KR200178287Y1

KR200178287Y1 - 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치

Info

Publication number: KR200178287Y1
Application number: KR2019990024350U
Authority: KR
Inventors: 박성택
Original assignee: 제인엔지니어링주식회사
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2000-04-15

Abstract

본 고안은 엘피지(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 또는 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas)와 같은 가스연료를 사용하는 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 그 구경이 가변되는 가변 벤츄리믹서를 채용하여 공기량을 제어하고 듀티(Duty) 펄스신호에 의해 동작하는 듀티 솔레노이드 밸브를 채용하여 연료량을 제어함으로써 공회전(Idle) 안전성과 연비향상, 유해 배출물의 저감, 가속성능의 향상 및 엔진의 제반 성능을 향상시킨 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 고안은, 가스연료 차량의 공기와 연료를 혼합시키는 장치에 있어서, 공기정화기에서 유입되는 공기와 기화기를 경유한 가스연료가 혼합되는 믹서(mixer)의 벤츄리 부분에 설치되어 상기 벤츄리 부분에 작용하는 부압의 크기에 비례하여 상기 벤츄리 부분을 통과하는 공기량이 많아지게 하는 방향으로 이동하는 가변 이동부재와, 상기 부압에 작용하여 상기 가변 이동부재를 이동시키는 다이아프램 수단과, 상기 부압이 다이아프램 수단에 작용할 때 상기 다이아프램 수단에 작용하는 부압과 평형을 이루는 힘을 상기 다이아프램 수단에 제공하는 스프링 수단을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

가스연료 차량의 공기연료 혼합장치{Apparatus for mixing air and fuel of automobile using LPG or CNG fuel}

일반적으로 자동차 가스연료인 엘피지와 씨엔지(이하, 엘피지와 씨엔지를 통칭하여 '가스연료'라 한다)는 가솔린보다 그 가격이 훨씬 저렴하고, 가스상태이기 때문에 각 실린더로의 연료분배가 균일한 장점을 갖고 있다. 또한, 가스연료를 자동차 연료로서 사용할 때 그 옥탄가가 높기 때문에 노킹이 거의 발생하지 않으며, 윤활유의 손실이 적고 워밍업도 빠른 장점을 가지고 있다. 이와 같이 가솔린에 비해 상대적으로 많은 장점을 갖는 가스연료는 영업용 택시나 승합차의 연료로 널리 사용되고 있는 추세에 있으며, 최근에는 레저용 차량 및 버스 등에도 폭넓게 사용되고 있다. 또한, 유해배기가스를 많이 배출하는 디젤엔진 차량이 대기 환경공해의 주범으로 인식되면서 우리나라를 비롯한 선진각국에서는 디젤엔진이 가스연료 엔진으로 많이 대체되고 있다.

상기와 같이 가스연료를 사용하는 차량은, 가스연료를 사용하기 위해 일반적으로 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 가스연료를 통상 고압으로 저장하는 가스연료 탱크(bombe; 11)와, 탱크(11)에 설치되어 소정의 전기신호에 따라 탱크(11)내의 연료가 공급되게 하거나 차단되게 하는 솔레노이드 밸브(12)와, 탱크(11)에서 공급되는 가스연료를 기화시키는 기화기(13)와, 차량의 산소센서(1)/액셀 개도센서(TPS;2 ) 등으로부터 받은 정보를 기초로 하여 여러가지 엔진 작동조건의 이상적인 조건을 구하여 해당 듀티(duty) 솔레노이드 밸브(15)를 작동시켜 공연비를 조절하는 가스연료 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)(16) 등을 구비한다. 여기서, 전자제어장치(16)의 제어에 의해 작동하는 듀티 솔레노이드 밸브(15)는 엔진(5)과 공기정화기(6) 사이에 설치되어 기화기(13)를 경유한 가스연료와 공기를 혼합시키는 벤츄리 믹서(mixer; 17)에 설치되는데, 이 듀티 솔레노이드 밸브(15)는 벤츄리 믹서(17)에서 공기와 혼합되는 가스연료량의 약 30% 정도를 제어한다. 즉, 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 기화기(13)에서 공급되는 가스연료량의 약 70% 정도는 벤츄리 믹서(17)의 벤츄리 부분에 직접 공급되며, 나머지 약 30% 정도는 듀티 솔레노이드 밸브(15)에 의해 제어되어 벤츄리 믹서(17)에 공급된다. 벤츄리 믹서(17)에 직접 공급되는 가스 연료량은 벤츄리 믹서(17)의 주조정 스크류(MAS; Main Adjust Screw)(미도시)에 의해 조정되며, 이 조정은 작업자 등 사람의 수작업에 의해 세팅된다.

도 1에서 미설명된 도면부호 8은 자동차 계기판으로서 가스연료 전자제어장치(16)는 이곳에서 엔진회전속도(RPM) 신호를 인가받아 사용한다.

상기와 같은 가스연료를 사용하는 차량에 있어서, 가스연료 공급방식은 엔진(5)의 흡기 다기관(intake manifold)과 공기정화기(6) 사이에 벤츄리 믹서(17)를 장착하여 가스연료와 공기를 혼합하여 엔진(5) 내부에 공급하는 방식을 사용한다. 이러한 연료 공급방식은 엔진(5)의 부하 조건에 맞는 흡입 공기량에 대해 믹서(17) 벤츄리 구경의 구조상의 저항으로 인하여 동일 배기량의 가솔린 엔진의 최고성능 대비 약 20%의 성능저하가 나타나는 것으로 알려지고 있다.

또한, 벤츄리 믹서(17)의 구경이 고정되어 있어 단순히 엔진의 부하에 따라서 공기량이 결정되어 이 공기량이 가스연료와 혼합되어 엔진(5)에 공급된다. 이에 따라 벤츄리 구경이 작은 경우, 공회전시 부하가 적은 경우 공기량 제어가 가능하나, 가속시에는 엔진(5)이 요구하는 공기량을 충족시키지 못하여 공연비가 농후상태가 되어 엔진(5)에서 완전연소가 일어나지 않아 가속성능이 떨어지고 유해 배출물을 많이 발생시킨다. 반대로 가속성능을 향상시키기 위해 구경이 큰 벤츄리 믹서(17)를 사용하는 경우 공회전시 공기량이 많이 공급되어 공연비(Air Fuel Ratio)가 희박상태가 되어 역화가 발생하고 엔진의 공회전 상태가 불안정하게 된다.

가스연료와 공기의 혼합방법에 있어서도 기존의 벤츄리 믹서(17)는 도 3에 도시한 바와 같이 벤츄리 목부위에 연료공급을 위한 홀(Hall; H)을 형성하여 연료를 공급하는 방식을 이용하고 있는데, 이러한 방식에 따르면 연료와 공기의 혼합비가 전체적으로 일정하게 이루어지지 않는 문제가 발생한다. 이 경우 각각의 실린더로 흡입되는 연료와 공기의 혼합비가 일정하게 되지 않아 실린더별 연소 상태가 불안정하여 안정된 연소상태를 기대하기가 어렵다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 구경이 가변되는 가변 벤츄리믹서를 채용하여 공기량을 제어하고 듀티(Duty) 펄스신호에 의해 동작하는 듀티 솔레노이드 밸브를 채용하여 연료량을 제어함으로써 공회전(Idle) 안전성과 연비향상, 유해 배출물의 저감, 가속성능의 향상 및 엔진의 제반 성능을 향상시킨 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 가스연료 차량의 연료 제어계통을 도시한 개략적인 구성도,

도 2는 일반적인 가스연료 차량의 연료 제어계통의 블록 구성도,

도 3은 종래기술에 의한 벤츄리 믹서의 단면 구성도,

도 4는 본 고안에 따른 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치의 가변 벤츄리 믹서의 구성도,

도 5는 본 고안에 따른 가변 벤츄리 믹서를 정면과 측면에서 바라본 단면도,

도 6은 본 고안에 따른 원통형 연료 파이프의 작용을 설명하기 위한 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

5 : 엔진 6 : 공기정화기

13 : 기화기 15 : 듀티 솔레노이드 밸브

16 : 전자제어장치 30 : 가변 벤츄리 믹서

31 : 벤츄리부 32 : 가변 이동체

34 : 다이아프램 36 : 스프링

50 : 원통형 연료파이프

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치는,

공기정화기에서 유입되는 공기와 기화기를 경유한 가스연료가 혼합되는 믹서(mixer)의 벤츄리 부분에 설치되어 상기 벤츄리 부분에 작용하는 부압의 크기에 비례하여 상기 벤츄리 부분을 통과하는 공기량이 많아지게 하는 방향으로 이동하는 가변 이동부재와, 상기 부압에 작용하여 상기 가변 이동부재를 이동시키는 다이아프램 수단과, 상기 부압이 다이아프램 수단에 작용할 때 상기 다이아프램 수단에 작용하는 부압과 평형을 이루는 힘을 상기 다이아프램 수단에 제공하는 스프링 수단을 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 믹서에 설치되며, 소정의 듀티펄스 신호에 의해 구동되어 상기 믹서에서 공기와 혼합되는 연료량을 조절하는 듀티 솔레노이드 밸브를 포함한다.

본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 믹서에서 공기와 혼합되는 연료가 상기 믹서의 중앙부에서 공급되도록 상기 믹서의 벤츄리 부분에 수직인 방향으로 설치된 원통형 연료파이프가 구비된다.

본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 원통형 연료파이프는 상기 믹서를 통과하는 공기가 상기 원통형 연료파이프를 지나갈 때 그 후부에서 와류(vortex)가 발생되게 하는 구조이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 고안에 따른 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 설명의 편의를 위하여 종래기술에서 사용한 구성부재와 동일한 작용을 하는 구성부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용하고 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 고안에 따른 가변 벤츄리 믹서의 구성도이고, 도 5는 본 고안에 따른 가변 벤츄리 믹서를 정면과 측면에서 바라본 단면도이고, 도 6은 본 고안에 따른 원통형 연료 파이프의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 고안에 따른 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치는, 공기정화기(6; 도 1)에서 유입되는 공기와 기화기(13)를 경유한 탱크(11)의 가스연료가 혼합되는 믹서(mixer)의 벤츄리부(31)에 설치되어 상기 벤츄리부(31)에 작용하는 부압의 크기에 비례하여 벤츄리부(31)를 통과하는 공기량이 많아지게 하는 방향으로 이동하는 가변 이동체(32)와, 상기 부압에 작용하여 가변 이동체(32)를 이동시키는 다이아프램(34)과, 상기 부압이 다이아프램(34)에 작용할 때 다이아프램(34)에 작용하는 부압과 평형을 이루는 힘을 다이아프램(34)에 제공하는 스프링(36)을 포함하여 구성된다. 상기와 같은 가변 이동체(32)와 다이아프램(34), 스프링(36) 등이 설치된 믹서를, 이하 가변 벤츄리 믹서(30)라 한다.

또한, 본 고안의 연료 제어장치는, 가변 벤츄리 믹서(30)에 설치되며 소정의 듀티펄스(duty pulse) 신호에 의해 구동되어 가변 벤츄리 믹서(30)에서 공기와 혼합되는 연료량을 조절하는 듀티 솔레노이드 밸브(15)를 포함하여 구성된다.

그리고, 본 고안은 상기 가변 벤츄리 믹서(30)에서 공기와 혼합되는 연료가 가변 벤츄리 믹서(30)의 중앙 벤츄리부(31)에서 공급되도록 가변 벤츄리 믹서(30)의 벤츄리 부분에 수직인 방향으로 설치된 원통형 연료파이프(50)를 구비하는데, 이 원통형 연료파이프(50)는 가변 벤츄리 믹서(30)를 통과하는 공기가 이 원통형 연료파이프(50)를 지나갈 때 그 후부에서 와류(vortex)가 발생되는 구조로 되어 있다.

도 4 내지 도 6에서 미설명된 도면부호 38은 상기 부압이 다이아프램(34)에 작용토록 하기 위한 연결통로이고, 42는 듀티 솔레노이드 밸브(15)를 가변 벤츄리 믹서(30)에 설치하기 위한 어댑터(adaptor)이고, 52는 원통형 연료파이프(50)내의 연료를 믹서(30)에 공급하기 위한 역삼각 홀(52)이고, 62는 기화기(13)를 경유한 연료를 믹서(30)에 공급하기 위해 기화기(13) 배관과 연결되는 엘보우이다.

상기와 같이 구성된 본 고안 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치의 작용을 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

예를 들어, 엔진(5; 도 1)이 동작하여 엔진 부하가 걸리면, 흡입공기는 공기정화기(6)에서 엔진(5)의 흡기 다기관(intake manifold) 쪽으로 흐른다. 이때, 가변 벤츄리 믹서(30)의 가변 이동체(32)의 양단에는 압력차이가 발생한다. 즉, 공기정화기(6)쪽은 대기압 상태가 되고, 벤츄리부(31)에는 부압이 걸리며, 가변 이동체(32)와 연결되어 있는 가변 이동체(32) 상부의 다이아프램(34)에도 동일한 부압이 걸린다. 상기 부압에 의해서, 실질적으로는 상기 부압에 비례하여 다이아프램(34)이 수축하게 되며, 다이아프램(34)의 수축에 따라 가변 이동체(32)가 상승하게 된다. 상기 다이아프램(34)을 수축시키는 힘(F)은 당업자에게 자명하듯이 다이아프램(34)에 걸리는 부압(P)과 상기 부압(P)이 걸리는 다이아프램 면적(A)의 곱이다. 즉, F=P*A이다. 결국, 엔진의 부하에 따라 가변 이동체(32)의 이동 상승거리가 변화하여 흡입 공기량을 조절한다.

가변 이동체(32)의 이동 상승거리는 다이아프램(34) 안쪽에 설치되어 있는 스프링(36)에 의해 제어되는데, 이는 상기 부압에 의한 다이아프램(34)의 수축력과 스프링(36) 탄성력의 균형에 의해서 벤츄리부(31)의 구경이 제어되는 원리로 작동한다. 결국, 가변 벤츄리 믹서(30)의 가변 이동체(32)가 엔진의 부하 조건에 따라서 상하로 이동하여 변츄리부(31) 구경의 변화를 주어 공급되어지는 공기량을 조절한다. 이와 동시에 가변 벤츄리 믹서(30)에 장착된 듀티 솔레노이드 밸브(15)는 전자제어장치(16; 도 1)에서 출력되는 듀티펄스 구동신호에 따라서 정확한 연료량을 제어하여 믹서(30)내로 공급한다. 즉, 전자제어장치(16)는 운전조건에 따른 엔진회전수(RPM) 신호, 산소센서 신호, 액셀개도센서(TPS) 신호 등을 입력받아 20-30Hz의 듀티펄스 구동신호를 듀티 솔레노이드 밸브(15)에 보내어 듀티 펄스폭(duty pulse width)을 조절하므로써 유입되는 가스연료량을 제어한다.

따라서, 본 고안에 따르면, 종래 벤츄리 믹서에서는 불가능했던 공기량 제어가 가능하게 되어 공회전시 또는 부하가 적은 경우 공기량을 적게 공급하고 공연비의 희박상태를 제어하여 엔진의 상태를 안정되게 유지할 수 있고, 고부하인 경우 가변 벤츄리 믹서(30)에서 구경을 크게 하여 공기량을 충분히 공급하여 공연비(air fuel ratio)의 농후 상태를 제어할 수 있다. 또한, 각종 센서로부터 입력받은 신호에 따라 연료의 농후 및 희박을 전자제어장치(16)에서 판단하여 듀티 솔레노이드 밸브(15)를 구동시켜 정확한 연료량을 제어할 수 있다.

더욱이, 본 고안은 연료와 공기의 혼합방법을 믹서(30)의 벤츄리부(31)에 수직인 방향으로 원통형 연료파이프(50)를 설치하여 흡입공기가 원통형 연료파이프(50)를 지나갈 때 파이프(50) 뒤쪽에서 와류(vortex)가 발생하도록 유도하고, 연료의 공급위치를 벤츄리부(31)의 중앙, 즉 원통형 연료파이프(50)의 연료공급 역삼각 홀(52)을 벤츄리부(31)의 중앙에 위치시켜 연료와 공기의 혼합효과를 극대화한다.

상기한 와류 효과에 따르면, 연료와 공기의 혼합비가 전체적으로 균일하게 된다. 이렇게 되면, 종래 벤츄리 믹서에서의 불균일한 공기연료의 혼합비 문제가 개선되어 엔진의 각 실린더에 공급되는 연료와 공기의 혼합비가 일정하게 유지되기 때문에 엔진의 연소 상태가 안정되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따른 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치는, 그 구경이 가변되는 가변 벤츄리믹서를 채용하여 공기량을 제어하고 듀티(Duty)펄스 구동신호에 의해 동작하는 듀티 솔레노이드 밸브를 채용하여 연료량을 제어함으로써 공회전(Idle) 안전성과 연비향상, 유해 배출물의 저감, 가속성능의 향상 및 엔진의 제반 성능을 향상시키는 이점을 제공한다.

즉, 본 고안은 엔진 운전조건에 따라서 가변 벤츄리 믹서의 벤츄리 구경을 변화시켜 흡입 공기량을 제어하고, 이와 동시에 엔진 회전수, 산소센서, 액셀개도 센서로부터 입력받은 신호를 토대로 전자제어장치가 듀티 솔레노이드 밸브를 구동제어하여 운전조건에 따른 정확한 연료량을 제어하도록 하고, 원통형 연료파이프를 믹서 벤츄리부에 설치하여 와류효과를 이용 균일한 연료 혼합비가 되도록 함으로써 공회전 안정성, 연비향상, 유해 배출물의 저감 및 가속성능의 향상을 달성하도록 하는 이점을 제공한다.

Claims

가스연료 차량의 공기와 연료를 혼합시키는 장치에 있어서,

공기정화기에서 유입되는 공기와 기화기를 경유한 가스연료가 혼합되는 믹서(mixer)의 벤츄리 부분에 설치되어 상기 벤츄리 부분에 작용하는 부압의 크기에 비례하여 상기 벤츄리 부분을 통과하는 공기량이 많아지게 하는 방향으로 이동하는 가변 이동부재와, 상기 부압에 작용하여 상기 가변 이동부재를 이동시키는 다이아프램 수단과, 상기 부압이 다이아프램 수단에 작용할 때 상기 다이아프램 수단에 작용하는 부압과 평형을 이루는 힘을 상기 다이아프램 수단에 제공하는 스프링 수단을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치.
제 1 항에 있어서, 상기 믹서에 설치되며, 소정의 듀티펄스 신호에 의해 구동되어 상기 믹서에서 공기와 혼합되는 연료량을 조절하는 듀티 솔레노이드 밸브를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치.
제 1 항에 있어서, 상기 믹서에서 공기와 혼합되는 연료가 상기 믹서의 중앙부에서 공급되도록 상기 믹서의 벤츄리 부분에 수직인 방향으로 설치된 원통형 연료파이프가 구비되어 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치.
제 3 항에 있어서, 상기 원통형 연료파이프는, 상기 믹서를 통과하는 공기가 상기 원통형 연료파이프를 지나갈 때 그 후부에서 와류(vortex)가 발생되게 하는 구조로 된 것을 특징으로 하는 가스연료 차량의 공기연료 혼합장치.