KR20160072488A - 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법 - Google Patents

고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 장치인 연료댐퍼의 내구성을 효과적으로 검사할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 연료댐퍼의 생산 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 내구시험 장치가 요구되나 그러한 시험장치는 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능하도록 고압과 빠른 응답성을 함께 가지는 내구시험기를 제작할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공된다.

Description

고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법{Method for designing fuel damper durability tester}
본 발명은 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 성능을 개선하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 장치인 연료댐퍼의 내구성을 효과적으로 시험할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 신뢰성을 평가하기 위해서는 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구조와 피로 내구수명에 대한 이해와 사용환경에 대한 이해 및 사전에 설정된 내구 신뢰도 목표를 바탕으로 주어진 설계조건에서 장기간의 시험시간을 요구하는 내구시험이 필요함으로 인해, 이러한 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 성능을 제대로 측정할 수 있는 설비가 제공되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험기를 제작할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 관한 것이다.
최근, 자동차 제조업체들에 있어서, 종래의 포트 연료주입 시스템(port fuel injection system)을 대신하여, 연료 효율(fuel efficiency) 개선 및 배출(emissions) 감소 등의 장점을 가지는 직분사(gasoline direct injection ; GDI) 엔진을 적용하는 경우가 증가하고 있다.
더 상세하게는, 직분사(GDI) 엔진은, 가솔린이 엔진 실린더에 직접 주입되는 것에 의해 포트 연료주입 엔진에서의 연료공급 지연(fueling delay)을 제거하고, 각 사이클 동안(cycle-to-cycle) 연료 공기비(fuel-air ratio)의 정확한 제어를 가능하게 한다.
또한, 이와 같이 직분사(GDI) 엔진에서 연료를 고압으로 공급하기 위해서는 고압 연료펌프의 적용이 필수적이며, 이때, 연료펌프 내에서 고압으로 연료를 흡입하고 토출하는 과정에서 연료의 맥동(pulsation)이 발생하게 되는데, 인젝터에 보내는 연료압을 일정하게 유지하기 위하여는 이러한 맥동을 최소한으로 억제하는 것이 중요하다.
즉, 이와 같이 연료펌프에서 고압으로 주입되는 연료의 맥동(pulsation)을 저감하고 최소화하기 위한 장치로서 연료댐퍼(fuel damper)가 사용되며, 따라서 연료펌프로부터 공급되는 연료압을 일정하게 유지하여 GDI 엔진의 안정적인 동작과 연비 및 효율을 향상시키기 위해서는 그만큼 고성능의 연료댐퍼가 요구된다.
여기서, 상기한 바와 같은 GDI 엔진에 적용되는 연료펌프 및 연료댐퍼에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1332756호에 제시된 바와 같은 "자동차용 연료분배관의 내장형 댐퍼"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-1332756호에 제시된 자동차용 연료분배관의 내장형 댐퍼는, 자동차의 연료분배관의 내부에 설치되어 압력에 따라 변형 또는 복원되어 연료분사에 따른 맥동파를 저감시키는 자동차용 연료분배관의 내장형 댐퍼로서, 연료분배관의 내부에 길이 방향으로 수용되며 단면 형상이 장방형인 통 형상으로 형성되어 양단이 각각 밀폐된 구조를 가지도록 구성됨으로써, 외부 압력에 의해 변형되는 과정에서 내부 압력이 상승하여 탄성 복원력과 함께 외부 압력에 대응하게 되므로 댐퍼의 반응시간이 짧아지게 됨과 함께 이에 대응하는 인젝터의 동작주기에 의해 결정되는 엔진 회전수를 높일 수 있어 높은 엔진 회전수를 요구하는 스포츠카나 레이싱카 및 고급 승용차의 개발에 기여할 수 있도록 구성되는 자동차용 연료분배관의 내장형 댐퍼에 관한 것이다.
아울러, 상기한 바와 같은 GDI 엔진에 적용되는 연료펌프 및 연료댐퍼에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1199323호에 제시된 바와 같은 "직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프" 및 한국 등록특허공보 제10-0716316호에 제시된 바와 같은 "자동차의 연료라인 소음저감용 댐퍼"가 있다.
더 상세하게는, 먼저, 상기한 등록특허 제10-1199323호에 제시된 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는, 바디, 댐퍼부, 스필밸브, 입구측 체크밸브 및 토출측 체크밸브를 구비한 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에 있어서, 댐퍼부에서 이동하는 연료량을 증가시켜 연료의 흐름을 원활하게 함으로써 연료의 맥동 개선 성능을 향상시키기 위한 GDI 엔진용 고압연료펌프에 관한 것이며, 상기한 등록특허 제10-0716316호에 제시된 자동차의 연료라인 소음저감용 댐퍼는, 자동차의 연료리턴라인에 설치되어 연료리턴라인을 유동하는 연료를 통한 인젝터의 작동소음을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 하기 위한 연료댐퍼에 관한 것이다.
더욱이, 상기한 바와 같은 GDI 엔진에 적용되는 연료펌프 및 연료댐퍼에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0655711호에 제시된 바와 같은 "연료 맥동 저감 댐퍼"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 제10-0655711호에 제시된 연료 맥동 저감 댐퍼는, 딜리버리 파이프에 댐퍼의 압입 결합이 가능하도록 하여 딜리버리 파이프의 전체 길이가 짧아지도록 함으로써, 내진동 신뢰성이 향상되며, 엔진의 조립성이 향상되도록 구성되는 연료 맥동 저감 댐퍼에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 고압 연료펌프 및 연료댐퍼에 관한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은, 연료의 흐름을 원활하게 하기 위한 연료댐퍼의 기능적인 측면에만 치중되어 있는 것이 대부분으로, 그러한 연료댐퍼의 성능을 개선하기 위한 설계방법이나, 보다 효율적인 설계를 위해 연료댐퍼의 성능을 측정하는 방법에 대하여는 고려된 바가 없었다.
즉, GID 엔진 차량에 사용되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼는 연료공급 과정에서 맥동을 효과적으로 줄여주어 엔진의 안정적인 동작과 연비 및 효율 개선을 위해 중요한 부품이나, 국내에는 아직까지도 이러한 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 제작 기술이나 노하우가 부족하여 현재 국내에서 사용되고 있는 고압 연료펌프용 연료댐퍼는 대부분 일본이나 독일로부터 수입되고 있으며, 연료댐퍼의 성능을 개선하기 위해 정확한 성능을 측정할 수 있는 설비도 갖추어져 있지 않은 실정이다.
더 상세하게는, 연료댐퍼 생산을 위해 중요한 과제 중 하나는 바로 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증하는 것이며, 여기서, 신뢰성은 시스템 또는 부품 등이 정해진 사용조건에서 의도하는 기간 동안 만족하게 작동하는 시간적 안정성을 의미하는데, 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 신뢰성을 평가하기 위해서는 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구조와 피로 내구수명에 대한 이해, 사용환경에 대한 이해를 바탕으로 한 내구시험이 필요하다.
아울러, 이러한 내구시험은 사전에 설정된 내구 신뢰도 목표를 바탕으로 주어진 설계조건에서 장기간의 시험시간이 요구되며, 이를 위하여는 고압과 빠른 응답성을 가진 내구 시험장치가 필요하나, 현재까지 이러한 연료댐퍼의 내구시험을 제대로 수행할 수 있는 성능 측정장치나 시험장치는 제대로 구비되어 있지 못한 실정이다.
따라서 상기한 바와 같이, 연료댐퍼의 성능 개선 및 생산을 위해서는 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있도록 고압과 빠른 응답성을 가지는 연료댐퍼의 내구시험장치가 요구되나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1332756호(2013.11.19.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1199323호(2012.11.02.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0716316호(2007.05.02.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0655711호(2006.12.04.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 연료댐퍼의 생산 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치가 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치를 구현하기 위해, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능하도록 구성됨으로써, 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 연료댐퍼의 내구성 및 신뢰성을 검사하기 위한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 있어서, 상기 연료댐퍼 내구시험기의 세부적인 사양을 결정하여 목표 규격을 결정하는 목표규격 결정단계; 상기 목표규격 결정단계에서 결정된 상기 목표규격에 따라 상기 연료댐퍼 내구시험기를 구현하는 연료댐퍼 내구시험기 구현단계; 상기 연료댐퍼 내구시험기 구현단계에서 구현된 상기 연료댐퍼 내구시험기의 성능이 상기 목표규격을 모두 만족하는지를 테스트하는 성능검사단계; 및 상기 성능검사단계에서의 테스트 결과 상기 목표규격에 부합하지 못하는 항목이 있는 경우, 해당 항목에 대응하는 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성을 변경하여 상기 목표규격을 만족하도록 재구성하고, 상기 성능검사단계로 되돌아가 변경된 구성에 대한 성능을 다시 테스트하는 목표성능 구현단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공된다.
여기서, 상기 목표규격 결정단계는, 측정하고자 하는 연료댐퍼에 대하여 부하의 특성, 사용환경, 신뢰도 목표치를 포함하는 특성조건에 근거하여 상기 내구시험기의 압력챔버 내 압력, 초당 맥동 생성회수, 총 맥동 인가회수(cycle) 및 온도를 포함하는 상세 규격을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목표성능 구현단계는, 상기 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에서 배관의 체적변화에 의한 압력손실을 감소하기 위해, 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성 중 압력변화에 따른 체적 변화가 가장 민감한 부분인 에어 하이드로 컨버터와 압력챔버를 연결하는 구간의 배관 재질을 변경하여 변경 전후의 상기 압력챔버 내의 압력 변화를 측정하는 과정을 상기 목표규격을 만족할 때까지 반복하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 목표성능 구현단계는, 상기 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 고압부 성능을 개선하기 위해, 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성 중 비압축성 유체인 연료가 채워져 있는 에어 하이드로 컨버터에서 압력챔버 사이의 오리피스 직경을 변경하여 변경 전후의 상기 압력챔버 내의 압력 변화를 측정하는 과정을 상기 목표규격을 만족할 때까지 반복하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 연료댐퍼의 내구성 및 신뢰성을 검사하기 위한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에 있어서, 상기에 기재된 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 이용하여 설계되고 제작된 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능하도록 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공됨으로써, 연료댐퍼의 성능을 정확하게 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 내구시험장치를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공됨으로써, 연료댐퍼의 생산 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치가 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구조 및 연료펌프 안에 위치한 댐퍼의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 연료댐퍼 적용시의 맥동의 감소 정도를 그래프로 나타태는 도면이다.
도 3은 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 구성에 의해 PC를 통하여 출력되는 데이터의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에 적용되는 에어펄스 제너레이터의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 나타낸 바와 같이 하여 구성되는 연료댐퍼 내구시험기를 이용하여 양산품 댐퍼의 맥동 흡수율을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에서 목표로 하는 연료댐퍼 내구시험기의 규격을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타낸 규격에 근거하여 최초 설계된 우레탄 배관을 동 파이프로 교체한 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 비압축성 유체로 가득 찬 서로 다른 직경의 관로 구조에서 파스칼의 원리가 어떻게 적용되는지를 나타내는 도면이다.
도 10은 배관의 재질과 에어 하이드로 컨버터의 오리피스 직경을 변경해 가면서 성능개선을 위한 실험을 각각 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연료댐퍼의 생산 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치가 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치를 구현하기 위해, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능하도록 구성됨으로써, 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 관한 것이다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명하기 전에, 먼저, 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구성에 대하여 설명한다.
즉, 최근, MPI(Multi Point Injection) 방식의 엔진으로부터 발전한 GDI(Gasoline Direct Injection) 방식의 엔진이 주목받고 있으며, 이는, MPI 방식의 엔진은 연소실 밖에서 공기와 연료를 혼합시켜 연소실로 보내나, GDI 방식의 엔진은 연소실 내에서 직접 연료를 분사시키므로 보다 효율적이기 때문이다.
여기서, 이러한 직분사 과정을 가능하게 하기 위해서는, 연료를 고압으로 공급하는 장치인 고압 연료펌프가 필수적이며, 이러한 연료펌프 안에서 고압으로 연료를 흡입하고 토출하는 과정에서 발생하는 맥동을 최소화하기 위한 장치가 연료댐퍼이다.
따라서 GDI 엔진 차량에서는, 이러한 연료댐퍼에 의해 맥동을 최소한으로 억제해야만 인젝터에 보내는 연료압을 일정하게 유지할 수 있다.
더 상세하게는, 도 1을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 일반적인 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구조 및 연료펌프 안에 위치한 댐퍼의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료댐퍼의 동작은, 입구 측 체크밸브가 열린 상태에서 펌프가 작동하게 되면 챔버 내의 연료가 입구 측으로 역류하게 되면서 맥동이 발생하게 되고, 이때 발생하는 맥동이 댐퍼의 구조와 다이아프램(Diaphragm) 내부 압력에 의해 흡수, 저감되도록 구성된다.
또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 연료댐퍼 적용시의 맥동의 감소 정도를 그래프로 나타태는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연료댐퍼 적용시의 효과는, 예를 들면, 6bar 이상의 맥동이 발생하는 상황에서 댐퍼를 적용하였을 때 맥동은 1bar 수준으로 대략 80% 가까이 감소한다.
그러나 현재, 국내에는 이러한 연료댐퍼의 설계 기술은 있으나, 양산단계까지는 가지 못한 상태이며, 그로 인해, 예를 들면, 독일의 B사와 일본의 H사 등으로부터 연료댐퍼를 수입하여 사용하고 있는 실정이다.
아울러, 연료댐퍼의 제작 및 성능 개선을 위하여는, 설계단계에서부터 성능 및 신뢰도 시험을 통해 설계된 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증하는 것이 중요하며, 이와 같이 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 신뢰성을 평가하기 위해서는 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 구조와 피로 내구수명에 대한 이해, 사용환경에 대한 이해를 바탕으로 한 내구시험이 필요하고, 이러한 내구시험은 사전에 설정된 내구 신뢰도 목표를 바탕으로 주어진 설계조건에서 장기간의 시험시간이 요구된다.
따라서 연료댐퍼의 설계 및 개발을 보다 효율적으로 진행하기 위하여는 고압과 빠른 응답성을 함께 가지는 내구 시험설비가 요구되나, 현재까지 그러한 내구시험 장치는 제대로 구비되어 있지 못한 실정이다.
이에, 본 발명에서는, 이러한 실정을 감안하여, 연료댐퍼의 제작 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능 및 신뢰도를 정확하게 측정할 수 있도록 고압과 빠른 응답성을 가지는 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 제안하였다.
계속해서 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 3에 나타낸 구성에 있어서, 공압식 레귤레이터는 에어 컴프레셔로부터 공급되는 압축공기를 에어펄스 제너레이터와 에어 파일럿 밸브에 전달하는 역할을 하며, 에어펄스 제너레이터에 공급된 압축공기는 다시 에어펄스 제너레이터의 1회전에 4 행정(cycle)의 흡기, 배기 과정을 통해 에어 파일럿 밸브에 공급된다.
여기서, 에어펄스 제너레이터의 축을 회전시키는 서보모터의 RPM을 조절하는 과정을 통해 에어펄스 제너레이터에서 생성되는 맥동펄스의 간격(Hz)을 제어하는 것이 가능하며, 이를 통해 에어 파일럿 밸브에 공급되는 맥동펄스의 간격, 챔버 내에 가해지는 맥동펄스의 간격을 직, 간접적으로 조절할 수 있다.
또한, 에어펄스 제너레이터로부터 압축공기를 전달받은 에어 파일럿 밸브는 에어 레귤레이터로부터 공급된 에어 컴프레셔의 압축공기를 맥동 에어의 형태로 에어 하이드로 컨버터에 전달하는 기능을 하게 된다.
아울러, 맥동 에어는 에어 하이드로 컨버터를 통해 유압 맥동의 형태로 변형되어 챔버 내의 댐퍼에 전달되고, 이와 같이 하여 챔버 내부에 전달된 유압은 압력감지센서에 전달되며, 압력센서에서 계측된 신호는 A/D(Analog to Digital) 변환되어 컴퓨터에 저장된다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 3에 나타낸 회로 구성에 의해 상기한 바와 같은 과정을 통하여 PC를 통해 출력되는 데이터의 모습을 나타내는 도면이다.
또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에 적용되는 에어펄스 제너레이터의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 에어펄스 제너레이터는, 자체 설계된 공기밸브로 직렬연결된 2개의 에어펄스 제너레이터에서 서보모터가 축을 회전시킬 때 흡기, 배기가 이루어지는 형태로 이루어지며, 1회전에 4회의 에어 펄스를 발생시켜 3방향(3-WAY) 밸브 기능으로 에어 파일럿밸브에 펄스를 공급한다.
따라서 상기한 바와 같이 구성됨으로써, 에어 펄스 제너레이터 축의 회전속도에 따라 에어 파일럿밸브의 작동속도가 결정되고, 이는 챔버 내에 가해지는 압력의 크기와 간격에 직접적인 영향을 미치게 된다.
또한, 상기한 바와 같이 구성되는 내구시험설비는 양산품 댐퍼의 성능 측정도 가능하다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 3에 나타낸 바와 같이 하여 구성되는 연료댐퍼 내구시험기를 이용하여 양산품 댐퍼의 맥동 흡수율을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에 있어서, P1은 가압파형 단면적을 나타내고, P2는 챔버 내의 압력 파형 단면적을 나타내며, 양산품 댐퍼의 맥동 흡수율은 이하의 [수학식 1]에 나타낸 흡수율 공식에 따라 측정 가능하다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, P1은 가압파형 단면적이고, P2는 챔버 내의 압력 파형 단면적을 각각 의미한다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기를 설계하고 구현하는 과정에 대하여 설명한다.
즉, 상기한 바와 같이, 연료댐퍼의 내구성 및 신뢰성을 측정하기 위해서는 그 특성에 적합한 사양으로 구성된 내구 시험기가 요구되며, 이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여, 댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능한 고압과 빠른 응답성을 가진 내구시험설비를 구현할 수 있도록 구성되는 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 제안하였다.
더 상세하게는, 먼저, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에서 목표로 하는 연료댐퍼 내구시험기의 규격을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 챔버 내 압력은 고압 연료펌프의 고압부와 저압부의 특성을 고려하여 최대 9bar에서 최소 1bar를 목표로 하였고, 응답성은 1초에 10번의 맥동 펄스를 생성하도록 10Hz를 목표로 하였으며, 총 900만 회 맥동이 가해진 후 댐퍼의 치수변화를 측정하도록 하여 연료댐퍼 내구시험기를 설계하였다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 의해 설계 및 구현된 내구시험기가 도 7에 나타낸 바와 같은 조건들을 만족하도록 구성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경, 사전에 설정된 신뢰도 목표치 등과 같은 다양한 요인들에 의해, 필요에 따라 도 7에 나타낸 구성 이외에 얼마든지 다른 규격이나 구성으로 설계될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
계속해서, 상기한 바와 같은 목표 규격을 가지도록 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기를 설계하고 실제로 구현하여 성능개선을 위한 실험을 수행하는 과정에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 도 7에 나타낸 바와 같은 목표 규격을 가지는 내구시험기를 설계하고 실제로 구현하는 과정에서, 처음 목표했던 압력과 응답속도가 충분히 구현되지 않는 문제를 해결하기 위해, 배관의 재질과 에어 하이드로 컨버터의 오리피스 직경을 변경해 가면서 성능개선을 위한 실험을 반복하였다.
더 상세하게는, 본 발명자들은, 도 7에 나타낸 바와 같은 규격을 가지는 내구시험기의 최초 설계시 작업의 편의성을 고려하여 모든 배관의 재질을 우레탄으로 설정하였으나, 이러한 우레탄 재질의 배관은 작업의 편의성에 있어서는 우수하지만 큰 압력이 가해질 때 재질의 특성상 파이프 내부가 수축, 팽창하면서 체적이 변화하여 압력의 손실이 발생하는 문제가 있음을 발견하였다.
이에, 본 발명자들은, 이미 제작된 내구시험기에서 체적변화에 가장 민감한 구간인 에어 하이드로 컨버터와 챔버를 연결하는 구간의 배관 재질을 우레탄 파이프에서 동파이프로 변경하고 변경 전후의 챔버 내 압력변화를 측정하였다.
즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 도 7에 나타낸 규격에 근거하여 최초 설계된 우레탄 배관을 동 파이프로 교체한 후의 모습을 나타내는 도면이다.
또한, 본 발명자들은, 압력이 충분히 전달되지 못하는 또 다른 원인으로서 유체의 통로에 관한 문제를 고려하였으며, 즉, 비압축성 유체인 연료로 채워진 에어 하이드로 컨버터와 챔버 연결구간의 오리피스 직경을 그 원인으로 지목하여 성능개선을 위한 실험을 수행하였다.
더 상세하게는, 도 9를 참조하면, 도 9는 비압축성 유체로 가득 찬 서로 다른 직경의 관로 구조에서 파스칼의 원리가 어떻게 적용되는지를 나타내는 도면이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 파스칼의 원리에 따르면, 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면 내부로 전달된 압력은 밀폐된 공간의 각 면에 동일한 압력으로 작용하므로, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같은 식이 적용된다.
[수학식 2]
Figure pat00002

여기서, 상기한 [수학식 2]에 있어서, F1은 에어 하이드로 컨버터 쪽에서 가하는 힘, F2는 챔버에 가해지는 압력, A1은 에어 하이드로 컨버터 쪽 오리피스 단면적, A2는 챔버 내 압력을 받는 단면적을 각각 의미한다.
즉, 에어 하이드로 컨버터에서부터 챔버까지의 단면은 내부가 비압축성 유체로 가득 차 있는 직경이 서로 다른 수평 관로 구조이며, 이에, 도 9에 나타낸 바와 같이, 에어 하이드로 컨버터 쪽에서 가하는 힘을 F1, 챔버에 가해지는 압력을 F2라고 설정하고, 에어 하이드로 컨버터 쪽 오리피스 단면적을 A1, 챔버 내 압력을 받는 단면적을 A2라고 설정했을 때, 오리피스 직경이 작을수록 적은 힘으로 큰 압력을 가해줄 수 있지만, 더 긴 피스톤의 이동 거리가 필요하게 된다.
이에, 본 발명자들은, 현재의 구조에서는 피스톤의 이동 거리 D가 매우 짧고 한계가 있기 때문에 오리피스의 단면적 A1이 넓을 때 더 원활하게 압력의 전달이 이루어질 수 있을 것으로 판단하여, 직경 2파이(φ)이었던 오리피스를 4파이로 넓힌 후 챔버 내 압력변화를 측정하였다.
계속해서 도 10을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 성능개선을 위한 실험을 각각 수행한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 배관의 재질과 에어 하이드로 컨버터의 오리피스 직경을 변경해 가면서 성능개선을 위한 실험을 각각 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 10a는 처음 상태에서 챔버 내에 걸리는 압력의 파형을 웨이브 폼 그래프로 나타낸 것이고, 도 10b는 에어 하이드로 컨버터와 챔버 연결부의 배관을 동파이프로 변경한 후에 챔버 내에 걸리는 압력의 파형을 웨이브 폼 그래프로 나타낸 것이며, 도 10c는 에어 하이드로 컨버터 오리피스의 직경을 4파이로 넓힌 후 챔버 내에 걸리는 압력의 파형을 웨이브 폼 그래프로 각각 나타낸 것이다.
즉, 도 10a에 나타낸 바와 같이, 최초 모든 배관이 우레탄 배관이고 오리피스 직경이 2파이일 때 챔버 내에 가해지는 압력은 10Hz 간격으로, 저압부에서는 1bar, 고압부에서는 7.2bar의 압력이 가해지는 것을 알 수 있으며, 이는, 최초 목표로 했던 내구시험기의 고압부 스펙 9bar에는 못 미치는 크기이다.
다음으로, 에어 하이드로 컨버터와 챔버 연결부의 배관을 동파이프로 변경하여 실험을 진행한 결과는, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 저압부 압력 1bar, 고압부 압력 7.7bar로 고압부 압력이 0.5bar 정도 상승하였다.
또한, 배관을 동파이프로 변경하고 에어 하이드로 컨버터 오리피스의 직경을 4파이로 넓힌 후 진행한 실험에서는, 도 10c에 나타낸 바와 같이, 저압부 압력 1bar, 고압부 압력 9bar로 고압부 압력이 1.3bar 정도 상승하였으며, 이는 처음 목표로 했던 내구 시험기의 규격을 만족하는 결과임을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 댐퍼의 구조와 사용환경에 대한 이해를 바탕으로 파일럿 밸브와 실린더 등을 이용하여 공압시스템으로 구성된 내구시험설비를 설계하고, 설계 과정에서 유압부 배관을 동 재질로 변경하여 배관의 체적변화에 의한 압력손실을 줄이는 동시에, 유압부 배관 단면에 적용되는 파스칼의 원리를 통해 고압부 성능을 크게 개선한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기를 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 고압 연료펌프용 연료댐퍼 국산화 개발의 중요 과제 중 하나인 내구성능 검사와 성능개선 과정에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
더 상세하게는, 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법은, 크게 나누어, 먼저, 측정하고자 하는 연료댐퍼에 대하여 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치 등에 근거하여 연료댐퍼 내구시험기의 압력 및 응답성 등의 세부적인 사양을 결정하여 목표규격을 결정하는 목표규격 결정단계(S10)와, 상기한 목표규격 결정단계(S10)에서 결정된 목표규격에 따라 연료댐퍼 내구시험기를 구현하는 연료댐퍼 내구시험기 구현단계(S20)와, 상기한 연료댐퍼 내구시험기 구현단계(S20)에서 구현된 연료댐퍼 내구시험기의 성능이 최초 설정된 목표규격을 모두 만족하는지를 테스트하는 성능검사단계(S30) 및 상기한 성능검사단계(S30)에서의 테스트 결과 목표치에 부합하지 못하는 항목이 있는 경우, 해당 항목의 목표치를 만족하도록 연료댐퍼 내구시험기의 구성을 변경하고 다시 성능을 테스트하는 과정을 반복하는 목표성능 구현단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 목표규격 결정단계(S10)는, 예를 들면, 도 7을 참조하여 상기에 설명한 바와 같이, 측정하고자 하는 연료댐퍼의 특성을 고려하여, 챔버 내 압력(bar), 초당 맥동 생성회수(Hz), 총 맥동 인가회수(cycle), 온도 등을 포함하는 세부적인 상세 규격을 설정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 연료댐퍼 내구시험기 구현단계(S20)는, 예를 들면, 도 3 내지 도 6을 참조하여 상기에 설명한 바와 같이, 에어 컴프레셔, 에어펄스 제너레이터, 에어 파일럿 밸브, 레귤레이터, 에어 하이드로 컨버터, 압력챔버, 압력감지센서 및 컴퓨터를 포함하여 연료댐퍼 내구시험기를 구현하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 성능검사단계(S30)는, 상기한 목표규격 결정단계(S10)에서 결정된 각각의 목표규격에 대하여, 상기한 연료댐퍼 내구시험기 구현단계(S20)에서 구현된 내구시험기가 각각의 항목을 모두 만족하는지를 테스트하도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 목표성능 구현단계(S40)는, 상기한 성능검사단계(S30)에서의 테스트 결과 목표치에 부합하지 못하는 항목이 있는 경우, 해당 항목의 목표규격을 만족할 때까지 내구시험기의 구성을 변경하고 상기한 성능검사단계(S30)로 되돌아가 성능을 측정하는 과정을 반복하여 최종적으로 모든 목표규격을 구현하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 목표성능 구현단계(S40)는, 예를 들면, 도 8 내지 도 10을 참조하여 상기에 설명한 바와 같이, 압력변화에 따른 체적 변화가 가장 민감한 부분인 에어 하이드로 컨버터와 압력챔버를 연결하는 구간의 배관 재질을 변경하여 변경 전후의 챔버 내 압력 변화를 측정하는 과정과, 비압축성 유체인 연료로 가득 차 있는 에어 하이드로 컨버터에서 압력챔버 사이의 오리피스 직경을 변경하여 변경 전후의 챔버 내 압력 변화를 측정하는 과정을 목표 규격을 만족할 때까지 반복하도록 구성될 수 있으며, 이러한 과정을 통하여, 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에 있어서, 배관의 체적변화에 의한 압력손실을 줄이는 동시에, 고압부 성능을 크게 개선할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 연료댐퍼가 받는 각종 부하의 특성, 사용환경에 대한 이해, 사전에 설정된 신뢰도 목표치를 바탕으로 장기간의 피로 내구시험이 가능하도록 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공됨으로써, 연료댐퍼의 성능을 정확하게 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 고압 연료펌프용 연료댐퍼의 내구시험장치를 구현할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 고압과 빠른 응답성을 가지는 내구시험설비를 구현 가능한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법이 제공됨으로써, 연료댐퍼의 생산 및 성능 개선을 위해 연료댐퍼의 성능을 정확히 측정하고 신뢰성을 검증할 수 있는 연료댐퍼의 내구시험장치가 제시되지 못하였던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (5)

  1. 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 연료댐퍼의 내구성 및 신뢰성을 검사하기 위한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법에 있어서,
    상기 연료댐퍼 내구시험기의 세부적인 사양을 결정하여 목표 규격을 결정하는 목표규격 결정단계;
    상기 목표규격 결정단계에서 결정된 상기 목표규격에 따라 상기 연료댐퍼 내구시험기를 구현하는 연료댐퍼 내구시험기 구현단계;
    상기 연료댐퍼 내구시험기 구현단계에서 구현된 상기 연료댐퍼 내구시험기의 성능이 상기 목표규격을 모두 만족하는지를 테스트하는 성능검사단계; 및
    상기 성능검사단계에서의 테스트 결과 상기 목표규격에 부합하지 못하는 항목이 있는 경우, 해당 항목에 대응하는 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성을 변경하여 상기 목표규격을 만족하도록 재구성하고, 상기 성능검사단계로 되돌아가 변경된 구성에 대한 성능을 다시 테스트하는 목표성능 구현단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 목표규격 결정단계는,
    측정하고자 하는 연료댐퍼에 대하여 부하의 특성, 사용환경, 신뢰도 목표치를 포함하는 특성조건에 근거하여 상기 내구시험기의 압력챔버 내 압력, 초당 맥동 생성회수, 총 맥동 인가회수(cycle) 및 온도를 포함하는 상세 규격을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 목표성능 구현단계는,
    상기 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에서 배관의 체적변화에 의한 압력손실을 감소하기 위해, 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성 중 압력변화에 따른 체적 변화가 가장 민감한 부분인 에어 하이드로 컨버터와 압력챔버를 연결하는 구간의 배관 재질을 변경하여 변경 전후의 상기 압력챔버 내의 압력 변화를 측정하는 과정을 상기 목표규격을 만족할 때까지 반복하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 목표성능 구현단계는,
    상기 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 고압부 성능을 개선하기 위해, 상기 연료댐퍼 내구시험기의 구성 중 비압축성 유체인 연료가 채워져 있는 에어 하이드로 컨버터에서 압력챔버 사이의 오리피스 직경을 변경하여 변경 전후의 상기 압력챔버 내의 압력 변화를 측정하는 과정을 상기 목표규격을 만족할 때까지 반복하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법.
  5. 직분사(Gasiline Direct Injection ; GDI) 엔진에 적용되는 고압 연료펌프의 맥동(pulsation)을 최소화하기 위한 연료댐퍼의 내구성 및 신뢰성을 검사하기 위한 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 4항 중 어느 한 항에 기재된 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기의 설계방법을 이용하여 설계되고 제작된 것을 특징으로 하는 고압 연료펌프용 연료댐퍼 내구시험기.
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