KR20120064817A

KR20120064817A - 직접분사 엘피아이 시스템

Info

Publication number: KR20120064817A
Application number: KR1020100126026A
Authority: KR
Inventors: 강명권; 정명수; 이원길; 김중종; 신용남
Original assignee: (주)모토닉
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-20
Also published as: KR101199321B1

Abstract

본 발명은 직접분사 엘피아이 시스템에 관한 것으로, 봄베에 내장된 액체 상태의 엘피지 연료를 엔진의 연소실 내부로 직접분사하는 직접분사 엘피아이 시스템에 있어서, 상기 봄베 내부에 내장되어 상기 연료를 펌핑하여 엔진 쪽으로 공급하는 연료펌프, 상기 연료펌프에 의해 펌핑되어 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하는 고압펌프, 상기 연료펌프로부터 공급되는 연료를 상기고압펌프로 전달하는 연료공급라인, 상기 고압펌프로 공급된 연료 중에서 나머지를 상기 봄베로 회수하도록 상기 고압펌프의 저압부에서 상기 봄베 사이에 연결되는 연료회수라인, 상기 연료회수라인에서 분기되고 상기 엔진 정지시 엔진의 열에 의해 상기 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 상기 봄베로 바이패스시키도록 상기 봄베에 연결되는 바이패스라인 및 상기 바이패스라인에 설치되어 상기 바이패스라인을 개폐하도록 개폐 동작하는 셧업밸브를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 직접분사 엘피아이 시스템을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 엔진 정지 후 재시동시 제 2셧업밸브를 미리 설정된 구동시간 동안 개방시켜 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 우선적으로 봄베로 바이패스시킴으로써 봄베의 열평형을 유지할 수 있다.

Description

직접분사 엘피아이 시스템{DIRECT INJECTION TYPE LIQUEFIED PETROLEUM-GAS INJECTION SYSTEM}

본 발명은 직접분사 엘피아이 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엘피지 연료를 고압으로 가압하여 엔진에 직접 분사함으로써 차량의 동력성능을 향상시키고, 연비를 절감하며, 탄소발생량을 저감하는 효과를 구현하는 직접분사 엘피아이 시스템에 관한 것이다.

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

그렇지만 2003년부터 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 2가지 목적을 동시에 달성하기 위해서는 연료분사 시스템에 대해서도 많은 변화가 요구되고 있다.

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

도 1은 종래의 엘피아이 시스템의 구성도이다.

종래의 엘피아이 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 엘피지 연료가 저장되는 봄베(1), 봄베(1) 내에 설치되며 봄베(1) 내에 저장된 엘피지 연료를 펌핑하여 송출하는 펌프모듈(2) 및 펌프모듈(2)을 통해 공급되는 액상의 연료를 인젝터(I)에 의해 분사하여 구동하는 엔진(E)을 포함한다.

펌프모듈(2)은 봄베(1) 내에 설치되어 엘피지 연료를 펌핑하는 연료펌프(3) 및 연료펌프(3)를 통해 펌핑된 연료를 송출하는 멀티밸브(4)를 포함하며, 연료펌프(3)는 중앙처리유닛(Electonic Control Unit, 이하 'ECU'라 함)(도면 미도시)에 의해서 제어된다.

멀티밸브(4)와 인젝터(I)는 연료공급라인(S)과 연료회수라인(R)을 통해 연결된다.

즉, 멀티밸브(4)를 통해 공급되는 연료는 연료공급라인(S)을 통과한 후 인젝터(I)에 의해 일부가 엔진(E)에 분사되고, 분사되지 않은 나머지 연료는 연료 회수라인(R)을 통과한 후 멀티밸브(4)를 통해 다시 봄베(1) 내부에 회수된다.

또한 연료공급라인(S)과 연료회수라인(R)에는 연료의 압력 및 공급량을 일정하게 유지시키기 위한 레귤레이터 유닛(5)이 설치된다.

레귤레이터 유닛(5)은 연료 압력 레귤레이터(6), 가스 압력 측정센서(GPS), 가스 온도 측정센서(GTS) 및 셧업밸브(SV)를 내장하고 있으며, 이를 통해 연료공급 및 회수라인(S,R)의 연료 공급 및 차단을 제어하게 된다.

그런데 상기한 바와 같은 종래의 엘피아이 시스템은 인젝터에서 공급된 연료가 흡기밸브 직전에서 공기와 혼합된 후 엔진으로 공급된다.

따라서 연료가 공기와 혼합된 후 엔진으로 분사되는 간접분사방식을 취하고 있어 가솔린연료의 직접분사방식보다 출력이 낮은 문제점이 있었다.

또한 가솔린 연료와 달리 엘피지 연료는 대기 온도 변화에 민감하게 반응하여 쉽게 기체 상태로 변화되므로, 봄베 내의 엘피지 연료 중 기상 부분은 에너지 변화로 쉽게 가압 송출시 캐비테이션(cavitation, 공동 현상)을 일으킨다.

이에 따라, 종래의 엘피아이 시스템은 펌프 능력이 저하되어 연료공급 시스템이 원활히 작동되지 못하는 문제점이 발생함에 따라 차량 운행에 심각한 악영향을 미치게 된다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 특허 출원번호 제10-2009-0070720호(2009년 7월 31일 출원, 이하 '특허문헌 1'이라 함)에 직접분사 엘피아이 시스템을 개시하여 출원한 바 있다.

도 2는 특허문헌 1에 따른 직접분사 엘피아이 시스템의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 특허문헌 1에 따른 직접분사 엘피아이 시스템은 연료가 저장되는 봄베(1), 봄베(1) 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프(3), 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 엔진(E)으로 공급하는 연료공급라인(S), 엔진(E)의 연료를 봄베(1)로 회수하는 연료회수라인(R), 연료공급라인(S) 상에 설치되어 연료펌프(3)에서 펌핑된 연료를 고압으로 가압시켜 엔진(E)으로 공급하는 고압펌프(7), 고압펌프(7)의 토출측에 연결되어 고압으로 가압된 연료가 충진되는 딜리버리 파이프(9), 연료의 압력이 딜리버리 파이프(9) 내에서 고압상태로 일정하게 유지하는 고압레귤레이터(8)를 포함한다.

딜리버리 파이프(9)에 고압으로 충진된 연료를 엔진(E)의 연소실에 직접분사하는 인젝터(I)는 딜리버리 파이프(9)로부터 연결관을 통해 연결되고, 엔진(E)의 실린더 헤드에 점화플러그(P)와 인접하여 결합된다.

그리고 연료공급라인(S)에는 고압펌프(7)의 전단에 셧업밸브(SV)가 설치되며, 고압펌프(7)는 연료펌프(3)에서 펌핑되어 연료공급라인(S)으로 이송된 연료를 100~200bar로 가압시킨다.

고압레귤레이터(8)는 인젝터(I)를 통해 분사되는 연료의 압력이 딜리버리 파이프(9) 내에서 고압상태, 예컨대 약 120bar 정도로 일정하게 유지되도록 하고, 그 이상의 오버플로우되는 압력을 봄베(2)로 회수되도록 하는 기능을 한다.

그리고 고압레귤레이(8)로부터 회수되는 연료는 연료 압력 레귤레이터(6)에 의해 감압된 후 봄베(1) 내로 회수된다.

이에 따라, 특허문헌 1에 따른 직접분사 엘피아이 시스템은 엔진에서 잔류된 연료 또는 고압레귤레이터에서 오버플로우된 연료를 봄베로 회수함으로써 봄베 내의 액상 연료 수위를 적정하게 유지하고, 봄베 내부의 빈 공간이 급격하게 증가하는 것을 방지하여 캐비테이션을 억제시켜 열평형 상태를 이루도록 한다.

하지만, 엔진에서 잔류된 연료 또는 고압레귤레이터에서 오버플로우된 연료는 고온 고압 상태를 가진다.

즉, 특허문헌 1에 따른 직접분사 엘피아이 시스템은 연료 압력 레귤레이터를 통해 회수되는 연료의 압력을 감압하여 봄베로 회수하지만, 봄베로 회수되는 연료가 여전히 고온 상태이므로 봄베 내부에 저장된 엘피지 연료 전체의 온도가 상승한다.

이에 따라, 특허문헌 1에 따른 직접분사 엘피아이 시스템은 봄베 내부에서 엘피지 연료가 기체상태로 변화하면서 연료의 가압송출시 캐비테이션이 발생하는 문제점이 있었다.

그리고 특허문헌 1은 딜리버리 파이프의 연료 압력을 일정하게 유지하는 고압레귤레이터와 회수되는 연료의 압력을 감압하는 연료 압력 레귤레이터를 각각 구비함에 따라 부품수가 증가하여 직접분사 엘피아이 시스템의 구성이 복잡해지고, 제작비용이 상승하는 문제점이 있었다.

대한민국 특허 출원번호 제10-2009-0070720호(2009년 7월 31일 출원)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 엘피지 연료를 고압으로 가압하여 엔진에 직접 분사하는 직접분사 엘피아이 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 엘피지 연료의 온도 상승으로 인한 캐비테이션을 방지하여 엘피지 연료를 엔진에 원활하게 공급하는 직접분사 엘피아이 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주행 후 엔진 정지시 고압펌프의 저압부에서 발생하는 기포가 포함된 연료를 재시동시 우선적으로 바이패스시켜 초기 시동성을 향상시키는 직접분사 엘피아이 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 봄베에 내장된 액체 상태의 엘피지 연료를 엔진의 연소실 내부로 직접분사하는 직접분사 엘피아이 시스템에 있어서, 상기 봄베 내부에 내장되어 상기 연료를 펌핑하여 엔진 쪽으로 공급하는 연료펌프, 상기 연료펌프에 의해 펌핑되어 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하는 고압펌프, 상기 연료펌프로부터 공급되는 연료를 상기고압펌프로 전달하는 연료공급라인, 상기 고압펌프로 공급된 연료 중에서 나머지를 상기 봄베로 회수하도록 상기 고압펌프의 저압부에서 상기 봄베 사이에 연결되는 연료회수라인, 상기 연료회수라인에서 분기되고 상기 엔진 정지시 엔진의 열에 의해 상기 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 상기 봄베로 바이패스시키도록 상기 봄베에 연결되는 바이패스라인 및 상기 바이패스라인에 설치되어 상기 바이패스라인을 개폐하도록 개폐 동작하는 셧업밸브를 포함한다.

본 발명은 상기 연료회수라인에 설치되고 상기 봄베로 회수되는 연료를 미리 설정된 가압압력만큼 가압하는 연료 압력 레귤레이터와 엔진의 재시동시 상기 셧업밸브를 미리 설정된 구동시간 동안 개방한 후 상기 구동시간이 경과하면 폐쇄하도록 제어하는 중앙처리유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고압펌프는 바디, 상기 바디의 일측에 형성된 유입구를 통해 상기 봄베로부터 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하는 가압수단 및 상기 유입구를 통해 유입된 연료 중에서 상기 가압수단에 의해 가압되기 이전의 저압상태인 나머지 연료를 상기 연료회수라인으로 전달하는 저압부를 포함하고, 상기 저압부는 상기 유입구를 통해 유입된 저압상태의 연료를 상기 연료의 맥동을 감소시키는 댐퍼부를 경유하여 상기 연료회수라인로 전달하는 경로인 것을 특징으로 한다.

상기 가압수단은 상기 바디의 내부에 구비되어 연료의 흡입력 및 가압력을 발생하는 피스톤과 리턴스프링, 상기 유입구에 결합되고 연료의 공급유량 및 토출압력을 제어하는 스필밸브, 상기 스필밸브에 연결되는 입구측 체크밸브 및 상기 피스톤에 의해 가압된 연료를 토출하는 토출공에 결합되는 토출측 체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 연료펌프의 지속적인 펌핑 동작에 의해 고압펌프로 공급되는 연료 중에서 일부를 고압펌프의 저압부로부터 봄베로 회수하도록 하여 봄베 내부의 열평형을 유지시켜 봄베 내부의 연료온도 상승으로 인한 엘피지 연료의 기화를 방지한다.

이에 따라, 본 발명은 연료의 가압 송출과정에서 엘피지 연료의 기화로 인해 발생되는 캐비테이션을 최소화하여 펌프 효율을 향상시키고, 엔진에 엘피지 연료를 원활하게 공급할 수 있다.

그리고 본 발명은 인젝터를 통해 분사된 분사량과 동일한 양만큼 고압펌프에 의해 가압된 연료를 딜리버리 파이프에 공급하여 딜리버리 파이프 내부의 압력을 고압으로 유지함으로써 엔진의 연소실에 공급되는 연료의 기화를 방지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 종래의 직접분사 엘피아이 시스템에서 딜리버리 파이이프에서 오버플로우된 연료의 압력을 고압으로 유지하기 위해 구비되는 고압 레귤레이터를 제거하여 시스템의 구성을 간결하게 하고, 제작 비용을 절감할 수 있다.

그리고 본 발명은 엔진 정지 후 재시동시 제 2셧업밸브를 미리 설정된 구동시간 동안 개방시켜 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 우선적으로 봄베로 바이패스시킴으로써 봄베의 열평형을 유지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 엔진에 액체상상의 엘피지 연료를 원활하게 공급하여 엔진의 초기 시동성을 향상시킬 수 있다.

결국, 본 발명은 고압의 액체 상태인 엘피지 연료를 엔진에 직접 분사하고, 엔진에 공급하기 이전에 저압상태인 나머지 연료를 봄베로 회수함으로써, 가솔린 연료의 직접분사 방식과 유사하게 차량의 동력성능 및 연비를 향상시키며, 탄소발생량을 저감하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 엘피아이 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 직접분사 엘피아이 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사 엘피아이 시스템의 구성도.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 고압펌프의 사시도 및 단면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사 엘피아이 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사 엘피아이 시스템의 구성도이고, 도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 고압펌프의 사시도 및 단면도이다.

본 실시 예에서는 엔진 시동시 연료펌프(12)의 펌핑동작에 의해 연료공급라인(S)을 통해 공급되는 연료가 초기에 일정 압력, 예컨대 약 2bar의 압력으로 고압펌프(14)로 전달되는데, 이와 같이 시동 초기에 공급되는 연료 압력을 '저압 상태'라 한다.

그리고 저압 상태인 엘피지 연료를 고압펌프(14)의 유입구(21)로부터 댐퍼부(25)를 통해 연료회수라인(R)으로 전달하는 전달경로를 '저압부(30)'라 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사 엘피아이 시스템(10)은 연료가 저장되는 봄베(11), 봄베(11) 내에 설치되어 연료를 펌핑하는 연료펌프(12), 연료펌프(12)에서 펌핑된 연료를 엔진(E)으로 공급하는 연료공급라인(S), 연료펌프(12)에 의해 펌핑된 연료를 고압으로 가압시키는 고압펌프(14), 고압펌프에 공급된 연료 중에서 일부를 고압펌프(14)의 저압부(30)에서 봄베(11)로 회수하는 연료회수라인(R), 고압펌프(14)로부터 가압된 연료가 고압으로 충진되는 딜리버리 파이프(15),딜리버리 파이프(9)에 고압으로 충진된 연료를 엔진(E)의 연소실에 직접분사하는 인젝터(I), 엔진(E)의 목표 RPM에 기초하여 연료펌프(12) 내부의 모터 및 인젝터(I)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 ECU(17) 및 ECU(17)의 제어신호에 따라 상기 모터 및 인젝터(I)의 구동을 제어하는 모터 컨트롤러(18)를 포함한다.

그리고 연료공급라인(S)의 고압펌프(14) 전단에는 ECU(17)의 제어신호에 의한 모터 컨트롤러(18)의 구동신호에 따라 개폐 동작하여 봄베(11)로부터 공급되는 연료를 차단하는 제 1셧업밸브(SV1)가 설치되고, 연료회수라인(R)의 고압펌프(14) 후단에는 고압펌프(14)의 저압부(30)로부터 봄베(11)로 회수되는 연료의 압력을 감압하는 연료 압력 레귤레이터(16)가 설치된다.

또한 연료회수라인(R)에는 후단이 봄베(11)에 연결되는 바이패스라인(B)이 분기되어 설치되고, 바이패스라인(B)에는 제 2셧업밸브(SV2)가 설치된다.

제 2셧업밸브(SV2)는 엔진 시동시 ECU(17)의 제어신호에 따라 미리 설정된 구동시간 동안 개방 동작하여 바이패스라인(B)을 개방한 후, 구동시간이 경과하면 폐쇄 동작하여 바이패스라인(B)을 폐쇄한다.

연료펌프(12)는 봄베(11) 내부에 저장된 엘피지 연료를 펌핑하여 연료공급라인(S)으로 공급한다. 이때, 연료공급라인(S)을 통해 공급되는 연료는 초기에는 저압상태, 예컨대 약 2bar의 압력으로 고압펌프(14)로 전달된다.

고압펌프(14)는 연료펌프(12)에 의해 펌핑되어 연료공급라인(S)을 통해 저압으로 공급되는 연료 중에서 일부를 고압, 예컨대 약 40~150bar로 가압하여 딜리버리 파이프(15)로 공급하고, 나머지 연료를 내부의 저압부(30)로부터 연료회수라인(R)을 통해 봄베(11)로 회수되도록 한다.

도 4 및 도 5를 참조하여 고압펌프의 구조를 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 고압펌프(14)의 외형을 형성하는 바디(20)의 측면에는 유입구(21) 및 토출구(22)가 형성되고, 바디(20)의 내부에 연료의 흡입력 및 가압력을 발생하는 가압수단으로서 피스톤(23)과 리턴스프링(24)이 구비되며, 바디(20)의 상부에는 연료의 맥동을 감소시키는 댐퍼부(25)가 장착된다.

유입구(21)에는 공급 유량 및 토출 압력을 제어하는 스필 밸브(26)와 스필 밸브(26)에 연결된 입구측 체크밸브(27)가 결합되고, 토출구(22)에 토출측 체크밸브(28)가 결합된다.

댐퍼부(25)의 내면에는 연료의 맥동을 감소시키도록 다수의 골(251)이 형성되고, 댐퍼부(25)의 상면에는 저압부(30)와 연결되는 연결공(252)이 형성된다.

고압펌프(14)는 엔진(E)이 구동되면 캠축(도면 미도시)과 연동하여 엔진 구동력을 전달받아 펌핑 동작한다.

그리고 연료펌프(12)와 고압펌프(14)는 도 5에 도시된 바와 같이, 피스톤(23)이나 다이어프램, 기어, 베인 등을 이용한 용적형 펌프로 구비되는 것이 바람직하다.

터빈 펌프와 같은 임펠러형 펌프는 2개의 펌프를 이용한 가압과정에서 더하기의 가압능력을 나타내지만, 용적형 펌프로 구비된 연료펌프(12)와 고압펌프(14)는 연료 가압시 각 펌프(12,14)의 펌핑 능력을 곱한 가압능력의 효과를 나타낼 수 있다.

실험치에 따르면, 고압펌프(14)는 연료펌프(12)에 의해 펌핑되어 고압펌프(14)로 공급된 연료 중에서 엔진(E)의 아이들(idle) 시 약 95%의 연료를 연료회수라인(R)을 통해 봄베(11)로 회수하도록 하고, 엔진(E)의 정상운전 시에는 약 60%의 연료를 봄베(11)로 회수하도록 한다.

다시 도 3에서 연료 압력 레귤레이터(16)는 고압펌프(14)의 저압부(30)로부터 봄베(11)로 회수되는 연료의 압력이 연료펌프(12)의 지속적인 펌핑 동작에 의해 저압상태(2bar)로부터 미리 설정된 가압압력, 예컨대 Δ5bar만큼 가압되어 약 7bar가 되면, 내부의 밸브가 개방되어 연료를 봄베(11)로 전달한다.

그리고 연료 압력 레귤레이터(16)는 개방된 밸브를 통해 연료가 봄베(11)로 전달됨에 따라 내부의 압력이 약 7bar보다 낮아지면, 상기 밸브를 폐쇄한 후 내부의 압력이 다시 약 7bar보다 높아지면 개방하는 동작을 반복 수행한다.

상기 가압압력은 봄베(11) 내부의 열평형을 이루기 위해 봄베(11)로 회수되는 연료를 가압하여 기화를 방지하도록 미리 설정되는 압력이다.

이에 따라, 봄베(11) 내부에서는 연료펌프(12)에 의해 배출되는 연료와 고압펌프(14)로부터 회수되는 연료에 의해 열평형이 이루어진다.

상세하게 설명하면, 종래의 엘피아이 시스템에서는 봄베(1) 내의 연료가 송출됨으로써 봄베(1)에 저장된 연료는 내측 하부에서 액체상태를 유지하지만, 그 상부의 공간에서는 기화가 발생하여 봄베(1) 내부의 포화 증기압이 낮아지게 된다.

이로 인해 봄베(1)의 내부 온도가 급격히 내려가며, 연료가 더욱 쉽게 기화되어 1차 펌핑 과정에서 캐비테이션이 발생함에 따라 연료펌프(3)의 연료 송출능력이 현저히 저하된다.

반면, 본 발명에서는 연료회수라인을 통해 적절한 양의 연료를 회수함으로써 봄베 내부의 열평형을 이루는 것이다.

즉, 본 발명은 고압펌프의 저압부에서 연료를 봄베로 곧바로 회수함으로써 봄베 내의 액상 연료의 수위를 적정하게 유지할 수 있고, 봄베 내부의 빈 공간이 급격하게 증가하는 것을 방지함으로써 캐비테이션을 억제할 수 있다.

특히, 본 발명은 고압펌프를 통해 딜리버리 파이프로 공급하기 이전에 저압상태의 연료를 회수함에 따라 연료의 온도를 저온 상태로 유지할 수 있어 봄베 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

이에 따라, 봄베(11) 내부는 열평형 상태를 유지하게 된다. 이와 같이, 봄베(11) 내부에서 열평형이 이루어지면, 연료의 가압 송출과정의 원활하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해 엘피지 연료 공급 시스템의 성능이 최상으로 발휘될 수 있다.

여기서 회수되는 연료의 양은 봄베(11)의 크기, 차량의 배기량에 따라 적절한 평가를 통해 열평형에 필요한 양으로 제어될 수 있다.

한편, 딜리버리 파이프(15)에는 인젝터(I)를 통해 분사된 연료의 분사량과 동일한 양의 연료가 고압펌프(14)에 의해 고압으로 가압된 상태로 공급됨에 따라, 딜리버리 파이프(15) 내부의 압력을 상기한 고압, 즉 약 40~150bar로 일정하게 유지된다.

이와 같이, 고압으로 유지되는 딜리버리 파이프(15) 내부에서는 높은 압력으로 인해 연료의 기화가 발생되지 않음에 따라 인젝터(I)를 통해 엔진(E)의 연소실에 공급되는 엘피지 연료는 액체상태로 유지된다.

본 발명은 연료펌프의 지속적인 펌핑 동작에 의해 고압펌프로 공급되는 연료 중에서 일부를 고압펌프의 저압부로부터 봄베로 회수하도록 하여 봄베 내부의 열평형을 유지시켜 봄베 내부의 연료온도 상승으로 인한 엘피지 연료의 기화를 방지한다.

이에 따라, 본 발명은 연료의 가압 송출과정에서 엘피지 연료의 기화로 인해 발생되는 캐비테이션을 최소화하여 펌프 효율을 향상시키고, 연료를 원활하게 공급하여 차량의 동력성능 및 연비를 향상시키며, 탄소 발생량을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 연료공급라인(S)의 고압펌프(14) 전단과 연료회수라인(R)의 고압펌프(14) 후단에는 이동하는 연료 압력을 확인할 수 있도록 연료 압력을 감지하는 제 1 및 제 2압력센서(도면 미도시)가 설치되고, 딜리버리 파이프(15)에는 제 3압력센서(도면 미도시)가 설치되는 것이 바람직하다.

ECU(17)는 제 1 및 제 2압력센서와 딜리버리 파이프(15)에 설치된 제 3압력센서로부터 감지된 연료 압력에 따라 제 1셧업밸브(SV1), 연료펌프(12), 멀티밸브(13) 및 연료 압력 레귤레이터(16)의 구동을 제어하도록 모터 컨트롤러(18)에 제어신호를 발생한다.

이와 함께, ECU(17)는 엔진(E) 시동시 제 2셧업밸브(SV2)를 미리 설정된 구동시간 동안 개방한 후 폐쇄하도록 모터 컨트롤러(18)로 제어신호를 발생한다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사 엘피아이 시스템의 작동방법을 상세하게 설명한다.

이그니션 키(도면 미도시)가 조작되어 전원이 공급되면, ECU(17)는 연료펌프(12)에 내장된 모터를 구동하고, 제 1 및 제 2셧업밸브(SV1,SV2)를 개방하도록 모터 컨트롤러(18)의 구동을 제어하는 제어신호, 엔진(E)을 목표 RPM으로 회전시키도록 점화플러그(P) 및 인젝터(I)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생한다.

이에 따라, 봄베(11) 내부의 연료펌프(12)가 구동되어 봄베(11) 내부에 저장된 연료를 펌핑하여 연료공급라인(R)을 통해 공급하고, 제 1셧업밸브(SV1)는 공급되는 연료가 고압펌프(14)로 전달되도록 개방 동작한다.

이때, 딜리버리 파이프(15) 내부에는 고압의 액체상태인 엘피지 연료가 충진된 상태이므로, 인젝터(I) 및 점화플러그(P)는 ECU(17)의 제어신호에 따라 구동되어 엔진(E)이 구동된다.

한편, 차량 주행 후 엔진(E)을 정지하면, 엔진(E)의 남은 열에 의해 고압펌프(14)의 저압부(30)에는 액체상태의 연료가 기화하여 기포가 발생됨에 따라 공기층이 형성된다.

이와 같이 형성된 공기층으로부터 기포가 포함된 연료가 연료회수라인(R)을 통해 연료 압력 레귤레이터(16)로 전달되면, 연료 압력 레귤레이터(16)에서는 연료를 미리 설정된 가압압력으로 가압하는데 걸리는 시간이 길어지게 된다.

또한 기포가 포함된 연료가 봄베(11)로 회수됨에 따라 봄베(11) 내부의 열평형이 깨지면서 캐비테이션이 발생하게 된다.

본 실시 예에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 엔진 재시동시 제 2셧업밸브(SV2)를 미리 설정된 구동시간 동안 개방하도록 제어한다.

즉, 제 2셧업밸브(SV2)는 연료 압력 레귤레이터(16) 내부에 구비된 밸브의 개폐동작 타이밍이 늦어지면서 봄베(11) 내부로 회수되는 연료량이 불규칙해져 봄베(11) 내부의 열평형이 깨지는 것을 방지하기 위해 엔진 재시동시 고압펌프(14)의 저압부(30)의 기포를 포함한 연료를 우선적으로 바이패스라인(B)을 통해 봄베(11)로 바이패스시킨다.

이와 같이, 본 발명은 엔진 정지 후 재시동시 제 2셧업밸브를 미리 설정된 구동시간 동안 개방시켜 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 우선적으로 봄베로 바이패스시킴으로써 봄베의 열평형을 유지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 엔진에 액체상태의 엘피지 연료를 원활하게 공급하여 엔진의 초기 시동성을 향상시킬 수 있다.

그리고 고압펌프(14)는 엔진(E)의 캠축과 연동하여 엔진의 구동력을 이용해 구동되고, 제 1셧업밸브(SV1)를 통해 공급된 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하여 딜리버리 파이프(15)로 전달하고, 나머지 연료를 저압부(30)인 댐퍼부(25)의 연결공(252)을 통해 연료회수라인(R)으로 전달한다.

이때, 연료 압력 레귤레이터(16) 내부의 밸브가 개폐 동작함에 따라 연료회수라인(R)을 통해 가압압력인 약 Δ5bar만큼 가압된 연료가 봄베(11)로 회수된다.

이에 따라, 봄베(11) 내부에는 연료펌프(12)에 의해 펌핑되어 배출되는 연료와 연료 압력 레귤레이터(16)에 의해 가압되어 회수되는 연료 사이에 열평형이 이루어지게 된다.

한편, ECU(17)의 제어신호에 따라 인젝터(I)에서 고압의 액체상태인 엘피지 연료가 엔진(E)의 연소실에 직접분사됨에 따라 연소실에 분사된 연료량과 동일한 양만큼의 고압 연료가 딜리버리 파이프(15)로 공급된다.

이와 같이, 딜리버리 파이프(15)는 항상 고압상태를 유지하므로, 딜리버리 파이프(15) 내부의 연료는 지속적으로 액체 상태를 유지할 수 있다.

이에 따라, ECU(17)는 엔진(E)의 연소실에 분사되는 고압의 액체 상태인 엘피지 연료의 분사량을 정밀하게 제어하여 가솔린 연료의 직접분사 방식과 유사하게 차량의 동력성능 및 연비를 향상시키며, 탄소 발생량을 저감할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 연료펌프의 지속적인 펌핑 동작에 의해 고압펌프로 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하여 딜리버리 파이프로 공급하고, 나머지 연료를 고압펌프의 저압부로부터 봄베로 회수하도록 하여 봄베 내부의 열평형을 유지시켜 봄베 내부의 연료온도 상승으로 인한 엘피지 연료의 기화를 방지한다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 직접분사 엘피아이 시스템 11: 봄베
12: 연료펌프 13: 멀티밸브
14: 고압펌프 15: 딜리버리 파이프
16: 연료 압력 레귤레이터 17: ECU
18: 모터 컨트롤러 20: 바디
21: 유입구 22: 토출구
23: 피스톤 24: 리턴스프링
25: 댐퍼부 251: 골
252: 연결공 26: 스필밸브
27: 입구측 체크밸브 28: 토출측 체크밸브
30: 저압부 SV1,SV2: 제 1,제 2셧업밸브
S: 연료공급라인 R: 연료회수라인
B: 바이패스라인

Claims

봄베에 내장된 액체 상태의 엘피지 연료를 엔진의 연소실 내부로 직접분사하는 직접분사 엘피아이 시스템에 있어서,
상기 봄베 내부에 내장되어 상기 연료를 펌핑하여 엔진 쪽으로 공급하는 연료펌프,
상기 연료펌프에 의해 펌핑되어 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하는 고압펌프,
상기 연료펌프로부터 공급되는 연료를 상기고압펌프로 전달하는 연료공급라인,
상기 고압펌프로 공급된 연료 중에서 나머지를 상기 봄베로 회수하도록 상기 고압펌프의 저압부에서 상기 봄베 사이에 연결되는 연료회수라인,
상기 연료회수라인에서 분기되고 상기 엔진 정지시 엔진의 열에 의해 상기 고압펌프의 저압부에 충진된 기포를 포함한 연료를 상기 봄베로 바이패스시키도록 상기 봄베에 연결되는 바이패스라인 및
상기 바이패스라인에 설치되어 상기 바이패스라인을 개폐하도록 개폐 동작하는 셧업밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접분사 엘피아이 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 연료회수라인에 설치되고 상기 봄베로 회수되는 연료를 미리 설정된 가압압력만큼 가압하는 연료 압력 레귤레이터와
엔진의 재시동시 상기 셧업밸브를 미리 설정된 구동시간 동안 개방한 후 상기 구동시간이 경과하면 폐쇄하도록 제어하는 중앙처리유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접분사 엘피아이 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 고압펌프는
바디,
상기 바디의 일측에 형성된 유입구를 통해 상기 봄베로부터 공급되는 연료 중에서 일부를 고압으로 가압하는 가압수단 및
상기 유입구를 통해 유입된 연료 중에서 상기 가압수단에 의해 가압되기 이전의 저압상태인 나머지 연료를 상기 연료회수라인으로 전달하는 저압부를 포함하고,
상기 저압부는
상기 유입구를 통해 유입된 저압상태의 연료를 상기 연료의 맥동을 감소시키는 댐퍼부를 경유하여 상기 연료회수라인로 전달하는 경로인 것을 특징으로 하는 직접분사 엘피아이 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 가압수단은
상기 바디의 내부에 구비되어 연료의 흡입력 및 가압력을 발생하는 피스톤과 리턴스프링,
상기 유입구에 결합되고 연료의 공급유량 및 토출압력을 제어하는 스필밸브,
상기 스필밸브에 연결되는 입구측 체크밸브 및
상기 피스톤에 의해 가압된 연료를 토출하는 토출공에 결합되는 토출측 체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접분사 엘피아이 시스템.