KR100286888B1 - 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법 - Google Patents

차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어에 관한 것으로, 특히 노크 센서에서 측정한 노크 신호를 이용하여 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨 측정한 후, 기준 노크 에너지 레벨과 비교한 결과에 따라 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시킬 수 있도록 한 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래에는 노크 센서에 의해 측정된 노크 신호를 기설정된 노크 조건과 비교하여 노크 발생시 대기 상태의 변화에 대한 최악 조건을 감안하여 일률적으로 점화 진각량을 지각시키는 점화시기 제어기능만 수행함으로 엔진의 출력을 저하시키는 단점이 있었다.
본 발명은 차량의 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정하고, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨과 비교한 결과에 따라 노크 여부를 판별할 수 있도록 함으로써, 해당 엔진회전속도와 부하에 따라 차량 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시킬 수 있게 되어 반복적으로 노크가 발생하는 것을 방지할 수 있게 됨과 동시에 엔진의 출력을 최적화시킬 수 있게 된다.

Description

차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법
본 발명은 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어에 관한 것으로, 특히 노크 센서에서 측정한 노크 신호를 이용하여 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨 측정한 후, 기준 노크 에너지 레벨과 비교한 결과에 따라 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시킬 수 있도록 한 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 엔진에 있어서 연료와 공기가 혼합되어 있는 혼합 가스는 외부의 불꽃에 의해 기화기에서 점화되며, 해당 외부의 불꽃으로는 점화 장치에서 발생되는 전기 스파크가 사용되어진다.
그리고, 해당 점화 장치는 엔진의 어떠한 운전 조건 하에서도 미리 설정되어 있는 점화시기(Spark Timing)에 따라 해당 혼합 가스를 순간적으로 점화시킬 수 있는 점화 에너지(Spark Energy)를 발생시켜 준다. 즉, 해당 점화 장치는 엔진의 회전속도와 부하의 변동에 따라 점화시기를 제어하는 기능을 갖추고 있어야 한다.
한편, 해당 점화 장치에서 엔진의 상태나 운전 조건에 따라 가변시켜 주는 점화시기는 유해 배출물, 연료 소비율 및 노크 경향과 밀접한 관계를 가지고 있는데, 이 중에 가장 중요한 상관 관계는 엔진의 노크 경향으로써, 해당 점화시기가 너무 빠른 경우에 점화 압력파(Ignition Pressure Wave)로 인하여 해당 혼합 가스는 정상 화염면에 도달되기 전에 점화되므로 연소가 비정상적으로 진행되면서 최대 압력이 상승하고 동시에 격렬한 압력 변동을 수반하게 된다.
이와 같이, 격렬한 압력 변동에 의해 피스톤이 실린더벽을 타격할 때 발생되는 금속성 타격음을 노크(knock)라 하는데, 해당 차량의 엔진 회전속도가 낮은 경우에는 선명하게 들리지만 해당 엔진회전속도가 상승하면 해당 노크가 희미해진다. 하지만, 이 같은 정도의 노크에도 엔진에 손상을 줄 수 있으므로, 연료와 점화시기를 적절히 조화시켜 해당 노크가 발생되지 않도록 해야 한다.
그래서, 해당 점화시기를 조절하기 위한 제어 장치로서는 원심식과 진공식 진각 장치가 있는데, 해당 원심식은 엔진의 회전 속도에 따라 점화시기를 제어하며, 해당 진공식은 주로 엔진의 부하 변동에 따라 점화시기를 제어한다. 그리고, 현재 사용되고 있는 전자식 점화 장치에서는 엔진의 회전 속도와 부하 외에도 엔진의 온도 및 혼합비 등도 점화시기에 영향을 끼친다. 이러한 점화시기 제어 변수들은 기계적 또는 전기적으로 연결되어 점화시기를 결정하게 된다.
해당 점화시기를 결정하기 위해서는 크랭크축의 회전각에 대한 정보가 필요하게 되는데, 해당 정보는 기계식 배전기를 사용할 경우에 적절한 매커니즘에 의해 배전기 구동축에 직접 전달되고 전자식의 경우에 크랭크축이나 캠축의 회전각에 대한 정보를 전기적 신호의 형태로 전자제어장치에 전달하여 해당 전자제어장치에서 점화시기를 연산하게 된다. 즉, 해당 진공식과 원심식 진각 장치는 서로 기계적으로 연결되어 두 개의 점화 진각량이 합산되어 점화시기를 변화시킨다.
그런데, 해당 노크는 계절에 따른 대기 상태(습도, 온도, 대기압 등)의 변화에 대한 영향을 많이 받으므로, 먼저 해당 노크가 발생하는 점화 진각량을 전자제어장치에서 계산한 후에 해당 대기 상태의 변화를 보상하여 해당 점화 진각량을 지각(Retard)시켜 전자제어장치의 측정 테이블(Calibration Table)에 입력하게 되지만, 종래에는 대기 상태의 변화에 대한 보상 여유값을 일률적으로 지각시키는데, 해당 지각량이 적어 점화 진각량이 크면 노크가 심하게 발생하여 엔진에 큰 손상을 주게 된다.
그래서, 보통은 최악의 대기 상태의 변화에 대해서 보상해 주고 해당 점화 진각량을 지각시키므로서 엔진의 출력을 저하시키게 된다.
전술한 바와 같이, 종래에는 노크 센서에 의해 측정된 노크 신호를 기설정된 노크 조건과 비교하여 노크 발생시 대기 상태의 변화에 대한 최악 조건을 감안하여 일률적으로 점화 진각량을 지각시키는 점화시기 제어기능만 수행함으로 엔진의 출력을 저하시키는 단점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 차량의 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정하고, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨과 비교한 결과에 따라 노크 여부를 판별할 수 있도록 함으로써, 해당 엔진회전속도와 부하에 따라 차량 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시켜 반복적으로 노크가 발생하는 것을 방지함과 동시에 엔진의 출력을 최적화시키는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 실린더에서 발생되는 노크를 검출하는 노크 센서와, 증폭기와, 대역 여파기와, 정류기와, 적분기 및 아날로그 디지털 변환부를 구비하는 차량의 점화시기 제어 장치에 있어서, 상사점을 기준으로 엔진회전속도에 따라 노크 윈도우의 시작값과 지속값을 설정하여 상기 적분기를 제어하는 노크 윈도우 설정부와; 엔진회전속도와 부하별로 발생하는 노크 주파수를 검출하기 위한 노크 윈도우 필터링 주파수 대역을 설정하여 상기 대역 여파기를 제어하는 노크 주파수 설정부와; 정상적인 엔진 노이즈를 엔진회전속도와 부하별로 일정하게 검출하기 위한 증폭도를 설정하여 상기 증폭기를 제어하는 이득 제어부와; 정상적인 엔진 노이즈 신호와 측정한 디지털 노크 신호를 인가받아 노크 에너지 레벨을 측정한 후, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨을 비교하여 노크 여부를 판별하고, 판별한 결과에 따라 기준 노크 에너지 레벨을 갱신함과 동시에 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시키는 기능을 수행하는 노크 판별부와; 노크가 발생하지 않는 경우의 정상적인 엔진 노이즈를 설정하여 상기 이득 제어부와 노크 판별부로 인가하는 엔진 노이즈 설정부를 더 포함하는데 있다.
본 발명의 다른 특징은, 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 방법에 있어서, 실린더 내에서의 연소 폭발력에 의한 압력변동에 따라 발생되는 노크 신호를 검출하는 제 1과정과; 검출한 노크 신호를 상기 차량의 엔진회전속도와 부하에 따라 아날로그 신호 처리한 후, 디지털 형태의 노크 신호로 변환하는 제 2과정과; 해당 노크 신호와 정상적인 엔진 노이즈 신호를 이용하여 상기 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정하는 제 3과정과; 측정한 노크 에너지 레벨과 기설정된 기준 노크 에너지 레벨을 비교하여 허용된 노크 오차범위 이내인가를 확인하는 제 4과정과; 허용된 노크 오차범위 이내인 경우 상기 제 1과정으로 귀환하여 반복 동작을 수행하는 제 5과정과; 상기 제 4과정에서 허용된 노크 오차범위 이내가 아닌 경우 상기 측정한 노크 에너지 레벨을 새로운 기준 노크 에너지 레벨로 갱신한 후, 갱신한 노크 에너지 레벨을 이용하여 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시키는 제 6과정을 포함하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치의 구성 블록도.
도 2는 도 1에 있어, 노크 윈도우 설정부의 노크 윈도우 설정 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 1에 있어, 노크 주파수 설정부의 윈도우 주파수 대역 설정 상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 방법을 구현하기 위한 동작 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 노크 센서 12 : 증폭기
13 : 대역 여파기 14 : 정류기
15 : 적분기 16 : 노크 윈도우 설정부
17 : 노크 주파수 설정부 18 : 이득 제어부
19 : 엔진 노이즈 설정부 20 : 아날로그/디지털 변환부
21 : 노크 판별부 ASP : 아날로그 신호 처리부
DSP : 디지털 신호 처리부
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치는 첨부한 도면 도 1에 도시한 바와 같이, 노크 센서(11)와, 아날로그 신호 처리부(ASP ; Analog Signal Processing) 및 디지털 신호 처리부(DSP ; Digital Signal Processing)를 구비하여 이루어지는데, 해당 아날로그 신호 처리부(ASP)는 증폭기(12)와, 대역 여파기(13)와, 정류기(14) 및 적분기(15)를 포함하며, 해당 디지털 신호 처리부(DSP)는 노크 윈도우 설정부(16)와, 노크 주파수 설정부(17)와, 이득 제어부(18)와, 엔진 노이즈 설정부(19)와, 아날로그/디지털 변환부(20) 및 노크 판별부(22)를 포함하여 이루어진다.
해당 노크 센서(11)는 실린더와 실린더 사이의 외벽에 설치되어, 해당 실린더 내에서의 연소 폭발력에 의한 압력변동에 따라 발생되는 노크 신호를 증폭기(12)로 인가하며, 해당 증폭기(12)는 노크 센서(11)로부터 인가되는 노크 신호를 이득 제어부(18)의 제어에 따라 소정레벨로 증폭시켜 대역 여파기(13)로 인가한다.
해당 대역 여파기(13)는 증폭기(12)에 의해 증폭되어 인가되는 노크 신호를 노크 주파수 설정부(17)의 제어에 따라 필터링하여 소정대역의 주파수만을 통과시켜 정류기(14)로 인가하며, 해당 정류기(14)는 대역 여파기(13)에 의해 필터링된 노크 신호를 정류(Rectify)하여 적분기(15)로 인가한다.
해당 적분기(15)는 정류기(15)에 의해 정류되어 인가되는 노크 신호를 노크 윈도우 설정부(16)의 제어에 따라 적분 처리하여 디지털 신호 처리부(DSP)의 아날로그/디지털 변환부(20)로 인가하며, 해당 노크 윈도우 설정부(16)는 첨부한 도면 도 2와 같이, 상사점(TDC ; Top Dead Center)을 기준으로 엔진회전속도에 따라 노크가 발생하는 영역의 크기 즉, 노크 윈도우(Knock Window)의 시작값(WB ; Window Beginning)과 지속값(WD ; Window Duration)을 설정하여 적분기(15)를 제어한다.
해당 노크 주파수 설정부(17)는 첨부한 도면 도 3과 같이, 엔진회전속도와 부하별로 발생하는 노크 주파수를 검출하기 위한 노크 윈도우 필터링 주파수 대역(WFB ; Window Frequency Band)을 설정하여 대역 여파기(13)를 제어하며, 해당 이득 제어부(18)는 노크 발생시의 노크 신호와 비교할 노크가 발생하지 않는 경우의 정상적인 엔진 노이즈를 엔진회전속도와 부하별로 일정하게 검출하기 위한 증폭도를 설정하여 증폭기(12)를 제어한다.
해당 엔진 노이즈 설정부(19)는 노크가 발생하지 않는 경우의 정상적인 엔진 노이즈를 설정하여 이득 제어부(18)와 노크 판별부(21)로 인가하며, 해당 아날로그/디지털 변환부(20)는 적분기(15)에 의해 적분 처리된 아날로그 노크 신호를 디지털 노크 신호로 변환하여 노크 판별부(21)로 인가한다.
해당 노크 판별부(21)는 엔진 노이즈 설정부(19)로부터 인가되는 정상적인 엔진 노이즈 신호와 아날로그/디지털 변환부(20)로부터 인가되는 측정한 디지털 노크 신호를 이용하여 노크 에너지 레벨을 측정한 후, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨을 비교하여 노크 여부를 판별하고, 판별한 결과에 따라 기준 노크 에너지 레벨을 갱신함과 동시에 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시키는 기능을 수행한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 동작을 첨부한 도면 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 해당 차량 엔진의 실린더와 실린더 사이의 외벽에 설치되어 해당 실린더 내에서의 연소 폭발력에 의한 압력변동에 따라 발생되는 노크 신호를 노크 센서(11)에서 검출한 후(스텝 S41), 검출한 노크 신호를 전자제어장치 내의 아날로그 신호 처리부(ASP)를 통해 디지털 신호 처리부(DSP)로 인가하는데, 이를 상세히 설명하면, 해당 노크 센서(11)에서 검출한 노크 신호를 증폭기(12)로 인가하면, 해당 증폭기(12)는 해당 노크 센서(11)로부터 인가되는 노크 신호를 엔진회전속도와 부하별로 일정하게 검출하기 위해 이득 제어부(18)의 증폭도 제어에 따라 소정레벨로 증폭시킨 후, 증폭시킨 노크 신호를 대역 여파기(13)로 인가하게 된다.
이에, 해당 대역 여파기(13)에서 각 엔진회전속도와 부하별로 노크 주파수가 변하므로 엔진의 노크 주파수만을 통과시키되, 증폭되어 인가되는 노크 신호를 엔진회전속도와 부하별로 대응하는 노크 주파수를 검출하기 위해 노크 주파수 설정부(17)의 필터링 주파수 대역 제어에 따라 필터링하여 소정대역의 노크 주파수만을 정류기(14)로 인가하게 되고, 해당 정류기(14)는 필터링된 소정 주파수 대역의 노크 신호에 포함된 노이즈를 없애기 위해 해당 노크 신호를 정류한 후, 정류한 노크 신호를 적분기(15)로 인가하게 된다.
그러면, 해당 적분기(15)는 엔진회전속도에 따라 노크 윈도우의 크기가 다르므로, 모든 영역에서 같은 크기로 비교할 수 있는 노크 신호를 얻기 위해 적분 처리하되, 정류된 노크 신호를 노크 윈도우 설정부(16)에 의해 상사점을 기준으로 엔진회전속도에 따라 설정된 노크 윈도우 크기로 적분 처리한 후, 적분 처리한 아날로그 형태의 노크 신호를 디지털 신호 처리부(DSP)의 아날로그/디지털 변환부(20)로 인가하게 된다.
이러한 과정을 통해 인가된 해당 노크 센서(11)에 의해 측정된 아날로그 형태의 노크 신호는 해당 아날로그/디지털 변환부(20)에 의해 디지털 형태의 노크 신호로 변환되어 노크 판별부(21)에 인가되는데, 이때, 해당 엔진 노이즈 설정부(19)는 현재의 엔진회전속도와 부하에 대응하여 노크가 발생하지 않는 경우의 정상적인 엔진 노이즈를 설정하여 해당 노크 판별부(21)로 인가하므로, 해당 노크 판별부(21)는 아날로그/디지털 변환부(20)로부터 인가되는 노크 신호와 엔진 노이즈 설정부(19)로부터 인가되는 엔진 노이즈를 이용하여 현재 차량의 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정한 후(스텝 S42), 측정한 노크 에너지 레벨과 기설정된 기준 노크 에너지 레벨을 비교한다(스텝 S43).
이때, 해당 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨을 비교한 결과 해당 노크 에너지 레벨 차이값이 허용된 노크 오차범위 이내인가를 확인하여(스텝 S44), 해당 허용된 노크 오차범위 이내인 경우 스텝 S41로 귀환하여 반복 동작을 수행함으로써, 해당 기준 노크 에너지 레벨을 이용하여 엔진의 점화시기를 제어하게 된다.
그런데, 스텝 S44에서 만약, 해당 허용된 노크 오차범위 이내가 아닌 경우 해당 노크 판별부(21)는 기준 노크 에너지 레벨을 삭제하고, 측정한 노크 에너지 레벨을 새로운 기준 노크 에너지 레벨로 갱신한 후(스텝 S45), 갱신한 노크 에너지 레벨을 이용하여 엔진의 점화시기를 진각(Advance) 또는 지각(Retard)시킴으로써(스텝 S46), 해당 차량의 연료 특성 및 대기 상태에 영향을 받는 엔진회전속도와 부하에 따라 대응하는 점화시기 제어가 가능하게 되어 반복적으로 노크가 발생하는 것을 방지할 수 있게 됨과 동시에 엔진의 출력을 최적화시킬 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 차량의 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정하고, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨과 비교한 결과에 따라 노크 여부를 판별할 수 있도록 함으로써, 해당 엔진회전속도와 부하에 따라 차량 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시킬 수 있게 되어 반복적으로 노크가 발생하는 것을 방지할 수 있게 됨과 동시에 엔진의 출력을 최적화시킬 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 실린더에서 발생되는 노크를 검출하는 노크 센서와, 증폭기와, 대역 여파기와, 정류기와, 적분기 및 아날로그 디지털 변환부를 구비하는 차량의 점화시기 제어 장치에 있어서,
    상사점을 기준으로 엔진회전속도에 따라 노크 윈도우의 시작값과 지속값을 설정하여 상기 적분기를 제어하는 노크 윈도우 설정부와; 엔진회전속도와 부하별로 발생하는 노크 주파수를 검출하기 위한 노크 윈도우 필터링 주파수 대역을 설정하여 상기 대역 여파기를 제어하는 노크 주파수 설정부와; 정상적인 엔진 노이즈를 엔진회전속도와 부하별로 일정하게 검출하기 위한 증폭도를 설정하여 상기 증폭기를 제어하는 이득 제어부와; 정상적인 엔진 노이즈 신호와 측정한 디지털 노크 신호를 인가받아 노크 에너지 레벨을 측정한 후, 측정한 노크 에너지 레벨과 기준 노크 에너지 레벨을 비교하여 노크 여부를 판별하고, 판별한 결과에 따라 기준 노크 에너지 레벨을 갱신함과 동시에 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시키는 기능을 수행하는 노크 판별부와; 노크가 발생하지 않는 경우의 정상적인 엔진 노이즈를 설정하여 상기 이득 제어부와 노크 판별부로 인가하는 엔진 노이즈 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치.
  2. 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 방법에 있어서,
    실린더 내에서의 연소 폭발력에 의한 압력변동에 따라 발생되는 노크 신호를 검출하는 제 1과정과; 검출한 노크 신호를 상기 차량의 엔진회전속도와 부하에 따라 아날로그 신호 처리한 후, 디지털 형태의 노크 신호로 변환하는 제 2과정과; 해당 노크 신호와 정상적인 엔진 노이즈 신호를 이용하여 상기 엔진회전속도와 부하에 대응하는 노크 에너지 레벨을 측정하는 제 3과정과; 측정한 노크 에너지 레벨과 기설정된 기준 노크 에너지 레벨을 비교하여 허용된 노크 오차범위 이내인가를 확인하는 제 4과정과; 허용된 노크 오차범위 이내인 경우 상기 제 1과정으로 귀환하여 반복 동작을 수행하는 제 5과정과; 상기 제 4과정에서 허용된 노크 오차범위 이내가 아닌 경우 상기 측정한 노크 에너지 레벨을 새로운 기준 노크 에너지 레벨로 갱신한 후, 갱신한 노크 에너지 레벨을 이용하여 엔진의 점화시기를 진각 또는 지각시키는 제 6과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 방법.
KR1019980058444A 1998-12-24 1998-12-24 차량에서 노크 센서를 이용한 점화시기 제어 장치 및 방법 KR100286888B1 (ko)

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