KR20220026795A - 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치 - Google Patents

메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 지지대를 통해 시험 대상 디젤 엔진을 지지하는 지지부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 흡기관을 통해 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 내부로 디젤 및 메탄올을 각각 공급하는 연료공급부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 구동 과정에서 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및 상기 공기공급부, 연료공급부 및 측정부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치에 관한 것이다.

Description

메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치{combustion performance testing device of diesel engines}
본 발명은 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤 엔진에 디젤과 함께 메탄올의 추가 투입이 이루어질 때의 연소 성능 시험이 간단하고 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치에 관한 것이다.
차량, 선박 또는 항공기 등의 구동을 위하여 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 엔진이 이용되고 있다.
이때, 엔진은 가솔린 등의 연료를 연소시킴으로써 기계적인 동력을 발생시키게 된다.
한편, 가솔린은 디젤 등의 타 연료에 비해 비교적 고가이므로 이를 운송용 및 산업용 등의 대형 엔진의 연료로 이용하는 경우 연료비 부담이 상당하게 되어 경제적 이익이 저하되는 문제가 있었다.
이러한 이유로 운송용 및 산업용 등의 대형 엔진의 대다수가 디젤을 연료로 이용하고 있다.
그러나 디젤을 연료로 하는 엔진, 즉 디젤 엔진은 연료 연소 과정에서 다량의 유해가스를 방출하므로 환경 오염을 유발하는 문제가 있었다.
또한, 디젤 엔진은 가솔린을 연료로 하는 가솔린 엔진에 비해 연료비를 절감할 수 있을 뿐 여전히 연료비 부담이 상당한 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해소하고자 해당 분야에서는 디젤 엔진에 디젤에 비해 저렴한 연료, 예컨대 메탄올을 추가 투입하는 실험을 시도하고 있다.
디젤 엔진에 디젤과 함께 메탄올을 추가 투입되면 순수 디젤을 연소시킬 때에 비해 유해가스 방출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료비를 절감할 수 있다.
다만, 디젤 엔진에 메탄올을 추가 투입하게 되면 연소 성능 저하로 이어질 수 있으므로 메탄올이 추가 투입되는 디젤 엔진의 연소 성능을 시험할 필요가 있다.
그러나 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0139521호 등에 개시된 바와 같은 일반 '엔진 연소 성능 시험장치'는 단일 연료만을 공급하며 엔진의 연소 성능을 시험할 수 있는바, 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험에 적용이 곤란한 문제가 있었다.
상기의 이유로 해당 분야에서는 디젤 엔진에 디젤과 함께 메탄올의 추가 투입이 이루어질 때의 연소 성능 시험이 간단하고 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 디젤 엔진 연소 성능 시험장치의 개발을 시도하고 있으나, 현재까지는 만족할만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0139521호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 디젤 엔진에 디젤과 함께 메탄올의 추가 투입이 이루어질 때의 연소 성능 시험이 간단하고 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 디젤 엔진 연소 성능 시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
지지대를 통해 시험 대상 디젤 엔진을 지지하는 지지부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 흡기관을 통해 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 내부로 디젤 및 메탄올을 각각 공급하는 연료공급부; 상기 시험 대상 디젤 엔진의 구동 과정에서 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및 상기 공기공급부, 연료공급부 및 측정부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 제안한다.
상기 공기공급부는 상기 흡기관을 통한 공기 유입량을 조절하는 스로틀밸브를 포함한다.
상기 연료공급부는, 상기 시험 대상 디젤 엔진의 실린더 내측에 직접 디젤을 공급하는 제1연료공급라인; 및 상기 시험 대상 디젤 엔진의 상기 흡기관 내측으로 메탄올을 공급하는 제2연료공급라인;을 포함한다.
상기 제2연료공급라인은 복수로 분기되어 상기 흡기관의 인터쿨러 이전 구간, 상기 흡기관의 인터쿨러 이후 구간 및 상기 흡기관의 커먼레일 이전 구간 중의 적어도 하나에 메탄올을 공급한다.
상기 제2연료공급라인을 통해 공급되는 메탄올의 디젤 대체 비율은 0%, 30%, 40% 및 50%일 수 있다.
상기 측정부는, 온도센서, 압력센서 및 유량계 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치는, 디젤 엔진의 내부로 디젤 및 메탄올을 각각 공급하는 연료공급부를 포함하는바, 연료공급부에 의해 실험 대상 디젤 엔진으로 디젤의 공급 및 메탄올의 공급이 이루어질 수 있으므로 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험이 간단히 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치는, 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나를 측정하는 측정부를 포함하는바, 측정부에서 측정한 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 통해 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험이 정확히 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 일 작동 조건에서의 실린더 압력 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 다른 작동 조건에서의 실린더 압력 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 제동연료소비율(BSFC) 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 서로 다른 작동 조건에서의 제동열효율(BTE) 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 일 작동 조건에서의 온도상승률(HRR) 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치(A)를 통한 다른 작동 조건에서의 온도상승률(HRR) 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치를 통한 서로 다른 작동 조건에서의 Energy Economy Ratio 산출 결과를 보인 그래프이다.
이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치(A)는, 지지부(10); 공기공급부(20); 연료공급부(30); 측정부(40); 및 제어부(50);를 포함한다.
본 발명의 지지부(10)는 지지대(11)를 통해 시험 대상 디젤 엔진(100)을 지지한다.
따라서 지지부(10)에 의해 시험 대상 디젤 엔진(100)의 의도하지 않은 유동이 억제된다.
한편, 지지대(11)는 시험 대상 디젤 엔진(100)을 안정적으로 지지할 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 구조 및 방식의 것이어도 무방한바, 지지대(11)에 관한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 공기공급부(20)는 시험 대상 디젤 엔진(100)의 흡기관(110)을 통해 공기를 공급한다.
따라서 공기공급부(20)에 의한 공기 공급에 의해 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더(도면상 미도시) 내에서 연료의 연소가 이루어진다.
한편, 공기공급부(20)는 에어펌프 등의 급기부재(21)를 통해 공기를 공급할 수 있다.
그리고 공기공급부(20)는 흡기관(110) 상에 설치되는 스로틀밸브(도면상 미도시)를 포함함으로써 스로틀밸브 작동에 의해 흡기관(110)을 통한 공기 유입량의 조절이 이루어질 수 있다.
본 발명의 연료공급부(30)는 시험 대상 디젤 엔진(100)의 내부로 디젤 및 메탄올을 각각 공급한다.
따라서 연료공급부(30)에 의한 연료 공급에 의해 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더 내에서 연료의 연소가 이루어진다.
이때, 연료공급부(30)는, 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더 내측에 직접 디젤을 공급하는 제1연료공급라인(31); 및 시험 대상 디젤 엔진(100)의 흡기관(110) 내측으로 메탄올을 공급하는 제2연료공급라인(32);을 포함함으로써 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더 내에서 디젤 및 메탄올의 연소가 이루어질 수 있다.
여기서, 제2연료공급라인(32)은 복수로 분기되어 흡기관(110)의 인터쿨러(도면상 미도시) 이전 구간, 흡기관(110)의 인터쿨러 이후 구간 및 흡기관(110)의 커먼레일(도면상 미도시) 이전 구간 중의 적어도 하나에 메탄올을 공급함으로써 메탄올이 공기와 함께 흡기관(110)을 따라 유동하여 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더 내측으로 유입될 수 있다.
그리고 제2연료공급라인(32)을 통해 공급되는 메탄올의 디젤 대체 비율은 0%, 30%, 40% 및 50%로 설정됨으로써 메탄올의 디젤 대체 비율에 따라 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능 시험이 이루어질 수 있다.
이때, 제2연료공급라인(32)을 통한 메탄올의 단계별 공급은 제어부(50)의 제어에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 제1연료공급라인(31) 및 제2연료공급라인(32)은, 해당 연료가 저장되는 저장조(31a, 32a); 및 저장조(31a, 32a) 내의 연료를 강제 유동시키는 펌프(31b, 32b)를 포함함으로써 펌프(31b, 32b) 작동에 의해 연료 공급이 이루어진다.
본 발명의 측정부(40)는 시험 대상 디젤 엔진(100)의 구동 과정에서 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나를 측정한다.
따라서 측정부(40)의 측정 결과를 확인함으로써 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능을 파악할 수 있다.
한편, 측정부(40)는 도면상 미도시 하였으나, 온도센서, 압력센서 및 유량계 중의 적어도 하나를 포함함으로써 이를 통해 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나가 측정될 수 있다.
본 발명의 제어부(50)는 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)의 작동을 제어한다.
따라서 제어부(50)에 의해 공기공급부(20)를 통한 공기 공급량 조절, 연료공급부(30)를 통한 연료 공급량 조절 및 측정부(40)를 통한 측정이 자동으로 이루어진다.
한편, 제어부(50)는 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)의 작동을 제어할 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 구조 및 방식의 것이어도 무방한바, 제어부(50)에 관한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치(A)를 통한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능 시험에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 공기공급부(20) 및 연료공급부(30)를 포함하는바, 공기공급부(20) 및 연료공급부(30)를 통해 공급되는 공기 및 연료가 시험 대상 디젤 엔진(100)의 내부로 유입되어 연소됨에 따라 시험 대상 디젤 엔진(100)의 구동이 이루어진다.
이때, 연료공급부(30)는, 시험 대상 디젤 엔진(100)의 실린더 내측에 직접 디젤을 공급하는 제1연료공급라인(31); 및 시험 대상 디젤 엔진(100)의 흡기관(110) 내측으로 메탄올을 공급하는 제2연료공급라인(32);을 포함하는바, 제1연료공급라인(31) 및 제2연료공급라인(32)에 의해 디젤 및 메탄올의 공급이 함께 이루어질 수 있다.
그리고 본 발명은 측정부(40)를 포함하는바, 시험 대상 디젤 엔진(100) 구동 과정에서 측정부(40)를 통해 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 압력상승률(PRR), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나의 측정이 이루어진다.
다만, 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)의 개별 제어에는 번거로움이 따를 수 있다.
그리나 본 발명은 제어부(50)를 포함하는바, 제어부(50)에 의해 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)가 각각 제어되므로 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)의 개별 제어에 따르는 번거로움을 덜 수 있다.
이때, 제어부(50)는 공기공급부(20), 연료공급부(30) 및 측정부(40)를 제어하되, 공기공급부(20)를 통한 공기 공급량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 연료공급부(30)를 통한 연료 공급량을 조절, 더욱 구체적으로 디젤 공급량 및 메탄올 공급량을 조절할 수 있으므로 특히 메탄올의 디젤 대체 비율을 예컨대 0%, 30%, 40% 및 50%로 달리하여 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능 시험이 이루어질 수 있다.
또한, 제어부(50)는 시험 대상 엔진의 회전 속도 및 출력 토크를 조절할 수 있으므로 일정한 회전 속도에서 출력 토크를 예컨대 100N.m, 200N.m 및 300N.m으로 달리하여 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능 시험이 이루어질 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치(A)를 통해 다양한 조건으로 시험 대상 디젤 엔진(100)의 연소 성능 시험이 이루어질 수 있어 시험 결과의 신뢰도를 높일 수 있다.
[시험예]
아래의 표 1과 같은 사양의 시험 대상 디젤 엔진에 공기와 함께 이중 연료, 즉 디젤(황함량 10ppm 미만, 온도 25℃) 및 메탄올(순도 99.99%, 온도 25℃)을 공급하여 연소시키며, 연소 과정에서의 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력을 측정하였다.
Figure pat00001
이때, 디젤은 시험 대상 디젤 엔진의 실린더 내측에 직접 분사하였고, 메탄올은 시험 대상 디젤 엔진의 흡기관으로 분사, 더욱 구체적으로 흡기관의 인터쿨러 이전 구간, 흡기관의 인터쿨러 이후 구간 및 흡기관의 커먼레일 이전 구간으로 분사하였다.
그리고 시험 대상 디젤 엔진은 출력 토크를 100N.m, 200N.m 및 300N.m으로 각각 달리하여 시험 조건을 다르게 설정하였고, 메탄올은 디젤 대체 비율을 0%, 30%, 40% 및 50%로 각각 달리하여 시험 조건을 다르게 설정하였다.
여기서, 각 시험 조건은 3분간 유지하였다.
시험예에서의 Cylinder Pressure 측정 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2 및 도 3을 통해 메탄올의 디젤 대체 비율이 증가함에 따라 Cylinder Pressure이 증가함을 알 수 있고, 이는 시험 대상 디젤 엔진의 출력 토크가 증가함에 따라 더욱 분명해짐을 알 수 있다.
그리고 시험예에서의 BSFC 측정 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 통해 메탄올의 디젤 대체 비율이 증가함에 따라 BSFC가 증가함을 알 수 있다.
그리고 시험예에서의 BTE 측정 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 통해 메탄올의 디젤 대체 비율이 증가함에 따라 BTE가 감소함을 알 수 있다.
그리고 시험예에서의 HRR 측정 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6 및 도 7을 통해 메탄올의 디젤 대체 비율이 증가함에 따라 HRR이 증가함을 알 수 있다.
그리고 시험예에서의 Energy Economy Ratio 산출 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 통해 메탄올의 디젤 대체 비율이 증가함에 따라 Energy Economy Ratio이 증가함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 가능하며, 그와 같은 변경은 이하 청구범위 기재에 의하여 정의되는 본 발명의 보호범위 내에 있게 된다.
10 : 지지부 11 : 지지대
20 : 공기공급부 21 : 급기부재
30 : 연료공급부 31 : 제1연료공급라인
31a : 저장조 31b : 펌프
32 : 제2연료공급라인 32a : 저장조
32b : 펌프 40 : 측정부
50 : 제어부 100 : 시험 대상 디젤 엔진
110 : 흡기관 A : 연소 성능 시험장치

Claims (6)

  1. 지지대를 통해 시험 대상 디젤 엔진을 지지하는 지지부;
    상기 시험 대상 디젤 엔진의 흡기관을 통해 공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 시험 대상 디젤 엔진의 내부로 디젤 및 메탄올을 각각 공급하는 연료공급부;
    상기 시험 대상 디젤 엔진의 구동 과정에서 제동열효율(BTE), 제동연료소비율(BSFC), 온도상승률(HRR) 및 실린더 압력 중의 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및
    상기 공기공급부, 연료공급부 및 측정부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급부는 상기 흡기관을 통한 공기 유입량을 조절하는 스로틀밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급부는, 상기 시험 대상 디젤 엔진의 실린더 내측에 직접 디젤을 공급하는 제1연료공급라인; 및 상기 시험 대상 디젤 엔진의 상기 흡기관 내측으로 메탄올을 공급하는 제2연료공급라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2연료공급라인은 복수로 분기되어 상기 흡기관의 인터쿨러 이전 구간, 상기 흡기관의 인터쿨러 이후 구간 및 상기 흡기관의 커먼레일 이전 구간 중의 적어도 하나에 메탄올을 공급하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2연료공급라인을 통해 공급되는 메탄올의 디젤 대체 비율은 0%, 30%, 40% 및 50%인 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는, 온도센서, 압력센서 및 유량계 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올의 추가 투입이 이루어지는 디젤 엔진의 연소 성능 시험장치.
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