 상기 압력 조정기내의 연료 온도의 상관관계를 통해 상기 가스의 연료 유량을 보상한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수개의 솔레노이드 각각의 구동시간은 1/1000초 이내이며, 그 개수는 5-10개이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 분배기는 2개이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 압력조정기에서 조정되는 압력은 0.5바(bar) 이상이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 인젝터는 액체상태의 가스연료 또는 기체상태의 가스연료를 분사할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 설명의 편의를 위하여 종래기술에서 사용하였던 구성부재와 동일한 작용을 하는 구성부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하고, 이들에 대한 상세한 설명도 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템의 전체 구성도이고, 도 3은 본 발명의 연료 분배기의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 연료 분배기에 적용되는 온/오프 솔레노이드와 PWM 솔레노이드의 상세 단면도이다. 그리고, 도 5a는 본 발명 연료 분배기내의 온/오프 솔레노이드 및 PWM 솔레노이드의 동작 그래프이고, 도 5b는 본 발명 연료 분배기내의 솔레노이드의 온/오프 및 PWM 제어에 따른 가스 연료 유량의 그래프이다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템은, 가스 연료를 액화(LPG) 또는 압축(CNG) 상태로 저장하는 연료탱크(bombe; 1)와, 연료탱크(1)에 저장된 액체 상태(액상)의 가스 연료가 유입되며 유입된 액상의 가스 연료의 압력을 대기압 이상의 압력으로 제어하여 토출하는 압력 조정기(30)와, 압력 조정기(30)에서 압력 제어된 연료가 유입되면 유입된 연료를 엔진(3)의 부하상태에 따라 정량 제어하는 복수개, 예를 들면 5-10개의 솔레노이드(S)를 포함하며 복수개의 솔레노이드(S)에 의해 정량 제어된 연료를 엔진(3)의 흡기 다기관의 각각에 분배하는 연료 분배기(40)와, 연료 분배기(40)의 복수개의 솔레노이드(S)에 의해 정량 제어되어 분배된 연료를 엔진 흡기 다기관의 연소실내로 분사하는 가스 인젝터(노즐; Nozzle)(50) 및 엔진 회전수(RPM), 스로틀 위치 센서(TPS), 점화 타이밍, 매니폴드 절대압력(MAP), 냉각수온, 압력조정기(30)내의 연료 온도, 산소 센서(13) 각각의 신호 및 연료 분배기(40)의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호(P1,P2)를 입력받아 이들 각각의 신호를 토대로 연료분배기(40)의 복수개의 솔레노이드(S)를 구동제어하는 전자 제어장치(60)를 포함하여 구성된다. 여기서, 복수개의 솔레노이드(S) 각각은 제어장치(60)의 PWM 신호와 온/오프 신호의 조합에 의해 구동제어되며, 제어장치(60)는 도 3에 도시한 바와 같이 연료 분배기(40)의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호(P1,P2)와 압력 조정기(30)내의 연료 온도의 상관관계를 통해 가스의 연료 유량을 보상한다. 그리고, 복수개의 솔레노이드(S) 각각의 구동시간은 1/1000초 이내이다.
또한, 상기한 연료분배기(40)는 적어도 1개 이상으로 구성되는데, 바람직하게는 2개로 구성된다. 도시한 바와 같이 연료분배기(40)가 2개로 구성될 때, 연료분배기(40)와 가스인젝터(50) 간의 연료 호스를 짧게 할 수 있어 제어응답은 더욱 향상된다. 연료분배기(40)는 복수개의 솔레노이드(S)에 의해 정량 제어된 연료를 엔진(3)의 흡기 다기관의 각각에 분배하지만, 경우에 따라서는 복수개의 솔레노이드(S)에 의해 정량 제어된 연료를 엔진(3)의 흡기 다기관의 어느 1곳에 집중하여 분사할 수 있도록 구성될 수 있다. 연료 분배기(40)가 상기와 같이 정량 제어된 연료를 엔진(3)의 흡기 다기관의 어느 1곳에 집중하여 분사하도록 구성되는 경우, 그 구성이 간단 단순화되는 장점이 있다.
더욱이, 압력조정기(30)에서 조정되는 압력은 바람직하게 0.5바(bar) 이상인 고압이며, 가스 인젝터(50)는 액체상태의 가스연료 또는 기체상태의 가스연료를 모두 분사가능하게 된다. 따라서, 가스 인젝터(50)는 바람직하게 체크 밸브(check valve) 형태의 노즐(nozzle)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템의 작용을 도 2 내지 도 5을 참조하면서 설명한다.
종래 가스 연료가 연료탱크(1)로부터 기화기(2)로 유입되듯이, 본 발명에서도 가스 연료는 연료탱크(1)로부터 압력 조정기(30)로 유입된다. 이때, 연료탱크(1)의 액상상태 연료만이 압력 조정기(30)로 유입된다. 압력 조정기(30)는 종래 기화기(2) 보다 큰 압력, 예를 들면 1.2bar 내지 2bar로 가스 연료를 제어한다. 즉, 압력 조정기(30)는 가스 연료의 토출 압력을 대기압보다 큰 압력으로 제어하여 이를 연료 분배기(40)에 공급한다. 압력 제어된 연료가 2개의 연료분배기(40)로 각각 분배되어 유입되면(경우에 따라서는 1개의 연료 분배기로 유입될 수 있음), 연료 분배기(40)의 솔레노이드(S)들은 엔진 부압 및 제어장치(60)의 온/오프 및 PWM 제어신호에 의해 구동 제어되어 엔진(3) 구동에 필요한 정량의 연료를 즉각적으로 엔진(3)의 각 기통(흡기 다기관)으로 분배하거나, 엔진(3)의 흡기다기관의 어느 1곳에 집중하여 분사한다. 연료 분배기(40)에 의해 정량 제어된 연료가 엔진(3)의 흡기 다기관의 어느 1곳에 집중하여 분사되는 경우 연료는 상기 흡기 다기관의 구조에 의해 각 흡기 다기관으로 균일하게 분배된다.
제어장치(60)는 기본적으로 엔진 회전수(RPM), 쓰로틀 포지션 센서, 점화 타이밍, 매니폴드 절대압력(MAP), 냉각수온, 압력 조정기(30)내의 연료온도, 산소센서(13)의 신호뿐만 아니라 도 3에서의 연료분배기(40)의 압력신호(P1,P2)를 받아들여 능동적으로 제어신호를 연료분배기(40), 실질적으로는 연료분배기(40)의 각 솔레노이드(S)에 출력한다. 여기서, 압력 조정기(30)내의 연료온도 신호와 연료 분배기(40)의 압력신호(P1,P2) 및 MAP 신호는 연료를 보다 정량적으로 계측하기 위해 쓰여진다. 연료량은 소형 고속 솔레노이드(S)가 몇 개 오픈(Open)되느냐와 PWM 듀티비에 따라 결정된다. 따라서, 상기한 소형 고속 솔레노이드(S)중 1-2개는 바람직하게 PWM 솔레노이드(S)가 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 솔레노이드(S)는 평상시 닫힌 상태(Closing)이고, 솔레노이드(S)에 전류가 인가되면 솔레노이드(S)의 자화력(Magnetic Force)이 솔레노이드(S)의 스프링(Ss)력을 극복하여 솔레노이드(S)의 아마추어(Armature)부(Sa)를 들어올림으로써 솔레노이드(S)는 오픈된다. 여기서, 소형 고속 솔레노이드(S)의 응답성은 약 1msec 정도로 종래의 플런져 타입 솔레노이드에 비해 5배 정도의 빠른 응답성을 갖는다. 또한, 솔레노이드의 갯수가 증가할수록 연료량의 계측의 정밀도가 높아지지만, 설계적인 측면과 실용적인 측면 및 현재의 배기가스 기준을 고려할 때 5-10개가 바람직하다. 도 3에서 미설명된 도면부호 42는 연료가 흐르는 유로이다.
도 3 및 도 4에서 솔레노이드의 부재기호를 S'로 한 것은 PWM 솔레노이드이고, S로 한 것은 온/오프 솔레노이드인데, 솔레노이드를 이와 같이 구별한 이유를 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 5a 및 도 5b에서와 같이 온/오프 솔레노이드(S)만 작동했을 경우 유량특성이 계단식이 된다. 이와 같은 계단식 유량특성을 보정하기 위해서 2개정도의 PWM 솔레노이드(S')가 요구된다. 2개의 PWM 솔레노이드(S')중에서 1개는 유로면적이 온/오프 솔레노이드(S)의 것과 같게 하고, 다른 1개는 유로면적은 작게 하는 것이 바람직한데, 이는 PWM 솔레노이드(S')의 듀티비가 0-100% 까지 정확하게 나오기가 현실적으로 불가능하기 때문에 유로면적이 온/오프 솔레노이드(S)와 같은 PWM 솔레노이드(S')는 약 20-80%의 듀티비로 작동되게 하고 0-20% 또는 80-100%에 해당하는 유량은 작은 유로를 갖는 PWM 솔레노이드(S')에서 보충하게 하면, 도 5b에 도시한 바와 같이 선형적인 유량특성을 만족시킬 수 있기 때문이다. 즉, 상술한 바와같이 온/오프 솔레노이드(S)와, 유로면적에서 상대적인 차이가 있는 PWM 솔레노이드(S')에 의하면, 완벽하고 이상적인 연료량 제어가 구현된다.
그리고, 본 발명의 연료공급 시스템은 가솔린 인젝션 방식과 유사하게 도 2에 도시한 바와 같이 가스 인젝터(50)가 가솔린 인젝터(11)와 같은 위치에 각 기통마다 장착되어져 종래의 믹서(4; 도 1) 방식과는 차별화를 갖게 되는데, 이것의 차이는 종래의 기화기 방식 가솔린 엔진과 인젝션 방식의 가솔린 엔진과의 차이와 같다고 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템은, 가스 연료를 높은 압력으로 정확하고 빠른 속도로 제어하고 기존의 연료 믹서(Mixer)와 벤츄리와 같은 구조물을 제거하여 그 시스템 구성을 효율적으로 단순화함으로써 성능과 효율 향상 및 시스템의 경제성을 향상시키는 이점을 제공하며, 특히 2개의 연료 분배기를 사용할 경우 연료 호스 길이를 짧게 할 수 있어 제어의 응답을 더욱 향상시킬수 있다.
본 발명은 본 명세서에 서술된 실시예로 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 기재된 정신과 범주를 벗어남이 없이 당업자에 의해 수정 및 변경될 수 있다.

Claims (6)

  1. 엘피지(LPG) 및 씨엔지(CNG)와 같은 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템에 있어서,
    상기 가스 연료를 액화 또는 압축상태로 저장하는 탱크(bombe);
    상기 탱크에 저장된 액체 상태(액상)의 가스 연료가 유입되며, 유입된 액상의 가스 연료의 압력을 대기압 이상의 압력으로 제어하여 토출하는 압력 조정기;
    상기 압력 조정기에서 압력 제어된 연료가 유입되면 유입된 연료를 엔진의 부하상태에 따라 정량 제어하는 복수개의 솔레노이드를 포함하며, 상기 복수개의 솔레노이드에 의해 정량 제어된 연료를 엔진의 흡기 다기관의 각각에 대기압 이상의 압력으로 분배하는 적어도 1개 이상의 연료 분배기;
    상기 연료 분배기에서 정량 제어되어 분배된 연료를 엔진 흡기 다기관의 연소실내로 대기압 이상으로 분사하는 가스 인젝터; 및
    엔진 회전수(RPM), 스로틀 위치 센서(TPS), 점화 타이밍, 매니폴드 절대압력(MAP), 냉각수온, 상기 압력 조정기내의 연료 온도, 흡입 공기 온도, 산소센서 각각의 신호 및 상기 연료 분배기의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호를 입력받아 이들 각각의 신호를 토대로 상기 복수개의 솔레노이드를 구동제어하는 제어장치;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 분배기는 상기 복수개의 솔레노이드에 의해 정량 제어된 연료를 엔진의 흡기 다기관의 어느 1곳에 집중하여 분사하도록 된 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 인젝터는 체크 밸브(check valve) 형태의 노즐(nozzle)인 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 솔레노이드 각각은 상기 제어장치의 펄스폭 변조(PWM) 신호와 온/오프(ON/0FF) 신호의 조합에 의해 30Hz 이상의 주파수로 구동제어되는 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 연료 분배기의 적어도 2곳 이상에서의 압력 신호(입구 및 출구 사이의 압력차이)와 상기 압력 조정기내의 연료 온도의 상관관계를 통해 상기 가스의 연료 유량을 보상하도록 된 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 분배기는 2개인 것을 특징으로 하는 가스 연료를 사용하는 자동차의 연료공급 시스템.
KR1019990020559A 1999-06-03 1999-06-03 가스연료를사용하는자동차의연료공급시스템 KR19990068584A (ko)

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