KR20050036781A - 실린더 압력 모니터링 장치 - Google Patents

실린더 압력 모니터링 장치 Download PDF

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KR20050036781A
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스빔베르스키칼
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베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명에 따른 디젤 엔진의 실린더(1) 내의 실린더 압력을 모니터링하는 장치는, 실린더 압력에 따른 치수(ΔD)의 변화를 검출하기 위하여 적어도 하나의 측정 픽업(12, 12')을 포함하고, 상기 측정 픽업은 변위 트랜스듀서 및/또는 거리 센서로서 설계되어 있다.

Description

실린더 압력 모니터링 장치 {AN APPARATUS FOR MONITORING THE CYLINDER PRESSURE}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 디젤 엔진의 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하는 장치, 상기 종류의 장치를 구비한 디젤 엔진, 및 특허청구범위 제8항의 전제부에 따른 디젤 엔진의 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
연소 엔진, 특히 대형 디젤 엔진, 주로 대형 2-행정 디젤 엔진에서, 실린더 압력을 모니터링하는 것이 당해 분야의 기술로 일려져 있다. 따라서, 예를 들면, 선박용 디젤 엔진에서, 피크 연소 압력을 모니터링하는 것이 필요하다. 지나치게 높은 실린더 압력으로 인한 손상을 방지하기 위하여, 종래의 대형 디젤 엔진의 실린더에는 일반적으로 응답 후에 변경되는 안전 밸브가 제공된다. 이러한 종류의 모니터링은, 안전 밸브의 응답이 장시간이 경과되어야 인지되는 경우가 종종 있어 이는 전체 실린더 커버를 교환해야 될 수 있기 때문에, 복잡하고 계속적인 모니터링에는 적합하지 않을 수 있다. 실린더 압력이 장기간에 걸쳐 지나치게 높은 경우, 피스톤 링 및 베어링이 추가로 손상될 수 있다.
실린더 압력을 계속적으로 모니터링하기 위하여, 지난 수년 동안 실린더 커버 스터드에 일반적으로 적용되는 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용해 오고 있다. 이러한 스트레인 게이지를 사용하여 실린더 압력에 따른 실린더 커버 내의 기계적 변형을 검출한다. 그러나, 측정 신호의 전자 조절에 비교적 고비용이 든다는 점이 스트레인 게이지를 사용하여 실린더 압력을 모니터링하는데 장애가 된다.
본 발명의 목적은 디젤 엔진의 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하는 장치 및 방법, 및 실린더 압력을 계속해서 모니터링할 수 있고 장기간 사용하기에 적합하며 경제적으로 사용될 수 있는 이러한 종류의 장치를 구비한 디젤 엔진을 제공하는 것이다. 특히, 이러한 종류의 장치에 대한 제조, 조립 및 작동 비용이 종래 기술에 따른 해결 방법과 비교해 볼 때 상당히 유리하다.
상기 목적은 본 발명에 있어서 특허청구범위 제1항에 정의된 장치, 특허청구범위 제7항에 정의된 디젤 엔진 및 특허청구범위 제8항에 정의된 방법에 의하여 달성된다.
디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하는 본 발명에 따른 장치는, 실린더 압력에 따른 치수 변화를 검출하기 위하여 적어도 하나의 측정 픽업을 포함하고, 상기 측정 픽업은 변위 트랜스듀서 및/또는 거리 센서로서 설계되어 있다.
검출될 치수 변화는 디젤 엔진의 실린더 블록, 및/또는 실린더의 하나 또 두 개의 부품, 및/또는 실린더 블록 및/또는 실린더 부품 중 하나에 연결된 하나 또는 두 개의 부품에 제공된 2개의 측정점 사이의 거리 변화를 포함하는 것이 바람직하다. 2개의 측정점 사이의 거리는 실린더에 제공된 실린더 커버와 실린더 블록 사이의 거리의 1/2 이상, 특히 상기 거리의 1/4 이상이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 장치는 측정 픽업에 의하여 검출될 측정 거리를 감소시키기 위하여 측정점 사이에 배치되는 기다란 측정부를 포함하고, 특히 상기 기다란 측정부의 일단은 하나의 측정점과 접촉되며 측정부의 타단은 길이방향으로 이동가능하고 측정 픽업과 협동한다.
치수 변화는 0.01 내지 2mm 범위, 특히 0.05 내지 1mm 또는 0.1 내지 0.5mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
검출될 치수 변화는 디젤 엔진의 실린더 블록과 실린더 상에 제공된 실린더 커버 사이의 거리 변화 및 실린더 블록과 실린더 커버 사이의 전술한 거리와 관련하여 발생되는 치수 변화, 특히 실린더 블록과 실린더 커버 사이의 전술한 거리에 비례하는 치수 변화를 포함하는 것이 바람직하다.
장치는 실린더 블록 및/또는 하나 이상의 실린더 부품, 특히 실린더 인서트, 냉각 재킷, 실린더 커버, 또는 실린더 커버 스터드, 및/또는 실린더 블록 및/또는 하나 이상의 실린더 부품 상에 제공된 부품 상에 장착되는 것이 바람직하며, 상기 장치는 특히 실린더 블록 외측 및/또는 하나 이상의 실린더 부품 외측에 장착된다.
본 발명은 또한 전술한 설명에 따른 적어도 하나의 장치를 구비한 디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진을 포함하는 것으로서, 모든 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하기 위하여 모든 실린더에 이러한 종류의 장치가 각각 제공된 디젤 엔진이 바람직하다.
본 발명은 디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더 내의 실린더 압력을 모니터링하는 방법을 더 포함하는 것으로서, 상기 방법에서는 실린더 압력에 따른 치수 변화가 검출되고 이 치수 변화는 변위 트랜스듀서 및/또는 거리 센서를 사용하여 검출된다. 전술한 설명에 따른 장치가 실린더 압력을 모니터링하는데 사용되거나, 또는 디젤 엔진이 전술한 설명에 따라 사용되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예의 방법에서, 검출된 치수 변화를 평가하여 실린더 압력치 및/또는 허용 피크 압력 초과치 및/또는 점화 실패 즉 지나치게 낮은 압력치를 판정한다. 허용 피크 압력을 초과하거나, 또는 점화 실패 즉 지나치게 낮은 압력치가 검출되면 경고 시스템으로 전달된다.
본 발명에 따른 장치, 디젤 엔진 및 방법은 이러한 종류의 장치의 제조, 조립 및 작동이 간단한 변위 트랜스듀서 및/또는 거리 센서가 사용되기 때문에 종래 기술에서의 해결 방법과 비교할 때 상당히 평가될 만한 장점을 갖는다. 이러한 종류의 변위 트랜스듀서 및 거리 센서는 대량으로 경제적으로 제조될 수 있고 재고품으로도 이용가능하다. 상기 변위 트랜스듀서 및 거리 센서의 출력 신호는 표준화가 되어 있으며, 특히 이들 장치가 하나 이상의 아날로그 입력을 가진 경우, 평가 및 처리를 위해 신호가 제어부 및/또는 처리부에 직접 공급될 수 있다. 스트레인 게이지에서 필요한 고가의 측정 신호 조절은 필요하지 않다.
본 발명에 따른 장치는 장기간 사용에 적합하며 실린더 압력을 계속해서 모니터링할 수 있다. 지나치게 높은 실린더 압력은 장치에 의하여 검출되어, 예를 들면, 부하를 자동적으로 감소시키기 위하여, 선박의 경고 시스템으로 전달된다. 따라서 장치는, 예를 들면, 선박의 디젤 엔진에 대한 등급 요구 조건을 충족시키기 위하여, 종래의 대형 디젤 엔진에 일반적으로 사용되는 안전 밸브용 교환 부품으로서 사용될 수 있다. 또한, 장치는 연소 및/또는 점화 실패의 피크 압력을 모니터링하기 위하여 전자 분사 및 전자 밸브 컨트롤을 구비한 디젤 엔진에 사용될 수 있다. 허용 피크 압력을 초과할 때 이에 따라 연료량이 감소될 수 있다. 분사된 비연소 연료가 배기 매니폴드 내에서 점화되어 배기 매니폴드가 발화되는 경우 디젤 엔진에 연결된 터보 차저가 타버리는 것을 방지하기 위하여 점화 실패를 모니터링하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 장치의 특별한 장점은, 상기 장치가 디젤 엔진 상에 간단하게 장착될 수 있고 또한 디젤 엔진 상에 기계적인 작업없이 추후에 장치를 개조할 수 있다는 점이다. 또한, 장치는 작동하는 동안 열, 매연 또는 연소 가스와 접촉되지 않는다는 것이 장점이다. 장치는, 작동하는 동안, 연소에 바람직한 것으로 증명된 약 60℃의 안정적인 주위 온도에 노출된다. 다른 장점은 엔진이 정지 상태에 있을 때 장치의 기능을 간단하게 제어할 수 있다는 점이다. 이를 위하여, 대응하는 피크 압력은 두께가 일반적으로 0.2 또는 0.3mm인 필러 게이지(feeler gauge)에 의하여 실린더 내에서 시뮬레이트된다.
이하, 본 발명을 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 대형 디젤 엔진의 실린더(1)와 실린더 블록(2) 및 본 발명에 따른 실린더(1) 상에 장착된 장치(10)의 실시예의 단면도이다. 도 1에 도시된 실린더(1)는 실린더 라이너(3), 냉각 재킷(4), 실린더 커버(5) 및 이들 실린더 부품을 실린더 블록(2)에 부착시키는 복수의 실린더 커버 스터드(6.1, 6.2)를 포함한다. 실린더 라이너(3)는 실린더 블록(2)의 대응하는 개구부에 위치한다. 실린더 커버 스터드(6.1, 6.2) 및 나머지 상기 실린더 부품은, 냉각 재킷(4)이 실린더 블록(2) 상에 압착되고, 실린더 라이너(3)는 냉각 재킷 상에 압착되며, 실린더 커버(5)는 실린더 인서트 상에 압착되도록 기계적으로 사전 압축되어 형성된다. 사전 압축은 이들 부품이 엔진이 작동하는 동안 확실하게 서로 맞대어 압착되고 누출이 발생하지 않도록 선택된다. 실린더의 길이방향 연소 압력에 의하여 발생된 힘은 실린더 커버 스터드(6.1, 6.2)의 사전 압축에 대항하여 작용한다. 따라서, 실린더 블록(2)과 실린더 커버(5) 사이의 거리는 엔진이 작동하는 동안 엔진에서 발생되는 연소 압력에 따라 변한다. 실린더 블록과 실린더 커버 사이의 상기 거리 변화는 대형 디젤 엔진에서는 0.2 내지 0.4mm의 범위 내에 있다.
본 발명에 따른 장치의 도 1에 예시된 실시예에 있어서, 장치(10)는 실린더 커버 스터드(6.2)에 부착된다. 장치(10)는 2개의 측정점(10.1, 10.2)을 포함하고, 이 중 하나의 측정점은 실린더 커버 스터드(6.2)의 하단부에 제공되고 다른 하나의 측정점은 상단부에 제공되는 것이 바람직하다. 측정점 사이의 거리는 이들 측정점 사이의 거리 변화(ΔD)가 0.01 내지 2mm의 범위, 바람직하기로는 0.05 내지 1mm 또는 0.1 내지 0.5mm의 범위 내에 있도록 적당하게 선택된다. 하단 측정점(10.2)은 실린더 블록(2) 또는 실린더부, 예를 들면, 냉각 재킷(4) 상에 제공될 수 있고, 상단 측정점은 임의의 원하는 실린더부, 예를 들면, 냉각 재킷(4), 실린더 라이너(3) 또는 예를 들어 실린더 커버 스터드 대신 실린더 커버(5) 상에 제공될 수 있다는 것은 말할 나위가 없다. 실린더의 길이방향으로 측정점(10.1, 10.2) 사이의 거리는 실린더 블록(2)과 실린더 커버(5) 사이의 거리의 1/2 이상, 특히 상기 거리의 1/4 이상되는 것이 바람직하다.
장치는 클램핑 홀더(13, 15)를 사용하여 실린더 커버 스터드(6.2)에 고정되는 것이 바람직하다. 이로써 장치를 간단하게 고정시킬 수 있어서 오래된 엔진도 문제없이 개조하는 것이 용이하다. 다른 종류의 고정 방법, 예를 들면, 장치(10) 또는 장치의 부품을 실린더 블록(2) 및/또는 한 개 또는 두 개의 실린더 부품(3, 4. 5. 6, 6.1, 6.2) 상에 나사로 조이거나 또는 용접하고, 또는 장치(10)의 부품을 실린더 부품 내에 일체형 구조로 만드는 것도 또한 가능하다.
도 2a는 본 발명에 따른 도 1에 예시된 장치의 실시예의 확대도이다. 이 실시예에 있어서, 홀더(15)가 하단 측정점(10.2) 상에 제공되어 측정점(10.2)과 홀더에 고정된 측정 로드(14) 사이를 견고하게 연결시킨다. 측정 로드(14)는 실린더(1)의 길이방향으로 배치되어, 2개의 측정점(10.1, 10.2) 사이의 거리 중 일부, 바람직하기로는 거리의 대부분을 연결한다. 제2 홀더(11a)가 상단 측정점(10.1, 10.2)에 제공되어 측정점(10.1)과 홀더에 의하여 고정된 측정 앵글(11) 사이를 견고하게 연결시킨다. 이 실시예에 있어서, 측정 로드(14)의 상측 말단에 거리 센서(12)가 배치되어 거리(D) 또는, 엔진이 작동하는 동안, 거리 센서(12)와 측정 앵글(11) 사이의 거리 변화를 검출한다. 전술한 장치에 있어서, 거리 센서(12)와 측정 앵글(11) 사이의 거리 변화는 2개의 측정점(10.1, 10.2) 사이의 거리(ΔD) 변화와 동일하다. 장치(10)에는 측정 로드(14)가 길이방향으로 변위가능하도록 장착되는 가이드(13)가 제공되는 것이 바람직하다.
도 2b는 상이하게 배치된 측정 픽업을 구비한, 도 1에 예시된 실시예의 변형예의 도면이다. 상기 변형예에서 거리 센서(12)는 측정 앵글(11) 상에 배치되어, 거리(D), 또는 엔진이 작동하는 동안 거리 센서(12)와 측정 로드(14)의 자유 말단 사이의 거리 변화를 검출한다.
도 2c는 측정 픽업(12)이 변위 트랜스듀서 구조로 되어 있는, 도 1에 예시된 실시예의 다른 변형예의 도면이다. 상기 실시예에서 변위 트랜스듀서는 거리(D), 또는 엔진이 작동하는 동안 측정 픽업(12)과 측정 앵글(11) 사이의 거리 변화를 검출하기 위하여 측정 앵글(11)과 접촉되는 측정 핀(12a)을 포함한다.
전술한 실시예 및 전술한 장치(10)의 실시예는 단지 예시적인 것이다. 당업자는 전술한 실시예에 대한 설명으로부터, 예를 들면, 측정 픽업을 측정 로드의 하측 말단 또는 기다란 측정부에 배치하거나, 또는 2개의 기다란 측정부 사이의 중간에 배치함으로써 여러 가지로 변형시킬 수 있다는 점을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
비교적 고가인 거리 센서를 유도성 근접 센서와 같은 측정 픽업으로 사용하거나 또는 변위 트랜스듀서를 예를 들면 전자 길이 측정 기구에 사용할 수 있다. 측정 픽업은 표준 출력 신호, 예를 들면 0-10 볼트 또는 2-10 볼트의 전압 신호나 0-20 mA 또는 4-20 mA의 전류 신호를 갖는 것이 바람직하다. 측정 픽업(12) 및/또는 전체 장치(10)의 노후화 또는 온도 변화로 인한 임의의 0점 이동을, 예를 들면 출력 신호의 평가 시 고려할 수 있다. 실린더의 압력은 각각의 연소 사이클 후 실질적으로 제로로 떨어지기 때문에, 0점의 이동이 예를 들면 출력 신호의 진폭을 평가함으로써 고려될 수 있다.
바람직한 실시예에서 측정 픽업의 출력 신호는 전자 분사 및/또는 밸브 컨트롤 및/또는 경고 시스템, 예를 들면 선박의 경고 시스템에 공급된다. 출력 신호는 전자 컨트롤 또는 경고 시스템에서 평가되고, 이 평가는 예를 들면 피크 압력 모니터링 및/또는 점화 실패 모니터링를 포함한다. 허용된 피크 압력을 초과하는 경우, 예를 들면 경보음이 울리거나 또는 대응하는 실린더 내로의 연료 공급이 자동적으로 감소될 수 있다. 이러한 종류의 경고 시스템은 선박의 엔진 등급 요구 조건을 바람직한 방식으로 충족시킨다.
도 1은 대형 디젤 엔진의 실린더와 실린더 블록 및 본 발명에 따른 실린더 상에 장착된 장치의 실시예의 단면도이다.
도 2a는 도 1에 예시된 실시예의 확대도이다.
도 2b는 상이하게 배치된 측정 픽업을 구비한, 도 1에 예시된 실시예의 변형예의 도면이다.
도 2c는 측정 픽업이 변위 트랜스듀서 구조로 되어 있는, 도 1에 예시된 실시예의 다른 변형예의 도면이다.

Claims (10)

  1. 디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더(1) 내 실린더 압력을 모니터링하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 실린더 압력에 따른 치수 변화(ΔD)를 검출하기 위하여 적어도 하나의 측정 픽업(measurement pickup)(12, 12')을 포함하고,
    상기 측정 픽업(12, 12')은 변위 트랜스듀서(displacement transducer) 및/또는 거리 센서(distance sensor)로서 형성되는
    실린더 압력 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출될 치수 변화(ΔD)는 디젤 엔진의 실린더 블록(2), 및/또는 상기 실린더(1)의 하나 또는 두 개의 부품(3, 4, 5, 6, 6.1, 6.2), 및/또는 상기 실린더 블록(2) 및/또는 상기 실린더 부품(3, 4, 5, 6, 6.1, 6.2)의 하나에 연결되는 하나 또는 두 개의 부품에 제공되는 2개의 측정점(10.1, 10.2) 사이의 거리 변화를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2개의 측정점(10.1, 10.2) 사이의 거리는 상기 실린더(1)에 제공된 실린더 커버(5)와 상기 실린더 블록(2) 사이 거리의 1/2 이상, 특히 상기 거리의 1/4 이상인 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 픽업(12, 12')에 의하여 검출될 측정 거리를 감소시키기 위하여 상기 측정점(10.1, 10.2) 사이에 배치된 기다란 측정부(14)를 포함하고,
    상기 기다란 측정부(14)의 일단은 하나의 측정점과 접촉되고, 상기 측정부(14)의 타단은 길이방향으로 이동가능하며 상기 측정 픽업(12, 12')과 협동하는
    것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치수 변화(ΔD)는 0.01mm 내지 2mm의 범위, 특히 0.05mm 내지 1mm 또는 0.1mm 내지 0.5mm 범위 내인 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치(10)는 상기 실린더 블록(2), 및/또는 하나 이상의 실린더 부품(3, 4, 5, 6, 6.1, 6.2), 특히 실린더 라이너(3), 냉각 재킷(4), 실린더 커버(5) 또는 실린더 커버 스터드(6, 6.1, 6.2)의 외측, 및/또는 상기 실린더 블록(2) 및/또는 하나 이상의 실린더 부품(3, 4, 5, 6, 6.1, 6.2)에 제공된 부품에 부착되는 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 장치(10)를 구비한 디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진에 있어서,
    상기 실린더 모두의 실린더 압력을 모니터링 하기 위하여, 모든 실린더(1)가 각각 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구비하는
    디젤 엔진.
  8. 디젤 엔진, 특히 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더(1) 내의 실린더 압력을 모니터링 하는 방법에 있어서,
    상기 실린더 압력에 따른 치수 변화(ΔD)는, 상기 치수 변화(ΔD)가 변위 트랜스듀서(12') 및/또는 거리 센서(12)를 사용하여 검출되는 것을 특징으로 하는 방법에 의하여 검출되는
    실린더 압력 모니터링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 장치(10) 또는 상기 종류의 장치를 구비한 디젤 엔진이 사용되는 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 검출된 치수 변화(ΔD)는, 상기 실린더 압력치 및/또는 허용 피크 압력치 및/또는 점화 실패 즉 지나치게 낮은 압력치를 판정하기 위하여 평가되고, 상기 허용 피크 압력을 초과하거나 또는 점화 실패 즉 지나치게 낮은 압력치가 검출되는 경우 경고 시스템으로 전달되는 것을 특징으로 하는 실린더 압력 모니터링 방법.
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