KR20090108900A - Lpg와 dme의 혼합연료 최적 혼합장치 - Google Patents

Lpg와 dme의 혼합연료 최적 혼합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LPG 차량에 있어서, LPG과 DME 혼합연료를 사용하되, LPG 엔진에서 노킹(Knocking)이 발생됨으로 인해, 엔진 출력이 저하되고 소음이 발생하며 엔진이 손상되는 것을 방지하기 위해, 엔진에 노킹의 유무를 체크하는 노킹센서와 함께, ECU가 상기 노킹센서의 신호를 전달받아 솔레노이드 밸브의 개폐량을 조절하여 엔진으로 유입되는 LPG와 DME의 최적비를 최적으로 맞추도록 구성함으로써, LPG와 DME의 혼합연료를 엔진의 출력과, 연료경제성 및 배출가스의 배출량에 영향을 주지 않으면서 사용이 가능토록 한 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치에 관한 것이다.
혼합연료, LPG, DME, 엔진, 혼합장치, 노킹

Description

LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치{DEVICE FOR MIXING OF LPG FUEL AND DME FUEL}
본 발명은 자동차용 청정 대체연료 중에서 디메틸 에테르(DME)를 이용하여 LPG와 혼합한 LPG 차량의 연료에서 최적의 혼합비를 구성하는 장치에 관한 것이다.
DME(Dimethyl ether) 연료는 인체와 환경(오존층)에 대해 안전성이 높아서 스프레이의 추진제로 이용되고 있으며, 비점이 낮아서 메탄올을 연료로 사용하는 SI(Spark Ignition)엔진의 시동보조연료로도 이용되었고, 최근에는 휘발유나 경유를 대체할 수 있는 새로운 자동차용 연료 및 LPG를 대신할 가정용 또는 발전용 연료로서 주목받고 있다. 또한, 높은 세탄가, 낮은 착화온도, 연소실로 분사되었을 때의 빠른 증발 특성 등으로 디젤엔진의 대체 연료로 고려되고 있으며, 최근에 저가 제조기술이 개발되고 청정 연료로 인식되면서 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
DME 연료는 산소함유율이 34.8%로 높고 상온상압에서 무색투명한 기체이며 LPG와 유사한 기압에서 액화된다. 두 연료는 비슷한 특성을 지녔지만 LPG가 DME에 비해 저위발위량(Low heating value)이 37%나 높음을 알 수 있다. DME를 디젤 엔진 에 사용할 경구 낮은 저위발위량으로 인하여 같은 출력을 얻기 위하여 매우 많은 연료를 분사하여야 하므로 DME에 LPG를 첨가하여 에너지 밀도를 높이는 경우도 있다.
LPG와 DME의 혼합연료는 기존의 LPG 인프라의 적용이 가능하므로 중국, 일본 등지에서 가정용 및 수송용 연료로 적용 가능한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재 국내에서는 연간 LPG를 800만톤 가량 소비하고 있으며 거의 50% 정도가 차량 운행에 소비되고 있다. 따라서 DME 연료를 LPG와의 혼합연료로 전기점화기관에 사용하면 대체연료로써 DME 연료의 사용량을 확대할 수 있다.
LPG와 DME 혼합연료를 LPG 엔진에 적용하게 되면 저부하 조건에서는 별다른 문제가 없으나, 고부하 조건에서는 DME 연료가 가지는 자발화성에 의해서 노킹(Knocking)이 발생할 확률이 높아진다. LPG 엔진에서 노킹이 발생하게 되면 엔진 출력이 저하되며 소음이 심해지며 엔진이 손상될 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진 노킹 현상을 방지하기 위하여 엔진 운전 조건에 따라서 LPG와 DME의 혼합비율을 적절하게 조절하기 위한 장치로서, 이를 위해 LPG 엔진에 노킹의 발생 유무를 탐지하기 위해 노킹 센서를 장착하고, 노킹 발생시 ECU에 신호를 전달하여 노킹발생을 위한 제어가 실행되도록 한 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, LPG 연료를 공급하는 LPG 저장조와; DME 연료를 공급하는 DME 저장조와; 상기 LPG 및 DME 저장조 각각과 이송라인에 의해 연결되어 연료를 공급받는 바이퍼라이져와; 상기 복수개의 이송라인에 각각 설치되는 솔레노이드 밸브와; 상기 바이퍼라이져로부터 이송된 LPG와 DME의 혼합연료가 흡기 매니폴드에 분사되는 LPG 엔진과; 상기 엔진에 설치되어 노킹(Knocking)의 발생 유무를 감지하는 노킹센서와; 상기 노킹센서와 전기적으로 연결되는 ECU(Engine Control Unit); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 LPG와 DME 저장조로부터 공급되는 연료를 솔레노이드 밸브를 통하여 바이퍼라이져(Vaporizer)로 공급하고, 엔진에는 노킹센서를 설치하여 노킹 발생시 신호를 ECU로 전달하되, 상기 ECU가 노킹 신호에 따라 솔레노이드의 개폐량을 조절하도록 함으로써, LPG에 혼합되는 DME의 혼합비를 최적으로 맞추어, LPG 엔진에서 노킹발생시 엔진 출력이 저하되며 소음이 심해지고 엔진이 손상되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 노킹 발생시 일어나는 점화시기의 지각 발생 없이 노킹을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치를 상세히 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LPG와 DME의 혼합연료 최적 혼합장치는 LPG와 DME의 혼합연료를 사용하는 LPG엔진에서, 노킹의 발생으로 인해 엔진의 출력이 저하되거나, 소음 발생 또는 엔진에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 노킹이 발생되지 않으면서 출력과 연료경제성, 배출가스 배출량에 영향을 주지않는 LPG와 DME의 혼합비를 최적으로 맞춰주는 혼합장치에 관한 것으로, LPG 저장조(10), DME 저장조(20), 바이퍼라이져(30), 솔레노이드 밸브(40), LPG 엔진(50), 노킹센서(60), ECU(70)를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 최적 혼합장치를 나타낸 구성도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이, LPG 엔진(50)의 배기 매니폴드 측에 설치된 인젝터를 통해 연료가 분사되되, 분사되는 연료는 LPG 저장조(10)로부터 공급받은 LPG 연료와, DME 저장조(20)로부터 공급받은 DME 연료를 바이퍼라이져(Viporizer)(30)에서 공기와 혼합하여 공급받는다.
상기 바이퍼라이져(30)는 LPG 및 DME 저장조(10, 20) 각각과 이송라인(80, 80')에 의해 연결되어 LPG와 DME 연료들을 공급받으며, 상기 각각의 이송라인(80, 80')에는 솔레노이드 밸브(Solenoid- Vave)(40)를 각각 설치하도록 한다.
상기 LPG 엔진(50)에는 비정상 연소로 인해 가속시 실린더 벽을 망치로 때리는 듯한 소리를 내며, 발생 시, 연소가스 온도가 높아지고 실린더 가열로 열효율이 약화해 출력이 떨어질 뿐만 아니라, 엔진 오일이 변질되고, 피스톤 및 밸브도 손상시키는 노킹(Knocking)의 발생 유무를 체크하기 위한 노킹센서(60)를 설치한다.
상기 노킹은 LPG와 DME 혼합연료를 LPG 엔진(50)에 적용시킬 시, 저부하 조건에서는 별다른 문제가 없지만, 고부하 조건에서는 DME 연료가 가지는 자발화성에 의해서 발생할 확률이 높아진다.
노킹이 발생되면 이를 노킹센서(60)가 감지한 후, 그 신호를 ECU(Engine Control Unit)(70)로 전달하게 된다. 신호를 전달받은 ECU(70)는 그 신호를 토대로 전기적으로 연결되어 있으며, LPG 저장조(10)와 DME 저장조(20)에 각각 연결되어 있는 솔레노이드 밸브(40)의 개폐량 조절하여 LPG 연료와 DME 연료의 량을 조절함으로써, 상기 LPG에 혼합되는 DME 연료의 비율을 최적으로 맞추는 것이다.
이때, 본원발명에서는 LPG에 DME를 질량기준으로 0에서부터 30%까지 순차적으로 증가시켜 첨가함으로써, 엔진의 출력 및 배기가스 배출량에도 영향을 주지않으며, 혼합연료가 순수 LPG 연료만을 사용하는 경우와 비슷한 수준을 유지하는 혼합비율을 찾도록 한 것이다.
도 2는 본 발명의 DME 질량대비 혼합율에 따른 2.7L 액상분사식 엔진의 토크출력값과 연료소모율을 나타낸 그래프로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 혼합율이 15% 이내에서는 토크출력값이 최대 4% 감소하였고, 단위 출력당 연료소모율이 최대 4.5% 증가하였다.
DME 연료를 15% 정도 혼합한 LPG와 DME의 혼합연료를 아무런 개조 없이 2.7L 액상분사식 LPG 엔진(50)에 공급하는 경우는 순수 LPG만을 연료로 사용한 경우와 주행성능이 비슷하다.
도 3 내지 5는 본 발명의 2.7L 액상분사방식 LPG 엔진에 LPG-DME 혼합연료를 혼합하는 경우, DME 혼합율에 따른 THC(Total-hydrocarbon, 총탄화수소), CO(일산 화탄소), NOx(질소산화물) 각각의 배출특성을 3600rpm의 엔진회전수 조건에서 나타낸 그래프로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 DME 연료를 질량대비 20%까지 혼합하는 경우, 저부하와 중부하에서는 각 배기가스의 배출량은 별 차이가 없다. 그러므로 혼합율 15%의 LPG와 DME의 혼합연료를 사용하는 경우에는 기존의 순수 LPG 연료만 사용하는 경우에 비해서 배출가스의 배출량이 증가하지 않고 비슷한 수준에서 유지되는 것이다.
상기 도 2 내지 5를 고려할 때, 2.7L 액상분사식 LPG 엔진에, DME 연료를 첨가한 LPG와 DME의 혼합연료를 사용하는 경우에는 질량대비 15%를 혼합하는 것이 가장 이상적이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 최적 혼합장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 DME 질량대비 혼합율에 따른 2.7L 액상분사식 엔진의 토크출력값과 연료소모율을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 2.7L 액상분사방식 LPG 엔진에 LPG-DME 혼합연료를 혼합하는 경우, DME 혼합율에 따른 THC의 배출특성을 3600rpm의 엔진회전수 조건에서 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 2.7L 액상분사방식 LPG 엔진에 LPG-DME 혼합연료를 혼합하는 경우, DME 혼합율에 따른 CO의 배출특성을 3600rpm의 엔진회전수 조건에서 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 2.7L 액상분사방식 LPG 엔진에 LPG-DME 혼합연료를 혼합하는 경우, DME 혼합율에 따른 NOx의 배출특성을 3600rpm의 엔진회전수 조건에서 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>
10: LPG 저장조 20: DME 저장조
30: 바이퍼라이져 40: 솔레노이드 밸브
50: LPG 엔진 60: 노킹센서
70: ECU 80, 80': 이송라인

Claims (5)

  1. LPG 연료를 공급하는 LPG 저장조(10)와;
    DME 연료를 공급하는 DME 저장조(20)와;
    상기 LPG 및 DME 저장조(10, 20) 각각과 이송라인(80, 80')에 의해 연결되어 연료를 공급받는 바이퍼라이져(30)와;
    상기 복수개의 이송라인(80, 80')에 각각 설치되는 솔레노이드 밸브(40)와;
    상기 바이퍼라이져(30)로부터 이송된 LPG와 DME의 혼합연료가 흡기 매니폴드에 분사되는 LPG 엔진(50)과;
    상기 LPG 엔진(50)에 설치되어 노킹(Knocking)의 발생 유무를 감지하는 노킹센서(60)와;
    상기 노킹센서(60)와 전기적으로 연결되는 ECU(Engine Control Unit)(70);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ECU(70)는 노킹센서(60)로부터 전달받은 노킹신호에 따라 상기 솔레노이드 밸브(40)의 개폐량을 제어하는 것을 특징으로 하는 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치는, LPG에 DME를 질량기준으로 0에서부터 30%까지 순차적으로 증가시켜 첨가함으로써, 전기점화 엔진의 성능 및 주요 배출가스의 배출량을 체크하여 LPG 연료와 DME 연료의 최적의 혼합율을 찾아내는 것을 특징으로 하는 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치는, 2.7L 액상분사식 LPG 엔진에서 아무런 개조 없이 사용하는 경우, 상기 LPG 연료에 혼합되어 엔진의 출력과 연료경제성 및 배출가스 배출량에 영향을 주지 않는 DME 연료의 혼합율은 질량 대비 15% 이내인 것을 특징으로 하는 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치는, LPG 연료와 혼합되는 상기 DME연료의 혼합율이 15%일 경우, 순수 LPG 만을 연료로 사용하는 경우와 주행성능이 비슷한 것을 특징으로 하는 LPG와 DME 혼합연료의 최적 혼합장치.
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