KR20180013358A - Cng 엔진 시스템 - Google Patents

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KR20180013358A
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김종혁
정우형
이정환
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 CNG 엔진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 하는 차량에 있어서, 각 차종별로 상이한 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발함으로써 기존의 CNG 엔진 시스템 보다 콤팩트하게 구성하여 엔진 레이아웃 자유도가 높은 CNG 엔진 시스템에 관한 발명이다.

Description

CNG 엔진 시스템{CNG engine system}
본 발명은 CNG 엔진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 하는 차량에 있어서, 각 차종 별로 상이한 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발함으로써 기존의 CNG 엔진 시스템보다 콤팩트하게 구성하여 엔진 레이아웃 자유도가 높은 CNG 엔진 시스템에 관한 발명이다.
일반적으로 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)는 가솔린이나 경유와 같은 다른 차량의 연료에 비해 연소 효율이 높고, 대기 오염 물질의 배출량이 적은 장점이 있다.
상기와 같은 압축 천연가스를 연료로 하는 종래의 차량 엔진 시스템의 일반적인 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료탱크(2)에 고압의 압축 천연가스가 저장되며, 연료탱크(2)의 압축 천연가스는 가스 압력 조절 밸브(4)를 거치면서 적당한 저압으로 감압된 후 열교환기(6)에서 안정화되며 차단 밸브(8)를 지나 연료 조절 밸브(Fuel Metering Valve, FMV)(10)에서 엔진에 필요한 적정량의 연료를 공급하게 된다.
이와 같이 공급되는 압축 천연가스는 외부로부터 흡입되는 흡입공기를 압축하여 체적 효율을 향상시키는 터보차져를 지나 공급되는 흡입공기와 믹서(mixer)(12)에서 혼합된 후 스로틀바디(14)를 거쳐 엔진의 연료실에 공급된다. 엔진에서 배출되는 배기 가스는 터보차져를 지나 외부로 배출된다.
이러한 종래의 CNG 엔진 시스템은 연소실에 연료를 공급하기 위해 차단 밸브(8), 연료 조절 밸브(10), 스로틀바디(14), 믹서(12) 등의 부품이 반드시 필요하기 때문에 이러한 각각의 부품들을 장착하기 위한 개별 브라켓이 필요하며, 각각의 부품간 연료 이송을 위해 가스 호스(16)가 필요하기 때문에 공수 및 원가가 상승하게 되고, 특히 가스 호스(16)에 의한 연료의 데드 볼륨(dead-volume)이 항상 존재하여 연비가 악화되는 문제점이 있었다.
따라서 데드 볼륨을 최소화하기 위해 각 부품의 간격을 최대한 가깝게 하여 연료 라인을 구성 및 장착하게 되는데, 이러한 경우 각 차종 별로 연료 라인의 구성 및 장착 구조가 상이하여 연료 제어의 정밀성이 저하되며, 엔진 레이아웃 관계로 인한 위치 자유도가 낮아지는 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2004-0015998호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 하는 차량에 있어서, 각 차종 별로 상이한 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발함으로써 기존의 CNG 엔진 시스템보다 콤팩트하게 구성하여 엔진 레이아웃 자유도가 높은 CNG 엔진 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CNG 엔진 시스템에 있어서,
연료와 흡입공기가 혼합되는 원통형의 혼합부가 형성된 블록부;
상기 혼합부의 유입구 전단에 결합되는 스로틀바디부;
상기 혼합부 상단에 형성된 인젝터 홀에 끼워지는 인젝터;
상기 블록부의 옆면에 결합되는 차단 밸브가 일체로 구성된다.
본 발명에 따르면, 각 차종별로 상이한 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발함으로써 구성 부품의 수량이 감소하여 정비성이 향상되며, 기존의 CNG 엔진 시스템 보다 콤팩트하게 구성 가능하므로 엔진 레이아웃 자유도가 높아 장착 위치의 선정이 용이한 효과가 있다.
또한, 기존의 CNG 엔진 시스템을 구성하는 각각의 부품들을 장착하기 위한 개별 브라켓과 각각의 부품간 연료 이송을 위한 가스 호스를 삭제하여 공수 및 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 가스 호스를 제거함으로써 데드 볼륨(dead-volume)을 최소화시켜 연료 소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 CNG 엔진 시스템의 개략도.
도 2는 일반적인 CNG 엔진 시스템의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 수직방향 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 연료 흐름도.
도 7은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 길이방향 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 믹싱 플레이트의 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 연료 분사 홀의 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부와 차단 밸브의 조립도.
도 11은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부와 인젝터와 스로틀바디부의 조립도.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 CNG 엔진 시스템에 관한 발명으로, 압축 천연가스(Compressed Natural Gas, CNG)를 연료로 하는 차량에 있어서, 각 차종 별로 상이한 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발하기 위한 발명이다.
도 3은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 사시도를 도시하고 있고, 도 4는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 사시도를 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 수직방향 단면도를 도시하고 있고, 도 6은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 연료 흐름도를 도시하고 있으며, 도 7은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부의 길이방향 단면도를 도시하고 있으며, 도 8은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 믹싱 플레이트의 사시도를 도시하고 있고, 도 9는 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 연료 분사 홀의 단면도를 도시하고 있으며, 도 10은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부와 차단 밸브의 조립도를 도시하고 있고, 도 11은 본 발명에 따른 CNG 엔진 시스템의 블록부와 인젝터와 스로틀바디부의 조립도를 도시하고 있다.
본 발명의 CNG 엔진 시스템은 종래의 CNG 엔진 시스템에서 연소실에 연료를 공급하기 위해 구성되었던 차단 밸브(8), 연료 조절 밸브(Fuel Metering Valve, FMV) (4), 스로틀바디(14), 믹서(mixer) (12) 등의 부품을 하나의 구성품으로 단일화하여 구성한 것으로, 연료와 흡입공기가 혼합되는 원통형의 혼합부(22)가 형성된 블록부(20)와 상기 혼합부(22)의 유입구(24) 전단에 볼트 결합되는 스로틀바디부(44)와 상기 혼합부(22) 상단에 형성된 인젝터 조립부(28)의 인젝터 홀(30)에 끼워지며 상기 인젝터 조립부(28)와 볼트 결합되는 인젝터(48)와 상기 블록부(20)의 옆면에 볼트 결합되는 차단 밸브(42)가 일체로 구성된다.
상기 스로틀바디부(44)는 상기 블록부(20)와의 탈장착을 용이하게 하기 위해 블록가공 및 설계되었으며, 엔진의 용량에 따라 모든 사양의 스로틀바디를 장착할 수 있도록 상기 혼합부(22)를 가공하게 된다.
상기 차단 밸브(42) 또한 상기 블록부(20)와의 탈장착을 용이하게 하기 위해 블록 가공 및 설계되었으며, 상기 블록부(20)의 유입구(24) 측에 장착되어 연료 공급 압력 및 연료 온도를 모니터링 하게 된다.
상기 블록부(20)의 하단에는 원통형의 상기 혼합부(22)가 형성되고 상단에는 인젝터 조립부(28)가 형성되며, 상기 인젝터 조립부(28)에는 상기 인젝터(48)를 끼울 수 있는 상기 인젝터 홀(30)이 형성된다. 상기 인젝터 홀(30)의 개수는 인젝터(48)의 개수의 따라 달라지게 된다.
상기 혼합부(22)의 내부에는 상기 혼합부(22)의 내경 보다 작은 외경을 갖는 원통형의 믹서 링(32)이 삽입된다. 상기 믹서 링(32)의 외주면 양 끝단은 상기 혼합부(22)의 내주면과 고정되며, 상기 믹서 링(32)의 축방향 길이는 상기 혼합부(22)의 축방향 길이와 같도록 형성된다.
상기 믹서 링(32)에는 연료 챔버(34)가 형성된 부분의 외주면과 내주면을 관통하는 연료 분사 홀(38)이 형성된다.
상기 연료 분사 홀(38)은 상기 혼합부(22)의 유출구(26) 보다 유입구(24)에 가까운 위치에 형성되는데, 이는 상기 연료 분사 홀(38)을 통해 유입된 연료와 상기 유입구(24)에서 유입된 흡입공기가 처음으로 믹싱(mixing) 되는 위치에서부터 상기 혼합부(22)의 유출구(26)까지의 거리를 최대한 길게 함으로써 연료와 흡입공기의 믹싱이 최대한 오랜 시간 동안 진행되도록 하기 위함이다.
상기 연료 분사 홀(38)은 상기 믹서 링(32)의 원주방향으로 일정 각도 이격되어 다수 개 형성되며, 이는 상기 인젝터(48)에서 분사된 연료가 상기 연료 분사 홀(38)을 통해 상기 혼합부(22) 내부로 유입될 때 상기 혼합부(22)의 유입구(24) 측에서 유입되는 흡입공기와 효율적으로 믹싱 될 수 있도록 하기 위한 구성이다.
상기 연료 분사 홀(38)은 도 9에 도시된 바와 같이 상기 믹서 링(32)의 양 끝 단을 가로지르는 중심축과 수직하도록 형성되지 않으며 흡입공기가 유입되는 방향에서 유출되는 방향을 향하여 일정 각도 기울어지도록 형성된다.
또한, 상기 믹서 링(32)에 형성되는 상기 연료 분사 홀(38)의 내주면은 스크류(screw) 타입(52)으로 가공되는 것으로, 상기 스크류 타입(52)의 나사산 중 상기 믹서 링(32)의 내주면에서 가장 가깝게 형성된 나사산은 상기 흡입공기가 유입되는 방향에서 유출되는 방향을 향하여 돌출되도록 형성된다.
상기와 같은 구성은 상기 연료 분사 홀(38)을 통한 연료의 분사 방향을 상기 혼합부(22)의 유입구(24)를 통해 유입되는 흡입공기의 흐름 방향과 동일하게 해줌으로써 연료의 저항을 최대한 줄여 연료와 흡입공기와의 믹싱 효과를 증대시킬 수 있도록 하기 위함이다.
연료와 흡입공기를 더욱 효율적으로 믹싱하기 위해 상기 연료 분사 홀(38)은 연료 분사 파이프(36)에도 형성된다. 상기 연료 분사 파이프(36)는 상기 믹서 링(32)의 내부에 형성되는 것으로, 상기 믹서 링(32)의 상하를 반으로 가로지르는 높이에 구성된다.
상기 연료 분사 파이프(36)는 상기 믹서 링(32)의 연료 분사 홀(38)이 형성되는 위치에 형성되어, 상기 연료 분사 파이프(36)의 양 끝이 상기 믹서 링(32)에 형성된 상기 연료 분사 홀(38) 중 어느 하나와 연통되도록 구성된다.
상기 연료 분사 파이프(36)의 내주면과 외주면을 관통하여 형성되는 연료 분사 홀(38)은 상기 연료 분사 파이프(36)의 상방향과 하방향에 각각 다수 개 형성된다.
상방향에 형성된 상기 연료 분사 홀(38)과 하방향에 형성된 상기 연료 분사 홀(38)은 서로 180도 간격으로 형성되며, 상기 연료 분사 파이프(36)의 길이 방향으로 일직선이 되도록 형성된다.
또한, 상기 연료 분사 파이프(36)는 도 5에 도시된 바와 같이 하나만 구성될 수도 있지만, 도 6에 도시된 바와 같이 두 개의 연료 분사 파이프(36)가 교차되어 구성될 수도 있다.
상기 믹서 링(32)의 양 끝단이 상기 혼합부(22)와 고정되면서 상기 믹서 링(32) 양 끝단 사이의 외경부와 상기 혼합부(22)의 내경부 사이에는 좁은 틈이 생기게 되는데, 상기 틈은 연료가 이동하는 연료 챔버(34)의 역할을 하게 된다.
상기 인젝터(48)의 개수는 엔진의 용량에 따라 조정되는 것으로, 다수 개의 상기 인젝터(48)가 상기 혼합부(22)의 길이방향으로 일직선이 되도록 구성될 수 있다.
따라서 어느 하나의 상기 인젝터(48)는 상기 혼합부(22)의 유출구(26) 보다 유입구(24)에서 가까운 위치에 구성될 수 있지만 다른 하나의 인젝터(48)는 상기 혼합부(22)의 유입구(24) 보다 유출구(26)에서 가까운 위치에 구성될 수 있으므로 상기 혼합부(22)의 유입구(24) 보다 유출구(26)에서 가까운 위치에 구성된 상기 인젝터(48)에서 분사된 연료가 상기 믹서 링(32)에서 상기 연료 분사 홀(38)이 형성된 위치까지 이동할 수 있어야 한다.
상기 연료 챔버(34)는 이러한 연료의 이동을 위한 것으로 도 6에 도시된 바와 같이 상기 인젝터(48)에서 분사된 연료는 상기 연료 챔버(34)에서 이동 및 저장되어 상기 믹서 링(32)에 형성된 상기 연료 분사 홀(38)과 상기 연료 분사 파이프(36)에 형성된 상기 연료 분사 홀(38)을 통해 상기 혼합부(22) 내부로 유입된다.
상기 인젝터(48)에서의 분사 압력 만으로 상기 연료 분사 파이프(36)에 형성된 상기 연료 분사 홀(38)에서도 연료 분사가 가능해 진다.
상기 믹서 링(32)의 내부에는 도 8에 도시된 바와 같이 나선형으로 비틀린 판형태의 믹싱 플레이트(40)가 구성된다.
상기 믹싱 플레이트(40)는 상기 연료 분사 파이프(36)와 상기 혼합부(22)의 유출구(26) 사이에 위치하는 것으로, 상기 믹싱 플레이트(40)가 회전하면서 상기 연료 분사 홀(38)을 통해 유입되는 연료와 상기 혼합부(22)의 유입구(24)에서 유입되는 흡입공기를 혼합시키게 된다.
상기 믹싱 플레이트(40)의 형상으로 인해 연료와 흡입공기의 흐름 저항을 최소화 시킬 수 있으며, 따라서 연료와 흡입공기의 믹싱 효과도 증대된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 CNG 엔진 시스템은 기존에 각 차종별로 상이했던 연료 라인을 단일화하여 통합 연료 공급 장치 모듈을 개발함으로써 구성 부품의 수량이 감소하여 정비성이 향상될 수 있으며, 기존의 CNG 엔진 시스템 보다 콤팩트하게 구성 가능하므로 엔진 레이아웃 자유도가 높아 장착 위치의 선정이 용이해진다.
또한, 기존의 CNG 엔진 시스템을 구성하는 각각의 부품들을 장착하기 위한 개별 브라켓과 각각의 부품간 연료 이송을 위한 가스 호스(16)를 삭제하여 공수 및 원가를 절감할 수 있으며, 기존의 가스 호스(16)를 제거함으로써 데드 볼륨(dead-volume)을 최소화시켜 연료 소비를 줄일 수 있게 된다.
이상에서 설명된 본 발명의 CNG 엔진 시스템의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
2 : 종래의 연료 탱크
4 : 종래의 가스 압력 조절 밸브
6 : 종래의 열교환기
8 : 종래의 차단 밸브
10 : 종래의 연료 조절 밸브(FMV)
12 : 종래의 믹서(Mixer)
14 : 종래의 스로틀바디
16 : 종래의 가스 호스
20 : 블록부
22 : 혼합부
24 : 유입구
26 : 유출구
28 : 인젝터 조립부
30 : 인젝터 홀
32 : 믹서 링
34 : 연료 챔버
36 : 연료 분사 파이프
38 : 연료 분사 홀
40 : 믹싱 플레이트
42 : 차단 밸브
44 : 스로틀바디부
46 : 스로틀밸브
48 : 인젝터
50 : 볼트
52 : 스크류(screw) 타입

Claims (17)

  1. 차량의 엔진 시스템에 있어서,
    연료와 흡입공기가 혼합되는 원통형의 혼합부가 형성된 블록부;
    상기 혼합부의 유입구 전단에 결합되는 스로틀바디부;
    상기 혼합부 상단에 형성된 인젝터 홀에 끼워지는 인젝터;
    상기 블록부의 옆면에 결합되는 차단 밸브;가 일체로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합부의 내부에는 상기 혼합부의 내경 보다 작은 외경을 갖는 원통형의 믹서 링이 삽입되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합부와 상기 믹서 링 사이에는 연료가 이동하는 연료 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 믹서 링에는 믹서 링의 내주면과 외주면을 관통하는 연료 분사 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 믹서 링에 형성되는 상기 연료 분사 홀은 상기 믹서 링의 원주방향으로 일정 각도 이격되어 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 분사 홀은, 상기 연료 분사 홀의 중심축이 흡입공기가 유입되는 방향에서 유출되는 방향을 향하여 일정 각도 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 믹서 링에 형성되는 상기 연료 분사 홀의 내주면은 스크류(screw) 타입으로 가공되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 분사 홀 내주면에 형성된 상기 스크류 타입의 나사산 중 상기 믹서 링의 내주면에서 가장 가깝게 형성된 나사산은 상기 흡입공기가 유입되는 방향에서 유출되는 방향을 향하여 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 믹서 링의 내부에서 상기 믹서 링의 상하를 반으로 가로지르는 높이에는 원통형의 연료 분사 파이프가 구성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료 분사 파이프의 양 끝은 상기 믹서 링에 형성된 상기 연료 분사 홀 중 어느 하나와 연통되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료 분사 파이프의 상하 방향에는 상기 연료 분사 파이프의 내주면과 외주면을 관통하는 연료 분사 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료 분사 파이프에 형성되는 상기 연료 분사 홀은 상기 연료 분사 파이프의 길이 방향으로 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료 분사 홀은 상기 혼합부의 유출구 보다 유입구에 가까운 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 믹서 링의 내부에는 나선형으로 비틀린 판형태의 믹싱 플레이트가 구성되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 믹싱 플레이트가 회전하면서 연료과 흡입공기를 혼합시키는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 믹싱 플레이트는 상기 연료 분사 파이프와 상기 혼합부의 유출구 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터의 개수는 엔진 용량에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 CNG 엔진 시스템.

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