KR20030041066A - 차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조 - Google Patents

차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에 장착되어 브레이크 작동 및 자동문 개폐용 등으로 사용하는 공기 압축기에 관한 것이다.
본 발명은 실린더의 헤드에 실린더의 상부 및 공기 토출구와 연통되는 흡입 및 배출구를 갖는 밸브 수납실을 형성하고, 상기 밸브 수납실에 에어탱크의 압력과 실린더의 압력 및 스프링의 탄성력에 의해 승하강하면서 "챠징" 및 "바이패스"시 상기 흡입 및 배출구를 차단 또는 개방하는 차압작동밸브(Decompression Valve)를 설치하여서 된 것이다.
상기와 같이 구성된 본 고안은 "바이패스"시 에어탱크의 압력이 스프링의 탄성력과 실린더의 내부압력에 비해 휠씬 크므로 차압작동밸브가 하강하여 흡입 및 배출구를 개방하게 된다.
따라서, 흡입공기는 밸브 플레이트의 흡입공과 밸브 수납실의 흡입구를 통하여 실린더 내로 흡입되고, 실린더 내에서 압축된 공기는 밸브 플레이트의 토출공과 밸브 수납실의 흡입 및 배출구를 통하여 동시에 토출된 뒤 에어 드라이어의 밸브를 거쳐 바이패스되므로 공기의 흡입 및 압축공기의 토출에 따른 저항이 감소되어 그만큼 공기 압축기의 구동마력을 감소시킬 수 있고, 이는 차량의 연비개선과 직결된다.

Description

차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조{Power reducing device for air compressor of a car}
본 발명은 차량에 장착되어 브레이크 작동 및 자동문 개폐용 등으로 사용하는 공기 압축기에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 공기 압축기에서 압축된 공기가 에어탱크로 송출되지 않는 바이패스(By-Pass) 상태일 때, 공기의 흡입 및 토출에 따른 저항을 줄여주므로써 공기 압축기의 구동에 필요한 소요동력을 낮추고, 궁극적으로는 차량의 연비개선에 기여할 수 있도록 한 차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 공기 압축기는 왕복동식 공기 압축기를 채용하며, 이와 같은 왕복동식 공기 압축기를 채용한 차량용 공기 압축기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같다.
즉, 도 1의 에어장치와 같이 왕복동식 공기 압축기(100)의 실린더에 내장된 피스톤의 상하운동에 의해 공기가 압축되면, 압축된 공기는 에어 드라이어(200)를 경유하면서 수분이 제거된 뒤 에어탱크(300)에 충진된다.
상기 에어 드라이어는 공기압력에 따라 개폐되는 밸브(210,Pressure Governer)가 내장되어 있어서 에어탱크(300)의 압력이 일정수준(통상 8.5bar)에 도달하면 도 3과 같이 상기 밸브(210)가 작동하여 에어탱크로 가는 통로를 차단하고, 공기 압축기(100)로부터 공급되는 압축공기를 대기중으로 방출시켜 에어탱크의 내부압력을 일정하게 유지시켜 주게 되는데, 이와 같이 압축공기가 밸브(210)를 통하여 대기중으로 방출되는 상태를 "바이패스(By-Pass)" 상태라 한다.
통상, 차량의 에어장치에서 바이패스 상태가 차지하는 비중은 전체 운행시간의 65~85%에 해당하며, 이와 같이 바이패스 상태일 때는 공기 압축기(100)의 실린더 내부압력이 크게 낮아져서 통상 3~4bar 정도의 피크(Peak)값을 유지하게 된다.
그리고, 에어탱크(300)에 충진된 압축공기는 주로 브레이크용으로 사용되고, 일부는 버스에서의 자동문 개폐와 같은 용도로 사용된다.
상기와 같이 브레이크 작동, 자동문 개폐 등으로 압축공기를 사용하면, 그 사용량만큼 에어탱크(300)의 내부압력이 다시 낮아지는데, 에어탱크(300) 내의 압력이 일정수준(통상 6.5bar)까지 낮아지면 다시 에어 드라이어(200)의 내부에 있는 밸브(210)가 작동하여 공기 압축기(100)로부터 공급되는 압축공기의 통로와 에어탱크(300)의 통로를 연결시킨다.
이로써 공기 압축기에서 압축된 공기는 도 1과 같이 다시 에어드라이어(200)를 경유하여 수분이 제거된 뒤 에어탱크(300)에 송출되므로써 에어탱크의 압력이 상승하는데, 이와 같은 상태를 "챠징(Charging)" 상태라 한다.
"챠징" 상태일 때는 공기 압축기(100)에서 압축된 공기가 에어탱크(300)에 송출되는 상태로서, 공기 압축기의 실린더 내부압력이 에어탱크의 내부압력이 상승함에 따라 함께 상승하며, 이때의 피크값은 에어탱크의 압력보다 3∼4bar 정도 높다(도 2 참조).
그러나, 전술한 바와 같이 에어장치가 "바이패스" 상태일 때는 공기 압축기(100)에서 송출되는 압축공기가 밸브(210)에 의해 대기중으로 방출되기 때문에 공기 압축기의 실린더 내부압력이 크게 낮아져서 3~4bar 정도의 피크값을 유지하게 된다(도 4 참조).
이와 같이 실린더 내의 공기압력이 대기압 보다 높은 이유는 흡기밸브를 통해 공기를 흡입하고 토출밸브를 통하여 압축된 공기를 내보낼 때의 저항 때문이다.
그렇지만, 이제까지의 차량은 위와 같이 공기 압축기가 일을 하지 않는 "바이패스" 상태에서도 계속해서 공기 압축기의 회전에 필요한 동력을 소모하기 때문에 불필요한 동력소모와 함께 궁극적으로는 차량의 연비저하를 초래하는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 기술적인 과제는 공기 압축기가 일을 하지 않는 "바이패스" 상태일 때, 공기 압축기의 흡입 및 토출저항을 줄여주므로써 공기 압축기의 회전에 필요한 소요동력을 감소시키고, 이로 인해궁극적으로는 차량의 연비개선에 기여할 수 있는 공기 압축기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 구조에서 "챠징"시의 공기흐름을 나타낸 개략도
도 2는 도 1에서 실린더의 내부압력을 나타낸 그래프
도 3은 종래 구조에서 "바이패스"시의 공기흐름을 나타낸 개략도
도 4는 도 3에서 실린더의 내부압력을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에서 "챠징"시의 동작을 나타낸 단면도
도 6은 도 5의 A-A선 단면도
도 7과 8은 본 발명에서 "바이패스"시의 동작을 나타낸 단면도
도 9는 본 발명에서 "바이패스"시의 공기흐름을 나타낸 개략도
도 10은 도 9에서 실린더의 내부압력을 나타낸 그래프
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 공기 압축기 110 : 실린더 헤드
111 : 공기 흡입구 112 : 공기 토출구
120 : 실린더 130 : 피스톤
140 : 밸브 플레이트 141 : 흡입공
142 : 토출공 143 : 제 2토출공
150 : 흡입판 160 : 밸브 수납실
161 : 흡입구 162 : 배출구
163 : 압력공 170 : 차압작동밸브
180 : 스프링 190 : 에어호스
191 : 연결구 200 : 에어 드라이어
210 : 밸브 300 : 에어탱크
상기의 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 실린더의 헤드에 실린더의 상부 및 공기 토출구와 연통되는 흡입 및 배출구를 갖는 밸브 수납실을 형성하고, 상기 밸브 수납실에 에어탱크의 압력과 실린더의 압력 및 스프링의 탄성력에 의해 승하강하면서 "챠징" 및 "바이패스"시 상기 흡입 및 배출구를 차단 또는 개방하는 차압작동밸브(Decompression Valve)를 설치하여서 된 것이다.
상기와 같이 구성된 본 고안은 "챠징"시에는 차압작동밸브에 작용하는 스프링의 장력이 에어탱크의 압력과 실린더의 압력보다 크므로 상기 차압작동밸브가 상승하여 흡입 및 배출구를 차단하므로 실린더 헤드와 밸브 플레이트의 공기 흡입구 및 흡입공을 통하여 실린더 내로 흡입된 공기는 종래와 같이 피스톤의 상하작동에 의해 압축된 뒤 토출공과 공기 토출구 및 에어 드라이어를 경유하여 에어탱크로 송출된다.
그러나, "바이패스"시에는 에어탱크의 압력이 스프링의 탄성력과 실린더의 내부압력에 비해 휠씬 크므로 차압작동밸브가 하강하여 흡입 및 배출구를 개방하게 된다.
따라서, 이때는 실린더 내로 흡입되는 공기의 통로가 기존의 흡입공과 함께 흡입구를 통하여 이루어지고, 실린더 내에서 압축된 공기가 토출될 수 있는 통로는 기존의 토출공 뿐만 아니라 밸브 수납실의 흡입 및 배출구 까지도 포함하므로 그만큼 공기의 흡입 및 토출통로가 확장되는 셈이다.
이로 인해, 흡입공기는 밸브 플레이트의 흡입공과 밸브 수납실의 흡입구를 통하여 실린더 내로 흡입되고, 실린더 내에서 압축된 공기는 밸브 플레이트의 토출공과 밸브 수납실의 흡입 및 배출구를 통하여 동시에 토출된 뒤 에어 드라이어의 밸브를 거쳐 바이패스되므로 공기의 흡입 및 압축공기의 토출에 따른 저항이 감소되어 그만큼 공기 압축기의 구동마력을 감소시킬 수 있고, 이는 차량의 연비개선과 직결된다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 구성을 나타낸 것으로 "챠징"시의 정단면도이고, 도 6은 도 5의 A-A선 단면도이다.
도시한 바와 같이 본 발명은 공기 흡입구(111) 및 토출구(112)를 갖는 실린더 헤드(110)와, 상기 실린더 헤드를 통하여 흡입된 공기를 피스톤(130)의 상하작동에 의해 압축 및 토출시키는 실린더(120)와, 상기 실린더 헤드와 실린더 사이에 설치되어 실린더 내로 흡입되는 공기를 안내하는 흡입공(141)과 토출공(142)을 구비하는 밸브 플레이트(140) 및, 상기 밸브 플레이트와 실린더 사이에 탄설되어 공기의 흡입 및 토출시 상기 흡입공(141)을 개폐하는 흡입판(150)으로 구성되는 공기 압축기(100)와; 상기 공기 압축기로부터 송출된 압축공기의 수분을 제거하여 에어탱크(300)로 송출하며 에어탱크의 압력에 따라 작동하는 밸브(210)를 통하여 압축공기를 에어탱크로 공급하는 "챠징"공정과 대기중으로 방출시키는 "바이패스"공정을 반복하는 에어 드라이어(200) 및; 상기 에어 드라이어로부터 공급된 압축공기를 일정한 압력으로 저장하는 에어탱크(300)로 구성되는 차량용 왕복동식 공기 압축기에 있어서,
상기 실린더 헤드(110)의 내부에 형성되어 실린더(120)와 공기 토출구(112) 및 외부와 연통되는 3개의 흡입구(161)와 배출구(162) 및 압력공(163)이 각각 일체로 형성되는 밸브 수납실(160)과;
상기 밸브 수납실(160) 직하방의 밸브 플레이트(140)에 형성되어 상기 흡입구(161)와 연통되는 제 2토출공(143)과;
상기 밸브 수납실에 스프링(180)과 함께 내장되어 압력공(163)을 통한 에어탱크(300)의 압력과 제 2토출공(143)을 통한 실린더(120)의 내부압력 및 상기 스프링의 탄성력에 의해 승하강하면서 흡입구(161)와 배출구(162)를 개폐하는 차압작동밸브(170) 및;
상기 압력공(163)과 에어탱크(300)에 연결되어 에어탱크의 압력을 차압작동밸브(170)의 상면에 전달하는 에어호스(190);를 포함하여서 된다.
밸브 수납실(160)은 실린더 헤드(110)의 내부에 원통형으로 수직하게 형성되어 그 하단의 흡입구(161)가 밸브 플레이트(140)의 흡입공(141)과 토출공(142) 사이에 형성된 제 2토출공(143)의 직상방에 위치하고, 배출구(162)는 측면에 공기 토출구(112)와 연통되게 형성되며, 상단의 압력공(163)은 외부와 연통되어 이후에 설명하는 에어호스(190)의 연결구(191)가 나사 결합된다.
밸브 플레이트(140)의 흡입공(141)과 토출공(142) 사이에 형성되는 제 2토출공(143)은 그 입구가 경사지도록 상협하광형의 삼각형으로 형성된다.
차압작동밸브(170)는 밸브 수납실(160)에 삽입된 피스톤 형상으로서 그 상면이 압력공(163)에 노출되므로써 항상 에어탱크(300)의 압력이 작용하고, 하부는 삼각형으로 형성되어 측면의 경사진 부위가 제 2토출공(143)의 경사면과 접하게 된다.
차압작동밸브(170)와 함께 삽입되는 스프링(180)은 압축코일 스프링으로서 그 상단이 차압작동밸브의 내측 상단과 접하고, 하단은 제 2토출공(143)의 상단에 안착되어 상기 차압작동밸브에 항상 상방향의 탄성력을 가하게 된다.
에어호스(190)는 압력공(163)과 에어탱크(300)에 연결구(191)를 통하여 연결되므로써 에어탱크의 압력을 차압작동밸브(170)의 상면에 전달해 주는 역할을 하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 에어장치가 "챠징" 상태일 때는 에어탱크(300)의 압력이 에어호스(190)와 압력공(163)을 통하여 차압작동밸브(170)의 상면에 작용하고, 스프링(180)은 자체의 탄성력을 통하여 차압작동밸브에 상측으로 밀어 올리려는 힘을 가하며, 차압작동밸브(170)의 저면에는 실린더(120)의 내부압력이 작용하고, 이 실린더의 내부압력은 피스톤(130)의 상하운동에 따라 변화한다.
통상, "챠징" 상태에서 에어탱크(300)의 내부압력은 6.5~8.5bar이고, 실린더(120)의 내부압력은 최저 -0.4bar에서 최고 12.5bar 수준이며, 스프링(180)의 장력은 상기 두 개의 내부압력이 차압작동밸브(170)를 아래쪽으로 밀어 내리려는 힘 보다 약간 크다.
따라서, 이때는 도 5와 같이 차압작동밸브(170)가 상승하여 밸브 플레이트(140)의 제 2토출공(143)을 차단하게 되므로 흡입 및 배출구(161,162)도 자동으로 차단되고, 실린더 헤드(110)와 밸브 플레이트(140)의 공기 흡입구(111) 및 흡입공(141)을 통하여 실린더(120) 내로 공기가 흡입되며, 흡입된 공기는 피스톤(130)의 상하작동에 의해 압축된 뒤 토출공(142)과 공기 토출구(112) 및 에어 드라이어(200)를 경유하여 수분이 제거된 뒤 에어탱크(300)에 송출되어 저장된다.
"챠징"시에는 차압작동밸브(170)가 항상 닫혀 있게 된다.
이후, 에어탱크(300)의 압력이 일정수준에 도달하여 "바이패스" 상태가 되면, 차압작동밸브(170)의 상면에는 계속해서 에어탱크(300)의 압력이 아래 방향으로 작용하나, 이때는 차압작동밸브의 저면에 작용하는 실린더(120)의 내부압력이 최저 -0.1bar에서 최고 4.0bar 수준이 되기 때문에 이 실린더의 압력과 스프링(180)의 탄성력을 합친 힘이 상대적으로 에어탱크의 압력(누르는 힘)보다 작다.
따라서, 이때는 실린더의 압력과 스프링의 탄성력을 합친 것보다 차압작동밸브의 상면에 작용하는 에어탱크의 압력이 크므로 도 7과 같이 차압작동밸브(170)가 하강하고, 이로 인해 막혀있던 제 2토출공(143)이 개방된다.
일단, 차압작동밸브(170)가 열리면, 에어탱크(300)의 압력이 작용하는 상면의 작용면적이 넓어지므로 차압작동밸브에 가해지는 에어탱크의 압력은 더욱 커지게 되어 다시 "챠징" 상태가 될 때까지 항상 열려있게 된다.
차압작동밸브(170)가 완전히 열리면, 도 7 및 도 8과 같이 피스톤(130)이 하강할 때 흡입공(141) 뿐만 흡입구(161)와 제 2 토출공(143)을 공기를 흡입하게 되어 흡입에 따른 부압이 낮아지고, 피스톤(130)이 상승하면서 압축된 공기를 토출시킬 때에도 토출공(142) 뿐만 아니라 제 2토출공(143)과 흡입구(161) 및 배출구(162)를 통하여 압축공기를 송출하게 되므로 피스톤의 상면에 작용하는 공기압력이 크게 낮아진다.
이로써 "바이패스" 상태일 때 공기의 흡입 및 압축공기의 토출에 따른 부압이 낮아져 공기 압축기(100)의 구동마력을 저감할 수 있는 것이다.
에어탱크(300)의 압축공기를 소모하여 탱크 내의 압력이 낮아지면, 에어 드라이어(200)의 밸브(210)에 의해 다시 "챠징" 상태가 되며, 이때는 실린더(120)의 내부압력이 상승하여 차압작동밸브가 다시 닫히게 된다.
일단, 닫힌 차압작동밸브는 "바이패스" 상태가 될 때까지 계속 닫혀있게 된다.
도 9는 "바이패스"시 압축공기의 흐름을 나타낸 개략도이고, 도 10은 "바이패스"시 실린더 내의 압력상태를 나타낸 그래프를 참고적으로 도시한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 차량용 공기 압축기의 실린더 헤드에 밸브 수납실을 형성하고, 상기 밸브 수납실에 에어탱크의 압력과 실린더의 압력 및 스프링의 탄성력에 의해 승하강하면서 "챠징" 및 "바이패스"시 상기 흡입 및 배출구를 차단 또는 개방하는 차압작동밸브를 설치하여 에어장치가 "바이패스" 상태일 때 상기 에어탱크의 압력이 스프링의 탄성력과 실린더의 내부압력에 비해 휠씬 크므로 차압작동밸브가 하강하여 흡입 및 배출구를 개방토록 한 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면, "바이패스"시 실린더 내로 흡입되는 공기의 통로가 기존의 흡입공과 함께 흡입구를 통하여 이루어지고, 실린더 내에서 압축된 공기의 토출통로는 기존의 토출공 뿐만 아니라 밸브 수납실의 흡입 및 배출구 까지도 포함하여 그만큼 공기의 흡입 및 토출통로가 확장되는 셈이 된다.
결국, 상기의 확장된 흡입 및 토출통로로 인해 공기의 흡입 및 압축공기의 토출에 따른 저항(부압)이 감소되어 그만큼 공기 압축기의 구동마력을 감소시킬 수 있고, 이는 차량의 연비를 개선하는 효과를 가져온다.

Claims (2)

  1. 공기 흡입구(111) 및 토출구(112)를 갖는 실린더 헤드(110)와, 상기 실린더 헤드를 통하여 흡입된 공기를 피스톤(130)의 상하작동에 의해 압축 및 토출시키는 실린더(120)와, 상기 실린더(120) 내로 흡입되는 공기를 안내하는 흡입공(141)과 토출공(142)을 구비하는 밸브 플레이트(140) 및, 공기의 흡입 및 토출시 상기 흡입공(141)을 개폐하는 흡입판(150)으로 구성되는 공기 압축기(100)와; 상기 공기 압축기로부터 송출된 압축공기의 수분을 제거하는 에어 드라이어(200) 및; 상기 에어 드라이어로부터 공급된 압축공기를 일정한 압력으로 저장하는 에어탱크(300)로 구성되는 차량용 왕복동식 공기 압축기에 있어서,
    상기 실린더 헤드(110)의 내부에 형성되어 실린더(120)와 공기 토출구(112) 및 외부와 연통되는 3개의 흡입구(161)와 배출구(162) 및 압력공(163)이 각각 일체로 형성되는 밸브 수납실(160)과;
    상기 밸브 수납실(160) 직하방의 밸브 플레이트(140)에 형성되어 상기 흡입구(161)와 연통되는 제 2토출공(143)과;
    상기 밸브 수납실에 스프링(180)과 함께 내장되어 압력공(163)을 통한 에어탱크(300)의 압력과 제 2토출공(143)을 통한 실린더(120)의 내부압력 및 상기 스프링의 탄성력에 의해 승하강하면서 흡입구(161)와 배출구(162)를 개폐하는 차압작동밸브(170) 및;
    상기 압력공(163)과 에어탱크(300)에 연결되어 에어탱크의 압력을 차압작동밸브(170)의 상면에 전달하는 에어호스(190);를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브 플레이트(140)의 제 2토출공(143)은 그 입구가 경사지도록 상협하광형의 삼각형으로 형성되고, 차압작동밸브(170)는 그 하부가 삼각형으로 형성되어 측면의 경사진 부위가 상기 제 2토출공의 경사면과 접하게 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 공기 압축기의 소요동력 저감구조.
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