KR102063001B1 - 압력 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치는 판독 헤드 (3a) 및 스케일 (3b) 을 포함하고 측정된 변위 또는 변형 값에 기초하여 실린더 압력을 결정하기 위해 피스톤 기관 (1) 의 컴포넌트 (6, 8) 의 변위 또는 변형을 모니터링하도록 구성되는 선형 인코더 (3) 를 포함한다.

Description

압력 모니터링 장치 및 방법

본 발명은 청구항 1 의 서문에 따른 피스톤 기관의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다른 독립 청구항의 서문에 정의된 바와 같은 피스톤 기관의 실린더 내의 압력을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다.

피스톤 기관들의 실린더 압력은 통상적으로 압력 센서들을 사용하여 모니터링된다. 기관의 각각의 실린더는 자신의 압력 센서를 필요로한다. 실린더 내부의 압력을 측정할 수 있기 위해, 압력 센서는 연소실과 유체 연통할 필요가 있다. 연소실들 내의 높은 압력들 및 온도들로 인해, 압력 센서들은 매우 강건할 필요가 있다. 높은 표준들이 또한 압력 센서들의 밀봉을 위해 설정된다. 상술된 이유들로, 압력 센서들의 사용은 상대적으로 고가이다. 따라서, 실린더 압력들의 신뢰성있는 비접촉 모니터링에 대한 필요가 존재한다.

본 발명의 목적은 피스톤 기관의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 향상된 압력 모니터링 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 장치의 특징화하는 특징들은 청구항 1 의 특징부에서 주어진다. 본 발명의 다른 목적은 피스톤 기관의 실린더 내의 압력을 모니터링하기 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 방법의 특징화하는 특징들은 다른 독립항의 특징부에서 주어진다.

본 발명에 따른 장치는 판독 헤드 및 스케일을 포함하고 측정된 변위 또는 변형 값에 기초하여 실린더 압력을 결정하기 위해 피스톤 기관의 컴포넌트의 변위 또는 변형을 모니터링하도록 구성되는 선형 인코더를 포함한다.

본 발명에 따른 방법은 선형 인코더를 사용하여 기관의 컴포넌트의 변위 또는 변형을 모니터링하는 단계 및 측정된 변위 또는 변형에 기초하여 압력을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 장치 및 방법으로, 피스톤 기관의 실린더 압력들은 센서를 연소 가스들에 노출시키지 않고 모니터링될 수 있다. 선형 인코더들은 상대적으로 저가이고 여러 제조자들로부터 널리 이용가능하다. 다수의 선형 인코더들은 디지털 출력을 제공하고, 선형 인코더들은 따라서 기관의 제어 시스템으로 통합하기가 쉽다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 인코더는 쿼드러쳐 증분형 인코더이다. 쿼드러쳐 인코더는 모션의 방향의 결정을 허용한다. 인코더는 예를 들어 자기식 인코더일 수 있다. 자기식 인코더는 그것이 먼지에 민감하지 않기 때문에 기관의 조건들에서 신뢰가능하다. 자기식 인코더들은 또한 예를 들어 유도성 인코더들에 비해 더 작은 지터를 갖는다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 인코더는 기관 블록에 대한 실린더 라이너의 길이방향 변위를 모니터링하도록 배열된다. 테스트들에 따르면, 실린더 압력과 실린더 라이너의 변위 사이의 상관은 높다. 인코더는 실린더 라이너의 크랭크샤프트 말단에서의 실린더 라이너의 변위를 모니터링할 수 있다. 인코더는 실린더 라이너의 하부 말단에 조립하기가 더 쉽다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 인코더는 기관 블록에 대한 실린더 헤드의 변위를 모니터링하도록 배열된다. 대안적으로, 인코더는 실리더 헤드에 대한 가스 교환 밸브의 변위를 모니터링하도록 배열될 수 있다. 이것은 인코더가 밸브 리프트를 모니터링하기 위해서도 사용되는 것을 허용한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 인코더는 실린더 헤드에 대한 연료 주입기 또는 물 주입기의 변위를 모니터링하도록 배열된다. 인코더는 또한 실린더 헤드에 대한 시동 밸브 또는 안전 밸브의 변위를 모니터링하도록 배열될 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 인코더는 실린더 라이너의 원주의 길이를 모니터링하도록 배열된다. 인코더는 실린더 라이너의 실린더 헤드 말단에 배열될 수 있다. 이것은 상사점에서의 실린더 압력의 모니터링을 허용한다.

인코더의 스케일은 증가하는 실린더 라이너 직경이 판독 헤드에 대해 스케일을 이동시키도록 실린더 라이너의 외부 표면상에 배열될 수 있다.

본 발명의 실시형태들이 첨부하는 도면들을 참조하여 더욱 상세히 이하에 기술된다.
도 1 은 본 발명에 따른 압력 모니터링 장치를 포함하는 기관을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 압력 모니터링 장치를 갖는 피스톤 기관의 실린더를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압력 모니터링 장치를 갖는 실린더 라이너의 개략 단면도를 도시한다.

도 1 에는 피스톤 기관 (1) 이 개략적으로 도시된다. 기관 (1) 은 선박의 메인 또는 보조 기관 또는 전기를 생산하는 발전소에서 사용되는 기관과 같은 대형 내연기관이다. 기관 (1) 의 정격 전력은 적어도 150 kW/실린더이고 실린더 보어 (bore) 는 적어도 150 mm 이다. 기관 (1) 은 복수의 실린더들 (2) 을 포함한다. 도 1 에서는, 4 개의 실린더들 (2) 이 도시되지만, 기관 (1) 은 예를 들어 일직선으로 또는 V자 구성으로 배열될 수 있는 임의의 합리적인 수의 실린더들 (2) 을 포함할 수 있다.

기관 (1) 은 기관 (1) 의 실린더들 (2) 내의 실린더 압력들을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 시스템을 포함한다. 실린더 압력들은 직접 측정되지 않지만, 압력 모니터링 시스템은 실린더 압력들을 결정하기 위해 사용되는 선형 인코더들 (3) 을 포함한다. 기관 (1) 의 각 실린더 (2) 는 자신의 선형 인코더 (3) 가 제공된다. 각각의 선형 인코더 (3) 는 기관 (1) 의 실린더들 (2) 중 하나 내의 실린더 압력을 결정하기 위해 기관 (1) 의 컴포넌트의 변위 또는 변형을 모니터링하도록 구성된다. 선형 인코더들 (3) 은 제어 유닛 (4) 에 연결된다. 제어 유닛 (4) 은 선형 인코더들 (3) 에 의해 행해지 측정들에 기초하여 기관 (1) 의 각 실린더 (2) 내의 실린더 압력을 결정하기 위해 사용된다. 선형 인코더들 (3) 에 의해, 실린더 압력들은 비접촉 방식으로 결정될 수 있다. 선형 인코더들 (3) 은 그들이 연소 가스들에 노출되지 않도록 실린더들 (2) 밖에 배열될 수 있다.

압력 모니터링 시스템에서 사용되는 선형 인코더들 (3) 은 다수의 상이한 대안적인 동작 원리들에 기초할 수 있다. 선형 인코더 (3) 는 예를 들어 자기식, 유도성, 용량성 또는 광전식 인코더일 수 있거나 그것의 동작은 와전류에 기초할 수 있다. 자기식 인코더들의 이점은 그들이 먼지에 민감하지 않고 따라서 기관 환경에서 신뢰가능하게 기능한다는 것이다. 인코더들 (3) 은 증분적 또는 절대적 인코더들일 수 있다. 절대 위치들은 알려져 있을 필요가 없기 때문에, 증분형 인코더들이 충분하다. 인코더들 (3) 은 바람직하게는 쿼드러쳐 (quadrature) 인코더들이다. 쿼드러쳐 인코더는 90 도 위상차를 갖는 2 개의 신호들을 생성하며, 이것은 모션의 방향의 결정을 허용한다. 증분형 쿼드러쳐 인코더는 판독 헤드들이 서로에 대해 90°위상 시프트를 갖는 신호들을 생성하도록 인코더의 스케일에 대해 위치되는 2 개의 판독 헤드들이 제공된다. 인코더들 (3) 은 인코더들 (3) 내에서 내부적으로 디지털 신호들로 변환되는 아날로그 신호들을 생성할 수 있다.

도 2 에는 본 발명의 실시형태에 따른 압력 모니터링 장치가 도시된다. 압력 모니터링 장치는 기관 (1) 의 하나의 실린더 (2) 내의 압력을 모니터링하기 위해 사용된다. 기관 (1) 의 각 실린더 (2) 는 유사한 배열이 제공된다. 도 2 는 실린더 라이너 (6), 실린더 헤드 (8) 및 기관 블록 (7) 의 부분을 개략적으로 도시한다. 실린더 라이너 (6) 는 기관 블록 (7) 내부에 부분적으로 배열된다. 실린더 헤드 (8) 는 실린더 (2) 의 상부 말단을 폐쇄하기 위해 실린더 라이너 (6) 의 상부 말단에 배열된다. 실린더 라이너 (6) 및 실린더 헤드 (8) 는 함께 연소실을 정의한다. 도 2 의 실시형태에서, 선형 인코더 (3) 는 기관 블록 (7) 에 대한 실린더 라이너 (6) 의 변위를 모니터링하도록 구성된다. 선형 인코더 (3) 는 판독 헤드 (3a) 및 스케일 (3b) 를 포함한다. 표현 "판독 헤드" 는 여기서 또한 센서 유닛에 통합된 2 개의 판독 헤드들을 실제로 포함하는 쿼드러쳐 인코더의 센서를 지칭한다. 스케일 (3b) 은 실린더 라이너 (6) 의 외부 표면에 부착된다. 유도성 인코더의 경우에, 스케일 (3b) 은 실린더 라이너 (6) 의 외부 표면에 직접 제조되는 홈들로 이루어질 수 있다. 자기식 인코더의 스케일에서는, 반대의 필드 방향들을 갖는 영역들이 교대한다.

판독 헤드 (3a) 는 기관 블록 (7) 에 부착된다. 판독 헤드 (3a) 는 스케일 (3b) 의 이동들을 모니터링할 수 있고 따라서 기관 블록 (7) 에 대한 실린더 라이너 (6) 의 변위를 결정할 수 있다. 스케일 (3b) 과 판독 헤드 (3a) 사이의 기계적 접촉은 필요하지 않다. 선형 인코더 (3) 는 제어 유닛 (도 2 에 미도시) 에 연결되고, 여기서 변위 값들은 압력 값들로 변환된다. 실린더 라이너 (6) 의 변위와 실린더 압력 사이의 상관은 예를 들어 실험적으로 결정될 수 있다. 테스트들에 따르면, 실린더 라이너 (6) 의 변위는 실린더 압력과 높은 상관을 갖는다. 도 2 의 압력 모니터링 장치는 따라서 실린더 압력들을 모니터링하기 위해 신뢰가능한 비접촉 방법을 제공한다. 도 2 의 실시형태에서, 선형 인코더 (3) 는 하부 말단, 즉 실린더 라이너 (6) 의 크랭크샤프트 말단에 배열된다. 선형 인코더 (3) 는 실린더 라이너 (6) 의 하부 말단에 배열되기가 더 쉽고 온도들은 더 낮다. 그러나, 선형 인코더 (3) 는 또한 일부 다른 로케이션에 배열될 수 있을 것이다.

도 2 의 실시형태에서, 실린더 라이너 (6) 의 변위가 모니터링된다. 그러나, 선형 인코더 (3) 는 또한 다수의 다른 컴포넌트들의 변위를 모니터링하도록 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 기관 블록 (7) 에 대한 실린더 헤드 (8) 의 변위가 모니터링될 수 있을 것이다. 또한, 실린더 헤드 (8) 에 대한 가스 교환 밸브, 즉 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 변위가 모니터링될 수 있을 것이다. 이것은 동일한 선형 인코더가 또한 밸브 리프트를 모니터링할 수 있을 것이라는 이점을 가질 것이다. 선형 인코더는 또한 실린더 헤드 (8) 에 대한 연료 주입기 또는 물 주입기의 변위를 모니터링하도록 배열될 수 있을 것이다. 대안적으로, 실린더 헤드 (8) 에 대한 시동 밸브 또는 안전 밸브의 변위가 모니터링될 수 있을 것이다.

도 3 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압력 모니터링 장치를 도시한다. 이러한 실시형태에서, 실린더 라이너 (6) 의 변형이 실린더 라이너 (6) 의 변위 대신에 모니터링된다. 선형 인코더 (3) 는 실린더 라이너 (6) 의 원주의 길이를 모니터링하도록 배열된다. 밴드 (9) 가 실린더 라이너 (6) 주위에 배열된다. 밴드 (9) 는 제 1 단부 (9a) 및 제 2 단부 (9b) 를 갖는다. 밴드 (9) 의 제 1 단부 (9a) 는 실린더 라이너 (6) 에 고정된다. 선형 인코더 (3) 는 판독 헤드 (3a) 및 스케일 (3b) 을 포함한다. 선형 인코더 (3) 는 도 2 의 실시형태에서 사용된 선형 인코더 (3) 와 유사할 수 있다. 스케일 (3b) 은 밴드 (9) 의 제 2 단부 (9b) 에 부착된다. 스케일 (3b) 은 따라서 밴드 (9) 와 함께 이동한다. 판독 헤드 (3a) 는 실린더 라이너 (6) 에 부착된다. 탄성 부재 (10) 가 밴드 (9) 의 제 2 단부 (9b) 에 부착되고 밴드 (9) 의 제 1 단부 (9a) 를 향해 제 2 단부 (9b) 를 잡아당기도록 구성된다. 탄성 부재 (10) 는 예를 들어 스프링 또는 탄성 재료의 스트립 (strip) 일 수 있다. 도 3 의 실시형태에서, 탄성 부재 (10) 의 일단이 밴드 (9) 의 제 1 단부 (9a) 에 부착된다. 그러나, 탄성 부재 (10) 는 또한 실린더 라이너 (6) 에 부착될 수 있을 것이다.

선형 인코더 (3) 의 판독 헤드 (3a) 는 스케일 (3b) 의 위치를 모니터링한다. 실린더 라이너 (6) 의 직경이 증가된 실린더 압력으로 인해 증가함에 따라, 실린더 라이너 (6) 의 원주 길이가 증가한다. 밴드 (9) 의 제 1 단부 (9a) 가 실린더 라이너 (6) 에 부착되기 때문에, 실린더 라이너 (6) 의 팽창은 밴드 (9) 의 제 2 단부 (9b) 를 제 1 단부 (9a) 로부터 멀리 이동시킨다. 인코더 (3) 의 스케일 (3b) 은 밴드 (9) 와 함께 이동하고 그 이동은 판독 헤드 (3a) 에 의해 검출된다. 실린더 압력이 떨어짐에 따라, 실린더 라이너 (6) 의 원주 길이는 감소하고 탄성 부재 (10) 의 힘은 밴드 (9) 의 제 2 단부 (9b) 를 밴드 (9) 의 제 1 단부 (9a) 를 향해 다시 이동시킨다. 판독 헤드 (3a) 에 대한 스케일 (3b) 의 위치의 모니터링에 기초하여, 실리더 압력이 제어 유닛 (도 3 에 미도시) 에서 결정될 수 있다. 실린더 라이너 (6) 의 원주 길이와 실린더 압력 사이의 관계는 예를 들어 실험적으로 결정될 수 있다. 실린더 라이너 (6) 의 변위가 모니터링되는 실시형태에 비해, 이러한 실시형태의 이점은 이웃하는 실린더 라이너들 (6) 의 이동이 모니터링을 방해하지 않는다는 것이다. 실린더 라이너 (6) 의 외주의 작은 부분에 대해 연장되는 스트레인 게이지를 사용하여 실린더 라이너 (6) 의 변형이 모니터링되는 솔루션에 비해, 실린더 라이너 (6) 의 전체 외주의 길이가 측정되기 때문에 이러한 실시형태에서는 더 양호한 해상도가 달성될 수 있다. 탄성 부재 (10) 는 필수적인 엘리먼트는 아니지만, 밴드 (9) 는 밴드 (9) 의 형상이 실린더 라이너 (6) 의 직경에서의 변화들을 추종하도록 초기인장될 수 있다. 밴드 (9) 및 선형 인코더 (3) 는 바람직하게는 또한 피스톤이 상사점에 있을 때에도 압력 모니터링을 허용하기 위해 실린더 라이너 (6) 의 실린더 헤드 말단에 가깝게 배열된다.

본 발명은 상술된 실시형태들에 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 변할 수도 있다는 것이 본 기술에서 통상의 기술자에의해 인정될 것이다.

Claims (13)

1. 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치로서,
   상기 압력 모니터링 장치는 판독 헤드 (3a) 및 스케일 (3b) 을 포함하고 측정된 변형 값에 기초하여 실린더 압력을 결정하기 위해 상기 피스톤 기관 (1) 의 컴포넌트 (6, 8) 의 변형을 모니터링하도록 구성되는 선형 인코더 (3) 를 포함하며,
   상기 선형 인코더 (3) 는 실린더 라이너 (6) 의 원주의 길이를 모니터링하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선형 인코더 (3) 는 쿼드러쳐 증분형 인코더인, 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 선형 인코더 (3) 는 자기식 인코더인, 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 인코더 (3) 는 상기 실린더 라이너 (6) 의 실린더 헤드 말단에 배열되는, 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치.
12. 제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 선형 인코더 (3) 의 상기 스케일 (3b) 은 증가하는 실린더 라이너 직경이 상기 판독 헤드 (3a) 에 대해 상기 스케일 (3b) 을 이동시키도록 상기 실린더 라이너 (6) 의 외부 표면상에 배열되는, 피스톤 기관 (1) 의 실린더 압력을 모니터링하기 위한 압력 모니터링 장치.
13. 피스톤 기관 (1) 의 실린더 (2) 내의 압력을 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은, 선형 인코더 (3) 를 사용하여 상기 피스톤 기관 (1) 의 컴포넌트 (6, 8) 의 변형을 모니터링하는 단계, 및 측정된 변형에 기초하여 상기 압력을 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 선형 인코더 (3) 는 실린더 라이너 (6) 의 원주의 길이를 모니터링하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 피스톤 기관 (1) 의 실린더 (2) 내의 압력을 모니터링하기 위한 방법.

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