KR20010085888A - 내연기관의 연소 과정을 모니터링하기 위한 모니터링 장치 - Google Patents

내연기관의 연소 과정을 모니터링하기 위한 모니터링 장치 Download PDF

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린데만게르트
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드레쓸러볼프강
린드너프리데리케
로타커폴커
케른크리스토프
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Abstract

본 발명은 내연기관의 연소 과정을 모니터링하기 위한 모니터링 장치(10)에 관한 것으로서, 상기 장치를 이용함으로써 각 연소 과정, 특히 각 연소실을 직접 모니터링할 수 있다. 상기 모니터링은 연소실 내로 돌출되는 구성 부품(2)의 내부에 구성된 웨이브 가이드(6)에 의해 가능하다.

Description

내연기관의 연소 과정을 모니터링하기 위한 모니터링 장치{Device for monitoring the combustion process in internal combustion engines}
지금까지는 연소 과정을 모니터링하기 위하여 배기 가스량을 조절하는 방법을 사용하여 왔다. 특히, 조성된 촉매와 결합되어 운행 상태에 놓인 랍다 탐침기(Lavda-sonde)는 배기 가스의 조성을 검출하여, 이 조성으로부터 연소 과정을 추론한다. 이에 기초하여 상기 조성 정보는 엔진 제어 장치에 규칙적으로 전달될 수 있다.
그러나, 이러한 형태의 연소 모니터링은 연소실 내에서 직접 실시되지 않기 때문에 각 연소 과정들과, 배기 가스 분석으로부터 필요한 정보 검출과, 이후 엔진제어시 조절 동작 사이에서 소정의 지연 시간이 발생하는 단점을 갖는다. 또한, 배기 가스의 분석이 상이한 연소실들, 다시 말해서 종래 엔진의 상이한 실린더들에서 실시되는 연소 과정 동안 이루어지는 단점을 갖는다. 따라서, 종래 기술에 따른 배기 가스 분석에서는 각 연소 과정의 세분된 관찰이 불가능하다.
내연기관, 특히 디젤 엔진에서는 우수한 엔진 특성을 얻기 위한 용도로서 연소 동력이 매우 큰 역할을 차지하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 본 발명에 따른 장치를 이용함으로써 최상의 점화 시점을 얻을 수 있도록 상기 점화 시점을 가능한 정확하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 분사 시스템에 의해 분사되는 연료량을 가능한 정확하게 공급할 수 있다는 장점을 제공하고자 하는 것이다. 더구나, 본 발명에 따른 장치는 새로운 엔진이 발명되는 경우에 연소 동력의 제어와 관련하여 상기 가능성을 더욱 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모니터링 유닛을 구비한 스파크 플러그를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 2는 도 1에 따른 스파크 플러그를 도시한 배면도.
도 3은 본 발명에 따른 스파크 플러그의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 도면.
도 5는 도 4에서 V로 표기한 부분을 확대하여 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 모니터링 장치 2: 스파크 플러그
3, 4: 전도층 5: 절연층
6, 12: 웨이브 가이드 7: 스파크 플러그 팁
8: 스파크 플러그 하우징 9: 절연층
10, 11: 접촉면 13: 층 구조물
14, 15, 16: 유리층
그러므로, 본 발명의 목적은 연소 과정을 모니터링하기 위한 모니터링 장치를 제공하고자 하는 것으로서, 이 모니터링 장치는 상술한 지연 시간을 감소시킬 수 있으며, 각 연소 과정을, 특히 각 연소실에 따라서 세분하여 모니터링할 수 있다.
상기 목적은 서두에 언급한 종류의 기술분야에 기초한 청구항 제 1 항의 특징으로 해결될 수 있다.
종속항에 언급한 특징을 통하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예와 다른 구조가 가능하다.
이와 상응하게, 본 발명에 따른 모니터링 장치는 전자기 빔을 위한 웨이브 가이드가 연소실 내로 돌출되는 구성 부품 내에 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구조로 인하여, 연소동안 연소실의 외부에서 상응하는 전자기 빔이 관찰될 수 있으며 연소 과정의 동적 상태를 위한 상응하는 정보를 얻을 수 있다.
주로, 여기서는 가시광선이나 자외선 영역에서 발생하는 빔이 분석되며, 웨이브 가이드는 상기 영역에 상응하는 파장으로 조절된다. 연소시 고온이 발생하기 때문에, 상기 파장 영역에서 연소실 내에 형성된 소위 압축 가스의 주요 성분이 계산된다.
이로 인하여, 상기 파장 영역에서는 센서에 의해 웨이브 가이드의 출구에서 계산된 빔 중에서 가장 큰 빔 강도가 나타난다. 상술한 바와 같은 빔의 강도는 시간 변화에 따라 산출되도록 계산되기 때문에 연소 동력과 관련한 중요한 추론이 미리 얻어질 수 있다. 특히, 상기 사실로부터, 예를 들면 점화 시점이나 연료 분사 시간을 알 수 있다. 또한, 상기 강도 변화에 기초하여 분사하고자 하는 연료량에 대해서도 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 구조에 있어서, 웨이브 가이드의 출구에는 주파수 분석에 적합한 센서가 배치된다. 이 센서를 통하여 연소실 내부에서 방사 스펙트럼의 주파수를 분석함으로써, 연소실 내의 온도를 정확하게 출력할 수 있다. 경우에 따라서 이 원리에 따른 종래의 고온계가 사용된다. 본 발명에 따른 웨이브 가이드와 결합된 상기 센서 장치에 의해서 연소실 내의 온도 진행 과정을 시간적으로 검출할 수 있다.
주로, 웨이브 가이드는 공지된 엔진에 제공되어 연소실내로 돌출된 부품의 내부에 구성된다. 여기서, 오토 엔진인 경우에, 예를 들어 점화 플러그에 구성되고 디젤 엔진인 경우에는 스파크 플러그에 구성된다.
주로, 웨이브 가이드의 재료는 인접한 재료의 열팽창 계수와 동일한 열팽창 계수를 갖도록 선택된다. 연소 엔진의 내부에서 적어도 단기간에 매우 높은 온도, 예를 들어 디젤 엔진인 경우에 900oC 내지 100oC 사이의 온도가 형성될 수 있기 때문에, 상술한 재료 선택을 통하여, 재료 제한과 관련된 응력을 최소로 할 수 있음으로 웨이브 가이드와 인접한 재료 사이에서 영구적으로 양호한 결합을 보장할 수 있다. 또한, 구성 부품, 예를 들어 스파크 플러그를 밀봉하기 위하여 양호한 재료 결합이 절대적으로 필요하다.
본 발명의 다른 구조에서, 상기 구성 부품은 세라믹 재료로 제조된다. 특히, 스파크 플러그의 새로운 발전 경향은 고온 내구성뿐만 아니라 신속한 반응 시간과 긴 수명을 실현할 수 있기 때문에 세라믹 재료로 구성된 부품을 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 웨이브 가이드를 세라믹 재료로 구성함으로써, 웨이브 가이드로 사용하기 유용한 수많은 유리들이 유사한 열팽창을 갖기 때문에 상응하는 구성 부품 내에 웨이브 가이드를 용이하게 구성할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 특별한 실시예에서, 종래의 웨이브 가이드는 스파크 플러그의 재료 내에 삽입될 수 있다. 이와 같은 케이블 또는 막대기 형태의 웨이브 가이드는 시중에서 쉽게 구입할 수 있음으로 사용하기 편리하다. 모든 경우에서, 웨이브 가이드의 기능은 재료를 가변적인 반사율을 갖도록 배치함으로써 보장할 수 있으며, 그 결과 웨이브 가이드의 길이방향을 따라서 발광을 조절할 수 있다.
웨이브 가이드는 스파크 플러그에서 전도층이나 절연층 중 어디에서도 삽입될 수 있다. 이것은, 주로 적용 특성상, 각 스파크 플러그의 재료에 따라서, 혹은 웨이브 가이드의 재료에 따라서 상기 재료 특성에 기초하여 가장 자연스럽게 이루어질 수 있다.
이미 여러 번 언급한 바와 같이 연소실 내부는 고온 상태이다. 이 온도는적어도 연소실 내부로 돌출된 웨이브 가이드의 단부에서 일정하게 유지된다. 이것은 당시의 종래 웨이브 가이드에서 경우에 따라 문제를 초래할 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 연소실 내로 돌출된 웨이브 가이드의 전방 단부가 스파크 플러그의 팁 영역이 아니라 다른 후방 영역에 배치되도록 배치될 수 있다. 따라서, 스파크 플러그의 온도 부하는 안쪽으로 돌출된 팁으로부터 후방 단부쪽으로 전달된다.
또한, 바람직한 실시예에서 상기 웨이브 가이드가 원주 상에 펼쳐진 층을 통하여 상이한 반사율을 갖는 가시광선이나 적외선 영역의 상이한 투명층의 형태로 설치될 수 있다. 이러한 구성을 위하여, 필요한 광학 특성과 고온 내구성을 갖는 유리가 사용되는데, 상기 특성은 열팽창 거동과 관련하여 스파크 플러그에서 사용하고자 하는 세라믹 재료에서 양호한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 모니터링 장치에 의해 얻어진 정보는 연소 엔진의 적극적인 조절을 위해 사용된다. 이를 위하여, 상이한 엔진 제어 변수를 조절하기 위하여 조절 유닛이 제공된다. 따라서, 예를 들어 웨이브 가이드의 출구에 수용된 센서 신호에 기초하여 점화 시점이 결정될 수 있다. 또한, 예를 들어 분사량과 시간에 따른 연료 분사 진행 과정이 상기 센서 신호에 기초하여 제어될 수 있다.
마지막으로, 공기 흡입 장치도 상술한 제어 신호에 기초하여 조절 유닛을 통하여 제어할 수 있다.
결과적으로, 엔진 특성에 영향을 미칠 수 있는 모든 공지된, 또는 미래의 제어 변수는 본 발명에 따른 모니터링 장치에 의해서 최상으로 조절될 수 있다.
또한, 모니터링 장치를 이용함으로써, 엔진 부품의 기능, 예를 들어 연료 분사기의 기능을 조절할 수도 있다. 연료 분사기의 완전한 기능은 엔진 수명을 연장시킬 수 있음을 의미한다. 길거나 잘못된 시점에서 실시된 연료 분사는 엔진을 과열시킬 수 있으며, 이로 인하여 엔진 결함을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 모니터링 장치를 사용함으로써, 연료 분사기의 에러 동작이 발생한 정확한 시점을 알 수 있으므로 교체나 수리가 가능하다.
기본적으로, 모든 제어 과정은 본 발명에 따른 모니터링 유닛에 의해 가능한데, 이때 상기 유닛은 계산된 정보에 기초하여 동작한다. 예를 들어 검출된 연소실 내부 온도에 기초하여 엔진 압축을 모니터링할 수도 있다.
본 발명의 일실시예를 도면에 도시하며 이 도면들을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.
도 1에 따른 모니터링 장치(1)는 전도층(3, 4)들과 이 전도층들 사이에 배치된 절연층(5)으로 구성되는 스파크 플러그(2) 내에 배치된다. 여기서, 전도층(3)에는 웨이브 가이드(6)가 삽입된다. 이 웨이브 가이드는 스파크 플러그(7)의 영역과 통한다.
스파크 플러그(2)의 후방 영역에는 스파크 플러그 하우징(8)이 제공되며, 이 스파크 플러그 하우징은 절연층(9)에 의해서 전도층(4)에 대하여 절연된다.
상기 전도층(3, 4)들은 두 개의 접촉면(10, 11)을 통하여 접촉하는데, 이때 전도층(3, 4)들은 접촉면(11)을 거쳐서 엔진의 몸체와 결합한다.
도 3에 따른 구조는 실질적으로 상술한 실시예와 일치하며, 여기서 웨이브 가이드(6)는 절연층(5)의 내부에 삽입된다.
이에 비하여, 도 4에 따른 실시예에서는 웨이브 가이드(12)가 층 구조물(13)의 원주상에 설치된다. 이 층 구조물(13)을 도 5에서 확대하여 도시한다. 상기 층 구조물은 3개의 유리층(14, 15, 16)으로 구성된다. 각 유리들은 외부 유리층(15, 16)들 사이의 경계면에서 내부 유리층(14)에 대하여 전체적으로 반사될수 있도록 선택된다. 이러한 구성으로 인하여, 유리층(14)의 내부에서 빛은 도 4에 따른 도면의 왼쪽으로, 즉 스파크 플러그의 후방 단부쪽(화살표 방향)으로 유도된다. 본 실시예에서 상기 웨이브 가이드(12)는 외관으로서 거의 스파크 플러그(2) 주위에 배치된다.

Claims (17)

  1. 내연기관의 연소 과정을 모니터링하기 위한 장치로서, 연소실 내로 돌출되는 구성 부품이 제공된 모니터링 장치에 있어서,
    상기 연소실 내로 돌출된 구성 부품(2)은 전자기 빔을 위한 웨이브 가이드(6, 12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6, 12)는 가시광선 영역이나 적외선 영역에서 전도되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에는 도달된 빔의 강도를 검출하기 위한 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에는 도달된 빔의 주파수를 분석하기 위한 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실 내로 돌출되는 구성 부품은 스파크 플러그(2)나 점화 플러그인 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6, 12)의 재료는 인접한 재료의 열팽창 계수에 따라 조절된 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실 내로 돌출된 구성 부품(2)은 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6, 12)는 연소실 내로 돌출된 구성 부품(2)의 재료에 삽입되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(6)는 스파크 플러그(2)의 전도층(3, 4) 및 절연층(5)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이브 가이드(12)는 층 구조물(13)을 통하여 상이한 반사율을 갖는 가시광선 및 자외선 파장 영역의 투명층(14, 15, 16)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모니터링 장치에는 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에 수용된 센서 신호에 기초하여 점화 시점을 조절하기 위한 조절 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모니터링 장치에는 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에 수용된 센서 신호에 기초하여 연료량 및 시간에 따른 연료 분사 과정을 조절하기 위한 조절 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모니터링 장치에는 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에 수용된 센서 신호에 기초하여 공기 흡입 장치를 조절하기 위한 조절 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모니터링 장치에는 웨이브 가이드(6, 12)의 출구에 수용된 센서 신호에 기초하여 엔진 부품을 모니터링하기 위한 모니터링 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모니터링 장치에는 연료 분사기의 동작을 모니터링하기 위한 모니터링 유닛이 제공되는 것을 특징으로하는 모니터링 장치.
  16. 내연기관용 스파크 플러그에 있어서,
    제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 모니터링 장치(1)가 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  17. 내연기관용 점화 플러그에 있어서,
    제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 모니터링 장치(1)가 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화 플러그.
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