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KR102119865B1 - 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치 - Google Patents

단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치 Download PDF

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KR102119865B1
KR102119865B1 KR1020190038483A KR20190038483A KR102119865B1 KR 102119865 B1 KR102119865 B1 KR 102119865B1 KR 1020190038483 A KR1020190038483 A KR 1020190038483A KR 20190038483 A KR20190038483 A KR 20190038483A KR 102119865 B1 KR102119865 B1 KR 102119865B1
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KR
South Korea
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speed
engine
stroke
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engine speed
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KR1020190038483A
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Inventor
한풍규
Original Assignee
현대오트론 주식회사
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Abstract

크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임(Tooth time) 신호(엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 진단하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법은, 하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임 신호를 수집하는 신호 수집 단계, 수집된 투스 타임 신호로부터 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성하는 속도 추세선 생성 단계, 수집된 투스 타임 신호로부터 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성하는 속도 가감 추세선 생성 단계, 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거 단계 및 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 실화 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치{Misfire diagnosis method and device of single cylinder four-stroke engine}
본 발명은 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 하나의 엔진 사이클에서의 엔진 속도 변화로부터 실화(Misfire)를 진단하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
화석연료를 사용하는 엔진에서 분사된 연료가 연소하지 않고 그대로 외기로 배출되는 현상을 실화(Misfire)라 한다. 엔진 실화가 발생하면, 미연소된 연료가 그대로 배출되어 대기오염에 악영향을 미치거나 미연소된 연료가 촉매에서 연소되어 촉매를 손상시킬 수 있다.
이에 따라 일반 자동차의 경우 ECU 내에 실화검출 로직을 탑재하여 실화를 진단함으로써 대기오염이나 촉매 손상을 방지하고 있다. 자동차에는 크랭크축 위치센서에서 계측된 투스 타임(Tooth time) 신호로부터 엔진 속도를 추출하여 실화를 진단하는 엔진 러프니스(Engine roughness) 방법이 주로 적용된다.
그 외에도 연소압 센서나 점화플러그의 이온 전류(Ionic current)를 계측하여 실화를 판단하는 기술도 알려져 있다.
한편, 배기가스 배출규제가 날로 강화되고 있는 전세계적인 추세에서, 이전까지 규제 대상에 포함되지 않았던 이륜 오토바이 또한 배기가스 배출규제로부터 자유롭지 못한 상황이며, 따라서 이륜 오토바이 역시 배기가스 배출규제 충족을 위한 시장의 요구에 부응하는 기술적 보완이 필요한 실정이다.
이러한 시장의 요구에 부응하기 위한 대책의 일환 중 하나가 일반 자동차에나 적용되던 실화검출 기술을 이륜 오토바이에 적용하려는 시도이다. 그러나 일반 자동차에 적용되는 실화검출 기술을 이륜 오토바이에 그대로 적용하기에는 어려움이 있다.
일반적으로 자동차에 적용되는 실화검출 기술은 다기통 엔진의 특성상 상당히 복잡한 프로세스를 포함하는데, 이륜 오토바이에 일반적으로 탑재되는 ECU는 자동차에 비해 저가형으로 처리 성능이 떨어진다. 따라서 자동차의 실화검출 기술을 이륜 오토바이의 ECU에 그대로 적용하기에는 무리가 따른다.
이에 전세계적으로 강화되고 있는 배기가스 배출규제에 따른 시장의 요구에 맞춰, 이륜 오토바이만의 특성에 맞는 실화검출 기술이 필요한 실정이다. 즉 이륜 오토바이에 최적화된 단순하면서도 실화를 정확하게 진단/검출할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
대한민국등록특허 제10-1869324호 (등록일 2018.06.14)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 자동차용 다기통 엔진의 실화검출 기술에 비해 단순하면서도 정확하게 실화를 진단/검출할 수 있는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,
크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임(Tooth time) 신호(엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 진단하는 방법으로서,
a) 하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임 신호를 수집하는 신호 수집 단계;
b) 수집된 투스 타임 신호로부터 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성하는 속도 추세선 생성 단계;
c) 수집된 투스 타임 신호로부터 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성하는 속도 가감 추세선 생성 단계;
d) 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거 단계; 및
e) 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 실화 진단 단계;를 포함하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법을 제공한다.
여기서 상기 하나의 엔진 사이클은, 흡입-압축-폭발-배기행정 순으로 각 행정을 한 차례씩 포함하는 엔진 사이클일 수 있다.
그리고 상기 b) 단계에서 상기 속도 추세선(L1)은, 상기 투스 타임 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 상기 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 지나는 직선일 수 있다.
또한 상기 c) 단계에서 속도 가감 추세선(L2)은, 상기 투스 타임 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 상기 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 지나는 직선일 수 있다.
또한 상기 d) 단계에서는, 하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하여 흡입행정 초기의 엔진 속도와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도가 같아지도록 할 수 있다.
그리고 상기 e) 단계에서는, 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면 실화로 진단할 수 있다.
또한 상기 e) 단계에서는, 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)보다 작으면 실화로 진단할 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,
단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 진단하는 장치로서,
엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 타임(Tooth time) 신호를 생성하는 크랭크축 위치센서;
상기 크랭크축 위치센서의 투스 타임(Tooth time) 신호로부터 하나의 엔진 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,
상기 제어기는,
하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임 신호를 수집하는 신호 수집부와,
수집된 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성하는 속도 추세선 생성부와,
수집된 투스 타임 신호로부터 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성하는 속도 가감 추세선 생성부와,
상기 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거부와,
선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 실화 진단부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치를 제공한다.
여기서 상기 속도 추세선 생성부는, 상기 투스 타임 신호를 이용하여 엔진 크랭크축의 회전각도 변화에 대한 엔진 속도 변화로 정의되는 엔진 속도 커브를 생성하고, 생성된 엔진 속도 커브 상에 서로 다른 두 점으로 표시되는 상기 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 직선으로 연결하여 상기 속도 추세선(L1)을 생성할 수 있다.
또한 상기 속도 가감 추세선 생성부는, 상기 투스 타임 신호를 이용하여 엔진 크랭크축의 회전각도 변화에 대한 엔진 속도 변화로 정의되는 엔진 속도 커브를 생성하고, 생성된 엔진 속도 커브 상에 서로 다른 두 점으로 표시되는 상기 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 직선으로 연결하여 상기 속도 가감 추세선(L2)을 생성할 수 있다.
또한 상기 선형 추세 제거부는, 하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하여 흡입행정 초기의 엔진 속도와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도가 같아지도록 할 수 있다.
또한 상기 실화 진단부는, 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면 실화로 진단할 수 있다.
또한 상기 실화 진단부는, 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)보다 작으면 실화로 진단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 실화 분석 대상 엔진 사이클에서 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(흡입행정 초기 엔진 속도, 배기행정 말기 엔진 속도, 압축행정 초기의 엔진 속도와 폭발행정 말기의 엔진 속도)를 추출하고, 그 추출된 결과물로부터 기울기를 구하고 이를 분석함으로써 실화(Misfire) 여부를 진단하도록 구성된다.
즉 실화 여부를 명확하게 판단할 수 있는 최소한의 주요 정보만을 가지고 실화를 진단/검출함으로써, 실화 진단/검출을 위한 프로세스의 단순화를 도모하면서도 정확도 높은 실화 진단/검출이 가능하며, 따라서 자동차에 적용되는 고가의 ECU에 비해 저가의 ECU가 채택되는 이륜 오토바이의 실정에 맞는 최적화된 실화 검출 기능을 제공할 수 있다.
또한, 배기가스 배출규제가 날로 강화되고 있는 전세계적인 추세에서, 이전까지 규제 대상에 포함되지 않았던 이륜 오토바이에 대해서도 배기가스 배출규제를 충족시킬 것을 요구하는 시장의 요구에 부응할 수 있으며, 별도의 하드웨어적인 추가 구성 없이도 소프트웨어만으로 구현이 가능하기 때문에 개발비용 또한 저렴하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진 실화 진단 장치의 개념도.
도 2는 속도 추세선 및 속도 가감 추세선의 생성 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 정상점화와 실화 시 엔진 속도 커브를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어 이하 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 동일 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 주요 용어에 대한 의미부터 간단하게 살펴보기로 한다.
이하 사용되는 용어 중 하나의 엔진 사이클은 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 한 차례씩 포함하는 엔진 사이클로서, 엔진 크랭크축이 두 바퀴(720ㅀ) 회전하는 구간을 의미하며, 속도 추세선은 크랭크축 위치센서의 투스 타임(Tooth time) 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 상기 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 지나는 직선으로 정의될 수 있다.
그리고 속도 가감 추세선은 크랭크축 위치센서의 투스 타임(Tooth time) 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 지나는 직선을 의미하며, 여기서 투스 타임(Tooth time)은 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진 실화 진단 장치의 개념도로서, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진 실화 진단 장치에 대하여 살펴보기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치는, 크랭크축 위치센서(10)와 제어기(20)를 포함한다. 제어기(20)는 ECU일 수 있으며, 크랭크축 위치센서(10)는 엔진 크랭크축(30) 상의 타겟 휠(Target wheel, 40) 둘레에 배치되고 타겟 휠(40)의 회전에 따라 엔진 속도 계산에 필요한 투스 타임(Tooth time) 신호를 생성한다.
타겟 휠(40)의 외주면에는 상기 크랭크축(30)의 각속도를 측정할 수 있도록 복수 개의 치(Tooth)가 형성되어 있으며, 타겟 휠(40)이 회전할 때 상기 크랭크축 위치센서(20)가 상기 치를 검출하는 시간 정보를 이용하여 제어기(20)가 상기 엔진 크랭크축(30)의 각속도를 계산한다. 그리고 계산된 각속도로부터 엔진 속도를 산출한다.
제어기(20)는 핸드 악셀 조작(미도시)을 통한 운전자의 가속 또는 감속 요구에 맞춰 연료 인젝터(60)와 점화코일(50)의 통전상태를 제어하여 엔진 속도를 제어하는 것은 물론, 상기 크랭크축 위치센서(10)의 투스 타임 신호로부터 실화 분석 대상인 하나의 엔진 사이클의 엔진 속도 변화를 분석한다. 그리고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단한다.
실화(Misfire)는 앞서도 언급 했듯이 엔진 실린더에 분사된 연료가 연소하지 않고 그대로 외기로 배출되는 현상을 말한다. 실화가 발생하면 폭발(또는 팽창)행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하지 않음에 따라 투스 타임(Tooth time, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간) 신호의 주기성이 훼손된다.
실화는 폭발 행정에서의 연료 미연소→연소압 미생성→피스톤 속도 감소→크랭크축 회전 모멘텀 감소로 나타나며, 이로 인해 투스 타임은 길어지고 반대로 엔진 속도는 감소한다. 즉 실화가 발생하면 엔진을 구동시키는 에너지원이 발생하지 않는 것이므로 엔진 속도가 감소하며, 따라서 하나의 엔진 사이클에서의 엔진 속도를 분석하면 실화 여부를 진단할 수 있다.
본 발명은 이처럼 실화 시 나타나는 엔진 속도의 변화 특성을 이용하여 단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 정확하고 신속하게 진단/검출할 수 있도록 한 것으로, 이를 위해 본 실시 예에 적용된 제어기(20)는, 신호 수집부(22)와 속도 추세선 생성부(24)를 포함한다. 또한 속도 가감 추세선 생성부(25), 선형 추세 제거부(26) 및 실화 진단부(28)를 포함한다.
제어기를 구성하는 각부 구성에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.
신호 수집부(22)는 하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서(10)가 출력하는 투스 타임 신호를 수집한다. 좀 더 구체적으로, 타겟 휠(40) 회전 시 크랭크축 위치센서(10)가 상기 타겟 휠(40) 둘레면의 치를 검출하여 투스 타임 신호를 생성하고, 생성된 투스 타임 신호를 신호 수집부(22)에 제공함으로써 신호 수집부(22)는 엔진 속도 분석에 필요한 정보를 수집하게 되는 것이다.
신호 수집부(22)에서 수집된 투스 타임 신호는 속도 추세선 생성부(24)에 제공되며, 속도 추세선 생성부(24)는 전달받은 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 특정 행정의 엔진 속도를 추출(계산)한다. 구체적으로, 하나의 엔진 사이클 내 흡입행정 초기의 엔진 속도와 배기행정 말기의 엔진 속도를 추출한다. 그리고 그 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선을 생성한다.
속도 가감 추세선 생성부(25) 역시 상기 신호 수집부(22)가 제공하는 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 특정 행정의 엔진 속도를 추출(계산)한다. 구체적으로, 하나의 엔진 사이클 내 압축행정 초기의 엔진 속도와 폭발행정 말기의 엔진 속도를 추출한다. 그리고 그 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선을 생성한다.
도 2를 참조하여 속도 추세선 및 속도 가감 추세선의 생성과정에 대해 간단히 살펴보기로 한다.
도 2는 속도 추세선 및 속도 가감 추세선의 생성 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 등가속 상황에서 정상점화와 실화 시 속도 추세선 및 속도 가감 추세선의 생성과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 속도 추세선(L1)과 속도 가감 추세선(L2) 각각은, 투스 타임 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 두 점인 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 지나는 직선(L1)과, 엔진 속도 커브 상의 또 다른 두 점인 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정의 말기 엔진 속도(BDC2)를 지나는 직선(L2)을 의미한다.
속도 추세선(L1)과 속도 가감 추세선(L2)은, 투스 타임 신호로부터 엔진 속도 커브(크랭크축의 회전각도에 변화에 따른 엔진 속도의 변화를 나타내는 커브)를 생성하고, 생성된 엔진 속도 커브 상에서 투스 타임 신호의 입력 순서 또는 크랭크축(30)의 회전각도로부터 상기 TDC1, TDC2, BDC1, BDC2를 찾아내고, TDC1와 TDC3, BDC1와 BDC2 각각을 직선으로 연결함으로써 생성될 수 있다.
한편, 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선의 기울기를 제로(0)로 조정하는 작업이 상기 선형 추세 제거부(26)를 통해 수행된다. 선형 추세 제거부(26)는 속도 추세선 생성부(24)가 생성한 상기 속도 추세선을 이용하여 크랭크축 위치센서(10)가 출력하는 투스 타임 신호들로부터 선형 추세를 제거(Linear Detrend)한다.
하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하면, 상기 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지는 선형 추세 제거 효과가 발생한다. 여기서 속도 추세선(L1)은 한 사이클의 입구 엔진 속도인 상기 TDC1과 출구 엔진 속도인 TDC3를 연결한 선이므로 한 사이클 내 엔진 속도 평균값일 수 있다.
따라서 하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 엔진 속도 평균값에 상응하는 투스 타임 평균값을 빼면, 앞서 엔진 속도 커브(도 2 참조)에서 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지는, 즉 속도 추세선(L1)의 기울기가 제로(0)가 되는 선형 추세 제거 효과가 발생하게 되는 것이다.
도 3은 선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 정상점화와 실화 시 엔진 속도 커브를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 정상점화에서는 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하기 때문에, 선형 추세 제거 이후 기울기가 제로(0)가 된 속도 추세선(L1)에 대하여 속도 가감 추세선(L2)의 기울기는 양의 값(양수)을 가지는 반면, 실화에서는 폭발에 의한 에너지 추가가 없으므로 속도 가감 추세선(L2)의 기울기는 속도 추세선(L1)의 기울기와 비슷하거나 작은 값(음수)으로 나타난다.
따라서 선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 기울기가 제로(0)가 된 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하면 실화(Misfire) 발생 여부를 진단할 수 있다. 본 발명은 이처럼 실화 발생 여부에 따라 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점을 이용하여 실화 여부를 진단하는 것이다.
선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 구하고, 구해진 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 작업을 상기 실화 진단부(28)가 수행한다. 실화 진단부(28)는 바람직하게, 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)과 비교하여 실화(Misfire) 여부를 진단할 수 있다.
여기서 임계값이 맵핑된 맵 데이터는, 부하 대역별 정상점화와 실화 시 속도 추세선(L1)에 대한 상기 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 반복 실험 또는 시뮬레이션을 통해 구하고, 구해진 값을 분석하여 부하 대역별 실화와 정상점화의 경계가 되는 지점의 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 임계값으로 선정하여 엔진 속도와 부하 대역 2가지 인자에 대해 행렬 형태로 데이터화한 것일 수 있다.
실화 진단부(28)는 바람직하게, 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 구해지면 그 상황(엔진 부하 및 엔진 속도)에 매칭되어 미리 저장된 임계값(Threshold)을 불러와 구해진 기울기와 비교하며, 비교 결과 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 임계값(Threshold)보다 작으면 실화(Misfire)로 진단하는 프로세스를 포함할 수 있다.
경우에 따라서는, 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 속도 추세선(L1)의 기울기와 비슷하면 위와 같이 임계값(Threshold)과의 대소 비교를 통해 실화를 진단하고, 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면(기울기 부호가 음(-)이면) 임계값(Threshold)과의 비교 없이 무조건 실화로 진단하는 프로세스를 포함할 수도 있다.
이하, 전술한 단기통 4행정 엔진 실화 진단 장치에 수행되는 단기통 4행정 엔진에서의 실화 진단 과정을 도 5의 순서도를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위해 전술한 도 1에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하여 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단기통 4행정 엔진에서의 실화 진단 방법은, 신호 수집 단계(S100), 속도 추세선 생성 단계(S200), 속도 가감 추세선 생성 단계(S300), 선형 추세 제거 단계(S400) 및 실화 진단 단계(S500)를 포함한다. 이하 각 단계에서 행해지는 연산 또는 처리 과정을 구체적으로 살펴보기로 한다.
신호 수집 단계(S100)에서는 하나의 엔진 사이클 동안 타겟 휠(40)의 회전에 따라 상기 크랭크축 위치센서(10)가 출력하는 투스 타임 신호를 수집한다. 신호 수집 단계(S100)에서는 크랭크축 위치센서(10)의 투스 타임 신호를 일정한 간격으로 추려 처리할 신호 데이터의 양을 줄이고, 이를 통해 제어기가 부담해야 할 연산 부하를 크게 경감시키는 다운 샘플링 과정이 포함될 수 있다. 이 경우에 최대 다운 샘플링은 TDC1, BDC1, TDC2와 BDC2, 단 네 곳의 위치에서 투스타임 신호를 수집하는 경우이다.
속도 추세선 생성 단계(S200)에서는 상기 신호 수집 단계(S100)에서 수집된 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 특정 행정의 엔진 속도를 추출(계산)한다. 구체적으로, 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클에서 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하며, 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성한다.
속도 추세선 생성 단계(S200)에서의 속도 추세선(L1)은 바람직하게, 분석 대상 하나의 엔진 사이클에서 상기 크랭크축 위치센서(10)가 출력하는 투스 타임 신호로부터 엔진 속도 커브를 생성하고, 생성된 엔진 속도 커브 상의 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 직선적으로 연결함으로써 생성될 수 있다.
속도 가감 추세선 생성 단계(S300)에서도 상기 신호 수집 단계(S100)에서 수집된 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 특정 행정의 엔진 속도를 추출(계산)한다. 구체적으로, 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클에서 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하며, 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성한다.
속도 가감 추세선 생성 단계(S300)에서의 속도 가감 추세선(L2) 역시 속도 추세선과 같은 방법으로, 상기 엔진 속도 커브(크랭크축의 회전각도에 변화에 따른 엔진 속도의 변화를 나타내는 커브) 상의 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 직선적으로 연결함으로써 생성될 수 있다.
속도 가감 추세선 생성 단계(S300) 이후 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 같게 하여 속도 추세선(L1)의 기울기가 제로(0)가 되게 하는 선형 추세 제거 단계(S400)가 진행된다. S400단계에서는 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 크랭크축 위치센서(10)가 출력하는 투스 타임 신호들로부터 선형 추세를 제거(Linear Detrend)한다.
하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하면, 상기 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지는 선형 추세 제거 효과가 발생한다. 여기서 속도 추세선(L1)은 한 사이클의 입구 엔진 속도인 상기 TDC1과 출구 엔진 속도인 TDC3를 연결한 선이므로 한 사이클 내 엔진 속도 평균값일 수 있다.
따라서 하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 엔진 속도 평균값에 상응하는 투스 타임 평균값을 빼면, 앞서 엔진 속도 커브(도 2 참조)에서 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지는, 즉 속도 추세선(L1)의 기울기가 제로(0)가 되는 선형 추세 제거 효과가 발생하게 되는 것이다.
정상점화에서는 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하기 때문에, 선형 추세 제거 이후 기울기가 제로(0)가 된 속도 추세선(L1)에 대하여 속도 가감 추세선(L2)의 기울기는 양의 값(양수)을 가지는 반면, 실화에서는 폭발에 의한 에너지 추가가 없으므로 속도 가감 추세선(L2)의 기울기는 속도 추세선(L1)의 기울기와 비슷하거나 작은 값(음수)으로 나타난다.
따라서 선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 기울기가 제로(0)가 된 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하면 실화(Misfire) 발생 여부를 진단할 수 있다. 실화 진단 단계(S500)단계에서는 이처럼 실화 발생 여부에 따라 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점을 이용하여 실화 여부를 정확하게 진단한다.
선형 추세 제거(Linear Detrend) 이후 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 구하고, 구해진 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 작업이 실화 진단 단계(S500)에서 행해진다. S500단계에서는 바람직하게, 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)과 비교하여 실화(Misfire) 여부를 진단할 수 있다.
여기서 임계값이 맵핑된 맵 데이터는, 부하 대역별 정상점화와 실화 시 속도 추세선(L1)에 대한 상기 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 반복 실험 또는 시뮬레이션을 통해 구하고, 구해진 값을 분석하여 부하 대역별 실화와 정상점화의 경계가 되는 지점의 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 임계값으로 선정하여 엔진 속도와 부하 대역 2가지 인자에 대해 행렬 형태로 데이터화한 것일 수 있다.
S500단계에는 바람직하게, 속도 추체선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 구해지면 그 상황(엔진 부하 및 엔진 속도)에 매칭되어 미리 저장된 임계값(Threshold)을 불러와 구해진 기울기와 비교하며, 비교 결과 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 임계값(Threshold)보다 작으면 실화(Misfire)로 진단하는 프로세스가 포함될 수 있다.
경우에 따라서는, 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 속도 추세선(L1)의 기울기와 비슷하면 위와 같이 임계값(Threshold)과의 대소 비교를 통해 실화를 진단하고, 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면(기울기 부호가 음(-)이면) 임계값(Threshold)과의 비교 없이 무조건 실화로 진단하는 프로세스를 포함할 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따르면, 실화 분석 대상 엔진 사이클에서 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(흡입행정 초기 엔진 속도, 배기행정 말기 엔진 속도, 압축행정 초기의 엔진 속도와 폭발행정 말기의 엔진 속도)를 추출하고, 그 추출된 결과물로부터 기울기를 구하고 이를 분석함으로써 실화(Misfire) 여부를 진단하도록 구성된다.
즉 실화 여부를 명확하게 판단할 수 있는 최소한의 주요 정보만을 가지고 실화를 진단/검출함으로써, 실화 진단/검출을 위한 프로세스의 단순화를 도모하면서도 정확도 높은 실화 진단/검출이 가능하며, 따라서 자동차에 적용되는 고가의 ECU에 비해 저가의 ECU가 채택되는 이륜 오토바이의 실정에 맞는 최적화된 실화 검출 기능을 제공할 수 있다.
또한, 배기가스 배출규제가 날로 강화되고 있는 전세계적인 추세에서, 이전까지 규제 대상에 포함되지 않았던 이륜 오토바이에 대해서도 배기가스 배출규제를 충족시킬 것을 요구하는 시장의 요구에 부응할 수 있으며, 별도의 하드웨어적인 추가 구성 없이도 소프트웨어만으로 구현이 가능하기 때문에 개발비용 또한 저렴하다는 장점이 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 크랭크축 위치센서
20 : 제어기
22 : 신호 수집부
24 : 속도 추세선 생성부
25 : 속도 가감 추세선 생성부
26 : 선형 추세 제거부
28 : 실화 진단부
30 : 크랭크축
40 : 타켓 휠
50 : 점화코일
60 : 연료인젝터

Claims (12)

  1. 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임(Tooth time) 신호(엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 진단하는 방법으로서,
    a) 하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임 신호를 수집하는 신호 수집 단계;
    b) 수집된 투스 타임 신호로부터 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성하는 속도 추세선 생성 단계;
    c) 수집된 투스 타임 신호로부터 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성하는 속도 가감 추세선 생성 단계;
    d) 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거 단계; 및
    e) 선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 실화 진단 단계;를 포함하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 상기 속도 추세선(L1)은,
    상기 투스 타임 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 상기 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 지나는 직선인 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 속도 가감 추세선(L2)은,
    상기 투스 타임 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상의 서로 다른 두 점인 상기 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 지나는 직선인 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서는,
    하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하여 흡입행정 초기의 엔진 속도와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도가 같아지도록 하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 e) 단계에서는,
    선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면 실화로 진단하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 e) 단계에서는,
    선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)보다 작으면 실화로 진단하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 방법.
  7. 단기통 4행정 엔진에서 발생하는 실화를 진단하는 장치로서,
    엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 타임(Tooth time) 신호를 생성하는 크랭크축 위치센서;
    상기 크랭크축 위치센서의 투스 타임(Tooth time) 신호로부터 하나의 엔진 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,
    상기 제어기는,
    하나의 엔진 사이클 동안 상기 크랭크축 위치센서가 출력하는 투스 타임 신호를 수집하는 신호 수집부와,
    수집된 투스 타임 신호를 이용하여 하나의 엔진 사이클 내 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 추세선(L1)을 생성하는 속도 추세선 생성부와,
    수집된 투스 타임 신호로부터 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 추출하고 추출된 두 엔진 속도를 이용하여 속도 가감 추세선(L2)을 생성하는 속도 가감 추세선 생성부와,
    상기 흡입행정 초기의 엔진 속도(TDC1)와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도(TDC3)가 같아지도록 상기 속도 추세선(L1)을 이용하여 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거부와,
    선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기를 분석하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 실화 진단부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 속도 추세선 생성부는,
    상기 투스 타임 신호를 이용하여 엔진 크랭크축의 회전각도 변화에 대한 엔진 속도 변화로 정의되는 엔진 속도 커브를 생성하고,
    생성된 엔진 속도 커브 상에 서로 다른 두 점으로 표시되는 상기 흡입행정의 초기 엔진 속도(TDC1)와 배기행정의 말기 엔진 속도(TDC3)를 직선으로 연결하여 상기 속도 추세선을 생성하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 속도 가감 추세선 생성부는,
    상기 투스 타임 신호를 이용하여 엔진 크랭크축의 회전각도 변화에 대한 엔진 속도 변화로 정의되는 엔진 속도 커브를 생성하고,
    생성된 엔진 속도 커브 상에 서로 다른 두 점으로 표시되는 상기 압축행정 초기의 엔진 속도(BDC1)와 폭발행정 말기의 엔진 속도(BDC2)를 직선으로 연결하여 상기 속도 가감 추세선을 생성하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 추세 제거부는,
    하나의 엔진 사이클 내 모든 투스 타임 신호에서 상기 속도 추세선을 제거하여 흡입행정 초기의 엔진 속도와 상기 배기행정 말기의 엔진 속도가 같아지도록 하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 실화 진단부는,
    선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 음수이면 실화로 진단하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 실화 진단부는,
    선형 추세 제거 이후 상기 속도 추세선(L1)에 대한 속도 가감 추세선(L2)의 기울기가 기억장치에 맵핑된 임계값(Threshold)보다 작으면 실화로 진단하는 것을 특징으로 하는 단기통 4행정 엔진의 실화 진단 장치.

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