KR101380443B1 - 연소실 온도 측정용 써모메트릭 부품을 이용한 온도 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 써모메트릭 부품을 별도로 제작하여 이를 엔진 연소실 구성요소 중 어느 하나에 장착하여 상기 엔진을 시험 운전한 후 상기 써모메트릭 부품을 탈거하여 경도 변화를 측정하여 온도를 추정함으로써 엔진 연소실 온도를 측정하는 방법에 대한 것이다.

연소실, 온도 측정, 써모 메트릭

Description

연소실 온도 측정용 써모메트릭 부품을 이용한 온도 측정 방법{Method of presuming a temperature of at least one part of an engine combustor units using a thermometric device}

본 발명은 써모메트릭(thermometric) 특성을 갖는 부품을 이용하여 엔진 연소실의 온도를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 써모메트릭 부품을 별도로 제조하여 이를 엔진 연소실 내부의 어느 한곳 이상에 장착하고 시험 운전을 하여 그 경도 변화에 의해 연소실 내부의 최고 온도를 추정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤, 가솔린, 가스(CNG, LPG) 등의 연료를 사용하는 엔진의 연소실은 실린더 헤드, 실린더 라이너, 흡기/배기 밸브, 흡기/배기 밸브시트 인서트 및 피스톤이 장착된 공간이다. 이러한 연소실에서는 공기와 연료가 혼합된 혼합 기체가 폭발하여 고온 고압의 분위기를 조성한다. 이 경우 연소실을 둘러싸는 재료들은 고온 상태에서 운동하게 되는 가혹 환경에서 사용된다.

이하, 상기 연료가 연소되는 공간인 연소실의 형성과 관련된 부품들인, 실린더 헤드, 실린더 라이너, 흡기/배기 밸브, 흡기/배기 밸브시트 인서트 및 피스톤 등을 총칭하여 "연소실의 구성부품"이라고 한다.

통상적으로, 고온 고압 환경 하에서 재료들은 기계적 성질의 저하를 유발하기 때문에, 엔진 설계 및 유지 보수 등을 위해서는 실제 연소실을 구성하는 부품들이 어떠한 온도 상황에서 작동되는지를 측정하는 것이 필요하다. 이러한 온도를 측정하게 되면, 상기 측정된 온도를 바탕으로 하여 그 조건 적합한 고온 소재를 선정하여 적용하거나 또는 연소 조건을 조절함으로써 연소실 온도를 적정 수준으로 조정하는 개선을 수행하는 것이 가능하게 된다.

종래, 어떤 재료의 온도를 측정하는 방법으로서는 열전대(thermocouple)를 이용한 방법이 주로 사용되었다. 그러나 이러한 열전대를 연소실을 구성하는 재료에 적용하고자 하는 경우에는, 각각의 위치마다 온도가 다른 연소실의 특성상, 연소실의 여러 곳에 각각의 열전대를 장착하여야 하기 때문에, 현실적으로 열전대를 이용하여 연소실 내부의 온도를 확인하는 것은 불가능하다고 할 수 있다.

특히, 엔진 피스톤의 경우 엔진 운전중 고속으로 왕복운동하며, 실린더 내벽과 접촉하여 습동운동을 하게되므로 열전대를 장착하여 실제 온도를 측정하는 것이 현실적으로 불가능하다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 방안의 하나로서 써모메트릭 재료를 이용하는 방법이 있다. 써모메트릭 재료는 온도의 변화에 따라 경도가 변하는 특성을 갖는데, 이러한 써모메트릭 재료의 온도 및 경도의 상관관계를 이용하여 온도변화 또는 온도 히스토리를 측정하는 방법이 있다.

이러한 방법에 의할 경우, 써모메트릭 재료를 이용하여 실제 부품과 동일한 형상과 크기를 갖는 부품을 제조한 후, 이를 엔진 부품의 하나로서 실차 적용한 후 경도를 측정하여 경도 변화에 따른 온도를 추정하는 기술이 제안되었다. 그러나, 상기와 같은 방법을 적용하기 위해서는, 온도 추정 시험전에 초기 경도측정을 위하여 상기 써모메트릭 재료를 열처리하여 고경도의 재료로 만들어야 하기 때문에, 상기 열처리된 써모메트릭 재료를 이용하여 실제 엔진 부품으로 가공하는 것이 용이하지 못하며, 그 단가가 높다는 단점이 있다.

또한, 예를 들어, 피스톤과 같이 고속 운동하는 부품의 경우에는 중량에 의한 관성력 제어까지 고려하여야 한다. 즉, 써모메트릭 재료를 이용하여 실제의 피스톤과 동일한 형상과 크기를 갖는 피스톤을 제조하여 실차 적용 후 경도를 측정하여 경도 변화에 따른 온도를 추정하고자 하는 경우에는, 상기 관성력을 고려하여야 하기 때문에 실제 피스톤과 중량까지 동일한 써모메트릭 재질의 피스톤을 제조하여야 한다. 그러나, 통상적인 피스톤에 사용되는 일반적인 소재는 알루미늄 합금인데, 이러한 알루미늄 합금과 유사한 중량특성을 가지는 써모메트릭 재료는 현재 알려진 바가 없다. 따라서 써모메트릭 재료를 사용하여 온도 측정용 피스톤을 제작하여 연소실의 피스톤 부위의 온도를 측정하는 것은 현재로서는 불가능하다고 할 수 있다.

한편, 연소실을 형성하는 부품들 중의 일부에 써모메트릭 특성을 가진 재료를 이용하여 도금층을 형성한 후 엔진을 구동하여, 상기 연소실 구성 부품에 형성된 도금층의 경도변화를 측정하여 온도를 추정하는 방법도 제안되어 있다.

그러나, 도금을 이용한 온도 추정 방법은 실린더 헤드와 같이 대형 구조물이면서 형상이 매우 복잡한 구조을 가지는 부품에는 적용하기 어려운 문제가 있다. 또한 피스톤 스커트부 또는 실린더 내벽과 같이 마모가 발생하게 되는 부품에 상기 도금을 적용하게 되면 운전중 마모로 도금층이 소실될 우려가 있어 장시간의 운전 시험에는 적합하지 못하다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명에서는, 연소실 온도 측정을 위하여 써모메트릭 부품을 별도로 제조한 후, 이를 연소실을 구성하는 연소실 구성 부품 중의 적어도 하나에 장착하여 시험 운전 후 상기 써모메트릭 부품의 경도 변화를 측정함으로써, 연소과정에서 해당 연소실 구성 부품에게 가해지는 최고 온도를 추정할 수 있도록 한다.

이에 본 발명은, 온도 추정이 가능한 써모메트릭 부품을 제작하는 단계와, 상기 써모메트릭 부품을 연소실 구성 부품 중 어느 하나에 장착하여 시험 운전하는 단계와, 상기 시험운전 후 상기 써모메트릭 부품을 탈거하고 경도를 측정하여 온도를 추정하는 단계를 포함하는 엔진 연소실 온도 추정방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 의한 엔진 연소실 온도 추정방법은, 써모메트릭 재료를 이용하여 써모메트릭 부품을 제조하는 단계와, 상기 써모메트릭 부품을 엔진 연소실의 구성 부품 중 적어도 하나에 장착하는 단계와, 엔진을 시험 운전하는 단계와, 상기 시험운전 후 상기 장착된 써모메트릭 부품을 탈거하여 경도를 측정하는 단계와, 및 시험운전 후의 상기 써모메트릭 부품의 경도와 상기 써모메트릭 부품 재료의 온도-경도 그래프를 비교하여 엔진 연소실에서 상기 써모메트릭스 부품 부위에 가해진 온도를 추정하는 단계를 포함한다.

본 발명에서는, 연소실의 연소 공간 형성과 관련된 부품들인, 실린더 헤드, 실린더 라이너, 흡기/배기 밸브, 흡기/배기 밸브시트 인서트 및 피스톤 등을 총칭하여 "연소실의 구성 부품"이라고 한다.

한편, 본 발명에서 보다 정확한 온도 추정을 위하여 상기 써모메트릭 재료를 이용하여 써모메트릭 부품을 제조한 후에 상기 써모메트릭 부품의 초기 경도를 미리 측정하여, 상기 시험운전 후의 써모메트릭 부품의 경도와 써모메트릭 부품 소재의 온도-경도 그래프를 비교하는 과정에서 상기 초기 경도값을 유용하게 이용할 수 있다.

한편, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품을 제조하기 위한 재료로서 탄소함유 0.5중량% 이상의 고탄소강 또는 고탄소 합금강을 소재를 사용할 수 있으며, 상기 써모메트릭 부품의 초기 비커스 경도 700 이상으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품은 탄소를 0.5 내지 2.0 중량%, 크롬을 0.8 내지 2.5 중량% 함유하는 것이 가능하다.

한편, 상기 써모메트릭 부품은 연소실 구성 부품에 장착되더라도 그 부품의 중량 및 표면 상태를 동일하게 유지하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 상기 써모메트릭 부품은 가능한 한 여러 위치에 장착이 가능하도록 그 크기를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 써모메트릭 부품은 시험 운전 및 경도 측정을 통하여 온도 추정이 용이하도록, 장착 및 탈거가 용이한 구조를 가지도록 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일례에 따르면 상기 써모메트릭 부품은 나사형태로 제조되어 엔진 연소실의 구성요소 중 적어도 하나에 장착될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품은 피스톤에 장착되는 것이 가능하다. 또한 상기 써모메트릭 부품이 상기 피스톤에 장착될 때에는, 도 3a 및 3b에서 보는 바와 같이 피스톤의 여러 부위에 장착될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품의 소재는 소정의 열처리를 통하여 초기 경도가 비커스 경도 700 이상이며, 600℃ 이상의 고온에 노출시 비커스 경도 400 이하의 경도를 가지며, 또한 100℃의 온도 변화당 비커스 경도가 50 이상 변화하는 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 본 발명의 써모메트릭 부품의 소재는 온도 상승에 대하여 비례적으로 경도가 감소하는 것을 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 써모메트릭 부품을 사용할 경우, 비교적 간단한 방법으로 상기 써모메트릭 부품을 연소실의 구성 부품에 장착할 수 있기 때문에 연소실 구성 부품에 가해진 온도를 용이하게 추정할 수 있다. 그 연소실 온도 추정을 위한 설계 또는 장치나 장비의 제작 시간 및 비용을 혁신적으로 절감할 수 있는 효과가 있다.

이하, 실시예 및 도면을 참고하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.

상기에서도 설명한 바와 같이, 본 발명에서 연소실 구성 부품이라 함은 흡기 및 배기밸브, 흡기 및 배기 밸브시트 링, 피스톤 및 피스톤 링, 실린더 헤드 및 실린더 라이너 등을 포함하는 것임을 미리 밝혀둔다.

먼저, 본 발명에 사용되는 써모메트릭 부품을 제조한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품을 제조하기 위한 재료로는 열처리를 통해 고경도를 얻을 수 있는 것으로써 탄소 함량 0.5% 이상의 고탄소강 재료를 사용할 수 있다.

한편, 상기 고탄소강 재료에는, 열처리 효과를 높이기 위하여 크롬, 몰리브덴, 망간, 니켈 등의 소량의 합금원소를 더 첨가할 수 있다. 이 경우, 상기 재료는 고탄소 합금강이라고 할 수 있을 것이다. 본 발명에서는 고탄소강 재료와 고탄소 함급강 재료를 특별히 구별하지는 않는다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 고 탄소강 소재로서는 기본 재료인 철(Fe)에, C(탄소), Si(실리콘), Mn(망간), P(인), S(황), Cr(크롬)을 더 포함하는 재료가 가능하다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, C(탄소) 0.5~2.0 중량%, Cr(크롬) 0.8~2.5 중량% 및 잔량을 철을 포함하는 고탄소 합금강을 써모메트릭 재료로 사용할 수 있다. C(탄소)가 0.5중량%이하이면 경도가 낮고 2.0 중량%이상이면 경도가 높아 가공이 어렵기 때문이다. 또한 Cr(크롬)이 0.8중량%이하이면 경도가 낮아 고열에 쉽게 마모되거나 파손의 우려가 있으며 2.5 중량% 이상이면 경도가 높게되어 써모메트릭 부품의 가공이 어렵게 된다.

상기 써모메트릭 부품의 크기나 형태는 제한이 없으며, 필요에 따라 당업자가 다양하게 제조하여 사용할 수 있다. 따라서, 각 연소실의 각 부품별로 그에 적정한 크기의 써모메트릭 부품을 별도로 제조하여 사용하는 것도 가능하다.

그러나, 상기 써모메트릭 부품은 상기 연소실 구성 부품에 장착되는 것인 바, 연소실 구성 부품에 써모메트릭 부품을 장착한 후에도 연소실 구성 부품의 전체의 외형에 영향을 주지 않도록 써모메트릭 부품을 제조하는 것이 바람직할 것이다. 이를 위하여, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품의 길이는 10mm 이내, 직경 5mm 이내로 제한하도록 한다. 써모메트릭 부품의 크기가 상기의 치수보다 클 경우 두께가 작은 밸브시트 인서트, 피스톤 스커트 등의 부품에 장착하기 곤란할 수 있으며, 또한 써모메트릭 부품을 지나치게 작게 제조할 경우 그 제조가 어려울 뿐만 아니라 장착/탈거도 어렵고, 차후에 경도 측정도 용이하지 않다. 따라서, 상기 써모메트릭 부품은 상기 치수 이내로 제작하는 것이 편리할 것이다.

또한, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 써모메트릭 부품은 연소실 구성 부품에 장착 및 탈거가 용이하며 아울러 시험 중 탈출이 발생하지 않도록 그 외주면이 나사산 형태를 가지도록 할 수 있다. 이러한 써모메트릭 부품을 연소실 구성 부품에 장착하기 위해서는 미리 연소실 구성 부품에 장착용 홈을 형성하는 것이 필요할 것이다.

상기의 치수 및 형태로 제작된 써모메트릭 부품은 높은 초기 경도를 확보하기 위하여 경화 열처리를 수행한다. 본 발명의 일례에 따르면, 열처리 후 경도는 비커스 경도 700 이상인 것이 바람직하다.

경도 측정과정에서 발생하는 오차를 고려할 때, 초기 경도가 높아 열처리 효과에 따른 경도 감소의 폭이 클수록 경도-온도 관계 그래프를 이용한 온도 추정값의 정확도가 향상될 것이다. 따라서, 본 발명의 일례에 따르면, 경화 열처리를 수 행하였을 때, 상기 써모메트릭 재료인 고탄소강 또는 고탄소 함금강 재료의 경화 후 경도는 그 하한값을 비커스 경도 700 이상으로 한정할 수 있다.

상기 열처리 방법은 고탄소강 및 고탄소 합금강에 대한 통상의 경화 열처리 방법을 적용할 수 있다. 상기 재료에 대한 경화 열처리 방법은 공지의 기술을 적요하는 바, 그 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기의 경화 열처리된 고탄소강 및 고탄소 합금강은 고온에 노출될 경우 템퍼링 효과에 의해 경도가 저하한다. 상기 재료의 템퍼링 효과에 대한 경도저하는,일반적으로 온도 증가에 선형적으로 비례한다. 도 1에서는 본 발명의 일례에 따른 고탄소 합금강의 온도-경도 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

상기 도 1을 참고하면, 본 발명에 의하여 경화 열처리된 고탄소강 및 고탄소 합금강은 열처리 온도에 따라 경도값이 거의 직선적으로 감소하기 때문에 써모메트릭 재질로서 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있다.

즉, 써모메트릭 재질의 특성은 템퍼링 온도 변화에 따른 경도가 비례적(직선적)으로 변화하는 것이 바람직한데, 본 발명에 의한 경화열처리된 고탄소강 및 고탄소 합금강은 이러한 특성을 충분히 만족하고 있다(도 1 참조). 여기서, 도 1은 마이크로 비커스를 이용하여 경도를 측정한 것이며 이때 하중은 300gf이다.

이어서, 써모메트릭 부품은 실제 엔진 연소실에 장착되어 시운전된다.

그런 다음, 써모메트릭 부품을 탈거한 후 비커스 미소 경도계를 이용하여 경도를 측정한 다음, 그 경도값을 도 1에 나타나 있는 써모메트릭 부품의 온도-경도관계 그래프인 "써모메트릭 소재의 템퍼링 온도에 따른 경도 변화" 그래프와 비교 하여, 연소실 내부에서 연소실 구성 부품에 가해진 최고 온도를 추정할 수 있다.

<실시예 1>

고탄소 합금강 재료를 적용하여 써모메트릭 부품을 제작하였다.

고탄소 합금강 재료의 화학조성은 하기 표 1과 같다.

써모메트릭 부품용 재료의 화학조성 (단위: 중량%)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Fe
0.10	0.25	0.35	0.02	0.02	1.45	잔량

제조된 써모메트릭 부품의 형상은 도 2에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 상기 써모메트릭 부품의 치수는 직경 4mm, 길이 6mm로 하였으며, 외주면에 나사선을 가공하여 탈착이 용이하게 하였다.

상기의 치수로 제작한 부품에 대하여 경화 열처리를 수행하여 최종적으로 써모메트릭 부품을 제작하였다. 경화 열처리는 840℃에서 30분간 유지 후 유냉하였다.

상기의 써모메트릭 부품을 피스톤의 여러 위치에 장착하였다. 도 3a 및 3b에는 상기 써모메트릭 부품이 피스톤의 어느 부위에 장착되었는지 잘 도시되어 있다. 참고로, 도 3a는 써모메트릭 부품이 장착된 피스톤의 상면을 보여주는 도면이며, 도 3b는 써모메트릭 부품이 장착된 피스톤의 종단면을 보여주는 도면이다.

도 3a 및 3a에서 번호는 써모메트릭 부품이 장착된 위치를 나타낸다.

상기 써모메트릭 부품이 장착된 피스톤을 이용하여 엔진을 조립한 후, 조립한 엔진에 대하여 180분 동안 운전하여 실차 시험을 수행하였다. 이후 써모메트릭 부품을 탈거하여 경도를 측정하여 온도를 추정하였다.

온도 변화 측정 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 결과로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 써모메트릭 부품을 이용할 경우 피스톤의 여러 부위별로, 연소시 가해진 온도를 추정할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 전술된 실시예에 한정되어 설명되었지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 또한 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 변형은 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것임은 자명하다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 고탄소 합금강의 온도-경도 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일례에 의한 써모메트릭 부품의 형상 및 치수를 나타낸다.

도 3a는 써모메트릭 부품이 장착된 피스톤의 상면을 보여주는 도면이다. 도 3a에서 번호는 써모메트릭 부품이 장착된 위치를 나타내는 것이다.

도 3b는 써모메트릭 부품이 장착된 피스톤의 종단면을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일례에 따른 써모메트릭 부품을 이용하여 측정한 엔진 연소실 온도 추정예를 나타내는 그래프이다.

Claims (5)

1. 써모메트릭 재료를 이용하여 써모메트릭 부품을 제조하는 단계;

   상기 써모메트릭 부품을 엔진 연소실의 구성 부품 중 적어도 하나에 장착하는 단계;

   엔진을 시험 운전하는 단계;

   상기 시험운전 후 상기 장착된 써모메트릭 부품을 탈거하여 상기 써모메트릭 부품의 경도를 측정하는 단계; 및

   상기 시험운전 후 경도와 상기 써모메트릭 부품 재료의 온도-경도 그래프와 비교하여 연소실에서의 상기 써모메트릭스 부품 부위에 가해진 온도를 추정하는 단계

   를 포함하며,

   상기 써모메트릭 부품은 탄소함유 0.5중량% 이상의 고탄소강 또는 고탄소 합금강 재료에 의하여 제조된 것이며 초기 비커스 경도 700 이상이고,

   상기 써모메트릭 부품은 탄소를 0.5 내지 2.0 중량%, 크롬을 0.8 내지 2.5 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 엔진 연소실 온도 추정 방법.
2. 제1항에서,

   상기 써모메트릭 부품은 나사형태로 제조되어 엔진 연소실의 구성요소 중 적어도 하나에 장착되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소실 온도 추정 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images