KR20170110433A - 내연기관용 고지대 성능 시험 장치 - Google Patents

내연기관용 고지대 성능 시험 장치 Download PDF

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Abstract

내연기관용 고지대 성능 시험 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 고지대 성능 시험 장치는, 흡기 라인과 배기 라인을 갖춘 저압 챔버와, 흡기 라인에 설치되며 외부로부터 상기 저압 챔버 내부로 도입되는 공기의 유량을 조절하여 목표 압력을 제어하는 흡기유량조절밸브와, 배기 라인에 설치되며 상기 저압 챔버의 내부 압력 조절용 외부공기를 저압 챔버로 도입시키는 압력조절송풍기와, 저압 챔버 내 압력을 검출하는 압력 검출기 및 압력 검출기로부터의 획득 정보로 흡기유량조절밸브를 피드백 제어하는 PID 제어기를 포함하는 구성으로 이루어져, 구성이 단순하면서도 고지대 대기 환경을 정확히 모사할 수 있어 고도에 따른 내연기관의 성능을 평가함에 있어 유용하다.

Description

내연기관용 고지대 성능 시험 장치{The Hilly section performance testing apparatus for internal combustion engine}
본 발명은 내연기관용 고지대 성능 시험 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 고도에 따른 내연기관의 성능 평가에 사용되는 내연기관용 고지대 성능 시험 장치에 관한 것이다.
최근 디젤차량에 대한 배기가스 규제가 더욱 엄격해 지고 있는 추세에서 일부 선진국에서는 고도에 따른 유해 배출가스 성분까지도 까다롭게 규제하고 있다. 이에 따라, 고도에 따라 변화하는 엔진 성능 평가의 필요성이 대두되고 있다.
종래 고도에 따른 내연기관 성능 평가에 크게 두 가지 방법이 사용되고 있다. 하나는 고지대를 직접 방문하여 유해 배출가스를 직접 측정하는 간이적인 방법이며, 다른 하나는 성능 시험실 전체를 저압으로 유지하는 저압 챔버를 사용하여 성능을 측정하는 방법이다.
전자의 고지대를 직접 방문하여 엔진 성능을 측정하는 간이적 방법은, 실제 고지 환경에서 엔진 성능을 측정하는 것이 때문에 측정 값의 정확성이 매우 높아 신뢰도 높은 정보 제공이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 고도 별 성능 데이터 구축에 엄청난 시간과 노력을 필요로 한다는 문제가 있다.
그리고 후자의 저압 챔버를 사용하는 기술은, 엔진이 격납되는 챔버 내부 압력 조정을 통해 원하는 대기 환경과 유사한 환경을 모사할 수 있다는 장점은 있으나, 설비가 워낙 고가이며 복잡하며 부피가 커서 설비 구축에 많은 제반 비용이 소요되고 제약이 따른다는 문제가 있다.
한국공개특허 제1998-035702호(공개일 1998. 8. 5)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 단순한 구성이면서도 고지대 대기 환경을 정확히 모사할 수 있어 고도에 따른 내연기관의 성능을 정확하게 평가할 수 있는 내연기관용 고지대 성능 시험 장치를 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 실시 예에 따르면,
일측과 대향부 타측에 흡기 라인과 배기 라인이 연결되는 저압 챔버;
상기 흡기 라인에 설치되며 외부로부터 상기 저압 챔버 내부로 도입되는 공기의 유량을 조절하여 목표 압력을 제어하는 흡기유량조절밸브; 및
상기 배기 라인에 설치되며 상기 저압 챔버의 내부 압력 조절용 외부공기를 저압 챔버로 도입시키는 압력조절송풍기;를 포함하며,
시험용 엔진의 흡기와 배기 측이 저압 챔버 내에 위치하도록 구성된 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치를 제공한다.
여기서, 상기 저압 챔버 외부에 시험용 엔진이 인접 배치되고, 상기 저압 챔버 내외부를 연결하는 한 쌍의 흡기 덕트와 배기 덕트를 통해 상기 시험용 엔진 흡기와 배기 측이 저압 챔버 내부와 연통될 수 있다.
이때, 상기 흡기 덕트의 흡입단은 상기 저압 챔버 내에서 흡기 라인을 향하고, 상기 배기 덕트의 배출단은 상기 저압 챔버 내에서 배기 라인을 향하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 시험용 엔진의 크랭크 케이스가 상기 저압 챔버와 흡입 덕트로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치는 또한, 상기 저압 챔버 내 압력을 검출하는 압력 검출기 및 상기 압력 검출기로부터의 획득 정보로 상기 흡기유량조절밸브를 피드백 제어하는 PID 제어기(Proportional Integral Derivative control Device)를 포함할 수 있다.
더하여, 상기 흡기유량조절밸브 전단과 후단의 흡기 라인을 연결하는 바이패스 라인(Bypass line)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 내연기관용 고지대 성능 시험 장치에 의하면, 단순한 구성에 비하여 고지대 대기 환경을 정밀하게 모사할 수 있어, 공간이 제한된 시험실에서도 고도에 따른 연비, 유해 배기가스 배출량, 출력 등의 엔진 성능을 장시간 안정되고 정확하게 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내연기관용 고지대 성능 시험 장치의 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 흡기 덕트의 바람직한 일례를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 내연기관용 고지대 성능 시험 장치의 요부 확대도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내연기관용 고지대 성능 시험 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 내연기관용 고지대 성능 시험 장치는, 저압 챔버(10)를 포함한다. 저압 챔버(10) 일측에는 흡기 라인(12)이 연결되어 외부로부터 저압 챔버(10) 내부로 공기가 도입될 수 있으며, 대향부 타측에는 배기 라인(14)이 연결되어 엔진(100) 성능 시험 시 배출가스와 상기 흡기 라인(12)을 통해 유입된 공기가 저압 챔버(10) 외부로 빠져나갈 수 있다.
흡기 라인(12)을 통한 저압 챔버(10) 내 압력 조절용 외부공기 도입을 위하여 상기 배기 라인(14)에는 압력조절송풍기(Blower, 30)가 설치된다. 물론, 배기유량에 따라 일반적인 송풍기 대신 높은 압력의 기체 취급에 용이한 축류 압축기(axial compressor)가 채택될 수 있으며, 2대(혹은 그 이상)의 송풍기 또는 축류 압축기를 병렬로 사용하여 배기유량 증가에 대응할 수 있다.
압력조절송풍기(Blower, 30)가 구동되면 상기 배기 라인(14)을 통해 엔진(100) 배기가스와 저압 챔버(10) 내부의 공기가 외부에 강제 배출되고, 동시에 저압 챔버(10)와 외부 대기압 사이의 압력차이로 인해 상기 흡기 라인(12)을 통해 자연스럽게 외부의 공기가 저압 챔버(10) 내부로 도입된다. 이때 도입되는 외부 공기의 유량이 흡기유량조절밸브(20)에 의해 조절된다.
흡기유량조절밸브(20)는 상기 흡기 라인(12) 상에서 저압 챔버(10) 내부로 도입되는 공기의 유량을 조절함으로써 저압 챔버(10) 내부의 압력이 목표 압력이 되도록 제어한다. 흡기유량조절밸브(20)는 외부의 제어신호로 작동되어 개도각이 조절되는 전자 제어 밸브일 수 있고, 이때 제어신호는 저압 챔버(10) 내부의 압력 측정 값 정보로부터 후술하는 PID 제어기(60)에 의해 생성될 수 있다.
저압 챔버(10)는 도시하지는 않았으나 시험용 엔진(100)을 온전히 수용할 수 있는 엔진(100) 내장형 구조로 형성될 수 있다. 하지만 이 경우 장치의 전반적인 부피가 커져 큰 설치공간을 필요로 하게 된다. 반면 도 1의 예시와 같이 엔진(100)의 흡기계와 배기계만 별도의 연결 덕트(42)(44)로 저압 챔버(10)와 연결시킨 외장형 구조로 장치를 구성하면 장치 소형화에 유리하다.
도 1과 같이 엔진(100) 외장형으로 저압 챔버(10)를 구성할 경우 저압 챔버(10) 바깥쪽에 인접하여 배치되는 시험 대상 엔진(100)의 흡기 측과 배기 측은 저압 챔버(10) 내외부를 연결하는 한 쌍의 흡기 덕트(42)와 배기 덕트(44)를 통해 저압 챔버(10) 내부와 연통될 수 있다. 이때 흡기 및 배기 덕트(44) 각각은 일체형 또는 저압 챔버(10)의 관통부를 경계로 체결 및 분리 가능한 구성일 수 있다.
예들 들어 도 2의 예시와 같이, 저압 챔버(10) 내측의 내부 덕트(44b 또는 42b)와 저압 챔버(10) 외측에서 엔진(100)의 흡기 또는 배기 측 매니폴더(120, 140)에 연결되는 외부 어댑터(44a 또는 42a)로 구성될 수 있다. 이 경우 엔진(100) 사양에 따라 달라지는 엔진(100) 크기에 맞춰 저압 챔버(10) 외측에서 상기 외부 어댑터(44a 또는 42a)만 바꿔 연결하면 되기 때문에 엔진(100) 교체 시 신속하고 용이하게 대처할 수 있다.
바람직하게는, 상기 외부 어댑터(44a 또는 42a)를 주름관 또는 플렉시블(Flexible)한 재질의 호스로 구성하면, 엔진(100) 사양에 따라 달라지는 엔진(100)의 크기 변화에 더욱 용이하게 대응하여 엔진(100)과 상기 내부 덕트 간 연결을 구현할 수 있다.
저압 챔버(10) 내에 위치한 흡기 덕트(42)의 흡입단(420)과 배기 덕트(44)의 배출단(440)은 각각 상기 저압 챔버(10) 내에서 상기 흡기 라인(12)과 배기 라인(14)을 향하도록 설치될 수 있다. 이에 따라 엔진(100) 구동 시 상기 흡기 라인(12)을 통해 도입된 외부 공기는 큰 유동저항 없이 상기 흡기 덕트(42)를 통해 엔진(100)에 도입될 수 있으며, 배기가스는 배기 라인(14)을 통해 저압 챔버(10) 외부로 원활하게 배출될 수 있다
저압 챔버(10) 내에서 흡기 덕트(42)의 흡입단(420)과 배기 덕트(44)의 배출단(440)이 각각 흡기 라인(12)과 배기 라인(14)을 향하여 서로 반대방향으로 배치됨에 따라 배출단(440)을 통해 배출된 배기가스의 엔진(100) 재유입이 방지되며, 엔진(100)의 크랭크 케이스 내부 환경 역시 시험 환경과 동일한 환경으로 유지되도록 시험 대상 엔진(100)의 크랭크 케이스와 저압 챔버(10)를 연결하는 흡입 덕트(46)가 구비될 수 있다.
저압 챔버(10)의 임의 위치에는 압력 검출기(50)가 설치된다. 압력 검출기(50)는 저압 챔버(10) 내부의 압력을 검출하여 흡기유량조절밸브(20) 개도각 조절에 있어 유용한 정보를 PID 제어기(Proportional Integral Derivative control Device, 60)에 제공한다. 즉 상기 PID 제어기(60)는 상기 압력 검출기(50)로부터 획득된 정보에 기초해 상기 흡기유량조절밸브(20)를 피드백 제어한다.
예를 들어, 시험자에 의해 설정된 저압 챔버(10) 내부의 목표 압력에 비해 상기 압력 검출기(50)가 검출한 현재 압력이 높으면, PID 제어기(60)는 흡기유량조절밸브(20)의 개도각을 더 작게 하여 흡기량을 줄임으로써 저압 챔버(10) 내부 압력을 하강시키고, 반대인 경우 흡기유량조절밸브(20)의 개도각을 크게 하여 흡기량을 늘림으로써 저압 챔버(10)의 내부 압력을 상승시킨다.
즉 압력 검출기(50)의 검출 정보에 기초하여 수행되는 상기 PID 제어기(60)에 의한 흡기유량조절밸브(20)의 피드백 제어에 의해, 저압 챔버(10)의 내부 압력이 목표하는 대로 정확하게 조절될 수 있는 것이며, 결과적으로 저압 챔버(10) 내부를 테스트를 필요로 하는 해발 높이의 대기 환경과 동일하게 조성할 수 있어 고도에 따른 내연기관의 성능을 정확하게 파악할 수 있게 되는 것이다.
한편, 도 3의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 부분 확대도와 같이, 본 발명에 따른 성능 시험 장치는, 흡기유량조절밸브(20) 전단과 후단의 흡기 라인(12)을 직접 연결하는 바이패스 라인(Bypass line, 70)을 더 포함할 수 있다. 이때 바이패스 라인(70)은 흡기 라인(12)을 통한 공기 유입이 극히 적은 경우 최소한의 공기가 저압 챔버(10)로 유입될 수 있도록 기능한다.
즉 흡기유량조절밸브(20)의 오작동 또는 극히 낮은 압력 설정으로 저압 챔버(10) 내 외부 공기 유입이 차단되거나 극히 제한되더라도 최소한의 공기가 상기 바이패스 라인(70)을 통해 저압 챔버(10) 내부로 공급되도록 함으로써, 펌프와 엔진(100)과 같이 구동에 있어 최소한의 공기를 필요로 하는 구성품의 공기 공급 차단에 따른 손상이 방지될 수 있도록 한 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따른 내연기관용 고지대 성능 시험 장치에 의하면, 단순한 구성이면서도 테스트를 필요로 하는 고지의 대기 조건과 동일한 조건으로 엔진 시험 환경을 정확하게 모사할 수 있으며, 따라서 공간이 제한된 시험실에서도 고도에 따른 연비, 유해 배기가스 배출량, 출력 등의 엔진 성능을 정확하게 파악할 수 있다.
결과적으로, 대기압이 낮게 유지되는 고지대 운전상황에서 엔진 성능 시험에 소요되는 비용을 크게 절감시키는 효과가 있고, 고지대 엔진 성능 검증에 있어 요구되는 노력과 시간이 크게 줄어 엔진의 개발 기간 단축 및 연구 개발의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 저압 챔버 12 : 흡기 라인
14 : 배기 라인 20 : 흡기유량조절밸브
30 : 압력조절송풍기 42 : 흡기 덕트
44 : 배기 덕트 50 : 압력 검출기
60 : PID 제어기 70 : 바이패스 라인
100 : 시험용 엔진 120 : 흡기매니폴드
140 : 배기매니폴드

Claims (6)

  1. 일측과 대향부 타측에 흡기 라인(12)과 배기 라인(14)이 연결되는 저압 챔버(10);
    상기 흡기 라인(12)에 설치되며 외부로부터 상기 저압 챔버(10) 내부로 도입되는 공기의 유량을 조절하여 목표 압력을 제어하는 흡기유량조절밸브(20); 및
    상기 배기 라인(14)에 설치되며 상기 저압 챔버(10)의 내부 압력 조절용 외부공기를 저압 챔버(10)로 도입시키는 압력조절송풍기(30);를 포함하며,
    시험용 엔진(100)의 흡기와 배기 측이 저압 챔버(10) 내에 위치하도록 구성된 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 챔버(10) 외부에 시험용 엔진(100)이 인접 배치되고, 상기 저압 챔버(10) 내외부를 연결하는 흡기 덕트(42)와 배기 덕트(44)를 통해 상기 시험용 엔진(100)의 흡기와 배기 측이 저압 챔버(10) 내부와 연통되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡기 덕트(42)의 흡입단(420)은 상기 저압 챔버(10) 내에서 흡기 라인(12)을 향하고, 상기 배기 덕트(44)의 배출단(440)은 상기 저압 챔버(10) 내에서 배기 라인(14)을 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시험용 엔진(100)의 크랭크 케이스가 상기 저압 챔버(10)와 흡입 덕트(46)로 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압 챔버(10) 내 압력을 검출하는 압력 검출기(50); 및
    상기 압력 검출기(50)로부터의 획득 정보로 상기 흡기유량조절밸브(20)를 피드백 제어하는 PID 제어기(Proportional Integral Derivative control Device, 60);를 더 포함하는 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 흡기유량조절밸브(20) 전단과 후단의 흡기 라인(12)을 연결하는 바이패스 라인(Bypass line, 70);을 더 포함하는 내연 기관용 고지대 성능 시험 장치.
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