4.1.1 실험 장치 및 방법
대상기관의 운전중 동적 TDC의 찾기 위해서 NO.1 실린더를 기준으로 각도센서 (Encorder)를 설치하였다. NO.1 실린더는 대상엔진에서 각도센서와 가장 근접하게 위 치하고 있고, 엔코더의 Z 펄스의 기준이 되어 운전 중 축의 변형등의 영향을 최소로 받기 때문이다. 실험장치의 개략도는 Fig. 4.1과 같다.
Fig. 4.1 Schematic diagram of expirmental appratus
Item Specification
Type D23SR15
Source Power DC 24V
Pulse/Rev. 360
Output A, B, Z
Tolerance 0
실험 대상 엔진은 압축 사이클 시뮬레이션과 동일한 엔진으로 실험을 하였고 Table 3.1와 같다. 그리고 실험에 사용된 엔코더의 사양은 Table 4.1와 같다
Table 4.1 Specification of test encoder
각도 센서의 경우 크랭크 샤프트의 선수부 끝단에 설치되어 있는 M/E EMS용 각도센 서의 신호를 이용하였고, 압전 센서의 경우는 실린더 인디케이터에 설치하여 압력을 측정하였다.
압전 센서에서 나온 실린더 내부의 압력 데이터는 증폭기를 통해 A/D 변환기로 전송 되었고, A/D 변환기에서 압전 센서에서 나온 압력 데이터 및 각도센서에서 나온 크랭 크 앵글별 데이터를 취합한 후에 디지털 신호로 변환하여 연결되어 있는 컴퓨터에 저 장하는 방식으로 실험을 하였다.
각도 센서는 NO.1 실린더 크랭크 샤프트 끝단에 위치하고 있고, NO.1 실린더의 기하 학적 TDC 위치에 1회전에 1회 펄스를 발생하는 각도센서의 Z 펄스를 확인하였다. Fig.
4.2는 플라이휠에 표시되어 있는 NO.1 실린더의 기하학적 TDC(정적TDC) 위치 사진을 나타내고 있고, Fig. 4.3은 플라이휠이 NO.1 실린더의 기하학적 TDC일 때에 오실로스 코프의 화면으로 동시 신호로 Z 펄스가 나타나고 있음을 보여주고 있다.
Fig.4.2 Checked TDC position of NO.1 cylinder on flywheel
Fig.4.3 Output of Z-puls of encorder at TDC position for NO.1 cylinder
또한 해당 각도센서의 A 펄스는 1회전에 360 펄스를 발생하는 센서이다. 각도센서의 A 펄스의 신호를 이용할 때에는 상승에지 혹은 하강에지를 사용하는 것이 일반적이나, 본 실험에서는 TDC 위치 측정의 정확성을 높이기 위하여 Fig. 4.4와 같이 A 펄스의 상 승에지와 하강에지를 모두 이용하여 크랭크 앵글 각도 0.5도로 샘플링 하였다.
Fig.4.4 Utilization of encorder's A pulse
각도센서의 A 펄지를 상승에지 및 하강에지를 모두 이용하게 됨으로 인하여 크랭크 앵글 각도 0.5도 샘플링 방법의 정확성 확인이 필요하였다. Fig. 4.5는 그 정확성을 확인한 그림이다. 정확성 확인을 위하여 1개 펄스당 200의 속도로 카운트를 하여 크 랭크 앵글 각도 0.5도 샘플링 방법과 비교하여 확인하였다. X축의 경우는 사이클 샘플 링 갯수로 정리 하였으며, Y축의 경우는 200로 카운트된 횟수를 정리 하였다. 그리 하여 크랭크 앵글 각도 0.5도 및 크랭크 앵글 각도 1도 샘플링에서 10개 사이클의 데 이터를 발취한 후에 그 평균값을 구하고 그 평균값과의 차이를 비교하였다.
크랭크 앵글 각도 1도 샘플링 방법은 ±0.2% 오차가 있고 크랭크 앵글 각도 0.5도 샘 플링 방법은 ±1% 정도의 오차가 확인 되었다. 따라서 크랭크 앵글 각도 0.5도 샘플링
방법을 이용하는 것이 TDC 위치를 정확하게 결정하는데 유리하다고 판단하였다.
Fig.4.5 Comparison of error between two sampling method
4.1.2 실험 계측에 의한 손실각
실험으로 계측된 압력 데이터로 손실각을 찾기 위하여 Stirling의 보간공식을 이용하 였다. Stirling의 보간공식으로 압력 변동율을 구한후 그 값을 나타낸 것은 Fig. 4.6 와 같다. 10개의 데이터를 무작위로 선택하여 분석하였으며, X축의 경우는 크랭크 앵 글 각도로 정리 하였고, Y축의 경우는 압력 변동률 값으로 정리하였다.
Fig. 4.6 graph with 10 times data
Fig. 4.7와 Fig. 4.8에는 측정된 압력 데이터를 스무싱 처리하여 TDC 부분을 확대하 여 나타낸 결과이다. 실험은 크랭크 앵글 각도 0.5도 간격의 트리거 신호를 이용하여 압력 변동율을 구한 것이다
Fig. 4.7에는 3점 스무싱을 2회한 결과이고, 그 값은 크랭크 앵글 각도 0.35도 이내 에서 동적 TDC가 일치함을 보여주고 있고, Fig. 4.8는 3점 스무싱을 10회한 결과이고 그 값은 크랭크 앵글 각도 0.15도 이내에서 만족하고 있다. 그리고 스무싱 3회와 10회 한 값의 평균값은 크랭크 앵글 각도 0.05도 정도의 차이가 있다. 그러므로 여러 문헌 에서 권고한 TDC 오차 크랭크 앵글 각도 0.1도 이내에 있고 스무싱을 하면 할수록 노 이즈 및 순간 속도 변동에 의한 변형이 없어져 평균값에 접근하고 있다. 하지만 스무 싱을 15회 이상을 하게 되면 데이터의 변형이 생기므로 데이터 처리는 3점 스무싱 10 회한 결과를 이용하였다.
Fig. 4.7 3 point smoothing (twice)
Fig. 4.8 3 point smoothing (ten times)
데이터 처리후 회전속도별 동적 TDC 실험 결과는 Table 4.2와 같다. 실험결과 동적 TDC의 위치는 회전속도가 증가함에 따라 감소하고 있다. 즉 회전속도가 증가할수록 손 실각은 감소하고, 출력 측정시에 동적 TDC를 결정하여 출력을 산출할 경우에는 회전속 도가 증가함에 따라서 출력 측정에서의 오차는 작아진다고 판단할 수 있다.
RPM Loss of Angle
120 rpm 0.373 CA
130 rpm 0.349 CA
150 rpm 0.253 CA
160 rpm 0.221 CA
167 rpm 0.203 CA
Table 4.2 Loss of angle with test engine