KR20040029241A

KR20040029241A - 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템

Info

Publication number: KR20040029241A
Application number: KR1020020058209A
Authority: KR
Inventors: 김창일; 김화남
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-06
Also published as: KR100482573B1

Abstract

대체 에너지로 연구되는 DME를 보다 안정적이고 효과적으로 사용할 수 있는 DME 차량의 연료시스템을 제공할 목적으로;

DME를 액체의 상태에서 저장하고, 이의 DME를 분사압력에 적합하게 가압하여 공급하는 연료 저장 및 공급부와; 상기 연료 저장 및 공급부로부터 공급되는 DME를 연소실에 분사하는 연료 분사부와; 상기 분사부에서 분사후 기체의 상태로 리턴되는 DME를 일시적으로 저장한 후 가압하여 액체의 상태로 상기 연료 저장 및 공급부로 리턴시키는 퍼지부를 포함하여 이루어지는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템을 제공한다.

Description

디메틸 에테르 차량의 연료 시스템{DIMETHYL - ETHER FUEL SYSTEM FOR VEHICLES}

본 발명은 디메틸 에테르(Dimethyl - Ether, 이하 DME라고 칭함) 차량의 연료 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대체 에너지로 개발되는 DME를 보다 안정적이고 효율적으로 차량에 적용할 수 있도록 한 연료시스템에 관한 것이다.

예컨대, 자동차에 적용되는 디젤 엔진의 경우에는 가솔린 엔진에 비하여 열효율이 우수하고, 지구 온난화가스인 이산화탄소의 배출이 적다는 장점은 있으나, 입자상 물질(PM)과 질소 산화물(NOx)의 배출량이 크다는 문제점이 있다.

이에 따라 디젤 엔진의 저공해 대체 연료소서, 천연가스 및 LPG를 적용이 활발하게 추진되고 있으나, 디젤 엔진에 비하여 열효율이 떨어지고, 연료 시스템등 많은 개조가 이루어져야 한다는 문제점이 있는 바, 최근에는 디젤 엔진의 대체 연료로서 DME 가 크게 각광받고 있다.

상기에서 DME는 1개의 산소분자와 2개의 메탄기가 결합된 에테르 화합물(CH₃OCH₃)로서, 그동안 스프레이용 추진제, 올레핀 생산, MTG(Methanol To Gasoline), 메틸 아세테이트 합성용으로 주로 사용되어 왔다.

이러한 DME는

첫째, 세탄가(약 60)가 높기 때문에 디젤 사이클 운전이 가능하여, 디젤 엔진과 같은 수준의 열요율과 이산화탄소 배출량을 얻을 수 있으며,

둘째, 함산소 연료(34.8wt%)이기 때문에, C-C 결합이 없어 PM(입자상 물질)의 발생이 적고,

셋째, EGR을 적용하여 저NOx 및 저PM의 동시실현이 가능할 수 있으며,

넷째, 상온, 상압에서 무색 투명한 기체이고, LPG와 마찬가지로 5,3기압 정도에서 상온 액화가 가능하므로 유사한 취급이 가능하여 현행 LPG차량의 연료 용기나 연료 공급시스템을 거의 준용할 수 있다는 장점이 있는 바, 차세대 유망한 저공해 대체 연료로서 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다.

그러나 상기 DME는 점도가 경유보다 낮기 때문에 통상의 디젤 엔진 분사계통에서 누설되기 쉽고, 점도 향상제 첨가 없이는 마모에 대한 문제점이 있으며, 압력 및 온도 변화에 따라 탄성계수와 밀도가 크게 변화하기 때문에 온도나 압력이 크게 변화하면 엔진의 요구 분사량을 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.

그리고 고무와 같은 탄성부품(Elastomer)과 반응하므로 연료 시일링재의 재질 선택에 주의를 요하며, 엔진 정지시에 분사노즐의 기밀불량에 의해 가스가 누설되기 쉽다는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 상기 DME를 액화·공급하는 데에는 수기압 정도로 충분하지만 종래의 분사펌프에 연료를 공급하기 위해서는 그 보다 몇 배 이상으로 가압할 필요가 있다는 문제점을 내포하고 있다.

이에 따라 본 발명자는 상기의 문제점을 예의 연구한 결과, DME에 최적인 연료시스템은 기존의 플런저 방식보다는 커먼 레일방식(축압방식)이라는 데에 착안하여 DME를 보다 안정적이고 효과적으로 사용할 수 있는 DME 차량의 연료시스템을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 연료 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 적용되는 커먼 레일 펌프의 단면도.

도 3은 본 발명을 운용하기 위한 제어계통의 블록도이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, DME를 액체의 상태에서 저장하고, 이의 DME를 분사압력에 적합하게 가압하여 공급하는 연료 저장 및 공급부와;

상기 연료 저장 및 공급부로부터 공급되는 DME를 연소실에 분사하는 연료 분사부와;

상기 분사부에서 분사후 기체의 상태로 리턴되는 DME를 일시적으로 저장한 후 가압하여 상기 연료 저장 및 공급부로 리턴시키는 퍼지부를 포함하여 이루어지는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 의한 연료 시스템의 구성도로서, 본 발명의 연료 시스템은 DME의 특성에 적합하게 전체 연료를 저장 공급하는 연료 저장 및 공급부(A)와, 상기 연료 저장 및 공급부(A)로부터 공급되는 DME를 분사하는 연료 분사부(B)와, 연료 분사부에서 분사된 후 리턴되는 DME를 일시적으로 저장한 후 연료 저장 및 공급부(A)로 리턴시켜 주는 퍼지부(C)를 포함하여 이루어진다.

상기 연료 저장 및 공급부(A)는 질소탱크(N₂, 2)와 DME 탱크(4), 그리고 커먼 레일 펌프(6) 및 경유 퍼지 탱크(8)를 포함하여 이루어지며, 상기 질소 탱크(2)와 DME 탱크(4)는 개폐밸브(10)를 개재시킨 관로(12)로 연결되어 질소가 DME 탱크(4)의 내압이 10bar 정도를 유지할 수 있도록 하였다.

상기에서 DME 탱크(4)내의 압력을 10bar 정도로 유지시키는 것은 DME가 액상의 상태를 유지할 수 있도록 하기 위함이며, 상기 질소가스에 의하여 10bar를 유지하고 있는 DME는 커먼 레일 펌프(6)를 공급되는데, 상기 DME 탱크(4)와 커먼 레일 펌프(6)를 연결하는 관로(14)상에는 개폐밸브(16)와 역류를 방지하는 첵 밸브(CV1)가 개재되어 DME 탱크(4)와 커먼 레일 펌프(6) 사이의 압력이 10bar를 유지할 수 있도록 하였다.

상기 커먼 레일 펌프(6)는 연료 분사부(B)의 커먼 레일(18)에 일정한 압력으로 DME를 공급하기 위한 것이며, 이의 커먼 레일 펌프(6)는 커먼 레일(18)의 압력센서(20)에 검출되는 압력값에 따라 전자제어유닛(ECU)에 의해 제어된다.

그리고 경유 퍼지 탱크(8)는 상기 커먼 레일 펌프(6)의 윤활을 위하여 공급하는 경유를 저장하는 탱크로서, 이는 연료로 사용되는 DME의 점도가 낮아 윤활성이 없기 때문에 커먼 레일 펌프(6)를 도2 에서와 같이, DME 펌핑부(22)와 윤활, 냉각부(24)로 분할하여 상기 윤활, 냉각부(24)에 경유를 공급할 수 있도록 한 것이다.

즉, 상기 커먼 레일 펌프(6)는 중앙에 편심 캠(26)을 두고, 방사형으로 다수의 DME 펌핑부(22)가 형성되며, 상기 편심 캠(26)과 DME 펌핑부(22) 사이의 공간부에 윤활, 냉각부(24)가 형성된다.

이에 따라 상기 다수의 DME 펌핑부(22)를 통해 DME 탱크(4)로부터 공급되는 DME가 상기 DME 펌핑부(22)에 의하여 펌핑되면서 분사에 요구되는 고압을 형성하게 되며, 경유 퍼지 탱크(8)의 경유는 인라인 펌프(30)에 의하여 일정의 압력(3bar)으로 상기 윤활, 냉각부(24)로 공급되어 커먼 레일 펌프(6)의 윤활과 냉각을 실시하게 되는 것이다.

그리고 상기 연료 분사부(B)는 커먼 레일(18)과 각 실린더의 연소실에 연료를 공급하는 연료 인젝터(32)를 포함하여 이루어지는데, 상기 연료 인젝터(32)에는 각각에 솔레노이드 밸브(34)를 설치하였다.

상기에서 연료 인젝터(32)가 솔레노이드 밸브(34)에 의하여 개폐되도록 형성한 것은, DME 연료는 기존의 디젤 연료 분사와 같이 1500bar 이상의 압력이 요구되지 않고 대략 200 ~300bar 이면 충분하며, 그리고 디젤 연료 분사의 경우에는 분사율 형태, 분사 시간등이 중요한 인자로 작용하지만, DME의 경우에는 기통별 빠른 연료분사(기화방지)가 더욱 중요하므로 이에 부응하기 위한 것이다.

그리고 상기 커먼 레일(18)과 연료 인젝터(32)가 TME 탱크(4)와 연결되는 리턴관로(36)(38)상에는 역류를 방지할 수 있는 첵 밸브(CV2)(CV3)가 각각 배치된다.

상기의 첵 밸브(CV2)(CV3)를 배치한 것은 본 발명의 DME 연료 시스템에서는 DME 탱크(4)의 압이 고압을 유지하고, 커먼 레일(18)의 압은 상대적으로 낮은 상태를 유지하고 있는 바, 연료분사 후 순간적으로 낮은 압력의 커먼 레일(18)의 잔여 연료가 고압의 연료 라인압에 의하여 연소실로 추가 분사되는 것을 방지하기 위한 것이다.

그리고 상기 연료 인젝터(32)와 DME 탱크(4)를 연결하는 리턴관로(38)의 상기 첵밸브(CV3)의 하류측에는 퍼지부(C)가 배치되는데, 상기 퍼지부(C)는 상류측으로부터 배치되는 첵 밸브(CV4), 퍼지 쳄버(40), 컴프레셔(42), 첵 밸브(CV5)를 포함하여 이루어진다.

상기에서 연료 인젝터(32)와 DME 탱크(4)의 리턴 관로(38)상에만 퍼지부를 형성한 것은 커먼 레일(18)로부터 DME 탱크(4)로 리턴되는 연료는 일정 압력 이상이므로 액체 상태를 유지하지만, 연료 인젝터(32)로부터 리턴되는 연료는 압력이 낮아지면서 기체 상태로 리턴되는 바, 기체상태의 DME를 퍼지쳄버(40)에 저장하였다가 컴프레셔(42)로 가압하여 액상의 상태로 DME 탱크(4)로 리턴되도록 하기 위함이다.

그리고 상기 경유 퍼지 탱크(8)와 상기 퍼지부(C)의 첵 밸브(CV4) 상류측 사이에는 리턴 관로(44)가 배치되며, 이의 리턴 관로(44)에는 컴프레셔(46)가 배치된다.

이는 커먼 레일 펌프(6)에서 연료인 DME가 가압될 때 냉각, 윤활부(24)로 누설되는 DME 가스가 경유와 함께 경유 퍼지 탱크(8)로 리턴하면, 기체 상태를 유지하고 있는 경유 퍼지 탱크(8)내의 DME 가스를 리턴시키기 위함이다.

도 1에서의 미설명 부호 48과 50은 DME의 압력 및 온도 센서이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 연료 시스템은 도3과 같은 운용 시스템에 의하여 제어된다.

즉, 차량 상태 검출수단을 형성하는 커먼 레일 압력 센서(20), 엔진 RPM센서(52), 가속페달 센서(54), 흡기온 센서(56), 냉각수온 센서(58)등으로부터 연료 제어에 필요한 각각의 정보가 전자제어유닛(이하, ECU라고 약칭함)에 입력되면, 이의 ECU에서는 이를 이미 입력되어진 데이터와 비교 분석하여 커먼 레일 펌프(6), 인라인 펌프(30), 연료 인젝터 솔레노이드 밸브(34), 제1,2 컴프레셔 (42)(46)를 제어함으로써, DME 연료의 공급 제어를 실시하게 되는 것이다.

물론 상기에서의 차량 검출 수단을 형성하는 각 센서와 ECU에 의하여 제어되는 구동부는 본 발명에 직접적으로 관계하는 것만 예시하고 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 연료 시스템에 의하면, 질소 가스에 의하여 DME 탱크(4)내의 DME가 10barn 정도로 가압된 상태에서 공급되면, 커먼 레일 펌프(6)에 의하여 200 ~ 300bar로 가압된 상태에서 커먼 레일(18)로 공급된다.

그리고 커먼 레일(18)에 공급된 DME는 ECU의 제어에 의한 연료 인젝터(32)의 구동으로 연소실로 분사되어 연소되면서 엔진을 구동시키게 되는 것이며, 상기 커먼 레일(18)내의 압력이 기준값 이상이 되면 DME 탱크(4)로 직접 리턴되고, 연료 인젝터(32)에서의 잉여 연료는 기체의 상태로 퍼지부(C)로 리턴된다.

이때 리턴되는 DME 가스는 컴프레셔(42)에 의하여 가압되면서 다시 액화되어 DME 탱크(4)로 리턴되는 경로를 통해 DME 연료를 공급하게 되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 DME를 자동차의 대체 에너지로 사용하는 데에 기구적으로 해소해야 할 부분을 모두 해결할 수 있도록 연료 시스템을 구성함으로써, DME를 안정적이면서 효과적으로 자동차에 적용할 수 있도록 한 발명인 것이다.

Claims

DME를 액체의 상태에서 저장하고, 이의 DME를 분사압력에 적합하게 가압하여 공급하는 연료 저장 및 공급부와;

상기 연료 저장 및 공급부로부터 공급되는 DME를 연소실에 분사하는 연료 분사부와;

상기 분사부에서 분사후 기체의 상태로 리턴되는 DME를 일시적으로 저장한 후 가압하여 상기 연료 저장 및 공급부로 리턴시키는 퍼지부를 포함하여 이루어지는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제1항에 있어서, 연료 저장 및 공급부는 DME를 일정압으로 가압하기 위한 질소가 충진된 질소탱크와;

상기 질소 탱크에서 공급되는 질소에 의하여 가압되면서 액체의 상태를 유지하는 DME가 충진된 DME 탱크와;

일정압을 유지한 상태에서 상기 DME 탱크로부터 DME를 고압으로 펌핑하여 분사부로 공급하는 커먼 레일 펌프와;

상기 커먼 레일의 윤활 및 냉각을 위한 경유를 저장하고, 상기 경유를 일정압으로 상기 커먼 레일 펌프로 펌핑하는 인라인 펌프를 포함하는 경유 퍼지 탱크를 포함하여 이루어지는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제2항에 있어서, DME 탱크와 커먼 레일 펌프를 연결하는 관로상에는 DME의 압력 및 온도를 검출하는 게이지와 역류를 방지하는 첵 밸브가 배치됨을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제2항에 있어서, 커먼 레일 펌프는 중앙에 편심 캠을 두고, 방사형으로 다수의 DME 펌핑부가 형성되며, 상기 편심 캠과 DME 펌핑부 사이의 공간부에 형성되는 윤활, 냉각부에 경유가 공급됨을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제1항에 있어서, 연료 분사부는 커먼 레일과 각 실린더의 연소실에 연료를 공급하는 연료 인젝터를 포함하여 이루어지되, 상기 연료 인젝터에는 각각에 형성된 솔레노이드 밸브에 의하여 구동됨을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서, 연료 분사부의 커먼 레일과 연료 인젝터의 리턴 관로는 각각 별도의 라인으로 형성하며, 이들 리턴 관로의 상류측에는 상류측으로의 역류를 방지하는 첵밸브가 배치됨을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제1항에 있어서, 퍼지부는 연료 분사부의 인젝터의 리턴 관로상에 연결되는퍼지 쳄버와; 상기 퍼지 쳄버에 일시적으로 저장된 기체 상태의 DME를 가압하여 DME 저장탱크로 보내는 컴프레셔를 포함하여 이루어지며, 상기 퍼지 쳄버의 상류 부분과 컴프레셔의 하류 부분에 각각 역류를 방지하는 첵밸브가 배치됨을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.
제2항 또는 제7항에 있어서, 경유 퍼지 탱크와 퍼지 쳄버의 상류측 첵 밸브 사이에 커먼 레일 펌프에서의 누설된 DME를 퍼지부로 리턴시킬 수 있는 리턴관로와 컴프레셔를 배치하여 이루어짐을 특징으로 하는 디메틸 에테르 차량의 연료 시스템.