KR950013549B1 - 내연기관의 작동 조건 감지 장치 - Google Patents

내연기관의 작동 조건 감지 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 작동 조건 감지 장치
제 1도는 본 발명에 따른 장치의 열유속센서를 도시하는 도면.
제 2도는 정상 및 비정상 연소에서의 온도변화를 나타내는 도표.
제 3도는 실린더 헤드 블록내에서 열유속센서의 배치는 나타내는 단면도.
제 4도는 본 발명에 따른 장치의 일실시예에 대한 구조를 도시하는 부분 단면도.
제5a,5b도 및 제5c도는 엔진의 여러 작동조건에서의 진동 변화, 온도변화 및 그의 미분을 도시하는 도면.
제 6도는 본 발명에 따른 신호처리회로의 일실시예를 도시하는 블록도.
제 7도는 정상 및 비정상 상태에서의 전형적인 온도 변화 그래프.
제 8도는 본 발명에 따른 신호처리회로의 다른 실시예를 나타내는 블록도.
제 9도는 본 발명에 따른 신호처리회로의 또다른 실시예를 나타내는 블록도.
제 10도는 본 발명에 따른 신호처리회로의 또다른 실시예를 나타내는 블록도.
제 11a,11b도 및 제11c도는 본 발명에 따른 신호처리회로의 작동을 설명하는 신호 파형을 도시하는 도면. 그리고
제 12도는본 발명에 다른 장치를 사용한 점화 타이밍 제어 회로를 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명.
2,14,23 : 광방사흑체부재 5,16,21 : 연소실
12 : 점화플러그 22 : 광전파부재
24 : 지지부재 25 : 와셔
26 : 광커넥터 27 : 광화이버
28, 30 : 렌즈 29 : 필터
31 : 광감지부재.
본 발명은 내연기관의 작동조건을 감지하는 장치에 관한 것으로서, 특히 점화플러그를 내연기관의 소위 "노킹"과 같은 비정상적인 연소를 감지하는 장치에 관한 것이다.
최근 여러 형태의 내연기관의 자동차에 설치되고 있는 바, 가장 널리 쓰이는 것중의 하나는 점화플러그를 갖춘 4행정 가솔린 엔진이다. 이런 가솔린 엔진에 있어서, 엔진의 출력 특성과 연료의 경제성을 개선하기 위하여는 점화 타이밍이 상사점(top dead center)에 대해 최대의 토오크를 얻을 수 있는 각도로 선행된다. 일번적으로, 이와 같은 선행 점화타이밍을 M.B.T라고 한다. 그러나 M.B.T 즉, 최적의 점화타이밍은 자동차의 주행 조건과 엔진의 작동조건에따라 변화한다. 예로써, 비교적 느린엔진 회전영역에서의 노킹 또는 폭발이 발생하는 임계점화타이밍은 M.B.T에 대해 지연되는 위치에 놓여,만약 점화 타이밍이 M.B.T에 설정되었다 하더라도 노킹이 발생하고 출력과 연료 소비면이 나빠진다.
상기한 면을 고려해 볼 때, 비정상적인 엔진 조건 특히 노킹 발생을 정확하게 감지할 수 있는 장치를 개발할 필요성이 요구되어 왔었다.
일본 특허 출원 공보 제 5154/41호에는, 압전소자와 같은 압력 센서를 갖는 공지의 노킹센서가 개시되어 있다. 이 압전소자는 와셔 모양으로 되어 있으며,엔진 연소실내의 압력변화를 감지하기 위해 점화 플러그에 설치한다. 압전소자에 의해 발생되는 전기신호는 전기전도체에 의해, 압력볍화를 감지하는 신호처리회로에 공급된다.
또한,또다른 노킹센서로서는 압전소자로 구성되는 진동센서를 포함하는 것도 나와있다. 진동센서에 의해 발생한 전기신호를 노킹에 의한 비정상적인 진동에 해당하는 신호요소를 감지하는 복수의 필터회로에 보내지고, 이렇게 도출된 신호요소는 노킹을 판단하는 회로에 의해 더 처리된다. 압력센서를 사용한 상기한 종래의 노킹센서에서, 압력센서는 연소실내의 압력변화를 감지하도록 연소실내에 설치된다. 진동센서를 이용한 기존의 노킹센서에서의 진동센서는 엔진블록에 설치된다. 따라서,센서는 연소실내의 연료연소에 의한 것보다 여러 인자(요인)에 의한 진동 또는 압력변화를 감지한다. 이것은 센서의 의해 발생된 전기신호가 매우 낮은 S/N(신호대 잡음비)을 갖도록 한다. 또한,센서에 의해 발생되는 전기신호는 전기전도체 수단에 의하여, 보통 엔진에서 멀리 떨어져 설치된 신호처리회로로 유도된다. 전기 전도체를 통해 전달되는 동안 소음이 전기 신호에 도입되는 것은 틀림없다. 따라서 이것은 S/N(신호대 잡음비)를 더욱 감소시킨다. 이와같이,기존의 노킹센서에서는 감지된 신호의 S/N이 매우 낮아, 감지된 신호를 매우 복잡한 신호처리회로로 처리해야만 한다. 따라서,신호처리회로는 구조가 복잡하게 되고 가격도 상승한다. 더욱이, 복잡한 신호처리를 장시간을 요하여, 이는 노킹 감지의 응답을 제한시킨다. 감지된 엔진조건에 따른 시간 모우드(방식)에서의 점화 타이밍을 조절하기 위하여는, 가능한 빨리 응답할 필요가 있다.
본 발명의 목적는 여러 소음에 영향을 받지 않고 내연기관의 작동조건을 감지할 수 있는 신규의 유용한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 응답성이 뛰어난 내연기관의 작동 조건을 감지하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 내연기관의 노킹을 정확하게 감지하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 노킹이 발생을 감지할 뿐만 아니라 노킹의 정도를 감지할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 내연기관의 작동조건을 감지하는 장치는, 내연기관의 연소실내에 설치되며,방사관에너지의 강도가 이를 통과하는 열류속에 비례하는 광방사흑체부재 : 한단부에 광방사흑체부재가 광학적으로 체결되는 일단부와 타단부를 갖는 광전파부재 ; 상기한 광방사흑체부재가 연소실내에 위치하도록 상기 광전파부재를 지지하는 지지부재 ; 상기 광방사흑체부재에 의해 방사되어 상기 광전파부재를 따라 전파되고 광전파부재의 타단부에서 방출되는 광에너지를 수신하여 받아들인 광에너지를 상기한 광방사흑체부재에 의해 감지한 온도를 나타내는 온도신호로 전환시키도록 설치한 광감지부재 ; 그리고 내연기관의 작동조건을 감지하기 위해 상기 광감지부재로부터 전달받은 온도신호를 처리하는 신호처리회로를 포함한다.
내연기관의 폭발 및 노킹과 같은 비정상적인 연소를 야기시키는 데에는 여러가지 요인들이 있다. 가령, 노킹 조건에서, 연료와 공기의 혼합가스의 자체점화가 실린더헤드 블록 근처에서 발생하여 그 헤드 블록쪽으로 화염전파면이 진행하며 화염전파속도가 급격하게 증가하는 것이다. 이와같은 요인들은 정상적인 연소에 비해 매우 짧은 시간에 끝나는 급격한 연소를 야기하는 것이라 여겨진다. 이와같은 요인들로 인하여, 비정상적인 연소에서는 열유속이 국부적으로 급격하게 증가한다. 다시말해, 화염전파속도가 급격하게 증가하고 열유속이 매우 짧은 시간에 증가하여 열유속이 연소실 벽근처에서 급격하게 증가할 때, 비정상적인 압력파 또는 쇼킹파(충격파)가 연소실내에 발생한다. 연소실내에서 이렇게 발생된 충격파는 연소실의 내벽에 충격을 가하여 노킹을 발생시킨다.
연소실내에서 발생된 총열량은 노킹이 발생하는 것과 관계없이 일정하다고 볼 수 있다 정상적인 연소의 경우, 점화플러그 근처에서 일차로 발생되는 화염은 비교적 느린 속도로 연소실 맞은편 벽쪽으로 전파되므로,정상적인 연소를 비교적 오랫동안 지속되는 안정된 연소라 볼 수 있다. 노킹의 경우엔 비교적 짧은 시간내에 끝나버리는 급격한 연소를 발생시킨다. 발생되는 열은 연소실벽에 방사되어, 정상 연소에서의 dQ/dt는 비교적 작아 열유속의 밀도가 매우 낮다, 반면, 폭발시의 dQ/dt는 비교적 높아 매우 고밀도의 열유속을 발생시킨다. 따라서 연소실에 발생되는 열유속을 감지함으로써,내연기관의 작동 조건을 정확하고 신빙성 있게 감지할 수 있다.
이하 본 발명을 도면과 함께 바람직한 실시예로써 설명한다.
제 1도는 본 발명에 따른 엔진 작동 조건을 감지하는 장치의 열유속 센서를 도시한다. 열유속 센서는 가솔린 엔진과 같은 내연기관의 연소실내에 발생되는 열유속의 변화를 감지할 수 있다. 본 발명에 따른 열유속 센서는, 불투명한 흑체를 포함하며 이흑체의 온도는 이를 통과하는 열유속에 따라 급격하게 변화한다. 열유속 센서는 광전파부재(1)와 이 광전파부재(1)의 단부에 있는 흑체(완전 복사체)(2)를 포함한다. 흑체가 가열되면 그의 온도에 비례하는 강도로 빛(광)를 방사하므로, 본 명세서에서는 흑체(2)를 방광사흑체 부재라 칭한다. 광방사흑체부재(2)와 광전파부재(1)는 지지부재(3)에 의해 연소실(5)을 형성하는 벽(4)에 고정된다. 공기와 혼합된 연료가 연소실(5)내에서 연소할 때 Q가스/A로 나타낼 수 있으며,여기서 A는 열유속이 전달되는 연소실(5)의 단면적을 나타낸다. 광방사흑체부재(2)는 열유속을 받으며 ,따라서 열유속의 의한 열에너지가 광방사흑체부재에 전달된다. 그러면,광방사흑체부재(2)의 온도는 유도된 열유속에 비례하여 증가하며,광방사흑체부재의 온도에 비례하는 강도의 공에너저를 장사한다. 따라서 일정 반복주파수를 갖는 열유속 펄스가 광방사흑체부재(2)에 입사되면,광방사흑체부재에 의해 방사되는 광에너지는 상기의 반복주파수와 동일한 주파수를 갖는다. 이렇게 방사된 광에너지는 광전파부재(1)에 의해 연소실 밖으로 나온다. 그리고 광전파부재(1)를 따라 전파된 광에너지는 엔진외부에 설치한 광감지기에 의해 감지되어, 일시적인 상태에서 연소신호내의 온도 변화를 가리키는 열유속의 변화를 나타내는 전기 신호로 바뀐다. 그리고 이렇게 발생된 온도 신호는 신호처리회로에 의하여 연소중의 연소실내 온도변화를 감지하도록 처리된다. 이렇게 감지된 온도변화로부터 각 연소 사이클에서의 열유속의 변화를 감지할 수 있다. 본 발명에 따라 내연기관의 작동 조건은 상기한 바와 같은 방법으로, 연소중의 연소실내의 온도변화를 감지하여 알아낼 수 있다.
제 2도는 높고 낮은 밀도의 열유속이 입사할때, 광방사흑체부재(2)의 전형적인 온도변화를 도시하는 그래프이다. 수평축은 시간을 나타내며 수직축은 광방사흑체부재의 온도를 나타낸다. 실선 A는 높은 밀도의 열유속이 광방사흑체부재(2)에 입사될 때의 경우이고,점선 B는 낮은밀도의 열유속을 받을 때의 온도변화를 나타낸다. 열유속 펄스가 광방사흑체부재(2)에 입사할때, 열류속에 의해 광방사흑체부재의 전달되는 열량 Q는 열유속과 흑체사이의 온도차이, 그리고 전파속도와 연소가스의 압력에 관계된 열전달 함수의 곱으로 결정된다. 따라서,광방사흑체부재(2)에 전달되는 열은 열유속에 좌우된다 할 수 있어, 높은 밀도의 열유속 펄스가 광방사흑체부재(2)에 입사할때의 광방사흑체부재(2)의 온도는 급격히 증가하여 매우 짧은 시간안에 최고 온도에 도달한다. 낮은 밀도의 열유속 펄스가 광방사흑체부재(2)에 입사하면 그의 온도는 점차적으로 증가하여, 그의 최고온도는 고밀도의 열유속 펄스의 경우 최고 온도보다 낮다. 따라서, 열유속 밀도 즉, 연소실내에서의 연소조건을 최고온도값, 시간 범위에서는 온도미분 그리고 온도와 그의 미분이 최고치일 때의 타이밍중 하나 이상을 감지하여 알수 있다. 본 발명에 따르면,내연기관의 작동조건 특히,노킹은 광방사흑체부재(2)를 연소실내에 설치하여, 광감지기의 도움으로 광방사흑체부재(2)에 의해 방사되는 광에너지를 감지하여, 광감지기에 의해 발생되는 전기 신호를 처리함으로써 감지할 수 있다. 열유속의 밀도에 비례하는 강도의 광에너지를 방사하는 흑체를 사용함으로 인하여 광에너지는 엔진자체의 진동과 같은 외적 요인에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서,노킹을 포함하는 엔진의 작동조건은 복잡한 신호처리회로가 필요없이 정확하게 감지할 수 있다. 또한 광방사흑체부재에 의해 발생되는 광에너지를 광화이버와 같은 광전파부재에 의해 엔진외부의 적당한 지점에 용이하게 안내할 수 있으며,광에너지는 전파중에 소음의 영향을 거의 받지 않는다. 또한,광방사흑체부재를 사용한 과온도센서는 거의 100%의 광에너지를 흡수하며 매우 작은 열용량을 가지므로, 수십 KHz와 같은 매우 높은 온도 변화에 응답할 수 있다. 더욱이, 이런 온도센서는 0.01℃정도의 극히 높은 정밀도를 가지므로 엔진의 작동조건이 매우 높은 엔진회전수에서도 정확하게 감지될 수 있다.
제3도는 본 발명에 따른 엔진의 작동조건을 감지하는 장치의 온도센서의 일실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는 4행정 가솔린엔진의 노킹을 감지한다. 실린더 블록상에는 흡기밸브(10), 배기밸브(11), 그리고 점화플러그(12)가 설치되어 있다. 본 발명에 따른 광온도센서(13)는 광방사흑체부재(14)가 연소실(16)내에 위치되도록 실린더헤드 블록의 벽에 설치한다. 광방사흑체부재(14)는 바람직하게는 피스톤(15)의 상사점 근처에 가능한 점화플러그(12)에서 떨어져 설치하는 것이 좋다.
광방사흑체부재(14)를 점화플러그(12)에서 떨어져 설치함으로써,열유속의 조건을 정확하게 감지할 수 있다.
제 4도는 본 발명에 따른 장치의 전체구조를 도시하는 일부단면도이다. 상기한 바와 같이,광온도 센서는 실린더 헤드 블록의 벽(20)내에 형성된 구멍속에 삽입되도록 배치하여,센서의 앞쪽단부가 연소실(21)내로 돌출하도록 한다. 이 센서는 사파이어와 같은 열저항 투명재로 만들어진 막대 형상의 공전파부재(22)를 포함한다. 사파이어 막대(22)의 선단에는 백금 (플라티늄) 및 로듐와 같은 높은 용융점을 갖은 금속의 불투명층으로 이루어진 광방사흑체부재(23)를 부착한다. 이런 신규한 금속층은 스패터링(spattering)에 의해 형성될수 있으며,약수 미크론 미터정도의 두께를 가질 수도 있다. 실험에 의하면,광방사흑체부재(23)는 벽(20)의 내면에서부터 5mm이상 떨어지도록 하는 것이 벽근처에 있는 경계층에 의한 영향을 받지 않고 정확하게 열유속의 밀도를 감지할 수 있다. 사파이어 막대(22)는 스테인레스강과 같은 금속으로 이루어진 지지부재(24)로써 지지된다. 지지부재(24)는, 와셔(25)를 벽(20)과 지지부재(20) 형성된 플랜지 사이에 삽입시킨 상태로 벽(20)에 형성된 나사구멍에 돌려끼워지며, 지지부재의 외면에는 나사가 형성되어 있어 여기에 광커낵터(26)를 고정시켜 광화이버(27)가 사파이어 막대(22)와 광학적으로 체결되도록 한다. 점화플러그(12)가 점화되면 일차로 점화플러그 근처의 가솔린과 공기의 혼합가스가 연소되어 화염이 맞은편 벽으로 전파된다. 광방사흑체부재(23)는 점화플러그에서 멀리 떨어져 있으므로 화염은 점화후의 최종 타이밍에 광방사흑체부재에 도달한다. 화염의 전파가 진행됨에 따라 연소가스 즉, 열유속은 광방사흑체부재(23)의 표면에 도달하며 그의 온도는 열유속의 조건에 따라 증가한다. 광방사흑체부재(23)는 신규의 얇은 금속층으로 형성되어 있어서 열유속의 온도 변화에 신속히 응답한다.
광방사흑체부재(23)가 가열되면,이 광방사흑체부재는 열유속의 밀도에 비례하는 강도의 광에너지를 방사한다. 이렇게 방사된 광은 막대 형상의 광전파부재(22)와 광화이버(27)를 통과하여 전파된다. 광화이버(27)의 출구단부에는 렌즈(28), 필터(29) 그리고 렌즈(30)가 설치되며,필터(29)에 의해 설정되는 주어진 파장범위내의 광요소는 광감지기(31)에 선택적으로 투사된다. 그리고,광감지기(31)는 받아들인 광에너지를 전기신호로 전환시킨다. 상기한 바와같이,광방사흑체부재(23)는 발생된 열유속에 비례하는 강도를 갖는 광에너지를 방사하여, 광감지기로부터 출력전기신호가, 연소실내의 연소조건을 나타내는 열유속의 밀도를 나타내도록 한다. 광감지기(31)로부터 이렇게 유도된 전기신호는 신호처리회로(32)로 공급되어,여기에서 전기신호는 노킹과 같은 엔진의 작동조건을 감지하기 위해 후술하는 방식으로 처리된다.
이하, 본 발명에 다른 엔진의 작동조건을 감지하는 장치로써 실시하는 여러 실시예들을 상세히 설명하겠다. 실험들은 아래의 조건하에서 실시하였다.
1) 엔진 : 4행정 단일 실린더의 500cc 가솔린 엔진
2) 회전수 : 1500rpm
3) 엔진의 작동조건은 연료의 옥탄가와 점화 각도를 조정하여 변경시켰다.
3-1) 정상연소
옥탄가 : 100
점화각도 : -8°
압력비 : 7.6
302)약한 노킹
옥탄가 : 100
점화각도 : 100
압력비 : 7.0
3-3)강한노킹
옥탄가 : 80
점화각도 : -15°
압력비 : 7.0
4) 신호처리
광감지기(31)에 의해 발생되는 출력신호는 그의 미분을 구하기 위해 시간영역에서 미분된다. 동시에, 진동센서를 엔진블록에 설치하여 엔진블록의 진동을 감지한다. 또한,크랭크 각도를 감지하기 위하여 센서가 사용된다.
제 5a도는 정상연소의 경우 측정치를 나타내며, 제 5b도는 노킹소음을 귀로 들을 수 없을 정도의 약한 노킹의 경우이며, 그리고 제 5c도는 노킹소음을 들을 수 있을 정도의 강한 노킹의 경우는 나타낸다. 이들 도면에서, 최상위치에 있는 실선은 감지한 진동폭을 나타내며, 중간의 점선은 본 발명에 따른 광온도센서에 의해 감지한 온도변화를 나타내며, 가장 밑의 일점 쇄선 온도변화의 도함수(미분)를 나타낸다. 이들 값들은 비교치로 나타내었다. 본 그래프의 수평축은 크랭크각도를 나타낸다. TDC는 상사점을 나타내며, IGN은 점화타이밍을 나타낸다. 제 5a에 나타낸 정상연소에서 점화 후의 진폭은 크랭크 각 15°에서 점차적으로 증가하여 크랭크 각 약 32°에서 최대폭에 이르며, 그 후 차차 감소된다. 광방사흑체부재의 온도 역시 진폭과 유사하게 점차적으로 강가하여 크랭크 각 34°에서 최고 온도에 달한다. 그 후 온도는 점차 감소한다. 온도 변화의 미분 역시 점차 최고값으로 증가한 후 점차 감소한다.
제 5b도에서 도시한 가벼운 노킹 조건에서의 진폭은 노킹으로 인하여 높은 진동값을 나타낸다. 다시말해, 충격파의 실린더 헤드블록의 내벽에 충돌한다. 광방사 흑체부재의 온도는 급격히 증가하여 온도 최고치가 정상의 연소 온도 최고치보다 2.4배 높다. 또한,미분값 역시 급격하게 증가한다. 제 5c도에서 도시한 강한 노킹에서는, 대단히 높은 주파수의 진동이 최대의 진폭 근처에 발생하고,광방사흑체부재의 온도가 매우 급격하게 증가하여 최고치의 보통의 최고치보다 4.5배나 높다.
그리고 미분값의 최고치는 더욱 급격하게 된다. 또한 노킹 조건에 있어, 온도 미분이 최대가 되는 타이밍을 정상상태에 비해 앞선다(당겨진다). 상기 실시예 결과치는 이하의 표로 나타내었다.
[표 1]
Figure kpo00001
표1에서 알수 있듯이, 최고온도는 노킹정도에 따라 증가하며,온도 변화의 미분치 역시 노킹의 정도에 비례하여 급격하게 증가한다. 따라서,노킹발생과 노킹의 정도는 연소실내에 설치한 광방사흑체부재의 온도와 온도변화의 미분값 중 하나이상을 감지함으로써 알아낼 수 있다. 상술한 바와같이,엔진의 작동조건은 온도 변화의 시간 미분의 최고치가 발생하는 시간과 관련되므로 온도변화의 미분치의 최고치 타이밍을 감지함으로써 노킹의 발생을 알 수 있다. 더욱이, 온도의 최고치는 노킹의 정도를 나타내므로, 온도의 최고치는 엔진의 작동조건을 감지하는데 이용될 수 있다. 마찬가지로 온도변화의 미분의 노킹은 정도와 상관 관계를 가지므로 미분의 최고값은 노킹조건을 감지하는데 이용될 수도 있다.
제 6도는 본 발명에 따른 노킹 감지장치의 신호처리회로의 한 실시예로 도시하는 블록도이다. 광감지기로(31)부터 받은 온도신호는 일차로 증폭기(32)에 의해 증폭된 후, 용량 C, 그리고 저항 R로 이루어진 고역필터(high pass filter ; H.P.F)를 통과하여 0.01Hz 이하의 낮은 주파수 성분을 잘라낸다. 이런 수단으로 인해, 온도 신호의 베이스 레벨의 요동을 제거할 수 있다. 그리고 신호는 자동 이득제어(A.G.C) 회로(41)에 전달되며,A.G.C로부터의 출력신호는 제 1비교기(42)의 다른 입력 터미널에는 고역필터(40)로부터의 출력신호가 공급된다. 이 자동이득제어회로(41)의 출력보다 더 크면, 온도가 급격하게 증가하여 노킹이 발생한다고 판단할 수 있다. 그러면 제 1비교기(42)는 제 1노킹 신호를 만들어낸다. 증폭기(32)의 출력은 또한 미분회로(43)에 공급되어 시간영역에서의 온도 변화의 미분을 도출시킨다. 이렇게 발생한 미분신호는 제 2비교기(44)에 보내져 소정의 임계치와 비교된다. 미분신호가 임계값를 초과할 때, 노킹이 발생한다고 판단할 수 있고,제2비교기가 제 2노킹신호를 발생시킨다. 미분회로(43) 에 의해 발생된 미분회로는 또한 최고치 감지회로(45)에 보내어져 여기서 미분의 최고값 타이밍을 크랭크 각도 센서(46)로부터 공급되는 크랭크 각도 신호를 기준으로 감지한다. 최고치 감지회로(45)에 의해 감지된 최고치 타이밍 신호는 타이밍 비교기(47)에 보내어져 점화 각도센서(48)로부터 공급되는 점화 타이밍과 비교된다. 타이밍 비교기(47)에 의해 발생된 출력신호는 제 3비교기에 보내어져 소정의 임계치와 비교된다. 온도 변화의 미분 최고치가 제 3비교기(49)에 공급되는 임계치와 관련된 주어진 타이밍에 비해 앞서는 타이밍으로 판정될 때, 제 3비교기는 제 3의 노킹신호를 발생시킨다. 이와 같은 식으로하여 본 발명에 따라 노킹은 간단한 구조를 갖는 신호처리회로로 감지할 수 있는 것이다. 제 6도에 도시한 신호처리회로에서는, 3개의 비교기(42,44,49)로부터의 3개의 노킹신호가 발생하나, 실제 신호처리회로에서는 3개의 노킹신호 모두를 발생시킬 필요는 없으며, 3개의 노킹신호중 적어도 하나만 발생시켜도 충분한 것이다. 또한 이들 3개의 노킹신호는 OR게이트 또는 AND게이트에도 역시 공급될 수 있다. OR게이트가 사용될 경우에는 3개의 노킹신호중 적어도 하나로 최종 노킹신호가 발생되지만, AND게이트가 사용될 경우에의 최종 노킹신호는 3개의 노킹신호 모두가 동시에 나타나는 경우에만 발생된다.
제 7도는 온도변화를 나타내는 대표적인 그래프를 나타낸다. 수평축은 1/1000초당 시간을 나타낸다. A곡선은 정상연소에서의 온도변화를 나타내며, 곡선 B는 노킹에서의 온도변화를 나타낸다. 위에서 설명했듯이, 노킹이 발생하면 온도의 최고치는 정상연소의 최고치보다 더 높아짐과 동시에 노킹조건에서의 온도최고치 타이밍 역시 정상연소에 비해 앞선다. 따라서, 정상 조건과 노킹사이의 최고치의 차이 △T와 최고치 타이밍 차이는 △t는 노킹의 정도와 같은 엔진의 작동조건을 나타낸다. 본 발명에 따라, 엔진의 작동조건은 상기한 △T와 △t를 감지함으로써 알 수도 있는 것이다.
제 8도는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 나타내는 블록도이며,여기서 온도변화미분의 최고치와 △T그리고 △t를 감지하여 엔진의 작동조건을 측정한다. 본 실시예에서는, 제 6도에 나타낸 것과 동일한 부분은 제 6도에 사용한 도면부호에 동일하게 나타내었다. 광감지기(31)에 의해 발생되는 출력 신호는 일차로 용량C, 저항 R로 이루어진 고역필터(40)를 통과하여 0.01Hz보다 낮은 주파수 성분은 갖는 느린 온도변화를 제거시킨다. 고역필터(40)의 출력신호는 증폭기(32)에 의해 증폭되어 미분회로(43), 비교기(42) 그리고 최고치 감지회로(45)에 공급된다. 비교기(42)에서는 온도신호폭이 임계치와 비교되어 온도가 임계치에 정한 임계온도보다 클 경우에는 노킹신호가 발생한다. 이렇게 발생한 노킹신호는 OR게이트(51)에 의해 출력터미널(50)로 공급된다.
미분회로(43)에서는 온도신호를 시간으로 미분하여 온도변화의 미분을 유도한다. 이 미분값은 비교기(44)에 공급되어 임계치와 비교된다.
노킹이 발생한 경우에는 온도변화의 미분이 커져, 비교기(42)는, OR게이트(51)를 거쳐 출력터미널(50)로 공급되는 노킹신호를 발생한다.
또한,온도신호를 최고치감지회로(45)에 공급된다. 최고치 감지회로(45)에는 또한 크랭크각도 센서(46)로부터의 크랭크 각 감지신호가 증폭기(52)를 거쳐 공급된다. 최고치감지회로(45)는 온도의 최고치가 발생하는 타이밍을 감지한다. 이렇게 감지된 타이밍신호는 타이밍비교기(47)에 공급한다. 타이밍 비교기(47)에서, 온도의 최고치 타이밍은 임계타밍임과 비교되는 바, 이 임계 타이밍은 크랭크각도 센서(46)에 의해 감지한 상사점 또는 하사점을 고려하여 결정할 수 있다. 온도 최고치의 타이밍이 임계타이밍에 비해 앞설 때, 타이밍 비교기(47)는 노킹 신호를 발하여 OR게이트(51)를 거쳐, 출력터미널(50)로 공급된다. 본 실시예에서 온도신호의 폭, 온도신호의 미분, 그리고 온도신호의 최고치 타이밍중 하나 이상의 상당 임계치를 초과할 경우 출력 터미널(50)에서 노킹 신호를 발생한다. 본 발명에 따르면, OR게이트(51)를 AND게이트로 대체할 수도 있다. 이렇게 되면,노킹신호는 상기한 세개의 매개요소가 특정 임계치를 초과할 때에만 발생한다.
제 9도는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 도시하는 블록도이다. 또한 본 실시예에서, 앞선 실시예와 유사한 부분에는 동일한 부호를 붙이고,그의 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예에서 증폭기(32)에 의해 증폭된 온도신호는 미분회로(43)와 비교기(42)에 공급된다. 미분회로에 의해 발생한 미분신호는 비교기(44)에 공급된다. 비교기(42)와 (44)로부터 공급된 출력신호는 AND게이트(53)에 공급된다.
따라서 비교기(42,43) 양쪽에서 출력신호가 동시에 발생할 때, 노킹 신호는 출력터미널(50)에서 발생한다. 본 실시예에서는 갑작스런 소음에 기인한 임의의 오작동을 피할 수 있다.
제10도는 본 발명의 장치에 다른 또다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 증폭기(32)와 비교기(42)사이에 자동이득제어회로(41)를 설치한다. A.G.C회로(41)는 온도신호의 이득(gain)을 제어하여, 그의 출력폭이 출력신호의 폭 변화에 무관하게 거의 일정하게 유지된다. 그리하여, A.G.C 회로로(41)부터 공급된 출력 온도신호가 소정의 폭범위내에 유지됨으로써,비교기(42)에서의 임계치와의 비교가 정확하게 행하여 질 수있다.
도면 제 11a도및 제11b도는 정상연소 조건과 노킹조건 각각에서, 광감지기로부터 공급받은 온도신호를 나타낸다. 정상조건에서의 온도신호는 임계치를 초과하지 않는 폭의 펄스를 갖는다. 그러나,노킹조건에서의 온도신호는 임계치보다 큰 폭의 펄스를 갖는다. 노킹의 정도는 단위 시간당 큰 펄스의 수에 비례함이 확인되었다. 따라서 단위 시간당 큰 펄스의 수를 계산함으로써,노킹의 정도를 감지할 수 있는 것이다. 그리고,점화타이밍을 감지된 노킹의 정도를 감지할 수 있는 것이다. 그리고,점화타이밍을 감지된 노킹의 정도에 따라 지연시켜, 점화타이밍이 최적으로 되도록 한다.
제12도는 본 발명에 따른 장치의 또다른 실시예를 나타내는 블록도이며,여기에서의 점화타이밍은 상기한 방식으로 제어된다. 광감지기(31)에 의해 발생한 온도신호는 고역필터(40)와 증폭기(32)를 거쳐 비교기(42)에 공급되어, 임계치와 비교된다. 온도신호가 임계치를 초과할 경우, 비교기(42)는 출력신호를 발하여 펄스 발생회로(54)에 공급한다. 그리고 펄스발생회로(54)는 제 11c도에 도시한 펄스를 발생시킨다. 이들 펄스는 펄스계수회로(55)에 공급되어 단위 시간당 펄스의 수가 계산된다. 그런후, 펄스계수회로(55)의 출력신호는 노킹의 정도를 결정하는 노킹판단회로(56)에 공급된다. 노킹판단회로(56)의 출력신호는 계속하여 점화플러그 작동회로(57)에 공급되어,타이밍이 노킹판단회로(56)로부터의 출력신호에 따라 제어되는 점화펄스를 발생시킨다. 펄스발생회로(54)에 의해 발생된 펄스의 반복주기는 엔진의 회전속도에 따라 변화하며 이런 변화를 교정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니며 많은 변경과 수정이 본 발명의 범위내에서 가능한 것이다. 예를 들어, 상기한 실시예에서는 엔진 노킹조건만 감지되는 예로 하였으나,본 발명에 따르면, 비정상 점화 타이밍과 같은 엔진의 임의의 조건 역시 동일하게 감지할 수도 있다. 점화타이밍이 너무 앞설 경우, 광방사흑체부재에 의해 감지된 온도는 노킹의 경우와 같이 증가하여 엔진의 이와 같은 비정상적인 조건은 노킹을 감지하기 위한 것과 동일한 회로구조로써 감지할 수 있다. 본 발명의 이점을 요약하면 다음과 같다.
1) 열유속 감지를 위한 광방사흑체부재가 연소실에 설치되고,광방사흑체부재에 의해 발생된 광에너지를 광전파부재에 의해 엔진블록 밖으로 유도되므로 엔진의 작동조건을 외부의 잡음에 영향을 받지 않고 정확하게 감지할 수 있다. 특히 노킹이 발생할 때 비록 노킹이 약하여 들을 수 없는 정도라도 열유속은 급격하게 증가하여 노킹조건의 발생을 확실하게 감지할 수 있는 것이다.
2) 노킹의 정도는 온도신호의 최고치와 그의 시간 영역에서의 미분치에 관계되므로, 점화타이밍은 이들 신호에 따라 자동적으로 제어 가능하다.
3) 온도센서는 알려진 진동센서와 압력센서에 포함되는 가동부를 가지지 않으므로, 소음 및 진동에 영향을 받지 않고 정확하게 온도를 감지할 수 있으며 또한 온도센서를 장시간 사용할 수 있다.
4) 광방사흑체부재를 사용한 온도센서는 외부의 자장이나 전장에 영향을 받지 않으므로 매우 정확하게 온도를 감지할 수 있으며 또한,광방사흑체부재의 응답은 매우 높아 수십 KHz의 주파수 응답을 갖는다. 따라서 엔진의 작동조건을 정확히 감지할 수 있다.
5) 온도센서의 광방사흑체부재는 매우 높은 용융점을 갖는 불투명의 필름으로 구성되므로, 열소실내에 생성되는 검댕과 같응 입자의 영향을 받지 않고 번거로운 정비가 필요없이 장시간 온도를 감지할 수 있다.
6) 광방사흑체부재에 의해 발생되는 광에너지는 광화이버에 의해 엔진 블록외부의 소정이 지점에 유도될 수 있으며 또한,광에너지는 전파중에 거의 양향을 받지 않아 매우 높은 S/N에서 온도를 감지하며 ,엔진의 작동조건 역시 매우 높은 S/N에서 감지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연기관의 작동조건을 감지하는 장치에 있어서, 내연기관이 연소실내에 설치되며,이를 통과하는 열유속에 비례하는 강도의 광에너지를 방사하는 광방사흑체부재 ; 광방사흑체부재가 광학적으로 접속된 제 1단부와 제 2단부를 가지는 광전파부재 ; 상기 광방사흑체부재가 연소실내에 위치하도록 상기 광전파부재를 지지하는 지지부재 ; 상기 광방사흑체부재에 의해 방사되고 상기 광전파부재를 따라 전파되어 광전파부재의 상기 제 2단부로부터 출력된 광에너지를 수용하는 한편, 이 수용된 광에너지를 상기 광방사흑체부재에 의해 감지된 온도를 나타내는 온도신호로 변환시키도록 설치된 광감지부재 ; 및 내연기관의 작동조건을 감지하기 위해 상기 광감지부재로부터 공급된 온도신호를 처리하기 위한 신호처리회로로 이루어지며, 이 신호처리 회로는, 상기 온도신호를 시간 영역에서 미분 처리하여 미분 신호를 츨력시키는 미분회로와,상기 미분신호의 최고치를 감지하고 최고치 감지회로와,상기 미분신호의 최고치 타이밍을 점화타이밍과 관련된 기준 타이밍과 비교하여 상응하는 출력을 발생시키는 제 1비교기, 및 상기 미분신호의 최고리 타이밍이 제 1임계치에 의해 결정된 타이밍 보다 앞섰을 때 제 1노킹신호를 유도하기 위해 상기 제 1비교기의 출력을 상기 제 1임계치와 비교하는 제 2비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동조건 감지장치.
  2. 제 1항에 있어서,상기 광방사흑체부재는 내연기관의 연소실내에서 점화플러그에서 멀리 떨어진 엔진피스톤의 상사점 근처의 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광방사흑체부재는 실린더 헤드블록의 내면에서 5mm이상 돌출하는 지점에 설치된 것을 특징으로 하고 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광방사흑체부재는 용융점이 높은 금속으로된 불투명 필름으로 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 불투명필름은 플라티늄 및 로듐으로 구성하는 군에서 선택되는 신규의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 불투명 필름은 스페터링(spattering) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하고 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 광방사흑체부재는 사파이어 막대의 한단부에 설치되고,그의 타단부는 실린더 헤드블록의 외부에 노출되며,상기 광전파부재는, 그의 한단부가 사파이어 막대의 상기 타단부와 광학적으로 접속되는 광화이버로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 신호처리회로는,상기 온도신호가 제 2임계치를 초과할 때 제 2 노킹신호를 출력시키기 위해 상기 온도신호를 제 2임계치와 비교하는 제 3비교기와 ;상기 미분신호가 제 3임계치를 초과할 때 제 3노킹신호를 출력시키기 위해 상기 미분신호를 상기 제 3임계치와 비교하는 제 4비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 신호처리회로는,상기 제1, 제2 및 제 3노킹신호중 하나 이상의 신호가 발생될 때 제 4노킹신호를 출력시키기 위해 상기 제1, 제2 및 제 3노킹신호를 수신하는 OR게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 신호처리회로는, 상기 제1, 제2 및 제 3노킹신호가 모두 동시에 발생될 때 제4노킹신호를 출력시키기 위해 상기 제1, 제2 및 제 3노킹신호를 수신하는 AND게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 작동 조건 감지 장치.
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