KR102261486B1 - 엔진 실화 진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 엔진 실화 여부를 진단하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 엔진 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 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출단계와, 추출된 엔진 속도 극값으로부터 비교값을 산출하는 비교값 산출단계 및 산출된 제1 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계를 포함하되, 속도 극값 추출단계에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우에는 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 것을 요지로 한다.

Description

엔진 실화 진단 방법 및 장치{Engine misfire diagnosis method and device}
본 발명은 엔진 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 크랭크각 센서에서 계측된 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)로부터 계산되는 엔진 속도 정보를 이용하여 실화(Misfire)를 진단하는 엔진 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 속도의 변동성을 이용한 엔진 러프니스 방법은 CARB(미국 캘리포니아 대기환경청)에서 규정하고 있는 실화 검출 영역을 커버하기는 하나 그 영역이 제한적이어서, 높은 RPM, 낮은 부하 구간과 같은 일부 영역에서는 실화를 진단함에 있어 정확성이 떨어지는 단점이 있다.
엔진 속도의 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 주로 진폭(Amplitude)과 위상(Phase) 정보를 바탕으로 실화 여부를 진단하는 방식이기 때문에 특정 운전 영역에서의 진단 정밀성이 떨어지는 문제가 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 실화(Misfire)를 진단/검출할 수 있는 엔진 실화 진단 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따른 바람직한 일 실시 예에 따르면,
타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 엔진의 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 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출단계;
c) 추출된 엔진 속도 극값으로부터 제1 비교값을 산출하는 비교값 산출단계; 및
d) 산출된 제1 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하되,
상기 b) 단계에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 방법을 제공한다.
여기서, 상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며, 상기 c) 단계에서의 제1 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpmmax - rpmmin)일 수 있다.
이 경우, 상기 d) 단계에서는 엔진 속도 최대값에서 최소값의 차이인 상기 제1 비교값을 기록장치에 맵핑된 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따른 바람직한 다른 실시 예에 따르면,
타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 엔진의 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 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출단계;
c) 추출된 엔진 속도 극값으로부터 제2 비교값을 산출하는 비교값 산출단계; 및
d) 산출된 제2 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하되,
상기 b) 단계에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 방법을 제공한다.
일례로서, 상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며, 상기 c) 단계에서의 제2 비교값은 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max ?? rpm2 min)일 수 있다.
이 경우 상기 d) 단계에서는, 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱 차이인 상기 제2 비교값을 기록장치에 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
다른 예로서, 상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며, 상기 c) 단계에서의 제2 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)일 수 있다.
이 경우 상기 d) 단계에서는, 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)의 차이인 상기 제2 비교값을 기록장치에 맵핑된 제3 임계값(Threshold3)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,
엔진의 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 사이클 동안의 엔진 속도 변화를 분석하고 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 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출부와,
속도 극값 추출부에서 추출된 엔진 속도 극값을 이용하여 비교값을 산출하는 비교값 산출부 및
비교값 산출부에서 산출된 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단부로 구성되되,
상기 속도 극값 추출부는, 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 장치를 제공한다.
바람직한 일례로서 게는, 상기 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이며, 상기 비교값 산출부에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpmmax - rpmmin)이며, 상기 실화 진단부는 상기 엔진 속도 최대값에서 최소값의 차이인 상기 비교값(rpmmax - rpmmin)을 기록장치에 맵핑된 기통 별 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
바람직한 다른 예로서, 상기 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이며, 상기 비교값 산출부에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max - rpm2 min)이며, 상기 실화 진단부는 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱 차이인 상기 비교값을 기록장치에 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서의 출력 신호로 알 수 있는 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값과 최소값)만을 이용하여 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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치의 개략도.
도 2는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하기 전과 선형 추세 제거 후 엔진 속도 변동을 도시한 그래프.
도 3은 실화 진단을 위한 비교값(제1 비교값)을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치에 의해 행해지는 실화 진단 과정을 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(720°) 회전하는 구간으로서, 흡입-압축-폭발(연소 팽창)-배기 행정을 한 차례씩 포함하는 구간을 의미한다.
예를 들어, 4행정 단기통 엔진에서는 흡입-압축-폭발-배기가 한 차례씩 일어나면 한 사이클이 종료되며, 4행정 4기통 엔진인 경우 4개의 기통(Cylinder)이 정해진 순서대로 흡입-압축-폭발-배기가 한 차례씩 일어나 상기 크랭크축을 두 바퀴(720°) 회전시키면 한 사이클이 종료된다.
그리고「엔진 속도 극값」은 전술한 한 사이클 동안 크랭크축의 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 중 두 특정 위치의 투스 신호로부터 생성되는 값으로서 엔진 속도 최대값과 최소값을 의미하며, 여기서 「두 특정 위치」는 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠의 회전위치로서 사전에 설정된 위치일 수 있다.
참고로, 투스 신호(Tooth time signal)는 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 엔진 실화 진단 장치를 개략 도시한 개념도로서, 이를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치부터 살펴보기로 하되, 이하에서는 4행정 단기통 엔진을 예로 들어 설명한다. 하지만 본 발명은 단기통 엔진의 실화 진단에 국한되는 기술은 아니며, 3기통 이상 다기통 엔진에도 적용 가능한 기술임을 밝혀둔다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 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 산출한다.
제어기(20)는 악셀 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 않음에 따라 투스 신호(Tooth time siganal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간) 신호의 주기성이 훼손된다.
실화는 폭발 행정에서의 연료 미연소 -> 연소압 미생성 -> 피스톤 속도 감소 -> 크랭크축 회전 모멘텀 감소로 나타나며, 이로 인해 투스 타임이 길어지고 반대로 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 엔진에서 발생하는 실화를 정확하고 신속하게 진단/검출할 수 있도록 한 것으로, 이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 실화 진단 장치에 적용된 제어기(20)는, 선형 추세 제거부(22)와 속도 극값 추출부(26)와 비교값 산출부(28), 그리고 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, 정상 점화에서 발생한 오버슈트(Overshoot)가 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
정상 점화에서 발생한 오버슈트(Overshoot)가 엔진 속도 변동성에 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, 오버슈트가 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 선형 경향 성분을 빼는 것을 의미하는 것으로, 한 사이클 동안의 엔진 시종(始終) 속도, 즉 도 2의 (b)와 같이 TDC1(흡입행정 초기)의 속도와 TDC3(배기행정 말기)의 속도를 같게 하는 것으로 이해함이 바람직하다.
도 2에서 (a)는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세 제거 전 크랭크축 회전각도에 따른 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이고, (b)가 선형 추세 제거 후 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이다.
속도 극값 추출부(26)는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 엔진 속도 극값을 추출한다. 여기서 엔진 속도 극값은 앞서도 언급했듯이 한 사이클 동안 타겟 휠(40)의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서의 출력신호, 즉 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도 중 엔진 속도 최대값(rpmmax)과 최소값(rpmmin)일 수 있다.
속도 극값 추출에 필요한 투스 신호를 수집하는 두 특정 위치는 바람직하게, 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠(40)의 회전위치로서, 동일한 모사 환경의 시뮬레이션이나 반복 실험을 통해 엔진 속도 최대값(rpmmax)과 최소값(rpmmin)이 나타나는 타겟 휠의 회전위치 평균을 구하고, 구해진 평균을 극값 추출을 위한 타게 휠(40)의 회전위치로 저장할 수 있다.
예를 들어, 미싱 투스(Missing Tooth)를 포함하여 12개의 투스(Tooth)를 갖는 단기통 엔진에서, 타겟 휠의 회전방향으로 미스 투스에서 5번째로 떨어진 투스에서 엔진 최대값이 나타나고 8번째 떨어진 투스에서 엔진 최소값이 나타나는 것으로 확인되면, 5번 투스와 8번 투스 각각이 크랭크각 센서에 인식되는 시점의 엔진 속도를 상기 극값으로 사용하도록 설정하는 것이다.
일반적인 엔진 제어에서는 엔진의 회전 속도 또는 부하(Load)의 변화, 그리고 노킹(Knocking) 발생 여부에 따라 점화시기(Ignition timing)를 바꿔가면서 속도나 부하의 변화, 노킹 등에 대응한다. 그런데 점화시기가 바뀌면 극값이 추출되는 타겟 휠의 회전위치도 조금씩 달라질 수 있다. 즉 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠(40)의 회전위치가 약간씩 변동될 수 있다.
이에 속도 극값 추출부(26)는, 통상의 점화시기 제어 상황에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 극값을 추출하고, 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2번째 위치한 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하도록 구성될 수 있다(도 2 (b)에서 점선 박스 부분 참조).
즉 통상의 점화시기 제어 상황에서는 크랭크각 센서가 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스를 인식한 신호로부터 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기에 변화가 있는 경우에는 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스가 아닌, 진각 또는 지각인지에 따라 두 특정 위치의 투스 각각에 앞뒤로 인접한 다른 투스를 인식한 신호로부터 극값을 추출함으로써 점화시기 변화에 대응하는 것이다.
앞에서 설명한 단기통 엔진 상황을 다시 예로 들면, 통상의 점화시기 제어 상황에서는 5번 투스와 8번 투스 각각의 신호로부터 엔진 속도 최대값과 최소값을 각각 추출한다고 가정하면, 토크 리저브 제어 등을 위해 점화시기가 일정 각 지각되면 지각된 양에 따라 6번 또는 7번 투스의 신호로부터 엔진 속도 최대값을 추출할 수 있고, 9번 또는 10번 투스의 신호에서 엔진 속도 최소값을 추출할 수 도 있다는 것이다.
반대로, 커진 부하에 대응하여 점화시기를 일정 각 진각시킨 경우라면, 그 진각된 양에 따라 사전에 엔진 속도 최대값 추출을 위해 지정된 상기 5번 투스 앞에 위치한 4번이나 3번 투스의 신호로부터 엔진 속도 최대값을 추출할 수 있고, 사전에 엔진 속도 최소값 추출을 위해 지정된 상기 8번 투스 앞에 위치한 7번이나 6번 투스의 신호로부터 엔진 속도 최소값을 추출할 수도 있는 것이다.
물론, 극값 추출을 위해 사전에 설정된 투스 위치를 5번 투스와 8번 투스로 예로 든 것은 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예일뿐 언급된 번호로 한정됨을 뜻하는 것은 아니다. 극값 추출을 위해 설정되는 두 특정 위치, 즉 투스의 번호는 타겟 휠에 형성된 투스의 개수나 엔진 사양 등에 따라 얼마든지 달라질 수 있기 때문이다.
한편, 속도 극값 추출부(26)에서 추출된 엔진 속도 최대값(rpmmax)과 최소값(rpmmin)은 비교값 산출부(28)에 전달되며, 비교값 산출부(28)는 전달받은 엔진 속도 최대값과 최소값을 이용하여 비교값을 산출한다. 이때 비교값은 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값에서 최소값을 뺀 값(rpmmax - rpmmin, 이하 '제1 비교값'이라 함)일 수 있다.
도 3은 제1 비교값을 설명하기 위한 예시도로서, 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값(rpmmax)에서 최소값(rpmmin)을 뺀 값(rpmmax - rpmmin)으로 정의되는 제1 비교값(Drpm)은, 행정 별 크랭크축 회전각도 변화에 따른 엔진 속도 변화를 나타낸 도 3에서 엔진 속도 최대값(rpmmax)과 최소값(rpmmin)이 나타난 점의 y축 방향 직선 거리가 된다.
실화 진단부(29)에서는 비교값 산출부(28)에서 산출된 상기 제1 비교값(Drpm)을 분석하고, 분석된 내용을 바탕으로 실화여부를 진단한다. 바람직하게는, 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이로 정의되는 상기 제1 비교값(Drpm)을 기록장치에 맵핑된 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 실화여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
실화 여부를 판단함에 있어 기준이 되는 제1 임계값은, 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 별 정상점화와 실화를 구분할 수 있는 상기 Drpm(rpmmax - rpmmin)을 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 제1 임계값으로 출력하도록 구성될 수 있다.
단기통 엔진을 예로 들면, 정상점화에서는 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하기 때문에 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이인 상기 제1 비교값(Drpm)이 비교적 크지만, 실화가 발생하면 폭발에 의한 에너지 추가가 없기 때문에 제1 비교값(Drpm)은 정상점화 시와 비교하여 뚜렷하게 작은 폭으로 나타난다(도 3에서 정상점화와 실화 시 Drpm 폭 참조).
따라서 전술한 제1 비교값(Drpm)을 실화와 정상점화 판단의 기준값인 임계값과 비교하는 간단한 알고리즘 만으로 정확하게 실화를 진단할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예는 이처럼 실화 발생 여부에 따라 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이로 정의되는 제1 비교값(Drpm)이 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점을 이용하여 실화 여부를 진단하는 것이다.
다른 예로서, 도면에 예시하지는 않았으나 상기 비교값은 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max - rpm2 min, 이하 '제2 비교값'이라 함)로 설정될 수도 있다. 이 경우에는 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱 차이인 제2 비교값을 기록장치에 대응하여 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
이 경우도 마찬가지로, 실화 여부를 판단함에 있어 기준이 되는 제2 임계값은, 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 별 정상점화와 실화를 구분할 수 있는 rpm2 max - rpm2 min값을 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 저장될 수 있다.
또 다른 예로서, 도면에 예시하지는 않았으나 상기 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)일 수도 있다. 이 경우 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)의 차이인 상기 비교값을 기록장치에 사전에 맵핑된 제3 임계값(Threshold3)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
도 4는 전술한 실화 진단 장치에 의해 행해지는 실화 진단 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위해 도 1에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하여 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 실화 진단 장치에 의해 행해지는 실화 진단 과정은 크게, 선형 추세 제거단계(S100), 속도 극값 추출단계(S200), 비교값 산출단계(S300) 및 실화 진단단계(S400)를 포함한다. 이하 각 단계에서 행해지는 실화 진단을 위한 연산 또는 처리 과정에 대해 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, 정상 점화에서 발생한 오버슈트(Overshoot)가 실화가 발생한 기통, 즉 실린더의 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
경우에 따라 선형 추세 제거단계(S100)에는, 크랭크각 센서(10)의 투스 신호 중 특정 투스의 신호만을 추려 처리할 신호 데이터의 양을 줄이고, 이를 통해 제어기가 부담해야 할 연산 부하를 크게 경감시키기 위해, 실화진단에 필요한 신호만을 선별하여 선형 추세를 제거할 수도 있다. 이 경우는 흡기행정 초기와 배기행정 말기, 그리고 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 위치에서만 투스 신호를 수집하는 경우일 수 있다.
속도 극값 추출단계(S200)에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 사전에 설정된 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 한 사이클 동안의 속도 극값(엔진 속도 최대값과 최소값)을 생성한다. 단기통 엔진인 경우 한 사이클에서 총 2개의 극값을 생성하며, 다기통 예컨대, 4기통 엔진인 경우에는 한 사이클 동안 기통 별로 2개씩 총 8개의 속도 극값을 생성할 수 있다.
속도 극값 추출에 필요한 투스 신호를 수집하는 두 특정 위치는 바람직하게, 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠(40)의 회전위치로서, 동일한 모사 환경의 시뮬레이션이나 반복 실험을 통해 엔진 속도 최대값(rpmmax)과 최소값(rpmmin)이 나타나는 타겟 휠의 회전위치 평균을 구하고, 구해진 평균을 극값 추출을 위한 타게 휠(40)의 회전위치로 저장할 수 있다.
일반적인 엔진 제어에서는 엔진의 회전 속도 또는 부하(Load)의 변화, 그리고 노킹(Knocking) 발생 여부에 따라 점화시기(Ignition timing)를 바꿔가면서 속도나 부하의 변화, 노킹 등에 대응한다. 그런데 점화시기가 바뀌면 극값이 추출되는 타겟 휠의 회전위치도 조금씩 달라질 수 있다. 즉 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠(40)의 회전위치가 약간씩 변동될 수 있다.
따라서 속도 극값 추출단계(S200)에서는, 통상의 점화시기 제어 상황에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 극값을 추출하고, 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2번째 위치한 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출할 수 있다(앞선 도 2의 (b)에서 점선 박스 부분 참조).
즉 통상의 점화시기 제어 상황에서는 크랭크각 센서가 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스를 인식한 신호로부터 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기에 변화가 있는 경우에는 사전에 지정된 두 특정 위치의 투스가 아닌, 진각 또는 지각인지에 따라 두 특정 위치의 투스 각각에 앞뒤로 인접한 다른 투스를 인식한 신호로부터 극값을 추출함으로써 점화시기 변화에 대응하는 것이다
속도 극값 추출단계(S200)에서 추출된 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값과 최소값은 이후 과정인 비교값 산출단계(S300)에서 비교값을 산출하는데 활용된다. 이때 비교값은 바람직한 일례로서, 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값에서 최소값을 뺀 값(rpmmax - rpmmin, 제1 비교값)으로서, 앞선 도 3에서 엔진 속도 최대값과 최소값의 y축 방향 직선 거리(Drpm)일 수 있다.
실화 진단단계(S400)에서는 비교값 산출단계(S300)에서 산출된 상기 비교값(Drpm)을 분석하고, 분석된 내용을 바탕으로 기통 별 실화여부를 진단한다. 바람직하게는, 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이로 정의되는 상기 제1 비교값(Drpm)을 기록장치에 맵핑된 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 기통 별 실화여부를 진단할 수 있다.
단기통 엔진을 예로 들면, 정상점화에서는 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하기 때문에 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이인 상기 제1 비교값(Drpm)이 비교적 크지만, 실화가 발생하면 폭발에 의한 에너지 추가가 없기 때문에 제1 비교값(Drpm)은 정상점화 시와 비교하여 뚜렷하게 작은 폭으로 나타난다(앞선 도 3에서 정상점화와 실화 시 Drpm 폭 참조).
따라서 전술한 제1 비교값(Drpm)을 실화와 정상점화 판단의 기준값이 임계값과 비교하는 간단한 알고리즘 만으로 정확하게 실화를 진단할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예는 이처럼 실화 발생 여부에 따라 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이로 정의되는 제1 비교값(Drpm)이 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점을 이용하여 실화 여부를 진단하는 것이다.
다른 예로서, 비교값 산출단계(S300)에서 산출되는 비교값은 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max - rpm2 min, 제2 비교값)일 수도 있다. 이처럼 비교값이 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이로 설정된 경우 상기 실화 진단단계(S400)에서는 기록장치에 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
또 다른 예로서, 비교값 산출단계(S300)에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)일 수도 있다. 이처럼 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)의 차이가 비교값으로 설정된 경우에는 상기 실화 진단단계(S400)에서는 기록장치에 맵핑된 제3 임계값(Threshold3)과 비교하여 실화여부를 진단할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서의 출력 신호로 알 수 있는 한 사이클 동안의 엔진 속도 최대값과 최소값)만을 이용하여 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.
이상의 본 발명에서는 실화를 진단하는 과정을 단기통 엔진을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 엔진 실화 진단 과정은 단기통 뿐 아니라, 2기통 이상의 다기통 엔진, 예컨대, 4기통, 6기통, 8기통, 16기통 엔진 등 다양한 종류의 엔진에도 적용 가능하므로, 다기통 엔진에 적용하는 변형 예 역시 본 발명의 범주에 포함될 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
26 : 속도 극값 추출부
28 : 비교값 산출부
29 : 실화 진단부
30 : 크랭크축
40 : 타켓 휠
50 : 점화코일
60 : 연료인젝터

Claims (12)

  1. 타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 엔진의 실화 여부를 진단하는 방법으로서,
    a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 선형 경향 성분을 빼 엔진의 시종(始終) 속도를 같게 하는 선형 추세 제거단계;
    b) 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출단계;
    c) 추출된 엔진 속도 극값으로부터 제1 비교값을 산출하는 비교값 산출단계; 및
    d) 산출된 제1 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하되,
    상기 b) 단계에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하되, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 c) 단계에서의 제1 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpmmax - rpmmin)인 엔진 실화 진단 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서는,
    엔진 속도 최대값에서 최소값의 차이인 상기 제1 비교값을 기록장치에 맵핑된 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 방법.
  4. 타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 엔진의 실화 여부를 진단하는 방법으로서,
    a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 선형 경향 성분을 빼 엔진의 시종(始終) 속도를 같게 하는 선형 추세 제거단계;
    b) 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출단계;
    c) 추출된 엔진 속도 극값으로부터 제2 비교값을 산출하는 비교값 산출단계; 및
    d) 산출된 제2 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하되,
    상기 b) 단계에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 c) 단계에서의 제2 비교값은 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max - rpm2 min)인 엔진 실화 진단 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서는,
    엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱 차이인 상기 제2 비교값을 기록장치에 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서의 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 나타나는 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 c) 단계에서의 제2 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)인 엔진 실화 진단 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서는,
    엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)의 차이인 상기 제2 비교값을 기록장치에 맵핑된 제3 임계값(Threshold3)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 방법.
  9. 엔진의 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 사이클 동안의 엔진 속도 변화를 분석하고 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,
    상기 제어기는,
    한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 선형 경향 성분을 빼 엔진의 시종(始終) 속도를 같게 하는 선형 추세 제거부와,
    선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 엔진 속도 극값을 추출하는 속도 극값 추출부와,
    속도 극값 추출부에서 추출된 엔진 속도 극값을 이용하여 비교값을 산출하는 비교값 산출부 및
    비교값 산출부에서 산출된 비교값을 분석하여 실화여부를 진단하는 실화 진단부로 구성되되,
    상기 속도 극값 추출부는, 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 두 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 상기 엔진 속도 극값을 추출하고, 점화시기 제어에 따라 점화시기가 진각 또는 지각된 경우 상기 두 특정 위치의 투스 신호 각각에 대하여 앞뒤로 1 ~ 2 번째 위치한 투스 신호로부터 상기 엔진 속도 극값을 추출하는 엔진 실화 진단 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 비교값 산출부에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpmmax - rpmmin)이며,
    상기 실화 진단부는 상기 엔진 속도 최대값에서 최소값의 차이인 상기 비교값(rpmmax - rpmmin)을 기록장치에 맵핑된 기통 별 제1 임계값(Threshold1)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 비교값 산출부에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm2 max - rpm2 min)이며,
    상기 실화 진단부는 상기 엔진 속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱 차이인 상기 비교값을 기록장치에 맵핑된 제2 임계값(Threshold2)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔진 속도 극값은 한 사이클 동안 엔진 속도 최대값과 최소값이며,
    상기 비교값 산출부에서 산출되는 비교값은 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm max - rpm min)2)이며,
    상기 실화 진단부는 상기 상기 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱인 상기 비교값을 기록장치에 맵핑된 제3 임계값(Threshold3)과 비교하여 실화여부를 진단하는 엔진 실화 진단 장치.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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