KR102034673B1 - 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법 - Google Patents

진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베어링의 손상을 직접 감지하는 센서없이도, 차량에 탑재된 엔진으로부터 방사되는 진동신호를 처리함으로써, 베어링의 손상을 감지할 수 있도록 한 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 진동을 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법은, 차량의 엔진(10)의 일측에 설치된 진동 감지 수단에 의해 감지된 상기 엔진(10)의 진동신호를 연소 노킹에 의한 진동신호와 상기 베어링(13)으로부터 발생되는 진동신호로 분리하는 신호 분리 단계(S120)와, 상기 베어링(13)으로부터 발생된 진동신호를 밴드패스 필터를 통하여 미리 정해진 고유주파수대역의 신호를 추출하고, 이를 증폭, 적분하여 정량화된 베어링 신호로 처리하는 신호 처리 단계(S130)와, 상기 베어링 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준보다 높은지를 비교하는 베어링 손상 판단 단계(S160)를 포함한다.

Description

진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법{METHOD FOR DETECTING DAMAGE OF BEARING OF ENGINE USING VIBRATION SIGNAL}
본 발명은 베어링의 손상을 직접 감지하는 센서없이도, 차량에 탑재된 엔진으로부터 방사되는 진동신호를 처리함으로써, 베어링의 손상을 감지할 수 있도록 한 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에 관한 것이다.
차량의 엔진에는 여러 가지 부품이 서로 결합된 상태에서 작동하게 되고, 각 부품이 결합되어 작동하는 부위에는 마찰을 저감시키기 위해 베어링이 장착된다.
도 1에는 커넥팅 로드(11)와 크랭크 축이 결합되는 부위가 도시되어 있다. 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부는 상기 크랭크 축에서 크랭크 핀(12)을 감싸도록 체결되고, 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부와 상기 크랭크 핀(12) 사이에는 베어링(13)이 구비된다. 또한, 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부와 상기 크랭크 핀(12) 사이에는 엔진오일이 채워져 상기 작동시 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부와 상기 크랭크 핀(12) 사이의 마찰을 저감시킨다. 정상적인 상태(도 1 참조)에서는 상기 베어링(13)과 상기 크랭크 핀(12) 사이의 간극이 작고, 그 사이에 오일에 의한 유막이 형성되어 소음과 진동이 작다.
하지만, 상기 엔진이 비정상적인 조건(예, 이물유입, 오일부족, 불량한 커넥팅 로드 저널 가공상태 등)에서 장기간 내구가 진행되면(도 2 참조), 상기 베어링(13)이 마모되어 손상된 상태로 계속 운전되면, 상기 베어링(13)과 상기 크랭크 핀(12) 사이의 간극(G)이 커지고, 엔진 작동 시 상기 커넥팅 로드(11)와 상기 크랭크 핀(12)의 타격에 의해 소음과 진동이 발생한다.
이러한 상태가 지속되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 베어링(13)이 상기 크랭크 핀(12)에 소착되어 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부와 상기 크랭크 핀(12) 사이에 오일의 공급이 차단된다. 이와 같이, 상기 베어링(13)이 상기 커넥팅 로드(11)에 손상된 상태에서 엔진이 작동하게 되면, 소착으로 진행되고 상기 베어링(13), 상기 커넥팅 로드(11)의 대단부 등에 금속 접촉이 발생하여 정상 범위를 벗어나는 소음과 진동이 발생한다. 또한, 상기 베어링(13) 등이 파손되는 현상이 발생된다.
상기 베어링(13)에 파손되면, 마찰저항의 증가로 인하여, 차량의 시동꺼짐 현상이 발생한다. 즉, 상기 베어링(13)이 파손되면 마찰저항의 증가로 엔진의 출력이 저하되고, 이를 만회하기 위하여 가속페달을 조작하면 엔진의 회전수(rpm)은 증가한다. 하지만, 엔진 회전수의 증가는 상기 베어링(13)이 설치된 부위의 마찰저항을 다시 상승시키는 악순환이 반복된다. 이때 마찰저항의 증가로 상기 마찰부위의 온도가 상승하여, 상기 베어링(13)의 온도가 높아짐에 따라 소착을 가속시키고, 상기 베어링(13)에 인접한 부품, 즉 상기 커넥팅 로드(11), 상기 크랭크 핀(12)도 손상을 입게 된다.
이와 같이, 상기 베어링(13)의 소착이 발생하는 경우, 상기 엔진의 총체적인 문제로 이어져 시동꺼짐과 같은 문제가 발생하고, 이는 어느 하나의 부품의 수리나 교체만으로는 해결할 수 없고, 상기 엔진 전체를 정비하거나 교체해야 하였다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 '직렬 4기통 엔진용 밸런스 샤프트 불평형 질량과 베어링 위치 선정 방법'에 관한 기술이 개시되어 있다.
(특허문헌1) KR 10-2010-0062421 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 별도의 하드웨어를 추가하지 않고도, 엔진으로부터 방사되는 진동신호를 분리하여 처리하고, 이를 모니터링 하면서, 미리 정해진 회수를 넘는 진동이 입력되면, 이를 베어링 손상으로 확정하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법은, 차량의 엔진의 일측에 설치된 진동 감지 수단에 의해 감지된 상기 엔진의 진동신호를 연소 노킹에 의한 진동신호와 크랭크 축의 크랭크 핀과 커넥팅 로드가 연결되는 부위에 설치되는 베어링으로부터 발생되는 진동신호로 분리하는 신호 분리 단계와, 상기 베어링으로부터 발생된 진동신호를 밴드패스 필터를 통하여 미리 정해진 고유주파수대역의 신호를 추출하고, 이를 정량화된 베어링 신호로 처리하는 신호 처리 단계와, 상기 베어링 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준보다 높은지를 비교하는 베어링 손상 판단 단계를 포함한다.
상기 신호 처리 단계에서는 상기 베어링으로부터 발생된 진동신호에서 2kHz를 중심 주파수로 하고, 상기 중심 주파수에서 미리 설정된 주파수 대역 이내를 고유주파수 대역으로 하고, 상기 고유주파수 대역 이외의 신호를 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 베어링 손상 판단 단계 이후에는 상기 베어링 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘을 때마다 상기 베어링 손상 카운터를 증가시키는 베어링 손상 카운터 증가 단계와, 누적된 베어링 손상 카운터가 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것으로 미리 설정된 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링의 손상을 확정하는 베어링 손상 확정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진의 운전 상태를 감지하는 엔진 상태 감지 단계를 더 포함하고, 상기 엔진의 운전 상태에 따라 상기 베어링 손상 기준을 다르게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진 상태 감지 단계에서는, 상기 엔진이 감속중이면서 미리 설정된 조건 인지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진 상태 감지 단계에서는, 상기 엔진의 상태가 엔진의 회전수가 줄기 시작하는 감속 초기 상태, 엔진의 회전수가 줄어들면서 아이들 엔진 회전수로 변경되는 감속 중 아이들 진입 상태, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들 진입 상태 중 어느 하나 인지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
운전 중인 상기 엔진이 상기 엔진 상태 감지 단계에서 설정된 어느 하나의 운전 상태로 진입할 때 마다, 모니터링 카운터를 증가시키는 모니터링 카운터 증가 단계를 더 포함하고, 상기 베어링 손상 확정 단계에서는 상기 베어링의 손상을 확정하기 위해 미리 설정된 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터 동안, 누적된 베어링 손상 카운터가 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것을 특징으로 한다.
상기 모니터링 카운터 증가 단계에서는 상기 엔진이 각 상태 별로 각각 상기 모니터링 카운터를 설정하고, 해당 상태로 진입하는 경우에 해당 상태의 모니터링 카운터를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 베어링 손상 판단 단계에서는, 상기 엔진의 상태를 아이들 운전 상태, 부분부하 운전 상태 중 어느 하나 인지를 감지하는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진의 운전 상태가 아이들 운전 상태 또는 부분부하 운전 상태라면, 상기 베어링 손상 카운터만을 누적시켜, 누적된 베어링 손상 카운터가 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것을 특징으로 한다.
상기 베어링 손상 확정 단계 이후에는, 상기 엔진이 미리 설정된 안전 최고 엔진 회전수 이하로 상기 엔진의 회전수를 제한하는 림프 홈 모드 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 림프 홈 모드 단계에서는 상기 차량의 가속페달값을 미리 설정된 상한으로 제한되는 것을 특징으로 한다.
상기 베어링 손상 확정 단계 이후에는, 차량의 실내에 설치되고, 상기 베어링의 손상시 탑승자에게 상기 베어링의 손상을 알람하는 경고수단을 작동시키는 경고수단 작동 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호 분리 단계가 수행되기 이전에는 상기 진동 감지 수단으로부터 감지된 상기 엔진의 진동신호가 안정화되었는지를 판단하는 진단 개시 조건 만족 판단 단계가 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 진단 개시 조건 만족 판단 단계는 상기 엔진이 워밍업 되었는지를 판단하고, 상기 엔진이 워밍업 된 것으로 판단되면, 상기 신호 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 한다.
엔진 오일의 온도가 미리 설정된 온도 이상이면, 상기 엔진의 워밍업이 완료되어 상기 신호 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에 따르면, 별도의 하드웨어적인 구성요소를 부가하지 않고, 엔진에 이미 장착된 노킹센서로 입력되는 진동신호를 처리하여 베어링의 손상을 감지할 수 있다. 특히, 상기 차량이 감속 중인 상태에서 베어링에 가해지는 부하가 급변하는 상태에서 베어링의 손상에 의해 변별력 있는 진동을 통하여 베어링의 손상을 정확하게 감지할 수 있다.
상기 베어링의 손상 초기에 이를 감지할 수 있으므로, 상기 베어링의 손상된 상태에서 차량이 무리하게 주행하여 엔진이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 베어링의 손상이 감지되면, 상기 차량의 림프 홈 모드로 진입하도록 함으로써, 상기 베어링의 손상이 진행하는 것을 방지하면서, 상기 차량을 안전지대 또는 정비소로 이동시킬 수 있다.
아울러, 운전자가 이를 인지하도록 하도록 함으로써, 정비를 유도할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 엔진에서 커넥팅 로드와 크랭크 핀이 연결되는 부위에서 베어링이 소착되는 과정을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법을 수행하기 위한 시스템이 도시된 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법을 도시한 순서도.
도 6a는 정상적인 엔진에서 감속시 진동센서로 측정된 신호를 고속 푸리에 변환한 상태를 도시한 그래프.
도 6b는 베어링이 손상된 엔진에서 감속시 진동센서로 측정된 신호를 고속 푸리에 변환한 상태를 도시한 그래프.
도 7a는 정상적인 엔진에서 감속 초기시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 7b는 베어링이 손상된 엔진에서 감속 초기시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 8a는 정상적인 엔진에서 감속중 아이들 진입시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 8b는 베어링이 손상된 엔진에서 감속중 아이들 진입시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 9a는 정상적인 엔진에서 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 9b는 베어링이 손상된 엔진에서 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 10a는 정상적인 엔진에서 아이들시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 10b는 베어링이 손상된 엔진에서 아이들시의 엔진의 상태와 노킹 센서의 상태를 도시한 그래프.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에서 각 운전 조건에 따라 베어링 손상 기준을 도시한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에서 베어링 손상 확정 전후의 차속, 가속페달 값, 엔진회전수, 센서 신호의 상태를 도시한 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법을 수행하기 위한 시스템을 살펴보면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 일측에 설치되어, 상기 엔진(10)으로부터 전달되는 진동을 측정하여 상기 엔진의 노킹을 감지하는 노킹센서(15)와, 상기 엔진(10)의 운전을 제어하고, 상기 엔진(10)으로부터 발생되는 진동신호 중에서 베어링의 손상에 의해 발생되는 진동신호의 크기가 베어링 손상 기준보다 크면, 상기 엔진(10)의 베어링(13)이 손상된 것으로 판단하는 제어부(20)를 포함한다.
엔진(10)의 일측에는 상기 엔진(10)의 작동시 상기 엔진(10)으로부터 발생되는 진동을 감지하는 감지 수단인 노킹센서(15)가 설치된다. 상기 노킹센서(15)는 연소시 노킹이 발생하면, 노킹으로 발생하는 진동신호를 감지한다.
본 발명에서는 상기 크랭크 축의 크랭크 핀(12)과 상기 커넥팅 로드(11)가 연결되는 부위에 설치되는 베어링(13)이 손상시에도 진동을 발생하는 것에 착안하여, 상기 노킹센서(15)에서 노킹에 의해 발생하는 진동뿐만 아니라, 상기 베어링(13)의 손상에 의한 진동도 함께 감지하도록 한다.
다만, 상기 노킹센서(15)에서 감지한 진동은 신호 분리와 신호 처리를 통하여 노킹과 베어링 손상을 각각 감지하게 된다.
상기 노킹센서(15)로 감지한 진동신호는 크랭크의 회전각도(Crank angle)와 신호가 발생할 수 있는 엔진의 특정 회전 각도 범위인 윈도우(window)에 대하여 처리됨으로써, 어느 기통의 베어링(13)이 손상되었는지도 확인할 수 있다.
상기 엔진(10)의 일측에는 상기 노킹센서(15) 이외에 상기 엔진(10)의 상태를 측정하기 위한 각종 센서가 설치된다. 예컨대, 엔진오일의 온도를 측정하기 위한 오일온 센서(16)가 설치되어, 상기 엔진오일의 온도를 파악할 수 있다.
제어부(20)는 운전자의 조작에 따라 상기 엔진(10)의 연소를 제어하면서, 상기 노킹센서(15)로부터 입력되는 신호를 처리하여, 상기 커넥팅 로드 베어링(13)의 손상여부를 판단한다. 예컨대, 상기 제어부(20)는 운전자의 조작에 따라 상기 엔진(10)의 연소를 제어하는 엔진 제어부(21)와, 상기 노킹센서(15)로부터 신호를 분리하여 노킹에 의한 진동신호와 베어링 손상에 의한 진동신호로 분리하고, 베어링 신호를 정량화시키는 신호 처리부(22)와 상기 신호 처리부(22)에서 처리된 베어링 신호로 베어링(13)의 손상을 판단하는 상기 베어링 손상 판단부(23)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(20)에는 후술되는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법이 로직으로 저장되어 있어서, 상기 제어부(20)에 의해 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법이 수행된다.
상기 엔진 제어부(21)는 운전자의 조작, 상기 차량의 주행 상태 등에 따라 상기 엔진(10)이 상기 요구 토크를 발생할 수 있도록 상기 엔진(10)의 연소를 제어한다. 상기 엔진 제어부(21)에 의한 상기 엔진(10)의 제어는 통상적인 엔진(10)의 제어에 해당하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
신호 처리부(22)는 상기 노킹센서(15)로부터 출력된 신호 중에서 상기 베어링(13)의 손상에 의한 진동신호를 연소 노킹에 의한 진동신호로부터 분리해낸다. 상기 신호 처리부(22)에 분리된 노킹신호는 별도의 노킹 제어 로직에 의해 노킹을 제어하는데 사용된다. 특히, 상기 신호 처리부(22)에서 분리된 베어링 신호에서 미리 정해진 고유주파수대역의 신호를 추출하고, 이를 증폭, 적분하여 정량화된 베어링 신호로 처리한다.
베어링 손상 판단부(23)는 상기 베어링 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준과 비교하여 상기 베어링(13)의 손상을 판단한다. 상기 베어링 손상 판단부(23)는 후술되는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법에 의해 상기 베어링(13)의 손상을 판단한다. 상기 베어링 손상 판단부(23)에서 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정하면, 상기 엔진 제어부(21)가 림프 홈 모드로 상기 엔진이 작동하도록 제어한다.
경고수단은 상기 제어부(20)로부터 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 판단하면, 상기 베어링(13)의 손상을 탑승자가 인지할 수 있도록 알람한다.
예컨대, 상기 경고수단은 상기 차량의 실내 또는 계기판에 설치되는 경고등(31)이 될 수 있다. 상기 제어부(20)는 상기 베어링(13)의 손상을 감지하면, 상기 경고등(31)을 점등시켜 탑승자가 상기 베어링(13)의 손상을 인지할 수 있도록 한다.
한편, 상기 경고수단의 다른 예로서, 상기 차량의 실내 일측에 설치되는 스피커가 될 수 있다.
본 발명에 따른 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법은, 차량의 엔진(10)의 일측에 설치된 진동 감지 수단에 의해 감지된 상기 엔진(10)의 진동신호를 연소 노킹에 의한 진동신호와 상기 베어링(13)으로부터 발생되는 진동신호로 분리하는 신호 분리 단계(S120)와, 상기 베어링(13)으로부터 발생된 진동신호를 밴드패스 필터를 통하여 미리 정해진 고유주파수대역의 신호를 추출하고, 이를 증폭, 적분하여 정량화된 베어링 신호로 처리하는 신호 처리 단계(S130)와, 상기 베어링 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준보다 높은지를 비교하는 베어링 손상 판단 단계(S160)를 포함한다. 상기 신호 처리 단계(S130)와 상기 베어링 손상 판단 단계(S160) 사이에는 상기 엔진의 운전 상태에 따라 상기 베어링 손상 기준을 다르게 설정하도록 상기 엔진의 운전 상태를 감지하는 엔진 상태 감지 단계(S140)가 더 포함된다.
도 6a과 도 6b에는 각각 베어링이 손상되지 않은 정상 엔진(도 6a)와 베어링이 손상된 엔진(도 6b)의 진동신호가 각각 도시되어 있다.
주행중 감속조건에서 상기 노킹센서로 측정된 신호를 고속 푸리에 변환(Fast　Fourier　transform, FFT) 처리하여 비교하여 보면, 베어링(13)이 손상된 엔진은 정상 엔진에 대비하여, 2kHz부근에서 고유의 주파수를 가지고 있음을 알 수 있다. 상기 노킹센서(15)로 측정된 연소노킹의 주파수가 1차 5~6kHz, 2차 11~12kHz, 3차 15~16kHz에서 고유의 주파수를 갖는데 비하여, 베어링(13)이 손상되면 2kHz 주변에서 고유의 주파수를 갖는 바, 이를 이용하여 베어링(13)의 손상을 감지한다.
또한, 정상적인 엔진에서는 운전 중 감속이 진행되면, 엔진의 속도가 낮아지면서 상기 베어링(13)에 가해지는 하중이 낮아지지만, 베어링이 손상된 엔진에서는 베어링의 손상으로 유격이 커져, 상기 엔진(10)에서 감지되는 진동이 커지고, 이는 노킹에 의한 진동과는 다른 특성을 갖게 되므로, 이러한 원리를 이용하여, 베어링(13)의 손상을 감지하게 된다.
진단 개시 조건 만족 판단 단계(S110)는 상기 엔진(10) 또는 차량이 상기 베어링(13)의 손상을 감지하기 위한 상태인지를 판단한다. 본 발명에서는 상기 엔진(10)의 작동 중 상기 엔진(10)으로부터 발생하는 진동을 이용하여 상기 베어링(13)의 손상을 감지하는 바, 상기 엔진(10)이 충분히 웜업(warm up)되어 상기 엔진(10)의 진동신호가 안정화되었는지를 판단한 이후, 상기 베어링(13)의 진단을 개시하도록 한다. 상기 엔진(10)이 웜업되기 전에는 각종 기구류의 마찰에 의한 노이즈가 발생하여, 정확한 베어링(13)의 손상이 불가하므로, 상기 엔진(10)이 웜업되었는지를 판단하고, 상기 엔진이 웜업된 상태에서 베어링(13)이 손상을 진단한다. 한편, 상기 엔진(10)의 진동을 이용하여 상기 엔진(10)의 상태를 진단하는 바, 본 발명에서는 냉각수의 온도 대신에 엔진오일의 온도로 상기 웜업 여부를 판단한다. 상기 엔진오일의 온도(T_oil)가 미리 설정된 진단개시온도(T_THD)보다 높으면(T_oil > T_THD), 상기 베어링(13) 손상에 대한 진단을 개시할 수 있다. 여기서, 상기 진단개시온도(T_THD)는 80℃로 설정될 수 있다.
신호 분리 단계(S120)에서는 상기 엔진(10)에 설치된 노킹센서(15)로부터 측정된 신호를 분리한다. 상기 노킹센서(15)로 측정된 신호에는 상기 엔진(10)의 노킹에 의한 진동과 상기 베어링(13)의 손상에 의한 진동 등이 중첩되어 있는 상태이므로, 상기 노킹센서(15)로부터 측정된 진동신호 중에서, 베어링에 의한 진동신호를 분리한다.
상기 노킹센서(15)로 측정된 진동신호 중에서 상기 베어링(13)에 의한 진동신호를 분리하는 과정은, 상기 노킹센서(15)로 측정한 진동신호를 고속 푸리에 변환(Fast　Fourier　Transform)을 하여, 상기 베어링(13)의 진동신호에 의한 주파수 대역(2kHz 부근)을 분리해낸다. 나머지 주파수 대역, 즉 1차 5~6kHz, 2차 11~12kHz, 3차 15~16kHz은 노킹 감지에 사용되고, 베어링 손상시 정상적인 엔진(10)과 다른 신호가 출력되는 주파수 대역(2kHz 부근)을 분리해, 이를 상기 베어링(13)의 손상을 감지하는데 사용한다.
신호 처리 단계(S130)는 상기 신호 분리 단계(S120)에서 분리된 베어링 신호에서 노이즈를 제거하고 정량화시킨다.
상기 신호 처리 단계(S130)에서는 분리된 베어링의 진동신호를 밴드패스 필터를 통하여 미리 정해진 고유주파수로 추출하고, 이를 증폭, 적분하여 정량화된 베어링 신호로 처리한다.
상기 베어링(13)의 진동신호를 밴드패스 필터를 통과시켜, 고유주파수에 인접한 대역의 신호만 남기고 나머지 대역의 신호를 제거한다. 상기 베어링(13)의 손상으로 상기 엔진(10)에서 진동이 발생하면, 노킹시와 달리, 2kHz 주변에서 이상 신호가 발생하는 바(도 6a 참조), 상기 신호 처리 단계(S130)에서는 상기 2kHz 주변 예컨대 1.5kHz 내지 2.5kHz의 영역내에서 선택된 주파수를 중심 주파수로 하고, 상기 중심주파수로부터 정해진 범위의 인접한 대역의 신호만 남긴다. 예컨대, 2kHz를 중심주파수로 하였다면, 2kHz±0.435kHz로 하여, 1.565kHz~2.435kHz의 신호만 남기로, 그 이외(1.565kHz 미만, 2.435kHz 초과)의 신호는 제거한다. 상기 중심주파수 및 상기 중심주파수로부터 인접한 대역의 크기는 상황에 맞게 선택될 수 있다.
이후, 증폭, 적분 과정 등을 거쳐 정량화함으로써, 상기 베어링(13)의 손상을 감지하기 위한 베어링 신호로 처리된다.
이렇게, 상기 베어링의 신호를 노이즈가 제거된 정량화 상태로 처리한 후, 이를 베어링 손상 기준과 비교하게 된다.
물론, 상기 신호 신호 분리 단계(S120)에서 사용되지 않는 주파수 대역인 1차 5~6kHz, 2차 11~12kHz, 3차 15~16kHz을 이용하여 노킹을 감지하는 프로세스는 본 발명과 무관하게 별도로 진행된다.
상기 신호 분리 단계(S120)와 상기 신호 처리 단계(S130)는 상기 진단 개시 조건 만족 판단 단계(S110) 이후에는 상기 엔진(10)이 작동 중이면 계속 수행된다.
엔진 상태 감지 단계(S140)는 상기 엔진(10)의 상태가 베어링(13)의 손상을 감지하기 위한 상태인지를 감지한다. 상기 베어링(13)의 손상시 주로 상기 엔진(10)의 감속시 모니터링 할 수 있으므로, 상기 엔진(10)이 감속 중인 상태인지를 감지한다.
상기 엔진(10)이 감속중이면, 베어링에 가해지는 부하가 급변하는데, 상기 베어링(13)이 손상된 상태라면, 상기 베어링(13)으로부토 변별력 있는 진동 신호가 발생하는 바, 이를 이용하여 상기 베어링(13)의 손상을 감지한다.
특히, 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서는 상기 엔진(10)이 감속 중이면서 미리 설정된 조건인지를 판단하는 것이 바람직한 것으로서, 상기 엔진(10)의 상태가 엔진의 회전수가 줄기 시작하는 감속 초기 상태, 엔진의 회전수가 줄어들면서 아이들 엔진 회전수로 변경되는 감속 중 아이들 진입 상태, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들 진입 상태 중 어느 하나 인지를 감지한다. 이와 같이, 상기 엔진(10)이 감속중인 상태, 또는 상기 엔진(10)이 감속중이면서 미리 정해진 상태에서는 상기 베어링(13)에 작용하는 부하가 작기 때문에 베어링(13)으로부터 발생되는 신호가 크지 않다. 하지만, 상기 베어링(13)이 손상된 상태라면, 상기 베어링(13)으로부터 발생된 진동신호가 미리 설정된 값을 넘는 변별력을 갖게 되는 바, 본 발명에서는 이를 활용하여 상기 베어링(13)의 손상을 판단한다.
또한, 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서는, 상기 엔진(10)의 상태를 아이들 운전 상태, 부분부하 운전 상태 중 어느 하나 인지를 감지할 수도 있다. 베어링(13)의 손상이 심각한 상태에서는 상기 엔진(10)의 상태가 아이들 운전 상태, 부분부하 운전 상태에서도 베어링 신호는 정상적인 엔진(10)에 비하여 변별력있는 신호를 나타내므로, 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서는, 상기 엔진(10)의 상태를 아이들 운전 상태, 부분부하 운전 상태인지를 감지한다.
상기 엔진 상태 감지 단계(S140)는 상기 엔진(10)으로부터 상기 제어부(20)로 입력되는 rpm 신호에 의해 상기 엔진(10)의 상태를 감지할 수 있다.
상기 엔진(10)의 상태가 감속 초기 상태, 감속 중 아이들로 진입하는 상태, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하는 상태 중 어느 하나라면, 모니터링 카운트를 증가시키는 모니터링 카운터 증가 단계(S150)가 수행된다.
상기 엔진(10)이 감속 초기이거나, 감속 중 아이들로 진입하거나, 또는 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하면, 모니터링 카운터를 현재 모니터링 카운터에서 증가시킨다(현재 모니터링 카운터 → 현재 모니터링 카운터+1).
한편, 상기 모니터링 카운터 증가 단계(S150)에서는 동일한 엔진의 상태에서 대해서만 상기 모니터링 카운터를 증가시킨다. 예컨대, 감속 중 아이들로 진입하는 상태에 대한 현재의 모니터링 카운터가 '1'인 상태에서 다시 감속 중 아이들로 진입하는 것으로 상기 엔진의 상태가 감지되면, 감속 중 아이들로 진입하는 상태에 대한 모니터링 카운터를 '2'로 증가시킨다. 새로이 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하는 상태가 감지되면, 감속 중 아이들로 진입하는 상태에 대한 모니터링 카운터는 그대로 두고, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하는 상태에 대한 모니터링 카운터를 증가시킨다(+1).
이는 나머지 상태, 즉 감속 초기이거나, 감속 중 아이들로 진입하거나, 또는 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하는 상태에서도 마찬가지로서, 상기 엔진(10)의 상태가 동일한 상태에 대해서만 상기 모니터링 카운터를 증가시키고, 서로 다른 엔진의 상태에 대해서는 독립적으로 모니터링 카운터를 관리한다.
베어링 손상 판단 단계(S160)는 베어링의 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준과 비교한다.
상기 신호 처리 단계(S130)에서 변환된 베어링(13)의 신호를 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 판단하는 베어링 손상 기준과 비교하여, 상기 베어링의 신호가 상기 베어링 손상 기준 이상인 지를 판단한다.
상기 베어링 손상 기준은 상기 엔진(10)의 운전상태에 따라 다르게 설정되는 것이 바람직하다. 예컨대, 감속 초기시의 베어링 손상 기준에 비하여, 아이들(idle) 상태 또는 부분 부하(part load)일 때는 상기 베어링 손상 기준이 높게 설정될 수 있다. 또한, 상기 감속 초기시의 베어링 손상 기준에 비하여, 감속중 아이들 진입상태일 때에는 상기 베어링 손상 기준이 낮게 설정될 수 있다.
베어링 손상 카운터 증가 단계(S170)는 상기 베어링 손상 판단 단계(S160)에서 상기 베어링의 신호가 상기 베어링 손상 기준 이상이면, 상기 베어링 손상 카운터를 현재 베어링 손상 카운터에서 증가시킨다(현재 베어링 손상 카운터 → 현재 베어링 손상 카운터+1).
만약, 현재 베어링 손상 카운터가 '0'인 상태에서, 상기 베어링의 신호가 상기 베어링 손상 기준 이상이라면, 상기 베어링 손상 카운터를 '1'로 증가시킨다.
상기 베어링 손상 확정 단계(S180)는 상기 베어링 손상 카운터를 이용하여 상기 베어링(13)의 손상을 확정한다.
상기 베어링 손상 확정 단계(S180)에서는 베어링의 손상을 확정하기 위해 상기 모니터링 카운터를 누적한 값(누적 모니터링 카운터)이 미리 설정된 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터 동안, 상기 베어링 손상 카운터를 누적한 값(누적 베어링 손상 카운터)이 상기 베어링의 손상을 확정하기 위해 미리 설정된 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링(13)의 손상을 확정할 수 있다.
상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터 동안, 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상으로 상기 베어링이 손상된 것으로 감지된다는 것은, 상기 베어링(13)이 손상되어 빈번하게 베어링의 손상과 관련된 신호가 출력된다는 것을 의미한다.
상기 베어링 손상 확정 단계(S180)의 일례로서, 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터를 '5'로 설정하고, 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터를 '2'로 설정한다면, 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터가 5 이내인 상태에서 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터가 2 이상인 경우, 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정할 수 있다.
여기서, 상기 베어링 손상을 확정하기 위한 각각 설정되는 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터와 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터는 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다.
다만, 상기 베어링 손상 확정 단계(S180)에서는 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터보다는 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터에 중점을 두어 상기 베어링의 손상을 확정할 수 있다.
예컨대, 동일한 엔진 상태에 대하여 상기 베어링 손상 카운터를 누적하여, 상기 베어링의 손상을 확정할 수 있다. 상기 엔진이 아이들로 작동되는 경우, 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터와 상관없이 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터가 3 이상이 되면 상기 베어링의 손상을 확정할 수 있다(도 10b 참조).
한편, 상기 베어링 손상 확정 단계(S180)에서 상기 베어링(13)이 손상되지 않은 것으로 판단되면, 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)로 리턴되어 상기 베어링(13)의 손상을 지속적으로 모니터링 한다. 누적된 모니터링 카운터가 상기 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터보다 작거나, 누적된 베어링 손상 카운터가 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터보다 작은 경우가 해당할 수 있다.
림프 홈 모드 단계(S191)는 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정되면 수행된다.
상기 림프 홈 모드 단계(S191)에서는 상기 베어링(13)의 손상이 더 이상 진행되지 않도록 상기 엔진(10)의 회전수(rpm)를 미리 설정된 안전 최고 엔진 회전수 이하로 제한한다. 상기 엔진(10)의 최대 회전수가 제한되기 때문에 상기 베어링(13)의 손상이 진행되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 림프 홈 모드 단계(S191)에서는 rpm이 제한된 상태에서 적절한 변속이 가능하도록 가속페달의 값도 미리 정해진 값으로 제한한다.
아울러, 상기 엔진(10)의 시동이 유지될 수 있도록 미리 설정된 시동 유지 최저 엔진 회전수로 상기 엔진(10)이 운전되도록 한다.
이와 같이, 상기 베어링의 손상이 발생한 경우, 림프 홈 모드 단계(S191)를 통하여 시동이 유지되는 상태에서 출력이 제한된 상태로 상기 차량이 주행되도록 함으로써, 상기 차량이 정비가 가능한 곳까지 이동이 가능토록 한다.
한편, 운전자가 베어링의 손상을 인지할 수 있도록 경고수단 작동 단계(S192)도 수행된다. 상기 베어링 손상 확정 단계(S180)에서 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정이 되면, 탑승자가 이를 인지할 수 있도록, 상기 차량에 설치된 경고수단을 작동시킨다. 예컨대, 상기 차량의 실내 일측 또는 상기 계기판에는 경고등이 설치되는데, 상기 경고등(31)을 점등시킴으로써, 상기 탑승자가 상기 베어링(13)의 손상을 인지하도록 한다. 한편, 상기 경고수단 작동 단계(S192)에서는 상기 경고등(31)을 점등시키는 것뿐만 아니라, 경고음, 진동 등을 통하여 탑승자에게 베어링의 손상을 알람하여 소착으로 진행되는 것으로 피할 수 있다.
도 12에는 베어링 손상 확정 전후의 차속, 가속페달 값, 엔진회전수, 센서 신호의 상태가 도시되어 있다. 베어링이 손상된 엔진은 상기 베어링(13)의 손상을 감지하기 이전에는 상기 베어링(13)의 손상으로 인하여, 상기 노킹센서(15)에서 측정되어 처리된 베어링 신호가 컸었다(도 12의 A부분 참조). 하지만, 베어링(13)의 손상을 감지하고, 상기 림프 홈 모드 단계(S191) 및 상기 경고수단 작동단계(S192)를 거친 후에는 상기 베어링(13)이 손상되었지만, 엔진(10)의 회전수와 가속페달 값이 제한된 상태로서, 상기 노킹센서(15)를 통하여 측정되는 베어링 신호는 정상적인 베어링이 적용된 수준으로 낮아지게 되어(도 12의 B부분 참조), 상기 베어링(13)의 손상이 진행되는 것을 억제할 수 있다. 이때, 운전자는 경고등(31)과 같은 경고수단의 작동으로 베어링의 손상을 인지하게 되는 바, 상기 차량을 정비소로 이동시켜, 손상된 베어링(13)에 대하여 정비를 수행할 수 있다.
한편, 도 7a 내지 도 10b에는 상기 엔진(10)의 상태별로 커넥팅 로드 베어링(13)의 정상시와 손상시의 상태의 그래프가 도시되어 있다. 상기 엔진(10)의 상태에 따라 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)부터 상기 베어링 손상 확정 단계(S180)까지의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 7a 및 도 7b에는 상기 엔진(10)이 감속 초기에 대하여 상기 베어링(13)이 정상적인 경우와 손상된 경우에 대하여 도시되어 있다.
상기 베어링(13)이 정상적인 경우에는 차량이 주행하면 상기 엔진(10)은 퓨얼컷을 동반한 감속(PUC), 퓨얼컷을 동반하지 않는 감속(PU), 부분 부하(PL), 아이들(IS) 상태를 거치면서 작동한다. 상기 베어링(13)에 손상이 없는 상태라면(도 7a 참조), 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서 상기 엔진(10)이 감속을 시작하는 상태(PU)로 감지할 때마다, 상기 모니터링 카운터도 1씩 증가한다. 이와 동시에 감속 시작 시점에서 베어링 부하의 변화로 베어링 신호도 증가하지만, 그 크기가 베어링 손상 기준에 미달하므로, 베어링 손상 카운터는 증가하지 않는다.
한편, 베어링이 손상된 상태(도 7b 참조)에서는 상기 엔진(10)이 감속 상태(PU)로 진입할 때마다(S140), 모니터링 카운터도 1씩 증가한다(S150). 이와 동시에, 베어링 부하의 변화로 베어링 신호가 증가된 상태로 그 크기를 상기 베어링 손상 기준과 비교하면(S160), 베어링 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘어선다. 상기 베어링 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘어설 때마다 상기 베어링 손상 카운터를 증가시키고(S170), 상기 베어링 손상 카운터를 누적한다. 베어링이 정상인 상태에 비하여, 상기 베어링이 손상된 상태에서는 차량이 감속을 시작하는 시점에 베어링의 부하가 급격히 줄어드는 시점에서 변별력 있는 소음, 진동이 발생하는 바, 이를 감지하고, 감지된 횟수를 누적한다.
도 7b에서는 모니터링 카운터와 베어링 손상 카운터를 누적하여, 상기 모니터링 카운터가 5로 누적되는 동안(베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터 = 5) 베어링 손상 카운터가 3으로 누적되어(누적 베어링 손상 카운터 = 3), 미리 설정된 기준(손상 확정 누적 베어링 손상 카운터) 이상이므로, 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정한다(S180).
이렇게 감속초기에 베어링의 손상이 확정되면(S180), 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192) 중 어느 하나 또는 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192)가 모두 수행된다.
도 8a와 도 8b에는 감속 중 아이들로 진입하는 동안, 상기 베어링(13)이 정상적인 경우와 손상된 경우에 대하여 도시되어 있다. 상기 엔진(10)이 감속중 아이들로 진입하는 동안에는 엔진의 회전수(rpm)가 아이들시 rpm으로 변경하기 위해 부하의 변동이 발생하는 데, 베어링이 손상된 상태에서는 정상적인 경우에 비하여 부하 변동 시점에 상대적으로 큰 진동이 발생하므로, 이를 감지하여 베어링의 손상을 판단한다.
상기 베어링(13)이 정상적인 경우에는 차량이 주행하면 상기 엔진(10)은 퓨얼컷을 동반한 감속(PUC), 퓨얼컷을 동반하지 않는 감속(PU), 부분 부하(PL), 아이들(IS) 상태를 거치면서 작동한다. 상기 베어링(13)에 손상이 없다면(도 8a 참조), 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서 상기 엔진(10)이 감속중 아이들로 진입하는 상태(PU->IS)를 감지할 때마다, 상기 모니터링 카운터도 1씩 증가한다. 이와 동시에 감속중 아이들로 진입시(PU->IS), 베어링 부하의 변화로 베어링 신호도 증가하지만, 그 크기가 베어링 손상 기준에 미달하므로, 베어링 손상 카운터는 증가하지 않는다.
하지만, 베어링(13)이 손상된 상태에서 상기 엔진(10)이 운전되면서, 감속중 아이들로 진입하는 상태(PU->IS)로 감지하면(S140), 상기 모니터링 카운터도 1씩 증가한다(S150). 만약 베어링(13)이 손상된 상태에서는 상기 엔진(10)이 감속중 아이들로 진입하면(PU->IS), 상기 베어링(13)의 손상으로 유격이 커져 상기 베어링(13)이 설치된 부위로부터 발생하는 진동이 정상시 보다 크므로, 상기 베어링의 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘어서게 되면, 이때마다 베어링 손상 카운터를 증가시키고(S170), 이를 누적한다.
누적된 모니터링 카운터가 베어링 손상 확정을 위한 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터가 '5'로 누적되는 동안, 누적된 베어링 손상 카운터가 미리 설정된 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터인 '2'를 초과하면, 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정한다(S180). 도 8b에서는 상기 베어링 손상 카운터의 누적량(누적 베어링 손상 카운터)이 '3'이 되는 시점이 아닌, '4'가 되는 시점에서 베어링 손상으로 확정하는 이유는, 상기 베어링 손상 카운터의 누적량이 4가 되는 시점에서 누적 모니터링 카운터가 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터로 설정된 5가 되기 때문이다.
이와 같이, 감속 중 아이들로 진입하는 동안(PU->IS) 베어링의 손상을 감지하여 상기 베어링(13)의 손상이 확정되면(S180), 마찬가지로 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192) 중 어느 하나 또는 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192)가 모두 수행된다.
한편, 도 9a와 도 9b에는 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하는 동안 대하여 상기 베어링(13)이 정상적인 경우와 손상된 경우에 대하여 도시되어 있다. 상기 엔진(10)이 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 진입하면, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들로 rpm을 변경하기 위해 상기 엔진(10)은 연소를 재시작하면서, 부하 변동이 발생하고, 이때 베어링이 손상되었다면, 정상적인 경우에 비하여 변별력 있는 진동이 발생하는 바, 이를 이용하여 상기 베어링(13)의 손상을 감지한다.
상기 베어링(13)이 정상적인 경우에는 차량이 주행하면 상기 엔진(10)은 퓨얼컷을 동반한 감속(PUC), 퓨얼컷을 동반하지 않는 감속(PU), 부분 부하(PL), 아이들(IS) 상태를 거치면서 작동한다. 상기 베어링(13)에 손상이 없다면(도 9a 참조), 상기 엔진 상태 감지 단계(S140)에서 상기 엔진(10)이 감속 중 퓨얼컷에서 아이들로 진입하는 상태(PUC->IS)를 감지할 때마다, 상기 모니터링 카운터도 1씩 증가한다. 이와 동시에 감속 중 퓨얼 컷에서 아이들로 진입시(PUC->IS), 베어링 부하의 변화로 베어링 신호가 변한다. 비록 상기 베어링 신호의 크기가 앞서 도 7a 및 도 8a에서 살펴본 실시예보다 크기는 하지만, 도 9a에서도 그 크기가 베어링 손상 기준에 미달하므로, 베어링 손상 카운터는 증가하지 않고, 지속적으로 상기 베어링의 상태를 모니터링한다.
하지만, 베어링(13)이 손상된 상태에서 상기 엔진(10)이 운전되면서, 감속 중 퓨얼 컷에서 아이들로 진입하는 상태(PUC->IS)로 감지하면(S140), 상기 모니터링 카운터도 1씩 증가한다(S150). 상기 베어링(13)이 손상된 상태에서는 상기 엔진(10)이 감속중 퓨얼컷상태에서 아이들로 진입하면(PUC->IS), 상기 베어링(13)의 손상으로 유격이 커져 상기 베어링(13)이 설치된 부위로부터 발생하는 진동이 정상시 보다 크게 감지된다. 이때, 일부 베어링 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘어서고 나머지 일부는 상기 베어링 손상 기준을 넘지 않는다. 상기 엔진(10)이 감속중 퓨얼컷상태에서 아이들로 진입시마다(PUC->IS, S140), 모니터링 카운터를 증가시키면서(S150), 베어링 신호가 베어링 손상 기준을 넘어설때마다 베어링 손상 카운터를 증가시킨다(S160).
누적된 모니터링 카운터가 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터('5') 동안, 누적 베어링 손상 카운터가 미리 설정된 기준(손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 = '2') 이상이면, 상기 베어링(13)이 손상된 것으로 확정한다(S180).
이와 같이, 감속중 퓨얼컷상태에서 아이들로 진입시마다(PUC->IS) 베어링의 손상을 감지하여 상기 베어링(13)의 손상이 확정되면(S180), 마찬가지로 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192) 중 어느 하나 또는 모두 수행된다.
한편, 도 10a와 도 10b에는 아이들시 정상적인 경우와 손상된 경우에 대하여 도시되어 있다. 베어링이 손상된 상태에서는 아이들 운전시에도 정상적인 엔진에서 발생하는 베어링 신호에 대비되는 베어링 신호가 발생하므로, 이를 감지하여 베어링의 손상을 판단한다.
상기 엔진(10)의 운전 상태가 아이들인 것으로 감지되면(S140), 상기 모니터링 카운터 증가 단계(S150)는 수행되지 않고, 바로 베어링 신호를 베어링 손상 기준과 비교(S160)하여, 상기 베어링 손상 카운터를 증가시키고(S170), 누적된 베어링 손상 카운터가 베어링 손상으로 확정하는 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터에 도달하면, 베어링(13)이 손상된 것으로 확정한다(S180).
베어링이 손상되지 않은 엔진이 아이들로 운전되고 있으면(도 10a 참조), 엔진의 회전수는 일정하고, 베어링으로부터 발생하는 신호는 베어링 손상 기준을 넘지 않으므로, 베어링 손상 카운터를 증가시키지 않는다.
그러나, 베어링이 손상된 엔진이 아이들로 운전되고 있으면(도 10b 참조), 상기 베어링 신호를 베어링 손상 기준과 비교(S160)하여, 상기 베어링 손상 카운터를 증가시킨다(S170). 엔진이 아이들로 운전중이면, 상기 베어링 손상시 상기 베어링 신호는 지속적으로 베어링 손상기준을 넘게 되므로, 상기 베어링 손상 카운터를 연속적으로 증가한다. 이렇게 증가한 베어링 손상 카운터(누적 베어링 손상 카운터)가 상기 베어링이 손상된 상태로 확정하는 카운터(손상 확정 누적 베어링 손상 카운터) 이상이면, 상기 베어링(13)의 손상을 확정한다(S180).
이후, 상기 림프 홈 모드 단계(S191), 상기 경고수단 작동 단계(S192) 중 어느 하나 또는 모두 수행된다.
한편, 상기 엔진(10)이 부분 부하로 운전되는 동안에도, 상기 베어링(13)에 손상이 발생하였다면, 정상적인 경우에 비하여, 대비되는 베어링 신호가 발생하고, 이를 감지하여, 상기 아이들 운전시와 같은 방식으로 상기 베어링의 손상을 감지한다.
도 11a 내지 도 11e에는 상기 베어링으로부터 발생하는 신호로부터 상기 엔진(10)의 운전상태에 따라 베어링의 손상을 판단하기 위한 베어링 손상 기준의 예가 도시되어 있다. 11a는 엔진이 감속 초기 상태(PU), 11b는 엔진이 감속중 아이들 진입 상태(PU->IS), 11c는 엔진이 감속 중 퓨얼컷에서 아이들로 진입 상태(PUC->IS), 11d는 엔진이 아이들 운전시(IS), 11e는 엔진이 부분 부하(PL) 운전시, 베어링의 손상 기준을 설정하는 예시이다.
각각의 도면을 보면, 정상적인 경우에는 베어링 손상 기준(threshold) 이상에서 비교적 진동신호의 분포가 집중도어 있는 반면에, 베어링이 손상된 상태에서는 상기 베어링 손상 기준을 넘는 경우가 많고 그 분포도 분산되어 있다.
또한, 상기 엔진(10)의 운전상태에 따라 상기 베어링 손상 기준도 다르게 설정된다. 이는 각각의 엔진 운전 상태에 따라 상기 노킹센서(15)로부터 측정되는 베어링 신호의 레벨이 다르기 때문에, 각각의 엔진 운전 상태에 따라 적합한 베어링 손상 기준은 다르게 한다. 상기 도 11a 내지 도 11e에 는 각 엔진의 운전 상태에서 베어링 손상 기준의 일례가 기재되어 있고, 상기 베어링 손상 기준은 적절히 다른 값으로 변경될 수 있다.
10 : 엔진 11 : 커넥팅 로드
12 : 크랭크 핀 13 : 베어링
15 : 노킹센서 16 : 오일온센서
20 : 제어부 21 : 엔진 제어부
22 : 신호 처리부 23 : 베어링 손상 판단부
31 : 경고등
S110 : 진단 개시 조건 만족 판단 단계
S120 : 신호 분리 단계
S130 : 신호 처리 단계
S140 : 엔진 상태 감지 단계
S150 : 모니터링 카운터 증가 단계
S160 : 베어링 손상 판단 단계
S170 : 베어링 손상 카운터 증가 단계
S180 : 베어링 손상 확정 단계
S191 : 림프 홈 모드 단계
S192 : 경고수단 작동 단계

Claims (16)

  1. 차량의 엔진의 일측에 설치된 진동 감지 수단에 의해 감지된 상기 엔진의 진동신호를 연소 노킹에 의한 진동신호와 크랭크 축의 크랭크 핀과 커넥팅 로드가 연결되는 부위에 설치되는 베어링으로부터 발생되는 진동신호로 분리하는 신호 분리 단계와,
    상기 베어링으로부터 발생된 진동신호를 밴드패스 필터를 통하여 미리 정해진 고유주파수대역의 신호를 추출하고, 이를 정량화된 베어링 신호로 처리하는 신호 처리 단계와,
    상기 베어링 신호를 미리 설정된 베어링 손상 기준보다 높은지를 비교하는 베어링 손상 판단 단계를 포함하며,
    상기 신호 처리 단계와 상기 베어링 손상 판단 단계 사이에는 상기 엔진의 운전 상태에 따라 상기 베어링 손상 기준을 다르게 설정하도록 상기 엔진의 운전 상태를 감지하는 엔진 상태 감지 단계가 더 포함되며,
    상기 엔진 상태 감지 단계에서는,
    상기 엔진이 감속중이면서 미리 설정된 조건 인지를 판단하는 것으로,
    상기 엔진의 상태가 엔진의 회전수가 줄기 시작하는 감속 초기 상태, 엔진의 회전수가 줄어들면서 아이들 엔진 회전수로 변경되는 감속 중 아이들 진입 상태, 감속 중 퓨얼컷 상태에서 아이들 진입 상태 중 어느 하나 인지 판단하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리 단계에서는 상기 베어링으로부터 발생된 진동신호에서 1.5kHz ~ 2.5kHz를 중심 주파수로 하고, 상기 중심 주파수에서 미리 설정된 주파수 대역 이내를 고유주파수 대역으로 하고, 상기 고유주파수 대역 이외의 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 손상 판단 단계 이후에는 상기 베어링 신호가 상기 베어링 손상 기준을 넘을 때마다 베어링 손상 카운터를 증가시키는 베어링 손상 카운터 증가 단계와,
    누적된 베어링 손상 카운터가 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것으로 미리 설정된 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링의 손상을 확정하는 베어링 손상 확정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    운전 중인 상기 엔진이 상기 엔진 상태 감지 단계에서 설정된 어느 하나의 운전 상태로 진입할 때 마다, 모니터링 카운터를 증가시키는 모니터링 카운터 증가 단계를 더 포함하고,
    상기 베어링 손상 확정 단계에서는 상기 베어링의 손상을 확정하기 위해 미리 설정된 베어링 손상 판단 누적 모니터링 카운터 동안, 누적된 베어링 손상 카운터가 상기 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모니터링 카운터 증가 단계에서는 상기 엔진이 각 상태 별로 각각 상기 모니터링 카운터를 설정하고, 해당 상태로 진입하는 경우에 해당 상태의 모니터링 카운터를 증가시키는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 손상 판단 단계에서는, 상기 엔진의 상태를 아이들 운전 상태, 부분부하 운전 상태 중 어느 하나 인지를 감지하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진의 운전 상태가 아이들 운전 상태 또는 부분부하 운전 상태라면, 베어링 손상 카운터만을 누적시켜, 누적된 베어링 손상 카운터가 손상 확정 누적 베어링 손상 카운터 이상이면, 상기 베어링이 손상된 것으로 확정하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 베어링 손상 확정 단계 이후에는, 상기 엔진이 미리 설정된 안전 최고 엔진 회전수 이하로 상기 엔진의 회전수를 제한하는 림프 홈 모드 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 림프 홈 모드 단계에서는 상기 차량의 가속페달값을 미리 설정된 상한으로 제한되는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 베어링 손상 확정 단계 이후에는, 차량의 실내에 설치되고, 상기 베어링의 손상시 탑승자에게 상기 베어링의 손상을 알람하는 경고수단을 작동시키는 경고수단 작동 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 신호 분리 단계가 수행되기 이전에는 상기 진동 감지 수단으로부터 감지된 상기 엔진의 진동신호가 안정화되었는지를 판단하는 진단 개시 조건 만족 판단 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 진단 개시 조건 만족 판단 단계는 상기 엔진이 워밍업 되었는지를 판단하고, 상기 엔진이 워밍업 된 것으로 판단되면, 상기 신호 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    엔진 오일의 온도가 미리 설정된 온도 이상이면, 상기 엔진의 워밍업이 완료되어 상기 신호 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 엔진의 베어링 손상 감지 방법.

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