KR100505295B1 - 엘피지엔진용 연료예열시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기화기내에 가열수단을 부가하여 연료온도가 일정온도에 도달할 때까지 연료를 예열함으로써 냉시동시 혹은 과도운전상태에서 연료가 제대로 기화되지 않은 체로 엔진에 공급되어 발생되는 시동성능의 저하 및 불완전연소를 억제하고 연소배출물도 최소화시킬 수 있는 엘피지엔진용 연료예열시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 냉각수가 공급되는 기화기하우징 일측단의 가스주입구로 인입된 액상연료를 예열실과 1차실로 유동시켜 기화하되, 기화된 연료는 밸브어셈블리로 가스공급로를 개폐하여 2차실로 공급하는 LPG차량의 기화기에 있어서, 상기 예열실내에 상기 액상연료와 접촉되게 배치돼서, 시동시 작동하여 상기 예열실내의 액상연료를 가열하여 상기 1차실로 공급되는 액상연료에 증발에 필요한 열원을 제공하는 예열히터; 상기 예열히터에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 연료온도를 감지하여 상기 연료온도에 따라서 상기 전원부로부터 상기 예열히터로 공급되는 전원을 단속하여 상기 예열히터의 작동을 제어하는 온도제어수단을 구비하여 구성된다.

Description

엘피지엔진용 연료예열시스템{Fuel heating system for an LPG engine}

본 발명은 엘피지(LPG;Liquefied petroleum gas)엔진으로의 연료공급을 원활하게 하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기화기내에 가열수단을 부가하여 연료온도가 일정온도에 도달할 때까지 연료를 예열함으로써 냉시동시 연료가 제대로 기화되지 않은 체로 엔진에 공급되어 발생되는 시동성능의 저하 및 불완전연소를 억제하고 연소배출물도 최소화시킬 수 있는 엘피지엔진용 연료예열시스템에 관한 것이다.

최근들어, 자동차 배기가스의 규제강화와 환경오염에 대한 관심고조로 엔진의 저공해, 고효율화 기술에 대한 요구가 크게 확대되고 있다. 저공해 엔진 연구를 위해 가솔린에 비해 높은 수소와 탄소비를 가진 LPG와 CNG를 이용한 저공해 엔진 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, 유가 상승과 더불어 LPG차량은 날로 늘어가고 있고, 국내 LPG차량의 보급이 60만대를 넘어서고 있는 실정이다. 이 시점에서 환경친화적이고 경제적인 LPG차량의 문제점 개선과 시스템 보안이 중요한 문제로 대두되고 있다.

위의 점화기관(엔진)은 시동초기 5분동안에 미연탄화수소(UHC) 배출의 약 80%를 배출한다. 특히, 과도상태의 냉시동 시에는 공기와 연료의 혼합불균일과 삼원촉매의 변환효율이 정상상태에 도달하기까지 대부분의 유해물질을 배출시키게 된다. 이러한 원인은 냉시동시 기화기(Vaporizer)에서 연료의 완전기화가 일어나지 않은 상태에서 연료가 엔진으로 공급되기 때문이다. 이에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 기화기를 사용하였을 경우 엔진시동시 기화기의 예열실과 1차실의 온도와 압력 거동을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 2a는 종래의 기화기의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2b는 도 2a에서 예열실입구부분의 구성을 나타낸 사시도이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 예열실(11)입구에 설치된 연료주입구(12)를 통해 유입된 LPG연료는 필터(13)에서 여과되어 예열실(11)로 유입된다. 기화기(10)의 예열실(11)에 유입된 LPG연료는 예열실(11)과 접하고 있는 냉각수챔버(14)의 냉각수에 의해 예열되게 된다. 이로 인하여, LPG연료의 온도가 예열실(11)에서는 대략 15℃를 유지하고 있게 된다. 그러나, 예열실(11)에서 1차실(16)로 연료가 이동하면서 15℃에서 급격히 떨어져 5℃정도를 유지하게 된다. 이렇게 온도가 급강하하는 이유는 연료가 예열실(11)에서 1차실(16)로 이동하면서 주위로부터 증발잠열을 빼앗아가기 때문에 발생되는 현상이다. 따라서, 위와 같은 결과에 비추어 볼 때, 만약 기화기(10)로 공급되는 연료의 온도가 더 낮다면 1차실(16)에서의 연료온도는 5℃이하로 내려갈 것이다. 이러한 경우중 대표적인 것이 냉시동시(시동초기)로, 이때에는 냉각수가 가열되어 있지 않으므로 LPG온도가 낮아 잘 기화가 일어나지 않게 된다. 이러한 현상은 겨울철에 더욱 심하게 나타난다.

종래의 기화기에는 이러한 문제를 극복하기 위하여 정상운전 후 시동을 끄기 전에 운전자에게 액상솔레노이드밸브를 차단하도록 하거나, 엔진제어로직상에 엔진의 냉각수 온도가 일정온도 이하에서는 완전기체상태의 연료만을 엔진으로 공급하도록 하였다. 하지만, 전자의 경우 운전자가 솔레노이드밸브를 차단하여도 차단후에 액상연료가 예열실에 가득차 있게 되고, 이와 같이 예열실에 충전된 액상연료를 모두다 소모시켜야 효과를 얻을 수 있었다. 그런데, 이와 같이 할 경우 연료의 소모가 클 뿐만 아니라 작동상의 번거로움이 있었다. 또한, 후자의 제어로직을 통한 방법에서도 솔레노이드밸브를 차단하지 않을 경우 예열실 내부에 가득찬 액상연료로 인해 시동성능에는 기존과 아무런 차이를 보이지 않았다.

위와 같은 종래의 냉각수를 이용한 LPG기화기에서는 엔진냉각수의 온도가 일정온도 이하일 경우 LPG 기화성능이 저하되고, 시동시 요구되는 공기와 연료의 혼합비를 충족시키지 못하여 시동시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 다량의 배기배출물을 대기중으로 방출하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 기화기내에 가열수단을 부가하여 연료온도가 일정온도에 도달할 때까지 연료를 예열함으로써 냉시동시 연료가 제대로 기화되지 않은 체로 엔진에 공급되어 발생되는 시동성능의 저하 및 불완전연소를 억제하고 연소배출물도 최소화시킬 수 있는 엘피지엔진용 연료예열시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엘피지엔진용 연료예열시스템은 냉각수가 공급되는 기화기하우징 일측단의 가스주입구로 인입된 액상연료를 예열실과 1차실로 유동시켜 기화하되, 기화된 연료는 밸브어셈블리로 가스공급로를 개폐하여 2차실로 공급하는 LPG차량의 기화기에 있어서, 상기 예열실내에 상기 액상연료와 접촉되게 배치돼서, 시동시 작동하여 상기 예열실내의 액상연료를 가열하여 상기 1차실로 공급되는 액상연료에 증발에 필요한 열원을 제공하는 예열히터; 상기 예열히터에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 연료온도를 감지하여 상기 연료온도에 따라서 상기 전원부로부터 상기 예열히터로 공급되는 전원을 단속하여 상기 예열히터의 작동을 제어하는 온도제어수단을 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 엘피지엔진용 연료예열시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에서 예열히터가 설치된 예열실 입구부분의 구조를 보여주는 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 엘피지엔진용 연료예열시스템이 장치된 기화기의 전체적인 구조를 보여주는 단면도이다.

본 발명은 예열실(11)입구에 장치되어 시동초기 내부에 충전된 연료를 예열시켜 1차실(16)로 공급하기 위한 예열히터(30)와, 이 예열히터(30)에 전원을 공급하는 전원부(Battery;40) 및, 연료온도를 검출하여 예열히터(30)의 온/오프(ON/OFF)를 제어하는 온도제어수단을 구비하고 있다.

온도제어수단은 도 3에 도시한 바와 같이 온도센서(52)를 예열실(11)의 출구측에 배치하여 예열실(11)로부터 출력되는 연료온도를 측정하고, 이 온도센서(52)에서 검출된 온도값을 제어부(54)로 전송하여 설정값과 비교하여 연료가 설정된 온도에 도달할 때까지 예열히터(30)를 작동제어하게 된다. 이 제어부(54)는 전원을 예열히터(30)에 공급하거나 차단하여 예열히터(30)를 작동시키는 차량의 전자제어유닛(ECU)에 입력된 논리회로로 구성된다. 이 외에도 제어부(54)를 간단한 온/오프(ON/OFF)논리회로의 별도 유닛으로 구성하여 기존의 LPG차량에 간단히 장착시켜 적용시킬 수도 있다.

또한, 온도제어수단은 다른 방법으로 바이메탈 등으로 구성되는 감온스위치로 하여, 전원부(40)에서 예열히터(30)로 공급되는 전원공급라인상에 설치하여 일정온도범위내에서 예열히터(30)가 작동하도록 전원을 단속하게 구성할 수도 있다.

LPG차량이 경차 또는 보급형 차인 경우에는 온도제어수단을 바이메탈등의 감온스위치로 구성하여 예열히터(30)를 곧바로 제어하도록 하는 것이 좋다. 하지만, 미세한 온도조정과 추후설치 및 변경의 편의성을 위해서는 온도센서(52)와 제어부(54)의 조합으로 온도제어수단을 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 온도센서(52)는 기화기(10) 하우징에 적어도 1개이상 설치하는 것이 효과적이다.

위의 예열히터(30)는 예열실(11)내부의 LPG연료유동공간내에 적어도 1개이상 배치하는 것이 효과적이며, 나아가 LPG와 직접 접촉하게 되므로 수정관체등의 외관체에 삽입시켜 기밀을 유지시킨 관입히터로 구성해야 한다. 이 관입히터로는 12~15V전원에서 11A이상의 전류가 흐를 수 있는 글로우플러그(Glow-plug)가 사용될 수 있다. 예열히터(30)는 시동스위치의 시동온(ON)신호에 따라 전원이 공급되어 동작되며, 온도센서(52)가 설정된 온도로 연료온도가 상승했음을 감지하면 전원이 차단되어 동작이 정지하게 된다. 이외에도 냉시동시에는 연료온도가 낮으므로 예열히터(30)의 작동을 온도센서(54)에 의해 연료온도를 감지하여 이를 제어부(54)에서 설정온도값과 비교하여 제어할 수 있다. 예를들어, 설정온도를 20℃로 설정했을 경우, 온도센서(52)에서 검출된 연료온도가 20℃이하이면 예열히터(30)에 전원을 공급하여 가동하고, 20℃이상이 되면 예열히터(30)로의 전원을 차단하여 그 이상의 연료온도에서는 압력차에 의한 기화 및 상승된 냉각수온에 의해 LPG연료를 기화시키게 한다. 이에 대해서는 뒤에 설명할 동작설명부분에서 보다 상세히 언급하기로 한다.

이제, 전술한 도면들을 참조하면서 본 발명의 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.

LPG차량의 시동을 걸면, 시동스위치가 온되면서 전원부(40)로부터 예열히터(30)에 전원이 공급되어 동작하게 된다. 따라서, 기화기(10)의 예열실(11)에 충전된 액상연료는 그와 접촉하고 있는 예열히터(30)에 의해 가열되어 온도가 상승하게 된다. 이렇게 승온된 연료가 예열실(11)에서 1차실(16)로 보내지면 감압되면서 기화하게 되는데, 이때 연료의 온도에서 증발잠열을 자체적으로 충당하면서 액상연료는 손쉽게 기화하게 된다.

냉시동시 이러한 시동스위치와 연동하는 방법 외에도 시동시부터 연료온도를 온도센서(52)로 검출하고, 제어부(52)에서 이 검출값과 설정값을 비교하여 현재검출값이 설정값보다 낮으면 예열히터(30)를 가동시키는 방법이 있다. 이에 대해 전술한 도 3 및 도 6의 흐름도를 참고하여 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

차량의 시동이 걸리면 온도센서(52)는 예열실(11)내의 연료온도를 검출하여 제어부(54)로 보내게 된다.(단계100,110) 제어부(54)에서는 이 검출온도값과 설정값을 비교한다.(단계120) 비교시 검출온도값이 설정값보다 작으면 제어부(54)는 전원부(40)로부터 전원을 예열히터(30)에 공급하여 작동시키게 된다.(단계122) 설정온도는 제어부(54)에서 설정변경이 가능하며, 대략 15~20℃로 설정하는 것이 바람직하다. 시동초기에는 연료온도가 이 설정값보다 작으므로 위와 같은 과정을 거쳐 예열히터(30)가 작동하여 연료를 가열하게 된다.(단계124) 따라서, 연료온도는 시시각각으로 변동하게 되며, 온도센서(52)는 계속적으로 그 온도를 감지하여 제어부(54)로 보내게 된다. 제어부(54)에서는 설정값과 검출값을 비교판단하여 검출값이 설정값보다 크면 전원부(40)로부터 예열히터(30)로의 전원공급을 차단하여 예열히터(30)의 작동을 정지시키게 된다.(단계120,126) 물론, 이때에는 엔진이 어느정도 가동한 후이므로 냉각수의 온도가 대략 80~90℃로 상승하여 이 온도만으로도 액상연료의 기화가 가능하게 된다. 이상 설명한 바와 같이, 액상연료의 온도가 낮을 경우 이를 감지하여 강제열원인 예열히터(30)로 가열하면 보다 손쉽고 충분한 기화가 가능하게 된다. 이것은 도 6의 예열히터(30)를 작동시킨 상태에서 연료온도를 측정한 그래프에서 확연히 알 수 있다.

도 7은 예열히터가 작동한 후의 기화기 예열실과 1차실에서의 연료온도를 나타낸 것으로, 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 예열히터(30)가 가동되었을 때 예열실(11)에서의 연료온도는 일정온도(약 18℃)까지 상승하다가 그 상태를 유지하고 있으나, 1차실(16)에서의 연료온도는 계속적으로 상승하고 있다. 이와 같이, 냉시동시 시동스위치 또는 온도센서의 작동(ON)에 따라 기동하는 예열히터(30)로부터 LPG연료가 증발하기 위한 열원을 얻을 수 있으므로 액상연료의 기체로의 기화는 보다 신속하고 손쉽게 진행되게 된다. 따라서, 1차실(16)에서 연료의 완전한 기화가 가능하여 엔진으로 공급되는 연료의 상태 또한 완전한 가스상태의 LPG로 공급이 가능하게 된다. 물론, 엔진은 이와 같은 완전한 가스상태의 연료가 공급되어 연소되므로 양호한 연소상태를 얻을 수 있다. 따라서, 엔진으로부터 배출되는 오염물질인 배출물의 양을 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 시동성능이 향상되게 된다.

여기에 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에 의해서만 한정되거나 제한받는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 엘피지엔진용 연료예열시스템은 기화기내에 가열수단을 부가하여 엔진냉각수의 온도에 따라 기설정된 시간동안 연료를 예열함으로써 냉시동시 연료가 제대로 기화되지 않은 체로 엔진에 공급되어 발생되는 시동성능의 저하 및 불완전연소를 억제하고 연소배출물도 최소화시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 본 발명은 간단한 구조로 냉시동시 혹은 과도운전상태(예를 들어, 급가속)에서 액상연료의 완전한 기화를 도와 연료를 엔진으로 공급되게 하므로 연소성능을 개선하여 LPG차량의 초기시동성 및 저온시동성을 상승시킬 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 차량의 연비가 향상되고 출력이 안정되게 유지되는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면들을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1은 종래의 기화기를 사용하였을 경우 엔진시동시 기화기의 예열실과 1차실의 온도와 압력 거동을 나타낸 그래프이고,

도 2a는 종래의 기화기의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이고,

도 2b는 도 2a에서 예열실입구부분의 구성을 나타낸 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 엘피지엔진용 연료예열시스템의 구성을 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에서 예열히터가 설치된 예열실 입구부분의 구조를 보여주는 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 엘피지엔진용 연료예열시스템이 장치된 기화기의 전체적인 구조를 보여주는 단면도이고,

도 6은 도 3에 도시된 본 연료예열시스템의 동작과정을 순차적으로 보여주는 흐름도이고,

도 7은 예열히터가 작동한 후의 기화기 예열실과 1차실에서의 연료온도를 나타낸 그래프이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 기화기 11 : 예열실

14 : 냉각수챔버 16 : 1차실

30 : 예열히터 40 : 전원부

52 : 온도센서 54 : 제어부

Claims (6)

1. 냉각수가 공급되는 기화기하우징의 일측단의 가스주입구로 인입된 액상연료를 예열실과 1차실로 유동시켜 기화하되, 기화된 연료는 밸브어셈블리로 가스공급로를 개폐하여 2차실로 공급하는 LPG차량의 기화기에 있어서,

   상기 예열실에 배치되고 시동시 작동하여 상기 예열실내의 액상연료를 가열하여 상기 1차실로 공급되는 액상연료에 증발에 필요한 열원을 제공하는 예열히터;

   상기 예열히터에 전원을 공급하는 전원부; 및

   상기 연료온도를 감지하여 상기 연료온도에 따라서 상기 전원부로부터 상기 예열히터로 공급되는 전원을 단속하여 상기 예열히터의 작동을 제어하는 온도제어수단을 포함하고,

   상기 예열히터는 상기 예열실내에 상기 액상연료와 접촉되게 배치되되, 기밀의 외관체에 삽입되어 기밀이 유지되는 관입히터이며,

   상기 온도제어수단은 상기 예열실의 연료출구쪽에 배치되어 상기 연료온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서에서 검출된 현온도값을 설정된 온도값과 비교하여 상기 현온도값이 상기 설정온도값 이하이면 상기 예열히터로 전원을 공급하고, 그 이상이면 상기 예열히터로의 전원공급을 차단하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 엘피지엔진용 연료예열시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 차량의 전자제어유닛(ECU)에 입력되는 논리회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘피지엔진용 연료예열시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 기존의 LPG차량에 간단히 장착시켜 적용시킬 수 있는 간단한 온/오프(ON/OFF)논리회로의 별도 유닛으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘피지엔진용 연료예열시스템.