An Analysis of Vibration on an Engine Block Caused by Combustion in a Diesel Engine

Abstract

디젤 엔진의 가솔린 엔진 대비 높은 열효율과 토크 특성으로 승용 자동차 시장에서의 수요가 높아지고 있다. 그러나, 높은 압축비와 자발화 특성으로 발생하는 NVH 특성은 디젤 엔진의 단점으로, 이를 극복하고자 디젤 엔진의 제어 기술에 대한 필요도 증가하고 있다. 연소로 인해 발생하는 소음(이하 연소음)는 NVH 특성 중 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 연소음에는 간접적 연소음, 직접적 연소음, 유체의 이동으로 인한 연소음을 포함한다. 간접적 연소음은 피스톤, 크랭크 축 등으로 발생하는 소음을 말하며, 유체의 의한 이동으로 인한 소음은 신기가 유입되었다가 연소된 기체가 나가는 과정에서 발생하는 소음이다. 직접적 연소음은 연소가 일어나는 과정에서 발생하는 소음을 말한다. 직접적 연소음이 연소음 중 가장 큰 원인이며, 연소와 관련성이 가장 높다. 디젤 엔진의 연소음과 관련된 인자는 연소 중 압력 상승, 열발생률, 실린더 내부의 최대 압력 등이 있다. 일반적으로 연소음을 제어하기 위해, 실린더 내부에 압력 센서를 장착하여 실린더 내부의 압력을 직접적으로 측정하는 방식을 이용한다. 그러나, 실린더 내부의 고온과 고압에 노출되는 압력 센서는 낮은 내구성과 높은 가격이 단점으로 뽑힌다. 이를 극복하고자, 저렴하고 내구성이 높은 가속도 센서를 통해 엔진 블록에서의 연소로 인해 발생하는 진동을 측정하고, 진동을 통해 연소 상태를 파악하고 제어하고자 하는 시도가 이뤄지고 있다. 진동을 통해 연소를 제어하기 위해서는 엔진 블록의 진동을 파악하고, 연소와의 연관성을 찾을 수 있어야 한다. 따라서, 엔진 블록에서의 가속도 센서를 이용한 연소상 제어를 위하여, 본 연구에서는 엔진 블록에서의 진동을 분석하고, 연소와의 상관관계를 찾고자 하였다. 그 결과, 모터링 상태에서 두 가지의 특징적인 진동이 나타났다. 2.5~8 kHz 대역대에서 aTDC 0-10˚ CA 위치의 진동은 크랭크 축의 회전으로 인한 진동으로 추정되었다. 1-3k Hz 범위에서 aTDC 20-30˚ CA 위치의 진동은 피스톤의 슬랩 모션으로 인한 진동으로 추정되었다. 직접적인 연소로 인한 진동은 0.1-8 kHz 의 범위, 연소 직후의 위치에서 발생하였다. 인젝터의 진동이 3-8 kHz 로 발생하여 직접적인 연소의 진동을 측정하는 것을 방해하여, 0.1-2 kHz 진동을 이용하여, 진동과 연소와의 상관관계를 분석하였다. 엔진 블록의 진동을 CWT 과정을 거친 값을 통해 RoHR peak 의 크기를 예측할 수 있었으며, 정상 및 과도상태에서 모두 예측이 가능하였다. RoHR peak 와 연소음은 비례관계에 있으며, RoHR peak를 예측하고, 그 크기 값을 pilot 량과 MIT 의 위치 변화를 통해 조절할 수 있음을 보였다.