CNG 차량의 연료제어장치

제1도는 일반적인 차량 엔진의 연료제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도.

제2도는 본 발명에 따른 CNG 차량의 연료제어장치의 구성을 설명하는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연료분배장치 12 : 연료분배관

14 : 연료분사기 16 : 엔진 본체

18 : 베터리 20 : 점화스위치

22 : 공기량 측정센서 24 : 공기량 측정부

26 : 전자제어장치 28 : 압력검출센서

30 : 온도검출센서 32,34 : 데이터변환기

본 발명은 압축천연가스(Compressed Natural Gas : CNG)를 주연료로 사용하는 CNG 차량의 연료제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CNG 차량에서 연료분배관내의 압축천연가스의 온도 및 압력에 대해 최적의 연료공급량이 공급되도록 제어하는 CNG 차량의 연료제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 가솔린 또는 LPG를 주연료로 사용하는 형식의 엔진에서는 연료펌프에 의해 펌핑되어 공급되는 연료를 연소시키기 위해 공기를 혼합해주어야만 되는 바, 그러한 공기는 공기청정기(Air Cleaner)를 통과하면서 청정해진 상태로 연료와 혼합되어 혼합가스의 형태로 연소되면서 동력을 발생하게된다. 그러한 엔진에서는 연료를 연소시키기 위해 필요한 공기를 적절한 비율로 혼합해야만 되고, 예컨대 연료 또는 공기중 어느 하나가 과부족상태, 즉 과농혼합비(過濃混合比) 또는 과박혼합비(過縛混合比)로 되면 불완전연소가 초래된다. 즉, 실제로 차량의 운전도중에 엔진이 요구하는 연료와 공기의 혼합비는 운전상태에 의존하게 되고, 그러한 점에서 엔진의 운전상태에 따라 적절한 혼합비의 혼합가스를 공급하도록 하기 위한 기화기가 채용된다.

그런데, 혼합가스를 연소시키는 경우에 이론적 혼합비보다 어느 정도는 증감되어도 연소는 가능하게 되지만 연소한도(또는 가연한도)를 초과하는 범위로 증감되는 경우에는 연소가 불가능하게 되고, 대체로 가솔린 엔진의 연소범위는 공기와 연료 (가솔린 )의 중량비가 8-20 : 1로 설정된다.

그리고, 연소범위의 혼합가스를 공급하여 연소시키는 정도만으로는 엔진의 성능을 충분히 발휘할 수는 없을 뿐만 아니라, 이론적 혼합비의 혼합가스를 공급하게 되더라도 엔진의 최대출력을 얻을 수는 없게 되고, 실제로 엔진의 최대출력을 얻기 위해서는 이론상의 혼합비보다도 가솔린 증기의 농도를 다소 많게 혼합해주게 된다. 따라서, 실제의 연소에는 운전상태에 적합하도록 혼합비를 보정해 줄 필요가 있다.

제1도는 일반적인 차량 엔진의 연료제어장치의 구성을 설명하는 모식도로서, 참조부호 10으로 표시된 차량의 엔진에 대한 연료분배구성에 따르면 연료탱크(도시 생략)로부터 연료펌프(도시 생략)를 통해 펌핑되어 공급되는 연료를 분배하기 위한 연료분배관(12)과 그 연료분배관(12)에 접속되어 엔진 본체(16)에 연료를 분사하는 복수의 연료분사기(Injector ; 14)를 갖추어 구성된다.

또, 제1도에서 참조부호 18로 표시된 배터리는 차량 전체에 필요한 전원을 제공하기 위해 채용되고, 20으로 표시된 점화스위치는 배터리(18)로부터 제공되는 전원을 이용하여 엔진의 점화를 제어하기 위한 기능을 수행하게 되며, 22와 24로 표시된 공기량 측정센서와 공기량 측정부는 연료분배관(12)에 접속된 연료분사기(14)로부터 분사되는 연료에 혼합될 공기량을 측정하는 작용을 수행하도록 채용되는데, 공기량 측정센서(22)는 예컨대 공기청청기(도시 생략)에 의해 청청화된 공기의 유량을 직접 측정하기 위한 공기유량측정기(Air Flow Meter)로 구성되는 반면, 공기량 측정부(24)는 그 공기유량측정기로 구성되는 공기량 측정센서(22) 대신에 예컨대 흡기매니폴드(도시 생략)내의 압력과 엔진회전수를 기초로 공기량을 측정하도록 구성된다.

26으로 표시된 전자제어장치(ECM 장치)는 엔진의 동작을 포함하는 차량의 전체적인 동작을 제어하면서 공기량 측정센서(22) 또는 공기량 측정부(24)로부터 인가되는 공기량을 기초로 최적의 연소가 가능한 연료를 공급하기 위해 미리 프로그램으로 설정된 구동시간에 따라 연료분사기(14)를 제어하는 작용을 수행하게 된다.

그와 같이 구성된 일반적인 엔진의 연료제어장치는 배터리(18)로부터 제공되는 전원에 의해 점화스위치(20)에 의한 점화가 행해지게 되면, 전자제어장치(26)는 공기량 측정센서(22) 또는 공기량 측정부(24)로부터 측정된 현재의 공기량을 기초로 최적의 혼합가스가 생성되도록 연료분배관(12)에 접속된 연료분사기(14)의 구동시간을 프로그램적으로 제어하여 연료의 공급을 조절하게 된다.

그런데, 그러한 가솔린 연료분사방식을 비교적 환경에 대한 영향이 적은 압축천연가스를 연료로 사용하기위한 CNG 엔진에 적용하게 되는 경우에는 기체 연료의 특성상 연료분배관(12)내의 온도 및 압력에 의해 그 밀도가 상당한 정도로 변화된다. 그러나, 대체로 전자제어장치(26)의 프로그램에 기초하여 연료분사기(14)의 구동시간이 정규적으로 제어되고, 그 때문에 흡입공기량이 동일한 상태에서 다른 동작조건(주변의 온도 및 압력)하에서 연료분사기(14)의 구동시간을 일정하게 하면 연소실로 공급되는 연료량에 대한 정확한 이론공연비를 맞추기 어렵게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료분배관의 내부 온도 및 압력을 측정하고 그 측정된 온도 및 압력에 대해 최적의 연료량을 산출하여 연료분사기의 구동시간을 보정하도록 된 CNG 차량의 연료제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 차량 엔진에 연료를 공급하는 연료분배관과 이 연료분배관에 접속되어 엔진에 대해 연료를 분사하는 복수의 연료분사기, 배터리로부터의 전원에 의해 상기 엔진의 점화를 제어하는 점화스위치를 갖추어 구성된 엔진의 연료분배장치에 있어서, 상기 연료분배관의 내부 압력과 온도를 검출하기 위한 센서와, 이 압력 및 온도검출센서로부터 검출된 연료분배관의 내부 압력 및 온도검출신호를 디지탈 변환하는 데이타변환수단, 공기량 측정수단으로부터 측정된 공기량을 기초로 상기 연료분사기의 구동시간을 제어하여 최적의 연료분사가 이루어지도록 하는 제어수단을 갖추어 구성된 CNG 차량의 연료제어장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 제어수단은 상기 연료분배관의 압력 및 온도변화에 따른 연료밀도를 기초로 상기 연료분사기의 구동시간을 가산 또는 감산 제어하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 CNG 차량의 연료제어장치에서는 연료분배관의 내부 압력과 온도를 검출하고, 그 검출된 압력 및 온도와 공기량을 기초로 연료밀도에 대한 최적의 연료분사기의 구동시간을 산출하여 그 산출된 구동시간에 따라 연료분사기를 구동시키게 되므로 최적의 연소조건을 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 CNG 차량의 연료제어장치의 구성을 설명하는 도면으로, 연료탱크(도시 생략)로부터 연료펌프(도시 생략)를 통해 펌핑되어 공급되는 연료를 분배하기 위한 연료분배관(12)에는 엔진 본체(16)에 연료를 분사하는 복수의 연료분사기(14)가 접속되고, 그 연료분배관(12)의 내측에는 그 연료분배관(12)의 내부 압력과 온도를 측정하기 위한 압력검출센서(28)와 온도검출센서(30)가 적소(適所)에 적절한 방법으로 설치 제공된다. 또, 상기 엔진 본체(16)에 대해서는 차량 전체에 필요한 전원을 제공하기 위한 배터리(18)와 이 배터리(18)로부터 제공되는 전원을 이용하여 엔진의 점화를 제어하기 위한 기능을 수행하는 점화스위치(20)가 접속된다.

또, 엔진의 동작을 포함하는 차량의 전체적인 동작을 제어하기 위한 전자제어장치(26)에는 상기 연료분배관(12)에 접속된 연료분사기(14)로부터 분사되는 연료에 혼합될 공기량을 측정하는 작용을 수행하도록 공기량 측정센서(22) 또는 공기량 측정부(24)가 연결되고, 그 공기량 측정센서(22)는 예컨대 공기청정기(도시 생략)에 의해 청정화된 공기의 유량을 직접 측정하기 위한 공기유량측정기로 구성되는 반면, 공기량 측정부(24)는 그 공기유량측정기로 구성되는 공기량 측정센서(22) 대신에 예컨대 흡기매니폴드(도시 생략)내의 압력과 엔진회전수를 기초로 공기량을 측정하도록 구성된다.

그리고, 상기 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도를 검출하도록 설치된 압력검출센서(28)와 온도검출센서(30)에는 그 검출된 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도를 디지탈데이터로 변환하기 위한 예컨대 아날로그-디지탈변환기로 구성된 데이터변환기(32, 34)가 대응적으로 접속된다.

또한, 상기 전자제어장치(ECM 장치 : 26)는 공기량 측정센서(22) 도는 공기량 측정부(24)로부터 인가되는 공기량과 상기 압력검출센서(28)와 온도검출센서(30)로부터 제공되는 상기 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도를 기초로 상기 엔진 본체(16)에 대해 최적의 연소가 가능한 연료를 공급하기 위해 연료분사기(14)의 구동시간을 제어하는 작용을 수행하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 CNG 차량의 연료제어장치의 동작에 의하면, 먼저 배터리(18)로부터 전원이 공급되는 상태에서 상기 점화스위치(20)를 조작하게 되면 상기 연료분배관(12)을 통해 연료탱크(도시 생략)로부터 연료가 연료분사기(14)에 공급된다. 이때, 상기 연료분배관(12)의 내측에 설치된 압력검출센서(28)와 온도검출센서(30)로부터 검출된 상기 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도가 대응하는 데이터변환기(32, 34)에서 디지탈데이터로 변환된 다음 상기 전기제어장치(26)에 인가된다. 또, 상기 공기량 측정센서(22) 또는 공기량 측정부(24)에 의해 직접 또는 간접적으로 측정된 흡입공기량도 상기 전자제어장치(26)에 인가된다.

상기 전자제어장치(26)는 상기 압력 및 온도검출센서(28, 30)에 의해 검출된 상기 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도를 기초로 주지의 기체방정식.

PV=ηRT와 ρ=V/RT

의 식에 의거 그 연료분배관(12)내의 압력 및 온도변화에 따른 연료밀도를 구하게 된다. 이어, 그 전자제어장치(26)는 상기 식에 의해 계산된 연료밀도를 기초로 상기 연료분배관(12)에 접속된 연료분사기(14)의 구동시간을 구하게 되는바, 그 연료분사기(14)의 구동시간은,

Indt′=Indt±ρｃ

(여기서, Indt′는 산출된 연료분사기(14)의 구동시간, Indt는 미리 적용된 연료분사기(14)의 구동시간, ρｃ는 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도에 대한 연료밀도의 보정량)에 의해 산출된다.

따라서, 상기 전자제어장치(26)는 상술한 바와 같이 하여 구해진 상기 연료분사기(14)의 구동시간에 따라 상기 연료분사기(14)의 구동을 제어하게 되므로, 연료분배관(12)의 내부 압력 및 온도의 변화에 대해서도 최적의 연료량의 공급이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CNG 차량의 연료제어장치에 의하면, 가솔린 엔진방식을 압축천연가스를 주연료로 사용하는 경우에 연료분배관의 내부 압력 및 온도의 변화에 대해서도 최적의 연료공급량을 확보할 수 있게 된다.