KR20170116713A - 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진의 인테이크 부압을 이용하여 저온의 대기 또는 실내 공기를 연료탱크의 내부에 순환시키는 방식으로 연료탱크 내의 연료를 냉각하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 엔진 인테이크 흡기 부압을 이용하여 고온의 연료온도 대비 상대적으로 저온의 대기 또는 실내 공기를 연료탱크에 순환시켜 연료탱크에 들어 있는 연료를 냉각하는 새로운 연료 냉각 시스템을 구현함으로써, 고온 주행 시 연료온도를 떨어뜨려서 엔진 부조 현상, 시동 꺼짐, 연료냄새, 연료탱크 크랙, 캐니스터 연료 넘침 등의 문제를 해소할 수 있는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치를 제공한다.

Description

엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치{Fuel cooling apparatus using engine intake negative pressure}
본 발명은 엔진의 인테이크 부압을 이용하여 저온의 대기 또는 실내 공기를 연료탱크의 내부에 순환시키는 방식으로 연료탱크 내의 연료를 냉각하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료장치는 엔진이 필요로 하는 적당한 혼합기를 공급하는 장치며, 그 기능은 기관의 성능, 특히 출력이나 경제성을 좌우하는 중요한 장치이다.
이러한 연료장치는 연료를 저장하는 연료탱크, 연료 속의 불순물을 제거하는 필터, 엔진측으로 연료를 보내는 연료펌프, 이러한 장치를 연결하는 연료 파이프 등으로 구성되어 있다.
이와 같은 연료장치는 연료펌프를 통하여 엔진측으로 보내지게 되고, 이렇게 보내진 연료는 공기와 혼합하여 기화하기 쉽게 혼합기로 된 상태에서 연소실에 유입된다.
계속해서, 연소실에 유입된 혼합기는 연소실에서 연소되고, 연소되지 않은 연료는 다시 연료탱크로 리턴된다.
한편, 연료탱크에 들어 있는 연료의 온도가 높을 경우에는 연료를 엔진에 공급하는 연료펌프의 내구성에 문제가 발생되고, 온도상승에 따른 연료의 물리적 성질(점도, 밀도 등)이 일정하지 않게 되어 연료 분사량을 제어함에 있어서 문제가 발생될 수 있다.
이와 같은 연료장치에서 연료의 온도가 상승함으로 인해 발생되는 문제점에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
① 가솔린 차량 고온 주행 중 연료 온도의 지속적인 상승으로 연료펌프 토출유량이 저하되고, 이로 인해 엔진 부조 및 시동꺼짐 현상이 발생하는 문제점이 있다.
예를 들면, 저온 주행의 경우 연료가 끓기 전 연료만 유입되므로 시동 꺼짐 현상이 없다[엔진에서 필요한 유량(80L/H) 보다 펌프 토출유량(100L/H) 이 많기 때문에 시동 꺼짐 현상이 없다).
하지만, 고온 주행의 경우 연료가 끓으면서 연료와 기포가 유입되므로 시동 꺼짐 현상이 발생한다(엔진에서 필요한 유량(80L/H) 보다 펌프 토출유량(75L/H) 이 적기 때문에 시동 꺼짐 현상이 발생한다).
② 고온 주행 중 연료 온도의 지속적인 상승으로 연료 끓는 양이 증대되고, 이로 인해 연료냄새가 발생하는 문제점이 있다.
일 예로서, 연료의 온도별 끓는 양 측정 결과, 연료온도 63℃에서 58℃로 5℃ 저감 시 끓는 양 8% 감소 가능하고, 이렇게 끓는 양 감소 시 증발가스 발생이 감소되면서 연료냄새 저감이 가능하게 된다.
③ 고온 주행 중 흡기온 상승으로 엔진 성능이 저하되는 문제점이 있다.
외기온 30℃ 주행 중 흡기온 약 80℃ 수준, 흡기온 상승으로 엔진토크가 저하되어 악셀페달 100%에서도 80k/h 주행 유지가 불가능하다.
④ 고온 주행 중 연료온도 지속적인 상승으로 연료 끓는 양이 증대하게 되는데, 이 상태에서 연료탱크 밴팅성능 부족 시 탱크압이 증가하면서 연료펌프 크랙 및 캐니스터 연료 넘침이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 엔진으로 공급되는 연료의 안정적인 냉각을 지원해줄 수 있는 연료 냉각 장치의 중요성 또한 점차 증대되는 추세에 있다.
한국 공개특허 10-1997-0035520호 한국 공개특허 10-2002-0056580호
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진 인테이크 흡기 부압을 이용하여 고온의 연료온도 대비 상대적으로 저온의 대기 또는 실내 공기를 연료탱크에 순환시켜 연료탱크에 들어 있는 연료를 냉각하는 새로운 연료 냉각 시스템을 구현함으로써, 고온 주행 시 연료온도를 떨어뜨려서 엔진 부조 현상, 시동 꺼짐, 연료냄새, 연료탱크 크랙, 캐니스터 연료 넘침 등의 문제를 해소할 수 있는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치는 연료탱크의 내부에 유체가 흐를 수 있는 관 형태의 연료쿨러를 설치하고, 상기 연료쿨러의 출구단으로부터 연장되는 냉각라인을 엔진 인테이크에 연결하여, 상기 엔진 인테이크측의 부압으로 연료쿨러에 유체를 흐르게 함으로써, 연료탱크 내의 연료를 냉각시킬 수 있는 시스템으로 이루어진다.
여기서, 상기 연료쿨러는 연료탱크의 바닥면에 배치되는 지그재그 형태의 배관으로 이루어져 연료측과의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료쿨러의 입구단으로부터 연장되는 냉각라인을 차량 실내측으로 연결하여, 연료쿨러의 내부로 유입되는 실내 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료쿨러의 입구단으로부터 연장되는 냉각라인을 차량 실내의 에어컨 토출측으로 연결하여, 연료쿨러의 내부로 유입되는 에어컨 토출 공기로 연료를 좀더 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 할 수 있다.
그리고, 상기 연료쿨러의 입구단(15)으로부터 연장되는 냉각라인을 캐니스터 에어필터측으로 연결하여, 연료쿨러의 내부로 유입되는 외부 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 연료쿨러의 출구단과 엔진 인테이크 사이에 연결되는 냉각라인에는 유체의 연료쿨러측 역류를 막아주는 체크밸브가 설치될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치는 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 고온 주행 중 연료온도 냉각이 가능하므로, 고온 주행 중 엔진 부조, 시동 꺼짐, 연료냄새, 연료탱크 크랙, 캐니스터 연료넘침 등을 개선할 수 있다.
둘째, 흡기온 저감이 가능하므로, 고온 엔진 성능 저하를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 냉각 장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명에 따른 연료 냉각 장치의 일 실시예를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명에 따른 연료 냉각 장치의 다른 실시예를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 냉각 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2와 도 3은 본 발명에 따른 연료 냉각 장치의 여러 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료 냉각 장치는 엔진의 인테이크측에서 발생하는 흡기 부압으로 저온의 대기 또는 실내 공기를 연료탱크에 순환시켜 연료탱크에 들어 있는 연료를 냉각시키는 구조로 이루어진다.
이를 위하여, 상기 연료 냉각 장치는 연료 저장을 위한 수단으로 연료탱크(10)를 포함한다.
상기 연료탱크(10)는 일반 차량용 연료탱크와 동일한 구조로서, 연료 펌핑을 위한 연료펌프(18), 차량 전복 시 연료 누출 방지 안전 밸브인 롤 오버 밸브(23) 등을 갖추고 있으며, 주변장치로는 캐니스터(19), 퍼지밸브(20), CCV(21), 에어필터(22) 등을 포함할 수 있다.
이러한 연료탱크(10) 및 그 주변장치에 대한 구성과 기능은 종래와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 연료 냉각 장치는 실질적으로 연료를 냉각시켜주는 수단으로 연료쿨러(11)를 포함한다.
상기 연료쿨러(11)는 유체가 흐를 수 있는 관 형태로 이루어져 연료탱크(10)의 내부에 설치되며, 이렇게 설치된 상태에서 연료탱크(10)에 들어 있는 연료와의 접촉을 통한 열전도 작용을 이용하여 연료를 냉각시켜줄 수 있게 된다.
이러한 연료쿨러(11)는 연료탱크(10)의 바닥면에 배치되면서 지그재그 형태의 배관으로 이루어지게 되고, 이에 따라 연료쿨러(11)가 연료탱크(10)의 바닥쪽에 폭넓게 분포됨으로써 연료탱크(10) 내의 연료측과의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있게 되며, 결국 연료에 대한 냉각효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 연료쿨러(11)는 퍼지호스와 동일 사이즈인 직경 8mm 정도의 관을 적용할 수 있으며, 이때의 관 사이즈는 증대 및 축소가 가능하고, 관 사이즈 증대 시의 경우 동일 엔진 흡기 부압에서 연료쿨러측 흡입 유량이 증대되므로 냉각효과가 증대될 수 있다.
그리고, 상기 연료쿨러(11)에는 입구단(15)과 출구단(12)이 구비되며, 이때의 입구단(15)은 연료탱크(10)의 내부에 설치되는 연료쿨러(11)의 전체 길이구간 중 유체가 탱크 내측으로 유입되기 시작하는 지점의 탱크 벽면(또는 상면, 또는 바닥면)에의 연결위치를 의미하고, 상기 출구단(12) 또한 연료탱크(10)의 내부에 설치되는 연료쿨러(11)의 전체 길이구간 중 유체가 탱크 외측으로 나가기 시작하는 지점의 탱크 벽면에의 연결위치를 의미한다.
여기서, 상기 연료쿨러(11)가 가지는 입구단(15)과 출구단(12)의 연료탱크측 연결방식은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방식이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
일 예로서, 플라스틱 연료탱크의 경우에는 니쁠을 융착하거나, 스틸 연료탱크의 경우에는 니쁠을 연결한 다음, 이렇게 탱크측에 접합된 니쁠과 후술하는 냉각라인(탱크 외측) 및 연료쿨러(탱크 내측)를 클램프로 각각 연결하여 밀폐구조를 구성할 수 있다.
다른 예로서, 탱크측에 접합된 니쁠과 후술하는 냉각라인(탱크 외측) 및 연료쿨러(탱크 내측)를 직접 압입식으로 연결하여 밀폐구조를 구성할 수 있다.
또 다른 예로서, 연료호스에 흔히 사용되는 메일 퀵커넥터를 탱크에 접합하고, 냉각라인(탱크 외측) 및 연료쿨러(탱크 내측)의 끝단을 피메일 퀵커넥터에 압입시켜 서로 연결하여 밀폐구조를 구성할 수 있다.
이와 같은 연료쿨러(11)의 출구단(12)은 냉각라인(13a)을 통해 엔진 인테이크(14)에 연결되며, 이에 따라 엔진 인테이크(14)측에 조성되는 흡기 부압이 연료쿨러(11)에 작용하면서 연료쿨러(11)의 내부에 유체의 흐름이 일어날 수 있게 된다.
즉, 흡기 부압에 의해 대기나 실내 공기가 연료쿨러(11)의 내부를 거쳐 엔진 인테이크(14) 쪽으로 빨려갈 수 있게 된다.
여기서, 상기 연료쿨러(11)의 출구단(12)과 엔진 인테이크(14) 사이에 연결되는 냉각라인(13a) 상에는 체크밸브(17)가 설치되며, 이때의 체크밸브(17)는 유체가 연료쿨러측을 향해 역방향으로 흐르는 것을 막아주는 역할을 하게 된다.
그리고, 상기 연료쿨러(11)의 입구단(15)은 냉각라인(13b)을 통해 차량 실내측으로 연결될 수 있게 되며, 이에 따라 엔진 흡기 부압에 의해 연료쿨러(11)의 내부로 유입되는 실내 공기로 연료탱크 내의 연료를 냉각시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 냉각라인(13b)의 실내측 입구부위에는 에어필터(22)를 연결하여 오염된 실내측 공기를 여과할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 차량 실내 공기를 도입하여 연료를 냉각시킬 때, 극서지역의 경우 차량 실내 공기 온도가 약 25℃ 정도이고 연료의 온도가 약 65℃ 정도이므로, 탁월한 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.
특히, 상기 연료쿨러(11)측에 실내측 공기를 제공하는 경우, 연료쿨러(11)의 입구단(15)으로부터 연장되는 냉각라인(13b)의 실내측 입구부위를 차량 실내의 에어컨 토출측으로 연결하여, 연료쿨러(11)의 내부로 유입되는 에어컨 토출측 저온의 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 에어컨 토출측 공기를 도입하여 연료를 냉각시키는 경우에도 저온의 에어컨 토출온도로 이용함으로써 탁월한 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 연료의 냉각을 위해 연료쿨러(11) 내로 도입하는 유체는 실내 공기 이외에도 저온의 대기(고온의 연료온도 대비 상대적으로 낮은 저온의 대기)를 이용할 수 있게 된다.
이를 위하여, 상기 연료쿨러(11)의 입구단(15)과 캐니스터 에어필터(16) 사이에는 냉각라인(13b)이 연결되며, 이에 따라 연료쿨러(11)의 내부에는 외부의 공기가 유입되고, 이렇게 유입되는 외부 공기로 연료를 냉각시킬 수 있게 된다.
이렇게 외부의 공기를 도입하여 연료는 냉각시킬 때, 극서지역의 경우 외기 온도가 약 45℃ 정도이고 연료의 온도가 약 65℃ 정도이므로, 이때에도 탁월한 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 연료 냉각 장치는 차량 시동 중 인테이크 흡기 부압을 이용하여 지속적으로 연료를 냉각시키는 기능을 수행할 수 있게 된다.
예를 들면, 엔진 인테이크측과 캐니스터 사이에 연결되어 있는 직경 8mm의 퍼지호스 상에 압력계와 유량계를 설치하여 측정해본 결과, 8mm 호스에 인가되는 퍼지호스측 압력은 100% 퍼지 시 -10kPa 수준이며, 흡입 유량은 5㎥/h(=83L/min)로 측정되었다.
물론, 엔진 흡기 부압에 따라 퍼지호스측 흡입유량 차이가 발생되며, 퍼지호스측 흡입유량 기준은 700mbar(절대압)[=30kPa(상대압) 기준임]이다.
따라서, 연료쿨러로 8mm 정도의 직경을 가지는 관이나 호스 적용 시 -10kPa, 83L/min 수준의 압력 및 유량 형성이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에서는 연료탱크 바닥면에 연료쿨러를 넓게 분포시키고, 이러한 연료쿨러를 차량 실내에 연결하여 차량 실내 공기로 연료를 냉각하거나, 또는 캐니스터 에어필터측에 연결하여 외기로 연료를 냉각하거나, 또는 차량 에어컨 토출측에 연결하여 에어컨 토출측 저온의 공기로 연료를 냉각하는 연료 냉각 시스템을 적용함으로써, 차량 고온 주행 시 연료 온도를 효과적으로 냉각시켜서 연료 끓음에 따른 기포발생을 억제할 수 있고, 따라서 엔진 부조, 시동 꺼짐, 연료냄새, 연료탱크 크랙, 캐니스터 넘침 등을 개선할 수 있다.
10 : 연료탱크
11 : 연료쿨러
12 : 출구단
13a,13b : 냉각라인
14 : 엔진 인테이크
15 : 입구단
16 : 캐니스터 에어필터
17 : 체크밸브
18 : 연료펌프
19 : 캐니스터
20 : 퍼지밸브
21 : CCV(Canister Closed Valve)
22 : 에어필터
23 : 롤 오버 밸브

Claims (6)

  1. 연료탱크(10)의 내부에 유체가 흐를 수 있는 관 형태의 연료쿨러(11)를 설치하고, 상기 연료쿨러(11)의 출구단(12)으로부터 연장되는 냉각라인(13a)을 엔진 인테이크(14)에 연결하여, 상기 엔진 인테이크(14)측의 부압으로 연료쿨러(11)에 유체를 흐르게 함으로써, 연료탱크(10) 내의 연료가 냉각될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료쿨러(11)는 연료탱크(10)의 바닥면에 배치되는 지그재그 형태의 배관으로 이루어져 연료측과의 접촉면적을 넓게 확보할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료쿨러(11)의 입구단(15)으로부터 연장되는 냉각라인(13b)을 차량 실내측으로 연결하여, 연료쿨러(11)의 내부로 유입되는 실내 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 연료쿨러(11)의 입구단(15)으로부터 연장되는 냉각라인(13b)을 차량 실내의 에어컨 토출측으로 연결하여, 연료쿨러(11)의 내부로 유입되는 에어컨 토출 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료쿨러(11)의 입구단(15)으로부터 연장되는 냉각라인(13b)을 캐니스터 에어필터(16)측으로 연결하여, 연료쿨러(11)의 내부로 유입되는 외부 공기로 연료를 냉각시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료쿨러(11)의 출구단(12)과 엔진 인테이크(14) 사이에 연결되는 냉각라인(13a)에는 유체의 연료쿨러측 역류를 막아주는 체크밸브(17)가 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진 인테이크 부압을 이용한 연료 냉각 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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