KR20110012836A - 직접 분사 엘피아이 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압으로 가압된 연료를 엔진에 직접 분사함으로써 가솔린연료의 직접 분사방식에서 얻을 수 있는 장점인 동력성능향상, 연비절감, 탄소발생절감의 효과를 유사하게 구현할 수 있도록 한 직접 분사 엘피아이 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템은, 연료가 저장되는 봄베(2); 상기 봄베(2) 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프(3); 상기 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 엔진(E)으로 공급하는 연료공급라인(S); 상기 엔진(E)의 연료를 봄베(2)로 회수하는 연료회수라인(R)으로 구성된 엘피아이 시스템에 있어서, 상기 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 고압으로 가압시켜 엔진(E)으로 공급하도록 연료공급라인(S) 상에 설치된 고압펌프(6); 일단부가 상기 고압펌프(6)에 연결되어 가압된 연료가 충진되는 딜리버리 파이프(7); 상기 딜리버리 파이프(7)에 연결되며 엔진(E)의 실린더헤드에 결합되며 점화플러그(P)에 인접되게 결합된 인젝터(12); 상기 딜리버리 파이프(7)의 타단에 연결되며 상기 연료회수라인(R)에 연결되어 고압상태를 유지시키는 고압레귤레이터(8)를 포함하여 구성된다.

엘피지, 연료, 공급, 분사, 인젝터

Description

직접 분사 엘피아이 시스템{Direct injection type LPI system}

본 발명은 직접 분사 엘피아이 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압으로 가압된 연료를 엔진에 직접 분사함으로써 가솔린연료의 직접 분사방식에서 얻을 수 있는 장점인 동력성능향상, 연비절감, 탄소발생절감의 효과를 유사하게 구현할 수 있도록 한 직접 분사 엘피아이 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 엘피지 연료 공급시스템은 카뷰레타 방식에 의해 공급되는 초기 1세대를 거쳐, 좀 더 배기가스 감소 효과를 위해 피드백(feed back)제어 시스템이 적용이 되었다.

그렇지만 2003년 부터 적용되는 차량시스템에는 이보다 더 가혹한 배기가스 배출규제가 시행이 되어 엘피지 연료를 가압 송출하는 연료를 액상으로 분사하든가 혹은 기상분사를 통해 현재까지의 배기규제에 대응해 왔다. 그렇지만 점차 강화되는 환경보호와 연비저감이라는 2개의 목적을 동시에 달성하기 위해서는 연료분사 시스템에 대해서도 많은 변화가 요구되고 있다.

통상의 가스차량용 엘피아이 시스템(Liquid Petroleum Injection: 엘피지 액 상 연료분사 장치)은 연료탱크의 압력에 의존한 기계식 엘피지 연료 방식과는 달리 봄베 내에 연료펌프를 설치하고, 상기 연료펌프에 의해 고압(5~15bar)으로 송출되는 액상 연료를 인젝터로 분사하여 엔진을 구동하는 구조로 되어 있다.

종래의 엘피아이 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 연료가 저장되는 봄베(10)와, 상기 봄베(10) 내에 설치되며 봄베(10) 내에 저장된 가스 연료를 펌핑하여 송출하는 펌프모듈(20)과, 상기 펌프모듈(20)을 통해 공급되는 액상의 연료를 인젝터(31)에 의해 분사하여 구동하는 엔진(30)을 포함한다.

그리고 상기 펌프모듈(20)은 상기 봄베(10) 내에 설치되어 가스 연료를 펌핑하는 연료펌프(21)와, 상기 연료펌프(21)를 통해 펌핑된 연료를 송출하는 멀티밸브(22)를 포함하며, 상기 연료펌프(21)는 ECU(미도시)에 의해서 제어된다.

또한, 상기 멀티밸브(22)와 인젝터(31)는 연료 공급라인(23)과 연료회수라인(24)을 통해 연결된다.

즉, 상기 멀티밸브(22)를 통해 공급되는 연료는 연료 공급라인(23)을 통과한 후 인젝터(31)에 의해 일부가 엔진(30)에 분사되고, 분사되지 않은 나머지 연료는 연료 회수라인(24)을 통과한 후 멀티밸브(22)를 통해 다시 봄베(10) 내부에 회수된다.

또한, 연료 공급라인(23)과 연료회수라인(24)에는 연료의 압력 및 공급량을 일정하게 유지시키기 위한 레귤레이터 유닛(40)이 설치된다.

상기 레귤레이터 유닛(40)은 연료 압력 레귤레이터(41), 가스 압력 측정센서(GPS: 42), 가스 온도 측정센서(GTS: 43) 및 연료 차단 솔레노이드 밸브(44)를 내장하고 있으며, 이를 통해 연료라인의 연료 공급 및 차단을 제어하게 된다.

그런데 상기한 종래 기술은 인젝터에서 공급된 연료가 흡기밸브 직전에서 공기와 혼합된 후 엔진으로 공급된다.

따라서 연료가 공기와 혼합된 후 엔진으로 분사되는 간접분사방식을 취하고 있어 가솔린연료의 직접분사방식 보다 출력이 낮은 문제점이 있다.

또한 가솔린연료와 달리 엘피지 연료는 대기 온도 변화에 민감하게 반응하여 쉽게 기상화를 초래하므로 봄베 내의 엘피지 연료 중 기상 부분은 에너지 변화로 쉽게 가압 송출시 캐비테이션을 일으키고, 이로 인해 펌프 능력이 저하되어 연료공급 시스템이 원활히 작동되지 않는 문제점이 발생되므로 차량 운행에 심각한 악영향을 미치게 된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고압으로 가압된 연료를 엔진에 직접 분사함으로써 가솔린연료의 직접 분사방식에서 얻을 수 있는 장점인 동력성능향상, 연비절감, 탄소발생절감의 효과를 유사하게 구현할 수 있도록 한 직접 분사 엘피아이 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은, 연료펌프에서 펌핑된 연료를 가압시켜 엔진으로 공급하도록 연료공급라인 상에 설치된 고압펌프; 일단부가 상기 고압펌프에 연결되어 가압된 연료가 충진되는 딜리버리 파이프; 상기 딜리버리 파이프에 연결되며 엔진의 실린더헤드에 결합되고, 점화플러그에 인접되게 장착된 인젝터; 상기 딜리버리 파이프의 타단에 연결되며 연료회수라인에 연결되어 고압을 유지시키도록 하는 고압레귤레이터를 포함하는 직접 분사 엘피아이 시스템에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 고압으로 가압된 연료를 엔진에 직접 분사함으로써 가솔린연료의 직접 분사방식에서 얻을 수 있는 장점인 동력성능향상, 연비절감, 탄소발생절감의 효과를 유사하게 얻을 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템에 대한 구성도, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템에서 일부를 확대한 상세도면이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템(A)은

연료가 저장되는 봄베(2); 상기 봄베(2) 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연 료펌프(3); 상기 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 엔진(E)으로 공급하는 연료공급라인(S); 상기 엔진(E)의 연료를 봄베(2)로 회수하는 연료회수라인(R)을 기본적인 구성으로 한다.

또한 상기 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 고압으로 가압시켜 엔진(E)으로 공급하도록 연료공급라인(S) 상에 고압펌프(6)가 장착된다.

그리고 상기 고압펌프(6)의 토출측에는 딜리버리 파이프(7)의 일단이 연결되며, 상기 딜리버리 파이프(7)에는 가압된 연료가 충진된다.

또 상기 딜리버리 파이프(7)로부터 연결관을 통해 연결된 인젝터(12)가 엔진(E)의 실린더헤드에 결합되되 점화플러그(P)에 인접되게 결합된다.

또한 상기 딜리버리 파이프(7)의 타단에는 고압레귤레이터(8)의 전단이 연결되며, 상기 고압레귤레이터(8)의 후단에 연료회수라인(R)이 연결된다.

상기 연료공급라인(S)에는 셧업밸브(SV)가 설치되며, 상기 셧업밸브(SV)의 후단과 딜리버리 파이프(7) 사이에 고압펌프(6)가 설치된다.

상기 고압펌프(6)는 연료펌프(3)에서 펌핑되어 연료공급라인(S)으로 이송된 연료를 100~200bar로 가압시키게 된다.

상기 고압레귤레이터(8)는 인젝터(12)를 통해 분사되는 연료의 압력이 딜리버리 파이프(7)내에서 고압상태, 즉 일예로써 120 bar 정도로 일정하게 유지되도록 하고, 그 이상의 오버플로우되는 압력을 봄베(2)로 회수되도록 하는 기능을 한다.

이하 본 발명에 따른 엘피지 직접분사 연료 공급 시스템의 작동에 대해 설명하기로 한다.

연료공급 계통위주로 살펴보면, 종래와 마찬가지로 봄베(2) 내에 1차로 액상의 연료를 가압 송출할 수 있는 연료펌프(3)가 설치되고, 상기 연료펌프(3)에서 1차 송출된 연료는 셧업밸브(SV)를 경유하면서 1차로 압력이 조정된 후 고압펌프(6)로 이송된다.

상기 고압펌프(6)는 100~200 bar 이상 압력을 승압 시킬 수 있는 펌프로서, 엔진 구동력(캠축)을 이용하여 연료를 시스템에서 필요한 압력을 2차 승압 시켜 연료를 공급한다.

승압된 연료는 연료공급라인(S)에 연결된 딜리버리 파이프(7)(delivery pipe)로 이송된다.

상기 딜리버리 파이프(7)로 이송된 연료는 인젝터(12)를 통해 직접 엔진(E)의 기통 내(실린더 내)에 분사된다.

이에 아울러 엔진(E)의 기통 내부로 공기가 주입되며 점화플러그(P)의 스파크 발생에 의해 폭발 및 연소가 수행된다.

한편 고압레귤레이터(8)의 조정압력 이상의 압력 혹은 유량은 딜리버리 파이프(7)의 타단에 설치된 고압레귤레이터(8)를 경유하여 연료회수라인(R)을 통해 봄베(2) 내로 회수된다.

이때 직접 봄베(2) 내로 유입되는것이 아니라 1차 압력 조정기(5)를 경유하 여 감압된 후 봄베(2) 내로 회수된다.

한편 본 발명은 연료 공급 및 여분의 연료를 회수하는 구조가 폐쇄된 시스템(closed system)으로 이루워져 있으므로 이를 통해 가능한 봄베(2) 내 열평형을 달성할 수 있다.

즉 통상적인 엘피아이 연료 공급시스템에서는 봄베(2) 내의 연료(에너지)가 송출됨으로써 내측 하부에는 액상이나 그 상부의 공간에서는 연료의 기화가 발생하며 봄베(2) 내 포화 증기압이 낮아지게 된다.

이로 인해 봄베(2)의 내부 온도가 급격히 내려가며, 연료가 더욱 쉽게 기화되어 1차 펌핑과정에서 캐비테이션(cavitation:공동현상)이 발생되어 연료펌프(3)에서 연료 송출 능력이 현저히 저하된다.

그렇지만 적절한 양의 회수되는 연료가 있을 경우에는 이 에너지로 인해 어느정도 일정한 열평형이 이루어질 수 있다.

즉, 엔진(E)에서 잔류된 연료 또는 고압레귤레이터(8)에서 오버플로우된 연료를 봄베(2)로 곧바로 회수함으로써 봄베(2) 내의 액상 연료의 수위를 적정하게 유지할 수 있고, 이로 인해 내부의 빈 공간의 급격한 증가를 막음으로써 캐비테이션을 억제시킬 수 있으며 이러한 상태가 열평형 상태이다.

이렇게 열평형이 이루어지게 되면 연료의 가압 송출과정이 원활하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해 엘피지 연료 공급 시스템의 성능이 최상으로 발휘될 수 있다.

여기서 회수되는 연료의 양은 봄베의 크기, 차량의 배기량에 따라 적절한 평가를 통해 열평형에 필요한 양을 제어할 수 있다.

그리고 바람직하게는 연료펌프(3) 및 고압펌프(6)는 다이어프램 펌프와 같은 용적형 펌프를 사용한다.

터빈 펌프와 같이 임펠러형의 펌프를 사용시는 2개의 펌핑과정으로 가압능력이 증가된 효과만 있지만, 용적형 펌프를 적용시 두 펌핑 능력이 배가될 수 있는 능력을 발휘하게 된다.

그리고 본 발명의 직접 분사 엘피아이 시스템의 적절한 구현을 위해 사용되는 엔진 구동축에 해당되는 캠축 동력에 의해 구동되는 2차 가압펌프는 캠축의 편심을 이용하여, 플런저형 펌프를 적용할 수 있고, 캠축의 회전동력을 이용하여 회전시 용적형 펌핑을 할 수 있는 구조로 이루워 질 수 있다.

한편 연료공급라인(S)에는 고압펌프(6)의 전,후단에 1차 및2차 압력을 확인할 수 있도록 압력 센서(미도시)가 더 구비된다.

또한 고압레귤레이터와 고압펌프를 한개의 유닛으로 구성함으로써 연료 유로를 가능한 줄일 수 있는 방법도 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업 자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래 엘피아이 시스템을 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템에 대한 구성도.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 직접 분사 엘피아이 시스템에서 일부를 확대한 상세도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 봄베 3 : 연료펌프

4 : 멀티밸브 5 : 1차 압력 조정기

6 : 고압펌프 7 : 딜리버리 파이프

8 : 고압 레귤레이터 12 : 인젝터

S : 연료공급라인 R : 연료회수라인

E : 엔진

Claims (8)

1. 연료가 저장되는 봄베; 상기 봄베 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프; 상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 엔진의 연료를 봄베로 회수하는 연료회수라인으로 구성된 엘피아이 시스템에 있어서,

   상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 가압시켜 엔진으로 공급하도록 연료공급라인 상에 설치된 고압펌프;

   일단부가 상기 고압펌프에 연결되어 가압된 연료가 충진되는 딜리버리 파이프;

   상기 딜리버리 파이프에 연결되며 엔진의 실린더헤드에 결합되고, 점화플러그에 인접되게 장착된 인젝터;

   상기 딜리버리 파이프의 타단에 연결되며 연료회수라인에 연결되어 고압을 유지시키도록 하는 고압레귤레이터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 고압펌프는 연료를 100~200bar로 가압시키는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고압레귤레이터는 고압펌프에서 송출된 압력 이상으로 상승되는 오버플로우 압력을 봄베로 회수시키는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
4. 연료가 저장되는 봄베; 상기 봄베 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프; 상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 엔진의 연료를 봄베로 회수하는 연료회수라인으로 구성된 엘피아이 시스템에 있어서,

   상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 가압시켜 엔진으로 공급하도록 연료공급라인 상에 설치된 고압펌프;

   상기 고압펌프에 통하며 엔진의 실린더헤드에 결합되고, 점화플러그에 인접되게 장착된 인젝터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 고압펌프는 연료를 100~200bar로 가압시키는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
6. 연료가 저장되는 봄베; 상기 봄베 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프; 상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 엔진의 연료를 봄베로 회수하는 연료회수라인으로 구성된 엘피아이 시스템에 있어서,

   상기 연료펌프에서 펌핑된 연료를 가압시켜 엔진으로 공급하도록 연료공급라 인 상에 설치된 고압펌프;

   일단부가 상기 고압펌프에 연결되어 가압된 연료가 충진되는 딜리버리 파이프;

   상기 딜리버리 파이프의 타단에 연결되며 연료회수라인에 연결되어 고압을 유지시키도록 하는 고압레귤레이터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 고압펌프는 연료를 100~200bar로 가압시키는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 고압레귤레이터는 고압펌프에서 송출된 압력 이상으로 상승되는 오버플로우 압력을 봄베로 회수시키는 것을 특징으로 하는 직접 분사 엘피아이 시스템.

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