KR20230078151A - 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치 및 시스템은 많은 전기전자 장치가 차량에 도입되면서 나타나는 신호오류 및 왜곡 등에 의한 부작용을 해결하고, 차량의 조립특성과 노후화의한 전기전자 장치의 배선에서 발생하거나 유입되는 각종 제어신호 노이즈들을 제거한다. 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템은 자동차 및 선박의 운행 중 TPS(Throttle position sensor) 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하고 전자제어 신호를 안정시켜 연료를 완전 연소할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템은 ECU(Engine Control Unit)와 TPS 사이 그리고 배터리에 위치하며 각종 전기배선에서 발생 또는 유입되는 전기적 노이즈를 제거하고 축전한다. 또한, 실시예에서는 노이즈 제거를 위해 MCU(Micro Controller Unit)를 이용한 알고리즘을 통해 디지털로 전기 노이즈를 제거한다.
Description
본 개시는 노이즈 제거 장치 및 시스템에 관한 것으로 구체적으로, 자동차 및 선박의 운행 중 발생하는 전기적 노이즈를 제거하고 전자제어 신호를 안정시켜 스토틀 밸브와 인젝터 기능을 최적화함으로써 연료절감 효과를 창출하는 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치 및 노이즈 제거 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
온실효과로 인한 기후변화 또는 지구온난화는 현재 가장 중요한 국제 환경문제이다. 기후변화의 영향(빙하 감소, 사막화, 해수면 상승 등)은 이미 국제적으로 뚜렷하게 나타나고 있을 뿐만 아니라 한반도에도 기상 이변, 해수면 상승, 생태계 변화 등을 야기하고 있다. 기후변화를 일으키는 가장 중요한 원인은 온실가스 배출이다. 온실가스 배출은 인간의 생산 및 소비 활동(특히 에너지 사용)과 밀접하게 연관되어 있다.
한국의 온실가스배출량은 교토의정서에서 온실가스 감축 기준 연도로 설정한 1990년 2억 9220만 톤(이산화탄소 환산 기준)에서 2018년 7억 2760만 톤으로 149% 증가하였다. 이 기간 동안 온실가스배출량 증가율은 연평균 3.3%를 기록하였다. 한국은 2017년 기준으로 세계 11위이자 OECD 회원국 중 5위의 온실가스 배출 국가이다. 다만, 최근 증가율이 둔화되고 있는 점은 의미 있는 변화이다. 온실가스배출원은 에너지, 산업공정, 농업, 폐기물 등으로 구분되는데, 전 세계적으로 주된 배출원은 에너지 부문이다. 에너지 부문에서 배출되는 온실가스는 총 온실가스의 87%에 달한다. 한국의 경우에도 1990년에서 2018년 사이 에너지 부문 온실가스배출량이 163% 증가하였다.
GDP 대비 온실가스배출량은 1990년 10억 원당 643.4톤에서 2018년 10억 원당 401.6톤으로 약 38% 감소하였다. 이는 같은 기간 동안 온실가스배출량의 증가 속도보다 경제규모의 확장 속도가 상대적으로 더 빨랐기 때문이다. 한국의 GDP 대비 온실가스배출량은 중국, 인도 등의 개발도상국보다는 낮은 수준이지만 프랑스, 영국, 독일, 일본 등의 선진국들에 비해서는 여전히 높은 수준이다. 1인당 온실가스배출량은 1990년 6.8톤에서 2017년 13.8톤으로 2배가량 증가하였다. 한국의 1인당 온실가스배출량은 석탄사용과 자원개발이 많은 호주나 미국보다는 낮은 수준이지만 제조업이 발달한 일본, 독일보다는 높은 수준이다.
온실가스 발생 중 운송수단이 차지하는 비중은 14%이다. 자동차의 성능을 최적화하여 차량에서 발생하는 매연과 미세먼지를 원천적으로 감소시키는 배기가스 선처리 기술은 가솔린, 디젤, LPG, CNG 등 모든 내연기관에 적용된다. 하지만, 종래에 배기가스 선처리 시스템은 아날로그 회로의 특성상 전기 노이즈를 완벽하게 제거하지 못하는 문제가 있다. 즉 종래 시스템은 다이오드, 저항 및 커패시터 등을 사용해서 전기 노이즈를 줄이고 전기 노이즈 발생 주기를 증가시키는 역할을 할 뿐이다.
실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치 및 노이즈 제거 시스템은 많은 전기전자 장치가 차량에 도입되면서 나타나는 신호오류 및 왜곡 등에 의한 부작용을 해결하고, 차량의 조립특성과 노후화에 의한 전기전자 장치의 배선에서 발생하거나 유입되는 각종 제어신호 노이즈들을 제거한다. 특히, 자동차 및 선박의 운행 중 TPS(Throttle Position Sensor) 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하고 전자제어 신호를 안정시켜 연료를 완전 연소할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치 및 노이즈 제거 시스템은 ECU(Engine Control Unit)와 TPS 사이 및 배터리와 연결되어 위치하며 각종 전기배선에서 발생 또는 유입되는 전기적 노이즈를 제거하고 배터리를 축전한다.
또한, 실시예에서는 노이즈 제거를 위해 MCU(Micro Controller Unit)를 이용한 알고리즘을 통해 디지털로 전기 노이즈를 제거한다.
실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치는 ECU의 신호가 인가되는 TPS 파트; 및 배터리 신호가 인가되는 파트; 를 포함하고, TPS 파트는 입력 신호 중 정상신호 범위를 벗어난 주파수의 노이즈를 제거하는 고주파 및 저주파 노이즈 제거 모듈; 역전류를 방지하는 역전류 방지 모듈; 및 ECU와 TPS사이에서 발생되는 디지털 노이즈 및 배터리와 발전기 사이에서 발생되는 디지털 노이즈를 제거하는 디지털 노이즈 제거 모듈(MCU); 을 포함하고, 배터리 신호가 인가되는 파트; 는 입력 신호 중 정상신호 범위를 벗어난 주파수의 노이즈를 제거하는 고주파 및 저주파 노이즈 제거 모듈; 아날로그 노이즈를 제거하는 아날로그 노이즈 제거 모듈; 디지털 아날로그 신호를 전환하는 디지털 아날로그 전환 모듈; 및 디지털 노이즈 제거 모듈을 보호하는 보호 모듈; 을 포함한다.
다른 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 시스템은 ECU(Engine Control Unit), TPS(Throttle Position Sensor) 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈; 배터리에서 발생한 과전류를 감지하고, 감지한 과전류를 제한하는 과전류 제한 모듈; 노이즈 제거 모듈로부터 전압이 입력되면, 입력된 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 출력하는 정전압 모듈; 노이즈 제거모듈로부터 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하는 아날로그 신호 전환 모듈; 을 포함한다.
실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거장치 및 노이즈 제거 시스템은 차량전체의 전기를 생산하는 발전기와 보유전기를 관장하는 배터리, 그리고 기계 및 전기전자 장치를 제어 조정하는 ECU를 통한 전기배선의 차량 전자장치 제어신호 노이즈 제거를 통해, 차량 및 배터리 본연의 성능을 향상 및 회복시킨다. 또한, 엔진출력을 증가시키고, 차량의 성능과 가장 밀접한 부위인 스로틀 바디를 통제하는 TPS의 안정화를 통해 연비향상, 출력향상은 물론 매연과 미세먼지 발생을 저감한다.
또한, 스로틀 밸브와 인젝터 기능을 최적화하여, 연료절감 효과를 창출하고 매연 및 미세먼지 발생을 감소시킨다.
또한, 배터리 성능향상과 함께 차량의 전반적인 전기 전자적 제어 전압을 안정화하고, TPS와 ECU 사이의 안정된 신호를 주고받을 수 있도록 한다.
또한, 실시예는 차량의 심장 역할을 하는 배터리의 안정된 충전 기능과 전원공급을 담당하는 배선과 차체에서 발생 또는 유입되는 전기 노이즈를 아날로그 및 디지털 방식으로 제거하여 차량에 유입되는 전압을 안정시켜 차량 성능유지에 기여한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 구성도
도 2는 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 회로 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 설치 부분을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템이 구성되는 차량 시스템 블록을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 블록을 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치 및 시스템에 의한 노이즈 제거 전후 파형을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 회로 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 설치 부분을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템이 구성되는 차량 시스템 블록을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 블록을 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치 및 시스템에 의한 노이즈 제거 전후 파형을 나타낸 도면
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 구성도이다.
실시예에 따른 노이즈 제거 장치는 차량전체의 전기를 생산하는 발전기(alternator)와 보유전기를 관장하는 배터리, 그리고 기계 및 전기전자 장치를 제어 및 조정하는 ECU를 통한 전기배선의 차량 전자장치 제어신호 노이즈 제거를 통해, 차량 및 배터리 본연의 성능향상 및 회복을 도모하고, 엔진출력을 향상시킨다. 또한 차량의 성능과 가장 밀접한 부위인 스로틀 바디를 통제하는 TPS의 안정화를 통해 연비향상, 출력향상은 물론 매연과 미세먼지 발생을 저감하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 노이즈 제거 장치는 ECU의 신호가 인가되는 TPS 파트(a) 및 배터리 신호가 인가되는 파트(b)를 포함하고, TPS 파트는 고주파 및 저주파 노이즈 제거모듈(70), 역전류 방지모듈(80), 디지털 아날로그 전환모듈(90), 디지털 노이즈 제거모듈(30)을 포함하고, 배터리 신호가 인가되는 파트(b)는 저주파 노이즈 제거모듈(60), 아날로그 노이즈 제거모듈(110) 및 보호모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
TPS(10)과 배터리(40)은 ECU(20)의 신호가 인가받고, 저주파 노이즈 제거 모듈(60)은 입력 신호 중 저주파 노이즈를 제거한다. 고주파 노이즈 제거모듈(70)은 입력 신호 중 고주파 노이즈를 제거한다.
역전류 방지모듈(80)은 역전류 발생을 방지하고, 디지털 노이즈 제거 모듈(MCU)은 ECU(20)와 TPS(10)사이에서 발생되는 디지털 노이즈 및 배터리(40)와 발전기사이에서 발생되는 디지털 노이즈를 제거한다. 아날로그 노이즈 제거 모듈(110)은 아날로그 노이즈를 제거하고, 디지털 아날로그 전환 모듈(90)은 아날로그 신호를 디지털로 전환한다. 보호모듈(130)은 디지털 노이즈 제거 모듈(MCU)을 보호하는 보호한다.
도 2는 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 실시예에 따른 노이즈 제거 장치의 설치 부분을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 노이즈 제거 장치는 차량 전기전자신호 중 가장 중요한 ECU의 신호가 인가되는 TPS 파트(a)와 배터리 파트(b)를 포함하는 복합 제어신호 노이즈 제거장치이다. 고주파 및 저주파 노이즈 제거모듈(70)은 TPS 파트의 경우, 병렬 연결된 C1 및 C2로 구성되고, 배터리 파트의 경우, 병렬 연결된 C7 및 C8 로 구성되어 배터리로부터 입력되는 노이즈를 제거한다.
역전류 방지 모듈(80) 은 C3, D2, D3로 형성된 폐회로, C3와 병렬 연결된 R2, C3와 직렬 연결된 R1과 D1을 포함하여 구성되고, 아날로그 노이즈 제거 모듈(110) 은 TPS 파트의 경우, 직렬 연결된 R3, R4로 구성되고, 배터리 파트의 경우 직렬 연결된 R10, R11으로 구성될 수 있다. 디지털 아날로그 전환모듈(90) 은 TPS 파트는 TR1을 포함하여 구성되고 배터리 파트는 TR2로 구성될 수 있다. 보호 모듈(130)은 TPS 파트의 경우 R6으로 구성되고 배터리 파트의 경우 R12로 구성될 수 있다.
TPS 파트의 고주파 및 저주파 노이즈 제거모듈(70)(C1, C2)은 ECU에서 인가되는 파워라인, 제어신호라인에 TPS(10)의 파워라인(100), 제어신호라인(200)에 연결되는 모듈이며 병렬로 추가 가능하다. 배터리 파트의 고주파 및 저주파 노이즈 제거 모듈은 C7, C8 소자로 구성되고 용량변경 및 추가 소자를 포함할 수 있다.
역전류방지 모듈(R1, R2, C3, D1, D2, D3)은 TPS(10)의 파워라인(100), 제어신호라인(200) 및 그라운드 라인에 연결되어 동작하며 신호 값에 따라 용량변경 및 추가 소자를 포함할 수 있다.
아날로그 노이즈 제거 모듈(110) 은 R3, R4, R10, R11으로 구성되고 디지털 노이즈 제거 모듈은 MCU(30)으로 구성된다. 실시예에서는 ECU(20)와 TPS(10)사이에서 발생되는 디지털 노이즈는 물론 배터리(40)와 발전기(도면 미 도시)사이에서 발생되는 디지털 노이즈도 MCU(30)을 통해 제어되므로 차량의 동력 전체에 대한 정전압 효율을 높일 수 있다.
MCU(30) 및 보호 모듈(R6, R12)은 ECU(20)와 배터리(40)의 디지털 노이즈 제거 포함하고, 보호 모듈의 소자는 추가할 수 있다.
MCU(30)의 내부 알고리즘은, PC처럼 별도의 연산처리 프로그램이 아닌, 동작의 반복적인 제어방식에 용이하므로 노이즈 설정값을 데이터 베이스에 저장하고 입력 값을 데이터베이스에 저장된 값과 비교하여 제외되는 값을 노이즈로 설정하여 제거한다. MCU(30)에는 노이즈 설정값 및 저장방식, 데이터 추출 구조가 저장된다.
이하, 실시예에 따른 MCU의 데이터 처리 과정을 설명한다.
실시예에 따른 MCU는 데이터 값을 아래와 같은 기준으로 사전 추출하여 저장하고, 저장된 데이터 값을 입력 값과 비교하여 노이즈 판단을 수행한다. 이후, 노이즈 판단 결과에 따라 데이터 값을 취사 선택하여 엑추에이터로 전달한다. 실시예에서는 4,096 x 10 x 2 BYTE (5V값 기준)의 데이터베이스를 이용할 수 있고, DB(4096,10)인 2차원 배열에 저장된다. 실시예에서 MCU 데이터 베이스 견본값은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
DB(4096,10)={{..}, //0~559는 사용 구간이 아님
// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
{1130, 1132, 1134, 1136, 1138, 1140, 1142, 1144, 1146, 1148}, //560,..
{1131, 1133, 1135, 1137, 1139, 1141, 1143, 1145, 1147, 1149}, //561,.
{..},..}//이하 생략
{4095, 4095, 4095, 4095, 4095, 4095, 4095, 4095, 4095, 4095}://4095.
또한, 실시예에서 데이터 값 산정 기준은 TR1 콜렉터의 전압을 노이즈 발생 전 값까지 감소할 수 있는 값으로 설정할 수 있다.
실시예에서 MCU는 ECU 신호값으로 0 내지 5V 전압이 인가되면 아날로그 디지털 컨버터 (Analog Digital Converter,12bit)에서는 0 내지 4095의 값으로 변환하여 입력한다. 실시예에서는 R6와 MCU의 전압을 주기적으로(회당 10μs기준) 확인하여 변화량이 기준을 벗어날 경우, 노이즈로 판단한다. 예컨대, 종전인가 된 값과 현재인가 된 값의 차이가 5mV이상 발생하는 경우 노이즈로 판단한다.
실시예에서는 노이즈 발생시 TR1을 구동하여 시그널 전압을 종전인가 된 값과 같게 조절한다. TR1의 베이스에 인가되는 전압값 기준은 종전인가 된 값보다 고정값과 가변값을 더한 값 (+ 0.7V + α) 만큼 큰 값으로 설정한다. 실시예에서 가변값(α)은 변화량이 클 때 더 큰 값으로 하여, TR1의 컬렉터에서 이미터로 인가되는 전류량을 증폭하고 강제로 시그널의 전압값을 종전값의 수준까지 감소하게 한다. 실시예에서 데이터베이스의 주소는 TPS(종전인가 된 값, 변화량 -5)로 한다. 데이터베이스의 저장 값은, TR1의 베이스에 인가하고자 하는 전압 값에 저항 비율인 (R8+R9)/R8을 곱한 값이다.
도 4는 실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 시스템이 구성되는 차량 시스템 블록을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템(200)은 ECU(10)와 TPS(20) 사이에 배터리와 연결되어 구성될 수 있고, 노이즈 제거 시스템(200)을 포함하는 차량 시스템은 ECU(10), TPS(20), 스로틀 밸브(30), 인젝터(40), 엔진 연소실(50), 미세먼지 저감 시스템(60), 배터리(70), 발전기(80)를 포함하여 구성될 수 있다.
ECU(10)는 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit)으로 자동차 전자제어기로서 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)를 포함한다. ECU(10)은 모터와 유압장치, 점화장치, 표시장치 등 차량 제어 장치를 작동시키고, ECU(10)는 입력장치와 저장장치, 정보처리장치와 출력장치로 구성될 수 있다. 실시예에서 주행 중에 쌓이는 데이터 등은 주로 휘발성 메모리(RAM)에 저장하고 데이터 처리를 위한 운영체제 등은 비휘발성 메모리(ROM)에 저장한다. 알고리즘에 따른 연산처리를 위해 고성능 정보처리장치가 적용되고 오작동 등의 상황을 가정해 백업 장치가 추가될 수 있다. 실시예에 따른 ECU(10)는 전자신호를 받아 현재 자동차의 특이점을 파악하여 문제가 있는지 확인하는 역할을 수행하며, 이를 통하여 엔진과 변속기 등의 모든 기기 제어를 한다. 또한, 가속페달의 눌림의 정도에 따라, 공기의 흐름, 온도 센서 등을 복합적으로 계산하여 계산 결과에 따라 혼합비를 조율하여 최적의 속도와 연비를 낼 수 있도록 한다. 또한, 자동차의 배기가스는 점화시점이 맞지 않아 불규칙 연소로 인해 많은 양이 발생할 수 있으므로, 혼합비와 RPM 등을 통해 엔진을 더욱 안정적으로 사용할 수 있도록 한다. 또한 실시예에서 ECU(10)는 노이즈 제거 시스템으로부터 입력된 신호를 기반으로 흡기와 배기밸브의 제어 시점을 산출한다. 흡기와 배기밸브 제어 시점은 주행 상황에 따라 상이하므로, 엔진회전 상황에 맞게 흡기와 배기 밸브 제어를 수행하여 공기 흡입량을 정확하게 컨트롤 할 수 있도록 한다. 또한, 연료 분사량 조절, 밸브 타이밍 조절, 혼합비 등을 컨트롤 한다.
TPS(20)는 스로틀 포지션 센서(Throttle position sensor)로 스스로 밸브의 위치, 즉 개방 각도를 측정하여 개방 각도에 따라서 연료량을 조절한다. TPS(20)는 엔진에서 필요로 하는 연료량에 직접 개입하여 신호를 제공하고, TPS 신호는 지속적으로 측정되며 대기온도, 엔진의 RPM과 공기 질량 흐름과 같은 다른 데이터들과 함께 지속적으로 결합되어 연료 양 및 엔진 점화 타이밍 결정 데이터를 생성한다. 생성된 데이터는 엔진에 분사되는 연료의 양과 점화 타이밍을 결정하는데 이용된다. TPS와 연계되어 있는 다른 센서들과 정상 작동을 하면, 최상의 연비를 유지하면서 원활한 주행과 효율적인 가속을 가능하게 한다. 만일 TPS 가 정상 작동하지 않으면, 엔진제어에 필요한 정확한 연료의 양과 점화 타이밍을 측정하지 못해 부드러운 주행 및 적절한 가속도 발생을 수행할 수 없다.
스로틀 밸브(30)는 엔진이 가속페달 조작을 전달하는 장치로서, 스로틀 밸브(30)가 열리고 닫히면서 흡기 되는 공기의 양을 조절한다. 가속페달을 밟으면 열리고 밟지 않으면 닫히는 방식이다. 실시예에서는 스로틀 밸브가 열려 흡입하는 공기가 많아지면 ECU가 이를 파악하고 흡기량에 맞춰 엔진에 연료를 분사시킨다. 반대로 스로틀 밸브가 닫히면 흡입 공기량이 감소하고 그만큼 연료도 조금만 분사한다.
인젝터(40)는 연료 분사 노즐로서, 연료를 공급할 뿐만 아니라 연료가 공기와 잘 섞이도록 하는 차량 부품으로서, 액체 연료를 분무화 하여 엔진 실린더의 가장 가까이에서 연료를 최종 공급한다.
엔진 연소실(50)은 가솔린기관이나 디젤기관 등 내연기관에서 연료와 공기가 섞인 혼합기가 연소하는 공간이다. 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 헤드 사이의 공간으로 이러한 연소실의 모양은 흡기와 배기의 흐름, 연소 속도 등에 영향을 끼쳐 엔진 효율을 결정하는 중요한 부분으로 작용한다.
배터리(60)는 전기를 모아둘 수 있는 장치로 엔진 시동 시 셀 모터에 전기를 공급한다. 또한, 램프, 네비게이션, 에어컨 등 차량에 구비된 전자 기기에 전기를 공급한다. 발전기(70)는 배터리(60)에 전기를 공급한다.
노이즈 제거 시스템(200)은 자동차 및 선박의 운행 중 TPS(Throttle position sensor) 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하고 전자제어 신호를 안정시켜 연료를 완전 연소할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템(200)은 ECU(Engine Control Unit)와 TPS 사이 그리고 배터리에 연결되어 위치하며 각종 전기배선에서 발생 또는 유입되는 전기적 노이즈를 제거하고 배터리를 축전한다. 실시예에서는 노이즈 제거를 위해 MCU(Micro Controller Unit)를 이용한 알고리즘을 통해 디지털로 전기 노이즈를 제거한다.
도 5는 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 노이즈 제거 시스템(200)은 노이즈 제거 모듈(210), 아날로그 신호 전환 모듈(220), 과전류 제한 모듈(230) 및 정전압 모듈(240)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 '모듈' 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.
노이즈 제거 모듈(210)은 ECU(Engine Control Unit), TPS 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거한다. 실시예에서 노이즈 제거 모듈(210)은 발생한 노이즈가 다른 기기에 영향을 미치지 않도록 발생하는 노이즈를 억제하는 EMI(Electro Magnetic Interference) 방법과 에미션(Emission) 방법으로 노이즈를 제거한다. 에미션 방법은 다른 기기에서 발생된 노이즈로부터 영향을 받은 경우, 그 영향을 최소한으로 억제하는 EMS(Electro Magnetic Susceptibility) 대책 또는 이뮤니티(Immunity) 대책이다. 실시예에서는 노이즈 제거 모듈에 필터, 엠프(AMP) 및 컴퍼레이터를 구성하여 EMI와 EMS 대책을 동시에 실현하도록 한다. 컴퍼레이터와 오퍼레이션 엠프(OP Amp)는 자동차 등에서 아날로그 전자 회로를 설계할 때, 반드시 사용되는 중요 전자 부품이다. OP Amp는 신호를 증폭해 MCU가 처리할 수 있는 전압 레벨로 변환한다. 컴퍼레이터는 신호의 임계치를 판정해 디지털 신호(High/Low)를 출력한다. 자동차의 기간 시스템인 ECU에서의 채용 예로서는 위치 정보, 온도, 기압, 유량 등의 다양한 정보를 검출하기 위해 다수의 센서 후단에 배치돼, 컴퍼레이터의 경우 센서 신호의 임계치를 판정한다. MCU는 그 정보를 바탕으로 전체를 제어하고, 최적의 구동을 촉진한다. 또한, 실시예에서는 모터 제어 유닛 등에서 사용되는 OP Amp, 저항과 조합한 전류 검출 회로를 통해 노이즈를 제거할 수 있도록 한다. 이는 전류 검출 저항을 통해 변환된 전압치를 OP Amp에서 증폭하고, 컴퍼레이터에서 임계치를 판정함으로써 모터를 제어하는 회로다. 실시예에서는 컴퍼레이터의 노이즈 내량이 높으면 노이즈를 제거함으로써 센서 신호를 정확하게 판정해 MCU로 출력할 수 있으므로 시스템을 정상적으로 동작 시킬 수 있다. 따라서, 전자부품의 고집적화가 진행되는 ECU와 인버터는 노이즈 내량이 높은 전자부품을 구성한다.
과전류 제한 모듈(220)은 배터리에서 발생한 과전류를 감지하고, 감지한 과전류를 제한한다.
정전압 모듈(230)은 노이즈 제거 모듈(210)로부터 전압이 입력되면, 입력된 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 출력한다. 아날로그 신호 전환 모듈(240)은 노이즈 제거모듈로부터 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환한다.
실시예에서 노이즈 제거 모듈(210)은 정류되어 안정화된 ECU신호를 출력하여 TPS에 입력하고, TPS 입력신호를 통한 펄스신호를 솔레노이드 제어부에 송출하여 스로틀 밸브 개도각 개폐를 제어한다. 또한, 노이즈 제거 모듈(210)은 스로틀 밸브 개도각 개폐제어로 연료와 공기를 엔진 연소실로 공급하여 엔진연료와 공기를 완전 연소시킨다.
도 6은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 블록을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈(210)은 신호 생성부(211), 아날로그 노이즈 제거부(212), MCU(213) 및 디지털 노이즈 제거부(214)를 포함하여 구성될 수 있다.
신호 생성부(211)는 축전을 위한 고성능 대용량의 커패시터, 전류의 흐름을 조절하는 트랜지스터, 역전류방지를 위한 다이오드, 전압조정을 위한 콘덴서 및 디지털 MCU 입력신호를 생성한다. 아날로그 노이즈 제거부(212)는 아날로그 노이즈를 제거한다. 실시예에서는 액티브 노이즈 캔슬레이션(Active Noise Cancelation) 기술을 통해 노이즈를 상쇄시켜 아날로그 노이즈를 제거할 수 있다.
MCU(213)는 차량이 수집한 데이터를 연산하고 차량 제어명령을 생성한다.
디지털 노이즈 제거부(214)는 입력된 디지털 신호의 노이즈를 제거한다. 예컨대, 디지털 노이즈 제거부에 구성된 컴퍼레이터는 노이즈 대책을 실시하는 경우, 전원 라인, 그라운드 라인을 모두 저항, 용량, 인덕턴스 성분을 지닌 소자로 인식한다. 실시예에서는 노이즈 내량을 개선하기 위해 넓은 주파수 대역에서 노이즈를 차단할 수 있는 EMI 필터 회로를 내장하고, 바이폴라 트랜지스터를 이용하는 바이폴라 프로세스를 통해 디지털 노이즈 제거를 수행할 수 있다.
이하에서는 노이즈 제거 방법에 대해서 차례로 설명한다. 실시예에 따른 노이즈 제거 방법의 작용(기능)은 노이즈 제거 시스템의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 3과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 실시예에 따른 노이즈 제거 모듈의 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, S100 단계에서는 노이즈 제거 모듈에서 ECU(Engine Control Unit), TPS 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거한다. S200 단계에서는 과전류 제한 모듈에서 배터리에서 발생한 과전류를 감지하고, 감지한 과전류를 제한한다. S300단계에서는 정전압 모듈에서 노이즈 제거 모듈로부터 전압이 입력되면, 입력된 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 출력한다. S400 단계에서는 아날로그 신호 전환 모듈에서 노이즈 제거모듈로부터 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환한다.
도 8은 실시예에 따른 노이즈 제거 장치 및 시스템에 의한 노이즈 제거 전후 파형을 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 노이즈 제거 장치 및 시스템은 스토틀 밸브와 인젝터 기능을 최적화하여, 연료절감 효과를 창출하고 매연 및 미세먼지 발생을 감소시킨다. 또한, 배터리 성능향상과 함께 차량의 전반적인 전기 전자적 제어 전압을 안정화하고, TPS와 ECU 사이의 안정된 신호를 주고받을 수 있도록 한다. 또한, 실시예는 차량의 심장 역할을 하는 배터리의 안정된 충전 기능과 전원공급을 담당하는 배선과 차체에서 발생 또는 유입되는 전기 노이즈를 아날로그 및 디지털 방식으로 제거하여 차량에 유입되는 전압을 안정시켜 차량 성능유지에 기여한다.
실시예에 따른 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치 및 방법은 차량전체의 전기를 생산하는 발전기와 보유전기를 관장하는 배터리, 그리고 기계 및 전기전자 장치를 제어 조정하는 ECU를 통한 전기배선의 차량 전자장치 제어신호 노이즈 제거를 통해, 차량 및 배터리 본연의 성능을 향상 및 회복시킨다. 또한, 엔진출력을 증가시키고, 차량의 성능과 가장 밀접한 부위인 스로틀 바디를 통제하는 TPS의 안정화를 통해 연비향상, 출력향상은 물론 매연과 미세먼지 발생을 저감한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
Claims (10)
- 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 장치에 있어서,
ECU의 신호가 인가되는 TPS 파트; 및
배터리 신호가 인가되는 파트; 를 포함하고,
상기 TPS 파트는
입력 신호 중 정상신호 범위를 벗어난 주파수의 노이즈를 제거하는 고주파 및 저주파 노이즈 제거 모듈;
역전류를 방지하는 역전류 방지 모듈; 및
ECU와 TPS사이에서 발생되는 디지털 노이즈 및 배터리와 발전기사이에서 발생되는 디지털 노이즈를 제거하는 디지털 노이즈 제거 모듈(MCU); 을 포함하고,
상기 배터리 신호가 인가되는 파트; 는
입력 신호 중 정상신호 범위를 벗어난 주파수의 노이즈를 제거하는 고주파 및 저주파 노이즈 제거 모듈;
아날로그 노이즈를 제거하는 아날로그 노이즈 제거 모듈;
디지털 아날로그 신호를 전환하는 디지털 아날로그 전환 모듈; 및
상기 디지털 노이즈 제거 모듈을 보호하는 보호 모듈; 을 포함하는 노이즈 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 고주파 및 저주파 노이즈 제거모듈; 은
TPS 파트의 경우, 병렬 연결된 C1 및 C2로 구성되고, 배터리 파트의 경우, 병렬 연결된 C7 및 C8 로 구성되어 배터리로부터 입력되는 노이즈를 제거하고,
역전류 방지 모듈은 C3, D2, D3로 형성된 폐회로, C3와 병렬 연결된 R2, C3와 직렬 연결된 R1과 D1을 포함하여 구성되고,
아날로그 노이즈 제거 모듈; 은 TPS 파트의 경우, 직렬 연결된 R3, R4를 포함하여 구성되고 배터리 파트의 경우 직렬 연결된 R10, R11을 포함하여 구성되고,
디지털 아날로그 전환 모듈은 TPS 파트의 경우 TR1을 포함하고, 배터리 파트의 경우 TR2로 구성되고,
보호 모듈은 TPS 파트의 경우 R6를 포함하여 구성되고, 배터리 파트의 경우 R12로 구성되는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 고주파 노이즈 제거 모듈은
ECU에서 인가되는 파워라인, 제어신호라인에 TPS(10)의 파워라인(100), 제어신호라인(200)에 연결되는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 역전류방지모듈; 은
TPS(10)의 파워라인(100), 제어신호라인(200) 및 그라운드 라인에 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 디지털 노이즈 제거 모듈; 은
설정값을 데이터베이스에 저장 후 비교하여 제외되는 값을 노이즈로 제거하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
- 내연기관의 제어신호 노이즈 제거 시스템에 있어서,
ECU(Engine Control Unit), TPS(Throttle Position Sensor) 및 배터리에서 발생하는 전기적 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈;
배터리에서 발생한 과전류를 감지하고, 감지한 과전류를 제한하는 과전류 제한 모듈;
상기 노이즈 제거 모듈로부터 전압이 입력되면, 입력된 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 출력하는 정전압 모듈; 및
상기 노이즈 제거모듈로부터 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하는 아날로그 신호 전환 모듈; 을 포함하는 노이즈 제거 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 노이즈 제거 모듈; 은
축전을 위한 커패시터, 전류의 흐름을 조절하는 트랜지스터, 역전류방지를 위한 다이오드, 전압조정을 위한 콘덴서 및 디지털 MCU 입력신호를 생성하는 신호생성부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 노이즈 제거 시스템은
차량 ECU와 TPS 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 노이즈 제거 모듈은
정류되어 안정화된 ECU신호를 출력하여 TPS에 입력하고, TPS 입력신호를 통한 펄스신호를 솔레노이드 제어부에 송출하여 스로틀 밸브 개도각 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 노이즈 제거 모듈은
스로틀 밸브 개도각 개폐제어를 통해 연료와 공기를 엔진 연소실로 공급하여 엔진연료와 공기를 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 시스템.
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