KR20130066938A - 디젤엔진의 연소 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 연소압력을 측정하지 않고 진동을 통하여 연소실의 최대압력을 추정하고 연료분사시기를 제어할 수 있는 디젤엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법은, 엔진에서 발생하는 진동을 측정하는 진동측정단계(S120)와, 상기 진동측정단계(S120)에서 측정된 진동데이터에서 최대압력발생위치(LPP)가 예측되는 범위를 설정하는 측정영역설정단계(S130)와, 상기 측정영역설정단계(S130)에서 설정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환하는 주파수변환단계(S140)와, 상기 주파수변환단계(S140)에서 변환된 주파수응답함수를 적산하는 주파수적산단계(S150)와, 상기 주파수적산단계(S150)에서 적산된 주파수응답함수에서 최대압력발생위치를 선정하는 LPP검출단계(S160)와, 검출된 LPP위치로 LPP 옵셋과 연소개시시기(SOC) 옵셋을 선정하는 추정값산출단계(S170)와, 상기 추정값산출단계(S170)에서 산출된 추정 LPP값과 추정 SOC값을 목표 LPP값과 목표 SOC값과 비교하여 에러를 산출하는 에러산출단계(S180)와, 상기 에러산출단계(S180)에서 산출된 값을 이용하여 연소를 보정하여 제어하는 연소보정단계(S190)를 포함한다.

Description

디젤엔진의 연소 제어 방법{Method for controlling of combustion in diesel engine}
본 발명은 디젤엔진의 연소 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직접 연소압력을 측정하지 않고 진동을 통하여 연소실의 최대압력을 추정하고 연료분사시기를 제어할 수 있는 디젤엔진의 연소 제어 방법에 관한 것이다.
디젤엔진에는 연소 제어를 위하여, 종래에는 직접 실린더 내부의 압력을 측정하여, 측정된 실린더의 압력을 연소 제어에 이용하였다.
예컨대, 종래기술에 따른 연소 제어 방법에 따르면, 실린더의 내부에 직접 압력센서를 장착하고, 엔진에 엔진회전수, 엔진부하, 크랭크각도 센서를 장착하고, 측정된 실린더 압력, 엔진회전수, 엔진부하 및 크랭크각도를 이용하여 엔진을 제어하였다
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진의 운전이 시작되면(S210), 크랭크 각도에 따라서 연소실의 연소압력을 측정하여(S220), 측정된 실린더의 압력을 이용하여 MFB(mass fraction burning) 50이 되는 크랭크각도를 측정하고(S230), 엔진의 운전에 따라 MFB 50이 되는 지점을 측정하고, 목표 MFB50과 계산된 MFB50를 비교하여 보정값을 산출하며(S240), 이렇게 산출된 보정값을 이용하여 주분사시기를 보정하여 제어한다(S250).
그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에 따르면, 제어를 위해서 직접 실린더의 내부에 압력센서를 장착해야 하는데, 압력센서는 가격이 비싸고, 크랭크각을 기준으로 압력을 측정하여 제어에 필요한 인자를 얻어내야 하는 단점이 있다.
또한, 각 개별 실린더에 고가의 압력센서를 설치하고, 이를 연결하는 와이어를 구비해야 하므로, 차량의 제작단가가 상승하는 문제점이 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '디젤 엔진용 연소 제어 방법'에 관한 것으로서, 연소압 센서를 대체하여 디젤 엔진의 연소를 제어하는 방법에 대하여 개시되어 있다.
KR 10-2010-0060724 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 실린더의 내부에 압력센서를 설치하지 않더라도, 엔진블록에 진동을 측정할 수 있는 센서를 구비하여, 최고압력 발생시기와 점화시작시기를 추정하여 연소시기를 제어할 수 있는 디젤엔진의 연소 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법은, 디젤엔진에서 연소시기를 제어하는 연소를 제어하는 방법에 있어서, 엔진에서 발생하는 진동을 측정하는 진동측정단계와, 상기 진동측정단계에서 측정된 진동데이터에서 최대압력발생위치(LPP)가 예측되는 범위를 설정하는 측정영역설정단계와, 상기 측정영역설정단계에서 설정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환하는 주파수변환단계와, 상기 주파수변환단계에서 변환된 주파수응답함수를 적산하는 주파수적산단계와, 상기 주파수적산단계에서 적산된 주파수응답함수에서 최대압력발생위치를 선정하는 LPP검출단계와, 검출된 LPP위치로 LPP 옵셋과 연소개시시기(SOC) 옵셋을 선정하는 추정값산출단계와, 상기 추정값산출단계에서 산출된 추정 LPP값과 추정 SOC값을 목표 LPP값과 목표 SOC값과 비교하여 에러를 산출하는 에러산출단계와, 상기 에러산출단계에서 산출된 값을 이용하여 연소를 보정하여 제어하는 연소보정단계를 포함한다.
상기 연소보정단계는, 연료분사시기를 보정하여 연료분사시기를 제어하는 연료분사시기보정단계와, 연료분사량을 보정하는 연료분사량보정단계를 포함한다.
상기 진동측정단계는, 엔진에 부착된 진동센서로부터 입력된 진동을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수변환단계에서는, 2~2.5 kHz 대역을 기준으로 변환하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 주파수변환단계에서는, 웨이블릿(wavelet)변환으로 진동신호를 주파수신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 추정값산출단계에서 산출된 LPP 옵셋과 SOC 옵셋은 맵으로 구성되어 ECU에 저장된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소시기제어 방법에 따르면, 고가의 압력센서를 각 개별실린더에 설치하지 않고 엔진블록에 진동을 측정할 수 있는 진동센서 하나만 설치하여 엔진의 진동을 측정함으로써, LPP와 SOC 추정을 통하여 디젤엔진의 연소 제어가 가능하다.
또한, 개별 실린더에 설치되던 압력센서에 비하여, 진동센서는 비접촉식 센서로서 영구적으로 사용이 가능하다.
아울러, 개별 압력센서를 설치하고, 이를 와이어링하는 과정이 생략되므로, 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법을 도시한 블록도,
도 2는 종래기술에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법을 도시한 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에서 분사시기와 측정된 진동을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에서 LPP 발생 예상 위치를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에서, 웨이블릿(wavelet) 변환과정을 도시한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에서 주파수적산과정을 도시한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법에서 제어원리를 도시한 블록도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 디젤엔진의 연소 제어 방법은, 엔진에서 발생하는 진동을 측정하는 진동측정단계(S120)와, 상기 진동측정단계(S120)에서 측정된 진동데이터에서 최대압력발생위치(LPP, Location of the Peak Pressure)가 예측되는 범위를 설정하는 측정영역설정단계(S130)와, 상기 측정영역설정단계(S130)에서 설정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환하는 주파수변환단계(S140)와, 상기 주파수변환단계(S140)에서 변환된 주파수응답함수를 적산하는 주파수적산단계(S150)와, 상기 주파수적산단계(S150)에서 적산된 주파수응답함수에서 최대압력발생위치를 선정하는 LPP검출단계(S160)와, 검출된 LPP위치로 LPP 옵셋과 연소개시시기(SOC, Start of Combustion) 옵셋을 선정하는 추정값산출단계(S170)와, 상기 추정값산출단계(S170)에서 산출된 추정 LPP값과 추정 SOC값을 목표 LPP값과 목표 SOC값과 비교하여 에러를 산출하는 에러산출단계(S180)와, 상기 에러산출단계(S180)에서 산출된 값을 이용하여 연소를 보정하여 제어하는 연소보정단계(S190)를 포함한다.
진동측정단계(S120)는 엔진이 구동(S110)된 이후에, 엔진블록에 장착된 진동센서를 통하여 엔진에서 발생되는 진동을 측정하는 과정이다. 본 발명은 연소실의 압력을 직접 측정하는 것이 아니라, 연소에 의해 발생하는 진동의 주파수를 이용하여 연소를 제어한다. 도 5의 (a)에서와 같이, 일정한 주기로 연료가 분사되어 연소되면, 엔진블록에 설치된 진동센서를 통하여 실린더내에서 연소 후 엔진블록의 진동센서로 가진력 전달에 의한 지연을 두고, 도 5의 (b)와 같은 블록진동을 취득하게 된다. 엔진에서 연소가 지속되는 동안 계속해서 진동센서는 엔진의 진동을 측정하여 ECU로 전달한다.
측정영역설정단계(S130)에서는 사전 시험을 통하여 주분사 시기로부터 엔진회전수, 토크 등과 같은 운전조건에 따라 최대압력발생위치(LPP, Location of the Peak Pressure)의 예상되는 구간을 예측하기 위한 측정영역을 설정한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 주분사 이후 일정 시간 이후(window offset)에 LPP가 나타나므로, 주분사 이후 일정 시간 이후로부터 앞뒤로 일정영역이 된다.
여기서, 주분사 이후 LPP발생될 것으로 예측되어 측정영역은 크랭크각 기준으로 LPP 발생 예상위치에서 전후 3도가 되도록 할 수 있다.
주파수변환단계(S140)는 측정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환하는 과정이다. 진동센서로부터 획득한 진동신호는 연소의 제어에 사용할 수 없기 때문에, 일정의 가속도신호인 측정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환한다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 진동센서로부터 취득한 진동신호를 Meyer Wavelet 변환을 통하여 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 주파수응답함수로 변환한다. 이때, 적용된 식은 다음과 같다.
Figure pat00001
(여기서, a는 압축계수로서 주파수 성분에 해당하고, b는 시간지연계수로서 시간성분에 해당하며, Wf는 웨이블릿 변환(Wavelet Transform) 값이다.)
Wavelet은 디지털 신호 처리 및 이미지 압축에 사용되는 유용한 수학 함수로서, 한 파장의 파형을 기본 파형으로 하여, 그 크기와 위치를 변화시켜 상관관계를 밝히는데 사용되며, 특히 노이즈 처리에 많이 사용된다. 이중에서, 본 발명은 Meyer wavelet을 이용하여 진동신호를 주파수신호를 변환시킨다.
이때, 변환되는 주파수 영역은 연소와 상관성이 높은 것으로 판단되는 2~2.5 kHz 대역을 기준으로 변환한다.
주파수적산단계(S150)에서는 변환된 주파수응답함수를 적산한다. 이때, 적산하는 구간은 앞서 언급된 주파수인 2~2.5 kHz 구간에 대하여 다음 식에 의해 적산한다.
Figure pat00002
주파수응답함수를 적산하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 적산된 값이 최대인 시점은 최종 LPP 시점으로부터 진동이 전달되는 데 소요되는 옵셋이 적용되므로, 적산된 값이 최대인 시점으로부터 기 설정된 옵셋 이전에서 최종 LPP가 검출된다(S160).
추정값산출단계(S170)는 상기 LPP검출단계(S160)에서 검출된 LPP위치로 LPP 옵셋과 SOC 옵셋을 선정한다. 즉, 실제 측정된 LPP, SOC와 앞에서 적산된 CWT(Continuous Wave Transform)사이의 옵셋을 맵으로 구성한다. 맵으로 구성된 LPP 옵셋과 SOC 옵셋은 ECU에 저장된다.
에러산출단계(S180)에서는 추정된 LPP와 SOC를 목표 LPP와 SOC와 비교하여 그 차이, 즉 에러를 산출한다. LPP에러(ε_LPP)는 'LPP_목표 - LPP_추정'이 되고, SOC에러(ε_SOC)는 'SOC_목표 - SOC_추정'이 된다. 여기서, LPP와 SOC의 목표값은 운전조건으로부터 획득한다.
연소보정단계(S190)는 앞서서 설명한 일련의 과정을 통하여 산출된 에러를 적용하여 연소를 보정함으로써, 연소를 제어하는 단계이다. 도 9에 도시된 바와 같이, PI컨트롤러는 앞서 설정된 LPP 에러와 SOC 에러를 적용하여 주분사와 파일럿분사를 포함한 엔진의 연료 분사시기를 보정하고(S191), 연료 분사량을 보정한다(S192).
상기의 연소보정단계(S190)가 수행된 이후에는 다시 진동측정단계(S120)로 리턴되어 진동을 측정하고, 일련의 과정을 거쳐 에러를 산출하여 재보정된 값을 엔진에 연료를 분사하는 시기와 분사량을 제어하는 과정을 반복 수행한다.

S110 : 엔진구동단계 S120 : 진동측정단계
S130 : 측정영역설정단계 S140 : 주파수변환단계
S150 : 주파수적산단계 S160 : LPP검출단계
S170 : 추정값산출단계 S180 : 에러산출단계
S190 : 연소보정단계

Claims (6)

  1. 디젤엔진에서 연소시기를 제어하는 연소를 제어하는 방법에 있어서,
    엔진에서 발생하는 진동을 측정하는 진동측정단계(S120)와,
    상기 진동측정단계(S120)에서 측정된 진동데이터에서 최대압력발생위치(LPP, Location of the Peak Pressure)가 예측되는 범위를 설정하는 측정영역설정단계(S130)와,
    상기 측정영역설정단계(S130)에서 설정된 진동신호를 주파수응답함수로 변환하는 주파수변환단계(S140)와,
    상기 주파수변환단계(S140)에서 변환된 주파수응답함수를 적산하는 주파수적산단계(S150)와,
    상기 주파수적산단계(S150)에서 적산된 주파수응답함수에서 최대압력발생위치를 선정하는 LPP검출단계(S160)와,
    검출된 LPP위치로 LPP 옵셋과 연소개시시기(SOC, Start of Combustion) 옵셋을 선정하는 추정값산출단계(S170)와,
    상기 추정값산출단계(S170)에서 산출된 추정 LPP값과 추정 SOC값을 목표 LPP값과 목표 SOC값과 비교하여 에러를 산출하는 에러산출단계(S180)와,
    상기 에러산출단계(S180)에서 산출된 값을 이용하여 연소를 보정하여 제어하는 연소보정단계(S190)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소보정단계(S190)는,
    연료분사시기를 보정하여 연료분사시기를 제어하는 연료분사시기보정단계(S191)와,
    연료분사량을 보정하는 연료분사량보정단계(S192)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동측정단계(S120)는, 엔진에 부착된 진동센서로부터 입력된 진동을 측정하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주파수변환단계(S140)에서는, 2~2.5 kHz 대역을 기준으로 변환하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주파수변환단계(S140)에서는, 웨이블릿(wavelet)변환으로 진동신호를 주파수신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 추정값산출단계(S170)에서 산출된 LPP 옵셋과 SOC 옵셋은 맵으로 구성되어 ECU에 저장되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 연소 제어 방법.
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