KR101659109B1 - 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 - Google Patents

내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 Download PDF

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Abstract

본원은 커플링 측 각각의 각 속도가 측정되는 (110, 130), 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링을 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 내연 기관의 실린더-방향의 연료 주입을 변경함으로써 커플링의 동적 특성을 유발시키는 유발 단계, 각 속도 측정으로부터 실린더-방향의 유효성을 식별하는 식별 단계, 및 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 식별된 유효성을 분석함으로써, 상기 커플링의 동적 파라미터 값을 예측하는 예측 단계를 포함한다. 본원은 또한 제어 유닛 및 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 {MONITORING OF A COUPLING IN A ROTATING SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본원은 내연 기관의 회전 시스템의 동역학 (dynamics) 에 관한 것으로, 보다 자세하게는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 동역학에 관한 것이다.
회전 시스템은, 내연 기관에 의해 발생되는 회전 운동이 크랭크샤프트 및 상호연결된 커플링을 통하여 전달되는 시스템이라고 한다. 회전 시스템은, 예를 들어, 내연 기관의 크랭크샤프트, 가요성 커플링, 로터, 프로펠러 샤프트, 기어 등을 포함한다.
회전 시스템의 동역학은 엔진 성능에 직접적인 영향을 준다. 더욱이, 회전 시스템의 비틀림 특성은 속도 제어기 및 관련 필터의 성능에 직접적인 영향을 준다.
엔진 속도를 일정하게 유지하기 위해서, 과도 및 정적 상태의 부하 조건에 대한 필요한 거동을 얻기 위해서는 적합한 제어기 파라미터를 수동으로 결정할 필요가 있다. 엔진과 부하를 동적으로 분리하고, 속도 제어기가 다수의 발전기 세트간의 동적 링크 및 가요적인 커플링의 공명 주파수와 상호 작용하는 것을 방지하도록 적합한 속도 필터 파라미터가 결정되어야 한다.
제어기 및 필터 파라미터에 대한 공칭값 (nominal values) 은, 결정될 수 있지만, 통상적으로 최적의 성능을 얻기 때문에 현장에서 수동으로 조율될 필요가 있다.
점화오류 (misfire) 및 실린더 밸런싱 (balancing) 을 자동 검출하는 다양한 방법에서는, 크랭크샤프트의 각 속도의 측정으로부터 가스 토크를 추측하는 것을 사용한다. 중속 (medium-speed) 엔진에 대해서, 추가적으로, 통상적으로 가요성 커플링의 동역학을 고려할 필요가 있다. 가요성 커플링의 동적 특성에 대한 공칭값은 통상적으로 제조사에 의해 주어지고 적합하다.
기계 구성품의 과도한 마모를 방지하기 위해서, 안전상의 이유로 저속 및 중속 엔진의 크랭크샤프트의 진동 거동을 모니터링하는 것은 중요하다. 가요성 커플링의 모니터링은, 통상적으로 회전 시스템의 2 개의 위치 중 하나의 진동 거동을 측정함으로써 실시된다. 예를 들어, 커플링의 비틀림 등을 연속적으로 모니터링하고 또한 진폭이 어떠한 한계를 초과하지 않음을 보장함으로서, 조건이 보장된다. 하지만, 이러한 접근법은 과도한 부하 상황을 방지하기 위한 수단으로서만 사용되고 또한 커플링의 실제 건전성 (health) 에 대한 어떠한 정보를 제공하지 않는다. 선천적인 심한 과부하로 인해, 연료 연소에 의해 유발된 토크 차수 (orders) 중 하나에 근접하게 이동되도록 커플링의 고유 주파수가 상당히 변경될 수 있다. 이러한 낮은 토크 차수의 진폭은 실린더의 상대 출력 영향에 따르고 또한 일시적으로 낮을 수 있기 때문에, 현재의 커플링 비틀림을 모니터링함으로써 위험한 상황이 감지될 수 없다.
본원의 목적은 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링의 핵심적인 동적 파라미터를 모니터링하는 것이다.
본원의 대표적인 실시형태에 있어서, 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링의 핵심적인 동적 파라미터를 결정할 수 있는 방법이다.
본원의 다른 대표적인 실시형태에 있어서, 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링의 핵심적인 동적 파라미터를 결정할 수 있는 시스템이다.
본원의 다른 대표적인 실시형태에 있어서, 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링의 핵심적인 동적 파라미터를 결정할 수 있는 장치이다.
모니터링된 커플링은, 시스템과 관련된 동적 특성을 가진 하나 또는 여러 개의 연결된 회전 구성품일 수 있다. 구성품은, 예를 들어 가요성 커플링, 로터, 샤프트, 기어 등일 수 있다.
동적 파라미터, 예를 들어 커플링의 강성 및 점성 감쇠 등은, 커플링의 양측에서의 각 속도를 측정하고 또한 실린더-방향으로 주입된 연료양의 조절을 사용하여 예측된다.
주입된 연료양의 조절은 비틀림의 진동 동역학을 유발시키는데 사용되고, 즉 커플링의 거동은, 상이한 연료 주입 설정점 (set-points) 사이에서, 각 속도 측정을 통하여 모니터링된다. 그 후, 커플링의 강성 및 감쇠가 예측되고 모니터링될 수 있다.
동적 파라미터, 강성 및 점성 감쇠는, 주입된 연료양의 오프셋 변경에 의해 식별될 수 있다. 연료량의 변경량은 비교적 적게 유지될 수 있다. 동역학은 2 ~ 20%, 보다 유리하게는 4 ~ 12%, 가장 유리하게는 5 ~ 10% 의 연료양 변경으로 유발될 수 있다. 주입된 연료양을 비교적 적게 조절함으로써, 나머지 시스템에 대한 영향이 제한된다.
실린더-방향의 연료 주입 조절을 사용하는 장점은, 엔진 시스템의 일부분에만 유효하게 함으로써 모니터링이 달성된다는 것이다.
또한, 모니터링은 시스템 출력에 어떠한 상당한 영향을 주지 않으면서 실행될 수 있는데, 그 이유는 하나의 실린더에서의 연료 주입의 변경이, 1 개 이상의 다른 실린더안으로의 연료 주입의 상대적인 변경으로 보상될 수 있기 때문이다.
그리하여, 본 시스템은, 통상의 작동시, 또한 부하가 낮은 상황에서 사용될 수 있는 온라인 적용으로서 본원의 모니터링이 제공될 수 있는 정도로 또한 그러한 방식으로 영향을 받을 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방식으로 이하 설명된다.
도 1 은 2 개의 질량 덩어리 (mass-lumped) 모델로서 엔진 시스템 모델의 일예를 도시하는 도면,
도 2 는 대표적인 6 개의 실린더 엔진에 대한 1/2, 1, 3/2 차수의 위상각 다이어그램을 도시한 도면,
도 3 은 측정된 가스 토크 및 3 개의 최저 토크 차수를 도시한 도면,
도 4 는 6 개의 실린더 인라인 엔진 및 무한 버스에 연결되는 발전기로 된 엔진 시스템 모델을 도시하는 도면,
도 5 는 도 4 의 6 개의 실린더 엔진에 대한 1/2, 1, 3/2 차수에 대한 식별된 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 6 은 1/2 차수에 대한 예측되는 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 7 은 가요성 커플링의 예측되는 강성을 도시하는 도면,
도 8 은 1/2 및 1 차수에 대한 예측되는 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 9 는 예측되는 감쇠값의 전개를 도시하는 도면,
도 10 은 1/2 차수에 대한 시험된 6 개의 실린더 엔진의 식별된 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 11a 는 20% 엔진 부하에서 1/2 차수에 대한 예측되는 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 11b 는 50% 엔진 부하에서 1/2 차수에 대한 예측되는 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 12 는 1/2 및 1 차수에 대한 예측되는 위상각 다이어그램을 도시하는 도면,
도 13 은 엔진상의 가요성 커플링의 강성 및 감쇠의 예측 결과를 도시하는 도면,
도 14 는 내연 기관의 회전 시스템에서 동적 특성을 모니터링하는 모니터링 시스템의 일 실시형태의 도면,
도 15 는 플라이휠 및 로터로부터 수용되는 예시적인 측정 결과를 나타내는 도면, 및
도 16 은 모니터링 방법의 실시예를 도시하는 순서도.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하 보다 완전히 설명되지만, 본원의 전체 실시형태가 아니라 일부 실시형태를 도시한다. 실제로, 본원은 다양한 상이한 형태로 실현될 수 있고 또한 본원에 기재된 실시형태에 한정되는 것은 아니며; 오히려, 상기 실시형태는 본원의 개시가 적용가능한 법적 요건을 만족시키도록 제공된다.
내연 기관의 기초적인 동역학
이 부분에서, 내연 기관의 기초적인 동역학을 설명한다. 내연 기관의 크랭크샤프트의 모달 파라미터의 식별도 또한 제공된다.
엔진 시스템을 2 개의 질량 덩어리 모델로서 설명하기 위해 도 1 을 참조하면 된다. 엔진 시스템, 예를 들어 대형 중속 엔진-발전기 세트의 주 동적 거동은, 일반적으로 도 1 에서 2 개의 질량 덩어리 모델로 나타낼 수 있다. 본원에서 J1 및 J2 는 엔진 및 발전기 각각의 관성을 나타내고, K1 및 K2 는 엔진 및 부하 그리고 부하 및 그리드 사이의 강성을 나타내며, C1 및 C2 는 엔진 및 로터 그리고 로터 및 그리드 사이의 점성 감쇠를 나타내고, D1 은 엔진의 마찰을 나타낸다.
도 1 에 도시된 진동 시스템은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00001
여기에서,
Figure 112011083887808-pct00002
및
Figure 112011083887808-pct00003
는 플라이휠 및 부하 각각의 각 위치를 나타내고,
Figure 112011083887808-pct00004
및
Figure 112011083887808-pct00005
는 그 각 속도를 나타내며,
Figure 112011083887808-pct00006
및
Figure 112011083887808-pct00007
는 각 가속도를 나타내고, ML(t) 는 가요성 커플링의 부하측에 영향을 주는 외부 부하 토크를 나타내며, MG(t) 는 연료 주입에 따른 가스 토크를 나타낸다. 점성 감쇠는 다음과 같이 강성의 함수로 나타낼 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00008
여기서, ωn 은 공명 주파수를 나타내고, κ 는 상대 감쇠 계수를 나타낸다.
도 2 에서, 1/2, 1 및 3/2 차수에 대한 위상각 다이어그램은 6 개의 실린더 엔진에 대하여 도시된다. 내연 기관에 대해서, Ncyl/2 최저 주파수는 실린더-방향의 토크 기여도를 결정하도록 분석될 필요가 있고, 여기에서 Ncyl 는 실린더의 개수이다.
이는, 엔진의 엔진- 및 차수- 특정 위상각 다이어그램에 의해 주파수-도메인으로 실시될 수 있다. 도 2 에서, 1/2, 1 및 3/2 차수에 대한 위상각 다이어그램은, 1-5-3-6-2-4 의 점화 순서 (firing order) 를 가진 6 개의 실린더 엔진에 대하여 도시된다. 위상각 다이어그램은 실린더의 상사점 (TDC) 에 대하여 회전됨을 알아야 한다.
내연 기관에 대하여, 질량의 회전 거동은 별도 세트의 주파수로 이루어지고 또한 4 행정 엔진에 대하여, 관련된 각 주파수 세트는 ωp = 2πfp, p = 0, 1/2, 1, 3/2,..., f 는 회전 주파수이다. 숫자 p 를 통상적으로 주파수 차수라고도 한다. 도 2 에서 볼 수 있는 바와 같이, 차수 각각은 실린더의 TDC 에 대하여 특정 위상 φp 을 가진다.
도 3 에서, 측정된 가스 토크 (51) 및 이러한 토크의 3 개의 최저 토크 차수 (52, 53, 54) 가 도시되어 있고, 여기서 크랭크 각 0 도는 실린더의 TDC 에 대응한다. 도면 부호 52 는 토크 차수 1/2 를 나타내고, 도면 부호 53 은 토크 차수 1 를 나타내며, 도면 부호 54 는 토크 차수 1½ 를 나타낸다. 위상 φp 은 실린더의 현재 부하 및 점화 타이밍에 의해 어느 정도 영향을 받는다. 하지만, 실린더 밸런싱과 연계하여, φp 는 일정한 것으로 가정될 수 있다.
이하, 엔진 모델과, 이 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 추측하도록 가요성 커플링의 부하측 및 플라이휠의 각 속도의 측정을 사용하는 것을 내포한다. 실린더-방향의 연료 주입 주기 및 중첩된 진동 토크의 분석을 조절하여 시스템 동역학을 유발시킴으로써, 고려되는 차수 세트의 엔진-특정 위상각 다이어그램이 식별될 수 있다. 최저 토크 차수의 φp 에 대한 지식을 더 사용하여, 가요성 커플링의 동역학이 또한 식별된다.
파라미터 예측
크랭크샤프트 시스템의 모델 (도 1 참조) 은 사인 및 코사인 성분으로 다음과 같이 M 의 주파수 ωp 에 대하여 수정될 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00009
여기서 Φ1 및 Φ2 는 각각
Figure 112011083887808-pct00010
및
Figure 112011083887808-pct00011
의 퓨리에 시리즈이다.
크랭크 기구 및 피스톤의 진동 질량으로 인한 질량 토크
Figure 112011083887808-pct00012
는 공지되어 있고 또한 보상될 수 있다. 간단하게 하기 위해서, 질량 토크는 결과적으로 생략될 것이다. 가스 토크 M(ωp) 는 다음과 같이 연료 주입 주기 벡터 u 의 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00013
여기서 ap 및 bp 는 차수 p 의 위상각 다이어그램의 벡터와 관련된 실제 및 가상의 평가된 벡터이다. 상기 (3) 및 (4) 를 조합하고 또한 상기 식을 사인 및 코사인으로 별개로 재편성함으로써, 이하의 식을 얻게 된다.
Figure 112011083887808-pct00014
상기 엔진의 질량 관성 모멘트 J1 는 흔히 공지된 파라미터이고 또한 크랭크 기구 및 피스톤의 형상 및 질량으로부터 산출될 수 있다. 퓨리에 시리즈 Φ1 및 Φ2 는 측정된 각 속도의 퓨리에 시리즈를 산출함으로써 결정될 수 있다. 저주파수에 대하여, 크랭크샤프트는 통상적으로 벡터 ap 및 bp 가 공칭값에 근접함을 암시하는 강체 (rigid) 인 것으로 가정될 수 있다. 하지만, 고 진동 주파수에 대해서는 편차가 나타나기 시작할 것이다.
가요성 커플링 제조사는 통상적으로 커플링의 강성 및 점성 감쇠에 대한 값을 제공해주고, 커플링의 공칭값은 20% 까지 변할 수 있다. 추측된 토크 차수에 대한 불확실성으로 인한 영향은, 시스템의 동역학 및 고려되는 주파수에 따른다.
엔진-발전기 세트에 대하여, 가요성 커플링의 부하측 회전은, 주로 플라이휠의 회전 거동에 종속되고, 이는 Φ1 및 Φ2 가 선형으로 종속되고 또한 그리하여 파라미터 K1, C1, ap 및 bp 는 유일하게 식별될 수 없다는 것을 암시한다.
식 (6) 및 (7) 은 선형 회귀 모델 (linear regression model) 로서 기술될 수 있음을 가정한다.
Figure 112011083887808-pct00015
여기서, y 는 출력이고, θp 는 차수 p 에 대한 파라미터 벡터이며, x 는 입력 벡터 또는 회귀자 (regressor) 이다. 온라인 파라미터 식별은, 이하, 최소 평균 자승 (least-mean squares) 을 사용하여 또는 재귀적으로 지수를 무시한 재귀 최소 자승 (recursive least-squares) 또는 칼만-필터 (Kalman-filter) 를 사용하여 실시되어, 실제 성분 및 가상 성분을 별도로 업데이트할 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00016
칼만 필터 게인 (gain) 은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011083887808-pct00017
여기서, 공분산 매트릭스 (covariance matrix) 는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011083887808-pct00018
여기서, Rp 는 측정된 노이즈 변수이고, Qp 는 프로세스 노이즈의 공분산 매트릭스이다.
파라미터 예측 - 위상각 다이어그램의 예측
가요성 커플링의 동역학이 충분히 잘 공지되어 있다면, 연료 연소에 의해 유발되는 차수의 위상각 다이어그램은 각 속도의 측정으로부터 식별될 수 있다. 그리하여, 문제는 고려되는 차수 세트의 위상각 다이어그램의 진폭 및 위상을 예측하게 된다. 선형 회귀 모델은 다음과 같이 공지된 출력 신호로 배열될 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00019
Figure 112011083887808-pct00020
회귀자는 다음과 같다.
Figure 112011083887808-pct00021
파라미터 예측 - 커플링의 강성 및 위상각의 예측
상기 부분에서의 목적은 가요성 커플링의 강성 K1 및 차수 세트의 위상각 다이어그램을 예측하는 것이다. 출력 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011083887808-pct00022
회귀자는 다음과 같다.
Figure 112011083887808-pct00023
회귀 모델 (16) ~ (19) 에 대해서 유일한 해결책이 발견될 수 없기 때문에, 자유도를 증가시키기 위해서는 더 많은 정보가 추가되어야 한다.
TDC 에 대하여 위상각 다이어그램을 회전시키는 차수-방향의 위상 지연 φp 을 상기해보면 된다. 크랭크샤프트가 소정의 토크 차수 주파수에 대하여 충분히 강체이고 완벽한 크랭샤프트 모델임을 가정하면, 예측되는 위상각 다이어그램은 φp 에 따라 회전될 것이다. K1 및 C1 에서의 불확실성이 주어지면, 예측되는 가스-토크 차수의 크기 및 위상은 영향을 받게 될 것이고 또한 식별된 위상각 다이어그램에 추가의 회전 성분을 부과할 것이다. 그 결과, 낮은 토크-차수에 대하여, 자유도를 증가시키기 위해서, 식별된 위상각 다이어그램의 벡터 위상은 공칭값으로 고정될 수 있다. 또한, 단지 하나의 자유도가 추가되면, 가요성 커플링의 점성 감쇠는 식 (3) 에 따라서 K1 의 예측값에 기초하여 산출될 수 있음을 가정해야 한다.
가요성 커플링의 강성 및 위상각 다이어그램의 식별이 가능하도록, a) 위상 지연 φ1/2 은 공지되어 있고 또한 b) 가요성 커플링의 상대 감쇠 인자 κ 는 충분히 잘 공지되어 있음을 가정한다. 즉, a1/2 및 b1/2 값은 a1/2 = cos (vign) 및 b1/2 = sin(vign) 으로 결정될 수 있고, 여기서 vign 은 실린더의 점화 각 벡터이다.
파라미터 예측 - 커플링의 점성 감쇠와 강성 및 위상각 다이어그램의 예측
가요성 커플링의 점성 감쇠를 예측하기 위해서, 추가의 자유도가 제공될 필요가 있다. 이는 1 ~ φ1 차수의 위상각 다이어그램의 회전을 추가로 고정시킴으로써 달성된다. 그리하여, 상기 목적은 가요성 커플링의 감쇠 C1, 강성 K1, 및 위상각 다이어그램을 예측하는 것이다. 출력 신호는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011083887808-pct00024
회귀자는 다음과 같다.
Figure 112011083887808-pct00025
시뮬레이팅 및 실험 결과
상기 부분에서 초기에 제안된 제안된 파라미터 예측 방법은 시뮬레이션 및 실물 크기의 엔진 실험에서 평가된다.
시뮬레이팅된 실시예
시뮬레이션 결과는, 도 4 를 참조하여, 11 개의 질량으로 이루어진 질량 덩어리 모델을 사용하여 모델링된 6 개의 실린더 엔진에 대하여 나타난다. 도 4 에서, EN 은 엔진을 나타내고, CR1 및 CR6 는 실린더 각각의 위치에 영향을 주는 질량을 나타내며, FW 는 플라이휠을 나타내고, GN 은 발전기를 나타낸다. 시뮬레이션은 40% 엔진 부하에서 실되었다. 각속도 측정은 속도 신호의 4% 에 대응하는 표준 편차를 가진 화이트 노이즈 (white noise) 를 받는 것으로 가정되었다. 반복마다, 여러 번의 공전 (revolutions) (30 번의 공전) 으로 이루어지는 세그먼트가 측정되었다.
제 1 시뮬레이션에서, 상기 부분 - 위상각 다이어그램의 예측에서 나타나는 회귀 모델은 3 개의 최저 토크 차수의 위상각 다이어그램을 식별하는데 사용된다.
도 5 에서, 1/2, 1 및 3/2 차수에 대한 식별된 위상각 다이어그램은 36 번의 반복 후에 도시된다.
상기 식별된 위상각 다이어그램은 도 2 에서 공칭 다이어그램과 유사한 것으로 관찰될 수 있다. 공칭값 및 식별된 값 사이의 평균 실린더-방향의 각 불일치는, 표준 편차에 따라서 표 1 에 나타내어진다.
Figure 112011083887808-pct00026
제 2 시뮬레이션 실험에서, 3.2 부분에 주어진 회귀 모델이 평가되었다. 가요성 커플링의 강성 K1 및 1/2 차수의 위상각 다이그램을 식별하는 것을 내포한다. 3.2 부분에서의 설명 이후에, 위상각 다이어그램 벡터를 실린더의 TDC 에 대하여 φ1/2 의 공칭값으로 고정시키는 것을 가정할 수 있다. 고차수의 위상각 다이어그램 벡터의 진폭 및 위상은 이하의 부분 - 위상각 다이어그램의 예측에서 생략될 수 있음을 함축적으로 이해할 것이다.
1/2 차수의 식별된 위상각 다이어그램은 도 6 에 도시된 시뮬레이션 실험에 대하여 도시되었다. 제 1 시뮬레이션 실험과는 반대로, 파라미터는 본원에서 칼만 필터를 사용하여 재귀적으로 식별되어 K1 에서의 변경을 검출하는 방법의 온라인 특성을 나타낸다. 도 6 에서, 1/2 차수의 식별된 위상각 다이어그램은 시뮬레이션 실험에 대하여 도시된다. 식별된 위상각 다이어그램은 1/2 차수에 대한 공칭 위상각 다이어그램에 대응함을 발견할 수 있다.
도 7 에서, K1 의 실제값 (실선) 및 예측값 (점선) 의 전개가 도시되어 있다. 시뮬레이션 동안, 10 및 40 번의 반복시 파라미터 K1 의 값에서 각각 실시되는 -10 및 +20% 의 단계 변경이 있다. 도 7 에서, K1 의 실제값 및 예측값의 전개가 도시되어 있다. 예측된 K1 은 실제값에 수렴하고 또한 커플링 동역학에서 시뮬레이팅된 변경을 잘 따름을 알 수 있다.
도 8 에서는, 식별된 위상각 다이어그램이 공칭 다이어그램과 유사한 것을 나타낸다.
제 3 최종 시뮬레이션 실험에서, 1/2 및 1 차수의 위상각 다이어그램 뿐만 아니라 가요성 커플링의 강성 및 감쇠가 식별된다. 상기 부분 - 커플링의 점성 감쇠 및 위상각 다이어그램의 예측에서 설명된 바에 따르면, 1/2 및 1 차수의 위상각 다이어그램의 위상은 공칭값으로 고정된다. 도 8 에 도시된 위상각 다이어그램의 최소 자승 크기 예측에서는, 식별된 위상각 다이어그램이 공칭 다이어그램과 유사한 것을 나타낸다.
도 9 에서, K1 및 C1 의 예측 값 (실선) 의 전개가 나타나 있고 또한 공칭값 (점선) 에 비교된다. 커플링의 감쇠 및 강성의 예측값은 실제값에 또한 수렴한다.
엔진 시험
도 10 의 엔진 시험에서, 1/2 차수에 대한 식별된 위상각 다이어그램은 50% 엔진 부하에 대하여 도시되었다.
시뮬레이션 이외에, 6 개 실린더의 커먼-레일 엔진에서 실시되는 실측 크기의 엔진 평가 실험이 실시되었다. 엔진은, 가요성 커플링을 통하여, 핀란드산 그리드 (Finnish national grid) 에 전기를 생성하는 동기 발전기에 연결되었다. 플라이휠의 각 속도를 측정하는데에는 유도성 픽업 (inductive pickup) 을 사용하였고, 반면 발전기의 각 속도는 회전당 360 펄스를 제공하는 인코더에 의해 측정되었다. 이러한 펄스 트레인은 질량 각각의 각 편향에 비례하는 전압 신호로 변환되었다. 신호는, 내셔널 인스트루먼트 데이터 획득 카드 및 DASYLab 이 장착된 PC 를 사용하여 회전당 360 개의 샘플 (대략 3 kHz) 에 대하여 샘플링되고 기록되었다. 반복마다, 30 번의 작동 사이클에 대하여 각 속도의 연속적인 측정 및 시간에서 하나의 실린더의 연료 주입 주기에서의 10% 변경을 포함한다.
제 1 엔진 시험에서, 1/2 차수의 위상각 다이어그램은 가요성 커플링의 제조사에 의해 제공되는 동역학을 사용하여 식별된다. 도 10 에서, 1/2 차수에 대한 식별된 위상각 다이어그램이 50% 엔진 부하에 대하여 도시되었다. 볼 수 있는 바와 같이, 위상각 다이어그램의 대칭성은 공칭 다이어그램에 대응한다.
도 11a 및 도 11b 에서, 1/2 차수의 식별된 위상각 다이어그램은 20 및 50% 엔진 부하에 대하여 36 번의 반복 후에 도시된다.
그 후에, 1/2 차수 위상각 다이어그램의 벡터 크기는 커플링의 강성 K1 (식 (1) 참조) 에 따라 식별되고, 상대 감쇠 계수 κ 는 제조사에서 주어진다. 도 11a ~ 도 11b 에서, 1/2 차수의 식별된 위상각 다이어그램은 20 및 50% 엔진 부하에 대하여 36 번의 반복 후에 도시된다. 강성 K1 의 최소 자승 예측은 50% 엔진 부하에 대하여 식별되었다.
마지막으로, 1/2 및 1 차수의 위상각 다이어그램의 벡터 크기 뿐만 아니라 커플링의 강성 K1 및 감쇠 C1 도 식별된다. 1/2 및 1 차수의 위상각 다이어그램의 예측된 크기는 도 12 에 도시되어 있고, 반면 식별되는 강성 및 감쇠의 전개는 도 13 에 주어져 있다. 예측되는 값은 실선으로 나타내고, 공칭값은 점선으로 나타내었다.
식별된 위상각 다이어그램은 대칭적이고 또한 공칭 위상각 다이어그램에 필적가능하다. 게다가, 예측되는 값은 정확성 공칭값으로부터 대략 5% 의 불일치로 매우 잘 수렴하고, 이는 매우 정확함을 알 수 있다.
도 14 에서는 모니터링을 실행하는 대표적인 시스템을 나타낸다. 내연 기관 (2) 은 엔진의 회전 시스템을 통하여 부하 (6) 에 연결된다. 측정 수단 (11, 12), 예를 들어 속도 센서는 커플링 (4) 의 각 측에 위치된다. 측정 수단은 각 속도를 결정하는데 적합한 측정 데이터를 제공한다. 여기에서, 측정 수단 (11) 은 플라이휠로부터 정보, 예를 들어 공전당 360 개의 펄스를 수신하도록 배열되고, 다른 측정 수단 (12) 은 샤프트에 연결된 로터 (5) 로부터 정보를 수신하도록 배열된다.
측정 수단 (11, 12) 으로부터의 측정 데이터는 수신 수단 (31, 32) 을 가진 제어 장치 (3) 에 수신된다.
제어 장치 (3) 는 모니터링 목적으로 형성된다. 제어 장치는, 크랭크샤프트에 연결된 트랜스미션 시스템의 동역학에 영향을 주도록, 조절 수단 (36) 에 의해, 내연 기관 (2) 의 실런더-방향의 (21) 연료 주입 (22) 을 변경한다.
제어 장치는, 각 속도 측정으로부터 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 식별하는 식별 수단 (33), 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 분석함으로써 상기 커플링의 동적 가요성 파라미터 값을 예측하는 예측 수단 (34) 을 구비한다. 크랭크샤프트의 진동 주파수마다 실린더 각각의 유효성은, 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 분석함으로써 결정된다.
제어 장치는 커플링의 상태를 나타내는 표시 수단 (37) 을 구비한다. 이러한 표시로는, 동적 파라미터 값 및 미리 정해진 기준 값 사이의 차가 미리 정해진 값을 초과하면 커플링 실패 경보 또는 알림일 수 있다.
또한, 본원의 모니터링 기능에 따라서 기능하도록 현재의 제어 장치를 변형할 수 있다. 이러한 변형은 상기 모니터링 기능을 제공하는 프로그램으로서 제어 장치를 실행할 수 있다.
도 15 에서는, 플라이휠 및 로터로부터 수신된 측정 결과의 예를 나타낸다. 다이어그램 둘 다는, 기준 신호 (41) (점선) 및 실런더 하나에서의 변경과 관련된 신호 (42) (실선) 사이의 차를 나타낸다.
도 16 에서는 모니터링 방법의 실시예를 나타내는 순서도이다. 커플링의 각 측에서의 각 속도는, 단계 110 및 단계 130 에서 측정되고 수신된다. 실린더-방향의 연료 주입의 조절은 단계 120 에서 실행된다. 진동 거동에서의 변경에 기초한 파라미터 예측은 단계 140 에서 실행된다. 엔진의 위상각 다이어그램은 단계 140 에서 결정될 수도 있다. 크랭크샤프트의 진동 주파수 각각에 대한 실린더 각각의 유효성을 예측하는 것은, 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 식별된 유효성을 분석함으로써 실행된다. 단계 150 에서, 예측된 파라미터가 수렴하는지를 결정한다 (170). 이러한 결정은 어떠한 횟수의 반복 (160) 후에 기초가 될 수 있다.
엔진 파라미터를 식별하는 주파수-도메인 방법은 6 개의 실린더의 6 MW 커먼-레일 엔진에서 실제 크기의 엔진 시험 및 시뮬레이선에서 전개되고 평가되었다. 실린더-방향의 연료 주입 주기를 적게 조절함으로써, 크랭크샤프트의 동역학은 가스 토크 차수의 위상각 및 가요성 커플링의 동역학을 예측하도록 충분히 유발된다. 상기 방법은, 특히 연료 연소 및 실린더 밸런싱을 모니터링하는 것과 관련하여 의도된 것이다.
본 발명은, 함축적으로 또는 명확하게, 어떠한 특징 또는 본원에 개시된 특징들의 조합, 또는 본원에서 청구되는 본원과의 관련성 유무에 상관없이 어떠한 개념을 포함할 수 있다. 전술한 설명에서, 본원의 관점내에서 다양한 변형을 할 수 있음이 당업자에게 명백하다.

Claims (8)

  1. 커플링 측 각각의 각 속도가 측정되는 (110, 130), 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링을 모니터링하는 방법으로서,
    - 내연 기관의 실린더-방향의 연료 주입을 변경함으로써 커플링의 동적 특성을 유발시키는 유발 단계,
    - 각 속도 측정으로부터 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 식별하는 식별 단계, 및
    - 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 분석함으로써, 상기 커플링의 동적 파라미터 값을 예측하는 예측 단계를 포함하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 동적 파라미터 값을 미리 정해진 기준 값에 비교하는 비교 단계, 및
    - 상기 동적 파라미터 값 및 미리 정해진 기준 값 사이의 차에 기초하여, 상기 커플링의 상태를 표시하는 표시 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유발 단계, 상기 식별 단계, 상기 예측 단계, 및 상기 비교 단계는 반복되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동적 파라미터는 커플링의 강성값을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가요성에 대한 동적 파라미터는 커플링의 강성 값 및 점성 감쇠 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더-방향의 연료 주입의 변경은 1 개 이상의 다른 실린더로의 연료 주입의 변경으로 보상되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 방법.
  7. 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링을 모니터링하는 시스템으로서,
    - 각 속도 데이터를 측정하도록 커플링 측 각각에 있는 측정 수단 (11, 12), 및
    - 각 속도 데이터를 수신하는 제어 유닛 (3) 을 포함하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 시스템에 있어서,
    상기 제어 유닛 (3) 은,
    - 내연 기관의 실린더-방향의 연료 주입을 변경함으로써 커플링 (4) 의 동적 특성을 유발시키고,
    - 각 속도 데이터로부터 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 식별하며,
    - 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 분석함으로써, 상기 커플링의 동적 파라미터 값을 예측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링 시스템.
  8. 내연 기관의 회전 시스템에서 커플링 (4) 을 모니터링하는 제어 유닛으로서,
    - 커플링 측 각각에서 측정되는 각 속도 데이터를 수신하는 수신 수단 (31, 32) 을 포함하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링용 제어 유닛에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    - 내연 기관 (2) 의 실린더-방향의 (21) 연료 주입 (22) 을 변경하도록 배열되는 조절 수단 (36),
    - 각 속도 데이터로부터 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 식별하는 식별 수단 (33), 및
    - 미리 정해진 엔진 및 트랜스미션 시스템 파라미터와 조합하여 상기 플라이휠에 가해진 중첩된 진동 토크를 분석함으로써, 상기 커플링의 동적 가요성 파라미터 값을 예측하는 예측 수단 (34) 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 회전 시스템에서의 커플링의 모니터링용 제어 유닛.
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