KR100333833B1 - 왕복동피스톤엔진의실린더내압력측정장치및그장치를구비한디젤엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 왕복피스톤 엔진(1)의 연소실내 압력판정장치는 엔진(1)의 피스톤(12)에 의해 구동되는 구성부재(14)의 압축력 및/또는 신장력의 측정을 위한 센서(31)를 포함한다. 연소실내 압축력은 피스톤(12)으로 구동되는 앤진(1)의 구성부재(14)상에 피스톤의 운동방향으로 가해지는 압축력을 측정함으로써 유도된다. 전기적 측정치신호는 연소실(10)내의 압력을 산출하기 위한 기초로서 작용한다. 또한, 엔진구성부재(14)가 압력 또는 압축측정에 있어서 엔진구성부재의 가속도가 센서(32)에 의해 유효하게 측정된다. 따라서, 실린더압력의 판정에 관성 및 질량력을 포함하여 크랭크샤프트(17)의 전제 회전각 범위에 걸쳐 실린더압력의 간단하고 신뢰성 있는 판정이 가능하도록 하는 것도 가능하다. 각 실린더(11)의 상사점(TDC)과 하사점(BDC)은 가속도신호로부터 상당히 정확하게 판정되고, 후속의 신호평가에 상당히 중요하다.

Description

왕복동 피스톤 엔진의 실린더내 압력 측정 장치 및 그 장치를 구비한 디젤 엔진{omitted}

본 발명은 왕복동 피스톤 엔진의 실린더 내의 압력 측정 장치 및 이 장치를 구비한 디젤 엔진에 관한 것이다.

왕복동 피스톤 엔진, 특히 다실린더 대용량 디젤 엔진에 있어서는, 각 실린더의 출력을 가능한 한 균일하거나 또는 최소한 엄격한 한계치 이내로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 가능한 한 높은 출력을 얻기 위하여 출력 한계치에 대한 여유를 작게 유지하는 것이 필요하다.

대용량 디젤 엔진은 실린더 커버 내에 인디케이터 콕(indicator cock)을 통하여 연소실에 직접 연결되는 이른바 인디케이터 구멍을 갖추고 있으며, 이 인디케이터 구멍내에는 연소실 내의 압력 프로파일을 직접 측정하기 위한 압력 센서가 설치되어 있다.

그러나, 연소실 내의 환경 조건상 압력과 그에 따른 실린더 출력에 대해 항상 연속적이고 정확한 측정치를 얻기란 어렵다. 센서들은 장기간에 걸쳐 높은 온도, 압력 및 부하 변동에 손상되기 않고 견딜 수 있어야 하며, 연소 가스는 화학적으로 매우 활성적이므로 인디케이터 구멍의 코킹업(coking up)의 위험성 및 센서가 손상받을 위험성은 매우 높다. 따라서, 그 해결책으로는 단기간의 사용 이외에는 다른 방법이 없었다. 즉, 장기간 사용하기에는 부적절하였으며 인디케이터 구멍의 인디케이터 콕을 열고 센서를 이용하여 단시간 동안 주기적으로 측정하는 일시적인 측정에만 한정될 수 밖에 없었다.

그러나 엔진의 각 실린더에 과부하가 실리지 않도록 하기 위해서는, 최대 허용 출력에 대하여 충분히 큰 출력 여유를 유지하여 각 실린더가 최대 허용 출력을 초과하지 않도록 하는 것이 필요하다.

또한, 엔진의 실린더 헤드(커버)상에 배치된 로드셀을 이용한 간접측정 방법을 통해 실린더헤드의 변형을 측정하고, 이에 기초하여 연소실내의 압축 정도를 결정하는 것이 알러져 있다. 이들 측정 장치들은 제어 측정구를 이용하여 캘리브레이션(calibration)을 자주 해 주어야 하며, 측정된 압력 프로파일도 항상 요란(disturbance)으로 인한 측정 오차에 영향을 받는다.

본 발명의 목적은 전술한 결점을 갖지 않는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 압력 측정 장치는 특허청구범위 제1항에 기재되어 있는 특징을 가진다. 본 발명에 따른 디젤 엔진은 본 발명에 따른 압력 측정장치를 포함한다. 특허청구범위의 종속항들은 발명의 특히 바람직한 변형예 및 실시예에 관한 것이다.

센서에 대해서는, 크랭크실 또는 피스톤의 하측의 배기공간내의 환경조건은 대체로 센서가 동작하기에 좋으므로 비교적 간단한 수단으로 연소실내의 압력을 지속적으로 감시할 수 있다. 대용량 디젤 엔진의 경우, 피스톤은 실질적으로 실린더축의 방향으로 전후 이동하는 피스톤 콘로드를 통하여 크랭크샤프트를 구동하는 동시에, 크로스헤드를 구동한다. 이어서, 크로스헤드는 이 크로스헤드와 크랭크샤프트 사이에 배열된 스러스트 로드를 통하여 크랭크샤프트를 구동한다.

피스톤과 피스톤 콘로드 사이 또는 피스톤 콘로드의 크로스헤드 단부에 압력센서를 설치하는 것이 바람직하다. 대용량 디젤 엔진의 경우, 다 실린더엔진의 각 실린더 사이에서 발생될 수 있는 압축의 차이를 보상할 수 있도록 피스톤 콘로드의 크로스헤드 단부에 스페이서 디스크를 설치할 수 있다. 또, 센서로서 형성된 유격부재(distancing element)도 스페이서 디스크 대신에 채용될 수 있다.

상사점(TDC)과 하사점(BDC), 즉 피스톤이 반전되는 상점과 하점에서의 측정 문제도 디젤 엔진의 또 다른 문제점 중 하나이다. 엔진을 동작시켜서 크랭크 샤프트상에 장착되어 있는 플라이휠에서 측정할 경우에는 상당한 각도 오차, 통상 3° 정도의 각도 오차가 생길 수 있는데, 이는 그 다음의 평가에 이르러서는 상당한 부정확성을 초래할 수 있다.

예를 들면, 압전 가속도 센서(piezoelectrical acceleration sensor)와 같은 가속도 센서를 피스톤 콘로드에 설치하면, 상사점과 하사점을 매우 정확하게 측정할 수 있다. 가속도 센서를 압력 센서에 직접 근접하여 설치하거나, 압력센서와 하나의 장치로 일체화하는 것이 바람직하다. 연소실내의 압력이 실시간으로 산출될 수 있고, 압력 센서에 작용하는 엔진 부의 질량력과 관성력을 실제 압축력과 분리하여 측정할 수 있다. 따라서 예컨대 각 실린더의 압축 점화점을 최대로 허용가능한 압축 점화점에 실질적으로 보다 정확하고 가까이 가도록 조정할 수 있는 수단과 능력을 갖출 수 있다.

또한, 각 실린더의 효율을 최적화하고, 전체적인 엔진의 효율도 향상시키는 것이 가능하다.

특정한 윤활 수행시 부하를 너무 높게 할 경우 베어링이 손상될 수 있기 때문에 부분적인 부하 범위에서의 베어링 윤활이 특히 중요하다. 따라서 엔진은 항상 안전 여유(safety margin)를 두고 동작해야 한다. 이러한 안전 여유는 실린더 압력을 지속적으로 감시함으로써 매우 엄격하게 규제될 수 있으며 이에 따라 안전도가 증가되어 베어링이 손상되지 않게 할 수 있다.

피스톤력을 실시간으로 감시함에 따라 압축 곡선 자체에서 나타나는 전형적인 리플링(rippling) 효과에 의해 피스톤 이상을 조기에 식별하는 것도 또한 가능하다.

실린더에서 치명적인 손상이 발생하기 전에, 예를 들면 실린더 성능의 저하 또는 윤활재의 공급 증가와 같은 필요한 대책을 취하는 것이 가능하다.

왕복동 엔진의 연소실내 압력 측정 장치는 엔진의 피스톤으로 구동되는 구성부재의 압축력 및/또는 신장력의 측정을 위한 센서를 포함한다.

왕복동 피스톤 엔진의 연소실내 압력 측정 장치는 엔진의 피스톤에 의해 구동되는 부재의 압축력 및/또는 인장력의 측정을 위한 센서를 포함한다. 연소실내 압축력은 피스톤으로 구동되는 엔진의 부재상에서 피스톤의 운동방향으로 가해지는 압축력을 측정함으로써 유도된다. 전기적 측정신호는 연소실내의 압력을 산출하기 위한 기초로서 작용한다. 연소실내 압력은 실린더의 평균 도시 압력(MIP; Mean Indicated Pressure)으로 표시될 수 있다. 실린더의 평균 도시 압력은 연료의 연소시 실린더 내에 형성되는 부가적인 압력을 가리키는 것으로서 연료를 분사하지 않은 상태에서의 실린더내 압력과 연료를 분산한 상태에서의 실린더 내 압력의 차이에 해당한다.

또한, 엔진의 부재가 압력 또는 압축 측정과 함께 엔진 부재의 가속도를 유효하게 측정한다. 따라서, 실린더 압력의 측정에 관성 및 질량력을 포함하여 크랭크샤프트의 전체 회전각 범위에 걸쳐 실린더 압력을 간단하고 신뢰성 있게 측정할 수 있다. 각 실린더의 상사점(TDC) 및 하사점(BDC)은 가속도신호로부터 상당히 정확하게 측정될 수 있으며, 이는 후속의 신호평가에 상당히 중요하게 작용할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 약 50∼200 rev/min 속도로 작동하는 저속 대용량 디젤 엔진에 특히 적합하다. 다실린더 엔진의 경우, 센서로 모든 실린더를 감시하는 것이 바람직하며, 센서로부터의 측정값은 공통 데이터 처리 장치에 전송된다. 다실린더 엔진에서 각 실린더에 대한 데이터 처리 장치에 별도의 전송 도선을 두는 것이 바람직하지만, 수개의 실린더로부터 발생하는 측정 신호 중 최소한 일부가 공통 전송로를 통하여 전송되게 할 수도 있다.

다음에, 본 발명에 대하여 장치의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1도, 제2도 및 제3도는 내부에 피스톤(12)이 안내되는 실린더(11)를 갖춘 대용량 디젤 엔진(1)의 단면을 나타낸다. 연료는 인젝터 노즐(13)을 통하여 연소실(10) 내에 분사된다. 피스톤(12)은 피스톤 콘로드(14), 크로스헤드(15) 및 콘로드로 칭해지는 스러스트로드(16)를 통하여 엔진(1)의 크링크사프트(17)를 구동한다.

피스톤 콘로드(14)가 받는 압력 및 가속도는 압력 측정용 센서(31) 및 가속도 측정 용 센서(32)에 의해 측정되고, 이 센서들은 제1도의 디젤엔진에서 피스톤 콘로드(14)의 크로스헤드쪽 단부에 배치된다. 도시된 바와 같이, 신호들은 증폭기(300)에서 미리 증폭되고, 신호 도선을 통하여 데이터 처리 장치(34)에 전달된다. 제1도에 도시된 예에서, 도선(33)은 베어링 윤활 시스템의 관절 레버(18)를 따라서 설치되어 있다.

연료 분사 시스템(13, 37), 감시 ·경보 시스템(36) 및 진단 시스템(35)의 제어 및 조정 신호는 측정 수단인 센서(31, 32)에 의해 측정된 값을 기초로 데이터 처리 장치(34)에 의해 처리된다. 도시된 예에서, 데이터 처리는 컴퓨터(38)에 의해 실행된다. 압력곡선, 그래픽 및 프로토콜의 여러 값은 테이블 및/또는 그래프로서 컴퓨터(38)의 스크린상에 표시되고, 도시되지 않은 프린터를 통해 인쇄할 수 있다.

예를 들면, 최대 허용 실린더 압력과 같은 절대 제한치를 초과하거나 압력 변화에 대한 압력 곡선이 제한 최대치를 초과하는 경우 경보가 발해질 수 있다. 또한, 피스톤의 이상이 실린더 압력 곡선의 프로파일에 의해 예측될 때 경보를 발할 수 있다. 다실린더 엔진의 규칙적인 운행, 연소실내의 최적연료연소, 또는 연료분사량은 본 발명에 따른 장치를 통해 감시될 수 있다.

예로서, 연료 분사량, 분사의 개시, 분사의 종료 및/또는 분사 압력은 연료 분사 제어에 의해 영향을 받을 수 있다.

제2도의 본 발명에 따른 장치에 있어서, 미리 증폭된 측정 신호는 안테나(30")를 갖춘 송신기(30)에 의해 안테나(33")를 갖춘 수신기(33')에 송신되고, 이로부터 도선(33)을 통하여 데이터 처리 장치(34)에 전송된다.

측정 신호의 후속의 평가 및 처리는 제1도를 참조하여 전술한 바와 동일한 방식으로 실행될 수 있다.

제3도에는 본 발명에 따른 장치가 피스톤 콘로드(14)의 피스톤쪽 단부에 배치된 디젤 엔진의 단면이 도시되어 있다. 장치의 센서들은 이 구성에서 피스톤과 피스톤 콘로드의 사이, 피스톤과 피스톤 지지부의 사이 및/또는 피스톤 콘로드내에 설치되어 있다.

또한, 이 구성에서는 미리 증폭된 측정 신호는 안테나(30")를 갖춘 송신기(30)로부터 안테나(33")를 갖춘 수신기(33')에 송신되고, 이로부터 도선(33)을 통하여 데이터 처리 장치(34)에 전송된다. 측정 신호의 후속의 평가 및 처리는 제1도를 참조하여 전술한 바와 동일한 방식으로 실행될 수 있다. 제2도 및 제3도의 송신기(30) 및 수신기(33')는 예를 들면 배터리에 의해 작동될 수 있다.

데이터 처리, 연료 분사, 감시 및 경보 시스템 및 진단 시스템은 컴퓨터와 함께 평가, 제어 및 조정 장치에 결합될 수 있다. 예를 들면, 연소실내 압력과 같은 목표 데이터의 계산을 위한 알고리즘 및 방법은 이 기술분야의 기술자에게는 주지된 것이고, 여기에서 구체적 설명 및 도시를 요하지 않을 것이다.

제1도는 센서들이 피스톤 콘로드의 크로스헤드 단부에 배열되고, 센서 신호가 도선을 통하여 데이터 처리 장치에 전송되는 본 발명에 따른 장치를 갖는 디젤 엔진의 개략적인 측면도,

제2도는 센서들이 피스톤 콘로드의 크로스헤드 단부에 배열되고, 센서 신호가 크랭크실 내의 수신기에 무선으로 전송되고, 이로부터 데이터 처리 장치에 전송되는 본 발명에 따른 장치를 갖는 디젤 엔진의 개략적인 측면도,

제3도는 센서들이 피스톤 콘로드의 피스톤 단부에 배열되고, 센서 신호가 크랭크실 내의 수신기에 무선으로 전송되고, 이로부터 데이터 처리 장치에 전송되는 본 발명에 따른 장치를 갖는 디젤 엔진의 개략적인 측면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 디젤엔진, (10) : 연소실, (11) : 실린더 (12) : 피스톤, (13) : 인젝터 노즐, (14) : 피스톤 콘로드, (15) : 크로스헤드, (16) : 스러스트로드, (17) : 크랭크샤프트, (30) : 송신기, (31),(32) : 센서, (34) : 데이터 처리 장치, (38) : 컴퓨터.

Claims (14)

1. 왕복동 피스톤 엔진(1)의 연소실내 압력을 측정하는 장치로서,

   피스톤(12)을 통해 구동되어 상기 피스톤(12)의 운동방향으로 이동가능한 상기 엔진(1)의 제1 부재에서의 압축력과 인장력 중 적어도 한 힘을 측정하는 제1 측정 수단(31)과

   상기 엔진(1)의 제1 부재에서 측정된 힘에 기초하여 연소실(10) 내의 압력치를 판단하는 수단

   을 포함하고,

   상기 제1 측정 수단이 힘에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 압력 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 엔진(1)와 제1 부재가 피스톤 콘로드(14)인 압력 측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 측정 수단(31, 300)의 출력신호가 연소실(10)내의 압력치에 대하여 규격화되는 압력 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 제1 부재의 가속도를 측정하는 제2 측정 수단(32)을 추가로 포함하고, 상기 제2 측정 수단은 가속도에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 압력 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 측정 수단(32) 및 상기 제1 측정 수단(31)은 서로 직접 근접해 있거나 하나의 센서(31, 32)로 일체화되어 상기 엔진(1)의 제1 부재상에 설치되는 압력 측정 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 측정된 힘과 가속도 신호 중 적어도 하나를 엔진 하우징의 베이스 또는 외측에 설치되어 있는 상기 압력치 판단 수단(33", 33', 33, 34∼38)에 전송하는 수단(30, 30")을 추가로 포함하는 압력 측정 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 압력치 판단 수단은 상기 센서(31, 32)로부터의 측정 신호를 상기 압력치 판단 수단의 데이터 처리부(34∼38)에 전송하는 도선(33)을 포함하는 압력 측정 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 도선(33)이 관절레버(18)를 따라서 설치되어 있는 압력 측정 장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 전송 수단은 상기 센서(31, 32)로부터의 측정 신호를 무선으로 전송하는 송신기(30, 30")를 포함하고, 상기 압력치 판단 수단은 상기 송신기로부터의 신호를 수신하는 수신기(33', 33")를 포함하는 압력 측정 장치.
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측정 수단이 압전 센서(piezoelectric sensors)(31, 32)인 압력측정 장치.
11. 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 압력치 판단 수단은 실린더의 평균도시압력(MIP; Mean Indicated Pressure)과 피스톤력 프로파일 중 적어도 하나를 측정하는 수단(34, 35, 36, 38)을 포함하는 압력 측정 장치.
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 압력 측정 장치를 포함하는 디젤 엔진.
13. 제10항에 따른 압력 측정 장치를 포함하는 디젤 엔진.
14. 제11항에 따른 압력 측정 장치를 포함하는 디젤 엔진.