KR20060072844A - 차량 엔진의 실화 판정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 엔진의 운전상태에서 엔진 ECU가 고속, 저부하 운전영역에 해당함을 판단한 경우 미리 설정된 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 산출하고, 이를 현재 차속에서의 실화 임계치 데이터와 비교하여 엔진 실화를 판정하도록 함으로써, 특히 고속, 저부하 운전조건에서 정확한 판정이 수행될 수 있도록 한 차량 엔진의 실화 판정방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 실화 판정방법은, 차량 엔진의 운전상태에서, 크랭크 축 위치 센서, 흡입공기량 센서, 차속센서의 신호를 입력받는 단계와; 상기 크랭크 축 위치 센서 및 흡입공기량 센서의 신호로부터 엔진 회전수 및 흡입공기량을 산출하고, 그로부터 엔진 부하를 산출하여, 현재의 엔진 운전상태가 고속, 저부하 운전영역에 해당하는지를 판단하는 단계와; 고속, 저부하 운전영역으로 판단되면, 크랭크 축 위치 센서의 신호로부터 소정 크랭크 각 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 각속도 제곱의 차이를 산출하여, 이 각속도 제곱의 차이를 현재 차속에서의 실화 임계치와 비교하는 단계와; 상기 각속도 제곱의 차이가 실화 임계치 이상이면 실화가 발생된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

차량, 엔진, 실화, 판정방법, 크랭크 축, 각속도, 제곱차, ECU

Description

차량 엔진의 실화 판정방법{Method for misfire detection of engine in vehicle}

도 1은 크랭크 축 시스템의 1차 등가 모델링을 나타낸 도면,

도 2는 크랭크 스로우의 모델링을 나타낸 도면,

도 3a ~ 도 3d는 2000rpm 조건하에서 측정된 각속도 변동과 1자유도계 및 백색 외란, 비틀림 진동으로부터 계산된 각속도 변동을 비교하여 나타낸 도면,

도 3e와 도 3f는 무부하 조건에서 회전속도를 각각 공회전과 3000rpm으로 하였을 때 각속도 변동을 비교하여 나타낸 도면,

도 4a ~ 도 4d는 압력토크, 관성토크, 가속도의 관계를 나타낸 도면,

도 5a ~ 도 5d는 각 운전조건에서 각속도 변화 및 변화율을 나타낸 도면,

도 6a ~ 도 6d는 각 운전조건에서 백색 외란의 영향을 보여주는 도면,

도 7a ~ 도 7d는 각 운전조건에서 각속도의 제곱차를 나타낸 도면,

도 8a ~ 도 8d는 백색 외란의 영향을 고려하여 나타낸 각속도의 제곱차를 나타낸 도면,

도 9a ~ 도 9f는 정상시와 실화시의 각속도 변동을 자동변속기와 수동변속기 차량에 대해 비교하여 나타낸 도면,

도 10a ~ 도 10h는 자동변속기 차량에서 실화시와 정상 운전시의 각속도 제곱차의 분포를 관성 영향의 보정 전 및 보정 후로 하여 나타낸 도면,

도 11a ~ 도 11j는 자동변속기 차량에서 실화시와 정상 운전시의 각속도 제곱차의 분포를 관성 영향의 보정 전 및 보정 후로 하여 나타낸 도면,

도 12a ~ 도 12g는 수동변속기와 자동변속기에 대하여 차속에 따른 임계치를 구한 예를 나타내는 도면,

도 13은 본 발명에 따른 실화 판정방법을 구현하기 위한 실제 차량에서의 장치를 도시한 블럭 구성도,

도 14는 본 발명에 따른 엔진 실화 판정방법을 나타낸 플로우차트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 크랭크 축 위치 센서 14 : 흡입공기량 센서

16 : 차속센서 20 : 엔진 ECU

40 : 경고장치

본 발명은 차량 엔진의 실화 판정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 엔진의 운전상태에서 엔진 ECU가 고속, 저부하 운전영역에 해당함을 판단한 경우 미리 설정된 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 산출하고, 이를 현재 차속에서의 실화 임계치 데이터와 비교하여 엔진 실화를 판정하도록 함으로써, 특히 고속, 저부하 운전조건에서 정확한 판정이 수행될 수 있도록 한 차량 엔진의 실화 판정방법에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진을 탑재한 자동차에서는 연소과정에서 발생한 유해 성분을 후처리장치인 3원촉매장치를 이용하여 정화시키고 있으며, 따라서 촉매가 손상되어 정화기능이 저하되거나 엔진 및 제어장치에서 결함이 발생하면 유해 배출물은 증가하게 된다.

특히, 점화 불능, 연료공급장치의 결함, 엔진의 압축 저하나 기타 다른 원인으로 인해 실린더 내에서 정상적으로 연소가 일어나지 않고 실화(misfire)가 발생하면 동력이 손실되고 연료 소비가 증가하며 토크 불균일로 인해 엔진의 진동 등이 발생한다.

뿐만 아니라, 배기 중의 유해 성분이 급격하게 증가하고, 심할 경우 배기정화용 촉매가 손상된다.

여기서, 엔진 실화는 엔진의 연소실 내에 혼합되어 있는 연료와 공기가 점화장치에 의해 점화되어도 점화원을 중심으로 화염전파가 일어나지 않거나, 일어나더라도 부분적인 화염전파가 일어나는 것, 혹은 화염전파속도가 불규칙적이거나 속도 지연에 따라 비정상 연소를 하는 모든 과정을 말하며, 그 결과에 따라 엔진 및 배출계통에 손상을 주고, 유해 배출가스도 다량으로 발생시켜 환경을 오염시킨다.

그러므로, 엔진의 실화를 최대한 줄이는 것이 중요하고, 특히 북미에 수출하는 자동차에는 엔진 실화 검출 시스템을 장착하는 것이 의무화되어 있으며, OBD Ⅱ (On Board Diagnostics Ⅱ)에 규정된 10가지 감시항목 중에 실화 검출 및 실화 실린더 판별이 포함되어 있다.

통상적으로 엔진 실화 검출 시스템이라고 하는 것은 해당 운전영역마다 제어부에 기억되어 있는 맵(map) 데이터의 실화 기준값과 크랭크 축의 각속도 값을 비교하여 실화 조건에 포함된다고 제어부가 판단하게 되면 운전자에게 경보음이나 램프로써 알려주는 시스템을 말한다.

보통 실화가 일어나면 일차적으로 엔진에서 배출되는 탄화수소와 산소의 농도가 증가하므로 산소센서가 희박 혼합기에 해당하는 신호를 엔진 ECU에 보내게 되어 혼합기는 더욱 농후해진다.

이에 따라, 탄화수소와 일산화탄소의 배출농도는 증가하고, 질소산화물의 농도는 감소하게 된다.

따라서, 엔진 실화 검출 시스템은 실화 실린더의 연료를 차단하는 직접적인 제어나 운전자가 현재의 엔진상태를 인식하게 하는 간접적인 제어를 통하여 운전자로 하여금 자동차를 점검받을 수 있게 하므로 엔진 실화 검출 시스템에 의한 실화 검출은 엔진 제어와 함께 매우 중요하다.

그런데, 상기한 실화 검출은 연소 압력이나 연소가스 온도를 직접 측정하는 것이 가장 확실한 방법이지만, 이는 실차에 적용함에 있어서 센서의 내구성이나 장치의 경제성을 고려해야 하므로 문제가 있다.

그 외에 다른 많은 방법들이 연구되어 왔으나, 경제성이나 적용의 용이성 때문에 크랭크 축의 각속도 변동을 이용하는 방법이 가장 주목받고 있다.

따라서, 크랭크 축의 각속도 변동을 이용한 실화 판정에 관해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 특히 이 방법을 이용하게 되면 엔진-동력계상에서 축적한 기술들을 그대로 실차에 적용할 수 있다는 것이 알려지게 되었다.

이러한 실화 판정에 있어서 주행 중인 자동차에서의 실화 검출은 연속되는 센서 신호를 분석하여 실화 여부를 운전자에게 알려주어야 하므로 실시간 제어가 가능하도록 센서 신호를 해석해야 하고, 실화를 판단하는데 걸리는 시간이 짧아야 한다.

이러한 작업을 위해서는 차량의 각속도 변동을 각 조건에서 감시할 수 있는 장치가 필요하다.

그러나, 각속도 변동을 이용한 실화 검출에 있어서 가장 큰 어려움이 존재하는 고속, 저부하 영역에서의 실화 판정시에는 각속도 변동 특성이 부하와 회전속도에 따라 관성 지배영역이 된다.

특히, 고속의 관성 지배영역에서는 압력토크보다 관성토크에 의한 영향이 더 크기 때문에 이러한 각속도 특성이 나타나지만, 비틀림 진동 등의 영향도 무시할 수 없기 때문에 이에 대한 해석도 필요하며, 이러한 해석을 통하여 이 영역에도 적용될 수 있는 실화 판정 알고리즘이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 차량 엔진의 운전상태에서 엔진 ECU가 고속, 저부하 운전영역에 해당함을 판단한 경우 미리 설정된 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 산출하고, 이를 현재 차속에서의 실화 임계치 데이터와 비교하여 엔진 실화를 판정하도록 함으로써, 특히 고속, 저부하 운전조건에서 정확한 판정이 수행될 수 있도록 한 차량 엔진의 실화 판정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 차량 엔진의 실화 판정방법에 있어서,

차량 엔진의 운전상태에서, 크랭크 축 위치 센서, 흡입공기량 센서, 차속센서의 신호를 입력받는 단계와;

상기 크랭크 축 위치 센서 및 흡입공기량 센서의 신호로부터 엔진 회전수 및 흡입공기량을 산출하고, 그로부터 엔진 부하를 산출하여, 현재의 엔진 운전상태가 고속, 저부하 운전영역에 해당하는지를 판단하는 단계와;

고속, 저부하 운전영역으로 판단되면, 크랭크 축 위치 센서의 신호로부터 소정 크랭크 각 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 각속도의 제곱의 차이를 산출하고, 상기 각속도 제곱의 차이를 현재 차속에서의 실화 임계치와 비교하는 단계와;

상기 각속도 제곱의 차이가 실화 임계치 이상이면 실화가 발생된 것으로 판단하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 각속도의 제곱의 차이를 산출하는 과정에서, 상기 소정 크랭크 각 구간을 ATDC 20deg ~ 30deg의 구간으로 하여 이 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 두 지점의 각속도로부터 그 제곱의 차이를 산출하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고속, 저부하 구간에서 차량 엔진의 실화를 판정하는 방법에 관한 것으로서, 차량 엔진의 실화 판정을 위하여 엔진 운전 중 고속, 저부하 구간에서 센서에 의해 측정된 크랭크 축의 각속도 값을 이용하되, 특히 소정 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 계산하여 이를 엔진 ECU에 저장된 맵 데이터의 차속에 따른 실화 임계치와 비교함으로써 실화를 판정하는 것에 주안점이 있는 것이다.

앞서 설명한 바와 같이, 각속도 변동을 이용한 실화 검출시의 가장 큰 어려움이 존재하는 고속, 저부하 영역에서의 실화 판정시에는 각속도 변동 특성이 부하와 회전속도에 따라 관성 지배영역이 되며, 이중 고속의 관성 지배영역에서 비틀림 진동 등의 영향도 무시할 수 없기 때문에 이에 대한 해석이 필요하다.

이를 위하여 본 발명의 발명자는 고속, 저부하인 관성 지배영역에서의 특성을 파악하기 위하여 무부하에서 엔진 회전속도 3000rpm ~ 6000rpm의 실화시와 정상시의 각속도 변동을 참조하였으며, 비틀림 진동의 영향을 고찰하기 위하여 크랭크 축의 고유 비틀림 진동 주파수를 계산하고, 이로부터 비틀림 진동 방정식에 적용하 여 각속도 변동을 계산한 후, 이렇게 계산된 각속도 변동을 1자유도계 모델링으로부터 계산된 값과 실제 측정값 사이의 비교를 통하여 부하가 작고 고속의 관성 지배영역에서 비틀림 진동의 영향을 보정할 수 있는 방법을 찾고자 하였다.

관성 영역에서의 각속도 변동을 해석하는데 있어 가장 중요한 변수 중의 하나가 비틀림 진동에 의한 영향이며, 그 영향은 엔진의 회전속도가 증가할수록 해석상 더욱 중요해진다.

따라서, 본 발명의 발명자는 크랭크 축 어셈블리에서 풀리, 플라이 휠, 피스톤과 실린더 헤드를 제외한 크랭크 축만을 등가 자유도계로 모델링하여 비틀림 진동에 의한 영향을 고려한 각속도 변동을 해석하였으며, 이때 집중 질량과 질량은 없고 비틀림 강성만을 가지는 축으로 형성된 등가 자유도계로 표현하기 위하여 크랭크 축의 관성 모멘트와 비틀림 강성 계수를 정해야 한다.

도 1은 크랭크 축 시스템의 1차 등가 모델링을 나타낸 도면이며, 도 2는 크랭크 스로우의 모델링을 나타낸 도면으로서, 크랭크 축의 관성 모멘트는 실험에서 측정한 데이터를 이용하며, 비틀림 강성 계수를 정하기 위하여 아래와 같은 여러 경험식들을 이용한다.

이 경험식들은 크랭크 스로우(crank throw)를 등가의 곧은 축(straight uniform shaft)으로 환산하기 위한 식들이다.

- Willson의 식:

- Carter의 식:

- Ziamanenka의 식:

상기한 3개의 경험식으로부터 계산된 크랭크 축에 등가인 곧은 축의 길이

를 구한 뒤, 등가 비틀림 강성 계수

를 다음의 식을 이용하여 구한다.

이렇게 구한 관성 모멘트와 비틀림 강성 계수를 이용하여 비틀림 자유 진동 방정식을 표현하면 다음과 같다.

위와 같은 행렬식은 고유치 문제이므로 주기적 삼각 대각 행렬(cyclic tri-diagonal matrix)을 이용하여 크랭크 축의 고유 진동수를 구할 수 있다.

크랭크 축 각속도의 변동을 측정하고 해석할 때 여러 가지의 외란(noise) 성분이 포함될 수 있으며, 특히 벨지안로(Belgian road)나 빨래판로(Washboard road) 와 같은 거친 도로상을 주행할 때 외란이 더욱 두드러지게 해석상에 영향을 미치게 된다.

따라서, 크랭크 축 각속도의 변동으로부터 실화를 판정하기 위한 신호 처리 및 각속도 해석의 기준을 삼기 위하여 실린더 내 압력을 입력으로 각속도 변동을 계산한다.

이를 위하여 엔진과 이에 부속된 부재의 모델링이 필요하며, 이들은 질량과 탄성 분포가 복잡하므로 수학적으로 표현하기 어렵기 때문에, 동역학적으로 등가의 적절한 모델링을 사용함으로써 수학적 표현이 가능하게 된다.

크게 비틀림 진동에 의한 영향을 고려한 것과 비틀림 진동에 의한 영향을 고려하지 않은 모델링으로 나눌 수 있는데, 예컨대 비틀림 진동에 의한 영향을 고려한 것 중에서 가장 간단한 것으로 각 실린더 내에 크랭크 중간에 회전자들이 질량이 없는 탄성 스프링으로 연결되어 있다고 모델링하는 방법이 있고, 비틀림 진동에 의한 영향을 고려하지 않은 것으로 1자유도계로 가정하여 해석하는 모델링 방법이 있다.

그리고, 엔진의 크랭크 축에 대한 비틀림 진동의 영향을 살펴보기 위하여 등가자유도계를 이용하여 해석하는데, 크랭크 축의 비틀림 진동을 고려한 동역학적 방정식을 유도하기 위하여 등가 자유도계에 대해서 고려한다. 즉,

여기서, 첨자 5는 플라이 휠의 위치를 의미하고, 첨자 1에서 4까지는 그 번호에 해당하는 실린더를 나타내며, T_p는 압력토크, Ti는 부하 토크, Tf는 마찰토크를 의미하고, 비틀림 강성 계수 K는 경험식을 이용하여 구한다.

비틀림 진동의 영향을 고려하지 않는다면 크랭크 축 어셈블리는 다음과 같이 모델링될 수 있다.

상기 표현식을 적분하면 크랭크 축의 순간 각속도 변동을 계산할 수 있고, 식의 우변은 적분하면 그 차수(order)가 압력토크 적분값에 상당하므로 연소 정보를 얻기 위한 인자로서 이용될 수 있으며, 실화 판정에 이용할 수 있다.

운전 중인 엔진이 정상 상태라면 주기적인 운전에 의하여 두 경우 모두 다음의 경계조건을 만족해야 한다.

이러한 경계조건을 만족하는 해를 구하기 위하여 4차 Runge-Kutta법을 이용하여 특정한 오차 범위에 들어올 때까지 반복(iteration) 계산을 수행한다.

그리고, 거친 도로 주행시의 도로 조건에 의한 각속도 변동에 미치는 영향을 고려하기 위하여 각속도 계산시 백색 외란(white noise)을 입력 인자로서 실린더 내 압력에 포함하여 계산하며, 이때 백색 외란의 평균값은 0이고, 분산을 변동시키 면서 외란의 강도를 조정하여 이에 대한 영향을 고려한다.

측정된 각속도 변동과 1자유도계 및 백색 외란, 비틀림 진동으로부터 계산된 각속도 변동을 비교하였는 바, 도 3a ~ 도 3d는 2000rpm 조건하에서 그 비교 결과를 나타낸 것이다.

각 도면에서 case 1은 1자유도계 모델링으로 계산된 각속도 변동이고, case 2는 case 1에 백색 외란을 동시에 고려한 각속도 변동이며, case 3은 비틀림 진동을 고려하였을 경우의 각속도 변동이다.

비교 결과를 보면, 76.8kPa과 100kPa인 경우의 각속도 변동은 계산된 경우와 측정된 경우가 모두 유사한 경향을 보이며, 특히 비틀림 진동을 고려한 case 3은 1자유도계 모델링으로부터 계산된 값인 case 1에 비하여 그 변동폭이 더 크고 실제 측정된 값에서 나타나는 진동 경향을 잘 반영하고 있다.

따라서, 1자유도계 모델링으로부터 유도된 각속도 제곱의 차를 이용한 실화 판정법이 타당함을 알 수 있다.

그러나, 부하가 작아져 무부하나 흡기압력이 44.7kPa이 되면 계산된 각속도의 변동은 비틀림 진동의 고려를 한 것이나 고려하지 않은 것이나 상관 없이 비슷한 경향을 보인다.

그렇지만 측정된 각속도와는 확연히 다르며, 특히 무부하에서는 그 특성이 계산된 값과 측정값 사이에 큰 차이가 있다.

이러한 특성은 각속도 변동 계산시 마찰토크에 대해서 모델링을 하지 않았기 때문에 나타나는데, 즉 마찰토크는 부하가 클 경우 그 크기가 압력토크에 의한 영 향보다 작지만 부하가 작으면 회전속도의 제곱에 비례하는 성분으로 모델링할 수 있기 때문에 그 영향을 무시하기 어렵게 된다.

일반적으로 부하가 작으면 각속도 변동을 지배하는 가장 중요한 토크가 회전속도의 제곱에 비례하는 관성토크이므로 계산값과 아주 다른 양상을 띄게 되며, 이러한 특성에 의해 실화 판정 등의 연소 진단 해석에 어려움을 겪게 된다.

그러므로 이러한 영향을 제거하여 관성 지배영역에서의 각속도 변동으로부터 실화 판정이 가능하도록 알고리즘을 개발하였다.

이러한 특성을 무부하 조건에서 회전속도를 각각 공회전과 3000rpm으로 구별하였을 때 각속도 변동을 비교한 도 3e와 도 3f에서 더욱 명확히 알 수 있다.

즉, 회전속도가 공회전으로 작으면 비록 무부하일 지라도 관성토크에 의한 각속도 변동 특성의 왜곡이 작아 계산된 파형과 측정된 파형이 거의 유사한 경향을 나타낸다.

그러나, 회전속도가 3000rpm으로 증가하면 상기한 마찰토크와 관성토크의 영향으로 그 측정된 각속도의 변동폭이 증가하고, 파형의 위상도 상이한 특성을 나타낸다.

그리고, 무부하 영역에서 관성토크에 의한 각속도 변동의 왜곡 특성을 압력토크, 관성토크, 가속도 특성으로 비교하면 관성토크가 압력토크에 비해서 상대적으로 크지 않기 때문에 각가속도의 파형이 압력토크에 의한 영향이 잘 반영되어 연소 주기 전반부에 압력에 의하여 가속되는 특성을 보여준다.

그러나, 무부하 조건에서 회전속도가 2000rpm, 3000rpm으로 증가하면 이에 대응하는 관성토크의 영향이 증가하여 연소 주기 전반부의 압력토크에 의한 영향보다는 후반부의 관성토크에 의하여 가속되는 특성이 나타나게 된다(도 4a ~ 도 4d 참조).

따라서, 회전속도가 높아지고 저부하일 때 압력에 의한 올바른 연소 정보를 각속도 변동으로부터 얻기가 어렵게 된다.

이러한 관성토크에 의한 영향을 무부하 조건에서 각 회전속도와 크랭크 각도별로 정리하여 보았으며, 회전속도별로 각속도 변동폭과 측정된 각속도 변동폭을 비교하여 보았다(도 5a ~ 도 5d).

관성토크의 영향을 배제시킨 계산된 각속도 변동은 회전속도가 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 특히 비틀림 진동의 영향을 고려한 case 3에서는 크랭크 축의 비틀림 진동 주파수의 8배수 성분에 해당되는 5840rpm에서만 공진 등의 영향으로 변동폭이 증가하는 특성을 보인다.

이러한 각속도 변동폭이 회전속도의 증가에 따라 감소하는 경향은 해밀톤 원리를 적용하면 설명할 수 있다.

엔진의 회전속도가 증가함에 따라 실린더 내 압력도 증가하나 평균회전속도의 증가율보다 더 적고, 엔진의 총 마찰이나 관성토크는 회전속도의 제곱에 비례한다.

따라서, 평균회전속도의 증가는 각속도 변동의 최대값을 증가시키게 된다.

측정된 각속도의 변동폭은 회전속도의 증가에 따라 회전속도의 제곱에 비례하는 관성토크의 영향으로 급격히 증가하는 경향을 보인다.

그러나, 이 변동폭을 회전속도로 나누어 그 비를 구하면 관성토크에 의한 측정된 각속도는 회전속도와 무관하게 평균적으로 2% 내외의 일정한 변동폭을 가지는 것을 알 수 있다.

그러므로 관성의 영향이 없을 때보다 2% 정도 더 커지기 때문에 측정된 각속도의 변동량에서 조정해주어야 한다.

관성토크에 의한 변동이 포함된 측정된 각속도와 비틀림 진동을 고려하여 계산된 각속도 변동간의 차를 크랭크 각에 대해서 나타낸 것을 살펴보면 관성토크에 의하여 연소 주기 전반부에는 감속되고 연소 주기 후반부에는 가속되는 특성을 보이며, 그 크기가 회전속도에 비례한다.

그런데, 평균회전속도로 나누어 규준화(정규화)하면 회전속도에 거의 무관하게 1% 범위 내에서 가속과 감속하는 경향을 보이며, 관성에 의한 변동량의 위상 관계는 일정하므로 실화 판정시 이 위상에 대하여 2% 정도 크기만큼 각속도의 변동량을 제거함으로써 관성의 영향을 보정하여 실화 판정에 이용할 수 있다.

따라서, 관성 지배영역에서의 각속도 변동을 해석하기 위해서는 회전속도에 무관하게 변동 특성이 일정하기에 각속도 변동에서의 관성의 영향이 제거되며 위상에 의한 영향도 중요하다는 것을 알 수 있다.

한편, 거친 도로 등 도로 조건의 영향을 각속도 변동 계산시 반영하기 위하여 백색 외란을 사용하는데, 이로부터 계산된 각속도 변동과 측정된 값 사이의 관계를 살펴보면 다음과 같다.

도 6a ~ 도 6d는 각 운전조건에서 백색 외란의 영향을 보여주는 도면이다.

실화 판정이 가장 어려운 관성 지배영역인 무부하 조건에서 회전속도를 증가시킴에 따라 동일한 백색 외란에 대해서 그 영향이 감소하는데, 이는 백색 외란에 의한 각속도 변동 계산은 계산시 입력 값인 압력 데이터에 외란을 도입하여 회전속도의 증가에 따라 관성의 영향이 증가하므로 상대적으로 압력의 영향이 감소하기 때문이다.

따라서, 도로 조건의 영향은 회전속도가 클 때가 작을 때에 비해서 적게 받게 되며, 외란이 있을 경우가 오히려 측정된 각속도와 유사하게 된다.

이는 기본적으로 관성의 영향이 지배적이기 때문에 그렇기도 하지만 회전속도가 증가할수록 백색 외란으로부터 모델링한 많은 외란이 측정된 각속도 변동 속에 포함되기 때문이다.

따라서, 회전속도가 클 경우 도로 조건에 의한 영향을 백색 외란으로 표현하여 시뮬레이션할 수 있다.

입력된 외란의 분산상의 변화에 따라 백색 외란에 의한 계산된 각속도 변동과 측정값 사이의 관계를 살펴보면 분산이 커질수록 계산된 각속도 변동이 증가하나 기본적인 형태는 작은 분산을 가진 외란에 의한 영향과 동일하다.

이하, 거친 도로 주행시의 도로 조건의 영향을 최소화하고 실화 판정 알고리즘의 구현을 위하여 각속도 변동 구간의 특성을 살펴보기로 하며,

이를 위하여 각속도의 제곱의 차가 연소 정보가 포함된 압력토크의 적분값과 대응됨을 이용한다.

임의의 구간을 설정하고 그 구간 양 끝 점에서 비틀림 진동을 고려하여 각속 도 변동을 계산한 값인 case 2를 제곱한 값들의 차를 구하고 나서, 구간을 변화시키면서 그 차이 값들을 계산한 뒤 회전속도의 변화에 따라 나타내면 다음과 같다.

참조 크랭크 값이란 새로운 용어를 정의하였으며, 참조 크랭크 값은 구간을 설정하였을 때 구간의 크기를 구할 때 오른쪽 피연산자를 지칭하는 것으로 정의한다.

도 7a ~ 도 7d를 참조하면, 우선 공회전일 경우 ATDC 20deg까지 그 값이 증가하다가 그 이후에는 감소하는 경향을 보였으며, 3000rpm, 4380rpm, 5840rpm으로 높였을 경우에도 ATDC 20deg까지 증가하다가 감소하고 다시 증가하는 특성을 보인다.

따라서, 모든 경우에 있어서 최적 구간은 각속도 신호 특성에 따라 차이는 있지만 ATDC 20deg 전후에 있을 것이라고 추정할 수 있다.

그리고, 도 8a ~ 도 8d를 참조하면, 회전속도가 5840rpm일 경우 신호에 백색 외란이 포함되어 있을 경우의 영향을 살펴보면 백색 외란의 분산을 300 ~ 1000까지 변화시켰을 경우 값의 분포가 거의 일정하며, 최적 구간도 ATDC 30deg 근처로 일정함을 알 수 있다.

결국, 비틀림 진동을 고려한 계산된 각속도의 변동의 최적 구간은 ATDC 20deg ~ 30deg 사이에 있다고 추정할 수 있다.

이러한 최적 구간을 살펴봄으로써, 거친 노면에서의 백색 외란의 영향을 제거할 수 있게 되고, 또한 실화 판정에 이용할 수 있는 바, 가장 최악의 조건인 저부하인 동시에 엔진 회전속도가 고속이면서 거친 노면상에서의 각속도 제곱의 차를 표현할 수 있다.

한편, 변속기의 종류에 따른 영향을 고찰하기 위하여 자동변속기와 수동변속기 차량에서 정상시와 실화시의 각속도 변동을 살펴보았다.

우선, 차량의 주행속도가 20km/h일 경우 정상시와 실화시의 각속도 변동을 자동변속기와 수동변속기 차량에 대하여 비교하였으며, 도 9a와 도 9b를 참조하면, 정상 연소시 각속도 변동의 경우 수동변속기 차량에서 측정한 것의 변동이 더 큼을 알 수 있었다.

그런데, 도로 조건에 의한 변동 주기는 두 경우 10사이클을 하나의 주기로 하여 형성되어 있다.

임의의 실린더에서 실화가 발생하였을 경우, 자동변속기에서 측정한 각속도에서 도로 조건에 의한 변동 주기가 20사이클로 커졌으나, 수동변속기 차량에서는 정상일 경우와 마찬가지로 10사이클의 주기에는 변화가 없었다.

차량의 주행속도가 30km/h로 증가한 경우, 도 9c와 도 9d를 참조하면, 정상 연소일 경우와 실화가 발생한 경우 모두 차량 변속기 종류에 상관 없이 도로 조건에 의하여 동일하게 영향을 받기에 그것에 의한 각속도의 변동 주기가 15사이클임을 알 수 있다.

이러한 경향은 차량의 주행속도가 더욱 증가하여 40km/h일 경우에도 그대로 적용된다(도 9e와 도 9f 참조).

이는 차량의 주행속도가 증가하여 엔진의 회전속도가 증가하면 자동변속기 차량도 락 업 클러치(lock up clutch)가 작동하기에 수동변속기 차량과 거의 동일 하게 도로에 의한 영향을 받기 때문인 것으로 파악된다.

그리고, 거친 도로 조건이면서 관성 지배영역에 해당하는 각속도 파형을 살펴보는 것은 실화 여부 판정시 가장 극악한 조건이 된다.

따라서, 이러한 환경에서 실화 판정이 가능하다면 모든 영역에서 판정이 가능한 것이며, 이제 그 판정 알고리즘에 대하여 살펴보기로 한다.

실화를 판정하기 위한 방법으로 기존에 제시한 최대 가속도 지수는 FTP 영역인 정상 상태 조건에서 좋은 결과를 보여주었다.

그러나, 벨지안 도로 주행시 차량에 발생된 실화의 판별에 있어서는 한계가 존재한다.

그 뿐만 아니라, 실제 주행 중인 차량에서 획득된 데이터를 필터링하고 각가속도를 샘플링된 모든 데이터에 대하여 계산하려면 엔진 제어장치인 ECU에게 큰 부담을 주게 된다.

따라서, 필터링 없이 간단히 처리될 수 있는 방법이 필요하며, 본 발명에서는 앞서 언급한 일정 구간에 속하는 2개의 각속도의 제곱의 차를 이용하는 방법을 적용한다.

이 값은 물리적으로도 충분한 의미가 있는 압력토크의 적분값이라는 특성을 보여준다.

본 발명자의 연구 결과에 따르면, 도 10a ~ 도 10h에 나타낸 바와 같이, 자동변속기 차량에서 실화시와 정상 운전시의 각속도 제곱의 차의 분포를 관성의 영향을 보정하여 구하면, 실화시와 정상시의 값이 뚜렷한 차이를 보이므로, 적절하게 판정을 할 수 있음을 알수 있었다.

자동변속기 차량에서 관성의 영향을 보정 가능 여부의 차이를 살펴보면 모든 경우에 있어 보정 전보다 보정 후가 실화 판정 가능성이 두드러지게 향상되는 것을 알 수 있다.

자동변속기 차량의 경우 주행속도의 변화에 따라 엔진의 회전속도는 2500 ~ 5400rpm까지 변화되는데, 이러한 회전속도가 높아지는 고속 영역이 저속 영역에 비하여 단순한 판정법으로는 판정이 어렵다는 것을 알 수 있다.

도 11a ~ 도 11j는 수동변속기 차량의 경우를 나타내는 도면으로, 수동변속기 차량에 대해서도 각속도 제곱 값의 차의 분포를 나타내면 자동변속기와는 달리 도로의 영향을 직접적으로 받기 때문에 실화시와 정상시의 구별이 어렵지만, 어떤 값(threshold)을 기준으로 구분되게 할 수 있다.

자동변속기 차량과 마찬가지로 관성의 영향에 대한 보정 효과를 살펴보면 관성의 영향을 보정하는 것이 매우 효과적이라는 것을 알 수 있다.

그렇지만 자동변속기와 다르게 2000rpm ~ 5800rpm까지 변화되고, 자동변속기보다 실화 판정이 쉽지 않지만, 최대 가속도 지수(MAI)에 비하여 보다 실화 판정 가능성이 높아지게 된다.

도 12a ~ 도 12g는 본 발명자의 연구 과정에서 수동변속기와 자동변속기에 대하여 차속에 따른 임계치를 구한 예를 나타내는 도면이다.

각 도면에 나타낸 바와 같이, 모두 1번 실린더에서 강제로 실화를 발생시켰을 때 임계치를 구하여 보았으며, 이러한 임계치는 대표 차종으로 실험하여 실험적 인 값들로 구성할 수 있다.

물론, 동종의 차량을 수많은 실험을 통하면 더욱 더 임계치가 정확해질 여지는 있으며, 이론적으로 무한히 많은 차량을 실험하면 임계치는 더욱 더 실제 환경을 적극적으로 반영할 것임에는 틀림 없다,

그리고, ECU 자체의 플래시 롬의 크기를 확대할 수 있으면 임계치 관련 데이터베이스를 확장할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명자는 ①비틀림 진동 방정식에 적용하여 계산된 각속도 변동, ②비틀림 진동의 영향을 무시한 1자유도계 모델링으로 계산된 각속도 변동, ③실제 측정값과의 비교를 통하여 무부하 및 고속의 관성 지배영역에서 그 영역의 영향을 배제할 수 있는 규준화된 임계치 설정 과정을 제시할 수 있었다.

즉, 비틀림 강성 계수 K를 계산하여 각 모델링 방정식을 만족하는 각속도 변동을 계산하고, 거친 노면 등 최악의 도로 조건인 경우를 고려한 인자를 포함한 비틀림 진동의 영향을 포함시킨 각속도 변동을 계산하여 무부하 고속 회전속도에서의 마찰토크, 즉 부하가 작고 고속의 관성 지배영역에서 비틀림 진동의 영역을 포함시킨 각속도 변동값을 계산할 수 있었다.

그리고, 회전속도에 무관하게 그 영향을 받은 각속도 변동값을 계산할 수 있도록 규준화한 판단값을 얻을 수 있었으며, 또한 크랭크 각 의미있는 구간(ATDC 0 deg ~ ATDC 180deg)에서 규준화된 각속도 변동값이 일정함을 이용하여 측정된 크랭크 각속도 변동값에서 2%를 가감하여 비틀림 진동의 영향을 무시할 수 있는 계산값을 얻을 수 있었다.

또한, 앞서 얻은 각속도 변동값에서 최적의 각속도 변동값을 구할 수 있는 방법을 알 수 있었으며, 이 알고리즘은 각속도가 확실히 증가/감소/증가되는 구간을 얻어서 각속도 변동 구간을 확실하게 알 수 있는 구간을 설정하는 것이다.

또한, 앞서 얻은 최적의 각속도 변동 구간에서 정해진 임의의 구간 양 끝점에서 얻는 각속도 변동의 제곱차를 계산하여 차량 속도 별로 실화 판정 임계치를 얻을 수 있었으며, 단순히 각속도 변동의 차이보다도 각속도 제곱의 차를 이용하여 얻은 값이 실화 판정시 더 판정율을 높일 수 있음을 알 수 있었다.

따라서, 측정된 각속도를 비틀림 진동의 영향을 고려하지 않은 1자유도계 모델링으로 계산하여 규준화한 후 각속도 제곱의 차를 이용하면 기존의 단순한 각속도 변동의 차이를 이용한 실화 판정율보다 나은 판정율을 얻을 수 있을 것이다.

본 발명자의 연구 결과를 요약하면 다음의 4가지이다.

1) 상기 비교를 통하여 거친 도로 주행시의 관성의 영향과 도로의 영향을 제거하는 방법을 적용하는 것이 기존의 최대 가속도 지수에 비하여 보다 효과적임을 확인할 수 있다.

2) 고속, 저부하 영역에서는 관성에 의한 영향으로 또한 거친 도로 면에서는 노면 조건의 영향으로 인하여 기존의 각속도 변동을 이용한 판정법으로는 실화 판정이 어렵다.

3) 최적화된 크랭크 각도 구간에 대하여 압력토크의 적분 값에 상당하는 각속도 제곱의 차를 이용하면 거친 노면 등의 외란에 의한 영향의 제거가 가능하다.

4) 고속, 저부하 영역에서의 관성에 의한 각속도 변동량은 회전속도에 대하 여 정규화하였을 경우 그 크기와 위상이 동일하므로 이를 고려하면 관성의 영향이 제거된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 발명자는 고속, 저부하 운전영역에서의 엔진 실화를 판정함에 있어서 크랭크 축 각속도 제곱의 차이를 비교하는 것이 보다 타당함을 반복된 실험을 통하여 확인하였으며, 또한 실제 차량에서 고속, 저부하의 실화 판정 기준값으로 유용하게 적용할 수 있는 차속 별 실화 임계치를 반복 실험을 통하여 구할 수 있음을 확인하였다.

이하, 본 발명에 따른 실화 판정방법을 구현하기 위한 실제 차량에서의 장치와, 이를 이용한 실제 차량에서의 엔진 실화 판정방법에 대하여 구체적으로 상술하기로 한다.

도 13은 본 발명에 따른 실화 판정방법을 구현하기 위한 실제 차량에서의 장치를 도시한 블럭 구성도이고, 도 14는 본 발명에 따른 엔진 실화 판정방법을 나타낸 플로우차트이다.

먼저, 본 발명에 따른 실화 판정방법을 구현하기 위한 장치는, 차량 엔진의 동작상태에 따라 가변되는 크랭크 축의 회전각 및 엔진 회전수를 검출하기 위한 크랭크 축 위치 센서(CKPS:Crank Shaft Position Sensor;12)와; 차량 엔진의 동작상태에 따라 엔진으로 흡입되는 공기량을 검출하여 엔진 부하를 산출하기 위한 흡입공기량 센서(또는 맵 센서;14)와; 차량의 주행속도를 검출하기 위한 차속센서(16)와; 상기 각 센서로부터 입력되는 신호를 토대로 하여 정해진 고속, 저부하 운전영역을 판단한 경우, 상기 크랭크 축 위치 센서(12)의 신호로부터 소정 크랭크 각 구 간 내 두 지점에서 측정된 각속도 및 그 각속도 제곱의 차를 산출하고, 이 제곱의 차를 내부에 저장된 맵 데이터의 차속에 따른 실화 임계치와 비교하여 엔진 실화 여부를 판정하는 엔진 ECU(20)와; 엔진 실화 판정시 상기 엔진 ECU(20)로부터 출력된 제어신호에 의해 작동하여 운전자에게 실화 발생을 경고하는 경고장치(30);를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 이루어진 장치에서 수행되는 본 발명에 따른 차량 엔진의 실화 판정방법을 설명하면 다음과 같다.

차량 엔진의 운전상태에서, 엔진 ECU(20)는 크랭크 축 위치 센서(12)의 신호로부터 엔진 회전수를 산출하고, 흡입공기량 센서(또는 맵 센서;14)의 신호로부터 흡입공기량을 산출하며, 또한 엔진 회전수와 흡입공기량 사이의 비율, 즉 엔진 회전수와 흡입공기량에 따른 엔진 부하를 산출하여, 이를 통해 현재의 엔진 운전상태가 정해진 고속(예, 3000rpm 이상), 저부하(또는 무부하)의 운전영역에 해당하는지를 판단한다.

만약, 현재의 엔진 운전상태가 고속, 저부하의 운전영역에 해당함을 판단한 경우, 엔진 ECU(20)는 크랭크 축 위치 센서(12)의 신호로부터 소정 크랭크 각 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 두 지점의 각속도로부터 그 제곱의 차이를 계산한 후 이를 저장된 현재 차속에서의 실화 임계치와 비교한다.

여기서, 엔진 ECU(20)는 계산된 각속도 제곱의 차가 실화 임계치 이상이면 엔진 실화가 발생하는 것으로 판정하고, 이어 경고장치(30)를 작동시키기 위한 제어신호를 출력하여 경고장치(30)의 작동을 통해 운전자에게 엔진 실화를 경고한다.

물론, 현재의 엔진 운전상태가 정해진 고속, 저부하의 운전영역에 해당하지 않음을 판단한 경우에는 종래의 실화 판정과정을 따르게 된다.

상기와 같이 본 발명에서는 엔진의 실화 판정을 위하여 고속, 저부하에서 차량의 센서 신호로부터 실시간으로 산출된 크랭크 축 각속도 제곱의 차이를 차속별 실화 임계치와 비교하게 되는데, 엔진 ECU(20)에 저장된 실화 임계치는 앞서 설명한 바대로 반복된 실험을 통하여 얻은 값이며, 특히 이는 엔진 회전속도와는 무관하게 판정이 가능하도록 엔진 회전속도에 대해 정규화를 수행하여 얻은 값으로, 차속별로 설정 입력된 실화 임계치 데이터이다.

그리고, 엔진 실화 판정에서 각속도 제곱의 차이를 나타내는 실제 차량에서의 센서 검출에 의한 산출치와 엔진 ECU(20)에 저장된 차속별 실화 임계치 데이터를 비교함에 있어서, 바람직하게는 엔진 ECU(20)는 최적화된 크랭크 각 구간, 즉 ATDC 20deg ~ 30deg 사이의 두 지점에서 산출한 각속도로부터 그 제곱의 차이를 계산하여 역시 동일한 크랭크 각 구간의 두 지점에서 실험을 통해 획득한 차속별 실화 임계치와 비교하도록 구성된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 엔진 ECU가 현재의 엔진 운전상태가 고속, 저부하 운전영역에 해당함을 판단한 경우 미리 설정된 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 산출한 후 이를 현재 차속에서의 실화 임계치 데이터와 비교하여 엔진 실화를 판정하도록 함으로써, 종래에 비해 고속, 저부하 운전조건에서의 더욱 정확한 엔진 실화 판정이 이루어질 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 엔진의 실화 판정방법에 의하면, 차량 엔진의 운전상태에서 엔진 ECU가 고속, 저부하 운전영역에 해당함을 판단한 경우 미리 설정된 크랭크 각 구간 내 두 지점에서 측정된 각속도 값의 제곱의 차이를 산출하고, 이를 현재 차속에서의 실화 임계치 데이터와 비교하여 엔진 실화를 판정하도록 함으로써, 특히 고속, 저부하 운전조건에서 더욱 정확한 엔진 실화 판정이 가능해지는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 차량 엔진의 실화 판정방법에 있어서,

   차량 엔진의 운전상태에서, 크랭크 축 위치 센서, 흡입공기량 센서, 차속센서의 신호를 입력받는 단계와;

   상기 크랭크 축 위치 센서 및 흡입공기량 센서의 신호로부터 엔진 회전수 및 흡입공기량을 산출하고, 그로부터 엔진 부하를 산출하여, 현재의 엔진 운전상태가 고속, 저부하 운전영역에 해당하는지를 판단하는 단계와;

   고속, 저부하 운전영역으로 판단되면, 크랭크 축 위치 센서의 신호로부터 소정 크랭크 각 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 각속도의 제곱의 차이를 산출하고, 상기 각속도 제곱의 차이를 현재 차속에서의 실화 임계치와 비교하는 단계와;

   상기 각속도 제곱의 차이가 실화 임계치 이상이면 실화가 발생된 것으로 판단하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진의 실화 판정방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 각속도의 제곱의 차이를 산출하는 과정에서, 상기 소정 크랭크 각 구간을 ATDC 20deg ~ 30deg의 구간으로 하여 이 구간 내의 두 지점에서 측정된 각속도 및 이 두 지점의 각속도로부터 그 제곱의 차이를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진의 실화 판정방법.

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