KR20210005823A - 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박, 자동차, 발전설비, 석유화학 등의 내연기관 시스템에서 고장을 일으키는 주요 원인 중 하나인 실린더 착화실패를 검출하는 방법에 관한 것으로, 왕복동 내연기관 시스템의 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 구한 기본주파수(Fundamental Frequency) 성분의 진폭과 위상을 이용하여 실린더 착화실패 여부와 착화실패 실린더의 위치를 검출하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
착화실패 실린더 검출 방법은, 내연기관 시스템의 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 기본주파수 성분의 진폭과 위상을 추출하고, 기본주파수 성분의 진폭과 비틀림진동 신호의 진폭을 비교하여 착화실패 여부를 판정하고, 착화실패로 확인되면 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각변위와 기진력 기본주파수 성분의 위상을 이용하여 착화실패 실린더의 폭발각도를 산정하고, 산정한 폭발각도를 폭발순서의 폭발각도와 비교함으로써 착화실패 실린더의 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
착화실패 실린더 검출 장치는, 비틀림진동 신호를 측정하는 검출부(3)와, 측정된 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 기본주파수 성분의 진폭과 위상을 추출하는 신호처리부(4)와, 추출된 진폭과 위상을 이용하여 착화실패 발생 여부를 판정하고 착화실패 실린더를 특정하는 응용처리부(5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 측정이 용이한 비틀림진동 신호를 이용하여 착화실패와 그 위치를 효과적으로 검출해 냄으로써 착화실패 발생으로 인한 재해를 사전에 예방하고 유지보수 시간과 비용을 줄일 수 있어 내연기관 설비부품의 수명과 성능을 향상 시킬 수 있다

Description

비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법 및 그 장치{Misfiring cylinder detection method and device for reciprocating internal combustion engine using torsional vibration signal}
본 발명은 선박, 자동차, 발전설비, 석유화학 등 산업 전반에 이용되는 왕복동 내연기관 시스템에서 고장을 일으키는 주요 원인 중 하나인 실린더 착화실패를 검출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 왕복동 내연기관 시스템의 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 얻은 기본주파수(Fundamental Frequency) 성분의 진폭과 위상을 이용하여 실린더 착화실패 여부와 착화실패 실린더의 위치를 실시간으로 검출하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
추진 및 발전 동력과 같은 산업용 에너지원으로 널리 사용되고 있는 왕복동 내연기관 시스템에서 운전 중 특정 실린더에서 연소가 일어나지 않는 착화실패(Misfiring) 현상이 종종 발생하게 되는데, 특히 최근에는 유가 인상 등으로 인한 저질유 사용 등으로 착화실패가 발생하는 경향이 많아졌다. 착화실패가 발생하게 되면 불완전 연소에 따른 유해 배출물 증가로 인한 환경오염뿐만 아니라, 운전성능 저하 및 축계 요소 손상에 의한 운전 중단 등 치명적인 고장을 일으킬 수 있다. 그러므로, 대부분이 다 실린더 기관인 왕복동 내연기관에서 착화실패 실린더가 발생할 경우 고장진단 및 유지보수 비용과 시간을 절약하기 위한 요구가 날로 증가하고 있다.
착화실패 실린더를 검출하기 위해 실린더의 압력이나 온도를 감시하는 방법, 배기가스의 온도를 측정하는 방법, 진동 신호나 비틀림진동 신호를 이용하는 방법 등이 사용되어 왔다. 하지만, 이들 방법들은 연소환경에 노출되는 센서의 수명과 비용 문제, 착화실패의 진단은 가능하더라도 어느 실린더에서 착화실패가 발생하였는지에 대한 정보 획득의 어려움 등의 이유로 내연기관 시스템에 일반적으로 적용하는 데는 한계가 있다. 단지, 표준화되어 대량 생산되므로 패턴화 및 통계적 적용이 가능한 자동차용 내연기관에서 이들 방법이 적용되고는 있다.
또한, 종래의 실화 검출 방법으로 비틀림진동 신호를 이용하는 선행기술문헌의 '내연기관의 실화 검출방법 및 그 장치'는 밴드패스필터를 통해 필터링된 신호의 피크치에 대응되는 위치의 실린더를 착화실패 실린더로 판정하는 방법으로, 피크치가 분할 구간의 경계에 있는 경우에 부정확한 결과를 보일 수 있다. 더욱이, 흡입 압축 폭발 배기의 4행정에 의해 한 주기를 끝내는 각도 주기가 720°인 4행정 기관에서는 기준실린더의 상사점 위치에 설치된 회전수 펄스 신호가 한 주기 중에 2회 발생하므로 둘 중 어느 것이 기준실린더의 상사점 위치인지 판단할 수 없어 4행정 기관에는 적용할 수 없다는 단점이 있다.
KR101180410 B1 내연기관의 실화 검출방법 및 그 장치
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 얻은 기본주파수 성분의 진폭과 위상 특성을 응용하여 착화실패 발생 여부를 판정함과 아울러 착화실패 실린더의 위치를 정확하게 검출함에 의하여 왕복동 내연기관 시스템의 고장 진단 및 유지보수 기능을 향상시키는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기준실린더(통상 1번실린더)의 상사점 위치와 일치하도록 설치한 회전수 측정용 센서와 1회전 각도를 등간격으로 분할해 회전속도 변동을 측정할 수 있도록 설치한 센서를 이용하여 비틀림진동 신호를 획득하는 단계와; 획득한 비틀림진동 신호의 주파수 분석을 실시하여 기본주파수 성분의 진폭과 위상을 구하는 단계와; 기본주파수 성분의 진폭이 합성진폭과 비교하여 일정수준 이상이면 착화실패 실린더가 발생한 것으로 판정하는 단계와; 착화실패 실린더가 발생한 것으로 판정되면 4행정 기관의 경우에는 추가로 기준실린더의 상사점 위치를 나타내는 회전수 펄스를 구별하는 단계와; 기준실린더의 상사점 위치로부터 기본주파수 성분의 진동 응답이 최대가 되는 크랭크 각도를 구하는 단계와; 기본주파수 성분의 진동 응답이 최대가 되는 크랭크 각도와 기진력의 기본주파수 성분의 위상을 이용하여 착화실패 실린더의 폭발각도를 산정하는 단계와; 산정한 폭발각도를 폭발순서의 폭발각도와 비교하여 착화실패 실린더의 위치를 특정하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
대표도 도 1은 비틀림진동 신호를 계측하고 신호처리를 통해 이를 주파수분석한 후 응용처리하여 검출한 착화실패 실린더의 일례를 보인 것이다.
본 발명은 도 1과 같이 비틀림진동 신호를 계측하기 위해서 일반적인 센서를 이용하면 되며, 계측이 용이한 임의의 위치에 회전수 측정용 센서(1)는 기준실린더(통상 1번실린더)의 상사점 위치와 일치하도록 설치하고 회전 각속도 변동을 측정하기 위한 센서(2)는 크랭크축 1회전 각도를 등 간격으로 분할한 구간을 펄스 신호 형태로 감지할 수 있도록 설치한다. 그리고, 비틀림진동 신호 검출부(3)은 이들 펄스 신호를 이용하여 비틀림진동 신호를 획득한다.
실린더 착화실패가 발생하면 가스 폭발압력에 의한 토크가 작용하지 않고 공기 사이클에 의한 토크만 작용하므로, 본 발명에서는 대부분이 다 실린더 기관인 왕복동 내연기관에서 착화실패가 발생하는 경우에 대해 비틀림진동 기진력을 먼저 평가하고자 하였다.
비틀림진동 기진력은 한 주기 동안 일련의 폭발순서에 따라 크랭크 축에 작용하는 회전 토크에 의한 기진력으로, 직렬형과 브이형 왕복동 내연기관의 비틀림진동 기진력 F(t)는 다음과 같이 기본주파수와 고조파 성분의 합으로 나타낼 수 있다.
직렬형 왕복동 내연기관의 비틀림진동 기진력:
Figure pat00001
브이형 왕복동 내연기관의 비틀림진동 기진력:
Figure pat00002
여기에서,
F0,i(k), F0,iA(k), F0,iB(k) : i, iA, iB 실린더 기진력의 k차 성분 진폭,
βi(k) : i, iA, iB 실린더 기진력의 k차 성분 위상,
FAi, FAiA, FAiB ; i, iA, iB 실린더의 폭발각도,
k : 기본주파수 또는 고조파 성분의 차수(Order),
ω: 회전 각속도, t: 시간, ncyl: 실린더 수, n: 차수 성분 최대값, j: 허수
상기 비틀림진동 기진력 성분의 진폭 F0,i(k)과 위상 βi(k)은 비틀림진동 해석 등을 위해 기관제작사나 선급 협회 등에서 제공하는 실린더 압력선도 또는 토크 하모닉 계수 등을 이용하여 용이하게 구할 수 있다.
주기함수인 비틀림진동 기진력에 의한 응답 또한 주기함수이므로, 비틀림진동 신호 검출부(3)에서 계측된 비틀림진동 신호 x(t) 또한 기본주파수와 고조파 성분의 합의 꼴로 표현할 수 있다.
Figure pat00003
단, X0(k): 비틀림진동 신호의 k차 성분 진폭, α(k): 비틀림진동 신호의 k차 성분 위상
기준실린더의 상사점을 각변위 원점으로 하고, 크랭크축 1회전을 균등 분할한 미소 각변위를 dx, 분할 구간에서의 각변위 위치를 ix라고 하면, 크랭크 각변위는 ωt = ixdx와 같이 나타낼 수 있으므로 비틀림진동 신호 x(t)는 아래와 같이 수치화된 펄스 신호 형태로 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
신호처리부(4)에서는 비틀림진동 신호 x(t)에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)와 같은 주파수분석을 실시하여 k차 성분에 해당하는 각변위 진폭 X0(k)과 위상 α(k)을 구한다.
응용처리부(5)에서는 신호처리부(4)에서 구한 기본주파수 성분의 진폭 X0(k)과 위상 α(k)을 이용하여 이하에 기술하는 착화실패 실린더 검출 과정을 수행한다.
비틀림진동 신호 x(t)의 기본주파수와 고조파 성분은 상기 식에서 허수부를 취하여 다음과 같은 사인함수로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
그리고 차수 성분 k는 한 주기 동안의 크랭크축 회전을 고려하여, 2행정 기관 및 4행정 기관에 대하여 다음과 같이 적용한다.
k = 1.0, 2.0, 3.0, ..., n (2행정 왕복동 내연기관)
k = 0.5, 1.0, 1.5, ..., n (4행정 왕복동 내연기관)
여기에서 2행정 기관 기본주파수 성분은 k = 1.0차 성분이고, 크랭크축 2회전이 한 주기인 4행정 기관은 k = 0.5차 성분이 착화실패 실린더 검출을 위한 기본주파수 성분이다. 이하에 표시되는 차수 성분 k는 기본주파수 성분을 표시하는 값이라고 한다.
정상착화와 착화실패시 비틀림진동 특성을 파악하기 위하여 표 1의 4행정 직렬형 내연기관 시스템 Case 1에 대하여, 도 2와 같이 질량-감쇠-스프링계로 모델링하고 일반적인 비틀림진동 수치해석 시뮬레이션 방법으로 구한 비틀림진동 기진력과 비틀림진동 응답 각변위를 도 3에서 도6 까지에 표시하였다.
항 목 Case 1 Case 2 Case 3
기관 형식 4행정 직렬형 2행정 직렬형 4행정 브이형
실린더 수 6 7 8
정격 출력 426 kW at 1800 rpm 4890 kW at 170 rpm 353 kW at 1800 rpm
용 도 발전기 선박용 추진 기관 발전기
실린더 직경 130 mm 350 mm 128 mm
행정 160 mm 1400 mm 142 mm
폭발 순서 1-5-3-6-2-4 1-7-2-5-4-3-6 1B-1A-3A-2B-2A-3B-4B-4A
폭발 각도
 0-120-240-360-
480-600		 0-51.5-104.5-153.1-
208.0-255.9-310.2		 0-90-180-270-
360-450-540-640
정상착화시 비틀림진동 특성은 도 3과 같이 기진력 및 비틀림진동 응답 모두 기본주파수 성분의 기여도는 매우 낮다. 하지만, 착화실패 발생시에는 도 4와 같이 기본주파수 성분의 기진력이 증가하게 되고, 이로 인한 비틀림진동 응답은 도 5와 같이 비틀림진동 신호에서 기본주파수 성분의 기여도가 가장 크게 된다. 따라서, 기본주파수 성분의 진폭이 비틀림진동 신호 진폭의 일정 비율 이상이면 착화실패 실린더가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
착화실패가 발생한 것으로 판정되면 2행정 기관은 크랭크축 1회전이 한 주기이므로 기준실린더의 상사점 위치를 특정하는데 문제가 없으나, 4행정 기관은 크랭크축 회전수 센서의 감지가 한 주기 중 2회에 걸쳐 발생하므로 그 중 어느 것이 기준실린더의 상사점 위치를 표시하는지 구별할 필요가 있다.
4행정 기관에서 기준실린더의 상사점 위치를 특정하기 위해서는 4행정 기관에 통상적으로 설치되는 캠축 위치 센서(Camshaft Position Sensor)의 펄스 신호와 일치하는 회전수 센서 펄스 신호를 기준실린더의 상사점을 지시하는 펄스 신호로 구별한다. 구별한 회전수 펄스 신호에 해당하는 기준실린더의 상사점을 각변위 원점으로 하여, 상기 사인함수로 표현된 비틀림진동 신호 xk(t)의 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도 ixmaxdx는 수학식 1과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure pat00006
도 4와 도 5에서 보인 바와 같이 착화실패 실린더는 기본주파수 성분의 기진력이 최소값을 갖는 위치에서 폭발행정이 이루어지는 실린더이고, 이 위치에서 기본주파수 성분의 진동 응답은 최대값을 갖게 되므로, 이들 위치에서의 크랭크 각변위를 구하면 착화실패 실린더를 특정할 수 있다.
비틀림진동 신호 x(t)와 마찬가지로 도 4와 같이 표현되는 각 실린더 착화실패시에 발생하는 내연기관의 비틀림진동 기진력 성분 Fk(t)도 사인함수로 표현할 수 있으므로,
Figure pat00007
여기에서,
F0(k): 기진력 k차 성분의 진폭,
iFdx: 기진력의 크랭크 각변위,
β(k): 기진력 k차 성분의 위상,
FAi: i실린더의 폭발각도
기진력 기본주파수 성분이 최소값을 갖는 크랭크 각도 iFmindx는 아래와 같이 표현된다.
Figure pat00008
그런데, 기본주파수 성분의 기진력의 위상은 착화실패 실린더의 위치와 무관하게 일정한 특성을 가지고 있으므로, 기진력이 최소가 되는 각변위 iFmindx를 진동응답이 최대가 되는 각변위 ixmaxdx로 대체하면, 착화실패 실린더의 폭발각도를 계산함으로써 착화실패 실린더의 위치를 용이하게 특정할 수 있는 수학식 2를 도출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00009
이제 수학식 2에 의해 계산한 착화실패 실린더의 폭발각도를 표 2 폭발순서에 따른 폭발각도와 비교 함으로써 정확하게 착화실패 실린더의 위치를 특정할 수 있게 된다.
한편, 특정 실린더의 착화실패 발생시 비틀림진동 계측 위치 변경에 따른 비틀림진동 응답 특성을 도 6에 나타냈다. 도 6에 보인 바와 같이 착화실패 발생시 비틀림진동 기본주파수 성분의 진폭과 위상은 계측위치와 무관한 특성을 보이므로, 본 발명의 방법이 산업현장에서 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 언급한 응용처리부(5)의 결과는 전송부(6)를 통해 표시장치(7)에 나타내거나 다른 이용을 목적으로 전송되게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 산업현장에서 운용되는 왕복동 내연기관 시스템의 착화실패 여부 및 착화실패 실린더의 위치를 효율적으로 검출할 수 있다. 또한, 착화실패 발생으로 인한 고장 및 축계 절손 등과 같은 심각한 재해를 사전에 예방함으로써 유지보수 시간과 비용을 줄일 수 있어 선박, 자동차, 석유화학, 발전소 등의 왕복동 내연기관 설비부품의 수명과 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 내연기관 착화실패 실린더 검출방법 및 그 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2은 비틀림진동 수치해석 시뮬레이션을 위한 4행정 직렬형 내연기관 발전기의 질량-스프링계 모델이다.
도 3는 정상착화시 4행정 직렬형 내연기관 발전기의 비틀림진동 기진력 및 진동 응답 그래프이다.
도 4는 착화실패시 4행정 직렬형 내연기관 발전기의 비틀림진동 기진력 그래프이다.
도 5는 착화실패시 4행정 직렬형 내연기관 발전기의 비틀림진동 응답 그래프이다.
도 6은 특정 실린더(도 2, J4, Misfiring Cyl.#3)의 착화실패 발생시 비틀림진동 계측 위치 변경에 따른 비틀림진동 응답 그래프이다.
도 7는 착화실패시 2행정 직렬형 내연기관 추진 축계의 비틀림진동 기진력 그래프이다.
도 8는 착화실패시 2행정 직렬형 내연기관 추진 축계의 비틀림진동 응답 그래프이다.
도 9는 착화실패시 4행정 브이형 내연기관 발전기의 비틀림진동 기진력 그래프이다.
도 10는 착화실패시 4행정 브이형 내연기관 발전기의 비틀림진동 응답 그래프이다.
표 1의 왕복동 내연기관 시스템에 대하여 비틀림진동 수치해석 시뮬레이션을 수행하고 비틀림진동 기진력과 비틀림진동 응답을 구하였다. 시뮬레이션 결과인 비틀림진동 기진력과 비틀림진동 응답은 실제 내연기관 시스템의 기진력과 응답에 해당하므로 비틀림진동 응답을 실제 시스템에서 계측된 비틀림진동 신호 x(t)로 가정하고 본 발명의 방법으로 착화실패 여부와 착화실패 실린더를 검출하였다.
이하, 상기 제안된 식과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 비틀림진동 신호를 이용한 착화실패 실린더 검출 방법 및 그 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 4와 도 5는 표 1의 4행정 직렬형 내연기관 발전기 Case 1에서 각 실린더 착화실패시 비틀림진동 기진력과 진동 응답을 나타낸다. 도 5에서 비틀림진동 합성응답(Synth) 그래프는 도 1의 비틀림진동 검출부(3)에서 검출된 비틀림진동 신호 x(t)이고, 신호처리부(4)는 주파수 분석을 통해 기본주파수 성분의 진폭 X0(k)과 위상 α(k)을 추출하고 도 5의 기본주파수 성분(0.5 order) 그래프를 얻는다.
도 1의 응용처리부(5)는 도 5의 기본주파수 성분(0.5 order)의 진폭 X0(k)이 합성 진폭(Synth)과 비교하여 일정수준 이상이면 착화실패 실린더가 발생한 것으로 판정한다. 착화실패로 판정되면, 4행정 내연기관 시스템에 대해서는 추가로 도 5에 보인 바와 같이 주파수분석에 사용된 현재 회전수 펄스 신호가 캠축 위치 센서 펄스 신호와 일치하는 펄스 신호이면 현재의 회전수 펄스인 선행 펄스 신호를 기준실린더의 상사점을 지시하는 펄스로, 그렇지 않으면 후행 펄스를 기준실린더의 상사점을 지시하는 펄스로 구별하고, 구별한 기준실린더의 상사점을 크랭크 각변위 원점으로 수정하여 기본주파수 성분(0.5 order)의 위상 α(k)과 최대값일 때의 크랭크 각도 ixmaxdx를 재 산정한다.
그리고 도 5에 보인 바와 같이 각 실린더 착화실패시에 대하여, 수학식 1에 의해서 비틀림진동 신호 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도는 ixmaxdx = [55-167.5-290-420-550-667.5]으로 구해진다. 제공되거나 알려진 방법으로 구한 기준실린서(통상 1번 실린더) 착화실패시 기진력의 기본주파수 성분이 최소가 되는 각변위는 도 4와 같이 iFmindx = 62.5°이 되므로, 기진력의 기본주파수 성분 Fk(t)의 사인함수 표현에서 위상은 β(k)= 238.75°으로 계산된다.
이제 기진력 기본주파수 성분의 위상 β(k)= 238.75°과 진동응답이 최대값을 갖는 크랭크 각도 ixmaxdx = [55-167.5-290-420-550-667.5]을 수학식 2에 대입하여 진동 응답이 최대값을 갖는 위치에서 폭발행정을 이루는 착화실린더의 폭발각도 FAi = [-7.5, 105, 227.5, 357.5, 487.5, 605]를 찾아낼 수 있다. 그리고, 이것을 표 1의 폭발순서에 따른 폭발각도 [0, 120, 240, 360, 480, 600]와 비교하면 착화실패 실린더의 위치를 정확하게 특정하고 있음을 알 수 있다.
마찬가지 방법으로, 표 1의 2행정 직렬형 추진축계 Case 2는 도 8에 보인 바와 같이 착화실패시 비틀림진동 신호 기본주파수 성분의 최대값은 ixmaxdx = [10, 60, 112.5, 162.5, 217.5, 265, 322.5]이고, 도 7에서 기준실린더(Cyl. #1) 착화실패시 기진력 기본주파수 성분이 최소가 되는 각변위는 iFmindx = 25°이고 기본주파수 성분의 기진력의 위상은 β(k)= 245°이므로, 수학식 2에 대입하여 진동 응답이 최대값을 갖는 위치에서 폭발행정을 이루는 착화실린더의 폭발각도는 FAi = [-15, 35, 90, 140, 195, 242.5, 297.5] 으로 계산된다. 이를 표 1의 폭발순서에 따른 폭발각도 [0, 51.5, 104.5, 153.1, 208.0, 255.8, 310.2]와 비교하면 착화실패 실린더의 위치를 정확하게 특정할 수 있다.
표 1의 4행정 브이형 기관 발전기 Case 3에 대하여도 같은 방법을 적용하면, 도 10과 같이 착화실패시 비틀림진동 신호 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도는 ixmaxdx = [70, 152.5, 237.5, 320, 405, 500, 600, 697.5]이고, 도 9에서 기준실린더(Cyl. #1) 착화실패시 기진력 기본주파수 성분이 최소가 되는 각변위는 iFmindx = 60°이고 기본주파수 성분의 기진력의 위상은 β(k)= 240°이므로, 수학식 2에 대입하면 착화실패 실린더의 폭발각도는 FAi = [10, 92.5, 177.5, 260, 345, 440, 540, 637.5]으로 계산 된다. 이것을 표 1의 폭발각도 [0, 90, 180, 270, 360, 450, 540, 630]와 비교하면 착화실패 실린더의 위치를 특정할 수 있게 된다.
1: 회전수 측정용 센서
2: 회전 각속도 변동 측정용 센서
3: 비틀림진동 신호 검출부
4: 신호처리부
5: 응용처리부
6: 전송부
7: 표시장치

Claims (5)

  1. 왕복동 내연기관 시스템의 비틀림진동 신호를 이용하여 착화실패 실린더를 검출함에 있어서, 비틀림진동 신호(x(t))를 주파수 분석하여 기본주파수 성분의 진폭(X0(k))과 위상(α(k))를 계산하는 단계와; 기본주파수 성분의 진폭(X0(k))과 비틀림진동 신호(x(t))의 진폭을 비교하여 착화실패 발생 여부를 판정하는 단계와; 착화실패로 판정되면, 기준실린더의 상사점을 크랭크 각변위의 원점으로 하여 하기의 [수학식 1]과 같이 정의되는 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도(ixmaxdx)를 계산하는 단계와; 최대값을 갖는 크랭크 각도(ixmaxdx)와 내연기관 시스템의 기진력 계산에 의해 도출된 기본주파수 성분의 기진력 위상(β(k))을 이용하여 하기의 [수학식 2]와 같이 정의되는 착화실패 실린더의 폭발각도(FAi)를 산정하는 단계와; 산정된 폭발각도(FAi)를 폭발순서의 폭발각도와 비교하여 착화실패 실린더의 위치를 특정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법
    [수학식 1]
    Figure pat00010

    ixmaxdx : 비틀림진동 신호의 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도,
    k : 기본주파수 성분의 차수(Order),
    α(k): 비틀림진동 신호 기본주파수 성분의 위상
    [수학식 2]
    Figure pat00011

    FAi : 착화실패 실린더의 폭발각도,
    ixmaxdx : 비틀림진동 신호의 기본주파수 성분이 최대값을 갖는 크랭크 각도,
    k : 기본주파수 성분의 차수(Order),
    β(k) : 비틀림진동 기진력 기본주파수 성분의 위상
  2. 청구항 1에 있어서, 왕복동 내연기관 중 4행정 기관은 기준실린더의 상사점 위치를 구별하기 위해 회전수 펄스 신호가 캠축 위치 센서 펄스 신호와 일치하면 현재의 선행 회전수 펄스 신호를, 그렇지 않으면 후행 펄스 신호를 기준실린더 상사점을 지시하는 펄스 신호로 구별하고, 기준실린더 상사점 위치를 재 산정하여 청구항 1의 [수학식 1]과 [수학식 2]에 따라 크랭크 각도와 폭발각도를 재 산정하는 것에 특징이 있는, 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 비틀림진동 기진력 기본주파수 성분의 위상(β(k))은, 기준실린더 착화실패시 계측으로 구해진 기본주파수 성분의 위상, 기준실린더 착화실패시 비틀림진동 계산으로 구해진 비틀림진동 응답 기본주파수 성분의 위상, 청구항 1의 기진력 기본주파수 성분의 위상을 단순 변환한 값 중 어느 하나인 것에 특징이 있는, 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 방법.
  4. 왕복동 내연기관 회전축의 회전수와 회전 각속도를 펄스 형태로 감지하여 비틀림진동 신호를 측정하는 검출부(3)와; 측정된 비틀림진동 신호를 주파수 분석하여 진폭과 위상을 추출하는 신호처리부(4)와; 추출된 진폭과 위상을 이용하여 착화실패 발생 여부를 판정하고 착화실패 실린더를 특정하는 응용처리부(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 응용처리부(5)에서 처리된 결과를 전송하는 전송부(6)을 더 포함하고, 상기 전송부(6)에서 전송된 결과를 나타내는 표시장치(7)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관의 착화실패 실린더 검출 장치.

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