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KR20080032948A - 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼연소시스템 - Google Patents

디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼연소시스템 Download PDF

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KR20080032948A
KR20080032948A KR1020060099194A KR20060099194A KR20080032948A KR 20080032948 A KR20080032948 A KR 20080032948A KR 1020060099194 A KR1020060099194 A KR 1020060099194A KR 20060099194 A KR20060099194 A KR 20060099194A KR 20080032948 A KR20080032948 A KR 20080032948A
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KR
South Korea
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diesel
natural gas
combustion system
fuel
pilot
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Ceased
Application number
KR1020060099194A
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English (en)
Inventor
표영덕
이영재
김강출
우영민
권오석
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020060099194A priority Critical patent/KR20080032948A/ko
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Abstract

본 발명은 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤엔진에 천연가스를 연료로 직접 사용하게 되면 이상연소의 원인이 되므로 실제로 엔진의 정상적인 운전을 위해서는 압축비를 낮추고 스파크 점화방식을 적용해야 하며 이 때문에 현재 적용되고 있는 스파크 점화방식의 천연가스 전소엔진은 압축착화 방식의 디젤엔진에 비해 일반 운전조건에서 출력 및 효율이 낮아지고 엔진의 방열손실이 증가하는 단점이 있어, 기존의 직접분사 디젤기관에 대하여 압축비를 그대로 사용하면서 점화플러그 대신 경유를 소량 파일럿 분사하고 주 연료인 천연가스연료를 흡기포트로 공급하여, 개조비용의 큰 증가 없이 Soot와 NOx를 최소화여 청정성을 향상시키고 높은 압축비의 장점을 살려 디젤엔진 수준의 출력 및 효율을 얻고자, 디젤엔진에 디젤과 디젤파일럿 천연가스연료를 병용하여 사용하기 위한 특징이 있다.
디젤, 엔진, 천연가스, 디젤파일럿, 자동차

Description

디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템{Diesel and Diesel Pilot Natural Gas Bi-Fuel System of Diesel Engine}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템을 나타낸 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 디젤연료탱크 11 : 연료공급펌프
12 : EUI인젝터 13 : 디젤제어장치
20 : CNG연료탱크 21 : 레큘레이터
22 : CNG인젝터 23 : 천연가스제어장치
30 : 디젤엔진 31 : 흡기포트
40 : 캠센서 50 : RPM센서
60 : 페달센서 61 : 페달캠장치
70 : MAP센서 80 : 디젤/디젤파일럿 선택스위치
100 : 디젤연료 연소시스템
200 : 천연가스 연소시스템
300 : 디젤파일럿 천연가스 연소시스템
본 발명은 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤엔진에 천연가스를 연료로 직접 사용하게 되면 이상연소의 원인이 되므로 실제로 엔진의 정상적인 운전을 위해서는 압축비를 낮추고 스파크 점화방식을 적용해야 하며 이 때문에 현재 적용되고 있는 스파크 점화방식의 천연가스 전소엔진은 압축착화 방식의 디젤엔진에 비해 일반 운전조건에서 출력 및 효율이 낮아지고 엔진의 방열손실이 증가하는 단점이 있어, 기존의 직접분사 디젤기관에 대하여 압축비를 그대로 사용하면서 점화플러그 대신 경유를 소량 파일럿 분사하고 주 연료인 천연가스연료를 흡기포트로 공급하여, 개조비용의 큰 증가 없이 Soot와 NOx를 최소화여 청정성을 향상시키고 높은 압축비의 장점을 살려 디젤엔진 수준의 출력 및 효율을 얻고자, 디젤엔진에 디젤과 디젤파일럿 천연가스연료를 병용하여 사용하기 위한 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 한정된 에너지 자원의 효율적 이용이 매우 중요한 과제이고 세계의 지구환경보전과도 직결되는 문제이다. 천연가스는 세계 각지에 사용가능한 많은 량이 매장되어있고 가격이 저렴하여 자동차의 청정 대체연료로서 각광을 받고 있다.
여기서, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 에너지 소비효율이 우수하고 지구 온난화 가스인 CO2(이산화탄소)의 배출이 적은 장점이 있다.
그러나, 상기 디젤엔진은 PM(입자상 물질)과 NOx(질소산화물)의 배출량이 많은 단점이 있다. 이에 디젤엔진의 저공해 대체연료로서 천연가스의 적용이 활발히 추진되고 있으나, 천연가스 전소엔진은 세탄가가 낮아서 스파크 점화방식의 오토싸이클(Otto Cycle) 엔진으로 개조해야하기 때문에 디젤엔진에 비해 에너지 소비효율이 감소하고 연료자체의 에너지밀도가 낮아 운행거리가 크게 감소하며 연료공급 인프라를 새로이 구축해야 하는 등 많은 문제점이 있다.
따라서, 이를 해결하기 위해 기존의 직접분사 디젤기관에 대하여 압축비를 그대로 사용하면서 점화플러그 대신 경유를 소량 파일럿 분사하여 압축착화 시키는 새로운 방식이 연구되고 있으며, 이러한 방식의 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(이를 천연가스/경유 듀얼퓨얼 연소시스템이라고도 함)은 개조비용의 큰 증가 없이 Soot와 NOx를 최소화하면서 높은 압축비의 장점을 살려 디젤엔진 수준의 출력 및 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 천연가스를 대부분 사용하면서 소량의 액상 경유만을 함께 사용하므로 경제적이고 깨끗한 연소를 위한 하나의 해답이 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
기존의 디젤연료 사용시에는 디젤연료탱크로부터 EUI 인젝터로 공급시켜 인젝터에 의해 엔진에 분사되는 EUI 방식의 디젤연료 연소시스템을 그대로 사용하고, 또 디젤파일럿 천연가스 사용시에는 상기 디젤연료 연소시스템과 페달캠장치를 적용하여 파일럿연료로 디젤을 일정하게 소량 사용하면서 별도의 천연가스 연료공급시스템을 장착하여 주 연료인 천연가스가 공급되도록 하고자 한다.
또한, 최근 일부 연구에서는 기존의 디젤전용 EUI 연료공급시스템 외에 디젤파일럿 연료와 천연가스 연료를 함께 제어하기 위한 통합 연료공급시스템을 개발하고 있으나, 기존에 장착된 EUI 인젝터를 정확하게 제어하기가 어렵고 그 구조가 복잡하며 제작비가 고가이나, 본 발명은 구조가 매우 간단하여 제작이 용이하고 제작비가 저렴하다.
즉, 기존의 디젤연료 사용시에는 디젤을 디젤연료탱크로부터 연료분사펌프와 인젝터가 일체형으로 결합된 구조가 특징인 EUI 인젝터로 공급시켜 인젝터에 의해 엔진에 분사되는 디젤연료 연소시스템을 그대로 사용하며, 또한, 디젤파일럿 천연가스 사용시에는 디젤/디젤파일럿 선택스위치를 전환하여 디젤파일럿 연료는 상기 디젤연료 연소시스템과 함께 운전 중에 디젤엔진을 점화시키기 위해 필요한 최소량의 디젤연료를 일정하게 분사시키는 역할을 하는 페달캠장치를 적용하여 공급하면서 주 연료인 천연가스는 기존 엔진에 부착된 일부 센서를 공동 활용하여 별도의 천연가스 연료공급시스템에 의해 공급되는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 자동차 연료공급 시스템에 있어서, 기존의 디젤연료를 연소시키는 디젤연료 연소시스템과; 초기점화용 연료는 기존의 디젤연료 연소시스템에 의해 디젤연료를 일정량 사용하고, 주연료는 천연가스 연소시스템에 의해 천연가스연료를 연소시키는 디젤파일럿 천연가스(CNG) 연소시스템; 중 어느 한 시스템을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 상기 디젤연료 연소시스템은 디젤연료탱크에서 연료공급펌프에 의해 EUI인젝터(Electri Unit Injector)를 통해 디젤연료가 직접적으로 디젤엔진 실린더에 분사되고, 상기 디젤파일럿 천연가스 연소시스템은 초기점화를 위해 필요한 최소량의 디젤연료가 기존의 디젤연료 연소시스템과 페달캠장치에 의해 디젤엔진에 일정하게 분사되고, 주 연료인 천연가스(CNG연료)가 천연가스 연소시스템에 의해 CNG연료탱크에서 레큘레이터에 의해 CNG인젝터를 통해 디젤엔진의 실린더와 연통된 흡기포트에 분사되며, 이와 같이 선택적으로 디젤파일럿 천연가스 연소시스템을 사용시, 상기 초기점화를 위해 분사되는 디젤연료의 분사량은 디젤연료 연소시스템을 선택하여 디젤연료만 사용하는 경우와 비교하여 1 ~ 5%정도만 분사하여 디젤엔진의 점화만 시키는 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 디젤연료 연소시스템의 EUI인젝터는 차량 내부에 형성된 디젤제어장치에 의해 제어되고, 상기 디젤파일럿 천연가스 연소시스템을 선택하여 천연가스 연소시스템에 의해 천연가스를 공급할 때의 CNG인젝터는 차량 내부에 형성된 천연가스제어장치에 의해 제어되고, 상기 디젤연료 연소시스템과 천연가스 연소시스템에는 캠센서와, RPM센서와, 페달센서와, MAP센서가 형성되어 각각의 센서에서 측정된 신호를 상호 연계된 상기 디젤제어장치와 천연가스제어장치에 전달되며, 상기 페달센서의 일단부에는 디젤을 선택하여 기존의 디젤연료 연소시스템만을 사용하는 경우에는 작동을 하지 않고, 디젤파일럿 천연가스 연소시스템을 선택하여 사용할 때 운전자가 가속페달을 작동시키면 디젤연료 연소시스템에서 점화를 위해 필요한 최소량의 디젤연료를 일정하게 분사시키는 역할을 하는 페달캠장치가 설치되는 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 더불어 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템을 나타낸 구성도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템는 대형차량 즉, 대형버스나 대형트럭에 사용되는 것으로 기존의 디젤연료를 연소시키는 디젤연료 연소시스템(100)과, 초기점화를 위해 필요한 최소량의 디젤연료 공급은 상기 디젤연료 연소시스템(100)을 사용하고 주 연료는 천연가스 연소시스템(200)에 의해 천연가스연료(CNG)를 사용하는 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300) 중 어느 한 시스템을 선택적으로 사용하는 구성이다.
상기 디젤연료 연소시스템(100)은 디젤연료탱크(10)에서 디젤연료(Diesel)가 공급펌프(11)에 의해 이송되어 각각의 실린더마다 독립적으로 설치된 EUI인젝터(Electric Unit Injector, 12)를 통해 디젤엔진(30)의 실린더 내부에 직접적으로 디젤연료가 분사되어 엔진이 압축착화 된다.
여기서, 상기 EUI인젝터(Electri Unit Injector, 12)는 인젝터와 연료분사펌프가 일체형으로 결합된 것으로 기존에는 하나의 연료분사펌프에 엔진의 실린더 수에 해당하는 다수개의 인젝터가 연통되어 연료를 분사했는데, 상기 EUI인젝터(12)는 인젝터와 연료공급펌프가 일체형으로 엔진의 실린더 한 개당 하나씩 독립적으로 설치되어 대형버스 등 대형차량에 유용하게 사용되고 있다.
상기 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)은 기존 디젤연료 연소시스템(100)을 통해 디젤연료가 디젤엔진(30)의 초기점화를 위해 일정량 분사되고, 천연가스 연소시스템(200)을 통해 CNG연료(천연가스)가 CNG연료탱크(20)에서 레큘레이터(21)를 거쳐 디젤엔진(30)의 실린더와 연통된 흡기포트(31)에 형성된 CNG인젝터(22)를 통해 천연가스연료가 분사된다.
여기서, 상기 천연가스 연소시스템(200)은 디젤엔진(30)의 점화를 위하여 기존의 디젤연료 연소시스템(100)을 천연가스 연소시스템(200)과 함께 병용하여 사용하는데, 이때, 상기 초기점화를 위해 사용되는 디젤연료 연소시스템(100)에 의해 분사되는 디젤연료의 분사량은 전체 디젤연료만 분사하는 경우의 1 ~ 5%정도만 분사되고 나머지 주 연료는 천연가스가 공급되어 연소된다.
이때, 상기 디젤연료 연소시스템(100)의 EUI인젝터(12)는 차량 내부에 형성된 디젤제어장치(Diesel ECU, 13)에 의해 제어되는데 상기 디젤연료 연소시스 템(100)에 형성된 캠센서(40)와, RPM센서(50)와, 페달 캠(61)와, MAP센서(70) 등으로부터 측정된 신호를 전달받아 EUI인젝터(12)를 작동시켜 디젤연료가 디젤엔진(30)에 분사되도록 하는 것이다.
그리고, 상기 천연가스 연소시스템(200)의 CNG인젝터(22)는 차량 내부에 형성된 천연가스제어장치(CNG ECU, 23)에 의해 제어되는데 상기 디젤연료 연소시스템(100)과 병용하여 천연가스 연소시스템(200)에 형성된 캠센서(40)와, RPM센서(50)와, 페달센서(60)와, MAP센서(70) 등으로부터 측정된 신호를 전달받아 CNG인젝터(22)를 작동시켜 천연가스연료가 흡기포트(31)에 분사되도록 하는 것이다.
이렇듯, 상기 캠센서(40)와, RPM센서(50)와, 페달센서(60)와, MAP센서(70) 등은 상기 디젤제어장치(Diesel ECU, 13)와 천연가스제어장치(CNG ECU, 23)에 상호 연계되어 측정된 신호를 상기 디젤연료 연소시스템(100)과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템을 선택적으로 사용함에 따라 사용되는 시스템의 제어장치에 전달된다.
여기서, 상기 디젤연료 연소시스템(100)과 천연가스 연소시스템(200)을 선택적으로 사용하기 위해 디젤/디젤파일럿 선택스위치(Select Switch, 80)를 형성하고, 상기 선택스위치(80)는 상기 페달센서(60)에서 측정된 신호를 전달받아 상기 디젤제어장치(13)와 천연가스제어장치(23)에 신호를 전달하여 상기 디젤연료 연소시스템(100)과 천연가스 연소시스템(200)을 선택적으로 사용할 수 있다.
그리고, 상기 페달센서(60)의 일단부에는 페달 캠 장치(61)가 일체형으로 설치되어 디젤/디젤파일럿 선택스위치(Select Switch, 80)에 의해 디젤을 선택하여 기존 디젤연료 연소시스템(100)만을 사용하는 경우에는 작동을 하지 않으며, 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)을 선택하여 사용할 때에 운전자가 가속페달을 작동시키면 운전 중에 디젤엔진(30)을 점화시키기 위해 필요한 최소량의 디젤연료를 일정하게 분사시키는 역할을 한다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템은 디젤전용 EUI 연료공급시스템 외에 디젤파일럿 연료와 천연가스 연료를 함께 제어하기 위한 통합제어 연료공급시스템을 제작하여 적용하는 것보다 기존에 장착된 EUI 시스템을 그대로 적용함에 따라 EUI 인젝터를 정확하게 제어할 수 있고 구조가 매우 간단하여 제작이 용이하고 제작비가 저렴한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 자동차 연료공급 시스템에 있어서,
    기존의 디젤연료를 연소시키는 디젤연료 연소시스템(100)과;
    초기점화용 연료는 기존의 디젤연료 연소시스템(100)에 의해 디젤연료를 일정량 사용하고, 주연료는 천연가스 연소시스템(200)에 의해 천연가스연료를 연소시키는 디젤파일럿 천연가스(CNG) 연소시스템(300);
    중 어느 한 시스템을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 디젤연료 연소시스템(100)은 디젤연료탱크(10)에서 연료공급펌프(11)에 의해 EUI인젝터(Electri Unit Injector, 12)를 통해 디젤연료가 직접적으로 디젤엔진(30)의 실린더에 분사되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)은 초기점화를 위해 필요한 최소 량의 디젤연료가 기존의 디젤연료 연소시스템(100)과 페달캠장치(61)에 의해 디젤엔진(30)에 일정하게 분사되고, 주 연료인 천연가스(CNG연료)가 천연가스 연소시스템(200)에 의해 CNG연료탱크(20)에서 레큘레이터(21)에 의해 CNG인젝터(22)를 통해 디젤엔진(30)의 실린더와 연통된 흡기포트(31)에 분사되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    선택적으로 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)을 사용시,
    상기 초기점화를 위해 분사되는 디젤연료의 분사량은 디젤연료 연소시스템(100)을 선택하여 디젤연료만 사용하는 경우와 비교하여 1 ~ 5%정도만 분사하여 디젤엔진(30)의 점화만 시키는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 디젤연료 연소시스템(100)의 EUI인젝터(12)는 차량 내부에 형성된 디젤제어장치(13)에 의해 제어되고, 상기 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)을 선택하여 천연가스 연소시스템(200)에 의해 천연가스를 공급할 때의 CNG인젝터(22)는 차량 내부에 형성된 천연가스제어장치(23)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 디 젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 디젤연료 연소시스템(100)과 천연가스 연소시스템(200)에는 캠센서(40)와, RPM센서(50)와, 페달센서(60)와, MAP센서(70)가 형성되어 각각의 센서에서 측정된 신호를 상호 연계된 상기 디젤제어장치(13)와 천연가스제어장치(23)에 전달되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 페달센서(60)는 디젤연료 연소시스템(100)과 천연가스 연소시스템(200)을 선택적으로 작동시키도록 형성된 디젤/디젤파일럿 선택스위치(80)에 신호를 보내고, 상기 디젤/디젤파일럿 선택스위치(80)에서 디젤제어장치(13)와 천연가스제어장치(23)에 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 페달센서(60)의 일단부에는 디젤을 선택하여 기존의 디젤연료 연소시스템(100)만을 사용하는 경우에는 작동을 하지 않고, 디젤파일럿 천연가스 연소시스템(300)을 선택하여 사용할 때 운전자가 가속페달을 작동시키면 디젤연료 연소시스템(100)에서 점화를 위해 필요한 최소량의 디젤연료를 일정하게 분사시키는 역할을 하는 페달캠장치(61)가 설치되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 디젤과 디젤파일럿 천연가스 바이퓨얼 연소시스템.
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