KR100427844B1 - 액화 가스용 연료 시스템 - Google Patents

Abstract

액화 가스에 의해 구동되는 내연 기관용 연료 시스템이 개시된다. 펌프에 의해 LPG와 같은 연료가 들어 있는 저장 탱크 내의 압력은 상승되어 공급 라인을 통해 하나 이상의 분사 장치로 공급된다. 이들 분사 장치는 압력 제어 수단이 있는 복귀 라인에 연결된다. 압력 제어는 탱크 내의 절대 압력이 상승할 때, 가령 온도 상승의 결과로서, 펌프에 의해 제공되는 추가의 압력이 감소되는 그런 방식으로 수행된다. 결과적으로, 분사 장치에 대한 압력비는 절대적인 조건에서 공급 라인에 제한된다.

Description

액화 가스용 연료 시스템{FUEL SYSTEM FOR LIQUEFIED GAS}

이러한 형태의 시스템은 일본 소화60-222550A에 개시되어 있다. 이러한 공지의 시스템에 있어서, 공급 라인의 압력은 일정한 값으로 상승되어 탱크 압력을 초과한다. LPG와 같은 액상 가스의 조기 증발을 방지하기 위해 펌프의 도움으로 압력을 상승시킬 필요가 있다. 결국, 증기 기포들은 유입 연료의 양을 급격하게 저하시키기 때문에 기관의 작동을 방해하며, 그 결과로서 점화 가능한 혼합물이 더 이상 존재하지 않게 된다. 고온에서는 탱크 내의 압력이 상승하며, 이 상승된 압력의 함수로서 설치된 압력 제어 장치를 제어함으로써 상승된 압력이 일정하게 유지된다. 이러한 것이 기술되어 있는 다른 공보는 일본 특허 출원 소화62-243956A이다.

내연 기관에서 분사용으로 사용되는 분사 장치에 상당한 요구가 부과되었다. 결국, 그러한 기관의 출력이 점진적으로 높아지고, 그러한 기관의 공전 소비가 더욱 낮아짐에 따라, 그와 같은 분사 장치가 작동해야 하는 범위도 점점 더 넓어지게 되었다. 이러한 범위는 공전과 최대 출력 사이에 있다. 이 최대 출력은 상대적으로 높은 회전수에서 얻어지며, 그 결과 분사 시간은 상대적으로 짧다.

이것은 그와 같은 분사 장치의 동적 범위에 상당한 요구가 부과된다는 것을 의미한다. 이 동적 범위는 소위 턴다운비(turn down ratio)로 표시되는데, 여기에서 턴다운비라 함은 공급될 최대 유량과 공급될 최소 유량 사이의 비(quotient)이다. 이 요구는 연료 레일, 즉 공급 라인의 압력이 거의 일정한 가솔린 기관용 분사 장치에 대하여 충족될 수 있다. 액화 가스가 분사되는 경우, 이러한 동적 범위는 공급 라인의 압력이 절대 조건에서 변하기 때문에 더욱 더 증가된다. 전술한 바와 같이, 저장 탱크 내부의 압력은 온도의 함수로서 변할 것이고, 상기 탱크에서의 절대 압력과 공급 시스템에서의 절대 압력을 조합한 결과로서, 이러한 압력도 역시 변할 것이다. 그 결과, 분사 장치의 동적 특성에 대하여 충족하기에 불가능하거나 실질적으로 불가능한 요구가 부과된다. 각각의 실린더에 대하여 개별 분사가 이루어지는 가솔린 기관의 경우에, 관련 실린더용 흡기관의 길이는 분사된 가솔린이 다른 실린더의 다른 흡기구로 결코 들어갈 수 없는 정도의 길이가 되도록 선택되며, 그 결과 4행정 기관의 분사 사이클은 720°가 될 수 있으며, 다시 말해서 거의 연속적이다. 그러나, 환경적인 고려 사항으로 인하여, 최근에는 순차적인 분사의 이용이 증가하고 있으며, 이에 의해 분사는 흡기 라인을 통과하는 공기 칼럼의 실질적인 운동 중에만, 즉 흡기 밸브가 개방되어 있는 동안에만 일어난다. 더욱 최근의 개발 상황에 따르면, 이러한 범위는 연소를 최적화하기 위해 더욱 더 축소된다. 이 모든 결과는 분사에 이용 가능한 시간이 감소하고 있고, 점점 더 엄격한 요구가 분사 장치에 부과되고 있다는 것이다.

미국 특허 제5,479,906호에는 증기 형태의 연료를 위한 연료 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에 따르면, 연료의 일부가 분사 장치에 의해 유입된다. 이는 복귀 라인이 설치된 펌프에 의해 수행된다. 연료 분사는 액상의 연료에 의해 일어난다. 펌프에서 행해진 일의 결과로서 탱크 내의 온도가 너무 많이 상승하는 것을 방지하기 위해, 연료 탱크의 최상부에 추기(抽氣) 라인(bleed line)을 만드는 것이 제안되었으며, 이 추기 라인에 의해 증기 형태의 연료가 연소 기관의 흡기 채널 속으로 유입될 수 있다. 탱크 내에서 액체에서 기체로 전환된 결과, 탱크의 온도는 하락한다. 분사 장치용의 연료 공급 레일 내의 압력은 원하는 배기 압력의 함수로서 제어될 수 있다고 할 수 있다. 탱크 내의 온도가 상승하면, 온도가 탱크 내에서 상승할 때의 경우와 마찬가지로 탱크 내에서 액체가 증발할 것이고, 개별 회로를 통해 연소될 것이다.

PCT 출원 WO 92/08886에 따르면, 탱크와 분사 장치 라인 사이의 압력차를 일정하게 유지시키는 것이 공지되어 있다.

본 발명은 액화 가스에 의해 구동되는 내연 기관용 연료 시스템에 관한 것으로서, 액화 가스용 저장 탱크와, 이 저장 탱크의 내용물과 연통하는 펌프와, 이 펌프에 연결되고, 상기 기관으로 액화 가스를 분사하기 위한 적어도 하나의 분사 장치에 타단부가 연결되는 공급 라인과, 이 공급 라인에서 상기 펌프에 의해 제공되는 압력 상승을 제어하고, 제어 유닛을 갖춘 압력 제어 수단을 구비한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 시스템의 제1 실시예를 도식적으로 보여준다.

도 2는 도 1에서 도식적으로 보여주는 레귤레이터를 상세하게 보여준다. 그리고.

도 3은 본 발명에 따른 연료 시스템의 추가 변형례를 상당히 도식적으로 보여준다.

본 발명의 목적은 가솔린/디젤 기관 기술에 주로 기초를 두고 있는, 즉 상응하는 동적 범위를 가지고 있는 기존의 분사 장치를 이용하여 이러한 형태의 신형 시스템을 실시할 수 있도록 하는 것이다. 환언하면, 이 목적은 한정된 동적 범위의 분사 장치를 이용하면서도 여전히 내연 기관 속으로 액화 연료를 분사시키기 위한 것이다.

이러한 목적은 탱크 내의 절대 압력이 증가함에 따라 압력 상승이 감소하는 방식으로 압력 제어 수단이 설계되어 있다는 점에서 전술한 바와 같은 연료 시스템에 의해 실현된다.

이러한 조치에 의해, 공급 라인 내의 절대 압력의 변화는 상당히 줄어들고, 그 결과 보다 한정된 동적 범위의 분사 장치 또는 분사 장치들로서도 충족될 수 있다. 본 발명에 따르면, 가령 5 기압의 일정한 압력 상승이 펌프에 의해 일어나는 종래 기술과는 대조적으로, 상기 압력 상승은 예컨대 온도의 함수로서 변하게 된다. 만약 온도가 높은 경우, 즉 저장 탱크 내의 압력이 높은 경우, 절대 압력 상승이 상대적으로 낮아질 것이며, 이에 반하여 온도가 낮은 경우, 즉 탱크 내의 압력이 낮은 경우, 압력 상승은 더욱 커지게 된다. 공급 라인 또는 분사 장치 내에 증기 기포의 형성에 대한 위험이 심지어 가장 높은 온도에서도, 즉 가장 낮은 압력 상승에서도 존재하지 않도록 다양한 특징이 실시된다는 것을 이해할 것이다. 또한, 이것은 특수한 작동 조건, 가령 연소 기관의 스위칭 오프(switching off)와 같은 경우에도 적용되며, 이 경우 스위칭 오프는 매우 짧은 시간 내에 컴퓨터 제어 방식으로 달성될 수 있어야만 한다.

본 발명에 따르면, 미국 특허 제5,479,906호와는 대조적으로, 탱크 내의 절대 압력이 상승하더라도 펌프에 의해 유발되는 압력 상승은 감소된다. 미국 특허 제5,479,906호에서는, 압력이 너무 높은 경우에는 액체가 추가로 증발되고, 필요한 경우 연료 펌프의 작동 조건이 원하는 배기 압력을 얻기 위해 교정된다.

더군다나, 본 발명에 따른 연료 시스템에 따르면, 액상의 LPG용 저장 탱크 내의 온도 상승을 제한하거나, 심지어 제거하는 것도 가능하다. 그와 같은 온도 상승은 탱크로부터 유체를 계속 펌핑함으로써 탱크 내로 들어오는 열에 의해 야기된다. 게다가, 동적 범위도 본 발명에 따른 연료 시스템에 의해 개선된다.

본 발명에 따라 다양한 압력 상승을 발생시키는 것은 선행 기술로부터 공지된 어떤 방식으로도 가능하다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 외부에서 제어될 수 있는 압력 레귤레이터가 분사 장치의 하류의 복귀 라인에 설치된다. 이 압력 레귤레이터의 기본적인 설정(setting)은 연료 탱크 내에서 검출되는 온도의 함수로서 조절된다. 물론, 탱크 내의 압력 뿐만 아니라, 대기 압력을 검출함으로써 압력차를 결정하는 것도 가능하다.

추가의 변형례에 따르면, 영구 개방형 스로틀부(restriction)가 복귀 라인에 합체되고, 또한 복귀 라인 자체도 상당한 저항을 가지고 있다. 이때, 공급 라인의 압력은 연료 유량의 조절을 통해 조절된다. 선택적으로, 다양한 특징이 압력 레귤레이터와 조합될 수 있다. 그와 같은 조합은 복귀 라인에서 탱크까지의 통로에 체크 밸브가 설치되기 때문에 빈번하게 이루어지게 되며, 이 체크 밸브는 스로틀부로서의 역할을 한다. 바람직한 실시예에 따르면, 이는 펌프의 출력을 변화시킴으로써, 보다 구체적으로는 연료 펌프의 회전 속도를 변화시킴으로써 가능하다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예에 따르면, 분사 장치는 펄스 폭에 의해 제어되는 분사 장치이다.

이하에서, 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1에서, 내연 기관은 도면 번호1에 의해 그 전체에 대하여 표시되어 있다. 이 기관의 흡기관(2)이 도시되어 있고, 이 흡기관 속에는 순차적인 분사를 위한 분사 장치(3)가 도시되어 있다. 이 분사 장치는 제어 유닛(13)에 의해 제어되며, 이 유닛으로 출력 요구에 대한 정보가 도시하지 않은 방식으로 제공되고, 이 유닛으로 온도 등과 같은 내연 기관 변수도 역시 제공된다. 그와 같은 제어 유닛은 일반적으로 분사 장치(3)와 조합된 상태로 종래 기술에 공지되어 있다. 이 분사 장치(3)는 공급 라인(6)을 통해 저장 탱크(4)로부터 LPG를 공급받으며, 그 저장 탱크 내에는 펌프(5)가 설치된다. 이들 분사 장치에는 압력 레귤레이터(7)가 수용되어 있는 복귀 라인(8)이 연결된다. 이 압력 레귤레이터(7)는 전기 도선(12)을 통해 제어 유닛(11)에 접속된다. 탱크(4) 내의 센서(9) 및 대기 압력부(10)로부터 발생하는 절대 압력에 관한 신호가 제어 유닛(11)으로 송신된다.

이러한 장치의 경우, 본 발명에 따르면 제어 유닛(11)은 센서(9)에 의해 검출된 압력이 분사 장치(13)에 의한 일정한 작동(take-off)에 따라 상승하는 경우에 압력 레귤레이터(7)가 더 많은 연료를 통과시킬 수 있도록 구성된다. 즉, 펌프(5)에 의해 야기된 절대 압력의 상승은 탱크(4) 내부의 압력 상승에 의해 부분적으로 상쇄된다. 이러한 압력 레귤레이터의 일례가 도 2에 도시되어 있다. 흡기구는 도면 번호15로, 그리고 배기구는 도면 번호16으로 표시되어 있다. 하우징(18)의 내부에는, 흡기구(15)와 배기구(16) 사이의 연통을 제어하는 용적형 피스톤(17)이 존재한다. 이 피스톤(17)은 스프링(19)의 압력을 받으며, 이 스프링의 일단부는 컵(20) 상에 지지된다. 이 컵(20)의 위치는 로터리 모터(22)에 결합되는 나사형 로드(21)에 의해 화살표(23)의 방향으로 변하며, 상기 로터리 모터는 도선(12)에 접속된다. 컵(20)을 상방으로 이동시킴으로써, 흡기구(15)와 배기구(16) 사이에서의 압력 상승은 증대된다. 그와 같은 레귤레이터는 복귀 라인(8)에 합체될 수도 있고, 탱크(4) 내의 복귀 라인의 단부에 합체될 수도 있다. 더군다나, LPG가 탱크 내에서 빠져나갈 때 발생하는 소음을 가능한 한 제한하기 위해 특별한 조치가 취해질 수 있다.

본 발명의 추가의 변형례는 도 3에 도시되어 있다. 이 도면에서 도 1 및 도 2에 도시된 구성 요소에 대응하는 구성 요소에는 동일한 도면 번호가 부여되어 있다. 또한, 내연 기관은 도시되어 있지 않다. 탱크(4) 내에 설치된 펌프는 이제 도면 번호25로 표시되어 있다. 이 펌프의 회전 속도는 조정될 수 있고, 이는 라인(30)을 통해 펌프에 접속된 제어 유닛(29)에 의해 제어된다. 회전 속도는 탱크 내에 설치된 온도 센서(26)에 의해 발생되는 신호에 의존한다. 결국, 탱크 내부의 압력은 그 내부의 온도로부터 정확하게 결정될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 단지 하나의 스로틀부(28)만을 구비한 압력 레귤레이터(27)는 이제 복귀 라인(28)에 합체되어 있다. 실제로, 압력 조절은 스로틀부(28) {그리고, 분사 장치(3)를 통해 분기관}과 상호 작용하여 모터(25)의 출력에 의해 결정된다. 이러한 장치에 있어서, 제어 유닛은 탱크 내의 온도가 상승할 때, 즉 탱크 내의 압력이 상승할 때, 펌프는 더 낮은 출력을 내며, 그 결과 라인(6) 내의 절대 압력이 증가하더라도, 라인(6)의 압력과 탱크(4)의 압력 사이의 차는 떨어지도록 되어 있다.

탱크 내의 절대 압력의 함수로서 공급 라인(6)의 절대 압력의 일례는 이하에 주어진다.

탱크 내의 압력(bar)	분사 장치에서의 압력(bar)	압력의 증가(bar)
21025	101629	864

위의 표에 따르면, 탱크 내의 압력이 상승하는 경우에, 라인(6)과 저장 탱크(4) 사이의 압력차는 감소한다는 것을 알 수 있다.

물론, 공급 라인 또는 분사 장치에서 심지어 최악의 조건들 하에서도 어떠한 증기의 형성도 발생할 수 없도록 다양한 특징이 선택된다.

발명의 개념이 광범위하게 다양한 방식으로 수행될 수 있다는 것을 상술한 내용으로부터 이해할 수 있는 것이다. 예컨대, 하나 이상의 펌프를 작동시키는 것도 가능하다. 게다가, 흡기관에서 나타나는 압력 감소를 교정하기 위한 교정 수단이 제공될 수도 있다. 또한, 예컨대 4 bar의 압력차가 얻어지는 고정된 설정부(fixed setting) 및 0 - 5 bar의 압력차가 얻어지는 고정된 스로틀부를 구비한 제어 장치의 직렬 회로로부터 압력 레귤레이터를 구성하는 것도 가능하다. 그러한 시스템은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속한다.

Claims (8)

1. 액화 가스에 의해 구동되는 내연 기관(1)용 연료 시스템으로서,

   액화 가스용 저장 탱크(4)와, 이 저장 탱크의 내용물과 연통하는 펌프(5, 25)에 연결되고 상기 액화 가스를 상기 내연 기관으로 분사하기 위한 적어도 하나의 분사 장치(3)에 타단부가 연결되는 상기 내연 기관용의 유일한 급송부인 단일의 공급 라인과, 이 공급 라인에서 상기 펌프에 의해 제공되는 압력 상승을 제어하고, 제어 유닛을 갖춘 압력 제어 수단(7, 11; 27, 29)을 구비하는 내연 기관용 연료 시스템에 있어서,

   상기 압력 제어 수단은 상기 탱크 내의 절대 압력이 상승함에 따라 상기 펌프에 의한 압력 상승이 감소하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 분사 장치(3)에는 상기 탱크로의 복귀 라인(8)이 마련되어 있고, 상기 압력 제어 수단(7, 27)은 상기 복귀 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 압력 제어 수단은 상기 펌프(25)의 출력에 영향을 미치는 제어 유닛(29) 뿐만 아니라 상기 복귀 라인(8)의 고정된 스로틀부(28)를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 펌프(25)의 회전 속도는 제어 가능한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 상승은 상기 탱크 내의 압력이 약 1-2 기압일 때에는 적어도 8 bar 이고, 상기 탱크 내의 압력이 약 25 기압일 때에는 최대 4 bar 인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 상승은 상기 탱크 내에 설치된 압력 센서(9)로부터 발생하는 신호로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 장치는 펄스 폭에 의해 제어되는 분사 장치인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 제어 수단은 고정된 설정부와 고정된 스로틀부를 구비한 레귤레이터 직렬 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 시스템.