KR20130034904A

KR20130034904A - 대용량 연료분사 시스템 및 이를 적용한 대형 천연압축가스 엔진

Info

Publication number: KR20130034904A
Application number: KR1020110099058A
Authority: KR
Inventors: 나정현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-08

Abstract

본 발명은 엔진의 각 기통별로 2개의 가스 인젝터(31,32)가 전담된 MPI(A, Multi Point Injection)으로 1회 분사시 대용량으로 연료를 분사해줌으로써 MPI(A)를 적용한 대형 CNG엔진의 상용화가 가능하고, 특히 엔진의 기통별 혼합기 제어를 통해 공연비 제어의 정밀도를 크게 향상함으로써 동일 조건의 SPI(Single Point Injection)대비 연비 향상과 더불어 EM(CO,CH4,NMHC)을 크게 저감할 수 있는 특징을 갖는다.

Description

대용량 연료분사 시스템 및 이를 적용한 대형 천연압축가스 엔진{Huge Fuel Injection System and Huge Compressed Natural Gas Engine thereof}

본 발명은 대용량 연료분사 시스템에 관한 것으로, 특히 대형 천연압축가스(CNG: Compressed Natural Gas)엔진에서 1회 분사시 요구되는 인젝터의 분사량을 만족할 수 있는 대용량 연료분사 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 버스와 같이 기통당 약 15Kg/h이상의 연료량을 요구하는 대형 CNG 엔진에는 1회 분사시 대용량으로 연료를 분사할 수 있는 가스 인젝터가 요구될 수밖에 없다.

그러므로, 통상적인 연료분사량을 갖도록 설계된 가스 인젝터로는 대형 CNG 엔진에서 기통당 요구하는 1회 분사량을 맞추는데 한계가 있을 수밖에 없다.

통상, 가스 인젝터의 1회 연료분사량을 높이면 해소될 수 있지만, 이는 전혀 새로운 가스 인젝터의 설계를 요구할 뿐만 아니라 흡기장치 및 그에 관련된 부품들에 대한 설계변경도 요구함으로써 전혀 새로운 문제를 가져오게 된다.

상기와 같은 가스 인젝터의 문제를 가스 인젝터의 어떠한 설계 변경없이 해소한 대용량 연료분사 시스템으로서 SPI(Single Point Injection)를 예를 들 수 있다.

이는, 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 가스 인젝터를 구비하여 엔진에서 필요로 하는 가스의 량을 조절하는 연료량 조절밸브(100)와, 연료량 조절밸브(100)에서 보내진 가스와 외부에서 유입된 신기를 혼합하는 믹서파이프(200)와, 믹서파이프(200)가 연결되어 혼합기를 엔진의 각 기통으로 보내주는 흡기매니폴드(300)로 구성된다.

즉, SPI는 연료량 조절밸브(100)를 갖춰 엔진에서 필요로 하는 가스의 량을 조절하고 동시에 믹서파이프(200)를 이용해 가스와 신기를 혼합하여 엔진의 각 기통으로 분배해줌으로써, 대형 천연압축가스(CNG) 엔진에서 요구하는 1회 연료 분사량을 맞춰주게 된다.

국내특허공개 10-2009-0063897(2009.06.18)은 SPI에 관한 것이며, 이는 도 1내지 도 2 참조.

하지만, 상기와 같은 SPI 방식은 공기와 연료를 혼합하는 믹서파이프(200)가 흡기매니폴드(300)의 중앙에 위치되어 혼합기를 좌우양쪽으로 분배함으로써, 기통별 혼합가스량(공기 vs 연료비)의 제어에 한계를 가질 수밖에 없다.

상기와 같이 기통별로 요구되는 혼합가스량의 제어에 한계가 있으면 1회 분사시 약 15Kg/h이상의 연료량을 요구하는 대형 CNG엔진에 SPI가 적용될 수 없고, 이는 대형 CNG엔진의 상용화를 어렵게 하는 한 원인으로 작용될 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 엔진의 각 기통별로 2개의 가스 인젝터를 전담시켜 1회 분사시 요구되는 연료 분사량을 맞춰줌으로써, 각 기통별로 설치된 가스 인젝터로 연료가 분사되는 MPI(Multi Point Injection)을 대형 CNG엔진에서 상용화 할 수 있는 대용량 연료분사 시스템 및 이를 적용한 대형 천연압축가스 엔진을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대용량 연료분사 시스템은 엔진에서 필요로 하는 연료 가스량을 조절하여 공급하는 연료분배기와;

흡입된 외기가 흐르는 통로를 형성하고, 상기 엔진의 다수 기통에 각각 연결되어진 흡기매니폴드와;

상기 엔진의 다수 기통을 2개의 그룹을 나눠 각각 담당하도록 분리되고, 상기 흡기매니폴드에 각각 체결된 제1ㅇ2가스 레일과;

상기 엔진의 각 기통당 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하도록 상기 제1ㅇ2가스 레일에 각각 구비된 가스인젝터;

를 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 연료분배기는 연료 가스량을 조절하여 공급하기 위한 밸브와, 상기 밸브로부터 공급되는 연료 가스를 상기 제1가스 레일로 공급하는 제1연료관과, 상기 밸브로부터 공급되는 연료 가스를 상기 제2가스 레일로 공급하는 제2연료관으로 구성된다.

상기 제1가스 레일과 상기 제2가스 레일은 상기 흡기매니폴드에 볼트체결된다.

상기 제1가스 레일 체결용 상기 볼트는 상기 제1가스 레일에 뚫린 볼트홀을 관통해 상기 흡기매니폴드에 형성된 체결보스로 나사체결되고, 상기 제2가스 레일 체결용 또 다른 상기 볼트는 상기 제2가스 레일에 뚫린 볼트홀을 관통해 상기 흡기매니폴드에 형성된 또 다른 체결보스로 나사체결된다.

상기 제1가스 인젝터와 상기 제2가스 인젝터는 상기 흡기매니폴드에 형성된 인젝터홀로 끼워져 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하게 된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대용량 연료분사 시스템을 적용한 대형 천연압축가스 엔진은 공기를 흡입하는 흡기매니폴드와 연소가스를 배출하는 배기매니폴드가 결합된 다수의 기통을 갖는 엔진과;

연료 가스량을 조정해 공급하는 연료분배기와, 상기 엔진의 제1그룹화된 다수의 기통별 위치에 맞춰 상기 흡기매니폴드에 설치되고 상기 연료분배기의 제1연료관에 연결된 제1가스레일과, 상기 엔진의 제2그룹화된 다수의 기통별 위치에 맞춰 상기 흡기매니폴드에 설치되고 상기 연료분배기의 제2연료관에 연결된 제2가스레일과, 상기 제1가스레일에 설치되어 상기 제1그룹화된 기통당 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하는 가스 인젝터와, 상기 제2가스레일에 설치되어 상기 제2그룹화된 기통당 또 다른 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하는 또 다른 가스 인젝터로 이루어진 MPI(Multi Point Injection);

를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 가스 인젝터는 상기 엔진의 각 기통별 행정사이클에 맞춰 각각 개별적으로 연료분사가 제어된다.

이러한 본 발명은 엔진의 각 기통별로 2개의 가스 인젝터가 전담된 MPI(Multi Point Injection)으로 1회 분사시 대용량으로 연료를 분사해줌으로써, MPI가 적용된 대형 CNG엔진을 상용화 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대형 CNG엔진에 1회 분사시 대용량 연료분사가 가능한 MPI가 적용되면서 동시에 엔진의 기통별 혼합기 제어가 가능함으로써 공연비 제어의 정밀도를 크게 향상함은 물론, 공연비 제어의 정밀도향상을 통해 동일 조건의 SPI(Single Point Injection)대비 2.2% 연비 향상과 더불어 NOX 기준시 SPI 대비 MPI의 EM(CO,CH4,NMHC)을 약 45%저감 및 촉매 후단 EM(CO,CH4,NMHC)을 약 85% 저감할 수 있는 효과도 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 대용량 연료분사 시스템인 MPI(Multi Point Injection System)의 세부 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가스레일 결합도이며, 도 4는 본 발명에 따른 MPI를 적용한 대용량 CNG 엔진의 구성도이고, 도 5는 종래에 따른 대용량 연료분사 시스템인 SPI이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 대용량 연료분사 시스템으로서, MPI(Multi Point Injection)의 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 MPI은 엔진에서 필요로 하는 연료 가스량을 조절하여 공급하는 연료분배기(1)와, 연료분배기(1)로부터 연료 가스를 공급받는 가스레일과, 엔진의 각 기통별로 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)를 한쌍으로 흡기매니폴드(IM)에 설치되어 가스레일에 공급된 연료 가스를 흡기매니폴드(IM)로 분사하는 가스 인젝터(30)와, 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)를 한쌍으로하여 흡기매니폴드(IM)에 위치시켜주는 체결부재(50)로 구성된다.

상기 흡기매니폴드(IM)는 엔진의 기통수에 따라 그 구조를 달리하지만, 이하에서는 6기통 엔진에 연료와 공기를 공급하는 구조로 설명된다.

상기 연료분배기(1)는 연료 가스량을 조절하여 공급하기 위한 밸브(2)와, 밸브(2)로부터 공급되는 연료 가스의 공급위치를 분기시켜주는 한쌍의 제1ㅇ2연료관(3,4)으로 구성된다.

상기 가스레일은 서로 분리되어 각각 독립적인 구조를 이루는 한쌍의 제1ㅇ2가스레일(10,20)로 이루어지며, 상기 제1가스레일(10)은 흡기매니폴드(IM)의 1내지 3 기통의 연결부위로 체결부재(50)를 매개로 결합되고, 상기 제2가스레일(20)은 흡기매니폴드(IM)의 4내지 6 기통의 연결부위로 또 다른 체결부재(50)를 매개로 결합된다.

이에 따라, 본 실시예에서 상기 연료분배기(1)에서 이어진 제1연료관(3)은 상기 제1가스레일(10)에 연료 가스를 공급하도록 연결되고, 상기 연료분배기(1)에서 이어진 제2연료관(4)은 상기 제2가스레일(20)에 연료 가스를 공급하도록 연결된다.

도 2는 본 실시예에 따른 가스 인젝터(30)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 가스 인젝터(30)는 2개를 한쌍으로 하는 제1ㅇ2가스 인젝터((31,32)로 구성되고, 상기 제1ㅇ2가스 인젝터((31,32)는 흡기매니폴드(IM)의 내부로 직접 연료 가스를 분사하도록 흡기매니폴드(IM)에 형성된 인젝터홀로 끼워져 조립된다.

상기 흡기매니폴드(IM)에 형성된 인젝터홀은 엔진의 각 기통별로 형성되며, 본 실시예와 같이 6기통의 엔진에 적용된 흡기매니폴드(IM)는 1내지 6기통에 일치하는 위치로 총 6개의 인젝터홀을 형성하게 된다.

상기 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)는 대형 천연압축가스(CNG:Compressed Natural Gas)엔진에서 기통당 요구되는 연료량을 공급해줄 수 있는 사양을 가짐으로써, 1회 연료분사시 약 15Kg/h이상의 연료량이 분사될 수 있다.

도 3은 본 실시예에 따른 체결부재(50)로 흡기매니폴드(IM)에 가스레일을 체결한 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 체결부재(50)는 흡기매니폴드(IM)에 형성된 체결보스(52)로 나사체결되는 볼트(51)로 이루어지며, 상기 볼트(51)는 적어도 4개로 구성되고, 이를 위해 상기 체결보스(52)도 4곳의 위치에서 흡기매니폴드(IM)에 형성된다.

상기 체결보스(52)는 흡기매니폴드(IM)에 형성된 총 6개의 인젝터홀과 겹쳐지지 않도록 인젝터홀들의 사이로 위치되어진다.

또한, 상기 가스레일을 구성하는 제1가스레일(10)와 제2가스레일(20)에는 서로 간격을 두고 2개의 볼트홀이 각각 형성됨으로써, 상기 제1가스레일(10)은 흡기매니폴드(IM)에 형성된 2개의 체결보스(52)와 일치되고, 상기 제2가스레일(20)은 흡기매니폴드(IM)에 형성된 또 다른 2개의 체결보스(52)와 일치되어진다.

조립이 이루어지면, 2개의 볼트(51)는 제1가스레일(10)의 2개의 볼트홀을 각각 관통해 흡기매니폴드(IM)에 형성된 2개의 체결보스(52)와 각각 나사체결되고, 또 다른 2개의 볼트(51)는 제2가스레일(20)의 2개의 볼트홀을 각각 관통해 흡기매니폴드(IM)에 형성된 또 다른 2개의 체결보스(52)와 각각 나사체결된다.

상기와 같이 볼트(51)가 나사체결됨으로써, 흡기매니폴드(IM)에는 제1가스레일(10)와 제2가스레일(20)이 각각 고정된 상태를 유지하게 된다.

또한, 볼트(51)를 매개로 흡기매니폴드(IM)에 제1가스레일(10)과 제2가스레일(20)이 고정됨으로써, 상기 제1가스레일(10)에 구비된 제1내지 3기통용 가스인젝터(30)와 상기 제2가스레일(20)에 구비된 제4내지 6기통용 또 다른 가스인젝터(30)는 흡기매니폴드(IM)의 제1내지 6기통 위치로 세팅되어진다.

이에 따라 MPI를 통해 연료분사가 이루어지면, 연료분배기(1)에서 조절된 엔진의 요구 연료 가스가 제1연료관(3)을 통해 제1가스레일(10)로 공급되고 동시에 제2연료관(4)을 통해 제2가스레일(20)로 공급된다.

상기 제1가스레일(10)로 공급된 연료가스는 엔진의 제1내지 3 기통별로 각각 위치된 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)를 통해 흡기매니폴드(IM)의 내부로 분사되고, 동시에 상기 제2가스레일(20)로 공급된 연료가스는 엔진의 제4내지 6 기통별로 각각 위치된 또 다른 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)를 통해 흡기매니폴드(IM)의 내부로 분사됨으로써, 연료 가스는 흡기매니폴드(IM)의 내부에서 외부에서 흡입된 공기와 섞여진 후 엔진의 제1내지 6 기통별로 각각 공급된다.

상기와 같은 연료 분사시, 상기 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)는 엔진의 제1내지 6기통별 행정사이클에 맞춰 각각 개별적으로 정밀 제어되고, 이를 통해 엔진의 기통별 혼합기 제어가 가능함으로써 공연비 제어의 정밀도를 크게 향상할 수있게 된다.

한편, 도 4는 본 실시예에 따른 MPI를 적용한 대용량 CNG 엔진의 구성으로서, 도시된 바와 같이 공기를 흡입하는 흡기매니폴드(IM)와 연소가스를 배출하는 배기매니폴드(EM)가 결합된 6기통(C)타입 엔진(E)과, 흡기매니폴드(IM)로 유입된 공기와 섞여지는 연료를 분사하는 MPI(A)와, 배기계를 이루는 촉매(D)로 빠져나가는 배기가스로 구동되어 외기를 압축하는 터보차져(T)와, 배기가스를 재순환시키도록 EGR 쿨러(EC)와 인터쿨러(I)를 갖춘 EGR로 구성된 예를 나타낸다.

여기서, 상기 MPI(A)는 연료 가스량을 조정해 공급하는 1개의 연료분배기(1)와, 엔진(E)의 제1내지 3 기통(C) 위치에 맞춰 흡기매니폴드(IM)에 체결부재(50)를 매개로 설치되고 상기 연료분배기(1)의 제1연료관(3)에 연결된 제1가스레일(10)과, 엔진(E)의 제4내지 6 기통(C) 위치에 맞춰 흡기매니폴드(IM)에 체결부재(50)를 매개로 설치되고 상기 연료분배기(1)의 제2연료관(4)에 연결된 제2가스레일(20)과, 상기 제1내지 3 기통(C)의 위치에 맞춰 상기 제1가스레일(10)에 설치된 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)로 이루어진 3개의 가스 인젝터와, 상기 제4내지 6 기통(C)의 위치에 맞춰 상기 제2가스레일(20)에 설치된 제1ㅇ2가스 인젝터(31,32)로 이루어진 또 다른 3개의 가스 인젝터로 구성된다.

상기 MPI(A)는 본 실시예에서 기술된 구성과 동일한 구성이다.

상기와 같이 구성된 대용량 CNG 엔진을 WHTC 모드에서 실험한 결과, WHTC 연비는 SPI 대비 MPI(A)가 약 2.2% 향상되고, 또한 EM는 동 NOX 기준 시 SPI 대비 약 45% EM(CO,CH4,NMHC)의 저감되며 특히 약 85%의 촉매(D)의 후단 EM(CO,CH4,NMHC)의 저감됨을 입증할 수 있었다.

1 : 연료분배기 2 : 밸브
3,4 : 제1ㅇ2연료관 10,20 : 제1ㅇ2가스레일
30 : 가스 인젝터 31,32 : 제1ㅇ2가스 인젝터
50 : 체결부재 51 : 볼트
52 : 체결보스
A : MPI(Multi Point Injection)
C : 기통 D : 촉매
E : 엔진 EC : EGR 쿨러
EM : 배기매니폴드 I : 인터쿨러
IM : 흡기매니폴드

Claims

엔진에서 필요로 하는 연료 가스량을 조절하여 공급하는 연료분배기와;
흡입된 외기가 흐르는 통로를 형성하고, 상기 엔진의 다수 기통에 각각 연결되어진 흡기매니폴드와;
상기 엔진의 다수 기통을 2개의 그룹을 나눠 각각 담당하도록 분리되고, 상기 흡기매니폴드에 각각 체결된 제1ㅇ2가스 레일과;
상기 엔진의 각 기통당 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하도록 상기 제1ㅇ2가스 레일에 각각 구비된 가스인젝터;
를 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 연료분배기는 연료 가스량을 조절하여 공급하기 위한 밸브와, 상기 밸브로부터 공급되는 연료 가스를 상기 제1가스 레일로 공급하는 제1연료관과, 상기 밸브로부터 공급되는 연료 가스를 상기 제2가스 레일로 공급하는 제2연료관으로 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1가스 레일과 상기 제2가스 레일은 상기 흡기매니폴드에 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 제1가스 레일 체결용 상기 볼트는 상기 제1가스 레일에 뚫린 볼트홀을 관통해 상기 흡기매니폴드에 형성된 체결보스로 나사체결되고, 상기 제2가스 레일 체결용 또 다른 상기 볼트는 상기 제2가스 레일에 뚫린 볼트홀을 관통해 상기 흡기매니폴드에 형성된 또 다른 체결보스로 나사체결되는 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 제1가스 인젝터와 상기 제2가스 인젝터는 상기 흡기매니폴드에 형성된 인젝터홀로 끼워져 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템.
공기를 흡입하는 흡기매니폴드와 연소가스를 배출하는 배기매니폴드가 결합된 다수의 기통을 갖는 엔진과;
연료 가스량을 조정해 공급하는 연료분배기와, 상기 엔진의 제1그룹화된 다수의 기통별 위치에 맞춰 상기 흡기매니폴드에 설치되고 상기 연료분배기의 제1연료관에 연결된 제1가스레일과, 상기 엔진의 제2그룹화된 다수의 기통별 위치에 맞춰 상기 흡기매니폴드에 설치되고 상기 연료분배기의 제2연료관에 연결된 제2가스레일과, 상기 제1가스레일에 설치되어 상기 제1그룹화된 기통당 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하는 가스 인젝터와, 상기 제2가스레일에 설치되어 상기 제2그룹화된 기통당 또 다른 2개의 제1ㅇ2가스 인젝터가 전담되어 상기 흡기매니폴드의 내부로 연료를 분사하는 또 다른 가스 인젝터로 이루어진 MPI(Multi Point Injection);
를 포함한 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템을 적용한 대형 천연압축가스 엔진.
청구항 6에 있어서, 상기 가스 인젝터는 상기 엔진의 각 기통별 행정사이클에 맞춰 각각 개별적으로 연료분사가 제어되는 것을 특징으로 하는 대용량 연료분사 시스템을 적용한 대형 천연압축가스 엔진.