Engine monitoring based on harmonic saliencies
Eteläpää, Jere (2021-02-10)
Eteläpää, Jere
10.02.2021
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202102104379
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202102104379
Tiivistelmä
The fundamental frequency of the powertrain’s rotational velocity (speed) corresponds to one of the peaks in a frequency spectrum. By processing the speed signal data in the frequency domain, the signal can be decomposed into separate relevant components. Harmonic orders of the fundamental frequency correspond to various engine internal events, for example combustion events. The main objectives of this thesis are, to define relevant engine events based on their harmonic saliencies. Create a concept method for performing monitoring and speed estimation on UNIC HW and evaluate the reliability and performance of the method.
First the concept method is designed with the help of Dewesoft and MATLAB softwares, which help in the process of analysing real engine speed signal data. The harmonics are also further investigated, to find if they hold relevant information that can be used in engine monitoring. After the design of the method is complete, it is then implemented on the UNIC module. When the implementation is loaded to the module testing and evaluation can begin, and it was done with a minirig. Minirig consists of a multiple UNIC system modules such as CCM-30 and COM-10.
The concept method appears to be promising in calculating the engine speed. This method could be used on a real engine to provide relatively robust speed estimation and possibly replace the current methods in that area. The largest negative side of the method is the fact that in the relatively low flywheel revolutions per minute, the frequency domain data becomes unclear and difficult to perform any calculations with. Nevertheless, when calculating the speed, harmonics can also be calculated at the same time and from the same frequency domain data. This makes the concept even more appealing, because the harmonics include beneficial information about the engine’s state. The information related to harmonics can mainly be used to monitor if the engine is in normal condition, and no faults are present. Voimansiirron perustaajuus (nopeus) vastaa yhtä piikkiä taajuus spektrissä. Prosessoimalla nopeus signaalin dataa taajus alalla, signaali pystytään jakamaan eri komponentteihin, jotka sisältävät hyödyllistä tietoa. Perustaajuuden ylä-äänet vastaavat moottorissa tapahtuvia tapahtumia, esimerkiksi sytytykseen liittyviä ilmiöitä. Tämän diplomityön pää tarkoitus on määrittää olennaiset moottorin tapahtmuat perustuen niitä vastaaviin ylä-ääniin. Tehdä konsepti menetelmä, jolla voi seurata moottorin tilaa ja sen nopeutta UNIC laitteistolla. Myös menetelmän luotettavuus ja toimintakyky tulee arvoida.
Aluksi konsepti menetelmä suunniteltiin Dewesoft ja MATLAB ohjelmistojen avulla. Nämä ohjelmistot auttoivat moottorin nopeus datan analysoinnissa. Ylä-ääniä tutkittiin, jotta niissä mahdollisesti olevan tiedon voisi hyödyntää moottorin seurannassa. Konsepti menetelmän suunnittelun jälkeen, menetelmää alettiin rakentamaan UNIC moduulille. Kun implementaatio tultua valmiiksi menetelmän testaus ja arviointi voitiin aloittaa. Testauksessa hyödynnettiin minirig laitteistoa, joka koostuu monesta UNIC systeemin moduulista, esimerkiksi CCM-30 ja COM-10 moduuleista.
Konsepti menetelmä vaikuttaa olevan lupaava moottorin nopeuden laskemiseen. Menetelmää voisi hyödyntää oikealla moottorilla, sillä se on suhteellisen vakaa ja toimiva laskiessa nopeutta, ja menetelmä voisi mahdollisesti korvata nykyiset moottorin nopeuden laskemiseen käytetyt menetelmät. Isoin negatiivinen asia menetelmässä on se, että vauhtipyörän kierrosten ollessa todella alhaalla, taajuus-alan datasta tulee epäselvää ja sillä on vaikea tehdä kunnollisia laskelmia. Kuitenkin, kun moottorin nopeutta lasketaan voidaan samalla laskea ylä-äänet, samasta taajuus-alan datasta. Tämä tekee menetelmästä vielä vetoavamman, koska ylä-äänten datassa on hyödyllistä tietoa koskien moottorin tilaa. Ylä-äänten informaatiota voi pääasiassa käyttää hyödyksi, kun halutaan tarkistaa onko moottori normaalissa tilassa ilman vikoja.
First the concept method is designed with the help of Dewesoft and MATLAB softwares, which help in the process of analysing real engine speed signal data. The harmonics are also further investigated, to find if they hold relevant information that can be used in engine monitoring. After the design of the method is complete, it is then implemented on the UNIC module. When the implementation is loaded to the module testing and evaluation can begin, and it was done with a minirig. Minirig consists of a multiple UNIC system modules such as CCM-30 and COM-10.
The concept method appears to be promising in calculating the engine speed. This method could be used on a real engine to provide relatively robust speed estimation and possibly replace the current methods in that area. The largest negative side of the method is the fact that in the relatively low flywheel revolutions per minute, the frequency domain data becomes unclear and difficult to perform any calculations with. Nevertheless, when calculating the speed, harmonics can also be calculated at the same time and from the same frequency domain data. This makes the concept even more appealing, because the harmonics include beneficial information about the engine’s state. The information related to harmonics can mainly be used to monitor if the engine is in normal condition, and no faults are present.
Aluksi konsepti menetelmä suunniteltiin Dewesoft ja MATLAB ohjelmistojen avulla. Nämä ohjelmistot auttoivat moottorin nopeus datan analysoinnissa. Ylä-ääniä tutkittiin, jotta niissä mahdollisesti olevan tiedon voisi hyödyntää moottorin seurannassa. Konsepti menetelmän suunnittelun jälkeen, menetelmää alettiin rakentamaan UNIC moduulille. Kun implementaatio tultua valmiiksi menetelmän testaus ja arviointi voitiin aloittaa. Testauksessa hyödynnettiin minirig laitteistoa, joka koostuu monesta UNIC systeemin moduulista, esimerkiksi CCM-30 ja COM-10 moduuleista.
Konsepti menetelmä vaikuttaa olevan lupaava moottorin nopeuden laskemiseen. Menetelmää voisi hyödyntää oikealla moottorilla, sillä se on suhteellisen vakaa ja toimiva laskiessa nopeutta, ja menetelmä voisi mahdollisesti korvata nykyiset moottorin nopeuden laskemiseen käytetyt menetelmät. Isoin negatiivinen asia menetelmässä on se, että vauhtipyörän kierrosten ollessa todella alhaalla, taajuus-alan datasta tulee epäselvää ja sillä on vaikea tehdä kunnollisia laskelmia. Kuitenkin, kun moottorin nopeutta lasketaan voidaan samalla laskea ylä-äänet, samasta taajuus-alan datasta. Tämä tekee menetelmästä vielä vetoavamman, koska ylä-äänten datassa on hyödyllistä tietoa koskien moottorin tilaa. Ylä-äänten informaatiota voi pääasiassa käyttää hyödyksi, kun halutaan tarkistaa onko moottori normaalissa tilassa ilman vikoja.