KR102163796B1 - 다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 방법은, 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거단계와, 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 정해진 두 특정 위치의 투스 신호로부터 기통 별 속도 추세선을 생성하는 속도 추세선 생성단계와, 속도 추세선 생성단계에서 생성된 속도 추세선의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단단계를 포함하는 것을 요지로 한다.

Description

다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치{Misfire diagnosis method and device of Multi cylinder four-stroke engine}

본 발명은 다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)로부터 계산되는 기통 별 속도 정보를 이용하여 실화 여부 및 실화가 발생한 실린더를 정확하게 진단 및 검출할 수 있는 다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.

화석연료를 사용하는 엔진에서 분사된 연료가 연소하지 않고 그대로 외기로 배출되는 현상을 실화(Misfire)라 한다. 엔진 실화가 발생하면, 미연소된 연료가 그대로 배출되어 대기오염에 악영향을 미치거나 미연소된 연료가 촉매에서 연소되어 촉매를 손상시킬 수 있다.

이에 따라 자동차의 경우 ECU 내에 실화검출 로직을 탑재하여 실화를 진단함으로써 대기오염이나 촉매 손상을 방지하고 있다. 일반 양산 차량의 경우 크랭크각 센서에서 계측된 투스 신호(Tooth time signal)로부터 엔진 속도를 추출하여 실화를 진단하는 엔진 러프니스(Engine roughness) 방법이 주로 채택되고 있다.

엔진 변동성을 이용한 엔진 러프니스 방법은 CARB(미국 캘리포니아 대기환경청)에서 규정하고 있는 실화 검출 영역을 커버하기는 하나, Post Oscillation 현상에 의한 실환 진단의 정확성이 떨어지는 한계가 있다.

엔진 변동성을 이용하는 방식 외에도 폭발 행정 과정에서 점화 플러그 회로에서 발생하는 이온 전류(Ionic current)를 계측하여 실화를 진단하는 방법도 알려져 있다. 또한 실린더의 연소 압력을 직접 계측하여 실화를 진단하는 방법도 알려진바 있다.

그러나 이러한 방법(이온 전류를 이용하는 방법 또는 연소 압력을 특성을 이용하는 방법)들은, 기존의 차량에 새로운 기능을 추가하거나, 새로운 센서를 추가해야만 하기 때문에 차량 가격이 상승되고, 이로 인해 양산 차에 적용하기에는 비용적 측면에서 부담이 있을 수밖에 없다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도의 센서나 장비의 추가 없이 크랭크각 센서에서 계측된 출력 신호를 이용하여 엔진의 실화 여부를 검출하는 주파수 분석 방식이 제안되기도 하였으나, 기존 주파수 분석 방식은 복수의 실린더에서 실화가 발생한 경우 실화 발생 실린더를 정확하게 진단하는 데에 어려움이 있다.

한국등록특허 제10-1869324호(등록일 2018.06.14)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 별도의 센서나 장비의 추가 없이 크랭크각 센서의 출력 신호만으로 단순하면서도 정확하게 기통 별 실화 여부를 진단/검출할 수 있는 다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 방법으로서,

a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거단계;

b) 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 미리 설정된 두 특정 위치의 투스 신호로부터 기통 별 속도 추세선을 생성하는 속도 추세선 생성단계;

c) 상기 b) 단계에서 생성된 속도 추세선의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하는 다기통 엔진의 실화 진단 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 실화 진단 방법에서의 상기 속도 추세선은, 기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 흡입행정 초기 타겟 휠의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 한 점과, 기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 배기행정 말기 타겟 휠의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 다른 한 점을 연결한 직선일 수 있다.

바람직한 일례로서 상기 c) 단계에서는, 상기 속도 추세선의 기울기를 기록장치에 맵핑된 설정 임계값(Threshold)과 비교하여 실화 여부를 진단할 수 있다.

바람직하게는, 상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값보다 작으면 실화로 진단할 수 있다.

이와는 다르게, 상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값과 같거나 설정 임계값보다 크면 정상점화로 진단할 수 있다.

바람직한 다른 예로서 상기 c) 단계에서는, 상기 속도 추세선의 기울기를 직전 사이클에서 도출된 동일 기통의 속도 추세선과 비교하여 실화 여부를 진단할 수도 있다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,

다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 장치로서,

엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal)를 생성하는 크랭크각 센서;

상기 크랭크각 센서의 투스 신호로부터 한 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,

상기 제어기는,

한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거부와,

선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 기통 별 속도 추세선을 생성하는 속도 추세선 생성부와,

생성된 속도 추세선의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단부를 포함하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치을 제공한다.

여기서 상기 속도 추세선 생성부는, 기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 흡입행정 초기 타겟 휠의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 한 점과, 기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 배기행정 말기 타겟 휠의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 다른 한 점을 연결하여 상기 속도 추세선을 생성할 수 있다.

바람직한 일례로서 상기 실화 진단부는, 상기 속도 추세선의 기울기를 기록장치에 맵핑된 설정 임계값(Threshold)과 비교하여 실화 여부를 진단할 수 있다.

이 경우 상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값보다 작으면 실화로 진단할 수 있으며, 상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값과 같거나 설정 임계값보다 크면 정상점화로 진단할 수 있다.

또한 상기 실화 진단부는, 상기 속도 추세선의 기울기를 직전 사이클에서 도출된 동일 기통의 속도 추세선과 비교하여 실화 여부를 진단할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서가 출력하는 신호로부터 알 수 있는 기통 별 흡입행정 초기 엔진 속도와 배기행정 말기 엔진 속도)만으로도 실화(Misfire) 여부를 진단할 수 있다.

즉 실화 여부를 명확하게 판단할 수 있는 최소한의 주요 정보만을 가지고 실화를 진단/검출함으로써, 실화 진단/검출을 위한 프로세스를 단순화하면서도 정확도 높은 실화 진단/검출이 가능하며, 별도의 하드웨어적인 추가 구성 없이도 소프트웨어만으로 구현이 가능하므로 개발비용이 저렴하다는 장점이 있다.

더욱이, 기통 별로 구분해 속도 추세선의 기울기를 설정 임계값과 비교하여 실화 여부를 진단하기 때문에, 엔진의 한 사이클 동안 실화 발생 횟수는 물론, 실화가 발생한 기통, 즉 실린더 위치를 정확하게 진단 및 검출해낼 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진 실화 진단 장치의 개념도.
도 2는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하기 전과 선형 추세 제거 후 경과시간에 따른 엔진 속도 변동을 도시한 그래프.
도 3은 속도 추세선 생성 과정을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 실험 데이터로서, 4기통 엔진의 기통 별 속도 추세선의 기울기를 추출한 결과를 나타내는 3차원 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 방법을 설명하기 위한 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어 이하 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 동일 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 주요 용어에 대한 의미부터 간단하게 살펴보기로 한다.

본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 용어 중 「한 사이클」은 엔진 크랭크축이 두 바퀴(720ㅀ) 회전하는 구간으로서, 각 기통마다 흡입-압축-폭발(연소 팽창)-배기 행정을 한 차례씩 포함하는 구간을 의미한다. 예를 들어, 4기통 엔진인 경우 4개의 기통(Cylinder)이 정해진 순서대로 흡입-압축-폭발-배기를 수행하여 상기 크랭크축을 두 바퀴(720ㅀ) 회전시키면 한 사이클이 마무리된다.

또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 용어 중 「속도 추세선」은 전술한 한 사이클 동안 크랭크축의 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 중 기통 별 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 생성되는 직선을 의미하는 것으로, 여기서 「두 특정 위치」는 기통 별 흡입행정 초기 및 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하여 설정된 타겟 휠의 회전위치일 수 있다.

참고로, 투스 신호(Tooth time signal)은 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간을 의미하는 것으로, 상기 크랭크축 선단에 동심 설치된 타겟 휠(Target wheel)의 외면부 둘레에 균등 간격으로 형성되는 복수의 투스(Tooth)를 상기 크랭크각 센서(Crank shaft position sensor)가 인식하여 출력하는 신호를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 장치를 개략 도시한 개념도로서, 이를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 장치부터 살펴보기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 장치는, 크랭크각 센서(10)와 제어기(20)를 포함한다. 제어기(20)는 ECU일 수 있으며, 크랭크각 센서(10)는 엔진 크랭크축(30) 상의 타겟 휠(40) 주변에 배치되어 타겟 휠(40)의 회전에 따라 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal) 신호를 생성한다.

타겟 휠(40)의 외주면에는 상기 크랭크축(30)의 각속도를 측정할 수 있도록 복수 개의 투스(Tooth)가 형성되어 있으며, 타겟 휠(40)이 회전할 때 상기 크랭크각 센서(20)가 상기 투스를 검출하는 시간 정보를 이용하여 제어기(20)가 상기 엔진 크랭크축(30)의 각속도를 계산한다. 그리고 계산된 각속도로부터 엔진 속도를 출력한다.

제어기(20)는 가속 페달 조작(미도시)을 통한 운전자의 가속 또는 감속 요구에 맞춰 연료 인젝터(60)와 점화코일(50)의 통전상태를 제어하여 엔진 속도를 제어하는 것은 물론, 상기 크랭크각 센서(10)의 투스 타임 신호로부터 실화 분석 대상인 하나의 엔진 사이클의 엔진 속도 변화를 분석한다. 그리고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단한다.

실화(Misfire)는 배경기술에서도 언급 했듯이 엔진 실린더에 분사된 연료가 연소하지 않고 그대로 외기로 배출되는 현상을 말한다. 실화가 발생하면 폭발(연소 팽창)행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하지 않기 때문에 투스 신호(Tooth time siganal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)의 주기성이 훼손된다.

실화는 폭발 행정에서의 연료 미연소 -> 연소압 미생성 -> 피스톤 속도 감소 -> 크랭크축 회전 모멘텀 감소로 나타나며, 이로 인해 투스 타임이 길어지고 엔진 속도는 감소한다. 즉 실화가 발생하면 엔진을 구동시키는 에너지원이 발생하지 않는 것이므로 엔진 속도가 감소하며, 따라서 한 사이클에서의 엔진 속도를 분석하면 실화 여부를 진단할 수 있다.

본 발명은 이처럼 실화 시 나타나는 엔진 속도의 변화 특성을 이용하여 다기통 엔진에서 발생하는 실화를 정확하면서도 신속하게 진단/검출할 수 있도록 한 것으로, 이를 위해 본 실시 예에 적용된 제어기(20)는, 선형 추세 제거부(22)와 속도 추세선 생성부(24)를 포함한다. 또한 속도 추세선 정보를 바탕으로 실화 여부를 진단하는 실화 진단부(29)를 포함한다.

제어기를 구성하는 각부 구성에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

선형 추세 제거부(22)는 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)한다. 크랭크각 센서(10)가 출력하는 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하지 않으면, 실화가 발생한 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기통 별 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

실화 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기동 별 엔진 속도 변동에 영향을 미치면, 실화 여부를 진단함에 있어 정확하고 정밀한 진단이 어려울 수 있다. 그러므로 한 사이클 동안 수집된 크랭크각 센서(10)의 출력 신호 데이터에서 선형 추세를 제거(Linear detrend)함으로써, 실화 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 엔진 속도에 미치는 영향을 사전에 제거함이 바람직하다.

한 사이클 내 모든 투스 신호에서 선형 추세를 제거한다는 것은 다른 의미로, 한 사이클 동안 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 이들 평균값을 빼는 것을 의미한다. 도 2에서 (a)는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하기 전 시간 경과에 따른 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이고, (b)는 선형 추세 제거 후 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이다.

속도 추세선 생성부(24)는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 미리 설정된 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 기통 별 속도 추세선을 생성한다. 예를 들어, 4개의 실린더를 갖는 4기통 엔진일 경우 한 사이클에서 기통 별로 총 4개의 속도 추세선을 생성한다. 같은 식으로 6기통 엔진인 경우에는 한 사이클에서 기동 별도 총 6개의 추세선을 생성한다.

속도 추세선 생성에 필요한 투스 신호를 수집하는 상기 두 특정 위치는 바람직한 일례로서, 기통 별 흡입행정 초기 및 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하여 설정된 타겟 휠(40)의 회전위치일 수 있다. 예를 들어, 4개의 실린더를 갖는 4기통 엔진일 경우 한 사이클에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하는 타겟 휠(40)의 회전위치일 수 있다.

도 3을 참조하여 바람직한 일례에 따른 속도 추세선 생성 과정을 살펴보기로 한다.

도 3은 속도 추세선 생성 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 기통 즉 실린더가 4개이고, 1번(Cyl 1)-3번(Cyl 3)-4번(Cyl 4)-2번(Cyl 2) 기통(실린더) 순으로 연소가 이루어지는 4기통 엔진에서 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호를 기통 별로 구분하여 선형 추세 제거(Linear Detrend) 후 시간 경과(x축 방향)에 따른 엔진 속도 변화(y축 방향)로 나타낸 실험 데이터이다.

도 3을 참조하면, 속도 추세선(L1)은 기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 시간 성분을 포함하는 속도 커브 상의 한 점(P1)과, 기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 시간 성분을 포함하는 속도 커브 상의 다른 한 점(P2)을 연결함으로써 생성될 수 있다.

좀 더 구체적으로는, 도 3에서 P1은 y축 상으로 엔진 속도 성분을 포함하고 x축 상으로는 시간 성분을 포함하는 점이고, P2 역시 y축 상으로 엔진 속도 성분을 포함하고 x축 상으로는 다른 값의 시간 성분을 포함하는 점이므로, 간단한 수학식(두 점을 지나는 직선을 구하는 식)을 통해 속도 추세선(L1)을 구할 수 있다.

도 3의 예시도에서, x축과 y축은 각각 시간과 엔진 속도를 나타내므로, 속도 추세선(L1)의 기울기는 엔진 각가속도의 차원을 가지며, 속도 추세선의 기울기는 기통 별로 흡입행정 초기와 배기행정 말기 사이의 엔진 속도의 변화, 즉 엔진 각속도의 크기를 수치화한 것이다

물론, 위에서 설명한 속도 추세선 생성은 본 발명의 바람직한 하나의 실시 예로서 이에 국한되는 것은 아니다. 즉 속도 추세선을 생성하는 과정에 대해 바람직한 일례로서, 흡입행정 초기와 배기행정 말기의 투스 신호를 이용하는 방법을 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 속도 추세선을 생성함에 있어 사용되는 두 점이 도 3에 예시된 두 점으로 국한됨을 의미하는 것은 아니다.

속도 추세선을 생성함에 있어 사용되는 두 점은, 도 3의 엔진 속도 커브 상에서 실화 시 에너지원 미발생으로 인한 엔진 속도 감소 패턴이 정상점화에서의 엔진 속도 증가 패턴과 명확하게 구분되어 표현될 수 있는 점이기만 하면 된다. 즉 두 점은 실화에 의한 속도 감소를 가장 잘 표현할 수 있는 점이기만 하면 된다.

속도 추세선 생성부(24)에서 생성된 속도 추세선(L1)에 관한 정보는 실화 진단부(29)로 제공된다. 실화 진단부(29)는 제공 받은 정보(속도 추세선)로부터 속도 추세선(L1)의 기울기를 추출한다. 그리고 추출된 속도 추세선(L1)의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단한다. 바람직하게는, 속도 추세선(L1)의 기울기를 설정 임계값(Threshold)과 비교하여 실화여부를 진단한다.

속도 추세선(L1)은 앞서도 언급한 바와 같이, 엔진 커브 상에서 서로 다른 두 점을 연결한 선이다. 때문에 도 3에 예시된 엔진 커브 상에서 해당 속도 추세선(L1)은 당연히 기울기 값을 포함한다. 따라서 실화 진단부(29)는 해당 속도 추세선(L1)의 기울기를 추출하고, 추출된 속도 추세선(L1)의 기울기를 설정 임계값과 비교하여 실화 여부를 진단하는 것이다.

정상점화에서는 기통 별 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생한다. 반면, 실화가 발생하면 엔진 속도를 가속시키는 에너지 추가가 없다. 때문에 속도 추세선(L1)의 기울기는 도 3과 같이 실화와 정상점화에서 뚜렷하게 다른 양상으로 나타난다. 따라서 한 사이클에서 기동 별 속도 추세선의 기울기 정보만으로도 실화 발행 여부를 정확하게 진단할 수 있다.

본 발명은 이처럼 실화 여부에 따라 속도 추세선(L1)의 기울기가 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점을 이용하여 실화 여부를 진단하는 것이다.

실화 진단부(29)는 구체적으로, 속도 추세선(L1)의 기울기가 상기 설정 임계값보다 작으면 실화로 진단할 수 있다. 반대로 속도 추세선(L1)의 기울기가 설정 임계값과 같거나 설정 임계값보다 크면 정상점화로 진단할 수 있다. 즉 속도 추세선(L1)에서 추출된 기울기가 사전에 설정된 임계값보다 작은지 여부에 따라 실화를 진단하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

실화 여부를 판단함에 있어 기준이 되는 상기 설정 임계값은, 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 별 정상점화와 실화를 구분할 수 있는 속도 추세선의 기울기를 동일 모사 환경의 시뮬레이션이나 반복 실험을 통해 구하고, 구한 값을 전용 맵에 상기 엔진 부하(Load)와 엔진 속도(rpm) 2가지 인자에 대해 행렬 형태로 데이터화하여 저장한 값일 수 있다.

즉 현재 엔진 부하와 속도가 입력되면, 상기 전용 맵이 현재 엔진 부하와 속도 조건에 대응하는 임계값을 선택하고, 선택된 임계값을 설정 임계값으로 출력하도록 구성될 수 있다.

도 4는 4기통 엔진의 기통 별 속도 추세선의 기울기를 추출한 실험 데이터로서, 엔진 부하와 속도를 달리하면서 사전에 설정된 타이밍에 정해진 기통(실린더)의 연료 분사를 차단하여 실화를 인위적으로 발생시켰을 때 기통 별 속도 추세선으로부터 추출되는 기울기를 도시한 3차원 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 엔진 구동 시 기통 별 속도 추세선에서 추출된 기울기를 의미하는 점들의 분포를 보면, 정상점화에서 나타나는 점들(정상점화 시 기통 별 속도 추세선의 기울기)과 실화 시 나타나는 점들(실화 시 기통 별 속도 추세선의 기울기)이 특정 평면을 기준으로 확연하게 구분될 수 있을 정도로 나뉘어 분포하는 것을 알 수 있다.

참고로, 도 4에서 특정 평면을 기준으로 그래프 상부 영역에 분포하는 무수히 많은 점들이 정상점화 시 기통 별 속도 추세선에서 추출된 기울기를 나타내는 점들이며, 하부 영역에 분포하는 무수한 점들이 연료 분사를 순간적으로 차단하여 인위적으로 실화를 발생시켰을 때 기통 별 속도 추세선에서 추출된 기울기를 나타내는 점들이다.

이처럼 정상점화와 실화 각각에 대해 속도 속도 추세선의 기울기는 특정값(도 4에서 'Threshold 평면'이라고 표현된 평면을 구성하는 속도 추세선 기울기 값)을 기준으로 명확히 구분되는 양상을 띤다. 즉 엔진 부하와 속도에 따라 조금씩 달라지는 상기 특정값을 기준으로 정상점화와 실화 영역이 명확히 구분되는 것을 도 4의 실험 데이터를 통해 분명히 알 수 있다.

따라서 도 4의 실험 데이터에서 상기 특정 평면(Threshold 평면) 상에 존재하는 점들(속도 추세선의 기울기 값들)을 추출하고, 해당 점이 추출된 위치의 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 값과 함께 행렬 형태로 데이터화하여 전용 맵에 기록한 뒤 설정 임계값으로 사용하면, 현재 엔진의 속도와 부하 상황에 맞춰 설정 임계값이 출력되므로 기통 별 실화를 정확하게 진단/검출할 수 있다.

다른 예로서, 상기 실화 진단부(29)는 한 사이클 동안 추출된 기통 별 속도 추세선의 기울기를 직전 한 사이클 동안 추출된 동일 기통의 속도 추세선의 기울기와 비교하여 실화 여부를 진단할 수도 있다. 앞서도 언급했듯이 정상점화 시 나타나는 속도 추세선의 기울기와 실화 시 나타나는 속도 추세선의 기울기의 양상이 확연히 구분될 정도로 다르기 때문이다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서가 출력하는 신호로부터 알 수 있는 기통 별 흡입행정 초기 엔진 속도와 배기행정 말기 엔진 속도)만으로도 실화(Misfire) 여부를 진단할 수 있다.

즉 실화 여부를 명확하게 판단할 수 있는 최소한의 주요 정보만을 가지고 실화를 진단/검출함으로써, 실화 진단/검출을 위한 프로세스를 단순화하면서도 정확도 높은 실화 진단/검출이 가능하며, 별도의 하드웨어적인 추가 구성 없이도 소프트웨어만으로 구현이 가능하므로 개발비용이 저렴하다는 장점이 있다.

더욱이, 기통 별로 구분해 속도 추세선의 기울기를 설정 임계값과 비교하여 실화 여부를 진단하기 때문에, 엔진의 한 사이클 동안 실화 발생 횟수는 물론, 실화가 발생한 기통, 즉 실린더 위치를 정확하게 진단 및 검출해낼 수 있다는 장점이 있다.

이하, 전술한 다기통 엔진의 실화 진단 장치에 의해 수행되는 다기통 엔진에 대한 실화 진단 과정을 도 5의 순서도를 참조하여 살펴보기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위해 도 1에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하여 설명하기로 한다.

도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 실화 진단 방법은, 타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 방법으로서, 선형 추세 제거단계(S100) 및 속도 추세선 생성단계(S200), 그리고 실화 진단단계(S300)를 포함한다. 이하 단계 별 처리 과정을 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

선형 추세 제거단계(S100)에서는 한 사이클 동안 타겟 휠(40)의 회전을 검출하여 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)한다. 크랭크각 센서가 출력하는 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하지 않으면, 실화가 발생한 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기통 별 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

경우에 따라 선형 추세 제거단계(S100)에는, 크랭크각 센서(10)의 투스 신호를 일정한 간격으로 추려 처리할 신호 데이터의 양을 줄이고, 이를 통해 제어기가 부담해야 할 연산 부하를 크게 경감시키는 다운 샘플링 과정이 포함될 수 있다. 이 경우 최대 다운 샘플링은 기통 별 흡기행정 초기와 배기행정 말기, 그리고 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 위치에서만 투스 신호를 수집하는 경우일 수 있다.

속도 추세선 생성단계(S200)에서는 상기 S100단계를 통해 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 기통 별 속도 추세선을 생성하는 작업이 수행된다. 예를 들어, 4기통 엔진일 경우 한 사이클에서 기통 별로 총 4개의 속도 추세선을 생성한다. 물론 4기통 엔진으로 국한되는 것은 아니며, 엔진은 2기통 이상 다기통 엔진일 수 있다.

속도 추세선 생성에 필요한 투스 신호를 수집하는 상기 두 특정 위치는 바람직하게, 기통 별 흡입행정 초기 및 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하여 설정된 타겟 휠의 회전위치일 수 있다. 예를 들어, 4개의 실린더를 갖는 4기통 엔진일 경우 한 사이클에서 기통 별 흡입행정 초기 및 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하는 타겟 휠의 회전위치일 수 있다.

속도 추세선(L1)은 기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 시간 성분을 포함하는 속도 커브 상의 한 점(P1)과, 기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 시간 성분을 포함하는 속도 커브 상의 다른 한 점(P2)을 연결함으로써 생성될 수 있다(도 3 참조).

실화 진단단계(S300)에서는 상기 속도 추세선 생성단계(S200)에서 생성된 기통 별 속도 추세선에서 기울기를 추출하고, 추출된 기울기를 분석하여 실화여부를 기통 별로 진단한다. 바람직하게는, S200단계에서 생성된 기통 별 속도 추세선에서 추출된 기울기를 기록장치(예컨대, 전술한 전용 맵을 저장한 메모리)에 기록된 설정 임계값과 비교하여 실화 여부를 진단한다.

정상점화에서는 기통 별 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생한다. 반면, 실화가 발생하면 엔진 속도를 가속시키는 에너지 추가가 없다. 때문에 속도 추세선의 기울기는 앞서 도 3의 예시와 같이 실화와 정상점화에서 뚜렷하게 다른 양상으로 나타난다. 따라서 기동 별 속도 추세선의 기울기 정보만 있으면 실화 발행 여부를 정확하게 진단할 수 있다.

실화 진단단계(S300)에서는 구체적으로, 한 사이클 동안 기통 별로 추출된 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값보다 작으면 실화로 진단하고, 상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값과 같거나 설정 임계값보다 크면 정상점화로 진단할 수 있다.

실화 여부를 판단함에 있어 기준이 되는 상기 설정 임계값은, 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 별 정상점화와 실화를 구분할 수 있는 속도 추세선의 기울기를 동일 모사 환경의 시뮬레이션이나 반복 실험을 통해 구하고, 구한 값을 전용 맵에 상기 엔진 부하(Load)와 엔진 속도(rpm) 2가지 인자에 대해 행렬 형태로 데이터화하여 저장한 것일 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 한 사이클 동안 추출된 기통 별 속도 추세선의 기울기를 직전 한 사이클 동안 추출된 동일 기통의 속도 추세선의 기울기와 비교하여 실화 여부를 진단할 수도 있다. 앞서도 언급했듯이 정상점화 시 나타나는 속도 추세선의 기울기와 실화 시 나타나는 속도 추세선의 기울기의 양상이 확연히 구분될 정도로 다르기 때문이다.

이상의 본 발명에서는 4기통 엔진을 예로 들어 실화 발생 여부 및 실화 발생 위치를 진단하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 엔진 실화 발생 여부 및 실화 발생 실린더 진단 과정은 4기통 엔진에 한정되는 것은 아니다. 2기통 이상의 다기통 엔진, 예컨대, 6기통, 8기통, 16기통 엔진 등 다양한 종류의 엔진에 확대 적용할 수 있음을 밝혀 둔다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 크랭크각 센서
20 : 제어기
22 : 선형 추세 제거부
24 : 속도 추세선 생성부
29 : 실화 진단부
30 : 크랭크축
40 : 타켓 휠
50 : 점화코일
60 : 연료인젝터

Claims (7)

1. 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 방법으로서,
   a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거단계;
   b) 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 미리 설정된 두 특정 위치의 투스 신호로부터 기통 별 속도 추세선을 생성하는 속도 추세선 생성단계;
   c) 상기 b) 단계에서 생성된 속도 추세선의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하는 다기통 엔진의 실화 진단 방법.
   
2. 다기통 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 장치로서,
   엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal)를 생성하는 크랭크각 센서;
   상기 크랭크각 센서의 투스 신호로부터 한 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,
   상기 제어기는,
   한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거부와,
   선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별 미리 설정된 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 기통 별 속도 추세선을 생성하는 속도 추세선 생성부와,
   생성된 속도 추세선의 기울기를 분석하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단부를 포함하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 속도 추세선 생성부는,
   기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 흡입행정 초기 시간 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 한 점과,
   기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 성분과 배기행정 말기 시간 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 다른 한 점을 연결하여 상기 속도 추세선을 생성하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 실화 진단부는,
   상기 속도 추세선의 기울기를 기록장치에 맵핑된 설정 임계값(Threshold)과 비교하여 실화 여부를 진단하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 실화 진단부는,
   상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값보다 작으면 실화로 진단하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 실화 진단부는,
   상기 속도 추세선의 기울기가 상기 설정 임계값과 같거나 설정 임계값보다 크면 정상점화로 진단하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.
   
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 실화 진단부는,
   상기 속도 추세선의 기울기를 직전 사이클에서 추출된 동일 기통의 속도 추세선의 기울기와 비교하여 실화 여부를 진단하는 다기통 엔진의 실화 진단 장치.

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