KR20140057024A - Lpg 직접 분사 시스템 - Google Patents

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송진오
김성근
육철수
박용덕
이원길
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사하는 LPG 직접 분사 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은, 액상의 LPG를 연소실에 공급받는 엔진; 상기 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사하도록 배치된 인젝터; 상기 인젝터에 고압의 LPG를 공급하는 고압연료펌프; 상기 엔진에 공급되는 LPG가 저장된 연료탱크; 상기 연료탱크의 내부에 장착되고, 상기 연료탱크에 저장된 LPG를 고압연료펌프로 공급하는 저압연료펌프; 상기 고압연료펌프로부터 잔여 LPG를 전달받으며, 전달받은 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하고 일정한 압력의 LPG를 상기 연료탱크에 전달하는 레귤레이터 장치; 상기 연료탱크에 저장된 LPG를 상기 엔진에 공급하도록 상기 저압연료펌프와 상기 고압연료펌프를 연결하는 연료공급라인; 및 상기 고압연료펌프에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG를 상기 연료탱크로 리턴시키도록 상기 고압연료펌프와 상기 저압연료펌프를 연결하는 연료리턴라인; 을 포함할 수 있다.

Description

LPG 직접 분사 시스템{LPG DIRECT INJECTION SYSTEM}
본 발명은 LPG 직접 분사 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차의 엔진에 LPG(liquefied petroleum gas)를 직접 분사하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, LPG엔진은 가솔린 대신에 LPG를 연료로 사용하는 내연기관이다. 또한, LPG엔진은 가솔린엔진보다 연료비가 저렴하고, 유해물질의 발생량도 적으며, 엔진의 수명도 긴 장점이 있다.
LPG엔진을 사용하는 자동차에서 LPG는 액체상태로 연료탱크에 저장된다. 또한, LPG엔진은 연료를 엔진에 공급하는 방식에 따라 기화기 방식과 LPLI(liquid phase LPG injection) 방식으로 구분된다.
기화기 방식은 연료탱크에 저장된 액체상태의 LPG를 기화시켜서 엔진에 공급하는 방식이다. 또한, LPLI 방식은 액체상태의 LPG가 연료탱크로부터 연료펌프에 공급되고, 연료펌프가 액체상태의 LPG를 고압으로 송출하며, 연료펌프로부터 송출된 액상 LPG가 인젝터에 의해 분사되는 구조다.
종래의 LPG엔진에서 인젝터가 액상 LPG를 분사하는 방식에는 각 실린더마다 인젝터를 설치하고 각각의 흡기 포트에 연료를 분사하는 MPI 방식(multi point injection type) 및 흡기 다기관의 집합점에 연료를 분사하는 SPI 방식(single point injection type)이 있다.
한편, 가솔린을 연료로 사용하는 차량의 엔진으로 GDI(gasoline direct injection)엔진이 개발됨에 따라 엔진의 연소실에 연료를 직접 분사하는 방식을 LPG엔진에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 LPDI(liquefied petroleum gas direct injection)엔진이 개발되면, LPG엔진의 단점이 보완될 수 있다.
LPG엔진이 구비된 차량은 냉간 시동성능 저하, 충전소 부족, LPG 연료탱크에 의한 공간활용도 저하 등의 문제점이 있다. 따라서, LPG엔진이 구비된 차량의 보급이 확산되기 위해서는 상기 LPG엔진의 단점을 해소하거나 장점을 극대화시킬 필요성이 있다. 이러한 관점에서 상기 LPDI엔진의 개발 및 실용화의 중요성이 대두되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사하는 LPG 직접 분사 시스템을 제공하는 것이다.
또한, LPG엔진의 열간 재시동 성능을 향상시키고, 냉간 시동 성능을 개선시킬 수 있는 LPG 직접 분사 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은, 액상의 LPG를 연소실에 공급받는 엔진; 상기 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사하도록 배치된 인젝터; 상기 인젝터에 고압의 LPG를 공급하는 고압연료펌프; 상기 엔진에 공급되는 LPG가 저장된 연료탱크; 상기 연료탱크의 내부에 장착되고, 상기 연료탱크에 저장된 LPG를 고압연료펌프로 공급하는 저압연료펌프; 상기 고압연료펌프로부터 잔여 LPG를 전달받으며, 전달받은 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하고 일정한 압력의 LPG를 상기 연료탱크에 전달하는 레귤레이터 장치; 상기 연료탱크에 저장된 LPG를 상기 엔진에 공급하도록 상기 저압연료펌프와 상기 고압연료펌프를 연결하는 연료공급라인; 및 상기 고압연료펌프에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG를 상기 연료탱크로 리턴시키도록 상기 고압연료펌프와 상기 저압연료펌프를 연결하는 연료리턴라인; 을 포함할 수 있다.
상기 저압연료펌프는 상기 연료탱크로부터 송출되는 LPG의 양이 가변되도록 작동할 수 있다.
상기 LPG 직접 분사 시스템은 상기 저압연료펌프와 상기 고압연료펌프의 사이에서 상기 연료공급라인 및 상기 연료리턴라인이 경유하도록 배치되고, 상기 연료공급라인 및 상기 연료리턴라인을 통과하는 LPG의 압력을 조절하도록 작동하는 레귤레이터 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 레귤레이터 장치는 상기 고압연료펌프로부터 상기 연료리턴라인을 통하여 리턴된 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하고, 일정한 압력으로 조절된 잔여 LPG를 상기 연료탱크에 전달하는 레귤레이터를 포함할 수 있다.
상기 레귤레이터에서 조절된 잔여 LPG의 압력은 5bar일 수 있다.
상기 고압연료펌프에는, 상기 저압연료펌프로부터 LPG를 공급받도록 상기 연료공급라인이 연결되는 연료입구, 상기 인젝터로 LPG를 공급하도록 고압파이프가 연결되는 연료출구, 및 상기 연료탱크로 잔여 LPG를 리턴시키도록 연료리턴라인이 연결되는 연료회수구가 형성될 수 있다.
상기 엔진에는 GDI엔진의 연료공급방식이 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사함으로써 엔진의 출력이 증대되고 연비가 향상될 수 있다.
또한, 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사함으로써 압축비가 증가되고 배기가스가 저감될 수 있다.
나아가, 레귤레이터 장치를 통하여 잔여 LPG가 회수됨으로써 LPG엔진의 열간 재시동 성능이 향상되고, 냉간 시동 성능이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템의 블록도다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템의 블록도다.
본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은 LPG(liquefied petroleum gas)엔진에 GDI(gasoline direct injection)엔진의 연료공급방식을 적용한 LPDI(liquefied petroleum gas direct injection)엔진(60) 및 LPDI엔진(60)에 연료를 공급하는 장치들에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은 연료탱크(10), 저압연료펌프(20), 레귤레이터 장치(30), 고압연료펌프(40), 인젝터(50) 및 LPDI엔진(60)을 포함한다.
상기 연료탱크(10)는 액상의 LPG가 저장되는 LPG 봄베(bomb)이다. 또한, 상기 연료탱크(10)에 저장된 LPG는 상기 LPDI엔진(60)의 연료로 사용된다.
상기 저압연료펌프(20)는 상기 연료탱크(10)에 내장된 펌프(pump)이다. 또한, 상기 저압연료펌프(20)는 상기 LPDI엔진(60)에 LPG가 공급되도록 상기 연료탱크(10)에 저장된 액상의 LPG를 펌핑한다. 나아가, 상기 저압연료펌프(20)는 펌프의 회전수가 가변될 수 있으며, 상기 저압연료펌프(20)로부터 송출되는 액상 LPG의 양은 펌프의 회전수에 따라 조절될 수 있다. 한편, 상기 저압연료펌프(20)는 멀티밸브(22)를 포함한다.
상기 멀티밸브(22)는 온도 및 압력 등 액상 LPG의 여러가지 조건에 따라 LPG를 공급 및 회수하도록 개폐되는 복수개의 밸브를 말한다.
상기 레귤레이터 장치(30)는 상기 저압연료펌프(20)에서 펌핑된 LPG의 압력을 조절하는 장치이다. 또한, 상기 레귤레이터 장치(30)는 연료공급라인(70)에 의해 상기 저압연료펌프(20)와 연결된다. 여기서, 상기 연료공급라인(70)은 상기 연료탱크(10)에 저장된 LPG를 상기 LPDI엔진(60)으로 전달하도록 형성된 LPG의 통로이다. 나아가, 상기 멀티밸브(22)는 상기 연료공급라인(70)과 상기 저압연료펌프(20)의 사이에 개재된다.
상기 저압연료펌프(20)에서 펌핑된 액상의 LPG는 상기 연료공급라인(70)을 통하여 상기 레귤레이터 장치(30)에 전달된다. 또한, 상기 레귤레이터 장치(30)는 연료리턴라인(80)에 의해 상기 연료탱크(10)와 연결된다. 여기서, 상기 연료리턴라인(80)은 상기 저압연료펌프(20)와 연결될 수 있다. 나아가, 상기 멀티밸브(22)는 상기 연료리턴라인(80)과 상기 저압연료펌프(20)의 사이에 개재된다. 즉, 상기 연료공급라인(70)과 상기 연료리턴라인(80)은 상기 멀티밸브(22)를 거쳐서 상기 저압연료펌프(20)와 연결되고, 상기 멀티밸브(22)에 의해 선택적으로 개폐되거나 개폐되는 정도가 조절될 수 있다.
상기 고압연료펌프(40)는 액상의 LPG를 고압으로 송출하도록 펌핑을 수행하는 펌프(pump)이다. 또한, 상기 고압연료펌프(40)는 상기 연료공급라인(70)에 의해 상기 레귤레이터 장치(30)와 연결된다. 즉, 상기 레귤레이터 장치(30)를 경유한 액상의 LPG는 상기 연료공급라인(70)을 통하여 상기 고압연료펌프(40)에 전달된다. 나아가, 상기 고압연료펌프(40)는 상기 연료리턴라인(80)에 의해 상기 레귤레이터 장치(30)와 연결된다. 여기서, 상기 연료리턴라인(80)은 상기 고압연료펌프(40)에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG를 상기 연료탱크(10)로 잔딜하도록 형성된 LPG의 통로이다. 상기 잔여 LPG를 상기 연료탱크(10)로 잔딜하는 연료의 리턴(return)은 엔진룸의 LPG 압력이 상기 연료탱크(10)의 LPG 압력보다 설정값 이상 커지는 경우 수행된다. 이러한 연료의 리턴은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 인젝터(50)는 상기 LPDI엔진(60)에 연료를 분사하는 장치이다. 또한, 상기 인젝터(50)는 상기 연료공급라인(70)에 의해 상기 고압연료펌프(40)와 연결된다. 즉, 상기 고압연료펌프(40)로부터 고압으로 송출된 LPG는 상기 연료공급라인(70)을 통하여 상기 인젝터(50)에 전달된다.
상기 LPDI엔진(60)은 GDI엔진과 같이 연료를 엔진(60)의 연소실(62)에 직접 분사하는 엔진이다. 즉, 상기 인젝터(50)는 상기 LPDI엔진(60)의 실린더 헤드에 삽입되고, 상기 인젝터(50)의 분사구는 연소실(62)의 내부에 LPG를 직접 분사하도록 배치된다. 도 1에서는 상기 LPDI엔진(60)과 상기 인젝터(50)가 연결된 블록도가 도시되었지만, 엔진(62)의 연소실(62)에 연료를 직접 분사하도록 하는 상기 인젝터(50)의 배치는 당업자에게 자명하다. 한편, 상기 인젝터(50)는 LPG를 고압으로 연소실(62)에 분사하는 LPG 전용 인젝터일 수 있다.
상기 레귤레이터 장치(30)는 레귤레이터(32)를 포함한다. 또한, 상기 연료공급라인(70)은 제1 공급라인(72) 및 제2 공급라인(76)을 포함한다. 나아가, 상기 연료리턴라인(80)은 제1 리턴라인(82) 및 제2 리턴라인(84)을 포함한다. 한편, 상기 고압연료펌프(40)에는 연료입구(42), 연료출구(44) 및 연료회수구(46)가 형성된다.
상기 레귤레이터(32)는 상기 레귤레이터 장치(30)에 내장된다.
상기 레귤레이터(32)는 상기 고압연료펌프(40)로부터 상기 레귤레이터 장치(30)에 공급된 잔여 LPG가 일정한 압력을 갖도록 LPG의 압력을 조절한다. 또한, 상기 레귤레이터(32)에 의해 조절된 LPG의 압력은 5bar일 수 있다.
상기 제1 공급라인(72)은 상기 저압연료펌프(20)와 상기 고압연료펌프(40)를 연결하는 상기 연료공급라인(70)이다. 또한, 상기 제1 공급라인(72)은 상기 저압연료펌프(20)와 상기 고압연료펌프(40)의 사이에서 상기 레귤레이터 장치(30)를 경유하도록 배치된다.
상기 제1 공급라인(72)의 일단은 상기 연료탱크(10)의 내부에서 상기 저압연료펌프(20)와 연결되고, 타단은 상기 고압연료펌프(40)에 형성된 상기 연료입구(42)에 연결된다.
상기 제2 공급라인(76)은 상기 고압연료펌프(40)와 상기 인젝터(50)를 연결하는 상기 연료공급라인(70)이다. 또한, 상기 제3 공급라인(76)의 일단은 상기 고압연료펌프(40)에 형성된 상기 연료출구(44)에 연결되고, 타단은 상기 인젝터(50)에 연결된다. 여기서, 상기 고압연료펌프(40)의 연료출구(44)는 상기 고압연료펌프(40)에서 펌핑된 LPG가 상기 인젝터(50)에 공급되도록 형성된 LPG의 출구이다. 나아가, 상기 제2 공급라인(76)은 고압의 액상 LPG가 통과하도록 형성된 고압파이프이다.
상기 제1 리턴라인(82)은 상기 고압연료펌프(40)와 상기 레귤레이터 장치(30)를 연결하는 상기 연료리턴라인(80)이다. 또한, 상기 제1 리턴라인(82)의 일단은 상기 고압연료펌프(40)에 형성된 상기 연료회수구(46)에 연결되고, 타단은 상기 레귤레이터 장치(30)의 내부에서 상기 레귤레이터(32)에 연결된다. 여기서, 상기 연료회수구(46)는 상기 고압연료펌프(40)에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG가 상기 레귤레이터(32)로 리턴되도록 형성된 상기 잔여 LPG의 회수구이다.
상기 제2 리턴라인(84)은 상기 레귤레이터 장치(30)와 상기 연료탱크(10)를 연결하는 상기 연료리턴라인(80)이다. 또한, 상기 제2 리턴라인(84)의 일단은 상기 레귤레이터 장치(30)의 내부에서 상기 레귤레이터(32)에 연결되고, 타단은 상기 연료탱크(10)에 연결된다. 즉, 상기 고압연료펌프(40)로부터 리턴된 상기 잔여 LPG는 상기 레귤레이터(32)를 경유하여 상기 연료탱크(10)에 다시 저장된다.
한편, 상기 레귤레이터 장치(30)는 온도센서(도시하지 않음) 및 압력센서(도시하지 않음)를 더 포함한다. 따라서, 상기 레귤레이터 장치(30)는 상기 제1 공급라인(72) 및 상기 연료리턴라인(80)을 통과하는 LPG의 압력 및 온도를 측정하고, LPG의 압력 및 온도에 대한 정보를 ECU에 전달한다. 여기서, ECU는 자동차의 전자제어를 총괄하는 통상의 전자제어유닛(ECU)이다.
상기된 연료공급라인(70) 및 연료리턴라인(80)의 설명에서는 액상의 LPG가 통로에 유입되는 부분을 일단이라 칭하고, 액상의 LPG가 통로에서 유출되는 부분을 타단이라 칭하여 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은 상기 LPDI엔진(60)의 냉간 시동 및 열간 재시동 시, LPG가 상기 고압연료펌프(40)로부터 상기 레귤레이터(32)로 회수되도록 한다. 또한, 상기 레귤레이터(32)는 일정한 압력으로 조절된 액상의 LPG를 상기 연료탱크(10) 내부의 저압연료펌프(40)로 전달한다. 즉, 상기 LPDI엔진(60)의 냉간 시동 및 열간 재시동 시에는 상기 멀티밸브(22)가 상기 연료리턴라인(80) 을 개방한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은 상기 LPDI엔진(60)의 고부하 및 고출력 시, 상기 저압연료펌프(20)의 회전수를 증가시킨다.
따라서, 상기 저압연료펌프(20)로부터 상기 고압연료펌프(40)로 액상의 LPG를 빠르게 공급하는 것이 용이해진다. 즉, 상기 LPDI엔진(60)의 시동성이 향상된다. 또한, 상기 연료공급라인(70) 내에서 기화된 LPG가 상기 연료탱크(10)로 빠르게 회수되는 것이 용이해진다. 나아가, 상기 고압연료펌프(40) 및 상기 저압연료펌프(20)의 부하가 감소됨으로써, 연비가 개선된다.
본 발명의 실시예에 따른 LPG 직접 분사 시스템은 상기 고압연료펌프(40)로부터 잔여 LPG가 리턴되는 경우, 잔여 LPG가 상기 레귤레이터(32)를 경유하여 상기 연료탱크(10)로 회수되도록 한다. 즉, 상기 레귤레이터(32)는 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하여 상기 연료탱크(10)로 전달한다.
따라서, 상기 고압연료펌프(40)에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG의 빠른 리턴이 가능해진다. 또한, 상기 고압연료펌프(40)의 내부에서 기화된 LPG가 액화되는 시간이 단축될 수 있다. 나아가, 기화된 LPG가 액화되는 시간이 단축됨에 따라 상기 LPDI엔진(60)의 시동성이 향상된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진(60)의 연소실(62)에 LPG를 직접 분사함으로써 엔진(60)의 출력이 증대되고 연비가 향상될 수 있다. 또한, 엔진(60)의 연소실(62)에 LPG를 직접 분사함으로써 압축비가 증가되고 배기가스가 저감될 수 있다. 나아가, 레귤레이터 장치(30)를 통하여 잔여 LPG가 회수됨으로써 LPG엔진의 열간 재시동 성능이 향상되고, 냉간 시동 성능이 개선될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 연료탱크 20: 저압연료펌프
22: 멀티밸브 30: 레귤레이터 장치
32: 레귤레이터 40: 고압연료펌프
42: 연료입구 44: 연료출구
46: 연료회수구 50: 인젝터
60: LPDI엔진 62: 연소실
70: 연료공급라인 72: 제1 공급라인
76: 제2 공급라인 80: 연료리턴라인
82: 제1 리턴라인 84: 제2 리턴라인

Claims (7)

  1. 액상의 LPG를 연소실에 공급받는 엔진;
    상기 엔진의 연소실에 LPG를 직접 분사하도록 배치된 인젝터;
    상기 인젝터에 고압의 LPG를 공급하는 고압연료펌프;
    상기 엔진에 공급되는 LPG가 저장된 연료탱크;
    상기 연료탱크의 내부에 장착되고, 상기 연료탱크에 저장된 LPG를 고압연료펌프로 공급하는 저압연료펌프;
    상기 고압연료펌프로부터 잔여 LPG를 전달받으며, 전달받은 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하고 일정한 압력의 LPG를 상기 연료탱크에 전달하는 레귤레이터 장치;
    상기 연료탱크에 저장된 LPG를 상기 엔진에 공급하도록 상기 저압연료펌프와 상기 고압연료펌프를 연결하는 연료공급라인; 및
    상기 고압연료펌프에서 펌핑되고 남은 잔여 LPG를 상기 연료탱크로 리턴시키도록 상기 고압연료펌프와 상기 저압연료펌프를 연결하는 연료리턴라인;
    을 포함하는 LPG 직접 분사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저압연료펌프는 상기 연료탱크로부터 송출되는 LPG의 양이 가변되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저압연료펌프와 상기 고압연료펌프의 사이에서 상기 연료공급라인 및 상기 연료리턴라인이 경유하도록 배치되고, 상기 연료공급라인 및 상기 연료리턴라인을 통과하는 LPG의 압력을 조절하도록 작동하는 레귤레이터 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레귤레이터 장치는 상기 고압연료펌프로부터 상기 연료리턴라인을 통하여 리턴된 잔여 LPG의 압력을 일정하게 조절하고, 일정한 압력으로 조절된 잔여 LPG를 상기 연료탱크에 전달하는 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레귤레이터에서 조절된 잔여 LPG의 압력은 5bar인 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고압연료펌프에는,
    상기 저압연료펌프로부터 LPG를 공급받도록 상기 연료공급라인이 연결되는 연료입구,
    상기 인젝터로 LPG를 공급하도록 고압파이프가 연결되는 연료출구, 및
    상기 연료탱크로 잔여 LPG를 리턴시키도록 연료리턴라인이 연결되는 연료회수구가 형성되는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진에는 GDI엔진의 연료공급방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 시스템.
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