KR100347642B1 - 내연기관의연소실내의압력을검출하기위한압력변환기 - Google Patents

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Abstract

내연기관의 연소실내의 압력을 검출하기 위한 입력변환기(11)에서, 하우징 (10)의 구멍(12)내에 플런저(18)가 배치되어 있고, 이 플런저(18)가 일 단부에서 구멍(12)의 개구(13)를 폐쇄하는 다이아프램(14)과 접촉한다. 그 다른 단부에서, 플런저(18)는 연소실내의 압력에 비례하는 측정신호를 발생하는 측정소자(19)상에서 작동한다. 하우징(10)과 플런저(18)는 각각 동일한 열적 시간 상수를 갖는 재료로 구성된다. 이에 의해서 플런저(18)와 하우징(10)내에서 동일 방향으로 열전달이 달성된다. 따라서 측정신호를 왜곡할 수 있는 열 왜곡의 발생이 방지된다.

Description

내연기관의 연소실내의 압력을 검출하기 위한 압력 변환기
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 기재된 내연기관의 연소실내의 압력을 검출하기 위한 압력 변환기에 관한 것이다.
종래 기술
이러한 형태의 공지된 압력 변환기에서는, 하우징내에 구멍이 형성되어 있고, 이 구멍내에는 플런저가 배치되어 있다. 이 구멍은 일 단부에서 다이아프램에 의해 폐쇄되고, 이 다이아프램상에는 플런저의 일 단부가 접촉한다. 플런저의 다른 단부는 측정소자와 작용 결합되어 있다. 내연기관의 연소실내의 압력을 검출하기 위해서, 이들 압력 변환기는 내연기관의 실린더 헤드에 배치된다. 이 상태에서, 압력 변환기는 격렬하게 변화하는 고온에 노출된다. 이러한 다이아프램이 직접 연소실내로 돌출하기 때문에, 다이아프램은 약 600℃ 까지의 온도에 노출된다. 반대로, 측정소자가 배치되는 플런저의 다른 단부에서는 최대 약 150℃ 의 온도가 생긴다. 측정 소자가 연소실내의 온도에 노출되는 것을 방지하기 위해서 온도 하강이 필요하다. 다른 한편, 적합한 주위 온도의 경우, 온도는 기관 정지 상태에서 약 -40℃에 도달한다. 일반적으로, 상술한 온도 하강과 그에 따라서 연료실내에 퍼져있는 온도로부터 측정 소자를 열적으로 분리하기 위하여 하우징과 플런저를 위한 상이한 재료가 사용된다. 그러나, 다른 한편으로 하우징과 플런저는 하우징과 플런저의 열적 부하의 차이로 인해 현저하게 다르게 변형한다. 다이아프램의 강성으로 인해, 이것은 교란 신호(disturbance signal)를 발생시키고, 이 교란 신호는 발생하는 측정 신호내에서 제로(zero) 오차로서 나타나며 그에 따라 측정 신호를 왜곡시킨다.
하우징과 플런저의 상이한 열팽창을 보상하기 위해서 미국 특허 제5,068,635호에는 다이아프램과 플런저 사이에 보상 디스크를 배치하는 것이 제시되어 있다. 이 보상 디스크의 열팽창 계수는 하우징과 플런저의 상이한 열팽창과 일치한다.
또한, EP-A-0,145,146호에는 힘 전달 수단 즉, 플런저 대신에 열전도성이 양호한 비압축성 유체가 사용되는 것이 기술되어 있다. 독일 특허 출원 공개 공보 제3,727,221호에는 압전 세라믹(piezoceramic) 플런저와 금속성 하우징 사이에서 플런저의 온도를 강하시키기 위해 구리제 도체 접착제가 사용되는 것이 기재되어 있다. 이 도체 접착제는 압전 세라믹의 퀴리(curie) 온도를 초과하지 않도록 하기 위해서 플런저의 고온도를 감소시키고자 하는 것이다. 그러나, 상기와 같은 모든 제안은 비교적 비싸고 복잡한 구성을 포함하여 적합한 제로 오프셋 보상을 보장하지 못한다.
발명의 장점
이와는 반대로, 청구범위 제1항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 압력 변환기는 열적 제로 드리프트(thermal zero drift)가 더 이상 발생하지 않는 장점을 갖는다. 동시에, 압력 변환기는 비교적 간단하고 저렴하게 구성된다. 또한, 부가적인 냉각 수단이 불필요하다. 그 결과, 압력 변환기는 사용 위치 및 열적 부하 형태와는 무관하게 사용할 수 있다. 또한, 하우징과 플런저 사이의 갭(gap)이 열전도성이양호한 매체로 충전된다면, 방사상의 온도 보상은 가능하고, 플런저와 하우징 사이의 미소 마찰(microfriction)이 감소되며, 이것에 의해 센서의 이력 현상 (hysteresis)을 부가적으로 향상시킨다. 그 결과, 플런저 가이드를 매우 저렴하게 형성할 수 있다. 금속성 재료가 하우징과 플런저를 위해 사용될 수 있는 것에 의해, 제작과 가공은 세라믹을 사용하는 실시예에 비해서 매우 간단하다. 또한, 압력 변환기는 정적인 압력 측정을 가능하게 하고, 그에 의해 내연기관을 위한 다른 제어 기능을 달성하는 것이 가능하다.
청구범위 제1항에 구체화된 압력 변환기의 다른 장점은 종속항에 기술된 특징에 의해 달성된다.
도면
본 발명의 적합한 실시예가 도면에 도시되고 하기 설명에 상세히 기술된다.
도면은 본 발명에 따른 압력 변환기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
적합한 실시예의 설명
도면에서, 참조 부호 10은 내연 기관의 연소실내의 압력을 결정하기 위한 압력 변환기(pressure transducer; 11)의 하우징이다. 하우징은 그 중심을 관통하는 계단형 구멍(12)을 갖는다. 연소실과 직면하는 하우징(10)의 개구(13)는 다이아프램 (diaphragm ; 14)에 의해 폐쇄된다. 이 다이아프램(14)은 그 엣지 영역에서 하우징(10)의 단부(15)에 용접되어 있다. 다이아프램(14)의 중심 영역 즉, 다이아프램의 굽힘 영역에 플런저(18)의 일 단부가 접촉하고, 그 다른 단부는 측정 소자(19)상에서 작용한다. 측정 소자로서는 압전 저항(piezoresistive) 소자 또는압전(piezoelectric) 소자가 사용된다. 압전 저항 소자는 그 저항이 압력 작용하에서 변화하는 소자이다. 이러한 목적을 위해서, 예를 들면 두꺼운 필름 저항기를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해 사용되는 재료로서는 서밋(cermet), 도전성 플라스틱 또는 금속 등이 사용된다. 다음에, 측정 소자(19)는 구멍(12)에 삽입되어서 하우징에 단단하게 연결되는 대응 지지체(countersupport; 20)와 접촉한다. 평가 장치의 전기적 구성 부재(도면에 도시되어 있지 않음)는 측정 소자(19) 또는 그 캐리어상에 장착될 수 있다. 평가회로 또는 측정 소자(19)의 인출선은 대응 지지체(20)내의 구멍(도시 생략)을 통해서 압력 변환기(11)의 하우징(10) 밖으로 통과하여 내연기관의 평가회로와 제어 유닛(도시 생략)에 도입된다. 계단형으로 형성된 개구(13) 영역에는 리세스(21)가 형성되어 있다.
구멍(12)의 벽과 플런저(18)와의 사이에는 좁은 갭(23)이 있다. 이 갭(23)은 하우징(10)과 플런저(18)사이에 양호한 열전달을 가능하게 하기 위하여 가능한한 작게 유지되어야 한다. 또한, 이 열전달을 더 개선하기 위하여, 상기 갭(23)은 열전도성이 양호한 매체로 촉전될 수 있다. 더욱이, 이 매체는 고온에 대해서 저항력이 있고 또한 장기간 안정적이어야 한다. 열전도율을 가일층 개선하기 위하여, 개구(13) 영역에서 하우징(10)과 다이아프램(14) 사이에 형성된 환형 리세스(21)는 또한 열전도성이 양호한 매체로 채워질 수 있다.
본 발명에 따르면 하우징(10)과 플런저(18) 즉, 힘전달 소자는 동일한 열적 시간 상수(thermal time constant)를 갖는 재료로 구성된다. 열적 시간 상수의 주요 성분은 다음 지수(quotient; 몫)로 나타난다.
하우징(10)의 재료와 플런저(18)의 재료를 위한 이들 세 재료 변수의 지수는 동일해야만 한다.
압력 변환기(11)는 하우징의 외벽에 형성된 나사(28)에 의해 연소실 벽(29)에 나사 체결될 수 있다. 연소실로부터 압력 변환기(11)의 하우징(10)내로 흐르는 열의 대부분은 하우징(10)과 연소실 벽(29)에 접촉하는 센서 시트 및 나사 플랭크 (28)를 거쳐서 연소실 벽(29)내로 흐르고, 또한 이 연소실 벽으로부터 히트 싱크로 즉, 열 소산기(dissipator)로 흐른다. 열 흐름의 작은 부분은 다이아프램(14)과 플런저(18)와 대응 지지체(20)와 하우징(10)을 거쳐서 흐르고, 또한 나사(28)의 영역에서 연소실 벽(29)안으로 흐르며, 그런 다음 상술한 히트 싱크로 흐른다. 간단한 방법에서 하우징(10)과 플런저(18)를 위한 재료의 요구된 동일한 열적 시간 상수를 얻기 위하여, 상기 재료는 각 경우에 동일한 종류의 재료로부터 얻어져야만 한다. 또한, 하우징(10)과 플런저(18)를 위한 각 재료의 팽창 계수는 예를 들면 측정 소자(10)와 대응 지지체(20)의 팽창 계수의 차이를 보상하기 위하여 서로 약간 다를 수 있다.
더욱이, 상기 측정 효과는 다이아프램(14)이 비교적 얇게 만들어지고 리세스(21)에 의해 양호한 이동성을 갖는다면 또한 향상될 수 있다. 따라서, 다이아프램(14)은 약한 축방향 강성을 가질 수 있도록 하기 위해 얇게 만들어져야만 한다. 동시에, 다이아프램(14)은 공지된 방법에서 다이아프램과 플런저와 측정 소자 사이의 가압 전달 접속에 의해 미리 고정되는 프리로드 스프링의 기능을 갖는다.

Claims (7)

  1. 하우징(10)내에 형성된 구멍(12)내에 플런저(18)가 배치되어 있고, 이 플런저(18)가 일 단부에서 구멍(12)을 폐쇄하는 다이아프램(14)과 접촉하고, 다른 단부에서 측정 소자(19)에 작용하며 이에 의해 결정되는 압력에 비례하는 측정 신호를 발생하는, 내연기관 특히, 자동차의 내연기관의 연소실내의 압력을 검출하기 위한 압력 변환기(11)에 있어서,
    상기 플런저(18)와 하우징(10)사이에 갭(23)이 있고,
    상기 하우징(10)과 플런저(18)는 동일한 열적 시간 상수를 갖는 재료로 구성되며,
    로 하는 압력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 재료와 플런저(18)의 재료의 열팽창 계수가 동일한 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 재료와 플런저(18)의 재료의 열팽창 계수가 다른 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 갭(23)은 열전도성이 양호한 매체로 충전되는 것을 특징으로 하는 압력변환기.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍(12)의 개구(13)에 리세스가 형성되어 있고, 상기 리세스(21)는 열 전도성이 양호한 매체로 충전되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 매체는 고온에 대해서 저항성이 있고, 장기간 안정한 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 매체는 고온에 대해서 저항성이 있고, 장기간 안정한 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
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