KR101637700B1

KR101637700B1 - 엔진 연소음 피드백제어 방법

Info

Publication number: KR101637700B1
Application number: KR1020140141747A
Authority: KR
Inventors: 정인수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-07-07
Also published as: DE102015210616A1; US9732697B2; US20160108848A1; KR20160046162A; CN106194464B; CN106194464A

Abstract

본 발명의 엔진 연소음 피드백제어 방법은 엔진 작동을 검출한 제어기(10)에서 엔진 연소음 목표값을 계산하고, 계산된 엔진 연소음 목표값에 맞춘 주분사시기 및 파일럿연료량에 의한 연소 후 실린더 압력을 측정하며, 측정된 실린더 압력을 실린더압력레벨(Cylinder Pressure Level)로 변환해 연소음지수(Combustion Noise Index)를 산출하고, 상기 연소음지수가 상기 주분사시기와 상기 파일럿연료량의 제어 시 분사변수제어에 적용되는 피드백파일럿분사제어를 수행함으로써 엔진 작동중 지속적으로 갱신되는 연소음지수에 의한 엔진 연소음 예측과 주분사시기/파일럿연료량의 제어로 엔진 소음이 저감되는 특징을 갖는다.

Description

엔진 연소음 피드백제어 방법{Method for Decreasing Engine Combustion Noise}

본 발명은 엔진 소음 제어에 관한 것으로, 특히 연소압을 활용한 연소음지수(Combustion Noise Index)로 분사변수(주분사시기, 파일럿연료량)가 피드백 제어됨으로써 엔진 연소음 저감이 이루어지는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진 연소 시 발생하는 연소음은 실린더 내 연소 가진력에 의해 발생하는 직접 연소음과, 간극을 두고 움직이는 부품에 연소 가진력이 작용할 때 발생하는 간접 연소음으로 구분된다. 이러한 연소음은 특히 고압축비를 갖는 엔진(예, 디젤 엔진)에서 더욱 중요하게 다뤄짐으로써 파일럿 분사(Pilot Injection)에 의한 연료분사제어가 이루어진다.

이러한 파일럿 분사는 총 연료분사량을 주분사량과 파일럿 분사량으로 구분하고, 상사점(Top Dead Center)을 기준으로 연료분사시점이 구분됨으로써 연소실 내 연소압력의 압력상승기울기 저감이 이루어지고, 이를 통해 연소 압력의 급격한 상승 방지로 연소음을 개선하는 효과가 있다.

국내특허공개특2003-0036741(2003년05월09일)

하지만, 파일럿 분사 방식은 총 연료 분사량중 주분사량에 비해 상대적으로 적은 연료량으로 파일럿 분사량을 설정하고, 이를 통해 연소압력의 압력상승기울기를 저감시켜주는 방식이다.

이로 인해, 연소음 제어를 위한 파일럿 분사 방식과, 압력센서가 적용된 연소압력제어로 소음진동 가진원을 직접적으로 제어함으로써 외란(환경, 연료차이, 엔진 노화(Engine Aging))에 대한 안정적 연소제어가 이루어지는 연소 강건성 제어 방식을 대비 할 때, 파일럿 분사 방식은 연소 강건성 제어 방식에 비해 연소압력의 압력상승기울기 저감에 대한 기여도가 상대적으로 낮다는 한계를 갖는 방식이다.

그러므로, 연소음 제어에서도 소음진동 가진원을 직접적으로 제어하는 연소 강건성 제어 방식이 활용될 수 있는 기술의 필요성이 크게 요구되고 있다. 특히, 유로7 규제로 인해 연소실의 실린더 내부로 연소압력센서가 반드시 설치되어야 하는 환경 변화를 고려할 때 고가의 연소압력센서 활용성 측면에서도 부합될 수 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 연소실의 실린더 내부에 설치된 연소압력센서가 측정한 연소압의 파형을 FFT(Fast Fourier Transform)신호처리하여 연소음지수(Combustion Noise Index)로 수치화함으로써 엔진소음을 예측하고, 디젤연소음지수가 적용된 분사변수(주분사시기, 파일럿연료량)로 연소음을 제어하는 엔진 연소음 피드백제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진 연소음 피드백제어 방법은 엔진 작동을 검출한 제어기에서 엔진 연소음 목표값을 계산하고, 계산된 엔진 연소음 목표값에 맞춘 주분사시기 및 파일럿연료량에 의한 연소 후 실린더 압력을 측정하며, 측정된 실린더 압력을 실린더압력레벨(Cylinder Pressure Level)로 변환해 연소음지수를 산출하고, 상기 연소음지수가 상기 주분사시기와 상기 파일럿연료량의 제어 시 분사변수제어에 적용되는 피드백파일럿분사제어; 를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 엔진 연소음 목표값은 연료량, 엔진회전수(RPM), 변속기어단수, 흡기온, 냉각수온을 고려해 계산된다. 상기 실린더압력레벨은 측정된 실린더 압력을 FFT로 신호 처리해 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계로 표현되고, 상기 연소음지수는 상기 실린더압력레벨의 선도에서 1/3 octave band filtering level의 주파수대역으로부터 산출된다.

상기 피드백파일럿분사제어는, (A) 상기 측정된 실린더 압력을 FFT로 신호 처리해 상기 실린더압력레벨을 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계로 표현하고, (B) 상기 연소음지수를 상기 실린더압력레벨의 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계에서 산출하며, (C) 제동평균유효압력(Brake Mean Effective Pressure)의 기준값을 적용하고, 상기 기준값 이하 시 상기 연소음지수가 보정 없이 무보정 엔진 연소음 예측값으로 계산된 후 상기 분사변수제어에 적용되며, 반면 상기 기준값 이상 시 상기 연소음지수가 보정되어 보정 엔진 연소음 예측값으로 계산된 후 상기 분사변수제어에 적용되도록 수행된다.

상기 (B)에서, 상기 연소음지수[CNI(dB)]는 1/3 octave band filtering level의 주파수대역으로부터 산출되고, 상기 연소음지수[CNI(dB)]는 CNI(dB) = 10LOG (10^{(1000Hz level/10)}+10^{1250Hz level/10)}+10^{(1600Hz level/10)}+10^{(2000Hz level/10)}+10^(2500Hz ^level/10)+10^{(3150Hz level/10)})(수학식1)이다.

상기 (C)에서, 상기 제동평균유효압력의 기준값은 연소압의 증가에 의해 엔진소음도 증가하는 영역이다. 상기 (C)에서, 상기 무보정 엔진 연소음 예측값은 엔진 소음(y)이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0479x² - 15.982x + 1403.3(수학식2)에서 산출된다. 상기 (C)에서, 상기 보정 엔진 연소음 예측값은 (c-1) 엔진 소음(y)이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0822x² + 2.6984x + 13.654(수학식3)이 연소음지수보정값 - 제동평균유효압력 선도로 변환되어 제동평균유효압력 구간별 연소음지수보정값을 산출하고, (c-2) 엔진 소음(y)이 상기 연소음지수보정값이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0822x² + 2.6984x + 13.654(수학식3)를 적용해 산출된다.

이러한 본 발명은 소음진동 가진원을 직접적으로 제어하는 연소 강건성 제어 방식과 같이 연소압력센서를 활용한 소음진동 가진원의 직접적인 제어로 연소음이 제어됨으로써 파일럿 분사 방식 대비 연소음이 개선율이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 분사변수(주분사시기, 파일럿연료량)의 조정에 적용되어 연소음 제어에 활용되는 연소음지수가 연소압력센서에 의한 연소압 파형을 기반으로 수치화됨으로써 연소음 맵으로 구축이 용이하고, 특히 연소음지수의 표준화를 통한 표준 연소음 맵으로 활용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 연소음지수로 구축된 연소음 맵을 ECU에 탑재함으로써 유로7 규제로 인해 연소압력센서의 적용이 필요한 모든 엔진의 설계 변경 없이도 용이하게 적용될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진 연소음 피드백제어 방법이 노말파일럿제어분사와 피드백파일럿분사제어로 구분된 블록 순서도이고, 도 2는 본 발명의 피드백파일럿분사제어에 따른 연소음지수 산출의 예이며, 도 3은 본 발명의 피드백파일럿분사제어 시 연소음지수 보정 미적용에 따른 무보정 엔진 연소음 예측값의 계산 예이고, 도 4,5는 본 발명의 피드백파일럿분사제어 시 연소음지수 보정 적용에 따른 무보정 엔진 연소음 예측값의 계산의 예이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 발명에 따른 엔진 연소음 피드백제어 방법의 블록 순서도를 나타낸다. 이러한 엔진 연소음 피드백제어는 전용제어기나 또는 ECU(Engine Control Unit 또는 Electronic Control Unit)로 수행됨은 명확하므로, 이하에서는 전용제어기나 또는 ECU에 의한 행위는 생략한다.

도시된 바와 같이, 엔진 연소음 피드백제어는 엔진 작동 시 엔진 연소음 목표값이 계산된 후 엔진 연소음 목표값에 의한 연료분사가 이루어지는 노말파일럿분사제어를 수행한 다음, 이어 노말파일럿분사제어에 의한 연소 후 실린더 압력을 이용한 연소음지수(Combustion Noise Index, 이하 CNI)로 분사변수제어가 이루어지는 피드백파일럿분사제어로 수행된다.

상기 노말파일럿분사제어는 S10내지 S30으로 구현된다. 구체적으로 S10은 엔진 연소음 목표값을 산출하는 과정으로서, 상기 엔진 연소음은 실린더 내 연소 가진력에 의해 발생하는 직접 연소음과 간극을 두고 움직이는 부품에 연소 가진력이 작용할 때 발생하는 간접 연소음을 포함하고, 특히 엔진소음도 포함할 수 있다. 이를 위해, 연료량, 엔진회전수(RPM), 변속기어단수, 흡기온, 냉각수온 등이 고려된다. S20은 엔진 연소음 목표값을 추종하도록 인젝터의 연료분사를 위한 분사변수제어가 실행되는 과정으로서, 이를 위해 주분사시기와 파일럿 연료량이 엔진 연소음 목표값으로 제어된다. 이는 파일럿 분사(Pilot Injection)에 의한 연료분사제어를 의미한다. S30은 엔진 연소이다.

상기 피드백파일럿분사제어는 S40내지 S80으로 구현된다. 특히, 상기 피드백파일럿분사제어는 CNI가 직접연소음만 반영하고 엔진 연소음은 직접연소음과 간접연소음 등이 포함된 것이므로 제동평균유효압력(Brake Mean Effective Pressure, 이하 BMEP)이 7바 이상일 때 연소압의 증가에 의해 엔진소음도 증가한다고 가정을 포함한다.

구체적으로 S40과 같이 엔진 연소로부터 CNI를 계산하고, S50과 같이 BMEP에 따른 연료량을 고려함으로써 CNI의 보정여부가 판단된다. 일례로, 엔진 연소음 예측을 위한 2차 방정식에 적용되는 CNI가 BMEP 6bar를 기준으로 그 이하와 이상에 따라 엔진 연소음과 상관성이 변화됨에 근거한다. 그러므로, CNI와 엔진 연소음의 상관성이 높은 BMEP 6bar 이하의 연료량에서는 S60-1과 같이 2차 방정식에 CNI를 대입함으로써 엔진 연소음을 예측하고, 그 결과로 무보정 엔진 연소음 예측값이 획득된다. 반면, CNI와 엔진 연소음의 상관성이 높지 않은 BMEP 6bar 이상의 연료량에서는 S60-2a 및 S60-2b와 같이 CNI와 엔진 연소음의 상관성을 높이기 위해 CNI 보정값을 활용함으로써 2차 방정식으로 엔진 연소음을 예측하고, 그 결과로 보정 엔진 연소음 예측값이 획득된다. 이어, S70과 같이 무보정 엔진 연소음 예측값 또는 보정 엔진 연소음 예측값을 엔진 연소음 목표값과 비교하고, 그 결과를 이용해 S80과 같이 분사변수 제어 값이 피드백된다. 여기서, 상기 분사변수 제어 값은 주분사시기와 파일럿 연료량을 의미하지만, 필요시 엔진 연소음 저감과 관련된 다른 분사변수 제어 값을 포함할 수 있다.

그러므로, 엔진 연소음 피드백제어에서는 엔진 작동중 지속적으로 갱신되는 CNI가 반영된다.

한편, 도 2내지 도 5는 CNI, BMEP, CNI 보정에 대한 구체적인 과정을 나타낸다.

도 2를 참조하면, CNI 계산은 S41내지 S44로 구체화된다. S41과 같이 연소에 의한 엔진의 실린더압력을 엔진에 장착된 연소압 센서로 측정한다. 이때, 상기 실린더압력의 측정시점에서 연료량, 엔진회전수(RPM), 변속기어단수, 흡기온, 냉각수온, 분사압 등을 고려한다. S42와 같이 실린더압력의 검출 값을 FFT(Fast Fourier Transform)처리하고, S43과 같이 FFT신호처리를 이용해 실린더압력레벨(Cylinder Pressure Level, 이하 CPL)을 소음크기(dB)-주파수(Hz)선도로 변환한다. 이어, S44와 같이 CPL을 이용해 CNI를 계산한다. CNI는 다음의 수학식1로 표현된다.

CNI(dB) = 10LOG (10^{(1000Hz level/10)}+10^{1250Hz level/10)}+10^{(1600Hz level/10)}+10^{(2000Hz level/10)}+10^(2500Hz ^level/10)+10^{(3150Hz level/10)}) - 수학식1

상기 수학식1은 CPL에서 1000~3150 Hz (1/3 octave) 대역으로 필터링 하고, 그 레벨을 계산한 결과로 획득된다.

도 3을 참조하면, S60-1은 BEMP 6bar 이하 조건에서 CNI 보정 없이 엔진 연소음 예측값이 계산됨을 나타낸다. 도시된 바와 같이, S60-1의 무보정 엔진 연소음 예측값은 수학식2로 표현된다. 여기서 y는 엔진소음이고, x는 CNI를 나타낸다.

y = 0.0479x² - 15.982x + 1403.3, R² = 0.9889 ----- 수학식2

상기 수학식2에서, x에 CNI을 적용함으로써 y를 얻고, 얻어진 y가 무보정 엔진 연소음 예측값으로 적용된다.

도 4를 참조하면, S60-2a는 BEMP 6bar 이상 조건에서 CNI 보정 값을 구하는 과정을 나타낸다. 도시된 바와 같이, S60-2a의 CNI 보정값 계산에는 수학식3과 CNI 보정값- BMEP 선도가 함께 적용된다. 여기서 y는 엔진소음이고, x는 CNI이고, BEMP는 bar를 나타낸다.

y = 0.0822x² + 2.6984x + 13.654, R² = 0.988 ----- 수학식3

상기 수학식3을 CNI 보정값- BMEP 선도로 표현하고, 상기 CNI 보정값- BMEP 선도로부터 BMEP 크기에 따른 CNI 보정값이 선정된다. 일례로, BMEP 7바의 CNI 보정값은 1.5dB… 17바의 CNI 보정값은 8.7dB이다. 특히, CNI 보정값은 엔진 RPM 마다 정하고, 이를 CNI 보정값으로 구축한다.

도 5를 참조하면, S60-2b는 BEMP 6bar 이상 조건에서 CNI 보정값으로 보정엔진 연소음 예측값이 계산됨을 나타낸다. 도시된 바와 같이, S60-2b의 보정 엔진 연소음 예측값은 수학식4로 표현된다. 여기서 y는 엔진소음이고, x는 CNI를 나타낸다.

y = 0.0504x² - 17.2834x + 1555.2, R² = 0.9889 ----- 수학식4

상기 수학식4에서, x에 CNI보정값을 적용함으로써 y를 얻고, 얻어진 y가 보정 엔진 연소음 예측값으로 적용된다.

그러므로, 엔진 연소음 피드백제어에서는 엔진 작동중 지속적으로 갱신되는 CNI가 반영되고, 특히 BEMP 크기에 맞춰 CNI를 CNI보정값으로 변환됨으로써 무보정 엔진 연소음 예측값이나 보정 엔진 연소음 예측값으로 엔진 연소음 제어가 구현된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 연소음 피드백제어 방법은 엔진 작동을 검출한 제어기(10)에서 엔진 연소음 목표값을 계산하고, 계산된 엔진 연소음 목표값에 맞춘 주분사시기 및 파일럿연료량에 의한 연소 후 실린더 압력을 측정하며, 측정된 실린더 압력을 실린더압력레벨로 변환해 CNI를 산출하고, CNI가 주분사시기와 파일럿연료량의 제어 시 분사변수제어에 적용되는 피드백파일럿분사제어를 수행함으로써 엔진 작동중 지속적으로 갱신되는 CNI에 의한 엔진 연소음 예측과 주분사시기/파일럿연료량의 제어로 엔진 소음이 저감된다.

10 : 제어기 10-1 : 연소음 제어부
20 : 엔진 센서 30 : 연료 인젝터

Claims

엔진 작동을 검출한 제어기에서 엔진 연소음 목표값을 계산하고, 계산된 엔진 연소음 목표값에 맞춘 주분사시기 및 파일럿연료량에 의한 연소 후 실린더 압력을 측정하며, 측정된 실린더 압력을 실린더압력레벨(Cylinder Pressure Level)로 변환해 연소음지수(Combustion Noise Index)를 산출하고, 상기 연소음지수가 상기 주분사시기와 상기 파일럿연료량의 제어 시 분사변수제어에 적용되는 피드백파일럿분사제어;를 포함하고,
상기 피드백파일럿분사제어는, (A) 상기 측정된 실린더 압력을 FFT(Fast Fourier Transform)로 신호 처리해 상기 실린더압력레벨을 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계로 표현하고, (B) 상기 연소음지수를 상기 실린더압력레벨의 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계에서 산출하며, (C) 제동평균유효압력(Brake Mean Effective Pressure)의 기준값을 적용하고, 상기 기준값 이하 시 상기 연소음지수가 보정 없이 무보정 엔진 연소음 예측값으로 계산된 후 상기 분사변수제어에 적용되며, 반면 상기 기준값 이상 시 상기 연소음지수가 보정되어 보정 엔진 연소음 예측값으로 계산된 후 상기 분사변수제어에 적용되도록 수행되는
것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 엔진 연소음 목표값은 연료량, 엔진회전수(RPM), 변속기어단수, 흡기온, 냉각수온을 고려해 계산되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 실린더압력레벨은 측정된 실린더 압력을 FFT(Fast Fourier Transform)로 신호 처리해 소음(dB)-주파수(Hz)의 관계로 표현되고, 상기 연소음지수는 상기 실린더압력레벨의 선도에서 1/3 octave band filtering level의 주파수대역으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 (B)에서, 상기 연소음지수[CNI(dB)]는 1/3 octave band filtering level의 주파수대역으로부터 산출되고, 상기 연소음지수[CNI(dB)]는 CNI(dB) = 10LOG (10^{(1000Hz level/10)}+10^{1250Hz level/10)}+10^{(1600Hz level/10)}+10^{(2000Hz level/10)}+10^(2500Hz ^level/10)+10^{(3150Hz level/10)})(수학식1)인 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서, 상기 제동평균유효압력의 기준값은 연소압의 증가에 의해 엔진소음도 증가하는 영역인 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 기준값은 6bar인 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서, 상기 무보정 엔진 연소음 예측값은 엔진 소음(y)이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0479x² - 15.982x + 1403.3(수학식2)에서 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서, 상기 보정 엔진 연소음 예측값은 (c-1) 엔진 소음(y)이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0822x² + 2.6984x + 13.654(수학식3)이 연소음지수보정값 - 제동평균유효압력 선도로 변환되어 제동평균유효압력 구간별 연소음지수보정값을 산출하고, (c-2) 엔진 소음(y)이 상기 연소음지수보정값이 연소음지수(x)로 표현된 y = 0.0822x² + 2.6984x + 13.654(수학식3)를 적용해 산출되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 연소음지수보정값은 엔진 RPM에 대응하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기는 ECU(Engine Control Unit)이고, 상기 실린더 압력은 엔진 실린더에 설치된 연소압 센서로 측정되는 것을 특징으로 하는 엔진 연소음 피드백제어 방법.