KR20070062986A - 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력 전달 핀을 가진 내연기관의 연소실 내의 압력 측정을 위한 단결정의 압전 재료(1)로 이루어진 센서(SE)에 관한 것으로, 압력 전달 핀으로서 연소실 내로 돌출한, 이동 가능하게 지지된 글로우 플러그(4)가 제공되고, 센서(SE)는 글로우 플러그(4)에 넌포지티브 결합방식으로 연결된다. 센서(SE)는 바람직하게 글로우 플러그(4)과 고정 지지부(5) 사이에 배치된다. 바람직하게, 센서(SE)의 단결정 압전 재료(1)는 니오븀산 리튬(LiNbO3)이다. 센서(SE)의 특히 높은 감도는 Z-단면 또는 Y-단면의 압전 재료(1)를 사용함으로써 달성된다.
센서, 압전 재료, 글로우 플러그, 지지부
Description
본 발명은 압력 전달 핀을 가진 내연 기관의 연소실 내의 압력을 측정하기 위한 압전 센서에 관한 것이다.
적합한 센서에 의해 연소실 내의 압력을 측정하는 것은 여러 용도에 바람직하다. 내연기관의 연소실 내의 압력을 측정하기 위한, 압전 재료로 이루어진 센서는 예컨대 DE 692 09 132 T2에 공지되어 있다. 일반적으로 공지된 바와 같이, 기계적 압력이 가해지는 압전 재료에서 전하가 발생한다. 상기 전하로 인해 압전 재료 내에 전압이 발생하고, 상기 전압은 인출되어 측정될 수 있다. 연소실 내에서 압전 재료의 직접적인 노출시 센서는 열로 인해 손상되기 때문에, 연소실 내의 압력은 먼저 연소실에 직접 노출된 압력 수용 부재에 가해진다. 압력 수용 부재는 압력을 최종적으로 센서의 압전 재료로 전달한다. 상기 간행물에 따라, 압력은 먼저 내연기관의 실린더 헤드에 있는 박막에 가해진 후, 박막에 연결된 압력 전달 핀을 통해 압전 재료로 전달된다.
그러나 선행 기술에 기술된 장치는 단점을 갖는다. 먼저 연소실 내의 압력 수용 부재로서 박막은 기본적으로 문제가 되는데, 그 이유는 이러한 부재의 수명이 예컨대 오염, 특히 그을림 입자에 의해 제한되기 때문이다. 박막의 기계적 안정성도 다른 부재에 비하여 임계적인 것으로 평가된다. 또한, 제안된 장치에서 압력 센서는 개별 부재로서 내연기관의 실린더 헤드에 배치된다. 그러나 실린더 헤드에 제공된 조립 공간은 매우 제한적이다. 왜냐하면 현대의 내연기관은 통상 하나의 연소실당 다수의 유입-및 유출 밸브를 포함하고, 또한 직접 분사 기술에서 내연기관의 연소실 내로 연료를 직접 분사하는 연료분사밸브 외에 외부 점화식 내연기관의 경우 연료를 점화하는 점화 플러그가 필요하기 때문이다. 자동 점화시 글로우 플러그가 필요하다. 따라서, 연소실에 압력 전달 핀을 갖는 박막을 직접 배치하는 것은 어렵다.
선행기술과 달리, 제시된 특징을 포함하는 압력 전달 핀을 갖는 본 발명에 따른 압전 센서(SE)는, 내연기관의 이미 제공된 부재 내에 센서를 통합하는 것이 가능하고 따라서 공간 절감의 해결책이 제공되는 장점을 갖는다. 특히 압력 수용 부재로서 선행기술에 공지된 박막이 생략됨으로써, 오염으로 인한 문제점이 감소된다. 또한, 센서의 압전 재료는 바람직하게 실린더 헤드에서 기계적 시동 모멘트 및 열에 의해 유도된 기계적 응력으로부터 분리되므로 왜곡된 압력 측정이 최소화된다.
본 발명에 따른 센서의 바람직한 개선은 종속 청구항 및 하기 설명부에 설명된다.
본 발명의 실시예들은 도면 및 하기의 설명에 의해 상세히 설명된다.
도 1은 지지부를 포함하는, 글로우 플러그 내에 통합된 압전 센서.
도 2a 내지 도 2b는 센서의 실시예의 단면도.
도 3은 결정학적 축선 X, Y 및 Z를 가진 수정의 사시도.
도 4는 6각형 수정의 횡단면도.
도 5는 교차각 θ을 갖는 X-단면의 압전 부재를 도시한 도면.
도 6은 온도에 대한 단면 Z-단면의 감도를 나타낸 그래프.
도 7a는 경사진 힘 작용시 Z-단면에서의 압전 재료의 사시도.
도 7b 및 도 7c는 각도 α또는 β를 설명하기 위한 백터를 도시한 도면.
도 8a 및 도 8b는 각도 α또는 β에 대한 Z-단면에서의 압전 재료의 감도.
도 9a 및 도 9b는 각도 α또는 β에 대한 Y-단면에서의 압전 재료의 감도.
도 1에는 단결정 압전 재료(1)로 이루어진, 글로우 플러그에 통합된 본 발명에 따른 센서(SE)의 실시예를 도시한다. 센서(SE)는 내연기관의 연소실을 향한 채널(2)에 배치된다. 그러나, 상기 센서는 연소실의 압력(6)에 직접 노출되는 것이 아니라 글로우 플러그(4)에 넌 포지티브 결합 방식으로 연결된다. 글로우 플러그(4)는 부분적으로 채널(2) 내에 배치되지만, 단부는 연소실 내로 돌출하고 이동 가능하게, 특히 축방향으로 이동 가능하게 지지된다. 전형적으로 글로우 플러그(4)는 밀봉부(3) 내에, 특히 O 링, 흑연 링 또는 금속 비이드에 지지된다. 센서(SE) 자체는 연소실로부터 먼, 글로우 플러그(4)의 측면에 배치된다. 또한, 고 정 지지부(5)는 연소실의 반대 방향으로 센서(SE) 후방에 지지된다.
압력(6)이 글로우 플러그(4)에 가해지면, 축방향으로 이동 가능하게 지지된 글로우 플러그(4)는 압력(6)을 압전 재료(1)로 전달하고, 상기 압전 재료는 후방 지지된, 고정 지지부(5)로 인해 기계적으로 변형된다. 압전 재료(1)에서의 전압 측정에 의해 연소실 내의 압력(6)의 값이 도출될 수 있다. 전압을 인출하기 위해, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 압전 재료(1)로 이루어진 센서(SE)의 2개의 측면은 전극(7)을 형성하기 위해 2개의 측면은 바람직하게 크롬-골드(CrAu)-층, 특히 합금으로 금속화된다. 전극(7)은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 압력 작용에 대해 수직이고 전기 라인(8)에 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 도면에 도시되지 않은 금속 디스크를 통해 배치된다. 센서(SE)의 가능한 외부 형상은 정사각형(도 2b) 또는 채워진 원형(도 2c) 외에 바람직하게는 링형(도 2a)인데, 그 이유는 링의 개방된 중심을 통해 전기 라인(8)이 안내될 수 있기 때문이다. 링의 개방된 중심을 통해 글로우 플러그의 전류용 전기 라인도 배치될 수 있다.
센서(SE)의 상기 배치에 의해 센서(SE)는 펜슬형 글로 플러그 또는 연소실을 향한 채널(2) 내에 통합된다. 센서(SE)용 자체 채널(2) 및 압력 전달 핀이 필요하지 않고, 오히려 이들은 바람직하게 2개의 상이한 목적을 위해 사용된다. 압력 수용 부재로서 박막도 완전히 생략된다. 다른 장점은, 예컨대 시동 모멘트에 의해 실린더 헤드 내로 나사 조임시 펜슬형 글로 플로그 하우징에 작용하는 힘이 센서(SE)에 거의 영향을 미치지 않음으로써 주어진다.
센서(SE)는 재료 선택 및 규정된 결정 단면에 의해 그 전체 성능이 더 개선 될 수 있다. 압전 센서(SE)는 압전 재료(1)로서 주로 수정 또는 압전 세라믹이 사용된다. 그러나 2가지 가능성은 서로 장점 및 단점을 갖는다. 즉 한편으로, 수정은 이산화실리콘(SiO2)의 단결정 변형으로서 노후화되지 않고 573 ℃의 비교적 높은 온도까지 온도 안정적이다. 온도가 더 높은 경우, 수정은 상기 α-변형으로부터 β-변형으로 변한다. 그러면 수정은 비로소 그 압전 특성을 잃는다. 다른 한편으로, 수정은 2.3 pC/N의 낮은 감도를 가지므로, 일반적으로 2개의 압전 소자는 전하에 따라 병렬로 연결된다. 이는, 조립 및 연결 기술에서 복잡한 공정 및 높은 비용을 요구한다. 그와 달리, 압전 세라믹은 높은 감도를 가짐으로써, 다수의 압전 소자를 이용한 복잡한 조립 기술이 생략될 수 있다. 그러나, 압전 세라믹의 감도는 수명에 따라 변하는 것이 단점이다. 이러한 변화는 압전 세라믹 내의 탈분극(depolarization)에 기인하고, 재료의 사용 가능성을 심하게 제한한다. 탈분극은 비교적 큰 힘의 작용시 가속화되므로, 상기 재료들은 작은 힘에서만 사용된다. 또한, 큰 힘의 작용은 비선형 및 히스테리시스 전하-특성 곡선을 야기한다. 이러한 문제점은 온도가 큐리 온도의 50 % 보다 높을 때 더 심각해진다.
상기 2가지 재료들의 단점을 제거하기 위해, 본 발명에 따른 센서(SE)는 단결정 압전 니오븀산 리튬(LiNbO3)으로 이루어진다. 상기 재료의 큐리 온도는 1200 ℃ 이상이다. 동시에 결정으로부터 선택된 단면에 의해 높은 감도와 낮은 온도 변화가 달성될 수 있다.
결정으로부터 다양한 단면이 규정될 수 있도록 하기 위해, 먼저 도 3에 결정 학적 축선 X, Y 및 Z를 갖는 수정이 사시도로 도시된다. 횡단면이 6각형인 천연 수정 형상으로부터 및 결정학에서 서로 수직인 축선 X, Y 및 Z의 통상적인 결정으로부터, 결정의 피크를 통과하는 가상 축선은 Z-축선으로 규정된다. 이에 대해 수직이고 6각형 프리즘의 모서리를 통과하는 축선은 X-축선으로 규정된다. Y-축선은 다시 2개의 다른 축선에 대해 수직이고 따라서 결정의 면을 통과한다. 도 4는 6각형 결정의 횡단면도를 도시하고, 즉 X-Y 평면을 평면도로 도시한다. 이미 언급하였듯이, 압전 부재는 예컨대 최소 온도 변화와 같은 특정 특성을 달성하기 위해 최적의 축선 단면 및/또는 교차각 θ으로 결정으로부터 커팅될 수 있다. 단면은 결정학적 축선에 따라 표시되고, 상기 축선은 부재의 메인 표면에 대해 법선이다. 메인 표면은 추후에 부재에 대한 압력 또는 힘이 가해지는 부재의 표면이다. 도 5에 예시적으로 X 단면의 압전 부재가 도시되는데, 상기 부재는 결정의 X 축선이 부재의 메인 표면에 대해 법선이 되도록 결정으로부터 커팅되었다. 부재는 동시에 Y 축선과 교차각 θ을 형성한다. 상기 결정학적 축선 X, Y 및 Z의 표시는 니오븀산 리튬(LiNbO3)-결정에 있어서도 유사하고, 니오븀산 리튬(LiNbO3)-결정의 횡단면이 이중 삼방정계(ditrigonal) 프리즘의 베이스면을 포함하는 것이 고려된다. 축선 표시를 갖는 정확한 기하학적 형태는 전문 서적에 제시된다.
바람직하게 Z-또는 Y-단면을 갖는 니오븀산 리튬(LiNbO3)-부재가 사용된다. 즉, 결정의 Z -또는 Y-축선은 부재의 메인 표면에 대해 수직이거나 또는 다시 말하면 힘 분리 평면에 대해 수직이다.
Z 단면을 가진 니오븀산 리튬(LiNbO3)-부재의 감도는 바람직하게 대략 수정 부재의 감도보다 팩터 3 만큼 더 크다. 온도 변화는 대략 480 ppm/K이고 수정에 비해 약간 더 크지만, 감도 S(Sensitivity)는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 온도(T)에 따라 선형으로 변하고, 따라서 특히 간단하게 보상될 수 있다. 또한, Z-단면은 비스듬한 힘 결합에 대한 낮은 간섭 에러의 장점을 제공한다. 더 명확함을 위해 도 7a에는 Z 단면을 갖는 압전 부재가 사시도로 결정학적 X-, Y- 및 Z-축선과 함께 도시된다. 앞에서 설명된 정의에 따라, 이 경우 Z-축선은 Z-단면을 갖는 부재에서 힘 결합의 평면에 대해 수직으로 연장된다. 상기 평면에 힘 F이 상기 평면에 대해 수직으로 작용하지 않고, Z 축선에 대해 0이 아닌 각도 α로 작용하면, 전체 힘 Ftot 은 백터 방식으로, 부재의 메인 표면에 대해 또는 X-Y 평면에 대해 평행하게 연장된 탄젠트 성분 Tpar, 및 Z 축선에 대해 평행하게 연장된 Z-성분 Fz로 분할될 수 있다. 전체 힘 Ftot을 부분 성분 Tpar 및 Fz로 백터 분할하는 것은 도 7b에 도시되고, 백터 Tpar 및 Fz 는 각도 α를 형성한다. 탄젠트 성분 Tpar은 다시 다른 성분 Tr 및 Ty로 분할될 수 있고, 이들은 각각 X 또는 Y-축선에 대해 평행하게 연장된다. 성분 Tpar 및 Tx 들은 도 7c에 도시된 바와 같이 각도 β를 형성한다. 또한, 도 8a 및 도 8b는 각도 α또는 β에 의존하여 백분율로 변화하는 Z 단면의 압전 부재의 감도(S)를 도시한다. 감도(S)는 단지 약간만 감소된다.
Y 단면은 20 pC/N의 감도(S)로 지금까지 언급된 값에 비하여 현저히 높은 값 을 제공하고, 동시에 240 ppm/K의 작은 온도 변화를 갖는다. 물론, 감도(S)는 결합의 각도 α또는 β에 매우 심하게 의존한다(도 9a 및 도 9b). 힘 결합시 경사진 표면 또는 압전 부재의 표면의 비평행성은 각도 α및 β를 크게 하고, 따라서 감도에 영향을 미친다. 부재가 채널(2) 내에 신중하고 정확하게 방향 설정되어 조립되면 높은 감도(S)가 이용될 수 있다. 감도 변화에 대한 소정의 크기는 보상되고 허용될 수 있다.
Claims (9)
- 압력 전달 핀을 가진, 내연기관의 연소실 내의 압력(6)을 측정하기 위한 단결정 압전 재료(1)로 이루어진 센서(SE)에 있어서,압력 전달 핀으로서 상기 연소실 내로 돌출하고, 이동 가능하게 지지된 글로우 플러그(4)가 제공되고, 상기 센서(SE)는 상기 글로우 플러그(4)에 넌포지티브 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 센서(SE)는 상기 연소실로부터 먼, 상기 글로우 플러그(4)의 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고정 지지부(5)가 상기 연소실의 반대 방향으로 상기 센서(SE) 후방에 설치되는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 글로우 플러그(4)는 밀봉링(3), 특히 O 링, 흑연 링 또는 금속 비이드에 이동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(SE)의 상기 단결정 압전 재료(1)는 니오븀산 리튬(LiNbO3)인 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(SE)의 상기 단결정 압전 재료(1)는 Z-단면 또는 Y-단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 압전 재료(1)의 2개의 측면은, 전극(7)의 형성을 위해 바람직하게는 크롬-골드(GrAu)-층으로 금속화되는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(SE)는 링, 정사각형 또는 채워진 원의 외부 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 전달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 센서(SE) 및/또는 상기 글로우 플러그(4)를 위한 전기 라인(8)이 상기 링의 개방된 중심을 통해 안내되는 것을 특징으로 하는 압력 전 달 핀을 가진 압전 연소실-압력 센서.
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