KR20040015998A - 천연가스연료 차량의 연료시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연가스연료 차량의 연료시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 흡기매니폴드의 인테이크와 엔진의 연소실사이에 인젝터가 각 연소실로 연결되는 위치에 구비된 가스레일을 개재해 각 연소실내로 유입되는 가스량을 균일하게 유지해 불완전연소를 방지하면서 유해가스의 발생 저감은 물론 인젝터의 장착을 위한 엔진 가공등의 공정을 줄일 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부에서 공기를 유입하는 흡기매니폴드(1)와 동력을 발생시키는 엔진(2)사이에 구비되어 연료유니트(20)로부터 천연가스를 유입시키는 가스레일(4)과 상기 엔진(2)의 연소실 위치에 맞도록 상기 가스레일(4)에 각각 위치되어 공급된 가스를 공기흐름 경로상에 공급하는 인젝터유니트(6), 상기 가스레일(4)로 공급되는 가스의 온도와 압력을 측정하도록 가스 유입구 선단부위에 구비된 온도·압력센서(7,8)로 이루어진 센서유니트 및 엔진(2)에서 최적의 성능을 발생하도록 주요 인자(factor)를 바탕으로 엔진으로 공급되는 가스와 공기량을 가변제어하는 콘트롤러(30)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 가속페달의 답입량 변화에 따라 터보차져(3)의 밸브 개·폐량 변경 여부를 판단해 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기량을 변경한 후, 이어 변경되어 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기의 압력과 온도를 측정해 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여 가스레일(4)로 공급되는 가스량을 조절하는 한편, 상기 가속페달의 답입량 변화에따른 터보차져(3)의 밸브 개·폐량 변경이 요구되지 않을 때 연소 후 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정해 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여 가스레일(4)로 공급되는 가스량을 조절하도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스연료 차량의 연료시스템 및 그 제어방법{Fuel injection system in CNG vehicle and control method thereof}

본 발명은 천연가스연료 차량의 연료시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 각 연소실마다 독립적으로 인젝터를 장착하면서 연소실로 공급되는 연료와 공기량을 최적으로 제어해 엔진 성능을 향상할 수 있도록 된 천연가스연료 차량의 연료시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 압축천연가스(이하 CNG라 칭함)는 3000 psi 또는 3600 psi의 고압에 의해 압축·저장되고 옥탄가가 120 정도를 갖으면서도, 천연가스를 연료로 사용하기 때문에 저렴한 연료비와 균일한 분배 및 흑연, 유황산화물, 일산화탄소 등의 유해 배기가스를 크게 저감시킬 수 있는 환경 친화적인 측면에서 승객을 운송하는 대형 차량인 버스 등에 많이 적용되어지고 있는 실정이다.

이와 같이 CNG를 사용하는 차량은 천연가스를 연료유니트로부터 즉, 고압 상태로 가스탱크에 저장된 가스를 엔진으로 공급하는 연료시스템을 구비하는데, 이 연료시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 배기가스를 통해 외부로부터 공급되는 공기를 어느 정도 압축하는 터보차져(3)와 공기를 어느 정도 가열시키는 인터쿨러(10) 및 공기량을 조절하는 드로틀바디(11)등이 순차적으로 구성된 흡기매니폴드(1)와, 이 엔진(2)의 측면부위로 장착되어 흡기매니폴드(1)의 인테이크부위를 통해 고압가스탱크로 이루어진 연료유니트부터 천연가스를 유입시키는 인젝터(6) 및 상기 흡기매니폴드(1)와 인젝터(6)를 통해 유입되는 공기와 천연가스를 서로 혼합해 엔진(2)의 연소실로 공급하는 믹서(9)로 이루어지게 된다.

이때, 상기 연료시스템의 가스량과 공기량의 공급정도는 엔진을 제어하는 콘트롤러인 ECU등에 의해 정밀하게 제어됨은 물론이다.

또한, 연료유니트의 가스탱크와 엔진의 연소실 사이를 연결하는 공급파이프상에 가스의 개폐작용을 하는 가스차단밸브가 설치됨은 물론 고압의 가스를 저압으로 감압하여 연소실로 공급하는 레귤레이터가 구비됨은 물론이다.

그러나, 이와 같은 연료시스템은 흡기매니폴드(1)와 엔진(2)사이에 단일한 인젝터(6)를 사용하여 즉, 상기 엔진(2)의 각 연소실로 분기된 흡기매니폴드(1)의 인테이크 전단에 장착되어 유입된 공기와 혼합된 후 연소실로 연결된 각 인테이크를 통해 나누어지게 되고 이로 인해, 엔진의 각 연소실로 분배되는 가스량이 모두 균일하면서 고르게 분배되지 못하는 경우가 있어 불완전연소를 가져올 확률이 많고 또한 노킹(Knocking)을 발생해 엔진에 악 영향을 줄 확률이 많은 단점이 있게 된다.

또한, 이와 같이 상기 흡기매니폴드(1)에서 분기되어 엔진(2)의 각 연소실로 분기된 인테이크 전단에서 인젝터(6)와 믹서(9)가 위치되어 가스의 흐름 경로 길이가 길어지게 되고 이로 인해, 상기 가스가 흡기매니폴드(1)와 믹서(9)내면을 형성하는 벽에 접촉되면서 흐르는 월 플로우(Wall Flow)현상이 발생되어 연소실내 가스 결핍에 의해 연소 후 유해가스의 발생이 증가되는 단점이 있게 된다.

또한, 이와 같이 인젝터(6)가 1개만이 이용되므로 인젝터(6)의 장착이 적당히 가공된 엔진의 측면부위에 브라켓트와 볼트 및 너트등을 이용해 고정시키게 되고 이에 따라, 상기 인젝터(6)를 고정하는 고정부재의 사용에 의한 비용상승은 물론 인젝터(6)의 장착위치 형성을 위한 엔진 가공에 따른 조립공정의 증가를 가져오는 단점이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 흡기매니폴드의 인테이크와 엔진의 연소실사이에 인젝터가 각 연소실로 연결되는 위치에 구비된 가스레일을 개재해 각 연소실내로 유입되는 가스량을 균일하게 유지해 불완전연소를 방지하면서 유해가스의 발생 저감은 물론 인젝터의 장착을 위한 엔진 가공등의 공정을 줄일 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부에서 공기를 유입하는 흡기매니폴드와 동력을 발생시키는 엔진사이에 구비되어 연료유니트로부터 천연가스를 유입시키는 가스레일과 상기 엔진의 연소실 위치에 맞도록 상기 가스레일에 각각 위치되어 공급된 가스를 공기흐름 경로상에 공급하는 인젝터유니트, 상기 가스레일로 공급되는 가스의 온도와 압력을 측정하도록 가스 유입구 선단부위에 구비된 온도·압력센서로 이루어진 센서유니트 및 엔진에서 최적의 성능을 발생하도록 주요 인자를 바탕으로 엔진으로 공급되는 가스와 공기량을 가변 제어하는 콘트롤러로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 가속페달의 답입량 변화에 따라 터보차져의 밸브 개·폐량 변경 여부를 판단해 흡기매니폴드로 유입되는 공기량을 변경한 후, 이어 변경되어 흡기매니폴드로 유입되는 공기의 압력과 온도를 측정해 각 인젝터에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여 가스레일로 공급되는 가스량을 조절하는 한편, 상기 가속페달의 답입량 변화에 따른 터보차져의 밸브 개·폐량 변경이 요구되지 않을 때 연소 후 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정해 각 인젝터에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여 가스레일로 공급되는 가스량을 조절하도록 된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래에 따른 단일 인젝터를 이용한 연료시스템의 개략적인 구성도

도 2는 본 발명에 따른 연료시스템의 전체적인 구성도

도 3은 본 발명에 따른 다수의 인젝터를 이용한 연료시스템의 부분 구성도

도 4는 본 발명에 따른 가스레일의 사시도

도 5는 본 발명에 따른 가스레일을 매개로 천연가스와 공기가 연소실로 유입되는 작동상태도

도 6은 본 발명에 따른 연료시스템의 제어 순서도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 흡기매니폴드1' : 배기매니폴드

2 : 엔진

3 : 터보차져4 : 가스레일

4a : 바디5 : 연결부

5a,...,5n : 제1·N 연결단6 : 인젝터유니트

6a,...,6n : 제1·N 인젝터7 : 온도센서

8 : 압력센서9 : 믹서

10 : 인터쿨러11 : 드로틀밸브

20 : 연료유니트30 : 콘트롤러

40 : 배기유니트50 : 페달감지센서

60 : 공기상태측정센서

60a,...,60n : 제1·N 센서70 : 산소센서

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2와 도 3은 본 발명에 따른 다수의 인젝터를 이용한 연료시스템의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 연료시스템은 터보차져(3)와 인터쿨러(10) 및 드로틀바디(11)를 거쳐 유입되는 공기를 엔진(2)쪽으로 안내하는 흡기매니폴드(1)와, 연료유니트(20)로부터 천연가스가 유입되도록 연결되면서 각 측면이 각각 흡기매니폴드(1)의 인테이크부위와 엔진(2)의 연소실부위로 결합되는 가스레일(4), 상기 엔진(2)의 연소실 위치에 맞도록 상기 가스레일(4)에 각각 위치되어 공급된 가스를 공기흐름 경로상에 공급하는 인젝터유니트(6), 상기 가스레일(4)로 공급되는 가스의 온도와 압력을 측정하도록 가스 유입구 선단부위에 구비된 온도·압력센서(7,8)로 이루어진 센서유니트 및 엔진(2)에서 최적의 성능을 발생하도록 주요 인자(factor)를 바탕으로 엔진으로 공급되는 가스와 공기량을 가변하도록 각각 터보차져(3)와 인젝터유니트(6)를 제어하는 콘트롤러(30)로 이루어진다.

여기서, 상기 콘트롤러(30)에는 기 설정된 엔진 작동 조건 데이터와 비교·판단해 엔진을 제어하도록 주요 인자(Factor)를 측정하고 감지하기 위해 즉, 차량의 가속·감속 상태를 판단하도록 조작되는 가속페달의 답입량을 측정하는 페달감지센서(50)와, 터보차저(3)를 통해 유입되어 흡기매니폴드(1)를 흐르는 공기의 온도와 압력을 측정하는 공기상태측정센서(60) 및 엔진에서 연소 후 배기유니트(40)를 통해 외부로 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정하는 산소센서(70)들의 측정값이 제공되어지게 된다.

여기서, 상기 공기상태측정센서(60)는 엔진(2)의 연소실로 유입되는 공기의 온도와 압력을 측정하도록 흡기매니폴드(1)로부터 연소실로 분기되는 인테이크에 상응되는 다수의 제1·N 센서(60a,...,60n)로 이루어짐은 물론이다.

그리고, 상기 가스레일(4)은 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 소정 형상의 바디(4a) 내부로 가스가 유입되어 인젝터유니트(6)를 통해 흐르는 가스 통로를 형성하면서 그 하부부위로 흡기매니폴드(1)로부터 연소실로 분기되는 인테이크가 결합되도록 연결부(5)를 형성하되, 상기 연결부(5)와 인젝터유니트(6)는 연소실에 각각 연결되는 인테이크에 상응되도록 다수의 제1·N 연결단(5a,...,5n)과 제1·N 인젝터(6a,...,6n)로 이루어진다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 연료시스템은 외부로부터 유입되는 공기가 터보차져(3)와 인터쿨러(10)를 거쳐 엔진 콘트롤러(30)를 통해 조건과 상황에 따라 개도되는 드로틀바디(11)를 거쳐 흡기매니폴드(1)로 유입되고 이와 더불어, 상기 흡기매니폴드(1)와 엔진(2)사이에 구비된 가스레일(4)로 엔진 콘트롤러(30)를 통해 연료유니트(20)로부터 공급되는 천연가스가 공기와 혼합되면서 엔진(2)의 연소실로 유입되어진다.

즉, 상기 가스레일(4)이 흡기매니폴드(1)로 유입된 공기를 각 연소실로 보내도록 분기된 인테이크와 엔진의 연소실사이에 구비되어, 도 5에 도시된 바와 같이 흡기매니폴드(1)의 인테이크를 통해 엔진(2)의 연소실로 흐르면서 가스레일(4)을 지나게 되면, 상기 가스레일(4)로 연료유니트(20)로부터 공급된 가스가 인젝터유니트(6) 즉, 각 연소실로 이어지는 흐름통로 마다 설치된 제1·N 인젝터(6a,...,6n)를 통해 가스와 공기가 혼합되어 각 연소실로 공급되어 엔진(2)의 동력을 발생하게 된다.

이와 같이, 상기 흡기매니폴드(1)와 엔진(2)사이에 구비된 가스레일(4)의 인젝터유니트(6)가 엔진(2)의 각 연소실로 분기된 흡기매니폴드(1)의 인테이크에 각각 구비된 제1·N 인젝터(6a,...,6n)를 통해 각 연소실로 가스를 공급하므로 이에 따라, 상기 엔진(2)의 각 연소실로 분배되는 가스량이 모두 균일하게 되어 불완전연소와 노킹(Knocking)을 발생할 확률이 극히 낮아지게 된다.

한편, 본 발명은 이와 같이 각 연소실로 각각 구비된 제1·N 인젝터(6a,...,6n)를 통해 가스를 공급함에도 불구하고 불완전연소와 노킹(Knocking)등의 발생을 방지하기 위해 엔진으로 공급되는 공기와 가스의 혼합량을 콘트롤러(30)가 정밀하게 제어하게 되는데 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 가속페달의 답입량이 변하게 되면 이를 측정하는 페달감지센서(50)의 신호를 받은 콘트롤러(30)가 외부로부터 공기를 유입시키는 터보차져(3)의 밸브 개·폐량 변경 여부를 판단하게 된다.

이어, 상기 콘트롤러(30)가 터보차져(3)의 밸브 개·폐량을 변경해 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기량이 변경되면 이때, 상기 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기의 압력과 온도를 측정하는 공기상태측정센서(60)의 신호를 받아 인젝터유니트(6)의 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하고 이에 따라, 상기 연료유니트(4)로부터 가스레일(4)로 공급되는 가스량을 조절해 공기에 섞여지는 가스량을 조절해 불완전연소와 노킹(Knocking)등의 발생을 방지하게 된다.

한편, 상기 콘트롤러(30)가 가속페달의 답입량 변화에도 불구하고 터보차져(3)의 밸브 개·폐량을 변경할 필요성이 없게 되면, 상기 콘트롤러(30)는 연소 후 배기유니트(40)를 통해 외부로 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정하는 산소센서(70)의 신호를 받아 인젝터유니트(6)의 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단해 가스레일(4)로 공급되는 가스량의 조절여부를 판단해 엔진의 불완전연소와 노킹(Knocking)등의 발생을 방지하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 외부에서 공기를 유입하는 흡기매니폴드와 동력을 발생시키는 엔진사이에 구비된 가스레일에 엔진의 각 연소실에 독립적으로 연료유니트로부터 공급된 천연가스가 유입되도록 각 연소실에 상응되는 다수의 인젝터가 구비되어, 엔진의 작동시 상기 인젝터를 통해 가스가 각 연소실에 독립적으로 공급되므로 분배되는 가스량이 모두 균일하게 이루어지는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 가속페달의 답입량 변화와 흡기매니폴드로 유입되는 공기의 압력과 온도는 물론 연소 후 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정해 각 인젝터에 대한 개·폐시간을 변경하게 되고 이에 따라, 연소실로 유입되는 공기에 대한 가스 비율이 항상 최적으로 이루어져 엔진의 불완전연소와 노킹(Knocking)등의 발생을 차단할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 인젝터가 구비된 가스레일을 매개로 엔진에 장착되므로 엔진을 가공하지 않고 장착되어져 엔진 가공 공정이 없음은 물론 공기와 가스를 혼합해주는 믹서를 통하지 않고서도 가스와 공기를 혼합해 가스의 월 플로우(Wall Flow)현상이 발생되지 않는 효과가 있음은 물론이다.

Claims (5)

1. 터보차져(3)와 인터쿨러(10) 및 드로틀바디(11)를 거쳐 유입되는 공기를 엔진(2)쪽으로 안내하는 흡기매니폴드(1)와, 연료유니트(20)로부터 천연가스가 유입되도록 연결되면서 각 측면이 각각 흡기매니폴드(1)의 인테이크부위와 엔진(2)의 연소실부위로 결합되는 가스레일(4), 상기 엔진(2)의 연소실 위치에 맞도록 상기 가스레일(4)에 각각 위치되어 공급된 가스를 공기흐름 경로상에 공급하는 인젝터유니트(6), 상기 가스레일(4)로 공급되는 가스의 온도와 압력을 측정하도록 가스 유입구 선단부위에 구비된 온도·압력센서(7,8)로 이루어진 센서유니트 및 엔진(2)에서 최적의 성능을 발생하도록 주요 인자를 바탕으로 엔진으로 공급되는 가스와 공기량을 가변하도록 각각 터보차져(3)와 인젝터유니트(6)를 제어하는 콘트롤러(30)로 이루어진 천연가스연료 차량의 연료시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 콘트롤러(30)에는 기 설정된 엔진 작동 조건 데이터와 비교·판단해 엔진을 제어하도록 차량의 가속·감속 상태를 판단하도록 조작되는 가속페달의 답입량을 측정하는 페달감지센서(50)와, 터보차저(3)를 통해 유입되어 흡기매니폴드(1)를 흐르는 공기의 온도와 압력을 측정하는 공기상태측정센서(60) 및 엔진에서 연소 후 배기유니트(40)를 통해 외부로 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정하는 산소센서(70)들의 측정값이 제공되어지는것을 특징으로 하는 천연가스연료 차량의 연료시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 인젝터유니트(6)는 엔진의 각 연소실에 상응되도록 다수의 제1·N 인젝터(6a,...,6n)로 이루어지는 한편, 상기 공기상태측정센서(60)도 흡기매니폴드(1)로부터 각 연소실로 분기되는 인테이크에 각각 구비되는 제1·N 센서(60a,...,60n)로 이루어진 것을 특징으로 하는 천연가스연료 차량의 연료시스템.
4. 가속페달의 답입량 변화에 따라 터보차져(3)의 밸브 개·폐량 변경 여부를 판단해 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기량을 변경한 후, 이어 변경되어 흡기매니폴드(1)로 유입되는 공기의 압력과 온도를 측정해 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여 가스레일(4)로 공급되는 가스량을 조절하는 천연가스연료 차량의 연료시스템 제어방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 가속페달의 답입량 변화에따른 터보차져(3)의 밸브 개·폐량 변경이 요구되지 않을 때 연소 후 배출되는 배기가스내 산소의 농도를 측정해 각 인젝터(6a,...,6n)에 대한 개·폐시간의 변경 유·무를 판단하여가스레일(4)로 공급되는 가스량을 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 천연가스연료 차량의 연료시스템 제어방법.