KR101061290B1 - 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법에 관한 것으로서, 중대형 선박의 중저속 엔진에 있어서, 일정한 크랭크 각도 간격으로 연소압력을 측정할 수 있으면서도 외부 환경에 의해 변화하는 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 정확히 검출하고 이로부터 엔진의 출력 측정을 통해 엔진 성능시험의 정밀도를 높일 수 있도록 하기 위해, 실린더 일측에 설치되어 실린더 내의 연소압력을 검출하는 압력센서; 크랭크축 일측에 설치되어 크랭축의 회전 각도를 검출하는 각도센서; 및 상기 압력센서 및 각도센서로부터 검출된 신호를 입력받는 입력부, 상기 입력부에 입력된 연소압력 값으로부터 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 검출 기준점 연산처리부, 상기 검출 기준점 연산처리부에 의해 산출된 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도로부터 시작하여 일정 각도 간격으로 상기 입력부에 입력된 연소압력 값들을 저장하는 연소압력 값 저장부 및 상기 연소압력 값 저장부로부터 저장된 연소압력 값들을 호출하여 엔진 출력을 연산하는 엔진 출력 연산처리부를 구비하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법{Engine output measuring system and its measuring method}

본 발명은 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진의 연소압력 측정을 통해 엔진 출력을 측정할 수 있도록 한 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 성능을 시험하기 위해서는, 먼저 지시 압력 계측장치(Indicated pressure system)로 피스톤의 1 사이클 동안에 실린더 내의 연소압력을 주기적으로 검출하고, 이 검출된 연소압력으로 PV선도(Pressure Volume diagram)를 그려서 면적의 크기를 계산하며, 이로부터 지시 마력을 얻어서 엔진의 출력을 산출해 내고 있다.

상기 지시압력 계측장치는, 통상 중대형 선박에 사용되는 대형의 중저속 엔진에는 추진축의 끝단에 프로펠러가 연결되어 있어서 각도센서의 장착이 어렵기 때문에, 플라이휠에 근접센서를 장착하여 상사점(TDC:Top Dead Center) 검출센서와 회전수 검출센서로부터 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도와 분당 회전수를 검출하고, 검출된 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도에서 시작하여 크랭크축의 1 회전 동안에 일정한 시간 간격으로 연소압력을 검출하는 시간 기준 방식을 이용하고 있다.

예를 들어, 크랭크축이 60rpm으로 회전한다고 가정하면, 1/360 초 동안에 크랭크축은 1°씩 회전할 것이라는 가정을 기초로 하는 것이다.

또 다른 방식은, 플라이휠 반대쪽에 앵글 엔코더(Angle Encoder)를 설치하고, 엔코더로부터 나오는 신호중 하나는 상사점 신호로 사용하며, 하나는 각도신호로 이용하여 크랭크축의 1 회전 동안에 일정한 각도 간격으로 연소압력을 검출하는 각도 기준 방식을 이용하고 있다.

이러한 방식들은 크랭크축의 1 회전 동안에 크랭크축의 회전속도 즉, 분당 회전수(rpm)가 항상 동일하다는 전제로 하는 것이며, 이는 실제 고속으로 운전되는 엔진에는 일반적으로 이용되는 방식이다.

그러나, 중대형 선박에 사용되는 엔진은 조류, 파도, 바람과 같은 해상상태 등의 영향에 따라 엔진의 부하가 변동하게 되고, 이러한 부하의 변동은 엔진의 심한 회전속도의 변화를 가져오게 되므로 이러한 시간 기준 방식의 지시압력 계측장치로는 정확한 출력의 측정이 어렵고, 특히 이러한 장치는 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 정확히 파악하기 곤란하여 측정된 출력은 많은 오차가 발생되는 문제점이 있었다.

피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도 1°가 변하면 측정된 출력은 약 10%의 오차가 발생되므로 상사점의 정확한 파악은 엔진 출력 시스템에서 가장 중요한 요소이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로, 각도 기준 방식의 지시압력 계측기가 개발되었으나, 이 방식의 장치도 중대형 선박의 중저속 엔진의 특성상 발생되는 비틀림 진동 등의 요인으로 인해 실제 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도는 변하게 되고, 특히나 선박엔진은 저속, 대형으로 실린더 수가 많으므로 1번 실린더와 끝단의 실린더와의 측정된 출력에는 많은 오차가 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 출력을 측정하더라도 오차가 커서 그 측정 결과를 참고용으로만 사용할 뿐 실제 엔진의 성능진단을 위한 자료로서는 활용되지 못하고 있는 것이 현재의 실정이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 중대형 선박의 중저속 엔진에 있어서, 일정한 크랭크 각도 간격으로 연소압력을 측정할 수 있으면서도 내외부 환경에 의해 변화하는 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 정확히 검출하고 이를 기초로 하여 엔진 출력의 정확한 측정을 통해 엔진 성능시험의 정밀도를 높일 수 있도록 한 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 중대형 선박의 중저속 엔진에 있어서, 기존의 일정 크랭크 각도 간격 연소압력 측정 방법과 일정 시간 간격 연소압력 측정 방법의 오차 발생원인을 제거하여 기존의 엔진 출력을 계산하던 방식에 비해 엔진 성능시험의 정밀도를 높일 수 있도록 한 엔진 출력 측정 시스템 및 그 측정방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명인 엔진 출력 측정 시스템은,
피스톤의 상사점 이후에(ATDC) 착화가 이루어지는 엔진의 엔진 출력 측정 시스템으로;

실린더 일측에 설치되어 실린더 내의 압력을 검출하는 압력센서;

크랭크축 일측에 설치되어 크랭축의 회전 각도를 검출하는 각도센서; 및

상기 압력센서 및 각도 센서로부터 검출된 신호를 입력받는 입력부,

상기 입력부에 입력된 실린더 내의 압력 값으로부터 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 검출 기준점 연산처리부,

상기 검출 기준점 연산처리부에 의해 산출된 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도로부터 시작하여 일정 각도 간격으로 상기 입력부에 입력된 연소압력 값들을 저장하는 연소압력 값 저장부 및

상기 연소압력 값 저장부로부터 저장된 연소압력 값들을 호출하여 엔진 출력을 연산하는 엔진 출력 연산처리부를 구비하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 검출 기준점 연산처리부에서는 입력된 연소압력 값을 크랭크 각도에 대해 미분한 값을 통해 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 검출 기준점 연산처리부에서는, 입력된 연소압력 값을 크랭크 각도에 대해 미분한 값이 최초로 '0'이 되는 크랭크 각도를 얻고 얻어진 크랭크 각도에 손실각을 보상하여 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 피스톤의 상사점 이후에(ATDC) 착화가 이루어지는 엔진의 엔진 출력 측정 방법으로서,

실린더 내 압력을 검출하고 이를 크랭크 각도에 대해 미분한 값을 근거로 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 검출 기준점 산출단계,

산출된 크랭크 각도에서부터 일정 각도 간격으로 실린더 내 연소압력을 검출하여 저장하는 연소압력 검출 및 저장단계 및

검출되어 저장된 연소압력 값들로부터 엔진 출력을 산출하는 엔진 출력 산출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 검출 기준점 산출단계에서는,

크랭크 각도에 대해 실린더 내 압력을 미분한 값이 최초 '0'일 때의 크랭크 각도를 산출하고, 산출된 크랭크 각도에 손실각을 보상하여 실제 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 과제 해결 수단을 통해, 본 발명은 내외부 환경에 의해 변화하는 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 정확히 검출하고, 이를 기준점으로 하여 일정한 크랭크 각도 간격으로 연소압력을 검출하여 엔진의 출력을 측정함으로써 엔진 출력 측정의 정확도를 높이고, 정확하게 수집된 데이터를 연소해석 알고리즘으로 연소해석을 함으로써 엔진 성능시험의 신뢰도를 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진 출력 측정 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진 출력 측정방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 P-θ 선도를 도시한 도면이다.
도 4는 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 dP/dθ-θ 선도를 도시한 도면이다.
도 5는 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 회전속도에 따른 dP/dθ-θ 선도를 도시한 도면이다.
도 6은 PV 선도를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 엔진 출력 측정 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진 출력 측정 시스템을 도시한 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 엔진 출력 측정방법을 도시한 순서도이며, 도 3은 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 P-θ 선도를 도시한 도면이며, 도 4는 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 dP/dθ-θ 선도를 도시한 도면 이며, 도 5는 일반적인 중대형 선박의 중저속 엔진의 회전속도에 따른 dP/dθ-θ 선도를 도시한 도면이며, 도 6은 PV 선도를 도시한 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 엔진 출력 측정 시스템은 중대형 선박에 사용되는 중저속 엔진의 출력을 측정하여 엔진의 성능을 시험하고자 하는 시스템에 관한 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 그 구성요소로 압력센서, 각도센서 및 제어부를 구비한다.
여기서, 중대형 선박의 중저속 엔진은, 도 3에 도시된 바와 같이, 통상적으로 피스톤의 상사점 이후에(ATDC:After Top Dead Center) 착화시점이 나타나게 된다.

이하, 이들 구성요소별로 상세히 설명한다.

먼저, 압력센서는 실린더 내부의 압력을 측정하기 위한 검출수단으로 엔진의 실린더 헤드부나 실린더의 일측에 설치된다.

다음으로, 각도센서는 크랭크축의 회전 각도를 측정하기 위한 검출수단으로, 크랭크축 끝단과 같이 크랭크축의 회전 각도를 정확히 측정할 수 있는 곳이면 어느 곳이라도 무방하다.

여기서, 각도센서는 엔코더(Encoder)가 바람직하며, 그 중에서도 인크리멘탈 엔코더(Incremental Encoder)가 더욱 바람직하다.

또한, 각도센서를 장착하기 어려운 경우에는 플라이휠에 근접센서를 장착하거나 기존의 선박에 설치된 근접센서를 이용할 수 있다.

여기서, 회전속도를 검출하는 근접센서와 특정각을 지시하는 기준이 되는 근접센서가 각각 하나씩이면 되며, 두 근접센서의 설치가 어려운 경우에는 하나만 있어도 무방하다.

다음으로, 제어부는 실제로 압력센서와 각도센서로부터 검출신호를 입력받아 이를 토대로 엔진의 출력 측정이 실제로 이루어지는 부분이다.

이러한 제어부에는 입력부, 검출 기준점 연산처리부, 연소압력 값 저장부, 엔진 출력 연산처리부 및 출력부가 구비된다.

여기서, 입력부는 상기 압력센서 및 각도 센서로부터 검출된 신호를 입력받는 부분이다.

그리고 검출 기준점 연산처리부는 상기 입력부에 입력된 실린더 내의 압력 값으로부터 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 부분이다.

구체적으로 설명하면, 통상적인 크랭크 각도에 대한 실린더 내의 압력을 측정하면, 도 3에 도시된 바와 같이 나타나는데, 이를 미분하여 다시 나타내면, 도 4에 도시된 바와 같은 선도를 얻을 수 있다.

도 3에서 피스톤의 상승에 의해 나타나는 첫 번째 정상점(Peak)이 실제로 운전 중의 피스톤 상사점에 해당되는데, 이는 도 4에서 첫 번째로 나타나는 '0'의 값에 해당되고 이 위치가 정확한 피스톤 상사점이 되는 것이다.

하지만, 여기서 구해진 피스톤 상사점은 실린더 내에서 압축되는 가스가 이상기체이고, 압축되는 가스가 피스톤과 실린더 사이의 틈새로 누설되거나 주위로의 열손실 등이 없는 이상적인 상태를 가정했을 경우의 것으로, 실제로는 압축되는 가스가 이상기체가 아닐 뿐만 아니라, 가스 누설, 열손실 등의 가스의 비이상적인 거동이 발생되며, 이로 인해 dP/dθ가 '0'인 압력 최고점(Peak)은 실제 피스톤의 상사점에 비해 보다 빠르게 나타나게 된다.

그러므로 실린더 내 가스의 비이상적인 거동에 대한 보상이 필요하게 되며, 이를 위해 압력 최고점(Peak)에서의 크랭크 각도와 실제 상사점에서의 크랭크 각도의 차이, 즉 손실각(Loss angle)를 구하여 상기 압력 최고점(Peak)에 그만큼 보상해 주면 실제로 정확한 상사점이 구해지게 된다.

즉, 검출 기준점 연산처리부에서는 이와 같이 크랭크 각도에 대한 실린더 내 압력 값의 미분 값(dP/dθ)이 '0'이 되는 위치의 크랭크 각도를 산출하고 손실각을 보상해 줌으로써 정확히 실제 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하게 되는 것이다.

여기서, 손실각은 성능측정용 엔진의 종류, 운전 회전수 등에 따라 사전 실험과 측정을 통해 정해지므로, 측정하고자 하는 엔진의 종류, 운전되는 회전수 등이 주어지면 해당되는 손실각을 얻을 수 있게 된다.

바람직하게는, 성능측정용 엔진의 종류, 운전 회전수 등에 따른 손실각을 제어부 내에 미리 저장해 두고 연산 중 필요시 호출하여 실제 피스톤의 상사점을 구하는데 사용하도록 한다.

위의 방법으로 정확한 상사점을 검출하여 이를 새로운 상사점(기준점)으로 수정한 다음, 1 사이클의 연소압력을 엔진 출력 연산처리부를 거쳐 도 6과 같이 PV선도에서 면적을 계산함으로서 정확한 출력을 산정할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같이 운전 중 나타나는 부하의 변동이나 축의 비틀림 등을 고려한 실제의 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 찾아내고 이를 기준점으로 하여 후술하는 바와 같이 일정한 크랭크 각도 주기로 연소압력을 검출함으로써 엔진 출력을 보다 정확히 측정할 수 있게 되는 것이다.

그리고 연소압력 값 저장부는 상기 검출 기준점 연산처리부에 의해 산출된 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 기준점으로 하여 일정한 크랭크 각도 간격으로 상기 입력부에 입력된 연소압력 값들을 호출받아 저장하는 부분이다.

이를 통해, 본 발명에서는 종래의 시간 기준 방식 및 각도 기준 방식의 지시압력 계측장치의 문제점을 해결할 수 있게 되는 것이다.

그리고 엔진 출력 연산처리부는 상기 연소압력 값 저장부로부터 저장된 연소압력 값들을 호출하여 엔진 출력을 연산하는 부분으로서, 구체적인 연산 방식은 종래의 기술과 같이 PV선도를 그리고 그 면적을 계산하여 엔진 출력을 산출하는 방식 등의 다양한 방식이 사용될 수 있으며, 본 발명에서 특별히 이에 한정하는 것은 아니다.

마지막으로, 출력부는 디스플레이 장치 등으로 구성되어 측정된 출력 등의 값을 전송하거나 표시하는 부분이다.

이하, 본 발명에 따른 엔진 출력 측정방법의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진 출력 측정방법은, 먼저 크랭크 각도에 따른 실린더 내 압력 값을 검출하여 선도로 나타내고 실린더 내의 압력 값을 크랭크 각도에 대해 미분하여 그 값이 첫 번째 '0'인 지점의 크랭크 각도를 찾아내고 이때의 크랭크 각도에 손실각을 보상하여 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도 값을 산출하는 검출 기준점 산출단계를 구비한다.

다음으로, 본 발명은 상기 검출 기준점 산출 단계에서 산출된 크랭크 각도를 기준점으로 하여 일정 각도를 주기로 하여 실린더 내 연소압력을 검출하여 저장하는 연소압력 검출 및 저장단계를 구비한다.

그리고, 본 발명은 상기 연소압력 검출 및 저장단계에서 검출되어 저장된 연소압력 값들로부터 엔진 출력을 산출하는 엔진 출력 산출 단계를 구비한다.

이러한 과정을 통해 본 발명은 엔진 출력을 정확히 측정하고 이를 통해 엔진 성능을 시험해 봄으로써 엔진 성능시험의 정밀도를 높이게 되는 것이다.

1: 엔진 출력 측정 시스템

Claims (5)

1. 피스톤의 상사점 이후에(ATDC) 착화가 이루어지는 엔진의 엔진 출력 측정 시스템에 있어서;
   실린더 일측에 설치되어 실린더 내의 압력을 검출하는 압력센서;
   크랭크축 일측에 설치되어 크랭축의 회전 각도를 검출하는 각도센서; 및
   상기 압력센서 및 각도센서로부터 검출된 신호를 입력받는 입력부,
   상기 입력부에 입력된 실린더 내의 압력 값으로부터 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 검출 기준점 연산처리부,
   상기 검출 기준점 연산처리부에 의해 산출된 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도로부터 시작하여 일정 각도 간격으로 상기 입력부에 입력된 연소압력 값들을 저장하는 연소압력 값 저장부 및
   상기 연소압력 값 저장부로부터 저장된 연소압력 값들을 호출하여 엔진 출력을 연산하는 엔진 출력 연산처리부를 구비하는 제어부를 포함하여 구성되며;
   상기 검출 기준점 연산처리부에서는, 입력된 압력 값을 크랭크 각도에 대해 미분한 값이 최초로 '0'이 되는 크랭크 각도를 얻고 얻어진 크랭크 각도에 손실각을 보상하여 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진 출력 측정 시스템
   
2. 피스톤의 상사점 이후에(ATDC) 착화가 이루어지는 엔진의 엔진 출력 측정방법에 있어서,
   실린더 내 압력을 검출하고 이를 크랭크 각도에 대해 미분한 값을 근거로 피스톤 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 검출 기준점 산출단계,
   산출된 크랭크 각도에서부터 일정 각도 간격으로 실린더 내 연소압력을 검출하여 저장하는 연소압력 검출 및 저장단계 및
   검출되어 저장된 연소압력 값들로부터 엔진 출력을 산출하는 엔진 출력 산출 단계를 포함하여 이루어지며,
   상기 검출 기준점 산출단계에서는,
   크랭크 각도에 대해 실린더 내 압력을 미분한 값이 최초 '0'일 때의 크랭크 각도를 산출하고, 산출된 크랭크 각도에 손실각을 보상하여 실제 피스톤의 상사점에 해당되는 크랭크 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 엔진 출력 측정방법
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