KR20040069227A

KR20040069227A - 냉시동이 가능한 자동차용 엘피지 가스분사시스템

Info

Publication number: KR20040069227A
Application number: KR1020030005645A
Authority: KR
Inventors: 백세동; 박재승; 장성욱; 김영훈
Original assignee: 주식회사 캐프스
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-05

Abstract

본 발명은 LPG 차량의 엔진시동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동절기에 LPG 차량의 냉시동성을 개선시키고자 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템에 관한 것이다.

이에 본 발명의 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템은 동절기 냉시동 조건에서 엔진 구동이 가능하도록 LPG 연료탱크(10) 내에 전기적으로 동작되는 연료펌프(20)를 장착하고 기화기(40)에는 전기적 열원(H2)을 추가하여 시동전, 기화기의 예열을 통해 기화에 필요한 열량을 공급하도록 하며 상기 기화기(40)로 유입되는 LPG 연료량은 LPG ECU(60)에서 펄스폭변조제어(pulse width modulation duty control)로 최적화시키도록 구성된 시스템으로 아루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템을 통해 기존의 LPG 가스분사시스템 방식에 있어서 프로판 혼합비가 낮은 국내 LPG 연료의 조건하에서도 동절기 냉시동성이 우수한 LPG 가스분사시스템을 제공하고 동시에 운전자에게 보다 쾌적한 운전환경을 제공하게된다.

Description

냉시동이 가능한 자동차용 엘피지 가스분사시스템{LPG GAS INJECTION SYSTEM OF VEHICLE WITH COLD STARTABILITY DEVICE}

최근들어서 폭넓게 전개되고 있는 국제적인 환경보호 운동 및 각종 규제치의 강화에 따라 환경오염의 주범으로 인식되는 자동차 분야 특히 자동차 배기가스와 관련하여 국내외적으로 규제가 점차 강화되고 있는 실정이다.

현재 국내에서 적용되고 있는 액화석유가스(LPG:Liquid Petrolium Gas) 차량의 엔진시스템은 주로 카뷰레터(Caburetor) 방식을 적용하고 있는 바 향후 강화되는 자동차 배기(Emission) 가스에 대한 규제에 맞추고 자동차의 성능 향상을 위해서는 보다 경제적이고 강화된 배기규제치에 적합한 LPG 분사시스템(LPG Injection System)이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 LPG 차량에 있어서 적용되는 LPG 시스템은 크게 LPG 캬뷰레터 시스쳄(LPG Caburetor System), LPG 액체분사시스템(LPG Liquid Injection System) 그리고 LPG 가스분사시스템(LPG Gas Injection System)의 3가지로 나뉘는 바 이에 대하여 국내외에서 개발되거나 개발중인 LPG 차량에 있어 상기 LPG 시스템을 이루는 주요 구성 내용을 살펴보면 다음 <표1>과 같은 차이점이 있음을 알 수 있다.

<표 1>

LPG 시스템별 주요 구성

LPG 시스템	주요구성
LPG 캬뷰레터	기화기, 믹서(Mixer), 공급라인
LPG 액체 인젝션	분사기(injector), 압력조절기(regulator),공급 및 회수라인, 연료펌프, LPG ECU
LPG 가스 인젝션	분사기(injector), 기화기, 공급라인, LPG ECU

상기 표1에서의 LPG 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 설명하면,

상기 LPG 캬뷰레터 시스템(LPG Caburetor System)은 첨부된 도1에서와 같이 액상의 LPG를 기화시켜주는 기화기(101)와 상기 기화된 LPG와 공기를 적정 혼합비를 갖도록 혼합시켜 엔진(102)에 분사시키도록 하는 믹서(Mixer)(103) 및 상기 LPG 기화기로부터 방출되어지는 양을 제어할 수 있도록 하는 액츄에이터(104)를 포함하는 제 공급라인으로 이루어지며,

LPG 액체분사시스템(LPG Liquid Injection System)은 도2에서와 같이 연료탱크(201) 내 액상의 LPG 연료를 연료펌프(202)의 구동을 통해 엔진(203) 전단의 압력조절기(regulator)(204)로 송출시켜 액체 상태로 분사시키며 이때 엔진 후단의 센서(205)와 연계하여 분사량을 조정시키도록 하는 LPG ECU(206) 및 상기 액체연료의 공급 및 회수라인으로 구성된다.

끝으로, LPG 가스분사시스템(LPG Gas Injection System)은 도3에서와 같이 LPG 연료탱크(301)에서 송출되는 액체 상태의 LPG가 기화기(303)로 투입된 후 상기 기화기(303)에서 기화된 LPG 가스는 연료레일(304)로 보내진 후 엔진(306) 매니홀드와 각각 연결된 분사기(injector)(305)에 의하여 분사되어 엔진(306)을 작동시키되 상기 엔진(306), 기화기(303) 및 분사기(injector)(305)에 연결되어 상호 연동되어 제어시키도록 하는 LPG ECU(307)로 구성된다.

상기에서 현재 국내에서 주로 개발되고 있거나 관심을 두고 있는 LPG 분사시스템은 LPG 가스분사방식과 LPG 액체분사방식으로서 LPG 가스분사방식은 LPG 액체연료를 연료 탱크 내의 자체 연료 압력에 의하여 기화기까지 송출하고 상기 기화기에서 기체상태로 상변화를 한 후에 연료레일을 지나 기체상태로 분사기에서 분사하는 방식이며, LPG 액체분사방식은 연료 탱크 내의 펌프가 액상 연료를 증압하여 분사기까지 송출한 후 액체 상태로 분사기에서 분사되는 방식이다.

상기 가스분사방식과 액체분사방식의 두 시스템의 장단점을 살펴보면, 우선 두가지 시스템 모두 기존의 캬뷰레터 방식에 비해 주행 성능이 우수하며 향후 강화될 배기가스 규제에 대한 법규를 만족시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 액체분사방식시스템의 경우 동절기 냉시동성은 우수한 데 반하여 하절기 고온시동성에 문제가 있고, 가스분사방식시스템의 경우는 하절기 고온시동성은 우수하나 동절기의 냉시동성에는 문제가 있다. 이는 국내에서 공급되는 LPG 연료에서 프로판(Propane) 비율이 낮기 때문이다. 또한 LPG 액체분사방식의 경우 상온에서 기체상태인 LPG 연료를 액체상태로 유지하기 위해서 고온, 고압의 지속적인 유지가 필요하므로 고가의 부품들이 요구되고 연료펌프가 항상 작동하여야 한다.

따라서, 상기와 같은 이유로 LPG 분사시스템에 있어서 가격적인 면이나 내구 수명적인 면에서 LPG 가스분사방식의 시스템이 보다 장점이 많은 것을 용이하게 알 수 있으나 전술한 것처럼 프로판의 비율이 낮은 상태로 공급되는 국내 LPG 연료조건에서는 동절기 시동성에 상당한 문제가 있는 바 이는 연료탱크에서 기화기까지 연료공급을 연료탱크 내 압력에 의존하므로 통상 저온인 동절기에 프로판의 비율이 낮은 경우, 연료 탱크내 자체 압력이 미비하므로 LPG 액상연료를 기화기까지 송출하는 것은 거의 불가능한 실정인 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기존의 LPG 가스분사시스템식에 있어서 LPG 연료의 프로판 혼합비가 낮은 조건에서도 기온이 낮은 동절기에도 냉시동성이 우수한 LPG 차량용 LPG 가스분사시스템을 제공하려는 데 주목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 동절기 냉시동성이 우수한 LPG 가스분사시스템의 제공으로 LPG 차량에 대한 운전자의 안전운행을 도모하고 보다 쾌적한 운전환경을 조성하려는 데 있다.

도1은 캬뷰레터 방식의 LPG 벤츄리 시스템을 보인 시스템 구성도,

도2는 LPG 액체분사시스템에 대한 시스템 구성도,

도3은 LPG 가스분사시스템에 대한 시스템 구성도이고,

도4는 본 발명 냉시동 가능 LPG 가스분사시스템에 대한 시스템 구성도이며,

도5는 상기 도4의 기화기에 대한 부분확대도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 연료탱크 20 연료펌프

30 액상밸브 40 기화기

43 차단밸브 50 엔진

52 LPG 분사기 60 전자제어장치(ECU)

101 기화기 102,203 엔진

103 믹서(Mixer) 104 액츄에이터

201 연료탱크 202 연료펌프

204 압력조절기(regulator) 205 센서

206 LPG ECU 301 LPG 연료탱크

302 압력조절기(regulator) 303 기화기

H1 엔진냉각수 열원 H2 전기적 열원

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 냉시동이 가능한 LPG 가스분사시스템은 다음과 같은 기술적인 해결방법을 적용하였다.

즉, 차가운 액상의 LPG 연료를 기화기(40)까지 용이하게 송출할 수 있도록 전기구동식 연료펌프(20)를 LPG 연료탱크(10)의 내에 장착 구동시키도록 구성하되 상기 연료펌프(20)는 상기 기화기(40)에서 필요한 최소의 압력을 연료 라인에 형성시키고 잉여의 연료는 공급라인을 거치지 않고 상기 연료탱크(20) 안으로 들어가도록 자체에 바이패스(bypass) 기능을 추가함으로써 기존의 LPG 액체분사방식시스템에서 갖추어야 할 회수라인(return line)이 필요없도록 함으로서 시스템의 구성을 보다 단순화하였으며, 또 상기 연료펌프(20)의 구동은 일정 온도 이상 또는 상기 연료탱크(10) 내 압력이 일정 이상이 되면 구동을 멈추도록 LPG ECU(60)에서 제어시킴으로서 연료펌프(20) 자체의 내구성 및 LPG 차량의 운행효율을 제고시켰다.

또 통상적으로 연료펌프로 증압된 LPG 액체연료는 기화기(40)의 차단밸브 (Shut-off Valve)(43)까지 송출이 가능하나 여기서 상기 기화기(40)에서 액체상태의 LPG 연료를 기화시키기 위한 기화열이 필요한 바 일반적인 조건에서는 엔진냉각수로부터 기화열을 공급받아 액상 LPG 연료를 기상으로 기화시키는 엔진냉각수 열원(H1)이 사용된다. 그러나 온도가 낮은 동절기 냉시동조건에서는 상기 엔진냉각수 자체의 온도도 낮기 때문에 LPG 연료에의 열공급은 원천적으로 불가하므로 상기 엔진냉각수 열원(H1)에 부가적으로 별도의 전기적 열원(H2)을 구비시켜 기화기(40) 내 차가운 액상의 LPG 연료에 적정한 기화열을 공급함으로서 상기 기화기(40)의 기화 기능을 높게 하였다.

상기와 같은 기술적인 해결방법을 통해 창출된 본 발명은 LPG 연료탱크(10)와 액상밸브(30)와 기화기(40)와 연료레일(51) 그리고 LPG 분사기(injector)(52) 및 매니홀드를 갖춘 엔진(50)으로 구성되되, 상기 LPG 연료탱크의 LPG 연료를 사용하여 엔진을 작동시 특히 저온에서의 엔진 냉시동 조건하에서도 엔진의 동작이 가능하도록 LPG 가스 분사시 일정온도 이하의 냉시동시에만 작동되면서 자체적으로 바이패스(bypass) 기능을 갖춘 연료펌프(20)를 상기 LPG 연료탱크(10)의 내부에 장착시키고, 상기 기화기(Vaporizer)(40)에는 엔진 시동전에 예열을 통해 기화에 필요한 열량을 공급하도록 전기적 열원(H2)을 부가시키도록 하며, 상기 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20), 액상밸브(30), 기화기(40), LPG 분사기(52)와 엔진(50)이 상호 연동되도록 작동회로를 갖고 상기 엔진(50) 냉시동시 상기 기화기(40)로 유입되는 LPG 연료량을 펄스폭변조제어(pulse width modulation duty control) 방식으로 최적 제어하도록 하는 LPG 전자제어장치(ECU)(60);를 포함하여 구성된다.

이하 상기한 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단하는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려야 할 것이다.

본 발명은 첨부된 도1 내지 도5에서와 같이, 도1은 캬뷰레터 방식의 LPG 벤츄리 시스템을 보인 시스템 구성도, 도2는 LPG 액체분사시스템에 대한 시스템 구성도, 도3은 LPG 가스분사시스템에 대한 시스템 구성도, 도4는 본 발명의 냉시동이 가능한 LPG 가스분사시스템에 대한 시스템 구성도이며, 도5는 상기 도4의 기화기에 대한 구조 및 제어밸브를 보여주는 부분확대도를 나타낸다.

도4 및 도5를 참조로 하여 본 발명의 LPG 가스분사시스템에 대한 구성 및 작용을 보다 구체적으로 살펴본다.

동절기 냉시동시 LPG 차량에 탑승한 운전자가 시동 키를 통해 엔진 동작(On)위치로 하면 상기 LPG ECU(60)에서 외기 환경정보를 받아 운전석 계기판에 냉시동 램프를 점등하여 줌과 동시에 상기 기화기 몸체에의 전기적 열원(H2)에 전원이 공급되면서 상기 기화기(40) 몸체를 가열하게 되며, 또한 상기 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20)를 작동시켜 액체상태의 LPG 연료를 액상밸브(30)를 거쳐 상기 기화기(40)의 차단밸브(43)까지 송출하도록 한다. 이 때 상기 LPG 연료의 송출압은 상기 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20)에서 자체적으로 일정압으로 조정을 하도록 한다.

다음으로 상기 외기 온도조건에 따라 전기적 열원(H2)에 의해 기화기(40)를일정시간 예열시 운전석 계기판의 엔진 시동 O.K. 램프가 점등되는 바 상기 엔진시동 O.K 램프가 점등되기 전에 자동으로 기화기(40)의 차단밸브(43)가 개방되면서 일정량의 액체상태 LPG 연료를 상기 기화기(40) 내로 유입시키도록 하며 최소한의 열원으로 유입된 LPG 연료를 기화시킨다. 이와 같이 상기 기화기(40)의 차단밸브(43)는 기화기를 예열 후 엔진 크랭킹 전에 일정시간동안 개방 및 개폐되며 엔진 크랭크시 유입되는 LPG 연료의 유입량은 전자제어장치인 LPG ECU(60)에서 상기 기화기(40)의 압력을 감지하면서 펄스폭변조제어(pulse width modulation duty control) 방식으로 최적 제어하게 한다.

상기와 같은 과정을 거쳐 운전석 계기판의 엔진 시동 O.K. 램프가 점등되고, 운전자가 키를 엔진 크랭크 위치로 돌리면 최적의 열원을 공급받은 LPG 액체연료는 기화기(40)에서 충분히 기화되어 매니홀드(53)의 각 LPG 분사기(injector)(52)를 통해 엔진(50)으로 분사되어 들어가게됨으로서 엔진(50) 구동에 필요한 에너지를공급하게 됨으로서 LPG 차량의 시동이 걸리게 된다.

여기서, 외기온도가 낮을 경우의 최초 시동시에는 상기 엔진냉각수의 온도도 저온이므로 엔진냉각수 열원(H1)은 기화기의 온도를 오히려 낮추게 되므로 이용할 수 없으므로 엔진냉각수의 온도가 일정온도로 상승될 때까지 상기 기화기(40)의 냉각수 유입구에 설치된 냉각수 밸브(44)를 개폐시킴으로서 저온의 냉각수 유입을 차단하도록 한다. 상기에 있어서, 엔진냉각수 열원(H1)과 전기적 열원(H1)은 상호 전환(switch) 운전이 가능하며 이는 LPG ECU(60)의 제어를 통해 이뤄질 수 있다.

상기 냉시동시에 있어서 상기 전기적 열원(H2)으로서 사용되는 외부 열원으로는 글로우 플러그(Glow Plug)나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 발열체 등을 포함하는 전기저항을 이용하는 열원이 사용될 수 있으며 또한 기화기 내의 LPG 연료를 간접 가열하는 여타의 방식이 사용될 수 있음은 당연하다. 즉, 상기 기화기(40)안의 엔진냉각수를 통한 간접예열, LPG 연료를 포함하여 기화기몸체를 직접예열, LPG 연료를 직접 예열하는 것 중 하나를 선택할 수 있도록 엔진냉각수 열원(H1)외에 LPG 연료의 기화에 필요한 열량을 공급하는 외부 열원으로 다양한 전기적 열원(H2)을 부가시킬 수 있다.

상기 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20)는 자체적으로 바이패스 기능을 가짐으로서 별도의 회수(return) 라인이 없으며 일정온도 이하의 냉시동시에만 작동하여 요구되는 압력을 형성한다. 즉, 일반조건에서 상기 연료펌프(20)는 작동하지 않으며 단지 LPG 액체연료의 유로 역할만을 제공한다.

상기 LPG ECU(60)는 상기 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20), 액상밸브(30),기화기(40), LPG 분사기(52) 및 엔진(50)이 상호 연동되도록 하는 작동회로를 갖되 외기의 조건에 따라 상기 기화기(40)의 예열시간 및 상기 연료펌프(20)의 작동조건 등 엔진(50) 냉시동시 기화기(40)로 유입되는 액상의 LPG 연료량을 기화기(40)의 압력을 감지하면서 펄스폭변조제어(pulse width modulation duty control) 방식으로 최적 제어하도록 한다.

상기의 구성으로 이루어진 본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러가지 형태를 취할 수도 있다. 하지만 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명은 프로판 비율이 낮은 LPG 연료조건으로도 LPG 가스분사시스템을 국내 LPG 차량에 용이하게 적용할 수 있으며 기존 LPG 액체분사방식시스템에 비해 간단한 구조를 가지며 저렴한 비용으로 가솔린 자동차와 동등 수준의 성능을 구현할 수 있는 효과를 갖는 매우 유익한 발명이다.

본 발명의 다른 효과로는 기존의 LPG 액체분사방식의 단점인 하절기 고온시동성 개선에 대한 시스템 차원에서의 해결방안을 제시할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과로는 동절기 냉시동성이 우수한 LPG 가스분사시스템의 제공을 통해서 운전자에게 보다 쾌적한 운전환경을 조성을 하는 것이다.

Claims

LPG 연료탱크(10), 연료펌프(20), 액상밸브(30), 엔진냉각수 열원(H1)을 갖춘 기화기(40), 연료레일(51), LPG 분사기(52), 매니홀드를 갖춘 엔진(50) 및 상기를 제어하는 제어장치로 구성된 LPG 차량용 LPG 가스분사시스템에 있어서,

상기 연료펌프(20)는 LPG 연료탱크(10)의 내부에 장착시키고,

상기 기화기(40)안의 엔진냉각수를 통한 간접예열, LPG 연료를 포함하여 기화기몸체를 직접예열, LPG 연료를 직접 예열하는 것 중 하나를 선택할 수 있도록 엔진냉각수 열원(H1)외에 LPG 연료의 기화에 필요한 열량을 공급하는 외부 열원으로 전기적 열원(H2)을 부가시키며,

상기 제어장치는 LPG 가스분사시스템을 구성하는 연료탱크(10) 내의 연료펌프(20), 액상밸브(30), 열원이 구비된 기화기(40), LPG 분사기(52) 및 엔진(50)이 상호 연동되도록 하는 작동회로를 갖춘 LPG ECU(60)가 구비되어 이루어진 것을 특징으로 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템.
청구항 제1항에 있어서,

상기 전기적 열원(H2)은 전기가열방식인 것을 특징으로 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템.
청구항 제2항에 있어서,

상기 전기가열방식은 글로우 플러그 또는 PTC 발열체 중 하나인 것을 특징으로 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템.
청구항 제1항에 있어서,

상기 연료펌프(20)는 회수라인이 없도록 자체적인 바이패스 기능을 갖고 LPG 가스 분사시 일정온도 이하의 냉시동시에만 작동되어 요구되는 압력을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템.
청구항 제1항에 있어서,

상기 LPG ECU(60)는 냉시동시 기화기(40)를 예열 후 차단밸브(43)를 엔진 크랭킹 전에 일정시간동안 개폐되고 크랭크시 상기 기화기(40)로 유입되는 LPG 유입량을 펄스폭변조제어로 최적화시키도록 하는 것을 특징으로 하는 냉시동이 가능한 자동차용 LPG 가스분사시스템.