KR20200126475A - 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 바디 내부에 마련된 감압부에서 감압된 연료를 배출하는 배출구측에 결합되고 상기 배출구를 개방 또는 폐쇄하여 출구 압력을 조절하는 제1 밸브 및 연료탱크에 공급되는 연료가 상기 바디 내부로 유입되는 유입구측에 결합되고 상기 유입구를 개방 또는 폐쇄하는 제2 밸브를 포함하는 구성을 마련하여, 고압 레귤레이터의 출구단에 비례제어 밸브를 적용하고, 목표 압력과 실제 감지된 연료의 압력에 따른 피드백 제어와, 연료의 온도에 따른 가상의 목표 압력을 설정하는 피드포워드 제어를 통해 연료의 압력을 정밀하게 가변 제어할 수 있다.

Description

고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법{HIGH-PRESSURE REGULATOR, PRESSURE CONTROL APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 연료전지 차량에 적용되어 고압의 수소를 미리 설정된 출구압력으로 감압하는 고압 레귤레이 및 그를 이용한 압력 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 스택에서 산소와 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생해서 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시켜 동력원으로 사용한다.
이러한 수소 연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이상적인 기술로서, 현재 많은 개발 시도가 진행되고 있다.
수소 연료전지 차량은 연료탱크에서 고압 레귤레이터와 저압 레귤레이터를 경유해서 스택으로 수소연료를 공급하고, 수소 블로워는 저압 레귤레이터에 연결된 펌프 및 각종 밸브를 포함한다.
이와 함께, 수소 연료전지 차량은 급속해빙 물탱크, 전동물펌프, 써모스탯, 스택 냉각용 라디에이터, 에어컨 컨덴서, 전동식 냉매압축기, 물탱크, 가습기, 구동모터, 각종 제어기, 공기블로워 및 공기필터 등을 더 포함한다.
수소 연료전지 차량의 연료공급계통은 일반 가솔린 또는 디젤 차량의 엔진에 해당하는 것으로, 차량의 전측 상부에 위치한다.
예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 내지 특허문헌 4 등 다수에 수소 연료전지 차량의 연료 공급계통과 레귤레이터 및 그의 제어 기술을 개시하여 특허출원해서 등록받은 바 있다.
이와 같이, 수소연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터는 약 700bar의 고압 수소를 취급함에 따라, 안정적인 출구압력과 충분한 내압성, 내부기밀이 매우 중요하다.
대한민국 특허 대한민국 특허 등록번호 제10-1134645호(2012년 4월 9일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1134647호(2012년 4월 19일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0946204호(2010년 3월 8일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1072361호(2011년 10월 12일 공고)
한편, 고압 레귤레이터에는 오작동에 의한 과압 생성시 과압을 해소하는 과압 해소 밸브와 내부의 연료를 방출하는 연료 방출 밸브가 적용된다.
종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 가스 저장용기와 고압 연료 라인을 통해 연결되는데, 가스 저장용기를 차단시 고압 연료 라인에 고압의 연료가 과다하게 잔존하는 경우, 레귤레이터 내부의 고압 실링부에 고압의 압력이 직접적으로 형성된다.
그래서 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 고압 실링부에 미세 리크가 발생하는 경우, 출구단, 즉 배출 포트 측에 압력이 형성되면서 상승함으로 인해, 릴리프 밸브, 즉 과압 해소 밸브를 작동시켰다.
이로 인해, 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 수소 연료전지 차량의 시동 불량이 발생하거나, 외부로 누출된 가스의 폭발과 같은 안전사고를 유발하는 문제점이 있었다.
그리고 종래기술에 따른 고압 레귤레이터는 피스톤과 스프링의 탄성력에 제공받는 샤프트에 의한 기계적 방식으로 수소의 압력을 감압한 후 공급함에 따라, 불가피하게 출구압력의 편차가 크게 발생하여 출구압력을 정밀하게 제어하는데 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료탱크에서 스택으로 공급되는 수소의 압력을 미리 설정된 설정압력으로 감압하는 고압 레귤레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 감압부의 리크를 방지하고, 다양한 환경온도 및 부하에 따른 압력 변화에 기초해서 출구단의 압력을 정밀하게 제어할 수 있는 고압 레귤레이터의 압력 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터는 바디 내부에 마련된 감압부에서 감압된 연료를 배출하는 배출구측에 결합되고 상기 배출구를 개방 또는 폐쇄하여 출구 압력을 조절하는 제1 밸브 및 연료탱크에 공급되는 연료가 상기 바디 내부로 유입되는 유입구측에 결합되고 상기 유입구를 개방 또는 폐쇄하는 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터의 압력 제어장치는 고압 레귤레이터에서 감압된 연료의 출구 압력을 감지하는 압력감지센서, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 압력과 상기 압력감지센서에 의해 감지된 압력을 비교한 결과에 기초하여 상기 고압 레귤레이터의 배출구를 개폐하는 제1 밸브의 구동을 제어하고, 연료 탱크의 밸브 차단 여부에 기초해서 상기 고압 레귤레이터의 유입구를 개폐하는 제2 밸브의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터의 압력 제어방법은 (a) 고압 레귤레이터에서 유입구측에 결합된 제2 밸브를 개방 동작시켜 연료탱크에서 공급되는 고압의 연료를 감압하는 단계, (b) 압력감지센서와 온도감지센서를 이용해서 상기 배출구를 통해 배출되는 연료의 출구 압력 및 온도를 감지하는 단계, (c) 제어부에서 상기 (b)단계에서 감지된 연료의 출구온도가 미리 설정된 설정온도구간을 벗어나는 경우, 미리 저장된 온도 보상 로직을 적용하여 가상의 목표 압력을 설정하는 단계, (d) 통신모듈을 이용해서 차량의 메인 제어부와의 통신을 통해 목표 압력을 수신하는 단계 및 (e) 상기 제어부에서 상기 (c)단계에서 설정된 가상의 목표 압력 또는 상기 (d)단계에서 수신된 목표 압력과 감지된 출구 압력을 비교해서 상기 고압 레귤레이터의 배출구측에 결합된 제1 밸브의 구동을 제어해서 출구 압력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법에 의하면, 고압 레귤레이터의 출구단에 비례제어 밸브를 적용하고, 목표 압력과 실제 감지된 연료의 압력에 따른 피드백 제어와, 연료의 온도에 따른 가상의 목표 압력을 설정하는 피드포워드 제어를 통해 연료의 압력을 정밀하게 가변 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 고압 레귤레이터의 출구 압력을 최적화하고, 압력 편차의 발생을 억제할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 고압 레귤레이터의 입구단에 고압차단 밸브를 적용해서 연료탱크의 밸브가 차단되면 고압차단 밸브를 폐쇄 동작시켜 고압 연료 라인에 고압의 연료가 과다하게 잔존하는 경우에도 레귤레이터 내부의 고압 실링부에 고압의 압력이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 고압 실링부에 미세 리크가 발생하더라도 출구단측의 압력 상승을 방지함으로써, 출구단측 압력 상승으로 인해 과압 해소 밸브가 작동되는 문제점을 해소할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 A-A'선에 대한 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 B-B'선에 대한 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터를 이용한 압력 제어장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 압력 제어장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A'선에 대한 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 B-B'선에 대한 단면도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
그리고 본 실시 예에서는 수소 연료전지 차량에 적용되는 고압 레귤레이터를 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엘피지 연료나 천연압축가스 연료 등 다양한 종류의 고압가스 연료를 감압해서 엔진 측으로 공급하는 고압 레귤레이터에도 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고압의 연료가 유입되는 유입구(21)와 감압된 연료를 배출하는 배출구(22)가 각각 형성되고 내부에 고압의 연료를 미리 설정된 압력으로 감압하는 감압실(23)이 형성되는 바디(20), 바디(20)의 상부에 결합되는 상부 커버(30) 및 감압실(23) 내부에 설치되고 고압의 연료를 오리피스(44)를 통해 이동시켜 감압하는 감압부(40)를 포함한다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터(10)는 바디(20)의 일측에 결합되고 제어부(120)의 제어신호에 따라 배출구(22)를 개방 또는 폐쇄하여 출구 압력을 조절하는 제1 밸브(50) 및 바디(20)의 타측에 결합되고 제어부(120)의 제어신호에 따라 유입구(21)를 개방 또는 폐쇄하여 고압 연료 라인에 잔존하는 연료 압력에 의한 압력 형성을 차단하는 제2 밸브(60)를 더 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터(10)는 바디(20)의 하부에 결합되고 배출구(22)를 통해 배출되는 연료의 압력이 미리 설정된 한계 압력을 초과하는 과압 상태의 연료를 배출하는 안전밸브(70)를 더 포함할 수 있다.
바디(20)는 대략 육면체 형상이나 원통 형상으로 형성되고, 바디(20)의 내부에는 감압실(23)이 형성될 수 있다.
바디(20)의 하면에는 유입구(21)가 형성되고, 바디(20)의 일측면, 도 1에서 보았을 때 우측면에는 배출구(22)가 형성되며, 유입구(21)와 배출구(22)에는 각각 조립시 작업성을 향상시키기 위해, 모듈화된 입구포트(24)와 출구포트(25)가 결합될 수 있다.
바디(20) 내부에는 유입구(21)를 통해 유입되는 연료를 감압실(23)로 전달하는 제1 유로(27)와 감압실(23)에서 감압된 연료를 배출구(22)로 전달하는 제2 유로(28)가 형성될 수 있다.
제1 유로(27)와 제2 유로(28)는 각각 서로 동일 수직면 상에 배치되고, 바디(20)의 양측에는 제1 유로(27)와 제2 유로(28)를 개방 또는 폐쇄 가능하도록, 제2 밸브(60)와 제1 밸브(50)가 설치될 수 있다.
그리고 바디(20)의 하단부에는 안전밸브(70)가 결합되는 밸브포트(26)가 마련될 수 있다.
밸브포트(26)는 제2 유로(28)의 하단에서 연장되는 제3 유로(29)와 연결되고, 밸브포트(26) 내부에는 안전밸브(70)의 상단부가 삽입될 수 있다.
한편, 바디(20)의 전면에는 아래에서 설명할 고압 레귤레이터(10)의 압력 제어장치(100)에 마련되는 제어부(120)가 모듈화되어 설치될 수 있다.
상부 커버(30)는 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 상부 커버(30) 내부에는 아래에서 설명할 감압부(40)의 피스톤(45)과 피스톤(45)에 복원력을 제공하는 상부 스프링(46)이 설치될 수 있다.
이러한 상부 커버(30)의 일측에는 샤프트(41)가 원활하게 승강 동작할 수 있도록 공기를 흡입 또는 배출하는 통기공(도면 미도시)이 형성되고, 상기 통기공에는 외부 공기가 유입되는 과정에서 수분이나 유분, 먼지와 같은 이물질이 유입되는 것을 차단하는 필터(도면 미도시)가 설치될 수 있다.
이와 함께, 상부 커버(30)의 상단에는 아래에서 설명한 감압부(40)에 적용되는 상부 스프링(46)의 장력을 조절하는 장력 조절 수단(도면 미도시)이 체결될 수 있다.
감압부(40)는 감압실(23) 내부에 상하 방향을 따라 승강 가능하게 설치되는 샤프트(41), 중앙부에 각각 오리피스(42)가 형성되고 감압실(23)의 제2 설치공간(232)에 설치되는 감압 플레이트(43)와 감압 부재(44), 감압실(23) 내부로 공급되는 감압된 연료의 압력에 따라 승강 동작하는 피스톤(45) 및 피스톤(45)에 복원력을 제공하는 상부 스프링(46)을 포함할 수 있다.
샤프트(41)는 상하 방향을 따라 길게 연장 형성되고, 샤프트(41)의 중앙부는 오리피스(42)를 폐쇄하도록 상단부 및 하단부에 비해 큰 직경으로 형성될 수 있다.
샤프트(41)의 하부에는 샤프트(41)에 복원력을 제공하는 중간 스프링(47)이 설치될 수 있다.
감압 플레이트(43)는 감압실(23)의 단면에 대응되도록 원판 형상으로 형성되고, 감압 부재(44)는 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되며, 감압 플레이트(43)의 상부에 배치되고, 감압실(23) 내주면에 압입되어 고정될 수 있다.
감압 플레이트(43)와 감압 부재(44)의 중앙부에는 오리피스(42)가 형성될 수 있다.
샤프트(41)의 상단부는 감압 플레이트(43)와 감압 부재(44)의 오리피스(42)를 관통해서 피스톤(45)의 하면에 접촉되게 설치될 수 있다.
피스톤(45)은 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 오리피스(42)를 통과하면서 감압된 연료의 압력 변화에 따라 승강 동작하며, 샤프트(41)는 피스톤(45)의 승강 동작에 연동해서 승강 동작하여 오리피스(42)를 개방 또는 폐쇄한다.
피스톤(45)의 외주면에는 바디(20)의 내주면과 피스톤(45) 사이를 기밀하고 피스톤(45)의 승강 동작을 가이드하는 복수의 링이 설치될 수 있다.
제1 밸브(50)와 제2 밸브(60)는 각각 제2 유로(28)와 제1 유로(27)를 개방 또는 폐쇄하도록, 제어부(120)의 제어신호에 따라 개폐 동작하는 솔레노이드 밸브로 마련될 수 있다.
상세하게 설명하면, 제1 밸브(50)는 바디(20)에 결합되는 제1 몸체(51), 제1 몸체(51)의 일측에 결합되고 내부에 플런저(57)의 이동 공간이 마련되는 제1 슬리브(52) 및 제1 몸체(51)와 제1 슬리브(52)의 외측에 결합되고 바디(20)의 제2 유로(28) 상에 형성된 제1 오리피스(281)를 개폐하는 제1 솔레노이드(53)를 포함한다.
제1 몸체(51)는 양단이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 바디(20)의 일측에 마련되는 제1 설치공에 결합될 수 있다.
제1 슬리브(52)는 제1 몸체(51)와 제1 솔레노이드(53)의 코어(59) 사이에 결합되고, 플런저(57)의 직선 왕복 이동을 가이드하는 기능을 한다.
이러한 제1 슬리브(52)는 양측이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 제1 슬리브(52)의 내부에는 플런저(57)가 이동하는 이동 공간이 마련될 수 있다.
여기서, 제1 슬리브(52)의 내측단에는 제1 몸체(51)의 외주면에 형성된 안착 플랜지에 안착되도록 대략 링 형상의 플랜지가 형성될 수 있다.
제1 솔레노이드(53)는 제1 몸체(51)와 제1 슬리브(52)의 상부에 결합되는 케이스(54), 케이스(54)의 내부공간에 설치되고 외주면에 코일(55)이 설치되는 보빈(56), 제1 슬리브(52)의 내부에 배치되고 코일(55)에서 발생한 전자기력에 의해 직선 왕복 이동해서 바디(20)의 제1 오리피스(281)를 개폐하는 플런저(57), 플런저(57)에 복원력을 제공하는 스프링(58) 및 플런저(57)의 외측에 플런저(57)가 직선 왕복 이동하는 거리만큼 이격되어 설치되는 코어(59)를 포함할 수 있다.
케이스(54)는 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 케이스(54)의 일측에는 제어부(120)로부터 전송되는 제어신호 및 전원을 공급받는 커넥터가 마련될 수 있다.
이러한 케이스(54)는 원통 형상으로 형성되는 원통체와 원통체의 양측면을 차폐하는 제1 및 제2 원판부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 원판부재의 중앙부에는 코어(59)의 외측단에 형성되는 체결돌부가 관통 결합되는 관통공이 형성될 수 있다.
상기 제2 원판부재의 중앙부에는 제1 슬리브(52)가 결합되는 결합구가 형성되고, 제2 원판부재는 제1 슬리브(52)의 플랜지 외면에 안착될 수 있다.
코일(55)은 보빈(56)의 외주면에 다수 회 감겨 설치되고, 커넥터를 통해 전달되는 제어부(120)의 제어신호에 따라 전자기력을 발생한다.
플런저(57)는 코일(55)에 전원이 공급되어 전자기력이 발생하면, 플런저(57)와 코어(59) 사이에 삽입된 스프링(58)을 탄성 변형시키면서 외측으로 이동할 수 있다.
반면, 코일(55)에 공급되는 전원이 차단되면 전자기력이 제거됨에 따라, 플런저(57)는 스프링(58)의 복원력 및 유입구(21)를 통해 유입된 가스 연료의 압력에 의해 내측으로 이동해서 본래 위치로 복귀할 수 있다.
물론, 플런저(57)는 코일(55)이 감기는 방향 또는 코일(55)에 인가되는 전류의 방향에 따라 반대로 직선 왕복 이동할 수 있다.
플런저(57)의 내측단에는 바디(20)에 형성된 제1 오리피스(281)를 개폐하는 밸브체가 마련될 수 있다.
상기 밸브체는 플런저(57)가 바디(20)를 향해 내측으로 이동하면 플런저(57)와 함께 이동해서 제1 오리피스(281)를 폐쇄하고, 플런저(57)가 바디(20)의 외측으로 이동하면 제1 오리피스(281)를 개방한다.
제2 밸브(60)는 바디(20)에 결합되는 제2 몸체(61), 제2 몸체(62)의 외측에 결합되고 내부에 플런저(67)의 이동 공간이 마련되는 제2 슬리브(62) 및 제2 몸체(61)와 제2 슬리브(62)의 외측에 결합되고 제2 몸체(61)에 형성된 제2 오리피스(611)를 개폐하는 제2 솔레노이드(63)를 포함한다.
제2 몸체(61)는 밸브포트(26)와 동일하게 일측이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 바디(20)의 일측에 마련되는 제2 설치공에 결합될 수 있다.
바디(20)에 결합되는 제2 몸체(61)의 일측단에는 바디(20)를 향해 결합돌부가 돌출 형성되고, 상기 결합돌부에는 유입구(21) 및 제1 유로를 통해 제2 몸체(61) 내부로 유입된 연료를 감압실(23) 측으로 전달하는 유로 상에 제2 오리피스(611)가 마련될 수 있다.
제2 슬리브(62)는 제2 몸체(61)와 제2 솔레노이드(63)의 코어(69) 사이에 결합되고, 플런저(67)의 직선 왕복 이동을 가이드하는 기능을 한다.
이러한 제2 슬리브(62)는 양측이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 제2 슬리브(62)의 내부에는 플런저(67)가 이동하는 이동 공간이 마련될 수 있다.
여기서, 제2 슬리브(62)의 외측단에는 제2 몸체(61)의 외주면에 형성된 안착 플랜지에 안착되도록 대략 링 형상의 플랜지가 형성될 수 있다.
제2 솔레노이드(63)는 제2 몸체(61)와 제2 슬리브(62)의 외측에 결합되는 케이스(64), 케이스(64)의 내부공간에 설치되고 외주면에 코일(65)이 설치되는 보빈(66), 제2 슬리브(62)의 내부에 배치되고 코일(65)에서 발생한 전자기력에 의해 직선 왕복 이동해서 제2 몸체(61)의 제2 오리피스(611)를 개폐하는 플런저(67), 플런저(67)에 복원력을 제공하는 스프링(68) 및 플런저(67)의 외측에 플런저(67)가 직선 왕복 이동하는 거리만큼 이격되어 설치되는 코어(69)를 포함할 수 있다.
케이스(64)는 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 케이스(64)의 상단부에는 제어부(120)로부터 전송되는 제어신호 및 전원을 공급받는 커넥터가 마련될 수 있다.
이러한 케이스(64)는 원통 형상으로 형성되는 원통체와 원통체의 양측면을 차폐하는 제1 및 제2 원판부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 원판부재의 중앙부에는 코어(69)의 외면에 형성되는 체결돌부가 관통 결합되는 관통공이 형성될 수 있다.
상기 제2 원판부재의 중앙부에는 제2 슬리브(62)가 결합되는 결합구가 형성되고, 제2 원판부재는 제2 슬리브(62)의 플랜지 외면에 안착될 수 있다.
코일(65)은 보빈(66)의 외주면에 다수 회 감겨 설치되고, 상기 커넥터를 통해 전달되는 제어부(120)의 제어신호에 따라 전자기력을 발생한다.
플런저(67)는 코일(65)에 전원이 공급되어 전자기력이 발생하면, 플런저(67) 에 형성된 삽입홈에 삽입된 스프링(68)을 탄성 변형시키면서 외측으로 이동한다.
반면, 코일(65)에 공급되는 전원이 차단되면 전자기력이 제거됨에 따라, 플런저(67)는 스프링(68)의 복원력 및 제2 슬리브(62)에 형성된 유입공을 통해 제2 슬리브(62) 내부로 유입된 연료의 압력에 의해 바디(20)를 향해 내측으로 이동해서 본래 위치로 복귀한다.
물론, 플런저(67)는 코일(65)이 감기는 방향 또는 코일(65)에 인가되는 전류의 방향에 따라 반대로 직선 왕복 이동할 수 있다.
플런저(67)의 내측단에는 제2 몸체(61)에 형성된 제2 오리피스(611)를 개폐하는 밸브체가 마련될 수 있다.
상기 밸브체는 플런저(67)가 바디(20) 측으로 이동하면 플런저(67)와 함께 이동해서 제2 오리피스(611)를 폐쇄하고, 플런저(67)가 외측 방향으로 이동하면 제2 오리피스(611)를 개방한다.
그래서 본 발명은 연료 탱크가 차단되면, 제어부의 제어신호에 따라 제2 밸브를 폐쇄 동작시켜 제1 유로를 차단한다.
따라서 본 발명은 고압 연료 라인에 고압의 연료가 과다하게 잔존하는 경우에도 레귤레이터 내부의 고압 실링부에 고압의 압력이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 고압 실링부에 미세 리크가 발생하더라도 출구단측의 압력 상승을 방지함으로써, 출구단측 압력 상승으로 인해 과압 해소 밸브가 작동되는 문제점을 해소할 수 있다.
안전밸브(70)는 고압 레귤레이터(10) 내부에서 이상 과압 발생시 연료를 방출시켜 과압을 해소하는 하는 릴리프 밸브와 작업자의 수작업에 의해 바디(20)로부터 분리되어 고압 레귤레이터(10) 내부의 연료를 방출하는 퍼지 밸브 기능을 통합적으로 제공한다.
이를 위해, 안전밸브(70)는 바디(20)의 밸브포트(26)에 결합되는 가이드 몸체(71), 가이드 몸체(71)의 상단부에 결합되고 밸브포트(26)를 폐쇄한 상태에서 과압 발생시 밸브포트(26)를 개방하는 밸브체(72), 밸브체(72)의 내부에 설치되고 밸브체(72)에 탄성력을 제공하는 하부 스프링(73) 및 가이드 몸체(71)의 하부에 결합되고 밸브체(72)의 개방 동작시 연료를 방출하는 방출배관(74)을 포함할 수 있다.
가이드 몸체(71)는 상면과 하면이 개구된 원통 형상으로 형성되고, 가이드 몸체(71)의 상단부는 하단부의 직경에 비해 작은 직경으로 형성되어 밸브포트(26) 내부에 결합될 수 있다.
밸브체(72)는 하면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 밸브체(72)의 상단부에는 밸브포트(26)의 내부 공간과 연결되는 제3 유로(29)를 폐쇄하는 몰딩시트(75)가 설치될 수 있다.
이러한 밸브체(72)의 측면에는 밸브포트(26)로 방출된 연료가 내부로 유입되도록 하나 이상의 유입공(76)이 형성될 수 있다.
하부 스프링(73)은 밸브체(72)의 내부에 배치되고, 하부 스프링(72)의 하단은 가이드 몸체(71)에 결합된 방출배관(74)의 상단에 지지될 수 있다.
그래서 밸브체(72)는 하부 스프링(73)의 탄성력에 의해 제3 유로(29)를 폐쇄한 상태에서 제3 유로(29)를 통해 전달되는 연료의 압력이 미리 설정된 압력을 초과하는 과압 상태이면, 하부 스프링(73)의 길이가 감소하도록 탄성 변형시키면서 하강하여 제3 유로(29)를 개방한다.
이와 같이, 본 발명은 안전 밸브를 이용해서 과압 상태의 연료를 방출배관을 통해 배출시켜 과압 상태의 연료가 스택으로 공급되는 것을 방지해서 안전성을 향상시킬 수 있다.
방출배관(74)의 상단부 외주면에는 가이드 몸체(71)의 내주면에 대응되도록 외측을 향해 돌출 형성되는 환형리브가 형성되고, 방출배관(74)의 중앙부는 상단부에 비해 큰 직경으로 형성될 수 있다.
상기 환형리브에는 가이드 몸체(71)의 내주면과 방출배관(74) 사이를 기밀하는 오링이 설치될 수 있다.
다음, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터를 이용한 압력 제어장치 구성을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터를 이용한 압력 제어장치의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고알 레귤레이터를 이용한 압력 제어장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 고압 레귤레이터(10)에서 감압된 연료의 압력을 감지하는 압력감지센서(110), 차량의 메인 제어부(101)로부터 수신된 목표 압력과 압력감지센서(110)에 의해 감지된 압력을 비교한 결과에 기초하여 제1 밸브(50)의 구동을 제어하고, 연료 탱크의 밸브 차단 여부에 기초해서 제2 밸브(60)의 구동을 제어하는 제어부(120)를 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터를 이용한 압력 제어장치(100)는 고압 레귤레이터(10)에서 배출되는 연료의 온도를 감지하는 온도감지센서(111)를 더 포함하고, 제어부(120)는 온도감지센서(111)에서 감지된 온도가 미리 설정된 설정온도 구간에 대응되는 경우, 메모리(도면 미도시)에 저장된 온도 보상 로직에 따라 가상의 목표 압력을 설정하고, 설정된 가상의 목표 압력에 따라 고압 레귤레이터(10)에서 배출되는 연료의 압력을 조절하도록 제1 밸브(50)의 구동을 비례 제어할 수 있다.
압력감지센서(110)와 온도감지센서(111)는 각각 고압 레귤레이터(10)의 출구포트(25)와 스택을 연결하는 연료 공급 라인 상에 설치되고, 고압 레귤레이터(10)에서 감압된 연료의 압력과 온도를 감지할 수 있다.
여기서, 제1 밸브(50)와 제2 밸브(60)는 각각 전원 공급부(도면 미도시)에서 EMC(Electro Magnetic Compatibilit) 필터(112)를 거쳐 구동전원을 공급받고, EMC 필터(112)와 제1 및 제2 밸브(50,60) 사이에는 제1 및 제2 밸브(50,60)에 공급되는 구동전원의 전압을 감지하는 전압감지센서(113)가 마련될 수 있다.
그리고 제1 밸브(50)에는 제1 밸브(50) 구동시 소모되는 전류를 감지하는 전류감지센서(114)가 마련될 수 있다.
그래서 상기한 각 센서들은 감지된 결과에 따라 감지신호를 발생하고, 제어부(120)는 각 센서에서 발생한 감지신호를 전달받는다.
또한, 제1 및 제2 밸브(50,60)와 기저전위라인(GND) 사이에는 제어부(120)의 제어신호에 따라 상기 구동전원을 공급 또는 차단하도록 스위칭 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자(115,116)가 각각 마련될 수 있다.
제1 및 제2 스위칭 소자(115,116)는 각각 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)와 같이 PWM 신호 형태의 제어신호에 따라 구동전원을 스위칭 동작하는 다양한 종류의 스위칭 소자로 마련될 수 있다.
제어부(120)는 차량의 메인 제어부(101)와 통신 가능하게 연결되는 통신모듈, 예컨대 CAN 통신 방식으로 통신하는 CAN 트랜시버(121)를 통해 목표 압력을 수신하고, 수신된 목표 압력에 따라 연료의 압력을 감압하도록 제1 밸브(50)의 구동을 제어한다.
그리고 제어부(120)는 메인 제어부와의 통신을 통해 연료 탱크의 밸브 차단 여부를 검사하고, 상기 밸브가 차단되면 제2 밸브(60)를 폐쇄하도록 제어신호를 발생할 수 있다.
이를 위해, 제어부(120)는 메인 제어부(101)로부터 수신된 목표 압력과 압력 감지센서(110)에서 감지된 출구압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 지령 전류를 생성하는 압력 컨트롤러(121) 및 생성된 지령 전류의 전류값과 전류감지센서(114)에서 감지되는 제1 밸브(50) 제어시 소모 전류값을 비교하여 지령 전압을 생성하는 전류 컨트롤러(122)를 포함할 수 있다.
전류 컨트롤러(122)는 생성된 지령 전압에 대응되는 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생해서 제1 밸브(50)를 피드백(feedback) 제어한다.
상기 설정온도구간은 연료의 온도에 따른 연료의 유량 변화를 무시할 수 있는 정상 온도 범위로 설정될 수 있다.
즉, 연료의 온도가 약 -40℃보다 낮은 경우, 연료의 압력이 저하되고, 스택에 공급되는 연료의 유량이 설정된 유량에 비해 증가한다.
반면, 연료의 온도가 약 85℃보다 높은 경우에는 연료의 압력이 상승하고, 스택에 공급되는 연료의 유량이 설정된 유량에 비해 감소한다.
따라서 피드포워드 컨트롤러(123)는 연료의 온도에 따른 영향이 적은 약 -40℃ 내지 85℃의 온도 범위를 설정온도구간으로 설정하고, 상기 설정온도구간을 벗어나면, 실험치에 따라 연료의 온도별로 매칭시킨 가상의 목표 압력을 설정해서 연료의 압력 및 유량을 조절하도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(120)의 메모리에는 고압 레귤레이터(10)에서 배출되는 연료의 온도가 설정온도구간을 벗어나는 경우, 감지된 온도별로 가상의 목표 압력이 매칭된 테이블이 저장되고, 피드포워드 컨트롤러(123)는 저장된 상기 테이블에 따라 가상의 목표 압력을 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 메인 제어부로부터 수신되는 목표 압력과 실제 압력에 따라 제1 밸브를 피드백 제어하고, 연료의 온도에 따른 가상의 목표 압력을 설정하여 제1 밸브를 피드포워드 제어한다.
따라서 본 발명은 제1 밸브의 피드백 및 피드포워드 제어를 통해 연료의 압력을 가변하여 정밀하게 제어함으로써, 레귤레이터의 출구 압력을 최적화하고, 압력 편차의 발생을 억제할 수 있다.
다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 압력 제어장치의 제어방법을 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 레귤레이터의 압력 제어장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 5의 S10단계에서 이그니션 키 또는 스타트 버튼이 온 조작, 제어부(120)는 전원공급부로부터 전원을 공급받아 구동을 시작한다.
S12단계에서 제어부(120)는 엔진 시동 초기에 연료 탱크로부터 공급되는 고압의 가스 연료를 미리 설정된 압력으로 감압해서 스택으로 공급하도록 제1 및 제2 밸브(50,60)를 구동한다.
즉, 제2 밸브(60)는 제어부(120)의 제어신호에 따라 연료탱크에서 공급되는 연료를 고압 레귤레이터(10)에 유입시키도록 개방 동작하고, 제1 밸브(50)는 감압부(40)에 의해 연료의 압력이 감압되면 개방 동작해서 감압된 연료를 스택으로 공급한다.
S14단계에서 온도감지센서(111)와 압력감지센서(110)는 각각 고압 레귤레이터(10)에서 배출되는 연료의 출구 온도 및 압력을 감지하고, 감지된 온도 및 압력에 대응되는 감지신호는 제어부(120)로 전달된다.
S16단계에서 제어부(120)에 마련된 피드포워드 컨트롤러(123)는 온도감지센서(111)에서 감지된 연료의 온도가 정상 온도 범위로 설정된 설정온도구간에 해당하는지를 검사한다.
만약, S16단계의 검사결과 감지된 연료의 온도가 상기 설정온도구간을 벗어난 경우, 피드포워드 컨트롤러(123)는 온도 보상 로직을 적용해서 메모리에 저장된 테이블을 이용해서 가상의 목표 압력을 설정한다(S18).
반면, S16단계의 검사결과 감지된 연료의 온도가 상기 설정온도구간에 대응되면, 제어부(120)는 CAN 트랜시버(117)를 통해 차량의 메인 제어부(101)로부터 목표 압력을 수신한다.
그러면, 제어부(120)에 마련된 압력 컨트롤러(121)는 메인 제어부(101)로부터 수신된 목표 압력 또는 S18단계에서 설정된 가상의 목표압력을 압력 감지센서(110)에서 감지된 출구압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 지령 전류를 생성하고, 전류 컨트롤러(122)는 생성된 지령 전류의 전류값과 전류감지센서(114)에서 감지되는 제1 밸브(50) 제어시 소모 전류값을 비교하여 지령 전압을 생성한다(S20).
S20단계에서 제어부(120)는 생성된 지령 전압에 대응되는 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생해서 제1 밸브(50)을 개방 또는 폐쇄 동작시켜 출구 압력을 가변 제어한다.
S24단계에서 제어부(120)는 CAN 통신을 통해 연료탱크의 밸브가 차단되는지를 검사하고, 차량의 운전이 중지되어 상기 밸브가 차단될 때까지 S14단계 내지 S24단계를 반복 수행한다.
반면, S24단계의 검사결과 상기 밸브가 차단되면, 제어부(120)는 제2 밸브(60)를 폐쇄 동작하도록 제어하고, 고압 레귤레이터의 압력 제어장치(100)에 마련된 각 장치의 구동을 중지한 후 종료한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 목표 압력과 실제 감지된 연료의 압력에 따른 피드백 제어와, 연료의 온도에 따른 가상의 목표 압력을 설정하는 피드포워드 제어를 통해 연료의 압력을 정밀하게 가변 제어함으로써, 고압 레귤레이터의 출구 압력을 최적화하고, 압력 편차의 발생을 억제할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 고압 레귤레이터의 출구 압력을 정밀하게 제어하는 고압 레귤레이터, 그의 압력 제어장치 및 제어방법 기술에 적용된다.
10: 고압 레귤레이터 20: 바디
21: 유입구 22: 배출구
23: 감압실 231,232: 제1,제2 설치공간
24: 입구포트 241: 입구측 필터
242: 완충부재 25: 출구포트
26: 밸브포트 27 내지 29: 제1 내지 제3 유로
281: 제1 오리피스 30: 상부 커버
40: 감압부 41: 샤프트
42: 오리피스 43: 감압 플레이트
44: 감압 부재 45: 피스톤
46: 상부 스프링 47: 중간 스프링
50,60: 제1, 제2 밸브 51,61: 제1, 제2 몸체
611: 제2 오리피스 52,62: 제1, 제2 슬리브
53,63: 제1, 제2 솔레노이드 54,64: 케이스
55,65: 코일 56,66: 보빈
57,67: 플런저 58,68: 스프링
59,69: 코어 70: 안전밸브
71: 가이드 몸체 72: 밸브체
73: 하부 스프링 74: 방출배관
75: 몰딩시트 76: 유입공
100: 고압 레귤레이터의 압력 제어장치
110: 압력감지센서 111: 온도감지센서
112: EMC 필터 113: 전압감지센서
114: 전류감지센서 115,116: 제1, 제2 스위칭 소자
117: CAN 트랜시버
120: 제어부 121: 압력 컨트롤러
122: 전류 컨트롤러 123: 피드포워드 컨트롤러

Claims (11)

  1. 고압의 가스 연료를 미리 설정된 압력으로 감압하는 고압 레귤레이터에서,
    바디 내부에 마련된 감압부에서 감압된 연료를 배출하는 배출구측에 결합되고 상기 배출구를 개방 또는 폐쇄하여 출구 압력을 조절하는 제1 밸브 및
    연료탱크에서 공급되는 연료가 상기 바디 내부로 유입되는 유입구측에 결합되고 상기 유입구를 개방 또는 폐쇄하는 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바디 내부에는 고압의 연료를 감압하는 감압실이 마련되고,
    상기 바디의 상부에는 상부 커버가 결합되며,
    상기 감압부는 상기 감압실 및 상부 커버 내부에 마련되고, 상기 유입구를 통해 유입된 고압의 연료를 오리피스를 통해 이동시켜 감압하며,
    상기 바디의 하부에는 상기 배출구를 통해 배출되는 연료의 압력이 미리 설정된 한계 압력을 초과하는 과압 상태의 연료를 배출하는 안전밸브가 결합되는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 밸브는
    상기 바디에 결합되는 제1 몸체,
    상기 제1 몸체의 일측에 결합되고 내부에 플런저의 이동 공간이 마련되는 제1 슬리브 및
    상기 제1 몸체와 제1 슬리브의 외측에 결합되고 상기 감압실과 배출구 사이에 마련되는 제2 유로 상에 형성된 제1 오리피스를 개폐하는 제1 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 밸브는
    상기 바디에 결합되는 제2 몸체,
    상기 제2 몸체의 외측에 결합되고 내부에 플런저의 이동 공간이 마련되는 제2 슬리브 및
    상기 제2 몸체와 제2 슬리브의 외측에 결합되고 상기 제2 몸체에 형성된 제2 오리피스를 개폐하는 제2 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고압 레귤레이터의 압력 제어장치에서,
    고압 레귤레이터에서 감압된 연료의 출구 압력을 감지하는 압력감지센서,
    차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 압력과 상기 압력감지센서에 의해 감지된 압력을 비교한 결과에 기초하여 상기 고압 레귤레이터의 배출구를 개폐하는 제1 밸브의 구동을 제어하고, 연료 탱크의 밸브 차단 여부에 기초해서 상기 고압 레귤레이터의 유입구를 개폐하는 제2 밸브의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 메인 제어부로부터 수신된 목표 압력과 상기 압력감지센서에서 감지된 출구압력을 비교하고, 비교 결과에 따라 지령 전류를 생성하는 압력 컨트롤러 및
    생성된 지령 전류의 전류값과 상기 제1 밸브 제어시 소모 전류값을 감지하는 전류감지센서에서 감지된 전류값을 비교하여 지령 전압을 생성하는 전류 컨트롤러를 포함하며,
    상기 전류 컨트롤러는 생성된 지령 전압에 대응되는 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생해서 상기 제1 밸브를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    고압 레귤레이터에서 배출되는 연료의 온도를 감지하는 온도감지센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도감지센서에서 감지된 연료의 온도를 미리 설정된 설정온도구간과 비교하고, 비교 결과에 따라 온도 보상로직을 적용하여 가상의 목표 압력을 설정하고, 설정된 가상의 목표 압력에 따라 출구 압력을 가변하도록 상기 제1 밸브를 피드포워드 제어하는 피드포워드 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어장치.
    고압의 가스 연료를 감압하는 고압 레귤레이터에서,
    바디 내부에 마련된 감압부에서 감압된 연료를 배출하는 배출구측에 결합되고 상기 배출구를 개방 또는 폐쇄하여 출구 압력을 조절하는 제1 밸브 및
    연료탱크에 공급되는 연료가 상기 바디 내부로 유입되는 유입구측에 결합되고 상기 유입구를 개방 또는 폐쇄하는 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고압 레귤레이터의 압력 제어방법에서,
    (a) 고압 레귤레이터에서 유입구측에 결합된 제2 밸브를 개방 동작시켜 연료탱크에서 공급되는 고압의 연료를 감압하는 단계,
    (b) 압력감지센서와 온도감지센서를 이용해서 상기 배출구를 통해 배출되는 연료의 출구 압력 및 온도를 감지하는 단계,
    (c) 제어부에서 상기 (b)단계에서 감지된 연료의 출구온도가 미리 설정된 설정온도구간을 벗어나는 경우, 미리 저장된 온도 보상 로직을 적용하여 가상의 목표 압력을 설정하는 단계,
    (d) 통신모듈을 이용해서 차량의 메인 제어부와의 통신을 통해 목표 압력을 수신하는 단계 및
    (e) 상기 제어부에서 상기 (c)단계에서 설정된 가상의 목표 압력 또는 상기 (d)단계에서 수신된 목표 압력과 감지된 출구 압력을 비교해서 상기 고압 레귤레이터의 배출구측에 결합된 제1 밸브의 구동을 제어해서 출구 압력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    (f) 상기 제어부에서 차량의 메인 제어부와의 통신을 통해 연료탱크에 마련된 밸브의 개폐 여부를 검사하고, 상기 밸브가 폐쇄되면 상기 제2 밸브를 폐쇄 동작시켜 고압 연료 라인에 잔존하는 연료의 유입을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (e)단계는
    (e1) 상기 제어부에 마련된 피드포워드 컨트롤러에서 감지된 연료의 출구온도가 미리 설정된 설정온도구간을 벗어나는 경우, 미리 저장된 온도 보상 로직을 적용하여 가상의 목표 압력을 설정하는 단계,
    (e2) 상기 제어부에 마련된 압력 컨트롤러에서 상기 가상의 목표 압력 또는 상기 (d)단계에서 수신된 목표 압력과 감지된 출구 압력을 비교하고 비교 결과에 기초해서 지령 전류를 생성하는 단계,
    (e3) 전류 컨트롤러에서 생성된 지령 전류의 전류값과 상기 제1 밸브 제어시 소모되는 전류값을 비교하여 지령 전압을 생성하는 단계 및
    (e4) 생성된 지령 전압에 대응되는 PWM 신호 형태의 제어신호를 발생해서 상기 제1 밸브를 개방 또는 폐쇄 동작시켜 출구 압력을 가변 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부의 메모리에는 상기 온도 보상 로직을 적용해서 감지된 온도별로 가상의 목표 압력이 매칭된 테이블이 저장되고,
    상기 (e1)단계에서 상기 피드포워드 컨트롤러는 상기 메모리에 저장된 상기 테이블에 기초해서 상기 가상의 목표 압력을 설정하는 것을 특징으로 하는 고압 레귤레이터의 압력 제어방법.
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