KR20100001094A - Ｌｐｌｉ 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LPLI 시스템에 있어서, 연료 봄베로 연료가 회수되지 않도록 연료의 일부가 회수되는 회수라인에 밸브를 추가 장착하여, 연료의 밀도를 유지시켜 기상상태로 분사되지 않도록 함으로써, 엔진룸의 온도상승으로 인해 연료라인 상의 연료 온도가 상승되고, 상승된 온도로 인해 기화된 연료가 액상연료와 함께 엔진에 분사됨으로 인해 엔진의 시동이 어려워지는 것을 방지하여, 엔진의 초기 시동성이 향상되고 연료 펌프의 과부하로 인한 손상이 방지되는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법에 관한 것이다.

LPLI 시스템, LPG 액상분사, 엔진, 차량, 전자식 밸브

Description

ＬＰＬＩ 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법{IMPROVEMENT HOT STARTING CONTROL METHOD FOR LIQUID PHASE LPG INJECTION SYSTEM}

본 발명은 수송기계의LPG 액상분사식 엔진 및 차량분야에 적용되는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법에 관한 것이다.

LPG 액상분사식 연료공급방법(Liquid Phase LPG Injection, 이하 LPLI)은 1994년부터 선진외국(네덜란드를 중심으로 유럽국가)에서 활발히 사용 중에 있는 최신의 차량용 LPG 연료공급방식이다. 기존의 LPG엔진은 봄베(Bombe)에 저장되어 공급된 LPG 연료를 믹서(Mixer)와 기화기(Vaporizer)를 통해 기화시켜 엔진에 공급하도록 시스템이 구성되어 있으나, 이러한 LPG 엔진은 제어유니트(ECU)에 의한 연료의 분사량에 대한 정밀 제어가 어려워서 겨울철 시동이 어렵고, 동력 성능 및 연비 수준이 저하될 뿐만 아니라, LPG 연료의 연소시 발생하는 타르 문제로 인해 아이들 시 불안정하고 시동 중 잦은 꺼짐 현상 등을 초래하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이 믹서와 기화기를 사용하지 않고 LPG 연료를 인젝터를 통해 고압의 액상으로 직접 분사하는 LPLI시스템이 등장하게 되었다. LPLI 엔진은 인젝터를 통해 LPG 연료를 직접 분사하기 때문에 분사되는 연료의 시기와 양을 보 다 정밀하게 제어할 수 있어, 차량의 연비 특성과 동력 성능을 개선할 수 있고, 동절기 시동성의 향상과 불필요한 정비를 배제할 수 있는 효과가 있다.

LPG 액상분사 차량의 경우 엔진의 운전 조건에 관계없이 연료 봄베 대비 약 5bar 이상의 압력을 유지하는 기계식 압력조정기가 사용되고 있는데, 압력조정기를 지난 연료의 경우 봄베로 다시 회수되도록 되어 있다. 압력조정기의 경우 종류에 따라 연료 펌프 정지 후에 잔압을 유지하는 것과 잔압을 유지하지 못하고 연료가 회수되는 것의 두 가지가 사용되고 있다. 잔압 유지 여부에 관계없이 열간시동 조건의 경우 엔진룸 내부의 온도가 60℃ 이상으로 하는 분위기가 되면 연료레일, 분사기 및 압력조정기를 포함한 엔진룸 내부에 위치하는 연료 라인상의 연료가 가열되게 되고, 연료의 온도상승에 따른 증기압의 증가로 기화된 연료를 포함한 일부의 연료가 봄베로 회수된다. 이렇게 되면 봄베로부터 공급되는 연료송출부의 밸브가 닫혀있기 때문에 연료라인상의 연료의 밀도가 감소하게 되고, 일부 구간에서는 기상의 연료가 존재하게 된다. 연료 라인상의 기화된 연료는 차량의 시동 시 액상의 연료가 아닌 기상의 연료로서 분사되거나 Vapor Lock 현상의 원인으로 작용하여 엔진의 시동을 어렵게 할 수 있다.

이러한 열간 시동시의 재시동성 문제를 근원적으로 해소하기 위해서는 엔진룸 내부에 위치하는 연료라인상의 온도를 낮춰주거나 단열시키는 것이 가장 이상적이나 기존의 차량에 사용되고 있는 연료라인의 재질 및 구조변경 등에 의한 비용 등을 고려 시 비효율적이며, 차량에 부착된 압력조정기의 잔압 유지 여부를 확인하는 것도 어려운 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 LPLI 시스템의 연료공급 계통에 있어 열간시동 조건과 같은 연료의 온도상승에 의한 재시동성 문제를 방지하여 엔진의 초기시동성 향상 및 Vapor lock에 의한 연료 펌프의 과부하로 인한 문제에 효과적으로 대응할 수 있는 연료공급시스템을 제공하고자 한다.

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, 액상의 LPG 연료를 저장되는 연료 봄베(Bombe)와; 상기 연료 봄베 내부에 설치되어, 상기 LPG 연료를 고압 액상으로 승압하여 외부로 이송시키는 연료 펌프와; 상기 LPG 연료를 분사하기 위해 엔진의 흡기 매니폴드에 설치되는 인젝터와; 상기 연료 펌프와 인젝터에 양단이 각각 결합되어 인젝터로 LPG 연료를 공급하거나, 상기 연료 봄베로 연료를 회수하기 위한 공급라인 및 회수라인과; 상기 연료 펌프로부터 이송된 연료가 상기 연료 봄베 대비 5bar 이상의 압력을 유지하도록 상기 공급 및 회수라인에 설치되는 압력조정기; 로 구성되는 LPLI 시스템에 있어서, 상기 연료 봄베와 압력조정기 사이에 위치되는 회수라인에 밸브를 장착하고, 상기 밸브의 개변 시간을 조절 함으로써, 엔진의 초기시동성을 향상시키고 베이퍼 락(Vapor Lock) 현상을 없애, 엔진의 열간 시동시의 재시동성 문제가 해결되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 LPLI 시스템을 이용하는 차량에 있어서 최적의 연료 펌프 구동 제어장치 및 방법을 이용하여 열간 시동 조건에서 연료의 기화를 억제함으로써 엔진의 초기 시동성을 향상시키고 연료 펌프의 과부하로 인한 손상 위험을 막는 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 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 LPG 액상분사 차량의 연료공급시스템의 개략도를 보이고 있다. 엔진(70)의 흡기 매니폴드(71)에 LPG 연료의 분사를 위해 인젝터(60)가 설치되고, 상기 인젝터(60)에 연료를 공급하기 위해 내부에 액상의 LPG 연료를 충전하여 저장하는 연료 봄베(10) 및 연료를 고압 액상으로 승압하여 공급해주는 연료 펌프(20)가 구비되며, 상기 인젝터(60)와 연료 봄베(10) 사이에 인젝터(60)로의 LPG 연료의 공급과 연료 봄베(10)로의 LPG 연료 회수를 위한 공급라인(30)과 회수라인(40)이 각각 설치된다. 공급라인(30)과 회수라인(40) 내의 LPG 연료가 액상을 유지하도록 연료 봄베(10) 대비 약 5bar 이상의 압력을 유지하도록 하는 압력조정기(50)가 회수라인(40) 상에 위치한다.

LPG 액상분사 차량의 경우 엔진(70)의 운전 조건에 관계없이 연료 봄베(10) 대비 약 5bar 이상의 압력을 유지하는 기계식 압력조정기(50)가 사용되고 있는데, 압력조정기(50)의 종류에 따라 연료 펌프(20) 정지 후에 잔압을 유지하는 것과 잔압을 유지하지 못하고 연료가 회수되는 것의 두 가지가 사용되고 있다. 열간시동 조건의 경우 엔진룸 내부의 온도가 60℃ 이상으로 상승하는 분위기가 되면 공급라인(30), 회수라인(40), 인젝터(60) 및 압력조정기(50)를 포함한 엔진룸 내부에 위치하는 연료라인상의 연료가 가열하게 되고, 연료의 온도상승에 따른 증기압의 증가로 기화된 연료를 포함한 일부의 연료가 연료 봄베(10)로 회수된다. 이렇게 되면 연료 봄베(10)로부터 공급되는 연료송출부의 전자식 밸브가 닫혀있기 때문에 연료라인상의 연료의 밀도가 감소하게 되고, 일부 구간에서는 기상의 연료가 존재하게 된다. 이렇게 될 경우 도 2와 같이 시동 초기에 연료 봄베(10)에 장착된 연료 펌프(20)에 의해서 공급 및 회수라인(30, 40)을 지나는 연료의 흐름으로 인해 공급 및 회수라인(30, 40)을 포함한 라인상의 연료 온도는 감소하지만, 이미 연료 펌프(20) 작동 이전에 라인의 온도 및 압력상승으로 인해 연료의 일부가 연료 봄베(10)로 복귀되어 라인내 연료의 밀도가 감소한 상태에서 외부로부터 열전달에 의한 연료기화가 일어나 기상에 의한 빠른 유속이 유량계의 측정에 영향을 미치게 되어 정상 작동시에는 80~100L/Hr 수준의 연료유량이 나타나야 하나, 연료 펌프(20)가 작동된 이후에는 연료의 유량이 유량계의 측정한계를 넘어서는 200L/Hr 이상의 유량값을 보이게 된다. 일부 기화된 연료가 액상연료와 함께 엔진(70) 내부로 공급되면 공급되는 연료량의 정확한 제어가 어렵게 되어 시동성 및 배출가스 특성에 악 영향을 미칠 수 있다. 연료 라인 상의 기화된 연료는 차량의 시동 시 액상의 연료가 아닌 기상의 연료로서 분사되거나 Vapor lock 현상의 원인으로 작용하여 엔진(70)의 시동을 어렵게 할 수 있다.

이러한 초기 시동시의 열간 조건에서의 시동성 문제를 방지하기 위해 압력조정기(50)의 후단에 밸브(80)를 장착한다. (상기 밸브(80)는 전자식 밸브(Solenoid Valve)가 사용될 수 있다.) 연료 라인의 온도가 상승하면 밸브(80)의 추가 장착으로 인해 연료 봄베(10)로 연료가 복귀되지 않기 때문에 압력이 증가하게 된다. 그러나 연료의 밀도가 유지되기 때문에 기화가 어렵게 되어 시동 초기에 분사되는 연료를 액상으로 유지할 수 있다. 도 3의 연료 라인의 후단에 전자식 밸브를 장착하여 시험한 결과를 보면 엔진(70)으로부터의 열전달에 의해 기화된 연료가 여전히 존재하기 때문에 절대값은 정상치에 비하여 높지만 유량이 감소하여 3단 작동 후 아이들(Idle) 작동 형태는 보이고 있으며 연료의 기화가 상당 수분 억제 되었음을 알 수 있다.

상기와 같은 효과의 증대를 위해서는 연료 펌프(20) 및 조건에 따라 다를 수 있으나 후단에 장착된 밸브(80)의 개변 시간을 지연시킬 수 있다. 시동 신호의 전달로 인해 연료 펌프(20)가 작동된 이후에도 압력조정기(50) 후단의 밸브(80)를 일정시간 동안 개변하지 않고 유지하면 연료 펌프(20)에 의해 토출된 연료가 라인상에 누적되면서 연료의 압력을 높이기 때문에 연료의 기화를 막거나 이미 기화된 연료의 일부를 액화할 수 있다. 이때 밸브(80)의 개변 지연시간을 너무 길게 하면 연료 펌프(20)의 과부하로 인한 손상을 가져올 수 있기 때문에, 2초 이내에서 조건에 따라 그 시간을 달리하고 열간 시동시에만 적용되도록 제어를 제한해야 한다.

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 LPG 액상분사 차량의 연료공급시스템의 개략도.

도 2는 본 발명의 제어방법에 따른 초기 시동시 연료 유량 변화도.

도 3은 압력조정기 후단에 전자식 밸브를 장착한 경우의 초기 시동 시 연료 유량 변화도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>

10: 연료 봄베 20: 연료 펌프

30: 공급라인 40: 회수라인

50: 압력조정기 60: 인젝터

70: 엔진 71: 흡기 매니폴드

60: 밸브

Claims (6)

1. 액상의 LPG 연료를 저장되는 연료 봄베(Bombe)(10)와;

   상기 연료 봄베(10) 내부에 설치되어, 상기 LPG 연료를 고압 액상으로 승압하여 외부로 이송시키는 연료 펌프(20)와;

   상기 LPG 연료를 분사하기 위해 엔진(70)의 흡기 매니폴드(71)에 설치되는 인젝터(60)와;

   상기 연료 펌프(20)와 인젝터(60)에 양단이 각각 결합되어 인젝터(60)로 LPG 연료를 공급하거나, 상기 연료 봄베(10)로 연료를 회수하기 위한 공급라인(30) 및 회수라인(40)과;

   상기 연료 펌프(20)로부터 이송된 연료가 상기 연료 봄베(10) 대비 5bar 이상의 압력을 유지하도록 상기 공급 및 회수라인(30, 40)에 설치되는 압력조정기(50);로 구성되는 LPLI 시스템에 있어서,

   상기 연료 봄베(10)와 압력조정기(50) 사이에 위치되는 회수라인(40)에 밸브(80)를 장착하고, 상기 밸브(80)의 개변 시간을 조절함으로써, 엔진(70)의 초기시동성을 향상시키고 베이퍼 락(Vapor Lock) 현상을 없애, 엔진(70)의 열간 시동시의 재시동성 문제가 해결되도록 하는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브(80)로는 전자식 밸브가 사용되는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브(80)는 공급라인(30)과 회수라인(40)의 온도 및 압력상승으로 인하여 연료의 일부가 연료 봄베(10)로 복귀되지 않도록 하여, 상기 공급 및 회수라인(30, 40) 내 압력을 증가시켜 연료가 기화되지 않는 밀도로 유지되도록 하고, 그로 인해 시동 초기에 분사되는 연료를 액상으로 유지할 수 있어 차량의 시동시 연료가 액상이 아닌 기상의 상태로 엔진(70)에 분사되어 엔진(70)의 시동이 어려워지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브(80)는 엔진(70)의 시동 신호로 인해 연료 펌프(20)가 작동될 시, 상기 연료 펌프(20)와 동시에 작동되도록 하여, 공급라인(30)과 회수라인(40)의 온도 및 압력상승으로 인하여 연료의 일부가 연료 봄베(10)로 복귀되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브(80)는 엔진(70)의 시동 신호로 인해 연료 펌프(20)가 작동될 시, 연료 펌프(20)의 과부하로 인한 손상이 발생되지 않도록 연료 펌프(20) 작동 후 2초 이내에 작동되도록 하여, 공급라인(30)과 회수라인(40)의 온도 및 압력상승으로 인하여 연료의 일부가 연료 봄베(10)로 복귀되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브(80)는 열간 시동시에만 작동되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 LPLI 시스템의 열간시동성 향상을 위한 제어방법.

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