KR102246466B1 - 엔진 노킹 발생 예측 방법 - Google Patents

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송치헌
조석원
이영복
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 엔진 제어 시스템에 의하여 엔진에 노킹이 발생하는 것을 예측하는 방법에 있어서, 흡기 압력센서(Manifold Air Pressure Sensor)를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 단계; 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연 가스의 온도를 산출하는 단계; 및 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공하고자 한다.

Description

엔진 노킹 발생 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING KNOCKING OCCURRENCE OF ENGINE}
본 발명에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법은, 차량 운행 시 발생하는 엔진의 노킹 현상을 예측하는 방법에 관한 것이다.
노킹이란 가솔린과 공기의 혼합가스는 실린더 속에서 불꽃에 의해 점화되어 미연소 혼합가스에 불꽃이 전해지며, 이때 미연소 혼합가스의 압력과 온도가 빠르게 상승하여 자연폭발을 일으키는 것을 말한다. 노킹을 일으키면 엔진의 출력이 급격히 저하되며, 또 기관의 과열, 배기밸브나 피스톤의 고장, 피스톤과 실린더가 녹아 붙는 등의 원인이 된다.
또한, 차량 운전 시 엔진에서 노킹이 발생하게 되면, 차체를 통해 차량 내에 소음이 전파되어 운행의 편안함을 떨어뜨리고, 엔진에 손상을 발생시켜 차체 내구성이 저해될 수 있다.
현재 노킹을 회피하기 위해 엔진 제어시스템(EMS, Engine Management System)에서는 노킹 센서를 사용하고 있으나, 이는 노킹 발생 이후에 나타나는 진동을 감지하는 센서로, 노킹에 의한 소음과 엔진 손상을 완전히 차단할 수 없다.
또한, 엔진 제어시스템은 노킹 감지 시 그 회피를 위해 급격히 운전 인자를 변경하여 차량 운전의 정숙성과 연비를 저해할 수 있다.
따라서, 차량의 운행 중에 운전 인자를 강건하게 제어하기 위하여, 노킹의 발생을 예측하고 방지할 수 있는 수단이 필요하다.
본 발명은 엔진의 운전 조건에 따라 그 내부의 압력을 예측하는 방법을 제시하고, 예측된 압력을 이용하여 엔진에서의 노킹 발생을 사전에 예측하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 엔진 제어 시스템에 의하여 엔진에 노킹이 발생하는 것을 예측하는 방법에 있어서, 흡기 압력센서(Manifold Air Pressure Sensor)를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 단계; 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계; 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연 가스의 온도를 산출하는 단계; 및 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공하고자 한다.
본 실시예에 있어서, 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계에서, 운전 데이터는 엔진의 회전속도, 흡기 및 배기 밸브 리프트, 및 밸브 타이밍을 포함하고, 아래의 [수학식 1]을 통해 실린더 내의 초기 압력을 산출하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020039435741-pat00001
Figure 112020039435741-pat00002
PCyl,IVC : 실린더 내의 추정된 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
PMani,IVC : 흡기 매니폴드 내의 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
Speed : 엔진 회전속도
OF : 오버랩 팩터
C1, C2, C3 : 상수
DIn : 흡기 밸브경 (지름)
DEx : 배기 밸브경 (지름)
LIn : 흡기 밸브 리프트
LEx : 배기 밸브 리프트
θIVO : 흡기 밸브 열림시기 (각도)
θEVC : 배기 밸브 닫힘시기 (각도)
Vd : 엔진 배기량 (실린더 당)
본 실시예에 있어서, 산출된 실린더 내의 초기 압력 및 엔진의 연료량을 기초로, 아래의 [수학식 2]를 이용하여 실린더 내의 초기 온도를 산출하는 단계를 더 포함하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020039435741-pat00003
TIVC : 실린더 내의 초기 온도 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
PIVC : 실린더 내의 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
VIVC : 실린더 내의 연료 부피 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
m : 혼합기량 (연료+공기)
Figure 112020039435741-pat00004
: 기체 상수
본 실시예에 있어서, 다방과정은 아래의 [수학식 3]을 이용한 것이고, 다방지수 k는 초기 비열비, 압축비 및 엔진 회전속도를 기초로 산출되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020039435741-pat00005
Figure 112020039435741-pat00006
P1, P2 : 실린더 내의 압력
V1, V2 : 실린더 부피
k : 다방지수
C1 , C2, C3, C4 : 상수
R: 기체 상수
γIVC : 연료와 공기량으로 추산한 비열비 (specific heat ratio)
Speed : 엔진 회전속도
본 실시예에 있어서, 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 4]를 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020039435741-pat00007
Figure 112020039435741-pat00008
Figure 112020039435741-pat00009
a : 상수
θ : 각도
C1 ~ C5 : 상수
ρ : 혼합기의 밀도
본 실시예에 있어서, 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계는, 아래의 [수학식 5]를 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020039435741-pat00010
Pn, Pn-1 : 압력
Qnet : 열량
Vn-1 : 부피
γ : 비열비
본 실시예에 있어서, 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하는 것은, 아래의 [수학식 6]을 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020039435741-pat00011
P : 압력
T : 온도
C1, C2, C3 : 상수
본 실시예에 있어서, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 7]을 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020039435741-pat00012
a : 상수
θ자발화 : 각도
본 실시예에 있어서, 노킹 발생 여부를 판정하는 것은 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율 및 노킹 발생시 미연가스 질량분율의 임계값을 비교하여 판정하는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율이 노킹 발생시 미연가스 질량 분율의 임계값 이상이면, 현재 운전 조건을 노킹 발생 조건으로 판정하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진의 노킹 발생을 예측하는 엔진 제어 시스템에 있어서, 엔진 제어 프로그램이 저장된 메모리; 및 메모리에 저장된 엔진 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 프로그램의 실행에 따라, 흡기 압력센서를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하고, 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하고, 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하고, 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하고, 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연 가스의 온도를 산출하고, 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는, 엔진 제어 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법에 따르면, 차량의 엔진에서의 노킹 발생 가능성을 산출하고, 노킹 발생이 예측되는 차량 운전 조건인지를 판단하여 노킹 발생 전에 운전 조건을 변경하여 노킹 발생을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법에 따르면, 노킹 발생으로 인한 엔진 소음을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 엔진에 손상이 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 또한 궁극적으로 현재 불꽃 점화 방식의 엔진에 사용되는 노킹센서의 제거가 가능하여, 엔진 생산시의 단가저감이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 내의 압력 및 자발화 예측 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 압력 예측 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노킹 예측 여부를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법은 엔진 연소에 의한 실린더 내의 압력 변화를 예측하고, 예측된 실린더 압력에 의해서 미연가스의 온도를 추정하며, 해당 운전 조건에서 자발화 발생 시기를 판단하여, 자발화 발생 시에 미연가스 비율에 따라 노킹 발생 여부를 사전에 예측하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법을 보여주는 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법은 엔진의 흡기 매니폴드에 배치되는 흡기 압력센서(MAPS: Manifold Air Pressure Sensor)와 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System)의 구성을 통하여 수행될 수 있다.
여기서, 흡기 압력센서는 자동차 엔진에서 사용되는 것으로서, 반도체식 압력센서의 한 종류로 가솔린 엔진의 크랭크 축이 회전하면서 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려갈 때 공기가 유입되는 입구가 스로틀 밸브로 막혀있기 때문에 흡기 매니폴드 내부에는 진공(부압)상태가 되며 그 크기를 전기적인 신호(전압)로 엔진 제어 시스템에 전달하는 기능을 가지고 있는 것이다.
예를 들어, 흡기 압력센서로서 전기식 압력센서에는 다이아프램을 이용한 정전 용량식과 압저항식이 주로 사용되고 있으며, 최근에 사용되고 있는 압력센서는 압저항식 반도체 압력센서가 있다.
그리고, 엔진 제어 시스템은 점화 시기, 가변 벨브 타이밍, 터보차저에서 조절하는 부스터 레벨, 기타 주변장치 등을 제어하는데 사용되는 제어 시스템이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 내의 압력 및 자발화 예측 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법은 먼저, 흡기 압력센서를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계(S210)가 수행될 수 있다. 여기서, 운전 데이터는 엔진의 회전속도, 흡기 및 배기 밸브 리프트, 밸브 타이밍을 포함할 수 있다.
흡기 압력센서를 이용하여 흡기 매니폴드 내의 압력을 측정하면, 흡기밸브가 닫혔을 때 실린더 내의 초기 압력은 아래의 [수학식 1]을 통해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020039435741-pat00013
Figure 112020039435741-pat00014
PCyl,IVC : 실린더 내의 추정된 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
PMani,IVC : 흡기 매니폴드 내의 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
Speed : 엔진 회전속도
OF : 오버랩 팩터
C1, C2, C3 : 상수
DIn : 흡기 밸브경 (지름)
DEx : 배기 밸브경 (지름)
LIn : 흡기 밸브 리프트
LEx : 배기 밸브 리프트
θIVO : 흡기 밸브 열림시기 (각도)
θEVC : 배기 밸브 닫힘시기 (각도)
Vd : 엔진 배기량 (실린더 당)
즉, 엔진의 회전속도, 흡기/배기 밸브 리프트와 밸브 타이밍을 이용하여 실린더 내의 초기 압력을 추정할 수 있는 것이다. 또한, 엔진 제어시스템에서 연료량에 대한 정보를 취득하고, 공연비와 이상기체 방정식을 이용하면 흡기밸브가 닫혔을 때, 실린더 내의 온도를 추정할 수 있다.
즉, 단계(S210)에서 산출된 실린더 내의 초기 압력 및 엔진의 연료량을 기초로, 아래의 [수학식 2]를 이용하여 흡기밸브가 닫혔을 때 실린더 내의 초기 온도가 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020039435741-pat00015
TIVC : 실린더 내의 초기 온도 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
PIVC : 실린더 내의 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
VIVC : 실린더 내의 연료 부피 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
m : 혼합기량 (연료+공기)
Figure 112020039435741-pat00016
: 기체 상수
단계(S210) 다음으로, 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하는 단계(S220)가 수행될 수 있다.
여기서, 다방과정은 아래의 [수학식 3]을 이용한 것이고, 다방지수 k는 초기 비열비, 압축비 및 엔진 회전속도를 기초로 산출되는 것일 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020039435741-pat00017
Figure 112020039435741-pat00018
P1, P2 : 실린더 내의 압력
V1, V2 : 실린더 부피
k : 다방지수
C1 , C2, C3, C4 : 상수
R: 기체 상수
γIVC : 연료와 공기량으로 추산한 비열비 (specific heat ratio)
CR: 압축비
Speed : 엔진 회전속도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 압력 예측 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여, 점화 시기까지 압력을 예측하면, 정규화된 연소율을 이용하여 각 운전 조건에 따른 연소율을 복원할 수 있다. 즉, 단계(S220) 다음으로 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 단계(S230)가 수행될 수 있다.
여기서, 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 4]를 이용하여 수행될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020039435741-pat00019
Figure 112020039435741-pat00020
Figure 112020039435741-pat00021
a : 상수
θ : 각도
C1 ~ C5 : 상수
ρ : 혼합기의 밀도
m: 상수
연료의 열에너지는 주입된 연료량과 발열량을 곱하여 계산하며, 점화 시기는 엔진 제어시스템에서 얻을 수 있다. 열손실과 연소 기간은 연료량, 엔진 회전속도, 점화 시기를 이용하여 추정할 수 있다.
이처럼 연소율을 특정 운전 조건에서 계산하고, 이를 이용하여 실린더 내의 압력 변화를 계산할 수 있다.
단계(S230) 다음으로, 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계(S240)가 수행될 수 있다.
개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 것은, 아래의 [수학식 5]를 이용하여 수행될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020039435741-pat00022
Pn, Pn-1 : 압력
Qnet : 열량
Vn-1 : 부피
γ : 비열비
단계(S240) 다음으로, 상기 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연가스의 온도를 산출하는 단계(S250)가 수행될 수 있다.
산출된 점화시기 압력을 이용하여 미연 가스의 온도를 계산할 수 있으며, 예를 들어, 아래의 수학식과 같이 단열 압축과정으로 미연 가스의 온도를 추정할 수 있다.
Figure 112020039435741-pat00023
Tu : 미연 가스 온도
TIVC : 실린더 내의 초기 온도
P cyl : 실린더 내의 압력
PIVC : 실린더 내의 초기 압력
γ : 비열비
단계(S250) 다음으로, 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는 단계(S260)가 수행될 수 있다.
산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하는 것은, 아래의 [수학식 6]을 이용하여 수행될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020039435741-pat00024
P : 압력
T : 온도
C1, C2, C3 : 상수
점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 7]을 이용하여 수행될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020039435741-pat00025
a : 상수
θ자발화 : 각도
m: 상수
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노킹 예측 여부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 노킹 발생 예측 방법을 이용한 예측 모델이 실제 실험 결과와 대비하여 얼마나 정확히 노킹을 예측하는지를 확인할 수 있다. 구체적으로, 예측 모델과 실험 데이터를 통한 노킹발생율을 서로 대비하였을 때 다양한 운전조건(*: 하나의 운전조건에서의 실험 값)에서 스파크 타이밍을 진각시켜도 노킹 발생 빈도에 대한 결과값이 유사하게 도출되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 노킹 발생 여부를 판정하는 것은 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율 및 노킹 발생시 미연가스 질량분율의 임계값을 비교하여 판정할 수 있다. 또한, 엔진 제어시스템은 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율이 노킹 발생시 미연가스 질량 분율의 임계값 이상이면, 현재 운전 조건을 노킹 발생 조건으로 판정할 수 있다. 엔진 제어 시스템은 현재 운전 조건에서 노킹이 발생 가능할 것으로 판별할 경우, 일반적인 노킹 회피 제어를 통해 사전에 노킹 발생을 억제할 수 있도록 한다.
본 발명은 이처럼 노킹의 발생을 기존과 달리 실물센서 없이 선행하여 판정할 수가 있고, 이를 통해 회피 제어를 실행함으로써 노킹 발생 빈도를 줄일 수가 있다.
이상으로 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 노킹 발생 예측 방법은 엔진 제어 시스템에 의해 수행될 수 있으며, 엔진 제어 시스템은 엔진 제어 프로그램이 저장된 메모리 상기 메모리에 저장된 엔진 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라 엔진 노킹 발생 예측이 수행될 수 있는 것이다.
여기서, 메모리는 엔진 노킹 발생 예측을 위한 프로그램이 기록된 저장 매체일 수 있다. 메모리는 프로세서가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 메모리는 휘발성 저장 매체(volatile storage media) 또는 비휘발성 저장 매체(non-volatile storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 프로세서는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로서, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 엔진 제어 시스템에 의하여 엔진에 노킹이 발생하는 것을 예측하는 방법에 있어서,
    흡기 압력센서(Manifold Air Pressure Sensor)를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계;
    상기 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 상기 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하는 단계;
    상기 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 단계;
    상기 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계;
    상기 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연 가스의 온도를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 내의 초기 압력을 산출하는 단계에서, 상기 운전 데이터는 엔진의 회전속도, 흡기 및 배기 밸브 리프트, 및 밸브 타이밍을 포함하고, 아래의 [수학식 1]을 통해 실린더 내의 초기 압력을 산출하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020039435741-pat00026

    Figure 112020039435741-pat00027

    PCyl,IVC : 실린더 내의 추정된 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
    PMani,IVC : 흡기 매니폴드 내의 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
    Speed : 엔진 회전속도
    OF : 오버랩 팩터
    C1, C2, C3 : 상수
    DIn : 흡기 밸브경 (지름)
    DEx : 배기 밸브경 (지름)
    LIn : 흡기 밸브 리프트
    LEx : 배기 밸브 리프트
    θIVO : 흡기 밸브 열림시기 (각도)
    θEVC : 배기 밸브 닫힘시기 (각도)
    Vd : 엔진 배기량 (실린더 당)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산출된 실린더 내의 초기 압력 및 엔진의 연료량을 기초로, 아래의 [수학식 2]를 이용하여 실린더 내의 초기 온도를 산출하는 단계를 더 포함하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020039435741-pat00028

    TIVC : 실린더 내의 초기 온도 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
    PIVC : 실린더 내의 초기 압력 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
    VIVC : 실린더 내의 연료 부피 (흡기밸브 닫힘시기 에서의)
    m : 혼합기량 (연료+공기)
    Figure 112020039435741-pat00029
    : 기체 상수
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다방과정은 아래의 [수학식 3]을 이용한 것이고, 다방지수 k는 초기 비열비, 압축비 및 엔진 회전속도를 기초로 산출되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112021028900062-pat00030

    Figure 112021028900062-pat00031

    P1, P2 : 실린더 내의 압력
    V1, V2 : 실린더 부피
    k : 다방지수
    C1 , C2, C3, C4 : 상수
    R: 기체 상수
    γIVC : 연료와 공기량으로 추산한 비열비 (specific heat ratio)
    CR: 압축비
    Speed : 엔진 회전속도
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 4]를 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112021028900062-pat00032

    Figure 112021028900062-pat00033

    Figure 112021028900062-pat00034

    a : 상수
    θ : 각도
    C1 ~ C5 : 상수
    ρ : 혼합기의 밀도
    m: 상수
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하는 단계는, 아래의 [수학식 5]를 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112020039435741-pat00035

    Pn, Pn-1 : 압력
    Qnet : 열량
    Vn-1 : 부피
    γ : 비열비
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하는 것은, 아래의 [수학식 6]을 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 6]
    Figure 112020039435741-pat00036

    P : 압력
    T : 온도
    C1, C2, C3 : 상수
  8. 제1항에 있어서,
    상기 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하는 것은 아래의 [수학식 7]을 이용하여 수행되는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
    [수학식 7]
    Figure 112021028900062-pat00037

    a : 상수
    θ자발화 : 각도
    m: 상수
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노킹 발생 여부를 판정하는 것은 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율 및 노킹 발생시 미연가스 질량분율의 임계값을 비교하여 판정하는 것인, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 점화지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율이 노킹 발생시 미연가스 질량 분율의 임계값 이상이면, 현재 운전 조건을 노킹 발생 조건으로 판정하는, 엔진 노킹 발생 예측 방법.
  11. 엔진의 노킹 발생을 예측하는 엔진 제어 시스템에 있어서,
    엔진 제어 프로그램이 저장된 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 엔진 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라,
    흡기 압력센서를 이용하여 측정된 흡기 매니폴드 내의 압력 및 운전 데이터를 기초로 실린더 내의 초기 압력을 산출하고, 상기 산출된 실린더 내의 초기 압력을 기초로 압축과정을 다방과정으로 해석하여 상기 실린더 내의 점화시기 압력을 산출하고, 상기 산출된 실린더 내의 점화시기 압력 및 정규화된 연소율을 기초로 개별 운전 조건에 따른 연소율을 산출하고, 상기 산출된 개별 운전 조건에 따른 연소율을 기초로 실린더 내의 압력 변화를 산출하고, 상기 산출된 실린더 내의 압력 변화를 기초로 단열 압축 과정에 따른 미연 가스의 온도를 산출하고, 상기 산출된 미연가스의 온도를 기초로 점화 지연을 산출하고, 점화 지연 종료시점의 크랭크 각도에서의 미연가스 질량분율을 산출하여 노킹 발생 여부를 판정하는, 엔진 제어 시스템.
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논문(2017.02) *
논문(2019.03.04) *

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