노크센서를 이용한 비정상 엔진진동 측정 연구

1. 서 론

엔진진동을 측정하기 위해 사용해온 가속도계의 대안으로 실제 엔진에 장착되어있는 노크 센서를 이용한 방법이 연구 되었다⁽¹⁾. 이는 경제성과 편리성, 신속성에서 유리하지만 노크 센서가 가지는 전압 출력 주파수 범위가 낮아 추가적인 time domain 등의 해석기법을 필요로 했다⁽²⁾. 또한 실험대상이 시뮬레이션 엔진이거나⁽³⁾, 진동을 일으키는 장치(shaker)⁽⁴⁾를 이용하여 RPM 변화에 따르는 진동을 측정하는 경우⁽⁵⁾와 같이 실제 차량이 아닌 대상의 실험이었고, 크랭크축 각도에 따라 변화하는 연소실 압력의 주파수 분석⁽⁶⁾ 등 정상진동 상황에서 실험이 이루어져 실제 차량에서 비정상 진동에 대한 연구가 부족했다. 한편, 엔진의 연소 불안정은 파워 밸런스의 불량으로 이어져 승차감 저하 및 배출가스과다로 이어지기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다.

따라서 이 연구에서는 실제 차량 엔진에서 고장빈도가 가장 높은 실린더별 파워밸런스가 불량할 경우 발생되는 비정상 진동을 노크 센서와 설계한 회로를 통해 측정하고 분석하고자 한다. 이를 위하여 앞서 언급한 낮은 노크 센서의 전압출력 주파수 범위를 확장시키고 적절한 필터링을 할 수 있는 amplifier&filter회로를 설계하였다. 파워밸런스 불량 상황을 만들기 위해 4기통 엔진의 각 실린더에 공급되는 연료를 순차적으로 차단하여 실화(misfire)를 조성하였고, 이 때 노크 센서에서 출력되는 진동 신호를 설계된 회로를 거쳐 오실로스코프로 측정, 저장 후 FFT, PSD (power spectral densities)변환 후 정상 진동의 경향과 비교 분석하여 고찰하였다.

2. 실 험

2.1 실험내용 및 방법

노크 센서의 내부는 피에조 소자가 내장되어 노크와 비노크 상황에서 발생되는 엔진의 모든 진동을 감지하여 전압으로 출력한다(Fig. 1). 4기통 엔진 진동의 경우는 20 Hz ~ 40 Hz의 평균주파수 성분과 더불어 설계특성인 냉각홴 등의 각종 전장품 구동 진동의 유입으로 적게는 수 헤르츠, 많게는 수십 헤르츠의 고주파수 성분을 동시에 포함하고 있다. 이 중 엔진 ECU는 노크 센서를 통해 감지된 엔진의 진동 성분 중 노킹이 발생하는 영역(ATDC 10° ~ 60°)인 knock window에서 특정 주파수(5 kHz ~ 10 kHz)를 대역 필터링(band pass filtering)한 신호를 이용해 노킹을 판정하고 점화시기를 지각하여 실린더 블럭을 보호하며, 그 외의 대부분의 주파수는 무시한다. 따라서 무시되는 엔진 진동 신호의 활용을 위해 이를 증폭하고 필터링할 수 있는 amplifier&filter회로를 설계하였다(Fig. 2). 이를 실차의 노크 센서에 연결하고 성능 확인을 위해 장착하기 전/후 엔진의 진동을 측정하여 확인한다. 한편 내연기관의 고장 원인은 점화플러그와 같은 소모품과 점화코일, 인젝터 등과 같은 점화 및 기계류의 불량 등으로 다양하지만, 증상은 비정상 진동으로 귀결된다. 문제의 부품이 장착된 해당 실린더의 파워 밸런스가 불량해지고 엔진 전체의 조화진동이 무너지기 때문이다. 따라서 비정상 진동에 대한 환경조성을 위해 공회전 상태에서 각 실린더에 공급되는 연료 인젝터 커넥터를 순차적 탈거하여 실화를 만들었다(Fig. 3). 연료공급이 차단된 엔진은 파워 밸런스가 무너져 비정상 진동을 일으켰으며, 정상 엔진 진동과의 비교를 통해 연료차단상태에서의 진동을 각각 4회 측정하여 오실로스코프로 측정 후 분석하였다.

Fig. 1

Structure to a knock sensor

Fig. 2

Amplifier & filter design

Fig. 3

Injector connector was removed.(NO1)

2.2 실험 차종 및 Amplifier&Filter 회로 분석

실험 대상 엔진은 아반떼 MD에 장착된 GDI 엔진 1600 CC으로 주행거리는 약 30 000 km이며 EMS (engine management system)와 노크 센서는 KEFICO사의 제품으로 가솔린을 연료로 하며 엔진의 형식은 I-TYPE의 DOHC (double overhead camshaft)를 이용한다. 수냉식 기관으로 실린더는 4개이며 점화순서는 1, 3, 4, 2(실린더 기준)점화되는 방식을 사용하고 있다(Table 1). 노크 센서는 엔진의 블록에 장착되어 엔진의 진동을 측정한다(Fig. 4). 설계한 amplifier&filter회로는 증폭부와 필터부로 구성되어 있으며, 반복 실험을 통하여 이 연구에서 필요로 하는 엔진 진동 특성 신호를 획득하기 위해 튜닝과정을 거친 결과 증폭부의 전압 증폭도 Av=50으로 설계되었고, HPF의 차단주파수 fc=31.83 Hz로 LPF의 차단주파수 fc=79.58 Hz로 설계하여 실험 차량에 셋팅하였다(Fig. 2, Fig. 5).

Table 1

Test engine specifications

Fig. 4

installation position of knock sensor

Fig. 5

Test vehicle was installed with the amplifier & filter circuit

2.3 실험장치도

Fig. 6과 같이 공회전 상태에서 발생되는 엔진의 진동에 비례하여 노크 센서는 전압을 출력하고, 실차에 장착된 amplifier&filter 회로를 통과하게 된다. 회로 구동을 위해 사용한 power supply는 Digital사의 제품으로 회로구동을 위해 단전원 5v(+DC)로 설정하였다. 회로를 통과한 전압파형 분석을 위해 YOKOGAWA사의 DLM3024 2.5 GS/s 200 MHz의 오실로스코프를 이용해 측정, 기록하였다(Fig. 7). 이를 주파수 분석을 위해 txt로 변환 후 AcqKnowledge S/W(ver 3.9)를 이용해 분석하였다.

Fig. 6

Measurement set up and devices for experiments

Fig. 7

Measurement knock sensor for using oscilloscope

3. 실험결과 및 고찰

3.1 Amplifier&Filter회로

Amplifier&filter회로를 통과하지 않은 상태에서 노크 센서에서 측정한 주파수는 60 Hz ~ 90 Hz의 범위를 가진다(Fig. 8). 이는 이론상 4기통 엔진 진동의 경우 공회전 상태에서 평균 20 Hz ~ 40 Hz의 주파수 특성과 더불어 엔진 내부에서 구동되는 밸브와 각종 보기류에서 발생되는 추가적인 진동 주파수가 포함되어있어 이론 주파수보다 높은 범위를 나타내고 있음을 알 수 있었다. Amplifier&filter를 통해 주파수 변환 및 필터링 과정을 거친 신호는 1 kHz ~ 70 kHz까지의 범위를 보였다(Fig. 9). 이는 amplifier&filter 회로의 튜닝 범위를 31.83 Hz ~ 79.58 kHz으로 설정한 것으로써, 첫째 설계된 회로가 정상적으로 작동됨을 알 수 있고, 둘째 knock window제어를 위해 특정 주파수(5 kHz ~ 10 kHz)에 국한된 노크 센서의 진동 주파수 감지 범위를 향상 시켰음을 알 수 있었다.

Fig. 8

Amplifier and filter circuit was not used

Fig. 9

Amplifier and filter circuit was used

3.2 엔진 진동

FFT 및 PSD 변환을 통해 정상 및 파워 밸런스의 불량에 따른 진동의 경우 0 kHz ~ 70 kHz 범위 내에서 발생됨을 알 수 있었다. 또한 노크 센서의 출력 전압은 최대 0.0031 V, 연료공급 차단에 의해 비정상 진동시는 최대 0.0076 V을 출력하였다(Table 2). 즉 파워 밸런스 불량에 따라 발생되는 비정상 진동시에 전압이 비례하여 상승하는 것을 확인하였다. 이는 노크 센서가 진동의 변화를 감지하고 있음을 알 수 있다. 각 실린더의 순차적인 연료공급차단에 의해 실화가 발생되는 상황에서 측정된 신호를 FFT, PSD로 변환한 결과를 나타내었고(Fig. 10, Fig. 11), 정상진동과 비교분석을 위해 normal상황 데이터를 동시에 나타내었다. FFT 분석결과 전체 실린더 기준 40 kHz 이하에서는 10 kHz ~ 15 kHz에서 비정상 진동이 정상진동보다 비교적 높게 나왔으며, 40 kHz를 기점으로 급격히 상승하였다. 반면 정상 진동의 경우는 주목할 주파수 변화없이 40 kHz에서 점진적으로 상승하였다. 44 kHz ~ 50 kHz범위에서 비정상 진동 성분이 가장 크게 도출되었고 정상진동과의 진동격차가 가장 크게 벌어졌으며, 특정 파형대역에서 집중화되는 경향으로 나타났다. 60 kHz ~ 62 kHz 범위에서는 정상 진동이 더 크고, 비교적 넓은 파형대역에 분산되는 경향으로 나타났다. 이는 파워 밸런스가 불량한 실린더의 경우 상대적으로 낮은 주파수 영역에서 높고 단발적으로 발생되는 진동특성을, 정상상태의 경우 높은 주파수 영역에서도 비교적 완만한 진동레벨의 변화폭을 가지고 있다고 볼 수 있다. 즉, 정상 엔진은 고주파수에서도 일정 주기로 높은 진동을 형성하지만 진동레벨은 비교적 낮고 고르게 분포하여 승차자가 안락하게 느끼게 되며, 비정상 진동의 경우 저주파수대역의 특정 주파수에서 높은 진동레벨이 집중적으로 형성되어있기 때문에 승차자는 불규칙한 진동을 느끼게 된다. 한편 49 kHz ~ 52 kHz 범위 내에서 1번 실린더와 4번 실린더, 2번 실린더와 3번 실린더의 파형의 경향이 유사하다. 이는 4기통 엔진의 피스톤 위상이 1, 4번과 2, 3번이 동일하기 때문이다. 따라서 파워 밸런스 불량에 따른 비정상진동의 원인은 피스톤의 동역학적 움직임에 따른 것으로 볼 수 있다. 파워 스펙트럼 분석결과 비정상 진동의 경우 고주파수성부에서는 비교적 일치하는 수치를 보였지만, 6 kHz ~ 10 kHz범위에서 파워 에너지 전달의 차이를 보이고 있다. 이를 통해 엔진의 고장으로 인한 파워 밸런스 불량 시에 저주파수 영역대가 상대적으로 승차자에게 더 큰 영향을 줄 수 있다고 볼 수 있다.

Table 2

FFT conversion was applied for the output voltage from the knock sensor

Fig. 10

Results of FFT of normal and misfire

Fig. 11

Results of PSD of normal and misfire

4. 결 론

이 실험을 통해 엔진 고장빈도가 가장 높은 실린더별 파워 밸런스가 불량할 경우 발생되는 비정상 진동 특징을 분석했다. 이를 위해 가속도계 대신 기존에 장착되어있는 노크 센서와 추가 설계된 회로를 이용해 측정, 분석하였다. 이를 통해 노크 센서의 진동감지 범위를 기존 60 kHz ~ 90 Hz에서 4 kHz ~ 65 kHz으로 향상시킬 수 있었다.

또한 실화 발생 시 진동은 40 kHz에서 급격한 변화를, 정상상태에서는 60 kHz에서의 점진적 변화를 확인하였다. 이 중 6 kHz ~ 10 kHz에서의 파워 에너지 전달 변화가 가장 크기 때문에 승차감을 고려한 설계 시 반영할 필요가 있다. 또한 파워 밸런스 불량 시 엔진 전체 진동의 영향은 피스톤의 위상에 의한 동역학적 움직임에 기인된 것임을 알 수 있었다.

향후 연구의 영역을 확장하여 노크 센서와 amplifier&filter 및 신호처리를 이용한 엔진 진동 진단에 대한 연구를 진행할 예정이다.

References

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