KR100950882B1 - 내연기관의 노킹 판정 장치 - Google Patents

내연기관의 노킹 판정 장치 Download PDF

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기요시 이와데
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

엔진 ECU (200) 는, 제 1 주파수대 (A) 의 진동만을 추출하는 밴드 패스 필터 1 (410), 제 2 주파수대 (B) 의 진동만을 추출하는 밴드 패스 필터 2 (420), 제 3 주파수대 (C) 의 진동만을 추출하는 밴드 패스 필터 3 (430) 및 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 를 포함하는 제 4 주파수대 (D) 의 진동만을 추출하는 밴드 패스 필터 4 (440) 를 포함한다. 엔진 ECU (200) 는 제 1 주파수대 내지 제 3 주파수대의 합성 파형의 진동 강도에서 피크치와 제 4 주파수대 (D) 의 진동 파형에 기초하여 노킹 발생 유무를 판정한다.
노킹, 엔진 ECU

Description

내연기관의 노킹 판정 장치 {KNOCKING DETERMINATION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 노킹 판정 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 내연기관의 진동의 파형에 기초하여, 노킹 발생 유무를 판정하는 내연기관의 노킹 판정 장치에 관한 것이다.
종래에는 내연기관의 노킹을 검출하는 기술이 알려져 있다. 일본특허공개 제 2001－227400 호에는 엔진 노크 유무를 정확하게 판정할 수 있는 내연기관용 노크 제어 장치가 기재되어 있다. 일본특허공개 제 2001－227400 호에 기재된 내연기관용 노크 제어 장치는, 내연기관에서 발생하는 진동 파형을 나타내는 신호 (또는 진동 파형 신호) 를 검출하는 신호 검출기, 신호 검출기에 의해 검출된 진동 파형 신호가 미리 정해진 값 이상이 되는 기간을 발생 기간으로서 검출하는 발생 기간 검출기, 발생 기간 검출기에 의해 검출된 발생 기간에서의 피크 위치를 검출하는 피크 위치 검출기, 발생 기간과 피크 위치간의 관계에 기초하여 내연기관의 노크 유무를 판정하는 노크 판정기, 및 노크 판정기의 판정 결과에 따라 내연기관의 운전 상태를 제어하는 노크 제어기를 포함한다. 노크 판정기는, 발생 기간에 대한 피크 위치가 미리 정해진 범위내에 있을 때 노크 (노킹) 발생을 판정한다. 신호 검출기는 노크 신호에 특유의 소정 주파수 성분을 진동 파형 신호로서 검출한다.
상기 공보에 기재된 내연기관용 노크 제어 장치에 의하면, 내연기관에서 발생하는 진동 파형을 나타내는 신호가 신호 검출기에 의해 검출된다. 진동 파형 신호가 미리 정해진 값 이상이 되는 발생 기간과 그 피크 위치가 발생 기간 검출기 및 피크 위치 검출기에 의해 각각 검출된다. 그리하여, 진동 파형 신호의 발생 기간에서 피크 위치를 검출함으로써 엔진 노크 유무를 노크 판정기에서 판정할 수 있다. 노크 판정 결과에 따라 내연기관의 운전 상태가 제어된다. 발생 기간에 대한 피크 위치가 미리 정해진 범위내에 있을 때, 즉, 진동 파형 신호의 미리 정해진 길이의 발생 기간에 대해 피크 위치가 빨리 나타나는 파형 형상일 때, 노크 판정기는 노킹시에 특유의 것이 있다고 인식한다. 따라서, 내연기관의 운전 상태가 급격하게 변하는 과도 상태 또는 전기 부하가 온/오프 되더라도, 내연기관에서의 노크 발생 유무가 정확하게 판정되고, 내연기관의 운전 상태를 적절하게 제어할 수 있다.
일본특허공개 제 2001－227400 호에 기재된 내연기관용 노크 제어 장치에 있어서 노킹시에 특유의 주파수 성분이 진동 파형 신호로서 검출되지만, 노킹시에 특유의 주파수 성분은 일정하지 않다. 그리하여, 미리 정해진 주파수대에 포함되는 주파수 성분을 검출할 필요가 있다. 따라서, 검출되는 주파수 성분에는, 노킹시에 특유의 주파수 성분이 아닌 것이 포함될 수 있다. 일본특허공개 제 2001－227400 호에 기재된 내연기관용 노크 제어 장치에서는 이러한 문제를 고려하 지 않고 있다. 그리하여, 일부 주파수대에서는 큰 소음 성분을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 진동의 크기 또는 피크를 적절하게 검출할 수 없고, 또한 노킹 판정의 정확성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있는 노킹 판정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 내연기관의 노킹 판정 장치는, 내연기관의 진동을 검출하는 검출 유닛, 검출된 진동으로부터 미리 정해진 주파수대의 진동을 추출하는 제 1 추출 유닛, 검출된 진동으로부터 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의 진동을 추출하는 제 2 추출 유닛, 제 2 추출 유닛에 의해 추출된 진동에 기초하여 미리 정해진 크랭크각 간격에서의 진동의 파형을 검출하는 파형 검출 유닛, 내연기관의 진동의 파형을 미리 기억하는 저장 유닛, 및 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과 및 제 1 추출 유닛에 의해 추출된 진동의 강도에 기초하여, 내연기관에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 판정 유닛을 포함한다.
본 발명에 의하면, 제 1 추출 유닛에 의해, 내연기관의 진동으로부터 미리 정해진 주파수대의 진동이 추출된다. 제 2 추출 유닛에 의해, 내연기관의 진동으로부터 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의 진동이 추출된다. 따라서, 좁은 주파수대의 진동과 넓은 주파수대의 진동을 추출할 수 있다. 한편, 노킹시에 특유의 진동은 특정 주파수대에서 발생한다. 따라서, 추출될 주파수대의 대역폭을 좁게 함으로써, 노킹시에 특유의 진동, 특히 진동 강도를 정확하게 추출할 수 있다. 다른 한편으로는, 주파수대의 대역폭을 좁게 함으로써, 노이즈 성분의 진동이 제거되어 그 결과 진동 파형으로부터 노이즈 성분의 특징부 (진동 발생 타이밍 및 감쇠율) 가 제거된다. 이러한 경우에, 실제로 노이즈 성분으로 인한 진동일지라도, 노이즈 성분을 포함하지 않는 파형, 즉 노킹으로 인한 파형과 유사한 파형이 검출된다. 그리하여, 파형에 기초하여 노킹으로 인한 진동과 노이즈 성분으로 인한 진동을 거의 구별하기 어려워진다. 따라서, 넓은 주파수대에서의 진동으로부터 파형이 검출된다. 그리하여, 노이즈 성분으로 인한 진동을 포함할 수 있는 파형이 검출될 수 있다. 그렇게 하여 검출된 파형과 기억된 파형 (예를 들어, 노킹으로 인한 파형으로서 기억된 파형) 을 비교한 결과 및 좁은 주파수대에서의 진동 강도에 기초하여, 내연기관의 노킹 발생 유무를 판정한다. 그렇게 하여, 진동의 파형 및 강도가 노킹시에 특유의 것인지 아닌지를 고려하여, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다. 따라서, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있는 노킹 판정 장치를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 제 2 추출 유닛은 미리 정해진 주파수대를 포함하는 주파수대의 진동을 추출한다.
본 발명에 의하면, 넓은 주파수대는 좁은 주파수대를 포함한다. 그리하여, 노킹으로 인한 진동을 정확하게 포함할 수 있는 파형을 검출할 수 있다. 따라서, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다.
보다 바람직하게는, 미리 정해진 주파수대는 다수 정해진다.
본 발명에 의하면, 노킹으로 인한 진동의 주파수대가 다수이기 때문에, 다수의 좁은 주파수대의 진동이 추출된다. 그리하여, 노킹으로 인한 진동을 정확하게 추출할 수 있다. 그 결과, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다.
보다 바람직하게는, 다수의 미리 정해진 주파수대는 대역폭이 동일하다.
본 발명에 의하면, 노킹시에 특유의 진동은 주파수대에 상관없이 주파수대의 중간치±X (X 는 자연수) kHz 의 범위내에 있기 때문에, 균일한 대역폭을 가진 다수의 주파수대에서 진동이 추출된다. 그리하여, 주파수대의 대역폭이 필요 이상으로 넓어지는 것이 방지되어, 많은 노이즈가 검출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 노킹시에 특유의 진동을 정확하게 검출할 수 있다. 그 결과, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다.
보다 바람직하게는, 내연기관의 노킹 판정 장치는, 제 1 추출 유닛에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 1 타이밍을 검출하는 제 1 검출 유닛과, 제 1 타이밍에 기초하여 제 2 추출 유닛에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 2 타이밍을 검출하는 제 2 검출 유닛을 더 포함한다. 판정 유닛은, 제 2 타이밍과 기억된 파형에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍을 일치시킨 상태에서, 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과에 기초하여, 내연기관에서의 노킹 발생 유무를 판정한다.
본 발명에 의하면, 좁은 주파수대의 진동 강도가 최대가 되는 제 1 타이밍과 넓은 주파수대의 진동 강도가 최대가 되는 제 2 타이밍이 항상 일치하지 않기 때문에, 제 1 타이밍에 기초하여 제 2 타이밍이 검출된다. 제 2 타이밍과 기억된 파형에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍을 일치시킨 상태에서, 검출된 파형과 기억된 파형을 서로 비교한다. 이러한 결과에 기초하여, 노킹 발생 유무를 판정한다. 그리하여, 노킹이 발생할 수 있는 타이밍을 기점으로 사용하여, 검출된 파형과 기억된 파형을 서로 비교할 수 있다. 따라서, 노킹이 발생했을 경우에 진동의 거동을 고려하여, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다.
보다 바람직하게는, 제 2 검출 유닛은, 제 1 타이밍에 기초하여 설정되는 범위내에서 제 2 타이밍을 검출한다.
본 발명에 의하면, 제 1 타이밍에 기초하여 설정되는 범위내에서, 제 2 타이밍이 검출된다. 따라서, 넓은 주파수대에서의 진동 강도가 최대가 되는 제 2 타이밍을 정확하게 검출할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 노킹 판정 장치에 의해 제어되는 엔진을 나타내는 개략 구성도,
도 2 는 엔진에서 발생하는 진동의 주파수를 나타내는 도면,
도 3 은 노킹 발생시 실린더 블록에서 발생하는 진동의 주파수를 나타내는 도면,
도 4 는 엔진 ECU 를 나타내는 제어 블럭도,
도 5 는 엔진 ECU 의 메모리에 기억된 노크 파형 모델을 나타내는 도면,
도 6 은 엔진 ECU 에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구조를 나타내는 순서도,
도 7 은 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형과 제 4 주 파수대 (D) 의 진동 파형을 나타내는 도면, 및
도 8 은 정규화된 진동 파형과 노크 파형 모델을 비교하는 타이밍을 나타내는 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 이하의 설명에서 동일한 부품에 대해서는 동일한 도면 부호로 나타내었다. 또한, 그러한 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그에 대한 설명은 반복하지 않는다.
도 1 을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 노킹 판정 장치를 탑재한 차량의 엔진 (100) 에 대해 설명한다. 본 실시형태의 노킹 판정 장치는, 예를 들어 엔진 ECU (Electronic Control Unit) (200) 에 의해 실행되는 프로그램에 의해 실현된다.
엔진 (100) 은, 공기 청정기 (102) 를 통하여 흡입된 공기와 분사기 (104) 에 의해 분사되는 연료와의 혼합물이 연소실내에서 점화 플러그 (106) 에 의해 점화되어 연소되는 내연기관이다.
공기-연료 혼합물을 연소함으로써, 피스톤 (108) 을 누르는 연소압이 발생하여 크랭크 샤프트 (110) 가 회전한다. 연소된 공기-연료 혼합물 (또는 배기가스) 은 삼원촉매 (112) 에 의해 정화된 후 차량 외부로 배출된다. 엔진 (100) 에 흡입되는 공기의 양은, 스로틀 밸브 (114) 에 의해 조절된다.
엔진 (100) 은 엔진 ECU (200) 에 의해 제어되고, 이 엔진 ECU (200) 에는, 노크 센서 (300), 수온 센서 (302), 타이밍 로터 (304) 에 대향하여 설치된 크랭크 위치 센서 (306), 스로틀 개방 센서 (308), 차량 속도 센서 (310) 및 점화 스위치 (312) 가 연결되어 있다.
노크 센서 (300) 는 엔진 (100) 의 실린더 블록에 설치된다. 노크 센서 (300) 는 압전 소자에 의해 구성된다. 노크 센서 (300) 는, 엔진 (100) 이 진동함에 따라 이 진동 강도에 대응하는 크기의 전압을 발생시킨다. 노크 센서 (300) 는 전압을 나타내는 신호를 엔진 ECU (200) 에 송신한다. 수온 센서 (302) 는, 워터 재킷 (water jacket) 에서 엔진 (100) 내의 냉각수의 온도를 검출하여 검출 결과를 나타내는 신호를 엔진 ECU (200) 에 송신한다.
타이밍 로터 (304) 는 크랭크 샤프트 (110) 에 설치되어 크랭크 샤프트 (110) 가 회전하면 회전한다. 타이밍 로터 (304) 의 외주에는 미리 정해진 간격으로 다수의 돌출부가 설치된다. 크랭크 위치 센서 (306) 는 타이밍 로터 (304) 의 돌출부에 대향하여 설치된다. 타이밍 로터 (304) 가 회전하면, 타이밍 로터 (304) 의 돌출부와 크랭크 위치 센서 (306) 간의 공기 틈이 변하여, 크랭크 위치 센서 (306) 의 코일부를 통과하는 자속이 증가/감소하여, 기전력이 발생한다. 크랭크 위치 센서 (306) 는 기전력을 나타내는 신호를 엔진 ECU (200) 에 송신한다. 엔진 ECU (200) 는, 크랭크 위치 센서 (306) 로부터 송신된 신호로부터 크랭크각을 검출한다.
스로틀 개방 센서 (308) 는 스로틀 개방 위치를 검출하여 검출 결과를 나타내는 신호를 엔진 ECU (200) 에 송신한다. 차량 속도 센서 (310) 는 차바퀴 (도시하지 않음) 의 회전수를 검출하여 검출 결과를 나타내는 신호를 엔진 ECU (200) 에 송신한다. 엔진 ECU (200) 는 차바퀴의 회전수로부터 차량 속도를 산출한다. 점화 스위치 (312) 는 엔진 (100) 을 시동시키기 위해 운전자에 의해 작동된다.
엔진 ECU (200) 는, 각 센서 및 점화 스위치 (312) 로부터 송신된 신호뿐만 아니라 메모리 (202) 에 기억된 맵 및 프로그램을 사용하여 연산 처리를 행하여 엔진 (100) 이 소망하는 운전 상태가 되도록 기기류를 제어한다.
본 실시형태에 있어서, 엔진 ECU (200) 는, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호 및 크랭크각을 사용하여, 미리 정해진 노크 검출 게이트 (미리 정해진 제 1 크랭크각으로부터 미리 정해진 제 2 크랭크각까지의 구간) 에서의 엔진 (100) 의 진동의 파형 (이하, 진동의 파형을 "진동 파형" 이라고 함) 을 검출하여 검출된 진동 파형으로부터 엔진 (100) 의 노킹 발생 유무를 판정한다. 본 실시형태의 노크 검출 게이트는, 연소 행정에서 상사점 (0°) 에서부터 90°까지이다. 노크 검출 게이트는 이에 한정되지 않음을 알아야 한다.
엔진의 노킹시, 엔진 (100) 에는 도 2 에서 실선으로 나타내는 주파수 부근의 주파수에서 진동이 발생한다. 노킹으로 인한 진동의 주파수는 일정하지 않고 소정의 대역폭을 가진다. 그에 따라, 본 실시형태에 있어서, 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 주파수대 (A), 제 2 주파수대 (B) 및 제3 주파수대 (C) 에 포함되는 진동을 검출한다. 도 2 에 있어서, CA 는 크랭크각을 나타낸다. 노킹으로 인한 진동의 주파수대는 3 개에 한정되지 않는다.
본원에서, 각 주파수대의 대역폭이 과도하게 넓으면, 노킹으로 인한 진동 이 외의 노이즈 (예를 들어, 실린더내 분사기의 진동 또는 흡기/배기 밸브의 안착으로 인한 진동) 를 포함할 가능성이 높아진다.
하지만, 도 3 에 도시된 바와 같이, 엔진의 노킹시 각 주파수대에 나타나는 진동은, 각 주파대의 중간치 ±X (X 는 자연수) kHz 의 범위내에 있다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 제 1 주파수대 (A), 제 2 주파수대 (B) 및 제 3 주파수대 (C) 의 대역폭이 주파수대에 상관없이 동일한 고정 값의 대역폭으로 설정된 후, 진동을 검출한다. 대역폭은 2 × X kHz 이내로 설정된다. 이하 설명되는 바와 같이, 제 1 주파수대 (A), 제 2 주파수대 (B) 및 제 3 주파수대 (C) 의 진동은 진동 강도의 피크치를 산출하는데 사용된다.
대역폭이 과도하게 커지지 않게 되는 한, 대역폭을 고정 값으로 설정하는 대신에, 각 주파수대의 대역폭을 주파수대 마다 다르도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 주파수대 중 하나의 대역폭을 2 × X kHz 로 설정하고, 나머지 주파수대 중에서 다른 주파수대의 대역폭을 2 × X kHz 보다 작은 대역폭으로 설정할 수 있다.
전술한 바와 같이 진동을 검출하는 대역폭을 좁게 함으로써, 검출되는 진동 강도에 포함되는 노이즈 성분을 억제할 수 있고, 진동 파형으로부터 노이즈 성분의 특징부 (진동의 발생 타이밍 및 감쇠율) 가 제거된다. 이러한 경우에, 실제로 노이즈 성분으로 인한 진동이더라도, 노이즈 성분을 포함하지 않는 진동 파형, 즉 노킹으로 인한 진동 파형과 유사한 파형이 검출된다. 따라서, 진동 파형에 기초하여 노킹으로 인한 진동과 노이즈 성분으로 인한 진동을 구별하기 어려워진다.
따라서, 본 실시형태에 있어서, 노이즈가 발생할 때, 노이즈를 고려하여 노 킹 발생 유무를 판정하기 위해서, 노이즈를 포함하도록 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 를 포함하는 넓은 제 4 주파수대 (D) 에서의 진동을 검출한다. 이하, 설명되는 바와 같이, 제 4 주파수대 (D) 에서의 진동은, 엔진 (100) 의 진동 파형을 검출하는데 사용된다.
도 4 를 참조하여, 엔진 ECU (200) 에 대해 더 설명한다. 엔진 ECU (200) 는, A/D (아날로그/디지털) 변환기 (400), 밴드 패스 필터 1 (410), 밴드 패스 필터 2 (420), 밴드 패스 필터 3 (430), 밴드 패스 필터 4 (450) 및 적산 유닛 (450) 을 포함한다.
A/D 변환기 (400) 는 노크 센서 (300) 로부터 송신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 밴드 패스 필터 1 (410) 은, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호 중에서 제 1 주파수대 (A) 의 신호만을 통과시킨다. 즉, 밴드 패스 필터 1 (410) 에 의해, 노크 센서 (300) 에 의해 검출된 진동으로부터 제 1 주파수대 (A) 의 진동만이 추출된다.
밴드 패스 필터 2 (420) 는, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호 중에서 제 2 주파수대 (B) 의 신호만을 통과시킨다. 즉, 밴드 패스 필터 2 (420) 에 의해, 노크 센서 (300) 에 의해 검출된 진동으로부터 제 2 주파수대 (B) 의 진동만이 추출된다.
밴드 패스 필터 3 (430) 은, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호 중에서 제 3 주파수대 (C) 의 신호만을 통과시킨다. 즉, 밴드 패스 필터 3 (430) 에 의해, 노크 센서 (300) 에 의해 검출된 진동으로부터 제 3 주파수대 (C) 의 진동만이 추출된다.
밴드 패스 필터 4 (450) 는, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호 중에서 제 4 주파수대 (D) 의 신호만을 통과시킨다. 즉, 밴드 패스 필터 4 (450) 에 의해, 노크 센서 (300) 에 의해 검출된 진동으로부터 제 4 주파수대 (D) 의 진동만이 추출된다.
적산 유닛 (450) 은, 밴드 패스 필터 1 (410) 내지 밴드 패스 필터 4 (450)에 의해 선별된 신호, 즉 진동 강도를 크랭크각의 5 도마다 적산한다. 이하, 이러한 적산으로 구해진 값을 적산치라고 한다. 적산치는 주파수대마다 산출된다.
산출된 적산치 중에서, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 적산치는 크랭크각에 대응하여 가산된다. 즉, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 진동 파형이 합성된다. 또한, 제 4 주파수대 (D) 의 적산치가 엔진 (100) 의 진동 파형으로서 사용된다.
제 4 주파수대 (D) 의 적산치에 의해 검출된 진동 파형과 도 5 에 도시된 노크 파형 모델을 비교하여, 노킹 발생 유무를 판정한다. 노크 파형 모델은 엔진 (100) 의 노킹시의 진동 파형 모델이다. 노크 파형 모델은 엔진 ECU (200) 의 메모리 (202) 에 기억된다.
노크 파형 모델에서, 진동 강도는 0 ~ 1 의 무차원수로 나타내어지고 크랭크각에 일의적으로 대응하지 않는다. 보다 자세하게는, 본 실시형태의 노크 파형 모델에 있어서, 진동 강도의 피크치 이후에 크랭크각이 커짐에 따라 진동 강도가 저감한다고 판정되지만, 진동 강도가 피크치가 되는 크랭크각은 결정되지 않는다.
본 실시형태의 노크 파형 모델은, 노킹에 의해 발생한 진동 강도의 피크치 이후의 진동에 대응한다. 노킹으로 인한 진동 발생 이후의 진동에 대응하는 노크 파형 모델을 기억할 수 있다.
노크 파형 모델은 다음과 같이 구해진다. 실험 등을 실시하여 엔진 (100) 의 노킹을 강제적으로 발생시켜, 엔진 (100) 의 진동 파형을 검출하고, 이 진동 파형에 기초하여 노크 파형 모델이 미리 형성되어 기억된다. 하지만, 노크 파형 모델은 다른 방법으로 형성될 수 있음을 알아야 한다.
도 6 을 참조하여, 본 실시형태에 따른 노킹 판정 장치에서 엔진 ECU (200) 에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구조에 대해 설명한다.
단계 (이하, 간단하게 "S" 라고 함) 100 에서, 엔진 ECU (200) 는 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호에 기초하여 엔진 (100) 의 진동 강도를 검출한다. 진동 강도는 노크 센서 (300) 의 출력 전압치로 나타내어진다. 진동 강도는 노크 센서 (300) 의 출력 전압치에 대응하는 값으로 나타낼 수 있음을 알아야 한다. 진동 강도는 연소 행정에서 상사점에서부터 90°(크랭크각) 까지의 각도에 대해 검출된다.
S102 에서, 엔진 ECU (200) 는 노크 센서 (300) 의 출력 전압치 (즉, 진동 강도를 나타내는 값) 를 크랭크각의 5°마다 적산한 값 (적산치) 을 산출한다. 적산치는 제 1 주파수대 (A) 내지 제 4 주파수대 (D) 의 각각 진동에 대해 산출된다. 본원에서, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 적산치는 크랭크 각에 대응하여 가산된다 (즉, 파형이 합성된다). 또한, 제 4 주파수대 (D) 의 적산치가 산출됨으로써, 엔진 (100) 의 진동 파형이 검출된다.
S104 에서, 엔진 ECU (200) 는 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서의 가장 큰 적산치 (피크치) 를 산출한다. S106 에서, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서 피크치의 위치 (크랭크각), 즉 적산치가 최대가 되는 타이밍을 검출한다. 이하, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서의 피크치의 위치를 "피크 위치 1" 이라고 한다.
S108 에서, 엔진 ECU (200) 는 피크치의 위치 (크랭크각) 로부터 소정의 범위 (크랭크각) 내에서, 제 4 주파수대 (D) 에서의 피크치의 위치, 즉 적산치가 최대가 되는 타이밍을 검출한다. 이하, 제 4 주파수대 (D) 에서의 피크치의 위치를 "피크 위치 2" 라고 한다.
본 실시형태에 있어서, 피크 위치 2 는 피크 위치 1 이전의 범위로부터 검출된다. 예를 들어, 피크 위치 1 이전의 3 개의 적산치의 위치 중에서 피크 위치 2 가 검출된다. 피크 위치 1 이전의 범위내에서 가장 큰 제 4 주파수대 (D) 의 적산치의 위치가 피크 위치 2 로서 검출된다. 피크 위치 2 가 검출되는 범위는, 이에 한정되지 않고, 피크 위치 1 이후의 범위일 수 있다.
S110 에서, 엔진 ECU (200) 는 제 4 주파수대 (D) 의 적산치 (엔진 (100) 의 진동 파형) 를 정규화한다. 본원에서, 정규화란, S104 에서 산출된 피크치로 각 적산치를 나누는 것으로서, 진동 강도를 0 ~ 1 의 무차원수로 나타내는 것을 말 한다. 하지만, 정규화는 다른 방법으로 실행될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 피크 위치 2 에서의 적산치로 각 적산치를 나눌 수 있다.
S112 에서, 엔진 ECU (200) 는, 정규화된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 편차에 관련된 값인 상관계수 (K) 를 산출한다. 피크 위치 2 와 노크 파형 모델에서 진동 강도가 최대가 되는 위치 (타이밍) 를 일치시킨 상태에서, 정규화된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 편차의 절대치 (또는 오프셋량) 를 각각의 크랭크각 (5 도) 에 대해 산출함으로써, 상관계수 (K) 가 구해진다.
각각의 크랭크각에 대해 정규화된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 편차의 절대치를 ΔS(I) (I 는 자연수) 로 하고, 노크 파형 모델에서의 진동 강도를 크랭크각에 대해 적산한 값 (즉, 노크 파형 모델의 면적) 을 S 로 하면, 상관계수 (K) 는 식 K = (S－ΣΔS(I))/S 에 의해 산출되고, 여기서 ΣΔS(I) 는 ΔS(I) 들의 합을 나타낸다. 상관계수 (K) 는 다른 방법으로 산출될 수 있음을 알아야 한다.
S114 에서, 엔진 ECU (200) 는 노크 강도 (N) 를 산출한다. 산출된 피크치를 P 로 나타내고, 엔진 (100) 에 노킹이 발생하지 않은 상태에서 엔진 (100) 의 진동 강도를 나타내는 값을 BGL (Back Ground Level) 로 나타내면, 노크 강도 (N) 는 식 N = P×K/BGL 에 의해 산출된다. BGL 은 메모리 (202) 에 기억된다. 노크 강도 (N) 는 다른 방법으로 산출될 수 있음을 알아야 한다.
S116 에서, 엔진 ECU (200) 는, 노크 강도 (N) 가 미리 정해진 기준치보다 큰지 아닌지를 판정한다. 노크 강도 (N) 가 미리 정해진 기준치보다 크면 (S116 에서 YES), 제어는 S118 로 진행된다. 그렇지 않으면 (S116 에서 NO), 제어는 S122 로 진행된다.
S118 에서, 엔진 ECU (200) 는 엔진 (100) 이 노킹되었다고 판정한다. S120 에서, 엔진 ECU (200) 는 스파크 지연을 유도한다. S122 에서, 엔진 ECU (200) 는 엔진 (100) 이 노킹되지 않았다고 판정한다. S124 에서, 엔진 ECU (200) 는 스파크 앞당김을 유도한다.
전술한 바에 기초하여, 본 실시형태에 따른 노킹 판정 장치의 엔진 ECU (200) 의 작동에 대해 설명한다.
운전자가 점화 스위치 (312) 를 작동시켜 엔진 (100) 을 시동시키면, 노크 센서 (300) 로부터 송신된 신호로부터 엔진 (100) 의 진동 강도를 검출한다 (S100).
상사점에서부터 90°까지의 연소 행정에서, 5°마다의 적산치가 제 1 주파수대 (A) 내지 제 4 주파수대 (D) 의 각각의 진동에 대해 산출된다 (S102). 본원에서, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 적산치가 크랭크각에 대응하여 가산된다. 그리하여, 도 7 에서 일점 쇄선으로 도시한 바와 같이, 진동 파형이 합성된다. 도 7 에서 실선으로 도시한 바와 같이 제 4 주파수대 (D) 의 적산치는 엔진 (100) 의 진동 파형으로서 사용된다.
5°마다의 적산치가 진동 파형을 검출하는데 사용됨으로써, 미세한 진동이 억제된 진동 파형을 검출할 수 있다. 그렇게 함으로써, 검출된 진동 파형과 노크 파형 모델을 용이하게 비교할 수 있다.
산출된 적산치에 기초하여, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서의 적산치의 피크치 (P) 가 산출된다 (S104). 본원에서, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 대역폭이 노킹으로 인한 진동을 포함하는데 필요한 만큼의 폭으로 균일하게 설정됨으로써, 이 대역폭이 불필요하게 넓어지는 것이 억제된다. 따라서, 검출되는 진동에 포함되는 노이즈를 억제할 수 있다. 그에 따라, 노이즈로 인한 피크치 (P) 가 잘못 산출되는 것을 억제할 수 있다.
피크치 (P) 의 위치 (피크 위치 1) 가 검출된다 (S106). 본원에서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 피크 위치 1 이 왼쪽에서부터 6 번째의 위치 (25°~ 30°에 대한 적산치의 위치) 에 있다고 가정한다.
피크 위치 1 이전의 3 개의 적산치의 위치 (왼쪽에서부터 4 번째, 5 번째 및 6 번째 위치) 중에서, 피크 위치 2 가 검출된다 (S108). 자세하게는, 제 4 주파수대 (D) 에서, 왼쪽에서부터 4 번째, 5 번째 및 6 번째 위치 중에서, 인접하는 2 개의 적산치보다 큰 적산치의 위치가 피크 위치 2 로서 검출된다.
본원에서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 왼쪽에서부터 5 번째 적산치가, 인접하는 2 개의 적산치 (왼쪽에서부터 4 번째 및 6 번째의 적산치) 보다 크기 때문에, 왼쪽에서부터 5 번째 적산치의 위치가 피크 위치 2 로서 검출된다고 가정한다.
제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서의 피크치 (P) 로 제 4 주파수대 (D) 에서의 적산치를 나누어, 도 8 에서 실선으로 도시한 바와 같이, 진동 파형이 정규화된다 (S110).
정규화에 의해, 진동 파형에서의 진동 강도가 0 ~ 1 의 무차원수로 나타내어진다. 따라서, 진동 강도에 상관없이, 검출된 진동 파형과 노크 파형 모델을 비교할 수 있다. 그렇게 함으로써, 진동 강도에 대응하는 다수의 노크 파형 모델을 기억할 필요성이 없어지고, 그리하여 노크 파형 모델의 형성을 용이하게 할 수 있다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 정규화된 진동 파형에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍, 즉 피크 위치 2 및 노크 파형 모델에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍을 일치시켜, 이 상태에서, 각각의 크랭크각에 대해서 정규화된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 편차의 절대치 ΔS(I) 가 산출된다. ΔS(I) 의 총합 ΣΔS(I) 및 노크 파형 모델에서의 진동 강도를 크랭크각에 대해 적산한 값 S 를 사용하여, K = (S－ΣΔS(I))/S 에 의해 상관계수 (K) 를 산출한다 (S112). 그렇게 함으로써, 검출된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 일치 정도를 수치화하여 객관적으로 판정할 수 있다. 또한, 진동 파형과 노크 파형 모델을 비교함으로써, 진동의 감쇠 경향 등의 진동 거동으로부터 노킹으로 인한 진동인지 아닌지를 분석할 수 있다.
산출된 상관계수 (K) 와 피크치 (P) 와의 곱을 BGL 로 나눔으로써, 노크 강도 (N) 를 산출한다 (S114). 그에 따라, 검출된 진동 파형과 노크 파형 모델간의 일치 정도뿐만 아니라 진동 강도를 사용하여, 엔진 (100) 의 진동이 노킹으로 인한 진동인지 아닌지를 보다 자세하게 분석할 수 있다. 본원에서, 상관계수 (K) 와 20°~ 25°에 대한 적산치를 곱한 것을 BGL 로 나눔으로써 노크 강도 (K) 를 산출한다고 가정하였다.
노크 강도 (N) 가 미리 정해진 기준치보다 크면 (S116 에서 YES), 엔진이 노 킹되었다고 판정되고 (S118), 스파크가 지연되어 (S120), 노킹 발생이 억제된다.
노크 강도 (N) 가 미리 정해진 기준치보다 크지 않으면 (S116 에서 NO), 엔진이 노킹되지 않았다고 판정되고 (S122), 스파크가 앞당겨진다 (S124).
전술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 노킹 판정 장치에 있어서, 엔진 ECU는, 노크 센서에 의해 검출된 진동으로부터, 제 1 주파수대 (A), 제 2 주파수대 (B), 제 3 주파수대 (C) 및 제 1 내지 제 3 주파수대를 포함하는 제 4 주파수대의 진동을 추출한다. 각 주파수대에 포함되는 진동 강도를 크랭크각의 5 도 마다 적산한다. 좁은 대역폭인 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 적산치를 크랭크각에 대응하여 가산하여, 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 진동 파형이 합성된다. 이 합성 파형에서의 적산치의 피크치가 산출된다. 그리하여, 노이즈 성분에 의한 영향이 적은 피크치를 얻을 수 있다. 또한, 넓은 대역폭인 제 4 주파수대의 적산치로부터 엔진의 진동 파형이 검출된다. 그리하여, 노이즈 성분으로 인한 진동을 포함하고 또한 노킹으로 인한 진동과 노이즈로 인한 진동이 용이하게 서로 구별되는 진동 파형을 얻을 수 있다. 이러한 진동 파형과 노크 파형 모델을 비교한 결과 및 제 1 주파수대 (A) 내지 제 3 주파수대 (C) 의 합성 파형에서의 적산치의 피크치에 기초하여, 노킹 발생 여부를 판정한다. 따라서, 진동 파형 및 강도가 노킹시에 특유의 것인지 아닌지를 고려하여, 노킹 발생 유무를 정확하게 판정할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 좁은 대역폭의 주파수대의 개수는 3 개이지만, 1 개, 2 개 또는 4 개 이상일 수 있음을 알아야 한다.
본 발명은 상세하게 설명되었지만, 설명적으로 및 예시적으로 설명되었고 그에 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 한정됨을 알아야 한다.

Claims (13)

  1. 내연기관의 노킹 판정 장치로서,
    내연기관 (100) 의 진동을 검출하는 검출 유닛 (300),
    검출된 진동으로부터 미리 정해진 주파수대의 노킹 시 특유의 진동을 추출하는 제 1 추출 유닛 (200),
    검출된 진동으로부터, 상기 미리 정해진 주파수대를 포함하며 상기 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의, 노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동을 추출하는 제 2 추출 유닛 (200),
    제 2 추출 유닛 (200) 에 의해 추출된 진동에 기초하여 미리 정해진 크랭크각 간격에서의 진동의 파형을 검출하는 파형 검출 유닛 (200),
    내연기관 (100) 의 진동의 파형을 미리 기억하는 저장 유닛 (200), 및
    노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동에 기초하여 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과 및 상기 미리 정해진 주파수대의 진동의 강도에 기초하여, 내연기관 (100) 에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 판정 유닛 (200) 을 포함하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 미리 정해진 주파수대는 다수 정해지는 것을 특징으로 하 는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 다수의 미리 정해진 주파수대는 대역폭이 동일한 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 추출 유닛 (200) 에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 1 타이밍을 검출하는 제 1 검출 유닛 (200) 과,
    제 1 타이밍에 기초하여 설정된 범위 내에서 제 2 추출 유닛 (200) 에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 2 타이밍을 검출하는 제 2 검출 유닛 (200) 을 더 포함하고,
    상기 판정 유닛은, 제 2 타이밍과 기억된 파형에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍을 일치시킨 상태에서, 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과에 기초하여, 내연기관 (100) 에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  6. 삭제
  7. 내연기관의 노킹 판정 장치로서,
    내연기관 (100) 의 진동을 검출하는 수단 (300),
    검출된 진동으로부터 미리 정해진 주파수대의 노킹 시 특유의 진동을 추출하는 제 1 추출 수단 (200),
    검출된 진동으로부터, 상기 미리 정해진 주파수대를 포함하며 상기 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의, 노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동을 추출하는 제 2 추출 수단 (200),
    제 2 추출 수단 (200) 에 의해 추출된 진동에 기초하여 미리 정해진 크랭크각 간격에서의 진동의 파형을 검출하는 수단 (200),
    내연기관 (100) 의 진동의 파형을 미리 기억하는 수단 (200), 및
    노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동에 기초하여 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과 및 상기 미리 정해진 주파수대의 진동의 강도에 기초하여, 내연기관 (100) 에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 판정 수단 (200) 을 포함하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서, 미리 정해진 주파수대는 다수 정해지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 다수의 미리 정해진 주파수대는 대역폭이 동일한 것을 특 징으로 하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제 1 추출 수단 (200) 에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 1 타이밍을 검출하는 제 1 검출 수단 (200) 과,
    제 1 타이밍에 기초하여 설정된 범위 내에서 제 2 추출 수단 (200) 에 의해 추출된 진동 강도가 최대가 되는 제 2 타이밍을 검출하는 제 2 검출 수단 (200) 을 더 포함하고,
    상기 판정 수단은, 제 2 타이밍과 기억된 파형에서 진동 강도가 최대가 되는 타이밍을 일치시킨 상태에서, 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과에 기초하여, 내연기관 (100) 에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
  12. 삭제
  13. 내연기관의 노킹 판정 장치로서,
    내연기관 (100) 의 진동을 검출하는 노크 센서 (300) 와,
    ECU (200) 를 포함하고,
    상기 ECU (200) 는 검출된 진동으로부터 미리 정해진 주파수대의 노킹 시 특유의 진동을 추출하며,
    상기 ECU (200) 는 검출된 진동으로부터, 상기 미리 정해진 주파수대를 포함하며 상기 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의, 노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동을 추출하고,
    상기 ECU (200) 는 미리 정해진 주파수대보다 넓은 주파수대의 진동에 기초하여 미리 정해진 크랭크각 간격에서의 진동의 파형을 검출하며,
    상기 ECU (200) 는 내연기관 (100) 의 진동의 파형을 미리 기억하고,
    상기 ECU (200) 는, 노킹 시 특유의 진동 및 노이즈 성분에 기인하는 진동을 포함하는 진동에 기초하여 검출된 파형과 기억된 파형을 비교한 결과 및 상기 미리 정해진 주파수대의 진동의 강도에 기초하여, 내연기관 (100) 에서의 노킹 발생 유무를 판정하는 내연기관의 노킹 판정 장치.
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