KR100412716B1 - 흡입 공기량 센서의 고장진단 방법 - Google Patents

흡입 공기량 센서의 고장진단 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 엔진에 쉽게 적용가능하고, 다양한 주행상태에서 보다 정확한 판정이 가능하도록, 설정 개도량 이하의 드로틀 밸브 개도량을 검출하는 경우에 대기압, 드로틀 밸브 전후 압력차 그리고 흡입 공기량 검출센서로부터의 공기 흡입율을 검출하고, 상기 드로틀 밸브 개도량, 대기압 및 드로틀 밸브 전후 압력차를 기초로 이론적인 공기 흡입율을 계산한 후, 상기 검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율을 기초로 상기 흡입 공기량 검출센서의 고장유무를 판단하여 고장이 있는 것으로 판단된 경우에 고장신호를 송출한다.

Description

흡입 공기량 센서의 고장진단 방법{A METHOD FOR DIAGNOSING FAIL OF AN AIR-FLOW SENSOR OF AN ENGINE}
본 발명은 자동차에 사용되는 센서의 고장진단 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흡입 공기량 센서의 고장진단 방법에 관한 것이다.
내연기관 엔진은 연소실에 공기와 연료를 흡입한 후 연소시킴으로써 동력을 발생시키는 장치이다. 따라서 엔진을 정밀하게 제어하기 위해서는 연소실에 공급되는 공기의 양을 정확하게 측정해야 하고, 특히 흡입 공기의 양에 의해 엔진출력을 제어하는 가솔린 엔진의 경우에는 흡입 공기량을 정확히 측정해야 할 필요성이 더욱 크다.
따라서, 엔진에서는 흡입 공기량을 검출하는 흡입 공기량 검출센서를 장착하고 있다. 흡입 공기량 검출센서는 엔진의 형식, 사용목적 등에 따라 다양한 구성이 이루어지고 있으며, 그 예로는 메저링 플레이트(Measuring Plate)식, 와류식, 열필름(Hot Film)식, 흡입부압 감지(MAP: Manifold Absolute Pressure)방식 등이 있다.
이러한 흡입 공기량 검출센서가 고장난 경우를 대비하기 위해, 상기 흡입 공기량 검출센서의 고장유무를 판단하는 방법 또한 제공되고 있다.
흡입 공기량 검출센서의 고장을 판단하기 위해 종래에는, 정상적인 흡입 공기량 검출센서로부터 출력되는 값을 미리 저장해두고 이를 기초로 실제 측정에 사용되는 흡입 공기량 센서의 고장유무를 판단하고 있다.
즉, 엔진회전수와 드로틀 밸브 개도량에 따른 흡입 공기량 값을 미리 맵(map)으로 저장하고 있다가, 엔진동작 상황에서 흡입 공기량 검출센서로부터 입력되는 센서값과 현재의 엔진회전수와 드로틀 밸브 개도량에 관한 상기 맵 값이 크게 차이나는 경우에는 상기 흡입 공기량 검출센서에 고장이 있는 것으로 판단하게 된다.
그런데, 이러한 종래의 방법을 구현하기 위해서는, 엔진의 형식이 변경되는 경우에 새로운 맵(map) 테이블 작성을 위한 실험이 선행되어야 한다는 불편이 있다.
또한, 상기 비교를 위한 맵(map) 테이블을 작성하기 위한 실험장소와 실제 주행장소의 고도가 다른 경우에는 흡입 공기량이 달라지게 되는데, 이를 위한 고려가 되고 있지 않아 판정의 정확성이 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 흡입 공기량이 급변하는 경우에는 판정을 할 수 없게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 엔진에 쉽게 적용가능하고, 다양한 주행상태에도 보다 정확한 판정이 가능한 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 검출센서 고장진단 방법이 수행되는 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 흡입 공기량 검출센서 고장진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 상기 각 변수들의 물리적 의미를 도시한 그림으로, 도 3(a)은 드로틀 밸브의 정면도를, 도 3(b)은 드로틀 밸브의 측면 단면도를 도시한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 흡입 공기량 검출센서의 고장 진단 방법은, 설정 개도량 이하의 드로틀 밸브 개도량을 검출하는 단계; 대기압 및 드로틀 밸브 전후 압력차를 검출하는 단계; 흡입 공기량 검출센서로부터 공기 흡입율을 검출하는 단계; 상기 드로틀 밸브 개도량, 대기압 및 드로틀 밸브 전후 압력차를 기초로 이론적인 공기 흡입율을 계산하는 이론값 계산단계; 상기 검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율를 기초로 상기 흡입 공기량 검출센서의 고장유무를 판단하는 고장 판단단계; 및 상기 고장 판단단계에서 고장이 있는 것으로 판단된 경우에 고장신호를 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이론값 계산단계에서 계산되는 공기 흡입율은, 비례상수(), 외기압력(), 드로틀 밸브 개도각(), 드로틀 밸브 최대 개도각(), 기체상수(), 외기온도(), 드로틀 밸브 유효면적(), 비열비 (), 드로틀 밸브 전후 압력차() 및 설정 임계치()를 기초로,의 값으로 계산될 수 있다.
단, 이 때 상기는 변수이 상기 설정임계치()를 초과하는가 여부에 따라,
인 경우에는,로 정의되고,인 경우에는, 1로 정의된다.
상기 유효면적()는, 드로틀 밸브의 보어직경(), 드로틀 밸브 회전축 지름(), 드로틀 밸브 개도각() 및 드로틀 밸브 최소 개도각()을 기초로,
의 값으로 연산될 수 있다.
상기 고장판단단계는, 검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율이 설정비율 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단할 수 있으며,
또한, 상기 고장판단단계는, 상기 검출된 공기 흡입율을 설정된 시간간격 (T0)동안 적분하는 단계; 및 상기 계산된 공기 흡입율을 상기 설정된 시간간격(T0)동안 적분하는 단계를 포함하고, 상기 검출된 공기 흡입율의 적분값 및 계산된 공기 흡입율의 적분값이 설정값 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단할 수 있다.
상기 검출된 공기 흡입율을 적분하는 단계는, 검출된 공기 흡입율을 로 패스 필터링(low-pass filtering)한 후에 적분하는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 고장판단단계에, 드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상인가 판단하는 단계를 포함하여,
드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상인 경우에는, 검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율이 설정비율 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하고,
드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상이 아닌 경우에는, 검출된 공기 흡입율을 설정된 시간간격(T0)동안 적분하고, 계산된 공기 흡입율을 상기 설정된 시간간격(T0)동안 적분한 후, 상기 검출된 공기 흡입율의 적분값 및 계산된 공기 흡입율의 적분값이 설정값 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면의 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 흡입 공기량 검출센서 고장진단 방법이 수행되는 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고장진단 방법이 수행되는 시스템은, 피진단 센서인 흡입 공기량 검출센서(110; 이하 "AF센서"라 한다), 드로틀 밸브 개도량을 검출하는 드로틀 밸브 개도 검출센서(120; 이하 "TPS 센서"라 한다), 자동차가 주행중인 지점의 대기압을 검출하는 대기압 센서(130), 드로틀 밸브를 통과한지점에서의 압력을 검출하는 부압센서(140), 및 상기 각 센서들(110,120,130,140)로부터 검출 신호를 입력받아 이를 기초로 상기 흡입 공기량 검출센서(110)의 고장유무를 진단하는 전자제어유닛(150; 이하 "ECU"라 한다)을 포함한다.
상기 TPS센서(120), 대기압 센서(130) 및 부압센서(140)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 이용되는 다수의 구성이 존재하는 바, 이에 관한 상세한 설명을 생략한다.
상기 AF센서(110)는 열필름(Hot Film)방식, 와류식 기타 임의의 공기흐름센서로 할 수 있다.
상기 ECU(150)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로프로세서로 할 수 있고, 또한, 상기 설정된 프로그램의 각 단계에 해당되는 동작을 수행하는 논리회로로 구성될 수 있음은 자명하며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예의 고장진단 방법의 각 단계를 수행하는 프로그램으로 할 수 있다.
상기 전자제어유닛(150)은 고장진단의 결과 AF센서에 고장이 있는 것으로 판단된 경우에는 고장신호를 송출한다.
도 2는 본 발명의 실시예의 흡입 공기량 검출센서 고장진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 ECU(150)는 설정 시간간격으로 드로틀 밸브 개도량(TPS)을 검출한다(S210). 상기 설정 시간간격은 임의로 설정될 수 있으며, 일예로는 100msec로 설정될 수 있다.
드로틀 밸브 개도량을 검출(S210)한 후에는, 검출된 드로틀 밸브 개도량(TPS)이 설정 개도량 이하인가 판단한다(S220). 상기 설정개도량은, 이론적인 계산값에 신뢰성이 있다고 판단할 수 있는 임의의 값으로 정의될 수 있으며, 일예로는 30%로 할 수 있다.
드로틀 밸브 개도량(TPS)이 설정 개도량 이하가 아닌 경우에는 상기 드로틀 밸브 개도량(TPS) 검출단계(S210)로 진행함으로써 드로틀 밸브 개도량이 설정 개도량 이하가 될 때까지 검출을 반복하게 되며, 따라서 상기 설정 개도량 이하의 드로틀 밸브 개도량을 검출하게 된다.
드로틀 밸브 개도량(TPS)이 설정 개도량 이하인 경우에는 대기압() 및 드로틀 밸브 내부압력을 검출하고, 이를 이용하여 드로틀 밸브 전후의 압력차()를 구한다(S230).
또한, 상기 AF센서(110)로부터 공기 흡입율(HFM)을 검출한다(S235).
상기 ECU(150)는 상기 검출된 대기압() 및 드로틀 밸브 개도량(TPS)을 기초로 이론적인 공기 흡입율()을 계산한다(S240).
상기 이론적인 공기 흡입율() 계산은 구체적으로 아래 [수학식 1]에 의해 계산될 수 있다.
단, 상기 수학식 1에서,는 비례상수이고,는 외기압력을,는 드로틀 밸브 개도각을,는 드로틀 밸브 개도각이 가질 수 있는 최대값을,은 기체상수를,는 외기온도(atmospheric temperature)를 각각 가리키며,()는 드로틀 밸브 개도량이일 때 드로틀 밸브의 유효면적을 말한다.
상기는 드로틀 밸브 전후의 압력차이로 정의되는 변수이 임계치() 초과하는가 여부에 따라서 정의되는 함수로서,인 경우에는,로 정의되고,인 경우에는,로 정의된다.
상기는 비열비(specific heat)에 관한 것으로서 1.4의 값으로 사용될 수 있고, 상기 임계치은 상기수식이 큰 오차를 발생하지 않는다고 판단되는 임의의 값으로 설정될 수 있다.
상기 수학식1은 드로틀 밸브를 통과하여 흐르는 공기의 흐름율(mass airflow rate)은, 공기의 유동특성을 압축 가능한 유체(compressible fluid)의 엔트로피보존 흐름(isentropic flow)으로 가정하여 연산된 것이다.
상기 수학식1로부터 알 수 있는바와 같이, 이론적인 공기 흡입율의 계산은 엔진의 배기량 및 회전수 등과 같은 엔진의 특성에 의해 좌우되는 요소를 포함하지 않으므로 다양한 엔진 규격에 적용 가능하다.
상기 유효면적()는 하기 수학식2에 의해 연산된다.
상기 수학식2에서는 드로틀 밸브의 보어 직경을,는 드로틀 밸브 회전축의 지름을,는 드로틀 밸브 개도각을, 그리고는 드로틀 밸브가 닫혔을 때의 드로틀 밸브 각도(즉, 최소 개도각)를 각각 나타낸다.
도 3은 상기 각 변수들의 물리적 의미를 도시한 그림으로, 도 3(a)는 드로틀 밸브의 정면도를, 도 3(b)는 드로틀 밸브의 측면 단면도를 도시한 것이다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 드로틀 밸브는 회전축(310)을 중심으로 회전하는 드로틀 플레이트(320)가 드로틀 보어(330) 내에서 회전하도록 되어 있으며, 상기 드로틀 밸브 회전축(310)의 직경이, 드로틀 보어(330)의 직경이로 정의되고 있다.
드로틀 보어(330) 내에서 움직이는 드로틀 밸브의 측면도인 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 드로틀 밸브 각도()는 드로틀 플레이트(330)가 드로틀 보어(330)에 대한 수직축과 이루는 각도로 정의된다.
드로틀 플레이트(320)는 드로틀 보어(330)보다 크고, 따라서 드로틀 밸브가 닫힌 상태에서도 드로틀 보어(330)에 대한 수직축과 소정의 각도()를 형성하게 된다.
다시 도2를 참조로, 이론적인 공기 흡입율()을 계산(S240)한 후에는, 드로틀 밸브의 변화율(△TPS)이 설정변화율(△TPS0) 이상인가 판단한다(S250). 상기드로틀 밸브 변화율(△TPS)를 검출하기 위한 시간간격은 임의로 설정될 수 있으며 일예로 100msec로 할 수 있고, 직전에 수행된 드로틀 밸브 개도량 검출단계(S210)에서 검출된 드로틀 밸브 개도량과의 차이로써 검출하는 것으로 할 수 있다.
상기 드로틀 밸브 변화율 판단단계(S250)는, 드로틀 밸브 개도량이 변화하는 경우에는 흡입 공기량의 유동이 발생하고 이러한 경우에는 순간 공기 흡입율은 부정확한 값을 가지게 될 수 있으므로, 드로틀 밸브의 변화율의 크고 작음에 따라 AF센서(110)의 고장판단 기준을 다르게 하기 위해서이다.
따라서 상기 설정변화율(△TPS0)은 드로틀 밸브 개도량이 변화함으로써 흡입 공기량의 유동이 발생한다고 판단할 수 있는 임의의 값으로 설정될 수 있다.
상기 드로틀 밸브 변화율(△TPS) 판단단계(S250)에서 드로틀 밸브 변화율(△TPS)이 설정변화율(△TPS0) 이상이 아닌 경우에는 상기 검출된 공기 흡입율(HFM)과 상기 계산된 공기 흡입율() 사이에 제1설정편차(E1) 이상의 편차가 있는가 판단한다(S260). 상기 제1설정편차(E1)는 임의의 값으로 설정될 수 있다.
상기 공기 흡입율 비교단계(S260)에서 편차가 제1설정편차(E1) 이상이 아닌 경우에는 종료하고, 제1설정편차(E1) 이상인 경우에는 상기 AF센서(110)에 고장이 있는 것으로 판단하여 고장신호를 송출한다(S290)
상기 드로틀 밸브 변화율(△TPS) 판단단계(S250)에서 드로틀 밸브 변화율(△TPS)이 설정변화율(△TPS0) 이상인 경우에는 상기 AF센서(110)에 의해 검출된 공기 흡입율(HFM) 및 계산된 공기 흡입율()의 적분값을 기초로 상기 AF센서(110)의 고장유무를 판단한다(S265, S270, S275, S280)
즉, 상기 AF센서(110)의 노이즈 등 과도신호(overshoot signal)를 제거하기 위해 상기 검출된 공기 흡입율(HFM)를 로 패스 필터(low pass filtering)한 후에(S265) 상기 필터링 된 공기 흡입율(HFM)을 설정시간(T0)동안 적분한다(S270).
또한 상기 계산된 공기 흡입율()을 상기 설정시간(T0)동안 적분한다 (S275). 상기 설정시간(T0)는 적분값의 신뢰성이 있다고 판단되는 임의의 값으로 설정할 수 있으며, 일예로는 1초로 설정될 수 있다.
따라서 상기 검출된 공기 흡입율(HFM)의 적분값 및 계산된 공기 흡입율()의 적분값을 비교하여 그 편차가 제2설정편차(E2) 이상인가 판단한다(S280).
상기 판단(S280) 결과 편차가 제2설정편차(E2) 이상이 아닌 경우에는 종료하고, 제2설정편차(E2) 이상인 경우에는 상기 AF센서(110)에 고장이 있는 것으로 판단하여 고장신호를 송출한다(S290).
이상으로 본 발명의 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 엔진의 형식이 변경되는 경우에 새로운 맵(map) 테이블 작성을 위한 실험을 선행할 필요가 없으므로 다양한 엔진에 쉽게 적용이 가능하게 되는 장점이 있으며, 실험장소와 실제 주행장소의 고도차 때문에 발생되는 오판정의 가능성을 방지할 수 있다. 또한, 적분연산 결과를 비교함으로써 흡입 공기량이 급변하는 경우라도 정확한 판정을 할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 설정 개도량 이하의 드로틀 밸브 개도량을 검출하는 단계;
    대기압 및 드로틀 밸브 전후 압력차를 검출하는 단계;
    흡입 공기량 검출센서로부터 공기 흡입율을 검출하는 단계;
    상기 드로틀 밸브 개도량, 대기압 및 드로틀 밸브 전후 압력차를 기초로 이론적인 공기 흡입율을 계산하는 이론값 계산단계;
    상기 검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율를 기초로 상기 흡입 공기량 검출센서의 고장유무를 판단하는 고장 판단단계; 및
    상기 고장 판단단계에서 고장이 있는 것으로 판단된 경우에 고장신호를 송출하는 단계;
    를 포함하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 이론값 계산단계에서 계산되는 공기 흡입율()은,
    비례상수(), 외기압력(), 드로틀 밸브 개도각(), 드로틀 밸브 최대 개도각(), 기체상수(), 외기온도(), 드로틀 밸브 유효면적(), 비열비(), 드로틀 밸브 전후 압력차() 및 설정 임계치()를 기초로,
    의 값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
    (단,는 변수이 상기 설정임계치()를 초과하는가 여부에 따라,
    인 경우에는,로 정의되고,인 경우에는, 1로 정의됨)
  3. 제2항에서,
    상기 유효면적()는,
    드로틀 밸브의 보어직경(), 드로틀 밸브 회전축 지름(), 드로틀 밸브 개도각() 및 드로틀 밸브 최소 개도각()을 기초로,
    의 값으로 연산되는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 고장판단단계는
    검출된 공기 흡입율 및 계산된 공기 흡입율이 설정비율 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 고장판단단계는,
    상기 검출된 공기 흡입율을 설정된 시간간격(T0)동안 적분하는 단계; 및
    상기 계산된 공기 흡입율을 상기 설정된 시간간격(T0)동안 적분하는 단계를 포함하고,
    상기 검출된 공기 흡입율의 적분값 및 계산된 공기 흡입율의 적분값이 설정값 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 검출된 공기 흡입율을 적분하는 단계는, 검출된 공기 흡입율을 로 패스 필터링(low-pass filtering)한 후에 적분하는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 고장판단단계는, 드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상인가 판단하는 단계를 포함하여,
    드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상인 경우에는, 검출된 공기흡입율 및 계산된 공기 흡입율이 설정비율 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하고,
    드로틀 밸브 개도량의 변화율이 설정변화율 이상이 아닌 경우에는, 검출된 공기 흡입율을 설정된 시간간격(T0)동안 적분하고, 계산된 공기 흡입율을 상기 설정된 시간간격(T0)동안 적분한 후, 상기 검출된 공기 흡입율의 적분값 및 계산된 공기 흡입율의 적분값이 설정값 이상 차이나는 경우에 공기 흡입량 검출센서에 고장이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 흡입 공기량 검출센서의 고장진단 방법.
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