KR100787986B1 - Ａｅ 신호를 이용한 ｔｄｃ 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TDC를 검출하기 위한 종래의 픽업 센서나 각도 엔코더와 같은 별도의 장비없이, 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명의 구성은 선박 엔진의 AE 신호를 획득하는 단계, 상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계, 상기 에너지값의 피크값이 임계값을 초과하는지를 검출하는 단계, 및 상기 임계값을 초과하는 피크값이 검출되면, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계를 포함하는 것으로 이루어져 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출함으로써, TDC 검출을 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않으면서도 정확한 TDC를 검출할 수 있고, 종래의 픽업 센서는 엔진 타입별 크랭크 샤프트 데이터가 필요함에 반해, 이러한 엔진 타입에 종속하지 않는 범용의 방법을 제공할 수 있는 이점이 있다. 뿐만 아니라, AE 진단 시스템에 있어서도 폭발이나 배기 등의 이벤트 구간이 아닌 순수 마찰 구간의 탐색을 위해 기준 신호로서 TDC 시점을 이용할 수 있는 부가적인 효과도 가지고 있다.
AE 신호, 엔진, TDC, 에너지, 배기, 흡기, 폭발

Description

ＡＥ 신호를 이용한 ＴＤＣ 검출 방법{THE METHOD FOR DETERMINING TDC USING AE SIGNAL FROM ENGINE}
도 1 은 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출하기 위한 본 발명에 따른 흐름도이고,
도 2 는 선박 엔진의 AE 신호의 특성을 도시하는 도면이고,
도 3 은 선박 엔진의 AE 신호를 에너지변환한 값을 도시하는 도면이고,
도 4 내지 도 6 은 엔진 기종별 선박 엔진의 AE 신호를 에너지변환한 값과 TDC 시점을 나타내는 도면이다.
본 발명은 선박 등의 엔진의 피스톤의 상사점(TDC, Top Dead Center)를 검출하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 엔진으로부터의 음향방출(AE, Acoustic Emission) 신호를 이용하여 TDC를 검출하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로 선박 또는 자동차 등의 엔진에서는 연료분사와 윤활유 분사 시점 등의 다양한 이벤트의 발생을 제어하기 위해 TDC 검출이 필수적이다. 이 뿐만 아니라, 엔진 상태를 진단하기 위해서도 현재의 피스톤의 위치를 통하여 엔진의 상태 (폭발, 배기, 흡기 등)를 파악하는 것이 필요하게 된다.
현재 이러한 TDC를 검출하기 위해 플라이휠에 TDC 표시용 블록을 붙인 후 엔진쪽에 근접 센서를 이용하여 신호를 획득하거나(픽업 센서), 전자 제어 엔진에서는 각도 엔코더(Angle Encoder)를 이용하는 것이 일반적이다.
한편, 실린더 라이너에 있어서, 마찰, 마멸에 의해 발생하는 표면 손상 및 스커핑과 같은 표면 파괴 현상을 감시하고, 이상상태를 검출하기 위하여 사용되는 AE 진단 시스템이 구비될 수 있다. 일정한 구조체에 있어서, 재료의 마찰, 균열, 누설 등으로 인하여 재료에 충격이나 마모가 가해지게 되면, 재료 내부의 원자들이 전위되면서 고주파 신호들이 발생하게 된다. 이러한 현상을 AE 라고 하고, 이러한 고주파 신호를 감지하고, 그 성분여부를 분석하는 것에 의하여 엔진의 스커핑(이상마모)를 사전에 진단하는 것이 AE 진단 시스템이다.
상기 AE 진단 시스템에서도 실린더 라이너 AE 신호 측정시 크랭크 축 각도별로 F.O. 분사, 연소, 배기가스 유동, 배기가스 밸브 닫힘으로 인한, 라이너 마찰 이외의 AE 신호가 주기적으로 유입된다. 따라서, 이러한 주기적으로 유입되는 마찰 이외의 AE 신호의 특성을 파악하고, 이렇게 파악된 신호로부터 TDC 시점을 검출할 수 있다면 매우 바람직하다.
이러한 AE 진단 시스템과는 별도로 픽업 센서를 설치하여 TDC를 검출하는 현재의 시스템에서는 시스템 자체가 커지는 문제가 있을 뿐만 아니라, 픽업 센서는 크랭크 축의 각도를 측정하므로 각각의 실린더에서의 피스톤 위치는 실린더 번호에 따른 크랭크 스루 각도 정보가 있어야 변환이 가능하다는 문제점도 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, TDC 검출을 위한 별도의 장비를 구비하지 않고, 엔진으로부터의 AE 신호를 획득하고, 이 획득된 AE 신호로부터 TDC 시점을 검출하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 AE 신호를 이용하여 TDC를 검출하는 방법은, 엔진의 AE 신호를 획득하는 단계, 상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계, 상기 에너지값의 피크값이 임계값을 초과하는지를 검출하는 단계, 및 상기 임계값을 초과하는 피크값이 검출되면, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에서, 상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계는 다음의 계산식;
Figure 112006097127602-pat00001
으로 계산되고, 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계는 다음의 계산식;
Figure 112006097127602-pat00002
으로 계산되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 다른 일면에 따르면, 본 발명은 상기 방법을 구현하기 위해 프로그램된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
도 1 은 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출하기 위한 본 발명에 따른 흐름도를 도시하고 있다.
먼저, 선박 엔진으로부터 AE 신호를 획득하는 단계(100)이다. 이 획득된 AE 신호의 특성을 도 2 에서 도시하고 있다. 상기 도 2 로부터, 피스톤 링의 수직 위치에 따라 선박 엔진의 배기가스 유동(배기밸브 열림), 배기밸브 닫힘, 폭발의 이벤트 구간이 명확히 구분됨을 알 수 있다. 일반적으로, 배기가스 유동 이벤트 구간의 AE 신호가 엔진 폭발이나 배기밸브 닫힘에 의해 발생하는 신호보다 크게 되고, 이러한 배기가스 유동의 정확한 시점을 파악할 수 있다면 이로부터 TDC 시점을 명확히 산출할 수 있다.
다음은 상기 배기가스 유동의 보다 정확한 시점을 파악하기 위해, 획득된 AE 원신호로부터 에너지값을 추출하는 단계(120)이다. AE 신호로부터 에너지값의 계산은 다음 계산식에 의한다.
Figure 112006097127602-pat00003
여기서,
T는 에너지 추출구간을 결정하는 상수이고,
λ는 시간변수이고,
N은 에너지 추출구간을 등간격으로 나눈 수이고,
△λ는 에너지 추출구간을 N으로 나눈 값이다.
이러한 계산식에 의해 변환된 AE 에너지값의 일예가 도 3 에 도시되어 있다.
이와 같이 AE 신호를 획득한 후 이를 에너지 함수를 통해 축약하면 신호가 더욱 명확하게 구분되고, 이 때 배기가스 유동에 의한 피크 신호가 발생하게 된다. 상기 피크값을 소정의 임계값(ETh)과 비교하여(130), 상기 소정의 임계값을 넘어서는 피크값이 배기가스 유동에 의한 정확한 피크 신호이고, 이러한 피크 시점으로부터 TDC 시점을 검출할 수 있다.
상기 소정의 임계값을 넘어서는 피크 시점으로부터 TDC 시점의 검출은 다음의 계산식에 의해 결정된다(140).
Figure 112006097127602-pat00004
여기서,
D는 배기가스 유동후 TDC 지점까지의 크랭크 샤프트의 각도이다.
즉, 배기가스 유동에 의한 피크값으로부터 상기 시간만큼의 시간이 경과한 시점이 TDC 시점이 되는 것이다. 상기 도 3 에서 빨간색으로 표시된 시점이 TDC 시점인 것이다.
이하, 본 발명에 따른 AE 신호를 이용하여 TDC 시점을 검출하는 방법에 대한 신뢰성을 평가하기 위해, 다양한 엔진 기종에 대해 각각 90%의 부하 및 100%의 부하를 인가한 상태에서 종래의 픽업 센서를 이용하여 검출된 TDC 시점과 본 발명에 따른 방법에 의해 검출된 TDC 시점을 비교하는 실험을 행하였다.
상기 실험은 엔진 기종(CONT1525, HASU4100, MSC4107)에 대해 각각 90%의 부하 및 100%의 부하를 인가한 상태에서 행하여졌으며, 도 4 내지 도 6 에 본 발명에 따른 엔진 기종에 대한 결과 그래프를 도시하고 있다.
그리고, 비교를 위하여 본 발명에 따른 TDC 검출값과 픽업 센서를 사용하여 얻은 값 사이의 차이에 따른 각도값을 환산하여 그 결과값을 아래 표1에 도시하고 있다.
Figure 112006097127602-pat00005
상기 표 1 에서 보는 바와 같이, 전체 데이터값이 -1도 ~ 1도 범위에 들어오고, 신뢰할 만한 수준임을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출하는 방법은, TDC 검출을 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않고, AE 신호로부터 정확한 TDC를 검출할 수 있으므로, 장치의 소형화하고 비용을 절감할 수 있는 효과를 가지고 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 기록매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예로는 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체 등을 포함하나, 이러한 것에 한하지 않고, 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도판관 등의 전송 매체일 수 도 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 의해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이나 수정이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위 뿐만 아니라, 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 선박 엔진의 AE 신호로부터 TDC를 검출함으로써, TDC 검출을 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않으면서도 정확한 TDC를 검출할 수 있고, 종래의 픽업 센서는 엔진 타입별 크랭크 샤프트 데이터가 필요함에 반해, 이러한 엔진 타입에 종속하지 않는 범용의 방법을 제공할 수 있는 이점이 있다.
뿐만 아니라, AE 진단 시스템에 있어서도 폭발이나 배기 등의 이벤트 구간이 아닌 순수 마찰 구간의 탐색을 위해 기준 신호로서 TDC 시점을 이용할 수 있는 부가적인 효과도 가지고 있다.

Claims (6)

  1. 선박 등의 엔진의 AE 신호를 이용하여 TDC를 검출하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    상기 엔진의 AE 신호를 획득하는 단계;
    상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계;
    상기 에너지값의 피크값이 임계값을 초과하는지를 검출하는 단계; 및
    상기 임계값을 초과하는 피크값이 검출되면, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AE 신호를 이용한 TDC 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계는
    다음의 계산식
    Figure 112006097127602-pat00006
    에 의해 계산되고, 여기서,
    T는 에너지 추출구간을 결정하는 상수이고,
    λ는 시간변수이고,
    N은 에너지 추출구간을 등간격으로 나눈 수이고,
    △λ는 에너지 추출구간을 N으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 AE 신호를 이용한 TDC 검출 방법..
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계는
    다음의 계산식에 의해 계산되고,
    Figure 112006097127602-pat00007
    여기서, D는 배기가스 유동이후 TDC 까지의 크랭크 샤프트 각도인 것을 특징으로 하는 AE 신호를 이용한 TDC 검출 방법.
  4. 선박 등의 엔진의 AE 신호를 이용하여 TDC를 검출하는 시스템에서, 상기 시스템으로 하여금,
    상기 엔진의 AE 신호를 획득하는 단계;
    상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계;
    상기 에너지값의 피크값이 임계값을 초과하는지를 검출하는 단계;
    상기 임계값을 초과하는 피크값이 검출되면, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계를 수행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 획득된 AE 신호로부터 에너지값을 추출하는 단계는
    다음의 계산식
    Figure 112007081993258-pat00008
    에 의해 계산되고, 여기서,
    T는 에너지 추출구간을 결정하는 상수이고,
    λ는 시간변수이고,
    N은 에너지 추출구간을 등간격으로 나눈 수이고,
    △λ는 에너지 추출구간을 N으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 피크 시점으로부터 TDC 시점을 결정하는 단계는
    다음의 계산식에 의해 계산되고,
    Figure 112006097127602-pat00009
    여기서, D는 배기가스 유동이후 TDC 까지의 크랭크 샤프트 각도인 것인 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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