KR20120028239A - 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20120028239A
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니콜라스 카터
리차드 더블유. 헐리
마크 디. 아처
알렉 지. 울레이
존 디. 에드셀
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 증기압 또는 그 근방에서 저장된 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 압력을 관리하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 연료 공급압에 응답하여, 연료 증기에 대한 액상 연료의 가변비는, 재충진의 예상시에 압력을 보다 낮게 유지할 목적으로 연료의 온도 및 압력을 조절하거나, 또는 연료를 불완전하게 증발시키고 있는 연료 시스템의 기화기를 조력하기 위해, 연료 탱크로부터 추출된다.

Description

연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법 및 장치{FUEL TANK TEMPERATURE AND PRESSURE MANAGEMENT VIA SELECTIVE EXTRACTION OF LIQUID FUEL AND FUEL VAPOR}
본 발명은 연료의 증기압 또는 그에 근방에서 연료 탱크(또는 용기) 내에 연료를 저장하는 연료 공급 시스템의 온도 및 압력 관리에 관한 것이다.
자동차 설계자는 현재 사용되는 차량보다 적은 유해한 온실가스 배출을 하는 차량을 제조하기 위해 계속하여 노력하고 있다. 차량 배출물을 저감하는 하나의 수단은 대체 연료를 이용하는 것이다. 가솔린 및 디젤 연료 등의 통상적으로 사용되는 연료는 원치 않는 화학물(예컨대, 황)을 함유할 수도 있는 복잡한 탄화수소의 혼합물이다. 비제한적인 예로서의 대체 연료의 하나의 형태는 액화 석유 가스(LPG)이다. LPG는 주로 프로판(3개 탄소 탄화수소) 및 부탄(4개 탄소 탄화수소)으로 이루어진다. 이러한 탄화수소는 가솔린 또는 디젤 연료보다 낮은 탄소 대 수소비를 갖는다. 탄소 대 수소비가 낮기 때문에, 가솔린 또는 디젤 연료의 연소시보다 LPG의 연소 시에 보다 낮은 이산화탄소가 발생된다. 가솔린 및 디젤 연료의 보다 긴 탄화수소 사슬은 배기가스 내의 원치 않는 미립자 배출물을 생성하기가 더욱 쉬워진다. LPG에 비해, 가솔린 및 디젤 연료는 2가지의 이점, 즉 (i) 가솔린 및 디젤 연료 양자가 표준 온도 및 압력(STP)에서 액체인 반면, 일반적인 주위의 작동 조건 하에서 LPG는 액화된 상태에서 유지되도록 압력 용기 내에 저장되어야 하고, (ii) 가솔린 및 디젤 연료는, LPG가 액체 상태에 있는 경우에도, LPG에 비해 연료의 단위 용적당 보다 많은 에너지를 생성하는 이점을 가진다.
일반적으로, 대체 연료를 이용하는 종래의 연료 시스템의 시스템 기능성은 하기와 같다. 연료는 기화기 및 압력 조절기(기화기-조절기)를 거쳐 연료 소비자에게 공급된다. 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 연료를 저장하는 연료 탱크로부터 나온다. 기화기-조절기로 공급되는 연료는 액상 연료, 연료 증기 또는 액상 연료 및 연료 증기의 혼합물로 이루어진다. 통상적인 작동 조건 하에서, 기화기-조절기로 공급되는 연료는 대부분 액상 연료로 이루어지지만, 얼마의 연료 증기를 포함할 수도 있다. 특이한 작동 조건(예컨대, 연료 탱크가 거의 빈 경우) 하에서, 기화기-조절기로 공급되는 연료는 대부분 또는 전적으로 연료 증기로 이루어질 수 있다. 통상적인 작동 조건 하에서, 기화기-조절기로 공급되는 연료는 기화기-압력 조절기에서의 최소의 연료 공급압 요건을 충족한다. 이러한 최소의 연료 공급압은, 기화기-조절기가 정확하게 기능하며 압력 조절기의 하류에서의 목표 연료 공급압이 연료 소비자의 연료 요구를 공급하도록 유지될 수 있음을 보장하기 위한 압력이다. 종래의 연료 시스템 실시예를 위해, 최소의 연료 공급압 요건은 연료 소비자에서의 배압, 연료 소비자에 대한 연료의 흐름률, 연료 소비자에게 공급되는 연료의 밀도, 또는 연료 소비자 외부로의 에너지 흐름률 등의 요인(예컨대, 연료 소비자가 내연기관인 경우, 최소의 연료 공급압 요건은 입구 매니폴드 압력, 연료 흐름률, 연료 밀도, 구동축 토크, 파워 출력 및/또는 회전 속도에 따라 다를 수 있음)에 따라서 변경될 수 있다. 몇몇의 종래 실시예는 연료 탱크 내의 연료의 증기압이 기화기-조절기에서의 최소 연료 공급압 요건을 충족하기에 충분히 크지 않은 환경에서 연료 공급압을 증대시키도록 연료 펌프와 끼워 맞춰질 수 있다.
일반적으로, 대체 연료를 이용하는 종래의 연료 시스템은 하기의 기능성 요건을 해결해야 하는데, 1) 기화기-조절기에서 최소의 연료 공급압 요건을 충족(이러한 최소의 연료 공급압 요건은 연료 소비자에서의 배압, 연료 소비자에 대한 연료의 흐름률, 연료 소비자로 공급되는 연료의 밀도, 또는 연료 소비자 외부로의 에너지 흐름률 등의 각종 요인에 따라서 변경할 수 있음)해야 하고, 2) 연료 펌핑 시스템의 최소화된 작동 및/또는 듀티 사이클을 충족(본 목적은 연료 펌핑에 의해 발생되는 소음을 감소시키고 그리고/또는 전기에너지 소비를 감소시키고 그리고/또는 연료 펌핑 시스템의 서비스 수명을 증대시킴)해야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 일반적인 LPG 연료 시스템(10, 10')의 예를 도시하며, 동일 참조부호는 동일 부품을 지칭하도록 사용되고, 도 1b는 명확성을 위해 줄여져 있다. 이와 같은 종래의 LPG 연료 시스템은, 예컨대 차량의 내연기관에 의해 이용되는 바와 같은 가스상 매니폴드 분사 타입이며, 본 시스템은 엔진용 입구 매니폴드 내로의 LPG 연료를 가스상으로 계측한다.
가압된 연료 탱크(또는 용기)(12)는 LPG 연료 내용물(15)을 액상(15') 및 기상(15")으로 보유한다. 연료 탱크(12)는 탱크 압력 완화 밸브(13)를 구비하며, 온도 센서(14) 및 압력 센서(16)를 구비할 수 있다. 연료 탱크(12)의 LPG 연료(15)는, 예컨대 연료 탱크 외부의 자동차 배기 시스템으로부터 나오는 외부 열(17), 및 도 1의 예에서, 예컨대 연료 펌프(26)의 작동으로 인해 연료 탱크 내의 부품으로부터의 열(19)을 받을 수 있으며, 이와 같은 모든 열원은 LPG 연료(15)의 온도를 높여서 연료 탱크 내의 증기압을 증대시킨다.
연료 탱크(12) 내에 수용된 부품은, 도 1a의 예에 있어서 연료 라인 펌핑 시스템(18)을 이루고, 도 1b의 예에 있어서 연료 라인(22)의 선단부에서 단지 필터(24)를 이룬다. 도 1a 및 도 1b의 양자의 예에서, LPG 연료(15)의 액상 연료(15')는 찌꺼기가 연료 라인에 들어가는 것을 방지하기 위해 필터(24)를 우선 통과한 후에 연료 라인(22)을 거쳐 추출된다.
도 1a의 예에서, 필터(24)는 연료 펌프(26)에 연결한다. 일반적으로, 필터(24)는, 연료 탱크(12) 내의 압력이 소정 레벨, 예컨대 3 바아의 압력(절대압) 아래인 경우 연료 공급압을 증가시키도록 체결된다. 연료 펌프(26)를 통과한 후에, 연료는 체크 밸브(25)를 통과한 다음, 필터(28)를 통과한다. 연료 압력 조절기(20)는 소정의 연료 압력차, 예컨대 약 2.5 바아의 압력차가 유지되도록 펌프(26) 및 연료 필터(28)를 가로지르는 압력차를 제어한다. 연료 필터(24)는 연료 펌프(26)의 상류에 위치되며 연료 펌프 내의 캐비테이션을 최소화하도록 낮은 압력 저항을 갖는다. 연료 필터(24)는 스트레이너의 형태를 취할 수 있는 반면, 연료 필터(28)는 연료 펌프(26) 및 그 체크 밸브(25)의 하류에 있는 연료 시스템 부품 내로 통과하는 찌꺼기를 방지하도록 설계된 더욱 미세한 필터이다. 연료 필터(28)를 가로지른 압력 강하는 연료 필터(24)를 가로지른 압력 강하보다 높을 수 있는데, 그 이유는 연료 필터(28)가 연료 펌프(26)의 하류에 위치되므로, 연료 펌프 캐비테이션이 연료 펌프(28)를 가로지른 압력 강하로 인해 발생하지 않기 때문이다.
도 1a 및 도 1b의 예에서, 연료 라인(22)은 통상적으로 연료 탱크의 벽에 장착되는 밸브 세트(36)에 연결한다. 일반적으로, 밸브 세트(36)는 하류의 연료 라인의 우발적인 파열의 경우에 과도한 흐름을 방지하기 위한 흐름 제어 밸브(30); 차량의 통상적인 작동 동안에 항상 개방되지만, 차량이 사용되고 있는 경우에 연료 탱크(12) 및 관련 구조체를 차량의 나머지 연료 라인으로부터 격리하도록 기술자가 서비스 밸브(32)를 수동으로 끄는 서비스 밸브(32); 및 제어기 또는 전자 제어 모듈(ECM)에 의해 일반적으로 제어되는 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(34)를 구비하며, 상기 제어기는 연료 라인(22)을 통한 연료 흐름의 차단을 필요로 하는 조건을 검출하기 위해 하나 이상의 센서(도시하지 않음)로부터의 정보를 조정한다. 이와 같은 조건의 일반적인 예는 운전자가 엔진 점화 스위치를 "오프"한 경우이다.
그 다음, 연료 라인(22)은 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(40)에 연결하며, 그 제어기(도시하지 않음)는 연료 라인(22)을 통한 연료 흐름의 차단을 필요로 하는 조건을 검출하기 위해 하나 이상의 센서(도시하지 않음)로부터의 정보를 조정한다. 차단 솔레노이드 밸브(40)를 통과한 후에, 연료는 기화기-조절기(38) 내로 통과한다. 일반적으로, 기화기(44)는 열교환 회로(46)를 구비하며, 여기에서 열이 액상 또는 기상인 연료를 과열된 가스상으로 변환할 목적으로 엔진 냉각 시스템(46a)으로부터 추출된다. 또한, 연료는 전기 히터(38a)에 의해 가열될 수 있으며, 열을 엔진 냉매와 교환하는 열교환기는 종종 열을 전기 히터와 교환하는 열교환기와 동일하다. 이와 같은 장치는, 엔진 냉각 시스템이 여전히 비교적 냉각된 경우에, 엔진 예열 동안에 연료를 과열된 가스 상태로 충분히 증발시키는데 필요한 추가적인 열을 제공한다.
그 다음, 가스상 연료는 기화기-조절기(38)의 압력 조절기(50) 내로 통과하며, 압력 조절기는 연료 레일(54) 내의 연료 압력을 제어하며 일반적으로 입구 매니폴드 압력으로 지칭되고, 예를 들면, 압력 조절기(50)는 입구 매니폴드 압력과 연료 레일 압력 사이에서 압력차를 유지할 수 있다. 기화기-조절기(38)의 최종 부품 또는 독립형 부품은, 예컨대 연료 레일 외부로의 연료 흐름이 없는 경우에 특정한 작동 조건 하에서 일어날 수 있는 소정 레벨을 초과하는(일반적으로 2 내지 3 바아에서 개방하는) 연료 레일 내의 가스의 압력을 방지하는 압력 완화 밸브(52)이다. 연료 레일 내의 가스상 연료의 압력이 이러한 소정 레벨을 초과하면, 압력 완화 밸브(52)는 압력 조절기(50)의 하류측으로부터 엔진 입구 매니폴드(도시하지 않음)와 같은 저압 위치로 과잉의 연료를 해제하도록 개방한다. 압력 완화 밸브(52)는 연료 탱크(12)에 끼워 맞춰지는 전술한 압력 완화 안전 밸브(13)와는 분리되고 그와는 상이하며, 26 내지 28 바아에서 일반적으로 개방할 것이다.
가스상 연료가 압력 완화 밸브(52)를 통과하기만 하면, 가스상 연료는 엔진(70)의 실린더(64a-64f)에 연료를 분배하는 연료 레일(54)에 들어가며, 본 명세서에서 연료 소비자의 능력으로 제공하는 엔진은 임의 개수의 실린더(6개가 예로서 도시됨)를 가질 수 있고, 각각의 실린더는 제어기 또는 ECM(도시하지 않음)에 의해 일반적으로 제어되는 연료 인젝터(56a-56f)를 구비한다. 또한, 연료 레일(54)은 온도 센서(60) 및 압력 센서(62)를 구비함으로써, 그로부터의 데이터가 엔진 시스템 제어기(도시하지 않음)에 의해 사용될 수 있다.
도 1c는 도 1a의 LPG 가스상 매니폴드-분사 연료 시스템(10)의 작동을 위한 일반적인 단계를 나타내는 알고리즘(80)의 일례를 도시한다.
블록(82)에서, 시스템은 연료 소비자가 "온"한 경우, 예컨대 점화 스위치가 엔진(70)을 시동하는 경우에 초기화한다. 그 다음, 알고리즘은 블록(84)으로 진행하며, 그에서의 데이터는 센서에 의해 획득되어, 기화기-조절기(38)에서 또는 그 상류에서 연료 공급압을 포함하는 탐색표로부터 연산 또는 획득될 수 있다. 그 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(86)으로 진행하며, 그에서의 질문은 연료 소비자의 연료 요구를 충족하는 기화기-조절기에 최소의 연료 공급압을 공급하기 위해 연료 펌핑이 요구되는지의 여부에 대해 이루어진다. 그 질문에 대한 대답이 "예"이면, 블록(88)에서 연료 펌핑이 작동되고, 또는 이미 작동되고 있으면, 연료 펌핑이 작동 유지되고, 알고리즘은 블록(84)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(86)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 블록(90)으로 진행하며, 그에서의 연료 펌핑은 작동되지 않게 유지되고, 또는 이미 작동되고 있으면, 연료 펌핑은 작동되지 않는다. 그 다음, 알고리즘은 블록(84)으로 복귀한다.
일반적으로, 종래의 LPG 연료 시스템뿐만 아니라 다른 가압형 연료 시스템에서 접할 수 있는 하나의 문제점은, 연료 탱크 내의 압력이 상당히 급속한 연료 보급을 허용하기에 급유 펌프(또는 연료 보급 스테이션)의 노즐에서 상대적으로 너무 높거나, 또는 임의의 연료 보급(충진 없는 스테이션)을 허용하기에 너무 높을 때의 연료 보급(또는 연료 충진)에 관한 것이다. 급속한 연료 보급이 일어나기 위해, 급유 펌프 노즐의 압력은 연료 탱크 내의 연료 증기압을 초과해야 한다. 이러한 압력차가 작아짐에 따라, 연료 충진의 속도가 늦어질 것이다. 이에 따라, 연료 탱크 내의 증기압은 소정의 증기압 임계치에 또는 그 아래가 되는 것이 바람직하며, 급유 펌프 노즐의 예상 압력에 따라 소정의 연료 충진 속도가 제공될 것이다. 이러한 관심사는 휘발성이 변하는 다수의 성분을 갖는 연료에 대해 악화된다.
종래의 LPG 연료 시스템뿐만 아니라 다른 가압형 연료 시스템에서 접할 수 있는 또 다른 문제점은, 냉간 경우(예컨대, 추운 날씨에서의 냉간 엔진 시동) 동안에 연료 소비자에게 증기를 전달하는 것에 관하며, 완전한 연료 증발을 제공하는 기화기의 성능은 연료 소비자에게서 요구된 질량 유량 속도에서 100% 연료 증발을 성취하는데 요구되는 것보다 낮을 수 있으므로, 소비자에게 연료가 부족해질 수 있다.
따라서, 연료 탱크의 연료 충진의 속도 및 용이성을 갖는 연료 탱크 내의 최대 증가압을 제한하는 한편, 기화기에 대한 원조로서 증기를 추출하는 몇 가지의 성능을 갖기 위해, 연료 탱크 내의 연료의 온도 및/또는 압력을 관리하는 몇 가지의 수단이 바람직하다.
연료 탱크 온도를 관리하는 상이한 방법이 가능하지만, 비용 관점에서 유리한 하나의 추출 방법은 연료 탱크로부터의 연료의 일부분을 기상으로 제거하는 것이다. 따라서, 본 발명은 연료 탱크로부터 액체, 증기 및/또는 액체와 증기의 연료를 선택적으로 추출하는 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템이며, 연료 증기의 추출은 연료 탱크 내의 기액평형을 깨뜨림으로써, 증발된 연료에 의해 증발 잠열의 결과적인 흡수에 의해 연료 탱크 내의 액상 연료의 추가적인 증발을 야기하므로, 연료 탱크 및/또는 연료 탱크 구조체 내의 연료를 냉각시키고 연료 탱크 내의 증기압을 감소시킨다.
비제한적인 예로서, 종래의 가스상 매니폴드-분사 LPG 연료 시스템과 마찬가지로, 본 발명은 기화기 및 압력 조절기(기화기-조절기)를 거쳐 연료 소비자에게 연료를 공급하는 반면에, 본 발명은 적어도 몇 가지의 작동 조건 하에서, 종래기술에 비한 추가적인 기능성, 즉 i) 충진 없는 상황의 가능성을 감소시키고 그리고/또는 연료 탱크를 충진하는데 필요한 시간을 감소시키도록 탱크 내의 연료의 온도 및 증기압을 관리; 및/또는 ii) 기화기에 들어가는 모든 액상 연료를 신뢰성 있게 증발시키기에 충분한 열에너지를 제공하는데 기화기가 바람직하지 못하고, 어렵거나 또는 불가능한 작동 조건(예컨대, 냉간 경우, 또는 기화기 내의 연료 히터가 연료 소비자의 질량 흐름 요구를 충족하기에 기능적으로 부적합한 경우에 기화기에 대한 도움이 필요한 경우) 하에서 기화기-조절기로의 연료 공급에서의 연료 증기의 비율을 증대시키기 위해, 기화기의 연료 공급 상류에서의 연료 증기에 대한 액상 연료의 가변비로서, 기화기-조절기의 최소의 연료 공급압 요건보다 크다.
일반적으로, 본 발명에 따른 연료 시스템은 종래기술에 더불어 하기의 기능성 요건을 해결해야 하는데, 이는 1) 기화기에 들어가는 모든 액상 연료를 신뢰성 있게 증발시키기에 충분한 열에너지를 제공하는데 기화기가 바람직하지 못하고, 어렵거나 또는 불가능한 작동 조건 하에서 기화기-조절기로의 연료 공급에서의 연료 증기의 증대된 비율을 충족시키고, 2) 충진 없는 상황의 가능성을 감소시키기 위해 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 증기압에 대한 관리를 충족하고, 3) 연료 탱크를 재충진(연료 충진)하는데 필요한 시간을 감소시키기 위해 연료 탱크 내의 온도 및 증기압에 대한 관리를 충족, (4) 본 발명에 특유한 연료 흐름 제어부의 최소화된 작동 및/또는 듀티 사이클을 충족해야 하며, 본 목적은 연료 흐름 제어에 의해 발생되는 소음을 감소시키고 그리고/또는 전기에너지 소모를 감소시키고 그리고/또는 연료 흐름 제어부(들)의 서비스 수명을 증대시키는 것이다.
본 발명에 따른 연료 시스템은 연료 내용물을 액상 및 기상 양자로 갖는 연료 탱크를 이용하며, 연료 저장 압력은 연료의 증기압 또는 그 근방이다. 이와 같은 방법으로 저장될 수 있는 연료는, 이에 한정되지는 않지만, 프로판, 부탄, 액화 석유 가스(LPG) 및 디메틸 에테르가 있다. 본 발명의 적용은 연료의 증기압 또는 그 근방에서 연료를 저장하는 모든 연료 시스템을 포함하도록 의도되며, 본원에 제공된 예시적인 LPG 연료 시스템은 단지 예시를 위한 것이다. 이에 따라, 'LPG'에 관한 임의의 참조는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장된 임의의 연료를 의미하도록 광범위하게 취해져야 하며, 본 발명의 범위를 LPG 연료 시스템에 제한할 의도의 것은 아니다. 마찬가지로, 자동차 연료 시스템에 대한 참조는 내연기관이거나 아닐 수 있는 연료 소비자에 의해 이용되는 임의의 가스상 연료 시스템 적용에 해당되기 때문에, 본 발명의 범위를 제한할 의도로 취해지지 않아야 한다.
연료의 증기압 또는 그 근방에서 저장된 연료는 다수 성분의 혼합물(예컨대, LPG는 일반적으로 프로판, 부탄 및 다른 탄화수소를 포함하는 다수 성분의 혼합물임)일 수 있다. 다수 성분의 연료 혼합물의 경우에는, 동일한 탱크 내의 연료 증기와 액상 연료의 화학 성분 간에 작은 차이가 있을 수 있다. 또한, 연료 탱크 내의 연료 증기의 화학 성분이 탱크가 빈 상태로 됨에 따라 연료 탱크 내의 액상 연료의 화학 성분보다 큰 정도로 변경되는 경우일 수도 있다. (이러한 화학 성분차 이면의 기술적 이유에 대한 논의로서, SAE 기술 논문 981388인 루츠 등에 의한 'The Effects of Fuel Composition, System Design and Operating Conditions on In-System Vaporization and Hot-Start of a Liquid-Phase LPG Injection System'을 참조.) 이와 같은 화학 성분차는 연료 공급이 대개 액상인 연료로부터 본 발명에 따른 다량의 증기상 또는 그 반대의 것을 함유하는 연료로 전환됨에 따라 화학양론의 공연비 및 연료 에너지 내용물에서 적은 차이를 초래할 수 있다. 그러나, 다수 성분의 혼합물로 이루어진 연료를 연소하는 연료 소비자는 일반적으로 연료 성분 변동에 대해 한계점 내에서 관대하다. 일반적으로, 이와 같은 시스템은 대개 액상인 연료로부터 대개 증기상인 연료로 전환함으로써 야기되는 화학 성분의 변동에 대해서도 관대할 것이다. 그러나, 몇몇 적용에서, 대개 액상인 연료로부터 대개 증기상인 연료로 전환하는 비율은 연료 성분의 갑작스런 '단차" 변화와 관련된 잠재적인 문제점을 방지하도록 제한될 필요가 있을 수 있다.
증기압에서 저장되며 일반적으로 다수의 성분을 갖는 LPG 및 다른 연료의 실시예는 화학 성분이 상이한 증기압을 각각 가진다는 점이다. LPG 연료 내에 존재할 수 있는 높은 증기압 성분의 예로는, 에탄, 질소 및 이산화탄소가 있으며, 탱크 제조 또는 서비스에서 공기(또는 누설 검출을 위해 사용되는 질소 등의 다른 오염 가스)를 완전히 퍼지 아웃(purge out)되지 않을 수 있는 탱크 내에 도입할 수 있다. 연료 탱크 내의 증기압은 연료 혼합물의 증기압이지만, 개별적인 화학 성분은 혼합물의 증기압보다 높거나 또는 낮은 증기압을 가질 수 있다. 높은 증기압의 화학 성분이 그들의 가스상으로 유지되는 경향이 증대되므로 연료 탱크 내의 압력이 증대됨에 따라 '응축"보다는 "압축"되기 때문에, 탱크를 재충진하는 성능에 악영향이 미친다. 유리하게, 본 발명은 1) 일반적으로 연료 탱크로부터 액체만을 유지하는 종래의 연료 시스템으로 성취될 수 있는 것보다는 신속한 속도로 높은 증기압의 화학 성분을 선택적으로 제거함으로써, 연료 시스템이 재충진 문제점에 대해 연료 조성 변경에 대해 보다 관대하게 하는 성능, 2) 제조 또는 서비스 후에 오염된 화학 성분을 제거하는 성능, 3) 연료 탱크 내의 높은 증기압 성분을 선택적으로 유지(즉, 종래의 액체 공급 연료 시스템에 의한 높은 증기압 성분의 보유와 유사함)함으로써, 높은 연료 탱크압이 변형 수단(예컨대, 연료 펌프의 작동)에 의해 압력을 증대시킬 필요성을 감소시키는데 도움을 주는 경우에 저온 작동 조건 하에서 바람직할 수 있다.
예로서, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템은, 본 발명에 따라 변경된 종래의 가스상 매니폴드-분사 LPG 연료 시스템(도 1a 및 도 1b에 예시함)과 함께 실시될 수 있거나, 또는 이와는 달리 실시될 수 있다.
본 발명의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템은, 모든 또는 대부분 액체 연료를 제공하는 제 1 연료 공급 라인("FF1"으로 지칭); 모든 또는 대부분 연료 증기를 제공하는 제 2 연료 공급 라인("FF2"으로 지칭); FF1을 FF2에 유체식으로 연결하며 종래의 연료 시스템의 하류에 있는 합류점; 및 FF1 및 FF2 중 적어도 하나의 연료 흐름 제어부를 이용함으로써, 연료 탱크로부터 기화기-조절기로 (i) 연료 증기, (ii) 액상 연료, 또는 (iii) 액상 연료 및 연료 증기를 바람직하게 가변 질량 흐름비로 선택적으로 추출하며, 증기원은 연료 탱크 내의 내이티브 증기이고, 또는 변형 실시예에서 증기원은 인탱크 증발기 시스템에 의해 제공된다.
본 발명에 의하면, (예컨대, 연료 탱크 내에 있거나 또는 그와는 달리 연료 탱크에 열적으로 연결된 연료 펌프 및/또는 다른 전기 장치의 작동으로부터) 증발 및/또는 팽창의 잠열, 및/또는 가열에 의한 냉각은 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 증기압을 제어하도록 집합적으로 이용된다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료 소비자의 하류에 연결된 기화기-조절기에 연료를 공급하기 위한 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템을 제공하는 것이며, 연료는 포화된 액상 연료 및 연료 증기의 선택된 상대 비율의 형태이며, 연료 증기에 대한 액상 연료의 비는 i) 신속하고 급속한 재충진(또는 연료 보급)을 용이하게 하도록 연료 탱크 내의 증기압에 대한 관리, 그리고/또는 ii) 기화기에 대한 조력으로서 연료 증기를 기화기-조절기에 공급하도록 작동식으로 제어된다.
본 발명의 이와 같은 목적 및 추가적인 목적은 바람직한 실시예에 관한 하기의 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1a는 연료 펌프를 구비하는 자동차용 종래의 가스상 매니폴드-분사 LPG 연료 시스템의 개략도,
도 1b는 도 1a에서와 같이 자동차용 종래의 가스상 매니폴드-분사 LPG 연료 시스템의 부분 절개도이지만 연료 펌프를 구비하지 않는 도면,
도 1c는 도 1a의 종래의 연료 시스템을 위한 종래의 예시적인 작동 알고리즘,
도 2는 1) 종래의 연료 시스템에 따른 연료 탱크 내의 연료 압력의 확률 분포에 대한 일례, 2) 급유 펌프의 연료 공급압의 확률 분포에 대한 일례, 및 3) 연료 탱크 내의 연료 압력의 확률 분포에 대한 본 발명의 영향의 일례를 도시한 비교 그래프,
도 3은 본 발명의 포괄적인 렌더링에 대한 개략도로서, 제 1 연료 공급 라인(FF1), 제2 연료 공급 라인(FF2), 합류점 및 흐름 제어부를 구비하며, 모든 요소는 연료 탱크의 네이티브 연료 증기를 추출(즉, 인탱크 증발을 제외)하는 본 발명의 실시예에 대해 공통적인 도면,
도 4는 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템을 위한 예시적인 작동 알고리즘,
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 알고리즘의 히스테리시스 루프 실시에 대한 개략도로서, 연료 공급압의 함수로서 (종래의) FF1 펌핑, FF1 흐름 제어부 및 FF2 흐름 제어부를 위한 작동 상태를 도시한 도면,
도 6a는 본 발명에 따라 연료 소비자에게 기화기-조절기를 거쳐 연료를 공급하기 위한 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 1 예에 관한 개략도,
도 6b는 도 6a의 시스템을 위한 예시적인 작동 알고리즘,
도 7a는 본 발명에 따라 연료 소비자에게 기화기-증발기를 거쳐 연료를 공급하기 위한 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 2 예에 관한 개략도,
도 7b는 도 7a의 시스템에 대한 예시적인 작동 알고리즘,
도 8은 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 1의 바람직한 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 2 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 3의 바람직한 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도,
도 11은 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 4 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도,
도 12는 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 5 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도,
도 13은 도 10의 실시예를 이용하여 수행되는 시험 동안에 획득된 연료 탱크 압력 대 연료 소비의 변화율에 대한 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 6 예를 구비한 가스상 연료 시스템의 개략도로서, 인탱크 증발기 시스템을 구비한 도면.
도면을 참조하면, 도 2 내지 도 14는 단지 예시로서 자동차용 종래의 변형된 가스상 매니폴드-분사 LPG 연료시스템과 함께, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템을 실시하기 위한 실시예를 도시하며, 본 발명은 이와는 달리 실시될 수 있고, 연료 소비자로서 내연기관을 포함하지 않을 수도 있다. 이와 관련하여, 상술한 바와 같이, LPG 연료 시스템에 대해 본원에서 기술된 바람직한 실시는 연료의 증기압 또는 그 근방에서 연료를 저장하는 임의의 연료 시스템에 포괄적으로 적용가능한 것으로 판독되어야 한다. 비제한적인 예로서, 이와 같은 연료에는, 이에 한정되지는 않지만, 프로판, 부탄, 액화 석유 가스(LPG) 및 디메틸 에테르가 있다. 이에 따라, 'LPG'에 관한 임의의 참조는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장된 임의의 연료를 의미하도록 광범위하게 취해져야 하며, 본 발명의 범위를 LPG 연료 시스템에 제한할 의도의 것은 아니다. 마찬가지로, 자동차 연료 시스템에 대한 참조는 내연기관이거나 아닐 수 있는 연료 소비자에 의해 이용되는 임의의 가스상 연료 시스템 적용에 해당되기 때문에, 본 발명의 범위를 제한할 의도로 취해지지 않아야 한다.
본 발명에 의해 해결되는 하나의 관점은 연료 탱크의 재충진(또는 연료 보급)을 용이하게 하는 것이다. 급속하게 발생하는 재충진을 위해, 급유 펌프(재충진 펌프) 노즐의 압력은 연료 탱크 내의 연료 증기압을 초과해야 한다. 탱크 내의 연료 증기압이 급유 펌프 노들 압력에 도달함에 따라, 재충진의 속도가 감소하고, 연료 증기압이 급유 펌프 노즐 압력에 대해 충분히 높다면, 재충진이 불가능할 수 있다. 탱크 내의 연료 증기압에 의해 야기되는 과도한 배압으로 인해 급유 펌프 노즐로부터 연료 탱크 내로 연료를 흘릴 수 없는 재충진이 불가능한 상황은 크게 바람직하지 못하다. 이와 같은 충진 없는 상황에 있게 되면, 이러한 문제점을 극복하는데 종래기술에 사용된 기술은 연료 탱크 내의 증기압을 감소시키기 위해 연료 탱크의 내용물을 냉각시키는 것이다. 이를 위한 종래기술의 방법에는, 연료 탱크 위에 냉각수를 붓는 것이나, 또는 연료 탱크 상에 얼음 또는 습한 천을 배치하는 것이 있다. 이러한 방법은 실시하기가 어렵고 시간 소모적일 수 있고, 환경에 따라 수용가능하지 않고, 수용하지 않을 수 있다.
연료 탱크를 재충진하는 성능에 비한 관심사는 변경되는 휘발성의 다수 화학 성분을 갖는 연료에 대해 관대하다. 일반적으로 증기압으로 저장되는 LPG 및 다른 연료는 다수의 화학 성분을 가지며, 각각은 상이한 증기압을 갖는다. LPG 연료 내에 존재할 수 있는 높은 증기압 성분의 예로는, 에탄, 질소 및 이산화탄소가 있으며, 탱크 제조 또는 서비스에서 공기(또는 누설 검출을 위해 사용되는 질소 등의 다른 오염 가스)를 완전히 퍼지 아웃되지 않을 수 있는 탱크 내에 도입할 수 있다. 연료 탱크 내의 증기압은 연료 혼합물의 증기압이지만, 개별적인 화학 성분은 혼합물의 증기압보다 높거나 또는 낮은 증기압을 가질 수 있다. 화학 성분의 증기압이 혼합물보다 높다면, 그 성분은 가스상으로 유지되는 경향이 있고, 화학 성분의 농도(몰분율)는 액상에 대해 기상에서 보다 높을 것이다. 그와는 반대로, 화학 성분의 증기압이 혼합물보다 낮다면, 화학 성분의 농도(몰분율)는 액상에 대해 기상에서 보다 낮을 것이다. 연료 탱크 내의 기상의 화학 성분은 액상의 화학 성분과 일반적으로 상이한데, 그 이유는 기상은 액상에 대한 높은 증기압 화학 성분의 보다 높은 농도(몰분율)를 함유하기 때문이다. 그 결과, 높은 증기압 화학 성분이 연료 탱크로부터 후퇴될 수 있는 속도는 연료 증기가 추출될 때에 비해 액상 연료가 추출될 때보다 늦다. 따라서, 연료 탱크가 비워짐에 따라, 최종의 증기압은 화학 성분의 비와 관련하고, 추출되는 연료 증기에 대한 액상 연료의 비에 따라 다를 것이다. 높은 휘발성(높은 증기압을 야기하는) 화학 성분이 그 가스상으로 유지되어 연료 탱크 내의 압력이 증대됨에 따라 "응축"보다는 "압축"하는 것이 호의적이라면, 연료 탱크를 재충진하는 성능에는 악영향이 미친다. 연료 탱크가 완전히 채워질 수 있기 전에 연료 탱크 압력이 급유 펌프 노즐에 도달하면, 연료 탱크를 완전히 재충진(연료 보급)하는 것이 가능하지 않을 것이다. 이에 따라, 높은 증기압 성분이 연료 탱크 내에 축적되는 것이 허용되면, 재충진의 속도가 늦어지거나, 또는 재충진이 방지될 수 있다(충진 없는 상황). 이러한 문제점은, 현재의 재충진 동안에, 높은 증기압 화학 성분의 비교적 많은 양이 연료 소비자의 작동 동안에 제거되는 것보다 연료 탱크에 추가된다. 따라서, 높은 증기압 화학 성분의 농도를 공급되는 연료 내에서 낮은 레벨로 유지하는 것이 바람직하지만, 이는 연료 비용을 증대시킬 수 있고, 연료 탱크 재충진의 관점으로부터의 소정의 낮은 레벨이 실제로 항상 충족되지 않을 수 있다.
재충진 동안에, 급유 펌프 공급 탱크로부터의 연료는 일반적으로 급유 펌프 노즐에 공급된다. 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 연료의 경우에, 재충진(연료 보급)되는 급유 펌프 공급 탱크 및 연료 탱크 양자 내의 압력은 연료의 증기압에 근접할 것이고, 양자의 탱크는 액상 연료와 연료 증기의 혼합물을 수용할 것이다.
충진 없는 상황의 가능성에 영향을 미칠 수 있는 변수에는, 1) 급유 펌프를 가로지르는 압력차; 2) 재충진되는 연료 탱크의 것에 대한 급유 펌프 공급 탱크 내의 액상 연료 레벨의 높이(예컨대, 급유 펌프 공급 탱크가 지면 아래에 위치될 수 있는 한편, 연료 탱크는 일반적으로 지면 위에 위치됨); 3) 급유 펌프 공급 탱크 내의 연료의 화학 성분(연료 증기압은 화학 성분으로 변경하고, 급유 펌프 노즐에서의 공급압은 급유 펌프 공급 탱크가 낮은 증기압의 연료를 수용한다면 감소될 수 있음); 4) 급유 펌프 공급 탱크 내의 연료의 온도(보다 낮은 연료 온도가 급유 펌프 탱크 내의 증기압 및 이에 따른 급유 펌프 노즐에서의 공급압을 감소시킴); 5) 재충진되는 연료 탱크 내의 연료의 화학 성분(연료 증기압은 화학 성분으로 변경하고, 급유 펌프 노즐에서 연료 탱크 계면부로의 배압은 연료 보급되는 연료 탱크가 높은 증기압의 연료를 수용한다면 감소됨); 및 6) 재충진되는 연료 탱크 내의 연료의 온도(높은 연료 온도는 급유 펌프 노즐에서 연료 탱크 계면부로의 배압을 증대시킴)가 있다. 제 5 및 제 6의 변수에 대한 제어가 본 발명의 핵심이다.
제 6 변수(재충진되는 연료 탱크 내로의 연료의 온도)에 영향을 미칠 수 있는 요인에는, 1) 주위 온도(보다 높은 주위 온도는 보다 높은 연료 온도를 향하는 경향이 있음), 2) 연료 탱크로의 배기 시스템의 근접성(감소된 분리는 일반적으로 연료 탱크로의 증대된 열전달을 초래함), 3) 엔진 부하(보다 높은 엔진 부하는 배기 시스템으로부터 연료 탱크로의 증대된 열전달을 초래할 수 있음), 4) 연료 탱크 위로의 공기류(증대된 공기류는 보다 양호한 대류성 냉각을 초래함), 및 5) 엔진 작동시간(보다 긴 시간은 연료 탱크로의 보다 많은 열전달로 바꿀 수 있음)이 있다.
도 2는 압력 대 확률의 그래프(100)이며, LPG 연료 탱크의 재충진(또는 연료 보급)이 연료 탱크 내의 증기압에 의해 얼마나 영향을 받을 수 있는지에 대해 예시한다. 분포 곡선(102)은 급유 펌프(또는 연료 공급 스테이션)의 급유 펌프 노즐 압력의 히포테시스 확률 분포를 나타내고, 분포 곡선(104)은 재충진의 개시 바로 전에 종래기술의 작동 조건 하에서 LPG 연료 탱크 내의 연료 증기압의 히포테시스 확률 분포를 나타내며, 지점(106)은 연료 탱크 압력 완화 밸브(13)(도 1a 및 도 1b에 도시함)를 개방하는 압력을 나타낸다. 양자의 분포 곡선(102, 104)은 주위 온도 및 연료 화학 성분 등의 요인에 의해 영향을 받으며, 이는 충진 대 충진 그리고 마켓 대 마켓으로 변경할 수 있다. 단지 예로서, 급유 펌프로부터 연료 탱크 내로의 연료 흐름을 용이하게 하기 위해서는, 급유 펌프 노즐 압력은 충진 스테이션 환경에서 연료 탱크의 급속한 재충진을 용이하게 하기 위해 연료 탱크 내의 연료 증기압의 것보다 약 5 바아 이상 높아야 한다.
분포 곡선(108)은 본 발명의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템에 따른 작동 조건 하에서 LPG 연료 탱크 내의 연료 증기압의 히포테시스 확률 분포를 나타내며, 본 발명은 1) 탱크 내의 연료의 온도 및 압력을 조절하기 위해 연료 탱크로부터 추출되는 연료 증기에 대한 액상 연료의 비를 변경하는 성능; 2) 종래의 액상 연료 공급 시스템(예컨대, 도 1a 및 도 1b)에 의해 성취될 수 있는 것보다 빠른 속도로 높은 증기압 화학 성분을 추출함으로써, 연료 시스템이 재충진 문제점에 대한 연료 품질 변경에 보다 관대한 성능; 3) 제조 또는 서비스 후에 가스상의 오염 화학 성분을 제거하는 성능; 4) 연료 탱크 내의 높은 증기압 성분의 선택적인 보유(즉, 일반적으로 연료 탱크로부터 액상 연료만을 유도하는 종래의 연료 시스템에 의한 높은 증기압 성분의 보유와 유사함)함으로써, 높은 연료 탱크압이 변형 수단(예컨대, 연료 펌프의 작동)에 의해 압력을 증대시킬 필요성을 감소시키는데 도움을 주는 경우에 저온 작동 조건 하에서 바람직할 수 있는 성능이 있다.
도 3 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템에 대한 광범위한 예는 연료 탱크 내의 연료의 네이티브 연료 증기의 선택적인 제거에 관한 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템(120)은 제 1 연료 공급 라인(FF1)(단순히 "FF1"으로서 지칭됨), 및 제 2 연료 공급 라인(FF2)(단순히 "FF2"로서 지칭됨)을 구비한다. FF1과 FF2를 포함하는 부품은 본 발명에 의해 종래기술의 연료 시스템에 추가되는 새로운 부품이며, 이러한 부품은 합류점(130) 및 흐름 제어부(125)를 포함한다. FF1은 연료 펌프를 구비할 수도 있는 종래기술의 연료 시스템(98)으로의 연결부를 거쳐 모든 또는 대부분의 액체 연료(예컨대, 대부분이 포화된 액상 연료이지만, 몇몇의 연료 증기를 포함할 수 있음)를 제공한다. FF1은 FF1 흐름 제어부(128) 및/또는 필터(126)를 구비할 수도 있다. FF2는 FF2 흐름 제어부(138) 및/또는 필터(134)를 구비할 수도 있다. 흐름 제어부(125)는 (끼워 맞춰진다면) FF2 흐름 제어부(138) 및/또는 (끼워 맞춰진다면) FF1 흐름 제어부(128)를 구비하며, 단일의 부품 또는 다수의 부품일 수 있다. 합류점(130)은 FF1을 FF2에 유체 연결하고, FF1 및 FF2를 기화기-조절기 전의 어느 위치에서 FF1 및 FF2 양자의 하류에 있는 종래의 연료 시스템(98)에 유체 연결한다.
증기압 또는 그 근방에서 연료를 저장하는데 사용되는 연료 탱크는 액상 연료로 100% 충진되지 않는다. 그 대신에, 연료 탱크는, 탱크 내의 액상 연료가 소정 레벨에 도달하기만 하면 연료 탱크 내로 추가적인 연료가 흐르는 것을 방지하는 충진 제한 장치와 끼워 맞춰진다. 예를 들면, LPG의 경우에, 충진 제한 장치는 연료 탱크 내의 액상 연료의 용적이 총 탱크 용적의 약 80%인 경우에 탱크 내로 추가적인 연료가 흐르는 것을 정지시키도록 설계된다. 따라서, LPG 연료 탱크가 "완전히 충진"된 경우에도, 연료 탱크의 상부에서 액체 위에 증기의 용적이 있고, 이어란 증기 공간은 연료 탱크로부터 연료가 후퇴됨에 따라 그 크기가 성장한다. FF2 연료 입구(132)는 종래의 연료 시스템(98)의 네이티브 연료 증기에 노출되도록 연료 탱크 내의 액상 연료의 표면 위에 이와 같은 증기 공간이 위치되며, 그 증기압 또는 그 근방에 있다. 흐름 제어부(128, 138) 및 합류점(130)은 연료 탱크의 내부, 연료 탱크의 벽, 또는 연료 탱크 외부에 배치되며, 종래의 연료 시스템의 하드웨어의 상류 또는 하류에 의해 부여된 규제적인 구속 및/또는 위치적인 구속을 받을 수 있다. FF2는 하기의 요건 중 어느 것이 보다 긴박한지에 따라 여과되어야 하며, 이는 (1) FF2 흐름 제어부(138)에 의해 요구되는 여과 정도; 또는 (2) (끼워 맞춰진다면) FF1 흐름 제어부(128)에 의해 요구되는 여과 정도; 또는 (3) 종래의 연료 시스템(98)에 의해 요구되는 여과 정도(주석: 몇몇의 종래의 연료 시스템에서, 추가적인 연료 필터는 합류점(130)의 하류에 위치될 수 있음)이다. FF2 연료 흐름류는 추가적인 여과를 필요로 하지 않기에 충분히 깨끗할 수 있는 것이 가능하고, 또한 필터(134)가 입구(132)로서 기능하는 것이 가능하다. FF2 흐름 제어부(138)는 입력으로서 하나 이상의 연료 압력 신호에 의해 제어되고, 필요하다면 FF2를 차단[예컨대, 합류점(130)에서 연료 공급압 요건을 충족]할 수 있어야 하고, 완전히 개방한 경우에 연료 흐름에 대한 낮은 저항성을 제공해야 한다.
FF1으로의 액상 연료의 공급원은 연료 탱크 내의 액상 연료의 표면 아래의 위치에서 종래의 연료 시스템(98)으로부터 나온다. 이러한 연료는 연료 필터, 및/또는 작동 시에 연료 탱크 증기압 위로 연료 공급압을 증대시키는 연료 펌프, 및/또는 체크 밸브 등의 연료 흐름 제어부를 이미 통과할 수 있다. FF1은 하기의 요건 중 어느 것이 보다 긴박한지에 따라 여과되어야 하며, 이는 (1) FF1 흐름 제어부(128)에 의해 요구되는 여과 정도; 또는 (2) (끼워 맞춰진다면) FF2 흐름 제어부(138)에 의해 요구되는 여과 정도; 또는 (3) 종래의 연료 시스템(98)에 의해 요구되는 여과 정도(주석: 종래의 연료 시스템이 이러한 위치의 상류에 있는 연료 필터를 내장한다면, FF1 흐름류의 추가적인 여과가 필요하지 않을 수 있음)이다. (끼워 맞춰진다면) FF1 연료 흐름 제어부(128)는 입력으로서 하나 이상의 연료 압력 신호에 의해 제어되며, 필요하다면 FF1을 차단(예컨대, 탱크 압력이 높은 경우 또는 FF1 내로 후방으로 연료 증기가 흐를 위험이 있는 경우)할 수 있어야 하고, 완전히 개방된 경우 연료 흐름에 대한 낮은 저항성을 제공해야 한다. 종래의 연료 시스템은 이러한 위치의 상류에 있는 연료 흐름 제어부(예컨대, 안전 솔레노이드 밸브)를 이미 내장할 수 있으며, 이 경우 이러한 위치에 제 2 연료 흐름 제어부가 필요하지 않을 수 있다.
합류점(130)은 연료 탱크 내의 액상 연료의 표면 위에 있는 레벨(높이)에 위치되는 것이 바람직하다. 합류점(130)이 연료 탱크 내의 액상 연료의 표면 이하에 위치되면, 연료 흐름 제어부는 (예컨대, 합류점이 FF1을 거쳐 합류점 내로 흐르는 액상 연료와 연속적으로 잠기는 것을 방지하기 위해) FF1을 거쳐 액상 연료 흐름을 차단하도록 요구된다. 몇몇 환경에서, 합류점(130)으로부터 FF1 및 FF2 중 어느 하나 내로의 소량의 역류가 있을 수 있다. 합류점(130)으로부터 나오는 연료에 대한 액상 연료의 비는 (끼워 맞춰진다면) 종래의 연료 펌프 및/또는 (끼워 맞춰진다면) FF2 흐름 제어부(138) 및/또는 (끼워 맞춰진다면) FF1 흐름 제어부(128) 중 하나 이상에 의해 제어된다.
본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 작동에 대해, 작동 부품, 예를 들면, (끼워 맞춰진다면) FF1 흐름 제어부, (끼워 맞춰진다면) FF2 흐름 제어부, 합류점 및 (끼워 맞춰진다면) 연료 펌프는 작동 충돌이 회피되도록 서로 동시에 작동된다.
도 4는, 도 5a 내지 도 5c(도 4의 알고리즘을 실시하는 히스테리시스 루프의 개략도)와 함께 고려되어야 하는 도 3에 도시한 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템(120)을 실시하기 위한 예시적인 알고리즘을 도시하며, 연료 공급압의 함수로서 (종래의) FF1 펌핑, FF1 흐름 제어부 및 FF2 흐름 제어부를 위한 작동 상태를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c에서, 임계 압력(P1, P2, P3, P4, P5, P6, PMIN -L 및 PMIN -V)은 사전 선택된 값이다. PMIN -L 및 PMIN -V는 연료 공급압이 100% 포화된 액상 연료 공급 및 100% 가스상 연료 공급을 갖는 기화기-조절기에서의 최소의 연료 공급압 요건을 충족하는 것을 보장하도록 선택되며, 이는 연료 공급압이 기대되는 작동 조건의 전체 범위 위로 적합하도록 선택된 상수, 또는 즉각적인 연료 흐름률, 연료 탱크 내의 연료의 밀도 등의 입력에 근거하여 증대 또는 감소할 수 있는 변수일 수 있다. 도 5a의 히스테리시스 루프(180)에서, 안정된 작동을 위해, P1과 P2 사이의 압력차는 FF1 연료 펌핑이 작동되는 경우 기화기-조절기에서 받는 연료 공급압 증대보다 커야 한다. 도 5b의 히스테리시스 루프(182)에서, 안정된 작동을 위해, P5과 P6 사이의 압력차는 액상 연료 공급으로부터 연료 증기 공급으로 전환될 때에 기화기-조절기에서 받는 연료 공급압 감소보다 커야 한다. 도 5c의 히스테리시스 루프(180)에서, 안정된 작동을 위해, P3과 P4 사이의 압력차는 액상 연료 공급으로부터 연료 증기 공급으로 전환될 때에 기화기-조절기에서 받는 연료 공급압 감소보다 커야 한다. 단지 예로서, P1은 3.5 바아일 수 있고, P2는 6.5 바아일 수 있고, P3은 4 바아일 수 있고, P4는 8 바아일 수 있고, P5는 4 바아일 수 있고, P6은 8 바아일 수 있고, PMIN-L은 3.5 바아일 수 있으며, PMIN -V는 4 바아일 수 있다.
도 4에서, 알고리즘은 박스(142)에서 시작하고, 시스템의 그 조건에서 스위치 "온"되는 연료 소비자에 대한 초기화 값으로 설정되며, (시스템 내에 끼워 맞춰진다면) FF1 흐름 제어부(128)는 작동되고, (시스템 내에 끼워 맞춰진다면) FF2 흐름 제어부(138)는 작동되지 않고, FF1 연료 펌핑이 (시스템 내에 끼워 맞춰진다면) 종래의 연료 시스템(98)을 거쳐 개시된다. 여기서, "통상적으로 오프" / "통상적으로 폐쇄" 관념이 가정되며, 용어 "작동"은 완전히 개방 또는 부분적으로 개방하도록 "온"하는 것을 의미하고, 용어 "비작동"은 "오프" 또는 폐쇄하도록 의미한다. 이러한 관념은 연료 시스템에 끼워 맞춰지는 연료 펌프 및 임의의 밸브의 상태를 요약하여 그리고 명확하게 기술한다. "통상적으로 개방" 대 "통상적으로 폐쇄" 밸브는 이러한 관념을 이용하여 뒷받침되는 것으로 의도되지 않는다. "통상적으로 개방" 또는 "통상적으로 폐쇄" 밸브가 사용되는지의 여부는 (고장-안전 요건을 포함하는) 기능성 요건 및 비용에 따라 다를 것이다. LPG 연료와 함께 사용되기에 적합한 저비용의 "기성품"의 솔레노이드 밸브는 일반적으로 "통상적으로 폐쇄"된 것이지만, FF1 흐름 제어부의 일부로서 솔레노이드 밸브가 끼워 맞춰진다면, "개방 회로"의 경우에 이러한 타입의 밸브가 종래의 연료 시스템과 동일한 기능성으로 복귀함에 따라, 이와 같은 밸브가 "통상적으로 개방"되는 것이 바람직할 수 있다.
그 다음, 알고리즘은 블록(144)으로 진행하고, 그에서의 데이터는 센서에 의해 얻어지며, 탐색표로부터 연산 및/또는 획득된다. 일반적으로, 이는 바람직하게 종래의 연료 시스템(98)의 기화기-조절기의 바로 상류에 연료 공급압을 구비할 것이다. 그 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(146)으로 진행한다.
디시즌 블록(146)에서, FF1 흐름 제어부가 시스템 내에 존재한다면, 연료 공급압이 P5보다 낮은지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(148)으로 진행하고, 거기에서 FF1 흐름 제어부(128)가 작동되고, 그 다음 알고리즘은 디시즌 블록(150)으로 진행하며, 그와는 달리 디시즌 블록(150)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(150)으로 바로 진행한다.
디시즌 블록(150)에서, FF2 흐름 제어부가 시스템 내에 존재한다면, 연료 공급압이 P3보다 낮은지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(152)으로 진행하며, 거기에서 FF2 흐름 제어부(138)는 작동되지 않고, 그 다음 알고리즘은 디시즌 블록(154)으로 진행하며, 그와는 달리, 디시즌 블록(150)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"였다면, 알고리즘은 디시즌 블록(154)으로 직접 진행한다.
디시즌 블록(154)에서, 종래의 연료 시스템이 연료 펌프를 구비하는지의 여부에 대해 질문이 이루어지며, 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(164)으로 진행하고, 그와는 달리 디시즌 블록(154)에서 질문에 대한 대답이 '예"였다면, 알고리즘은 디시즌 블록(156)으로 진행한다.
디시즌 블록(156)에서, 연료 공급압이 P1보다 낮은지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(158)으로 진행하는 한편, 그에서 FF1 연료 펌핑이 작동되고 난 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(160)으로 진행하고, 그와는 달리 디시즌 블록(156)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(160)으로 진행한다.
디시즌 블록(160)에서, 연료 공급압이 P2 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(162)으로 진행하는 한편, 그에서 FF1 연료 펌핑이 작동되지 않고, 그 다음 알고리즘은 디시즌 블록(164)으로 진행하고, 그와는 달리 디시즌 블록(156)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(164)으로 직접 진행한다.
디시즌 블록(164)에서, FF2 흐름 제어부가 시스템 내에 존재하면, 연료 공급압이 P4 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(166)으로 진행하는 한편, 그에서 FF2 흐름 제어부(138)가 작동되고 난 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(168)으로 진행하고, 그와는 달리 디시즌 블록(164)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(168)으로 직접 진행한다.
디시즌 블록(168)에서, FF1 흐름 제어부가 시스템 내에 존재하면, 연료 공급압이 P6 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(170)으로 진행하는 한편, 그에서 FF1 흐름 제어부(128)가 작동되지 않고, 그 다음 알고리즘은 디시즌 블록(170)으로 진행하고, 그와는 달리 디시즌 블록(168)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(144)으로 직접 진행한다.
도 6a 내지 도 7b를 참조하면, 도 3의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 실시에 대한 구조 및 기능예를 상세하게 기술한다.
도 6a는 도 3의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템(120)의 실시에 대한 제 1 장치 계략도를 도시한다. 연료 탱크(202)는 그 증기압 또는 그 근방에서 연료(204)를 수용하며, 액상 연료(204L) 및 연료 증기(204V) 구성 부품을 구비한다. 액상 연료(204L)는 FF1을 거쳐 (대부분) 전달되고, 연료 증기(204V)는 FF2를 거쳐 흐름 제어부(들)(206)로 (대부분) 전달되며, 흐름 제어부(들)는 FF1 및 FF2 중 어느 하나 또는 그 양자와 관련된 단일 흐름 제어부 또는 다수의 흐름 제어 부품을 내장할 수 있다. 흐름 제어부(들)(206)로부터의 연료는 연료 라인(208)을 거쳐 기화기-조절기(210)로 전달되고, 그 후 통상적인 작동 조건 하에서 연료는 전체적으로 가스이고, 연료 소비자(212)로 전달된다.
도 6b는 도 6a의 개략적인 장치 다이아그램(200)의 작동을 수행하기 위한 알고리즘(220)의 일례이다.
연료 소비자가 스위치 "온"되면, 시스템은 블록(222)에서 초기화된다. 스위치 "온"되는 연료 소비자에 대한 초기값은 FF1을 거치고 FF2를 거치지 않는 연료를 전달하는 흐름 제어부(들)를 구비할 수 있거나, 또는 FF2를 거치고 FF1을 거치지 않는 전달되는 연료를 구비할 수 있거나, 또는 소정의 상대 균형으로 FF1 및 FF2에 의해 전달되는 연료를 구비할 수 있다. 다음으로, 블록(224)에서, 예컨대 감지, 연산 및/또는 탐색표에 의해 데이터가 획득되며, 상기 데이터는 바람직하게 기화기-조절기(210)의 바로 상류에서 연료 탱크와 연료 소비자 사이의 임의 위치에서 취해진 연료 공급압을 구비한다. 그 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(226)으로 진행하고, 그에서 연료 공급압이 소정의 상한 임계값의 연료 압력 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(226)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(228)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(206)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거진 연료 전달을 비례적으로 증가시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(224)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(226)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(230)으로 진행한다.
디시즌 블록(230)에서, 연료 공급압이 소정의 하한 임계값의 연료 압력보다 낮은지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(230)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(232)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(206)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거진 연료 전달을 비례적으로 증가시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(224)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(230)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(224)으로 진행한다.
소정의 상한 임계값의 연료 압력 및 소정의 하한 임계값의 연료 압력은, 연료 공급압이 예상된 작동 조건의 전체 범위에 걸쳐 적절하도록 선택된 상수일 수 있거나, 또는 순간적인 연료 흐름 속도, 연료 탱크 내의 연료의 밀도 등의 입력에 근거하여 증가 또는 감소할 수 있는 변수일 수 있으며, 소정의 상한 임계값의 연료 압력은 소정의 하한 임계값의 연료 압력 이상이다. 소정의 상한 임계값의 연료 압력은 (끼워 맞춰진다면) FF1 연료 펌프가 작동하는 연료 공급압의 범위 위에 놓인다. 연료 공급압은 연료 탱크(연료 탱크 내의 위치를 포함함)와 연료 소비자 사이의 하나 이상의 편리한 위치에서 측정 또는 연산될 수 있다. 연료 압력 조절기가 연료 소비자에서 연료의 압력을 제어하도록 끼워 맞춰지는 경우에는, 이와 같은 제어 루프의 목적을 위해, 연료 공급압은 [연료 탱크 내에 놓일 수 있는 위치(들)를 포함하는] 이와 같은 압력 조절기의 상류에 있는 하나 이상의 위치에서 바람직하게 측정 또는 연산되어야 한다.
도 7a는 도 3의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 실시에 대한 제 2 개략적인 장치 다이아그램(240)을 도시한다. 연료 탱크(242)는 그 증기압 또는 그 근방에서 연료(204)를 수용하며, 액상 연료(244L) 및 연료 증기(244V) 구성 부품을 구비한다. 액상 연료(244L)는 FF1을 거쳐 (대부분) 전달되며, 종래의 연료 시스템은 연료 펌프(245)를 선택적으로 구비하고, 연료 증기(244V)는 FF2를 거쳐 흐름 제어부(들)(246)로 (대부분) 전달되며, 흐름 제어부(들)는 FF1 및 FF2 중 어느 하나 또는 그 양자와 관련된 단일 흐름 제어부 또는 다수의 흐름 제어 부품을 내장할 수 있다. 흐름 제어부(들)(246)로부터의 연료는 연료 라인(248)을 거쳐 기화기-조절기(250)로 전달되고, 그 후 통상적인 작동 조건 하에서 연료는 전체적으로 가스이고, 연료 소비자(252)로 전달된다. 추가로, 센서(254)는 예컨대 데이터 라인(254a)을 거쳐 기화기-증발기(250)의 상류에서의 연료 공급압을 구비하고, 또한 소비자(252)의 연료 요구량, 연료 탱크 내의 연료(244)의 연료 압력/온도, 및 흐름 제어부(들)(246)의 상태를 선택적으로 구비한다. 이와 같은 데이터는 제어 라인(들)(256a)을 거쳐 흐름 제어부(들)(246) 및 (끼워 맞춰진다면) 연료 펌프의 제어를 출력하는 제어기(256)(예컨대, 프로그램된 ECM)에 의해 데이터 라인(254b)을 거쳐 이용된다.
도 7b는 도 7a의 개략적인 장치 다이아그램(240)의 작동을 수행하기 위한 알고리즘(260)의 일례이다.
연료 소비자가 스위치 "온"되면, 시스템은 블록(262)에서 초기화된다. 스위치 "온"되는 연료 소비자에 대한 초기화값은 FF1을 거치고 FF2를 거치지 않는 연료를 전달하는 흐름 제어부(들)를 구비할 수 있거나, 또는 FF2를 거치고 FF1을 거치지 않는 전달되는 연료를 구비할 수 있거나, 또는 소정의 상대 균형으로 FF1 및 FF2 양자에 의해 전달되는 연료를 구비할 수 있다. 다음으로, 블록(264)에서, 예컨대 감지, 연산 및/또는 탐색표에 의해 데이터가 획득되며, 상기 데이터는 소비자(252)의 연료 요구량을 나타내는, 바람직하게 기화기-조절기(250)의 바로 상류에서 연료 공급압을 구비하고, 연료 탱크 내의 연료(244)의 연료 압력/온도, 및 흐름 제어부(들)(246)의 상태를 선택적으로 구비할 수 있다. 데이터는 연료 탱크 내부로부터 연료 소비자로 임의 위치에서 획득된다.
그 다음, 알고리즘은 디시즌 블록(266)으로 진행하고, 그에서 연료 소비자(252)의 연료 요구량을 공급하기 위해 기화기-조절기(250)에서 최소의 연료 공급압을 공급하도록 연료 펌핑이 필요한지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(266)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(270)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(206)는 FF1 흐름 제어부를 작동시킴으로써 그리고 FF2 흐름 제어부를 작동시키지 않음으로써 FF2를 거쳐 연료 흐름을 디세이블(disable)시킴으로써 FF1을 거쳐 연료를 인에이블(enable)시키도록 조절되고, 연료 펌프(245)에 의한 펌핑이 작동되고(통상적인 폐쇄된 밸브 관념이 본 설명에 채용되며, 용어 "작동(activate)"은 완전히 또는 부분적으로 개방하는 "온"을 의미하고, 용어 "비작동(deactiveate)"은 "오프" 또는 폐쇄를 의미함), 그 다음 알고리즘은 블록(264)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(266)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 블록(268)으로 진행하며, 그에서 펌핑이 정지되고, 이미 정지되었다면 정지를 유지한 다음, 디시즌 블록(272)으로 진행한다.
디시즌 블록(272)에서, 연료 공급압이 기화기-조절기(250)에서 결정된 최소의 연료 공급압, 예컨대 (미래의 요구량에 대한 예측을 구비할 수 있는) 연료 소비자(252)의 연료 요구량을 적절하게 공급하기 위해 필요한 압력 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(272)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 블록(274)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(246)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거친 연료 전달을 비례적으로 감소시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(264)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(272)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(276)으로 진행한다.
디시즌 블록(276)에서, 추가적인 연료 증기(244V)가 연료 탱크(242)로부터 추출될 수 있는 한편, 기화기-조절기(250)에서 최소의 연료 공급압을 만족하는지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(272)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(286)으로 진행한다. 그러나, 디시즌 블록(276)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(278)으로 진행한다.
디시즌 블록(278)에서, 기화기-증발기(250)의 기화기가 전달되는 연료를 완전히 증발시키고 있는지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 디시즌 블록(278)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 블록(280)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(246)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거친 연료 전달을 비례적으로 증대시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(264)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(278)에서 질문에 대한 대답이 '예"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(282)으로 진행한다.
디시즌 블록(282)에서, 연료 탱크 압력/온도가 상한 임계값 이상인지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 상한 임계값은, 예컨대 탱크 내의 연료 압력이 연료 소비자의 연료 요구량에 대해 연료를 적절하게 제공하는 값일 수 있다. 디시즌 블록(282)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(284)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(206)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거친 연료 전달을 비례적으로 증대시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(264)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(282)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(286)으로 진행한다.
디시즌 블록(286)에서, 인탱크 연료 압력/온도가 하한 임계값보다 낮은지의 여부에 대해 질문이 이루어진다. 하한 임계값은, 예컨대 탱크 내의 연료 압력이 연료 소비자의 연료 요구량 및/또는 연료 시스템의 외부면 상의 과도한 응축수 또는 얼음 형태에 대해 연료를 적절하게 제공하는 값일 수 있다. 디시즌 블록(286)에서 질문에 대한 대답이 "예"이면, 알고리즘은 블록(288)으로 진행하고, 그에서 흐름 제어부(들)(246)는 FF1을 거친 연료 전달과 비교하여 FF2를 거친 연료 전달을 비례적으로 증대시키도록 조절되고, 그 다음 알고리즘은 블록(264)으로 복귀한다. 그러나, 디시즌 블록(286)에서 질문에 대한 대답이 "아니오"이면, 알고리즘은 디시즌 블록(264)으로 진행한다.
도 8 내지 도 12를 참조하면, 도 3의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템을 실시하기 위한 예시적인 장치 실시예를 상세하게 기술한다.
서문으로서, 표 1은 하드웨어 요소, 상기 하드웨어 요소의 제어 변수 및 결과적인 제어 상태 간의 관계를 예시한다. 본 발명은 종래의 연료 시스템(예컨대, 도 1a 내지 도 1c) 내에 제공되지 않는 제어 상태 "X"를 제공한다. 그러나, 종래의 연료 시스템은 하나 이상의 제어 상태 "PA1"에서 작동할 수 있고, FF1 연료 흐름 제어부 및 FF2 연료 흐름 제어부가 작동되지 않거나 또는 끼워 맞춰지지 않으면, 본 발명은 "PA2"로서 식별된 제어 상태를 갖는 종래의 연료 시스템과 유사하게 작동한다.

하드웨어
요소
제어 변수		 제어 상태
CS
1		 CS
2		 CS
3		 CS
4		 CS
5		 CS
6		 CS
7		 CS
8		 CS
9


FF1 액상 연료 펌핑		 최대 공급압 증가 예컨대, 100% PWM PA1
조절형 연료 공급압 증가 예컨대, 0% 내지 100% PWM PA1
연료 공급압 증가 없음 하드웨어 요소의 비작동 또는 끼워 맞춰지지 않음 PA1 X X X X X X
FF1 액상 연료 흐름 제어

 최소의 연료 흐름 구속 하드웨어 요소의 완전한 개방 또는 끼워 맞춰지지 않음 PA2 PA2 PA2 X X
조절형 연료 흐름 구속 하드웨어 요소의 부분적인 개방 X X
최대의 연료
흐름 구속
 하드웨어 요소의 완전한 폐쇄 X X

FF2 기상 연료 흐름 제어
 최소의 연료 흐름 구속 하드웨어 요소의 완전한 개방 또는 끼워 맞춰지지 않음 X X X
조절형 연료 흐름 구속 하드웨어 요소의 부분적인 개방 X X X
최대의 연료
흐름 구속		 하드웨어 요소의 완전한 개방 또는 끼워 맞춰지지 않음 PA2 PA2 PA2
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 1 예시적인 실시예(300)로서, 그에 표 1의 제어 상태 CS1, CS2 및 CS7을 적용가능하다.
LPG 연료 시스템의 제 1 실시예(300)에서, 연료 탱크(302)의 상부에서의 LPG 연료(304)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기)이고, 그 아래에 액상 연료(304L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(302)는 압력 완화 밸브를 구비하고, 온도 센서 및 압력 센서(도시하지 않음)를 구비할 수 있지만, 각각의 부품은 상술한 바에 따른 것이고, 연료 탱크의 내용물은 상술한 바와 같이 각종 열(도시하지 않음)을 받을 수 있다.
연료 탱크(302) 내에는, 종래의 연료 시스템(306)의 부품, 즉 필터(308), 연료 펌프(310), 체크 밸브(312), 필터(314) 및 연료 압력 조절기(316)가 수용되며, 모든 부품은 도 1a에서 논의한 바와 같이 상술한 것이다. 연료 펌프의 작동은 연료 압력 조절기(316), 압력차의 다른 공급원 또는 제어기의 명령에 응답할 수 있다. 연료 탱크(302)의 외부에는, 상술한 바와 같이 종래 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 흐름 제어 밸브(320)를 구비하는 밸브 세트(318), 서비스 밸브(322), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)가 있고, 또한 하류에는 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(326), 기화기-조절기(328) 및 연료 소비자(330)가 있다.
본 발명의 제 1 실시예(300)에 의하면, 종래의 연료 시스템 부품에 비해 추가로, 연료 증기(304V)가 입구를 거쳐 연료 탱크(334) 내에 들어가도록 연료 탱크의 상부 위치에 배치된 필터(332); 및 필터(332)에 연결된 체크 밸브(334)가 제공된다. 체크 밸브(334)는 합류점(336)을 거쳐 연료 펌프(310)의 하류에 있는 종래의 연료 시스템(306), 및 필터(314)의 상류에 있는 체크 밸브(313)와 연결한다. 도 3과의 비교에서, FF2는 합류점(336), 체크 밸브(334), 필터(332) 및 이러한 부품을 연결하는 배관에 의해 구성되고, FF1은 합류점(336)에 의해 구성되며, FF1 및 FF2는 합류점(336)에서 종래의 연료 시스템의 하류에 상호 결합된다.
작동시에, 체크 밸브(312, 334)는 연료 탱크로부터 합류점(336) 쪽으로 흐르는 연료에 대한 낮은 저항성, 및 합류점(336)으로부터 FF1 및 FF2를 거쳐 연료 탱크로 흐르는 연료에 대한 높은 저항성을 각각 제공한다. 연료 펌프가 "온"하지 않은 때(즉, 액상 연료를 펌핑하고 있지 않음)의 작동 조건을 포함하는 적어도 몇 가지의 작동 조건 하에서, 연료 탱크로부터 FF2를 거쳐 합류점(336)으로 흐르는 연료에 대한 흐름 저항성은 연료 탱크로부터 FF1을 거쳐 합류점(336)으로 흐르는 연료에 대한 저항성보다 낮을 것이다. 이러한 경우에, 연료 증기(304V)는 FF2를 거쳐 연료 탱크(302)로부터 추출되어 기화기-증발기(328)로 전달된다. 그러나, 연료 펌프가 "온"될 때마다(즉, 액상 연료를 펌핑하고 있음), 체크 밸브(334)는 FF1을 거쳐 합류점(336)으로 흐르는 액상 연료의 압력에 의해 폐쇄됨으로써, 액상 연료(304L)는 FF1을 거쳐 기화기-조절기(328)로 전달되는 한편, FF2를 거친 연료 증기(304V)는 차단된다.
합류점(336)의 높이는 연료 증기가 FF1을 통해 흐를 때 액상 연료에 의해 방해, 지연 또는 악영향 받지 않도록 선택되는 것이 바람직하며, 이는 유체 정역학 및 유체 동역학의 원리에 따라, 연료 탱크 내의 액상 연료(304L)의 표면 위의 합류점(336)의 필수 높이를 선택함으로써 성취된다.
제어된 PWM(펄스폭 변조)(종종, 종래의 LPG 연료 시스템을 위한 경우임)인 연료 펌프가 제공되면, FF1을 거쳐 합류점(336)에 도달하는 연료의 유량 위로의 제어를 발휘하는 것이 가능하므로, PWM 구동을 연료 펌프로 단순히 변경함으로써 연료 증기의 질량 유동에 대한 액상 연료의 질량 유량의 비를 변경할 수 있다.
적절한 체크 밸브(334)로는, 예컨대 The Lee Company, Industrial Microhydraulics Division, Westbrook, CT에 의해 제조된 Series 832 or 855 Lee IMH 8 mm 체크 밸브가 있다.
제 1 실시예는 그 단순성을 위해 바람직하다. 체크 밸브(334)의 폐쇄가 고장난 경우에, 시스템은 도 1a의 종래의 연료 시스템의 기능성으로 복귀한다. 그러나, 체크 밸브(335)의 개방이 고장 나면, 이는 FF1을 거친 액상 연료 전달의 관점으로부터 문제가 있을 수 있고, 이러한 고장 모드의 위험을 감소시키기 위해, 2개 이상의 체크 밸브(334)는 필요하다면 직렬로 끼워 맞춰질 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 2 예시적인 실시예(340)로서, 제 1 실시예(300)에 대해 표 1의 제어 상태 CS1 내지 CS4 및 CS7에 적용가능한 변형예[제 1 실시예에 대한 2가지의 추가적인 제어 상태(CS3 및 CS4)]이며, 도 8과 동일한 참조부호는 동일한 부품을 지칭하는데 사용된다.
LPG 시스템의 제 2 실시예(340)에서, 연료 탱크(302)의 상부에서의 LPG 연료(304)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기)(304V)이며, 그 아래에 액상 연료(304L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(302)는 압력 완화 밸브를 구비하며, 온도 센서 및 압력 센서(도시하지 않음)를 구비할 수 있지만, 각각의 부품은 상술한 바에 따른 것이고, 연료 탱크의 내용물은 상술한 바와 같이 각종 열(도시하지 않음)을 받을 수 있다.
연료 탱크(302) 내에는, 종래의 연료 시스템(306)의 부품, 즉 필터(308), 연료 펌프(310), 체크 밸브(312), 필터(314) 및 연료 압력 조절기(316)가 수용되며, 모든 부품은 도 1a에서 논의한 바와 같이 상술한 것이다. 연료 펌프의 작동은 연료 압력 조절기(316), 압력차의 다른 공급원 또는 제어기의 명령에 응답할 수 있다. 연료 탱크(302)의 외부에는, 상술한 바와 같이 종래 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 흐름 제어 밸브(320)를 구비하는 밸브 세트(318), 서비스 밸브(322), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)가 있고, 또한 하류에는 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(326), 기화기-조절기(328) 및 연료 소비자(330)가 있다.
본 발명의 제 2 실시예(340)에 의하면, 종래의 연료 시스템 부품에 비해 추가로, 연료 증기(304V)가 입구에서 연료 탱크 내에 들어가도록 연료 탱크의 상부 위치에 배치된 필터(332); 체크 밸브(334); 및 체크 밸브(334)와 필터(332) 사이에 배치된 2방향 솔레노이드 밸브(342)가 제공된다. 체크 밸브(334)는 합류점(336)을 거쳐 연료 펌프(310)의 하류에 있는 종래의 연료 시스템(306), 및 필터(314)의 상류에 있는 체크 밸브(312)와 연결한다. 도 3과의 비교에서, FF2는 합류점(336), 체크 밸브(334), 필터(332) 및 이러한 부품을 연결하는 배관에 의해 구성되고, FF1은 합류점(336)에 의해 구성되며, FF1 및 FF2는 합류점(336)에서 종래의 연료 시스템의 하류에 상호 결합된다.
2방향 솔레노이드 밸브(342)는 온-오프, 또는 예컨대 당해기술에 공지된 방식으로 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 제어되는 비례 제어일 수 있으며, 제어기(도시하지 않음)[예컨대, 도 7a의 제어기(356)]를 거쳐 제어될 수 있다.
작동시에, 2방향 솔레노이드 밸브(342)는 폐쇄, 부분 개방 또는 완전히 개방될 수 있다. 2방향 솔레노이드 밸브(342)의 개방 상태를 제공하면, 시스템은 도 8에 도시한 실시예와 동일한 방식으로 기능한다. 추가로, 2방향 솔레노이드 밸브(342)가 폐쇄되어 FF2를 폐쇄하고, 그에 의해 연료 펌프(310)의 작동 상태 또는 체크 밸브(334)의 고장과는 무관하게, 액상 연료(304L)가 FF1을 거쳐 기화기-조절기(328)로 전달된다.
제 1 실시예에 대한 제 2 실시예의 주요 이점으로는, 1) 제 2 실시예는 연료 펌프를 "온"하지 않고서 FF2를 거쳐 연료 소비자로의 액상 연료의 흐름을 용이하게 하고; 2) 비례식 2방향 솔레노이드 밸브와 끼워 맞춰지면, 제 2 실시예는 FF1 및 FF2를 동시에 거쳐 연료 공급 수단을 연료 소비자에 공급하는 한편, 연료 펌프를 "온"하지 않고서 각각의 연료 공급에 의해 공급되는 연료의 비율을 제어하고; 3) 체크 밸브(334)와 2방향 솔레노이드 밸브(342)의 조합은, 체크 밸브(334) 또는 2방향 솔레노이드 밸브(342) 중 하나의 개방이 고장 나더라도, 합류점(336)으로부터 FF2를 거쳐 연료 탱크로의 바람직하지 못한 역류가 방지될 수 있다는 점에서 고장 안전에 대한 중복성을 도입한다는 것이다.
2방향 솔레노이드 밸브(342)는 통상적으로 폐쇄된 밸브가 바람직하다. 적절한 2방향 솔레노이드 밸브(342)는 Impco Technologies of Santa Ana, CA 92704로부터 입수가능한 L240 Propane Fuel Lock-off이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템에 대한 광범위한 기능성으로 인해 바람직한 제 3 예시적인 실시예(350)로서, 표 1의 모든 제어 상태, 즉 [제 2 실시예에 대한 4개의 추가적인 제어 상태 CS5, CS6, CS8 및 CS9]를 포함하는 모든 제어 상태 CS1 내지 CS9에 적용가능하며, 도 8과 동일한 참조부호는 동일한 부품을 지칭하는데 사용된다.
LPG 연료 시스템의 제 3 실시예(350)에서, 연료 탱크(302)의 상부에서의 LPG 연료(304)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기)(304V)이며, 그 아래에 액상 연료(304L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(302)는 압력 완화 밸브를 구비하며, 온도 센서 및 압력 센서(도시하지 않음)를 구비할 수 있지만, 각각의 부품은 상술한 바에 따른 것이고, 연료 탱크의 내용물은 상술한 바와 같이 각종 열(도시하지 않음)을 받을 수 있다.
연료 탱크(302) 내에는, 종래의 연료 시스템(306)의 부품, 즉 필터(308), 연료 펌프(310), 체크 밸브(312), 필터(314) 및 연료 압력 조절기(316)가 수용되며, 모든 부품은 도 1a에서 논의한 바와 같이 상술한 것이다. 연료 펌프의 작동은 연료 압력 조절기(316), 압력차의 다른 공급원 또는 제어기의 명령에 응답할 수 있다. 연료 탱크(302)의 외부에는, 상술한 바와 같이 종래 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 흐름 제어 밸브(320)를 구비하는 밸브 세트(364), 서비스 밸브(322), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)[후술하는 바와 같이, 본 발명의 2방향 솔레노이드 밸브(352)로서 작동식으로 사용될 수 있음]가 제공되고, 또한 하류에는 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(326), 기화기-조절기(328) 및 연료 소비자(330)가 있다.
본 발명의 제 3 실시예(350)에 의하면, 종래의 연료 시스템 부품에 비해 추가로, 밸브 세트(364) 내에는, 언급한 바와 같이 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)의 성능에 사용될 수도 있는 전술한 2방향 솔레노이드 밸브(352), 압력 제어 밸브(320)와 유사한 흐름 제어 체크 밸브(354), 서비스 밸브(322)와 유사한 서비스 밸브(356), 2방향 솔레노이드 밸브(352, 354)와 유사하며 밸브 세트(364) 외부에 있는 2방향 솔레노이드 밸브(358)가 있고; 연료 증기(304V)가 입구에서 연료 탱크 내로 들어가도록 연료 탱크의 상부 위치에 배치된 필터(332); 및 합류점(362)을 거쳐 종래의 연료 시스템에 연결하는 체크 밸브(360)가 제공된다. 도 3과의 비교에서, FF2는 필터(332), 흐름 제어 체크 밸브(354), 서비스 밸브(356), 2방향 솔레노이드 밸브(358), 체크 밸브(360) 및 합류점(362)에 의해 구성되고, FF1은 2방향 솔레노이드 밸브(352) 및 합류점(362)에 의해 구성되며, FF1 및 FF2는 합류점(362)에서 종래의 연료 시스템의 하류에 상호 결합된다.
2방향 솔레노이드 밸브(352, 358)는 온-오프, 또는 예컨대 당해기술에 공지된 방식으로 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 제어되는 비례 제어일 수 있으며, 제어기(도시하지 않음)[예컨대, 도 7a의 제어기(256)]를 거쳐 제어될 수 있다.
작동시에, 2방향 솔레노이드 밸브(352, 358)는 서로 독립적으로 폐쇄, 부분 개방 또는 완전히 개방될 수 있다. 2방향 솔레노이드 밸브(352, 358)의 개방 상태를 제공하면, 연료 펌프가 "온"하지 않으면 체크 밸브(360)는 연료 증기(304V)를 전달하고, 그에 의해 연료 증기(304V)는 연료 탱크(302)로부터 추출되어 기화기-증발기(328)로 전달된다. 그러나, 연료 펌프가 "온"이 되면(즉, 액상 연료를 펌핑하고 있음), 체크 밸브(360)는 (액상 연료압력의 작용에 의해) 페쇄됨으로써, 액상 연료(304L)가 FF1을 거쳐 기화기-조절기(328)로 전달되는 한편, FF2를 거친 연료 증기(304V)는 차단된다. 2방향 솔레노이드 밸브(352)가 개방되고, 2방향 솔레노이드 밸브(358)가 폐쇄되면, FF2가 폐쇄되고, 연료 펌프(310)의 작동 상태와는 무관하게, 액상 연료(304L)는 FF1을 거쳐 기화기-조절기(328)로 배타적으로 전달된다. 2방향 솔레노이드 밸브(358)가 개방되고, 2방향 솔레노이드 밸브(352)가 폐쇄되면, FF1이 폐쇄되고, 연료 증기(304V)는 FF2를 거쳐 기화기-조절기(328)로 배타적으로 전달된다.
제 2 실시예에 대해 제 3 실시예의 주요 이점은 FF1 및 FF2를 거쳐 흐르는 연료에 대해 보다 유연한 제어를 한다는 점이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 4 예시적인 실시예(370)로서, 표 1의 제어 상태 CS3 내지 CS9를 적용가능하며, 도 8과 동일한 참조부호는 동일한 부품을 지칭하는데 사용된다.
LPG 연료 시스템의 제 4 실시예(370)에서, 연료 탱크(302)의 상부에서의 LPG 연료(304)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기)(304V)이며, 그 아래에 액상 연료(304L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(302)는 압력 완화 밸브를 구비하며, 온도 센서 및 압력 센서(도시하지 않음)를 구비할 수 있지만, 각각의 부품은 상술한 바에 따른 것이고, 연료 탱크의 내용물은 상술한 바와 같이 각종 열(도시하지 않음)을 받을 수 있다.
연료 탱크(302) 내에는, 종래의 연료 시스템(306')의 부품, 즉 상술한 바와 같은 필터(308)(예컨대, 도 1b)가 수용된다. 연료 탱크(302)의 외부에는, 상술한 바와 같이 종래 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 흐름 제어 밸브(320)를 구비하는 밸브 세트(318), 서비스 밸브(322), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)가 있고, 또한 하류에는 연료 필터(314), 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(326), 기화기-조절기(328) 및 연료 소비자(330)가 있다.
본 발명의 제 4 실시예(370)에 의하면, 종래의 연료 시스템 부품에 비해 추가로, 연료 증기(304V)가 입구에서 연료 탱크 내로 들어가도록 연료 탱크의 상부 위치에 배치된 필터(332); 및 종래의 연료 시스템(306')의 필터(308)에 연결된 제 1 입구(374), 본 발명의 필터(332)에 연결된 제 2 입구(376) 및 밸브 세트(318)의 상류에서 종래의 연료 시스템에 연결되는 출구(378)를 갖는 3방향 솔레노이드 밸브(372)가 제공된다. 도 3과의 비교에서, FF2는 3방향 솔레노이드 밸브(372) 및 필터(332)의 일부분에 의해 구성되고, FF1은 3방향 솔레노이드 밸브(372) 및 필터(308)의 일부분에 의해 구성되며[연료 필터(308)가 3방향 솔레노이드 밸브(372)의 상류에 있는 종래의 연료 시스템에 이미 구비된 경우는 제외], 3방향 솔레노이드 밸브(372)는 FF1 및 FF2가 하류의 종래의 연료 시스템에 서로 연결 및 결합되는 합류점(380)으로서 기능한다.
3방향 솔레노이드 밸브(372)는 제 1 및 제 2 입구(374, 376) 각각에 대해 온-오프, 또는 비례 제어일 수 있으며, 제어기(도시하지 않음)[예컨대, 도 7a의 제어기(256)]를 거쳐 제어될 수 있다.
작동시에, 제 1 및 제 2 입구(374, 376)는 연료 전달이 본 발명 하에서의 기능성뿐만 아니라, 연료 소비자(330)의 연료 요구량을 만족하게 보장하도록 서로 협력하여 완전히 개방, 부분 개방 또는 폐쇄된다. 제 1 입구(374)의 개방 상태 및 제 2 입구(376)의 폐쇄 상태를 제공하면, 액상 연료(304L)는 FF1에 의해 배타적으로 전달될 것이다. 제 1 입구(374)의 폐쇄 상태 및 제 2 입구(376)의 개방 상태를 제공하면, 연료 증기(304V)는 FF2에 의해 배타적으로 전달될 것이다. 제 1 입구(374)의 개방 상태 및 제 2 입구(376)의 개방 상태를 제공하면, 액상 연료(304L) 및 연료 증기(304V) 양자는 개방 상태의 비례성에 관한 비율로 FF1 및 FF2에 의해 각각 전달될 것이다.
적절한 3방향 솔레노이드 밸브로는, Parker Fluid Control Division, Parker Hannifin Corp. of New Britain, CT로부터 입수가능한 Skinner A-Series 3방향 밸브가 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 제 5 예시적인 실시예(390)로서, 표 1의 제어 상태 CS3, CS4 및 CS7을 적용가능하며, 도 8과 동일한 참조부호는 동일한 부품을 지칭하는데 사용된다.
LPG 연료 시스템의 제 5 실시예(390)에서, 연료 탱크(302)의 상부에서의 LPG 연료(304)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기)(304V)이며, 그 아래에 액상 연료(304L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(302)는 압력 완화 밸브를 구비하며, 온도 센서 및 압력 센서(도시하지 않음)를 구비할 수 있지만, 각각의 부품은 상술한 바에 따른 것이고, 연료 탱크의 내용물은 상술한 바와 같이 각종 열(도시하지 않음)을 받을 수 있다.
연료 탱크(302) 내에는, 종래의 연료 시스템(306')의 부품, 즉 상술한 바와 같은 필터(308)(예컨대, 도 1b)가 수용된다. 연료 탱크(302)의 외부에는, 상술한 바와 같이 종래 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 흐름 제어 밸브(320)를 구비하는 밸브 세트(318), 서비스 밸브(322), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(324)가 있고, 또한 하류에는 연료 필터(314), 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(326), 기화기-조절기(328) 및 연료 소비자(330)가 있다.
본 발명의 제 5 실시예(390)에 의하면, 종래의 연료 시스템 부품에 비해 추가로, 연료 증기(304V)가 입구에서 연료 탱크 내로 들어가도록 연료 탱크의 상부 위치에 배치된 필터(332); 한 쌍의 압력 기준점(394, 396)을 갖고 합류점(398)에서 종래의 연료 시스템에 연결되는 압력 작동식 밸브(392)(예컨대, 다이아프램 밸브)가 제공된다. 도 3과의 비교에서, FF2는 합류점(398), 압력 작동식 밸브(392) 및 필터(332)에 의해 구성되고, FF1은 합류점(398) 및 필터(308)에 의해 구성되며[연료 필터(308)가 합류점(398)의 상류에 있는 종래의 연료 시스템에 이미 구비된 경우는 제외], FF1 및 FF2는 합류점(398)에서 서로 결합되며 하류의 종래의 연료 시스템에 연결된다.
압력 작동식 밸브는 압력원1 (394)과 압력원2 (396) 사이의 압력차에 의해 제어된다. 압력원2 (396)은 연료 탱크(302)와 기화기-조절기(328) 사이의 임의 위치에서 취해질 수 있는 연료 공급압이다. 제어 관점에서, 압력원 2에 대한 바람직한 위치는 기화기-조절기의 상류 및 그에 인접한 위치이지만, 연료 탱크 내의 압력원 2를 측정하면, 안전 관점으로부터 바람직한데, 그 이유는 압력 기준선을 거쳐 연료 탱크로부터 연료 누설할 추가적인 위험을 도입하지 않기 때문이다. 압력원1 (394)은 기화기-조정기의 하류에 있는 연료 공급 위치일 수 있는 기준 압력, 또는 연료 소비자(330)의 입구 매니폴드, 대기, 또는 연료탱크 내의 밀봉된 캐비티 내의 압력이다(압력 기준선을 거쳐 연료 탱크로부터 연료 누설의 추가적인 위험을 도입하지 않기 때문에 안전 관점에서 바람직함). 압력 작동식 밸브(392)는 온-오프 또는 비례식일 수 있다.
작동시에, 압력원1 (394)과 압력원2 (396) 사이의 압력차에 응답하여, 압력 작동식 밸브(392)는 완전 개방 또는 부분 개방과 폐쇄 상태 사이에서 전환한다. 압력 작동식 밸브(392)가 개방 상태에 있으면, FF2를 거친 연료 증기(304V)는 밸브의 상대 개방도에 대한 가변비로 FF1을 거친 액상 연료를 구비할 수 있다. 압력 작동식 밸브(392)가 폐쇄 상태에 있으면, FF1을 거친 액상 연료(304L)만이 추출될 것이다.
적절한 압력 작동식 밸브는 공통의 자동차 연료 시스템의 가솔린 압력 조절기에 근거하지만, 차단된 다이아프램의 제어측에 대해 기준 압력 벤트를 가지며, 다이아프램의 이러한 측 상의 캐티비는 제어된 조건 하에서 질소 등의 불활성 가스로 배기 또는 충진된다(예컨대, 1 절대 바아에서 25℃).
상술한 각종 예시적인 실시예에 대해, 각종 특징은 각종 실시예 사이에서 변경, 예컨대 연료 펌프를 추가 또는 제거, 체크 밸브를 추가 또는 제거, 혹은 본발명에 따른 상승적인 결과를 제공하도록 구성을 변경될 수 있다. 예를 들면, 상술한 각종 실시예에서, FF1을 FF2에 결합하는 합류점은 연료 탱크 내의 액상 연료의 레벨 이상으로 배치되지만, 모든 실시예에 대한 요건은 아니다. 예를 들면, 도 11에 도시한 제 4 실시예는, 합류점(380)이 연료 탱크 내의 액상 연료의 레벨 아래에 위치되었다고 하더라도, FF1 및 FF2로부터 연료 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예의 논의에 대한 결론에서, 도 13은 도 10에 따라 구성된 연료 시스템을 갖는 자동차에서 수행되는 시험 동안에 연료 탱크 내의 압력 강하의 변화율 대 엔진 연료 소모량의 그래프(400)를 도시한다. 예시적인 플롯(402)은 43℃으로 설정된 전기열을 이용하여 연료 탱크를 인공적으로 가열함으로써 획득하였다. 시험은 LPG로 충진되도록 설계된 V6 내연기관 연료 소비자에 의해 구동되는 1800 kg, 4 도어 세단을 포함하였다. 차량은 동력계 상에서 시험되었고, 이에 의해 엔진에 대한 연료 유량, LPG 탱크 온도 및 압력, 및 차량 부하가 모니터링되었다. 차량은 각종 속도 및 연료 유량(부하) 및 데이터를 취하여 작동되었다. 데이터로부터의 연산은 그래프 데이터를 결정하도록 이루어졌다(예컨대, "압력 강하의 변화율"을 결정하는 시간에 의해, 특정 시간에 걸쳐 발생되는 압력 강하를 분할).
도 14는 연료 탱크 온도 및 압력 관리 시스템의 예시적인 실시예(500)를 도시하며, 연료 탱크로부터 네이티브 증기를 선택적으로 추출하기보다는, 증기는 인탱크 증발기 시스템(550)과 함께 선택적으로 추출된다.
LPG 연료 시스템의 실시예(500)에서, 연료 탱크(502)의 상부에서의 LPG 연료(504)는 포화된 연료 증기(또는, 단순히 증기(504V)이고, 그 아래에 액상 연료(504L)가 배치되며, 연료는 그 증기압 또는 그 근방에서 저장된 임의의 연료일 수 있고, LPG일 필요는 없다.
연료 탱크(502)는 압력 완화 밸브(506)를 구비하고, 온도 센서(508) 및 압력 센서(506)를 구비할 수 있으며, 각각의 부품은 상술한 바의 것이고, LPG 연료(504)는 상술한 바와 같이 각종 외부 및 내부열(512, 514)을 받을 수 있다.
연료 탱크(502) 내에는, 종래의 연료 시스템(516)의 부품, 즉 [액상 연료(504L) 내에 배치된 입구로서 기능하도록 도시된) 필터(518), 연료 펌프(520), 체크 밸브(522), 필터(524) 및 연료 압력 조절기(526)가 수용되며, 도든 부품은 예컨대 도 1a에서 논의한 바와 같이 상술된 것이다. 연료 펌프의 작동은 연료 압력 조절기(526), 압력차의 또 다른 공급원, 또는 제어기의 명령에 응답할 수 있다. 연료 탱크(502) 외부에는, 상술한 바와 같은 종래의 연료 시스템의 추가적인 부품, 즉 름 제어 밸브(530)를 구비하는 밸브 세트(528), 서비스 밸브(532), 및 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(534)가 있고, 또한 하류에는 또 다른 자동 연료 차단 솔레노이드 밸브(536), 기화기-조절기(538) 및 연료 소비자(540)가 있다.
본 발명의 실시예(500)에 의하면, 종래의 연료 시스템에 비해 추가로, 인탱크 증발기 시스템(55)이 제공되며, 이는 인탱크 증발기(556)에 연결된 연료 공급 조절기(554)로 이루어진 인탱크 증발기 조립체(552); 종래의 연료 시스템(516)에 연결된 입구(560), 인탱크 증발기 조립체(552)에 연결된 제 1 출구(562) 및 밸브 세트(528)의 상류에 있는 종래의 연료 시스템에 연결된 제 2 출구(564)를 갖는 바람직하게 3방향 솔레노이드 밸브(558)의 형태인 증발기 흐름 제어부; 및 조절기(554) 및 3방향 솔레노이드 밸브(558)의 하류에 과도한 압력 형성을 방지하는 체크 밸브(566)를 구비한다.
3방향 솔레노이드 밸브(558)는 입력 데이터(572)에 응답하도록 프로그래밍된 제어기(570)를 거쳐 입구(560) 및 제 1 및 제 2 출구(562, 564) 각각에 대해 당해기술에 공지된 방식으로 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 제어되는 솔레노이드(558a)로서, 온-오프 또는 비례 제어될 수 있다.
작동시에, 제어기(570)는 기화기-조절기(538)의 상류에서 데이터(예컨대, 연료 공급압 데이터)를 수신하고, 그 프로그래밍에 근거하여, 솔레노이드(558s)를 선택적으로 작동시킴으로써, 제 1 및 제 2 출구(562, 564) 중 어느 것을 개방 또는 비례식으로 개폐하도록 3방향 솔레노이드 밸브(558)를 동작시킨다. 예컨대, 입구(560) 및 제 2 출구(564)가 개방 상태에 있고 제 1 출구(562)가 폐쇄 상태에 있는 경우, 액상 연료(504L)는 인탱크 증발기 조립체(552)를 통과하지 않고서 탱크(502)로부터 추출될 것이다. 예컨대, 입구(560) 및 제 1 출구(562)가 개방 상태에 있고 제 2 출구(564)가 폐쇄 상태에 있는 경우, 액상 연료(504L)는 인탱크 증발기 시스템(552) 내로 흘러서 연료 공급 조절기(554)를 통과하며, 연료의 압력 및 온도가 떨어질 것이고, 몇몇의 연료 증발이 발생할 수 있다. 연료 공급 조절기(554)의 하류에 위치되며 액상 연료(504L)로부터 증발 잠열(574)을 흡수하는 인탱크 증발기(556) 내에서 추가적인 증발이 일어날 것이다. 더욱이, 연료 공급 조절기(554)를 가로지른 압력 강하는 제 2 열전달 메커니즘에서 일어나며, 즉 가스상인 연료의 일부를 팽창시키도록 열이 필요하다. 연료 공급 조절기(554)의 하류에서의 연료의 온도가 연료의 가스상을 위한 줄 톰슨 반전 온도(Joule-Thompson inversion temperature) 아래이면, 연료의 팽창은 연료 탱크 내용물의 추가적인 냉각을 초래할 것이다. 이와 같은 열전달 메커니즘 중 하나 또는 그 양자에 의해 연료 탱크(502) 내에서의 연료(504)의 결과적인 냉각은 연료 탱크 내에서 연료(504)의 증기압을 감소시키는 역할을 하고, 결과적인 기액은 합류점(568)으로 진행한 다음, 기화기-조절기(538)로 진행한다.
연료 공급 조절기(554)는, 비제한적인 예로서 하류 압력을 약 8 바아(절대압)로 감소시켜서, 연료 소비자(540)에 연료가 공급되지 않는 것을 보장하고, 연료 탱크 압력이 낮을 때 과도한 냉각을 회피할 뿐만 아니라, 연료 펌프의 파워 요건을 최소화한다. 연료 공급 조절기(554)는 고장 시에 완전 개방 조건을 위해 구성되어야 한다. 체크 밸브(566)는 (예컨대, 연료 탱크와 기화기-조절기 사이의 연료 라인 내에서의 연료에 대한 열 흐름이 있지만, 연료 소비자에 대한 연료 흐름이 적거나 없는 경우에 있을 수 있는) 교차점(568)에서의 압력이 연료 흐름 조절기(526)의 상류의 압력보다 상당히 높지 않게 보장한다. 연료 공급 조절기(554) 및 인탱크 증발기(556)는 액상 연료(504L) 내에 침지되고 그리고/또는 연료 탱크(502) 및 그 내용물에 대한 양호한 열 전도체에 장착되어야 한다.
상술한 각종 실시예의 광범위한 설명의 관점에서, 도 14의 실시예는 변경, 예컨대 연료 펌프(520), 체크 밸브(522) 및 연료 압력 조절기(526)를 제거함으로써, 연료 공급 라인을 거친 액상 연료 추출이 도 11에 예시된 바와 같이 연료 탱크 내의 증기압에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 대한 일반적인 고려사항이 기술된다.
본 발명이 증기압 또는 그 근방에서 저장되는 연료, 및 이러한 연료를 가스상(과열된 증기)으로 소모하는 연료 소비자에 적용가능하다는 점에서, 연료 탱크로부터 유도된 액상 연료는 증발 및 과열될 필요가 있고, 연료 압력은 (일반적으로) 연료 소비자에 공급되기 전에 (연료 탱크 조장 압력에 대해) 감소된다. 이러한 변경은 연료 탱크와 연료 소비자 사이의 어느 위치에서 발생될 필요가 있다. 본 발명은 연료 탱크 내의 온도 및 압력을 관리하는데 조력함으로써 연료 탱크를 소정의 증기압 임계값 아래의 최적의 압력 범위 내로 유지하기 위한 이와 같은 요건(즉, 연료 탱크와 연료 소비자 사이의 어느 위치에서 연료 탱크로부터 나오는 연료의 압력을 증발, 과열 및/또는 감소시킬 필요성)을 이용한다. 수익비에 대한 추가적인 위험 및 양호한 비용으로 그 기능성을 성취하기 위해, 본 발명은 (a) 종래의 연료 시스템 부품 및 제어 시스템을 가능하다면 계속 가져 가고; (b) 단순하지만 견고하고 저비용의 제어 시스템에 의해 제거되며; (c) (연료 흐름 조건 하에서의 연료 부족 등의) 잠재적인 고장 모드를 고려한다.
본 발명은 온도 및 압력 관리에 대한 3가지의 상이한 메커니즘을 제공한다. 제 1 메커니즘은 연료 탱크로부터의 액상 연료보다는 연료 증기를 후퇴시킴으로써 연료 탱크로부터 높은 증기압 성분을 선택적으로 제거(예컨대, 연료 탱크 압력 등의 입력에 근거)하는 것이다. 제 2 메커니즘은 연료 탱크 내의 액상 연료를 선택적으로 증발(예컨대, 연료 탱크 압력 등의 입력에 근거)시키고, 연료 탱크(제 1 선호) 및/또는 연료 탱크 바디 자체, 또는 연료 탱크 바디에 열적으로 연결된 다른 하드웨어(제 2 선호) 내로의 연료로부터 요구된 증발 잠열을 유도하는 것이다. 제 3 메커니즘은 연료 라인이 연료 탱크의 외부를 통과하기 전에 연료의 압력을 선택적으로 감소(예컨대, 연료 탱크 압력 등의 입력에 근거)시키고, 상술한 동일한 공급원으로부터 요구된 팽창 잠열을 유도하는 것이다. 이러한 제 3 메커니즘은 줄 톰슨 반전 온도 아래에 있도록 팽창된 가스의 온도를 필요로 한다. 제 3 메커니즘을 이용하여 연료 탱크 내용물을 냉각하는 수익비에 대한 견고함 및 비용은 제 2 메커니즘을 이용하는 것과 같이 호의적이지 않을 수 있지만, 연료 탱크 외부로의 증기 연료 흐름이 적고 그리고/또는 외부 공급원으로부터 연료 탱크로의 원치 않은 열전달이 큰 시스템의 경우, 연료 탱크 냉각의 필요한 정도를 성취하기 위해 양자의 메커니즘을 이용하는 것이 필요할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 의하면, 가압형 연료 시스템의 연료 탱크는, 연료 탱크 내의 증기압이 연료 소비자(예컨대, 내연기관)의 적절한 작동을 위해 적합하고, 또 급유 펌프 노즐의 예상 압력에 따른 재충진의 소정 속도에 적합한 소정의 증기압 범위 내로 유지된다는 점에서 수용가능한 높은 속도로 재충진될 수 있다. 연료 증기를 추출함으로써, 몇몇의 액상 연료는 (즉, 본 발명을 이용하는 연료 시스템뿐만 아니라, 종래의 연료 시스템 양자에 의해 소모됨에 따라 액상 연료에 의해 비워지는 용적을 충진하도록 증발하는 소량의 연료와 더불어) 기액평형을 유지하도록 추출된 연료 증기를 대체하기 위해 비등할 것이다. 액상 연료가 액상으로부터 기상으로 상태 변화하는 경우에, 수반된 증발 잠열은 연료 온도를 떨어뜨리게 할 것이다. 이러한 공정에서 수반되는 잠열량은, 예로서, 수백 와트일 수 있고, 높은 연료 흐름 조건 하에서 1 kW 이상일 수 있다. 예로서, LPG가 프로판과 부탄의 혼합물이기 때문에, 기대되는 잠열은 약 356 KJ/Kg의 프로판의 비례 잠열과, 약 320 KJ/Kg의 부탄의 비례 잠열을 포함하며, 액체의 표면에서의 증발뿐만 아니라, 액체의 표면 아래에서 발생할 수 있는 잠재적인 핵비등을 포함한다.
본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 증기로서 연료를 추출하는 것은 기화기에 의해 공급될 필요가 있는 요구된 열을 감소시킬 것이다. 예컨대, 기화기가 전기 히터에 의해 가열되면, 이와 같이 감소된 열 요건에 대한 하나의 잠재적인 이점은 (개선된 연료 소모량으로 해석되는) 보다 낮은 전력 소모이며, 이러한 이점은 예열 동안에 및/또는 저부하의 냉간 주위 조건 하에서 내연기관의 형태인 연료 소비자에 특히 중요할 것이다. 다른 잠재적인 이점은 엔진 예열뿐만 아니라, 저부하의 냉간 주위 조건 하에서 (엔진 냉매 온도의 낙하를 방지함으로써) 소정의 엔진 온도를 유지하는 개선된 성능 동안에 (개선된 캐빈 가열로 해석되는) 증가된 냉매 온도이다. 예로서, 자동차용 LPG 연료 시스템에 대한 본 발명의 적용과 관련하여, 연료 라인은 연료 소비지의 전체 부하 조건을 공급하도록 가압으로 유지되어야 하고; 누설 경로(예컨대, 다이아프램 고장 등으로 인함) 및 습기 침입이 방지되어야 할 필요가 있으며, 호스 등의 사이즈는 액상 연료에 대한 연료 증기의 증가된 용적 흐름 비율을 수용하도록 크기설정될 필요가 있을 수 있다.
차량용 LPG 연료 시스템에 대해 본 발명을 실시하기 위한 증기압 임계값을 선택하는 것과 관련하여, 연료 시스템이 인탱크 연료 펌프를 불필요하게 작동시키지 않고서 연료 소비자의 전체 부하에서 연료를 공급할 수 있음을 보장하는 관점으로부터, 연료 탱크 내의 증기압을 보다 낮은 임계값[예컨대, 3 바아(절대압)] 이상으로 유지하는 것이 바람직할 수 있지만, 합리적으로 급속한 연료 탱크 재충진을 허용하는 연료 탱크 내의 증기압을 유지하는 관점으로부터, 연료 탱크 내의 증기압은 연료의 화학 성분 등의 변수 및 급유 펌프 노즐에서의 공급압의 예상된 범위에 따라서 5 내지 10 바아(절대압)일 수 있는 상한 임계값 아래로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 증기압 임계값은 제 1 증기압 임계값 아래인 화합물일 수 있고, 액상 연료는 전달을 위해 (바람직하게만) 선택되고, 제 1 (보다 높은) 증기압 임계값의 연료 증기는 전달을 위해 (바람직하게만) 선택되고, 그 사이에서 액상 연료 및 연료 증기의 혼합물이 전달을 위해 선택된다.
LPG 탱크 외부로의 액상 연료보다는 연료 증기를 유도하는 하나의 잠재적인 단점은, 연료 용적 흐름 속도 및 연료 시스템을 통해 소정의 연료 질량을 펌핑하는데 요구되는 압력이 보다 높다는 점이다. 요구되는 압력이 유용한 압력보다 높다면, 연료 소비자에 도달하는 연료량이 떨어져서, 잠재적으로 연료가 부족해질 것이다. 연료 부족을 받을 가능성은 연료 소비자에 대한 연료 흐름이 증대되고 연료 탱크 내의 압력이 감소됨에 따라 증가된다. 이와 같은 잠재적인 단점을 해결하기 위한 하나의 수단은, 보다 높은 내부 치수를 갖는 하드웨어(예컨대, 밸브 및 파이프)를 끼워 맞추는 것이지만, 이러한 해결책은 비용, 질량 및 패키지 용적을 바람직하게 못하게 증대시킬 것이다. 변형예는, 액체 공급 연료 시스템에 의해 사용되는 것과 동일한 사이즈의 밸브 및 파이프를 사용하지만, 증기 연료 공급으로부터 액상 연료 공급으로 소정의 연료 질량 흐름의 임계값으로 전환하는 것이다. 이러한 해결책은 하기와 같이 실시되는데, 이는 (예컨대) 기화기로의 입구에서의 연료 압력이 검출되고, 이러한 정보는 제어기에 입력된다. 연료 공급압에 의존하는 높은 연료 흐름 작동 조건 하에서, 프로그래밍에 따른 제어기는 단지 예로서 2방향 또는 3방향 솔레노이드의 솔레노이드를 액상 연료 흐름을 허용하도록 상태를 선택적으로 전환하게 할 것이며, 상태의 전환은 상태의 온/오프 스위치 또는 상태의 비례 스위치일 수 있다.
연료 탱크의 과도한 냉각은 하기의 관점에서 바람직하지 못할 수 있는데, 이는 (a) 연료 탱크 압력이 연료 펌프 작동 압력의 임계값 아래이면 전력 소모 및 연료 펌프 내구성 요건을 증대시키고, (b) 연료 탱크 외부 상에 얼음 및 응축수를 형성하여 떨어뜨리는 것이 증대되고, (c) 연료 탱크에 연결된 LPG 하드웨어의 과냉각(종종, "아이싱-업"으로도 부름)이 있고, (d) 연료 탱크 재충진 동안에 냉간 연료 탱크 끼워 맞춤부와 밀접하게 접촉하는 것이다. 연료 탱크를 너무 냉각하는 것을 방지하기 위해, 본 발명은 엔진으로의 연료를 액상으로 공급하는 성능을 유지한다. 더욱이, 연료 탱크를 인공으로 가열하는 가능성도 있다. 이는 (예컨대, 이와 같은 연료의 용적 흐름이 연료 레일 압력을 유지하는데 요구되지 않더라도, 연료 펌프 압력 조절기를 거쳐 연료 탱크로 다시 통과하는 대부분의 흐름으로 최대의 출력에서 연료 펌프를 운전하는) 전기 히터 또는 연료 펌프 에너지를 이용함으로써 수행될 수 있다.
본 발명에는 2가지의 시스템 종류, 즉 전자 제어식 및 기계 제어식이 있다. 전자 제어식 시스템은, 전술한 목적, 예컨대 도 11의 3방향 솔레노이드 밸브 제어된 상술한 제어기를 제공하도록 전자 제어식 밸브 및/또는 조절기를 이용한다. 기계 제어식 시스템은, 전술한 목적, 예컨대 도 12의 연료 공급 조절기 제어된 상술한 압력을 제공하도록 기계 제어식 밸브 및/또는 조절기를 이용한다.
연료 펌프를 구비하는 실시예에서의 본 발명의 실시와 관련하여, 연료 펌프는 연료 펌프 압력이 최소의 조절기 공급압[일반적으로, LPG 연료 시스템의 경우에 3 내지 4 바아(절대압)] 아래이면 작동하고 (종래기술에서와 같이) 이러한 압력 이상이면 디세이블된다. 그러나, 본 발명에 의하면, 연료 펌프는 연료(예컨대, 과냉각 상황으로 인함)를 예열하거나 또는 연료 탱크 내의 압력을 증대시키도록 [최소의 조절기 공급압, 아마도 5 내지 10 바아(절대압)의 범위보다 높은] 임계의 증기압까지 작동될 수 있고, 본 발명에 따라 연료의 냉각을 허용하도록 보다 높은 임계의 증기압에서 디세이블될 수 있다.
FF1 및 FF2, 그리고 FF1과 FF2 사이의 합류점에 관한 관점과 관련하여, 연료 탱크 내의 연료가 그 증기압에서의 정의에 의한 것이기 때문에, FF2는 몇몇의 응축된 액체(일반적으로, 작은 액적의 형태임)를 수용할 것이고, FF1은 몇몇의 증발된 가스(일반적으로, 작은 기포의 형태임)를 수용할 것이다. 합류점은 연료 탱크 내의 액체의 레벨 위에 위치되는 것이 필요하다(그렇지 않으면, 증기는 합류점 내로 흐르는 것이 방해될 것임). 연료 펌프의 손상을 회피하기 위해, 합류점은 연료 펌프의 하류에 위치되어야 한다. 합류점은 (비용, 질량 및 패키지 관점에서 바람직하지 못한) 제 2 연료 필터와 함께 연료 필터의 상류 또는 하류(하류에 있다면, 증기 공급 라인은 제 2 연료 필터와 끼워 맞춰질 필요가 있음)에 위치될 수 있다. 합류점은 도 10에서와 같이 연료 탱크의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다(합류점이 연료 탱크 외부에 위치되면, 제 2 연료 공급 라인 및 추가적인 안전 하드웨어가 요구됨).
(FF2 연료 필터의 입구일 수 있는) FF2의 연료 증기 입구와 관련하여, 연료 증기 입구는 연료 탱크의 상부에서 증기 공간 내에 위치되어야 하고, [예컨대, 스플래싱에 의해) 연료 증기 입구 내로 액체가 우발적으로 들어갈 가능성을 줄이기 위해] 가능한 한 액상 연료의 표면 높이에 대한 예상 범위 이상(즉, 연료 탱크 내의 최대 허용된 액상 연료의 표면 높이)으로 바람직하게 위치되어야 한다. 이와 관련하여, 연료 증기 입구는 이러한 목적을 위해 스플래시 쉴드와 끼워 맞춰질 수 있고, 언급한 바와 같이 연료 증기 입구는 바람직하지 못한 오염물의 유입을 방지하도록 연료 필터와 함께 바람직하게 끼워 맞춰져야 한다. 또한, FF2 연료 공급 라인과 관련하여, 연료 증기 흐름에 대한 낮은 흐름 저항성을 제공하기 위해, FF2 연료 공급 라인의 최소 단면은 바람직하게 FF1 연료 공급 라인의 최소 단면 이상인 것이어야 한다.
흐름 제어부(들)와 관련하여, (a) 폐쇄 상태에 있을 때 흐름 제어부를 통한 내측 누설 흐름은 가능한 한 낮아야 하고, (b) 완전한 개방 상태에 있을 때 흐름 제어부를 가로지르는 차압은 (최대의 연료 요구량을 충족하도록) 가능한 한 낮아야 하고, (c) 개방 및 폐쇄 상태로부터 전환하는 실시는 연료 탱크의 내부 및/또는 외부(예컨대, 기화기-조절기의 바로 상류)일 수 있는 위치에서 연료 압력에 응답하여 실시될 수 있다. 흐름 제어부(들)의 밸브 조작은 연료 탱크의 온도를 증가 또는 감소시키도록 기화기-조절기로 지나가는 연료 라인 내로의 증기 연료의 질량 유량에 대한 액상 연료의 질량 유량의 비를 변경하는 것이 가능해야 한다. 밸브 조작의 기능성은, 예컨대 3방향 솔레노이드 밸브, 2개 이상의 2방향 솔레노이드 밸브, 또는 또 다른 적절한 구성의 형태인 흐름 제어부를 이용함으로써 성취될 수 있다. 밸브 조작은 스텝 제어(즉, 2개 이상의 개별적인 비) 또는 연료 공급 라인 내로의 연료 증기의 질량 유량에 대한 액상 연료의 질량 유량의 연속적인 가변 제어에 의해 작동식으로 조절될 수 있으며, (예컨대, 실험적으로) 결정된 상한값과 하한값 사이의 액상 연료의 임의 질량 유량 및 연료 증기의 질량 유량에서 이상적으로 작동할 수 있다.
예시로서, 자동차 적용을 위한 일반적인 LPG 연료 시스템은 하기의 변수를 가질 수 있는데, (a) 연료 탱크 압력 완화 밸브는 일반적으로 26 내지 28 바아(절대압)의 압력에서 개방하고, (b) 연료 레일은 입구 매니폴드 압력보다 1 내지 2 바아 위에 있으며 조절기에 의해 유지된다. 이러한 압력을 유지하기 위해, 조절기의 상류측 상에서의 연료 공급압은 예컨대 3 내지 4 바아(절대압)와 같이 높을 필요가 있는데, 그에 의해 연료 펌프는 연료 탱크 내의 압력이 대략 3 바아(절대압) 아래로 떨어질 때 작동된다. 원치않는 충진되지 않는 연료 탱크 재충진 상황을 없애는 관점에서, 연료 탱크 압력은 대략 8 바아(절대압) 아래로 유지하는 것이 바람직하다.
상술된 바람직한 실시예에 대해 당업자는 변경 또는 수정할 수 있다. 이와 같은 변경 또는 수정은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 수행될 수 있으며, 첨부한 특허청구범위의 범위에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 연료 소비자에게 적합한 가스상 연료를 이용하는 연료 시스템을 위한 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법으로서, 상기 연료는 연료의 증기압 근방에서 액상 연료 및 연료 증기 양자로서 상기 연료 탱크 내에 저장되는, 상기 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법에 있어서,
    상기 연료 시스템의 연료 공급압을 얻는 단계;
    상기 연료 탱크로부터의 연료를 실질적으로 액상 연료로서 선택적으로 추출하는 단계; 및
    상기 연료 탱크로부터의 연료를 실질적으로 연료 증기로서 선택적으로 추출하는 단계를 포함하며,
    상기 연료를 선택적으로 선택하는 단계들은, 상기 연료 공급압을 얻는 단계에 응답하여 상기 연료 증기에 대한 상기 액상 연료의 가변비인 연료를 상기 연료 탱크의 하류에 있는 상기 연료 시스템에 제공함으로써, a) 상기 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 압력 조절, 및 b) 불완전하게 증발하는 연료인 상기 연료 시스템의 기화기로의 증발된 연료 중 하나 이상을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급압을 얻는 단계 및 상기 연료를 선택적으로 선택하는 단계들은, 상기 연료 탱크 내의 연료의 압력이 상기 연료 탱크의 연료 보급에 관한 소정의 압력 임계치 아래로 유지되도록 상기 탱크 내의 연료의 온도 및 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 탱크로부터의 연료를 실질적으로 연료 증기로서 선택적으로 추출하는 단계는,
    상기 연료 탱크 내의 연료를 냉각하도록 상기 연료 탱크 내의 연료의 기액평형을 깨뜨리는 상기 연료 탱크로부터 네이티브 연료 증기의 추출;
    상기 연료 탱크 내의 연료를 냉각하도록 잠열을 흡수하는 인탱크 증발 프로세스; 및
    상기 연료 탱크 내의 연료를 냉각하도록 열팽창을 흡수하는 인탱크 압력 저감 프로세스 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급압을 얻는 단계 및 상기 연료를 선택적으로 선택하는 단계들은, 상기 연료 탱크 내의 연료의 냉각 및 가열 중 하나 이상을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력 관리를 위한 방법.
  5. 연료 소비자에게 적합한 가스상 연료를 이용하는 연료 시스템을 위한 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하기 위한 장치로서, 상기 연료는 연료의 증기압 근방에서 액상 연료 및 연료 증기 양자로서 저장되는, 상기 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치에 있어서,
    연료 탱크;
    기화기;
    상기 기화기를 상기 연료 탱크에 연결하는 연료 라인;
    상기 연료 탱크 내의 액상 연료와 유체 연통하는 입구를 갖는 제 1 연료 공급 라인;
    상기 연료 탱크 내의 연료 증기와 유체 연통하는 입구를 갖는 제 2 연료 공급 라인;
    상기 제 1 연료 공급 라인을 상기 제 2 연료 공급 라인 및 상기 제 1 및 제 2 연료 공급 라인의 하류에 있는 상기 연료 라인에 유체식으로 연결하는 합류점; 및
    상기 제 1 및 제 2 연료 공급 라인 중 하나 이상에 연결된 흐름 제어부로서, 상기 합류점으로의 상기 제 1 연료 공급 라인의 액체 흐름 및 상기 합류점으로의 상기 제 2 연료 공급 라인의 연료 증기 흐름에 대해 연료 흐름을 상대적으로 제어하는, 상기 흐름 제어부를 포함하며,
    상기 흐름 제어부는 상기 연료 시스템 내의 연료 공급압에 대한 소정의 관계에 응답하여 연료 증기에 대한 액상 연료의 가변비로서 상기 연료 흐름을 제어함으로써, a) 상기 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 압력 조절, 및 b) 상기 기화기가 연료를 불완전하게 증발하는 경우 상기 기화기로의 증발된 연료 중 하나 이상을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흐름 제어부는 상기 제 1 연료 공급 라인 및 상기 제 2 연료 공급 라인 중 하나 이상과 연결된 하나 이상의 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 흐름 제어부는,
    상기 제 1 연료 공급 라인과 연결된 연료 펌프; 및
    상기 연료 펌프에 의해 펌핑된 액상 연료와 작동식으로 응답하여 상기 제 2 연료 공급 라인과 연결된 체크 밸브를 포함하며,
    상기 제 2 연료 공급 라인으로부터 상기 합류점으로의 연료 증기의 흐름은 상기 연료 펌프에 의한 연료의 펌핑에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 흐름 제어부 및 상기 합류점은 상기 제 1 연료 공급 라인에 연결된 제 1 입구, 상기 제 2 연료 공급 라인에 연결된 제 2 입구 및 상기 제 1 및 제 2 연료 공급 라인의 하류에 있는 상기 연료 라인에 연결된 출구를 갖는 3방향 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 흐름 제어부는 상기 제 2 연료 흐름 라인과 연결된 압력 작동식 밸브를 포함하며, 상기 압력 작동식 밸브는 기준 압력에 대해 연료 공급압의 변동에 응답하여 상기 합류점으로의 연료 증기 흐름을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
  10. 연료 소비자에게 적합한 가스상 연료를 이용하는 연료 시스템을 위한 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하기 위한 장치로서, 상기 연료는 연료의 증기압 근방에서 액상 연료 및 연료 증기 양자로서 저장되는, 상기 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치에 있어서,
    연료 탱크;
    기화기;
    상기 기화기를 상기 연료 탱크에 연결하는 연료 라인;
    상기 연료 탱크 내에 배치된 인탱크 증발기 조립체;
    상기 연료 탱크 내의 액상 연료와 유체식 연통하는 입구;
    상기 입구 및 상기 인탱크 증발기 조립체에 연결된 증발기 흐름 제어부로서, 상기 입구로부터 상기 인탱크 증발기 조립체 내로의 연료 흐름을 제어하는, 상기 흐름 제어부; 및
    상기 입구를 상기 인탱크 증발기 조립체 및 상기 증발기 흐름 제어부의 하류에 있는 상기 연료 라인에 유체식으로 연결하는 하나 이상의 합류점을 포함하며,
    상기 증발기 흐름 제어부는, 연료 증기에 대한 액상 연료의 가변비가 상기 연료 시스템 내의 연료 공급압에 대해 소정의 관계에 응답하여 제공되도록 상기 인탱크 증발기 조립체를 통과하는 연료의 기화를 제공하기 위해 상기 인탱크 증발기 조립체 내로 상기 연료 흐름을 제어함으로써, a) 상기 연료 탱크 내의 연료의 온도 및 압력 조절, 및 b) 상기 기화기가 연료를 불완전하게 증발시키고 있는 경우 상기 기화기로의 증발된 연료 중 하나 이상을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 탱크의 온도 및 압력을 관리하는 장치.
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