KR20060017483A

KR20060017483A - 내연 기관의 연소실용 압력 센서

Info

Publication number: KR20060017483A
Application number: KR1020057012986A
Authority: KR
Inventors: 이브 도르뎃
Original assignee: 지멘스 파우데오 오토모티브
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JP2006513350A; FR2849911A1; CN1738993A; WO2004063631A1; FR2849911B1; US20060137655A1; CN1320311C; US7270099B2

Abstract

내연 기관(110)용 글로우 플러그는, 상기 기관에 고정되도록 이루어진 바디(27), 길이 방향(11)으로 연장된 코어(29)로서 상기 바디에 연결되고 상기 기관의 연소실(9) 내에서 연장되도록 이루어진 코어(29)를 포함한다. 또한, 상기 글로우 플러그는, 상기 코어(29)의 변위를 통해 상기 연소실(9) 내부 압력을 상기 압력 하에서 결정하도록 이루어진 측정 수단(200, 55, 65)을 포함한다. 상기 글로우 플러그에는 상기 글로우 플러그가 설치된 상기 기관의 실린더 헤드(5)에 대한 코어의 변위량을 측정하는 것을 가능하게 하는 수단(50, 60)이 설치된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 글로우 플러그가 제공된 차량이 개시된다.

Description

내연 기관의 연소실용 압력 센서{PRESSURE GAUGE FOR COMBUSTION CHAMBER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관의 제어에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이러한 기관의 연소실 내의 압력 측정에 관한 것이다.

내연 기관은, 상면한 작동 환경에 따라 연료의 주입을 제어하기 위해 시험에 의해 확립된 "표준" 설정을 갖는다. 이러한 설정은 불행히도 실제 기관의 노화 조건을 고려하지 않으며, 특히 연소실의 경우 그러하다(인젝터 파울링(injector fouling), 압축 손실, 인젝터 노즐 개구부 압력 저하 등).

명백하게, 기관에 노크 센서(knock sensor)들을 설치하는 것이 제안되어 왔다. 이러한 센서들은 가속도계 형식으로서 주입 파라미터들을 수정하여 기관을 손상시킬 위험을 수반한 충격파(shockwave)의 존재를 탐지하여 피할 수 있도록 한다. 그러나 이러한 센서들은 기관을 덜 오염시키고 및/또는 보다 효과적으로 하는 기관 개선 해결책을 불완전하게 제공한다.

여기에서, 기관의 작동을 최적화하도록 본 출원인이 연소실 내의 압력을 측정하는 연구해왔다.

이러한 압력을 측정하는 다양한 장치들이 이미 제안되어 왔다. 그러나 원가로 인해 또는 (센서의 삽입을 위한 엔진 블록 또는 실린더 헤드의 수정과 같은) 초 래될 비용으로 인해 값이 비싸며 또는 신뢰할만하지 않다.

본 발명의 목적은 제한된 비용으로 신뢰할만한 연소실의 내연 압력을 결정하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 내연 기관용 글로우 플러그(glow plug)를 제안하며, 상기 글로우 플러그는 상기 기관에 고정되도록 이루어진 바디, 길이 방향으로 연장된 코어로서 상기 바디에 연결되고 상기 기관의 연소실 내에서 연장되도록 이루어진 코어, 및 상기 연소실 내부 압력을 상기 압력의 효과 하에서 상기 코어의 변위를 통해 결정하도록 이루어진 측정 수단을 필수 구성으로 포함하고, 이러한 글로우 플러그에 상기 글로우 플러그가 설치된 상기 기관의 실린더 헤드에 대한 코어의 변위량을 측정하는 것을 가능하게 하는 수단이 설치된다.

연소실 내의 압력은 코어를 밖으로 구동시키는(밀어내는) 경향이 있다. 그 결과, 본 발명은, 엔진 블록을 뚫을 필요 없이 글로우 플러그 내에 센서를 채용함으로써 실린더 헤드에 대한 글로우 플러그의 코어의 상대적인 변위로부터 연소실 내의 압력을 추론하는 것을 가능하게 한다.

추가적인 형상에 따라서, 기관의 실린더 헤드에 대한 글로우 플러그의 코어의 변위를 탐지하는 것이 가능하도록 이루어진 수단이, 상기 실린더 헤드에 나사 고정 또는 용접 또는 상응하는 공지된 수단으로 체결된 요크(yoke)이다.

본 발명의 바람직한 형상에 따라서, 측정 수단은 코어와 통합된 일부분과 상기 요크 사이에 위치하며, 이는 글로우 플러그 내에 측정 시스템을 가능한 가장 잘 채택하기 위해서이다.

추가적인 형상에 따라서, 측정 수단은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 코어 둘레로 길이 방향으로 연장되는 튜브형 압전 소자를 포함하며, 상기 튜브형 압전 소자는 제 1 단부에서 코어에 연결되고 제 2 단부에서 요크를 거쳐서 실린더 헤드에 연결된다.

본 발명의 실시예에서와 같이, 압전 소자는, 변위를 (몇백 나노미터로) 작은 진폭 변위(amplitude displacement)에도 매우 정밀하게 이와 상응하는 전기적 신호로 변환되도록 한다. 이러한 해결책은, 압전 소자가 스트레인 게이지(strain gauge) 형식의 변형 센서보다 값싸고 온도에 덜 민감하게 작동하기에, 이러한 해결책이 바람직하다고 증명된다.

또한, 본 발명은 추진 장치(propulsion unit)를 설치한 차량에 대한 것으로, 상기 추진 장치는 글로우 플러그에 추가하여,

- 연소실을 갖는 내연 기관으로서, 상기 글로우 플러그가 상부에 장착된 내연 기관,

- 연료를 상기 내연 기관의 상기 연소실에 주입하기 위한 연료-주입 수단,

- 측정 수단에 의해 획득된 정보를 처리하기 위한 처리 수단으로서, 상기 처리 수단은 상기 측정 수단에 의해 획득된 정보를 기초로 하여 한 번의 연소 사이클 동안 상기 주입 수단을 제어하는 처리 수단을 포함한다.

이러한 해결책은 글로우 플러그와 관련하여 전술한 이점들을 갖는다.

바람직하게는, 상기 처리 수단이 실린더 헤드에 대한 코어의 진동과 관련된 정보를 제거하도록 고주파 필터를 포함한다.

실린더 헤드에 대한 코어의 변위는 특히 연소실 내의 압력, 연료의 주입, 및 연소에 의존한다. 예를 들어 약 200㎐ 이상인, 기관의 회전 속도보다 현저히 높은 주파수를 컷오프(cut off)하는 필터를 사용함으로써, 연소실 내의 압력 측정을 방해하는 이러한 효과를 감소시킬 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 이하의 개시로서 본 발명을 보다 분명히 나타낼 것이다.

- 도 1은, 내연 기관의 실린더 헤드에 장착된 선행 기술의 글로우 플러그를 일부 섹션으로 도시하며,

- 도 2 및 도 3은, 실린더 헤드 상의 글로우 플러그의 장착의 2개 변형된 실시예를 서로 다른 축척으로서 도시한다.

도 1은, 글로우 플러그(20), 연료-주입 수단(130), 전기 컴퓨터(4), 및 내연 기관의 엔진 블록(11)을 포함하는 추진 장치(1)를 도시하며, 특히 상기 내연 기관은 실린더 헤드(5) 및 연소실(9)을 포함한다.

여기에서, 글로우 플러그(20)는, 길이 방향(11)으로 연장되는 디젤 엔진용 글로우 플러그로 이루어지고 오리피스(orifice)(3) 내에서 수용되며, 상기 오리피스(3)는 이러한 목적으로 실린더 헤드(5) 내에서 생성된 것이다. 종래의 글로우 플러그에 따라서, 글로우 플러그(20)는 바디(27), 상기 바디 내에서 연장된 코어(29), 및 상기 바디(27)와 상기 코어(29) 사이에 배열된 절연된 밀봉 칼라(collar)(12)를 포함하며, 상기 절연된 밀봉 칼라(12)는 일반적으로 탄성 밀봉(elastomer seal)이다.

코어(29)는 연소실(9) 내로 연장되는 덮개(10)에 의해 보호되는 저항성 전기 소자(resistive electric element)(18) 및 로드(rod)(14)를 포함하며, 상기 로드(14)는 덮개(10)에 결속되고 저항성 소자(18)를 나삿니를 낸 전류 도입부(current lead-in)(40)에 연결하며, 상기 전류 도입부(40)로 동력 공급부가 저항성 소자(18)까지 연결된다.

또한, 글로우 플러그(20)에 압전 감지 소자(45)로 구성된 변위 센서(200)가 설치되며, 상기 압전 감지 소자(45)는 2개의 접촉 고리(70a 및 70b) 사이에 위치하고 2개의 절연 고리(90a 및 90b)에 의해 코어(29) 및 바디(27)로부터 전기적으로 절연된다.

감지 소자(45), 접촉 고리(70a, 70b), 및 절연 고리(90a, 90b)는 튜브형이며, 이는 전류 도입부(40) 및 로드(14)가 이들을 통과하고 국부적으로 둘러싸인다는 것을 의미한다.

센서(200)는, 길이 방향(11)의 제 1 단부(200a)에서 고정 너트(7)에 의해 코어(29)에 연결되며, 길이 방향(11)의 반대쪽 제 2 단부(200b)에서 바디(27)에 대해 놓여 있는 스페이서(spacer) 부분(6)에 의해 상기 바디(27)에 연결되며, 상기 절연 고리(90a, 90b)들은 이들 중 하나는 접촉 고리(70a) 및 너트(7) 사이에, 그리고 다른 하나는 접촉 고리(70b)와 스페이서 부분(6) 사이에 놓인다.

컴퓨터(4)는, 한편으로는 접촉 고리(70a, 70b)에 전기적으로 연결되어 그 사이에서 전압의 차이를 측정하고, 다른 한편으로는 주입 수단(130)에 전기적으로 연결되며 이는 연소실(9)에 주입되는 연료량 및 주입되는 순간을 제어하기 위함이다.

내연 동안, 연소실(9) 내의 압력은 증가하고 글로우 플러그(20)는 그 적용을 받는다. 이러한 압력은 글로우 플러그를 외측으로 "구동시키는" 경향이 있다. 코어(29) 및 특히 덮개(10)는, 바디(27)에 대한 위치가 유지됨에도 연소실 내의 압력에 따라 상기 바디(27)에 대해 몇 마이크론 정도로 약간 움직이며, 상기 바디(27)는 이러한 부분을 위해 실린더 헤드(5)에 체결된 것이다.

이러한 매우 작은 변위는, 글로우 플러그(20)의 보전을 위협하지 않으며 연소실(9) 내의 압력을 추론할 수 있게 한다. 상세하게는, 길이 방향(11)으로 바디(27)에 대한 코어(29)의 상대적인 위치의 변화는 압전 소자(45)에 가해지는 압력을 수정하며, 이는 접촉 고리(70a, 70b) 간의 전위차를 야기한다.

한 번의 연소 사이클 동안 접촉 고리(70a, 70b) 간의 전위차에 관한 정보는 컴퓨터(4)에 위해 처리되며, 상기 컴퓨터(4)는 이미 기억장치에 저장했던 작동 모델을 참조하여 실시간으로 연료 주입을 식별하고 과거의 기관 작동이 무엇이든 기관의 상태를 고려하는 것을 가능하게 한다.

컴퓨터(4)는 기생적인 정보를 제거하기 위한 신호 처리 수단을 포함한다. 특히, 컴퓨터는 고주파 필터를 포함하며, 이는 예를 들어, 약 200헤르츠 이상의 주파수와 바디에 대한 코어의 진동과 관련이 있는 접촉 고리(70a, 70b) 사이의 전압의 변화를 제거한다.

바람직한 실시예가 도 2에서 도시된다. 반복하여, 도 1의 글로우 플러그(20)를 가지며 그 부분에 걸쳐 나삿니가 생성된 외측 바디(27)는 (270)으로 지시되고 길이 및 고정 방향(11)으로 오리피스(3)의 태핑(tapping)(30) 내에서 직접적으 로 결속된다.

여기에서, 스페이서 부분(6)은 실린더 헤드(5)의 뒤쪽에서 돌출된 등자형(stirrup-shaped) 요크(50)로 대체되어, 가로 벽(51)을 거쳐서 압력/변위 센서(55)를 위해 실린더 헤드에 대한 고정된 위치인 베어링 표면으로서 도움을 준다. 요크(50)는, 한편으로는 선행 기술의 글로우 플러그(20)에 추가되어 실린더 헤드(5)에 체결되고 실린더 헤드와 글로우 플러그(20) 사이에서 기계적 연결을 하는 것을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 일단 장착이 된 후 가로 벽(51)을 거쳐서 변위 센서(55)에 압력을 가하는 것을 가능하게 한다.

중앙 코어(29)의 뒤쪽 단부(29a)는, 바디(27)를 넘어 연소실(9)의 반대쪽 축선(따라서 길이 방향(11)) 단부에서 센서(55)를 위한 베어링 표면(57)을 갖고, 따라서 상기 센서가 표면(51 및 57) 사이에 놓이며, 그 결과 요크(50)가 실린더 헤드(5)에 대해 고정되면서 연소실(9) 내의 압력의 변화가 코어(29)에 전달되고 따라서 표면(57)을 거쳐서 센서(55)에 전달된다.

이러한 실시예에서, 요크(50)는 도 1에서 도시된 너트(7) 없이 가능하다는 것을 주지해야 한다.

게다가, 이러한 실시예에서 센서(55)는 연소실(9) 내의 압력이 증가함에 따라 가압되나, 도 1의 실시예에서 연소실(9)의 압력의 증가는 연속된 측정을 완화시킬 수 있다.

글로우 플러그(20)의 바디(27)가 실린더 헤드(5)에 나사 고정됨에도, 실린더 헤드에 나사 고정된 바디(27) 사이에서 발생할 수 있는 어떠한 운동의 문제들도 극 복하도록, 요크(50)가 실린더 헤드와 중앙 코어(29) 사이의 직접적인 기계적 연결을 제공한다. 이러한 방법으로 이러한 문제를 제거함으로써, 센서(55)가 연소실(9) 내의 압력을 결정하는 것이 보다 가능하다.

게다가, 도 1과 반대로, 요크(50)는 글로우 플러그(20)가 실린더 헤드(5)에 대해 나타낼 수 있는 어떠한 진동도 측정으로부터 제거할 수 있으며, 이 경우에 이는 상대적인 움직임이 코어(29)와 바디(27) 사이보다 실린더 헤드와 글로우 플러그(20)의 코어(29) 사이에서 직접적으로 평가되기 때문이다.

요크(50)가 벨형 등자(bell-shaped stirrup)의 방법으로, 여기에서는 뒤집힌 U자형 단면으로 도시되었으나, 다른 형태도 예상된다.

마찬가지로, ((59)에서) 요크와 실린더 헤드(5) 사이의 나사 고정이 아닌 (만약 이러한 고정 수단이 센서(55)에 길이 방향(11)으로 가해지는 "기준"압을 수정할 수 한다면, 예를 들어 베요넷 시스템(bayonet system), 또는 용접으로도) 다른 연결이 예상 가능하다.

이론상으로, 요크(50)는 실린더 헤드(5)의 일체화된 부분으로서 용접되거나 또는 (예를 들어, 주조(casting)에 의해) 직접 제작될 수도 있다.

이 도면은 컴퓨터(4)를 도시하며, 이는 접촉 고리(21a 및 21b)의 말단의 전위차에 기초하여 연료-주입 수단(130)이 제어되도록 한다. 도 1에서와 같이, 접촉 고리(21a 및 21b)는 절연 고리(23a 및 23b)에 의해 설치된 나머지 부분으로부터 절연된다.

도 3에서, 글로우 플러그(20)의 바디(27)는 실린더 헤드(5)의 나삿니를 낸 오리피스(3) 내에 다시 한번 나사 고정되고, 중앙 코어(29)의 뒷쪽 부분(29a)은 가로 베어링 바(bearing bar)(57)에 연결된다.

그러나 이 경우, 가로 바(57)는 요크(60) 위쪽에 위치하고, 상기 요크(60)는 (예를 들면, (61)에서 용접됨으로써) 실린더 헤드에 대해 고정된다.

요크의 가로 벽(63)은 압력 센서(65)를 위해 고정된 베어링 표면(63a)을 나타내도록 길이 방향(11)의 직각으로 연장되어, 상기 압력 센서(65)가 요크와 베어링 바(57) 사이에 놓이며, 상기 베어링 바(57)는 너트(67)의 압력을 받아서 상기 너트(67)가 센서에 적정한 기준압을 가하도록 방향(11)으로 코어(29)를 끼운다.

물론, 본 발명은 한정되지 않은 예시로서 개시되었던 실시예에 어떠한 방법에서도 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 제어된 점화 기관, 특히 가솔린 엔진과 같은 다른 형식의 내연 기관에 적용되는 것을 예상할 수 있다. 또한, 제어된 점화 기관 플러그는 실린더 헤드에 고정되도록 이루어진 바디 및 상기 바디 내에서(스파크가 생성되는 부분들 사이에서) 연장된 코어를 포함하여, 본 발명에 따른 측정 수단이 그 상대적인 변위를 측정하도록 상기 바디와 상기 코어 사이에 위치할 수 있다.

(도시되지 않은) 변화된 실시예로서, 플러그(20)의 구성이 플러그의 바디(27) 상의 센서(200)의 직접적인 장착에 알맞다면, 스페이서 부분(6)은 생략될 수 있다.

도면 부호

1 추진장치

3 실린더 헤드 내의 (이를 통해 글로우 플러그가 통과하는) 오리피스

4 전기 컴퓨터

5 실린더 헤드

6 스페이서 부분

7 고정 너트

9 연소실

10 플러그 덮개

11 길이 방향

12 밀봉 칼라

14 (10)에 체결된 로드

18 저항성 전기 소자

20 글로우 플러그

21a 접촉 고리

21b 접촉 고리

23a 절연 고리

23b 절연 고리

27 글로우 플러그의 바디

29 글로우 플러그의 코어

29a 코어의 뒤쪽 단부

30 (3)의 태핑

40 전류 도입부

45 압전 감지 소자

50 요크

51 요크(50)의 가로 벽

55 변위 센서/트랜스듀서(transducer)

57 (요크에 체결된) 센서의 베어링 표면

59 요크를 실린더 헤드에 부착하는 구역

60 요크

61 요크를 실린더 헤드에 용접하는 구역

63 요크(60)의 가로 벽

63a 요크(60)의 가로 베어링 표면

65 변위 센서/트랜스듀서

67 너트

70a 접촉 고리

70b 접촉 고리

90a 절연 고리

90b 절연 고리

110 엔진 블록

130 연료-주입 수단

200 변위 센서/트랜스듀서

200a 센서의 단부

200b 센서의 단부

270 (27)의 나삿니를 낸 부분

Claims

내연 기관(110)용 글로우 플러그(20)에 있어서,

- 상기 기관에 고정되도록 이루어진 바디(27),

- 상기 바디에 연결되고 상기 기관의 연소실(9) 내에서 연장되도록 이루어진, 길이 방향(11)으로 연장된 코어(29), 및

- 상기 연소실(9) 내부 압력을 압력 하에서의 상기 코어(29)의 변위를 통해 결정하도록 이루어진 측정 수단(200, 55, 65)을 필수 구성으로 포함하며,

상기 글로우 플러그가 설치된 상기 기관의 실린더 헤드(5)에 대한 상기 코어의 변위를 측정하는 것을 가능하게 하는 수단(50, 60)이 상기 글로우 플러그에 설치된 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그(20).
제 1 항에 있어서,

상기 실린더 헤드에 대한 코어의 변위를 측정하는 것을 가능하게 하는 상기 수단(50, 60)은 요크(yoke)들이며, 상기 요크들은 상기 요크들의 단부들 중 하나에서 상기 실린더 헤드(5)에 체결되는 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그.
제 2 항에 있어서,

상기 요크(50, 60)는 상기 실린더 헤드(5)에 나사 고정된 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그.
제 2 항에 있어서,

상기 요크(50, 60)는 상기 실린더 헤드(5)에 용접된 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 수단(200, 55, 65)은, 한편으로는 상기 요크(50, 60)와 상기 글로우 플러그(20)의 상기 코어(29)에 통합된 일부분(57) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 수단(200, 55, 65)은, 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 길이 방향으로 코어 둘레에서 연장된 하나 이상의 튜브형 압전 소자(45)를 포함하고, 상기 튜브형 압전 소자(45)는 상기 제 1 단부(200a)에서 상기 코어에 연결되고 상기 제 2 단부(200b)에서 요크(50, 60)를 거쳐서 상기 실린더 헤드(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 글로우 플러그.
추진 장치(1)를 설치한 차량에 있어서,

상기 추진 장치(1)는

- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 글로우 플러그(20),

- 연소실(9)을 갖는 내연 기관(110)으로서, 상기 글로우 플러그가 상부에 장착된 내연 기관(110),

- 상기 내연 기관의 상기 연소실 내에 연료를 주입하기 위한 연료-주입 수단(130),

- 측정 수단에 의해 획득된 정보를 처리하기 위한 처리 수단(4)을 포함하고,

상기 처리 수단(4)은 하나의 연소 사이클 동안 상기 측정 수단(200, 55, 65)에 의해 획득된 정보를 기초로 하여 상기 주입 수단(130)을 제어하는 것을 특징으로 하는, 차량.
제 7 항에 있어서,

상기 처리 수단(4)이 실린더 헤드에 대한 코어의 진동에 관한 정보를 제거하도록 고주파 필터를 포함하는, 차량.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

상기 처리 수단은 하나의 사이클 동안 상기 측정 수단에 의해 전달된 정보를 기준값에 비교하고, 상기 비교를 기초로 하여 상기 주입 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는, 차량.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 차량은 디젤형 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량.