KR20090012797A

KR20090012797A - 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치

Info

Publication number: KR20090012797A
Application number: KR1020070076938A
Authority: KR
Inventors: 한경수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-04
Also published as: KR100907369B1

Abstract

본 발명의 씨엔지 엔진 연료온도 조절장치는 연료탱크(100)에 저장된 고압의 연료를 감압하기 위해 연료 라인(110)에 설치된 레귤레이터(200); 상기 레귤레이터(200)의 감압 과정에서 냉각된 연료의 온도를 높이기 위해 연료 라인(110)에 설치된 열교환기(300); 상기 열교환기(300)로 유입되는 엔진(500)의 냉각수를 개방 또는 차단하도록 냉각수 라인(410)에 설치되는 써머스탯(400); 상기 열교환기(300)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(110)을 통해 인젝터노즐(511)로 분사하는 연료계측밸브(510); 및 상기 냉각수 라인(410)에 설치되어 상기 서머스탯(400)을 거치지 않고 냉각수를 상기 열교환기(300)로 순환시키는 순환라인(610)과, 상기 순환라인(610)을 개폐시키는 순환제어밸브(600);로 구성됨을 특징으로 한다. 또한, 냉각수 라인에 설치되어 써머스탯의 상태와 상관없이 냉각수를 상기 열교환기로 순환시키는 순환제어밸브와, 냉각수 또는 연료의 온도를 상승시키도록 히터 블록을 추가하여 씨엔지 연료를 감압하는 과정에서 낮아진 연료의 온도를 상승시켜 엔진부조 및 가속불량을 개선하는 효과를 제공한다.

CNG, 열교환기, 서머스탯, 순환제어밸브, 연료온도, 냉각수 온도

Description

씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치{Control apparatus for gas temperature of CNG engine}

도 1은 종래의 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 순환제어밸브 작동순서를 도시한 블록도이다.

*도면중 주요부분에 관한 부호의 설명*

A - 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치 100 - 연료탱크(Fuel Tank)

110 - 연료 라인 200 - 레귤레이터(Regulator)

300 - 열교환기(Heat Exchange) 400 - 써머스탯(Themostat)

410 - 냉각수 라인 500 - 엔진

510 - 연료계측밸브(Fuel Metering Valve) 511 - 인젝터 노즐

600 - 순환제어밸브 700a,700b - 히터 블럭(Heater block)

800 - ECU(Electronic Control Unit)

본 발명은 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각수 라인에 설치되어 써머스탯의 상태와 상관없이 냉각수를 상기 열교환기로 순환시키는 순환제어밸브와, 냉각수 또는 연료의 온도를 상승시키도록 히터블록을 추가하여 씨엔지 연료를 감압하는 과정에서 낮아진 연료의 온도를 상승시켜 엔진부조 및 가속불량을 개선하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치에 관한 것이다.

최근 들어 석유에너지의 대한 대체 에너지 개발을 위한 노력이 여러 분야에서 활발하게 이루어지고 있다. 이는 석유자원의 고갈에 대비할 뿐 아니라 전 세계적으로 심각해져 가고 있는 환경오염이라는 보다 심각한 문제에 대처하기 위한 노력의 일환으로 인식되고 있다.

도시 대기오염의 주범으로 인식되고 있는 자동차의 경우도 저공해의 실현이 모든 자동차 제작사 및 부품업체의 당면 과제로 되고 있다. 이에 따라 기존의 자동차 연료인 가솔린이나 경유에 비해 유해 배기 물질을 현저히 줄일 수 있는 대체 에 너지를 사용하는 자동차의 개발을 위해 많은 노력이 이뤄지고 있다.

그 일환으로 씨엔지 가스(Compressed natural gas, 천연가스)를 연료로 사용하는 씨엔지 차량에 대한 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있는바, 상기 씨엔지 가스는 가솔린 등에 비해 연소 효율이 좋고 운전이 조용하며, 대기오염이 적으며 경제적인 장점이 있기 때문이다.

이러한 상황에 맞춰, 우리나라에서도 1999년부터 씨엔지 가스를 이용한 씨엔지 버스가 적용되어 양산중에 있다.

이하, 종래의 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 각 구성부와 이들 구성부가 갖는 단점을 도면을 참조로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치는 약 200bar의 압력으로 천연가스가 압축 저장되어 있는 압축탱크(10)가 구비되며, 상기 연료탱크(10)에는 연료 라인(11)이 엔진(50)에 이르도록 연결되어 연료를 압송하도록 되어 있다.

또한, 상기 연료 라인(11)의 도중에는 연료의 공급압력을 200bar에서 8~10bar의 압력으로 감압시켜주는 레귤레이터(20)가 설치되어 있다. 이때, 연료의 감압시 승화작용에 의해서 연료온도가 0~3℃로 하강하게 된다.

그리고 레귤레이터(20)에 의해 온도가 하강된 연료는 엔진(50)의 냉각수를 순환시키는 열교환기(30)에 의해 적정한 수준으로 높여준다. 즉, 상기 열교환 기(30)는 엔진(50) 열에 의해 데워진 냉각수에 의해 차가워진 연료의 온도를 상승시켜 엔진(50) 측으로 보내도록 구성되어 있으며, 연료의 온도가 소정온도(예를 들어 40℃) 이상일 경우에는 상기 엔진(50)과 냉각수 라인(41)에 의해 연결된 써머스탯(40)에 의해 냉각수가 열교환기(30)로 들어가는 것을 차단함으로써 연료 온도가 과열되는 것을 방지하여 소정의 온도수준이 유지될 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 열교환기(30)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(11)을 통해 연료계측밸브(51)와 연결되고, 상기 연료계측밸브(51)에는 공급되는 연료를 엔진(50)의 실린더로 분사하는 인젝터 노즐(51a)이 실린더와 동수로 설치되어 있다.

그러나, 종래의 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치는 써머스탯(40) 단품 불량으로 인한 냉각수 라인(41)이 상시로 폐쇄될 경우 연료의 온도가 저하되어 엔진부조 및 가속불량 등의 문제점이 있게 된다.

또한, 겨울철 시동 후 냉각수가 웜업(Warm up)되기 전에 차가운 냉각수가 열교환기(30)로 들어가게 되면 상기 열교환기(30)는 연료의 온도를 상승시키기 힘들어 차가워진 연료를 그대로 엔진(50)으로 공급하게 되어 연료계측밸브(51)의 인젝터 노즐(51a)에 연료가 함유된 오일이 저온현상으로 굳어져 막히게 되어 연료량 부족현상이 일어나는 문제점이 있게 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것 으로, 본 발명의 목적은 냉각수 라인에 설치되어 써머스탯의 상태와 상관없이 냉각수를 상기 열교환기로 순환시키는 순환제어밸브와, 냉각수 또는 연료의 온도를 상승시키도록 히터블록을 추가하여 씨엔지 연료를 감압하는 과정에서 낮아진 연료의 온도를 상승시켜 엔진부조 및 가속불량을 개선하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치는 연료탱크(100)에 저장된 고압의 연료를 감압하기 위해 연료 라인(110)에 설치된 레귤레이터(200); 상기 레귤레이터(200)의 감압 과정에서 냉각된 연료의 온도를 높이기 위해 연료 라인(110)에 설치된 열교환기(300); 상기 열교환기(300)로 유입되는 엔진(500)의 냉각수를 개방 또는 차단하도록 냉각수 라인(410)에 설치되는 써머스탯(400); 상기 열교환기(300)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(110)을 통해 인젝터노즐(511)로 분사하는 연료계측밸브(510); 및 상기 냉각수 라인(410)에 설치되어 상기 서머스탯(400)을 거치지 않고 냉각수를 상기 열교환기(300)로 순환시키는 순환라인(610)과, 상기 순환라인(610)을 개폐시키는 순환제어밸브(600);로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 라인(410)에는 냉각수의 빠른 웜업(Warm up)을 위해 히터블록(700a)이 추가로 설치되며, 상기 히터블록(700a)은 ECU(800)가 냉각수 온도와 대기온도를 센싱하여 상기 히터블록(700a)의 작동을 제어한다.

또한, 상기 연료 라인(110)에는 연료의 온도를 상승시키도록 히터블록(700b)이 추가로 설치되며, 상기 히터블록(700b)은 ECU(800)가 연료 온도와 대기온도를 센싱하여 상기 히터블록(700b)의 작동을 제어한다.

또한, 상기 써머스탯(400)은 연료온도가 40℃미만에서 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 냉각수 라인(410)을 차단시킨다.

또한, 상기 순환제어밸브(600)는 ECU(800)가 연료 온도와 냉각수의 온도차이를 센싱하여 일정온도 이상일 경우 상기 서모스탯(400)의 작동불량으로 판단하여 냉각수를 개방하며, 상기 순환제어밸브(600)는 연료온도가 40℃미만에서 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 냉각수 라인(410)을 차단시킨다.

또한, 상기 연료계측밸브(510)는 ECU(800)가 연료온도 및 냉각수 온도를 통해 상기 인젝터 노즐(511) 개방시간을 보정한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치(A)는 연료탱크(100)에 저장된 고압의 연료를 감압하기 위해 연료 라 인(110)에 설치된 레귤레이터(200)와, 상기 레귤레이터(200)의 감압 과정에서 냉각된 연료의 온도를 높이기 위해 연료 라인(110)에 설치된 열교환기(300)와, 상기 열교환기(300)로 유입되는 엔진(500)의 냉각수를 개방 또는 차단하도록 냉각수 라인(410)에 설치되는 써머스탯(400)과, 상기 열교환기(300)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(110)을 통해 인젝터노즐(511)로 분사하는 연료계측밸브(510) 및 상기 냉각수 라인(410)에 설치되어 상기 써머스탯(400)을 거치지 않고 냉각수를 상기 열교환기(300)로 순환시키는 순환제어밸브(600)로 구성된다.

또한, 연료탱크(100)는 약 200bar의 압력으로 천연가스가 압축저장되어 있으며, 상기 연료탱크(100)는 연료 라인(110)이 엔진(500)에 이르도록 연결되어 연료를 압송하도록 구성된다.

한편, 천연가스는 액화석유가스와 달리 비중이 0.6정도 낮고 매탄(CH₄)이 주성분을 이루는 가스로서, 액화 가능한 온도(-162℃)가 낮아서 차량에서는 액화상태로 저장하는 것이 거의 불가능하여 높은 압력의 가스로 압축저장되어 있다.

이러한 높은 압력의 연료를 엔진(500)에 직접분사하기에는 여러 문제점이 따르며, 이를 해결하기 위해 연료의 공급압력을 엔진에 필요한 압력으로 강하시키는 레귤레이터(200)가 설치되어 200bar의 연료 압력을 1~9bar로 강하시키게 된다.

여기서, 연료의 감압시 승화작용에 의해서 연료온도가 현저히 하강하게 되는데, 저온의 연료가 엔진(500)에서 연소될 때 불완전 연소 현상으로 엔진(500)의 부조가 발생하게 되며, 이를 방지하기 위해 열교환기(300)가 연료 라인(110) 상에 설치되어 엔진(500)에서 데워진 냉각수를 상기 열교환기(300) 내부로 순환시켜 저온 의 연료를 가열하여 엔진(500)으로 보내도록 구성된다.

또한, 열교환기(300)를 통해 연료가 적정온도 이상으로 상승하게 되면 엔진동작에 무리가 갈 수 있으며, 이를 막기 위해 상기 열교환기(300)로 인입되는 냉각수를 개폐시키는 써머스탯(400)이 설치된다.

그리고, 상기 써머스탯(400)은 열교환기(300)로 인입되는 냉각수를 제어하기 위해 냉각수 라인(410) 상에 설치되며, 써머스탯(400)은 냉각수 온도에 따라 기계적으로 개폐시키는데, 더욱 상세하게는 연료온도가 40℃미만에서는 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 내부 파라핀이 팽창되면서 냉각수 라인(410)을 차단시켜 주어 연료의 적정온도를 유지시켜준다.

그러나, 써머스탯(400)의 단품 불량으로 열교환기(300)로 주입되는 냉각수가 차단되는 경우가 발생하면 저온의 연료로 인해 엔진부조 및 가속불량이 발생한다. 이를 방지하기 위해 냉각수 라인(410) 상에 써모스탯(400)의 불량을 판단하여 냉각수를 열교환기(300)로 주입시키는 순환제어밸브(600)가 추가된 것이며. 상기 순환제어밸브(600)는 냉각수 라인(410)에 설치된 순환라인(610)의 냉각수를 개폐하게 되는 것이다.

이와 같은 순환제어밸브(600)는 ECU(800)가 냉각수온센서(801)와 연료온도센서(802) 및 대기온도센서(803)에 의해 연료온도와 냉각수 온도의 온도차이를 센싱하여 그 차이 값이 일정온도 이상일 경우 써모스탯(400)의 동작불능 상태로 판단하고, 상기 써모스탯(400)과는 상관없이 순환제어밸브(600)를 작동하여 열교환기(300)로 냉각수를 투입하여 연료의 적정온도를 유지한다.

또한, 상기 순환제어밸브(600)는 써모스탯(400)과 마찬가지로 연료온도가 40℃미만에서 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 냉각수 라인(410)을 차단시켜 연료의 과다한 온도상승을 방지한다.

그러나, 겨울철 시동 후 엔진(500)의 냉각수는 온도가 낮은 상태이므로 저온의 냉각수가 순환되는 열교환기(300)를 통해 연료를 적정 온도수준으로 올려주기 힘들게 된다. 이에 따라, 엔진(500)과 연결된 냉각수 라인(410) 상에 냉각수의 빠른 웜업(Warm Up)을 위한 히터 블럭(700a)을 추가한다.

한편, 히터 블럭(700a)은 내부로 발열체를 구비한 전기 히터방식으로 상기 히터 블록(700a)을 지나는 냉각수의 온도를 올려주며, 상기 히터블록(700a)은 ECU(800)의 냉각수온센서(801)와 대기온도센서(803)가 각각 냉각수 온도와 대기온도를 측정하여 상기 히터블록(700a)의 작동을 제어한다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이 히터 블록(700b)을 냉각수 라인(410)이 아닌 연료 라인(110)에 설치하는 것도 가능하다.

이러한 연료 라인(110) 상에 설치된 히터 블럭(700b)은 겨울철 엔진 시동 후 연료의 온도가 낮은 상태이므로 이를 상기 히터 블록(700b)를 이용해 연료의 온도를 상승시킨다.

또한, 히터블록(700b)은 ECU(800)의 연료온도센서(802)와 대기온도센서(803)가 연료 온도와 대기온도를 측정하여 상기 히터블록(700b)의 작동을 제어한다.

그리고, 연료 라인(110) 상에 히터블록(700b)이 설치됨에 따라 열교환기(300)의 구성이 삭제되어도 동작에 어려움이 없게 되어 비용절감과 엔진룸의 레 이아웃에 있어서도 유리한 장점이 있게 된다.

상기한 히터블록(700a,700b)은 연료의 온도가 보통 40℃를 기준으로 on/off 되는 것이 바람직하다.

또한, 열교환기(300) 및 히터 블록(700b)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(110)을 통해 연료계측밸브(510)와 연결되고, 상기 연료계측밸브(510)에는 공급되는 연료를 엔진(500)의 실린더로 분사하는 인젝터 노즐(511)이 실린더와 동수로 설치된다.

그리고, 연료계측밸브(510)는 ECU(800)의 냉각수온센서(801) 및 연료온도센서(802)의 측정값을 바탕으로 인젝터 노즐(511)의 개방시간을 보정한다. 즉, 냉각수 온도 및 연료 온도가 낮으면 인젝터 노즐(511)의 오일이 굳어지면서 연료량 부족현상일 일어날 수 있지만, 상기 인젝터 노즐(511)의 개방시간을 ECU(800)가 측정하여 길게 인젝터 노즐(511)의 개방시간을 보정함으로써 가속불량의 문제를 해결한다.

여기서, 상기한 각각의 구성을 제어하는 ECU(800)는 이미 종래에 많이 사용되고 있는 것이므로, 이에 대한 내부 구조 및 동작에 관한 상세한 설명은 생략한다.

상기한 구성 이외에 다양한 구성 요소가 더 포함되나 본 발명과 직접적으로 관련되지 않는 부분에 대한 구성 요소에 대하여 통상의 기능이 적용되므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치의 순환제어밸브의 작동순서를 도시한 블록도이다.

도 4를 참조하여 순환제어밸브의 제어방법을 설명하면, 엔진에 시동을 건다(S401). 다음으로 냉각수 온도, 연료온도 및 대기온도를 측정하여 측정된 값을 ECU에 입력한다(S403). 그리고, 연료온도가 40℃ 미만인지를 판단한다(S405). 연료의 온도가 40℃ 이상이면 S403단계로 돌아가고, 연료의 온도가 40℃ 미만이면 순환제어밸브를 개방해 열교환기로 냉각수를 투입한다(S407). 다음으로 연료온도가 40℃ 이상인지를 판단한다(S409). 연료의 온도가 40℃ 미만이면 S407단계로 돌아가고, 40℃ 이상이면 순환제어밸브를 차단시켜 연료의 과다한 온도상승을 방지한다(S411). 이후에 시동이 유지되는 동안 S403~S411 단계를 반복한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치는, 냉각수 라인에 설치되어 써머스탯의 상태와 상관없이 냉각수를 상기 열교환기로 순환시키는 순환제어밸브와, 냉각수 또는 연료의 온도를 상승시키도록 히터 블록을 추가 하여 씨엔지 연료를 감압하는 과정에서 낮아진 연료의 온도를 상승시켜 엔진부조 및 가속불량을 개선하는 효과를 제공한다.

또한, 써머스탯의 동작불량과 품질문제 발생으로 인한 엔진출력 및 엔진 불완전 연소를 예방하는 효과를 제공한다.

또한, 연료온도가 저온으로 내겨갈 경우 인젝터 노즐의 오일이 굳음으로 인한 연료량 부족을 ECU가 인젝터 노즐 개방시간을 보정함으로써 예방하는 효과를 제공한다.

Claims

연료탱크(100)에 저장된 고압의 연료를 감압하기 위해 연료 라인(110)에 설치된 레귤레이터(200);

상기 레귤레이터(200)의 감압 과정에서 냉각된 연료의 온도를 높이기 위해 연료 라인(110)에 설치된 열교환기(300);

상기 열교환기(300)로 유입되는 엔진(500)의 냉각수를 개방 또는 차단하도록 냉각수 라인(410)에 설치되는 써머스탯(400);

상기 열교환기(300)를 통해 소정의 온도수준이 유지된 연료를 연료 라인(110)을 통해 인젝터노즐(511)로 분사하는 연료계측밸브(510); 및

상기 냉각수 라인(410)에 설치되어 상기 서머스탯(400)을 거치지 않고 냉각수를 상기 열교환기(300)로 순환시키는 순환라인(610)과, 상기 순환라인을 개폐시키는 순환제어밸브(600);

로 구성됨을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 1항에 있어서,

상기 냉각수 라인(410)에는 냉각수의 빠른 웜업(Warm up)을 위해 히터블록(700a)이 추가로 설치됨을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 2항에 있어서,

상기 히터블록(700a)은 ECU(800)가 냉각수 온도와 대기온도를 센싱하여 상기 히터블록(700a)의 작동을 제어함을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 1항에 있어서

상기 연료 라인(110)에는 연료의 온도를 상승시키도록 히터블록(700b)이 추가로 설치됨을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 4항에 있어서,

상기 히터블록(700b)은 ECU(800)가 연료 온도와 대기온도를 센싱하여 상기 히터블록(700b)의 작동을 제어함을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치
제 1항에 있어서,

상기 써머스탯(400)은 연료온도가 40℃미만에서 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 냉각수 라인(410)을 차단시키는 것을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 1항에 있어서,

상기 순환제어밸브(600)는 ECU(800)가 연료 온도와 냉각수의 온도차이를 센 싱하여 일정온도 이상일 경우 상기 서모스탯(400)의 작동불량으로 판단하여 냉각수를 개방하는 것을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 1항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 순환제어밸브(600)는 연료온도가 40℃미만에서 냉각수 라인(410)을 개방시키고, 연료온도가 40℃이상이면 냉각수 라인(410)을 차단시키는 것을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.
제 1항에 있어서,

상기 연료계측밸브(510)는 ECU(800)가 연료온도 및 냉각수 온도를 통해 상기 인젝터 노즐(511) 개방시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 씨엔지 엔진의 연료온도 조절장치.