KR100993378B1 - 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축 착화 방식의 엔진에서 엔진 블록에 설치되는 가속도 센서를 이용하여 엔진의 진동을 측정하고, 측정된 엔진 진동신호의 분석을 통해 엔진의 연소시기를 판별하는 것이다.

본 발명은 엔진의 연소로 발생되는 블록 진동 신호를 측정하는 과정, 블록 진동에서 분석하고자 하는 주파수 영역을 설정한 다음 웨이블렛 스케일로 분할하는 과정, 분할된 웨이블렛 스케일에 대하여 연속적인 웨이블렛 변환을 실행하여 시간에 따른 결과 값을 추출하고, 이전 스케일의 결과 값과 이후 스케일의 차이 값을 계산하는 과정, 계산된 차이 값과 설정 값을 비교하여 설정 값을 초과하면 해당 시점의 크랭크 각도를 저장하는 과정, 전체 웨이블렛 스케일에 대한 비교가 완료되면 저장된 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 과정을 포함한다.

연소시기, 웨이블렛 변환, 블록 진동, 가속도 센서

Description

압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법 및 그 장치{START OF COMBUSTION DETECTING METHOD IN COMPRESSION IGNITION ENGINES AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 압축 착화 방식의 엔진에서 엔진 블록에 설치되는 가속도 센서를 이용하여 엔진의 진동을 측정하고, 측정된 엔진 진동신호의 분석을 통해 엔진의 연소시기를 판별하는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법 및 그 장치에 관한 것이다.

내연 기관에서 연소시기를 판별하고 그 정보를 얻는 것은 매우 중요하다. 일반적인 가솔린 엔진에서는 점화시기로 연소를 제어하고, 디젤 엔진에서는 연료의 분사시기로 연소를 제어한다.

그러나, HCCI(Homogeneous Charge Compressed Ignition)나 CAI(Controlled Auto Ignition)와 같은 직접 분사식 압축 착화 방식을 갖는 엔진에서는 기존의 가솔린이나 디젤 엔진과 달리 연소를 제어할 수 있는 인자들이 제한적이며, 간접적인 방식에 의해 제어가 이루어진다.

연소시기를 간접적으로 제어하는 압축 착화 방식의 엔진에서 연소를 제어하기 위해 가장 중요한 정보는 엔진에서 연소가 어떻게 진행되고 있는지를 알아내는 것이다.

즉, 연소시기, 노킹(Knocking) 여부, 불완전 연소와 같은 정보를 토대로 다음 사이클의 연소를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

연소를 해석하는 기술은 크게 연소실 내부에 장착된 센서를 통해 검출되는 정보를 분석하여 연소를 직접 해석하는 방법과 외부에서 연소에 의해 발생하는 효과를 측정하고, 이를 분석함으로써 간접적으로 해석하는 방법이 있다.

연소를 직접적으로 해석하는 기술에는 연소실 압력을 측정하는 방법과 이온 프로브를 사용하는 방법이 있다.

연소실 압축을 측정하는 방법은 측정된 연소 압력을 토대로 연소 과정이 진행되는 동안의 열 방출량을 계산함으로써 연소 전반에 대한 해석을 정확하게 할 수 있는 기술이다.

이온 프로브를 사용하는 방법은 연소실에 설치된 이온 프로브를 이용하여 연소 전후에서 발생하는 이온의 양을 측정함으로써 연소실 내에서 연소가 진행되는 상황을 예측하고 측정하는 기술이다.

상기한 연소를 직접적으로 해석하는 기술은 연소실 내부에 센서를 장착하고 이를 토대로 얻어진 정보를 통해 연소를 해석하므로 연소를 비교적 정확히 해석할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 연소실 내부는 고온 고압의 상태가 반복되기 때문에 연소에 직접 노출된 센서의 경우 내구성과 수명을 확보할 수 없는 문제점이 있으며, 센서가 고가임을 생각할 때 양산 차량에 활용하기에는 그 활용도가 떨어지는 단점이 있다.

또한, 외부에서 연소에 의한 효과를 측정하는 방법에는 엔진 블록의 진동 신호를 수집하고 이를 분석하는 방법이 있는데, 이 기술은 노킹(Knocking)을 판별하는 데 있어 가장 많이 사용되고 있으며, 진동 신호의 주파수와 크기를 기준으로 판별하거나 푸리에 변환(FFT)을 통해 에너지 분포를 구하는 방법이 사용되고 있다.

그러나 방법의 기술은 한 사이클의 연소에 대해서는 해석을 할 수는 있지만, 연소시기와 같이 시간 정보가 주요하게 요구되는 상황에서는 시간에 따른 연소의 변화를 판별하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 직접 분사식 압축 착화방식이 적용되는 엔진에서 가속도 센서를 이용하여 엔진 블록의 진동 신호를 측정하고 이를 웨이블렛 변환(Wavelet Transformation)을 통해 해석하여 연소시기에 대한 보다 정확한 정보를 확보하고, 이를 연소 제어에 필요한 입력 정보로 사용함으로써 최적의 연소 제어가 제공되도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법은,

엔진의 연소로 발생되는 블록 진동 신호를 측정하는 과정;

블록 진동에서 분석하고자 하는 주파수 영역을 설정한 다음 웨이블렛 스케일로 분할하는 과정;

상기 분할된 웨이블렛 스케일에 대하여 연속적인 웨이블렛 변환을 실행하여 시간에 따른 결과 값을 추출하고, 이전 스케일의 결과 값과 이후 스케일의 차이 값을 계산하는 과정;

상기 계산된 차이 값과 설정 값을 비교하여 설정 값을 초과하면 해당 시점의 크랭크 각도를 저장하는 과정;

전체 웨이블렛 스케일에 대한 비교가 완료되면 저장된 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 과정을 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 압축 착화 엔진의 연소시기 판별장치는,

엔진 블록의 소정 위치에 장착되어, 연소에 따른 블록 진동을 검출하는 가속도 센서;

가속도 센서에서 검출되는 블록 진동을 웨이블렛 스케일로 분할한 다음 웨이블렛 변환하고 설정 값과 비교하여 크랭크 각도를 추출하고, 전체 주파수 영역에 대하여 추출된 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 제어부를 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명에서는 웨이블렛 변환을 통해 시간과 주파수 영역에 대해 엔진 블록의 진동 신호를 분석함으로써 연소시기와 같은 정보가 중요한 직접 분사식 압축 착화 엔진을 제어하는 데 있어 중요한 정보를 제공할 수 있는 효과가 기대된다.

또한, 본 발명에서 엔진 블록의 진동을 수집하기 위해 이용한 가속도 센서는 점화 엔진에서 노킹 판별을 위해 이미 사용하고 있기 때문에 양산 차량에 적용하고 자 할 때 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축 착화 엔진의 연소시기 판별장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 동력원인 엔진(100), 가속도 센서(110), 크랭크 각 센서(120), 인젝터(130), 점화 플러그(140), ETC(150), 제1산소센서(160), 제2산소센서(170) 및 제어부(200)를 포함한다.

가속도 센서(110)는 엔진 블록의 상부측 소정 위치에 장착되어, 엔진(100)의 연소로 발생하는 엔진 블록의 진동을 검출하여 그에 대한 신호를 제어부(200)에 인가한다.

상기 가속도 센서(110)의 장착 위치는 엔진 블록의 진동을 여타의 노이즈(Noise)를 배제한 상태에서 측정할 수 있는 위치이다.

크랭크 각 센서(120)는 크랭크 축의 위치 및 미싱 투스를 검출하여 기통 판별을 위한 정보를 제어부(200)에 제공한다.

인젝터(130)는 제어부(200)에서 인가되는 제어신호에 의해 개폐되어 현재의 운전조건에 따라 결정되는 연료량을 연소실에 분사한다.

점화 플러그(140)는 제어부(200)의 제어에 따라 연소실에 불꽃 방전을 제공하여 압축되는 혼합기의 연소가 이루어질 수 있도록 한다.

ETC(150)는 도시되지 않은 가속페달의 변위에 따라 제어부(200)에서 인가되는 제어신호에 의해 동작되어 스로틀 밸브의 개도량, 즉 엔진(100)에 흡입되는 공기량을 조정한다.

제1산소센서(160)는 촉매의 전방에 장착되어 엔진(100)에서 배출되는 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하여 공연비의 정보를 제어부(200)에 제공한다.

제2산소센서(170)는 촉매의 후방에 장착되어 촉매를 통해 정화된 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(200)에 제공한다.

제어부(200)는 가속도 센서(110)에서 인가되는 엔진의 연소에 따라 측정되는 엔진 블록의 진동 신호를 웨이블렛 변환하고, 얻어진 결과를 분석하여 연소시기를 판별한 다음 엔진의 연소 제어에 필요한 입력 정보로 활용한다.

전술한 전체의 구성은 HCCI에 적용되는 엔진장치의 구성이며, 본 발명에서는 연소시기를 판별하는데 있어 가속도 센서(110)의 정보만을 이용하므로, 이에 대한 구체적인 동작을 설명한다.

본 발명에 따른 직접 분사식 압축 착화방식이 적용되는 엔진(100)이 시동 온 되면 제어부(200)는 가속도 센서(110)로부터 엔진(100)의 연소로 발생하는 엔진 블록의 진동을 검출한다(S101).

이후, 가속도 센서(110)로부터 검출되는 엔진(100) 블록 진동에서 분석하고자 하는 주파수 영역을 설정한 다음(S102) 설정된 단위, 바람직하게는 10Hz 단위의 웨이블렛 스케일(Wavelet Scale)로 분할한다(S103).

상기와 같이 분할된 웨이블렛 스케일의 각각에 대하여 연속적인 웨이블렛 변환을 실행하여 시간에 따른 주파수의 변환, 즉 시간에 따른 엔진 블록의 진동 변환을 추출한다(S104).

그리고, 각 웨이블렛 스케일 별로 시간에 따른 주파수로 변환된 각각의 스케일에 대한 결과 값을 추출하고, 이전 스케일의 결과 값과 이후 스케일의 결과 값의 차이 값을 계산하여(S105), 차이 값이 설정 값을 초과하였는지 판단한다(S106).

상기 S106의 판단에서 차이 값이 설정 값을 초과하지 않았으면 다음 웨이블렛 스케일의 결과 값을 선택한 다음(S111) 전술한 S104의 과정으로 리턴하고, 차이 값이 설정 값을 초과하였으면 해당 시점에서의 크랭크 각도를 저장한다(S107).

상기한 절차가 상기 S103에서 웨이블렛 스케일로 분할된 전체 주파수, 즉 최종 웨이블렛 스케일까지 실행되었는지 판단하여(S108), 최종 웨이블렛 스케일까지의 비교가 실행되지 않았으면 다음 웨이블렛 스케일을 선택한 다음(S111) 전술한 S104의 과정으로 리턴 된다.

그러나, 상기 S108의 판단에서 최종 웨이블렛 스케일까지의 비교가 완료되었으면 저장된 크랭크 각도를 평균하고(S109), 평균된 크랭크 각도로부터 연소시기를 판별한다(S110).

상기와 같이 평균된 크랭크 각도로부터 연소시기가 판별되면 이를 엔진(100) 의 연소 제어에 적용하여 직접 분사식 압축 착화 엔진의 제어에 안전성 및 신뢰성을 제공한다.

도 3과 도 4는 각각 1,500RPM과 2,000rpm의 조건에서 단기통 가솔린 HCCI 엔진의 진동 신호를 웨이블렛 변환하여 연소시기를 판별한 결과와 측정된 연소압력으로부터 열방출량을 계산하여 구한 연소시기를 비교한 것이다.

엔진 블록의 진동 신호는 압축 착화 엔진에서 연소에 의해 발생하는 진동 신호를 가장 잘 반영하는 것으로 알려진 주파수 영역인 500Hz 에서 4kHz 에 대한 분석을 통해 연소시기를 판별하였다.

두 개의 신호를 비교하였을 때, 웨이블렛 변환하여 판별한 연소시기와 연소 압력으로부터 열방출량을 계산하여 구한 연소시기는 동일 내지 유사한 값으로 나타나는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축 착화 엔진의 연소시기 판별장치 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축 착화 엔진의 연소시기 판별 절차를 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압축 착화 엔진에서 1,500RPM의 조건에서 웨이블렛 변환을 통해 판별한 연소시기와 연소압력으로부터 열방출량을 계산하여 구한 연소시기의 비교 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압축 착화 엔진에서 2,000RPM의 조건에서 웨이블렛 변환을 통해 판별한 연소시기와 연소압력으로부터 열방출량을 계산하여 구한 연소시기의 비교 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 엔진 110 : 가속도 센서

120 : 크랭크 각 센서 130 : 인젝터

140 : 점화 플러그 150 : ETC

160 : 제1산소센서 170 : 제2산소센서

200 : 제어부

Claims (5)

1. 엔진의 연소로 발생되는 블록 진동 신호를 측정하는 과정;

   블록 진동에서 분석하고자 하는 주파수 영역을 설정한 다음 웨이블렛 스케일로 분할하는 과정;

   상기 분할된 웨이블렛 스케일에 대하여 연속적인 웨이블렛 변환을 실행하여 시간에 따른 결과 값을 추출하고, 이전 스케일의 결과 값과 이후 스케일의 차이 값을 계산하는 과정;

   상기 계산된 차이 값과 설정 값을 비교하여 설정 값을 초과하면 해당 시점의 크랭크 각도를 저장하는 과정;

   전체 웨이블렛 스케일에 대한 비교가 완료되면 저장된 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 과정;

   을 포함하는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 블록 진동 신호의 측정은 엔진 블록에 장착되는 가속도 센서를 이용하는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 웨이블렛 스케일은 100Hz 단위로 분할되는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별방법.
4. 엔진 블록의 소정 위치에 장착되어, 연소에 따른 블록 진동을 검출하는 가속도 센서;

   상기 가속도 센서에서 검출되는 블록 진동을 웨이블렛 스케일로 분할한 다음 웨이블렛 변환하고 설정값과 비교하여 크랭크 각도를 추출하고, 전체 주파수 영역에 대하여 추출된 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 제어부;

   를 포함하는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제어부는 블록 진동에서 분석을 위한 주파수 영역을 설정한 다음 웨이블렛 스케일로 분할하고, 각 스케일을 웨이블렛 변환하여 시간에 따른 결과 값을 추출하며, 이전 스케일의 결과 값과 이후 스케일의 차이 값을 계산하여 차이 값이 설정 값을 초과하면 해당 시점의 크랭크 각도를 저장하고, 전체 스케일에 대한 크랭크 각도를 평균하여 연소시기를 판별하는 압축 착화 엔진의 연소시기 판별장치.

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