KR20160099487A - 노크 센서 신호에서의 총 고조파 왜곡을 이용하여 기관 부품의 건전도를 유추하는 방법 및 시스템 - Google Patents

노크 센서 신호에서의 총 고조파 왜곡을 이용하여 기관 부품의 건전도를 유추하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 왕복 장치의 부품의 건전도를 유추하는 방법은, 왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하는 것과, 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하는 것, 그리고 유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하는 것을 포함한다.

Description

노크 센서 신호에서의 총 고조파 왜곡을 이용하여 기관 부품의 건전도를 유추하는 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS TO DERIVE ENGINE COMPONENT HEALTH USING TOTAL HARMONIC DISTORTION IN A KNOCK SENSOR SIGNAL}
본원에 개시된 대상은 노크 센서에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 대규모의 다기통 왕복 장치(예컨대, 연소 기관, 왕복 압축기 등)에 부품의 상태 검출을 위해 장착된 노크 센서에 관한 것이다.
연소 기관은 통상적으로 탄소 함유 연료, 예컨대 천연 가스, 휘발유, 경유 등을 연소시키고, 이에 대응하는 고온 고압의 가스의 팽창을 이용해 기관의 특정 부품, 예컨대 실린더 내에 배치된 피스톤 등에 힘을 인가하여 그 부품을 소정 거리에 걸쳐 이동시킨다. 각 실린더는, 탄소 함유 연료의 연소와 연관되어 개폐되는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡기 밸브는 공기 등과 같은 산화제를 실린더 내로 유도할 수 있고, 이 산화제는 이후에 연료와 혼합되어 연소된다. 그 후에, 연소 유체, 예컨대 고온 가스 등은 배기 밸브를 거쳐 실린더를 빠져나가도록 유도될 수 있다. 이에 따라, 탄소 함유 연료는 부하를 구동시키는 데 유용한 기계적 운동으로 변환된다. 예를 들어, 부하는 전력을 생산하는 발전기일 수 있다. 노크 센서는 다기통 연소 기관을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 노크 센서는 기관 실린더의 외부에 장착될 수 있고, 기관이 바라던 대로 운전되고 있는지의 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다.
기관이 운전되고 있는 동안에 일어나는 부품 고장은 많은 비용이 들 수 있고, 부품 고장을 훨씬 넘어서는 기관 손상을 초래할 수 있다. 이를 토대로 봤을 때, 부품이 마모되어 있음을, 또는 다른 식으로 고장에 가까워져 있음을 검출하여, 기관이 운전되고 있는 동안에 부품이 고장나기 이전에 부품을 교체 또는 수리할 수 있는 방안을 갖는 것이 유익할 것이다.
최초로 청구된 발명과 상응하는 범위의 특정 실시형태들을 이하에 요약한다. 이들 실시형태는 청구된 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라, 단지 발명의 가능한 형태에 대한 간략한 설명을 제공하려는 것이다. 실제로, 본 발명은 이하에 기술된 실시형태들과 유사하거나 혹은 다를 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
제1 실시형태에서, 왕복 장치의 부품의 건전도를 유추하는 방법은, 왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하는 것과, 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하는 것, 그리고 유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하는 것을 포함한다.
제2 실시형태에서, 시스템은 왕복 장치를 제어하도록 구성되어 있는 왕복 장치 컨트롤러를 포함하고, 상기 왕복 장치 컨트롤러는, 왕복 장치의 부품의 기본 주파수에 각각 대응하는 하나 이상의 주파수를 획득하고, 왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하며, 상기 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하고, 그리고 유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하도록, 구성되어 있는 프로세서를 포함하는 것이다.
제3 실시형태에서, 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체가 실행 가능한 명령을 포함하고, 상기 명령은 실행시에 프로세서가, 왕복 장치의 부품의 기본 주파수에 각각 대응하는 하나 이상의 기관 부품의 하나 이상의 주파수를 획득하게 하고, 왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하게 하며, 상기 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하게 하고, 유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하게 하며, 그리고 왜곡의 존재를 나타내는 사용자가 인지 가능한 표시를 제공하게 하는 것이다.
전술한 본 발명의 특징, 양태 및 이점과 그 밖의 특징, 양태 및 이점은, 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품들에 유사한 부호들이 표시된, 첨부 도면을 참조로 하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본원의 양태에 따른 기관 구동 발전 시스템의 실시형태의 블록 선도이다.
도 2는 본원의 양태에 따른 피스톤 어셈블리의 실시형태의 측방 단면도이다.
도 3은 본원의 양태에 따라 고조파 왜곡이 어떻게 신호에 영향을 미치는가를 보여주는 도면이다.
도 4는 본원의 양태에 따라 고조파 왜곡을 갖는 신호의 샘플 스펙트럼 도표의 실시형태이다.
도 5는 본원의 양태에 따라 건전한 부품 및 마모된 부품으로부터의 신호를 보여주는 샘플 스펙트럼 도표의 실시형태이다.
도 6은 본원의 양태에 따라 노크 센서 신호에서의 총 고조파 왜곡을 이용하여 하나 이상의 기관 부품의 건전도를 결정하는 프로세서의 실시형태를 보여주는 흐름도이다.
하나 이상의 본 발명의 구체적인 실시형태를 이하에 설명한다. 이들 실시형태를 간결하게 기술하려고 노력하다 보면, 실제 구현예의 모든 특징부들을 본 명세서에 기술할 수는 없다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 상기한 임의의 실제 구현예를 개발하고자 할 때, 구현예마다 서로 다를 수 있는, 개발자의 구체적인 목표를 달성하기 위해서는, 예컨대 시스템-관련 및 사업-관련 제약 등을 준수하여, 여러 구현-구체적인 결정이 이루어져야 하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이와 같은 개발 노력은 복잡하고 많은 시간이 걸릴 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본원을 유용하는 당업자에게 설계, 제작 및 생산을 담당하게 하는 일반적인 절차인 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 여러 실시형태의 구성요소를 소개할 때, 관사 "a", "an", "the" 및 "said"는 하나 이상의 구성요소가 존재함을 의미하려는 의도가 있다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적인 것임을 의미하면서 열거된 구성요소 이외의 추가적인 구성요소가 존재할 수 있음을 의미하려는 의도가 있다.
왕복 장치(예컨대, 연소 기관, 왕복 압축기 등)가 운전되고 있는 동안의 부품 고장은, 기관에 대해 대가가 큰 손상을 초래할 수 있고, 이러한 손상의 범위는 고장난 부품을 훨씬 넘어서는 것이다. 이를 토대로 봤을 때, 고장이 일어나기 전에, 부품이 마모되어 있음을, 또는 다른 식으로 고장에 가까워져 있음을 검출하여, 왕복 장치에 대해 불필요한 손상을 초래하지 않으면서, 부품을 교체 또는 수리할 수 있는 방안을 갖는 것이 유익할 것이다. 기관의 각 부품은 기본 주파수를 갖는다. 왕복 장치의 작동 중에, 건전한 부품의 공진에서는 기본 주파수에서의 공진이 지배적이다. 부품이 마모되고 및/또는 고장에 가까워짐에 따라, 기본 주파수의 고조파의 공진이 증대되고, 그 결과 왜곡이 일어난다. 부품의 공진은 노크 센서에 의해 감지될 수 있으므로, 왕복 장치의 부품의 건전도는 노크 센서 신호에서의 총 고조파 왜곡을 모니터링함으로써 결정될 수 있다.
도면을 살펴보면, 도 1은 기관 구동 발전 시스템(10)의 일부분의 실시형태의 블록 선도를 보여준다. 이하에 상세히 기술되는 바와 같이, 기관 구동 발전 시스템(10)은 하나 이상의 연소실(14)[예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 10개, 12개, 14개, 16개, 18개, 20개 또는 그 이상의 연소실(14)]을 갖는 기관(12)(예컨대, 왕복 내연 기관)을 포함한다. 도 1은 연소 기관(12)을 보여주고 있지만, 임의의 왕복 장치가 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 공기 공급부(16)는, 공기, 산소, 산소-부화(富化) 공기, 산소-빈화(貧化) 공기, 또는 이들의 임의의 조합 등과 같은 가압 산화제(18)를 각 연소실(14)에 제공하도록 구성되어 있다. 연소실(14)은 또한, 연료 공급부(22)로부터 연료(20)(예컨대, 액체 및/또는 기체 연료)를 받아들이도록 구성되어 있고, 연료-공기 혼합물이 각 연소실(14) 내에서 점화되며 연소된다. 고온의 가압 연소 가스는, 각 연소실(14)에 인접한 피스톤(24)을 실린더(26) 내에서 직선 운동시키고, 연소 가스에 의해 가해진 압력을 회전 운동으로 변환시키며, 이로 인해 샤프트(28)가 회전하게 된다. 또한, 샤프트(28)의 회전을 통해 동력을 공급받게 되는 부하(30)에 샤프트(28)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 부하(30)는, 시스템(10)의 회전 출력을 통해 동력을 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 장치, 예컨대 발전기 등일 수 있다. 추가적으로, 이하의 설명에서는 공기를 산화제(18)라고 하고 있지만, 개시된 실시형태에는 임의의 적절한 산화제가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 연료(20)는 임의의 적절한 기체 연료, 예컨대 천연 가스, 부수 석유 가스, 프로판, 바이오 가스, 하수 가스, 매립지 가스, 탄광 가스 등일 수 있다.
본원에 개시된 시스템(10)은, 고정식 용례(예컨대, 산업용 발전 기관) 또는 이동식 용례(예컨대, 차량 또는 항공기)에 사용하도록 맞춰질 수 있다. 기관(12)은 2행정 기관, 3행정 기관, 4행정 기관, 5행정 기관, 또는 6행정 기관일 수 있다. 기관(12)은 또한, 임의의 수(예컨대, 1개~24개)의 연소실(14), 피스톤(24) 및 관련 실린더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 시스템(10)은, 실린더(26) 내에서 왕복 운동하는 4개, 6개, 8개, 10개, 16개, 24개 또는 그 이상의 피스톤(24)을 갖는 대규모의 산업용 왕복 기관을 포함할 수 있다. 몇몇 이런 경우에, 실린더 및/또는 피스톤(24)은 약 13.5~34 ㎝의 직경을 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 실린더 및/또는 피스톤(24)은 약 10~40 ㎝, 15~25 ㎝, 또는 15 ㎝의 직경을 가질 수 있다. 시스템(10)은 10 kW 내지 10 MW 범위의 전력을 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 기관(12)은 약 1800 RPM 미만으로 작동될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 기관(12)은 약 2000 RPM, 1900 RPM, 1700 RPM, 1600 RPM, 1500 RPM, 1400 RPM, 1300 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 900 RPM, 또는 750 RPM 미만으로 작동될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 기관(12)은 약 750~2000 RPM, 900~1800 RPM, 또는 1000~1600 RPM으로 작동될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 기관(12)은 약 1800 RPM, 1500 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 또는 900 RPM으로 작동될 수 있다. 예시적인 기관(12)으로는, 예를 들어 제너럴 일렉트릭 컴패니의 Jenbacher 기관(예컨대, Jenbacher Type 2, Type 3, Type 4, Type 6 또는 J920 FleXtra) 또는 Waukesha 기관(예컨대, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL) 등이 있다.
기관 구동 발전 시스템(10)은 기관의 "노킹" 및/또는 기관(12)의 그 밖의 운전 특징을 검출하기에 적합한 하나 이상의 노크 센서(32)를 포함할 수 있다. 노크 센서(32)는 기관(12)에 의해 야기되는 진동, 예컨대 폭발, 조기-점화 및 핑잉(pinging)으로 인한 진동을 감지하도록 구성되어 있는 임의의 센서일 수 있다. 노크 센서(32)는 컨트롤러(예컨대, 왕복 장치 컨트롤러), 엔진 제어 유닛(ECU)(34)에 통신 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다. 작동 중에, 노킹 상태(예컨대, 핑잉), 또는 그 밖의 거동이 존재하는가를 결정하기 위해, 노크 센서(32)로부터의 신호가 ECU(34)에 전해진다. 그 후에, ECU(34)는 바람직하지 않은 상태를 개선하거나 또는 회피하도록 특정 기관(12) 파라미터를 조정할 수 있다. 예를 들어, ECU(34)는 노킹 상태를 회피하도록 점화 타이밍을 조정하거나 및/또는 부스트 압력을 조정할 수 있다. 본원에 더 기술되어 있는 바와 같이, 노크 센서(32)는 노킹 이외의 다른 진동을 추가적으로 검출할 수 있다. 부품의 건전도를 분석하는 후술하는 기술을 연소 기관과 관련하여 설명하고 있지만, 동일한 기술이 압축기 등과 같은 다른 왕복 장치에 적용될 수 있다.
도 2는 왕복 기관(12)의 실린더(26)(예컨대, 엔진 실린더) 내에 피스톤(24)이 배치되어 있는 피스톤 어셈블리(36)의 실시형태의 측방 단면도이다. 실린더(26)는 원통형 캐비티(40)(예컨대, 보어)를 획정하는 환형 내벽(38)을 구비한다. 피스톤(24)은 축방향의 축선 또는 방향(42), 반경방향의 축선 또는 방향(44), 및 둘레방향의 축선 또는 방향(46)에 의해 획정될 수 있다. 피스톤(24)은 정상부(48)(예컨대, 탑 랜드)를 포함한다. 정상부(48)는 일반적으로, 피스톤(24)이 왕복 운동하고 있는 동안에, 연료(20)와 공기(18), 또는 연료-공기 혼합물이 연소실(14)로부터 빠져나가는 것을 막는다.
도시된 바와 같이, 피스톤(24)은 커넥팅 로드(52) 및 핀(54)을 통해 크랭크샤프트(50)에 부착되어 있다. 크랭크샤프트(50)는 피스톤(24)의 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾼다. 피스톤(24)이 이동할 때, 크랭크샤프트(50)가 회전하여 전술한 바와 같이 부하(30)(도 1에 도시)에 동력을 제공한다. 도시된 바와 같이, 연소실(14)은 피스톤(20)의 탑 랜드(48)에 인접하게 배치되어 있다. 연료 인젝터(56)가 연소실(14)에 연료(20)를 제공하고, 흡기 밸브(58)가 연소실(14)로의 공기(18)의 전달을 제어한다. 배기 밸브(60)가 기관(12)으로부터의 배기가스의 배출을 제어한다. 그러나, 연료(20)와 공기(18)를 연소실(14)에 제공하기 위한 및/또는 배기가스를 배출하기 위한 임의의 적절한 요소 및/또는 기술이 이용될 수 있고, 몇몇 실시형태에서는 연료 분사가 사용되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 작동시, 연소실(14)에서 연료(20)가 공기(18)와 함께 연소함으로써, 피스톤(24)은 실린더(26)의 캐비티(40) 내에서 축방향(42)으로 왕복(예컨대, 앞뒤로) 이동하게 된다.
작동 중에, 피스톤(24)이 실린더(26)에서 가장 높은 지점에 있는 경우, 피스톤은 상사점(TDC)이라고 하는 위치에 있다. 피스톤(24)이 실린더(26)에서 가장 낮은 지점에 있는 경우, 피스톤은 하사점(BDC)이라고 하는 위치에 있다. 피스톤(24)이 위에서 밑으로 또는 밑에서 위로 이동할 때, 크랭크샤프트(50)는 1/2바퀴 회전한다. 피스톤(24)이 위에서 밑으로 또는 밑에서 위로 이동하는 것을 각각 행정이라 하며, 기관(12)의 실시형태로는 2행정 기관, 3행정 기관, 4행정 기관, 5행정 기관, 6행정 기관 등을 들 수 있다.
기관(12)의 작동 중에, 흡입 프로세스, 압축 프로세스, 동력 발생 프로세스 및 배기 프로세스를 포함하는 절차가 통상적으로 일어난다. 흡입 프로세스는 가연성 혼합물이, 예컨대 연료와 공기가, 실린더(26) 내로 인입되는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 흡기 밸브(58)가 개방되며 배기 밸브(60)가 폐쇄된다. 압축 프로세스는 가연성 혼합물을 보다 좁은 공간으로 압축하고, 그 결과 흡기 밸브(58)와 배기 밸브(60)가 모두 폐쇄된다. 동력 발생 프로세스는, 압축된 연료-공기 혼합물을 점화하는 것으로서, 스파크 플러그 시스템을 통한 스파크 점화, 및/또는 압축 열을 통한 압축 점화를 포함할 수 있다. 그 후에, 연소에서 얻어지는 압력이 피스톤(24)을 BDC로 밀어붙인다. 배기 프로세스는 통상적으로 피스톤(24)을 TDC로 돌려보내며, 배기 밸브(60)를 개방된 채로 유지시킨다. 이에 따라, 배기 프로세스는 사용후 연료-공기 혼합물을 배기 밸브(60)를 통해 방출한다. 실린더(26)마다 하나 이상의 흡기 밸브(58) 및 배기 밸브(60)가 사용될 수 있다는 점에 주목해야 할 필요가 있다.
기관(10)은 또한, 크랭크샤프트 센서(62)와, 하나 이상의 노크 센서(32), 그리고 프로세서(64), 메모리(66)(예컨대, 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체) 및 증폭기(68)를 구비할 수 있는 엔진 제어 유닛(ECU)(34)을 포함할 수 있다. 크랭크샤프트 센서(62)는 크랭크샤프트(50)의 위치 및/또는 회전 속도를 감지한다. 따라서, 크랭크 각 또는 크랭크 타이밍의 정보가 유추될 수 있다. 즉, 연소 기관을 모니터링할 때, 타이밍은 종종 크랭크샤프트(50) 각도로 표현된다. 예를 들어, 4행정 기관(12)의 풀(full) 사이클이 720° 사이클로서 측정될 수 있다. 하나 이상의 노크 센서(32)는 압전 가속도계, 초소형 기전 시스템(MEMS) 센서, 홀 효과 센서, 자왜 센서, 및/또는 진동, 가속, 음향, 사운드 및/또는 운동을 감지하도록 되어 있는 임의의 다른 센서일 수 있다. 다른 실시형태에서, 센서(32)는 전통적인 인식에서의 노크 센서가 아니라, 진동, 압력, 가속, 휨, 또는 운동을 감지할 수 있는 임의의 센서일 수 있다.
기관(12)의 타음 속성으로 인해, 노크 센서(32)는 실린더(26)의 외부에 장착되는 경우라도 사인을 검출할 수 있다. 하나 이상의 노크 센서(32)는 기관(12) 상의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는, 실린더(26)의 측면에 하나의 노크 센서(32)가 도시되어 있다. 다른 실시형태에서는, 실린더(26)의 헤드 상에 하나 이상의 노크 센서(32)가 사용될 수 있다. 추가적으로, 몇몇 실시형태에서는, 단일의 노크 센서(32)를, 예를 들어 하나 이상의 인접 실린더(26)와 공유할 수 있다. 다른 실시형태에서, 각 실린더(26)는 실린더(26)의 어느 한 측면에 또는 양 측면에 하나 이상의 노크 센서(26)를 포함할 수 있다. 크랭크샤프트 센서(62) 및 노크 센서(32)는 엔진 제어 유닛(ECU)(34)과 전자 통신하고 있는 것으로 도시되어 있다. ECU(34)는 프로세서(64) 및 메모리(68)를 포함하고, 또한 증폭기(68)를 포함할 수 있다. 메모리(66)는, 프로세서(64)에 의해 실행될 수 있는 비일시적 코드 또는 컴퓨터 명령을 저장할 수 있다. ECU(34)는, 예를 들어 스파크 타이밍의 조정, 밸브(58, 60)의 타이밍의 조정, 연료 및 산화제(예컨대, 공기)의 전달 조정 등을 통하여, 기관(12)의 작동을 모니터링 및 제어한다. 몇몇 실시형태에서, 증폭기(68)는 노크 센서(32) 신호를 증폭하는 데 이용될 수 있다. 증폭기(68)는 하드웨어 기반의 증폭기, 소프트웨어 기반의 증폭기, 또는 이들의 조합일 수 있다. 증폭은, ECU(34)가 노크 센서(32)에 의해 수집된 데이터를 기록하고 있을 때 실시간으로 행해지거나, 또는 데이터가 ECU(34)에 의해 기록된 이후에 후처리의 일부분으로서 행해질 수 있다.
노크 센서(32)는 기관의 노킹을 검출하는 데 사용된다. 기관의 노킹은 정상 연소의 한계 밖에 있는 연료의 조기 연소이다. 몇몇 경우에, ECU(34)는 기관 노킹의 발생시에 기관의 작동 파라미터를 조정함으로써 기관 노킹을 감소 또는 회피하려고 시도할 수 있다. 예를 들어, ECU(34)는 기관 노킹을 감소 또는 회피해 보려는 노력으로 공기/연료 혼합, 점화 타이밍, 부스트 압력 등을 조정할 수 있다. 그러나, 노크 센서는 또한, 엔진 노킹과는 관련이 없는 기관에서의 다른 진동을 검출하는 데 사용될 수 있다.
도 3은 본원의 양태에 따라 고조파 왜곡이 어떻게 신호에 영향을 미치는가를 보여주는 도면(70)이다. 좌측의 신호(72)는 주파수 스펙트럼(74)에 의해 도시된 바와 같이 신호 주파수의 정현파 신호이다. 부품이 건전한 경우, 노크 센서로부터의 신호에서는 하나의 주파수, 즉 해당 부품의 기본 주파수가 지배적일 것이다. 부품이 마모될 때, 노크 센서(32)에 의해 검출되는 신호의 고조파 왜곡은, 고조파 주파수의 공진이 좀더 우세해져 감에 따라 증대될 것이다. 왜곡된 신호(76)와 주파수 스펙트럼(78)은, 이 경우에 3차, 5차 및 7차 고조파에서의 고조파 배음(倍音)이 어떻게 신호(76)의 클리핑을 초래하는지를 보여준다. 일반적으로, 홀수차 고조파에서의 배음이 증대됨에 따라, 신호(76)는 클리핑을 경험하고 방형파에 가까워진다. 그러나, 단지 도 3은 고조파 배음과 클리핑이 어떻게 관련지어지는가를 보여주는 예로서 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 개시된 실시형태는 서로 다른 레벨의 고조파 왜곡 및/또는 고조파 공진의 서로 다른 조합을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 노크 센서(32)에 의해 검출된 신호는 도 3에 도시된 신호(72, 76)와 조금도 닮지 않을 수 있다. 간결한 설명을 위해, 도 3에 도시된 신호(72, 76)는 정현파를 이용한다. 추가적으로, 신호(72)는 단일 주파수를 갖는 정현파 신호를 보여주고 있지만, 완전히 새로운 성분조차도 약간의 고조파 왜곡을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 식으로, 당업자는 건전한 부품이 단일 주파수로만 공진하리라고 예측하여서는 안 된다.
도 4는 노크 센서(32)로부터 샘플링된 고조파 왜곡을 갖는 부품 신호(86)의 샘플 스펙트럼 도표(80)의 실시형태이다. 도표(80)의 x-축(82)은 주파수(㎑)이다. 도표(80)의 y-축(84)은 전력(dB)이다. 그러나, 다른 실시형태에서 y-축은 볼트, 미처리 노이즈의 진폭, 공학 단위, 또는 그 밖의 단위일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 모니터링되는 부품은 기관의 임의의 부품일 수 있다. 예를 들어, 상기 부품은 피스톤(24), 실린더(26), 샤프트(28), 커넥팅 로드(52), 핀(54), 밸브(58, 60)의 부품, 또는 기관의 임의의 다른 부품일 수 있다. 부품 신호(86)는 기본 주파수(88)(즉, 1차 고조파), 2차 고조파 주파수(90), 3차 고조파 주파수(92), 4차 고조파 주파수(94) 및 5차 고조파 주파수(96)에서 피크를 나타낸다. 6차 고조파 주파수(98)가 도시되어 있지만, 도표(80)에서는 6차 고조파 주파수(98)에서 뚜렷한 피크가 존재하지 않는다. 부품 신호의 스펙트럼 도표가 이렇게 보일 것이지만, 부품의 기본 주파수(88)와 부품의 건전도에 따라, 도표는 아마도 다른 수의 피크, 다른 피크 진폭, 다른 위치에서의 피크를 갖는 등 매우 달라 보일 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 5는 피스톤 슬랩(piston slap)을 나타내는 피스톤 어셈블리(36)와 건전한 피스톤 어셈블리(36)의 샘플 스펙트럼 도표(100)의 실시형태이다. 도 4에서의 도표(80)와 마찬가지로, 도표(100)의 x-축(102)은 주파수(㎑)이다. y-축(104)은 노이즈 진폭이며, dB, 볼트, 공학 단위 등을 비롯한 다양한 단위일 수 있다. 신호(106)는 상대적으로 건전한 피스톤 어셈블리(36)의 신호이다. 주파수가 증대됨에 따라, 고조파에서 큰 피크가 없다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 이와는 반대로, 신호(108)는 피스톤 슬랩을 경험하고 있는 건전하지 않은 피스톤 어셈블리(36)를 갖는 실린더(26)로부터의 것이다. 신호(108)는 스펙트럼을 죽 따라가면서 고조파 주파수에서 큰 피크를 보여주는데, 이는 건전하지 않은 부품을 나타낸다. 피스톤(24)과 실린더(26) 사이의 간극이 너무 커서, 피스톤(24)과 실린더(26) 사이에 과도한 유극이 형성되는 경우, 피스톤 슬랩이 일어난다. 피스톤 슬랩이 존재하는 경우, 피스톤(24)은 연소 중에 실린더(26)의 일측면에서 마찰하고, 실린더(26)의 일측면("스러스트 면"이라 함)에 스러스트를 가한다. 피스톤 슬랩은, 피스톤(24)과 실린더(26) 사이의 감합 불량에 의해, 또는 마모된 부품에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 피스톤 슬랩은 핀 또는 로드의 고장 이전에 존재할 수 있다. 부품이 실제로 고장나기 전에 문제를 포착함으로서, 오퍼레이터는 부품의 고장 이전에 기관을 정지시킬 수 있고, 이에 따라 다른 기관 부품에 대해 대가가 큰 손상을 입힐 수 있는 상황을 방지할 수 있다. 도 4와 마찬가지로, 부품의 기본 주파수와 부품의 건전도에 따라, 부품의 스펙트럼 도표는 아마도 다른 수의 피크, 다른 피크 진폭, 다른 위치에서의 피크를 갖는 등 매우 달라 보일 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 6은 노크 센서(32) 신호에서의 총 고조파 왜곡을 산출함으로써, 하나 이상의 기관 부품의 건전도를 결정하는 프로세스(110)의 실시형태를 보여주는 흐름도이다. 이 프로세스(110)는, 메모리(66)에 저장되어 있으며 ECU(34)의 프로세서(64)에 의해 실행 가능한 컴퓨터 명령어 코드 또는 실행 가능한 코드로서 구현될 수 있다. 블록 112에서, 프로세스(110)는 하나 이상의 기관 부품의 기본 주파수를 [예컨대, 사용자 디바이스 또는 다른 장치로부터 수신하거나, 메모리(66)에서 불러들이거나, 또는 다른 방법으로] 획득한다. 복수의 부품에 대한 고조파 주파수를 보여주는 표가 아래에 표 1에 제시되어 있다.
Figure pat00001
표 1: 부품 주파수의 예
표 1의 좌측 열에는 4개의 부품과 그 기본 주파수가 열거되어 있는데, 각 부품에는 고유의 행이 주어져 있다. 각 행에 열거된 부품에 대한 여러 고조파 주파수들이 표 1에 열거되어 있다. 표 1은 기본 주파수보다 작은 고조파와 큰 고조파(즉, 분수 조파 및 정수 조파)를 포함한다. 그러나, 표 1은 예에 불과한 것으로 이해되어야 한다. 몇몇 실시형태는 더 많거나 더 적은 부품을 포함할 수 있고, 다른 실시형태는 표 1에 나타내어져 있지 않은 고조파 주파수(예컨대, 1/8 고조파, 5차 고조파 등)를 포함할 수 있다. 사용시에, 사용자는 관심 고조파(예컨대, 1/4, 1/2, 1, 2, 3, 4 등)와 함께 부품의 기본 주파수를 입력하거나, 또는 간단히 부품의 기본 주파수를 입력할 수 있다. 다른 실시형태에서, 주파수는 다른 장치로부터 얻어지거나, 원격으로 얻어지거나, 또는 메모리(66)에 저장되어 있을 수 있다.
블록 114에서, 프로세스(110)는 노크 센서(32)로부터 받은 데이터를 샘플링한다. 예를 들어, 하나 이상의 노크 센서(32)는 데이터를 수집한 후에 이 데이터를 ECU(34)에 전송한다. 이 실시형태에서는, 단일 노크 센서(32)가 각 실린더(26) 상에 장착되어 있다. 다른 실시형태에서는, 단일 실린더(26) 상에 2 이상의 노크 센서(32)가 장착될 수 있다. 또 다른 실시형태에서는, 하나 이상의 실린더(26)가 노크 센서(32)를 공유할 수 있다.
블록 116에서, 프로세스(110)는 증폭기(68)를 이용하여 노크 센서(32)로부터의 신호를 증폭할 수 있다. 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, 신호가 클리핑될 때, 고조파 왜곡이 존재할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 노크 센서(32)로부터의 신호는 희미하거나 약할 수 있고, 그 결과 고조파 왜곡은 쉽게 식별될 수 없다. 이러한 경우에, 프로세스(110)는 증폭기(68)를 이용하여 신호를 증폭할 수 있다. 증폭기(68)는 하드웨어 기반, 또는 소프트웨어 기반의 것일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프로세스(110)는 신호를 증폭한다. (여하튼 증폭이 요구되는 경우에) 증폭의 레벨은, 분석 대상 부품의 정상 여진(勵振)이 클리핑 포인트의 아래에 있지만 비정상 여진(즉, 부품 마모 또는 고장) 하에서 신호가 클리핑 포인트에 도달하도록 되어 있어야 한다. 일단 클리핑이 일어나면, 이 클리핑 포인트를 검출하기 위해 총 고조파 왜곡 측정이 이용될 수 있다. 모든 실시형태에서 증폭기(68)가 사용되는 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다. 정상 여진 중에는 신호가 클리핑 포인트의 아래에 있지만 비정상 여진 중에는 신호가 클리핑 포인트에 도달하는 것으로, 노크 센서(32)로부터의 비증폭 신호가 되어 있는 경우에는, 신호를 증폭하지 않을 수 있다.
블록 118에서, 프로세스(110)는, 여러 해당 부품과 연관된 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD) 또는 총 고조파 왜곡에 노이즈를 더한 값(THD+N)을 평가하여, 상기 THD 또는 THD + N이 임계값보다 큰지의 여부를 결정한다. 상기 임계값은 기본 주파수에 대한 백분율 또는 데시벨(dB)로서 표현될 수 있다. 상기 임계값은 사용자에 의해 입력되거나, 다른 장치로부터 얻어지거나, 또는 다른 방법으로 수신되거나, 메모리(66)에 저장되어 있고 프로세서(64)가 불러들일 수 있다. 부품이 마모되거나 그렇지 않으면 고장에 가까워짐에 따라, 전체 THD가 증대될 것이다. 즉, 부품이 마모됨에 따라, 작동 중인 부품의 공진에서는 부품의 기본 주파수에서의 공진이 덜 지배적이게 되고, 고조파 주파수에서의 공진이 보다 더 지배적이게 된다. THD는 이하의 식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 THD는 총 고조파 왜곡이고, Vn은 n차 고조파의 RMS 전압이며, V1은 해당 부품의 기본 주파수이다.
THD + N은 이하의 식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure pat00003
결정(120)시에, 프로세스(110)는 THD 또는 THD + N이 주어진 임계값을 상회하는지의 여부를 결정한다. THD 또는 THD + N이 임계값을 상회하는 경우, 기관(12)의 하나 이상의 부품은 마멸되어 있거나, 마모되어 있거나, 또는 고장에 가까워진 상태일 수 있다. THD 또는 THD + N이 임계값을 상회하면, 프로세스(110)는 블록 122로 이동하여, THD 또는 THD + N이 임계 레벨을 상회하여 부품이 고장에 가까워지고 있을 수 있음을 사용자에게 경고한다. 여러 다양한 방식으로, 예컨대 고유의 에러 코드, 디스플레이 알림, 사운드 알림, 음향 알림, 텍스트, 또는 THD가 임계값을 넘어섰음을 나타내는 다른 사용자 인지 가능한 표시 등을 통해, 사용자에게 경고가 주어질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, ECU(34)는 부품의 고장이 과도한 손상을 초래할 가능성을 감소시키는 다른 작동 모드(예컨대, 안전 운전 모드)로 바뀔 수 있다. 이때, 사용자는 기관(12)을 정지시키고 문제를 더 조사할지의 여부를 결정할 수 있다. 추가적으로, 블록 124에서, 프로세스(110)는 추후의 분석을 위해 수집된 데이터를 기록할 수 있다. THD 또는 THD + N이 임계값보다 적으면, 프로세스(110)는 블록 114로 되돌아가서 노크 센서(32)로부터 데이터를 더 샘플링한다.
개시된 실시형태의 기술 효과로는, 왕복 장치의 부품 건전도를 유추하는 시스템 및 방법으로서, 하나 이상의 기관 부품의 각각의 기본 주파수, 각각의 기본 주파수와 관련이 있는 관심 고조파, 및/또는 임계 왜곡 레벨을 획득하는 단계, 왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하는 단계, 상기 신호를 증폭하는 단계, 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD) 또는 총 고조파 왜곡에 노이즈를 더한 값(THD + N)을 유추하는 단계, 유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하는 단계, 및 부품이 고장에 가까운 상태일 수 있음을 사용자에게 경고하는 단계를 포함하는 시스템 및 방법이 있다.
본 명세서는, 본 발명을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 임의의 당업자가 개시된 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시예에는 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 임의의 수반되는 방법을 행하는 것 등이 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 예도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (20)

  1. 왕복 장치의 부품의 건전도를 유추하는 방법으로서,
    왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하기 위해;
    하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하기 위해; 및
    유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하기 위해,
    컨트롤러 사용하는 단계를 포함하는 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 주파수를 획득하는 단계를 더 포함하는 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 주파수 각각은 왕복 장치의 부품의 기본 주파수에 대응하는 것인 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임계값을 획득하는 단계를 더 포함하는 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  5. 제1항에 있어서, 정상 여진(勵振) 하에서는 신호 클리핑이 일어나지 않고, 비정상 여진 하에서 신호 클리핑이 일어나도록, 상기 신호를 증폭기를 통해 증폭하는 단계로서, 상기 비정상 여진은 마모되어 있거나 고장에 가까워져 있는 왕복 장치의 부품에 대응하는 것인 신호 증폭 단계를 더 포함하는 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 증폭기는 하드웨어 기반의 것인 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 증폭기는 소프트웨어 기반의 것인 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 THD의 유추는, 상기 하나 이상의 주파수에서 THD에 노이즈를 더한 값(THD + N)을 산출하는 것을 포함하는 것인 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  9. 제1항에 있어서, 총 고조파 왜곡의 유추는, 1/4, 1/3, 1/2, 2차, 3차 및 4차 고조파 주파수를 포함하는 주파수에서의 신호의 진폭을 평가하는 것을 포함하는 것인 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 임계값을 넘어선 THD를 나타내는 사용자가 인지 가능한 표시를 제공하는 단계를 더 포함하는 왕복 장치의 부품 건전도 유추 방법.
  11. 시스템으로서, 왕복 장치를 제어하도록 구성되어 있는 왕복 장치 컨트롤러를 포함하고, 상기 왕복 장치 컨트롤러는,
    왕복 장치의 부품의 기본 주파수에 각각 대응하는 하나 이상의 주파수를 획득하고;
    왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하며;
    상기 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하고; 그리고
    유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하도록, 구성되어 있는 프로세서를 포함하는 것인 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 왕복 장치 컨트롤러는, 상기 신호를 증폭하도록 구성되어 있는 증폭기를 더 포함하는 것인 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 증폭기는, 정상 여진 하에서는 신호 클리핑이 일어나지 않고, 비정상 여진 하에서 신호 클리핑이 일어나도록, 상기 신호를 증폭하도록 구성되어 있으며, 상기 비정상 여진은 마모되어 있거나 고장에 가까워져 있는 하나 이상의 왕복 장치의 부품에 대응하는 것인 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 THD의 유추는, 상기 하나 이상의 주파수에서 THD에 노이즈를 더한 값(THD + N)을 산출하는 것을 포함하는 것인 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 임계값을 획득하도록 구성되어 있는 것인 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 THD의 유추는, 상기 하나 이상의 왕복 장치의 부품의 1/4, 1/3, 1/2, 2차, 3차 및 4차 고조파 주파수에서의 신호의 진폭을 평가하는 것을 포함하는 것인 시스템.
  17. 실행 가능한 명령을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체로서, 상기 명령은 실행시에 프로세서가,
    왕복 장치의 부품의 기본 주파수에 각각 대응하는 하나 이상의 주파수를 획득하게 하고;
    왕복 장치에 연결된 노크 센서로부터 신호를 수신하게 하며;
    상기 하나 이상의 주파수에서 총 고조파 왜곡(THD)을 유추하게 하고;
    유추된 THD가 임계값을 넘어서는지의 여부를 결정하게 하며; 그리고
    왜곡의 존재를 나타내는 사용자가 인지 가능한 표시를 제공하게 하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 총 고조파 왜곡(THD)의 유추는, 상기 하나 이상의 왕복 장치의 부품의 1/4, 1/3, 1/2, 2차, 3차 및 4차 고조파 주파수에서의 신호의 진폭을 평가하는 것을 포함하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  19. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는, 정상 여진 하에서는 신호 클리핑이 일어나지 않고, 비정상 여진 하에서 신호 클리핑이 일어나도록, 상기 신호를 증폭하도록 구성되어 있으며, 상기 비정상 여진은 마모되어 있거나 고장에 가까워져 있는 왕복 장치의 부품에 대응하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  20. 제17항에 있어서, 상기 THD의 유추는, 상기 하나 이상의 주파수에서 THD에 노이즈를 더한 값(THD + N)을 산출하는 것을 포함하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체.
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