KR101927786B1 - 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법은 크랭크샤프트의 회전 시 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 1사이클 동안 순차적으로 0과 1로 인식하도록 설정하는 단계; 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계; 및 판별결과에 따라 상기 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는 단계;를 포함한다.

Description

대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법{METHOD FOR COLLECTING 1 CYCLE DATA FOR OUTPUT MEASUREMENT AND COMBUSTION ANALYSIS OF LARGE-SIZED LOW-SPEED 4 STROKE ENGINE}

본 발명은 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법으로서, 더욱 상세하게는 선박 등에 적용되는 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 동안의 데이터를 수집할 수 있는 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박엔진 모니터링 장치는 선박엔진의 유지관리를 위해서 필수 장비로 대두되고 있다. 특히, 선박엔진 모니터링 장치는 엔진의 정밀하고 정확한 측정을 위하여 측정 오차를 최소화하는 기술이 필수적으로 요구되고 있으며, 이를 위하여 다양한 계측기술이 개발된 바 있다.

선박엔진 모니터링 장치의 계측기술로는 선박 기관의 출력을 측정하기 위한 지압계측기가 대표적이며, 이러한 지압계측기는 기계식 방식과 전자식 방식이 있다.

기계식 지압계측기는 기존 선박에서 보편화 되어 사용되어 왔으며, 엔진의 테스트 콕(Test Cock)에 장착되어 연소실의 압력을 종이 위에 그리고, 그 면적을 플라니메타라는 계측자로 계산하여 계측을 수행한다. 그러나, 기계식 지압계측기의 경우, 측정하는 사람의 숙련도와 계측자의 오차로 인하여 실제 엔진의 상태와 계측결과 간에 약 10% 내외의 오차가 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 근래에는 기계식 지압계측기의 단점이 보완된 전자식 지압계측기가 주로 이용되고 있는 추세이다.

전자식 지압계측기는 기계식 지압계측기와는 달리 디지털 장비를 통해 엔진의 한 사이클 동안의 압력을 샘플링(Sampling)하여 체적선도를 그리고, 그 면적을 자동으로 계산하여 선박 기관의 출력을 측정한다.

그러나, 상기한 지압계측기는 주로 대형 저속 2행정 엔진의 출력을 계측하는데 최적화되어 있으며, 이로 인해 대형 저속 4행정 엔진의 출력을 측정 하는데 어려움이 있었다.

즉, 종래에는 대형 저속 4행정 엔진의 연소상태 및 출력 등을 계측하기 위한 별도의 계측장비가 개발되지 않았고, Pmax 게이지나 엔진 측에 장착된 각종온도계 및 압력게이지를 이용하여 엔진의 상태를 진단해야 함에 따라, 정확한 엔진의 연소상태 및 출력을 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클은 흡입, 압축, 폭발(팽창), 배기의 4행정이 크랭크샤프트의 2회전 동안 이루어진다. 따라서 1사이클이라 함은 흡입행정에서 시작하여 압축, 폭발, 배기 행정을 수행한 뒤 다시 흡입 행정의 시작 까지를 1사이클이라 한다. 이러한, 1사이클 동안 2번의 TDC(상사점, Top Dead Center)가 오게 되며, 2개의 TDC는 흡·배기 TDC 및 압축 TDC(압축·폭발 TDC)라 한다.

따라서 각도센서를 장착하여 데이터를 수집함에 있어 대형 저속 2행정 엔진은 기준 실린더에 Z펄스를 세팅하면 폭발순서에 따라 TDC와 BDC(하사점)가 결정되기 때문에 1사이클의 데이터 수집이 수월한 반면, 대형 저속 4행정 엔진은 1사이클의 데이터를 수집하는데 있어서 각도센서의 Z펄스가 2번 발생하기 때문에 기준이 되는 Z펄스를 찾기 어렵고, 항상 변함없이 일정한 데이터를 수집하기 어려운 문제점이 있었다.

아울러, 정확한 출력과 연소해석을 위해서는 1사이클의 데이터를 수집하는 것이 무엇보다 중요하고, 특히, TDC오차 1도는 출력오차를 10% 유발하기 때문에 반드시 정확한 데이터 수집이 무엇보다 중요하다.

한국공개특허공보 제10-2015-0064837호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대형 저속 4행정 엔진에 대한 정확한 1사이클 데이터를 획득함으로써, 정확한 엔진의 연소분석 및 출력측정이 가능할 수 있는 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법은 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법으로서, 크랭크샤프트의 회전 시 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 1사이클 동안 순차적으로 0과 1로 인식하도록 설정하는 단계; 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계; 및 판별결과에 따라 상기 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는 단계;를 포함한다.

상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계는, 수집된 상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터 중 최초 수집된 연소압력 데이터를 미리 설정된 기준압력과 비교하여 상기 신호발생 지점의 TDC를 압축 TDC 또는 흡·배기 TDC로 판단할 수 있다.

상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계는, 상기 최초 수집된 연소압력 데이터가 상기 기준압력 이상일 경우 압축 TDC로 판단할 수 있다.

상기 판별결과에 따라 상기 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는 단계는, 상기 신호발생 지점의 TDC가 흡·배기 TDC일 경우, 상기 각도센서의 신호 설정 순서를 유지하여 상기 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하고, 상기 신호발생 지점의 TDC가 압축 TDC일 경우, 상기 각도센서의 신호 설정 순서를 변경하여 변경된 상기 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 대형 저속 4행정 엔진에 대한 정확한 1사이클 데이터를 획득함으로써, 정확한 엔진의 연소분석 및 출력측정이 가능할 수 있다.

또한, 압축 TDC, 각도센서의 Z펄스 세팅, 초기 검출압력 비교 등과 같이 다양한 방법을 통하여 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 획득 가능함에 따라, 획득한 1사이클 데이터를 서로 비교하여 정확도를 판단할 수 있고, 이를 통해 작업의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래에 비하여 상대적으로 간편한 방법으로 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 획득 가능하여, 작업자의 편의성 및 작업성을 향상시킬 수 있음은 물론, 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터 획득을 위한 타 장비의 사용을 배제함으로써 비용을 절감할 수 있다.

또한, 정확한 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 제공함에 따라, 엔진의 출력측정과 연소해석을 수행할 수 있고, 이를 통해 각 실린더의 연료의 점화시점과 분사시점, 실린더 별 연료분사량, 노킹, 후 연소 및 터보차저 매칭관계 등을 정확히 파악할 수 있으며, 나아가 최적연소를 위한 솔루션을 제공하여 연료의 분사시점, 연료분사량 및 터보차저 매칭 등을 필요에 따라 선택적으로 조정하고, 연소를 최적화 하여 엔진의 수명 및 연료소비효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 는 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력을 나타낸 선도이다.
도 3의 (a)는 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률을 나타낸 선도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 “A” 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3의 (a)에 대한 선도를 크랭크샤프트의 회전 각도를 기준으로 나열한 선도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이다.
도 6의 (a)는 각도센서의 펄스를 나타낸 도면이고, 도 6의 (b)는 각도센서의 분해능 및 크랭크 각도에 관한 표를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)는 1사이클 동안 압축 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이고, 도 7의 (b)는 1사이클 동안 흡·배기 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이다.
도 10의 (a)는 1.5사이클 동안 흡·배기 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도 별 연소압력을 나타낸 선도이고, 도 10의 (b)는 1.5사이클 동안 압축 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도 별 연소압력을 나타낸 선도이다.
도 11은 대형 저속 4행정 엔진의 연소분석을 수행하는 대형 저속 4행정 엔진의 연소분석장치를 통해 생성된 측정결과를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

그밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법(이하 ‘1사이클 데이터 수집방법’이라 함)은 선박 등에 적용되는 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 동안의 데이터를 수집할 수 있는 1사이클 데이터 수집방법으로서, 본 1사이클 데이터 수집방법은 1사이클 동안의 대형 저속 4행정 엔진의 연소분석 및 출력측정을 수행할 수 있는 연소분석장치(미도시)를 통해 수행된다.

연소분석장치(미도시)는 복수개의 센서부를 포함할 수 있다.

복수개의 센서부는 각 실린더의 개별 압축압력 및 연소압력에 관한 신호를 검출하는 압력센서 및 크랭크샤프트의 회전 각도에 관한 신호를 검출하는 각도센서를 포함할 수 있다.

압력센서는 엔진(E/G)의 테스트 콕(Test Cock, 미도시)에 설치되어 엔진에 복수로 구비된 각 실린더의 개별 연소압력을 검출할 수 있다. 그리고, 압력센서는 후술할 연소분석부와 전기적으로 연결되어 검출된 실린더의 개별 연소압력에 관한 신호를 연소분석부로 전달할 수 있다.

각도센서는 엔진의 크랭크샤프트의 단부에 설치되어 크랭크샤프트의 회전 각도를 검출하고, 연소분석부와 전기적으로 연결되어 검출된 크랭크샤프트의 회전 각도에 관한 신호를 연소분석부로 전달할 수 있다. 그러나, 각도센서는 반드시 엔진의 크랭크샤프트의 단부에 설치되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 크랭크샤프트와 함께 크랭크샤프트에 대하여 일정 비율로 회전하는 회전체(예컨대, 캠샤프트 등)에 설치될 수도 있다. 또한, 각도센서는, 대형 저속 4행정 엔진을 발전기용 엔진으로 사용할 경우 엔진의 플라이휠 측에 설치되고, 대형 저속 4행정 엔진을 주기관용 엔진으로 사용할 경우 엔진의 플라이휠 반대편 측에 설치될 수 있다. 그리고, 각도센서의 Z펄스(1회전에 1회 펄스를 발생하는 신호)는 미리 설정된 기준 실린더의 실제 TDC와 일치될 수 있다. 여기서, 기준 실린더는 크랭크샤프트와 연결되어 엔진의 구동 시 첫번째로 폭발을 일으키는 1번 실린더를 의미할 수 있다. 그리고, 실제 TDC란 다이얼 게이지로 피스톤을 측정할 경우, 피스톤이 상사점의 위치에 도달하여 다이얼 게이지의 움직임이 멈춘 순간과, 다시 다이얼 게이지의 움직임이 시작되는 순간 사이의 중심 지점을 의미할 수 있다. 참고로, 실제 TDC는 엔진의 플라이휠에 마크되어 있다. 예컨대, 각도센서는 미리 설정된 분해능을 갖는 엔코더(encoder)로 적용될 수 있다.

한편, 상술한 복수개의 센서와 연소분석부 사이에는 각 센서로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터(미도시)가 더 구비될 수 있다.

또한, 본 연소분석장치는 연소분석부를 포함할 수 있다.

연소분석부는 복수개의 센서와 전기적으로 연결되어 각 센서로부터 검출된 각 실린더의 개별 연소압력에 관한 신호 및 크랭크샤프트의 회전 각도에 관한 신호를 입력받고, 입력받은 각 신호로부터 엔진의 한 사이클 동안의 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 수집할 수 있다.

또한, 연소분석부는 수집한 데이터를 미리 설정된 수식에 대입하여 각 실린더에 대한 연소실체적 및 압력변동률을 분석하고, 이를 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력, 각 실린더에 대한 연소실체적별 연소압력 및 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률에 관한 복수개의 선도(graph)로 나타낼 수 이다.

이하에서는 연소분석부를 통해 분석된 각 분석항목 및 선도에 대하여 더 자세히 설명한다.

도 11은 대형 저속 4행정 엔진의 연소분석을 수행하는 대형 저속 4행정 엔진의 연소분석장치를 통해 생성된 측정결과를 나타내는 도면이다.

도 11을 참조하면, 연소분석부는 크랭크샤프트의 회전 각도를 측정하는 각도센서의 A 또는 B펄스 신호를 트리거(trigger)로 하여 엔진의 한 사이클 동안의 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 수집하고, 이를 X축에 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도를 나타내고 Y축에 회전 각도에 따른 연소압력을 나타내는 Pθ 선도로 나타낼 수 있다. 참고로, 크랭크샤프트는 엔진의 한 사이클 당 360도의 각도로 회전하도록 설정될 수 있다.

그리고, 연소분석부는 미리 설정된 수식을 이용하여 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소실체적을 계산하고, 이를 각 실린더에 대한 연소실체적별 연소압력을 나타내는 PV 선도로 나타낼 수 있다. 참고로, 연소실체적, 즉, PV 선도에서의 면적은 실린더의 출력(도시마력)을 의미할 수 있다. 따라서, 각 실린더의 출력의 총 합은 엔진의 출력을 의미할 수 있다.

또한, 연소분석부는 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률을 계산하고, 이를 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률을 나타내는 dP 선도로 나타낼 수 있다.

즉, 연소분석부는 Pθ 선도에서 확인이 어려운 미세한 압력의 변화를 확인하기 위하여, 미리 설정된 수식을 이용하여 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력 값을 미분하고, 이를 dP 선도로 나타낼 수 있다.

한편, 연소분석부는 각 센서부로부터 수집한 데이터를 미리 설정된 수식에 대입하여 각 실린더에 대한 열발생률 및 연소가스 온도를 더 분석하고, 이를 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 열발생률 및 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소가스 온도에 관한 복수개의 선도로 나타낼 수 있다.

더 자세하게는, 연소분석부는 미리 설정된 수식을 이용하여 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 열발생률을 계산하고, 이를 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 열발생률을 나타내는 열발생률 선도로 나타낼 수 있다.

그리고, 연소분석부는 미리 설정된 수식을 이용하여 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소가스 온도를 계산하고, 이를 각 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소가스 온도를 나타내는 연소가스 온도 선도로 나타낼 수 있다.

즉, 연소실에서 일어나는 연소의 과정은 아주 짧은 시간에 일어나기 때문에 현존하는 온도계로는 연소실의 연소가스 온도를 측정하는 데는 한계가 있다. 따라서 연소분석부는 이상기체 상태방정식을 이용하여 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소가스 온도를 계산할 수 있다.

또한, 연소분석부는 생성한 복수개의 선도 중 적어도 둘 이상의 선도를 해석하여 엔진의 연소상태를 판단할 수 있다.

더 자세하게는, 연소분석부는 복수개의 선도 중 적어도 둘 이상의 선도를 해석하여 각 실린더별 연료의 공연비 상태, 각 실린더별 연료의 연료분사 상태, 각 실린더별 연료소모 상태, 각 실린더별 연료량 상태, 엔진의 노킹 상태, 각 실린더의 후연소 상태 및 실린더들 간의 연소최고압력의 일치 여부 중 적어도 하나에 관한 엔진의 연소상태를 판단할 수 있다.

또한, 연소분석부는 복수개의 선도와 함께, 적어도 하나의 분석데이터를 포함하는 표를 더 나타낼 수 있다.

*도 11을 참조하면, 연소분석부는 엔진의 출력을 측정한 후, 측정 결과를 각 실린더에 대한 엔진의 회전수(rpm), 압축최고압력(Pcomp), 연소최고압력(Pmax), 연소최고압력의 크랭크각도 위치, 평균유효압력(IMEP: Indicated Mean Effective Pressure), 지시마력(IHP: Indicated Horse Power), 제동마력(BHP: Brake Horse Power), 열발생률(ROHR: Rate Of Heat Release) 및 연료소모량(SFC: Specific Fuel Consumption) 중 적어도 어느 하나의 데이터를 포함하는 표로 나타낼 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법 에 대하여 설명하기로 한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법을 설명하기 위한 각 구성에 대해서는 설명의 편의상 상술한 연소분석장치를 설명하면서 사용한 도면부호를 동일하게 사용하고, 동일하거나 중복된 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 는 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력을 나타낸 선도이다. 또한, 도 3의 (a)는 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률을 나타낸 선도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 “A” 부분을 확대한 도면이며, 도 4는 도 2와 도 3의 (a)에 대한 선도를 크랭크샤프트의 회전 각도를 기준으로 나열한 선도이다.

도 1을 참조하면, 연소분석장치는 미리 설정된 기준 실린더의 연료를 차단하고, 기준 실린더로부터 압축압력 데이터를 수집하여 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력에 관한 선도를 생성한다(S110).

더 자세하게는, 연소분석장치는 미리 설정된 기준 실린더의 연료를 차단하고, 기준 실린더의 크랭크샤프트의 끝단에 별도의 세팅없이 장착된 각도센서로부터 무한정 검출된 압축압력에 관한 데이터를 수집하여 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력에 관한 선도를 생성한다. 이를 통해, 연소분석장치는 도 2에 도시된 바와 같이, X축에는 크랭크샤프트의 각도를 나타내고, Y축은 압력 값으로 전환되기 전의 디지털(Digital)값을 나타내는 선도를 확인할 수 있다. 참고로, 도 2의 선도에서 Y축의 실린더 압력은 공기만 압축한 압축압력의 디지털 값을 나타낸다.

여기서, 연소분석장치는 정확한 지점을 찾기 위해서 수집된 데이터의 노이즈를 제거할 수 있다. 예컨대, 연소분석장치는 노이즈를 제거하기 위하여 High/Low pass filter 회로를 구성하거나, 별도의 후처리 프로그램을 통하여 Smoothing 처리를 수행할 수 있다.

다음으로, 연소분석장치는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 기준 실린더로부터 수집된 압축압력 데이터를 크랭크샤프트의 회전 각도에 대하여 미분한 후, 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률에 관한 선도를 생성한다(S120).

다음으로, 연소분석장치는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률에 관한 선도로부터 압축 TDC의 위치를 검출하고, 검출된 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값을 저장한다(S130).

더 자세하게는, 연소분석장치는 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압력변동률에 관한 선도로부터 압축압력의 최고점(Pcomp)의 위치, 즉 dp/dθ=0가 되는 지점을 찾아 압축TDC의 정확한 위치를 검출하고, 이에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값을 저장한다. 예컨대, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 참조하면, 기준 실린더의 압축TDC는 186.6도에 위치함을 알 수 있다. 즉 이는 각도센서의 Z 펄스와 압축 TDC의 위치관계가 186.6도 차이를 두고 있는 것을 의미한다. 참고로, 대형 저속 4행정 엔진은 손실각을 무시하기 때문에 실제 TDC와 동일할 수 있다.

한편, 연소분석장치는 압축 TDC의 위치를 검출하고, 검출된 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값을 저장한 후, 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 각도 값을 옵셋(offset)하여 저장할 수 있다. 더 자세하게는, 연소분석장치는 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 각도 값을 계측한 후, 계측된 각도 값의 소수점 이하의 수를 옵셋(offset)시켜 저장할 수 있다. 예컨대, 도 3의 (b)에 도시된 기준 실린더의 압축TDC는 상술한 연소분석장치의 옵셋을 통해 186.6도에서 187도로 저장될 수 있다.

다음으로, 연소분석장치는 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값에 0.5 사이클에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값을 더하여 흡·배기 TDC의 시작위치를 결정한다(S140).

즉, 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값을 기준점 0도로 설정하고, 압축 TDC로부터 흡·배기 TDC로 전환되는 크랭크샤프트의 회전각도 값에 0.5사이클에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값 360을 더하여 흡·배기 TDC의 시작위치를 결정한다. 여기서, 대형 저속 4행정 엔진의 경우 1사이클 당 720도의 각도로 회전하도록 설정되므로, 0.5사이클은 360도를 의미한다.

따라서, 도 3의 (b) 및 도 4를 참조하면, 연소분석장치는 0으로 설정된 압축 TDC의 위치에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값 187에 0.5사이클에 해당하는 크랭크샤프트의 회전 각도 값 360을 더한 위치를 흡·배기 TDC의 시작위치로 결정한다. 즉, 연소분석장치는 각도센서의 A 펄스를 시작신호로 하여 데이터 수집 시작점이 되는 547도의 위치를 흡·배기 TDC의 시작위치로 결정한다.

다음으로, 연소분석장치는 흡·배기 TDC의 시작위치로부터 1사이클 동안의 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력을 수집한다(S150).

더 자세하게는, 연소분석장치는 TDC의 시작위치를 결정한 후, 결정된 TDC의 시작위치의 각도 값을 다시 옵셋 값을 통하여 보정 한 후, 보정된 TDC의 시작위치를 0도로 하여, 이후 각도부터 각도센서의 분해능에 따라 1사이클(720도) 동안의 기준 실린더에 대한 크랭크샤프트의 회전 각도별 압축압력을 수집한다.

참고로, 기준 실린더 외에 다른 실린더는 폭발순서에 따라 TDC의 위치가 결정되므로 폭발순서를 입력하여 TDC를 결정할 수 있다. 예컨대, 6실린더의 경우 폭발순서는 1-5-3-6-2-4 의 순서에 따라 120도 간격으로 TDC가 결정될 수 있다.

이에 따라, 엔코더의 Z 펄스 신호를 기준 실린더에 세팅하는 과정을 배제할 수 있고, 이를 통해 신속하고 정확한 1사이클 동안의 데이터를 수집할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이고, 도 6의 (a)는 각도센서의 펄스를 나타낸 도면이며, 도 6의 (b)는 각도센서의 분해능 및 크랭크 각도에 관한 표를 나타낸 도면이다. 또한, 도 7의 (a)는 1사이클 동안 압축 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이고, 도 7의 (b)는 1사이클 동안 흡·배기 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 작업자가 미리 설정된 기준 실린더의 TDC를 플라이휠의 TDC 마커에 위치시키고, 각도센서의 Z 펄스 신호를 기준 실린더의 TDC에 일치시킨다(S210). 참고로, 도 6의 (a)를 참조하면, 각도센서의 A, B펄스는 엔코더의 분해능을 나타내며, 데이터를 수집할 때 트리거 신호로 사용될 수 있다. 그리고, 이러한 트리거 신호는 크랭크각도가 될 수 있다. 즉, 도 6의 (b)에는 각도센서(엔코더)의 분해능과, 이에 환산되는 트리거 간의 각도 표시 및 1사이클을 완성하는 데이터 수를 나타내고 있다. 따라서, 360도를 분해능으로 나누면 트리거 신호에 대한 크랭크샤프트의 각도 간격이 되고, 이를 카운터 하면 크랭크샤프트가 움직인 각도가 될 수 있다.

예컨대, 각도센서의 Z 펄스 신호는 1회전에 1번 신호가 발생되도록 설정됨에 따라, 각도센서의 Z 펄스 신호가 상승에지(edge), 즉 5V가 될 경우, 선박에 구비된 제어장치(미도시)에 불이 들어오게 되고, 이를 통해 작업자가 각도센서의 Z 펄스 신호와 기준 실린더의 TDC간의 일치 여부를 확인할 수 있다. .

다음으로, 작업자는 연소분석장치를 통하여 각도센서의 Z 펄스 신호는 시작신호로 하고, 각도센서의 A 또는 B 펄스 신호를 트리거신호로 하여 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집한다(S220).

즉, 각도센서의 Z 펄스를 1번 실린더(기준 실린더)의 TDC에 맞추고, 각도센서의 A 펄스나, B 펄스를 트리거 신호로 하여 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집한다. 여기서, 각도센서의 B 펄스 신호는 90°±20 뒤에 상승에지가 오기 때문에 트리거로 이용할 때 옵셋 값을 0.25도로 설정할 수 있다. 그리고, 각 펄스 신호의 상승에지(up edge)를 시작신호와 트리거신호의 기준으로 삼으며, 하강에지를 기준으로 삼을 수 있다.

따라서, 연소분석장치는 위의 방법으로 수집된 데이터를 도 7의 (a) 및 (b)의 선도로 형성하고, 이를 순차적으로 정렬하여 1사이클 데이터를 수집할 수 있다. 예컨대, 연소분석장치를 통해 정렬된 복수개의 선도는 흡·배기TDC가 먼저 오고, 가운데 압축·폭발TDC가 오도록 정렬될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법을 설명한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이다.

도 8을 참조하면, 연소분석장치는 크랭크샤프트의 회전 시 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 1사이클 동안 순차적으로 0과 1로 인식하도록 설정한다(S310).

더 자세하게는, 연소분석장치는 크랭크샤프트의 회전 시 각도센서로부터 검출되는 두 개의 TDC 중 첫 번째 TDC에 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 0, 그리고 두 개의 TDC 중 두번째 TDC에 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 1로 인식하도록 설정한다. 따라서, 각도센서로부터 검출되는 신호는 0과 1이 무한 반복되며, 두 개의 TDC 중 어느 하나는 압축 TDC이고, 다른 하나는 흡·배기 TDC이다.

다음으로, 연소분석장치는 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별한다(S320).

더 자세하게는, 연소분석장치는 수집된 1사이클 동안의 연소압력 데이터 중 최초 수집된 연소압력 데이터를 미리 설정된 기준압력과 비교하여 신호발생 지점의 TDC를 압축 TDC 또는 흡·배기 TDC로 판단할 수 있다. 예컨대, 최초 수집된 연소압력 데이터가 기준압력 이상일 경우 연소분석장치는 신호발생 지점의 TDC를 압축 TDC로 판단할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 기준압력이라는 것은 소기압력과 압축압력을 구분하는 기준이 되는 압력을 의미하며, 대부분의 엔진에서 소기압력은 5bar미만이고, 디젤엔진의 압축비에 따른 압축압력은 대체로 20bar이상이 되므로, 이러한 압력의 값이 흡·배기 TDC와 압축 TDC를 구분하는 기준압력이 된다. 즉, 밀러 사이클(Miller cycle)을 사용하는 엔진은 소기압력이 더 높은 값으로 나타나기 때문에, 이 기준압력은 소기압력에 따라 조정 될 수 있다. 따라서, 오차를 줄이기 위해서 최초 수집된 연소압력 데이터 5~10개의 평균 값을 계산하고, 이 평균 값이 5bar 이하이면 흡·배기 TDC, 20bar 이상이면 압축 TDC로 판단할 수 있는 기준압력으로 결정할 수 있다. 그리고, 터보차저의 세팅과 압축비에 따라 기준압력의 범위는 조정 될 수 있다.

다음으로, 연소분석장치는 신호발생 지점의 TDC에 대한 판별결과에 따라 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집한다(S330).

더 자세하게는, 연소분석장치는 신호발생 지점의 TDC가 흡·배기 TDC일 경우, 각도센서의 신호 설정 순서를 유지하여, 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하고, 반대로 신호발생 지점의 TDC가 압축 TDC일 경우, 각도센서의 신호 설정 순서를 변경하여 변경된 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집할 수 있다.

즉, 연소분석장치는 신호발생 지점의 TDC가 흡·배기 TDC일 경우, 각도센서의 신호 설정 순서(0과 1)에 따라, 현 상태를 유지하여 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하고, 반대로 신호발생 지점의 TDC가 압축 TDC일 경우, 각도센서의 신호 설정 순서(0과 1)를 반대로 변경(1과 0)하여 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 1사이클 데이터 수집방법을 설명한다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법을 나타낸 순서도이고, 도 10의 (a)는 1.5사이클 동안 흡·배기 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이며, 도 10의 (b)는 1.5사이클 동안 압축 TDC가 먼저 검출된 경우의 크랭크샤프트의 회전 각도별 연소압력을 나타낸 선도이다.

도 9를 참조하면, 연소분석장치는 미리 설정된 각도센서의 펄스 신호(Z)를 시작신호로 하여 1.5 사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집한다(S410). 예컨대, 1.5사이클은 1080도를 의미할 수 있다.

다음으로, 연소분석장치는 수집된 1.5 사이클 동안의 연소압력 데이터 중 최초 수집된 연소압력 데이터를 미리 설정된 기준압력과 비교하여 1사이클에 해당하는 데이터 수집 범위를 결정한다(S420).

여기서, 연소분석장치는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 최초 수집된 연소압력 데이터가 기준압력 미만일 경우, 연소압력 데이터를 최초 수집한 위치로부터 1사이클까지의 위치(720도)를 상기 데이터 수집 범위로 결정하고, 반대로 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 최초 수집된 연소압력 데이터가 기준압력 이상일 경우, 0.5 사이클이 경과한 위치(360도)로부터 1.5 사이클까지의 위치(1080도)를 데이터 수집 범위로 결정할 수 있다.

다음으로, 연소분석장치는 결정된 1사이클에 해당하는 데이터 수집 범위로부터 연소압력 데이터를 수집한다(S430).

한편, 본 1사이클 데이터 수집방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대, 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 그리고, 프로그램 명령은 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 그리고, 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.

또한, 본 엔진의 출력측정방법은 기록매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.

이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, 대형 저속 4행정 엔진에 대한 정확한 1사이클 데이터를 획득함으로써, 정확한 엔진의 연소분석 및 출력측정이 가능할 수 있다.

또한, 압축 TDC, 각도센서의 Z펄스 세팅, 초기 검출압력 비교 등과 같이 다양한 방법을 통하여 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 획득 가능함에 따라, 획득한 1사이클 데이터를 서로 비교하여 정확도를 판단할 수 있고, 이를 통해 작업의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래에 비하여 상대적으로 간편한 방법으로 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 획득 가능하여, 작업자의 편의성 및 작업성을 향상시킬 수 있음은 물론, 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터 획득을 위한 타 장비의 사용을 배제함으로써 비용을 절감할 수 있다.

또한, 정확한 대형 저속 4행정 엔진의 1사이클 데이터를 제공함에 따라, 엔진의 출력측정과 연소해석을 수행할 수 있고, 이를 통해 각 실린더의 연료의 점화시점과 분사시점, 실린더 별 연료분사량, 노킹, 후 연소 및 터보차저 매칭관계 등을 정확히 파악할 수 있으며, 나아가 최적연소를 위한 솔루션을 제공하여 연료의 분사시점, 연료분사량 및 터보차저 매칭 등을 필요에 따라 선택적으로 조정하고, 연소를 최적화 하여 엔진의 수명 및 연료소비효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

Claims (5)

1. 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법으로서,
   크랭크샤프트의 회전 시 발생되는 각도센서의 Z 펄스 신호를 1사이클 동안 순차적으로 0과 1로 인식하도록 설정하는 단계;
   1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생지점의 TDC를 판별하는 단계; 및
   판별결과에 따라 상기 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 판별결과에 따라 상기 각도센서의 신호 설정을 유지 또는 변경하여 설정 위치로부터 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는 단계는,
   상기 신호발생 지점의 TDC가 흡?배기 TDC일 경우, 상기 각도센서의 신호 설정 순서를 유지하여 상기 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하고,
   상기 신호발생 지점의 TDC가 압축 TDC일 경우, 상기 각도센서의 신호 설정 순서를 변경하여 변경된 상기 각도센서의 신호 설정 순서에 따라 순차적으로 1사이클 동안의 상기 연소압력 데이터를 수집하는, 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계는,
   수집된 상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터 중 최초 수집된 연소압력 데이터를 미리 설정된 기준압력과 비교하여 상기 신호발생 지점의 TDC를 압축 TDC 또는 흡·배기 TDC로 판단하는 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 1사이클 동안의 연소압력 데이터를 수집하여 수집된 데이터로부터 신호발생 지점의 TDC를 판별하는 단계는,
   상기 최초 수집된 연소압력 데이터가 상기 기준압력 이상일 경우 압축 TDC로 판단하는 대형 저속 4행정 엔진의 출력측정 및 연소분석을 위한 1사이클 데이터 수집방법.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
   

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