KR102045131B1 - 대체 내연기관의 시험시 공기를 조정하기 위한 장치 및 방법과 상기 장치의 이용. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 왕복 내연기관을 시험할 때 대기를 조정하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 연소 엔진의 흡기구에 연결되는 유입구 덕트, - 연소 엔진의 배기구에 연결되는 유출구 덕트, 유입구 덕트를 유출구 덕트와 연통시키는 연통 덕트, 상기 유입구 덕트 내에 배열된 바이패스 밸브, 유입구 덕트내부의 수퍼 차징 터보 조립체, 유출구 덕트 내에 배열된 열교환기, 열교환기 다음에 배열된 터보 차저를 포함한다. 상기 장치는 유입구 덕트를 유출구 덕트에 연결시키는 제1 삼경로 밸브, 유출구 덕트 내에 배열된 온/오프 밸브, 유출구 덕트 내에 배열되는 제2 삼경로 밸브, 상기 유출구 덕트를 대기와 연결시키는 제어 밸브, 연통 덕트를 상기 열교환기와 연결시키는 유출구 덕트의 섹션을 추가로 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 시험용 연소 엔진 분야 및 좀 더 구체적으로 연소엔진을 시험하는 동안 대기를 조정(conditioning)하기 위한 장치에 관한 것이다.
테스트 벤치(test bench)에서 왕복운동 기관을 시험하고 특성화(characterizing)하기 위해 다수의 환경에서 흡기부 및 배기구에서 정밀한 압력 및/또는 온도 제어가 요구된다. 이것은, 예를 들어 고도에 따른 엔진 제어를 교정하기 위한 시험작업(testing campaigns) 과정, 냉간 시동 연구, 시험작업 과정 동안 시간 경과에 따른 기준 조건의 반복성에 해당한다.
다수의 경우들에서 발생되는 문제점은, 압력이 대기압보다 작은 즉 고 고도 조건을 시뮬레이션하기 위해 압력에 대해 제어하는 것이다. 이러한 경우는, 예를 들어 실험이 수행되는 실험실의 고도보다 높은 고도의 높이에서 엔진 작동이 연구되어야 할 때 또는, 엔진과 항공 장비를 연구할 때 발생된다. 그러나, 다른 경우들에서, 예를 들어 지리적으로 높은 고도에 위치한 실험실에서 해수 높이 상태가 재현되어야 때 또는 해수 높이 아래의 광산 내에서 엔진 거동이 연구되어야 할 때 대기압을 증가시켜서 저고도 상태를 재현하는 것이 바람직할 수도 있다.
일부 방법들이 상기 형태의 대기 상태 모의실험을 수행하기 위한 기술에 공지되어 있다.
예를 들어 본 특허문헌의 동일 출원인이 소유한 특허 문헌 제ES2398095A1호에 의하면, 일정 높이에서 작동하는 왕복 내연기관에 의해 흡인된 공기의 압력 및 온도 상태를 모의 실험하기 위한 장비가 공개된다. 상기 장비는 특히 왕복 내연기관에 의해 흡인되는 공기의 압력과 온도까지 공기 유동을 팽창시키기 위한 레이디얼 구심 터빈을 포함한다. 그러나, 특허 문헌 제ES2398095A1호에 공개되는 장비는 주로 항공분야 적용을 위해 상대적으로 높은 고도를 연구하기 위해 전용되는 것이지만 해수 높이 아래에 위치한 광산과 같이 상대적으로 낮은 고도에서 엔진 작동을 연구하기 위해 전용되지 못한다.
특허 문헌 제WO2008036993호는 내연기관으로 조정된 연소 가스를 공급하기 위한 방법과 장치를 공개한다. 배출가스는 엔진의 흡기시 도입되는 공기와 혼합될 수 있다. 내연기관의 배출가스는 연소엔진의 배출가스를 위한 흡기 시스템, 선호적으로 필터, 희석 덕트 및 팬(fan)을 포함한 시스템에 의해 배출가스 파이프를 통해 방출된다.
본 특허 문헌의 출원인이 소유하고 본 발명과 가장 유사하다고 고려되는 특허 문헌 제 ES2485618호에 의하면, 장비가 위치하는 높이보다 더 높은 높이 및 더 낮은 높이에서 작동하는 왕복 내연기관에 의해 흡인되는 공기의 압력과 온도 상태를 모의실험하기 위한 장비가 공개된다. 그러나, 특허 문헌 제 ES 2485618 호의 장비는 상대적으로 복잡하고, 제조상 어려움과 그에 따른 비용을 증가시킨다. 또한, 이러한 복잡한 구조는 결국 압력 강하를 발생시켜서 장비가 위치하는 고도 및 왕복 내연기관 내에서 모의실험되어야 하는 고도 사이의 작은 고도차이를 허용하지 않는다.
그러므로, 내연 기관을 시험하기 위해 서로 다른 높이에서 대기상태를 모의실험하기 위한 일부 방법과 장치들이 공지되어 있지만, 종래 기술에 비하여 장점을 가지는 선택적인 방법과 장치들을 위한 기술이 아직까지 필요하다. 예를 들어 실험이 수행되는 장비의 위치 및 내연기관 내에서 모의실험되어야 하는 고도 사이의 작은 고도 차이를 정밀하게 모의실험할 수 있는 장치가 필요하다.
본 발명의 제1 특징에 의하면, 종래기술의 상기 문제점들을 해결하는 연소 엔진을 시험하기 위해 대기를 조정(conditioning)하기 위한 장치가 공개된다. 이를 위해, 본 발명의 장치는
- 제1 단부에서 시험되어야 하는 연소 엔진의 흡기구에 연결되고 제2 단부를 통해 외부 대기로부터 공기를 흡인하는 유입구 덕트,
- 제1 단부에서 연소 엔진의 배기구에 연결되고 제2 단부를 통해 외부 대기로 배출가스를 배출하는 유출구 덕트,
- 각각의 제1 단부와 근접한 위치에서 상기 유입구 덕트를 유출구 덕트와 연통시키는 제1 연통 덕트를 포함하여 장치의 흡기구가 장치와 배기구와 연통하며,
- 상기 유입구 덕트 내에 배열된 바이패스 밸브를 포함하고,
- 유입구 덕트 내에서 공기 유동을 전환시켜서 상기 바이패스 밸브를 향해 순환시키는 수퍼 차징 터보 조립체를 포함하며, 상기 터보 조립체는 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산시키기 위한 소산 시스템과 연결된 터빈을 포함하고, 상기 바이패스 밸브와 터빈은
상기 유입구 덕트 내에서 목표 압력 및 공기 유동 값을 구하기 위해 제어될 수 있고,
- 배기가스를 안전 온도까지 냉각시키기 위해 유출구 덕트 내에 배열된 열교환기를 포함하며,
- 상기 바이패스 밸브와 터빈과 함께 흡기 공기 및 흡기 공기 유동의 압력을 제어하기 위해 터보차저 차징 수단에 의해 충진되고 열교환기의 하류위치에 배열되고 유출구 덕트 내에 위치한 터보 차저를 포함한다.
본 발명을 따르는 장치의 특징에 의하면, 상기 장치는
- 제2 연통 덕트를 통해 바이패스 밸브의 상류위치에 배열되는 유입구 덕트를 터보차저의 상류위치에 배열된 유출구 덕트에 연결시키는 제1 삼경로 밸브,
- 상기 제2 연통 덕트와 유출구 덕트가 연결되는 연결점 및 열교환기 사이에서 덕트 내에 배열된 온/오프 밸브,
- 상기 온/오프 밸브 및 열교환기 사이에서 상기 터보 차저와 유출구 덕트의 하류위치에 배열된 유출구 덕트를 연결하는 제2 삼경로 밸브,
- 상기 유출구 덕트를 대기와 연결시키고 덕트 내에 배열된 제어 밸브,
- 유입구 덕트의 연결부와 덕트의 연결부사이에서 제1 연통 덕트를 상기 열교환기와 연결시키는 유출구 덕트의 섹션을 추가로 포함한다.
따라서, 삼경로 밸브, 바이패스 밸브 및 온/오프 밸브의 세트 구조에 의해 대기 공기에 대해 유입구 공기 압력을 증가 또는 감소시키기 위한 장치가 이용될 수 있고, 유입구 공기 압력의 증가 모드로부터 유입구 공기 압력의 감소 모드로 용이하게 전환될 수 있다. 또한, 본 발명의 장치 내에 구성된 밸브들의 신규한 구조에 의해 장치가 배열된 높이에 대해 예를 들어, +/- 200m, +/- 100m, +/- 50m, 미만의 작은 높이 변화를 모의실험하는 온도 변화가 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 특징에 의하면, 본 발명은 또한 본 발명의 제1 특징을 따르는 대기를 조정하기 위한 장치에 의해 연소 엔진들을 시험하기 위해 대기를 조정하기 위한 방법을 공개하고, 상기 방법은,
- 대기 유입구 공기에 압력 변화가 발생되는 단계,
- 배출가스를 유입구 공기와 직접 연통시키기 위해 유입구 공기를 유출구를 향해 전환시키는 단계,
- 시험되어야 하는 엔진의 흡기구에 압력 변화가 발생되는 유입구 공기를 도입하는 단계,
- 배출가스가 터보 차저를 통과하기 위한 안전 온도까지 배출가스의 온도를 감소시키는 단계,
- 배출가스를 시험중인 엔진으로부터 대기 내로 배출하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 제1 특징을 따르는 장치를 이용하여 본 발명의 방법은 작은 높이 변화뿐만 아니라 큰 높이 변화를 모의 실험하는 압력 변화를 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에 의하면, 유입구 공기의 압력변화 단계는 터보 차저, 터빈 및 유입구 공기의 양을 제어하는 바이패스 밸브의 결합작용에 의해 수행된다.
마지막으로, 본 발명의 제3 특징에 의하면, 본 발명의 방법은 또한 장치가 배열된 높이에 대해 예를 들어, +/- 200m, +/- 100m, +/- 50m, 미만과 같은 매우 작은 높이 변화를 모의실험하는 압력 변화에 의해 연소엔진을 시험할 때 대기로부터 압력을 조정하기 위해 본 발명의 제1 특징을 따르는 장치의 이용을 공개한다.
본 발명은, 예로서 제공되고 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하는 본 발명의 선호되는 실시예들을 도시하는 하기 도면들을 참고하여 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 제1 작동 모드를 따르고 본 발명의 제1 실시예를 따르는 장치의 선도를 도시한 도면.
도 2는 제2 작동 모드를 따르고 본 발명의 제1 실시예를 따르는 장치의 선도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명을 따르는 장치의 터빈 내에서 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산시키기 위한 선택적 실시예에 관한 선도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명을 따르는 장치의 터보 차저에 관한 선택적 실시예를 도시한 선도.
도 1은 제1 작동 모드를 따르고 본 발명의 제1 실시예를 따르는 장치의 선도를 도시한 도면.
도 2는 제2 작동 모드를 따르고 본 발명의 제1 실시예를 따르는 장치의 선도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명을 따르는 장치의 터빈 내에서 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산시키기 위한 선택적 실시예에 관한 선도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명을 따르는 장치의 터보 차저에 관한 선택적 실시예를 도시한 선도.
본 발명의 선호되는 실시예를 따르는 장치가 도 1 및 도 2를 참고하여 서로 다른 두 개의 작동 모드에 따라 아래와 같이 설명된다. 도 1에서, 상기 장치는 연소 엔진이 시험되고 있는 지형적 높이에 대해 상대적으로 높은 고도, 즉 상대적으로 낮은 압력에서 모의실험하기 위해 이용된다. 즉 높은 산악 지역에서 엔진을 작동시키는 예이다.
도 2에서 상기 장치는 연소 엔진이 시험되고 있는 지형적 높이에 대해 상대적으로 낮은 고도, 즉 상대적으로 높은 압력에서 모의실험하기 위해 이용된다. 즉 예를 들어, (실험실이 상대적으로 높은 위치에 설치될 때) 해수 높이 또는 심지어 예를 들어, 광산 내부와 같이 해수면 아래에서 엔진을 작동시키는 예이다.
도 1에 도시된 본 발명의 선호되는 제1 실시예에 의하면 엔진의 위치 또는 공기 필터(2)의 위치를 변경할 필요없이 진공으로부터 과압(overpressure)으로 전환될 수 있다.
도 1을 참고할 때, 상기 장치는 시험해야 하는 (도면에 도시되지 않는) 연소 엔진의 흡기구와 제1 단부(1a)에서 연결되도록 배열된 유입구 덕트(1)를 포함한다. 상기 유입구 덕트(1)는 외부 대기로부터 공기가 흡인되는 제2 단부(1c)에서 필터(2)를 가진다. 상기 필터(2)는 상기 장치 내로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 장치는 또한, 제1 단부(3a)에서 연소 엔진의 배출가스에 연결되도록 배열되고 제2 단부(3f)를 통해 대기 내로 배출 가스를 밀어내는 유출구 덕트(3)를 포함한다. 상기 유입구 덕트(1) 및 유출구 덕트(3)는 상기 유입구 덕트(1) 및 유출구 덕트의 제1 단부(1a,3a)들과 근접하게 위치하고 두 개의 섹션(4a,4b)들로 분할되는 제1 연통 덕트(4)에 의해 연통(communicated)된다. 상기 장치의 유입구는 상기 장치의 배출구와 연통된다.
본 명세서에서 도면부호 1, 3 및 4는 각각 유입구 덕트, 유출구 덕트 및 제1 연통 덕트를 나타낸다. 각각의 도면 부호와 함께 글자가 이용되면 해당 덕트의 섹션을 나타낸다. 상기 명명은 단지 이해를 위해 이용되며 통상의 기술자는 상기 덕트들이 반드시 서로 다른 덕트일 필요는 없으며 오히려 한 개의 동일한 덕트의 섹션들이라는 것을 이해할 것이다.
장치가 진공을 발생시키는 경우를 나타내는 도 1을 참고할 때, 유입구 공기는 유입구 덕트(1)로부터 유출구 덕트(3)까지 제1 연통 덕트(4a)를 통해 순환하고, 상기 공기는 필터(2)를 통해 장비에 의해 흡인된 공기와 엔진에 의해 요구되는 공기 사이에 차이를 나타낸다. 따라서, 유출구 덕트(3b) 내부에 공기 및 배출가스의 혼합물이 존재한다. 이를 위하여, (아래에서 더욱 상세하게 설명되는) 제어 밸브(23)가 완전히 밀폐된다.
상기 장치는 또한 유입구 덕트(1)내에 배열된 바이패스 밸브(6)를 포함한다.
상기 장치는 추가로, 유입구 덕트(1)내부에 배열되고 상기 바이패스 밸브(6)를 향해 순환하는 상기 유입구 덕트(1)의 공기 유동을 전환시키는 수퍼 차징 터보 조립체를 포함한다. 상기 터보 조립체는 다음에 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산시키기 위한 소산(dissipation) 시스템과 연결된 터빈(8)을 포함한다. 상기 터빈(8)은 선호적으로 가변 기하형상 터빈(variable geometry turbine)(VGT)이고 더욱 선호적으로 레이디얼 구심형 터빈이다.
도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 선호되는 실시예에 의하면, 터빈 내에서 팽창하는 동안에 발생되는 에너지를 소산하기 위한 소산 시스템은 레이디얼 유동 원심 압축기(9)를 포함한다. 상기 압축기(9)는 대기로부터 공기를 흡인하는 필터(10)에 연결되고 적어도 한 개의 배압 밸브(back pressure valve)(11) 및 상기 압축기(9)가 흡인 공기를 대기로 방출하는 머플러(muffler)(12)에 연결된다.
또한, 제1 삼 경로(three way) 밸브(5)는 상기 터빈(8)의 상류위치에 배열되고, 이를 위해 아래에서 상세하게 설명되는 것처럼, 상기 밸브가 상기 유입구 덕트(1c)로부터 터빈(8)까지 공기의 통과를 허용하고 공기가 제2 연통 덕트(21)로 통과하는 것을 방지하도록 밸브(5)가 배열된다.
상기 바이패스 밸브(6) 및 터빈(8)은, 상기 유입구 덕트(1b)내에서 목표 질량 유동율 및 압력값을 구하도록 제어된다. 그러므로, 상기 제1 삼 경로 밸브(5)와 상기 바이패스 밸브(6)의 하류위치에 배열된 유입구 덕트(1b)내에서 유입구 공기 유동은, 상기 터빈(8)내에서 팽창하는 공기 및 상기 바이패스 밸브(6)를 통해 전환되는 공기의 혼합물이다.
마지막으로 상기 흡인 공기가 다시 상기 유입구 덕트(1b)속을 통과하기 전에 응축물 분리기(13)가 상기 터빈(8)의 하류위치에 배열된다.
도 1에서 진공을 발생시키는 작동 모드를 가지는 유출구 덕트(3)가 다음에 설명된다. 이 경우, 제어 밸브(23)는 밀폐되고 온/오프 밸브(15)는 개방된다. 그러므로, 제1 연통 덕트(4a)로부터 유입 공기와 희석되는 유출구 덕트(3a)의 배출가스가 열교환기 내에서 터보차저(17) 속으로 안내하기에 안전한 온도까지 냉각(14)된다.
열교환기(14)는 냉각제 유체로서 실온에서 수돗물과 같은 모든 적합한 유체를 이용할 수 있다.
상기 열교환기(14)를 지나고 터보 차저(17)를 통과하기 전에 배출 가스는 응축물 분리기(16)를 통과한다.
상기 터보차저(17)는 적어도 한 개의 전기 엔진(18)으로 구성된 터보 차징 수단에 의해 충진(charged)된다. 상기 터보차저(17)는 유출구 덕트(3d)로부터 공기와 배출가스의 냉각 혼합물을 흡인하여 상기 장치로부터 상기 혼합물을 제거한다. 흡인되는 공기가 가지는 질량유동율 및 압력의 주어진 목표값이 도달될 때까지 상기 전기 엔진(18)은 터보차저(17)의 회전 속도를 제어하고 상기 터빈(8)과 바이패스 밸브(6)와 함께 상기 상태를 제어한다.
상기 터보차저(17)에 의해 흡인되는 배출가스와 공기의 혼합물은 상기 유출구 덕트(3e)를 통과하고 제2 삼 경로 밸브(19)는 상기 혼합물이 덕트(22)를 향해 이동하는 것을 방지하고 상기 혼합물이 유출구 덕트(3f)를 향해 이동하는 것을 허용하여 혼합물은 머플러(20)를 통해 대기 내로 방출된다.
도 2를 참고할 때 도 1에 도시된 실시예와 동일한 실시예를 따르지만 과압을 발생시키는 모드로 작동하는 장치의 작동이 설명된다. 다시 말해, 도 2의 작동 모드에서 장치는 실험이 수행되는 실험실의 고도보다 낮은 고도를 가진 높이에서 즉 상대적으로 높은 압력에서 대기 상태를 모의실험하고 있다.
도 2의 구성요소들이 도 1의 구성요소들과 동일하고 동일한 도면부호를 표시하여, 이들은 상세하게 설명하지 않는다. 도 1 및 도 2의 차이는 밸브들의 개방 위치이며 따라서 공기가 설치물을 통과함에 따라 공기의 경로이다.
따라서, 대기압보다 높은 압력에서 작동 즉, 장치가 과압을 발생시키는 작동일 경우에 도 2의 실시예에서, 공기는 공기 필터(2)를 통해 흡인된다. 이 경우, 제1 삼 경로 밸브(5)는 터빈(8)속으로 유입되는 방향으로 밀폐되고 제2 연통 덕트(21)를 향해 유동을 전환시키기 위해 개방되며, 상기 제2 연통 덕트는 바이패스 밸브(6)의 상류위치에 배열된 유입구 덕트(1c)를 터보 차저(17)의 상류 위치에 배열된 유출구 덕트(3d)와 연결시킨다. 상기 바이패스 밸브(6)는 밀폐되어 공기가 상기 덕트(1b)를 향해 이동하는 것을 방지한다.
또한, 상기 유출구 덕트(3d)가 상기 제2 연통 덕트(21)와 연결되는 위치 및 상기 열교환기(14)사이에서 덕트(3c)내에 배열된 상기 밸브(15)는 밀폐되어, 흡인되는 공기 유동을 위한 자유 경로만 상기 터보 차저(17)와 통한다. 온/오프 밸브(15) 및 열교환기(14)사이에서 상기 터보차저(17)의 하류위치에 배열된 유출구 덕트(3e) 및 유출구 덕트(3c)를 연결하는 제2 삼경로 밸브(19)는 상기 덕트(3f)를 향하는 방향으로 밀폐되어 흡인된 공기 유동은 상기 덕트(22)를 통해 전환되고 덕트(3c)속으로 방출된다.
그러므로, 상기 설명과 같이 상기 밸브(15)가 밀폐되기 때문에, 상기 덕트(22)로부터 흡인된 공기는 상기 열교환기(14)속으로 방출되고 역류(recede)되지 않는다. 유동을 위한 유일한 자유 경로는 엔진의 흡기구와 연결된 유입구 덕트(1a)를 향한다.
또한, 엔진의 배출가스는 상기 유출구 덕트(3a)속으로 방출되고 덕트(4b)로부터 흡인된 희석 공기와 혼합된다. 마지막으로, 유출구 덕트(3a)와 대기를 연결하고 적어도 부분적으로 개방된 덕트(24)내에 배열된 제어 밸브(23)와 머플러(25)를 통해 상기 배출가스는 대기 내로 배출된다.
상기 유입구 덕트(1)와 덕트(24)의 연결부사이의 위치에서 상기 유출구 덕트(3b)의 섹션이 상기 열교환기(14)를 상기 제1 연통 덕트(4)와 연결시키는 것을 알 수 있다.
그러므로, 삼 경로 밸브(5,19), 바이패스 밸브(6,23) 및 온/오프 밸브(15)의 세트로 구성된 구조에 의해 대기 공기에 대해 유입구 공기 압력을 증가시키거나 감소시키기 위한 장치가 이용될 수 있다. 상기 일련의 밸들을 간단하게 작동시키면 하나의 작동 모드로부터 다른 작동 모드로 신속하고 간단하게 전환된다. 또한, 상기 상세하게 설명되고 첨부된 도면들에 도시된 덕트들 및 밸브들의 특정 배열에 의하면 종래기술에 알려진 유사한 장치들에 비해 상당한 개선이 이루어진다. 예를 들어, 본 발명에서 공개된 장치의 특정 설계는 종래기술의 유사 장치보다 더욱 단순하여, 상대적으로 적은 비용으로 그리고 간단하게 제조되고 작동되며 자동화된다.
또한, 종래기술에 비해 매우 유리하게 종래기술에 비해 본 발명의 장치가 가지는 설계의 복잡성이 감소되어 예를 들어, 장치가 배열되는 높이에 대해 +/- 200m, +/- 100m, +/- 50m, 또는 미만과 같이 예를 들어, 특허 문헌 제 ES 2485618호에 공개된 장치와 같은 종래기술의 유사 장치에 의해 불가능했던 매우 작은 높이 변화들을 정밀하게 모의실험할 수 있다.
사실상, 공기가 장치를 통해 이동함에 따라 공기가 가지는 압력강하(pressure drops)는 공기가 만나게 되는 서로 다른 기계적 장애물들(밸브, 파이프 길이 등)에 기인한다. 본 발명을 따르는 선호되는 실시예의 장치의 복잡도가 감소되므로 상기 기계적인 장애물이 감소될 수 있고 따라서 장치는 (작은 높이 변화로 변환되는) 작은 압력 변화를 모의실험할 수 있다. 구체적으로, 바이패스 밸브(6) 및, 상기 필터(2)와 단부(1a)사이에서 형성되는 직접적인 경로(path)에 의해 진공모드에서 장치의 작동은 개선될 수 있다. 다음에, 제어밸브(23) 및, 상기 머플러(25)와 단부(3a)사이에 형성되는 직접적인 경로에 의해 과압 모드에서 장치의 작동은 개선될 수 있다.
또한, 통상의 기술자는 상기 장치가 진공 모드로 작동할 때 상기 터빈(8)과 바이패스 밸브(6)의 결합 작동에 의해 유입구 공기가 냉각되는 것을 이해할 것이다. 또한, 장치가 과압 모드로 작동할 때 제어 밸브(23)의 위치 및 터보 차저(17)의 회전 속도에 의해 대기에 대한 공기의 온도가 (열교환기(14)와 함께) 제어될 수 있다.
그러므로, 용어 "조정(conditioning)" 및 "상태(condition)"가 이용될 때 상기 용어들은 압력 변화, 온도 변화 및 압력과 온도 변화의 결합을 지칭한다.
도 3의 실시예를 참고할 때, 상기 터빈(8)은 또한 터빈(8)내에서 팽창과정 동안 형성되는 에너지를 흡수하는 전기 발전기(26)에 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 또 다른 선호되는 실시예를 참고할때, 터보 차징 수단은 터빈(27)을 포함한다. 동일한 축에 연결된 터보 차저(17)와 터빈(27)의 조립체는 수퍼 차징 터보 조립체일 수 있다. 상기 터빈(27)은, 유동 벤치(flow bench)내에서 단부에 대해 가스가 발생되는 가스 유동에 의해 작동된다. 본 발명의 상기 실시예에서, 흡인되는 공기내에서 주어진 목표 질량 유동율 및 압력값이 도달될 때까지 상기 터빈(27)이 상기 터보차저(17)의 회전 속도를 제어하고 상기 상태를 상기 터빈(8)과 바이패스 밸브(6)와 함께 제어한다.
상기 설명에서 알 수 있듯이, 본 발명을 따르는 장치는 진공으로부터 과압으로 자동 전환되고 본 발명에서 설명되는 장비가 설치되는 지리적 높이와 근사한 고도를 모의 실험할 수 있는 가능성과 같이 종래기술에 대해 가지는 일련의 장치들을 포함한다.
본 발명은, 본 발명의 제1특징을 따르는 대기를 조정하기 위한 장치에 의해 연소 엔진들을 시험하기 위해 대기를 조정하기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 방법은,
- 대기 유입구 공기에 압력 변화가 발생되는 단계,
- 배출가스를 유입구 공기와 직접 연통시키기 위해 유입구 공기를 유출구를 향해 전환시키는 단계,
- 시험되어야 하는 엔진의 흡기구에 압력 변화가 발생되는 유입구 공기를 도입하는 단계,
- 배출가스가 터보 차저를 통과하기 위한 안전 온도까지 배출가스의 온도를 감소시키는 단계,
- 배출가스를 시험중인 엔진으로부터 대기 내로 배출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 선호되는 실시예의 방법에 의해, 유입구 공기의 압력변화 단계는 터보 차저, 터빈 및 유입구 공기의 양을 제어하는 바이패스 밸브의 결합작용에 의해 수행된다.
그러므로, 본 발명이 수행되는 높이에 대해 예를 들어, +/- 200m, 또는 예를 들어, +/- 100m, +/- 50m, 또는 미만의 작은 높이 변화를 모의 실험하는 압력변화가 본 발명의 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 유입구 공기 압력변화 단계는 유입구 공기 압력을 감소시키거나 유입구 공기 압력을 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 또한 유입구 공기 압력의 증가 모드 및 유입구 공기 압력의 감소 모드사이에서 전환하는 단계를 포함한다. 상기 압력 변화 모드의 전환은 두 개의 삼경로 밸브들, 두 개의 제어 밸브들 및 온/오프 밸브를 간단하게 조절하여 수행된다.
또한, 본 발명의 선호되는 실시예를 따르는 방법은 대기 유입구 공기가 온도변화 단계를 가지는 단계를 추가로 포함한다. 본 발명을 따르는 상기 설명의 장치를 이용하면, 터빈(8) 및 바이패스 밸브(6)의 결합 이용(진공 모드) 및 터보 차저(17), 제어 밸브(23) 및 열교환기(14)의 결합 이용(과압 모드)에 의해 상기 온도 변화 단계가 수행된다.
마지막으로 본 발명은 또한, 장치가 배열되는 높이에 대해 작은 높이 변화를 모의 실험하는 압력 변화에 의해 연소 엔진을 시험할 때 대기로부터 압력을 조정하기 위해 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한 것처럼 본 발명의 제1 특징을 따르는 장치의 이용에 관한 것이다.
종래 기술의 장치(특허 문헌 제 ES2485618호에 공개된 장치)의 작동에 대한 본 발명의 선호되는 실시예를 따르는 장치의 작동에 관한 비교 데이터가 아래와 같이 제공된다.
하기 표는 서로 다른 높이 변화에 대해 특허 문헌 제 ES2485618호의 장치 및 상기 본 발명의 선호되는 실시예를 따르는 장치에 의해 도달하는 최대 공기 유동율을 나타낸다.
상기 설명과 같이, 작은 높이 변화는 작은 압력변화에 해당한다. 다음에, 상기 장치가 공기 유동을 더 크게 발생시킬수록 장치를 가지고 시험할 수 있는 엔진의 크기는 더욱 커진다.
| 장치에 대한 높이 변화 | 질량 유동율(종래 기술) | 질량 유동율(본 발명) |
| +200m | 400kg/h | 1300kg/h |
| +500m | 600kg/h | 1200kg/h |
| +1000m | 900kg/h | 1150kg/h |
| +2000m | 850kg/h | 1000kg/h |
| -200m | 200kg/h | 1900kg/h |
| -500m | 400kg/h | 1800kg/h |
| -1000m | 650kg/h | 1700kg/h |
| -2000m | 800 kg/h | 1550kg/h |
상기 표에서 알 수 있듯이, 모든 높이 변화에 대하여 본 발명의 장치는 특허 문헌 제 ES2485618호의 장치에 의해 구해질 수 있는 질량 유동율보다 훨씬 더 높은 질량 유동율을 구할 수 있다. 변동(fluctuation)이 발생할 때 상대적으로 높은 질량 유동율이 존재하기 때문에, 흡인 압력은 변하지 않고 장치에 대한 엔진의 연결은 엔진 작동 자체에 영향을 주지 않아서 (작은 높이 변화로 변환되는) 작은 압력변화를 모의실험할 수 있다.
예를 들어 1.6L 엔진은 약 275kg/h를 이동시킨다. 그러므로 상기 엔진보다 큰 엔진들은 실제로 종래 기술의 장치와 함께 시험될 수 없다. 이것은 작은 높이에 대해 종래 기술의 장치가 이용될 수 있는 범위를 상당히 제한시킨다.
또한, 높이 변화가 +1000m까지 증가함에 따라 종래 기술의 장치에 의해 유동율은 증가하고 즉, 상기 장치는 진공 모드에서 상기 높이(1000m) 및 영사이에서 매우 작동적인 것은 아니다. 동일한 결과가 -5000m(도시되지 않은 데이터)까지 과압력의 경우에서 발생한다. 본 발명의 장치에 의하면, 높이 변화가 양의 변화이건 음의 변화이건 간에 높이변화가 증가함에 따라 구해지는 질량 유동율이 항상 감소하며, 실제로 엔진에 의해 발생되는 것과 더욱 일치하여 본 발명의 장치는 더욱 작동적이다.
상기 표가 +/-200m까지 도달하는 높이 변화값을 나타내더라도, 통상의 기술자는 상기 표의 데이터가 시험되는 높이 변화와 무관하게 종래 기술의 장치보다 본 발명의 장치가 상대적으로 더 큰 질량 유동율을 제공하는 특성을 나타내는 것임을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 장치는 예를 들어 +/-100m, +/-50m, 등과 같이 훨씬 더 작은 높이 변화에 의해 작동할 것이다.
본 발명이 본 발명의 선호되는 실시예를 참고하여 설명되지만, 통상의 기술자는 본 발명의 범위 내에서 상기 실시예에 대해 수정 및 변경이 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어 터보 차저 및 터빈은 에너지를 제공하거나 소산시키는 다른 시스템에 연결될 수 있으며 반드시 상기 시스템으로 한정되지 않는다.
유사하게, 단일 터빈(8), 단일 바이패스 밸브(6), 단일 열교환기(14) 및 단일 터보 차저(17)를 포함한 본 발명의 장치에 관한 선호되는 실시예들이 설명되지만, 통상의 기술자는 본 발명의 장치에 관한 선택적인 실시예들이 여러 개의 상기 구성요소들을 포함할 수 있다는 것을 알 것이다.
통상의 기술자는, 본 발명이 내연기관 시험을 언급하여 설명되지만, 본 발명이 또한 일부 수정에 의해 다른 고도에서 작동해야 하는 다른 관련 구성요소들(예를 들어 공기 필터, 머플러 및 배출가스 정화 요소 (후처리)등)의 시험에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
1......유입구 덕트,
3......유출구 덕트,
4......제1 연통 덕트,
6......바이패스 밸브,
8......터빈,
14......열교환기,
17......터보 차저,
15......온/오프 밸브.
3......유출구 덕트,
4......제1 연통 덕트,
6......바이패스 밸브,
8......터빈,
14......열교환기,
17......터보 차저,
15......온/오프 밸브.
Claims (17)
- 왕복 내연기관을 시험할 때 대기를 조정(conditioning)하기 위한 장치로서, 상기 장치는
- 제1 단부(1a)에서 시험되어야 하는 연소 엔진의 흡기구에 연결되고 제2 단부(1c)를 통해 외부 대기로부터 공기를 흡인하는 유입구 덕트(1),
- 제1 단부(3a)에서 연소 엔진의 배기구에 연결되고 제2 단부(3f)를 통해 외부 대기로 배출가스를 배출하는 유출구 덕트(3),
- 각각의 제1 단부(1a,3a)와 근접한 위치에서 상기 유입구 덕트(1)를 유출구 덕트(3)와 연통시키는 제1 연통 덕트(4)를 포함하여 장치의 흡기구가 장치의 배기구와 연통하며,
- 상기 유입구 덕트(1)내에 배열된 바이패스 밸브(6)를 포함하고,
- 유입구 덕트(1)내에서 공기 유동을 전환시켜서 상기 바이패스 밸브(6)를 향해 순환시키는 수퍼 차징 터보 조립체를 포함하며, 상기 터보 조립체는 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산시키기 위한 소산 시스템과 연결된 터빈(8)을 포함하고, 상기 바이패스 밸브(6)와 터빈(8)은
상기 유입구 덕트(1)내에서 목표 압력 및 공기 유동 값을 구하기 위해 제어될 수 있고,
- 배기가스를 안전 온도까지 냉각시키기 위해 유출구 덕트 내에 배열된 열교환기(14)를 포함하며,
- 상기 바이패스 밸브(6)와 터빈(8)과 함께 흡기 공기 및 흡기 공기 유동의 압력을 제어하기 위해 터보차저 차징 수단에 의해 충진되고 열교환기(14)의 하류위치에 배열되고 유출구 덕트(3)내에 위치한 터보 차저(17)를 포함하는 왕복 내연기관을 시험할 때 대기를 조정하기 위한 장치에 있어서,
- 제2 연통 덕트(21)를 통해 바이패스 밸브(6)의 상류위치에 배열되는 유입구 덕트(1c)를 터보차저(17)의 상류위치에 배열된 유출구 덕트(3d)에 연결시키는 제1 삼경로 밸브(5),
- 상기 제2 연통 덕트(21)와 유출구 덕트(3d)가 연결되는 연결점 및 열교환기(14)사이에서 덕트(3c)내에 배열된 온/오프 밸브(15),
- 상기 온/오프 밸브(15) 및 열교환기(14)사이에서 상기 터보 차저(17)와 유출구 덕트(3c)의 하류위치에 배열된 유출구 덕트(3e)를 연결하는 제2 삼경로 밸브(19),
- 상기 유출구 덕트(3a)를 대기와 연결시키고 덕트(24)내에 배열된 제어 밸브(23),
- 유입구 덕트(1)의 연결부와 덕트(24)의 연결부사이에서 제1 연통 덕트(4)를 상기 열교환기(14)와 연결시키는 유출구 덕트(3b)의 섹션을 추가로 포함하여,
삼경로 밸브(5,19), 바이패스 밸브(6,23) 및 온/오프 밸브(15)의 세트 구조에 의해 대기 공기에 대해 유입구 공기 압력을 증가 또는 감소시키기 위한 장치가 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서, 유출구 덕트(3f)의 제2 단부에서 머플러(20)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 덕트(24)의 유출구 단부에서 머플러(25)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 터빈(8)내에서 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산하기 위한 소산 시스템은 레이디얼 유동 원심 압축기(9)를 포함하고, 상기 레이디얼 유동 원심 압축기(9)는 대기로부터 공기를 흡인하는 필터(10)에 연결되고 배압 밸브(11) 및 머플러(muffler)(12)에 연결되며, 상기 머플러는 공기를 대기로 방출하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 터빈(8)내에서 팽창하는 동안 발생되는 에너지를 소산하기 위한 소산 시스템은 전기 발전기(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 터빈(8)은 가변 형상 터빈인 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 가변 형상 터빈은 레이디얼 구심형 터빈인 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 터보 차저 차징 수단은 전기 엔진(18)과 터빈(27)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위해 외부 대기로부터 공기가 흡인되는 장치의 단부에 필터(2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서, 적어도 한 개의 응축물 분리기(13,16)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항을 따르는 대기를 조정하기 위한 장치에 의해 연소 엔진들을 시험하기 위해 대기를 조정하기 위한 방법에 있어서,
- 대기 유입구 공기에 압력 변화가 발생되는 단계,
- 배출가스를 유입구 공기와 직접 연통시키기 위해 유입구 공기를 유출구를 향해 전환시키는 단계,
- 시험되어야 하는 엔진의 흡기구에 압력 변화가 발생되는 유입구 공기를 도입하는 단계,
- 배출가스가 터보 차저를 통과하기 위한 안전 온도까지 배출가스의 온도를 감소시키는 단계,
- 배출가스를 시험중인 엔진으로부터 대기 내로 배출하는 단계를 포함하고,
상기 방법에 의해 상기 방법이 수행되는 높이에 대해 작은 높이 변화를 모의 실험하는 압력 변화를 수행될 수 있고,
유입구 공기의 압력변화 단계는 터보 차저, 터빈 및 유입구 공기의 양을 제어하는 바이패스 밸브의 결합작용에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법. - 제11항에 있어서, 구해진 압력 변화는 방법이 수행되는 높이에 대해 +/-200m의 높이 변화를 모의실험하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법.
- 제11항에 있어서, 유입구 공기 압력 변화 단계는 유입구 공기 압력을 감소하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법.
- 제11항에 있어서, 유입구 공기 압력 변화 단계는 유입구 공기 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법.
- 제11항에 있어서, 유입구 공기 압력의 증가 모드 및 유입구 공기 압력의 감소 모드사이에서 전환하는 단계를 포함하고,
압력 변화 모드의 전환은 두 개의 삼경로 밸브들, 두 개의 제어 밸브들 및 온/오프 밸브를 간단하게 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법. - 제11항에 있어서, 대기 유입구 공기가 온도 변화 단계를 가지는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대기를 조정하기 위한 방법.
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