KR101255784B1 - 엔진 회전수 제어장치 및 방법 - Google Patents

엔진 회전수 제어장치 및 방법 Download PDF

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KR101255784B1 KR1020110005239A KR20110005239A KR101255784B1 KR 101255784 B1 KR101255784 B1 KR 101255784B1 KR 1020110005239 A KR1020110005239 A KR 1020110005239A KR 20110005239 A KR20110005239 A KR 20110005239A KR 101255784 B1 KR101255784 B1 KR 101255784B1
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Abstract

본 발명은 2행정 엔진의 회전수를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 실제 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM값과 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 선별 제어함으로써, 엔진이 순간적으로 폭주하거나 정지되는 현상을 사전에 예방할 수 있는 유용한 발명이다.

Description

엔진 회전수 제어장치 및 방법{Control apparatus of Engine RPM and Control method thereof}
본 발명은 2행정 엔진의 회전수 제어에 관한 것으로, 특히 2행정 엔진의 회전수를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
엔진은 사용 연료에 따라 가솔린과 디젤로 구분되며, 기구적인 동작방식에 따라 크게 4행정 엔진과 2행정 엔진으로 구분되어 진다.
일반적으로 4행정 엔진의 경우 자동차, 바이크 등 대중적인 운송, 차량 등에 널리 사용되는데, 이는 4행정 엔진의 효율이 높고 2행정 엔진에 비해 매연은 물론 소음이 적기 때문이다. 4행정 엔진에 비해 2행정 엔진은 소형으로 구현 가능하고 경량화할 수 있다는 점 그리고 부품이 단순하다는 장점을 가진다. 이러한 이유로 2행정 엔진은 UAV, 군사용, 로봇과 같은 특수 산업 분야에서 그 수요가 꾸준히 확대되고 있으며, 예초기, 엔진톱, 분무기 등에도 2행정 엔진이 폭 넓게 탑재되어 사용되고 있다.
이와 같이 그 사용 범위가 넓은 2행정 엔진의 경우 엔진에 걸리는 부하의 용량에 따라 사용자가 엔진의 회전수를 조정하도록 설계되어 있으나, 일반적인 2행정 엔진의 경우 응답속도가 늦기 때문에 부하변동시 엔진 회전수(RPM)가 기준 RPM을 순간적으로 추종하지 못하여 폭주현상 혹은 정지되는 현상이 발생하곤 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 엔진이 일정한 RPM을 유지하도록 고안된 조속기(governor)를 이용할 수도 있겠지만, 2행정 엔진과 같이 윤활장치가 없는 엔진에는 조속기의 장착이 불가능하다. 따라서 2행정 엔진에서도 엔진에 가해지는 불규칙적인 부하 변동에 따라 엔진의 RPM이 발산 혹은 정지하지 않고 기준 RPM을 신속하게 추종할 수 있는 방안이 필요하게 되었다.
이에 본 발명의 목적은 2행정 엔진에서도 엔진의 회전수를 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 엔진 회전수 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있으며,
더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 2행정 엔진에 가해지는 부하 변동량에 상관없이 엔진의 회전수를 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 엔진 회전수 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 2행정 엔진의 부하변동시에도 신속하게 기준 RPM을 추종하도록 하여 엔진이 정지되거나 폭주되는 현상을 사전에 예방할 수 있는 엔진 회전수 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 엔진 회전수 제어장치는,
RPM 센서의 출력으로부터 2행정 엔진의 실제 RPM을 계산하는 RPM 계산부와;
부하 용량에 따라 다수의 기준 RPM 값들을 저장하는 기준 RPM 저장부와;
실제 RPM이 부하 용량에 맞게 가변 설정되는 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM값과 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하는 스로틀 밸브 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.
더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 엔진 회전수 제어장치의 스로틀 밸브 제어부는,
상기 RPM 계산부로부터 얻어지는 실제 RPM(n) 값과 기준 RPM값으로부터 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 얻기 위한 RPM차 계산부와;
상기 RPM차 계산부에서 얻어진 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 순차 지연 및 가중치 부여하여 과거 샘플의 RPM 차(Y(1))를 얻기 위한 필터와;
상기 현재 및 과거 샘플의 RPM 차(e(0), Y(1)로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 스로틀 밸브의 제어여부를 결정하는 결정기;를 포함함을 특징으로 한다.
아울러 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어방법은,
RPM 센서의 출력으로부터 2행정 엔진의 실제 RPM을 계산하는 단계와;
계산된 실제 RPM과 부하 용량에 맞게 가변 설정되는 기준 RPM을 비교하는 단계와;
실제 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM값과 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 하며,
상기 스로틀 밸브 제어하는 단계는,
계산된 실제 RPM(n) 값과 기준 RPM값으로부터 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 계산하는 단계와;
계산된 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 순차 지연 및 가중치 부여하여 과거 샘플의 RPM 차(Y(1))를 계산하는 단계와;
상기 현재 및 과거 샘플의 RPM 차(e(0), Y(1)로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 스로틀 밸브의 제어 여부를 결정하는 단계;를 포함함을 부가적인 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명은 기본적으로 실제 엔진의 RPM과 부하 용량에 맞게 가변 설정되는 기준 RPM의 차를 이용하여 엔진의 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어지는 실제 RPM값과 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 엔진의 실제 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어한다. 이로써 본 발명은 2행정 엔진에서도 엔진에 가해지는 불규칙적인 부하 변동에 따라 엔진의 RPM이 발산하거나 정지하지 않고 기준 RPM을 신속하게 추종하도록 할 수 있게 되는 것이다.
또한 본 발명은 기준 RPM과 실제 RPM 값의 차를 이용하여 코딩한 값과 스로틀 포지션 센서에서 입력되는 위치값을 조합하여 스로틀 밸브를 제어하기 때문에 실제 엔진의 RPM이 기준 RPM을 신속 정확하게 추종할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진 제어장치의 블럭구성도.
도 2는 도 1중 스로틀 밸브 제어부의 구성 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진 제어 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 2행정 엔진의 구동방식과 같은 일반적이면서 공지된 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우 그에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
우선 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진 제어장치의 블럭구성도를도시한 것이며, 도 2는 도 1중 스로틀 밸브 제어부(220)의 구성도를 보다 상세하게 예시한 것이다.
도 1을 참조하면, RPM 센서(100)는 엔진이 1회전 할 때마다 펄스를 발생시킨다. 이로써 ECU(200)내에 위치 가능한 RPM 계산부(210)는 엔진 1회전시 마다 입력되는 펄스수를 카운트하여 2행정 엔진의 실제 분당 회전수를 계산할 수 있다.
TPS(Throttle Position Sensor)(110)는 엔진 출력을 제어하는 스로틀 각을 감지하기 위한 센서로서 현재 스로틀 각을 후술할 스로틀 밸브 제어부(220)측으로 전달해 준다. 스로틀 밸브(120)는 후술하는 스로틀 밸브 제어부(220)의 제어에 따라 그 개폐량이 조절된다.
2행정 엔진의 출력을 제어하는 ECU(200)는 본 발명의 구현을 위해 적어도 RPM 센서(100)의 출력으로부터 2행정 엔진의 실제 RPM을 계산하는 RPM 계산부(210)와, 부하 용량에 따라 다수의 기준 RPM 값들을 저장하는 기준 RPM 저장부(230)와, 실제 RPM이 부하 용량에 맞게 설정된 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브(120)를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM값과 상기 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 실제 RPM을 예측하여 상기 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브(120) 제어하는 스로틀 밸브 제어부(220)를 포함한다.
이 경우, 2행정 엔진은 엔진의 부하 용량에 맞추어 기준 RPM이 설정되며, 동일한 부하용량을 가진 2행정 엔진에서는 상기 기준 RPM은 변경되지 않는다. 따라서 현재, 과거 및 다음 샘플링 구간에서의 부하 용량은 동일하며, 따라서 설정된 기준 RPM은 현재, 과거 및 다음 샘플링 구간에서 모두 동일하다.
상기 스로틀 밸브 제어부(220)는 도 3에 도시한 바와 같이 RPM 계산부(210)로부터 얻어지는 실제 RPM(n) 값과 기준 RPM값으로부터 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 얻기 위한 RPM차 계산부(221)와, 상기 RPM차 계산부(221)에서 얻어진 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 순차 지연(222,223) 및 가중치(W1,W2) 부여하여 과거 샘플의 RPM 차(Y(1))를 얻기 위한 필터(224)와, 상기 현재 및 과거 샘플의 RPM 차 e(0), Y(1)으로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 스로틀 밸브(120)의 제어 여부를 결정하는 결정기(225)를 포함한다. 예를 들어 스로틀 밸브 제어부(220)는 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 양수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 클 때 엔진의 폭주로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브(120)를 제어하고, 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 음수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 작을 때 엔진의 회전수 저하로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브(120)를 제어한다.
상술한 구성 이외에 스로틀 밸브 제어부(220)는 엔진의 온도와 오일 상태를 각각의 센서를 통해 감지하고, 그 감지 결과에 따라 엔진을 제어하는데 이는 본 발명의 요지와 밀접한 관련이 없으므로 하기 설명에서는 생략하기로 한다.
이하 도 1과 도 2의 구성을 포함하는 엔진 제어장치의 동작을 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진의 제어 흐름도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 우선 2행정 엔진을 이용하는 사용자는 부하의 용량에 따라 엔진의 회전수를 조정하여 엔진을 사용한다. 이와 같이 사용자가 엔진의 회전수를 설정하면 그에 맞게 기준 RPM이 정해진다. 기준 RPM이 정해진 상태에서 2행정 엔진이 가동되면 RPM 센서(100)로부터 1회전시 마다 펄스가 출력됨으로써, RPM 계산부(210)에서는 실제 RPM이 계산(S10단계)되어 스로틀 밸브 제어부(220)로 입력된다.
이에 스로틀 밸브 제어부(220)에서는 현재 샘플링 구간에서 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 하기 수학식 1에 의해 계산(S12단계)하고, 그 계산된 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 도 2에 도시된 필터를 이용하여 과거 샘플의 RPM 차를 계산(S14단계)한다.
[수학식 1]
e(n） = 실제 RPM(n) - 기준 RPM
상기 수학식 1에서 n은 0,1,2로써, e(0)는 현재 샘플의 RPM 차이며, e(1)은 한 샘플 전의 RPM차이고, e(2)는 두 샘플 전의 RPM차를 나타낸다. 그리고 기준 RPM은 사용자에 의해 설정되는 RPM이다.
참고적으로 S12단계에서 현재 샘플의 RPM차가 계산되면 이값으로부터 스로틀 밸브(120)를 개폐하는 스텝모터의 스텝 수 코딩값 산출이 가능하다. 스텝 수 코딩값 산출을 위해서는 하기와 같은 룩업 테이블을 이용할 수 있으며, 이러한 룩업 테이블은 스로틀 밸브 제어부(220)의 내부 메모리에 저장하여 관리할 수 있다. 하기 테이블에서 RPM 차는 실제 RPM과 기준 RPM 차의 절대값을 나타내고 있으며, ThnRPM(n=1,2,3,4,5,6,7)은 엔진의 특성과 부하에 따라서 달리 설정되는 외부 입력값이다.
RPM 차 코딩값
0<= RPM차 <Th1RPM 0
Th1RPM<= RPM 차 < Th2RPM 1
Th2RPM<= RPM 차 < Th3RPM 2
Th3RPM<= RPM 차 < Th4RPM 3
Th4RPM<= RPM 차 < Th5RPM 4
Th5RPM<= RPM 차 < Th6RPM 5
Th6RPM<= RPM 차 < Th7RPM 6
Th7RPM<= RPM 차 7
즉, 스로틀 밸브 제어부(220)는 현재 샘플의 RPM 차가 계산되면 엔진의 실제 RPM이 부하 용량에 맞게 설정된 기준 RPM을 추종하도록 상기 룩업 테이블에서 스로틀 밸브(120)를 개폐하기 위해 필요한 스텝모터의 스텝 수 코딩값을 독출한다.
코딩값이 독출되면 그 값으로 스로틀 밸브(220)를 직접 제어하는 것이 아니고 우선 S14단계에서 얻어진 과거 샘플의 RPM 차와 S12단계에서 얻어진 현재 샘플의 RPM 차 값을 이용하여 다음 샘플의 RPM을 예측(S16단계)한다. 이러한 예측단계(S16)는 스로틀 밸브 제어부(220)내의 결정기(225)에서 실행된다. 즉, 결정기(225)는 RPM 계산부(221)로부터 얻어진 현재 샘플의 RPM 차(e(0))와 필터(224)로부터 얻어진 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)=e(1)*w(1)+e(2)*w(2))를 비교하여 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측한다. 예를 들면, S16단계에서 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 양수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 크다면 엔진의 폭주로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 룩업 테이블에서 독출된 코딩값으로 스로틀 밸브(120)를 제어(S18단계)한다. 만약 S16단계에서 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 음수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 작다면 엔진의 회전수 저하로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 룩업 테이블에서 독출된 코딩값으로 스로틀 밸브(120) 제어(S18단계)한다. 예시한 두 조건 이외의 조건 예를 들면 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 양수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 작다면 기준 RPM을 정상적으로 추종하고 있는 것으로 판단하여 스로틀 밸브(120)의 제어를 수행하지 않는다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 2행정 엔진 제어장치 및 방법은 기본적으로 실제 엔진의 RPM과 부하 용량에 맞게 가변 설정되는 기준 RPM의 차를 이용하여 엔진의 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브(120)를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어지는 실제 RPM값과 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 엔진의 실제 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어함으로써, 엔진이 순간적으로 폭주하거나 정지되는 현상을 사전에 예방할 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 일정한 회전수를 지속적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 변형 가능한 실시예로써 스로틀 밸브의 개폐각도를 참조하여 스로틀 밸브를 제어하는 방법을 추가 강구할 수도 있다. 보다 구체적으로, 엔진의 실제 RPM과 기준 RPM의 차를 이용하여 스텝 수를 코딩한 값과 TPS(110)에서 얻어지는 위치값을 조합하여 실제 스로틀 밸브(120)의 제어값을 결정하면 보다 정밀한 회전수 제어가 가능하다. TPS(110)를 이용하는 이유는 스로틀 밸브의 개폐정도에 따라서 공기의 체적량이 다르기 때문이다. 다만 스로틀 밸브의 개폐 각도에 따른 공기 체적량이 선형이 아니므로 이러한 비선형적 특성을 파악하여 스로틀 밸브를 제어한다면 보다 정밀한 회전수 제어가 가능할 것이다.
100: RPM 센서 110: TPS(Throttle Position Sensor)
120: 스로틀 밸브 200: ECU
224: 필터

Claims (8)

  1. RPM 센서의 출력으로부터 2행정 엔진의 실제 RPM을 계산하는 RPM 계산부와;
    기준 RPM을 저장하는 기준 RPM 저장부와;
    실제 RPM이 상기 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM의 값과 상기 기준 RPM의 값의 차들로부터 다음 샘플링 구간에서의 실제 RPM값을 예측하여 상기 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하는 스로틀 밸브 제어부;를 포함함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스로틀 밸브 제어부는,
    상기 RPM 계산부로부터 얻어지는 실제 RPM(n) 값과 기준 RPM값으로부터 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 얻기 위한 RPM차 계산부와;
    상기 RPM차 계산부에서 얻어진 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 순차 지연 및 가중치 부여하여 과거 샘플의 RPM 차(Y(1))를 얻기 위한 필터와;
    상기 현재 및 과거 샘플의 RPM 차(e(0), Y(1))로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 스로틀 밸브의 제어 여부를 결정하는 결정기;를 포함함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 스로틀 밸브 제어부는,
    현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 양수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 클 때 엔진의 폭주로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하고, 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 음수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 작을 때 엔진의 회전수 저하로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스로틀 밸브 제어부는,
    기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재의 스로틀 밸브 개폐각도를 참조하여 스로틀 밸브 제어함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어장치.
  5. RPM 센서의 출력으로부터 2행정 엔진의 실제 RPM을 계산하는 단계와;
    계산된 실제 RPM과, 미리 설정된 기준 RPM을 비교하는 단계와;
    실제 RPM이 상기 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재 및 과거 샘플링 구간 각각에서 얻어진 실제 RPM값과 상기 기준 RPM의 차 값들로부터 다음 샘플링 구간에서의 실제 RPM을 예측하여 상기 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 스로틀 밸브 제어하는 단계는,
    계산된 실제 RPM(n) 값과 기준 RPM값으로부터 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 계산하는 단계와;
    계산된 현재 샘플의 RPM 차(e(0))를 순차 지연 및 가중치 부여하여 과거 샘플의 RPM 차(Y(1))를 계산하는 단계와;
    상기 현재 및 과거 샘플의 RPM 차(e(0), Y(1)로부터 다음 샘플링 구간에서의 RPM을 예측하여 스로틀 밸브의 제어 여부를 결정하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 스로틀 밸브의 제어 여부를 결정하는 단계는,
    현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 양수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 클 때 엔진의 폭주로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어하고, 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 음수이고 현재 샘플의 RPM 차(e(0))가 과거 샘플의 RPM 차(Y(1)) 보다 작을 때 엔진의 회전수 저하로 판단하여 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브 제어함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 스로틀 밸브 제어하는 단계는,
    실제 RPM이 기준 RPM을 추종하도록 스로틀 밸브를 제어하되, 현재의 스로틀 밸브 개폐각도를 참조하여 스로틀 밸브 제어함을 특징으로 하는 2행정 엔진의 엔진 회전수 제어방법.
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