KR20140061262A

KR20140061262A - 연소 기관용 압력 측정 플러그

Info

Publication number: KR20140061262A
Application number: KR1020130136211A
Authority: KR
Inventors: 마크 보거스; 크리스 루이스 ?로; 허브 톤맨
Original assignee: 센사타 테크놀로지스, 인크
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-05-21
Also published as: CN103808451A; CN103808451B; JP2014115275A; US20140130585A1; US8950247B2; JP6341496B2; EP2730904A1

Abstract

본 발명은, 사용 시에 연소 챔버를 향하고 통로를 포함하는 본체 선단부(106)를 구비하는 플러그 본체(102); 외측 섹션(104A), 내측 섹션(104B) 및 환형 다이어프램(104D)을 구비하는 링형 감지 구조체(104)로서, 상기 플러그 본체는 외측 섹션에 부착되는, 링형 감지 구조체; 상기 외측 섹션에 연결되는 외부와, 상기 내측 섹션에 연결되는 내부를 포함하는 원형 멤브레인(105)으로서, 상기 멤브레인은 연소 챔버 내의 가혹한 환경에 대해 환형 다이어프램을 보호하는 밀봉부를 제공하는, 원형 멤브레인; 및 상기 원형 멤브레인과 본체 선단부에 의해 형성되는 플러그 챔버(107)로서, 상기 본체 선단부의 통로는 플러그 챔버와 연소 챔버 사이에 개방된 결합을 제공하는, 플러그 챔버를 포함하는 압력 감지 플러그에 관한 것이다. 통로는 그을음 필터로서 작용하는 채널 구조체의 일부이다.

Description

연소 기관용 압력 측정 플러그{A PRESSURE-MEASURING PLUG FOR A COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 연소 기관의 실린더 헤드에 플러그 본체를 장착하기 위한 숫나사부를 구비하는 플러그 본체를 갖는 연소 기관용 압력 측정 플러그에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연소 기관용 압전형 압력 측정 플러그에 관한 것이다.

연소 기관용 압력 측정 플러그는 EP 2444786 A1호로부터 공지되어 있다. 압력 측정 플러그는 플러그 본체, 링형 감지 구조체 및 원형 멤브레인을 포함한다. 플러그 본체는 이 플러그 본체를 연소 기관의 실린더 헤드에 장착하기 위한 숫나사부와, 사용 시에 연소 챔버를 향하는 본체 선단부를 포함한다. 링형 감지 구조체는 외측 섹션, 내측 섹션 및 환형 다이어프램을 포함한다. 플러그 본체는 외측 섹션에 부착된다. 링형 감지 구조체는 다이어프램의 변형에 의해 내측 섹션이 링형 감지 구조체의 실린더 축선을 따라 외측 섹션에 대해 상대적으로 이동하게 한다. 링형 감지 구조체에 부착된 스트레인 게이지는 감지 구조체의 변형을 감지한다. 변형은 압력 측정 플러그에 작용하는 압력과 소정의 관계를 갖는다.

원형 멤브레인은 외측 섹션에 연결되는 외부와 내측 섹션에 연결되는 내부를 포함한다. 멤브레인은 연소 챔버 내의 가혹한 환경에 대해 환형 다이어프램을 보호하는 밀봉부를 제공한다.

원형 멤브레인과 본체 선단부가 챔버를 형성한다. 본체 선단부의 통로는 플러그 챔버와 연소 챔버 간에 개방된 연결을 제공한다. 이 방식에서, 연소 챔버 내의 압력은 원형 멤브레인과 링형 감지 구조체의 내측 섹션에 작용할 수 있다.

장차, 디젤 및 오토 기관에 대한 진보된 연소 전략은 전체적인 기관 사이클(압축-연소-배기 사이클) 중에 각 연소 실린더로부터의 정확한 압력 피드백의 존재에 따라 좌우된다. 이들 전략은 예혼합 압축 착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있고, 빠르고 정확한 압력 반응을 필요로 하는 고압 방출률을 초래할 수 있다.

센서의 리프트 시간에 걸쳐 센서 신호의 정확도는 정확한 폐루프 연소 전략에 극히 중대하다. 축적된 그을음은 압력 변화 및 이에 따라 신호의 손실에 대한 민감도를 감소시킨다. 그을음의 층은 원형 멤브레인의 기계적 특성을 변화시키고, 스트레인 게이지 형태의 힘 측정 요소가 배치되는 감지 구조체의 다이어프램에 대해 내측 섹션을 통한 힘의 전달을 감소시킨다. 그을음은 센서 특성을 영구적으로 변화시킬 수 있고, 이에 따라 연소 기관의 제어에 중요한 내구성 및 안정성 인자이다.

연소 프로세스 중에, 탄소 원소, 연소되지 않은 연료, 황산염 등 중 임의의 것일 수 있는 그을음은 연소 가스에 직접 노출되는 압력 측정 플러그 계면을 비롯하여 다양한 연소 기관 구성요소 상에 응축/퇴적하는 것으로 관측되었다. 그을음은 연소 프로세스 중에 그리고 후에 연소 가스에 의해 이송된다. 연소 가스와 접촉하는 모든 표면 또는 장치는 잠재적으로 그을음 축적에 의해 영향을 받고, 그 작용에 따라, 장치 기능은 그을음의 축적이 그 특성을 변화시킬 때에 연소 기관의 수명 시간에 걸쳐 변화할 수 있다.

고온의 연소 가스와 "저온의 냉각된 엔진 헤드 간에 큰 온도 델타를 생성하는 냉각된 엔진 헤드와 접촉하는 압력 측정 센서의 특성으로 인해, 또한 시간에 걸쳐 센서 성능에 악영향을 미칠 수 있는 연소 응축물이 센서 표면(열영동/확산-영동 메카니즘) 상에 포집된다.

본 발명의 목적은 센서의 수명 시간에 걸쳐 그을음 노출에 대해 덜 민감한 실린더 압력 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 압력 측정 플러그에 의해 달성된다. 본 발명을 수행하는 유리한 실시예 및 추가 방식은 종속항에 언급된 조치에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 압력 측정 플러그는, 연소 챔버와 플러그 챔버 사이에 개방된 결합을 형성하는 채널 구조체를 더 포함한다. 채널 구조체는 사용 시에 가스 유동을 연소 챔버로부터 플러그 챔버로 경로를 따라 안내하도록 구성된다. 경로는 내측 섹션과 외측 섹션 사이에 위치 결정된 다이어프램의 부분과 연소 챔버 사이의 직접 가시 거리를 방지하는 만곡부를 포함한다. 경로는 그을음 입자가 그 질량 관성에 의해 가스 유동을 떠나게 하고 본체 선단부의 표면과 내측 섹션 중 적어도 하나에서 충돌하게 한다.

본 발명은 연소 기관 사이클 중에, 연소 기관의 피스톤의 왕복 운동 및 연소 챔버 내에서 가스의 연소로 인한 주기적인 압력 변동 때문에 가스가 플러그 챔버 내외로 유동한다는 통찰을 기초로 한다. 연소 챔버 내의 가스 혼합기가 압축되고 착화될 때에, 가스는 본체 선단부의 통로를 통해 플러그 챔버로 유동한다. 연소 챔버 내의 압력이 감소할 때에, 플러그 챔버로부터 연소 챔버를 향해 개방된 결합에서 가스 유동이 존재한다. 그을음은 연소 가스 유동에 의해 이송된다. 그러나, 그을음은 연소 가스 중에서 상대적으로 크고 무거운 입자이다. 입자는 유동 방향을 변경시킴으로써 공기 유동으로부터 제거될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 상대적으로 크고 무거운 입자는 그 질량 관성으로 인해 방향 변화를 따라갈 수 없어 공기 유동을 떠나게 된다. 통로에서의 이 원리를 원형 멤브레인에 적용함으로써, 그을음 입자가 멤브레인에 도달할 수 없다. 그러나, 입자는 장치의 다른 표면에 충돌하여 그곳에 축적하게 된다. 연소 가스의 공기 유동이 고온이기 때문에, 공기 유동이 통로의 표면을 가열하게 되고 상기 표면 상에 축적된 그을음이 더 작은 입자로 연소되며, 상기 더 작은 입자는 연소 실린더 내의 압력 저하 중에 압력 센서로부터 날린다. 이 방식으로, 압력 센서 내에 간소한 기계적 입자 필터를 생성하는 것이 가능하다. 연소 엔진으로부터 압력 센서 내의 챔버로 가스 유동이 선회하게 하는 통로 구조체를 제공함으로써, 그을음은 입자를 더 작은 입자로 연소시키는 발열 표면 상에 퇴적된다.

바꿔 말해서, 본 발명은 실린더 압력 센서용 그을음 입자 필터를 제공한다. 기본적인 사상은 연소 챔버와 멤브레인의 만곡 부분, 즉 감지 구조체의 외측 섹션과 내측 섹션 사이에 위치 결정된 멤브레인의 부분 사이에 직접 가시 거리를 방지하는 것이다.

실시예에서, 원형 멤브레인은 내측 섹션의 말단부를 덮는다. 이 특징은 멤브레인의 밀봉 특성을 향상시킨다. 완벽한 원형 용접부가 요구되지 않고, 감지 구조체의 내측 섹션에 원형 멤브레인이 부착된다.

실시예에서, 본체 선단부는 실린더 축선에 대해 소정 각도로 있는 채널 축선을 갖는 적어도 하나의 채널 부분을 포함한다. 이들 특징은 연소 챔버로부터 플러그 챔버를 향한 가스 유동을 위한 Z형 경로를 제공한다. 가스 유동이 통로에 진입하기 전에, 유동이 선회하게 된다. 그을음 입자들 중 적어도 일부는 가스 유동을 떠나서 본체 선단부의 외표면에 충돌한다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 채널 부분의 채널 축선은 실린더 축선에 수직이다. 곡선이 더 날카로울수록, 입자가 더 많이 스트림을 떠나서 플러그 본체의 고온 표면에 충돌하게 된다.

변형예에서, 본체 선단부는 중앙 통로를 포함한다. 플러그 챔버에 연결되는 중앙 통로의 제1 부분은 원뿔 형태를 갖는다. 이 실시예에서, 그을음 입자는 감지 구조체의 내측 섹션의 말단부에 충돌하게 된다. 이들 특징은 제조가 간단하고 용이한 매우 효과적인 구조체를 갖는 그을음 입자 필터를 제공한다. 원뿔 형태는 연소된 그을음 입자를 통로가 플러그 챔버로부터 방출하게 한다.

다른 실시예에서, 중앙 통로는 중간부와 제2 부분을 더 포함하고, 제2 부분은 사용 시에 연소 챔버에 연결되며, 중간부는 제1 직경을 갖고 제2 부분은 제2 직경을 가지며, 상기 제2 직경은 제1 직경보다 크다. 이들 특징은 통로 구조체의 필터 특성을 향상시킨다. 제2 부분에 진입하는 그을음 입자는 중간부에 대한 개구 다음의 표면에서 적어도 부분적으로 퇴적하게 된다. 중간부를 통한 유동은 나머지 그을음 입자들을 가속시켜 그 질량 관성으로 인해 감지 구조체의 내측 섹션에 충돌하게 한다.

변형예에서, 본체 선단부는 가스 유동이 이어서 제1 통로와 제2 통로를 통과하는 채널 구조체를 제공하도록 구성된다. 제1 통로와 제2 통로는 제1 통로 축선과 제2 통로 축선을 각각 가지며, 제1 통로 축선은 제2 통로 축선에 평행한다. 제1 통로와 제2 통로의 단면은 중첩되지 않는다. 이 방식에서, 본체 선단부를 통한 공기 유동의 경로는 그을음 입자 필터를 제공하는 몇몇의 만곡부를 포함한다. 추가 실시예에서, 채널 구조체는 통로들을 갖는 2개의 평행한 플레이트형 구조체에 의해 형성되고, 플레이트형 구조체는 예정된 상호 거리를 갖는다. 이들 특징은 부품 제조에 용이하게 조립될 수 있는 구조체를 제공한다.

실시예에서, 본체 선단부는 밀봉 본체부이다. 이 특징은 연소 가스와 접촉하는 플러그 본체의 외표면을 최소화시킨다. 이는 감지 구조체의 작동 온도를 감소시킬 수 있다.

변형예에서, 내측 섹션은 본체 선단부의 통로를 통해 돌출된다. 압력 측정 플러그는 내측 섹션에 부착되는 디스크형 본체를 더 포함한다. 디스크형 본체는 본체 선단부의 외표면으로부터 예정된 거리에 있다. 이들 특징은 그을음 입자가 플러그 챔버에 도달할 가능성을 감소시키는 구조체를 제공한다.

다른 실시예에서, 본체 선단부의 외표면은 상승된 에지를 포함하고, 밀봉 본체부를 향하는 디스크형 본체의 표면은 거위 목 타입의 통로를 초래하는 다른 상승된 에지를 포함한다. 이들 특징은 그을음 입자가 통로의 고온 표면에 충돌하여 연소되기 때문에 통로의 필터링 특성을 향상시키고, 이는 그을음 입자의 축적을 감소시킨다.

다른 실시예에서, 디스크형 본체는 내측 섹션의 말단부에 부착된다. 이 특징은 디스크형 본체와 본체 선단부 사이에 최소 거리를 보장하는 간단한 구조체를 제공한다.

실시예에서, 플러그 챔버 및/또는 채널 구조체의 표면은 50 nm의 두께를 초과하는 백금 코팅으로 덮인다. 백금 코팅은 연소되지 않은 연료 응축물, 장쇄 탄화수소, 탄소 원소 등을 산화시키는 촉매이다. 이는 압력 측정 플러그에서 그을음 축적을 감소시킨다.

다른 특징 및 이점은 일례로서 실시예들의 다양한 특징을 예시하는 첨부 도면과 함께 취한, 아래의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.

이들 및 다른 양태, 특성 및 이점은 도면 - 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부품을 나타냄 - 을 참조한 이하의 설명을 기초로 하여 이후에 설명될 것이다.
도 1은 압력 측정 플러그의 제1 실시예의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 단면도의 상세도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 제3 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 제4 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 제5 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 압력 측정 플러그의 제6 실시예의 단면도를 개략적으로 도시한다.

도 1은 연소 기관용 압력 측정 플러그(100)의 제1 실시예의 단면도를 개략적으로 도시한다. 압력 측정 플러그(100)는 플러그 본체(102)를 연소 기관의 실린더 헤드에 장착하기 위한 숫나사부(102A)를 포함하는 플러그 본체(102)와, 사용 시에 연소 챔버를 향하는 본체 선단부(106)를 포함한다. 숫나사부(102A)와 본체 선단부(106) 사이에 링형 감지 구조체(104)가 위치 결정되고 또한 플러그 본체의 일부를 구성한다. 압력 측정 플러그(100)는 렌치를 이용하여 압력 측정 장치를 장착할 수 있도록 육각형 주변부가 마련된 하우징(108)을 더 포함한다. 센서 전자 기기(도시 생략)가 플러그 본체(102)와 하우징(108)에 의해 형성되는 공간 내에 마련된다. 더욱이, 하우징(108) 내에 커넥터(도시 생략)가 통합된다. 도 2는 참조 부호 II를 갖는 원에 의해 지시된 본체 선단부와 링형 감지 구조체(104)의 상세부를 개략적으로 도시한다.

본체 선단부(106)에는 연소 챔버측에 원뿔형 밀봉면(106E)이 마련되고, 이 원뿔형 밀봉면에 의해 압력 측정 플러그가 실린더 헤드에서의 연소 압력을 밀봉한다.

링형 감지 구조체(104)는 관형 외측 섹션(104A), 봉형 내측 섹션(104B) 및 환형 다이어프램(104D)을 포함한다. 외측 섹션(104A)은 플러그 본체(102)에 부착된다. 부품은 용접을 통해 함께 기계적으로 결합된다. 환형 다이어프램(104D)은 내측 섹션(104B)을 외측 센션(104A)에 기계적으로 연결시킨다. 링형 감지 구조체는 다이어프램(104D)의 변형에 의해 링형 감지 구조체(104)의 실린더 축선(104E)을 따라 내측 섹션(14B)이 외측 섹션(104A)에 대해 상대적으로 이동하게 한다. 표면에서의 응력을 측정하는 데에 적절한 압전 요소, 와이어 스트레인 게이지 또는 유사한 측정 요소의 형태일 수 있는 감지 요소(109)는 다이어프램(104D)의 환형 표면에 부착된다. 환형 표면은 감지 구조체(104)의 실린더 축선(104E)에 수직인 평면에 있다. 감지 요소는 다이어프램에서 응력의 양을 나타내는 전기 신호를 발생시키도록 구성된다. 센서 전자 기기는 선단 압력 측정 플러그(100)에 작용하는 압력을 나타내는 신호를 결정할 것이다.

압력 측정 플러그는 원형 멤브레인(105)을 더 포함한다. 원형 멤브레인(105)의 외부 또는 에지는 감지 구조체(104)의 외측 센션(104A)에 연결된다. 멤브레인(105)의 내부, 즉 중앙부는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)에 연결된다. 본 설명의 문맥에서, 연결된이라는 용어는 연결된 부품들이 사용 시에 서로에 대해 실질적으로 동일한 거리를 유지하고 서로에 대해 부착된 다른 구조체를 직접적으로 또는 간접적으로 경유할 수 있다는 것을 의미한다. 멤브레인(105)은 바람직하게는 금속성 재료로 제조되고 반경 방향 원주 필릿 용접 또는 반경 방향 원주 관통 용접에 의해 감지 구조체의 각각의 부품에 대해 기계적으로 결합된다. 결합은 또한 레이저 용접, 크림핑(crimping), 스웨이징(swaging), 솔더링(soldering), 압입 등에 의해 달성될 수 있다. 멤브레인(105)은 연소 챔버 내의 가혹한 환경에 대해 환형 다이어프램(104D)을 보호하는 밀봉부를 제공한다. 더욱이, 멤브레인은 고온의 연소 가스에 대해 감지 구조체에 장착된 감지 요소(109)를 보호한다. 멤브레인(105)은 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)의 반경 방향 이동을 더 감소시킨다. 이는 압력 측정 플러그의 측정 특성을 향상시킨다.

원형 멤브레인(105)과 본체 선단부(106) 사이의 공간이 플러그 챔버(107)를 형성한다. 본체 선단부(106)의 통로는 플러그 챔버(107)와 연소 챔버 사이에 개방된 결합을 제공한다. 도 2에서, 점선(101)은 연소 기관의 실린더 헤드에 있는 개구의 벽을 가리킨다.

제1 실시예에서, 본체 선단부(160)는 연소 챔버와 플러그 챔버(107) 사이에 개방된 결합을 형성하는 채널 구조체를 포함한다. 채널 구조는 중앙 통로(106A)를 포함한다. 중앙 통로의 단부는 플러그 챔버(107)에 결합된다. 중앙 통로는 중앙 축선(104E)과 일치하는 축선을 갖는다. 채널 구조체는 실린더 축선(104E)에 수직인 축선(106B1)을 갖는 4개 채널 부분(106B)들을 더 포함한다. 채널 부분(106B)의 단부는 중앙 통로(106A)에 결합된다. 채널 부분(106B)의 대향 단부는 본체 선단부(106)의 외표면에 개구를 형성한다.

채널 구조체는 사용 시에 가스 유동을 연소 챔버로부터 그을음 입자들을 그 질량 관성에 의해 압박하는 경로(120)를 따라 플러그 챔버(107)로 안내하고 경로(121)를 따라 가스 유동을 떠나서 본체 선단부(106)의 표면과 내측 섹션(104B) 중 적어도 하나에 충돌하도록 구성된다.

사용 시에, 압력 측정 플러그는 다음의 방식으로 작용한다. 연소 기관 내의 압력이 증가할 때에, 채널 구조체를 통한 가스 유동은 연소 챔버로부터 플러그 챔버를 향해 발생한다. 점선(120)은 가스 유동의 경로와 방향을 가리킨다. 그을음 입자는 가스 유동에 의해 이송된다. 그러나, 가스 유동의 속도와 그을음 입자의 질량 관성으로 인해, 그을음 입자는 가스 유동의 경로(120)를 따라가지 않고 가스 유동을 떠날 수 있다. 점선(121)은 가스 유동의 경로(120)를 떠나는 그을음 입자의 경로를 가리킨다. 그 질량 관성으로 인해, 입자는 본체 선단부(106)의 외표면에 충돌하고, 채널 구조체의 내표면 또는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)의 표면에 충돌한다. 도 2에서, 내측 섹션(104B)의 말단부는 멤브레인(105)에 의해 덮인다.

채널 구조체를 통한 가스 유동으로 인해, 본체 선단부(106)와 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)는 높은 온도를 얻을 것이다. 그 결과, 상기 부품의 표면들 상에 퇴적된 그을음은 더 작은 입자로 연소되고, 이러한 더 작은 입자는 연소 실린더 내의 압력 감소 중에 압력 센서로부터 날려간다. 더욱이, 더 작은 그을음 입자는 덜 급속하게 축적되어 압력 측정 플러그를 그을음 축적에 덜 민감하게 만든다.

도 3 및 도 4는 제2 및 제3 실시예를 각각 도시한다. 점선(101)은 연소 기관의 실린더 헤드에 있는 개구의 벽을 가리킨다. 제2 실시예는 채널 부분(106B)이 실린더 축선(104E)에 대해 부각을 갖는 채널 축선(106B1)을 갖는다. 부각은 가스 유동(120)의 경로에서 더 날카로운 곡선으로 인해 멤브레인의 표면에 대한 그을음 입자의 이송을 더 어렵게 만든다. 대부분의 그을음 입자는 감지 구조체(104)의 말단부(104B1)에 대향하는 중앙 통로(106A)의 내표면 및 본체 선단부(106)의 외표면에 충돌한다. 본체 선단부의 이들 부분은 고온이 되고 표면 상에 퇴적되는 그을음 입자는 더 작은 입자로 연소될 것이다. 도 4의 제3 실시예는 채널 부분(106B)이 실린더 축선(104E)에 대해 양의 각을 갖는 채널 축선(106B1)을 갖는다는 점에서 제1 및 제2 실시예와 상이하다. 양의 각은 채널 부분(106B)을 통한 그을음 입자의 이송을 보다 용이하게 만들지만, 채널 덕트(106B)에서 더 높은 질량 관성을 얻는다. 그 후에, 그을음 입자는 채널 부분(106B)의 단부에서 가스 유동의 경로(120)를 따라가지 않고 감지 구조체(104)의 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)를 덮는 멤브레인의 만곡되지 않은 부분의 표면에 충돌할 수 있다. 이 부분이 압력 변동으로 만곡되지 않기 때문에, 이 부분은 그을음 축적에 민감하지 않다. 이전 실시예와 유사하게, 만곡되지 않은 부분의 이들 표면은 가스 유동에 의해 가열되고, 표면 상에 퇴적되는 그을음 입자는 더 작은 입자로 연소된다.

제1, 제2 및 제3 실시예에서, 채널 부분(106B)의 갯수는 4개이다. 그을음 입자가 연소 챔버로부터 직접 플러그 챔버(107)에 도달하고 멤브레인(105)의 만곡 부분에서 축적하는 것을 방지하는 원하는 효과를 얻는 데에 적어도 하나의 채널 부분(106B)이 요구된다는 것이 명백할 수 있다. 바람직하게는, 채널 부분(106B)들이 본체 선단부(106)의 링형 벽을 따라 동등하게 분포된다.

도 5는 제4 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 본체 선단부(106)는 연소 챔버로부터 멤브레인(105)으로의 가스 유동이 나중에 제1 통로 및 제2 통로를 통과하는 채널 구조체를 제공하도록 구성된다. 채널 구조체는 통로들을 갖는 2개의 평행한 플레이트형 구조체(106C1, 106C2)에 의해 형성된다. 플레이트형 구조체는 예정된 상호 거리를 갖는다. 제1 통로는 압력 측정 플러그의 선단부를 형성하는 플레이트형 구조체(106C2)에 있는 통로이다. 제2 통로는 본체 선단부(106)의 플레이트형 구조체(106C1)에 있는 중앙 통로이다. 제1 통로와 제2 통로는 제1 통로 축선과 제2 통로 축선을 각각 갖는다. 제1 통로 축선과 제2 통로 축선은 실린더 축선(104E)에 평행하게 배치된다. 실린더 축선(104E)의 방향에서 보면, 플레이트형 구조체(106C2)의 통로의 단면과 플레이트형 구조체(106C1)의 중앙 통로의 단면은 중첩되지 않는다. 플레이트형 구조체(106C1, 106C2) 사이의 예정된 상호 거리는 본체 선단부(106)의 공동에 의해 형성된다. 공동은 시추공(bore-hole)일 수 있다.

이 실시예에서, 제1 통로를 통과하는 가스 유동의 그을음 입자는 그 질량 관성에 의해 2개의 플레이트형 구조체(106C1, 106C2) 사이의 공동에서 가스 유동을 떠나서 플레이트형 구조체(106C1)에 충돌한다. 그을음 입자는 플레이트형 구조체(106C1)의 중앙 통로를 향해 공동 내의 가스 유동의 곡선을 따라가지 않을 수 있다. 플레이트형 구조체(106C1)는 가스 유동으로 인해 고온이기 때문에, 그을음 입자는 큰 그을음 입자보다 덜 쉽게 축적되는 작은 입자로 연소된다. 플레이트형 구조체(106C2)의 중앙 통로에 도달한 그을음 입자는 다음의 만곡부가 멤브레인(105)의 만곡 부분에 도달하게 해야 한다. 중앙 통로를 통과하는 그을음 입자는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)의 표면에 충돌할 것 같다. 점선(121)은 가스 유동(120)의 경로를 떠나는 그을음 입자의 경로를 가리킨다. 플레이트형 구조체(106C1, 106C2)의 통로의 갯수는 적어도 1개이고 실린더 축선(104E)의 방향에서 본 통로들의 단면이 중첩하지 않고 2개의 플레이트형 구조체들 사이의 공동을 통한 가스 유동의 경로(120)가 그을음 입자가 가스 유동을 떠나서 공동의 벽의 표면에 충돌하기에 충분한 만곡부를 만드는 한 임의의 형태를 가질 수 있다는 것을 유념해야 한다. 다른 실시예에서, 플레이트형 구조체(106C2)는 1개의 중앙 통로를 구비하고 플레이트형 구조체(106C1)는 플레이트형 구조체(106C1)의 중앙 둘레에 동등하게 분포되는 2개 이상의 통로를 구비한다.

도 6은 제5 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 본체 선단부(106)는 중앙 통로를 포함한다. 중앙 통로는 제1 부분(190), 중간부(191) 및 제3 부분(192)을 포함한다. 중앙 통로의 제1 부분(190)은 일단부가 플러그 챔버(107)에 결합된다. 타단부는 제2 부분에 결합된다. 제1 부분의 직경은 제2 부분으로부터 거리에 비례해서 증가하여 원뿔 형태를 형성한다. 이 형태는 연소 챔버 내의 압력이 감소할 때에 그을음 입자가 플러그 챔버(107)를 떠나는 것을 더 쉽게 한다. 중간부(191)는 본체 선단부(106)를 통한 통로의 가장 작은 단면을 갖는다. 그을음 입자는 중간부(191)에서 가장 높은 속도를 얻을 것이다. 그 질량 관성에 의해, 그을음 입자는 제1 부분(190)에서 플러그 챔버(107)로 만곡될 때에 가스 유동을 떠나게 된다. 그을음 입자는 실질적으로 실린더 축선(104E)의 방향에서 그 진로를 진행하고 감지 구조체(104)의 내측 섹션의 말단부(104B1)에 충돌한다. 제2 부분(192)은 사용 시에 연소 챔버에 연결된다. 제2 부분(192)은 중간부(191)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 제2 부분(192)의 공동은 그을음 입자가 본체 선단부(106)의 외표면에 충돌하여 본체 선단부(106)의 고온 표면에서 연소하는 것을 돕는다.

도 7은 압력 측정 플러그의 제6 실시예를 도시한다. 압력 측정 플러그(100)는 플러그 본체(102)와 링형 감지 구조체(104)를 포함한다. 플러그 본체(102)는 베이스부(102B), 숫나사부(102A) 및 본체 선단부(106)를 포함한다. 숫나사부(102A)는 플러그 본체(102)를 연소 기관의 실린더 헤드의 개구 내에 장착시키도록 구성된다. 플러그 본체(102)의 본체 선단부(106)에는 연소 챔버측에서 원뿔형 밀봉면(106E)이 마련되고, 이 밀봉면에 의해 압력 측정 플러그가 실린더 헤드에서의 연소 압력을 밀봉시킨다.

링형 감지 구조체(104)는 외측 섹션(104A), 내측 섹션(104B) 및 다이어프램(104D)을 포함한다. 다이어프램(104D)은 내측 섹션(104B)을 외측 섹션(104A)에 대해 이동 가능하게 연결시킨다. 외측 섹션(104A)은 플러그 본체(102)의 기단부에 부착된다. 이 실시예에서, 기단부는 베이스부(102B)의 일부이다. 나사형 플러그 본체(102)를 통해 외측 섹션(104A)은 엔진 헤드의 홀 내에 견고하게 장착될 수 있다. 내측 섹션(104B)은 봉형 요소(106)를 수용하기 위한 관통홀(104C)을 포함한다. 링형 감지 구조체(104)의 관통홀(104C)은 나사형 플러그 본체(102)의 실린더 축선과 정렬되는 실린더 축선(104E)을 갖는다. 내측 섹션(104B)은 숫나사가 마련된 봉형 요소(도시 생략)의 배치를 위한 암나사부(104B2)를 포함한다. 봉형 요소의 몇몇의 예는 스파크 플러그, 온도 센서 및 더미봉(dummy rod)이다.

압력 측정 플러그(100)는 원형 멤브레인(105)을 더 포함한다. 원형 멤브레인(105)은 연소 기관의 실린더 내의 연소 가스로부터 다이어프램(104D)을 보호한다. 원형 멤브레인의 제1 림은 플러그 본체(102)에 용접된다. 원형 멤브레인의 제2 림은 감지 구조체(104)의 내측 섹션(104B)에 용접된다.

압력 측정 플러그(100)는 다음과 같이 작용한다. 링형 감지 구조체(104)는 내측 섹션(104B)이 링형 감지 구조체(104)의 실린더 축선(104E)을 따라 외측 섹션(104A)에 대해 상대적으로 이동하게 한다. 내측 섹션(104B)과 외측 섹션(104A) 사이의 다이어프램(104D)은 감지 구조체(104)의 관통홀(104C) 내에 삽입된 봉형 요소가 연소 챔버 내에 연소 가스의 압력 변화의 영향 하에 압력 측정 플러그 내에 상하로 이동하게 한다. 이러한 이동은 내측 섹션(104B)과 강성의 외측 섹션(104A) 사이의 브릿지인 다이어프램(104D)에 스트레인을 유발한다. 스트레인은 나사형 본체부의 반대쪽인 링형 감지 구조체의 표면 상에 부착되는 스트레인 게이지(도시 생략)에 의해 측정된다. 압전 요소인 스트레인 게이지는 다이어프램의 스트레인을 저항 변화로 바꾼다. 저항은 휘트스톤 브릿지에 의해 전압차로 변경된다. 전압은 인쇄 회로 기판(110) 상에 실장된 ASIC에 의해 보정되고 증폭된다.

제6 실시예에서, 내측 섹션(104B)은 본체 선단부(106)의 통로를 통해 돌출한다. 디스크형 본체(111)가 내측 섹션(104B)에 부착된다. 이 실시예에서, 디스크형 본체(111)는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)에 부착된다. 다른 실시예에서, 디스크형 본체(111)는 관통홀(104C)을 밀봉하는 캡의 형태이다. 디스크형 본체(111)는 본체 선단부(106)의 외표면으로부터 예정된 최소 거리에 있다. 예정된 최소 거리는 연소 챔버 내의 압력 변화로 인해 축선(104E)을 따른 내측 섹션(104B)의 최대 이동이다.

본체 선단부(106)의 외표면은 상승된 에지(106D)를 포함하고, 밀봉 본체부(106)를 향하는 디스크형 본체(111)의 표면은 연소 챔버로부터 플러그 챔버(107)로 거위 목 타입의 통로를 초래하는 다른 상승된 에지(111A)를 포함한다.

그을음이 충돌하는 표면 상에 50 nm 두께를 초과하는 백금 코팅이 사용되어 그을음 퇴적물 및 실린더 압력 성능에 대한 악영향을 감소시킬 수 있다. 백금은 그을음 입자, 즉 연소되지 않은 연료 응축물, 장쇄 탄화수소, 탄소 원소 등을 산화시키는 그을음의 활성 촉매이다. 백금 코팅은 본체 선단부(106) 및 본체 선단부(106)의 표면들을 향하는 멤브레인(105)의 표면 상에 적용될 수 있다.

본 발명의 목적은 현재의 시판 중인 압력 센서 구조체보다 연소 기관의 수명 시간에 걸쳐 그을음 노출에 덜 민감한 실린더 압력 센서를 제공하는 것이다. 그을음은 센서 특성 및 이에 따라 중요한 내구성 및 안정성 인자를 변화시킬 수 있다.

모든 실시예는 연소 챔버 내의 압력이 변화할 때에 만곡되는 멤브레인의 부분들에서 그을음 축적을 감소시키는 제로 네트 플로우(zero net flow)와 조합하여 멤브레인(105)의 만곡 부분들과 연소 챔버 사이의 직접 가시거리 방지(direct-line-of sight prevention)의 원리를 이용한다. 멤브레인의 만곡 부분은 감지 구조체의 내측 섹션과 외측 섹션 사이에 위치 결정되는 멤브레인의 부분에 대응한다.

이 방식에서, 센서 중요 요소, 즉 멤브레인의 만곡 또는 이동 부분 상에 그을음 입자의 축적을 감소시키는 그을음 입자 필터가 압력 측정 플러그에 통합된다.

압력 측정 플러그의 선단부에 통합된 그을음 입자 필터 대신에, 그을음 입자 필터가 압력 측정 플러그와 연소 챔버 사이의 보어 내에 배치될 수 있다. 이는 단차형 보어 형태에 의해 행해질 수 있다.

나사형 본체 섹션(102A)과 본체 선단부(106)는 바람직하게는 높은 강도와 경도, 우수한 내부식성 및 용이한 열 처리를 갖는 침전 경화 스테인리스강 등의 고저항 스테인리스강으로 제조된다.

감지 구조체(104)는 금속 사출 몰딩(MIM; Metal Injection Moulding) 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 스트레인 게이지는 마이크로 전자 기계적 시스템(MEMS; Micro Electro Mechanical System) 프로세스에 의해 제조된 미소 융합된 실리콘 스트레인 게이지일 수 있고 감지 구조체(104)에 유리 접합될 수 있다. 멤브레인(105)은 바람직하게는 극한 환경에서의 서비스에 매우 적합한 산화 및 부식 내성 재료로 제조된다. 인코넬 합금이 그러한 재료의 예이다.

본 발명을 여러 실시예의 관점에서 설명하였지만, 그 변형, 수정, 치환 및 등가물이 명세서를 읽고 도면을 연구하면 당업자에게 명백할 것이라고 생각된다. 본 발명의 특정한 실시예를 본 발명을 예시하는 방식에 의해 설명하였지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 수정 및 등가물을 포함한다는 것을 이해해야 한다.

Claims

연소 기관용 압력 측정 플러그(100)에 있어서,
-플러그 본체(102)를 연소 기관의 실린더 헤드 내에 장착하기 위한 숫나사부(102A)와, 사용 시에 연소 챔버를 향하고 통로를 포함하는 본체 선단부(106)를 구비하는 플러그 본체(102);
-외측 섹션(104A), 내측 섹션(104B) 및 환형 다이어프램(104D)을 구비하는 링형 감지 구조체(104)로서, 상기 플러그 본체(102)는 외측 섹션에 부착되고, 상기 링형 감지 구조체는 내측 섹션(104B)이 다이어프램(104D)의 변형에 의해 링형 감지 구조체(104)의 실린더 축선(104E)을 따라 외측 섹션(104A)에 대해 상대적으로 이동하게 하는, 링형 감지 구조체;
-상기 외측 섹션(104A)에 연결되는 외부와, 상기 내측 섹션(104B)에 연결되는 내부를 포함하는 원형 멤브레인(105)으로서, 상기 멤브레인(105)은 연소 챔버 내의 가혹한 환경에 대해 환형 다이어프램(104D)을 보호하는 밀봉부를 제공하는, 원형 멤브레인; 및
-상기 원형 멤브레인(105)과 본체 선단부(106)에 의해 형성되는 플러그 챔버(107)로서, 상기 본체 선단부의 통로는 플러그 챔버와 연소 챔버 사이에 개방된 결합을 제공하는, 플러그 챔버를 포함하는 압력 감지 플러그로서,
상기 압력 감지 플러그는 상기 연소 챔버와 플러그 챔버(107) 사이에 개방된 결합을 형성하는 채널 구조체를 더 포함하고, 상기 채널 구조체는 사용 시에 가스 유동을 연소 챔버로부터 플러그 챔버(107)로 경로(120)를 따라 안내하도록 구성되며, 상기 경로는 내측 섹션과 외측 섹션 사이에 위치 결정된 다이어프램의 부분과 연소 챔버 사이의 직접 가시 거리를 방지하는 만곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 플러그.
제1항에 있어서, 상기 경로(120)는 그을음 입자들이 그 질량 관성(121)에 의해 가스 유동을 떠나게 하고 본체 선단부(106)의 표면과 내측 섹션(104B) 중 적어도 하나에 충돌하게 하는 것인 압력 측정 플러그.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원형 멤브레인(105)은 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)를 덮는 것인 압력 측정 플러그.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체 선단부(106)는 실린더 축선(104E)에 대해 소정 각도로 있는 채널 축선(106B1)을 갖는 적어도 하나의 채널 부분(106B)을 포함하는 것인 압력 측정 플러그.
제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 채널 부분(106B)의 채널 축선(106B1)은 실린더 축선(104E)에 수직인 것인 압력 측정 플러그.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체 선단부(106)는 중앙 통로를 포함하고, 플러그 챔버에 연결되는 중앙 통로의 제1 부분(190)은 원뿔 형태를 갖는 것인 압력 측정 플러그.
제6항에 있어서, 상기 중앙 통로는 중간부(191)와 제2 부분(192)을 더 포함하고, 상기 제2 부분은 사용 시에 연소 챔버에 연결되며, 상기 중간부는 제1 직경을 갖고 제2 부분은 제2 직경을 가지며, 상기 제2 직경은 제1 직경보다 큰 것인 압력 측정 플러그.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체 선단부(106)는 가스 유동이 이어서 제1 통로와 제2 통로를 통과하는 채널 구조체를 제공하도록 구성되고, 상기 제1 통로와 제2 통로는 제1 통로 축선과 제2 통로 축선을 각각 가지며, 제1 통로 축선은 제2 통로 축선에 평행하고, 제1 통로와 제2 통로의 단면은 중첩되지 않는 것인 압력 측정 플러그.
제8항에 있어서, 상기 채널 구조체는 통로들을 갖는 2개의 평행한 플레이트형 구조체(106C1, 106C2)에 의해 형성되고, 상기 플레이트형 구조체는 예정된 상호 거리를 갖는 것인 압력 측정 플러그.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체 선단부(106)는 밀봉면(106E)을 포함하는 것인 압력 측정 플러그.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측 섹션(104B)은 본체 선단부(106)의 통로를 통해 돌출되며, 압력 측정 플러그는 내측 섹션(104B)에 부착되고 본체 선단부(106)의 외표면으로부터 예정된 거리에 있는 디스크형 본체(111)를 더 포함하는 것인 압력 측정 플러그.
제11항에 있어서, 상기 본체 선단부(106)의 외표면은 상승된 에지(106D)를 포함하고, 밀봉 본체부(106)를 향하는 디스크형 본체(111)의 표면은 거위 목 타입의 통로를 초래하는 다른 상승된 에지(111A)를 포함하는 것인 압력 측정 플러그.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 디스크형 본체(111)는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)에 부착되는 것인 압력 측정 플러그.
제13항에 있어서, 상기 디스크형 본체(111)는 내측 섹션(104B)의 말단부(104B1)를 덮는 것인 압력 측정 플러그.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플러그 챔버(107) 및/또는 채널 구조체의 표면은 50 nm의 두께를 초과하는 백금 코팅으로 덮이는 것인 압력 측정 플러그.