KR102264304B1

KR102264304B1 - 엔진의 실화 진단 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102264304B1
Application number: KR1020200057946A
Authority: KR
Inventors: 한풍규
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-06-14
Anticipated expiration: 2040-05-14

Abstract

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)를 이용하여 엔진의 기통 별 실화 여부를 진단하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 다기통 엔진의 실화 진단 방법은, 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거하는 선형 추세 제거단계와, 선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 기통 별 실화진단지표를 생성하는 단계와, 추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단단계를 포함하는 것을 요지로 한다.

Description

엔진의 실화 진단 방법 및 장치{Misfire diagnosis method and device of Multi cylinder four-stroke engine}

본 발명은 엔진의 실화 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 크랭크각 센서에서 계측된 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)로부터 계산되는 엔진 속도 정보를 이용하여 실화(Misfire)를 진단하는 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 자동차의 경우 ECU 내에 실화검출 로직을 탑재하여 실화를 진단함으로써 대기오염이나 촉매 손상을 방지하고 있다. 일반 양산 차량의 경우 크랭크각 센서에서 계측된 투스 신호(Tooth time signal)로부터 엔진 속도를 추출하여 실화를 진단하는 엔진 러프니스(Engine roughness) 방법이 주로 채택되고 있다.

엔진 속도의 변동성을 이용한 엔진 러프니스 방법은 CARB(미국 캘리포니아 대기환경청)에서 규정하고 있는 실화 검출 영역을 커버하기는 하나 그 영역이 제한적이어서, 높은 RPM, 낮은 부하 구간과 같은 일부 영역에서는 실화를 진단함에 있어 정확성이 떨어지는 단점이 있다.

엔진 속도의 변동성을 이용하는 방식 외에도 폭발 행정 과정에서 점화 플러그 회로에서 발생하는 이온 전류(Ionic current)를 계측하여 실화를 진단하는 방법도 알려져 있다. 또한 실린더의 연소 압력을 직접 계측하여 실화를 진단하는 방법도 알려진바 있다.

그러나 이러한 방법(이온 전류를 이용하는 방법 또는 연소 압력을 특성을 이용하는 방법)들은, 기존의 차량에 새로운 기능을 추가하거나, 새로운 센서를 추가해야만 하기 때문에 차량 가격이 상승되고, 이로 인해 양산 차에 적용하기에는 비용적 측면에서 부담이 있을 수밖에 없다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도의 센서나 장비의 추가 없이 크랭크각 센서에서 계측된 출력 신호를 이용하여 엔진의 실화 여부를 검출하는 주파수 분석 방식이 제안되기도 하였으나, 주파수 분석 방식은 진단로직이 복잡하고, 연산량이 많으며, 메모리 사용량도 커서 ECU 성능에 따라 사용이 불가할 수도 있다는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1869324호(등록일 2018.06.14)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 별도의 센서나 장비의 추가 없이 크랭크각 센서의 출력 신호만으로 단순하면서도 정확하게 기통 별 실화 여부를 진단/검출할 수 있는 다기통 엔진의 실화 진단 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 다기통 엔진(N기통 엔진, 여기서 N은 4이상의 짝수)의 실화 여부를 진단하는 방법으로서,

a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거단계;

b) 선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 기통 별 실화진단지표를 생성하는 실화진단지표 생성단계;

c) 상기 b)단계에서 추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하는 엔진의 실화 진단 방법을 제공한다.

여기서 상기 설정 임계값은,

실화진단지표를 엔진 부하(Load)와 속도(rpm)를 인자로 갖는 3차원 그래프 상에 플로팅 하는 단계;

3차원 플로팅된 실화진단지표를 평면에서 본 2차원 평면 그래프 형태로 변환하고, 엔진 속도(rpm)와 부하(Load) 각각의 영역에 구간 별 실화진단지표의 대표값을 추출하기 위하여 상기 변환된 2차원 그래프에 n*m의 격자망을 구성하는 단계;

실화진단지표 중 상기 n*m 격자망의 각 격자 안에 위치하는 실화진단지표 값만을 추출하는 단계;

각 격자 안에서 추출된 실화진단지표 중 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 임의 선택해 임시 임계값으로 설정하되, 설정된 임시 임계값을 변화시켜 가며 격자마다 실화 진단율을 계산하는 단계;

격자마다 계산된 실화 진단율이 특정 범위로 유지되는 임계값 선정 구간의 최적값을 추출하여 3차원 그래프 상에 플로팅 함으로써 임계평면을 도출하는 단계;

임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하 2가지 인자에 대해 데이터 맵 형태로 저장하는 단계;를 거쳐 추출될 수 있다.

바람직하게는, 설정 임계값을 추출하는 과정에서 임계평면 도출 후 도출된 임계평면이 완만한 평면을 나타내도록 플로팅 결과를 바탕으로 임계평면을 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 실화 진단율은, 인위적으로 발생시킨 실화 신호 중에서 실제 실화로 진단된 비율, 실화 진단수와 실화 신호 수의 비율, 실화로 진단된 것 중에서 실화 신호인 비율 중 어느 하나로 정의될 수 있다.

바람직한 일례로서 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)일 수 있다.

바람직한 다른 예로서, 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)으로 정의될 수 있다.

바람직한 또 다른 예로서, 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²)일 수도 있다. 경우에 따라서는 기통 별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)일 수도 있다.

바람직한 또 다른 예로서 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기 또는 상기 엔진 속도 커브 상에서 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기일 수도 있다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,

엔진의 실화 여부를 진단하는 장치로서,

엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal)를 생성하는 크랭크각 센서;

상기 크랭크각 센서의 투스 신호로부터 한 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,

상기 제어기는,

한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)하는 선형 추세 제거부와,

선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 기통 별 실화진단지표를 생성하는 실화진단지표 생성부와,

추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단부로 구성되는 엔진의 실화 진단 장치를 제공한다.

상기 설정 임계값은, 실화진단지표를 엔진 부하(Load)와 속도(rpm)를 인자로 갖는 3차원 그래프 상에 플로팅 하고, 3차원 플로팅된 실화진단지표를 평면에서 본 2차원 평면 그래프 형태로 변환하고, 엔진 속도(rpm)와 부하(Load) 각각의 영역에 구간 별 실화진단지표의 대표값을 추출하기 위하여 상기 변환된 2차원 그래프에 n*m의 격자망을 구성하며, 실화진단지표 중 상기 n*m 격자망의 각 격자 안에 위치하는 실화진단지표 값만을 추출하고, 각 격자 안에서 추출된 실화진단지표 중 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 임의 선택해 임시 임계값으로 설정하되, 설정된 임시 임계값을 변화시켜 가며 격자마다 실화 진단율을 계산하고, 격자마다 계산된 실화 진단율이 특정 범위로 유지되는 임계값 선정 구간의 최적값을 추출하여 3차원 그래프 상에 플로팅 함으로써 임계평면을 도출하는 하고, 임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하 2가지 인자에 대해 데이터 맵 형태로 저장하는 과정을 통해 추출될 수 있다.

또한 상기 실화진단지표 생성부가 추출하는 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서가 출력하는 신호로부터 알 수 있는 기통 별 흡입행정 초기 엔진 속도와 배기행정 말기 엔진 속도, 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값)만으로도 실화(Misfire)를 정확하게 진단할 수 있다.

즉 실화 여부를 명확하게 판단할 수 있는 최소한의 주요 정보만을 가지고 실화를 진단/검출함으로써, 실화 진단/검출을 위한 프로세스를 단순화하면서도 정확도 높은 실화 진단/검출이 가능하며, 별도의 하드웨어적인 추가 구성 없이도 소프트웨어만으로 구현이 가능하므로 개발비용이 저렴하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치의 개념도.
도 2는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하기 전과 선형 추세 제거 후 경과시간에 따른 엔진 속도 변동을 도시한 그래프.
도 3은 실화진단지표 생성 과정을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 실화진단지표 생성부가 생성하는 실화진단지표의 바람직한 다른 실시 예들을 도시한 도면.
도 5는 실험데이터로서, 도 5의 (a)는 4기통 엔진에서 한 사이클 동안 실화 없이 4개의 기통 모두에서 정상적으로 점화가 이루어진 경우 추출되는 엔진 속도 커브이며, 도 5의 (b)는 1번과 4번 기통에 실화 신호를 보내 인위적으로 실화를 발생시켰을 때 추출되는 엔진 속도 커브를 나타낸 그래프.
도 6 내지 도 10은 실화 진단의 기준의 되는 임계값 도출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 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.

본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 용어 중 「한 사이클」은 엔진 크랭크축이 두 바퀴(720°) 회전하는 구간으로서, 흡입-압축-폭발(연소 팽창)-배기 행정을 한 차례씩 포함하는 구간을 의미한다.

예를 들어, 4행정 단기통 엔진에서는 흡입-압축-폭발-배기가 한 차례씩 일어나면 한 사이클이 종료되며, 4행정 4기통 엔진인 경우 4개의 기통(Cylinder)이 정해진 순서대로 흡입-압축-폭발-배기가 한 차례씩 일어나 상기 크랭크축을 두 바퀴(720°) 회전시키면 한 사이클이 종료된다.

또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 용어 중 「실화진단지표」는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)를 의미한다.

다른 예로서, 「실화진단지표」는 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)일 수도 있다.

또 다른 예로서, 「실화진단지표」는 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²)일 수도 있다. 경우에 따라서는 기통 별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)일 수도 있다.

또 다르게는, 「실화진단지표」는 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기 또는 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(기통 별로 사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기일 수도 있다.

여기서 기통 별 「엔진 속도 최대값과 최소값」은 전술한 한 사이클 동안 크랭크축의 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 크랭크각 센서가 출력하는 기통 별 투스 신호 중 두 특정 위치의 투스 신호로부터 생성되는 엔진 속도에 관한 값으로, 「두 특정 위치」는 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠의 회전위치로서 사전에 설정된 위치일 수 있다.

그리고 기통 별 「흡입행정 초기와 배기행정 말기의 엔진 속도」는 사이클 동안 크랭크축의 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 크랭크각 센서가 출력하는 기통 별 투스 신호 중 기통 별 흡입행정 초기 및 배기행정 말기 각각의 크랭크축 회전위치에 대응하여 설정된 타겟 휠의 회전위치에서의 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에 관한 값일 수 있다.

참고로, 투스 신호(Tooth time signal)는 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간을 의미하는 것으로, 상기 크랭크축 선단에 동심 설치된 타겟 휠(Target wheel)의 외면부 둘레에 균등 간격으로 형성되는 복수의 투스(Tooth)를 상기 크랭크각 센서(Crank shaft position sensor)가 인식하여 출력하는 신호를 의미한다.

또한, 「실화 진단율」은 인위적으로 발생시킨 실화 신호 중에서 실제 실화로 진단된 비율, 실화 진단수와 실화 신호 수의 비율, 실화로 진단된 것 중에서 실화 신호인 비율 중 어느 하나로 정의될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치를 개략 도시한 개념도로서, 이를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 실화 진단 장치부터 살펴보기로 하되, 이하에서는 4기통 엔진을 예로 들어 설명한다. 하지만 본 발명은 4기통 엔진의 실화 진단에 국한되는 기술은 아니며, 단기통 엔진은 물론 2기통 이상의 다기통 엔진에도 적용 가능한 기술임을 밝혀둔다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 실화 진단 장치는, 크랭크각 센서(10)와 제어기(20)를 포함한다. 제어기(20)는 ECU일 수 있으며, 크랭크각 센서(10)는 엔진 크랭크축(30) 상의 타겟 휠(40) 주변에 배치되어 타겟 휠(40)의 회전에 따라 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal) 신호를 생성한다.

타겟 휠(40)의 외주면에는 상기 크랭크축(30)의 각속도를 측정할 수 있도록 복수 개의 투스(Tooth)가 형성되어 있으며, 타겟 휠(40)이 회전할 때 상기 크랭크각 센서(20)가 상기 투스를 검출하는 시간 정보를 이용하여 제어기(20)가 상기 엔진 크랭크축(30)의 각속도를 계산한다. 그리고 계산된 각속도로부터 엔진 속도를 출력한다.

제어기(20)는 가속 페달(미도시) 조작을 통한 운전자의 가속 또는 감속 요구에 맞춰 연료 인젝터(60)와 점화코일(50)의 통전상태를 제어하여 엔진 속도를 제어하는 것은 물론, 상기 크랭크각 센서(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 배경기술에서도 언급 했듯이 엔진 실린더에 분사된 연료가 연소하지 않고 그대로 외기로 배출되는 현상을 말한다. 실화가 발생하면 폭발(연소 팽창)행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생하지 않기 때문에 투스 신호(Tooth time signal, 엔진 크랭크축이 일정 각도 회전하는데 소요되는 시간)의 주기성이 훼손된다.

실화는 폭발 행정에서의 연료 미연소 -> 연소압 미생성 -> 피스톤 속도 감소 -> 크랭크축 회전 모멘텀 감소로 나타나며, 이로 인해 투스 타임이 길어지고 엔진 속도는 감소한다. 즉 실화가 발생하면 엔진을 구동시키는 에너지원이 발생하지 않는 것이므로 엔진 속도가 감소하며, 따라서 한 사이클에서의 엔진 속도를 분석하면 실화 여부를 진단할 수 있다.

본 발명은 이처럼 실화 시 나타나는 엔진 속도의 변화 특성을 이용하여 다기통 엔진에서 발생하는 실화를 정확하면서도 신속하게 진단/검출할 수 있도록 한 것으로, 이를 위해 본 실시 예에 적용된 제어기(20)는, 선형 추세 제거부(22)와 실화진단지표 생성부(24)를 포함한다. 또한 추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 기통 별 실화 여부를 진단하는 실화 진단부(29)를 포함한다.

제어기를 구성하는 각부 구성에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

선형 추세 제거부(22)는 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear regression 사용)한다. 크랭크각 센서(10)가 출력하는 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하지 않으면, 실화가 발생한 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기통 별 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

실화 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기동 별 엔진 속도 변동에 영향을 미치면, 실화 여부를 진단함에 있어 정확하고 정밀한 진단이 어려울 수 있다. 그러므로 한 사이클 동안 수집된 크랭크각 센서(10)의 출력 신호 데이터에서 선형 추세를 제거(Detrend)함으로써, 실화 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 엔진 속도에 미치는 영향을 사전에 제거함이 바람직하다.

한 사이클 내 모든 투스 신호에서 선형 추세를 제거한다는 것은 다른 의미로, 한 사이클 동안 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 이들 선형 경향 성분을 뺀다는 의미로서, 한 사이클 동안의 기통 별 엔진 시종(始終) 속도, 즉 기통 별 흡입행정 초기의 엔진 속도와 배기행정 말기의 엔진 속도를 대략 같게 하는 것으로 이해함이 바람직하다.

도 2에서 (a)가 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하기 전 시간 경과에 따른 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이고, (b)가 선형 추세 제거 후 엔진 속도 변동을 도시한 그래프이다.

실화진단지표 생성부(24)는 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통 별로 미리 설정된 특정 위치의 투스 신호를 이용하여 실화진단지표를 생성한다. 예를 들어, 4개의 실린더를 갖는 4기통 엔진일 경우 한 사이클 동안(크랭크축이 두 바퀴(720°) 회전 하는 동안) 기통 별로 총 4개의 실화진단지표를 생성한다. 6기통 엔진인 경우에는 한 사이클 동안 기동 별로 총 6개의 실화진단지표를 생성한다.

실화진단지표 생성 과정에서 대해서는 이하 도 3을 참조하기로 한다.

도 3은 실화진단지표 생성 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 기통 즉 실린더가 4개이고, 1번(Cyl 1)-3번(Cyl 3)-4번(Cyl 4)-2번(Cyl 2) 기통(실린더) 순으로 연소가 이루어지는 4기통 엔진에서 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호를 기통 별로 구분하여 선형 추세 제거(Detrend) 후 시간 경과(x축 방향)에 따른 엔진 속도 변화(y축 방향)로 나타낸 실험 데이터이다.

도 3을 참조하면, 실화진단지표 생성부(24)가 생성하는 상기 실화진단지표는 바람직하게, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)일 수 있다.

도면에서 L1은 기통 별 흡입행정 초기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도(FTH(first tooth)_rpm) 성분과 타겟 휠(40)의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 한 점(FTH)과, 기통 별 배기행정 말기의 투스 신호로부터 계산되는 엔진 속도(LTH(last tooth)_rpm) 성분과 타겟 휠(40)의 회전위치 성분을 포함하는 엔진 속도 커브 상의 다른 한 점(LTH)을 연결한 선을 의미한다.

좀 더 구체적으로는, 도 3에서 FTH은 y축 상으로 엔진 속도(FTH(first tooth)_rpm) 성분을 포함하고 x축 상으로는 타겟 휠(40)의 회전위치 성분을 포함하는 점이고, LTH 역시 y축 상으로 엔진 속도(LTH(last tooth)_rpm) 성분을 포함하고 x축 상으로는 시간 성분을 포함하는 점이므로, 간단한 수학식(두 점을 지나는 직선의 방정식)을 이용하면 L1을 어렵지 않게 도출해낼 수 있다.

L2는 투스 신호로부터 생성되는 엔진 속도 커브 상에서 두 특정 위치(사전에 설정된 두 점)을 연결한 선일 수 있다. 여기서 두 특정 위치는 한 사이클 동안 크랭크축의 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호 중 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠의 회전위치로서 사전에 설정된 위치일 수 있다.

여기서도 마찬가지로, 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값 추출을 위해 사전에 지정된 두 위치 역시, 도 3의 엔진 속도 커브 상에서 y축 상으로 엔진 속도(rpm_max, rpm_min) 성분을 포함하고 x축 상으로는 시간 성분을 포함하는 점이므로, 두 점을 지나는 직선의 방정식을 포함하는 간단한 연산 프로세스를 이용하면 어렵지 않게 상기 L2를 도출해낼 수 있다.

도 4는 실화진단지표 생성부가 생성하는 실화진단지표의 바람직한 다른 실시 예들을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 실화진단지표 생성부(24)가 생성하는 상기 실화진단지표는 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)으로 정의될 수 있다(도 4의 (a) 참조).

실화진단지표 생성부(24)가 생성하는 상기 실화진단지표는 또한 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²)일 수도 있다.

경우에 따라서는, 기통 별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)일 수도 있다.

실화진단지표 생성부(24)가 생성하는 상기 실화진단지표는 또한, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기(도 4의 (c) 참조)이거나, 도면에 도시하지는 않았으나 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(기통 별로 사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기일 수도 있다.

여기서 실화진단지표 생성을 위해 기통 별 사전에 설정된 두 점은, 도 4의 엔진 속도 커브 상에서 실화 시 에너지원 미발생으로 인한 엔진 속도 감소 패턴이 정상점화에서의 엔진 속도 증가 패턴과 명확하게 구분되어 표현될 수 있는 점으로서 사전의 반복 실험 또는 시뮬레이션을 통해 구해진 점일 수 있다. 즉 두 점은 실화에 의한 속도 감소를 가장 잘 표현할 수 있는 점일 수 있다.

실화진단지표 생성부(24)에서 추출된 기통 별 실화진단지표에 관한 정보는 실화 진단부(29)로 제공되며, 실화 진단부(29)는 제공 받은 정보(실화진단지표)를 설정 임계값과 비교하여 실화여부를 진단한다. 좀 더 구체적으로는, 현재의 엔진 상태(엔진 속도와 부하의 크기)에 따라 기록장치에서 대응되는 임계값을 불러와 실화진단지표와 비교함으로써 실화를 진단한다.

바람직하게는, 임계값을 적용함에 있어서는 폭발행정 시 크랭크각 센서가 인식하는 투스의 구간이 같은 기통끼리는 동일한 임계값을 적용하여 실화를 진단하도록 구성될 수도 있다. 여기서 「폭발행정 시 크랭크각 센서가 인식하는 투스의 구간이 같은 기통」이라 함은 크랭크축(또는 타켓 휠)의 회전을 기준으로 한 바퀴(360°) 위상 차를 두고 행정이 동일한 기통, 다시 말해 행정상 쌍을 이루는 기통을 의미한다.

예를 들어, 1번(Cyl 1)-3번(Cyl 3)-4번(Cyl 4)-2번(Cyl 2) 기통(실린더) 순으로 연소가 이루어지는 4기통 엔진일 경우, 실화 진단부(29)는 행정상 쌍을 이루는 1번과 4번 기통에 동일한 임계값(Threshold₁)을 적용하여 실화를 진단하고, 3번과 2번 기통에는 상기 임계값(Threshold₁)과는 다른 동일한 임계값(Threshold₂)를 적용하여 실화를 진단할 수 있음을 의미한다.

도 5는 실험데이터로서, 도 5의 (a)는 4기통 엔진에서 한 사이클 동안 실화 없이 4개의 기통 모두에서 정상적으로 점화가 이루어진 경우 추출되는 엔진 속도 커브이며, 도 5의 (b)는 1번과 4번 기통에 실화 신호를 보내 인위적으로 실화를 발생시켰을 때 추출되는 엔진 속도 커브를 나타낸 도면으로서, 앞선 도 3과 같이 L1과 L2가 이루는 각도(θ)를 실화진단지표로 사용한 경우를 예시한 도면이다.

정상점화에서는 기통 별 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생한다. 반면, 실화가 발생하면 엔진 속도를 가속시키는 에너지 추가가 없다. 이로 인해 도 5와 같이 실화진단지표는 실화와 정상점화에서 뚜렷하게 다른 양상을 띄게 된다(정상점화가 일어난 (a)의 1번, 3번 기통과 실화가 발생한 (b)의 1번, 3번 기통의 실화진단지표(θ) 참조).

본 발명은 이처럼 실화 여부에 따라 실화진단지표가 뚜렷하게 다른 양상으로 나타나는 점(도 5에서 정상점화가 일어난 (a)의 1번, 3번 기통과 실화가 발생한 (b)의 1번, 3번 기통의 실화진단지표(θ)가 확연하게 다르게 나타나는 점)을 이용하여 실화 여부를 진단하는 것이다.

실화 진단부(29)는 구체적으로, 실화진단지표가 기통 별로 대응되어 설정된 임계값의 경계를 넘어서면 실화로 진단할 수 있다. 이를 위해 본 실시 예에 적용된 상기 실화 진단부(29)는 L1과 L2 사이의 각도(θ)를 실화진단지표로 사용하는 경우, 사전에 대응되어 설정된 임계값의 경계를 넘어서는지 여부에 따라 실화를 진단하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

실화 여부를 판단함에 있어 기준이 되는 설정 임계값은, 엔진 부하(Load)와 속도(rpm) 별 정상점화와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 동일 모사 환경의 시뮬레이션이나 반복 실험을 통해 구하고, 구한 값을 전용 맵에 상기 엔진 부하(Load)와 엔진 속도(rpm) 2가지 인자에 대해 행렬 형태로 데이터화하여 저장한 값일 수 있다.

즉 현재 엔진 부하와 속도가 입력되면, 상기 전용 맵이 현재 엔진 부하와 속도 조건에 대응하는 임계값을 불러와 실화진단지표와 비교함으로써 실화를 신속하게 진단하도록 구성될 수 있다.

기통 별 실화진단 기준이 되는 설정 임계값을 구하는 절차에 대해서는 도 6 내지 도 10을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 6은 1번(Cyl 1)-3번(Cyl 3)-4번(Cyl 4)-2번(Cyl 2) 기통(실린더) 순으로 연소가 이루어지는 4기통 엔진에서 생성된 실화진단지표 분포를 나타내는 3차원 그래프로서, 엔진 부하와 속도를 달리하면서 사전에 설정된 타이밍에 사전에 설정된 기통(실린더)의 연료 분사를 차단하여 실화를 인위적으로 발생시켰을 때 실화진단지표의 분포를 도시한 그래프이다.

임계값 도출에 있어서는 먼저, 도 6과 같이 실화진단지표를 엔진 부하(Load)와 속도(rpm)를 인자로 갖는 3차원 그래프 상에 플로팅 한다. 참고로, 도 6에서 무수히 많은 회색점(Grey dot)이 정상 연소(Normal combustion) 시 실화진단지표의 분포를 나타내고, 유색점(Color dot)이 사전에 설정된 타이밍에 특정 기통에 실화(Misfire)를 발생시켰을 때 추출되는 실화진단지표의 분포를 나타낸다.

도 6에서 기통 별 실화진단지표를 의미하는 점들의 분포를 보면, 정상 연소와 실화가 명확하게 나뉘어 분포하는 것을 알 수 있다. 따라서 이하 설명하는 임계값 도출 과정의 큰 틀은, 정상 연소와 실화의 중간 영역에 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 임계평면을 만들고, 임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하에 대해 구간 별로 따로 추출하여 맵 형태로 기록하는 것이다.

임계값 도출 과정을 계속해서 살펴보면, 도 6과 같이 실화진단지표를 3차원 플로팅 한 다음 단계로, 도 6의 3차원 실화진단지표를 평면에서 본 2차원 평면 그래프 형태로 변환한다. 그리고 엔진 속도(rpm)와 부하(Load) 각각의 영역에 구간 별 실화진단지표의 대표값(구간 별 실화와 정상 연소를 구분할 수 있는 실화진단지표)을 추출하기 위하여 상기 변환된 2차원 그래프 상에 n*m의 격자망을 구성한다(도 7 참조).

그런 다음, 실화진단지표 중 상기 n*m 격자망의 각 격자 안에 위치하는 실화진단지표 값만을 추출한다. 참고로, 도 7은 격자망 형성을 위한 엔진 속도를 700, 1400, 300, 4000, 5000, 6000(단위 rpm)을 기준으로 ㅁ100(rpm) 폭으로 하고, 엔진 부하는 14, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90(단위 %)을 기준으로 14와 20은 ㅁ3, 30~ ~90까지는 ㅁ5를 폭으로 하여 6*9 격자망을 구성한 예를 도시한 시험 데이터이다.

물론, 도 7에서 격자망을 구성하는 2가지 인자의 폭(엔진 폭과 부하 폭)은 시험 데이터에 따라 변경이 가능하며, 구간 별 대표 엔진 속도(700, 1400, 300, 4000, 5000, 6000(단위 rpm)) 역시 시험 데이터에 변경 가능하므로, 도 7에 예시된 수치로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 7에서 파란색 굵은 선으로 표현된 박스(blue bold box)의 경우, (rpm, load) = (2900~3100, 55~65)가 되며, 대표값은 엔진 속도 3000에 엔진 부하 60이 된다. 참고로, 실화진단지표를 엔진 속도와 부하만으로 표현한 2차원 그래프 상태에서 도 7과 같은 격자 구간을 선정한 이유는 대표값에서의 실화진단지표값의 균질성을 최대한 확보하기 위함이다.

다음, 각 격자 안에서 추출된 실화진단지표 중 구간 별(각 격자 마다) 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 임의 선택해 임시 임계값으로 설정하되, 설정된 임시 임계값을 변화시켜 가며 실화 진단율을 계산한다. 예를 들어, 도 8과 같이 실화진단지표가 -0.5*10⁴ ~ 0.5*10⁴인 구간에서 임계값(임시 임계값)을 10씩 증가시켜 가면서 실화 진단율을 계산할 수 있다.

여기서, 실화 진단율은 임시 임계값을 실화 판정의 기준으로 삼아 엔진 속도와 부하를 달리하면서 중간중간 사전에 설정된 타이밍에 사전에 설정된 기통의 연료분사를 차단하여 인위적으로 발생시켰을 때 실제 실화로 진단된 비율을 의미한다. 즉 임시 임계값을 실화 판정의 기준으로 삼았을 때 인위적으로 발생시킨 실화 신호 중에서 실제 실화로 진단된 비율을 의미한다.

예컨대, 엔진 속도와 부하를 달리하면서 엔진 구동 중 총 100개의 실화를 인위적으로 발생시켰을 때, 상기 임시 임계값을 가지고 실화를 판정한 결과 실제 100개의 실화가 검출된 경우라면 실화 진단율은 1이 된다. 실화 진단율이 1이라는 것은 다시 말해, 해당 임시 임계값을 실화 판단의 기준으로 삼았을 때 오진단 없이 정확하게 실화를 진단한 것을 의미한다.

실화 진단율은 앞서 언급한 바와 같은 비율(실화 신호 중에서 실제 실화로 진단된 비율) 외에도, 실화 진단수와 실제 실화 신호 수의 비율(예컨대, 실화 진단수는 99개이고 실제 인가된 실화 신호 수는 100개인 경우 실화 진단율을 0.99가 됨) 또는 실화로 진단된 것 중에서 실화 신호인 비율로도 정의될 수 있다. 언급된 진단율은 모두 그 값이 1에 가까울수록 진단 정확도가 높아짐을 의미한다.

도 9는 (rpm, load) = (3000, 50)인 경우 임시 임계값(정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표)을 변화시켜 가면서 계산한 실화 진단율을 플로팅 시험 데이터로서, 임시 임계값을 -4000 ~ -1300 구간에서 설정했을 때 실화 진단율이 1을 유지하는 사례를 나타내는 시험 데이터이다.

도 9와 같은 그래프는 도 7과 같이 6*9 격자망을 구성한 경우, 격자(엔진 부하와 속도 구간 별)마다 하나씩 총 54개의 그래프를 도출하게 된다.

계속해서, 실화 진단율이 계산되면, 격자(엔진 부하와 속도 구간 별)마다 계산된 실화 진단율이 특정 범위로 유지되는 임계값 선정 구간(도 9에서 화살표로 표시된 구간)에서 최적값을 추출한 다음, 추출된 값(임계값 선정 구간의 최적값)을 도 10과 같이 3차원 그래프 상에 플로팅 함으로써 임계평면을 도출하게 된다.

여기서, 임계값 선정 구간을 결정하는 상기 실화 진단율의 특정 범위는 실화 진단율이 0.99 에서 1.01인 범위일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 시험 조건에 따라 약간의 변동이 있을 수 있으므로, 시험 조건에 따라 달라지는 데이터를 바탕으로 결정하는 것이 바람직하다.

그리고 실화진단지표의 최적값은 임계값 선정 구간(도 9에서 화살표로 표시된 구간)에 속한 실화진단지표 중 중간값이 바람직하나, 이 역시 시험 조건에 따라 약간의 변동이 있을 수 있으므로, 시험 조건에 따라 달라지는 데이터를 바탕으로 결정하는 것이 바람직하다.

도 10에서 회색점(Grey dot)과 유색점(Color dot)이 정상 연소와 실화 때의 실화진단지표를 각각 나타내며, 회색점(Grey dot)과 유색점(Color dot)을 구분하는 중간 영역에 평면 상으로 표현된 그림이 임계평면(격자마다 임계값 선정 구간의 최적값을 이용하여 도출한 평면)을 나타낸다.

도 10에서 중간중간 세로 방향 검정색의 막대는, 각 시험조건마다 전술한 실화 진단율을 도시한 도면(도 9)에서 실화 진단율이 1인 구간만 떼어내어 표시한 것이며, 적색 역삼각형은 실화 진단율이 1인 구간의 최적값, 바람직하게는 중간값의 위치를 나타낸 것으로, 여러 격자에서 검정 막대와 임계평면이 만나고 있는 것을 알 수 있다(가장 이상적인 임계값을 도출한 경우에 해당함).

한편, 도 10과 같이 임계평면이 도출되면, 도출된 임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하 2가지 인자에 대해 데이터 맵 형태로 저장함으로써 임계값 도출이 마무리되며, 경우에 따라서는 임계평면 도출 후 도출된 임계평면이 완만한 평면을 나타내도록 도 10에 도시된 바와 같은 플로팅 결과를 바탕으로 임계평면을 보정하는 과정을 거칠 수도 있다.

이하, 전술한 엔진의 실화 진단 장치에 의해 수행되는 실화 진단 과정을 도 11의 순서도를 참조하여 살펴보기로 한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 실화 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위해 도 1에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하며, 마찬가지로 4기통 엔진을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 실화 진단 장치에 의해 행해지는 실화 진단 과정은 크게, 선형 추세 제거단계(S100), 실화진단지표 생성단계(S200), 실화 진단단계(S300)를 포함한다. 이하 각 단계에서 행해지는 실화 진단을 위한 연산 또는 처리 과정에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

선형 추세 제거단계(S100)에서는 한 사이클 동안 타겟 휠(40)의 회전을 검출하여 크랭크각 센서(10)가 출력하는 투스 신호에서 선형 추세를 제거(Linear Detrend)한다. 크랭크각 센서가 출력하는 신호 데이터에서 선형 추세를 제거하지 않으면, 실화가 발생한 직후에 나타나는 Post Oscillation 현상이 기통 별 엔진 속도 변동에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

경우에 따라서는, 크랭크각 센서(10)의 특정 투스 신호만을 추려 처리할 신호 데이터의 양을 줄이고, 이를 통해 제어기가 부담해야 할 연산 부하를 크게 경감시키기 위해, 실화 진단에 필요한 신호만을 선별하여 선형추세를 제거할 수도 있다. 예를 들어, 기통 별 흡기행정 초기와 배기행정 말기, 그리고 엔진 속도 최대값과 최소값이 나타나는 타겟 휠의 위치에서만 투스 신호를 수집할 수 있다.

실화진단지표 생성단계(S200)에서는 선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 기통 별 신화진단지표를 생성한다. 좀 더 구체적으로는, 상기 S100 단계를 거쳐 선형 추세가 제거된 투스 신호 중 기통마다 사전에 설정된 특정 위치(타겟 휠의 회전위치)에서 출력되는 투스 신호를 이용하여 한 사이클 동안 기통마다 실화진단지표를 하나씩 생성한다.

예를 들어, 기통이 4개인 4기통 엔진이면 한 사이클에서 기통마다 하나씩 총 4개의 실화진단지표를 생성한다.

실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성되는 실화진단지표는 바람직하게, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)일 수 있다(도 3 참조).

참고로, 기통 별 실화진단지표 생성을 위한 투스 신호를 수집하는 위치는 기통 별로 4개씩 사전에 설정되어 저장된 타겟 휠의 회전위치일 수 있다. 2개는 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 타겟 휠(40)의 회전위치이고, 나머지 2개는 기통 별 엔진 속도 최대값(rpm_max)과 최소값(rpm_min)이 나타나는 타겟 휠의 회전위치일 수 있다.

다른 예로서 실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성되는 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)일 수도 있다(도 4의 (a) 참조).

또 다른 예로서, 실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성되는 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²)일 수도 있다(도 4의 (b) 참조).

경우에 따라서는, 실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성되는 상기 실화진단지표는 기통별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)일 수도 있다

또 다른 예로서, 실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성되는 상기 실화진단지표는, 선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기(도 4의 (c) 참조)이거나, 도면에 도시하지는 않았으나 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(기통 별로 사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기일 수도 있다.

실화 진단단계(S300)에서는 상기 실화진단지표 생성단계(S200)에서 생성된 기통 별 실화진단지표를 분석하여 기통 별 실화를 진단한다. 바람직하게는, S200단계에서 생성된 기통 별 상기 실화진단지표를 기록장치(예컨대, 전술한 전용 맵(임계값 맵)을 저장한 메모리)에 기록된 설정 임계값과 비교하여 실화 여부를 진단한다.

정상점화에서는 기통 별 폭발행정에서 엔진 속도를 가속시키는 에너지원이 발생한다. 반면, 실화가 발생하면 엔진 속도를 가속시키는 에너지 추가가 없다. 때문에 실화진단지표는 앞서 도 5에 예시한 바와 같이 실화와 정상점화에서 뚜렷하게 다른 양상으로 나타난다. 따라서 기동 별 실화진단지표에 관한 정보만 있으면 실화 발행 여부를 정확하게 진단할 수 있다.

실화 진단단계(S300)에서는 구체적으로, 실화 진단을 위한 설정 임계값을 적용함에 있어 폭발행정 시 크랭크각 센서가 인식하는 투스의 구간이 같은 기통(행정상 쌍을 이루는 기통)끼리 짝지어 동일한 임계값을 적용할 수 있다. 행정상 쌍을 이루는 기통끼리는 폭발행정 시 크랭크각 센서가 인식하는 투스의 구간이 같아 엔진 속도 프로파일이 거의 유사하게 나타나는 특성이 있기 때문이다.

한편, 실화 진단단계(S300)에서 실화 판단의 기준이 되는 상기 설정 임계값은 전술한 바와 같이,

이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따르면, 정상점화와 실화를 명확하게 구분할 수 있는 엔진 특성에 관한 몇 가지 정보(크랭크각 센서가 출력하는 신호로부터 알 수 있는 기통 별 흡입행정 초기 엔진 속도와 배기행정 말기 엔진 속도, 기통 별 엔진 속도 최대값과 최소값)만으로도 실화(Misfire)를 정확하게 진단할 수 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 : 크랭크각 센서
20 : 제어기
22 : 선형 추세 제거부
24 : 실화진단지표 생성부
29 : 실화 진단부
30 : 크랭크축
40 : 타켓 휠
50 : 점화코일
60 : 연료인젝터

Claims

타겟 휠의 투스(Tooth)를 인식한 크랭크각 센서가 출력하는 투스 신호(Tooth time signal)를 이용하여 엔진의 실화 여부를 진단하는 방법으로서,
a) 한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 선형 경향 성분을 빼 엔진의 시종(始終) 속도를 같게 하는 선형 추세 제거단계;
b) 선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 실화진단지표를 생성하는 실화진단지표 생성단계;
c) 상기 b)단계에서 추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 실화여부를 진단하는 실화 진단단계;를 포함하며,
상기 설정 임계값은,
실화진단지표를 엔진 부하(Load)와 속도(rpm)를 인자로 갖는 3차원 그래프 상에 플로팅 하는 단계;
3차원 플로팅된 실화진단지표를 평면에서 본 2차원 평면 그래프 형태로 변환하고, 엔진 속도(rpm)와 부하(Load) 각각의 영역에 구간 별 실화진단지표의 대표값을 추출하기 위하여 상기 변환된 2차원 그래프에 n*m의 격자망을 구성하는 단계;
실화진단지표 중 상기 n*m 격자망의 각 격자 안에 위치하는 실화진단지표 값만을 추출하는 단계;
각 격자 안에서 추출된 실화진단지표 중 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 임의 선택해 임시 임계값으로 설정하되, 설정된 임시 임계값을 변화시켜 가며 격자마다 실화 진단율을 계산하는 단계;
격자마다 계산된 실화 진단율이 특정 범위로 유지되는 임계값 선정 구간의 최적값을 추출하여 3차원 그래프 상에 플로팅 함으로써 임계평면을 도출하는 단계;
임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하 2가지 인자에 대해 데이터 맵 형태로 저장하는 단계;를 거쳐 추출되는 엔진의 실화 진단 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
임계평면 도출 후 도출된 임계평면이 완만한 평면을 나타내도록 플로팅 결과를 바탕으로 임계평면을 보정하는 단계;를 더 포함하는 엔진의 실화 진단 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 실화 진단율은,
인위적으로 발생시킨 실화 신호 중에서 실제 실화로 진단된 비율, 실화 진단수와 실화 신호 수의 비율, 실화로 진단된 것 중에서 실화 신호인 비율 중 어느 하나인 엔진의 실화 진단 방법.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)인 엔진의 실화 진단 방법.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)으로 정의되는 엔진의 실화 진단 방법.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²) 또는 기통 별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)인 엔진의 실화 진단 방법.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기 또는 상기 엔진 속도 커브 상에서 기통 별 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기인 엔진의 실화 진단 방법.
엔진 실화 여부를 진단하는 장치로서,
엔진 크랭크축의 타겟 휠(Target wheel) 둘레에 배치되어 엔진 속도 계산에 필요한 투스 신호(Tooth time signal)를 생성하는 크랭크각 센서;
상기 크랭크각 센서의 투스 신호로부터 한 사이클의 엔진 속도 변화를 분석하고 분석 결과를 이용하여 실화(Misfire) 여부를 진단하는 제어기;를 포함하며,
상기 제어기는,
한 사이클 동안 상기 크랭크각 센서가 출력하는 모든 투스 신호로부터 산출되는 엔진 속도에서 선형 경향 성분을 빼 엔진의 시종(始終) 속도를 같게 하는 선형 추세 제거부와,
선형 추세가 제거된 투스 신호를 이용하여 기통 별 실화진단지표를 생성하는 실화진단지표 생성부와,
추출된 실화진단지표를 설정 임계값과 비교하여 기통 별 실화여부를 진단하는 실화 진단부로 구성되고,
상기 설정 임계값은,
실화진단지표를 엔진 부하(Load)와 속도(rpm)를 인자로 갖는 3차원 그래프 상에 플로팅 하고,
3차원 플로팅된 실화진단지표를 평면에서 본 2차원 평면 그래프 형태로 변환하고, 엔진 속도(rpm)와 부하(Load) 각각의 영역에 구간 별 실화진단지표의 대표값을 추출하기 위하여 상기 변환된 2차원 그래프에 n*m의 격자망을 구성하며,
실화진단지표 중 상기 n*m 격자망의 각 격자 안에 위치하는 실화진단지표 값만을 추출하고,
각 격자 안에서 추출된 실화진단지표 중 정상 연소와 실화를 구분할 수 있는 실화진단지표를 임의 선택해 임시 임계값으로 설정하되, 설정된 임시 임계값을 변화시켜 가며 격자마다 실화 진단율을 계산하며,
격자마다 계산된 실화 진단율이 특정 범위로 유지되는 임계값 선정 구간의 최적값을 추출하여 3차원 그래프 상에 플로팅 함으로써 임계평면을 도출하고,
임계평면 상에 존재하는 실화진단지표를 엔진 속도와 부하 2가지 인자에 대해 데이터 맵 형태로 저장하는 과정을 통해 추출되는 엔진의 실화 진단 장치.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 실화진단지표 생성부가 추출하는 상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)과 엔진 속도 최대값과 최소값을 연결한 선(L2)이 이루는 각도(θ)인 엔진의 실화 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 실화진단지표 생성부가 추출하는 상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)에서 엔진 속도 최대값과 최소값까지의 최단 거리(D1, D2)의 곱(D1*D2)인 엔진의 실화 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 실화진단지표 생성부가 추출하는 상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이(rpm_max- rpm_min) 또는 엔진 속도 최대값과 최소값의 차이의 제곱((rpm_max- rpm_min)²) 또는 기통 별 엔진속도 최대값의 제곱과 최소값의 제곱의 차이(rpm_max ²- rpm_min ²)인 엔진의 실화 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 실화진단지표 생성부가 추출하는 상기 실화진단지표는,
선형 추세가 제거된 투스 신호로부터 생성되는 한 사이클 동안의 엔진 속도 커브 상에서 흡입행정 초기와 배기행정 말기 각각의 엔진 속도를 연결한 선(L1)의 기울기 또는 상기 엔진 속도 커브 상에서 사전에 설정된 두 점을 연결한 선(기통 별로 사전에 설정된 두 특정 위치의 엔진 속도를 연결한 선)의 기울기인 엔진의 실화 진단 장치.