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KR101307017B1 - 내연 피스톤 엔진 시스템내에서 실린더출력의 불균일공유상태를 확인하기 위한 장치 - Google Patents

내연 피스톤 엔진 시스템내에서 실린더출력의 불균일공유상태를 확인하기 위한 장치 Download PDF

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KR101307017B1
KR101307017B1 KR1020087015946A KR20087015946A KR101307017B1 KR 101307017 B1 KR101307017 B1 KR 101307017B1 KR 1020087015946 A KR1020087015946 A KR 1020087015946A KR 20087015946 A KR20087015946 A KR 20087015946A KR 101307017 B1 KR101307017 B1 KR 101307017B1
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프레드릭 외스트만
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바르실라 핀랜드 오이
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Abstract

본 발명은, 엔진의 토크에서의 특정 고조파의 발생에 주로 관여하고 있거나, 또는 선택적으로, 가능한한 적게 관영하고 있는 실린더 또는 실린더들을 확인하기 위하여 엔진내의 실린더들의 폭발순서를 이용하는 것이다. 그러한 목적으로 엔진의 토크를 이용하기 위하여, 토크의 계산은 엔진시스템의 비선형성을 고려에 넣어야만 한다. 따라서 토크의 계산은 엔진의 특성뿐 아니라 부하 및 축의 특성까지도 고려해야만 한다.

Description

내연 피스톤 엔진 시스템내에서 실린더출력의 불균일 공유상태를 확인하기 위한 장치{APPARATUS FOR IDENTIFYING A NON-UNIFORM SHARE OF CYLINDER POWER IN AN INTERNAL COMBUSTION PISTON ENGINE SYSTEM}
본 발명은 선박이나 발전소등의 내연 피스톤 엔진 시스템내에서 사용되는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 엔진내의 실린더 또는 실린더들의 해로운 불균일 출력생성을 확인할 수 있다. 본 발명은 상기 장치내에서 사용되는 방법에 관한 것이다.
실린더들 사이의 차이에 의하여 발생하는 출력생성에 있어서의 불균일은 모든 내연 피스톤 엔진에 있어서는 분명하다. 그 차이는, 실린더의 기계적 공차나, 연료공급시스템의 기계적 및 전장품들의 공차, 기타 차이에 의한 것이다. 실린더출력의 불균일한 공유는 엔진의 크랭크축상에 비틀림 응력 및 엔진진동의 레벨의 증가를 야기한다. 따라서 엔진의 기계적인 구성부품들이 실린더의 불균일출력에 따른 부가적인 응력에 노출된다.
EP 447 697 호는 디젤엔진 크랭크축의 비틀림 진동을 완화하기 위한 시스템을 개시한다. 만약 해로운 비틀림 진동이 명백한 RPM 대역에서 엔진이 회전하게 되면, 시스템은 실린더로의 연료의 분사를 지연시키게 되고 연료분사에 대한 시간 한계를 설정하게 된다. 이는 크랭크축 각도에 관한 각 실린더의 압력곡선의 피이크를 이동하게 하고, 크랭크축에 나타나는 비틀림 진동을 감소하게 된다.
WO 9429585 호는, 엔진이 해로운 비틀림진동이 명백한 RPM 대역에서 회전할 때, 실린더의 압축행정시에 적어도 한개의 실린더의 배기밸브를 개방시켜 놓고 비압축된 실린더 또는 실린더들내의 출력의 부족을 보상하기 위하여 남아 있는 실린더중의 적어도 한개의 출력을 증가시킴으로써 디젤엔진의 주축의 비틀림 진동을 감소하는 다른 시스템을 도시하고 있다. 이는 주축상의 분명한 비틀림 진동을 감소시킬 수 있다.
이들 선행기술에 있어서의 문제점은, 비틀림 진동이 감소될 때 엔진의 출력생성의 효율이 장해를 받을 수 있다는 것이다. 동시에 배기도 증가하는 경향이 있다.
그러나, 실린더들의 평균적인 실린더 출력과 비교하여 실질적으로 증가 또는 감소된 출력을 생성하는 실린더를 확인하는 것이 가능하다. 평균출력에 대해서 실질적으로 높거나 낮은 출력을 생성하는 실린더는 또한 엔진 축의 각속도의 변동에 대한 실질적인 근원인 것도 알려져 있다. 각속도의 변동은 비틀림 진동의 징후중의 하나이기도 하다. 지나치게 많거나 혹은 적은 출력을 생성하는 하나의 실린더로의 연료공급이 조절되어 과잉/부족 출력생성 현상이 감소되면, 각속도의 변동이 감소되고 엔진은 보다 원활하게 회전하게 된다. US 6302083 호에는, 지나치게 많거나 혹은 적은 출력을 생성하는 하나의 실린더가 크랭크축 RPM 측정데이터의 근거하에 탐지될 수 있는 해결방법이 개시된다. 이러한 해결방법은 실린더들의 출력행 정이 중복되지 않을때에만 가능하다.
본 발명의 목적은, 내연 피스톤 엔진의 축상에서의 해로운 비틀림 진동을 생성하는 실린더 또는 실린더들을 탐지하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다. 이러한 목적은 첨부된 특허청구의 범위에 개시된 수단에 의해서 달성될 수 있다. 종속항들은 보다 상세하게 본 발명의 다양한 실시예들을 기술하고 있다.
본 발명은, 엔진의 토크에서의 특정 고조파의 발생에 주로 관여하고 있거나, 또는 선택적으로, 가능한한 적게 관영하고 있는 실린더 또는 실린더들을 확인하기 위하여 엔진내의 실린더들의 폭발순서를 이용하는 것이다. 그러한 목적으로 엔진의 토크를 이용하기 위하여, 토크의 계산은 엔진시스템의 비선형성을 고려에 넣어야만 한다. 따라서 토크의 계산은 엔진의 특성뿐 아니라 부하 및 축의 특성까지도 고려해야만 한다.
본 발명에 따른 방법은 내연 피스톤 엔진의 실린더중에서 그의 출력이 다른 실린더들의 출력으로부터 벗어난 적어도 한개의 실린더를 찾아내는 것이다. 이 방법은, 엔진축의 각속도와 엔진축에 접속된 부하의 축의 각속도를 측정한다(61). 검사되는 고조파들의 진폭 및 위상이, 각속도 측정데이터의 근거하에 결정된다(62). 또한, 검사되는 각속도의 각각의 고조파에서 엔진축의 변위 및 각가속도뿐 아니라 부하축의 변위가 탐지된다(63). 엔진축과 부하축사이의 커플링의 파라미터들도 검사되는 고조파에서 결정되어야 한다(64). 측정된 각속도들과, 상기 축들의 결정된 변위 및 각 가속도, 또한 커플링 파라미터들을 이용함으로써 고조파들에서의 토크들이 계산된다(65). 실린더 또는 실린더들은 엔진의 실린더들의 폭발순서를 계산된 토크들과 비교함으로써 확인된다(66).
내연 피스톤엔진내의 다른 실린더의 출력과 실질적으로 다른 적어도 한개의 실린더를 확인하는 본 발명에 따른 장치는, 측정센서(71),(72)들용 인터페이스(731),(732)를 가지는 중앙유니트(73)를 포함하여 구성된다. 그 인터페이스들을 통하여, 중앙 유니트는 엔진축(76)의 각속도에 관한 측정데이터 및 그 엔진축에 접속된 부하축(79)의 각속도에 관한 측정데이터를 수신 및 처리하며, 그 측정데이터들은 인터페이스에 접속되는 측정센서로부터 온다.
또한 중앙유니트(73)는 각속도 측정데이터의 근거하에 검사되는 고조파의 진폭 및 위상을 결정하기 위한 수단(733)과, 검사되는 각 고조파에서, 엔진축의 변위 및 각 가속도 및 부하축의 변위를 결정하기 위한 제 2 수단(734) 및, 검사되는 고조파에서 엔진축과 부하축 사이의 커플링의 파라미터의 정보를 포함하는 제 3 수단(735)를 더 포함하여 구성된다.
또한, 중앙 유니트는 측정된 각속도와, 상기 축들의 측정된 변위 및 각 가속도및, 커플링 파라미터를 사용하여 검사된 고조파에서의 토크를 계산하기 위한 제 4 수단(736)과, 계산된 토크를 엔진 실린더들의 폭발순서와 비교함으로써 하나의 실린더 또는 실린더들을 확인하는 제 5 수단을 포함하여 구성된다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 엔진의 한개의 실린더의 토크의 예를 나타낸다.
도 2는 한 엔진내의 한 실린더의 가스 토크 및 그의 3개의 고조파 성분의 일 예를 나타낸다.
도 3은 엔진 시스템 모델의 예를 나타낸다.
도 4는 다른 엔진 시스템 모델의 예를 나타낸다.
도 5A, 5B 및 5C는 엔진 실린더의 폭발순서와 3개의 가장 낮은 고조파에서의 토크의 고조파 성분을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 플로우챠트의 예를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 장치의 일 예를 나타낸다.
도 1은 4행정 디젤엔진내의 한 실린더의 토크의 예를 나타내는 것으로서, 연료의 연소와 질량의 회전으로부터 유래하는 것이다. 가스 토크는 실선으로 표시되고, 질량토크는 1점 쇄선으로, 또한 접선방향 토크는 점선으로 표시된다. 가스토크는 실린더내의 연료의 연소로부터 유래된다. 질량토크는 실린더내의 피스톤의 왕복운동 및 크랭크기구의 회전운동으로부터 유래된다. 접선방향의 토크는 엔진의 크랭크축에 유효한 가스 및 질량토크의 합이다. 통상의 4행정 복수 실린더 내연 피스톤엔진에 있어서는, 각 실린더의 주기는 2 크랭크축 회전 - 즉, 720 도이다. 도면으로부터 볼때, 토크는 출력행정시에 가장 높으며, 실린더의 압축행정시에 가장 낮다.
도 1 의 토크곡선은 주기적으로 반복되는 것으로서, 즉, 푸리에(Fourier) 해석과 관련한 일련의 고조파(삼각파)로서 나타낼 수 있다. 따라서, 개별적인 고조 파는 고조파의 주파수(소위 고조파 주파수)에서의 토크곡선의 고조파 성분이다. 도 2는 각 실린더의 가스토크 곡선(21) 및 그의 3개의 최저 고조파를 도시한다. 실린더의 위치의 주기에 있어서 엔진축은 2회 회전하기 때문에, 고조파들은 최저 고조파로부터 최고에 까지 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 등으로 표현될 수 있다. 이들 숫자들은 따라서 축의 회전주파수 및 고조파 사이의 관계를 나타내는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 숫자 1의 주파수는 축의 회전주파수와 동일한 고조파이다. 곡선(21)은 0.5 고조파이다. 곡선(23)은 1 고조파이며, 따라서 곡선(24)은 1.5 고조파이다. 고조파들의 진폭은 주로 가스토크 곡선에 의해서 영향을 받는다.
작동시에, 엔진내의 각 실린더는 엔진시스템의 축으로 도출되는 출력을 생성한다. 엔진 시스템의 축상의 출력은, 따라서 실린더들의 출력의 합이다. 각 실린더의 출력들이 고조파 성분으로 나누어질 수 있기 때문에, 축상의 출력들 또한 고조파 성분들로 나누어질 수 있다. 축상의 고조파 성분들중의 몇개는 강력한데, 실린더들의 해당하는 고조파 성분들의 합이 고조파의 진폭을 증폭하기 때문이다. 축상의 고조파 성분들중의 몇개는 약한데, 실린더들의 해당하는 고조파 성분들의 합이 고조파의 진폭을 감소하기 때문이다. 각 실린더의 출력이 균일할수록, 엔진의 2회전시의 출력에 있어서의 변동이 적게 된다. 이는, 고조파 성분들이 마찬가지로 약해짐을 의미한다.
선박 또는 발전에 사용되는 내연 피스톤 엔진시스템의 축상에 현재하는 3개의 최저 고조파 성분들은 축의 해로운 비틀림 진동의 상당부분을 구성한다는 것이 입증되었다. 따라서, 비틀림 진동의 강도를 결정하기 위하여는, 축상에 현재하는 토크의 3개의 최저 고조파 성분이 산출되어야 한다. 기타의 고조파 성분들도 비틀림 진동에 악영향을 미칠수 있으므로, 필요하다면 이들도 산출되어야 함에 주의한다.
선박 또는 발전에 사용되는 내연 피스톤 엔진시스템은 엔진만을 포함하는 만이 아니라 부하 및, 그 엔진축상에 부하축을 접속하기 위한 커플링도 포함한다. 본 명세서에 있어서, 이러한 방식으로 형성된 공통축을 엔진 시스템축 또는 시스템축이라 한다. 예를 들어 발전에 있어서는, 부하는 발전기에 접속된 전기선에 출력되는 전력을 생산하는 발전기이다. 선박에 있어서는, 부하는 통상 프로펠러이다. 선박에 있어서, 발전기와 같은 구성요소, 원추형 커플링 및 다양한 형태의 기어들이 시스템축에 접속될 수도 있다. 따라서, 엔진 시스템의 전체는 매우 역학적이며, 부하는 그 역학상에 매우 강한 영향을 미친다. 산출된 토크가 실제와 충분히 잘 맞도록 하기 위해서는 전체적인 엔진 시스템의 역학이 고려되어야만 하는 것이 엔진축 토크의 계산에 있어서 필수적이다. 시스템은 충분한 정밀도로 모델화되어야 할 것이 필수적이다. 만약 시스템 모델이 조잡하면 실제와 충분히 대응하지 못한다. 한편, 모델이 정밀하면, 토크의 계산은 보다 복잡한 시스템을 요하며, 이는 매우 어려울 수도 있고, 실행이 불가능할 수도 있다.
도 3은, 엔진(31)이 전기선(33)에 접속된 발전기(32)를 구동하도록 결합된 4행정 6기통 엔진 시스템 모델의 예를 나타낸다. 엔진축에는 플라이휠(34)이 있다. 플라이휠의 원래 목적은 엔진축의 회전속도를 평준화하기 위함이다. 엔진축과 발전기축은 커플링(35)을 통하여 상호접속된다. 발전기(32)와 전기선(33) 사이의 접 속은 다이나믹 링크(36)로서 도시된다. 도 3에 있어서의 원들은 축과 관련된 회전하는 질량들을 나타낸다. 예를 들어, 각 실린더의 피스톤/크랭크 기구의 질량은 원(37)으로 도시하였다.
전기선(33)과 같은 모델의 고정부분들은 대각선 영역으로 도시하였다. 댐핑(damping)들은 상자/판 기호(38)로 나타내었다. 발전기와 엔진사이의 커플링(35)은 유연성이 있다.
도 3에 나타낸 모델은 실제적으로 잘 기능하는 모델로 창조되기 위하여는 단순화되어야만 한다. 엔진시스템의 자연주파수가 그 모델을 단순화하기 위한 시작점으로서 사용된다. 자연주파수라 함은 시스템내에 현재하는 진동의 정재파(定在波)를 말한다. 크랭크축 시스템의 3개의 최초 자연주파수는 1.5, 5.5 및 50.6Hz 로 추정된다. 1.5Hz 의 첫번째 노드점(비진동점)은 전기선(33)이며, 두번째 주파수의 노드점은 커플링(35)이고, 제 3 주파수 50.6Hz의 노드점은 엔진(31)내에 있다. 엔진의 점화 주파수는 모델이 그의 대역내에서 정밀해야 하는 주파수 대역의 상한을 결정한다. 선박 및 발전에 사용되는 엔진은 통상 중간속도의 디젤엔진이기 때문에, 제 3 자연주파수는 정밀하게 모델화된 주파수 범위의 밖에 있게 된다. 예를 들어 500rpm으로 운용되는 4행정 6기통 엔진의 점화주파수는 25Hz이다.
제 3 자연주파수의 노드점은 점검되는 주파수 대역의 외부에 있기 때문에, 이는 무시된다. 제 1 및 제 2 주파수의 노드점들은 단순화된 모델내에 포함된다. 이 시스템이 단일 노드의 양측에서 강고한 것이라고 가정한다. 이러한 배경에서, 노드의 같은 측에 있는 질량들은 단일질량(41)로서 표현되며, 발전기의 질량은 커 플링(43)(제 2 노드)쪽에서 보았을 때 단일질량(42)로서 표현된다. 커플링은 이상적인 커플링으로서 표현된다. 전기선(33)은 모델내에 포함되어 있기 때문에 제 1 노드점이 된다. 전기선은 원래는 단일의 존재로 표현되기 때문에 모델링에 있어서 변화가 없다. 전기선(33)과 발전기(44) 사이의 접속(36)도 이상적인 링크로서 표현된다.
도 4는 더욱 단순한 모델이지만 실제의 적용을 위해서는 사용가능하다. 발전기(42)와 부하, 즉 전기선 사이의 역학을 실제적으로 평가하기가 어렵다. 그러나, 사용가능한 측정장치를 만들어내기 위해서는 역학을 반드시 고려에 넣어야만 한다. 선박상의 설비의 복잡성 때문에, 평가가 실제적으로 불가능할 수도 있다. 또한, 커플링(43)의 특성도, 통상 유연성을 가지는 것이기 때문에 매우 비선형적이다.
유연한 커플링들은 따라서 전형적으로는 매우 비선형적이다. 다시 말하면, 커플링의 강성과 완충은 주파수에 매우 크게 의존한다. 따라서, 커플링의 특성은 주파수-특정적이며, 따라서 커플링은 시스템내에 현재하는 각 진동 주파수에 대하여 특정한 특성을 가진다. 또한, 만약 커플링이 고무로 만들어졌으면, 특성은 또한 고무의 온도에 의존하게 된다. 많은 커플링의 제조자들이 주파수 의존성의 효과를 고려하여 식들을 공개하고 있다. 유연성 커플링의 특성을 고려하는 것이 주파수 진동의 평가에 필수적인 것을 알수 있다.
만약 발전기의 회전속도에 대한 정보가, 발전기와 전기선 사이의 링크에 관한 충분한 정보를 포함하고 있다는 것을 받아들인다면, 이하의 식을 사용하여 엔진 축의 토크를 계산할 수 있다.
Figure 112008047120938-pct00001
여기에서,
M은 엔진축상의 토크,
J는 엔진의 관성 모멘트,
Figure 112008047120938-pct00002
는 엔진축의 각도,
Figure 112008047120938-pct00003
는 발전기축의 각도,
D는 엔진의 완충율,
C는 커플링의 동적 완충율, 및
K는 커플링의 동적 강성이다.
식 1은 커플링의 특성을 고려하여 엔진의 토크를 계산하는데 사용될 수 있다. 부하 및 그의 링크의 효과는
Figure 112008047120938-pct00004
값 및 그의 도함수내에 고려되었다. 따라서
Figure 112008047120938-pct00005
는 측정된 발전기축의 회전속도이다. 또한,
Figure 112008047120938-pct00006
는 측정가능한 엔진축의 회전속도이다. 회전속도의 측정은 필요한 축각도 및 가속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 엔진의 제 1 실린더의 TDC (Top Dead Centre)를 각도의 계산에 대한 기준점으로서 사용하는 것이 편리하다. 다른 실린더의 TDC도 물론 사용할수 있다.
도 3 및 4의 모델에 있어서, 부하는 발전기 및 그에 연결된 전기선이다. 그러나, 선박의 프로펠러의 축시스템과 같이, 이들을 대신하여 다른 부하가 모델로 될수 있다. 따라서, 식 1은 다른 부하에 대하여도 마찬가지로 사용될수 있다. 본 명세서에서, 발전기 부하는 그의 도식적 특성에 의하여 예로서 사용된 것이다.
상이한 토크 주파수의 진폭 및 위상은 푸리에 변환을 통하여 계산된 엔진축 토크로부터 결정될 수 있다. 이는 원하는 고조파의 진폭 및 위상을 나타낼 수도 있다. 이제, 고조파의 결정된 진폭 및 위상을 신호 θn 으로 나타내고, 따라서 θn=A(n)ejφ(n)이 된다. A 는 n차 고조파의 진폭이다. φ(n)은 n차 고조파의 위상이다. 처음부터 토크의 고조파 성분을 별개로 계산하는 것도 가능하며, 이 경우에 축의 전체토크는 계산되지 않는다.
엔진의 실린더의 점화시간들은, 가능한한 균일하게 크랭크축 토크곡선을 만들도록 하기 위해서 크랭크축 회전의 상이한 점에 걸쳐 균일하게 분포된다. 엔진내의 모든 실린더들이 동일한 출력을 생성할 때, 각 실린더의 점화시간 사이의 위상차때문에 실린더의 최저(최고) 고조파들이 상호간에 보상을 하게 된다. 이 경우에, 문제의 고조파들은 엔진출력상에는 나타나지 않게 된다. 그러나, 엔진내의 하나 또는 그 이상의 실린더들이 다른 실린더보다 많은 출력을 만들면, 특정한 고조파 또는 다수의 고조파 성분이 엔진축에서 관찰될 수 있다. 마찬가지로, 만약 하나 또는 그 이상의 실린더들이 다른 실린더와 비교하여 감소된 출력을 만들면, 고조파 성분이 관찰될 수 있다. 엔진의 불균일한 출력생산은 최저 고조파에 있어서 통상적으로 현저하다.
엔진의 실린더의 점화시간들 사이의 간격은 엔진의 크랭크축의 회전(4행정 실린더에 있어서 720도)시에 고정된 주기이므로, 운전 주기내에서의 현재의 실린더 는 신호 θn 의 기초하에서 결정된다. 다시 말해서, 문제의 고조파 신호를 발생하는 실린더는 실린더의 점화시간 및 신호 θn 를 비교함으로써 결정될 수 있다. 고조파 신호는 비틀림 진동을 나타내기 때문에, 문제의 실린더는 또한 비틀림 진동의 원인으로 된다. 상이한 실린더들의 연속적인 점화시간은 실린더의 폭발순서를 형성한다. 6기통 엔진에 있어서는, 실린더의 폭발순서는 예를 들면 1,5,3,6,2,4 의 순서이다; 각 회전의 720도에 있어서, 제 1 실린더는 제일먼저 폭발하고, 제 4 실린더가 가장 늦게 폭발된다.
도 5A, 5B 및 5C는 θn 신호들과 엔진의 실린더들의 점화시간들 사이의 비교를 나타낸다. 도 5A는 엔진의 실린더들의 점화시간과 관련된 0.5-고조파 (51)의 위상과 진폭을 나타낸다. 실린더의 폭발순서는 1,5,3,6,2,4 이다. 마찬가지로, 도 5B는 1-고조파 (51)를, 또한 도 5C는 1.5-고조파를 나타낸다. 비교를 가능하게 하기 위하여, 점화시간들은 점검되는 고조파 주파수로 감소되어야 한다. 도 5B에 있어서, 1-고조파는 엔진의 운전주기, 즉 크랭크축 회전의 720도 동안에 2회의 주기를 만들게 된다. 다른 말로 하면, 크랭크축과 1-고조파들은 동시적이다. 실린더의 점화시간은, 크랭크축 회전의 720도에 걸쳐서 균일하게 분포되었을 때에는 120도의 간격으로 발생하기 때문에, 도 5B에서 점화시간들 사이의 간격은 120도이다. 0.5-고조파는 2회의 크랭크축 회전동안에 한번의 주기만을 만들뿐이므로, 통상의 점화간격에 0.5를 곱함으로써 점화시간들이 0.5-고조파의 주파수로 감소하게 된다. 따라서 도 5A에서의 점화간격의 각도는 60도로 된다. 마찬가지로, 도 5C에서 나타 낸 바와 같이 1.5-고조파의 경우에 점화간격은 180도로 된다.
도 5A에 나타낸 고조파 θ0.5 신호(51)은 실린더(2) 및 (4)의 점화시간에 가장 가깝다. 따라서, 실린더(2), 실린더(4) 또는 이들 양자의 실린더들은 0.5-고조파의 원인이 되는 과출력을 생성하는 것으로 결론을 내릴 수 있다. 한편, 실린다(5), 실린더(3) 또는 이들 양자의 실린더들은 지나치게 적은 출력을 생성하는 것으로 결론내릴 수 있는데, 음의 신호(51)가 실린더(5) 및 (3)의 점화시간에 가장 가깝기 때문이다. 따라서 최저 고조파의 시험은 고조파를 생성하는 실린더를 정확하게 찾아내는 것만으로는 충분하지 않다. 따라서 다수개의 고조파를 점검할 필요가 있다.
도 5B에 있어서, 1-고조파 θ1 신호(52)는 실린더(1),(3),(4) 및 (6)의 점화시간에 가장 가깝다. 따라서, 이들 실린더중의 한개 또는 여러개가 결합하여, 과출력을 생성하게 된다. 마찬가지로 실린더(1),(2),(5) 및 (6)중의 하나 이상의 실린더가 지나치게 적은 출력을 생성하는 것에 주목할 수 있다. 도 5C에서 1.5-고조파 θ1.5 신호(53)의 부가적인 시험으로, 이것이 실린더(5),(6) 및 (4)의 점화시간에 가장 가깝다는 것을 알 수 있다. 음의 θ1.5 신호는 실린더 (1),(3) 및 (2)의 점화시간에 가장 가깝다. 따라서 도 5A, 5B 및 5C의 관찰로부터, 시험하고 있는 모든 고조파 주파수중에서 실린더(4)가 과출력을 생성하고 있으며, 따라서 엔진시스템축의 비틀림 진동의 근원이 된다. 이 정보는 비틀림 진동을 완화하는데 사용될 수 있다.
따라서, 다수개의 고조파 주파수 성분의 시험은 지나치게 많거나 적은 출력을 생성하는 실린더 또는 실린더들을 드러낼 수 있다. 시험되고 있는 모든 주파수 성분들 중에서 지나치게 많은 (또는 지나치게 적은) 출력을 생성하는 것으로 관찰된 실린더는 축상의 비틀림 진동을 야기하는 실린더이다. 도 5A, 5B, 및 5C에 있어서, 실린더(4)는 시험하고 있는 모든 주파수에서 과출력을 생성하는 것으로 관찰되었다. 한편, 실린더(5)는 감소된 출력으로 운전되지 않았는데, 이것은 1.5-고조파를 시험하는 근거하에서는 가능하지 않았기 때문이다ㅏ.
대형엔진에 있어서는, 점화주기가 중복되며, 실린더가 지나치게 많거나 적은 출력을 생성하는 실린더가 어떤 것인지를 정확하게 결정하는 것이 항상 가능하지 만은않다.
2개의 실린더들 사이의 크랭크축 각도에 있어서의 몇도의 차이는 토크정보만을 사용했을 때에는 충분치 않다. 이 경우에 2개(또는 이상)의 인접한 실린더들은 비틀림 진동의 원천으로서 한개의 실제적인 실린더로서 인식된다. 실제적으로 이는 한개의 실제적인 실린더내에 포함된 실린더들의 출력생성 사이의 차이가 허용되어야만 함을 의미한다. 다른 선택사항으로서, 토크정보에 부가하여, 몇개의 다른 엔진정보가 사용되어 실린더가 정밀하게 위치할 수 있도록 한다. 예를 들어, 실린더 특정적인 실린더 압력, 배기온도 또는 연료의 공급량등이 사용될 수 있다. 이들 확인원리는 본 발명의 상이한 실시예(방법, 장치)들에서 사용될 수 있다.
도 6은 출력의 생성이 엔진의 다른 실린더들의 출력생성으로부터 실질적으로 벗어나 있는 하나의 실린더 또는 실린더들을 확인하기 위한 본 발명에 따른 방법의 하나의 플로우차트를 나타낸다. 제일 먼저, 엔진축, 즉 크랭크축의 각속도 및 부하축의 각속도가 측정된다(61). 각속도들은 측정을 수행하기 위하여 적절한 위치에 설치된 센서들을 사용하여 측정된다. 엔진의 플라이휠은 엔진축의 각속도를 측정하는 적절한 위치이다. 마찬가지로, 커플링의 부하측의 부하축(발전기 부하의 경우에, 회전자)은 부하축의 각속도를 측정하기 위한 적절한 위치이다.
다음에, 토크를 계산하기 위하여 필요한 파라미터들이 결정된다(62),(63),(64). 측정된 각속도 데이터는 시험대상의 고조파(3개의 최저 고조파와 같은)의 진폭 및 위상을 결정(62)하는데 사용된다.
진폭 및 위상을 결정하기 전에 측정데이터에 대하여 푸리에 변환이 수행될 수 있다. 그러한 변환은 분산 변환, 예를 들면 신속 푸리에변환(Fast Fourier Transform:FFT)으로 수행할 수 있다. 실제적인 적용에 필요한 컴퓨터의 용량을 최소화하기 위하여는, 괴첼(Goertzel)필터와 같은 측정신호에 대한 적절한 필터링 방법을 사용하는 것이 적절하다. 괴첼필터는 개별 주파수에 대한 푸리에 계수 XFK φ[κ]를 계산하는 2급 IIR필터이다. 대괄호내의 κ는 시험되는 대역내의 특정 주파수를 나타내는 각 측정의 지수이다. 복소수 XFK φ는 진폭 및 위상 양자에 대한 정보를 포함한다. 푸리에변환의 사용은 방법의 단계들의 수행을 용이하게 하고, 따라서 실제적인 수행을 용이하게 한다.
토크의 계산은 또한 시험중인 각 고조파에서의 엔진축 및 부하축의 각변위 및 엔진축의 각 가속도의 결정(63)을 필요로 한다. 축 각도에 대한 기준점으로서 엔진의 실린더들 중의 한개의 상부 센터를 선택하는 것이 좋다. 주파수 영역에 있어서, 각의 변위는
Figure 112008047120938-pct00007
이며, 각 가속도는
Figure 112008047120938-pct00008
이다.
여기에서, ωo 는 측정에 사용된 윈도우(시간 간격)의 주파수이다.
엔진 시스템의 커플링의 동적 파라미터들은 시험중인 주파수에 대하여 개별적으로 결정된다(64). 커플링 제조자들로부터의 정보가 파라미터의 결정에 이용될 수 있다. 커플링 파라미터들은 미리 결정될 수도 있는데, 시험중인 고조파 성분의 주파수와 커플링에 대한 정보가 사전에 입수될 수 있기 때문이다. 사전에 혹은 실시간으로 결정된 파라미터들은 토크의 계산에 사용된다. 따라서 커플링 파라미터들을 결정하는 단계는, 소정의 파라미터들의 도입을 포함하여 이러한 문맥에서 광범위하게 해석되어야만 한다.
시험하의 고조파에서의 토크는 측정된 각속도, 결정된 축의 변위 및 각 가속도와, 커플링 파라미터등을 사용하여 계산된다(65). 예를 들어, 주파수 영역에서 수행된 계산에 대하여, 토크는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112008047120938-pct00009
여기에서
Figure 112008047120938-pct00010
은 계산되는 토크이고, J는 엔진의 관성 모멘트이며,
Figure 112008047120938-pct00011
은 엔진축의 각 가속도이고, D는 엔진의 완충팩터이고,
Figure 112008047120938-pct00012
은 엔진의 각 가속도이고, C는 커플링의 동적인 완충팩터이고,
Figure 112008047120938-pct00013
은 부하축의 각속도이며, K는 커플링의 동적인 강성이고,
Figure 112008047120938-pct00014
은엔진축의 각변위이고
Figure 112008047120938-pct00015
은 부하축의 각변위이 다.
엔진내의 실린더들의 평균 출력으로부터 가장 벗어난 출력의 실린더는, 계산된 토크를 엔진의 실린더의 폭발순서와 비교함으로써 (66)으로 확인되었다. 상술한 내용은 예시를 위하여 확인의 원리를 기술한 것일 뿐이다. 실제적으로 개별 실린더의 출력은 다른 실린더들의 출력으로부터 약간 벗어나며, 고조파의 진폭이 상당함을 알 수 있다. 이 경우에, 실린더의 출력도 마찬가지로 실린더들의 평균출력에서 상당히 벗어나게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 장치의 일 예를 나타낸다. 본 발명에 따른 장치는 측정용 센서용의 인터페이스(731),(732)를 가지는 중앙 유니트(73)를 포함하여 구성된다. 이들 인터페이스(731),(732)를 통하여, 중앙유니트는 엔진축(76)의 각속도에 관한 측정 데이터와, 그 엔진축에 접속된 부하축(79)의 각속도에 관한 측정 데이터를 받아들이고 처리하며, 그 측정데이터는 인터페이스에 접속가능한 측정센서들로부터 오는 것이다. 엔진(74)의 플라이휠(76)과 관련하여 엔진축(76)의 각속도를 측정하는 센서(71)를 설치하는 것이 실제적이다. 부하(78)의 축의 각속도를 측정하는 센서(72)는 부하축(79)관련하여, 즉 축커플링(77)로부터 보았을 때, 플라이휠과 관련하여 설치된 센서(72)의 반대측에 설치한다.
중앙유니트(73)는 또한, 각속도 측정데이터의 근거하에 검사되는 고조파의 진폭 및 위상을 결정하기 위한 수단(733)과, 검사되는 각 고조파에서, 엔진축의 변위 및 각 가속도 및 부하축의 변위를 결정하기 위한 제 2 수단(734) 및, 검사되는 고조파에서 엔진축과 부하축 사이의 커플링의 파라미터의 정보를 포함하는 제 3 수 단(735)를 더 포함하여 구성된다. 사전에 결정된 파라미터 정보를 담고 있는 제 3 수단(735)에 대한 선택적인 구성으로서, 제 3 수단은 파라미터정보를 실시간 또는 거의 실시간으로 결정하고, 그 정보는 토크의 계산을 위해 저장된다. 따라서, 가능하다고 할지라도 커플링 파라미터를 반드시 연속적으로 결정할 필요는 없다.
실제적으로, 시험하고 있는 고조파의 진폭 및 위상을 결정하기 위한 수단(733)은 괴첼필터와 같이 필요한 컴퓨터의 용량을 최소화하기 위한 필터(740)를 포하하여 구성된다. 필터는 또한 실제적인 푸리에 변환을 수행한다.
본 발명에 따른 방법이 시간영역에서 수행된다면, 필터(740)들은 원하는 고조파 주파수를 통과시키는 밴드패스 필터가 되는 점에 유의한다. 이 경우에, 수단(733)은 필터를 통과한 고조파의 진폭 및 위상을 결정한다. 중앙 유니트내의 다른 수단들도 시간영역내의 신호를 처리하도록 배치된다.
또한, 중앙 유니트는 측정된 각속도와, 상기 축들의 측정된 변위 및 각 가속도및, 커플링 파라미터를 사용하여 검사된 고조파에서의 토크를 계산하기 위한 제 4 수단(736)과, 계산된 토크를 엔진 실린더들의 폭발순서와 비교함으로써 하나의 실린더 또는 실린더들을 확인하는 제 5 수단을 포함하여 구성된다.
따라서, 중앙유니트는 엔진의 평균 실린더출력에 비해서 지나치게 많거나 또는 적은 출력을 생성하는 엔진내의 실린더(710)를 가려낸다. 확인의 목적상, 중앙유니트는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법을 이용한다. 따라서, 중앙유니트는 커플링(77) 및 엔진(74)의 특성을 고려한다.
중앙유니트는 상술한 방법의 단계들을 수행한다. 그 방법의 측정단계는 원 하는 정보로 신호를 정제하는 것으로 이해되어야 한다. 이 경우에, 각속도를 측정한다는 것은 측정센서로부터 신호를 받아들이고 또한 측정된 신호로부터 실제적인 각속도 정보를 추출하는 중앙유니트의 인터페이스들의 기능성을 의미한다. 따라서, 측정이라는 것은 센서의 동작을 말하는 것이 아니다. 센서는 실제적인 측정동작에 의하여 처리된 정보의 원천으로서 기능한다.
중앙 유니트(73)의 요소들 사이의 원리적인 접속관계를 도 4에서 화살표로 도시하였다. 토크를 계산하기 위한 수단(7360은 다른 요소에 필요한 접속을 가진다.
도면에서 나타낸 상이한 요소들로 분할하는 것은 하나의 실시예이다. 이 요소들은 다른 방식으로 실행될 수도 있다. 예를 들어, 필터(740) 및 고조파의 진폭과 위상을 결정하기 위한 수단(733)은 개별적인 요소 혹은 같은 요소일 수도 있다.
또한, 중앙유니트(73)는 예를 들어 엔진제어 유니트(711), CAN 버스 또는 이더넷 네트워크에 접속될 수 있는 적어도 한개의 부가적인 인터페이스(738),(739)를 포함하여 구성될 수 있다. 그 부가적인 인터페이스를 통하여, 중앙유니트는 불균일한 지분의 출력을 생산하는 실린더를 확인하기 위해 필요한 부가적인 정보를 수신할 수 있다. 그 부가적인 정보는, 예를 들면 특정 실린더의 실린더 압력이나, 특정 실린더의 배기온도 또는 특정 실린더의 연료공급량 등이다. 예를 들어, 만약 엔진실린더의 출력으로부터 실질적으로 벗어난 출력을 가진 실린더가 2개의 실린더(고조파를 사용하는 것으로 확인된 실린더들)중에서 선택되어야 한다면, 다른 실린더들과 비교해서 더 높은 실린더 압력을 가지는 실린더가 선택될 것이다. 중앙 유니트에 더 많은 센서를 접속하기 위해서 부가적인 인터페이스들이 사용될 수도 있다. 도 7은 중앙유니트에 부가적인 요소를 사용한 것을 도시한다. 중앙유니트(73)는 엔진제어 유니트(711)에 접속되고, 엔진제어 유니트는 압력센서, 온도센서 또는 유량센서와 같은 특정 실린더 요소에 접속된다. 중앙유니트는 또한 엔진제어 유니트(711)와 같은, 정보를 요하는 시스템으로 인터페이스를 통하여 확인된 실린더에 관한 정보를 제공할 수 있다.
도 4의 중앙유니트는 많은 다른 방식으로 실행될 수 있다. 그의 작용은 예를 들어 ASIC(Application specific Intergrated Circuit)을 사용하여 달성될 수 있다. 중앙유니트는 또한 그 목적에 적절하도록 컴퓨터에 설치된 컴퓨터 소프트웨어로서 수행될 수도 있다. 동작시에, 컴퓨터, ASIC 또는 기타 다른 실시예들은 본 발명에 따른 기능들을 수행할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 요소들은 전체적으로 하나로 만들 수 있슴은 명백하다.
본 발명은 실제적인 적용을 위하여 적절한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 발전 및 선박분야의 사용에 적절하며, 이들 적용분야에서 엔진의 점화주기는 중복될 수 있다. 본 발명을 이용함으로써 엔진의 출력 및 배기가스의 방출의 제어를 좋은 효율로 유지할 수 있다.
상술한 내용으로부터, 본 발명은 본 명세서에 기술된 내용에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 개념의 범위내에서 기타 많은 상이한 실시예들이 가능함은 명백하다.

Claims (22)

  1. 그의 출력이, 내연 피스톤 엔진내의 다른 실린더의 출력으로부터 실질적으로 벗어나고 있는 적어도 한개의 실린더를 확인하기 위한 방법으로서,
    엔진축의 각속도와 그 엔진축에 접속된 부하의 축의 각속도를 측정하는 단계(61)와,
    각속도 측정데이터의 근거하에, 검사되는 고조파들의 진폭 및 위상이 결정되는 단계(62)와,
    검사되는 각속도의 각각의 고조파에서 엔진축의 변위 및 각가속도와, 부하축의 변위를 결정하는 단계(63)와,
    검사되는 고조파 주파수들에서 엔진축과 부하축사이의 커플링의 파라미터들을 결정하는 단계(64)와,
    측정된 각속도, 상기 축들의 결정된 변위 및 각 가속도 및, 커플링 파라미터들을 이용함으로써 검사되는 고조파들에서의 토크를 계산하는 단계(65), 및
    계산된 토크들을 엔진의 실린더들의 폭발순서들과 비교함으로써 그 실린더를 확인하는 단계(66)를 포함하여 구성되며,
    고려되는 커플링 파라미터들은 주파수 의존성 강성 및 커플링의 주파수 의존성 완충도이며, 실린더 확인단계(66)시에, 문제의 고조파에서 가장 벗어난 출력량을 생성하는 실린더들을 검출하기 위하여, 각 고조파에서 계산된 토크들이 실린더의 점화시간들과 비교되며,
    검사되는 모든 고조파에서 지나치게 많거나 혹은 지나치게 적은 출력을 생성하는 것으로 발견된 실린더를 확인된 실린더로서 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 연속적인 점화시간을 가지는 적어도 2개의 실린더들이 확인단계(66)에서 확인될 수 있는 실제적인 실린더를 구성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 검사되는 고조파들은 3개의 최저 고조파인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 검사되는 고조파들은 적어도 3개의 최저 고조파인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 각속도 측정데이터로부터 검사되는 고조파의 진폭 및 위상을 결정하기 전에 측정데이터에 대해서 분산 푸리에변환이 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 변환은 신속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 토크는 이하의 식
    Figure 112011075570011-pct00037
    을 이용하여 계산되며, 여기에서
    Figure 112011075570011-pct00038
    은 계산되는 토크, J는 엔진의 관성 모멘트,
    Figure 112011075570011-pct00039
    은 엔진축의 각가속도, D는 엔진의 완충팩터,
    Figure 112011075570011-pct00040
    은 엔진의 각 가속도이고, C는 커플링의 동적인 완충팩터,
    Figure 112011075570011-pct00041
    은 부하축의 각속도, K는 커플링의 동적인 강성,
    Figure 112011075570011-pct00042
    은 엔진축의 각변위,
    Figure 112011075570011-pct00043
    은 부하축의 각변위인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 2 항에 있어서, 엔진의 실린더중의 하나의 상부센터가 축변위를 결정하기 위한 기준점으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 그의 출력이, 내연 피스톤 엔진내의 다른 실린더의 출력으로부터 실질적으로 벗어나고 있는 적어도 한개의 실린더를 확인하기 위한 장치로서,
    측정센서(732)들용의 인터페이스(731)를 가지는 중앙유니트(73)를 포함하여 구성되며, 그 인터페이스들을 통하여, 중앙 유니트는 엔진축(76)의 각속도에 관한 측정데이터 및 그 엔진축에 접속된 부하축(79)의 각속도에 관한 측정데이터를 수신 및 처리하며, 그 측정데이터들은 인터페이스에 접속되는 측정센서로부터 오는 것이며,
    상기 중앙유니트(73)는, 각속도 측정데이터의 근거하에, 검사되는 고조파의 진폭 및 위상을 결정하기 위한 수단(733)과,
    검사되는 각 고조파에서, 엔진축의 변위 및 각 가속도 및 부하축의 변위를 결정하기 위한 제 2 수단(734)과,
    검사되는 고조파에서 엔진축과 부하축 사이의 커플링의 파라미터의 정보를 포함하는 제 3 수단(735)과,
    측정된 각속도와, 상기 축들의 측정된 변위 및 각 가속도및, 커플링 파라미터를 사용하여 검사된 고조파에서의 토크를 계산하기 위한 제 4 수단(736)과,
    계산된 토크를 엔진 실린더들의 폭발순서와 비교함으로써 하나의 실린더 또는 실린더들을 확인하는 제 5 수단을 포함하여 구성되며,
    중앙유니트(73)는 최소한 3개의 최저 고조파 주파수에서 각속도의 고조파를 처리하도록 배치되거나 또는 배치될 수 있으며, 커플링의 동적 파라미터들은 주파수 의존성 강성 및 커플링의 주파수 의존성 완충도이며, 제 5 수단(737)은 검사되는 모든 고조파에서 지나치게 많거나 혹은 지나치게 적은 출력을 생성하는 것으로 발견된 실린더를 확인하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 연속적인 점화시간들을 가지는 적어도 2개의 실린더들이, 확인될수 있는 실제적인 실린더를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 중앙유니트는 측정데이터를 필터링하고 푸리에변환을 실시하기 위한 필터(740)들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 2 수단(734)은, 엔진의 실린더들중의 하나의 상부센터를 축변위들을 결정하기 위한 기준점으로서 사용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 제 4 수단은, 다음의 식
    Figure 112008047124572-pct00044
    을 사용하며, 여기에서
    Figure 112008047124572-pct00045
    은 계산되는 토크, J는 엔진의 관성 모멘트,
    Figure 112008047124572-pct00046
    은 엔진축의 각가속도, D는 엔진의 완충팩터,
    Figure 112008047124572-pct00047
    은 엔진의 각 가속도이고, C는 커플링의 동적인 완충팩터,
    Figure 112008047124572-pct00048
    은 부하축의 각속도, K는 커플링의 동적인 강성,
    Figure 112008047124572-pct00049
    은 엔진축의 각변위,
    Figure 112008047124572-pct00050
    은 부하축의 각변위인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 중앙유니트는 외부의 시스템에 접속될 수 있는 적어도 한개의 부가적인 인터페이스(738),(739)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 외부장치는, 엔진제어 유니트, CAN 버스 또는 TCP/IP 네트워크인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 10 항에 있어서, 측정센서(731),(732)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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