KR20220149222A - Apparatus and method for predicting engine pressure - Google Patents

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전미연
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한국조선해양 주식회사
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Abstract

The present invention is to provide an apparatus and a method for predicting an engine pressure, which can estimate the pressure of an engine without using an expensive pressure sensor. A pressure predicting method of an engine pressure predicting apparatus according to the present invention comprises a step of configuring input/output data between an engine block vibration value and a cylinder pressure value for a crank angle; and a step of defining a loss function for a combustion unit to learn ranges of the crank angle.

Description

엔진 압력 예측 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PREDICTING ENGINE PRESSURE}Engine pressure prediction device and method {APPARATUS AND METHOD FOR PREDICTING ENGINE PRESSURE}

본 발명은 엔진 압력 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an engine pressure prediction apparatus and method.

일반적으로, 엔진(Engine)은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관이다. 엔진은 실린더 내에서 연료와 공기가 혼합된 혼합기체를 점화하여 폭발시킴으로써 피스톤을 움직이는 왕복 운동형 기관이다. 엔진은 상호 결합되어 연소실을 형성하는 실린더 블록과 실린더 헤드를 포함한다. 엔진의 성능을 실시간으로 감시할 수 있으면, 엔진을 안정적으로 제어할 수 있다. 그리고 엔진의 성능을 실시간으로 감시하기 위하여, 엔진을 구성하는 다양한 부품들에 대한 온도, 회전수 또는 압력 등을 측정한다. 만약, 상기 연소실의 압력을 실시간으로 감시할 수 있으면, 엔진의 대표적인 불안정 요소인 노킹(knocking) 현상을 안정적으로 제어할 수 있다. 노킹 현상이란, 연료와 공기가 혼합된 혼합기체를 압축시켰을 때, 혼합 기체가 적정 폭발시점 이전에 점화되어 연소하면 미연소 가스가 발생하고, 발생한 미연소 가스가 자연발화되어 폭발적으로 연소함으로 발생하는 금속음을 말한다. 노킹 현상이 발생하면, 피스톤, 실린더블록 및 밸브 등이 손상될 수 있으므로, 출력저하 및 수명이 단축될 수 있다. 그런데 선박용 엔진과 같이 상기 연소실의 압력이 고압인 경우에는, 고압의 압력을 측정할 수 있는 고가의 압력 센서를 사용하여야 하므로, 원가가 상승하는 단점이 있다. 그리고 연소실의 압력이 고압인 경우에는, 압력센서가 용이하게 손상될 수 있으므로, 교체주기가 짧다. 이로 인해, 더욱 원가가 상승하는 단점이 있다.In general, an engine is an engine that converts thermal energy into mechanical work. An engine is a reciprocating engine that moves a piston by igniting and detonating a mixture of fuel and air in a cylinder. The engine includes a cylinder block and a cylinder head coupled to each other to form a combustion chamber. If the performance of the engine can be monitored in real time, the engine can be controlled stably. And in order to monitor the performance of the engine in real time, the temperature, rotation speed, or pressure of various parts constituting the engine is measured. If the pressure of the combustion chamber can be monitored in real time, it is possible to stably control a knocking phenomenon, which is a representative unstable element of the engine. Knocking phenomenon is when a mixture of fuel and air is compressed, and when the mixture is ignited and combusted before the appropriate explosion time, unburned gas is generated, and the generated unburned gas spontaneously ignites and burns explosively. say metal When the knocking phenomenon occurs, the piston, cylinder block, valve, etc. may be damaged, and thus the output may be reduced and the lifespan may be shortened. However, when the pressure of the combustion chamber is high as in a marine engine, an expensive pressure sensor capable of measuring the high pressure must be used, so that the cost increases. And when the pressure of the combustion chamber is high, since the pressure sensor can be easily damaged, the replacement cycle is short. For this reason, there is a disadvantage in that the cost is further increased.

일본공개특허 특개2020-186683 학습 장치 및 추정 장치Japanese Patent Laid-Open No. 2020-186683 Learning apparatus and estimation apparatus 한국공개특허 10-2019-0089004 엔진 건전성 진단 장치 및 방법Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0089004 Apparatus and method for diagnosing engine health

본 발명의 목적은, 고가의 압력 센서를 사용하지 않고 엔진의 압력을 추정하는 엔진 압력 예측 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide an engine pressure prediction apparatus and method for estimating engine pressure without using an expensive pressure sensor.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진 압력 예측 장치의 압력 예측 방법은, 크랭크 각도에 대한 엔진 블록의 진동값과 실린더의 압력값 사이의 입출력 데이터를 구성하는 단계; 및 상기 크랭크 각도의 구간에 대한 연소부의 학습을 위한 손실 함수를 정의하는 단계를 포함할 수 있다.A pressure prediction method of an engine pressure prediction apparatus according to an embodiment of the present invention comprises: configuring input/output data between a vibration value of an engine block with respect to a crank angle and a pressure value of a cylinder; and defining a loss function for learning of the combustion unit for the section of the crank angle.

실시 예에 있어서, 상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는, 가속도 센서로부터 상기 엔진 블록의 상기 진동값을 획득하는 단계; 압력 센서로부터 상기 실린더의 압력값을 획득하는 단계; 및 상기 크랭크 각도로 각도 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment, configuring the input/output data may include: acquiring the vibration value of the engine block from an acceleration sensor; obtaining a pressure value of the cylinder from a pressure sensor; and obtaining angle information using the crank angle.

실시 예에 있어서, 상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는, 상기 크랭크 각도의 엔코더 신호와 동기화시킴으로써 시간 기반의 제 1 진동 신호와 제 1 압력 신호를 상기 크랭크 각도와 사이클 기반의 제 2 진동 신호와 제 2 압력 신호로 2 차원 매트릭스로 확장하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of configuring the input/output data comprises synchronizing a time-based first vibration signal and a first pressure signal with an encoder signal of the crank angle, and a second vibration signal and a second vibration signal based on the crank angle and cycle. It may further comprise expanding into a two-dimensional matrix with a pressure signal.

실시 예에 있어서, 상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는, 상기 크랭크 각도의 N(자연수) 차원 데이터를 입력 뉴런 N개에 배치된 상기 진동값과 상기 압력값를 이용하여 학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the configuring of the input/output data may further include learning N (natural number) dimensional data of the crank angle using the vibration value and the pressure value arranged in N input neurons. .

실시 예에 있어서, 상기 손실 함수를 정의하는 단계는, 상기 크랭크 각도의 상기 구간에 대한 모델 가중치 학습된 모델을 적용하여 상기 실린더 내부의 연소 압력을 학습하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment, the defining of the loss function may include learning the combustion pressure inside the cylinder by applying a model weight learned model to the section of the crank angle.

실시 예에 있어서, 상기 손실 함수를 정의하는 단계는, 출력 노드별 손실 함수의 가중치를 계산하는 단계; 및 상기 가중치를 곱한 목표값과 출력값 노드의 오차를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of defining the loss function comprises: calculating a weight of the loss function for each output node; and calculating an error between the target value multiplied by the weight and the output value node.

실시 예에 있어서, 학습 멈춤 조건이 만족하는 지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include determining whether a learning stop condition is satisfied.

실시 예에 있어서, 상기 학습 멈춤 조건이 만족하지 않을 때 학습 모델을 업데이트하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include updating the learning model when the learning stop condition is not satisfied.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진 압력 예측 장치는, 엔진의 진동값을 측정하는 가속도 센서; 학습 모델을 저장하는 메모리 장치; 및 상기 진동값과 상기 학습 모델을 수신하고 인공 신경망 학습을 수행함으로써 상기 엔진의 압력값을 예측하는 인공 신경망 학습기를 포함하고, 상기 학습 모델은, 크랭크 각도에 대한 엔진 블록의 진동값과 실린더의 압력값 사이의 입출력 데이터를 구성하고; 및 상기 크랭크 각도의 구간에 대한 연소부의 학습을 위한 손실 함수를 정의함으로써 생성되는 것을 특징으로 한다.An engine pressure prediction apparatus according to an embodiment of the present invention includes an acceleration sensor for measuring an engine vibration value; a memory device for storing the training model; and an artificial neural network learner that receives the vibration value and the learning model and predicts the pressure value of the engine by performing artificial neural network learning, wherein the learning model includes: the vibration value of the engine block with respect to the crank angle and the pressure of the cylinder compose input and output data between values; And it is characterized in that it is generated by defining a loss function for learning the combustion unit for the section of the crank angle.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진 압력 예측 장치 및 방법은, 가속도 센서의 진동값을 인공 신경망 학습을 통하여 압력값을 추정할 수 있다.The engine pressure prediction apparatus and method according to an embodiment of the present invention may estimate the pressure value of the vibration value of the acceleration sensor through artificial neural network learning.

이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다.
도 1은 일반적인 엔진의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 압력 예측 장치(200)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 압력 예측 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
The accompanying drawings below are provided to help understanding of the present embodiment, and provide embodiments together with detailed description.
1 is a schematic diagram of a typical engine.
2 is a diagram illustrating an engine pressure prediction apparatus 200 according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart exemplarily illustrating a method of predicting an engine pressure according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described clearly and in detail using the drawings to the extent that those of ordinary skill in the art can easily implement it.

도 1은 일반적인 엔진의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 엔진은 상호 결합되는 실린더 블록(110)과 실린더 헤드(120)를 포함할 수 있다. 이러한 실린더 블록(110)과 실린더헤드(120)에 의하여 연소실(130)이 형성될 수 있다. 더 상세히 설명하면, 실린더 블록(110)의 내부에 연소실(130)의 대부분의 공간이 형성될 수 있다. 실린더 헤드(120)는 실린더 블록(110)의 일면에 결합되어 연소실(130)의 일측을 밀폐할 수 있다. 실린더 헤드(120)에 흡입 통로 및 배기 통로를 개폐하는 밸브기구가 설치될 수 있다. 또한, 실린더 헤드(120)에 냉각수 통로인 워터 재킷 혹은 점화 플러그가 설치될 수 있다.1 is a schematic diagram of a typical engine. Referring to FIG. 1 , the engine may include a cylinder block 110 and a cylinder head 120 coupled to each other. The combustion chamber 130 may be formed by the cylinder block 110 and the cylinder head 120 . In more detail, most of the space of the combustion chamber 130 may be formed in the cylinder block 110 . The cylinder head 120 may be coupled to one surface of the cylinder block 110 to seal one side of the combustion chamber 130 . A valve mechanism for opening and closing the intake passage and the exhaust passage may be installed in the cylinder head 120 . Also, a water jacket or spark plug serving as a coolant passage may be installed in the cylinder head 120 .

실린더 블록(110)과 실린더 헤드(120)는 복수의 결합 부재(140)에 의하여 결합될 수 있다. 즉, 결합 부재(140)의 일단부측은 실린더 블록(110)에 지지 고정되고, 타단부측은 실린더헤드(120)에 지지 고정될 수 있다.The cylinder block 110 and the cylinder head 120 may be coupled by a plurality of coupling members 140 . That is, one end side of the coupling member 140 may be supported and fixed to the cylinder block 110 , and the other end side may be supported and fixed to the cylinder head 120 .

연소실(130)을 형성하는 실린더 블록(110)의 내주면에 실린더 라이너(150)가 설치될 수 있다. 실린더 라이너(150)에 직선 왕복 운동 가능하게 피스톤(161)이 설치될 수 있다. 피스톤(161)은 연소실(130)의 타측을 통하여 실린더 라이너(150)에 삽입될 수 있다. 피스톤(161)에 의하여 연소실(130)의 타측이 밀폐될 수 있다. 피스톤(161)과 실린더헤드(120) 사이에 형성된 연소실(130)로 연료와 공기가 혼합된 혼합기체가 유입되어 압축 및 폭발 팽창함에 따라, 피스톤(161)은 직선 왕복 운동 할 수 있다. 이러한 피스톤(161)의 직선 왕복 운동에 의하여 커넥팅 로드를 매개로 피스톤(161)과 연결된 크랭크축(165)이 회전할 수 있다. 크랭크축(165)의 회전력의 대부분은 플라이휠을 통하여 동력 전달 유닛측에 전달되고, 회전력의 일부는 밸브, 펌프, 발전기 혹은 연료공급장치 등으로 전달될 수 있다.A cylinder liner 150 may be installed on the inner circumferential surface of the cylinder block 110 forming the combustion chamber 130 . A piston 161 may be installed on the cylinder liner 150 to enable linear reciprocating motion. The piston 161 may be inserted into the cylinder liner 150 through the other side of the combustion chamber 130 . The other side of the combustion chamber 130 may be sealed by the piston 161 . As the mixed gas in which fuel and air are mixed is introduced into the combustion chamber 130 formed between the piston 161 and the cylinder head 120 and is compressed and exploded, the piston 161 may reciprocate linearly. The crankshaft 165 connected to the piston 161 may rotate through the connecting rod by the linear reciprocating motion of the piston 161 . Most of the rotational force of the crankshaft 165 is transmitted to the power transmission unit side through the flywheel, and a part of the rotational force may be transmitted to a valve, a pump, a generator, or a fuel supply device.

일반적으로, 연소실(130)의 압력을 실시간으로 감시할 때, 노킹(Knocking) 현상을 포함한 엔진의 제어가 안정적일 수 있다.In general, when monitoring the pressure of the combustion chamber 130 in real time, the control of the engine including the knocking phenomenon may be stable.

최근에 고가의 Piezo 타입의 압력 센서를 대체하기 위하여 저가의 가속도계 센서를 이용한 실린더 및 엔진 블록 진동을 측정하여 연구가 활발하다. 예를 들어, 노킹센서 측정 결과를 학습하여 연소실 최대 압력을 예측하는 기술은, 가속도계 센서를 이용하여 실린더 내압을 예측한다. 즉, 가속도계 센서를 이용하여 실린더 압력을 전달 함수로 구하는 기술이다. 또한, 신경망 알고리즘을 이용하여 엔진 블록의 진동과 압력 센서와의 상관관계를 통하여 엔진 실린더 내부의 압력을 예측하는 기술도 소개되고 있다.Recently, in order to replace an expensive piezo type pressure sensor, research has been actively conducted by measuring cylinder and engine block vibration using a low-cost accelerometer sensor. For example, a technology for predicting the maximum combustion chamber pressure by learning the knock sensor measurement result predicts the cylinder pressure using an accelerometer sensor. In other words, it is a technology to obtain cylinder pressure as a transfer function using an accelerometer sensor. In addition, a technique for predicting the pressure inside the engine cylinder through the correlation between the vibration of the engine block and the pressure sensor using a neural network algorithm is also introduced.

엔진 사이클에서 실린더 압력 구현은, 전달함수의 오차 및 연소안정성 등의 이유로 진동과 압력의 높은 상관성 확보가 명확하지 않다. 압력 센서와 가속도 센서 사이의 전달 함수를 구성하기 위하여 인공 신경망을 이용하여 대체 측정한다. 그런데 일반적인 시간 흐름의 변화를 샘플링함으로써 학습하는 인공 신경망의 시계열 데이터와 다르게, 엔진 사이클은 각도 기준으로 반복적인 패턴을 갖는다. 전 구간 유사성이 높지 않은 연소 핵심 구간과 모든 패턴 구간에서의 유사성이 높은 연소가 일어나지 않은 구간 중에서 연소가 일어나지 않은 구간에 대한 오버피팅(over fitting)의 가능성이 있다. 이는 구간을 선별하여 모델을 학습하는 데 어려움이 되고 있다.In the implementation of cylinder pressure in the engine cycle, it is not clear to secure a high correlation between vibration and pressure due to errors in the transfer function and combustion stability. In order to construct a transfer function between the pressure sensor and the acceleration sensor, an artificial neural network is used for alternative measurement. However, unlike time series data of an artificial neural network that learns by sampling changes in time flow in general, engine cycles have a repetitive pattern based on angles. There is a possibility of overfitting for the combustion core section where the similarity is not high in all sections and the section in which combustion does not occur among the sections in which combustion does not occur with high similarity in all pattern sections. This makes it difficult to train the model by selecting the interval.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 압력 예측 방법은, 엔진 실린더의 가속도센서를 이용하여 입출력 뉴런에 특정 각도 범위의 데이터를 이용하는 인공 신경망(예를 들어, DNN(Deep Neural Network)) 알고리즘 구성함으로써, 각도 별 높은 상관성을 확보하고 정확도에 대한 강건성을 확보할 수 있다.In the engine pressure prediction method according to an embodiment of the present invention, an artificial neural network (eg, Deep Neural Network (DNN)) algorithm using data of a specific angular range for input/output neurons using an acceleration sensor of an engine cylinder is configured, It is possible to secure high correlation for each angle and secure robustness to accuracy.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 압력 예측 방법은, 각도 기준으로 배열하기 위한 엔진 속도 신호의 동기화를 통한 각도 범위의 전처리를 포함하고, 높은 압력을 갖는 연소부의 정확도 확보를 위한 손실 함수를 구성할 수 있다. 본 발명은 손실 함수의 정보를 이용하여 반복적인 엔진 사이클에서 특정 각도에 대한 압력값을 예측함으로써, 엔진 압력 예측의 정확도를 확보할 수 있다.The engine pressure prediction method according to an embodiment of the present invention includes preprocessing of an angular range through synchronization of an engine speed signal for arranging on an angular basis, and constructs a loss function for ensuring accuracy of a combustion unit having a high pressure. can The present invention can secure the accuracy of engine pressure prediction by predicting the pressure value for a specific angle in repeated engine cycles using the information of the loss function.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 압력 예측 장치(200)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 엔진 압력 예측 장치(200)는 인공 신경망 학습기(210) 및 메모리 장치(220)를 포함할 수 있다.2 is a diagram illustrating an engine pressure prediction apparatus 200 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 , the engine pressure prediction apparatus 200 may include an artificial neural network learner 210 and a memory device 220 .

인공 신경망 학습기(210)는 압력 예측 모델과 진동값을 수신하고, 인공 신경망 학습을 기반으로 진동값에 대응하는 압력값을 추정하도록 구현될 수 있다. 여기서 압력 예측 모델은, 압력 센서와 가속도 센서의 전달 함수에 대한 학습을 통하여 생성될 수 있다. 실시 예에 있어서, 크랭크 각은 엔진에 관련된 가속도 센서로부터 측정될 수 있다. 실시 예에 있어서, 인공 신경망 학습기(210)는 하드웨어적으로 구현되거나, 소프트웨어적으로 구현되거나, 펌웨어적으로 구현될 수 있다.The artificial neural network learner 210 may be implemented to receive a pressure prediction model and a vibration value, and to estimate a pressure value corresponding to the vibration value based on artificial neural network learning. Here, the pressure prediction model may be generated by learning the transfer functions of the pressure sensor and the acceleration sensor. In an embodiment, the crank angle may be measured from an acceleration sensor related to the engine. In an embodiment, the artificial neural network learner 210 may be implemented in hardware, software, or firmware.

일반적으로 예측을 위한 입력 데이터는 입력층(input layer)를 통해 모델에 입력되고, 예측하고자 하는 목표 데이터는 출력층(output layer)으로 계산된다. 입력층과 출력층 사이에 적어도 하나의 은닉층(hidden layer)이 존재한다. 은닉층은 비선형적 모델을 구축하는데 핵심적인 역할을 수행한다. 각 층은 복수의 노드들로 구성된다. 각 노드 간의 연결은 인공 신경망의 신경 세포에 대응하는 퍼셉트론들(perceptrons)의 다층 연결(multi-layer perceptron; MLP)에 의해 이루어진다. 각각의 퍼셉트론은 이전 층의 각 노드로부터 신호를 전달받아 가중치(weight)와 편중치(bias)를 적용하여 합산 한 후, 활성화 함수(activation function)를 통해 각 노드의 활성화 정도를 결정한다. 그 후, 계산된 최종 결과를 다음 층의 노드에 입력 신호로 전달하여 신경망이 구성된다. 이러한 일련의 과정을 거쳐 계산된 결과와 측정된 실제 값(label)을 비교함으로써, 실제 값과의 오차를 최소화시키는 방향으로 모델은 스스로 업데이트된다. 이러한 학습 방식을 지도 학습(supervised learning)이라고 부른다. 실린더 압력 예측 모델의 경우 실제 압력을 정확하게 예측하는 것이 목적이기 때문에, 지도 학습을 통해 모델 학습이 진행된다.In general, input data for prediction is input to a model through an input layer, and target data to be predicted is calculated as an output layer. At least one hidden layer exists between the input layer and the output layer. The hidden layer plays a key role in building a nonlinear model. Each layer consists of a plurality of nodes. The connection between each node is made by a multi-layer perceptron (MLP) of perceptrons corresponding to nerve cells of the artificial neural network. Each perceptron receives a signal from each node in the previous layer, applies a weight and a bias to add it, and then determines the activation degree of each node through an activation function. After that, the neural network is constructed by passing the calculated final result as an input signal to the node of the next layer. By comparing the result calculated through this series of processes and the measured actual value (label), the model is updated by itself in a direction to minimize the error with the actual value. This learning method is called supervised learning. Since the purpose of the cylinder pressure prediction model is to accurately predict the actual pressure, model learning proceeds through supervised learning.

일반적으로 지도 학습을 통해 구축된 모델의 정확성은, 학습 조건(train condition)의 구성 및 예측 조건(test condition)과의 유사도, 학습 데이터의 정확성, 모델의 구성 및 데이터의 전처리(proprocessing) 방식, 최적화 알고리즘 및 학습률(learning rate)에 의해 변화될 수 있다. 따라서 정확한 모델의 개발을 위해서 상술된 변수들이 모델의 예측 정확도에 미치는 영향에 대한 정량적인 분석이 필요하다. 특히, 학습 조건 변화에 의한 테스트 조건의 예측 정확성은 조건을 구성하는 변수의 비선형성에 크게 영향을 받기 때문에 면밀한 검토를 위해 학습 조건이 구성되어야 한다. In general, the accuracy of a model built through supervised learning is related to the similarity with the configuration of the training condition and the test condition, the accuracy of the training data, the configuration of the model and the preprocessing method of the data, and the optimization. It can be varied by algorithm and learning rate. Therefore, in order to develop an accurate model, a quantitative analysis of the effect of the above-described variables on the prediction accuracy of the model is required. In particular, since the prediction accuracy of the test condition by the change of the learning condition is greatly affected by the nonlinearity of the variables constituting the condition, the learning condition should be configured for a close examination.

메모리 장치(220)는 압력 예측 모델을 저장하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 메모리 장치(220)는 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. 여기서 비휘발성 메모리 장치는, 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory), 수직형 낸드 플래시 메모리, 노아 플래시 메모리(NOR flash memory), 저항성 램(resistive random access memory; RRAM), 상변화 메모리(phase-change memory; PRAM), 자기저항 메모리(magnetoresistive random access memory; MRAM), 강유전체 메모리(ferroelectric random access memory; FRAM), 스핀주입 자화반전 메모리(spin transfer torque random access memory; STT-RAM) 등이 될 수 있다.The memory device 220 may be implemented to store a pressure prediction model. In an embodiment, the memory device 220 may include a nonvolatile memory device. Here, the nonvolatile memory device includes a NAND flash memory, a vertical NAND flash memory, a NOR flash memory, a resistive random access memory (RRAM), and a phase-change memory. PRAM), magnetoresistive random access memory (MRAM), ferroelectric random access memory (FRAM), spin transfer torque random access memory (STT-RAM), and the like.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 압력 예측 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 엔진의 압력 예측 방법은 다음과 같이 진행될 수 있다. 3 is a flowchart exemplarily illustrating a method of predicting an engine pressure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 , the method of predicting the pressure of the engine may proceed as follows.

엔진 블록 진동의 DNN을 이용을 위한 입출력 데이터가 구성될 수 있다(S110). 입출력 데이터 구성을 위하여 엔진 블록에 진동을 측정할 수 있는 가속도 센서(Accelerometer sensor)로부터 엔진 연소 시 발생되는 엔진 블록 진동(Vibblock)이 측정될 수 있다. 인공신경망 학습을 위하여 실린더 내부 압력(Pcyl)이 실린더 압력 센서로 측정될 수 있다(S111). 엔진 블록 진동의 계측 위치는 취득 환경에 따라 압력 신호에 대한 상관성을 고려하여 채택 될 수 있다.Input/output data for using the DNN of engine block vibration may be configured (S110). In order to configure input/output data, engine block vibration (Vibblock) generated during engine combustion may be measured from an acceleration sensor (Accelerometer sensor) capable of measuring vibration in the engine block. For artificial neural network learning, the cylinder pressure (Pcyl) may be measured with a cylinder pressure sensor (S111). The measurement position of the engine block vibration can be adopted in consideration of the correlation to the pressure signal according to the acquisition environment.

엔진의 크랭크 각도의 엔코더 신호와 동기화하여 시간 기반의 신호 제 1 진동 신호(Vibblock--(t)), 제 1 압력 신호(P-cyl-(t))는 크랭크 각도 [-360,360]와 사이클(cycle) 수 기반의 신호 제 2 입력 신호(Vibblock(θ, cycle 수)), 제 2 압력 신호(Pcyl(θ, cycle 수))로 2차원 매트릭스 [N x M] 으로 확장 될 수 있다. N차원의 값들은 사용자의 기준에 따라 해상도 및 각도의 중요도를 다르게 하여 선별된 각도 벡터의 크기를 의미한다. N차원 값들은 취득된 Vibblock(입력) 및 Pcyl(출력)에 대한 각도의 해상도에 따라 일정 각도 기준으로 표시 가능하다. M차원 값들은 취득된 크랭크 각도로 동기화된 데이터를 사이클 수로 분리한 수를 의미한다. M차원 값들은 DNN 모델의 학습에 사용될 선별된 사이클 데이터 표본의 수이기 때문에 엔진의 실험 조건에 의하여 취득된 데이터를 노이즈 및 오버피팅 방지를 위하여 선별하여 사용될 수 있다. 크랭크 각(θ) N 차원의 데이터를 입력 뉴런 N개에 배치된 Vibblock과 Pcyl를 이용하여 Vibblock(입력)

Figure pat00001
Pcyl(출력)의 DNN 학습이 수행될 수 있다(S112). 이러한 학습을 통하여 엔진의 크랭크 각도 마다 수행되는 진동에 의한 가중치를 합산함으로써, 각도 기준의 실린더 압력을 재구성하는 DNN 모델이 생성될 수 있다.Synchronized with the encoder signal of the crank angle of the engine, the time-based signal first vibration signal (Vibblock--(t)), the first pressure signal (P-cyl-(t)) is the crank angle [-360,360] and cycle ( A signal based on the number of cycles) may be expanded into a two-dimensional matrix [N x M] with a second input signal (Vibblock(θ, number of cycles)) and a second pressure signal (Pcyl(θ, number of cycles)). The N-dimensional values mean the size of the angle vector selected by varying the importance of resolution and angle according to the user's criteria. The N-dimensional values can be displayed on a constant angular basis according to the resolution of the obtained Vibblock (input) and Pcyl (output) angles. The M-dimensional values mean a number obtained by dividing data synchronized with the obtained crank angle by the number of cycles. Since the M-dimensional values are the number of selected cycle data samples to be used for training the DNN model, the data acquired according to the experimental conditions of the engine may be selected and used to prevent noise and overfitting. Crank angle (θ) N-dimensional data input Vibblock (input) using Vibblock and Pcyl placed on N neurons
Figure pat00001
DNN learning of Pcyl (output) may be performed (S112). Through this learning, a DNN model that reconstructs the cylinder pressure based on the angle can be generated by summing the weights by vibrations performed for each crank angle of the engine.

상술된 S110 단계로부터 엔진 실린더 개수 및 연소 타이밍 변동 시 인공 신경망 모델 변경없이 특정 각도에 대한 엔진 블록 진동과 실린더 압력 내부의 데이터 상관성이 확보될 수 있다.From the above-described step S110, when the number of engine cylinders and the combustion timing change, the correlation between the engine block vibration for a specific angle and the data inside the cylinder pressure can be secured without changing the artificial neural network model.

생성된 DNN 모델은 압력 예측 장치에 업데이트 될 수 있다(S120).The generated DNN model may be updated in the pressure prediction device (S120).

이후에, 고압에 해당하는 연소부 주요 학습을 위한 DNN을 구성하기 위한 손실 함수가 생성될 수 있다(S130). 각도 범위의 구간에 대한 모델 가중치 학습된 DNN 모델 적용을 통해 실린더 내부 연소 압력이 학습될 수 있다. 이때, 출력 노드별 손실 함수 가중치가 계산될 수 있다(S131). 여기서 손실 함수의 가중치는 다음과 같이 계산된다. Thereafter, a loss function for constructing a DNN for main learning of the combustion unit corresponding to the high pressure may be generated (S130). The in-cylinder combustion pressure can be learned through the application of the DNN model learned by the model weight to the section of the angular range. In this case, a weight loss function for each output node may be calculated (S131). Here, the weight of the loss function is calculated as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, 목표 압력 데이터에서 각도가

Figure pat00003
Figure pat00004
이며, m번째 표본의 가중치는 각도가
Figure pat00005
Figure pat00006
이며, m번째 목표 데이터값에서, m번째 사이클 내 목표 압력 데이터의 최대값으로 나눈 값이다.Here, the angle in the target pressure data is
Figure pat00003
Figure pat00004
, and the weight of the mth sample is
Figure pat00005
Figure pat00006
, and is a value obtained by dividing the m-th target data value by the maximum value of the target pressure data in the m-th cycle.

계산된 가중치 행렬은 DNN의 예측값 행렬 및 목표 값 행렬의 각각의 요소에 곱해져 통상적으로 사용되는 손실 통계 함수인 MSE(Mean Squared Error), MAE (Mean Absolute Error), RMSE(Root Mean Squared Error)등에 적용 가능하다(S132). 이를 통하여 높은 압력을 갖는 연소부의 학습 오차가 더욱 상승하여 학습량을 계산해낼 수 있다.The calculated weight matrix is multiplied by each element of the predicted value matrix and the target value matrix of DNN, and is used for commonly used loss statistical functions such as MSE (Mean Squared Error), MAE (Mean Absolute Error), RMSE (Root Mean Squared Error), etc. It is applicable (S132). Through this, the learning error of the combustion unit having a high pressure is further increased, so that the learning amount can be calculated.

상술된 S130 단계에서 상대적으로 오차가 큰 구간인 연소부 각도 범위에 대한 모델 기여도 향상으로 실린더 압력의 주요 지표 중 하나인 압력 최대값 Pmax 의 정확성 및 Pmax값의 주요한 연소부에 대한 압력값이 확보될 수 있다.The accuracy of the maximum pressure value Pmax, which is one of the main indicators of the cylinder pressure, and the pressure value for the main combustion part of the Pmax value will be secured by improving the model contribution to the combustion part angular range, which is a section with a relatively large error in the above-described step S130. can

이후에, 학습 멈춤 조건이 만족되는 지 판별될 수 있다(S140). 학습 멈춤 조건을 만족하면, 압력 예측 방법은 종료될 것이다. 일반적으로, 전체 데이터가 1회 학습되는 횟수를 의미하는 EPOCH의 학습이 모두 완료된 경우 혹은 검증 데이터의 오차에 의하여 조기 멈춤 조건을 지정한 경우 학습이 중단될 수 있다. 실시 예에 있어서, EPOCH = 100으로 지정하였을 때 100번의 학습이 모두 완료된 경우 학습 멈춤 조건이 만족할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, EPOCH = 100으로 지정하였으나, 조기 멈춤 조건 = 5 에 의하여, 검증 데이터의 오차 상승이 5회 이상 이루어진 경우 학습 멈춤 조건이 만족할 수 있다. 반면에 학습 멈춤 조건을 만족하지 않으면, S120 단계로 진입할 것이다.Thereafter, it may be determined whether the learning stop condition is satisfied (S140). If the learning stop condition is satisfied, the pressure prediction method will be terminated. In general, when all learning of EPOCH, which means the number of times the entire data is learned once, is completed, or when an early stop condition is specified due to an error in the verification data, the learning may be stopped. In an embodiment, when EPOCH = 100 is specified and all 100 learning times are completed, the learning stop condition may be satisfied. In another embodiment, although EPOCH = 100 is specified, the learning stop condition may be satisfied when the error increase of the verification data is 5 or more times due to the early stop condition = 5. On the other hand, if the learning stop condition is not satisfied, step S120 will be entered.

한편, 상술된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용 할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함 할 것이다.On the other hand, the contents of the present invention described above are only specific examples for carrying out the invention. The present invention will include not only concrete and practically usable means, but also technical ideas, which are abstract and conceptual ideas that can be utilized as future technologies.

200: 엔진 압력 예측 장치
210: 인공 신경망 학습기
220: 메모리 장치
200: engine pressure prediction device
210: artificial neural network learner
220: memory device

Claims (9)

엔진 압력 예측 장치의 압력 예측 방법에 있어서,
크랭크 각도에 대한 엔진 블록의 진동값과 실린더의 압력값 사이의 입출력 데이터를 구성하는 단계; 및
상기 크랭크 각도의 구간에 대한 연소부의 학습을 위한 손실 함수를 정의하는 단계를 포함하는 방법.
In the pressure prediction method of the engine pressure prediction device,
composing input/output data between the vibration value of the engine block and the pressure value of the cylinder with respect to the crank angle; and
and defining a loss function for learning of the combustion unit for the section of the crank angle.
제 1 항에 있어서,
상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는,
가속도 센서로부터 상기 엔진 블록의 상기 진동값을 획득하는 단계;
압력 센서로부터 상기 실린더의 압력값을 획득하는 단계; 및
상기 크랭크 각도로 각도 정보를 획득하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
The step of composing the input/output data includes:
obtaining the vibration value of the engine block from an acceleration sensor;
obtaining a pressure value of the cylinder from a pressure sensor; and
and obtaining angle information with the crank angle.
제 2 항에 있어서,
상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는,
상기 크랭크 각도의 엔코더 신호와 동기화시킴으로써 시간 기반의 제 1 진동 신호와 제 1 압력 신호를 상기 크랭크 각도와 사이클 기반의 제 2 진동 신호와 제 2 압력 신호로 2 차원 매트릭스로 확장하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. The method of claim 2,
The step of composing the input/output data includes:
Expanding a time-based first vibration signal and a first pressure signal into a two-dimensional matrix with a second vibration signal and a second pressure signal based on the crank angle and cycle by synchronizing with the encoder signal of the crank angle Way.
제 3 항에 있어서,
상기 입출력 데이터를 구성하는 단계는,
상기 크랭크 각도의 N(자연수) 차원 데이터를 입력 뉴런 N개에 배치된 상기 진동값과 상기 압력값를 이용하여 학습하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. The method of claim 3,
The step of composing the input/output data includes:
The method further comprising the step of learning N (natural number) dimensional data of the crank angle using the vibration value and the pressure value arranged in N input neurons.
제 1 항에 있어서,
상기 손실 함수를 정의하는 단계는,
상기 크랭크 각도의 상기 구간에 대한 모델 가중치 학습된 모델을 적용하여 상기 실린더 내부의 연소 압력을 학습하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1,
Defining the loss function comprises:
and learning the combustion pressure inside the cylinder by applying a model weight learned model to the section of the crank angle.
제 5 항에 있어서,
상기 손실 함수를 정의하는 단계는,
출력 노드별 손실 함수의 가중치를 계산하는 단계; 및
상기 가중치를 곱한 목표값과 출력값 노드의 오차를 계산하는 단계를 포함하는 방법.
6. The method of claim 5,
Defining the loss function comprises:
calculating a weight of the loss function for each output node; and
and calculating an error between a target value multiplied by the weight and an output value node.
제 1 항에 있어서,
학습 멈춤 조건이 만족하는 지를 판별하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 1,
The method further comprising the step of determining whether the learning stop condition is satisfied.
제 7 항에 있어서,
상기 학습 멈춤 조건이 만족하지 않을 때 학습 모델을 업데이트하는 단계를 더 포함하는 방법.
8. The method of claim 7,
The method further comprising the step of updating the learning model when the learning stop condition is not satisfied.
엔진의 진동값을 측정하는 가속도 센서;
학습 모델을 저장하는 메모리 장치; 및
상기 진동값과 상기 학습 모델을 수신하고 인공 신경망 학습을 수행함으로써 상기 엔진의 압력값을 예측하는 인공 신경망 학습기를 포함하고,
상기 학습 모델은, 크랭크 각도에 대한 엔진 블록의 진동값과 실린더의 압력값 사이의 입출력 데이터를 구성하고; 및 상기 크랭크 각도의 구간에 대한 연소부의 학습을 위한 손실 함수를 정의함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 엔진 압력 학습 장치.
an acceleration sensor that measures the vibration value of the engine;
a memory device for storing the training model; and
and an artificial neural network learner that receives the vibration value and the learning model and predicts the pressure value of the engine by performing artificial neural network learning,
The learning model comprises input/output data between the vibration value of the engine block and the pressure value of the cylinder with respect to the crank angle; and engine pressure learning apparatus, characterized in that it is generated by defining a loss function for learning of the combustion unit for the section of the crank angle.
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