KR20000073307A - 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치및방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차의 가솔린엔진에 관한 것으로서, 특히 점화시기 측정에 관한 것이다.
이 발명은 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치로서, 점화코일의 이차측으로부터 점화 플러그에 제공되는 스파크전압과 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 측정하는 장치에 있어서, 점화코일의 이차측 스파크 전압을 유도하는 마그네틱 픽업코일과, 상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하여 구형파신호를 출력하는 신호처리부, 크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 크랭크신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터, 상기 신호처리부에서 출력되는 구형파의 마그네틱 픽업신호와 저역통과 필터링된 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 계산하는 마이크로 컨트롤러, 및 상기 마이크로 컨트롤러에서 계산된 엔진의 회전속도와 점화시기를 화면에 표시하는 디스플레이부를 포함한다.
Description
본 발명은 자동차의 가솔린엔진에 관한 것으로서, 특히 점화시기 측정에 관한 것이다.
엔진이라 함은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치를 말하며, 일반적으로 자동차의 엔진은 흡입 행정과, 압축 행정, 폭발 행정, 및 배기 행정을 통해 동력을 발생한다. 흡입 행정에서는 흡기 밸브가 열려있는 상태에서 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려오고, 실린더 내부는 대기압보다 압력이 낮아져 혼합기가 실린더 안으로 흡입된다.
압축행정에서는 흡기 및 배기 밸브가 닫혀있는 상태에서 피스톤이 상승함에 따라 혼합기는 압축되어 압력이 높아지고, 혼합기 속의 연료는 압축으로 인한 온도의 상승으로 완전히 기화되어 쉽게 점화될 수 있다. 이때 압축 압력이 규정보다 너무 낮으면 흡입된 혼합기가 제대로 기화되지 못하기 때문에 동력 행정에서의 출력도 떨어지게 되고, 압축 압력이 너무 높으면 압축열에 의해서 자기 착화되어 이상 연소에 의해 엔진 출력이 저하된다. 따라서, 적절한 범위의 압축 압력이 필요하다.
동력 행정에서는 압축 행정이 끝나는 상사점의 조금 전에 점화 플러그의 불꽃에 의해 혼합기가 점화되면, 혼합기가 연소하여 발생한 고압가스의 압력을 받아 피스톤이 내려가면서 크랭크축에 회전력을 가한다. 이때, 점화 플러그의 점화시기는 엔진 성능에 지대한 영향을 주기 때문에 엔진 출력을 최고로 낼 수 있는 순간에 점화될 수 있도록 정확한 시기에서의 점화가 필요하다.
배기 행정에서는 배기 밸브가 열려있는 상태에서 피스톤이 상승하고 연소가스가 실린더에서 배출되어 1사이클이 완료된다. 피스톤이 상사점에 도달하면 다시 흡입 행정으로 옮겨 사이클을 되풀이한다.
위에서 언급한 바와 같이, 가솔린 엔진에 있어서 가장 중요한 제어항목 중 하나는 동력 행정에서의 점화 플러그의 점화시기이다. 이 점화시기는 엔진제어유닛(ECU: engine control unit)에 의해 엔진이 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 제어된다. 점화시기가 지나치게 빠르면 상사점 전의 연소 비율이 커져서 압축율의 증가로 출력이 저하되거나 노킹이 발생하고, 점화시기가 지나치게 늦어지면 연소가 배기 행정에까지 이어지기 때문에 출력이 저하가 발생한다. 따라서, 정확한 점화시기 제어에 대한 필요성이 증대하고 있으며, 특히 연비 및 배기가스 규제의 강화에 따라 희박연소기관이나 직분식 기관이 개발되면서 점화시기의 정밀한 제어에 대한 요구가 더욱 증대되고 있다.
점화시기를 정밀하게 제어하기 위하여 정확한 점화시기를 측정하여야 하는데, 종래에는 상기 엔진제어유닛의 점화 제어신호를 측정하는 것으로 점화시기를 측정하였다. 즉, 엔진제어유닛은 엔진이 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 점화 제어신호를 출력한다. 이 점화 제어신호가 점화코일의 1차측으로 제공되면 이차측으로 고전압이 유도되고, 이 고전압이 점화 플러그에 인가되면서 스파크가 발생하여 연소실 내의 혼합기가 점화된다.
따라서, 상기 엔진제어유닛의 점화 제어신호를 측정하면 점화 플러그의 점화시기를 알 수는 있으나, 점화코일 등의 부품에 이상이 있을 경우에는 엔진제어유닛의 점화 제어신호만으로는 실제 점화 플러그의 점화시기를 정확하게 확인할 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 점화시기를 정밀하게 제어하기 위해 정밀한 제어시스템을 개발하여야 하며, 이때 정확한 점화시기를 계산하는 것뿐만 아니라 계산된 점화시기에 실제로 점화가 일어나고 있는 지를 확인할 수 있는 점화시기 측정장치에 대한 필요성이 대두되었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 것으로서, 점화코일의 이차측으로부터 유도된 마그네틱 픽업신호와 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 점화 플러그의 실제 점화시기와 엔진의 회전속도를 계산하기 위한 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치를 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 신호처리부의 내부 회로를 도시한 상세 회로도,
도 3의 (a)는 엔진제어유닛에서 출력되는 점화 제어신호를 도시한 그래프도,
도 3의 (b)는 신호 처리 전의 마그네틱 픽업신호를 도시한 그래프도,
도 4의 (a)는 엔진제어유닛에서 출력되는 점화 제어신호를 도시한 그래프도,
도 4의 (b)는 신호 처리 후의 마그네틱 픽업신호를 도시한 그래프도,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정방법을 도시한 흐름도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
11 : 신호처리부 12 : 저역통과필터
13 : 마이크로 컨트롤러 14 : 디스플레이부
21 : 마이네틱 픽업코일 22 : 저역통과필터
23 : 클램퍼 24 : 비교기
25 : 듀티비 제어부 26 : 분압부
27 : 구형파 발진기
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치는, 점화코일의 이차측으로부터 점화 플러그에 제공되는 스파크전압과 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 측정하는 장치에 있어서,
점화코일의 이차측 스파크 전압을 유도하는 마그네틱 픽업코일과,
상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하여 구형파신호를 출력하는 신호처리부,
크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 크랭크신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터,
상기 신호처리부에서 출력되는 구형파의 마그네틱 픽업신호와 저역통과 필터링된 크랭크신호를 이용하여, 엔진의 회전속도와 점화시기를 계산하는 마이크로 컨트롤러, 및
상기 마이크로 컨트롤러에서 계산된 엔진의 회전속도와 점화시기를 화면에 표시하는 디스플레이부를 포함한 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 신호처리부는,
상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터와,
상기 저역통과 필터링된 마그네틱 픽업신호와 기준신호를 비교하여, 상기 마그네틱 픽업코일에 상기 스파크전압이 유도되면 하이 레벨의 스파크전압 감지신호를 출력하는 비교기,
상기 하이 레벨의 스파크전압 감지신호가 입력되면 설정된 듀티비의 구형파 펄스를 출력하는 구형파 발진기, 및
상기 저역통과 필터링된 마그네틱 픽업신호를 상한치와 하한치로 클램핑하여 상기 비교기에 제공하는 클램퍼를 포함한다.
또한, 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정방법은,
점화코일의 이차측으로부터 점화 플러그에 제공되는 스파크 전압과 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 측정하는 방법에 있어서,
점화코일의 이차측 스파크전압을 이용한 점화시기 측정장치는, 상기 점화코일의 이차측 스파크전압을 유도하는 마그네틱 픽업코일과, 상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하여 구형파신호를 출력하는 신호처리부, 크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 크랭크신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터, 상기 신호처리부에서 출력되는 구형파의 마그네틱 픽업신호와 저역통과 필터링된 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 계산하는 마이크로 컨트롤러를 포함하고,
상기 마이크로 컨트롤러 내의 점화시기 측정방법은,
제1크랭크신호가 입력되면 제1크랭크신호 입력시각을 저장하는 제1단계와,
마그네틱 픽업신호가 입력되면 마그네틱 픽업신호 입력시각을 저장하는 제2단계,
제2크랭크신호가 입력되면 제2크랭크신호 입력시각을 저장하는 제3단계,
상기 제2크랭크신호 입력시각과 제1크랭크신호 입력시각의 시간차를 이용하여 크랭크신호의 주기를 구하고, 크랭크축의 분당 회전수를 구하는 제4단계,
상기 제2크랭크신호 입력시각과 제1크랭크신호 입력시각의 시간차를 360으로 나누어서 크랭크축이 1도 회전하는 필요한 1도 회전시간을 구하고, 상기 마그네틱 픽업신호 입력시각과 제2크랭크신호 입력시각의 시간차를 구한 후, 두 값을 이용하여 점화시기를 계산하는 제5단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 점화코일의 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 신호처리부를 보다 상세하게 도시한 회로도, 도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 마그네틱 픽업신호를 도시한 그래프도이다.
도 1을 참조하면, 점화코일의 스파크 전압은 마그네틱 픽업코일로 유도되어 마그네틱 픽업신호가 발생하며 이 마그네틱 픽업신호는 신호처리부(11)에서 적절하게 신호처리된 후 마이크로 컨트롤러(13)로 제공된다. 신호처리부(11)는 도 2에 상세하게 도시되어 있다. 한편, 크랭크축이 1회전할 때마다 크랭크축과 연동하는 엔코더는 하나의 펄스(1ppr : pulse per revolution)를 출력하는데, 이 크랭크신호는 저역통과필터(12)를 통과한 후 마이크로 컨트롤러(13)에 제공된다.
마이크로 컨트롤러(13)는 신호 처리된 마그네틱 픽업신호와 크랭크신호를 이용하여 크랭크축의 회전속도와 점화시기를 계산하는데, 그 상세한 흐름도가 도 5에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하는 신호처리부(11)는, 점화코일의 스파크 전압을 유도하여 마그네틱 픽업신호를 출력하는 마그네틱 픽업코일(21)과, 마그네틱 픽업신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터(22), 저역통과 필터링된 마그네틱 픽업신호를 상한치와 하한치로 클램핑하는 클램퍼(23), 클램핑된 신호와 분압부(26)에서 제공되는 기준신호를 비교하여 마그네틱 픽업코일이 스파크전압을 감지하면 하이 레벨의 스파크전압 감지신호를 출력하는 비교기(24), 및 비교기(24)로부터 하이 레벨의 스파크전압 감지신호가 입력되면 듀티비 제어부(25)에 의해 설정된 듀티비를 가지는 구형파 펄스를 출력하는 구형파 발진기(27)를 구비한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.
점화코일의 이차측으로부터 유도된 마그네틱 픽업신호는 신호처리부(11)에서 적절하게 신호 처리되어 구형파 펄스로 출력된다.
즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 엔진제어유닛의 점화 제어신호가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이할 때 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 마그네틱 픽업신호가 발생하는데, 이 마그네틱 픽업신호가 신호처리부(11)에 입력된다.
마그네틱 픽업코일(21)에 의해 유도된 마그네틱 픽업신호는 저항(R21)과 커패시터(C21)로 이루어진 저역통과필터(22)에서 저역통과 필터링되어 고주파의 노이즈가 제거된다. 그 다음에, 다이오드(D21, D22)로 이루어진 클램퍼(23)에 의해 상한치와 하한치가 클램핑되는데, 이는 마그네틱 픽업코일(21)로 유도되는 스파크 전압이 커질 때 회로를 보호하기 위해 사용하는 것이다.
클램핑된 신호는 비교기(24)의 정입력단자로 입력된다. 한편, 두 개의 분압저항(R23, R24)로 이루어진 분압부(26)에 의해 제공되는 기준신호가 비교기(24)의 부입력단자로 입력된다. 비교기(24)는 정입력단자로 입력되는 클램핑된 신호와 부입력단자로 입력되는 기준신호를 비교하여 하이/로우 레벨의 디지털신호를 출력한다. 이때, 비교기(24)로 제공되는 기준신호는, 스파크 전압의 크기가 작은 경우에도 신호를 검출할 수 있을만큼 작아야 하고, 노이즈를 스파크 전압으로 잘못 인식하지 않을만큼 커야 한다. 이러한 기준신호는 실험을 통해 설정한다.
마그네틱 픽업코일(21)로 점화코일의 이차측 스파크 전압이 유도되면 비교기(24)의 정입력단자로 입력되는 클램핑된 신호가 기준신호보다 커지기 때문에 비교기(24)는 하이 레벨의 스파크전압 감지신호를 출력한다. 이 하이 레벨의 스파크전압 감지신호는 구형파 발진기(27)의 B단자로 입력되며, 구형파 발진기(27)는 저항(R22)과 커패시터(C22)로 이루어진 듀티비 제어부(25)에 의해 설정된 시간만큼의 듀티비를 가지는 구형파 펄스를 출력한다. 신호 처리된 후의 마그네틱 픽업신호가 도 4의 (b)에 도시되어 있다.
한편, 크랭크축의 엔코더로부터 출력되는 크랭크신호는 저역통과필터(12)에서 저역통과 필터링된 후 마이크로 컨트롤러(13)에 제공된다.
마이크로 컨트롤러(13)는 도 5에 도시된 흐름도에 도시된 바와 같이, 신호 처리된 마그네틱 픽업신호와 크랭크신호를 입력받아서 엔진의 분당회전수(rpm)와 점화시기를 측정한다.
도 5를 참조하면, 먼저 단계 S51은 초기화 단계이고, 단계 S52는 크랭크신호가 입력되는 지를 감지하는 단계이다. 시간상 먼저 입력되는 크랭크신호를 제1크랭크신호, 나중에 입력되는 크랭크신호를 제2크랭크신호라고 명명하고, 마그네틱 픽업신호를 픽업신호라고 하며, 마그네틱 픽업신호가 입력된 후에 제2크랭크신호가 입력되는 것으로 가정한다.
단계 S52에서 제1크랭크신호가 입력되면 단계 S53으로 진행하여 제1크랭크신호가 입력되는 제1크랭크신호 입력시각을 저장하고, 오버플로우 플래그를 크리어한다. 오버플로우 플래그는 마이크로 컨트롤러 내부의 시스템 카운터가 리셋될 때 세트(set)되는 플래그이다. 예를들어, 마이크로 컨트롤러의 시스템 카운터는 '000'H 부터 'FFF'H까지 순차적으로 증가하고, 'FFF' 후에는 다시 '000'으로 리셋(reset)되는데, 이때 오버플로우 플래그가 세트된다. 마이크로 컨트롤러는 이 오버플로우 플래그가 세트되는 횟수를 계수하여야 정확한 크랭크신호의 주기를 계산해 낼 수 있다. 즉, 오버플로우가 1회 발생한 후 시스템 카운터가 '11A' H에서 픽업신호가 입력되면, 제1프랭크신호와 픽업신호의 시간차는 시스템 카운터가 '000' H에서 'FFF' H 까지 진행하는 시간과, 다시 '000' H에서 '11A' H까지 진행하는 시간의 합으로 구해질 수 있다.
즉, 제1크랭크신호가 입력된 후 단계 S54와 같이 시간 오버플로우가 발생하면 단계 S55로 진행하여 오버플로우 발생횟수를 계수한다. 그러는 중에 단계 S56에서 픽업신호가 입력되면, 단계 S57에서 오버플로우 발생횟수를 고려한 픽업신호 입력시각을 저장한다. 그 후, 단계 S58에서 제2크랭크신호가 입력되면, 단계 S59에서 오버플로우 발생횟수를 고려한 제2크랭크신호 입력시각을 저장한 후 오버플로우 플래그를 크리어한다.
단계 S60은 제2크랭크신호 입력시각과 제1크랭크신호 입력시각의 시간차 즉, 크랭크신호의 주기를 구하는 단계이고, 단계 S61은 단계 S60에서 구한 크랭크신호의 주기를 이용하여 엔진의 분당회전수와 점화시기를 계산하는 단계이다.
크랭크신호는 크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 1펄스이기 때문에 크랭크신호의 주기는 곧, 크랭크축이 1회 회전하는 데 필요한 시간이다. 즉, 크랭크축이 1회 회전하는 데 필요한 시간을 알면 크랭크축의 분당회전수(rpm)을 계산해 낼 수 있다.
또한, 크랭크축이 1회 회전하는 데 필요한 시간을 360으로 나누면 크랭크축이 1도 회전하는 데 필요한 시간을 구한다. 픽업신호와 제2크랭크신호의 입력 시간차를 구한 후, 이 시간차를 크랭크축의 1도 회전시간을 나누면 정확한 점화시기를 계산해 낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 엔진 크랭크축의 크랭크신호와 점화코일의 이차측 스파크전압을 이용하여 엔진의 실제 점화시기를 간편하고 정확하게 계산해 낼 수 있고, 점화시기 뿐만 아니라 점화 발생 여부를 정확하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 점화코일의 이차측으로부터 점화 플러그에 제공되는 스파크전압과 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 측정하는 장치에 있어서,점화코일의 이차측 스파크 전압을 유도하는 마그네틱 픽업코일과,상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하여 구형파신호를 출력하는 신호처리부,크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 크랭크신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터,상기 신호처리부에서 출력되는 구형파의 마그네틱 픽업신호와 저역통과 필터링된 크랭크신호를 이용하여, 엔진의 회전속도와 점화시기를 계산하는 마이크로 컨트롤러, 및상기 마이크로 컨트롤러에서 계산된 엔진의 회전속도와 점화시기를 화면에 표시하는 디스플레이부를 포함한 것을 특징으로 하는 점화코일의 이차측 스파크 전압을 이용한 점화시기 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 신호처리부는,상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터와,상기 저역통과 필터링된 마그네틱 픽업신호와 기준신호를 비교하여, 상기 마그네틱 픽업코일에 상기 스파크전압이 유도되면 하이 레벨의 스파크전압 감지신호를 출력하는 비교기,상기 하이 레벨의 스파크전압 감지신호가 입력되면 설정된 듀티비의 구형파 펄스를 출력하는 구형파 발진기, 및상기 저역통과 필터링된 마그네틱 픽업신호를 상한치와 하한치로 클램핑하여 상기 비교기에 제공하는 클램퍼를 포함한 것을 특징으로 하는 점화코일의 이차측 스파크전압을 이용한 점화시기 측정장치.
- 점화코일의 이차측으로부터 점화 플러그에 제공되는 스파크 전압과 크랭크축의 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 측정하는 방법에 있어서,점화코일의 이차측 스파크전압을 이용한 점화시기 측정장치는, 상기 점화코일의 이차측 스파크전압을 유도하는 마그네틱 픽업코일과, 상기 마그네틱 픽업코일로 유도된 마그네틱 픽업신호를 신호 처리하여 구형파신호를 출력하는 신호처리부, 크랭크축이 1회 회전할 때마다 출력되는 크랭크신호를 저역통과 필터링하는 저역통과필터, 상기 신호처리부에서 출력되는 구형파의 마그네틱 픽업신호와 저역통과 필터링된 크랭크신호를 이용하여 엔진의 회전속도와 점화시기를 계산하는 마이크로 컨트롤러를 포함하고,상기 마이크로 컨트롤러 내의 점화시기 측정방법은,제1크랭크신호가 입력되면 제1크랭크신호 입력시각을 저장하는 제1단계와,마그네틱 픽업신호가 입력되면 마그네틱 픽업신호 입력시각을 저장하는 제2단계,제2크랭크신호가 입력되면 제2크랭크신호 입력시각을 저장하는 제3단계,상기 제2크랭크신호 입력시각과 제1크랭크신호 입력시각의 시간차를 이용하여 크랭크신호의 주기를 구하고, 크랭크축의 분당 회전수를 구하는 제4단계,상기 제2크랭크신호 입력시각과 제1크랭크신호 입력시각의 시간차를 360으로 나누어서 크랭크축이 1도 회전하는 필요한 1도 회전시간을 구하고, 상기 마그네틱 픽업신호 입력시각과 제2크랭크신호 입력시각의 시간차를 구한 후, 두 값을 이용하여 점화시기를 계산하는 제5단계를 포함한 것을 특징으로 하는 점화코일의 스파크전압을 이용한 점화시기 측정방법.
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