엔진 노크 (knock) 분석기 구축을 위한 LabVIEW의 활용

Alfred Collins, Raeburn Technology

"LabVIEW와 Sound and Vibration Toolset의 그래픽 기능을 이용하여 필요한 정보를 모니터링 하는 어플리케이션을 빠르고 쉽게 개발하였습니다."

- Alfred Collins, Raeburn Technology

과제:

낮은 구축 비용, 엔진 노크 (knock) 발생 및 강도의 정확한 분석, 편리한 다른 엔진으로의 이동 적용, 리얼타임 운영, 데이터 로깅 및 직관적으로 운영 등의 장점으로 일반 엔진 다이나모 기술자의 결과 해석 훈련을 빠르고 쉽게 진행할 수 있는 자동차 엔진 노크 분석기를 제작한다.

솔루션:

LabVIEW에서 실행되는 Sound and Vibration Toolset의 FFT 분석과 내쇼날인스트루먼트의 데이터 수집 카드를 이용하여 노크 신호를 캡쳐하고 분석하였습니다.

내연기관 엔진의 노킹 (knocking)은 연소 사이클 도중에 발생하는 공기/연료 혼합에서 제어가 되지 않는 자기 점화 현상으로서, 엔진의 피스톤과 링을 파괴하는 고연소 압력 스파이크를 유발합니다. 소량의 노크는 고도로 튜닝된 엔진의(예, 경주용 자동차) 경우에는 수용 가능하지만, 엔진에 가해지는 외부 스트레스로 인해 초기의 노크가 폭주하는 노크 상태로 변할 가능성이 있어 반드시 전체적으로 분석을 진행해야 합니다. 실린더 안 지름의 주요 노크 주파수를 결정합니다. 이차 노크 주파수는 연소 챔버의 크기, 하이 레벨 고조파, 피스톤의 하향 움직임으로 제어됩니다.

 

엔진 노크를 감지하기 위해 널리 수용되는 시스템은 크랭크 축 회전 각도와 관련된 연소 챔버의 가스 압력을 측정하는 엔진 연소 분석기입니다. 압력 신호에 대한 고대역 필터 또는 연소 기간 동안의 파생을 이용하여 노킹의 강도를 정확히 측정할 수 있습니다. 각 실린더는 고가의 고온 압력 트랜듀서가 연소 챔버에 반드시 설치되어 있어야 하며, 센서는 노크가 영향을 미치는 “dead” 영역에 놓이지 않도록 위치를 조정하여 배치해야 합니다. 이 측정을 수행하기 위해서는 4 ~ 10개 채널이 일반적으로 필요하고, 리얼타임으로 분석을 수행하려면 매우 높은 속도의 데이터 수집 시스템이 필요하기 때문에 시스템을 완성하는 데 50,000 달러 이상의 비용이 소모되며 엔진은 센서에 맞게 영구적으로 개조되어야 합니다.



대부분의 엔진 제조업체들이 생산 엔진에 사용하는 대안책으로는 하나 또는 그 이상의 가속도계를 엔진 블록에 장착하고 노크가 발생하는 고주파수 진동을 감지하는 것입니다. 하지만, 밸브 트레인에서 생성되는 진동이 노크 신호와 동일한 주요 주파수 영역에 있으므로, 가능한 밸브 트레인 노이즈를 피하고 모든 실린더로부터 들어오는 노크 진동을 민감하게 측정해야 하기 때문에 가속도계의 배치가 중요합니다. 그리고, 가속도계의 신호는 저대역 필터와 고대역 필터를 통과합니다. 저대역 신호는 엔진 속도에 비례하여 엔진에서 들어오는 전체 진동을 나타내기 위해 임계치 신호와 통합되고, 고대역 신호는 임계치 신호와 비교하여 언제 노크가 발생하는지를 분석합니다. 밸브 트레인의 진동은 높은 RPM에서 시스템에 엄청난 에러를 유발합니다. 왜냐하면 진동신호 만으로는 밸브 노이즈와 노크를 분간할 수 없기 때문입니다. 추가적으로 이런 유형의 시스템은 초기 노크를 감지할 수 없습니다.

 

디자인

블록에 장착된 가속도계로부터 정확한 엔진 노크 징후를 파악하기 위해서는 밸브 트레인의 진동과 기타 진동 유발 시스템 (크랭크 축과 피스톤)이 반드시 노크 신호와 분리되어 있어야 합니다. Signal Processing Library의 IIR 필터 세트를 이런 목적에 사용할 수 있지만, 각 엔진은 각각 다른 주파수 특징을 가지고 있을 수 있습니다. 그래서 FFT를 이용하여 이런 주파수 특징들이 파악하고, 교차 주파수가 IIR 필터 세트에 적용될 수 있습니다. 이 시스템은 LabVIEW로 구현되었고 뛰어난 결과를 제공하였지만, FFT를 해석하기 위해서는 운영자에게 엄청난 양의 기술과 훈련이 필요하였습니다.

 

운영자가 각 엔진에 대한 교차주파수를 판단하는 일은 평균화 FFT를 이용하여 상당히 간단해질 수 있습니다. 엔진이 소리로 들리게 노킹될 때 평균화된 FFT를 비교하여 특징을 신속히 식별할 수 있습니다. 그래서 NI Sound and Vibration Toolkit의 평균화 FFT를 이용하여 이와 같은 측정을 하는 데 사용되었으며 실린더당 400개 이상의 연소 주기를 평균화하였습니다. 이 정보를 통해 운영자는 IIR 필터 세트에 어떤 고유의 주파수가 사용되었는지 정확히 판단할 수 있게 되었습니다. 또한, LabVIEW와 Sound and Vibration Toolkit의 그래픽 기능을 이용하여 필요한 정보를 통신하는 디스플레이를 빠르고 쉽게 개발하였으며, 평균화 FFT 시스템은 운영자에게 필요한 기술 수준을 낮추고 훈련 시간을 단축시켰습니다. 하지만 평균화 FFT는 교차주파수를 판단하는 히스토리에 의존할 수 밖에 없었습니다.

 

궁극적으로 필요한 것은 운영자에게 직관적인 리얼타임 시스템이었습니다. Sound and Vibration Toolset은 FFT 분석에 사용 가능한 디스플레이로 도움을 제공했습니다. 슬라이딩 윈도우 FFT를 이용하여 시간과 관련된 주파수와 진폭을 디스플레이 하였습니다. 다양한 영역의 색상을 이용하여 신호의 강도를 나타냄으로써 직관적인 해석이 가능하였으며, 적절한 예제를 이용하여 운영자가 강한 노크뿐 아니라 초기 노크까지 식별할 수 있도록 빠르게 훈련할 수 있습니다. 3차원 뷰는 밸브 트레인 진동과 노크 신호의 기타 엔진 진동을 쉽게 분리할 수 있습니다. 시스템에서 최고의 기능은 고강도 노크에서 초기 노크를 분간할 수 있다는 것입니다. 그림 4를 참고하십시오. 고강도 노크가 있는 연소 엔진은 크고 밝은 빨간색, 노란색, 하얀색의 “토템 기둥 (totem poles)”이 있음을 확인할 수 있습니다. 초기 노크가 있는 부분은 짙은 파란색 및 보라색 점으로 되어 있습니다.

 

어플리케이션

400 마력의 Porsche Twin Turbo가 모든 배기 장치가 작동되고 93 옥탄 가스가 주입된 상태에서 600+ 마력을 달성할 수 있도록 개조했습니다. 개조된 차량은 10초 만에 quarter mile의 가속 시간, 최고 속도 204 mph를 자랑하며 무게는 3500 파운드에 달했습니다. 사진 5는 출전했던 One Lap of America 경주 때의 모습으로, 이 경주장에는 8개의 도로 경주로와 하나의 드래그 직선 코스가 있습니다. 경주 이벤트 중 Pikes Peak 이벤트를 진행하던 중에 91 옥탄 가스를 사용하면서 엔진이 폭파되었습니다. 91 옥탄 가스를 주입한 게 문제였습니다.

 

엔진 노크 분석기는 엔진의 적나라한 현실을 보여주었습니다. 93 옥탄 가스에서 엔진은 엄청난 양의 노크가 생겼습니다 (아래 스크린샷에서 확인). 공기 유량계가 제대로 교정되지 않았다는 것을 알게 되었고, 엔진이 높은 출력 레벨에서 노킹을 유발하였습니다.

 

 

LabVIEW와 Sound and Vibration Toolkit을 이용하여 리얼타임 노크 분석기를 개발할 수 있었고 놀라운 비주얼의 디스플레이 도움을 통해 노크의 식별을 직관적이고 정확하며 저비용으로 판단할 수 있게 되었습니다.

 

필자 정보:

Alfred Collins
Raeburn Technology
11247 Raeburn Lane
Rixeyville, VA 22737
United States
Tel: 540-937-5881
Fax: 540-937-5881
ALGCollins@aol.com

두 번의 극심한 노크 연소 주기
7번의 연소 주기를 나타내는 슬라이딩 윈도우 FFT (3번의 극심한 노크)