KR102000816B1 - 내연 기관의 액체 검출 시스템 - Google Patents

내연 기관의 액체 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기관의 적어도 하나의 실린더 내의 원하지 않는 액체를 검출하기 위한 내연 기관 (1) 의 액체 검출 시스템에 관한 것이다. 시스템은 소정의 기간 동안에 내연 기관 (1) 의 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키기 위한 전기 모터 (4) , 전력을 전기 모터에 공급하기 위한 주파수 변환기 (6) , 전기 모터의 전류를 측정하기 위한 측정 센서 (9), 및 측정 센서 (9) 의 측정치들을 수신하는 제어 유닛 (8) 을 포함한다. 제어 유닛 (8) 은 측정 값이 임계 값을 초과하는 경우 전기 모터 (4) 를 중지시키도록 배치된다.

Description

내연 기관의 액체 검출 시스템{A LIQUID DETECTION SYSTEM OF AN INTERNAL CUMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 액체 검출 시스템에 관한 것이다.
내연 기관은 내연 기관의 실린더들 중 하나 이상의 실린더에서 액체를 갖는 위험을 겪을 수도 있다. 물과 같은 액체는 실린더 헤드 가스켓 (gasket) 의 누출에서, 그리고 또한 가스 기관에서의 새는 배기 밸브 시트 또는 새는 예연 챔버 가스켓과 같은 다른 이유들에서 비롯될 수도 있다. 오일 누출의 경우에, 소스는 새는 디젤 연료 분사기, 또는 분사기 냉각 회로로부터 혹은 피스톤 냉각으로부터 나오는 윤활유일 수도 있다. 실린더에서의, 즉, 연소 챔버에서의 액체는 그것의 비압축성으로 인해 압축 스테이지에서 실린더 압력을 증가시킨다. 최악의 경우에, 액체가 실린더의 대부분을 채우거나, 심지어 피스톤의 TDC (top dead centre) 포지션에서 연소 챔버의 용적을 초과하며, 이는, 예를 들어, 시동 목적으로 기관이 회전되는 경우, 실린더에 강력한 압력 스트로크를 야기한다. 그러한 압력 스트로크는 실린더, 및, 실린더 헤드 가스켓, 피스톤, 피스톤 링들, 피스톤 핀, 커넥팅 로드 (connecting rod) 와 커넥팅 로드의 베어링들, 및 크랭크 샤프트와 크랭크 샤프트의 베어링들, 그리고 또한 베링 하우징들과 같은 다른 기관 컴포넌트들에 손상들을 초래할 수 있다.
시각에 의지하여 실린더의 오일 또는 물 누출을 점검하는 것, 예를 들어, 기관의 회전 동안에 개방되는 지표 밸브 (indicator valve) 또는 지표 콕 (indicator cock) 은 공지되어 있다. JP 11064147 공개공보에 개시된 바와 같은 누출을 표시하기 위한 실린더와 연계하여, 실린더 특정 센서, 예를 들어, 광전 센서를 갖는 시스템을 이용하는 것이 또한 공지되어 있다. 실린더 특정 검출 장치는 반복적인 액션들 및 있을 수 있는 실린더들 주위의 공간의 부족으로 인해 설치하기가 복잡하다. 누출 검출 시스템을 갖지 않는 기존의 기관들에 대한 업그레이드 설치들도 복잡하다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점들을 제거하기 위해 실린더/실린더들에서 액체를 검출하는 대안적인 해결책을 제공하는 것이다. 그 목적은 독립 청구항에서 설명된 방식으로 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 상이한 실시형태들을 설명한다. 내연 기관을 위한 본 발명에 따른 액체 검출 시스템은 기관의 하나의 또는 여러 실린더들에서 원하지 않는 액체를 검출한다. 시스템은 소정의 기간 동안에 내연 기관의 크랭크 샤프트를 회전시키기 위한 전기 모터, 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 주파수 변환기, 전기 모터의 전류를 측정하기 위한 측정 센서, 및 측정 센서의 측정치들을 수신하는 제어 유닛을 포함한다. 토크 측정이 또한 주파수 변환기에 통합될 수 있다. 제어 유닛은 측정치들의 값을 임계 값 또는 값들과 비교하는 비교 유닛을 포함한다. 또한, 제어 유닛은 측정 값이 임계 값을 초과하는 경우 전기 모터를 중지시키도록 배치된다.
다음에서, 본 발명은 동봉된 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명되며, 여기서
도 1 은 본 발명의 일 예를 도시하고,
도 2 는 본 발명의 다른 예를 도시하며,
도 3 은 본 발명의 또 다른 예를 도시하고,
도 4 는 본 발명에 따른 방법의 플로 차트 예를 도시하며,
도 5 는 본 발명에 따른 방법의 다른 예를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 일 예를 도시한다. 전자 모터 (4) 가 내연 기관 (1) 의 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키기 위해 플라이휠 (3) 에 연결된다. 대안으로, 전기 모터는 크랭크샤프트를 구동하는 다른 톱니형 휠에 연결될 수 있다. 그래서, 이러한 맥락에서, 단어 '플라이휠' 은 광범위하게 이해되어야 한다. 플라이휠은 크랭크 샤프트에 연결된다. 주파수 변환기 (6) 는 전기 네트워크와 같은 소스 (7) 로부터 전기 모터 (4) 에 전력을 공급한다.
그래서, 전기 모터 (4) 가 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키며, 차례로, 크랭크 샤프트가 내연 기관 (10) 내의 실린더들의 피스톤들을 움직인다. 하나 또는 여러 실린더들에서 물 또는 오일과 같은 액체는 물 (또는 오일) 의 무게 때문에 그리고 액체가 압력 하에서는 압축할 수 없기 때문에 피스톤/피스톤들의 움직임을 방해한다. 따라서, 압축 단계에서 실린더 내의 압력은 (실린더에 추가 액체가 없는) 실린더의 정상 조건에서보다 높다. 이는 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키기 위해 정상적인 것보다 많은 전력 또는 토크가 요구된다는 것을 의미한다. 따라서, 전기 모터 (4) 에 의해 특정 전압 및 회전 속도에서 소비되는 전류는 정상적인 것보다 높다. 하나 또는 여러 실린더들에서의 액체는 전기 모터의 특정 전압에서의 전류, 및/또는 토크를 측정함으로써 검출될 수 있다.
전기 모터 (4) 는 높은 속도에서 내연 기관 (1) 을 작동시키거나, 기관을 시동시키도록 설계되지 않는다. 전기 모터는 실린더/실린더들 내의 액체를 검출하기 위해 기관을 회전시킨다. 그래서 전기 모터는 내연 기관의 시동 전에 작동될 수 있다. 전기 모터 (4) 및 크랭크 샤프트 (2) 의 회전 속도는 실린더/실린더들에 많은 양의 액체가 들어 있을 수도 있기 때문에 처음에는 상대적으로 낮을 수 있는데, 이는 액체를 검출하고 실린더의 동일한 압축 단계 동안에 시간에 맞춰 반응을 보이는데 낮은 회전 속도가 충분하다는 것을 의미한다.
기관/기관 모터의 회전의 시작 후에, 낮은 회전 속도에서 액체가 검출되지 않는 경우, 회전 속도는 서서히 증가될 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 적은 양의 물이 실린더/실린더들에서 검출될 수 있다. 보다 많은 양의 물은 피스톤의 움직임에 대해 보다 큰 저항을 야기하며, 이는 보다 적은 양의 물보다 검출을 쉽게 한다. 주파수 변환기 (6) 는, 회전 속도를 직접적으로 제어하여, 전기 모터에 대한 전력 공급의 주파수를 변화시킨다. 회전 속도는, 예를 들어, 소정의 양의 액체를 검출하도록 상이한 조건들에 대핸 조절될 수 있다. 그래서, 주파수 변환기의 이용은, 예를 들어, 전류 또는 토크 측정치의 적분 값을 산출함으로써, 기관 (1) 을 손상시키지 않으면서, 실린더들 내의 상이한 양들의 액체를 검출하는 것을 가능하게 한다. 적분 값은 물의 양의 증가에 따라 서서히 증가한다. 보다 많은 액체가 존재할수록 보다 빨리 값이 증가하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
전기 모터는 소정의 기간 동안 회전된다. 이러한 기간에, 하나 이상의 실린더들 내의 있을 수 있는 액체를 검출하는 것이 가능하다. 액체 검출에 어떤 회전 속도들이 이용되는지에 의존하여, 기간은 상이한 회전 속도들에 대한 여러 하위 기간들을 포함할 수 있다. 기간의 전체 지속기간은 하위 기간들의 수에 의존한다. 보다 많은 하위 기간들이 있을 수록, 기간은 더 길어진다.
도 1 은 또한 제어 유닛 (8) 및 전기 모터 (4) 의 전류를 측정하기 위한 측정 센서 (9, 9A) 를 도시한다. 측정 센서는 주파수 변환기 (9) 의 측면 (예를 들어, 주파수 변환기의 입력부 또는 출력부) 에, 또는 전기 모터의 전력 입력부 (9A) 에 위치될 수 있다. 측정 센서는 측정 센서의 측정치들을 수신하는 제어 유닛 (8) 에 연결된다 (전력 입력부 센서 (9A) 의 연결은 파선으로 도시된다). 제어 유닛은 측정치들의 값들을 임계 값과 비교하는 비교 유닛 (11) 을 포함한다. 측정 값이 임계 값을 초과하는 경우, 제어 유닛은 전기 모터를 중지시키도록 배치된다. 중지시키는 것은 전기 모터 (4) 로의 전력 공급을 중지시키는 중지 커맨드 (12) 를 주파수 변환기 (6) 에 송신함으로써 간편하게 진행된다. 　
크랭크 샤프트 (2) 의 토크가 또한 산출될 수 있다. 실린더 내의 액체는 또한 토크 값으로부터 검출될 수 있다. 토크 값이 정상 값들 위인 경우, 하나 또는 여러 실린더들 내에 액체가 존재할 수도 있다. 토크 (T) 는, 예를 들어, 식
T = P/w　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
을 이용함으로써, 전기 모터의 전류 및 크랭크 샤프트 (또는 전기 모터) 의 회전 속도로부터 산출될 수 있으며, 여기서 P 는 전력이고 w 는 라디안 회전 속도 (rotation speed in radians) 이다.
P 는 식
P = RI2
으로부터 산출될 수 있으며, 여기서 I 는 전기 모터의 전류이고 R 은 전기 모터의 내부 저항이다. w 는 식 w = 2πn 으로부터 산출될 수 있으며, 여기서 n 은 회전/분이다.
따라서, 속도는 플라이휠 (3) 로부터, 또는 대안으로 전기 모터 (4) 의 축으로부터 측정될 수 있다. 전기 모터의 속도는 크랭크샤프트의 속도에 대응한다. 따라서, 시스템은 또한 전기 모터 또는 크랭크 샤프트의 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서 (10, 10A) 를 포함할 수 있다. 제어 유닛 (8) 은 속도 센서 (10, 10A) 의 측정치들을 수신하여 크랭크 샤프트의 토크를 산출하고, 토크 측정치들의 값들을 토크 임계 값과 비교하도록 배치된다. 또한, 제어 유닛은 산출된 토크 값이 토크 임계 값을 초과하는 경우 전기 모터를 중지시키도록 배치된다.
2 개의 지표들 (전류 및 토크) 의 이용은 액체 검출을 보다 신뢰할 수 있게 한다. 제어 유닛 (8) 은 이러한 지표들 중 어느 일방이 지표 특정 임계치를 초과하는 경우, 액체가 검출되는 것으로 간주되는 방식으로 배치된다.
전기 모터를 중지시키기 위해서는 임계 값 및 토크 임계 값 양자 모두가 상기 측정치들 및 토크 산출치에 의해 초과될 것이 요구되는 실시형태가 또한 가능하다.
또한, 시스템의 제어 유닛 (8) 은 기관 유형 정보를 포함한다. 위에서의 상기 값들은 기관 유형 정보에 의존하다. 정보는 테이블 포맷으로 있을 수 있다. 정보는 또한 명목 압축 비율, 기관 마찰, 및 회전 속도를 통해 산출될 수 있다. 다시 말해, 참조 토크가 상이한 크랭크 각도들에서 측정된 토크와 비교된다. 크랭크 각도 값들에 걸쳐 참조 토크 트레이스 주위에 연산 윈도우가 있을 수 있다. 전류/토크 참조는, 예를 들어, 회전 기관 마찰에 영향을 미치는 오일 온도를 고려할 필요가 있다. 임계 값은 적응될 수 있다.
실현가능한 실시형태에서는 전기 모터의 각각의 회전 속도에 대한 여러 개의 테이블들이 있다. 임계 값은, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 상기 회전에 있어서 전기 모터의 (실린더/실린더들 내에 추가적인 액체가 없는) 정상적인 전류의 115% 일 수 있다. 유사하게, 토크 임계 값은, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 상기 회전에 있어서 전기 모터의 정상적인 토크의 115% 일 수 있다.
제어 유닛 (8) 은 또한 내부에 액체를 갖는 실린더 또는 실린더들을 식별하기 위해 크랭크 샤프트의 각도 정보를 산출하도록 배치될 수 있다. 각도 정보는 플라이휠 (또는 다른 휠) 의 포지션 측정치 (13) 로부터 산출될 수 있다. 일부 경우들에서는, 정확한 각도 정보를 산출하기 위해 캠샤프트 (camshaft) 포지션 측정치 (14) 가 또한 필요하다. 각도 정보는 피스톤 포지션들을 결정하기 위해 필요하다. 실린더의 압축 단계 동안에, 크랭크 각도 도메인에서 연속적으로 또는 선택된 크랭크 각도들에서 전류/토크가 측정될 수 있다. 크랭크 각도 도메인에 걸친 참조 전류/토크 곡선이 측정된 값들과 참조 값들의 비교에 이용될 수 있다. 참조 곡선 주위에 연산 윈도우가 있을 수 있다. 비교가 비정상적인 높은 편차/편차들을 보이는 경우, 즉, 임계 값/값들이 초과되는 경우, 액체가 검출된다. 심지어 압축 단계의 초기 단계에서도 액체가 검출될 수 있다.
또한, 제어 유닛은 또한 전기 모터가 상기 초과치/초과치들에 의해 중지되는 경우 경고 (15) 를 제공하도록 배치될 수도 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 보다 실현가능한 실시형태를 도시한다. 이러한 예에서, 전기 모터 (4) 의 회전 축 (8) 은 크랭크 샤프트 (2) 의 플라이휠 (3) 에 연결되어 있는 송신 휠 (5) 에 연결된다. 송신 휠 (5) 은 전기 모터로부터 플라이휠로 회전 전력을 송신한다.
도 3 은 전기 모터 (31) 를 플라이휠 (3) 에 연결하는 다른 예를 도시한다. 이 실시형태에서, 플라이휠 (3) 은 전기 모터 (31) 의 회전자를 형성한다. 플라이휠의 가장자리는 회전자 코일 (312) 들을 포함한다. 전기 모터의 고정자 (311) 가 플라이휠의 가장자리 주위에 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법을 설명하는 플로 차트의 일 예를 도시한다. 액체 검출 방법은 주파수 변환기로부터 전기 모터로 전력을 공급하는 단계 (41); 전기 모터를 이용하여 소정의 기간 동안에 내연 기관의 크랭크 샤프트를 회전시키는 단계 (42); 전기 모터의 전류를 측정하는 단계 (43); 전류 측정으로부터의 값들을 임계 값과 비교하는 단계 (44); 및 측정 값이 임계 값을 초과하는 경우 전기 모터를 중지시키는 단계 (45) 를 포함한다.
더불어, 방법은 도 5 의 예에 도시된 다른 단계들을 또한 포함할 수 있다. 도 5 는 전기 모터 (4) 또는 크랭크 샤프트 (2) 의 회전 속도를 측정하는 단계 (51); 기관의 토크를 산출하는 단계 (52); 산출된 토크의 값들을 토크 임계 값과 비교하는 단계 (53); 및 산출된 토크 값이 토크 임계 값을 초과하는 경우 전기 모터를 중지시키는 단계 (54) 를 도시한다.
따라서, 본 발명 방법의 일 실시형태에서, 전류 측정치 또는 산출된 토크가 전류 특정, 또는 토크 특정 임계치를 초과하는 경우, 전류 모터를 중지시키기에 충분하다. 본 발명 방법의 다른 실시형태에서는, 전기 모터를 중지시키기 위해서는 임계 값 및 토크 임계 값 양자 모두가 상기 측정치들 및 산출치에 의해 초과될 것이 요구된다. 또한, 본 발명 방법은 또한 내부에 액체를 갖는 실린더 또는 실린더들을 식별하기 위해 크랭크 샤프트의 각도 정보를 산출하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 각도 정보는 피스톤 포지션들을 결정하기 위해 필요하다. 또한, 방법이 또한 전기 모터가 상기 초과치/초과치들에 의해 중지되는 경우 경보를 제공하는 단계를 포함하는 것이 실현가능하다.
본 발명은 위에서 설명된 것외에 많은 다양한 방식들로 실현될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛은 또한 학습 제어 유닛일 수 있다. 이는 제어 유닛이 소정의 양의 액체가 하나 이상의 실린더들 내에 존재하는 상황들을 학습할 수 있음을 의미한다. 본 발명은 본 텍스트에서 설명된 실시형태들로 제한되지 않고, 독립 청구항들의 범위 내에서 많은 다른 상이한 실시형태들로 구현될 수도 있다는 것이 상기로부터 자명하다.

Claims (14)

  1. 내연 기관의 적어도 하나의 실린더 내의 원하지 않는 액체를 검출하기 위한 상기 내연 기관 (1) 의 액체 검출 시스템으로서,
    상기 시스템은, 상기 내연 기관 (1) 의 시동 전에 상기 내연 기관 (1) 의 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키기 위한 전기 모터 (4), 상기 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 주파수 변환기 (6), 상기 전기 모터의 전류를 측정하기 위한 측정 센서 (9, 9A), 및 상기 측정 센서의 측정치들을 수신하는 제어 유닛 (8) 을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 측정치들의 값들을 임계 값과 비교하는 비교 유닛 (11) 을 포함하며, 상기 제어 유닛 (8) 은 상기 측정치가 상기 임계 값을 초과하는 경우 상기 전기 모터 (4) 를 중지시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 또한 상기 전기 모터 (4) 또는 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서 (10, 10A) 를 포함하고, 상기 제어 유닛 (8) 은 상기 속도 센서 (10, 10A) 의 측정치들을 수신하도록 배치되며, 상기 제어 유닛은 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 토크를 산출하고 토크 산출치들의 값들을 토크 임계 값과 비교하도록 더 배치되고, 상기 제어 유닛 (8) 은 산출된 토크 값이 상기 토크 임계 값을 초과하는 경우 상기 전기 모터 (4) 를 중지시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 모터 (4) 를 중지시키기 위해 상기 임계 값 및 상기 토크 임계 값 양자 모두가 상기 측정치들 및 산출치에 의해 초과될 것이 요구되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (8) 은 기관 유형 정보를 포함하고, 상기 임계 값은 상기 기관 유형 정보에 의존하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 값은 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 상기 회전에 있어서 상기 전기 모터 (4) 의 정상적인 전류의 115% 인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 토크 임계 값은 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 상기 회전에 있어서 상기 전기 모터 (4) 의 정상적인 토크의 115% 인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (8) 은 또한 내부에 액체를 갖는 실린더 또는 실린더들을 식별하기 위해 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 각도 정보를 산출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 센서 (9) 는 상기 주파수 변환기 (6) 의 입력부 또는 출력부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 센서 (9A) 는 상기 전기 모터 (4) 의 전력 입력부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 시스템.
  10. 내연 기관의 적어도 하나의 실린더 내의 원하지 않는 액체를 검출하기 위한 상기 내연 기관 (1) 의 액체 검출 방법으로서,
    상기 방법은,
    주파수 변환기 (6) 로부터 전기 모터 (4) 로 전력을 공급하는 단계 (41),
    상기 전기 모터 (4) 를 이용하여 상기 내연 기관 (1) 의 시동 전에 상기 내연 기관 (1) 의 크랭크 샤프트 (2) 를 회전시키는 단계 (42),
    상기 전기 모터의 전류를 측정하는 단계 (43),
    전류 측정으로부터의 측정치들을 임계 값과 비교하는 단계 (44), 및
    상기 측정치가 상기 임계 값을 초과하는 경우 상기 전기 모터 (4) 를 중지시키는 단계 (45) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 방법은 또한,
    상기 전기 모터 (4) 또는 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 회전 속도를 측정하는 단계 (51),
    상기 크랭크 샤프트의 토크를 산출하는 단계 (52),
    산출된 상기 토크의 값들을 토크 임계 값과 비교하는 단계 (53), 및
    토크 산출치가 상기 토크 임계 값을 초과하는 경우 상기 전기 모터 (4) 를 중지시키는 단계 (54) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 전기 모터 (4) 를 중지시키기 위해서는 상기 임계 값 및 상기 토크 임계 값 양자 모두가 상기 측정치들 및 산출치에 의해 초과될 것이 요구되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 방법.
  13. 제 10 항 또는 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 또한 내부에 액체를 갖는 실린더 또는 실린더들을 식별하기 위해 상기 크랭크 샤프트 (2) 의 각도 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 방법은 또한 상기 전기 모터 (4) 가 상기 초과에 의해 중지되는 경우 또는 상기 초과들에 의해 중지되는 경우 경고를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 액체 검출 방법.
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