액화연료의 엔진 직접분사시 액체팽창증기폭발 증발을일으키기위한 연료분사제어 방법
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액화연료의 엔진 직접분사시 액체팽창증기폭발 증발을 일으키기 위한 연료분사제어 방법 {Feul injection control method for BLEVE in direct injection engine}
종래의 LPG 차량의 연소 가스 획득 방법은 액화 연료를 증발기로 가스상태로 증발시켜 얻는 방법을 사용하였다. 그러나, 이 방법은 증발기를 사용함으로써 장치가 복잡하고 연소 가스의 양을 늘리는데 어려운 점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 방안으로 도3에서와 같이 액화연료분사(3)를 인젝터(1)를 통해 엔진연소실(2)에 직접 분사하는 방안이 제시되고 있는데 액화 연료를 고속으로 증발시키려면 분사압력과 온도 제어를 통하여 BLEVE가 일어나는 조건 즉 플래시 증발이 일어나도록 하는 것이다.
도 2에서 나타낸 바와 같이 액체 상태의 액화 연료가 T 1 의 등온선을 따라서 압력을 낮추어 가면 P' 1 에 도달하면 액화 연료가 포화 상태에 도달하고 여기서 더욱 압력을 낮추어 P 1 까지는 불안정한 상태에서 액체 상태를 유지할 수 있다. 그러나, P 1 점에서는 (dP/dV) T =0 점이 존재하고 이들을 연결한 것이 스핀노달(spinodal) 곡선이라고 부른다. 스핀노달 곡선이 가지는 물리적 의미는 액화연료의 압력 및 비체적이 스피노달 곡선 기준으로 우측 영역의 상태로 액화연료를 분사하게 되면BLEVE를 수반하는 플래시 증발(flash evaporation) 일어나게 되어 증발이 매우 빠르게 일어나는 특징이 있다.
액화연료 직접분사에 의한 고속 증발 관련하여서는 본 발명자의 특허공개번호 특2001-0047911 '액화 가스 연료의 직접 분사 및 고속 증발에 의한 다량의 가스 연료의 획득 방법'으로 발명한 바 있는데 이 발명은 액화연료 직접분사를 하되 BLEVE 가 일어나지 않도록 분사압과 온도를 제어하는 방안을 제시하였다. 이 방안은 소각탑 실험과 같이 대용량의 액화 연료를 증발시키는 경우 BLEVE 가 강력한 충격파를 수반할 수 있기 때문에 안전을 고려한 발명으로 도1에서 AB 영역에 걸쳐서 액화연료를 분사하였다. 이와는 달리 본 발명은 BLEVE가 일어나도록 하는 조건에서 연료를 분사하는 방법으로 매우 작은 량의 액화연료를 엔진에 직접 분사하기 때문에 BLEVE가 일어나더라도 그 충격파의 영향이 매우 미미한 것으로 알려져 있다. BLEVE 증발 영역에서는 플래시 증발이 일어나기 때문에 BLEVE가 일어나지 않는 조건과 비교하여 증발속도가 매우 빠른 장점을 가지고 있어 본 발명이 고안되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 액화 연료를 엔진에 직접분사하되 액화연료가 BLEVE 영역에서의 플래시 증발이 일어나도록 그 분사하는 액화연료의 분사압과 분사온도를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 다른 목적이나 효과는 첨부된 도1, 도2 및 도3과 후술하는상세한 설명을 통해 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 액화연료의 액체팽창증기폭발 증발을 일으키기 위한 증발제어 그래프
도 2는 액화 연료의 압력 체적선도
도 3은 액화연료 엔진직접분사 개념도
상기 목적을 달성하기 위하여 액화 연료분사를 위한 제어맵을 도 1에 제시하였으며 BLEVE 가 일어나는 조건을 설명하기 위한 것으로 프로판가스의 임계점 및 과열한계를 나타낸 것이다. 본 발명에서는 액화연료를 도1의 C영역의 압력 및 온도 조건에서 BLEVE가 일어날 수 있는 도1의 D영역(엔진실린더 조건)으로 분사함으로써 플래시 증발이 이루어지도록 연료를 분사하는 것이다. 도1의 C 영역에서 액화연료의 온도 제어 범위는 0~80 °C 이고 동시에 압력제어 범위는 30 기압이상 범위로 제어한다.
액화 연료를 실린더에 직접분사하려면 연료가 순간적으로 증발하는 것이 매우 중요하데 이러한 현상을 플래시 증발이라고 하며 증발시 BLEVE를 수반하는 특징이 있다. 플래시 증발 조건이 되도록 액화 연료의 압력과 온도를 제어함으로써 가능하다. 본 발명을 통하여 액화연료를 실린더에 직접 분사하게 됨으로 인해 액화 연료의 증발기가 불필요 하며, 기체 상태에서 연료량을 제어하는 것에 비해 액체 상태의 연료를 제어하면 그 정밀도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
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