KR20040071329A - 가스기관의 연료공급장치 - Google Patents

가스기관의 연료공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무과급식이면서 공기와 연료를 믹서로 혼합하지 않고 흡기포트에 공급하는 가스기관에 있어서, 흡기행정에서 흡기포트 내에 발생하는 부압을 이용하여 흡기포트 내에 연료가스를 공급하도록 되어 있는 가스기관의 연료공급장치에 관한 것이다.

Description

가스기관의 연료공급장치{FUEL FEED DEVICE OF GAS ENGINE}
종래의 가스기관에는, 흡기포트에 고압의 연료가스를 분사하는 포트인젝션 방식의 것이 존재한다. 그러나, 연료가스를 고압으로 분사하려면 가스압축기가 필요하여, 가스압축기를 동작시키기 위한 전력이 가스기관 전체의 효율을 저하시키게 된다.
본 발명은 무과급식(無過級式)이면서 공기와 연료를 믹서로 혼합하지 않고 흡기포트에 공급하는 가스기관의 연료공급장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가스기관의 개략적인 외관도이다.
도 2는 흡기포트 부근의 개략적인 계통도이다.
도 3은 도 1과 도 2와는 다른, 시동시 흡기포트로 연료가스를 공급하는 공급경로를 나타낸 개략적인 계통도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가스기관에서, 연료공급통로 내의 연료가스의 압력 및 흡기포트 내의 압력과 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 과급식의 가스기관에서, 연료가스를 급기포트 내에 고압으로 분사할 때의 연료가스의 압력 및 급기포트 내의 압력과 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 가스기관과 종래의 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 동일 출력시의 스로틀 개방도와 점화시기의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 가스기관과 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 출력일정정격시의 배출 NOx량과 점화시기의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 가스기관과 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 출력일정정격시의 열효율과 점화시기의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 가스기관과 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 출력일정정격시의 열효율과 배출 NOX량의 관계를 나타낸 그래프이다.
(발명이 해결하고자 하는 기술적 과제)
본 발명에서는 무과급식의 가스기관에 있어서 가스압축기를 사용하지 않고서 연료가스를 흡기포트에 공급할 수 있는 가스기관의 연료공급장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
(해결방법)
상기 목적을 해결하기 위해 본 발명에서는, 무과급식이면서 공기와 연료를 믹서로 혼합하지 않고 흡기포트에 공급하는 가스기관에 있어서, 흡기행정에서 흡기포트 내에 발생하는 부압(負壓)을 이용하여 흡기포트내에 연료가스를 공급하도록 되어 있다.
또한, 본 발명에서는, 기관회전수검출수단을 설치하고, 이 기관회전수검출수단에 의해 검출된 기관회전수가 미리 설정된 소정의 범위 내에 유지되고 있는지 아닌지를 판정하는 판정수단을 설치하며, 상기 기관회전수가 소정의 범위 내에서 수렴하도록 1 사이클 당 연료가스의 공급기간을 조정하는 조정수단을 구비한다.
또, 본 발명에서는, 연료가스공급통로에 상류측으로부터 순서대로 레귤레이터와 밸브를 설치하여, 이 레귤레이터의 압력밸런스라인을 흡기포트 내부와 대기 중 어느 한쪽으로 변환하여 연통시키는 전환수단을 설치하고, 시동시에는 이 전환수단에 의해 상기 압력밸런스라인을 흡기포트 내부와 연통시키도록 되어 있다.
(종래기술보다 유효한 효과)
본 발명에 의하면, 흡기행정에서 흡기포트(11) 내에 발생하는 부압을 이용해서 흡기포트(11) 내에 연료가스를 공급하도록 되어 있기 때문에, 종래의 포트인젝션 방식의 가스기관과 같이 가스압축기를 사용하지 않고, 가스압축기의 구동에 필요한 전력이 불필요해지므로, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서는 벤츄리의 목부분 때문에 압력손실이 생기고 출력의 향상이 억제되는데, 본 발명에서는 흡기포트(11)에 직접 연료가스를 공급하는 방식이므로, 벤츄리의 목부분을 사용할 필요가 없고, 최대 출력을 향상시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에서는, 기관회전수검출센서(14)에 의해 기관회전수의 변동을 검출하여, 기관회전수가 소정의 범위 내에 들어가도록 연료가스의 공급량을 조정(밸브(5)의 개방시간을 조정)하도록 되어 있기 때문에, 스로틀 개방도의 차이에 의해 단위시간 당 흡입공기량이 변동하는 것을 방지(즉 공기과잉율이 변동하는 것을 방지)할 수 있다.
또, 본 발명에서는, 시동시에 압력밸런스라인(3)을 흡기포트(11) 내부와 연통시키는 전환수단(밸브(6,7))이 설치되어 있기 때문에, 시동시 흡기포트(11) 내부의 압력을 기준으로 연료의 공급압력을 조정할 수 있어, 배기가스 중에 포함된 NOX등의 유해성분을 저감시키면서 원활히 가스기관(100)을 시동할 수 있다.
도 1은 청구항 1 내지 청구항 3에 기재된 본 발명에 따른 가스기관(100)의 개략적인 외관도이다. 연소실(도시되지 않음)과 연통하는 흡기포트(11)에는 도중에 레귤레이터(1)와 밸브(5)를 갖춘 연료가스공급관(2)이 접속되어 있다. 또, 흡기포트(11)에는 에어클리너(9)와 스로틀(10)을 갖춘 공기공급관(8)이 접속되어 있다.
연료가스는 레귤레이터(1)에 의해 2KPa(킬로파스칼) 정도에서 수십 Pa(파스칼) 정도까지 압력조절되고 있다. 밸브(5)는 드라이버(12)에 의해 개폐구동되어 연료가스공급관(2)의 도시되지 않은 노즐(저압 포트인젝션)로부터 흡기포트(11) 내로의 연료가스의 공급을 가능케 하는 한편, 공급의 차단을 가능하게 하고 있다. 공기는 에어클리너(9)로 청정화되어 스로틀(10)의 개방도에 따른 양의 공기가 공기공급관(8)으로부터 흡기포트(11) 내에 공급되게 되어 있다.
가스기관(100)은 도시되지 않은 시동모터에 의해 시동되어 기관회전수가 200 min-1정도까지 향상되고, 그 때의 흡기행정에서 흡기포트 내의 공기압은 연료가스공급관(2) 내의 연료가스의 압력보다 낮아지게(부압으로) 된다. 레귤레이터(1)는 이 때의 양쪽 압력차이가 수백 mmaq로 되도록 연료가스의 압력을 조절한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(1)와 흡기포트(11)는 압력밸런스라인(3)에 접속되어 있다. 압력밸런스라인(3)에는 도중에 밸브(6)를 갖춘 분기관(4)이 접속되어 있고, 압력밸런스라인(3)의 분기관(4)의 접속부보다 하류측에는 밸브(7)가 설치되어 있다. 이 밸브(6)와 밸브(7;전환수단)를 개폐함으로써 압력밸런스라인(3)을 흡기포트(11) 내부 또는 대기와 연통시킬 수 있다.
시동시에는, 흡기포트(11) 내의 압력이 거의 대기압으로 되어서 기관회전수가 높게 됨에 따라 흡기행정에서 흡기포트(11) 내의 압력은 상승하여, 기관회전수가 정격회전수에 도달하면 소정 범위의 압력에 들게 된다.
여기서, 시동시에는 밸브(6)를 닫고서 밸브(7)를 개방하여, 압력밸런스라인(3)을 흡기포트(11) 내부와 연통시키고, 레귤레이터(1)는 흡기포트(11) 내의 압력을 기준으로 해서 연료가스의 공급압력을 조정한다.
기관회전수가 예를 들면 200 min-1정도가 되어, 연료가스공급관(2)과 흡기포트(11)의 압력차이가 전술한 수백 mmaq 정도 확보되면 밸브(7)를 닫고서 밸브(6)를 개방하여, 압력밸런스라인(3)을 대기와 연통시켜 대기압을 기준으로 연료가스의공급압력을 조정한다.
도 1에 도시된 바와 같이 가스기관(100)에는 기관회전수검출센서(14;기관회전수검출수단)가 설치되어 있다. 이 기관회전수검출센서(14)는 검출한 신호를 신호선(15,16)을 매개로 하여 ECU(13;판정수단)로 전송한다.
ECU(13)는, 연료가스공급관(2) 내의 연료가스의 압력과 흡기포트(11) 내의 압력의 차이의 허용범위를 기억한 메모리(도시되지 않음)를 내장하고 있어, 전송된 신호에 의한 연료가스공급관(2) 내의 연료가스의 압력과 흡기포트(11) 내의 압력의 차이가, 메모리에 기억되어 미리 설정한 소정 범위(허용범위) 내에 있는지 아닌지를 판정한다.
만일 허용범위 내에 들어 있으면, 그대로 가스기관(100)의 운전은 계속되고, 허용범위 내에 들지 않으면, ECU(13)는 신호선(17)을 매개로 드라이버(12)에 제어 신호를 보내어 밸브(5;조정수단)를 개폐조작한다.
기관회전수가 허용범위를 넘을 만큼 크게 되면, 1 사이클 당 밸브(5)의 개방시간이 짧아지도록 설정하여, 흡기포트(11)로의 연료가스의 공급량을 저감시킨다. 반대로, 기관회전수가 허용범위에 미치지 못할 정도로 작으면, 1 사이클 당 밸브(5)의 개방시간이 길어지도록 설정하여, 흡기포트(11)로의 연료가스의 공급량을 늘린다.
도 2는 흡기포트(11) 부근의 개략적인 계통도로서, 연료가스공급관(2)의 선단에는 노즐(25)이 설치되어 있는 바, 이 노즐(25)은 공기류(18)의 하류방향으로 연료가스공급구(28)를 향한 상태에서 연료가스공급관(2)에 접속되어 흡기포트(11)내에 돌출한 상태로 설치되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 노즐(25)이 흡기포트(11) 내로 돌출하고서 연료가스공급구(28;선단부)가 공기류(18)의 하류방향으로 향해 설치되어 있으면, 공기류(18)에 의해 노즐(25)의 선단부 근방의 공간에 부압이 생겨서 연료가스(19)를 흡기포트(11) 내로 공급하기가 용이하게 된다.
흡기행정에서는 피스톤(23)이 연소실(24)의 용적을 확장시키는 방향으로 움직여서, 실린더헤드(20)와 실린더라이너(22) 및 피스톤(23)의 정상면 등으로 형성된 연소실(24)에는, 개방된 흡기밸브(21)를 통과하여 공기류(18)와 혼합된 연료가스(19)가 공급된다.
도 3은 도 1과 도 2와는 다른, 시동시 흡기포트(11)로 연료가스를 공급하는 공급경로를 나타낸 개략적인 계통도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료가스공급관(2)과 스로틀(10)보다 상류측에 있는 공기공급관(8)이 바이패스관(26)으로 연통되어 있다. 바이패스관(26)의 도중에는 밸브(27)가 설치되어 있어서, 시동시에는 밸브(27)를 개방하고, 연료가스를 공기공급관(8)으로부터 스로틀(10)을 매개로 하여 흡기포트(11) 내로 공급할 수도 있다.
도 4는 본 발명(청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 발명)에 따른 가스기관의 연료가스공급관(2)내의 연료가스의 압력 및 흡기포트(11) 내의 압력과 출력의 관계를 나타낸 그래프이다. 또, 도 5는 과급식의 가스기관(덧붙여, 본 발명의 가스기관(100)은 무과급식)에서, 연료가스를 급기포트 내에 고압으로 분사할 때의 연료가스의 압력 및 급기포트 내의 압력과 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료가스가 고압으로 급기포트 내에 공급되는 경우에는, 출력이 향상되어 차압이 작게 되어도 그 차압의 변화량의 비율은 비교적 작고, 급기포트 내로의 연료가스의 공급에 거의 영향을 끼치지 않는다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 연료가스는 고압분사가 아니고, 얼마 안 되는 차압에 의해 흡기포트 내로 공급하도록 하면, 출력의 향상에 수반하여 변화하는 차압의 변화량의 비율이 크게 되어서, 흡기포트로의 연료가스의 공급에 무시할 수 없는 영향을 끼칠 우려가 있다.
그래서, 기관회전수검출센서(14)에 의해 기관회전수를 검출하고, 1 사이클 당 연료가스의 공급량이 적당량으로 되도록 1 사이클 당 밸브(5)의 개방시간을 조정한다. 그 결과, 출력을 일정하게 유지하는 것이 용이하게 될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 가스기관(100)과 종래부터 실시되고 있는 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 동일 출력시의 스로틀 개방도와 점화시기의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스기관(100)이 벤츄리믹서 방식의 가스기관보다도 점화시기에 의존하지 않고서 항상 스로틀 개방도가 작게 되어 있다.
스로틀 개방도가 커지는 만큼 고출력으로 되는데, 도 6으로부터 본 발명에 따른 가스기관(100)이 벤츄리믹서 방식의 가스기관보다 스로틀 개방도에 여유가 있는 것을 알 수 있다.
즉, 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서는 벤츄리의 목부분 때문에 압력손실이 발생하여 출력의 향상이 억제되고 있지만, 본 발명에 따른 가스기관(10O)에서는 벤츄리의 목부분을 설치할 필요가 없는 만큼 스로틀 개방도에 여유가 생기는 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 가스기관(100)과 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 출력일정정격시의 배출 NOX량과 점화시기의 관계를 나타낸 그래프 및, 열효율과 점화시기의 관계를 나타낸 그래프이다. 더구나, 도 9는 본 발명에 따른 가스기관(100)과 벤츄리믹서 방식의 가스기관에서, 출력일정정격시의 열효율과 배출 NOX량의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스기관(100)이 열효율이 높은(3~4포인트 정도) 반면, 배출 NOX량이 적은 것을 알 수 있다.
본 발명은 무과급식이면서 공기와 연료를 믹서로 혼합하지 않고 흡기포트에 공급하는 가스기관에 대해 적용할 수가 있다.

Claims (3)

  1. 무과급식(無過級式)이면서 공기와 연료를 믹서로 혼합하지 않고 흡기포트에 공급하는 가스기관에 있어서,
    흡기행정에서 흡기포트 내에 발생하는 부압(負壓)을 이용하여 흡기포트내에 연료가스를 공급하도록 된 가스기관의 연료공급장치.
  2. 제1항에 있어서, 기관회전수검출수단을 설치하고, 이 기관회전수검출수단에 의해 검출된 기관회전수가 미리 설정된 소정의 범위 내에 유지되고 있는지 아닌지를 판정하는 판정수단을 설치하며, 상기 기관회전수가 소정의 범위 내에서 수렴하도록 1 사이클 당 연료가스의 공급기간을 조정하는 조정수단을 구비한 가스기관의 연료공급장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료가스공급통로에 상류측으로부터 순서대로 레귤레이터와 밸브를 설치하고, 이 레귤레이터의 압력밸런스라인을 흡기포트 내부와 대기 중 어느 한쪽으로 변환하여 연통시키는 전환수단을 설치하며, 시동시에는 이 전환수단에 의해 상기 압력밸런스라인을 흡기포트 내부와 연통시키도록 되어 있는 가스기관의 연료공급장치.
KR10-2004-7011277A 2002-01-28 2003-01-24 가스기관의 연료공급장치 KR20040071329A (ko)

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