KR100305784B1 - 자동차의 이상 실린더 판별 방법 - Google Patents

자동차의 이상 실린더 판별 방법 Download PDF

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Abstract

MPI 엔진에서 각 실린더의 이상(fail) 상태를 광역산소 센서를 이용한 간단한 방법에 의해 판별하기 위하여, 자동차의 엔진이 정상 상태인 경우, 각 크랭크 각도에서 배기가스 중의 산소 농도를 검출하는 광역산소 센서 출력값을 측정하여 엔진의 일정 싸이클 동안 앙상불 평균값을 계산한 후, 계산된 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출한다. 그리고, 극대값과 극소값의 차이가 실린더 이상 판별을 위해 설정된 기준값보다 커지게 되면 실린더 이상으로 판단하고, 극대값 또는 극소값이 나타나는 크랭크 각도를 기준으로 이상 실린더를 판별한 후, 판별된 실린더의 연료분사량을 증감한 후, 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되었는지에 따라 실린더 이상 상태를 판단함으로써, 산소 센서 피이드 백 제어에 의한 공연비 제어를 통해 이상 발생 실린더의 공연비를 제어할 수 있으므로 차량의 유해 배기가스를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 실린더 연소 오동작을 미연에 방지할 수 있어 차량의 운행성을 향상시킬 수 있다.

Description

자동차의 이상 실린더 판별 방법{METHOD FOR JUDGING FAIL CYLINDER OF VEHICLES}
본 발명은 자동차의 이상 실린더 판별 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 배기가스 중의 산소 농도를 검출하는 산소 센서를 이용하여 자동차의 이상 실린더를 판별하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 MPI(multi point injection) 자동차에서 연료량 제어는 실린더내 흡입 공기량을 기본으로 결정되며, 이론 공연비로의 정확한 제어 수행을 위해 산소 센서 피드백 제어가 수행된다. 그러나, 산소 센서의 출력은 실린더 전체간의 혼합된 값을 측정하므로 실린더간의 구별이 없어, 실린더별 흡입 공기량의 차이와 가공상의 오차 인젝터의 마모 등에 의한 실린더별 차이를 보상할 수 없다.
그리고, 엔진이 노후화됨에 따라 실린더별 차이는 크게 발생하며, 심한 경우 실화가 발생하기도 한다. 현재는 OBD-II 규정에 의해 실화 발생의 경우에만 실린더를 구별하고 있으며, 실화 실린더 구별의 경우 크랭크 각 가속도 변동 같은 신호를 이용하고 있는 데, 실화시에는 큰 폭의 변화가 있어 구별을 할 수 있으나 혼합기의 리치(rich) 혹은 린(lean) 상태와 같은 경우에는 이를 구별할 수 없다.
종래 실린더별 공연비 제어 수행을 위해 일본국 혼다(HONDA)의 경우에는 광역산소 센서를 이용하고 있으며, 그 이외에는 점화 플러그내의 이온량 측정이나 압력 센서로부터의 공연비 측정 같은 방법으로 각 실린더내에 센서를 설치하는 방법 등이 이용되고 있다.
혼다에서는 실린더별 공연비 제어를 위하여 옵저버(observer) 이론과 광역산소 센서를 이용하여 배기가스 중의 탄화수소 가스를 5% 감소시켰다. 그러나, 옵저버 이론의 특성상 많은 계산량을 요구하며, 엔진 전자제어장치의 많은 제원을 사용하게 되며, 배기 시스템에 대한 상수값의 결정이 중요하기 때문에 배기 시스템의 변경시 많은 상수값 변경이 요구 되어진다. 또, 배기 시스템에서 4실린더의 동일 특성이 요구되어질 뿐만 아니라 제어 수행이 완료되기전에는 문제의 실린더만의 구별이 힘들다는 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 MPI(multi point injection) 엔진에서 각 실린더의 이상(fail) 상태를 광역산소 센서를 이용한 간단한 방법에 의해 판별할 수 있도록 하는 데 있다.
도 1은 자동차의 각 실린더별 공연비 변화에 따른 광역산소 센서의 출력값을 도시한 파형도이고,
도 2a와 도 2b는 자동차의 1개의 실린더에서 공연비가 변화되었을 경우의 광역산소 센서의 출력값을 도시한 파형도로, 도 2a는 10% 리치한 경우, 도 2b는 10% 린한 경우를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 자동차의 이상 실린더 판별을 위한 장치를 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 자동차의 이상 실린더 판별 방법을 개략적으로 도시한 동작 순서도이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자동차의 엔진이 정상 상태인 경우, 각 크랭크 각도에서 배기가스 중의 산소 농도를 검출하는 광역산소 센서 출력값을 측정하여 엔진의 일정 싸이클 동안 앙상불 평균값을 계산하는 단계와, 상기 계산된 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하는 단계와, 상기 극대값과 극소값의 차이가 실린더 이상 판별을 위해 설정된 기준값보다 커지게 되면 실린더 이상으로 판단하고, 상기 극대값 또는 극소값이 나타나는 크랭크 각도에서 실린더 위치를 판별하는 단계와, 상기 판별된 실린더 위치에서의 연료분사량을 증감한 후, 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되었는지에 따라 실린더 이상 상태를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명에 따라 광역산소 센서의 출력으로부터 리치 혹은 린하게 작동되는 실린더를 구별하는 원리를 설명한다.
배기 매니폴드 통합지점에 설치된 광역산소 센서는 배기가스가 전달되는 시간 차이에 따라 각 실린더의 공연비 차이가 나타난다. 그러나 배가가스의 혼합과광역산소 센서의 반응 시간 지연 등으로 인하여 각 실린더별 공연비에 따른 출력이 나타나지 못하고 도 1의 1(모든 실린더 공연비 A/F=1)에서와 같이 실린더 전체의 공연비 차이에 따른 출력이 나타난다. 이 중 한 실린더의 공연비의 값이 다른 실린더에 비해 크게 벗어날 경우, 산소 센서의 출력은 도 1의 2(하나의 실린더 공연비 A/F=0.9, 다른 실린더 공연비 A/F=1)에서와 같이 엔진의 한 싸이클(cycle)에 동기하여 극대값과 극소값을 가지는 싸인파(sin)와 같은 형태로 나타난다. 이 출력중 극대값과 극소값의 위치는 엔진 속도 및 부하에 따라 일정한 경향을 가지면서 실린더마다 다른 위치에서 나타난다. 즉, 도 2a 또는 도 2b에서와 같이 각 실린더의 공연비를 하나씩 바꾸어(1-3-4-2번 순) 가면서 광역산소 센서의 출력값을 측정하면, 각 실린더별로 위상이 180°씩 차이가 나는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 선행 시험으로 각 실린더별 공연비를 크게 벗어나게 한 상태에서 극대값과 극소값의 위치에 대한 기본 맵을 작성한 후, 엔진 운전 상태에서 극대값과 극소값을 측정하여 맵값의 위치와 비교함으로써 공연비가 크게 벗어나는 실린더를 구별할 수 있게 된다. 그러나, 도 2a와 도 2b를 비교하여 볼때, 신호의 위상이 한 실린더가 리치한 경우(도 2a)와 린한 경우(도 2b)에 360° 차이가 발생하게 되므로, 하나의 실린더 이상이 판별될 때, 이 실린더가 이상인지, 360°위상을 가진 다른 실린더의 이상인지를 정확히 판별할 수 없다. 따라서, 리치한 경우에는 극소값에, 린한 경우에는 극대값에 실린더 공연비의 정보를 담고 있게 되므로, 이상 실린더의 판단 이후 연료량을 변화시키면서 에러의 증가, 감소를 파악하여 이상 실린더가 리치인지 린인지를 판단하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 자동차의 이상 실린더 판별을 위한 장치를 개략적으로 도시한 구성도로, 공기량 센서(10)와 크랭크 각 센서(20), 광역산소 센서(30), 엔진 전자제어장치(40), 연료분사장치(50)로 이루어진다.
공기량 센서(10)는 자동차의 운행중 실린더 내로 흡입되는 공기량을 검출한다.
크랭크 각 센서(20)는 자동차의 운행중 크랭크 각도를 검출한다.
광역산소 센서(30)는 자동차의 배기 매니폴드 측에 장착되어, 배기가스중의 산소 농도에 따른 전기적인 신호를 출력한다.
엔진 전자제어장치(40)는 크랭크 각 센서(20)로부터 계산된 엔진회전수 및 공기량 센서(10)로부터 검출된 흡입 공기량이 정상 상태를 유지하는 동안, 크랭크 각 센서(20)로부터 검출된 크랭크 각도에 따라 광역산소 센서(30)의 신호를 분석하여 이상 실린더를 판별한다.
연료분사장치(50)는 엔진 전자제어장치(40)로부터의 제어신호에 따라 동작하여 엔진에 연료를 공급한다.
이와 같이 구성된 장치를 통해 본 발명에 따른 자동차의 이상 실린더 판별 방법을 도 4a와 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.
자동차의 운행중 공기량 센서(10)와 크랭크 각 센서(20), 광역산소 센서(30) 등을 통해 차량의 엔진 흡입 공기량, 엔진회전속도, 크랭크 각도, 배기가스 중의산소 농도 등의 각종 운행정보를 검출하면(S1), 엔진 전자제어장치(40)는 크랭크 각 센서(20)로부터 검출되는 각 크랭크 각도에서 배기가스 중의 산소 농도에 따른 전기적인 신호를 출력하는 광역산소 센서(30)의 출력값을 측정한 후, 엔진의 일정 싸이클 동안, 예로서 엔진 5싸이클 동안의 앙상불 평균값을 계산한다. 그리고, 계산된 앙상불 평균값에서 극소값과 극대값을 검출한 후, 극소값에서의 크랭크 각도를 검출한다(S2).
이후, 엔진 전자제어장치(40)는 크랭크 각 센서(20)로부터 검출된 크랭크 각을 통해 계산된 엔진회전속도와 공기량 센서(10)로부터 검출된 공기량을 분석하여 엔진이 정상 상태인가를 판단한다(S3). 즉, 크랭크 각 센서(20)로부터 검출된 크랭크 각도에 따라 계산된 엔진회전속도 변화가 엔진 정상 상태를 판단하기 위해 설정된 엔진회전속도 변화값 이내에 들고, 공기량 센서(10)로부터 검출된 흡입 공기량이 설정된 흡입 공기량 변화값 이내인 경우가 엔진의 5싸이클 동안 유지되는지를 판단한다.
이때, 엔진의 5싸이클 동안 엔진회전속도 변화가 설정된 엔진회전속도 변화값 이내에 유지되고, 흡입 공기량이 설정된 흡입 공기량 이내에 유지되어 엔진 정상 상태라고 판단되면, 엔진 전자제어장치(40)는 엔진 5싸이클 동안 각 크랭크 각도에서 검출된 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값의 차이(극대값-극소값)가 이상 실린더 판단을 위한 기준값보다 큰지를 판단한다(S4). 이때, 이상 실린더 판단을 위한 기준값은 각 실린더별로 공연비를 크게 벗어나게 한 상태에서의 선행 시험으로부터 작성된 극대값과 극소값의 위치에대한 기본 맵에서 극대값과 극소값의 차이로 설정한다.
그리고, 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값의 차이가 이상 실린더 판단을 위한 기준값보다 커지게 되면, 엔진 전자제어장치(40)는 검출된 극소값에서의 크랭크 각도에 따른 실린더 위치를 판별한다(S5).
이후, 엔진 전자제어장치(40)는 검출된 극소값에서의 크랭크 각도에 따라 판별된 실린더가 1번 실린더이면(S6), 연료분사장치(50)를 제어하여 1번 실린더의 연료 공급량을 감소시킨다(S7). 이후, 엔진 5싸이클 동안 각 크랭크 각도에서 검출되는 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하여, 그 차이가 이전에 비해 설정값, 예로서 30% 이상 감소하였는지를 판단한다(S8). 이때, 극대값과 극소값이 차이가 30% 이상 감소하였으면 엔진 전자제어장치(40)는 1번 실린더가 리치한 공연비에 의해 의해 이상이 발생한 것으로 판단하고(S9), 그렇지 않으면 4번 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단한다(S10). 이것은 엔진의 행정이 1-3-4-2번 실린더 순으로 이루어질 경우, 1번 실린더와 4번 실린더, 3번 실린더와 2번 실린더에서의 공연비가 리치 또는 린한 상태에서 광역산소 센서(30)의 출력값이 360°의 위상을 나타내기 때문이다.
그리고, 엔진 전자제어장치(40)는 검출된 극소값에서의 크랭크 각도에 따라 판별된 실린더가 2번 실린더이면(S11), 연료분사장치(50)를 제어하여 2번 실린더의 연료 공급량을 감소시킨다(S12). 이후, 엔진 5싸이클 동안 각 크랭크 각도에서 검출되는 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하여, 그 차이가 이전에 비해 30% 이상 감소하였는지를 판단한다(S13). 이때, 극대값과 극소값이 차이가 30% 이상 감소하였으면 엔진 전자제어장치(40)는 2번 실린더가 리치한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하고(S14), 그렇지 않으면 3번 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단한다(S15).
그리고, 엔진 전자제어장치(40)는 검출된 극소값에서의 크랭크 각도에 따라 판별된 실린더가 3번 실린더이면(S16), 연료분사장치(50)를 제어하여 3번 실린더의 연료 공급량을 감소시킨다(S17). 이후, 엔진 5싸이클 동안 각 크랭크 각도에서 검출되는 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하여, 그 차이가 이전에 비해 30% 이상 감소하였는지를 판단한다(S18). 이때, 극대값과 극소값의 차이가 30% 이상 감소하였으면 엔진 전자제어장치(40)는 3번 실린더가 리치한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하고(S19), 그렇지 않으면 2번 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단한다(S20).
그리고, 엔진 전자제어장치(40)는 검출된 극소값에서의 크랭크 각도에 따라 판별된 실린더가 4번 실린더이면(S21), 연료분사장치(50)를 제어하여 4번 실린더의 연료량을 감소시킨다(S22). 이후, 엔진 5싸이클 동안 각 크랭크 각도에서 검출되는 광역산소 센서(30)의 출력값에 대한 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하여, 그 차이가 이전에 비해 30% 이상 감소하였는지를 판단한다(S23). 이때, 극대값과 극소값이 차이가 30% 이상 감소하면 엔진 전자제어장치(40)는 4번 실린더가 리치한 공연비에 의해 의해 이상이 발생한 것으로 판단하고(S24), 그렇지 않으면 1번 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단한다(S25).
이와 같은 실시예에서는 실린더 이상을 판단한 후, 실린더 이상이 리치한 공연비 또는 린한 공연비에 의해 발생한 것을 판단하기 위하여 광역산소 센서(30) 출력값의 앙상불 평균값이 극소값일 때, 크랭크 각도에 따른 실린더를 판별하여 연료 분사량을 감소시킨 다음, 에러의 감소를 파악하였지만, 이와는 반대로 극대값에서의 크랭크 각도에 따른 실린더를 판별하여 연료분사량을 증가시킨 다음, 에러의 감소를 통해 리치 또는 린한 공연비에 의해 실린더 이상이 발생한 것을 판별할 수도 있다. 그리고, 상기 실시예에서 각종 상수(5싸이클, 30% 등)는 예시적으로 나타낸 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 본 발명은 광역산소 센서를 이용한 간단한 방법에 의해 리치 혹은 린한 공연비로 작동되는 실린더를 구별함으로써, 산소 피이드 백 제어에 의한 공연비 제어를 통해 이상 발생 실린더의 공연비를 제어할 수 있으므로 자동차의 유해 배기가스를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 실린더 연소 오동작을 미연에 방지할 수 있어 차량의 운행성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 자동차의 엔진이 정상 상태인 경우, 각 크랭크 각도에서 배기가스 중의 산소 농도를 검출하는 광역산소 센서 출력값을 측정하여 엔진의 일정 싸이클 동안 앙상불 평균값을 계산하는 단계와;
    상기 계산된 앙상불 평균값의 극대값과 극소값을 검출하는 단계와;
    상기 극대값과 극소값의 차이가 실린더 이상 판별을 위해 설정된 기준값보다 커지게 되면 실린더 이상으로 판단하고, 상기 극대값 또는 극소값이 나타나는 크랭크 각도에서 실린더 위치를 판별하는 단계와;
    상기 판별된 실린더 위치에서의 연료분사량을 증감한 후, 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되었는지에 따라 실린더 이상 상태를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 이상 실린더 판별 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 이상 상태를 판단하는 단계에서, 상기 앙상불 평균값의 극소값이 나타나는 크랭크 각도에서 실린더 위치를 판단하였을 경우에는, 상기 판별된 실린더의 연료분사량을 감소시킨 후, 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되었으면, 판별된 실린더가 리치한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 이상 실린더 판별 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되지 않았으면, 판별된 실린더 위치에서 엔진 1/2 싸이클에 위치하는 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 이상 실린더 판별 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 이상 상태를 판단하는 단계에서, 상기 앙상불 평균값의 극대값이 나타나는 크랭크 각도에서 실린더 위치를 판단하였을 경우에는, 상기 판별된 실린더의 연료분사량을 증가시킨 후, 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되었으면, 판별된 실린더가 린한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 이상 실린더 판별 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 엔진의 일정 싸이클 동안의 앙상불 평균값에서의 극대값과 극소값의 차이가 이전에 비해 설정된 값 이상 감소되지 않았으면, 판별된 실린더 위치에서 엔진 1/2 싸이클에 위치하는 실린더가 리치한 공연비에 의해 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 이상 실린더 판별 방법.
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