KR100907055B1

KR100907055B1 - 자동차의 액화천연가스 공급 장치

Info

Publication number: KR100907055B1
Application number: KR1020070116628A
Authority: KR
Inventors: 황병우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-07-09
Also published as: KR20090050277A

Abstract

본 발명은 인젝터(injector)에 공급되는 액화천연가스(liquefied natural gas; LNG)의 압력을 일정하게 유지시키는 자동차의 액화천연가스 공급 장치에 관한 것이다.

본 발명은 LNG탱크로부터 공급받은 LNG와 열유체 사이의 열교환을 통하여 상기 LNG를 데우는 열교환기; 상기 열교환기에 연결되어 있으며, 상기 LNG를 상기 인젝터에 공급한는 LNG공급라인; 상기 LNG공급라인의 LNG를 상기 열교환기로 피드백 시키는 피드백 라인;을 포함하되, 상기 열교환기는 상기 LNG공급라인의 LNG의 압력에 따라 상기 LNG와 열유체 사이의 전열면적을 변화시킴으로써 LNG의 압력을 유지할 수 있다.

LNG, 핀(fin), 열유체(heat fluid)

Description

자동차의 액화천연가스 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING LIQUEFIED NATURAL GAS OF VEHICLES}

본 발명은 자동차의 액화천연가스 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인젝터(injector)에 공급되는 액화천연가스(liquefied natural gas; LNG)의 압력을 일정하게 유지시키는 자동차의 액화천연가스 공급 장치에 관한 것이다.

근래, 자동차의 배기가스로 인한 대기 오염이 심각하며, 이러한 대기 오염을 줄이기 위하여 자동차 설계자들은 많은 연구를 하였다.

일반적으로, 천연가스는 액화되기 전에 탈황 과정을 거치므로 LNG는 황 성분이 적다. 따라서, LNG 차량은 대기 오염을 줄이고자 하는 목적에 부합한다. 이러한 LNG 차량은 인젝터에 공급되는 LNG의 압력을 유지하는 것이 중요하다. 만일 LNG의 압력이 낮거나 고출력이 요구되면, LNG 차량은 LNG 부족으로 인한 동력 저하 및 진동이 발생하였으며, 심한 경우에는 엔진이 정지되었다.

LNG의 압력을 유지하기 위하여, LNG 차량은 일반적으로 레귤레이터(regulator) 또는 서지 탱크(surge tank)를 사용하였다.

상기 레귤레이터는 LNG의 압력을 과도하게 감소시켜 레귤레이터를 사용하는 LNG 차량에서는 급가속시 또는 등판 주행 등과 같이 고출력이 요구되는 경우 순간적인 동력 저하 및 진동이 발생하였다. 이와는 반대로, 작은 출력이 요구되거나 아이들(idle) 상태에서는 상기 레귤레이터는 LNG 압력을 과도하게 상승시켜 급출발 등의 문제점이 발생하였다.

또한, 서지 탱크는 압력 조절 능력이 용량에 비례하므로 그 성능을 향상시키기 위해서는 용량이 큰 서지 탱크를 사용하여야 했다. 따라서, 차량에 서지 탱크를 설치할 공간이 부족하고 이는 상품성의 저하를 가져왔다.

한편, 종래의 LNG 공급 장치는 액화된 천연가스를 기화시키기 위하여 열교환기를 사용하였으며, 열교환기 내에서 LNG와 열유체 사이에 열교환이 일어났다.

열교환기 내에서 교환되는 열량 Q는 Q=W*C*(T2-T1)=w*c*(t2-t1)=U*A*dtlm의 식으로부터 계산된다. 여기서, W는 단위 시간당 LNG의 유동량, w는 단위 시간당 열유체의 유동량, C는 LNG의 비열, c는 열유체의 비열, T1은 LNG의 입력 온도, T2는 LNG의 출력 온도, t1은 열유체의 입력 온도, t2는 열유체의 출력 온도, U는 총괄전열계수, A는 전열면적, 그리고 dtlm은 단위시간당 LNG와 열유체의 평균 온도 변화량을 나타낸다.

인젝터에 공급되는 LNG의 압력을 일정하게 유지하기 위하여는 단위 시간당 LNG 유동량(W)을 일정하게 유지하여야 한다. 즉, 압력이 낮은 경우 단위 시간당 LNG 유동량(W)을 증가시켜야 한다.

위 식에서, C, c, T1, T2, t1, t2, U, 그리고 dtlm은 엔진에 따라 미리 설정된 값으로 그 값을 변화시키기가 어렵다. 즉, 엔진이 필요한 성능을 발휘하기 위하 여 상기 값들은 특정 값으로 정해져 있으며, 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU)은 상기 값들이 특정 값이 되도록 제어한다.

또한, w를 증가시키기 위하여는 별도의 모터 시스템(motor system) 및 이를 제어하기 위한 복잡한 제어 로직이 필요하다.

따라서, 단위 시간당 LNG 유동량(W)을 증가시키기 위하여는 전열면적(A), 즉 LNG와 열유체 사이에 열교환이 일어나는 면적을 증가시켜야 한다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 인젝터로 공급되는 LNG의 압력에 따라 전열면적을 변화시킴으로써 LNG의 압력을 일정하게 유지시키는 자동차의 액화천연가스 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치는 액화천연가스(liquefied natural gas; LNG) 탱크에 저장된 LNG를 엔진의 인젝터에 공급한다.

상기 자동차의 액화천연가스 공급 장치는, 상기 LNG탱크로부터 공급받은 LNG와 열유체 사이의 열교환을 통하여 상기 LNG를 데우는 열교환기; 상기 열교환기에 연결되어 있으며, 상기 LNG를 상기 인젝터에 공급한는 LNG공급라인; 상기 LNG공급라인의 LNG를 상기 열교환기로 피드백 시키는 피드백 라인;을 포함하되, 상기 열교환기는 상기 LNG공급라인의 LNG의 압력에 따라 상기 LNG와 열유체 사이의 전열면적을 변화시킴으로써 LNG의 압력을 유지할 수 있다.

상기 열교환기는 격막에 의하여 제1,2부분으로 나누어지며, 상기 LNG와 열유체 사이의 열교환은 제1부분에서만 일어날 수 있다.

상기 열교환기는, 열교환 전열면적을 확보하기 위한 케이스; 상기 LNG탱크에 연결된 입력 라인; 상기 LNG공급라인에 연결된 출력 라인; 상기 케이스에 내장되어 있으며, 상기 격막을 관통하여 상기 입력 라인과 상기 출력 라인을 연결하는 열교 환 라인; 상기 열교환기에 열유체를 공급하는 열유체 공급 라인; 상기 열교환기로부터 열유체를 배출하는 열유체 배출 라인; 그리고 상기 제1부분에 설치된 열교환 라인의 외주면에 설치되어 상기 LNG와 열유체 사이의 열교환을 시키는 핀;을 포함할 수 있다.

상기 열교환기는 상기 피드백 된 LNG의 압력에 따라 상기 격막을 움직여 상기 제1부분의 전열면적을 변화시키는 압력 조절기를 더 포함할 수 있다.

상기 압력 조절기는, 상기 피드백 라인에 연결되어 LNG공급라인의 LNG를 공급 받는 실린더; 상기 실린더에 내장되어 있으며, 그 일면에 상기 피드백 된 LNG의 압력이 가해지는 피스톤; 상기 피스톤의 타면에 탄성력을 가하는 탄성부재; 그리고 상기 피스톤과 격막을 연결하는 연결 막대;를 포함할 수 있다.

상기 압력 조절기는 상기 피드백 된 LNG의 압력이 설정 압력 이하가 되는 경우 상기 격막을 움직여 제1부분의 전열면적을 증가시킬 수 있다.

상기 케이스와 상기 격막 사이에는 마찰을 감소시키고 실링을 위한 O링이 게재되어 있을 수 있다.

상기 입력 라인은 상기 제1부분에 연결되고 상기 출력 라인은 상기 제2부분에 연결될 수 있다.

상기 열유체 공급 라인과 열유체 배출 라인은 상기 제1부분에 연결될 수 있다.

상기 실린더는 상기 케이스와 일체로 형성되어 있을 수 있다.

상기 압력 조절기는 제2부분에 설치되어 있을 수 있다.

상기 LNG공급라인에는 상기 LNG를 여과하는 필터와 고장시 상기 LNG의 공급을 차단하는 잠금 밸브가 설치되어 있을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치에 의하면, LNG의 압력에 따라 전열면적을 변화시킴으로써 인젝터에 공급되는 LNG의 압력이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

따라서, 급가속시 또는 등판 주행 등과 같이 고출력이 요구되는 경우에도 순간적인 동력 저하 및 진동을 줄일 수 있으며, 이에 따라 LNG 차량의 상품성이 향상된다.

또한, 레귤레이터나 서지 탱크와 같은 별도의 장치가 필요 없으므로 부품비가 절감되고 상품성이 향상된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치를 보인 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치는, 액화천연가스(liquefied natural gas; LNG) 탱크(10), 열교환기(20), 엔진(60), 그리고 LNG공급라인(80)을 포함한다.

LNG 탱크(10)는 LNG를 저장하고 있다. 상기 LNG 탱크(10)는 천연가스를 액화된 상태로 유지하기 위하여 단열재료로 만들어 지며, 그 내부 온도는 약 -153℃이다.

열교환기(20)는 입력 라인(15)을 통하여 LNG 탱크(10)의 LNG를 공급받고 출력 라인(25)을 통하여 상기 LNG를 LNG공급라인(80)에 공급한다. 또한, 상기 열교환기(20)는 열유체 공급라인(90)을 통하여 열유체를 공급받고 열유체 배출라인(95)을 통하여 열유체를 배출한다. 상기 열교환기(20)는 공급받은 LNG와 열유체 사이에 열교환이 일어나도록 하여 LNG를 기화시킨다.

엔진(60)은 인젝터(70)를 포함하고 있으며, 상기 인젝터(70)는 상기 LNG공급라인(80)을 통해 LNG를 공급받아 이를 엔진(60)의 연소실로 분사한다.

상기 LNG공급라인(80)은 그 일단이 상기 출력라인(25)에 연결되며 그 타단이 상기 인젝터(70)에 연결된다. 상기 LNG공급라인(80)에는 LNG의 압력이 설정된 압력이 되도록 조절하는 볼 밸브(30)와, LNG를 여과하는 필터(40)와, 고장시 LNG의 공급을 차단하는 잠금 밸브(50)가 설치되어 있다.

또한, 상기 LNG공급라인(80)에는 피드백 라인(85)이 분기되어 있으며, 상기 피드백 라인(85)은 상기 열교환기(20)에 연결되어 LNG공급라인(80)을 흐르는 LNG의 압력을 피드백한다.

이하, 도 2 및 도3을 참고로, 상기 열교환기를 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치에서 열교환기를 보인 단면도이고, 도 3은 도2의 "Ⅲ" 부분의 확대도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(20)는 케이스(205), 입력 라인(15), 출력 라인(25), 열교환 라인(220), 열유체 공급 라인(90), 열유체 배출 라인(95), 핀(210), 그리고 압력 조절기(310)를 포함한다.

케이스(205)는 LNG와 열유체 사이의 전열면적을 확보한다. 상기 케이스(205)는 그 내부에 설치된 격막(230)에 의하여 제1,2부분(290, 300)으로 구획된다. 상기 케이스(205)와 상기 격막(230)은 단열재질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제1부분(290)에는 입력 라인(15)이 연결되고, 상기 제2부분(300)에는 출력 라인(25)이 연결된다.

입력 라인(15)은 상기 LNG 탱크(10)에 연결되어 있으며, LNG는 상기 입력 라인(15)을 통해 열교환기(20)으로 입력된다.

출력 라인(25)은 상기 LNG공급라인(80)에 연결되어 있으며, LNG를 열교환기(20)로부터 LNG공급라인(80)에 공급한다.

따라서, 상기 입력 라인(15)을 통해 열교환기(20)로 입력된 LNG는 제1부분(290)과 제2부분(300)을 차례로 통과한 후 상기 출력 라인(25)을 통해 LNG공급라인(80)에 공급된다.

열교환 라인(220)은 상기 케이스(205)에 내장되어 있으며 상기 격막(230)을 관통하여 상기 입력 라인(15)과 상기 출력 라인(25)을 연결한다.

열유체 공급 라인(90)은 상기 열교환기(20)에 열유체를 공급하고, 열유체 배 출 라인(95)은 상기 열교환기(20)로부터 열유체를 배출한다. 상기 열유체 공급 라인(90)과 상기 열유체 배출 라인(95)은 상기 제1부분(290)에 연결되어 있다. 따라서, 열교환기(20)에 공급된 열유체는 제1부분(290) 내에서만 이동하며 LNG와 열교환한다.

핀(210)은 LNG와 열유체 사이의 열교환을 촉진시킨다. 앞에서 설명한 바와같이, 열유체와 LNG는 열교환기(20)의 제1부분(290)에서만 열교환을 하므로 상기 핀(210)은 상기 제1부분(290)에 설치된 열교환 라인(220)의 외주면에 설치되어 있다. 상기 핀(210)은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.

압력 조절기(310)는 피드백 된 LNG 압력에 따라 격막(230)을 움직여 제1부분(290)의 전열면적을 변화시킨다. 상기 압력 조절기(310)는 실린더(260), 피스톤(240), 탄성부재(250), 그리고 연결 막대(270)를 포함한다.

실린더(260)는 상기 케이스(205)와 일체로 형성되어 있으며, 상기 피드백 라인(85)에 연결되어 LNG공급라인(80)의 LNG를 공급 받는다. 즉, LNG의 압력에 따른 힘을 피스톤(240)에 가한다.

피스톤(240)은 상기 실린더(260)에 내장되어 있다. 상기 피스톤(240)은 일면에 작용하는 LNG의 압력에 따른 힘과 타면에 작용하는 탄성력에 의하여 왕복운동을 하며 상기 격막(230)을 움직인다.

탄성부재(240)는 상기 피스톤(240)과 상기 실린더(260) 사이에 게재되어 있으며 상기 피스톤(240)의 타면에 탄성력을 가한다.

연결 막대(270)는 상기 피스톤(240)과 격막(230)을 연결하여 상기 피스 톤(240)의 움직임에 따라 상기 격막(230)이 움직이도록 한다.

만일 LNG의 압력이 설정 압력(예를 들어, 8bar)보다 작으면, 탄성부재(250)의 탄성력이 LNG 압력에 따른 힘보다 커지게 된다. 이 경우, 상기 피스톤(240)과 상기 피스톤(240)에 연결된 격막(230)은 도면에서 우측으로 움직이고, 제1부분(290)의 체적이 증가하게 된다. 즉, LNG와 열유체 사이의 전열면적이 증가하게 된다. 따라서, 단위 시간당 LNG 유동량이 증가되고 이에 따라 LNG의 압력이 높아진다.

이와는 반대로, 만일 LNG의 압력이 설정 압력보다 크면, 탄성부재(250)의 탄성력이 LNG 압력에 따른 힘보다 작아지게 된다. 이 경우, 상기 피스톤(240)과 상기 피스톤(20)에 연결된 격막(230)은 도면에서 좌측으로 움직이고, 제1부분(290)의 체적이 감소하게 된다. 즉, LNG와 열유체 사이의 전열면적이 감소하게 된다. 따라서, 단위 시간당 LNG 유동량이 감소되고 이에 따라 LNG의 압력이 낮아진다.

만일 LNG의 압력이 설정 압력과 같아지면, 탄성부재(250)의 탄성력이 LNG 압력에 따른 힘과 같아진다. 이 경우, 상기 피스톤(240)과 격막(230)은 움직이지 않고 제1부분(290)의 체적은 유지된다. 따라서, 현재의 단위 시간당 LNG 유동량이 유지되고 이에 따라 LNG의 압력이 유지된다.

한편, 상기 열교환기(20)의 제1부분(290)에서는 열유체가 유동하고 있으므로 상기 압력 조절기(310)의 내구성 향상을 위하여 압력 조절기(310)는 열교환기(20)의 제2부분(300)에 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 격막(230)과 케이스(205) 사이에는 마 찰을 감소시키고 실링을 위한 O링(280)이 게재되어 있을 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 액화천연가스 공급 장치에서 열교환기를 보인 단면도이다.

도 3은 도2의 "Ⅲ" 부분의 확대도이다.

Claims

액화천연가스(liquefied natural gas; LNG) 탱크에 저장된 LNG를 엔진의 인젝터에 공급하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치에 있어서,

상기 LNG탱크로부터 공급받은 LNG와 열유체 사이의 열교환을 통하여 상기 LNG를 데우는 열교환기;

상기 열교환기에 연결되어 있으며, 상기 LNG를 상기 인젝터에 공급하는 LNG공급라인;

상기 LNG공급라인의 LNG를 상기 열교환기로 피드백 시키는 피드백 라인;

을 포함하되,

상기 열교환기는 격막에 의하여 제1,2부분으로 나누어지며, 상기 LNG와 열유체 사이의 열교환은 제1부분에서만 일어나고,

상기 열교환기는 상기 LNG공급라인의 LNG의 압력에 따라 상기 격막이 움직여 제1,2부분의 면적을 변화시킴으로써 상기 LNG와 열유체 사이의 전열면적을 변화시키고, 전열 면적 변화에 따라 단위 시간당 LNG 유동량이 변화함으로써 LNG의 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 열교환기는,

열교환 전열면적을 확보하기 위한 케이스;

상기 LNG탱크에 연결된 입력 라인;

상기 LNG공급라인에 연결된 출력 라인;

상기 케이스에 내장되어 있으며, 상기 격막을 관통하여 상기 입력 라인과 상기 출력 라인을 연결하는 열교환 라인;

상기 열교환기에 열유체를 공급하는 열유체 공급 라인;

상기 열교환기로부터 열유체를 배출하는 열유체 배출 라인; 그리고

상기 제1부분에 설치된 열교환 라인의 외주면에 설치되어 상기 LNG와 열유체 사이의 열교환을 시키는 핀;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 3항에 있어서,

상기 열교환기는 상기 피드백 된 LNG의 압력에 따라 상기 격막을 움직여 상기 제1부분의 전열면적을 변화시키는 압력 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 4항에 있어서,

상기 압력 조절기는,

상기 피드백 라인에 연결되어 LNG공급라인의 LNG를 공급 받는 실린더;

상기 실린더에 내장되어 있으며, 그 일면에 상기 피드백 된 LNG의 압력이 가해지는 피스톤;

상기 피스톤의 타면에 탄성력을 가하는 탄성부재; 그리고

상기 피스톤과 격막을 연결하는 연결 막대;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 5항에 있어서,

상기 압력 조절기는 상기 피드백 된 LNG의 압력이 설정 압력 이하가 되는 경우 상기 격막을 움직여 제1부분의 전열면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 3항에 있어서,

상기 케이스와 상기 격막 사이에는 마찰을 감소시키고 실링을 위한 O링이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 3항에 있어서,

상기 입력 라인은 상기 제1부분에 연결되고 상기 출력 라인은 상기 제2부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 3항에 있어서,

상기 열유체 공급 라인과 열유체 배출 라인은 상기 제1부분에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 5항에 있어서,

상기 실린더는 상기 케이스와 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 4항에 있어서,

상기 압력 조절기는 제2부분에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.
제 1항에 있어서,

상기 LNG공급라인에는 상기 LNG를 여과하는 필터와 고장시 상기 LNG의 공급을 차단하는 잠금 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 액화천연가스 공급 장치.