KR101691740B1 - 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법 - Google Patents

고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법에 관한 것으로, 연료레일(1)과 고압인젝터(3)를 포함한 용기(11)가 수용되며 상기 용기(11)를 극저온 환경으로 구현해주는 온도챔버(10)와, 상기 연료레일(1)에 설정압력으로 시험용액을 인가하는 유압펌프유닛(20)과, 상기 용기(11)와 배관(15)을 통해 연결되며 상기 용기(11) 내부의 기체를 포집하여 상기 시험용액의 누설 여부를 확인하는 누설검출유닛(30)을 포함한다.
본 발명은 극저온 온도를 설정하고 시스템 압력을 변화시켜 줌에 따른 오링의 누설 여부를 확인할 수 있으므로, 극저온 환경에서의 누설에 대한 차량 안전성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

Description

고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COLD RESISTANCE ASSESSMENT OF HIGH PRESSURE INJECTOR O-RING}
본 발명은 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관용 GDI엔진의 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법에 관한 것이다.
GDI(Gasoline Direct Injection)엔진은 고압인젝터를 통해 연소실에 연료를 직접 분사시켜 공기와 혼합시키고 압축한 다음 점화플러그에서 전기적 불꽃을 일으켜 연소행정을 유도한다.
GDI엔진은 흡기에서 들어오는 공기와 연료를 빠르게 반응시켜 바로 연소실 내부에서 폭발시킬 수 있도록 고압으로 연료를 분사하게 되므로, 기존의 가솔린 엔진 방식에 비해 2~3% 정도의 연료를 적게 사용하면서도 출력 및 토크가 좋은 장점이 있다.
이러한, GDI엔진은 캠축에 의해 구동되는 연료펌프를 이용하여 연료레일로 고압의 연료를 공급하고, 연료레일로 공급한 연료를 고압인젝터를 통해 연소실로 분사하게 된다.
그런데, GDI엔진은 고압의 연료가 지속적으로 공급되는 시스템이기 때문에 연료 누설 등의 문제가 발생할 경우, 엔진 화재 등 사용자의 안전을 위협할 위험도가 높다.
따라서, 연료레일과 연결된 고압인젝터의 상부에는 오링을 사용하여 기밀성을 유지하고 있다.
구체적으로, 고압인젝터의 상부 외주면에 오링을 개재한 상태에서 고압인젝터가 연료레일의 밸브부 하부에 나사 결합됨으로써 연료레일과 고압인젝터 사이의 기밀성이 유지된다.
일반적으로, 오링의 기밀성은 응력비(stress ratio)에 의해 평가되나 극저온(-40℃) 환경 하에서 노출되는 GDI엔진의 경우 극저온 영역에서 오링이 수축함에 따라 기밀 성능에 급격한 저하가 발생할 수 있다. 따라서, 고무 오링을 차량에 적용하기에 앞서 GDI엔진 사용 압력 영역에서 오링의 기밀 성능을 보증할 수 있도록 성능 테스트 과정을 거쳐야 한다.
본 발명과 관련된 선행기술로 한국등록실용신안공보 제0390821호(자동차용 인젝터 검사장치, 공고일자:2005.07.27)가 있다.
그런데, 상기한 종래의 인젝터 검사장치는 인젝터의 결함 유무만을 검사하고 있고, 오링을 장착한 고압인젝터를 차량에 적용했을 때 발생되는 온도변화에 따른 내한성 테스트를 하기에는 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 오링을 장착한 고압인젝터를 실제 차량에 장착한 것과 유사한 환경에서 극저온 영역(-40℃)하에서 사용 가능한 시스템 압력에 대한 기밀 성능을 정밀하게 진단할 수 있도록 한 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 연료레일과 고압인젝터의 연결부위에 설치되는 오링의 내한성을 평가하기 위한 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치로서, 연료레일과 고압인젝터를 포함한 용기가 수용되며 상기 용기를 극저온 환경으로 구현해주는 온도챔버와, 상기 연료레일에 설정압력으로 시험용액을 인가하는 유압펌프유닛과, 상기 용기와 배관을 통해 연결되며 상기 용기 내부의 기체를 포집하여 상기 시험용액의 누설 여부를 확인하는 누설검출유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 설정압력은 0~300bar일 수 있다.
상기 시험용액은 노말 헵탄(n-heptane)일 수 있다.
차량 장착 상태와 동일한 상태의 연료레일과 고압인젝터를 포함한 용기를 온도챔버에 수용하는 단계와, 상기 온도챔버 내의 온도를 극저온 환경으로 구현하는 단계와, 상기 연료레일에 설정압력으로 시험용액을 인가하는 단계와, 상기 용기와 연결된 배관을 통해 상기 용기 내의 기체를 포집하여 상기 시험용액의 누설 여부를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 극저온 온도를 설정하고 시스템 압력을 변화시켜 줌에 따라 연료레일 분위기 온도에 따른 오링의 기밀성 유지 가능한 연료레일 내 최대압력 곡선을 얻을 수 있으며, 이를 통해 오링 자체 소재가 보증하지 못하는 극저온 영역하에서 사용 가능한 시스템 압력에 대한 기밀 성능을 정밀하게 진단할 수 있다.
따라서 본 발명은 극저온 환경에서의 GDI엔진용 고압인젝터 오링의 누설에 대한 차량 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치를 보인 구성도.
도 2는 도 1에서 연료레일과 고압인젝터의 연결부위에 설치되는 오링을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고압인젝터 오링의 내한성 평가방법을 보인 과정도.
도 4는 본 발명의 실시예로, GDI 시스템 내 GLT 오링의 기밀성 보증 압력 영역을 확인하여 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치는, 연료레일과 고압인젝터의 연결부위에 설치되는 오링의 내한성을 평가하기 위한 고압인젝터 오링의 내한성 평가장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 온도챔버(10), 유압펌프유닛(20), 누설검출유닛(30)을 포함한다.
온도챔버(10)는 극저온 환경을 구현하기 위한 것이다. 온도챔버(10)는 내부에 빈 공간이 형성된 육면체 형상으로 이루어지며 내부는 밀폐되어 외부와 차단된다. 온도챔버(10)는 내부의 환경조건 변화방지를 위해 벽면이 단열재로 형성된다.
온도챔버(10)에 연료레일(1)과 고압인젝터(3)를 포함한 용기(11)가 수용된다.
온도챔버(10) 내부의 온도를 조절하여 용기(11)를 극저온 환경으로 구현해주는 온도조절부(13)가 구비된다. 온도조절부(13)는 다양한 장치 및 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 온도조절부(13)는 온도챔버(10) 내부에 존재하는 공기를 냉각시켜 내부의 온도를 조절하는 공기조화기로 이루어질 수 있다.
온도조절부(13)에 의해 내부 용기(11)의 온도가 조절되는 온도챔버(10)는 연료레일(1)과 고압인젝터(3)의 연결부위에 설치되는 오링(5)을 다양한 온도조건하에서 시험할 수 있도록 한다. 예를 들어, 극저온, 극고온 환경 등에서 시험할 수 있는바, 극저온 및 극고온 환경에서 실제 차량에 장착했을 때와 동일한 실제 환경하에서 오링(5)의 내한성을 시험할 수 있다.
용기(11)는 연료레일(1)과 고압인젝터(3)의 연결부위에서 누설되는 시험용액을 포집하기 위한 것이다.
연료레일(1)은 실제 차량의 연료레일에 대응되는 구성으로 고압연료를 저장하는 기능과 고압연료를 개별 고압인젝터(3)로 분배하는 기능을 한다.
연료레일(1)은 일측이 유압펌프유닛(20)과 연결되는 연료유입부(7)를 형성하여 시스템 압력하에서 후술할 시험용액을 공급받을 수 있으며, 타측은 막혀 있어 연료레일(1)이 항상 고압 유지되게 한다.
연료레일(1)은 유입된 시험용액을 유압펌프유닛(20)으로 복귀하는 연료배출부(9)를 구비하고 있으며, 연료배출부(9)는 필요에 따라 선택적으로 개방될 수 있다.
고압인젝터(3)는 GDI엔진용 인젝터이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료레일(1)에 고압인젝터(3)가 연결되며 연료레일(1)과 고압인젝터(3)의 연결부위에 기밀성 확보를 위해 오링(5)이 설치된다.
예를 들어, 고압인젝터(3)의 상부 외주면에 오링(5)을 개재한 상태에서 고압인젝터(3)를 연료레일(1)의 하부 밸브부(2)에 나사 결합하면, 오링(5)이 고압인젝터(3)의 상부 외주면과 밸브부(2) 내주면 사이에서 압입되고 연료레일(1)과 고압인젝터(3) 사이의 기밀성이 유지될 수 있다.
밸브부(2)는 연료레일(1) 내로 공급된 연료를 고압인젝터(3)로 압송하기 위한 부분이다.
오링(5)은 GLT 오링을 사용한다. GLT 오링은 고무에 불소를 첨가한 바리톤 타입 오링의 한 종류이다. 바리톤 타입은 결합에너지가 큰 불활성 결합구조인 C-F 결합으로 되어 내열성, 내화학성, 내후성, 내오존성, 내한성이 우수하다.
아래의 표 1은 불소함유량 대비 내화학성, 내한성을 비교한 것이다.
구분 Standard Types Specialty Types
A B F GLT GFLT ETP
Nominal Polymer Fluorine Content, wt% 66 68 70 64 67 67
Percent Volume Change in Fuel C, 168 hr. at 23℃(73°F)* 4 3 2 5 2 4
Percent Volume Change in Methanol, 168 hr. at 23℃(73°F)* 90 40 5 90 5 5
Percent Volume Change in Methylethyl ketone,
168 hr. at 23℃(73°F)		 200 200 200 200 200 19
Percent Volume Change in 30% Potassium Hydroxide
168 hr. at 23℃(73°F)		 Samples too swollen and degraded to test
 -14
Low-Temperature Flexibility, TR-10, ℃* -17 -13 -6 -30 -24 -12
표 1에 의하면, GLT 오링은 -30℃ 범위까지 내한성을 보증한다.
본 발명에서는 GLT 오링 자체 소재가 보증하지 못하는 극저온 영역(-40℃)하에서 사용 가능한 시스템 압력에 대한 기밀 성능을 정밀하게 진단한다.
유압펌프유닛(20)은 연료레일(1)에 설정압력으로 시험용액을 인가하기 위한 것이다.
유압펌프유닛(20)은 실제 차량에 장착되는 고압펌프에 대응되는 것으로, 시험용액을 설정압력으로 고압 형성하여 연료레일(1)로 공급한다. 유압펌프유닛(20)은 서보모터(미도시)의 동력을 전달받은 캠축(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
설정압력은 차량에 장착한 것과 동일한 실제 환경의 연료압력인 0~300bar이고, 시험용액은 노말 헵탄(n-heptane)이다.
즉, 유압펌프유닛(20)을 통해 연료레일(1)에 차량에 장착한 것과 동일한 실제 환경의 연료압력인 0~300bar의 시스템 압력으로 노말 헵탄 시험용액을 인가하고, 오링(5)을 통해 누설이 발생되는지를 확인한다.
노말 헵탄은 누설검출유닛(30)에서의 측정 정밀도를 높이기 위해 사용된다.
노말 헵탄은 분자식이 C7H16인 물질이며, 빙점(대기압)이 -90.6℃로 극저온(-40℃) 상태에서 얼지않고 액체 상태를 유지하며, 대기압 하에서 안정적이므로 오링(5)의 내한성 시험용액으로 적합하다.
누설검출유닛(30)은 노말 헵탄의 누설 여부를 감지하기 위한 것이다.
누설검출유닛(30)은 용기(11)와 배관(15)을 통해 연결되며 용기(11) 내부의 기체를 포집하여 노말 헵탄 시험용액의 누설 여부를 확인한다.
누설검출유닛(30)은 배관(15)을 통해 포집된 기체를 점화한 후 탄소개수를 측정하여 노말 헵탄 시험용액의 누설 여부를 확인한다.
누설검출유닛(30)은 FID(Flame ionization detector) 누설검출유닛을 사용할 수 있다. FID 누설검출유닛은 수소/공기에 의해 형성된 불꽃에서 기체(시료)를 연소시켜 전화를 띤 이온을 생성하는 화합물만 검출한다.
도시하지 않았지만, 유압 펌프 유닛(20), 온도조절부(13), 누설 검출 유닛(30)의 작동 등을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 유압 펌프 유닛(20) 및 온도조절부(13)의 작동과 동시에 누설 검출 유닛(30)이 작동되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 유압 펌프 유닛(20) 및 온도조절부(13)가 작동하고 설정시간 후 누설 검출 유닛(20)이 작동하도록 제어할 수 있다.
한편, 고압인젝터 오링의 내한성 평가방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 차량 장착 상태와 동일한 상태의 연료레일(1)과 고압인젝터(3)를 포함한 용기(11)를 온도챔버(10)에 수용하는 단계(S1)와, 온도챔버(10) 내의 온도를 극저온 환경으로 구현하는 단계(S2)와, 연료레일(1)에 설정압력으로 시험용액을 인가하는 단계(S3)와, 용기(11)와 연결된 배관(15)을 통해 용기(11) 내의 기체를 포집하여 시험용액의 누설 여부를 확인하는 단계(S4)를 포함한다.
극저온 환경은 온도조절부(13)를 작동시켜 온도챔버(10) 내부의 온도를 극저온(-40℃) 온도로 설정하는 것이다. 다음으로, 유압펌프유닛(20)을 작동시켜 연료레일(1)로 0~300bar의 시스템 압력을 형성하면서 시험용액을 인가한다.
시스템 압력은 0~300bar 범위에서 변경 가능하다.
시험용액은 극저온 환경에서 얼지 않고 안정적인 노말 헵탄(n-heptane)을 사용한다.
시험용액의 누설 여부를 확인은 배관(15)을 통해 포집된 기체를 점화한 후 탄소개수 측정을 통해 확인한다.
오링(5)에서 시험용액의 누설 발생시 용기(11) 내부로 시험용액이 유입되므로 용기(11)와 연결된 배관(15)을 통해 기체를 포집하면 누설시 시험용액이 포함된 기체가 포집된다.
이 때, 시험용액의 분자식이 C7H16이고, 극저온 환경에서 얼지 않으므로 포집된 기체의 점화 후 탄소 개수 측정하면 시험용액의 누설 여부를 확인할 수 있고, 이를 통해 오링(5)의 기밀성을 진단할 수 있다.
이하, 본 발명의 작용을 설명한다.
차량 장착 상태와 동일한 상태의 연료레일(1)과 고압인젝터(3)를 포함한 용기(11)를 극저온 환경을 구현해 줄 온도챔버(10) 내부에 위치시킨다. 다음으로 유압펌프유닛(20)을 통해 연료레일(1)에 0~300bar의 노말 헵탄 용액을 인가하면서, 용기(11)의 기체를 배관(15)을 통해 누설검출유닛(30)에서 포집하여 노말 헵탄 용액의 누설 여부를 검사한다.
오링(5)을 통해 누설이 발생될 경우에는, 배관(15)을 통해 포집된 기체가 누설검출유닛(30)에서 점화 후 탄소개수 측정하는 것에서 검출된다.
실험결과, 연료레일(1) 분위기 온도에 다른 오링(5)의 기밀성 유지 가능한 연료레일(1) 내 최대 연료압력 곡선을 얻을 수 있으며, 이를 통해 오링(5) 자체가 보증하지 못하는 극저온 영역 하에서 사용 가능한 시스템 압력에 대한 기밀 성능을 정밀하게 진단할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, GDI 시스템 내 오링의 기밀성 보증 압력 영역(빗금친 부분)을 확인할 수 있다.
그에 따라, 레일온도 -40℃ 부터 -20℃까지의 극저온 영역하에서 사용 가능한 시스템 압력에 대한 오링의 기밀 성능을 정밀하게 진단할 수 있고, 극저온 환경에서의 누설에 의한 차량 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 연료레일 3: 고압인젝터
5: 오링 7: 연료유입부
9: 연료배출부 10: 온도챔버
11: 용기 13: 온도조절부
15: 배관 20: 유압펌프유닛
30: 누설검출유닛

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 차량 장착 상태와 동일한 상태의 연료레일과 고압인젝터를 포함한 용기를 온도챔버에 수용하는 단계;
    상기 온도챔버 내의 온도를 -40℃ 부터 -20℃의 극저온 환경으로 구현하는 단계;
    상기 연료레일에 설정압력으로 시험용액을 인가하는 단계; 및
    상기 용기와 연결된 배관을 통해 상기 용기 내의 기체를 포집하여 상기 시험용액의 누설 여부를 확인하는 단계를 포함하되,
    상기 설정압력은 0~300bar이고, 상기 시험용액은 노말 헵탄이며,
    상기 시험용액의 누설 여부를 확인하는 단계는,
    상기 배관을 통해 포집된 기체를 점화한 후, 탄소개수 측정을 통해 상기 시험용액으로 사용된 노말 헵탄이 누설 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 고압인젝터 오링의 내한성 평가방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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