[논문]커먼레일 엔진에서 노킹 진단 알고리즘 구현 및 OBD-II 진단기 S/W 설계 방안

김화선; 장성진; 남재현; 장종욱

doi:10.6109/jkiice.2012.16.11.2446

커먼레일 엔진에서 노킹 진단 알고리즘 구현 및 OBD-II 진단기 S/W 설계 방안
Implement of Knocking diagnostic algorithm and design of OBD-II Diagnostic system S/W on common-rail engine 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.11, 2012년, pp.2446 - 2452

김화선 (동의대학교 컴퓨터공학과) , 장성진 (동의대학교 컴퓨터공학과) , 남재현 (신라대학교 IT학과) , 장종욱 (동의대학교 컴퓨터공학과)

초록
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국내외의 배출가스 규제 강화에 부합하기위하여, 사용자 의도에 따른 연료 분사시기와 분사량 조절이 가능한 커먼레일 ECU를 제어할 수 있는 알고리즘 개발의 필요에 따라서 본 논문에서는 커먼레일 엔진 전용 ECU에 적용할 수 있는 노킹 판별 및 엔진 밸런스 보정이 가능한 노킹 진단 알고리즘을 구현하여 시뮬레이터로 개발하였다. 또한 운전자가 직접 차량을 진단하는 운전자 중심의 진단 서비스를 제공하고자 시뮬레이터의 결과를 OBD-II 표준에 의거하는 차량 위주의 진단기로 개발하고자 한다. 이를 위해 자동차 고장진단 신호 및 센서 출력 신호를 송수신하는 유선 시스템과 무선 시스템인 블루투스 모듈을 이용하여 실시간 통신이 제공될 수 있는 OBD-II 진단기 S/W 설계방안을 제안함으로써 차량의 연비향상 및 유해가스 저감을 통한 엔진의 효율성 향상을 실현하도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to meet the recently enhanced emission standards at home and abroad, it is necessary to develop the CRDI ECU control algorithm that users can adjust fuel injection timing and amount in response to their needs. Therefore, this study developed the simulator for knocking analysis that enables knocking discrimination and engine balance correction applicable to the ECU exclusive to the industrial CRDI engine. The purpose of this study is to provide the driver-oriented diagnostic service that enable drivers to diagnose vehicles directly by developing diagnostic devices for vehicles with ths use of the results of the developed simulator for knocing analysis according to the OBD-II standards. For this purpose, this study aims to improve the fuel efficiency of vehicles by proposing the S/W design method of the OBD-II diagnosis device that can provide real-time communcations with the use of wired system and bluetooth module as a wireless system to send and recevice automobile fault diagnosis signal and sensor output signal, and to suggest an improvement for engine efficiency by minimizing the generation of harmful exhaust gas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

OBD-II 진단기를 통해 OBD-II 네트워크의 프로토콜을 분석하여 자동차의 현재 운전 상태정보를 수집하고, 수집된 정보를 가공하여 운전자가 보기 쉽도록 윈도우용 프로그램으로 개발하고자 한다, 또한 블루투스 네트워크를 이용해 언제 어디서나 운전자가 자동차 현재 상태를 스마트폰에서 볼 수 있게 제공하는 서비스 플랫폼에 대해 개발한다.
또한 CRDI 엔진 전자제어컨트롤러의 이상을 실시간으로 알려주어 이상 현상을 미연에 차단할 수 있도록 하기 위해 PC를 기반으로 만들어진 진단기 프로그램을 스마트폰에서 사용할 수 있는 안드로이드 어플리케이션으로 개발하여 앱을 통한 자동차 진단이 가능하도록 한다.
본 연구에서는 CRDI 엔진 제어 ECU의 입력 요소 중시동시 분사시기를 결정하는 중요한 두 개의 센서 CPS 와 CMP 센서의 작동원리를 이용하여 사용자의 요구대로 분사시기와 분사량 제어 등이 가능한 산업용 CRDI 디젤엔진 전용 ECU에 적용할 수 있는 노킹판별 및 엔진 밸런스 보정이 가능한 노킹 분석 시뮬레이터를 개발하였다.
본 연구에서는 ECU의 정보중 시동시 분사시기를 결정하는 중요한 두 개의 입력 센서값인 CKP와 CMP를 사용하여 CRDI ECU의 노킹을 판별하고 엔진 밸런스 보정 알고리즘을 개발하였다.
본 연구에서는 시뮬레이터에서 제어 센서 값을 수집하여 차량의 Knocking 판별 기준을 제공 할 수 있는 알고리즘을 구현한다. 그림 2는 시뮬레이터에서 제어 센서 값을 받기 위한 구성도이다.
이러한 배경으로 인해 본 연구에서는 사용자가 요구 하는 대로 분사시기와 분사량 제어 등이 가능한 CRDI 디젤엔진 전용 Emulator를 개발하여 엔진성능 향상 및 배기가스 저감을 위한 연구에 적용하고자 한다.

제안 방법

그림 2는 시뮬레이터에서 제어 센서 값을 받기 위한 구성도이다. CRDI 엔진이 탑재 되어진 차량 또는 엔진 시뮬레이터에서 Encoder 또는 CPS(Crankshaft Position /angle Sensor)를 통해 노킹 센서 및 중요한 엔진 제어 센서 측정을 위해 DAQ 보드를 이용 하여 센서 값들을 수집 하고, 노트북과 USB 통신을 통하여 데이터를 노트북으로 전송하여 값들을 분석한다. 이 값들을 이용하여 향상된 CRDI 엔진 제어 커스터마이즈 맵핑을 위하여, 유용한 센서정보들을 분석 및 가공하여 최적의 Knocking 판별 기준을 제공 할 수 있는 Knocking 판별 및 보정 알고리즘을 구현한다.
NI USB-6529와 BNC-2110 Controller 장치를 사용하여 데이터를 수집하고 수집된 데이터는 NI Labview 2010 소프트웨어를 기반으로 알고리즘을 개발한다. 크랭크축과 캠 샤프트 장비에 모터를 장착한 자동차의 CPS와 CMP 신호를 생성하는 엔진 시뮬레이터 장비를 구성하였고, 노킹의판단 기준을분석하기 위해 크랭크 축의 톤 휠의 특정 부분 돌기를 각도 및 참조점(messing tooth)의 위치를 달리하여 여러 개의 톤 휠을 제작하였다.
본 연구에서는 시뮬레이터의 센서 값을 DAQ 보드를 통해 수집하여 노킹 판단 및 엔진 밸런스 보정 알고리즘을 개발하였다. knocking 판별 알고리즘 구현을 통하여 노킹을 판별 하고, 롱투스 판별 알고리즘 구현으로 정확한 노킹이 발생된 지점 및 실린더를 알 수 있으므로 연료분사시기를 제어할수 있게 되었고, 엔진밸런스 보정알고리즘의 구현으로 불량 실린더를 찾아 연료 분사량을 조절할 수 있도록 하였다. 또한 OBD-II 진단기를 사용하여 노킹 분석 시뮬레이터의 데이터와 자동차 고장진단 신호 및 센서 출력 신호를 블루투스 모듈을 이용하여 스마트폰으로 실시간 통신을 제공 할 수 있는 OBD-II 진단 시스템의 설계방안을 제안함으로서, 향후 차량의 연비를 향상시키고, 유해 배출가스 발생을 최소화하여 엔진의 효율성 향상을 실현할 수 있도록 한다.
그림 11은 엔진 밸런스 보정 알고리즘의 수행 결과이다. 각 상사점의 6~36˚까지의 평균 속도를 나타낸 그래프이며, 평균속도의 정확한 계산을 위해 사이클과 상사점 시작 각도, 마지막 각도를 직접 입력하여 평균 속도를 측정하여 실린더의 불량을 판별하도록 하였다. 확인 결과 3번과 4번 실린더에서 이상 현상이 발견됨을 알 수 있다.
개발한 노킹 분석 시뮬레이터의 결과를 OBD-II 표준을 사용하여 차량 위주의 진단기 프로그램을 개발하여 운전자가 직접 차량을 진단할 수 있는 운전자 중심의 진단 서비스를 제공하고자 한다.
knocking 판별 알고리즘 구현을 통하여 노킹을 판별 하고, 롱투스 판별 알고리즘 구현으로 정확한 노킹이 발생된 지점 및 실린더를 알 수 있으므로 연료분사시기를 제어할수 있게 되었고, 엔진밸런스 보정알고리즘의 구현으로 불량 실린더를 찾아 연료 분사량을 조절할 수 있도록 하였다. 또한 OBD-II 진단기를 사용하여 노킹 분석 시뮬레이터의 데이터와 자동차 고장진단 신호 및 센서 출력 신호를 블루투스 모듈을 이용하여 스마트폰으로 실시간 통신을 제공 할 수 있는 OBD-II 진단 시스템의 설계방안을 제안함으로서, 향후 차량의 연비를 향상시키고, 유해 배출가스 발생을 최소화하여 엔진의 효율성 향상을 실현할 수 있도록 한다.
본 연구에서 사용될 S/W는 On-Board의 OBD-Ⅱ 커넥터를 통해 차종에 맞는 프로토콜을 분석하여 차량 정보를 수집하고 수집된 정보를 가공 처리하여 운전자가 보기 쉽게 윈도우 프로그램 S/W 개발을 한다.
본 연구에서는 시뮬레이터의 센서 값을 DAQ 보드를 통해 수집하여 노킹 판단 및 엔진 밸런스 보정 알고리즘을 개발하였다. knocking 판별 알고리즘 구현을 통하여 노킹을 판별 하고, 롱투스 판별 알고리즘 구현으로 정확한 노킹이 발생된 지점 및 실린더를 알 수 있으므로 연료분사시기를 제어할수 있게 되었고, 엔진밸런스 보정알고리즘의 구현으로 불량 실린더를 찾아 연료 분사량을 조절할 수 있도록 하였다.
본 절에서는 설계한 시뮬레이터에서 수집된 센서의 값을 이용하여 노킹 판별 및 엔진 밸런스 보정 알고리즘 개발하였다. 그림8은 개발된 프로그램의 메인화면으로 시뮬레이터에서 실시간 수집된 CPS 및 TDC 신호의 파형을 확인 할 수 있다.
CRDI 엔진이 탑재 되어진 차량 또는 엔진 시뮬레이터에서 Encoder 또는 CPS(Crankshaft Position /angle Sensor)를 통해 노킹 센서 및 중요한 엔진 제어 센서 측정을 위해 DAQ 보드를 이용 하여 센서 값들을 수집 하고, 노트북과 USB 통신을 통하여 데이터를 노트북으로 전송하여 값들을 분석한다. 이 값들을 이용하여 향상된 CRDI 엔진 제어 커스터마이즈 맵핑을 위하여, 유용한 센서정보들을 분석 및 가공하여 최적의 Knocking 판별 기준을 제공 할 수 있는 Knocking 판별 및 보정 알고리즘을 구현한다.
이를 위해, 기존의 진단기의 한정된 서비스에서 소비자에게 보다 향상된 서비스 제공을 위한 자동차 관리 및 진단, 차량편의 장치제어 등의 기능을 추가하여 차량의 현재 상태를 알 수 있는 유용한 센서정보들을 커스터마이즈맵핑을 통해 알기쉬운 UI를 적용한 PC용 진단기를 제시한다.
NI USB-6529와 BNC-2110 Controller 장치를 사용하여 데이터를 수집하고 수집된 데이터는 NI Labview 2010 소프트웨어를 기반으로 알고리즘을 개발한다. 크랭크축과 캠 샤프트 장비에 모터를 장착한 자동차의 CPS와 CMP 신호를 생성하는 엔진 시뮬레이터 장비를 구성하였고, 노킹의판단 기준을분석하기 위해 크랭크 축의 톤 휠의 특정 부분 돌기를 각도 및 참조점(messing tooth)의 위치를 달리하여 여러 개의 톤 휠을 제작하였다.
평균속도의 정밀한 측정을 위해 사이클과 상사점 시작 각도, 마지막 각도를 직접 입력하여 평균속도 값의 오차를 줄여 정확하게 실린더의 불량을 판별하도록 하였다.

성능/효과

각 상사점의 6~36˚까지의 평균 속도를 나타낸 그래프이며, 평균속도의 정확한 계산을 위해 사이클과 상사점 시작 각도, 마지막 각도를 직접 입력하여 평균 속도를 측정하여 실린더의 불량을 판별하도록 하였다. 확인 결과 3번과 4번 실린더에서 이상 현상이 발견됨을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 CAN 통신과 ISO 방식을 수행하여 차량의 상태정보를 실시간으로 확인하여 수집·저장하여이 수치들을 윈도우용 프로그램이나 블루투스를 통해 스마트폰으로 전달되어 운전자에게 보여 줄 수 있게 개발될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 생산되고 있는 중소형 디젤 차량에는 어떤 엔진이 장착되는가?	지난 20여 년 동안 엔진기술 분야에서는 배출가스 규제 강화에 대응하기 위한 수많은 연구개발이 이루어졌으며, 중대형 차량 및 건설 중장비 등의 핵심 동력 장치로 사용되는 상용 디젤엔진은 환경 공해 및 에너지 소비 등에 미치는 영향도가 매우 크기 때문에, 공해 규제도 가장 엄격하며, 디젤 엔진의 기술을 견인하여 오고 있다. 따라서 현재 생산되고 있는 중소형 디젤 차량에서는 배출가스규제를 만족하기 위해서 모두 전자제어디젤엔진 즉, CRDI 엔진을 채택하고 있다. CRDI 엔진에서는 연료의 분사량과 시기를 ECU가 판단하고 조절한다.
	CRDI 엔진의 ECU센서는 어떻게 연료분사량과 시기를 조절하는가?	CRDI 엔진에서는 연료의 분사량과 시기를 ECU가 판단하고 조절한다. ECU는 센서에서 보내온 엔진속도, 크랭크각, 연료압력, 흡기온도 등 정보를 분석하여 분사시기와 분사량을 결정하여 최적의 조건으로 연료 분사가 이루어지게 하여 연비를 향상시키고, 유해배출가스의 발생을 최소화시키도록 커먼레일 시스템을 제어하는 것이다[1][2].
	상용 디젤엔진이 공해 규제도가 가장 엄격한 이유는 무엇인가?	지난 20여 년 동안 엔진기술 분야에서는 배출가스 규제 강화에 대응하기 위한 수많은 연구개발이 이루어졌으며, 중대형 차량 및 건설 중장비 등의 핵심 동력 장치로 사용되는 상용 디젤엔진은 환경 공해 및 에너지 소비 등에 미치는 영향도가 매우 크기 때문에, 공해 규제도 가장 엄격하며, 디젤 엔진의 기술을 견인하여 오고 있다. 따라서 현재 생산되고 있는 중소형 디젤 차량에서는 배출가스규제를 만족하기 위해서 모두 전자제어디젤엔진 즉, CRDI 엔진을 채택하고 있다.

참고문헌 (4)

정용근, 전기전자와 커먼레일엔진 차량진단, 내하출판사, p99-p220, 2008
박재림？백태실？안영명？최두석, 자동차 기관, 골든벨, p307-p334, 2003
윤준규, 천동준, 조일영, 하종석, 최두석, 자동차 디젤기관, 미전사이언스, p246-p264, 2002
이교승？류경희, 자동차 기관 일반, 미전사이언스, p339-352, 2008

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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