축계 비틀림진동 신호를 이용한 왕복동 내연기관 착화실패 및 기진력 진단 = Misfire Diagnosis for Reciprocating Internal Combustion Engine Using Torsional Vibration Signal of Shaftings

국문 초록 (Abstract)

산업현장에서 수행하는 대부분의 엔지니어링 과정에서 운용 설비의 안전 진단은 기계의 효율과 이차 피해 및 치명적인 고장을 회피하기 위한 핵심 기술이다. 기계의 상태 변화를 감시하기 위해 온도, 압력, 진동, 소음 등 측정 가능한 데이터들이 개별적으로 또는 조합하여 사용되고 있으며, 이들 중에서 진동 기반의 진단 기술이 기계의 상태 감시와 결함 검출을 위해 광범위하게 적용되고 있다. 하지만, 비틀림진동 신호는 왕복동 내연기관의 운전 상태와 안전성을 진단하기 위한 매우 유용한 도구임에도, 선형 진동 신호를 이용한 안전 진단 기술에 비하여 상대적으로 주목을 받지 못하고 있다. 동양 의학에서 진맥이 인체의 병인을 파악하기 위한 주요 진단 방법인 것처럼, 비틀림진동 신호는 내연기관 시스템의 안전 진단을 위한 유용한 방법으로 다른 방법들과 비교하여 정확도, 시간 및 비용 측면에서 매우 효과적이다. 이 연구는 왕복동 내연기관 시스템의 고장을 일으키는 주요 원인으로 보고되는 특정 실린더에서 연소가 일어나지 않는 착화실패 현상과 내연기관 축계의 결함 부품 발생으로 인한 기진력의 변화를 비틀림진동 신호를 이용하여 효과적으로 진단하는 방법을 제안한다. 착화실패가 발생하면 기본주파수 성분이 비틀림진동 신호의 대부분을 차지하는 현상으로부터 진폭을 비교하여 착화실패 여부를 판정하고, 기본주파수 성분이 최대일 때의 크랭크 각도와 위상으로부터 착화실패 실린더의 위치를 정확히 검출하는 방법에 관한 것이다. 제안한 방법은 2행정 기관, 4행정 직렬형 및 브이형 기관의 실제 시스템에 대하여 수치해석 시뮬레이션으로 그 유용성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In most engineering processes of industrial sites, safety diagnosis is a key technology to avoid machine faults, secondary damage and fatal failures. Measurable data such as temperature, pressure, vibration, and noise are used individually or in combination, to monitor any changes in the state of the machine. Among them, vibration-based diagnostic technology is widely applied for an condition monitoring and a defect detection. However, the torsional vibration signal has not received attention relatively in comparison with the linear vibration signal, although it is a very useful tool for monitoring the operating state of the reciprocating internal combustion engine. Similar to the pulse signal in our body serves the basic diagnostic tool in oriental medicine for assessing the pathogenesis of human body, the torsional vibration signal gives very effective methods in terms of the accuracy, time and cost, comparing with other diagnosis means. This study proposes a method for detecting a misfiring cylinder using the measured torsional vibration signal. The fundamental frequency amplitude and phase angle of the torsional vibration signal are found to distinguish the misfire occurrence and misfiring cylinder position, respectively. The proposed method is verified by analysis and numerical simulation using two-stroke, four-stroke, in-line, and V-type engines.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 배경과 목적 1
• 2. 연구내용 및 방법 3
• II. 왕복동 내연기관 시스템의 안전 진단 6
• 1. 왕복동 내연기관 시스템의 구성 6
• 2. 왕복동 내연기관 시스템의 안전성 평가 9
• 가. 구조진동 안전성 10
• 나. 비틀림진동 안전성 11
• 다. 종진동, 횡진동 및 축정렬 안전성 14
• 3. 안전성 평가 기준 16
• III. 왕복동 내연기관의 기진력 17
• 1. 실린더 작용력 17
• 2. 기관 작용력과 모멘트 28
• 가. 직렬형 기관 실린더 작용력과 모멘트 28
• 나. 브이형 기관 실린더 작용력과 모멘트 29
• 다. 합성 작용력과 모멘트 30
• IV. 착화실패 및 기진력 진단 34
• 1. 비틀림진동 기진력 34
• 2. 비틀림진동 응답 36
• 3. 착화실패 실린더 비틀림진동 특성 38
• 4. 기관 본체진동 기진력 47
• V. 비틀림진동 신호 검출 및 진단 48
• 1. 비틀림진동 신호 검출 48
• 가. 비틀림진동 신호 검출 시스템 48
• 나. 비틀림진동 신호 검출 위치 51
• 1) 4행정 기관 발전기 축계 51
• 2) 2행정 기관 추진 축계 53
• 3) 4행정 기관 추진 축계 56
• 2. 착화실패 진단 및 위치 검출 60
• 가. 착화실패 진단 60
• 나. 착화실패 실린더의 위치 검출 60
• 다. 착화실패 진단 및 위치 검출 사례 63
• 1) 2행정 내연기관 시스템 63
• 2) 4행정 브이형 내연기관 시스템 72
• 라. 비틀림진동 실측 자료와 비교 81
• 3. 기관 본체진동 기진력 진단 87
• 4. 비틀림진동 감시장치 90
• VI. 결론 94
• 참고문헌 96
• Abstract 100