KR20140016794A - 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스연료 공급장치에 관한 것으로서, 고압의 가스연료가 수용된 연료탱크에 연결되어 가스연료를 공급받아 압력을 조절하는 레귤레이터 및 소정의 길이를 가지며, 상기 레귤레이터에 연결되어 상기 가스연료를 엔진으로 분사하는 분사기로 공급하는 연료공급라인 및 상기 연료공급라인상에 구비되어 경유하는 상기 가스연료가 음속이 되도록 하는 축소확대노즐을 포함하는 연료공급부를 포함하는 가스연료 공급장치에 관한 것이다.

Description

축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치{Supply Apparatus of Gas Fuel Having Converging-Diverging Nozzle}

본 발명은 엔진으로 가스연료를 공급하는 가스연료 공급장치에 관한 것으로, 연료탱크로부터 공급받은 가스연료를 엔진으로 공급할 때 가스연료의 압력을 조절하여 균일한 압력으로 가스연료가 공급됨으로써, 레귤레이터의 압력제어 능력을 증가시킬 수 있는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치에 관한 것이다.

전 세계적으로 수송용 차량의 급격한 증가에 따라 연료 수급은 물론 이산화탄소 배출 문제가 심각하게 대두됨에 따라 최근 청정연료인 천연가스나 LPG연료를 사용하여 엔진을 동작시키는 장치에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.

이와 같은 가스연료를 사용하여 엔진을 동작하는 장치에 대해서 다양한 장치들이 개발되어 왔으며, 특히 LNG 및 CNG를 연료로 이용하는 자동차가 많이 개발되었다.

CNG를 연료로 사용하는 자동차의 경우, 가스연료가 고압으로 압축되어 있으며 압축된 가스연료가 연료탱크로부터 엔진으로 공급될 때 압력과 온도를 조절하는 레귤레이터가 필수로 사용된다.

압축 가스차량에서 레귤레이터는 약200bar 의 압력을 다단의 압력 강하 기작을 통하여 알맞은 압력으로 변환시켜 주는 장치이다.

CNG의 경우 고압으로 압축되어 있기 때문 그대로 엔진으로 공급될 경우 압력에 의해서 엔진이 파손될 수도 있다. 그래서 별도의 레귤레이터를 구비하여 엔진으로 공급되는 가스연료의 압력을 조절하여 엔진의 안정성을 증가시킨다.

일반적으로, 연료탱크로부터 가스연료를 엔진으로 공급할 때 별도의 분사기를 사용하여 공급하는데 분사기는 엔진의 요구조건에 따라서 on/off를 통해 가스연료의 유량을 선택적으로 조절하는 장치이다. 일반적으로 기계식으로 연료분사를 제어하는 경우(Mixer type)에는 분사기의 on/off 주기가 긴 편이고, ECU(전자제어유닛)를 이용한 전자식 연료분사의 경우 분사기의 on/off 주기가 60Hz 내외로 매우 짧으며 이를 인젝터(injector)라고 부른다.

자동차 운전시 운전자의 동작에 따라 분사기가 on/off 를 반복하며 연료량을 제어하여 엔진에 공급하게 되고 이처럼 밸브가 on/off 됨에 따라 레귤레이터 후단의 압력이 단속적으로 변화하게 된다.

이처럼 레귤레이터의 배압이 반복적으로 변하게 되면 레귤레이터에서 일정 압력을 제어하기가 힘들게 되며 이 경우 필요한 연료 공급이 원활히 되지 않아 출력의 저하, 시스템의 부조화, 배기가스 내 오염물의 증가 등 전체 시스템의 제어에 영향을 주게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 종래의 가스연료 공급장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료탱크로부터 분사기로 공급되는 가스연료의 압력을 조절하여 엔진으로 공급함으로써, 가스연료의 압력 변동이 있어도 가스연료가 균일한 속도 및 압력으로 엔진에 공급되도록 하는 축소확대노즐을 이용한 가스연료 공급장치를 제공함에 있다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 고압의 가스연료가 수용된 연료탱크에 연결되어 가스연료를 공급받아 압력을 조절하는 레귤레이터 및 소정의 길이를 가지며, 상기 레귤레이터에 연결되어 상기 가스연료를 엔진으로 분사하는 분사기로 공급하는 연료공급라인 및 상기 연료공급라인상에 구비되어 경유하는 상기 가스연료가 음속이 되도록 하는 축소확대노즐을 포함하는 연료공급부를 포함한다.

또한, 상기 연료공급라인은 복수 개로 구성되고, 상기 축소확대노즐은 상기 연료공급라인의 개수에 대응하는 개수를 가지며 각각에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 축소확대노즐은 복수 개가 서로 다른 직경을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 축소확대노즐은 복수 개가 서로 다른 테이퍼각도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 가스연료가 상기 연료탱크에서 상기 레귤레이터로 공급되는 이동경로상에서 분기되어, 상기 가스연료가 선택적으로 상기 레귤레이터를 우회하여 상기 분사기로 전달되는 우회공급라인 및 상기 우회공급라인상에 배치되며 유동하는 상기 가스연료의 압력을 증가시키는 테이퍼노즐을 가지는 우회공급부를 더 포함할 수 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연료탱크에서 엔진으로 가스연료를 공급할 때 별도의 레귤레이터를 구비하여 엔진의 요구조건에 알맞은 압력으로 가스연료를 공급하며, 분사기로 공급되는 가스연료의 이동경로상에 축소확대노즐을 구비하여 엔진으로 전달되는 가스연료의 압력을 균일하게 만들어 줌으로써, 분사기의 동작에 의한 영향을 받지 않고 엔진으로 공급되는 가스연료의 압력을 일정하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 레귤레이터에서 분사기로 가스연료를 공급하는 연료공급부가 복수 개로 구성되어 엔진의 출력에 따라 선택적으로 동작함으로써, 레귤레이터를 경유하여 분사기로 공급되는 가스연료의 공급량을 조절할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 연료탱크로부터 공급되는 가스연료가 레귤레이터를 경유하지 않고 우회하며, 우회하는 가스연료의 압력을 균일하게 증가시켜 분사기로 공급함으로써, 연료탱크 내부의 압력변화에 상관없이 분사기로 가스연료를 공급할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 가스연료의 이동경로상에 유로 직경이 작아지도록 형성된 축소확대노즐을 구비하여 통과하는 가스연료가 음속으로 공급되도록 함으로써, 분사기의 동작 시 발생되는 압력의 변동이 레귤레이터에 전달되지 않도록 하여 엔진에 공급되는 가스연료가 균일한 속도 및 압력을 가지며 공급될 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스연료 공급장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 도 1의 축소확대노즐에 가스연료가 통과함에 따라 가스연료의 유속 변화를 나타낸 도면;
도 3은 도 2의 축소확대노즐의 유무에 따라 분사기에 의해 공급되는 가스연료의 압력변화를 나타낸 그래프;
도 4는 도 1의 연료공급부가 복수 개의 연료공급라인 및 축소확대노즐로 구성된 상태를 나타낸 도면;
도 5는 도 1의 가스연료 공급장치에 별도의 우회공급부가 더 포함된 상태를 나타낸 도면;
도 6은 도 5의 연료탱크 내부 압력변화에 따른 우회공급부의 동작을 나타낸 그래프; 및
도 7은 도 1의 가스연료 공급장치에서 복수 개의 연료공급라인 및 축소확대노즐과 우회공급부가 구비된 상태를 나타낸 도면.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 축소확대노즐을 이용한 가스연료 공급장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통하여 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정형태로 한정하려는 것이 아니라 본 실시예를 통해서 좀더 명확한 이해를 돕기 위함이다.

또한, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 가스연료 공급장치는 기본적으로 가스연료를 엔진에 공급할 때 엔진에서 요구되는 연료의 분사조건에 따라 가스연료의 압력 및 유량을 조절한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스연료 공급장치의 구성에 대해서 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축소확대노즐을 이용한 가스연료 공급장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 축소확대노즐(220)을 이용한 가스연료 공급장치는 크게 레귤레이터(100) 및 연료공급부(200)를 포함하여 구성된다. 이와 함께 본 실시예를 설명함에 있어 명확한 이해를 돕기 위해서 가스연료 공급장치 외에 별도로 연료탱크(T), 엔진(E), 엔진(E)으로 상기 가스연료를 직접 분사하는 분사기(300) 및 전체 시스템의 온도 및 압력을 제어하는 중앙처리부(ECU: Electronic Control Unit)를 더 포함하여 설명한다.

레귤레이터(100)는 연료탱크(T)에 연결되어 상기 가스연료를 공급받아 압력을 조절하는 장치이다. 구체적으로 레귤레이터(100)는 연료탱크(T)에 수용된 고압의 상기 가스연료를 감압시켜 분사기(300)로 전달함으로써, 분사기(300)가 상기 가스연료를 안정적으로 엔진(E)으로 공급할 수 있도록 한다.

레귤레이터(100)는 일반적으로 고압의 상기 가스연료를 엔진(E)으로 공급하기 전에 엔진(E)에서 요구하는 조건에 알맞도록 상기 가스연료의 압력 및 온도를 조절하는 장치로써 본 실시예에서는 일반적인 공냉식 레귤레이터(100)가 적용된다.

연료공급부(200)는 레귤레이터(100)에 감압된 상기 가스연료를 분사기(300)로 전달하여 엔진(E)으로 공급하기 위한 장치로써, 본 실시예에서는 크게 연료공급라인(210) 및 축소확대노즐(220)을 포함하여 구성된다.

연료공급라인(210)은 일반적인 상기 가스연료가 유동하며 흐르는 라인으로써, 양단부가 각각 레귤레이터(100) 및 분사기(300)에 연결된다. 분사기(300)에 대해서는 후술하기로 한다.

축소확대노즐(220)은 연료공급라인(210)상에 구비되어 경유하는 상기 가스연료의 유동속도 및 압력을 균일하게 하여 분사기(300)로 전달되도록 한다. 구체적으로 축소확대노즐(220)은 적어도 일부에 가스연료가 통과하는 경로의 직경이 상대적으로 작이지는 영역이 구비됨으로써, 경유하는 상기 가스연료가 음속으로 통과하도록 형성된다.

그래서 상기 가스연료가 레귤레이터(100)에서 분사기(300)로 공급될 때 축소확대노즐(220)을 경유하면 축소확대노즐(220)은 유로의 단면적이 점점 작아지기 때문에 병목현상에 의해서 상기 가스연료의 유속이 및 압력이 증가한다.

이때, 상기 가스연료의 유량은 축소확대노즐(220) 양단의 압력 차에 의해 결정되며, 압력차가 일정비율 이상으로 유지되게 되면 목 부분(직경이 최소가 되는 부분)에서 음속 이상을 얻을 수 있고 이에 따라 축소확대노즐(220) 후류의 압력에 무관하게 상류의 압력에 의해서만 결정되게 된다. 이때 유량은 동일한 압력 조건하에서 노즐의 크기에 비례하여 변화한다.. 축소확대노즐(220)에서 상기 가스연료의 속도가 변하는 것에 대해서는 도 2을 참조하여 후술한다.

이와 같이 상기 가스연료가 분사기(300)로 공급될 때 축소확대노즐(220)을 경유함으로써, 상기 가스연료의 유속 및 압력은 증가하지만, 일정 수준이상 증가하지 않기 때문에 결국 축소확대노즐(220)을 통과하여 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 유속 및 압력이 균일하게 된다.

이와 같이 축소확대노즐(220)에 의해서 균일한 압력 및 속도의 상기 가스연료를 공급받은 분사기(300)는 엔진(E)의 요구조건에 알맞도록 상기 가스연료를 분사한다.

한편, 레귤레이터(100)가 엔진(E)으로 상기 가스연료를 공급하는 경로상에 분사기(300)가 구비된다. 분사기(300)는 레귤레이터(100)로부터 공급받은 상기 가스연료를 엔진(E)에 직접 분사하는 장치로 다양한 형태로 형성될 수 있으며 본 실시예 에서는 엔진(E) 내부에 구비된 연소실에 직접 상기 가스연료를 분사한다.

즉, 레귤레이터(100)는 상기 가스연료를 엔진(E)으로 공급할 때 엔진(E)으로 직접 공급하는 것이 아니라 분사기(300)를 통해서 엔진(E)으로 상기 가스연료를 공급한다.

여기서, 분사기(300)는 일반적으로 유체 및 기체를 특정 대상위치로 공급할 때 선택적으로 공급여부를 조절함으로써, 대상위치에서 요구되는 조건에 알맞도록 공급을 한다. 분사기(300)의 동작 정도는 중앙처리부(ECU)에 의해서 조절된다.

이와 같이 본 발명에 따른 축소확대노즐(220)을 이용한 가스연료 공급장치의 개략적인 구성에 대해서 살펴보았으며, 다음으로 도 2 및 도 3을 참조하여 축소확대노즐(220)의 구성 및 이에 따른 효과에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 도 1의 축소확대노즐(220)에 상기 가스연료가 통과함에 따라 상기 가스연료의 유속 변화를 나타낸 도면이고 도 3은 도 2의 축소확대노즐(220)의 유무에 따라 분사기(300)에 의해 공급되는 상기 가스연료의 압력변화를 나타낸 그래프이다.

먼저, 축소확대노즐(220)에 대해서 살펴보면 축소확대노즐(220)은 연료공급라인(210)상에 위치하며 레귤레이터(100)로부터 상기 가스연료가 유입되는 유입구(200a) 및 유입구(200a)의 타측에 형성되어 유입된 상기 가스연료가 분사기(300) 방향으로 배출되는 토출구(200b)를 포함하여 구성된다.

여기서, 축소확대노즐(220)은 유입구(200a)에서 토출구(200b)에 이르는 구간에 단면적이 점점 작아지도록 형성되는 영역을 가지게 형성된다.. 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 축소확대노즐(220)은 크게 레귤레이터(100) 방향의 A영역, A영역과 연속적으로 이루어지며 중간부에 위치한 B영역 및 분사기(300)방향으로 형성되며 상대적으로 A영역에 비해 직경이 작게 형성된 C영역으로 나누어 진다.

A영역에서는 상기 가스연료가 흐르는 내부 유로의 직경이 레귤레이터(100)에 상기 가스연료가 배출되는 연료공급라인(210)의 일측과 유사한 크기로 형성되며, B영역에서는 유로의 직경이 분사기(300) 방향으로 갈수록 점점 작아지게 형성되어 있다. 그리고 C영역에서는 B영역의 유로와 연속적인 유로를 가지며 B영역을 통과하한 가스연료가 분사기(300)로 공급되도록 연결되어 있다.

이때, C영역은 연장방향을 따라 직경이 균일하게 형성될 수도 있고, 이와 달리 직경이 변하도록 형성될 수도 있다.

이와 같이 축소확대노즐(220)이 형성됨으로써 축소확대노즐(220)을 경유하는 상기 가스연료를 B영역에서 그 직경이 점점 작아짐에 따라 베르누이의 원리에 따라서 유속 및 압력이 증가하게 된다.

그리고 C영역에서는 B영역을 경유하며 유속이 증가한 상기 가스연료가 분사기(300)로 공급된다. 여기서, 상기 가스연료의 증가되는 유속은 B영역 및 C영역의 직경에 의해서 결정된다. 그리고 C영역에서 상기 가스연료의 속도는 C영역의 직경에 의해서 변화될 수 있다.

본 실시예 에서는 B영역을 경유하며 C영역으로 배출되는 상기 가스연료의 유속이 음속이상이 되도록 구성된다. 이와 같이 C영역을 통과하여 토출구(200b)를 통해 배출되는 상기 가스연료의 유속이 음속을 초과에 따라 노즐 후류의 압력변동이 노즐 상류로 전달되지 않게 되고 노즐을 통과하는 전체 유량은 노즐의 상류 압력에 의해 결정되게 된다.

구체적으로, 상기 가스연료가 엔진(E)으로 공급될 때 분사기(300)는 on/off를 반복하며 연료를 분사한다. 이때, 분사기의 동작에 의해 압력변화가 발생하고, 이는 연료공급라인(210)을 따라 공급되는 가스연료의 압력을 변화시키며 레귤레이터(100)로 전달될 수 있다.

하지만 연료공급라인(210)상에 축소확대노즐(220)이 구비됨으로써, 축소확대노즐(220)에 의해서 공급되는 상기 가스연료가 균일한 속도 및 압력을 가지며, 이에 따라 분사기(300)의 동작에 의한 압력변동의 영향을 줄일 수 있다.

즉, 연료공급라인(210)상에 축소확대노즐(220)이 구비됨으로써, 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료의 유속 및 압력이 증가하지만 균일해 지기 때문에 레귤레이터(100)에 부하가 상대적으로 적게 걸리게 된다.

일반적으로 축소확대노즐(220)은 임계 유동 벤튜리 노즐(Critical Flow Venturi Nozzle)이라고도 칭하는데, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 가스연료가 유입되는 측은 일정한 직경을 가지는 유로가 형성되며, 급격하게 유로 직경(단면적)이 작아지는 구간이 존재하고, 이후로는 배출될 때까지 유로 직경이 일정하게 증가하는 형상으로 형성된다(ISO 9300 규격 참조).

단면적이 감소함에 따라 일정한 질량 유량을 유지하기 위해 유동속도는 증가되어야 한다. 이러한 유동속도의 증가에 필요한 에너지는 온도에 반영되는 무작위운동 에너지로부터 얻어진다(온도는 유동속도의 제곱의 변화에 비례하여 낮아지게 되는데 이를 베르누이 효과라 한다).

그래서 상기 가스연료가 축소확대노즐(220)을 통해 흐름에 따라 유동속도는 최대 단면적에서 최소에 이를 때까지 증가하게 된다. 여기서, 유로의 직경이 작아짐에 따라 상기 가스연료의 유동속도가 증가하지만, 유동속도가 일정 수준 이상에서 더 이상 증가하지 않게 된다. 이를 종단속도라고 하며 본 발명의 실시예에서는 음속에서 상기 가스연료의 속도가 더 이상 증가하지 않는다.

이와 같은 현상을 초킹현상이라 하는데, 초킹현상은 가스체에 압력 차가 있으면 흐름이 생긴다. 그러나 압력비를 증가시키면 유로의 최소 단면에서의 유속은 증가하되, 그 속도가 음속에 달하면 그 이상 증가하지 않는데 이 현상을 말한다

이어서, 도 3을 참조하여 축소확대노즐(220)의 유무에 따른 효과를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3의 (a)를 살펴보면 일반적으로 축소확대노즐(220)을 사용하지 않고 일반적은 분사기(300)를 사용하여 상기 가스연료를 공급하게 되는 경우, 분사기(300)는 수십 Hz(최대 60Hz 정도)로 연료를 공급하게 되며 이에 따라 레귤레이터(100) 후단의 압력은 크게 변화하게 된다.

이와 같이 레귤레이터(100) 후단의 압력이 단속적으로 변화하게 되면 레귤레이터(100)에서 조절해야 하는 압력이 지속적으로 변화하기 때문에 레귤레이터(100)에 많은 부하가 걸리게 된다. 그리고 레귤레이터(100)의 배압이 반복적으로 변화하게 되면 레귤레이터(100)에서 압력을 일정하게 제어해 주기가 힘들게 되고 이에 따라 전체 시스템의 제어에 영향을 주게 된다.

특히, 엔진(E)의 출력이 증가하는 경우 그 주기는 더욱 짧아지므로 레귤레이터(100) 후단 및 분사기(300)에서 정밀한 제어가 더욱 어려워진다.

하지만, 도 3의 (b)와 같이 연료공급라인(210)상에 축소확대노즐(220)이 구비됨으로써, 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료가 음속에 이르며 균일한 압력 및 속도로 공급된다. 이때, 축소확대노즐(220)을 통과한 상기 가스연료가 음속이 됨과 동시에 분사기(300)의 동작에 의해 발생되는 압력변동의 최대치에 근접하는 압력을 가지고 공급된다.

이에 따라 도시된 바와 같이 축소확대노즐(220)을 통과하여 공급되는 가스연료의 압력 및 속도에 의해서 분사기(300)의 상기 가스연료 분사에 의해 발생되는 압력변화가 레귤레이터(100)에 영향을 미치지 않는다.

이와 같이 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 축소확대노즐(220)은 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료의 압력 및 속도를 증가시킴으로써 분사기(300)의 분사속도에 영향을 받지 않고 균일한 압력 및 속도로 엔진(E)에 공급합니다.

즉, 축소확대노즐(220)은 단순히 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료의 압력 및 속도를 조절하는 것이 아니라, 상기 가스연료의 배출속도를 균일하게 하여 분사기(300)의 분사 시 발생되는 압력의 극심한 변동 에 관계없이 레귤레이터(100)에서 상기 가스연료의 정밀한 제어를 할 수 있도록 만들어 주는 역할을 한다.

이와 같이 레귤레이터(100)로부터 배출되는 상기 가스연료의 이동 경로상에 축소확대노즐(220)이 구비됨으로써, 단순히 배출되는 상기 가스연료의 압력 및 속도를 제어하는 것이 아니라, 균일한 음속으로 이동시킴으로써 레귤레이터(100)가 분사기(300)의 연료 분사에 의해 후단에서 발생되는 압력변화의 영향을 받지 않도록 한다.

다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료공급부(200)의 변형된 형태에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 도 1의 연료공급부(200)가 복수 개의 연료공급라인(210) 및 축소확대노즐(220)로 구성된 상태를 나타낸 도면이다.

도시된 도면을 살펴보면 연료공급부(200)는 상술한 바와 같이 연료공급라인(210) 및 축소확대노즐(220)을 포함하여 구성되지만, 각각이 복수 개로 구성된다.

구체적으로 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료가 이동하는 연료공급라인(210)이 복수 개로 구성되고, 축소확대노즐(220)은 각각의 연료공급라인(210) 개수에 대응하는 개수를 가지도록 구성된다. 그리고 축소확대노즐(220)은 각각의 연료공급라인(210)상에 구비된다.

본 실시예에서 연료공급라인(210)은 제1라인(212), 제2라인(214) 및 제3라인(216)의 세 개로 구성되며, 축소확대노즐(220)은 제1노즐(222), 제2노즐(224) 및 제3노즐(226)의 세 개로 구성된다.

여기서, 제1노즐(222) 내지 제3노즐(226)은 상기 가스연료가 유동하며 통과하는 직경이 서로 다르게 형성될 수 있다.

일반적으로 상기 가스연료가 축소확대노즐(220)을 통과함에 따라, 상기 가스연료의 유속이 증가하게 된다. 여기서 축소확대노즐(220)의 토출구 직경에 따라 단위시간 동안 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 최대량이 정해지게 된다.

이에 따라, 엔진(E)의 출력에 따라서 요구되는 상기 가스연료의 양에 대응하는 크기의 축소확대노즐(220)이 사용됨으로써, 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 최대량이 증가하게 되고 상기 가스연료가 안정적으로 공급될 수 있다.

뿐만 아니라, 엔진(E)의 출력에 따라 하나의 연료공급라인(210)만을 이용하지 않고 복수 개를 사용하도록 구성됨으로써, 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 압력 및 유속을 유지시키며 유량을 능동적으로 제어할 수도 있다.

즉, 단일한 연료공급라인(210)만 구비된 경우, 축소확대노즐(220)의 오리피스 구경에 따라 제어(공급)가능한 상기 가스연료의 유량에 제한이 있지만, 두 개 이상의 연료공급라인(210)을 구비하며, 서로 다른 오리피스 구경을 가지는 축소확대노즐(220)을 설치하여 운전 조건 변화에 따른 연료 요구량을 만족시킬 수 있다.

본 실시예에서 제1노즐(222)의 직경이 가장 작고 제3노즐(226)의 직경이 가장 크게 구성되며, 제1라인(212) 내지 제3라인(216)은 이에 대응하는 크기를 가지도록 구성된다.

그리고 본 실시예에서는 중앙처리부(ECU)에 의해서 레귤레이터(100)에서 배출되는 상기 가스연료가 제1라인(212) 내지 제3라인(216)을 통해 분사기(300)로 공급되도록 제어한다.

이와 같이 제1노즐(222) 내지 제3노즐(226)이 각각 서로 다른 구경을 가짐으로써 엔진(E)의 출력에 따라 분사기(300)에 공급되는 상기 가스연료의 유속 및 압력을 유지함과 동시에 유량을 조절할 수 있다.

한편, 이와 달리 상술한 제1노즐(222) 내지 제3노즐(226)이 서로 다른 테이퍼각도를 가지도록 구성될 수도 있다.

이와 같이 제1노즐(222) 내지 제3노즐(226)이 서로 다른 테이퍼각도를 가짐으로써, 각 노즐이 가지는 유량 범위를 다르게 구성하여 분사기(300)에 필요한 연료량에 대응할 수 있으며 중앙처리부(ECU)의 제어를 통해 필요 연료량에 적합한 노즐을 선택적으로 사용하여 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 유량을 조절할 수 있다.

구체적으로 본 실시예에서는 중앙처리부(ECU)가 분사기(300)에 의해서 발생되는 펄스를 및 엔진(E)의 출력을 감지하고 이에 따라 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료의 이동 경로를 선택적으로 조절할 수 있도록 구성된다.

이어서, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스연료 공급장치에 별도의 우회공급부(400)가 더 구비된 구성에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

도 5는 도 1의 가스연료 공급장치에 별도의 우회공급부(400)가 더 포함된 상태를 나타낸 도면이고 도 6은 도 5의 연료탱크(T) 내부 압력변화에 따른 우회공급부(400)의 동작을 나타낸 그래프이다.

도시된 도면을 살펴보면 본 발명에 따른 우회공급부(400)는 크게 상기 가스연료가 유동하는 우회공급라인(410) 및 우회공급라인(410)상에 구비되어 상기 가스연료의 압력을 증가시키는 테이퍼노즐(420)을 포함하여 구성된다.

구체적으로 우회공급라인(410)은 상기 가스연료가 연료탱크(T)에서 레귤레이터(100)로 공급되는 경로상에 분기되어 상기 가스연료가 선택적으로 레귤레이터(100)를 우회하여 분사기(300)로 공급되도록 한다.

즉, 우회공급라인(410)은 양단부가 각각 연료탱크(T) 및 분사기(300)에 연결되며, 중앙처리부(ECU)에 의해서 선택적으로 상기 가스연료가 레귤레이터(100)를 경유하지 않고 직접 분사기(300)로 공급되도록 한다.

테이퍼노즐(420)은, 상술한 축소확대노즐(220)과 유사하게 형성되며 우회공급라인(410)상에서 유동하는 상기 가스연료의 압력을 및 유속을 증가시킴과 동시에 균일하게 하여 분사기(300)로 공급한다.

이와 같이 별도의 우회공급부(400)가 구비되면, 엔진(E)의 출력이 증가함에 따라, 분사기(300)에서 요구되는 상기 가스연료의 양을 레귤레이터(100)가 충족시키지 못하는 경우, 추가적으로 상기 가스연료를 분사기(300)로 공급하여 유량을 조절할 수 있다.

특히, 본 실시예에서와 같이 연료공급라인(210)에 구비된 축소확대노즐(220)을 사용할 경우에는　연료탱크(T)의 압력 변화에 따라서　유량의 변화가 발생하는 구간이 생길 수 있다.

이 경우 우회공급부(400)와 연료공급부(200)가 중앙처리부(ECU)에서의 제어를 통해 함께 연료를 분사기(300)로 공급함으로써, 분사기(300)에서 요구하는 상기 가스연료의 유량을 조절할 수 있다.

한편, 연료탱크(T)의 잔류 연료량이 감소하여 상기 가스연료의 압력이 낮아진 경우, 상기 가스연료가 레귤레이터(100)로 원활히 공급되기 어려운 문제가 발생한다. 이때, 잔류한 상기 가스연료를 직접 분사기(300)로 공급하며, 테이퍼노즐(420)에 의해 분사기(300)에서 요구되는 압력으로 상기 가스연료의 압력을 증가시켜 공급할 수 있다.

구체적으로, 도 6을 살펴보면 연료탱크(T) 내부의 상기 가스연료 압력변화에 따라 상기 가스연료가 분사기(300)로 공급되는 경로가 조절되는 것을 나타낸 그래프이다.

상기 가스연료가 구비된 연료탱크(T)는 내부에 수용된 상기 가스연료의 양에 따라서 내부 압력이 변화하고 이에 따라 배출되는 상기 가스연료의 압력이 변경된다. 상기 가스연료를 사용함에 따라 연료탱크(T) 내부의 압력이 낮아지며, L지점에 이르게 된다.

여기서, L지점은 연료탱크(T)에서 배출되는 상기 가스연료가 레귤레이터(100)로 원활하게 공급되기 위한 최소 압력의 지점으로써, L지점을 기준으로 연료탱크(T) 내부의 압력이 높은 경우를 X구간이라 하고, 연료탱크(T) 내부의 압력이 L지점보다 낮은 경우를 Y구간으로 한다.

연료탱크(T)의 내부압력이 L지점보다 높은 경우, X구간에서는 공급되는 상기 가스연료가 충분히 레귤레이터(100)로 공급될 수 있기 때문에 레귤레이터(100)로 공급된 후 압력을 조절하여 분사기(300)로 공급된다. 이때, 레귤레이터(100)에 의해서 압력이 조절된 상기 가스연료는 다시 축소확대노즐(220)에 의해서 분사기(300)에 의해 발생되는 펄스의 영향을 받지 않고 균일하게 분사기(300)로 공급된다.

한편, 연료탱크(T)의 내부압력이 L지점보다 낮은 경우, Y구간에서는 상기 가스연료의 배출 압력이 낮기 때문에 레귤레이터(100)로 원활히 공급되지 않는다.

이와 같은 경우, 중앙처리부(ECU)는 상기 가스연료가 우회공급라인(410)을 따라 분사기(300)로 공급되도록 조절한다. 우회공급라인(410)을 따라 분사기(300)로 공급되는 상기 가스연료는 테이퍼노즐(420)을 경유하며 균일한 유속을 가지며 압력이 증가하게 되고, 이에 따라 상기 가스연료가 안정적으로 분사기(300)에 공급된다.

즉, 우회공급라인(410)을 구비하여 선택적으로 상기 가스연료가 레귤레이터(100)를 경유하지 않고 분사기(300)로 직접 공급될 수 있도록 구성됨으로써, 상기 가스연료를 사용하는 내연기관에서 연료탱크(T)의 압력이 낮아짐에 따라 공급되는 상기 가스연료의 압력이 많이 떨어져 레귤레이터(100)가 더 이상 상기 가스연료의 압력을 제어할 수 없는 경우에도 잔류한 상기 가스연료를 최대한 활용할 수 있다.

다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스연료 공급장치의 변형된 형태에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

도 7은 도 1의 가스연료 공급장치에서 복수 개의 연료공급라인(210) 및 축소확대노즐(220)과 우회공급부(400)가 구비된 상태를 나타낸 도면이다.

도 7을 살펴보면 가스연료 공급장치는 연료공급라인(210)과 축소확대노즐(220)이 복수 개로 구성됨과 동시에 별도의 우회공급라인(410)까지 함께 구비된다.

이와 같은 경우, 엔진(E)의 출력에 따라 요구되는 상기 가스연료의 공급량을 보다 능동적으로 조절할 수 있다.

레귤레이터(100)를 경유한 상기 가스연료가 직경이 가장 작은 제1노즐(222)을 이용하여 분사기(300)로 공급되는 경우, 엔진(E)의 출력에 대응하여 충분한 유량을 공급하지 못할 수도 있다. 이때, 우회공급라인(410)을 이용하여 상기 가스연료를 추가적으로 공급할 수 있다.

여기서, 연료공급라인(210)에 구비된 축소확대노즐(220)은 배출되는 상기 가스연료의 유속이 증가한 상태이기 때문에 단위시간당 통과하는 상기 가스연료의 유량이 제한적이게 된다. 이이 따라, 추가적으로 우회공급라인(410)을 통해 상기 가스연료를 공급함으로써 부족한 유량을 보충할 수 있다.

또한, 이와 달리 엔진(E)의 출력이 증가하여 제1라인(212) 내지 제3라인(216)을 모두 이용하여 상기 가스연료가 분사기(300)로 공급되는 경우, 추가적으로 엔진(E)의 출력 증가를 위해서 상기 가스연료가 우회공급라인(410)을 통해 추가적으로 공급할 수도 있다.

즉, 이와 같이 복수 개의 라인을 가지는 연료공급라인(210)과 우회공급라인(410)을 추가적으로 활용함으로써, 엔진(E)의 출력에 대응하여 분사기(300)에 의해서 발생되는 펄스의 영향을 받지 않고 안정적으로 상기 가스연료의 공급량을 조절할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 레귤레이터
200: 연료공급부
210: 연료공급라인
220: 축소확대노즐
300: 분사기
400: 우회공급부
410: 우회공급라인
T: 연료탱크
E: 엔진

Claims (5)

1. 고압의 가스연료가 수용된 연료탱크에 연결되어 가스연료를 공급받아 압력을 조절하는 레귤레이터; 및
   소정의 길이를 가지며, 상기 레귤레이터에 연결되어 상기 가스연료를 엔진으로 분사하는 분사기로 공급하는 연료공급라인 및 상기 연료공급라인상에 구비되어 경유하는 상기 가스연료가 음속이 되도록 하는 축소확대노즐을 포함하는 연료공급부;
   을 포함하는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연료공급라인은 복수 개로 구성되고,
   상기 축소확대노즐은 상기 연료공급라인의 개수에 대응하는 개수를 가지며 각각에 배치되는 것을 특징으로 하는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 축소확대노즐은,
   복수 개가 서로 다른 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 축소확대노즐은,
   복수 개가 서로 다른 테이퍼각도를 가지는 것을 특징으로 하는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 가스연료가 상기 연료탱크에서 상기 레귤레이터로 공급되는 이동경로상에서 분기되어, 상기 가스연료가 선택적으로 상기 레귤레이터를 우회하여 상기 분사기로 전달되는 우회공급라인 및 상기 우회공급라인상에 배치되며 유동하는 상기 가스연료의 압력을 증가시키는 테이퍼노즐을 가지는 우회공급부를 더 포함하는 축소확대노즐을 구비한 가스연료 공급장치.

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