KR20020015737A - 피스톤링의 회전운동 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 피스톤링의 회전운동을 정확히 파악하여 엔진오일의 소모의 저감을 도모할 수 있으며, 피스톤 온도의 최적화를 위한 설계가 가능하여 엔진 성능 및 피스톤 내구성 향상에 기여할 수 있는 새로운 방식의 피스톤링 회전운동 측정장치를 제공하는 데 있다.

이를 위해 본 발명은 피스톤의 탑링이 장착된 위치에 대향되는 실린더 라이너에 장착되며, 상대 물체의 위치에 따라 출력 전압이 변하는 에디 커런트(eddy current) 형식의 갭센서와;

상기 갭센서에 대향되는 탑링의 외주면에 표면으로부터 함몰된 형태로 일정 깊이와 길이를 가지도록 가공되어 형성되는 슬롯과;

상기 탑링의 표면으로부터 함몰된 슬롯과의 거리에 따라 상기 갭센서가 변화된 전압을 출력할 때 이 출력 전압을 증폭하는 신호 증폭기와;

상기 신호 증폭기에 의해 증폭된 신호를 분석하여 피스톤링의 회전주기를 분석하는 f-v컨버터와;

상기한 데이터 처리와 저장 및 디스플레이를 위한 컴퓨터;를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤링의 회전운동 측정장치{Measurement apparatus for piston ring}

본 발명은 갭센서(gap sensor)를 이용한 피스톤링 회전운동 측정장치에 관한 것이다.

피스톤은 실린더내를 왕복 운동하면서 팽창 행정에서 고온ㆍ고압의 가스 압력을 받아 이것을 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크 축에 회전력을 주는 기구로서, 피스톤은 그 헤드부가 연소실의 일부를 형성하기 때문에 실린더와 같이 2000℃ 이상의 연소가스에 노출되어 고온의 영향을 받지만, 실린더와 달리 냉각수나 외기로 직접 냉각할 수 없다.

이 때문에 피스톤은 실린더에 비해 팽창 비율이 훨씬 크며, 피스톤의 설계 치수는 온도의 상위에 의한 팽창을 고려하여 헤드부의 직경이 스컷부의 직경보다 약간 작게 설계하고 있다.

그러나 이 실린더와 피스톤 사이의 틈새가 크면 이를 통해 압축과 팽창시 고압의 가스가 외부로 누출되므로 연소실의 기밀을 유지하여 팽창가스가 연소실로부터 크랭크 케이스로 누설되는 것을 방지함과 동시에 피스톤이 받은 열을 실린더 벽을 통해 방열하기 위하여 피스톤링을 피스톤 헤드부에 형성한 피스톤링 홈에 끼워 장착하고 있다.

그런데 이 피스톤링은 링의 일부를 절단하여 이것에 의해 장력이 생기게 한채로 합구(end gap, 피스톤링의 양측 대향 단부 사이의 간격)를 두어 피스톤에 끼워 넣게 되는데, 합구의 틈새가 너무 크면 가스 누설을 일으키고 너무 작으면 열팽창하였을 때 합구가 맞닿아 파손되거나 실린더를 손상시키는 원인이 되고 있다.

한편 이와 같이 합구를 가진 피스톤링을 피스톤에 장착하여 사용시 피스톤의 왕복 운동에 따라 피스톤링의 회전운동(피스톤의 외주를 따라 도는 현상)이 일어나게 되며, 피스톤링의 회전 운동에 따른 합구 위치의 변경은 엔진의 오일 소모와 피스톤의 온도 특성과 관련이 있어 피스톤링의 회전을 측정하기 위한 여러가지 방안들이 시행되고 있다.

최근 피스톤링의 회전운동을 측정하는 방법으로는 방사성 추적자를 이용하는 방법과 라이너에 온도센서를 부착하여 온도 변화를 측정하는 방법이 많이 사용되고 있다.

그러나 방사성 추적자를 이용하는 방법은 측정오차가 비교적 작은 장점은 있으나, 시험장치를 구현이 어렵다는 점이 지적되고 있다. 즉, 방사성 추적자를 이용하는 방법은 방사성 동위 원소를 제작하여야 하고, 또 동위 원소를 검출할 수 있는 특수 장비가 필요하며, 따라서 방사성 물질을 다루는 관계상 전문인력과 특별한 관리가 필요하고 캘리브레이션이 어려운 관계로 이를 실제 엔진 시험에 응용하는 것이 제한된다는 문제점이 있다.

또 다른 방법인 온도센서를 이용하는 방법은 피스톤링의 회전에 따라 피스톤 합구부가 접촉하는 실린더 라이너의 온도 편차가 크게 발생하는 디젤엔진에서는 유용한 측정방법이나 피스톤링의 합구부 위치에 따른 온도 편차가 2°미만에 불과한 가솔린 엔진에서는 측정 오차를 고려할 때 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 지적되고 있다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 피스톤링의 회전운동을 정확히 파악하여 엔진오일의 소모의 저감을 도모할 수 있으며, 피스톤 온도의 최적화를 위한 설계가 가능하여 엔진 성능 및 피스톤 내구성 향상에 기여할 수 있는 새로운 방식의 피스톤링 회전운동 측정장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피스톤의 탑링이 장착된 위치에 대향되는 실린더 라이너에 장착되며, 상대 물체의 위치에 따라 출력 전압이 변하는 에디 커런트(eddy current) 형식의 갭센서와;

상기 갭센서에 대향되는 탑링의 외주면에 표면으로부터 함몰된 형태로 일정 깊이와 길이를 가지도록 가공되어 형성되는 슬롯과;

상기 탑링의 표면으로 함몰된 슬롯과의 거리에 따라 상기 갭센서가 변화된 전압을 출력할 때 이 출력 전압을 증폭하는 신호 증폭기와;

상기 신호 증폭기에 의해 증폭된 신호를 분석하여 피스톤링의 회전주기를 분석하는 f-v컨버터와;

상기한 데이터 처리와 저장 및 디스플레이를 위한 컴퓨터;를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 갭센서의 장착 상태를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 피스톤링의 회전운동 측정 장치의 시스템 구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 피스톤링의 요부 확대도이다.

도 4는 도 3과 같은 형상의 피스톤링이 반시계 방향으로 회전 할때 갭센서로부터 출력되는 전압 특성을 나타내는 그래프이다.

도 5는 도 3과 같은 피스톤링이 시계 방향으로 회전할때 갭센서로부터 출력되는 전압 특성을 나타내는 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 피스톤 4,5,6, : 피스톤링

7 : 실린더 라이너 8 : 갭센서

9,10 : 슬롯(요홈) 11 : 신호증폭기

12 : f-v컨버터 13 : A/D컨버터

14 : 컴퓨터 15 : 평탄표면

이하 본 발명의 구성과 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 갭센서의 장착 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 피스톤링 회전운동 측정장치의 시스템 구성도이다.

피스톤(1)의 헤드부에는 복수개의 링홈(2)(3)(16)이 형성되며, 각 링홈(2)(3)(16)에는 압축링과 오일링으로 구성된 피스톤링(4)(5)(6)이 장착되어 있다.

피스톤링(4)(5)(6)중 어느 하나, 바람직한 위치로는 최상부의 탑링(4)에 대향되는 실린더 라이너(7)의 부위(TRR지점)에 갭센서(8, Gap Sensor)가 장착된다.

상기 갭센서(8)는 상대물체의 위치에 따라 출력 전압이 변화하게 되는 에디커런트(eddy current)방식으로서 상대 물체의 위치 변화를 감지하기 위하여 이와 대향되는 탑링(4)에는 도 3에 도시하는 것과 같이 그의 외주면으로 일정한 깊이(t₁,t₂)와 길이(를 가지는 슬롯(9,10)이 가공된다.

이 슬롯(9,10)은 가능하면 2개이상 예를 들면 50㎛ 깊이와 3㎜의 폭을 가지는 표면으로부터 함몰된 형태의 요홈(9)과, 그 요홈(9)에 인접하여 50㎛ 깊이와 3㎜ 길이를 가지는 요홈(10)이 인접하도록 성형되어 있다.

그리고 상기 갭센서(8)는 실린더 라이너(7)에 복수개, 예를 들면 120°간격으로 3개소에 설치하며, 그의 측정 온도는 500㎛ 범위의 깊이(갭센서로부터 떨어진 거리)를 감지할 수 있는 것이면 적합하다.

갭센서(8)의 설치 각도는 측정 오차를 최소한으로 할 수 있는 각도로 설치하며, 탑링(4)의 위치는 크랭크 각 신호를 측정하여 결정한다.

이 갭센서(8)는 상대 물체와의 거리가 멀어지면 기전력이 증가하여 출력 전압이 증가하게 되며, 이 출력 전압의 변화로서 탑링(4)의 위치를 측정하게 되는데,탑링(4)이 회전하면서 슬롯(9,10) 부위가 갭센서(8)가 장착된 위치를 지나가게 되면 그 슬롯(9,10)홈의 깊이가 증가되면서 기전력이 증가되어 출력 전압이 변화하게 되며, 이 갭센서(8)로부터의 출력전압은 신호증폭기(11)에 인가되어 분석 가능한 정도로 신호가 증폭된 후 f-v컨버터(12)로 보내져 탑링(4)의 회전주기를 분석하게 된다.

이 f-v컨버터(12)는 A/D컨버터(13) 및 컴퓨터(14)와 연결되어 컴퓨터(14)에 측정데이터가 처리 및 보관되고 모니터를 통하여 그 결과를 나타내게 된다.

이에따라 피스톤링, 즉 탑링(4)이 반시계 방향으로 회전한다면 갭센서(9,10)에서 출력되는 신호는 도 4와 같은 특성을 나타나게 된다.

즉, 슬롯(9,10)이 가공된 부위를 제외한 탑링(4)의 평탄표면(15)이 갭센서(8)와 대향하고 있는 상태에서는 기준전압(1V)을 출력하도록 되어 있는 반면, 슬롯(9,10)이 갭센서(8)의 앞을 통과하면 슬롯(9,10)의 깊이에 따라 갭센서(8)로부터의 거리가 멀어지게 되므로 출력 전압이 증가하여 나타나게 된다.

도 4는 출력 전압이 2단계로 증가되는 것을 보여주고 있는데, 이는 도시한 실시예에서 슬롯(9,10)의 요홈을 서로 다른 깊이를 가지는 2개의 요홈(9,10)으로 구성하였기 때문에 먼저 지나게 되는 요홈(9, 30㎛ 깊이)이 연이어 지나게 되는 요홈(10, 50㎛ 깊이)보다 갭센서(8)로부터의 깊이가 작으므로 예를 들어 요홈(9)이 갭센서(8)를 지나갈 때 1.5V를 출력하였다면 이보다 더 깊은 깊이의 요홈(10)이 갭센서(8)를 통과하여 지나게 될 때는 2V를 출력하게 되며, 이들 슬롯(9)(10)이 모두 갭센서(8) 전방을 통과하고 평탄표면(15)이 지나가게 되면, 출력 전압은기준전압(1V)으로 낮아지게 되므로써 도시한 것과 같은 전압 출력 패턴을 나타나게 되며, 그 전압의 고저 상태의 변화를 보고 회전주기를 판단하게 되는 것이다.

그런데 만일 피스톤링, 즉 탑링(4)이 시계방향으로 회전하게 되면 깊은 요홈(10)이 먼저 갭센서(8)를 통과하여 지나게 되므로 전압 출력 패턴은 도 5와 같이 나타나게 되는 것이며, 출력 전압의 패턴이 도 5와 같이 서로 다르게 나타나게 되면 피스톤링(4)의 회전방향이 반대가 되는 것을 의미하게 되므로 그 나타난 전압 특성을 보고 피스톤링(4)의 회전 방향도 알 수 있게 되는 것이다.

따라서 이와같은 신호의 변화를 실시간으로 측정하면 피스톤링의 회전운동 특성인 회전주기와 회전방향을 파악할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 있어서 갭센서(8)를 복수개, 예를들어 120°간격으로 3군데에 설치하면 고저의 출력전압 변화가 3번 일어나면 1회전으로 파악하고, 또 각각의 주기를 보아서 피스톤링의 회전 특성이 운전시간 별로 어떻게 다른가를 파악할 수 있으며, 특히 피스톤링(4)이 회전을 멈추고 있다면 그때의 피스톤링(4)의 멈춤위치를 추정할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 상대 물체와의 거리에 따라 출력 전압이 변화하는 갭센서를 실린더 라이너의 TRR 위치에 매설하고, 그 갭센서에 대향되는 위치의 피스톤에 장착되는 탑링의 어느 위치에 1개 이상의 요홈(2개일때는 서로 요홈의 깊이가 다름)을 형성하는 것에 의해서, 그 요홈이 갭센서를 통과하여 지나가게 되면 높은 전압을 출력하고 그 출력전압의 변화 특성을 분석하여 컴퓨터로 나타내므로써 피스톤링의 회전특성, 즉 회전주기와 회전방향을 정확히 파악할 수 있어 피스톤의 온도나 오일소모량의 측정이 가능하므로 엔진 설계의 효율성을 크게 높일 수 있다.

Claims (2)

1. 피스톤의 탑링이 장착된 위치에 대향되는 실린더 라이너에 장착되며, 상대 물체의 위치에 따라 출력 전압이 변하는 에디 커런트(eddy current) 형식의 갭센서와;

   상기 갭센서에 대향되는 탑링의 외주면에 표면으로부터 함몰된 형태로 일정 깊이와 길이를 가지도록 가공되어 형성되는 슬롯과;

   상기 탑링의 표면으로부터 함몰된 슬롯과의 거리에 따라 상기 갭센서가 변화된 전압을 출력할 때 이 출력 전압을 증폭하는 신호 증폭기와;

   상기 신호 증폭기에 의해 증폭된 신호를 분석하여 피스톤링의 회전주기를 분석하는 f-v컨버터와;

   상기한 데이터 처리와 저장 및 디스플레이를 위한 컴퓨터;를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤링의 회전운동 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬롯은 서로 깊이가 상이한 복수개의 요홈이 연속적으로 아웃해서 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤링의 회전운동 측정장치.