KR20090061375A - 디젤 엘엔지 혼소 시스템 - Google Patents

디젤 엘엔지 혼소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 LNG 혼소 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤과 가스가 혼합되어 형성되는 연료가 연소됨으로써 기존의 디젤엔진에 비해 매연이 급격히 저감될 수 있는 디젤 LNG 혼소 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템은, 디젤엔진의 실린더 내부에서 디젤과 가스가 혼합되어 함께 연소되도록 하는 시스템에 있어서, 디젤탱크와, 디젤탱크에서 디젤을 흡입하여 고압으로 압축하여 송출하는 고압펌프와, 디젤탱크 및 고압펌프의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 연료필터와, 고압펌프와 연결되어 공급되는 고압의 디젤을 저장하는 커먼레일과, 커먼레일에 장착되어 커먼레일내의 압력을 감지하는 압력감지센서와, 커먼레일에 연결되어 공급되는 디젤을 실린더로 분사하는 인젝터와, 인젝터에 의해 실린더로 분사되고 남는 디젤이 디젤탱크로 회수될 수 있도록 디젤탱크 및 커먼레일을 연결하는 리턴라인을 포함하는 디젤공급부;와, 외부에서 공기를 흡입하여 실린더로 공급하는 흡기부;와, 흡기부에서 공기와 가스가 혼합되어 실린더로 공급될 수 있도록 LNG를 가스화하여 흡기부로 공급하는 가스공급부;와, 실린더로의 디젤 분사가 조절되도록 디젤공급부의 고압펌프, 압력감지센서 및 인젝터를 제어하고 실린더로의 가스 공급이 조절되도록 가스공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020070128366
디젤, 가스, 혼소 시스템, 디젤공급부, 제어부, 흡기부, 가스공급부, LNG

Description

디젤 엘엔지 혼소 시스템{DIESEL LNG DUAL FUEL SYSTEM}
본 발명은 디젤 LNG 혼소 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤과 가스가 혼합되어 형성되는 연료가 연소됨으로써 기존의 디젤엔진에 비해 매연이 급격히 저감될 수 있는 디젤 LNG 혼소 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린엔진이나 가스엔진에 비해 더 큰 출력을 얻을 수 있다는 장점은 있으나, 가솔린엔진이나 가스엔진에 비해 배기가스의 배출량이 많을 뿐만 아니라 배기가스에 섞여 배출되는 NOX 또는 SOX 등에 의한 환경 오염의 문제점이 있으며, 또한 경제적으로 가스(LPG, LNG)보다 비싸다는 단점이 있다.
한편, 일반적으로 사용되고 있던 디젤엔진을 보완하고자 최근 디젤 엔진에서 두가지의 연료분사시스템이 활용되고 있는데, 하나는 승용/소형 디젤엔진에 주로 사용되는 커먼레일 시스템이고, 다른 하나는 상용/대형 디젤엔진에 주로 사용되는 EUI 시스템이다.
먼저, 커먼레일 연료분사시스템(CRDI:Common Rail Direct Injection)에 관한 개략도가 도 1a에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 일반적인 커먼레일 연료분사 시스템은 커먼레일 시스템은 디젤탱크(1), 연료필터(2), 고압연료펌프(3), 커먼레일(5), 압력센서(4), 레일압력조절밸브(7), 인젝터(6), 전자제어유닛(ECU)(9), 리턴라인(8)으로 이루어지며, 디젤탱크(1)에서 공급된 연료를 고압연료펌프(3)에서 필요한 압력으로 가압한 후 커먼레일(5)로 압송하여 저장하고 커먼레일에 저장되었던 고압의 연료를 전자제어유닛(ECU)(9)의 제어에 의해 인젝터(6)를 작동시킴으로써 실린더 내에 연료를 분사하게 되며, 커먼레일(5) 내의 연료압을 제한하는 압력제한밸브를 통해 리턴되는 연료는 고압연료펌프(3)에서 리턴되는 연료와 함께 리턴라인(8)을 따라 디젤탱크(1)로 회수되는 시스템이다.
이러한 커먼레일 시스템은 엔진 ECU가 엔진의 속도 및 부하에 따라 적절한 양의 연료를 적절한 시기에 정밀 제어하여 분사하므로, 효율적인 연소가 가능하므로 배출가스를 감소시키고 엔진출력을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, EUI(Electronic Unit Injector) 연료분사시스템에 관한 개략도가 도 1b에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, EUI 시스템은 디젤탱크(1'), 연료필터(2'), 연료펌프(3'), 유니트 인젝터(6'), 전자제어유닛(ECU)(9'), 리턴라인(8')으로 이루어지며, 연료펌프(3')가 디젤탱크(1)의 디젤연료를 펌핑하여 공급라인을 통해 유니트 인젝터(6')로 공급하게 되고 ECU(9')의 제어에 따라 유니트 인젝터(6')를 통해 엔진 실린더로 디젤이 분사되며, 유니트 인젝터(6')로 공급되는 연료 중 적정 수준이상으로 공급되는 연료는 유니트 인젝터(6')에 구비되는 오버플로우밸브(7')의 유입구에서 유출구를 거쳐 리턴라인(8')을 통해 디젤탱크(1')로 회수되는 시스템이다.
여기서, 도시되지는 않았지만 유니트 인젝터(6')는 캠으로부터 전달되는 동력이 로커암을 거쳐 플런저를 구동하여 연료의 압력을 발생시키는 펌핑엘리먼트와, ECU의 지시에 따라 솔레노이드를 구동시켜 스필밸브의 개폐시기를 제어하는 제어부와, 최종적으로 전달된 연료의 압력에 의해 실린더내로 연료를 분사하는 노즐부로 구성된다는 점은 일반적으로 알려져 있다.
그리고, 연료펌프(3')에 의해 디젤탱크(1')의 디젤연료가 유니트 인젝터(6') 내부 플런저실로 공급된 후, 솔레노이드 밸브에 의해 연료통로가 차단된 상태에서, 캠에 의해 플런저가 눌러지면, 플런저가 플런저실의 연료를 초고압 상태로 압축함과 동시에 연료 분사가 이루어지게 된다. 이때, 연료펌프(3')는 연료를 적정한 압력으로 유지시켜 유니트 인젝터(6')로 이송시켜 주는 역할을 할 뿐이며, 실제 압축은 유니트 인젝터(6') 상측에 장착되는 캠이 플런저를 직접 눌러줌으로써 이루어지게 된다.
이러한 EUI 시스템은 초고압 형성이 가능함은 물론 고가의 고압펌프나 커먼레일 등의 장치가 필요 없다는 장점이 있으나, 다중 분사가 불가능하다는 단점이 있다.
이와 같은 커먼레일 시스템과 EUI 시스템에 의하면, 배출가스가 다소 감소되기는 하지만, 엔진출력을 위해서 일정량 이상의 디젤연료가 연소되어야 하므로 전술한 환경오염의 문제점이 여전히 존재하게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 디젤엔진에 비해 매연이 급격히 저감될 수 있도록 디젤과 가스가 혼합되어 형성되는 연료가 연소될 수 있는 디젤 LNG 혼소 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 본 발명의 목적은,
디젤엔진의 실린더 내부에서 디젤과 가스가 혼합되어 함께 연소되도록 하는 시스템에 있어서, 디젤탱크와, 상기 디젤탱크에서 디젤을 흡입하여 고압으로 압축하여 송출하는 고압펌프와, 상기 디젤탱크 및 고압펌프의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 연료필터와, 상기 고압펌프와 연결되어 공급되는 고압의 디젤을 저장하는 커먼레일과, 상기 커먼레일에 장착되어 상기 커먼레일내의 압력을 감지하는 압력감지센서와, 상기 커먼레일에 연결되어 공급되는 디젤을 상기 실린더로 분사하는 인젝터와, 상기 인젝터에 의해 상기 실린더로 분사되고 남는 디젤이 상기 디젤탱크로 회수될 수 있도록 상기 디젤탱크 및 커먼레일을 연결하는 리턴라인을 포함하는 디젤공급부;와, 외부에서 공기를 흡입하여 상기 실린더로 공급하는 흡기부;와, 상기 흡기부에서 공기와 가스가 혼합되어 상기 실린더로 공급될 수 있도록 LNG를 가스화하여 상기 흡기부로 공급하는 가스공급부;와, 상기 실린더로의 디젤 분사가 조절되도록 상기 디젤공급부의 고압펌프, 압력감지센서 및 인젝터를 제어하고 상기 실린더로의 가스 공급이 조절되도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 LNG 혼소 시스템을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어부는 상기 디젤공급부의 고압펌프가 디젤을 흡입, 압축 및 송출하도록 제어하며 상기 압력감지센서로부터 상기 커먼레일의 압력에 대한 데이터를 전송받는 제1 ECU와, 상기 가스공급부를 제어하여 상기 흡기부로 가스가 공급되도록 하며 상기 제1 ECU로부터 인젝터 구동신호를 전송받아 상기 인젝터의 디젤 분사를 제어하되 상기 전송받은 신호를 변조한 후 변조된 신호에 따라 상기 인젝터를 구동시키는 제2 ECU를 포함하여, 엔진이 가속됨에 따라 상기 실린더로의 가스 공급량은 증가되고 디젤 분사량은 감소되도록 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 의하면, 상기 엔진에는 상기 제1 ECU로 엔진 회전수에 대한 데이터를 전송하는 엔진회전수센서가 마련된다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 의하면, 상기 흡기부는 외부에서 공기가 유입될 수 있도록 마련되는 흡기관과, 공기와 가스가 혼합될 수 있도록 상기 흡기관과 결합되고 상기 가스공급부와 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 결합되며 상기 혼합된 공기 및 가스가 상기 실린더로 일정하게 분배되도록 가이드하는 흡기매니폴드를 포함한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 의하면, 상기 가스공급부는 LNG 탱크와, 상기 LNG 탱크와 관으로 연결되며 액체상태로 공급되는 LNG를 가스화시키는 기화기와, 상기 기화기에 열이 제공될 수 있도록 마련되는 쿨링워터라인과, 상기 기화기와 상기 흡기부의 사이에 설치되되 상기 기화기를 통과하여 형성되는 가스가 상기 흡기부로 공급 또는 차단될 수 있도록 상기 제2 ECU에 의해 개폐가 제어되는 가스 공급차단밸브와, 상기 흡기부로 공급되는 가스의 압력이 조절될 수 있도록 상기 가스공급차단밸브와 상기 흡기부의 사이에 설치되는 감압기를 포함한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 의하면, 상기 가스공급부는 상기 감압기와 상기 흡기부의 사이에 설치되되 가스가 상기 흡기부로 비례적으로 공급될 수 있도록 상기 제2 ECU에 의해 제어되는 프로포셔널밸브를 더 포함한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어부는 디젤연소모드 및 디젤 LNG 혼소모드의 상호 전환이 가능하도록 마련되며 상기 제1 및 제2 ECU로 신호를 보내는 선택스위치와, 상기 제2 ECU에 적정 전압이 공급될 수 있도록 연결되는 트랜스포머를 더 포함한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어부는 상기 선택스위치와 연결되어 디젤 LNG 혼소모드를 표시하는 램프를 더 포함한다.
또한, 전술한 본 발명의 목적은,
디젤엔진의 실린더 내부에서 디젤과 가스가 혼합되어 함께 연소되도록 하는 시스템에 있어서, 디젤탱크와, 상기 디젤탱크에서 디젤을 펌핑하여 공급라인을 통해 송출하는 연료공급펌프와, 상기 디젤탱크 및 연료공급펌프의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 연료필터와, 상기 연료공급펌프로부터 공급되는 디젤을 압축시켜 상기 실린더로 분사하는 유니트 인젝터와, 상기 유니트 인젝터에 의해 상기 실린더로 분사되고 남는 디젤이 상기 디젤탱크로 회수될 수 있도록 상기 디젤탱크 및 유니트 인젝터를 연결하는 리턴라인을 포함하는 디젤공급부;와, 외부에서 공기를 흡입하여 상기 실린더로 공급하는 흡기부;와, 상기 흡기부에서 공기와 가스가 혼합되어 상기 실린더로 공급될 수 있도록 LNG를 가스화하여 상기 흡기부로 공급하는 가스공급부;와, 상기 실린더로의 디젤 분사가 조절되도록 상기 디젤공급부의 연료공급펌프 및 유니트 인젝터를 제어하고 상기 실린더로의 가스 공급이 조절되도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 LNG 혼소 시스템을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어부는 상기 디젤공급부의 연료공급펌프가 디젤을 흡입 및 송출하도록 제어하는 제1 ECU와, 상기 가스공급부를 제어하여 상기 흡기부로 가스가 공급되록 하며 상기 제1 ECU로부터 인젝터 구동신호를 받아 상기 인젝터의 디젤 분사를 제어하되 상기 전송받은 신호를 변조한 후 변조된 신호에 따라 상기 인젝터를 구동시키는 제2 ECU를 포함하여, 엔진이 가속됨에 따라 상기 실린더로의 가스 공급량은 증가되고 디젤 분사량은 감소되도록 한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 의하면, 디젤과 가스가 혼합되어 형성되는 연료가 연소됨으로써 기존의 디젤엔진에 비해 매연이 급격히 저감될 수 있다.
또한, 자동차의 고속 주행시 디젤연료량이 감소되고 가스연료량이 증가되도록 함으로써, 매연저감의 효과가 극대화될 수 있고 칼로리가 높은 LNG의 연소로 인해 더욱 큰 출력을 얻을 수 있다.
이하에는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명 하기로 한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 실시예를 설명함에 있어 동일 또는 유사한 기술적 특징을 갖는 구성에 대하여는 도면부호를 동일하게 적용하였음을 미리 밝혀둔다.
도 2는 본 발명에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템은 디젤공급부(100), 제어부(200), 흡기부(300), 가스공급부(400)를 포함한다. 여기서, 디젤공급부(100)는 엔진(500)의 실린더로 디젤을 공급하는 역할을 하는 것이고, 흡기부(300)는 외부에서 공기를 흡입하여 엔진(500)의 실린더로 공기를 공급하는 역할을 하는 것이며, 가스공급부(400)는 흡기부(300)로 가스를 공급하여 흡기부(300)에서 엔진(500)으로 공기와 가스가 동시에 공급되도록 하는 역할을 하는 것이다. 따라서, 엔진(500)의 실린더에는 디젤과 가스가 함께 공급될 수 있으며, 디젤과 가스의 공급량은 제어부(200)의 제어로 조절된다. 이러한 디젤공급부(100), 제어부(200), 흡기부(300) 및 가스공급부(400)에 대한 더 상세한 특징에 대하여는 이하에서 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개념도이며, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 구성도이다.
디젤공급부(100)는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 엔진(500)의 실린더(510)로 디젤을 분사하여 공급하는 역할을 하는 것으로서, 디젤탱크(110), 연료 필터(120), 고압펌프(130), 커먼레일(140), 압력감지센서(150), 인젝터(160), 리턴라인(170)을 포함하여 이루어진다. 즉, 디젤공급부(100)는 커먼레일 연료분사시스템(CRDI:Common Rail Direct Injection)에 해당하는 것이다.
여기서, 디젤탱크(110)는 외부에서 전달되는 열을 차단하고 강성을 가진 단열재로 형성되는 것이 바람직하며, 과도한 압력 발생을 막기 위해 적당한 마개와 안전한 밸브가 장착되는 것이 바람직하다.
그리고, 연료필터(120)는 디젤이 고압 펌프에 공급되기 전에 디젤을 정화하고 고압펌프에서 원활한 작용이 이루어질 수 있도록 디젤탱크(110)와 고압펌프(130)의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 역할을 한다.
그리고, 고압펌프(130)는 디젤탱크(110)에서 디젤을 흡입하여 고압으로 압축한 뒤 송출하는 역할을 하는 것으로서, 캠축에 의해 구동되는 기계식 로터리 펌프이며, 디젤을 약 1,350bar의 압력으로 가압시켜 커먼레일(140)로 디젤을 이송하게 된다. 이러한 고압펌프(130)는 후술하는 제어부(200)의 제1 ECU(210a)에 의해 제어된다.
또한, 커먼레일(Common Rail)(140)은 고압펌프(130)에 의해 압송되는 고압의 디젤을 저장하고, 인젝터(160)로 매회 분사되는 양만큼 연료를 보내주는 역할을 하는 것이며, 역류 방지를 위한 첵밸브 및 고압센서가 부착될 수 있다.
그리고, 압력감지센서(150)는 커먼레일(140)에 장착되어 커먼레일(140)내의 압력을 감지하는 역할을 하는 것으로서, 커먼레일(140)의 연료 압력을 측정하여 제어부(200)로 전송하고 제어부(200)는 이 데이터를 받아 디젤의 분사량과 분사시기 를 조정하는 신호로 사용하게 된다. 더 상세하게는, 압력감지센서(150)는 후술하는 바와 같이 제어부(200)의 제1 ECU(210a)로 커먼레일(140)의 연료 압력에 대한 데이터를 전송하고, 제1 ECU(210a)는 전송받은 데이터를 통해 제2 ECU(210b)로 인젝터(160) 구동신호를 전송하며, 제2 ECU(210b)는 전송받은 신호를 변조한 후 인젝터(160)를 제어함으로써 디젤의 분사량과 분사시기를 조절하게 된다. 이에 대한 더 상세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 인젝터(160)는 커먼레일(140)에 연결되어 커먼레일(140)로부터 공급되는 디젤을 제어부(200)로부터 전송되는 신호에 따라 엔진(500) 실린더(510)의 연소실로 분사하는 역할을 하는 것이다. 이러한 인젝터(160)는 전기적 솔레노이드(도시되지 않음)와 니들(도시되지 않음) 및 노즐(도시되지 않음)로 이루어지는 일반적인 인젝터가 이용될 수 있는데, 제어부(200)의 제어에 의해 디젤을 분사하게 되고, 인젝터(160)의 노즐이 열려 분사가 된 후 남은 디젤은 리턴라인(170)을 통해 디젤탱크(110)로 되돌아간다. 전술한 바와 같이, 인젝터(160)에 의한 디젤의 분사시기 및 분사량은 제어부(200)의 제2 ECU(210b)에 의해 제어가 되는데, 이에 대한 더 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 디젤공급부(100)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 커먼레일(140)의 압력을 조정하는 역할을 하는 압력조절밸브(180)를 더 포함할 수 있다. 압력조절밸브(180)는 커먼레일(140)의 압력을 제어부(200)에서 요구하는 압력으로 조정하는 밸브로서, 압력감지센서(150)가 커먼레일(140)내의 압력을 감지하여 제1 ECU(210a)로 데이터를 전송하면 제1 ECU(210a)는 이 데이터를 분석하여 압력조절밸브(180)를 제어하게 된다. 이 때, 냉각수온, 배터리전압 및 흡기온에 따라 보정을 하게 되며 디젤온도가 높은 경우 온도를 제한하기 위해 압력을 특정 작동점 수준으로 낮추는 경우도 있다.
제어부(200)는 디젤공급부(100)의 고압펌프(130), 압력감지센서(150) 및 인젝터(160)를 제어하여 실린더(510)로의 디젤 분사를 조절함과 동시에 가스공급부(300)를 제어하여 실린더(510)로의 가스 공급을 조절하는 역할을 하는 것으로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 ECU(210a), 제2 ECU(210b)를 포함하여 이루어지며, 선택스위치(230), 트랜스포머(240), 램프(250)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제1 ECU(210a)는 디젤공급부(100)의 고압펌프(130)가 디젤탱크(110)로부터 디젤을 흡입하여 압축한 후 커먼레일(140)로 송출하도록 제어하는 역할을 한다. 이러한 제1 ECU(210a)는 엔진(500) 연소방식이 디젤연소모드인 경우에는 압력감지센서(150)로부터 커먼레일내의 압력에 대한 데이터를 전송받아 이 데이터에 기초하여 인젝터(160)를 제어함으로써 실린더(510)로 분사되는 디젤의 분사량과 분사시기를 조절하게 된다.
반면, 엔진(500) 연소방식이 디젤 LNG 혼소모드인 경우에는 제1 ECU(210a)는 직접 인젝터(160)를 제어하지 않고 제2 ECU(210b)가 인젝터(160)를 제어하도록 인젝터(160) 구동신호를 제2 ECU(210b)로 전송한다. 이때, 제1 ECU(210a)는 압력감지센서(150)로부터 전송받는 커먼레일내의 압력에 대한 데이터와 엔진(500)에 마련되는 엔진회전수 센서(520)로부터 전송받는 엔진회전수에 대한 데이터를 토대로 하여 제2 ECU(210b)로 인젝터(160) 구동신호를 보내게 된다. 또한, 제1 ECU(210a)에는 가속페달센서(530)로부터 가속상태에 대한 데이터가 전송되며, 도시되지는 않았지만 기타 각종센서, 예를 들어 냉각수 온도센서, 흡기 온도 및 압력센서, 캠포지션 센서, 크랭크 포지션센서 등 여러 센서들로부터 데이터가 전송된다. 이러한 각종 센서들은 일반적으로 커먼레일 시스템에 사용되고 있는 것으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 제2 ECU(210b)는 엔진 연소방식이 디젤 LNG 혼소모드인 경우 실린더(510)로 가스가 공급되도록 가스공급부(400)를 제어함과 동시에 제1 ECU(210a)로부터 신호를 받아 인젝터(160) 구동을 제어함으로써 디젤의 분사량과 분사시기를 제어하는 역할을 한다.
여기서, 제2 ECU(210b)의 가스공급부(400) 제어에 관하여 살펴보면, 제2 ECU(210b)는 가스공급부(400)의 가스공급차단밸브(440) 및 프로포셔널밸브(480)와 전기적으로 연결되어 신호를 송신하여 제어하는데, 가스공급차단밸브(440)를 제어하여 가스공급부(400)로부터 흡기부(300)로 가스가 공급 또는 차단되도록 하며, 프로포셔널밸브(460)를 제어하여 가스공급부(400)로부터 흡기부(300)로 가스가 비례적으로 공급되도록 한다. 이에 대한 더 상세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 제2 ECU(210b)의 디젤 분사 조절에 관하여 살펴보면, 전술한 바와 같이 제1 ECU(210a)는 압력감지센서(150)로부터 커먼레일(140)내의 압력에 대한 데이터를 전송받고 또한 엔진회전수센서(520)로부터 엔진회전수에 대한 데이터를 전송받더라도 직접 인젝터(160)를 제어하지 않고 이 데이터를 토대로 하여 제2 ECU(210b)로 인젝터(160) 구동신호를 보내 제2 ECU(210b)가 인젝터(160) 구동을 제 어하게 된다.
이것은 제2 ECU(210b)가 전송받은 구동신호를 변조하여 인젝터(160)를 제어하도록 함으로써 디젤의 분사량이 조절되도록 하기 위함이다. 즉, 일반적인 디젤엔진에서는 엔진이 가속됨에 따라 실린더로 분사되는 디젤량은 증가되어야 하는데, 본 발명의 일실시예에서는 디젤의 연소로 인한 매연이 저감될 수 있도록 실린더(510)로의 디젤 분사량을 줄임으로써 그에 따른 매연 저감 효과를 얻고자 하는 것이다. 이때, 디젤 분사량이 줄어드는 대신 가스의 공급량을 증가시킴으로써 출력면에서는 문제될 것이 없으며, 오히려 칼로리가 높은 LNG의 연소로 인해 더욱 큰 출력을 얻을 수 있다.
이를 위해, 제2 ECU(210b)가 제1 ECU(210a)로부터 전송받는 신호를 변조하여 인젝터(160)를 구동시키게 되며, 따라서 디젤은 가속상태와 무관하에 일정량만큼만 실린더(510) 분사되고 대신 가스의 공급량은 증가되는 것이다.
한편, 선택스위치(230)는 디젤연소모드 또는 디젤 LNG 혼소모드의 전환이 가능하도록 마련되며, 제1 및 제2 ECU(210a, 210b)로 신호를 보내는 역할을 한다. 이 때, 디젤연소모드가 선택된 경우에는 일반적인 커먼레일 시스템의 경우와 마찬가지로 제1 ECU(210a)의 제어로 디젤의 분사량과 분사시기가 조절되지만, 디젤 LNG 혼소모드가 선택된 경우에는 제2 ECU(210b)에 의해 가스가 공급이 제어되어 디젤과 가스의 혼합연소가 가능하며 또한 디젤의 분사량이 조절될 수 있다.
그리고, 트랜스포머(240)는 제2 ECU(210b)에 적정 전압을 공급하는 역할을 하며, 램프(250)는 선택스위치(230)에 의해 디젤 LNG 혼소모드가 선택된 경우 엔진 의 디젤 LNG 혼소모드를 표시하는 역할을 한다.
흡기부(300)는 외부에서 공기를 흡입하여 엔진(500)의 실린더(510)로 공급하는 역할을 하는 것으로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 흡기관(310), 믹서(320), 흡기매니폴드(330)를 포함하며, 흡기관(310)을 통해 외부에서 공기가 유입되고 흡기매니폴드(330)를 통해 공기가 실린더(510)로 공급된다.
이때, 흡기관(310)과 흡기매니폴드(330)의 사이에는 믹서(320)가 마련되는 것이 바람직한데, 믹서(320)에서 공기와 가스의 혼합이 이루어지게 된다. 즉, 믹서(320)는 가스공급부(400)와 관으로 연결되어 있어 가스공급부(400)에서 믹서(320)로 가스가 공급되고, 믹서(320)에서 공기와 가스가 혼합되어 흡기매니폴드(330)를 통해 실린더(510)로 공급되는 것이다. 여기서, 흡기매니폴드(330)는 믹서(320)에서 혼합된 공기와 가스를 일정하게 분배하여 실린더(510)로 가이드하는 역할을 한다.
가스공급부(400)는 흡기부(300)로 가스를 공급하여 흡기부(300)에서 공기와 가스가 혼합된 상태로 실린더(510)로 공급되도록 하는 역할을 하는 것으로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, LNG 탱크(410), 기화기(420), 쿨링워터라인(430), 가스공급차단밸브(440), 감압기(450), 프로포셔널밸브(460)를 포함한다.
여기서, LNG 탱크(410)는 저온탱크로서 대략 -163℃의 온도조건에서 가스를 저장하게 된다. 따라서, LNG 탱크(410)에는 천연가스가 액체상태로 저장되어 있으며, 액체상태의 연료를 기화기(420)로 공급하게 된다.
그리고, 기화기(Vaporizer)(420)는 LNG 탱크(410)로부터 액체상태로 공급되 는 LNG를 공기와 혼합되기 쉽게 기체상태로 변화시키는 역할을 한다. 이러한 기화기(420)에서 액체상태의 LNG가 가스화되기 위해서는 열이 제공되어야 하는데, 이를 위해 쿨링워터라인(430)이 마련된다. 즉, 쿨링워터라인(430)은 기화기(420)에 열을 제공하는 역할을 하는 것으로서, 엔진(500)과 기화기(420)를 순환하도록 설치된다. 따라서, 엔진(500)에서 배출되는 뜨거운 물에 의해 기화기(420)에서 액체상태인 LNG가 가스로 기화될 수 있으며, 기화기(420)에서 열을 빼앗기게 되는 차가운 물은 다시 엔진(500)으로 복귀하게 되며, 이러한 쿨링워터는 순환하게 된다.
그리고, 가스공급차단밸브(440)는 기화기(420)와 흡기부(300)의 사이에 설치되어 기화기(420)를 거쳐 가스화된 LNG의 흡기부(300)로의 공급 차단이 제어되도록 하는 역할을 하며, 전기적으로 연결되는 제어부(200)의 제2 ECU(210b)에 의해 제어되는데, 제어부(200)의 선택스위치(230)가 디젤연소모드인 경우에는 가스공급차단밸브(440)는 항상 닫혀진 상태를 유지하게 되지만, 선택스위치(230)가 디젤 LNG 혼소모드인 경우에는 제2 ECU(210b)가 전송하는 신호에 따라 가스공급차단밸브(440)의 개폐가 제어되어 가스가 공급 또는 차단된다.
그리고, 감압기(Gas Regulator)(450)는 가스공급차단밸브(440)와 흡기부(300)의 사이에 마련되며, 가스공급차단밸브(440)가 개방됨으로써 흡기부(300)로 공급되는 가스의 압력을 조절하는 역할을 한다. 더 상세하게는 감압기(450)는 기화기(420)를 통하여 가스화되어 공급되는 LNG의 압력을 적정한 압력으로 낮추는 역할을 하는 것이다.
또한, 프로포셔널밸브(Proportional gas control valve)(460)는 감압기(450) 와 흡기부(300)의 사이에 마련되어, 감압기(450)에 의해 적정 압력으로 낮추어져 흡기부(300)로 공급되는 가스가 비례적으로 공급되도록 하는 역할을 하는 것이며, 프로포셔널밸브(460)를 통해 흡기부(300)의 믹서(320)로 가스가 공급된다. 이러한 프로포셔널밸브(460)는 전기적으로 연결되는 제어부(200)의 제2 ECU(210b)에 의해 제어된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템의 작동과정을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다. 먼저, 엔진(500)의 시동을 걸게 되면 디젤공급부(100)에 의해 실린더(510)로 디젤이 공급되어 자동차가 구동되게 된다(디젤연소모드). 이를 구체적으로 설명하면, 디젤탱크(110)의 디젤을 고압펌프(130)가 흡입하여 커먼레일(140)로 압송하게 되고 이후 압력감지센서(150)가 커먼레일(140)내의 압력에 대한 데이터를 제1 ECU(210a)로 전송하며, 제1 ECU(210a)는 전송받은 데이터를 분석하여 인젝터(160)가 디젤을 분사하도록 제어함으로써 인젝터(160)를 통해 실린더(510)로 디젤이 분사공급되는 것이다.
여기서, 제어부(200)의 선택스위치(230)가 디젤 LNG 혼소모드로 선택되는 경우에는 제2 ECU(210)는 가스공급부(400)의 가스공급차단밸브(440)를 개방시키고 프로포셔널밸브(460)를 제어하여 가스가 흡기부(300)의 믹서(320)로 공급되도록 한다. 이때, 제1 ECU(210a)는 더 이상 인젝터(160)를 제어하지 않고 압력감지센서(150)로부터 전송받는 데이터와 엔진회전수 센서(520)로부터 전송받는 데이터를 토대로 제2 ECU(210b)로 인젝터(160) 구동신호를 보내게 되며, 제2 ECU(210b)는 전송받은 신호를 변조하여 가속상태에 무관하게 일정량의 디젤이 실린더(510)로 분사 되도록 인젝터(160)를 제어하게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 LNG는 대략 -163℃를 유지하는 LNG 탱크(410)에서 액체상태로 존재하지만 기화기(420)에서 쿨링워터라인(430)을 통해 순환되는 쿨링워터(430)에 의해 가스화되고 감압기(450)에서 적정 압력으로 조절된 후 제2 ECU(210b)가 전송하는 신호로 제어되는 프로포셔널밸브(460)에 의해 비례적으로 믹서(320)로 공급된다.
그리고, 가스공급차단밸브(440)가 개방되면 가스가 믹서(320)와 연결된 공급라인을 통해 공급되게 되는데, 이때 가스 공급라인이 흡기부(300)의 압력보다 높기 때문에 가스가 흡기부(300)로 빨려들어가게 되고 믹서(320)에서 공기와 혼합된 후 흡기매니폴드(330)를 통해 일정하게 분배되어 실린더(510)로 공급된다.
한편, 가속페달을 밟아 고속으로 되는 경우에도 전술한 바와 같이 제2 ECU(210b)에 의해 인젝터(160)가 가속상태에 무관하게 일정량의 디젤을 분사하도록 제어되기 때문에 고속상태라 하더라도 가스의 공급량이 증가될 뿐 디젤의 분사량은 증가되지 않는다.
따라서, 실린더(510)로 공급되는 디젤의 양이 줄어드는 반면 상대적으로 가스의 양은 늘어나게 되며, 이와 같이 실린더(510)로 공급되는 디젤의 양이 감소됨에 따라 디젤의 연소시 발생되는 NOX 또는 SOX 등 매연성분의 발생이 감소될 수 있어 매연저감의 효과를 얻을 수가 있게 될 뿐만 아니라 칼로리가 높은 LNG의 연소로 인해 더욱 큰 출력을 얻을 수가 있게 된다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개념도이고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 구성도이다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템과 디젤공급부(600)에 있어서만 차이가 있으므로, 디젤공급부(600)와 관련하여 특별한 차이가 있는 것에 대하여만 설명하기로 하고, 기술적 특징이 동일한 흡기부(300), 가스공급부(400)에 대한 설명은 생략하기로 한다.
디젤공급부(600)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 디젤탱크(610), 연료필터(620), 연료공급펌프(630), 유니트 인젝터(660), 리턴라인(670)을 포함하여 이루어진다. 즉, 디젤공급부(600)는 EUI(Electronic Unit Injector) 연료분사시스템에 해당하는 것이다.
여기서, 연료공급펌프(630)는 디젤탱크(610)에서 디젤을 펌핑하여 공급라인을 통해 유니트 인젝터(660)로 보내는 역할을 하는 것으로서, 에어컴프레셔에 연결되어 구동하면서 디젤탱크(610)로부터 디젤을 공급하며, 제어부(200)의 제1 ECU(210a)에 의해 제어된다.
그리고, 유니트 인젝터(660)는 연료공급펌프(630)로부터 공급되는 디젤을 압축시켜 고압의 디젤을 실린더(510)로 분사하는 역할을 한다. 이러한 유니트 인젝터(660)는 도시되지는 않았지만 캠으로부터 전달되는 동력이 로커암을 거쳐 플런저를 구동하여 연료의 압력을 발생시키는 펌핑엘리먼트와, 제어부(200)의 지시에 따 라 솔레노이드를 구동시켜 스필밸브의 개폐시기를 제어하는 제어수단과, 최종적으로 전달되는 연료의 압력에 의해 실린더내로 연료를 분사하는 노즐수단으로 구성되는 일반적인 유니트 인젝터가 이용될 수 있으며, 제어부(200)의 제어에 의해 디젤을 분사하게 되고 분사되고 남은 디젤은 리턴라인(670)을 통해 디젤탱크(610)로 회수된다.
이러한 유니트 인젝터(160)에 의한 디젤의 분사시기 및 분사량은 제어부(200)의 제2 ECU(210b)에 의해 제어된다. 즉, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 제어부(200)의 제1 ECU(210a)는 엔진회전수 센서(520) 및 가속페달센서(530)로부터 데이터를 전송받아 제2 ECU(210b)로 유니트 인젝터(660) 구동신호를 전송하고, 제2 ECU(210b)는 전송받은 신호를 변조한 후 변조된 신호에 따라 유니트 인젝터(660)를 제어하여 디젤의 분사량과 분사시기가 조절되도록 한다. 제2 ECU(210b)가 신호를 변조하여 인젝터(660)를 제어하도록 하는 이유는 전술한 본 발명의 일실시예에서 설명한 바와 같다.
이상과 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템의 작동과정은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 개략적으로 설명하기로 한다. 먼저, 엔진(500)의 시동을 걸게 되면 디젤공급부(600)의 연료공급펌프(630)는 제어부(200)의 제1 ECU(210a)의 제어로 디젤탱크(610)에서 디젤을 펌핑하여 유니트 인젝터(660)로 공급하며, 제1 ECU(210a)는 제2 ECU(210b)로 유니트 인젝터 구동신호를 보내고, 제2 ECU(210b)는 유니트 인젝터(660)가 실린더(510)로 디젤을 분사공급하도록 제어함과 동시에 가스공급부(400)를 제어하여 실린더(510)로 가스가 공급되도록 한다.
이때, 제2 ECU(210b)는 실린더(510)로 일정한 양의 디젤이 공급되도록 제1 ECU(210a)로부터 받은 신호를 변조하여 유니트 인젝터(660)를 구동시키게 되며, 가속페달을 밟아 고속으로 되는 경우에도 유니트 인젝터(660)의 디젤 분사량은 증가되지 않고 가스의 공급량만 증가되어, 디젤의 연소로 인한 매연발생을 저감시킬 수가 있다.
도 1a는 일반적인 커먼레일 연료분사시스템에 대한 개략도.
도 1b는 일반적인 EUI 연료분사시스템에 대한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개략도.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개념도.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 구성도.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 개념도.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 LNG 혼소 시스템에 대한 구성도.
※ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명
100, 600 : 디젤공급부 110, 610 : 디젤탱크
120, 620 : 연료필터 130, 630 : 고압펌프
140 : 커먼레일 150 : 압력감지센서
160 : 인젝터 660 : 유니트 인젝터
170, 670 : 리턴라인
200 : 제어부 210a : 제1 ECU
210b : 제2 ECU 230 : 선택스위치
240 : 트랜스포머 250 : 램프
300 : 흡기부 310 : 흡기관
320 : 믹서 330 : 흡기매니폴드
400 : 가스공급부 410 : LNG 탱크
420 : 기화기 430 : 쿨링워터라인
440 : 가스공급차단밸브 450 : 감압기
460 : 프로포셔널밸브
500 : 엔진 510 : 실린더
520 : 엔진 회전수 센서

Claims (10)

  1. 디젤엔진의 실린더 내부에서 디젤과 가스가 혼합되어 함께 연소되도록 하는 시스템에 있어서,
    디젤탱크와, 상기 디젤탱크에서 디젤을 흡입하여 고압으로 압축하여 송출하는 고압펌프와, 상기 디젤탱크 및 고압펌프의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 연료필터와, 상기 고압펌프와 연결되어 공급되는 고압의 디젤을 저장하는 커먼레일과, 상기 커먼레일에 장착되어 상기 커먼레일내의 압력을 감지하는 압력감지센서와, 상기 커먼레일에 연결되어 공급되는 디젤을 상기 실린더로 분사하는 인젝터와, 상기 인젝터에 의해 상기 실린더로 분사되고 남는 디젤이 상기 디젤탱크로 회수될 수 있도록 상기 디젤탱크 및 커먼레일을 연결하는 리턴라인을 포함하는 디젤공급부;
    외부에서 공기를 흡입하여 상기 실린더로 공급하는 흡기부;
    상기 흡기부에서 공기와 가스가 혼합되어 상기 실린더로 공급될 수 있도록 LNG를 가스화하여 상기 흡기부로 공급하는 가스공급부; 및
    상기 실린더로의 디젤 분사가 조절되도록 상기 디젤공급부의 고압펌프, 압력감지센서 및 인젝터를 제어하고, 상기 실린더로의 가스 공급이 조절되도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 디젤공급부의 고압펌프가 디젤을 흡입, 압축 및 송출하도록 제어하며 상기 압력감지센서로부터 상기 커먼레일의 압력에 대한 데이터를 전송받는 제1 ECU와, 상기 가스공급부를 제어하여 상기 흡기부로 가스가 공급되도록 하며 상기 제1 ECU로부터 인젝터 구동신호를 전송받아 상기 인젝터의 디젤 분사를 제어하되 상기 전송받은 신호를 변조한 후 변조된 신호에 따라 상기 인젝터를 구동시키는 제2 ECU를 포함하여, 엔진이 가속됨에 따라 상기 실린더로의 가스 공급량은 증가되고 디젤 분사량은 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  3. 디젤엔진의 실린더 내부에서 디젤과 가스가 혼합되어 함께 연소되도록 하는 시스템에 있어서,
    디젤탱크와, 상기 디젤탱크에서 디젤을 펌핑하여 공급라인을 통해 송출하는 연료공급펌프와, 상기 디젤탱크 및 연료공급펌프의 사이에 마련되어 디젤의 불순물을 걸러내는 연료필터와, 상기 연료공급펌프로부터 공급되는 디젤을 압축시켜 상기 실린더로 분사하는 유니트 인젝터와, 상기 유니트 인젝터에 의해 상기 실린더로 분사되고 남는 디젤이 상기 디젤탱크로 회수될 수 있도록 상기 디젤탱크 및 유니트 인젝터를 연결하는 리턴라인을 포함하는 디젤공급부;
    외부에서 공기를 흡입하여 상기 실린더로 공급하는 흡기부;
    상기 흡기부에서 공기와 가스가 혼합되어 상기 실린더로 공급될 수 있도록 LNG를 가스화하여 상기 흡기부로 공급하는 가스공급부; 및
    상기 실린더로의 디젤 분사가 조절되도록 상기 디젤공급부의 연료공급펌프 및 유니트 인젝터를 제어하고, 상기 실린더로의 가스 공급이 조절되도록 상기 가스공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 디젤공급부의 연료공급펌프가 디젤을 흡입 및 송출하도록 제어하는 제1 ECU와, 상기 가스공급부를 제어하여 상기 흡기부로 가스가 공급되록 하며 상기 제1 ECU로부터 인젝터 구동신호를 받아 상기 인젝터의 디젤 분사를 제어하되 상기 전송받은 신호를 변조한 후 변조된 신호에 따라 상기 인젝터를 구동시키는 제2 ECU를 포함하여, 엔진이 가속됨에 따라 상기 실린더로의 가스 공급량은 증가되고 디젤 분사량은 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 엔진에는 상기 제1 ECU로 엔진 회전수에 대한 데이터를 전송하는 엔진회전수센서가 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡기부는 외부에서 공기가 유입될 수 있도록 마련되는 흡기관과, 공기와 가스가 혼합될 수 있도록 상기 흡기관과 결합되고 상기 가스공급부와 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 결합되며 상기 혼합된 공기 및 가스가 상기 실린더로 일정하게 분배되도록 가이드하는 흡기매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  7. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 가스공급부는 LNG 탱크와, 상기 LNG 탱크와 관으로 연결되며 액체상태로 공급되는 LNG를 가스화시키는 기화기와, 상기 기화기에 열이 제공될 수 있도록 마련되는 쿨링워터라인과, 상기 기화기와 상기 흡기부의 사이에 설치되되 상기 기화기를 통과하여 형성되는 가스가 상기 흡기부로 공급 또는 차단될 수 있도록 상기 제2 ECU에 의해 개폐가 제어되는 가스공급차단밸브와, 상기 흡기부로 공급되는 가스의 압력이 조절될 수 있도록 상기 가스공급차단밸브와 상기 흡기부의 사이에 설치되는 감압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스공급부는 상기 감압기와 상기 흡기부의 사이에 설치되되 가스가 상기 흡기부로 비례적으로 공급될 수 있도록 상기 제2 ECU에 의해 제어되는 프로포셔널밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  9. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 디젤연소모드 및 디젤 가스 혼소모드의 상호 전환이 가능하도록 마련되며 상기 제1 및 제2 ECU로 신호를 보내는 선택스위치와, 상기 제2 ECU에 적정 전압이 공급될 수 있도록 연결되는 트랜스포머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는 상기 선택스위치와 연결되어 디젤 가스 혼소모드를 표시하는 램프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엘엔지 혼소 시스템.
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