KR20130065026A

KR20130065026A - Ｌｐｇ 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20130065026A
Application number: KR1020110131707A
Authority: KR
Inventors: 송주태; 김창한; 조철훈; 김명환
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-19

Abstract

본 발명은 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치되어 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 연료 펌프; 상기 연료 공급라인에 설치되어 상기 봄베 내 위치한 연료 기화라인과 연결된 연결장치; 및 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화되도록 상기 연료 기화라인에 설치되는 연료 기화유도장치;를 포함하고, 상기 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮춤으로써, 기존의 LPI 시스템을 그대로 사용하면서 봄베 내 압력을 낮출 수 있어 해외지역 혹서기를 포함한 어떤 상황에서도 LPG 연료를 원활하게 충전할 수 있는 장점이 있다.

Description

ＬＰＧ 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법 {Device for decreasing temperature of bombe by using latent heat in ＬＰＧ vaporization and control method thereof}

본 발명은 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법으로서, 더욱 상세하게는 원활한 LPG 연료 충전이 이루어지도록 기계식 또는 전자식 연료 기화유도장치를 통해 봄베 내 온도를 낮추는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

LPG 연료를 사용하는 차량의 경우 도 1에서 도시한 것과 같은 충전소에서 연료를 충전한다. 일반적으로 충전소의 지하에는 LPG 연료 저장소(1)가 매립되어 있고, 연료는 충전 펌프(2)를 통해 펌핑되어 각 충전장치로 전달된다. 각 충전장치는 차량의 연료 주입구에 연료를 제공하기 위한 충전건(3)을 구비하고, 연료를 저장하는 봄베(10)가 차량 내에 장착되어 있다.

이때, 충전건(3)을 통한 연료 주입 및 충전이 이루어지기 위해서는 충전소 측 압력이 차량에 장착된 봄베(10)의 압력보다 높아야 한다. 충전소 측 압력은 LPG 연료 저장소(1)의 압력과 충전 펌프(2)의 성능 (약 8bar)을 합한 값으로 정해질 수 있다.

현재 사용 중인 LPI 시스템을 적용한 차량의 경우 상술한 것과 같이 충전소 측 압력이 차량 내 봄베(10)의 압력보다 낮거나 동일해져 LPG 연료 충전이 이루어지지 않는 문제가 발생하였다. 특히, 유럽 지역의 혹서기 온도는 40℃, LPG 연료 내 프로판 함량은 25~95%이며, 호주의 혹서기 온도는 50℃, LPG 연료 내 프로판 함량은 50~100%이어서 봄베(10) 내 압력이 과다하게 상승하였다.

이와 같은 차량의 봄베(10) 내 압력 상승 문제는 봄베(10) 내 온도 상승이 유발하게 되는데, 이러한 봄베(10) 내 온도 상승은 도 2에 첨부된 LPI 엔진의 연료 리턴 시스템에 의해 발생한다. 도 2는 종래의 LPI 시스템에서 연료 순환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

LPI 시스템에서 LPG 연료는 노즐을 구비한 충전건(3)으로부터 LPG 충전 필터 및 과충전 방지 밸브인 OCP(Over Current Protection) 밸브를 거쳐서 봄베(10) 내부로 주입된다. 봄베(10) 내 고압의 액상 연료는 연료 공급라인을 따라 엔진으로 공급되고, 여분의 연료 및 엔진에 의해 가열된 연료는 연료 리턴라인을 따라 봄베(10)로 다시 유입된다. 가열된 연료에 의해 봄베(10) 내 온도가 상승함에 따라 봄베 내 액상의 연료가 기화되고 봄베(10) 내압도 상승하게 된다. 상술한 바처럼 봄베(10) 내 압력 상승은 결과적으로 LPI 시스템 적용 차량의 충전 불량 문제를 일으킨다.

이와 같은 문제를 해결하고 원활한 LPG 연료 충전이 이루어지기 위해서는, 대략적으로 봄베(10) 내 온도를 25℃ 이상 저감시키거나 충전소 측 압력을 6.1bar 이상 증대시키는 방안이 필요한 실정이다. 이를 위해서 종래에 연구된 방안으로는, 크게 리턴 연료 유량을 최소화시키는 방안과, 열교환을 통한 리턴 연료의 온도를 낮추는 쿨링 방안이 있었다.

그러나 리턴 연료 유량의 최소화 방안 중에서 연료 리턴라인에 솔레노이드 밸브를 설치해 유량을 제어하는 방안의 경우, 인젝터 측 압력이 과다하게 상승하고 시동성, 운전성 저하 문제가 발생하였다. 또는 리턴 연료를 완전히 삭제한 시스템을 적용시킨 방안의 경우, 시동이 꺼진 후 인젝터 내부에 있는 연료를 회수할 수 없어 연료 기화에 따른 인젝터 누설 현상이 발생하고, 시동성, 운전성 저하 문제가 발생하였다.

나아가, 열교환을 통한 리턴 연료의 온도를 낮추는 쿨링 방안 중에서 한국등록특허 제10-1071236호와 같은 에어컨 냉매와의 열교환을 시키는 방안의 경우, 일정 연료 온도 도달시 강제로 에어컨을 구동시켜야 함에 따라 연비 및 상품성 저하 그리고 원가 문제가 발생하고 에어컨 효율도 떨어지게 되었다. 또는 응축수, 공기 등과 같은 기타 유체와의 열교환을 시키는 방안의 경우, 온도 저감 효과가 없거나 미미한 정도에 머무는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서, 종래의 LPI 시스템에서 별도의 외부 장치와의 열교환없이 봄베 내 압력과 밀접한 관계가 있는 봄베 내 온도를 직접 낮출 수 있는 장치 및 제어방법을 최초로 제공하여, 해외지역 혹서기뿐만 아니라 언제 어디서라도 원활하게 LPG 연료를 충전할 수 있는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치는, LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치되어 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 연료 펌프; 상기 연료 공급라인에 설치되어 상기 봄베 내 위치한 연료 기화라인과 연결된 연결장치; 및 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화되도록 상기 연료 기화라인에 설치되는 연료 기화유도장치;를 포함하고, 상기 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 연료 기화라인의 끝단에 장착되어 회수 연료를 상기 봄베 내부로 분사하는 분사구를 더 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

바람직한 연료 기화유도장치는 오리피스이고, 상기 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 상기 오리피스의 단면적 크기에 의해 상기 회수 연료의 유량이 결정되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 오리피스 전단에 걸리는 압력이 5bar이고 상기 오리피스의 단면적 지름이 0.5φ인 경우, 상기 회수 연료의 유량이 20L/h 인 것을 특징으로 구성될 수 있다.

가장 바람직하게는, 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 연료 펌프에서 토출되는 연료의 유량을 설정한 것을 특징으로 구성될 수 있다.

바람직한 연료 기화유도장치는 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브이고, 상기 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서와, 최대 허용 연료온도 및 상기 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도를 비교하여 상기 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 제어기는 상기 현재 연료온도 및 인젝터 후단에 설치된 압력 센서에서 측정된 공급연료 압력으로부터 계산된 연료 조성비에 의해 최대 허용 연료온도를 결정하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

가장 바람직하게는, 상기 제어기는 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 연료 펌프를 제어하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면인 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법은, LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치된 연료 펌프에서 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 제1 단계; 상기 연료 공급라인과 연결장치에 의해 연결되고 상기 봄베 내 위치한 연료 기화라인을 통해 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 이동하는 제2 단계; 상기 연료 기화라인에 설치된 연료 기화유도장치를 통해 상기 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화함에 따라 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 제3 단계;를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 상기 제3 단계에서 상기 연료 기화유도장치로 오리피스를 사용하되, 상기 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 상기 오리피스의 단면적 크기를 조절하여 상기 회수 연료의 유량을 결정하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제3 단계에서 상기 연료 기화유도장치로 제어기의 제어를 통해 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브를 사용하되, 상기 제3 단계는, 상기 제어기에서 연료 조성비를 계산하는 계산 단계와, 상기 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도 및 상기 연료 조성비에 의해 결정된 최대 허용 연료온도를 상기 제어기에서 비교하는 온도비교 단계와, 상기 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 크면 상기 제어기에서 솔레노이드 밸브를 열도록 제어하는 밸브 제어 단계와, 상기 솔레노이드 밸브를 통해 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화함에 따라 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 온도 저감 단계를 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 계산 단계에서 상기 연료 조성비는 상기 현재 연료온도 및 인젝터 후단에 설치된 압력 센서에서 측정된 공급연료 압력으로부터 계산되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

가장 바람직하게는, 상기 밸브 제어 단계와 동시에 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 제어기에서 상기 연료 펌프를 제어하는 펌프 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치 및 그 제어방법에서 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮춤으로써, 기존의 LPI 시스템을 그대로 사용하면서 봄베 내 압력을 낮출 수 있어 해외지역 혹서기를 포함한 어떤 상황에서도 LPG 연료를 원활하게 충전할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는 에어컨, 쿨러, 응축수, 주행풍 등의 별도 외부 장치없이 단순하고 저렴한 구성을 종래의 LPI 시스템과 언더바디 타입의 봄베에 대해 도입함으로써, LPGi 시스템에 비해 고출력, 고연비의 차량을 제공하여 상품성을 높일 수 있고, 연료 리턴 라인 상에 쿨러를 설치하는 시스템에 비해 봄베 내부를 직접 쿨링시켜 온도 저감 효과도 더 뛰어나다는 장점도 있다.

덧붙여, 본 발명에서 전자식 연료 기화유도장치를 적용한 경우 제어기에서 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 크다고 판단하는 경우에만 솔레노이드 밸브를 열고, 연료 펌프의 토출 연료 유량도 회수 연료의 유량만큼 보상하는 제어를 통해, 연료펌프의 불필요한 전력 소모를 최소화할 수 있어 차량 전체 시스템에 유리하다.

도 1은 LPG 연료를 충전하는 충전소의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 종래의 LPI 시스템에서 연료 순환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에서 발생하는 LPG 연료의 기화 현상을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치를 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법을 나타낸 순서도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법을 나타낸 순서도이며,
도 8은 도 7의 계산 단계에서 사용되는 압력-온도 포화 증기압 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치는 차량 내 봄베에서 엔진으로 공급되는 고압 연료 중 일부 연료를 회수시킨 회수 연료가 기화될 때 발생하는 잠열을 이용하여 봄베 내 온도를 저감시키는데, 도 3을 참고하여 본 발명에서의 기화 잠열에 대해 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명에서 발생하는 LPG 연료의 기화 현상을 개략적으로 도시한 도면이다.

기화 현상은 일반적으로 액체가 열에너지를 흡수하여 기체로 변하는 현상을 의미하는데, 본 발명에서는 엔진으로 공급되는 고압의 액상 유체인 봄베 내 LPG 연료가 연료 기화유도장치를 통과해 저압의 팽창 공간인 봄베로 다시 회수된다. 이때, 연료 기화유도장치는 연료의 급격한 압력 변화를 유도하게 되는데, 고압의 LPG 액상 연료가 기체로 상태 변화하면서 봄베 내에 있던 LPG 연료의 (잠)열을 흡수한다. 이처럼 본 발명에서는 회수 연료가 봄베 내에서 기화되도록 연료 기화유도장치를 설치함으로써, 기화시 발생하는 흡열반응을 이용해 봄베 내 온도를 낮춰 결과적으로 봄베 내 압력을 낮춘다.

이하, 상술한 것과 같은 LPG 기화 잠열 현상을 이용한 본 발명에 따른 봄베 온도 저감 장치의 구성에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치는, LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치되어 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 연료 펌프; 연료 공급라인에 설치되어 봄베 내 위치한 연료 기화라인과 연결된 연결장치; 및 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 봄베 내에서 기화되도록 연료 기화라인에 설치되는 연료 기화유도장치;를 포함하고, 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 것을 특징으로 한다.

연료 펌프는 LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치되고, 운전자가 차량의 시동을 걸면 연료 공급라인을 따라 최종적으로 엔진에 연료가 공급되도록 연료를 가압시킨다. 이렇게 가압된 연료는 고압의 액상 연료가 되는데, 이중 일부인 회수연료는 후술할 연료 기화유도장치를 통해 봄베 내로 다시 회수된다.

연결장치는 세 방향으로 파이프 관 등을 연결할 때 사용되는 부재로서, 본 발명에서 연결장치의 일단부는 봄베 내 위치한 연료 기화라인과 연결되고, 나머지 두 단부는 연료 공급라인과 연결된다. 즉, 연결장치는 연료 기화라인과 연료 공급라인을 적절하게 연결시킬 수 있는 부재라면 어떠한 것이라도 사용 가능하고, 특히 쓰리웨이 조인트를 사용하는 것이 바람직하다. 이때의 연료 공급라인도 연료 기화라인처럼 봄베 내에 위치하는 것이 바람직하다.

연료 기화유도장치는 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 봄베 내에서 기화되도록 연료 기화라인에 설치되는데, 고압의 액상 유체인 가압된 LPG 연료를 봄베 내에서의 기화를 유도하는 장치라면 특별히 제한되지 않는다. 도 4 및 도 5를 참고하여 각 실시예에 적용된 연료 기화유도장치에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치를 나타낸 도면이다.

본 발명의 일실시예에서 연료 기화유도장치는 기계식 장치인 오리피스(orifice, 50)로서, 고압의 액상 유체 중 회수 연료가 흐르고 연결장치(30)와 연결된 연료 기화라인(13)에서 갑자기 좁아지는 통로를 말하고 교축(throttling)되는 부분이다. 오리피스(50)는 회수 연료에 대해 급격한 압력 변화를 유도하고, 오리피스(50)를 통과한 후의 회수 연료는 저압의 팽창 공간인 봄베(10) 내에서 기화 잠열을 흡수한다. 특히, 연료 기화라인(13)의 끝단에 분사구(40)를 추가적으로 장착하여 오리피스(50)와 함께 회수 연료를 봄베(10) 내부에 균등하게 분사할 수 있다.

이처럼 봄베(10)로부터 엔진으로 공급되는 연료 중 일부의 연료가 오리피스(50)를 통해 회수되므로, 연료 펌프(20)에서 토출되는 연료의 유량을 회수 연료의 유량만큼 보상하여 설정하는 것이 바람직하다. 덧붙여, 오리피스(50)를 통과하는 회수 연료의 유량은 오리피스(50) 전단에 걸리는 압력 및 오리피스(50)의 단면적 크기에 의해 결정될 수 있다. 이때, 오리피스(50) 전단에 걸리는 압력은 연료 공급라인(11)을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 연료 펌프(20)의 압력과 실질적으로 동일하다.

일예로 오리피스(50) 전단에 걸리는 압력이 엔진의 구동 속도와 무관하게 5bar로 유지되고 오리피스(50)의 단면적 지름이 0.5φ(phi)인 경우, 오리피스(50)를 통과하는 회수 연료의 유량은 약 20L/h로 일정하다. 즉, 연료 펌프(20)에서 토출되는 연료의 유량을 각 단수별 20L/h만큼 증대시켜야 함을 알 수 있다.

나아가 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치를 나타낸 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에서 연료 기화유도장치는 전자식 장치인 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브(60)로서, 고압의 액상 유체 중 회수 연료가 흐르고 연결장치(30)와 연결된 연료 기화라인(13)에 설치된다. 이때, 제어기(80)가 최대 허용 연료온도 및 봄베(10) 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서(70)에서 측정된 현재 연료온도를 비교함으로써, 솔레노이드 밸브(60)의 개폐를 제어한다. 덧붙여, 제어기(80)는 현재 연료온도 및 인젝터(81) 후단에 설치된 압력 센서(82)에서 측정된 공급연료 압력으로부터 연료 조성비를 계산할 수 있고, 계산된 연료 조성비를 이용하여 최대 허용 연료온도를 결정할 수 있다.

아울러, 솔레노이드 밸브(60)가 통상시에 닫힌 상태에서 제어기(80)에 의해 열리게 되면, 솔레노이드 밸브(60)는 회수 연료에 대해 급격한 압력 변화를 유도하게 된다. 즉, 솔레노이드 밸브(60)를 통과한 후의 회수 연료가 저압의 팽창 공간인 봄베(10) 내에서 기화 잠열을 흡수한다. 특히, 연료 기화라인(13)의 끝단에 분사구(40)를 추가적으로 장착하여 솔레노이드 밸브(60)와 함께 회수 연료를 봄베(10) 내부에 균등하게 분사할 수 있다.

이처럼 봄베(10)로부터 엔진으로 공급되는 연료 중 일부의 연료가 솔레노이드 밸브(60) 및 제어기(80)의 작용에 의해 회수되므로, 제어기(80)는 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 연료 펌프(20)에서 토출되는 연료의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치를 사용하면, 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 연결장치(30)를 통해 연료 공급라인(11)과 연결된 연료 기화라인(13)에 설치된 기계식 또는 전자식 연료 기화유도장치를 통과해 봄베(10) 내 잠열을 흡수하고 봄베 내 온도를 낮추게 됨으로써, 어떠한 상황에서라도 LPG 연료 충전이 원활하게 이루어지게 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면인 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법은 LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치된 연료 펌프에서 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 제1 단계; 연료 공급라인과 연결장치에 의해 연결되고 봄베 내 위치한 연료 기화라인을 통해 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 이동하는 제2 단계; 연료 기화라인에 설치된 연료 기화유도장치를 통해 회수 연료가 봄베 내에서 기화함에 따라 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 제3 단계;를 포함하여 이루어진다.

이하, 도 4 및 도 5를 참고해 상술한 각 실시예에 따른 봄베 온도 저감 장치에 대한 제어방법을 각각 도 6 및 도 7를 참고하여 각 단계에 대해 구체적으로 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법을 나타낸 순서도로서, 우선 연료 기화유도장치로 오리피스를 사용한 경우의 제어방법과 관련된 것이다.

사용자가 LPI 시스템을 적용한 차량의 시동을 걸면(S110), 봄베 내 연료펌프도 작동을 시작한다(S120). 연료펌프는 봄베 내 LPG 연료를 가압하여 고압의 액상 유체를 연료 공급라인을 통해 엔진 측으로 공급한다(제1 단계). 이때, 연료 공급라인과 연결장치에 의해 연결되고 봄베 내 위치한 연료 기화라인을 통해 공급되는 고압 연료 중 일부인 회수 연료가 이동한다(S130, 제2 단계). 회수 연료는 연료 기화라인에 설치된 기계식 연료 기화유도장치인 오리피스를 통해 봄베 내에서 기화하게 되는데, 오리피스를 통과하는 회수 연료의 유량은 그 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 오리피스의 단면적 크기를 조절하여 결정된다(S140). 이렇게 오리피스를 통과한 회수 연료는 봄베 내에서 기화하면서 잠열을 흡수하고, 봄베 내 온도를 저감시키게 된다(S150, 제3 단계).

덧붙여, 연료 기화라인을 통해 공급 연료 중 일부인 회수 연료가 빠져나가게 되므로, 연료 펌프에서 토출되는 연료의 유량을 설정함에 있어서 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 설정할 수 있다. 즉, 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 오리피스의 단면적 크기를 조절하여 결정된 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 연료 펌프를 설정하는 것이 전체 LPI 시스템의 적절한 구동을 위해 바람직하다. 이를 위해서 PWM 듀티 상승을 통한 연료 펌프의 회전수를 상승시킬 수 있다.

나아가, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법을 나타낸 순서도로서, 연료 기화유도장치로 연료 기화유도장치로 제어기의 제어를 통해 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브를 사용한 경우의 제어방법과 관련된 것이다.

사용자가 LPI 시스템을 적용한 차량의 시동을 걸면(S210), 봄베 내 연료펌프도 작동을 시작한다(S220). 연료펌프는 봄베 내 LPG 연료를 가압하여 고압의 액상 유체를 연료 공급라인을 통해 엔진 측으로 공급한다(제1 단계). 이때, 연료 공급라인과 연결장치에 의해 연결되고 봄베 내 위치한 연료 기화라인을 통해 공급되는 고압 연료 중 일부인 회수 연료가 이동한다(S230, 제2 단계). 회수 연료는 연료 기화라인에 설치된 전자식 연료 기화유도장치인 솔레노이드 밸브를 통과해 봄베 내에서 기화하게 되는데, 솔레노이드 밸브의 개폐는 제어기의 제어를 통해 전자식으로 이루어진다(S260). 이후에 솔레노이드 밸브를 통과한 회수 연료는 봄베 내에서 기화하면서 잠열을 흡수하고, 봄베 내 온도를 저감시키게 된다(S270, 제3 단계).

제어기에 의해 제어된 솔레노이드 밸브를 통과한 회수 연료의 작용(제3 단계)에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연료 기화라인을 따라 회수 연료가 이동해오면(S230) 제어기에서 연료 조성비를 계산하는 계산 단계가 이루어진다(S240). 계산 단계에서 연료 조성비를 계산하는 방식은 다양할 수 있지만, 현재 연료온도와 공급연료 압력 수치를 이용하여 계산하는 방식을 채택하는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도 및 인젝터 후단에 설치된 압력 센서에서 측정된 공급연료 압력으로부터 연료 조성비가 계산될 수 있다. 좀더 구체적으로 측정된 공급연료 압력에서 5bar를 뺀 후 도 8에 첨부된 포화 증기압 그래프를 바탕으로 연료 조성비를 제어기에서 추정할 수 있다.

이렇게 계산된 연료 조성비를 활용하여 최대 허용 연료온도가 결정되는데, 결정된 최대 허용 연료온도와 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도를 비교하는 온도비교 단계가 이루어진다(S250).

계속해서 밸브 제어 단계가 이루어지는데, 제어기에서 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 크다고 판단하면 솔레노이드 밸브를 열도록 제어하고(S260), 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 작거나 동일하다고 판단하면 솔레노이드 밸브를 닫힌 상태를 유지하도록 제어한다. 솔레노이드 밸브는 통상 차량 주행시에는 닫힌 상태를 유지하다가 제어기에서 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 크다고 판단하는 경우에만 솔레노이드 밸브를 열게 된다. 이와 동시에 제어기에서 펌프 제어 단계가 이루어질 수 있는데, 펌프 제어 단계에서는 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 연료 펌프를 제어하게 된다. 이와 같은 전자식 제어는 회수 연료만큼 보상 토출시켜야하는 연료펌프의 소비 전력을 절약할 수 있어서, 전체 시스템에 유리하다. 이를 위해서 PWM 듀티 상승을 통한 연료 펌프의 회전수를 상승시킬 수 있다.

이어서 솔레노이드 밸브가 열리면 솔레노이드 밸브를 통과한 회수 연료가 봄베 내에서 급격한 압력 변화를 통해 기화하고, 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 온도 저감 단계가 이루어진다(S270).

따라서 본 발명에 따른 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법을 LPI 시스템 상에 적용하면, 기계식 또는 전자식 연료 기화유도장치에 의해 유도된 회수 연료가 봄베 내에서 기화 잠열을 흡수하여 봄베 내 온도를 낮추게 됨으로써, 어떠한 상황에서라도 LPG 연료 충전이 원활하게 이루어지게 된다.

이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10 : 봄베 20 : 연료 펌프
30 : 연결장치 40 : 분사구
50 : 오리피스 60 : 솔레노이드 밸브
70 : 온도 센서 80 : 제어기

Claims

봄베 온도 저감 장치에 있어서,
LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치되어 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 연료 펌프;
상기 연료 공급라인에 설치되어 상기 봄베 내 위치한 연료 기화라인과 연결된 연결장치; 및
공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화되도록 상기 연료 기화라인에 설치되는 연료 기화유도장치;를 포함하고,
상기 회수 연료의 기화시 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 연료 기화라인의 끝단에 장착되어 회수 연료를 상기 봄베 내부로 분사하는 분사구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 연료 기화유도장치는 오리피스이고, 상기 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 상기 오리피스의 단면적 크기에 의해 상기 회수 연료의 유량이 결정되는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 오리피스 전단에 걸리는 압력이 5bar이고 상기 오리피스의 단면적 지름이 0.5φ인 경우, 상기 회수 연료의 유량이 20L/h 인 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 연료 펌프에서 토출되는 연료의 유량을 설정한 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 연료 기화유도장치는 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브이고, 상기 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서와, 최대 허용 연료온도 및 상기 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도를 비교하여 상기 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 제어기는 상기 현재 연료온도 및 인젝터 후단에 설치된 압력 센서에서 측정된 공급연료 압력으로부터 계산된 연료 조성비에 의해 최대 허용 연료온도를 결정하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 제어기는 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 연료 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치.
봄베 온도 저감 장치의 제어방법에 있어서,
LPG 연료를 저장하는 봄베 내에 설치된 연료 펌프에서 연료 공급라인을 따라 연료가 공급되도록 연료를 가압시키는 제1 단계;
상기 연료 공급라인과 연결장치에 의해 연결되고 상기 봄베 내 위치한 연료 기화라인을 통해 공급되는 고압 연료 중 회수 연료가 이동하는 제2 단계;
상기 연료 기화라인에 설치된 연료 기화유도장치를 통해 상기 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화함에 따라 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 제3 단계;를 포함하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제3 단계에서 상기 연료 기화유도장치로 오리피스를 사용하되,
상기 오리피스 전단에 걸리는 압력 및 상기 오리피스의 단면적 크기를 조절하여 상기 회수 연료의 유량을 결정하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.
청구항 10에 있어서, 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 연료 펌프에서 토출되는 연료의 유량을 설정한 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제3 단계에서 상기 연료 기화유도장치로 제어기의 제어를 통해 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브를 사용하되,
상기 제3 단계는,
상기 제어기에서 연료 조성비를 계산하는 계산 단계와,
상기 봄베 내 연료의 온도를 측정하도록 설치된 온도 센서에서 측정된 현재 연료온도 및 상기 연료 조성비에 의해 결정된 최대 허용 연료온도를 상기 제어기에서 비교하는 온도비교 단계와,
상기 현재 연료온도가 최대 허용 연료온도보다 크면 상기 제어기에서 솔레노이드 밸브를 열도록 제어하는 밸브 제어 단계와,
상기 솔레노이드 밸브를 통해 회수 연료가 상기 봄베 내에서 기화함에 따라 발생하는 잠열을 통해 봄베 내 온도를 낮추는 온도 저감 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.
청구항 12에 있어서, 상기 계산 단계에서 상기 연료 조성비는 상기 현재 연료온도 및 인젝터 후단에 설치된 압력 센서에서 측정된 공급연료 압력으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.
청구항 12에 있어서, 상기 밸브 제어 단계와 동시에 상기 회수 연료의 유량만큼 보상하도록 상기 제어기에서 상기 연료 펌프를 제어하는 펌프 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 기화 잠열을 이용한 봄베 온도 저감 장치의 제어방법.