KR20140125729A - 내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간의 결정 방법 - Google Patents

내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간의 결정 방법 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관의 센서 휠(10)의 세그먼트 시간들을 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 센서 휠(10)은 함께 회전되는 방식으로 내연기관의 크랭크 샤프트(11)와 결합되고, 센서 휠(10)의 외주연을 따라서 마커들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)이 배치되며, 내연기관의 크랭크 샤프트(11)는 세그먼트 시간들 동안 사전 결정된 각도 범위들(SA, SB)을 스쳐 지나간다. 투스 시간들은 센서 휠(10)의 각각 2개의 마커(12a, 12b, 12c, 12d, 12e) 사이의 시간 간격들로서 결정되고, 이 결정된 투스 시간들에는 저역 통과 필터링이 적용되며, 저역 통과 필터링의 결과로서 필터링된 투스 시간들이 결정된다. 센서 휠(10)의 세그먼트 시간들은 센서 휠의 결정된 개수의 연속되는 마커들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 필터링된 투스 시간들의 합으로서 결정된다.

Description

내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간의 결정 방법{METHOD FOR DETERMINING SEGMENT TIMES OF A SENSOR WHEEL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간들을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
실화는 내연기관의 작동 중에 검출되는 유해 물질의 증가를 야기할 뿐만 아니라, 내연기관의 배기 장치 내 촉매 컨버터의 손상을 초래할 수 있다. 배기가스 관련 기능을 모니터링하기 위한 법적 요건을 충족하기 위해, 모든 속도 및 부하 범위에서 실화의 검출이 필요하다. 이와 관련하여, 실화를 수반하는 작동 동안에는, 실화를 수반하지 않는 정상 작동에 비해, 내연기관의 속도 거동의 특징적인 변동이 발생할 수 있다. 이러한 속도 거동들의 비교를 통해, 실화를 수반하지 않는 정상 작동과 실화를 수반하는 작동이 서로 구별될 수 있다.
이를 위해, 각각의 실린더의 피스톤 행정의 특정 범위에 세그먼트라 지칭되는 크랭크 각도 범위가 할당될 수 있다. 상기 세그먼트들은 예컨대 크랭크 샤프트와 결합된 센서 휠 상의 마커들을 통해 실현될 수 있다. 크랭크 샤프트가 상기 각도 범위를 스쳐 지나가는 세그먼트 시간은 특히 연소 사이클에서 변환된 에너지에 따라 결정된다. 실화는 점화 동기 방식으로 검출된 세그먼트 시간들의 증가를 야기한다. 그에 따라 세그먼트 시간들의 차이는 내연기관의 불규칙한 작동에 대한 척도를 나타낸다.
센서 휠의 마커들은, 그 정의된 위치와 관련하여, 하기에서 미싱 투스(missing tooth)라고 지칭되는 기계적 공차에 노출되며, 그 결과 측정된 세그먼트 시간들은 왜곡될 수 있다. 이러한 미싱 투스는 미싱 투스 조정 중에 적합한 알고리즘들에 의해 산출되고 보정될 수 있다. 그러나 상기 미싱 투스 조정을 위해, 내연기관은 정의된 엔진 상태로 작동되며, 이는 높은 비용과 결부되고 특히 내연기관의 정상 작동 중에는 실현되지 못한다. 즉, 아주 오랜 기간동안 투스 시간 조정이 수행되지 않고, 그럼으로써 미싱 투스 보정도 수행되지 않음으로써 특정 세그먼트 시간들이 왜곡될 수 있다.
그러므로 당업자의 과제는, 내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간들을 간단한 방식으로 결정하는 동시에, 센서 휠의 마커들의 기계적 공차를 보상할 수 있는 가능성을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 특허 청구항 제1항의 특징들을 포함하는, 내연기관의 센서 휠의 세그먼트 시간들을 결정하기 위한 방법이 제안된다. 바람직한 구현예들은 종속 청구항들 및 하기 설명의 대상이다.
본 발명에 따른 방법은, 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정과 동시에 센서 휠의 마커들의 기계적 공차의 보상을 간단하게 구현할 수 있는 방법 중 하나이다. 상기 방법에서는, 내연기관의 이미 제공되어 있는 컴포넌트들 및 부품들이 이용될 수 있으며, 내연기관의 개장 또는 변경을 수행할 필요가 없다.
상기 방법에서, 센서 휠은 함께 회전되는 방식으로 내연기관의 크랭크 샤프트와 결합된다. 그 대안으로 또는 추가로, 센서 휠이 함께 회전되는 방식으로 내연기관의 캠 샤프트와 결합될 수도 있다. 센서 휠의 외주연을 따라서 마커들이 특히 실질적으로 등거리로 배치된다. 투스 시간은 센서 휠의 각각 2개의 마커 사이의 시간 간격으로서 결정된다.
이 경우, 센서 휠의 마커들이 예컨대 계측기, 예컨대 자기 센서에 의해 감지되고, 측정 신호, 예컨대 전압 신호가 결정된다. 시간에 걸친 상기 유사한 연속 측정 신호로부터, 마커가 계측기를 통과하는 시점들이 투스 시간들로서 결정될 수 있다. 이런 방식으로, 개별 마커들에 속하는 일련의 투스 시간들로서 디지털 투스 시간 신호가 결정된다.
센서 휠의 마커들의 기계적 공차로 인해, 상기 투스 시간들은 왜곡될 수 있다. 본 발명은, 정의된 위치로부터 센서 휠의 마커들의 편차들이 기계적 공차로 인해 근사법에 의해 정규 분포 형태인 것으로 간주될 수 있다는 사실에 기초한다. 그러므로 센서 휠의 바람직하게 큰 세그먼트에 걸쳐 정의된 위치로부터의 마커들의 평균 편차는 영으로 수렴한다. 비록 마커들의 투스 시간들의 종래의 통계 평균이 평균 편차를 보상할 수는 있지만, 그럼에도 개별 마커들의 절대 편차들이 존속하여 세그먼트 시간들을 계속 왜곡할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정해진 개별 투스 시간 또는 투스 시간 신호에 저역 통과 필터링이 적용된다. 상기 저역 통과 필터링은 이동 평균값의 산출과 명백하게 비교될 수 있다. 상기 저역 통과 필터링의 결과로서 필터링된 투스 시간들이 결정된다. 그에 따라, 정의된 위치들로부터의 개별 마커들의 편차가 효과적으로 필터링된다. 정해진 개수의 연속하는, 센서 휠의 마커들의 상기 필터링된 투스 시간들의 합으로서 센서 휠의 세그먼트 시간들이 결정된다.
그에 따라, 바람직하게는 큰 세그먼트의 세그먼트 시간은 거의 왜곡되지 않고 미싱 투스를 수반하지 않는다. 4개의 실린더를 가진 내연기관의 경우, 예컨대 180°의 세그먼트면 충분히 큰 것으로 간주될 수 있다. 그에 따라, 더 이상 미싱 투스 조정을 실행할 필요가 없다. 본 발명에 따른 방법의 경우, 내연기관을 특별한 작동 모드 또는 정의된 엔진 상태로 작동시킬 필요가 없다. 본 발명에 따른 방법은 내연기관의 정규 작동 중에 실행될 수 있고, 내연기관의 제어 유닛 내에 통합될 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 세그먼트 시간 결정은 내연기관의 매우 다양한 기능들을 위해, 예컨대 내연기관 속도의 정밀한 측정 또는 캠 샤프트 운동의 제어를 위해 이용될 수 있다.
바람직하게는, 저역 통과 필터링을 위해, 내연기관의 점화 주파수 및 더 낮은 주파수가 기껏해야 통과 값만큼, 다시 말하면 예컨대 최대 10%만큼 감쇠되는 방식으로, 한계 주파수가 선택된다. 그 대안으로 또는 추가로, 한계 주파수는 바람직하게는, 내연기관의 2배의 점화 주파수 및 더 높은 주파수가 적어도 감쇠 값만큼, 다시 말해 적어도 90%만큼 감쇠되는 방식으로 선택된다. 필터 특성 곡선, 통과 값 및 감쇠 값의 기울기는 바람직하게 각각의 이용 목적에 따라 사전 설정된다. 그에 따라, 연소 과정에 의해 야기되는 주파수 성분들만 세그먼트 시간 계산에 산입되는 점이 달성된다. 그럼으로써 에일리어싱 효과(Aliasing effect)가 방지된다. 그에 따라, 한계 주파수의 바람직한 선택을 통해, 저역 통과 필터링의 소정의 필터 품질이 달성된다.
점화 주파수는 통상적으로 시간당 점화 이벤트의 횟수를 기술한다. [s-1] 이내의 점화 주파수(f)는, 4행정 엔진의 경우, [min-1] 이내의 속도(n) 및 실린더 수(N)로부터 (n/60)*(N/2)로 계산될 수 있다. 점화 주파수는 필터링을 위해 샘플 주파수로서 작용한다. 한계 주파수는 샘플 주파수에 관련되지만, 샘플 주파수가 속도와 더불어 변하기 때문에, 정규화된 주파수(ω = 2πf)를 명시하는 것이 바람직하다. 감지 기준을 손상시키기 않도록 하기 위해, 정규화된 주파수는 0 ... π의 범위에 관련된다.
본 발명의 한 바람직한 구현예에서, 저역 통과 필터는 FIR 필터(유한 임펄스 응답 필터), 특히 이동 평균 필터이다. FIR 필터의 결과로서 필터링된 투스 시간들은, 바로 막 경과한 유한 선행 투스 시간 신호로부터 결정된다. 구체적으로 말하면, FIR 필터들 및 이동 평균 필터들의 경우, "n"개의 연속되는 (경우에 따라 상이하게 가중된) 투스 시간들로부터 합이 산출되고, 상기 합은 "n"으로 제산된다. 그런 후에, n개 값의 그룹은 계속해서 각각 1회의 행정만큼 변위되고, 매번 다시 평균값이 산출된다. 그 결과는 저역 통과 필터를 통과한 필터링된 투스 시간들의 시퀀스이다.
바람직하게는, 결정된 세그먼트 시간들을 이용하여 내연기관의 불규칙한 작동의 모니터링이 실행된다. 미싱 투스 조정과 달리, 세그먼트 시간 결정을 위한 본 발명에 따른 방법은 내연기관의 지속적인 작동 중에도 간단한 방식으로 세그먼트 시간들의 왜곡되지 않은 값들을 결정할 수 있다. 그에 따라, 본 발명은 특히 내연기관의 불규칙한 작동의 지속적인 실시간 모니터링에 적합하다.
바람직하게는, 연속되는 세그먼트 시간들의 차이들로서 속도 구배들이 결정된다. 내연기관의 개별 실린더들의 실화는 점화 동기 방식으로 검출된 세그먼트 시간들의 증가를 야기하고, 세그먼트 시간들의 차이들은 내연기관의 불규칙한 작동에 대한 척도를 나타내기 때문에, 내연기관의 불규칙한 작동을 모니터링하기 위해, 본 발명에 따라 결정된 세그먼트 시간들로부터 속도 구배들이 제공된다. 이 경우, 특히 속도 구배들이 사전 설정된 임계값에 도달하는지의 여부가 모니터링될 수 있다.
바람직하게는, 속도 구배들이 사전 설정된 임계값에 도달하면, 내연기관의 실화가 검출된다. 이 경우, 사용자, 예컨대 자동차 운전자는 예컨대 경고등을 통해 실화 발생을 알 수 있다. 그 밖에도, 향후 유지보수 및 수리 작업을 위해 제공될 수 있도록, 실화의 빈도 및 더 정확한 상황에 대한 정보가 저장될 수 있다.
자동차의 본 발명에 따른 컴퓨터 유닛, 예컨대 제어 유닛은 특히 프로그램 기술 측면에서 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.
소프트웨어 형태로 본원의 방법을 구현하는 점도 바람직한데, 그 이유는 이러한 경우, 특히 실행하는 제어 유닛이 다른 작업에도 이용되기 위해 어차피 제공되는 경우, 특히 적은 비용을 유발하기 때문이다. 컴퓨터 프로그램을 제공하기에 적합한 데이터 캐리어는 특히 디스켓, 하드디스크, 플래시 메모리, EEPROM, CD-롬, DVD 등이다. 컴퓨터 네트워크(인터넷, 인트라넷 등)를 통한 프로그램의 다운로드도 가능하다.
본 발명의 또 다른 장점들 및 구성들은 명세서와 첨부 도면에 제시된다.
자명한 사실로서, 앞서 언급한, 그리고 하기에 추가로 설명될 특징들은, 여기에 제시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명은 일 실시예에 따라 도면에 개략적으로 도시되어 있으며, 하기에서 도면과 관련하여 상세하게 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 실행하도록 형성된 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예를 실행하도록 형성된 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
센서 휠(10)이 함께 회전되는 방식으로 자동차의 내연기관(도 1에는 미도시)의 크랭크 샤프트(11)와 결합된다. 센서 휠(10)의 외주연 내지 테두리는 마커들(12a, 12b, 12c, ...)을 갖는다. 예컨대, 마커들이 각각 6°의 간격으로 배치되어 있는 60-2개의 투스를 가진 센서 휠들이 보편화되어 있다.
센서 휠(10)은 특히 실질적으로 등거리로 배치된 복수의 세그먼트로 분할될 수 있다. 도 1의 특별한 예시에서, 센서 휠(10)은 마커(12a)와 마커(12e) 사이에 각각 180°씩의 2개의 세그먼트(SA 및 SB)로 분할된다.
예컨대 4개의 실린더를 포함한 내연기관의 경우 하나의 세그먼트(SA 또는 SB)는 내연기관의 180°만큼의 크랭크 샤프트 운동 및 하나의 피스톤의 1회 피스톤 행정에 상응한다. 이 경우, 1회의 피스톤 행정은 상사점(OT)과 하사점(UT) 사이의 피스톤 운동을 의미한다.
센서는 홀 센서(13)로서 형성된다. 홀 센서(13)는 센서 휠(10)의 테두리 근처에 배치되고, 라인(14)에 의해 내연기관의 제어 유닛(15)과 연결된다. 제어 유닛(15)은, 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하도록 구성된다.
내연기관의 작동 중에, 크랭크 샤프트(11) 및 그와 더불어 센서 휠(10)도 회전한다. 각각의 마커의 시작은 센서(13) 내에서 전압 펄스를 발생시킨다. 관련된 전압 신호는 도 1에 그래프[U(t)]로서 개략적으로 도시되어 있다.
제어 유닛(15)은 전압 신호[U(t)]를 평가하고, 도 2에 따라 설명되는 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행한다. 이와 관련하여, 도 2에는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예가 블록 다이어그램으로서 개략적으로 도시되어 있다.
단계 101에서, 앞서 설명한 것처럼, 전압 신호가 센서(13)에 의해 검출된다. 단계 102에서는 상기 전압 신호가 평가된다. 개별 전압 펄스들로부터, 각각의 마커에 속하는 전압 펄스가 검출되는 시점들이 결정된다. 상기 시점들의 시간 간격들이 투스 시간들로서 결정된다. 그럼으로써, 디지털 투스 시간 신호가 개별 마커들에 속하는 일련의 투스 시간들로서 결정된다.
단계 103에서, 투스 시간 신호, 즉 결정된 투스 시간들에 저역 통과 필터링이 적용된다. 본 특별한 예시에서는, FIR 필터링이 투스 시간들에 적용된다. 이 경우, 결정된 투스 시간들(ttooth)로부터 하기 공식에 따라 필터링된 투스 시간들(tfilter)이 산출된다.
Figure pat00001
위의 식에서, N은 FIR 필터링의 차수이고, C(i)는 당업자에 의해 바람직하게, 예컨대 수학 소프트웨어 툴에 의해 결정되는 FIR 필터링의 계수이다. 이 경우, 필터 알고리즘은 각각의 개별 투스 시간(ttooth)을 위해 계산된다.
단계 104에서는, 결정된 필터링된 투스 시간들(tfilter)로부터 세그먼트 시간들(tsegment)이 계산된다. 예컨대 피스톤의 상사점(세그먼트 시작 A)과 피스톤의 하사점(세그먼트 종료 B) 사이의 피스톤 행정을 특성화하는 세그먼트(SA 또는 SB)에 대해 하기 공식이 적용된다.
Figure pat00002
이러한 방식으로 결정된 세그먼트 시간들(tsegment)은, 예시로서 도면 부호 200, 300 또는 400으로 표시되어 있는 내연기관의 매우 다양한 기능들을 위해 이용될 수 있다.
도면 부호 200의 경우, 세그먼트 시간들은 내연기관의 불규칙한 작동의 모니터링을 실행하는 데 이용된다. 단계 201에서는 연속되는 세그먼트 시간들(tsegment)의 차이들로서 속도 구배들이 결정된다. 단계 202에서는, 상기 속도 구배들이 사전 설정된 임계값에 도달하는지, 특히 임계값을 하회하는지의 여부가 검사된다. 속도 구배들이 사전 설정된 임계값을 하회하는 경우, 내연기관의 실화가 검출된다.
단계 301에서는, 세그먼트 시간들(tsegment)이 내연기관의 속도 측정을 위해 이용된다. 단계 401에서는, 세그먼트 시간들(tsegment)이 내연기관의 캠 샤프트 운동의 제어에 이용된다.

Claims (10)

  1. 내연기관의 센서 휠(10)의 세그먼트 시간들을 결정하기 위한 방법이며,
    센서 휠(10)은 함께 회전되는 방식으로 내연기관의 크랭크 샤프트(11)와 결합되고, 센서 휠(10)의 외주연을 따라 마커들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)이 배치되며, 내연기관의 크랭크 샤프트(11)는 세그먼트 시간들 동안 사전 결정된 각도 범위들(SA, SB)을 스쳐 지나가는, 내연기관 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정 방법에 있어서,
    - 센서 휠(10)의 각각 2개의 마커(12a, 12b, 12c, 12d, 12e) 사이의 시간 간격들로서 투스 시간들이 결정되는 단계와(102),
    - 상기 결정된 투스 시간들에 저역 통과 필터링이 적용되고, 저역 통과 필터링의 결과로서 필터링된 투스 시간들이 결정되는 단계와(103),
    - 상기 센서 휠의 결정된 개수의 연속되는 마커들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 필터링된 투스 시간들의 합으로서 센서 휠(10)의 세그먼트 시간들이 결정되는 단계(104)를 포함하는, 내연기관 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 저역 통과 필터의 한계 주파수는, 내연기관의 점화 주파수 및 더 낮은 주파수가 기껏해야 통과 값만큼 감쇠되는 방식으로 선택되는, 내연기관 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저역 통과 필터의 한계 주파수는, 내연기관의 2배의 점화 주파수 및 더 높은 주파수가 적어도 감쇠 값만큼 감쇠되는 방식으로 선택되는, 내연기관 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 FIR 필터인, 내연기관 센서 휠의 세그먼트 시간들의 결정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 이동 평균 필터인, 세그먼트 시간의 결정 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결정된 세그먼트 시간들을 이용하여 내연기관의 불규칙한 작동의 모니터링이 실행되는(200), 세그먼트 시간의 결정 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연속되는 세그먼트 시간들의 차이들로서 속도 구배들이 결정되고(201), 상기 속도 구배들이 사전 설정된 임계값에 도달하는지의 여부가 검사되는(202), 세그먼트 시간의 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 속도 구배들이 사전 설정된 임계값에 도달한다면, 내연기관의 실화가 검출되는, 세그먼트 시간의 결정 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하도록 구성된 컴퓨터 유닛(15).
  10. 프로그램 코드 수단이 컴퓨터 유닛(15) 상에서 실행될 때, 컴퓨터 유닛(15)으로 하여금 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하도록 하는 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 기계 판독 가능 메모리 매체.
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