Motorcycle Engine의 ECU開發에서 吸入空氣量間接計測方式에 關한 硏究

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1 工學碩士學位請求論文 Motorcycle Engine 의 ECU 開發에서吸入空氣量間接計測方式에關한硏究 The Research of Indirect Measurement of Intake Air Flow in an ECU Development of the Motorcycle Engine 2005 年 2 月仁荷大學校大學院機械工學科 ( 熱및流體專攻 ) 劉龍元 A

2 工學碩士學位請求論文 Motorcycle Engine 의 ECU 開發에서吸入空氣量間接計測方式에關한硏究 The Research of Indirect Measurement of Intake Air Flow in an ECU Development of the Motorcycle Engine 2005 年 2 月指導敎授蔡載宇 이論文을工學碩士學位論文으로제출함 仁荷大學校大學院機械工學科 ( 熱및流體專攻 ) 劉龍元 B

3 본論文을劉龍元의碩士學位論文으로認定함 2005 年 2 月主審副審委員 임장순 채재우 김동섭 C

4 요약문 기존의오토바이경우연소실로의연료공급이 Carburetor 에의해기계적으로이루어져연료가많이소모되고유해가스의배출이심하다. 본연구는앞으로정책적으로수립될오토바이에대한엄격한환경적제약에대비하여자체로설계해낸오토바이의 ECU 로공기량의간접계량방식에의한전자제어에대해실험적연구를진행하였다. 본연구에서공기유량 Sensor 로는 TPS Sensor 와 MAP Sensor 를사용하였으며실험을거쳐다음과같은결과를얻어내였다. 1. TPS 센서에의한전자제어는 Carburetor 에의한기계식제어에비해토오크가 10% 이상증가하였다. 2. TPS 센서에의한전자제어는 Carburetor 에의한기계식제어에비해연비가약 10% 정도향상되였다. 3. MAP 센서에의한전자제어에서출력전압이 4.5V 이상일때미세한부압변동에의해서도토오크변화가컸다. 4. 각 RPM 에서 MAP 센서의출력전압은극한치가있으며이후부터는 MAP 센서에의한전자제어가불가능한것으로나타났다. 5. 실험실에서자체로개발한 80C196KC 마이크로프로세서를이용한 ECU 의실제엔진에서의토오크추종성도정밀한 Mapping Data 와제어알고리즘을보완한다면고속형엔진의전자제어화오토바이엔진에도적용할수있음을확인하였다. i

5 A B S T R C T Nowadays, in the fuel system of motorcycle engine the carburetor is used to provide fuel into the combustion chamber mechanically, which undoubtedly bring about high fuel consumption, and high harmful exhaust emission. In terms of more and more strict emission control regulations of motorcycle, we lead the research in this paper, in which the indirect measurement of intake air flow using a self-made ECU ( The Air Flow Sensors used in this research are TPS sensor and MAP sensor), and the conclusions are as follows: 1. By the electronic control using the TPS sensor, the torque can be increased by 10%, comparing with the mechanical carburetor control. 2. TPS control can increase the utilization efficiency of fuel by 10%, comparing with the mechanical carburetor control. 3. In MAP sensor control, a slight variation of voltage higher than 4.5V can cause torque to fluctuate obviously. 4. In each RPM state, the MAP sensor has its own output voltage limitation, which makes the electronic control impossible over this voltage limitation. 5. The self-made ECU with the 80C196KC microprocessor actualize the description of engine s torque, the conservation of accurate ii

6 Mapping data, and the application of algorithm routine control, which also enable this electronic control using 80C196KC ECU can be applied on high speed motorcycle engine. iii

7 목 차 요약 ⅰ ABSTRACT ⅱ 목차 ⅳ List of Figures and Tables ⅵ 제 1 장서론 연구배경 연구동향 연구목적및내용 5 제 2 장이론적고찰 엔진의전자제어의개념 엔진전자제어시스템의작동원리 7 제 3 장오토바이엔진의전자제어시스템 실험실엔진의제원 엔진시스템의재구성 오토바이엔진의 ECU 구성 ECU 의심장인 80C196KC 마이크로프로세서의선택 스로틀포지션센서의선택 에어플로센서의선택 RPM 및크랭크포지션센서 흡입공기유량의간접계측 제어알고리즘 16 제 4 장실험장치및방법 18 iv

8 4.1 실험장치 실험방법 20 제 5 장실험결과및분석 토오크 배기가스분석 연료소비율 공기유량 진공압의변화 34 제 6 장결론 36 제 7 장참고문헌 37 감사의글 38 v

9 List of Figures Fig. 2-1 ECU structure 6 Fig. 3-1 Original CPS Waveform of VL125 Motorcycle Engine 9 Fig. 3-2 ECU in Motorcycle engine 11 Fig. 3-3 Output characteristics of Throttle Position Sensor 13 Fig. 3-4 Missing tooth and rectangular waveforms 14 Fig. 3-5 Flow chart of VL125 engine control program 17 Fig. 4-1 Schematic diagram of experiments 19 Fig. 5-1 Torque variation to engine rpm in each TPS output voltage 22 Fig. 5-2 comparison in maximal torque between ECU type and carburetor type 23 Fig.5-3 Torque graph according to the MAP output in each RPM 24 Fig. 5-4 Torque variation to MAP sensor output voltage 25 Fig. 5-5 Torque to engine rpm when TPS output voltage is 4.74V 26 Fig. 5-6 MAP sensor output voltage to engine rpm when torque is maximum 27 Fig. 5-7 TPS Sensor output according to the limitation of MAP Sensor output limitation in each RPM 28 Fig. 5-8 NOx concentration to engine rpm 29 Fig. 5-9 CO concentration to engine rpm 30 Fig HC concentration to engine rpm 30 Fig Fuel consumption rate to engine rpm in each control type vi

10 31 Fig Intake air flow rate to TPS output voltage in each rpm 32 Fig 5-13 Intake air flow rate to engine rpm in each TPS output voltage 33 Fig Intake air flow rate to MAP Sensor output voltage in 4500rpm 34 Fig Variation of vacuum pressure in 4000RPM to the MAP Sensor output voltage 35 List of Tables Table. 1-1 Europe I, Europe II, Europe III The compare of output regulation of Motorcycle limitation 1 Table. 1-2 The output standard of TaiWan Motorcycle 2 Table. 1-3 The output aim of the Japanese new Motorcycle 2 vii

11 제 1 장서 론 1.1 연구배경 오토바이에서나오는배기가스량은중형승용차의 20 분의 1 밖에 되지않지만일산화탄소배출량은자동차의 4 배나되고탄화수소 배출량은무려 17 배이상많다고한다. 최근들어오토바이사용수량이 증가함에따라그사용에의한환경오염은더는홀시할수없는문제로 되였으며세계각국에서분분히오토바이엔진의배기가스에대해규제를 하게되였다. 세계여러나라들의오토바이배기가스에대한규제의 발전정황을고찰해보면 Table.1-1, Table.1-2, Table.1-3 과같다. Table. 1-1 Europe I, Europe II, Europe III The compare of output regulation of Motorcycle limitation 표준엔진형태적용년도 CO(g/km) HC(g/km) NOx(g/km) 유럽 Ⅰ 유럽 Ⅱ 유럽 Ⅲ ECE R40(2 행정 ) ECE R40(4 행정 ) <150ml ml <150ml ml

12 Table. 1-2 The output standard of TaiWan Motorcycle 표준 엔진형태 적용년도 CO(g/km) HC+NO(g/km) Ⅰ Ⅱ ECE R ( 모든행정 ) Ⅲ Ⅳ ECE R15(2 행정 ) ECE R15(4 행정 ) 2 Table. 1-3 The output aim of the Japanese new Motorcycle 배기량 NOx(g/km) HC(g/km) CO(g/km) 목표년도 배기량 < 배기량 < 배기량 < 배기량 Table.1-1, Table.1-2, Table.1-3 은각기유럽, 대만, 일본의오토바이 배기가스규제의발전및장래의목표들을나타냈다. 볼수있다싶이 여러나라들의오토바이배기가스규제는날로엄격해가며, 경우 HC 의규제목표가유럽 Ⅲ 배기규제치보다더엄하여 일본의 일본의 배기가스규제는사실상세계상에서가장염격한오토바이배기가스규제로주목된다. 한국의경우는아직오토바이배기가스에대한명확한규제가없다. 생산량과수출량이적고, 또사용량이적은등원인이겠지만멀지않아한국도오토바이에배기가스에대한엄격한규제가따를것이라고 - 2 -

13 예상된다. 기존의오토바이엔진은연소실로의연료공급이 Carburetor 에의해 기계적으로이루어지고, 점화는단순히 Carnk Angle 의신호를받아 Control Unit 로이루어지기때문에연비와출력의향상, 배출가스저감에 한계가있다. 따라서앞으로정책적으로이루어질엄격한배기가스 규제에대응하기는어렵다. 반면 ECU 에의한전자제어는공연비와 점화시기에대한최적화제어가가능하고, 반응이빠르고, 제어정밀도가 높은등기계식제어방식에비해비길수없는우점들을갖고있어 전자제어는미래엄격한배기가스규제에대응하기위한 필연적인 추세인것이다. 1.2 연구동향 최근들어세계오토바이산업은급속한발전을가져왔으며 년 세계오토바이생산량은 2000 만대를초과하였다. 오토바이는가격이 승용차에비해싸고사용이간편한특점에의해인구가많은중국이나 인도같은후진국들에서대량으로생산을하며또광범위한시장을갖고 있다. 예전의오토바이엔진에대한연구는체적, 무게, 출력, 미관등을 둘러싸고이루어졌지만오늘날에와선환경과에너지문제를중심으로연구가전개되고있다. 세계오토바이산업의발전및연구추세를규납하면다음과같은특점이있다. 1) 오토바이의엔진의전자제어식연료분사방식은필연적이다. 2) 고속, 고출력과가변기술을조합한오토바이를개발해야한다. 3) 엔진의전자제어와촉매기술의조합은엄격한배기가스규제를만족시킬수있는필연적길이다

14 4) LPG 및천연가스를연료로한대체연료오토바이도개발될것이다. 5) 연료전지오토바이의개발도이루어질것이다. 이러한특점중에서현재, 엔진의전자제어와삼원촉매후처리장치를결합시킨시스템이배기가스규제에대응하기위한가장유력한수단으로주목되고있으며세계여러나라들에서저렴한원가의오토바이 ECU 개발에집중하고있다. 현재국외의일부경주용이나대배기량등고급오토바이에대해선전자제어가실현된상태이며점차중소배기량오토바이에대해서도전자제어가실현되여가는추세이다. 아세아의여러나라들의오토바이 ECU 에관한연구정황을놓고보면다음과같다. Keihen 집단은일본의유명한자동차, 오토바이, 기계부품제조업체로써올해말중국상하이에오토바이엔진의 ECU 개발센터를설립하게된다. 앞으로 5 년사이에 100 여명의연구원을두는것으로부상되는이개발센터는일본개발센터와공동으로연구제작한오토바이 ECU 를중국동완생산공장에서생산을하고 Suzuki 회사에제공을하게된다. 중국은오토바이생산, 수출및사용대국으로써 2003 년만해도 1300 만대의오토바이를생산하였다. Lifan 은중국의저명한오토바이제조회사이며중소배기량오토바이엔진의 ECU 를초보적으로개발해 냈으며상용화단계로들어가고있다. Lifan 은중소배기량오토바이 엔진에대한전자제어를통하여연료소비율을 20% 줄이였으며, 유해가스배출은유렵Ⅱ표준 (CO 5.5g/km, HC + NOx 1.3g/km) 에도달하였다. 중국인경우청화대학이나북경이공대학에서도오토바이 ECU개발에대한연구가진행되고있는상황이다. 한국은오토바이생산량이나사용량이적어오토바이기술이떨어진것으로안다. 일부대학과오토바이회사에서오토바이의 ECU 개발을 - 4 -

15 진행하고있지만성과가크지못하며관련된논문도발표된것이없다. 1.3 연구목적및내용 본 연구는앞으로시행될엄격한오토바이의배기가스규제에 대비하여, 적합한방식의오토바이 ECU 의개발을실현하여에너지와 환경에적극적인기여를하려는데그목적이있다. 본연구에서흡입공기량의간접제어방식에중심을두고연구를 진행하였다. 간접계측제어방식으로서 Throttle Valve 의개도에의한 연료분사량을제어하는 Throttle-Speed 방식과흡기다기관의부압을 감지하는 MAP센서에의해연료분사량을제어하는 Speed-Dendity 방식이엔진출력특성에어떠한영향을미치는지를확인하고현재배출가스규제단계에서단기통오토바이엔진의전자제어화를위해필요한기본적이데이터를확보하고자체개발한 ECU 를실제엔진에적용했을때의토오크추종성, ECU 의신뢰성그리고제어알고리즘과프로그램의신뢰성을확인하였다

16 제 2 장이론적고찰 2.1 엔진의전자제어의개념차량의작동상태에응답하여엔진이최적의성능으로작동할수있게끔차량의운전성, 배출가스및연비등에중요한영향을미치는연료량, 점화시기, 공기량등을여러센서로부터입력신호를받아각운전조건에따른최적의연료분사량, 점화시기, 분사시기및공기량을계산하여인젝터, 점화코일등에액추에이터를통해엔진을제어하는것이엔진의전자제어이며, 그중심이되는장치가바로 ECM(Electronic Control Module) 또는 ECU(Electronic Control Unit) 이다. ECU 는엔진의전반적인사항을통제하는부분으로써인체의대뇌에비교할수있다. ECU 는센서로부터입력되는신호를변환하는입력인터페이스, 정해진순서에따라서입력데이터의산출연산또는논리연산을행하는마이크로컴퓨터와결과를액추에이터작동신호로변환하는출력인터페이스로구성되였다. 그구성도는 Fig. 2-1 과같다. Fig. 2-1 ECU structure - 6 -

17 2.2 엔진전자제어시스템의작동원리 1) 입력인터페이스 센서로부터출력하는신호즉 ECU 에입력되는신호는센서의종류에 따라다양한 형태가있다. 입력인터페이스는그출력신호를컴퓨터가 취급할수있는값으로변환하는회로이다. 1 A/D 컨버터 (Analog Digital Convertor): 컴퓨터는디지털값밖에취급할수없기때문에아날로그 (A) 값으로출력하는센서의신호를 A/D 컨버터에의해서디지털값으로변환할필요가있다. 2 컴퓨터는디지털값으로사용하더라도센서로부터출력되는디지털신호를그대로입력할수없기때문에자동차에서상용되는컴퓨터는 ECU 의내부에서만들어지는안정된 +5V 전원으로작동시키기때문에그림의b-e와같은여러가지형태의입력신호를컴퓨터가처리할수있도록정형해줄필요가있다. b는컴퓨터의전압의범위를넘는것이고, c는전압의플러스마이너스로흔들리는것이고, d는기계식의전기접점의채터링과노이즈에의해불필요한전압이발생하는것이다. e는높은서지전압을포함하는신호이다. 2) 출력인터페이스컴퓨터에서출력신호를증폭하여액추에이터를작동시키는것이다. 컴퓨터의출력은미세한전류이기때문에큰일을하는액추에이터를직접구동할수없기때문에컴퓨터의미소신호를파워트랜지스터로전력을증폭하여액추에이터에공급하는회로이다. 액추에이터는솔레노이드, 모터, 릴레이및램프, 형광표시판, LCD 등과같은표시장치가있다

18 3) 컴퓨터 컴퓨터는 ECU 의심장부로서 CPU(Central Processing Unit), 기억장치, 입력포트, 출력포트의 4 가지로구성되어사람의손을거치지 않고산출연산, 논리연산을하는데데이터를처리하는장치이다. 4) 센서센서는여러가지물리적량을측정하고이것을전기량으로변환하여출력하는장치이다. 센서는인간으로말하면감각기관이고차량에서는모든조건하에서의물리량을정확히검출하여제어연산회로에입력하는것이다. 그러므로센서는제어시스템의성능을좌우하는중요한인자이다. 차량의전자제어에서필요로하는물리량은온도, 압력, 변위, 각속도, 회전수, 가속도, 유량등이있다. 따라서차량의전자제어에서의주요센세들로는에어플로센서, 흡기온도센서, 크랭크포지션센서, TDC 센서, 소로틀포지션센서, 산소센서, 노크센서, 차속센서등이있다. 에어플로센서는또칼만방식의에어플로센서, 핫와이어식에어플로센서, 핫필름식에어플로센서, MAP 센서등으로나눈다. 5) 액추에이터액추에이터는센서와반대로, 원하는물리량을마이크로컴퓨터의출력인전기신호를이용하여발생하는장치이다. 엔진의전제어에서액추에이터로는연료인젝터, 스파크플러그와점화코일, 연료펌프등등을예로들수있다

19 제 3 장오토바이엔진의전자제어시스템 3.1 실험실엔진의제원실험실에서사용된엔진은대림자동차 ( 주 ) 의 VL125 Motorcycle 엔진으로서배기량 124.1cc, 내경 X 행정은 56.5 X 46.5mm, 공냉유냉 4stroke 4valve 이며점화방식은 CDI 방식이다. Idle 회전수는 1400±100rpm, 최고회전수는 12000rpm, 점화시기는 BTDC 8 ~ 28, TDC 부근에서의밸브오버랩은 BTDC 33 ~ATDC 23 이다. Fig. 3-1 Original CPS Waveform of VL125 Motorcycle Engine 기존의 Carburetor 방식의엔진에서는엔진의 RPM 을계측하고점화를제어하기위해 1 개의 Tooth 를가지고있으며, CPS 는 Magnetic Type 으로출력신호는 Fig.3-1 과같이자속량의차이에따라발생되는전압의크기가변화되도록되어있다

20 3.2 엔진시스템의재구성기존의 Carburetor 방식엔진을전자제어화하여본실험을행하기위해흡입과연료시스템그리고그관련부품을효율적으로실험용오토바이엔진에설치하였다. 우선연료분사가가능하도록흡입밸브직전에 BMW Motorcycle C1 기관에사용하는 Injector 와 Injector Holder 를설치하였으며연소실로흡입되는공기량을제어하기위해국내차량중가장배기량이적은대우 마티스엔진의 Throttle Body 와 TPS 및 MAP 센서를흡입통로에 설치하여실험을행하였다. 3.3 오토바이엔진의 ECU 구성 오토바이엔진의 ECU 의구성도는 Fig.3-2 와같다. ECU 는 CPU, 메모리, 등기본구성외에각종센서로부터입력을받는입력제어회로, 연료분사를제어하기위한인젝터구동회로, 점화를제어하기위한점화구동회로, 연료펌프구동회로등으로구성되였다. 본연구에서 CPU 는 80C196KC 마이크로프로세서를사용하였으며, LCD 를통하여관측하면서현재연료분사량과점화시기를실시간으로제어가가능하도록프로그램하였다

21 Fig. 3-2 ECU in Motorcycle engine 3.4 ECU 의심장인 80C196KC 마이크로프로세서의선택제어시스템의공능과특점이 CPU 의선택을결정한다. 오토바이엔진의전자제어시스템은다음과같은요구를만족해야한다. 1오토바이엔진은속도가빠르며제일빠를때에는 12000r min -1 까지도달한다. 그러므로 CPU 의연산속도가빨라야한다. 2오토바이는안장공간이작아전자제어회로가간단해야하므로

22 직접도가높은 CPU 를요구한다. 3제어시스템은엔진의각종사건의발생에대비하여정확한판단과시급한응답을해야하므로풍부한인터럽트소스와우선순위기능을소유한 CPU 를요구한다. 이상의요구를근거로 Intel 사의 80C196KC 를오토바이엔진의 ECU 의 CPU 로선택하였다. 80C196KC 는 Intel 사의 16bit 마이크로프로세서로서외의모든요구를만족한다. 동시에전기소모가적고, 체적이작으며, 가격에비해성능이우월하며, 온정성이높고기술이성숙된같은우점들을겸비하였다. 3.5 스로틀포지션센서의선택스로틀포지션센서는크게접점식스토틀포지션센서와가변저항식스로틀포지션센서로나눈다. 접점식스포틀포지션센서는중속에서는출력이발생하지않고, 아이들상태와전부하혹은고속에서만출력을발생한다. 그러므로단순한접접식스로틀포지션센서에의한연료분사량제어는불가능하다. 본실험에서는가변저항식스로틀포지션센서를선택하였다. 이센서는스로틀밸브축에설치되여있는가변저항기로서스로틀밸브의개도변화에따라전기적신호로변환하여 ECU 로입력시킴으로써단순한스로틀포지션센서에의한연료분사량의제어가가능하다. 가변저항식스로틀포지션센서의출력특점은 Fig. 3-3 과같다

23 전전 (V) 스스스스스개개 Fig. 3-3 Output characteristics of Throttle Position Sensor 3.6 에어플로센서의선택에어플로센서는측정원리에근거하여칼만방식의에어플로센서, 핫와이어방식의에어플로센서, 핫필름방식의에어플로센서, MAP 센서등으로나눈다. 이가운데서칼만와류방식만펄스제어방식이고나머지는전압검출방식이다. 응답성이빠른순서로본다면핫와이어방식, 핫필름방식, 칼만방식, 맵센서방식순위이다. 고장이잘나는순위로본다면칼만방식, 핫필름식, 핫와이어식, 맵센서방식순위이다. 칼만방식, 핫필름식, 핫와이어식센서는공기량의직접계량방식에쓰이고, MAP 센서는간접계량방식에쓰인다. 오토바이엔진을놓고볼때단기통엔진이고에어플로센서가응답성이늦어야하고, 가격이싸야하는등과같은특점에의해맵센서가적합하다고판정되여본실험에서선택하였다. 맵센서방식의기본개념은 서지탱크로들어오는공기량은매니플드의압력에비례한다 는특성에근거한공기량의간접계량방식이다

24 3.7 RPM 및크랭크포지션센서엔진이회전하는동안최적의상태로연료분사와점화시기를제어하기위해서는 Crank Angle 의위치를정확히알아야하고이것을알기위해서 CPS 을출력을이용하였다. Fig. 3-4 Missing tooth and rectangular waveforms 따라서엔진이회전함에따라 CA 신호가출력될수있도록직접 크랭크축과연결되여회전하는휠에 10 개의토치를설치하였으며이것이 CPS 를지나칠때시그널을발생시키고, 이시그널의개수를세여 피스톤의위치와 RPM 를파악하도록하였으며또기준점을알기위해 그림 Fig.3-4 와같이펄스폭이다른출력파형이발생하도록 Missing Tooth 를설계하였다

25 3.8 흡입공기유량의간접계측 1) Throttle-Speed 제어 Throttle-Speed 제어방식은 Throttle Valve 의열림량과흡입공기량에는일정한상관관계가있으므로 Throttle Body 에부착되어 Throttle Valve 의개도를전압신호로나타내는 TPS 의출력변화를 감지하여이에대응하는흡입공기량을간접계측함으로서 ECU 에서 연료분사량을제어하는방식이다. 따라서엔진을제어하기위한 Mapping 데이터의확보가비교적쉽고고려해야할요소들이적어제어알고리즘이복잡하지않으므로오토바이엔진에대한초기배출가스규제에대응하기에적당한것으로알려져있다. 그러나배출가스규제가강화되어정밀한공연비제어를필요로하는경우에는부적당하다. 2) Speed-Density 제어 MAP 센서방식은 Intake Manifold 의부압을측정하여부압에따른흡입공기량을간접적으로계측하는방식이다. 따라서설치가간편하고장착성이좋으나출력특성이느리고유량에대한정밀도가직접계측방식에비해떨어지는단점이있으며, 온도에따른공기량의보정을위한다양한실험을통해공연비보정데이터를확보하고배출가스후처리장치인촉매를장착하고흡기온도보정, 산소센서에의한피드백보정등을추가하여정밀제어를행한다면, 향후강화되는배출가스규제의대응이가능할것으로판단된다

26 3.9 제어알고리즘흡입공기량의제어방식이엔진의출력에미치는영향을명확하게하기위해, 기본적인연료분사제어와점화제어그리고이와관련된입력요소인 TPS 센서와 MAP 센서출력만으로제어프로그램을구성하였으며, 따라서실제엔진의제어시보정요소인흡입공기온도보정제어, 산소센서피드백제어등의보정요소는고려하지않았다. 전자제어화엔진에서 CPS 의신호를받아 Missing Tooth 를구별하고이를기초로압축상사점을감지하여엔진의시동이가능하도록하였고, 매원시 CPS 의신호를정형한 CPS 신호를받아이신호의하강에지를기준으로인터럽트를발생시켜최우선적으로연료분사와점화제어가이루어지도록프로그램하였다

27 Fig. 3-5 Flow chart of VL125 engine control program

28 제 4 장실험장치및방법 4.1 실험장치본실험을위해실험조건에맞추어엔진의 Torque 등을계측하기위한최대제동마력이 54PS 인엔진동력계, 엔진의작동제어가가능하고연료분사량과점화시기를가변적으로제어할수있도록설계한 ECU, 기관회전수와연료분사시간, 점화시기를확인이가능하게실시간으로데이터가출력되도록설계한 LCD, 파형을관측하기위한 Oscilloscope 등으로시스템을구성하였으며, 배출가스중의 CO, HC, NO X, λ 를 측정하기위해 Clean Air I/M8000 5Gas 모델의배출가스시험기를 설치하였다. 또한, 흡입되는공기유량을계측하기위해 Throttle Body 앞쪽에 Testo445 모델의공기유량계를설치하였고흡기관내의진공압변화를 관측하기위해서진공압계를설치하였으며배기관에배기온도계를 설치하여배기온도도관측할수있도록하였다. 본실험장치구성도는 Fig. 4-1 과같다

29 Fig. 4-1 Schematic diagram of experiments

30 4.2 실험방법기본적으로실험실에서자체개발한전자제어시스템에의해오토바이엔진의작동이가능하도록만든상태에서, 연료분사량과점화시기를변동시키면서최대토오크가발생되는시기와 λ=1 일때의연료분사량과점화시기, 배출가스의변화를관측하였다. 흡입공기온도나공기밀도변화에의한연료분사량및점화시기보정은실제엔진의제어에서는중요한고려사항이나, 본실험에서는기본적인 TPS 와 MAP 센서에의한엔진의출력특성을이해하기위해각종센서들에의한여러가지보정요소들은고려하지않았으며, 자동차용으로개발되어사용되고있는 TPS 와 MAP 센서를사용하여엔진을제어하도록하였다. 다이나모미터에서의 Torque 측정은변속비 4 속 ( 감속비 1.095), 일차감속비 ( 기관에서 1 차감속을거쳐변속기로출력, 감속비 3.650) 를거쳐측정되도록엔진을설치하였다. 실험에사용한 TPS 는 ECU 기준전압이 5V 일때, Throttle Valve 가 완전히닫힌상태에서완전히열릴때의출력전압은 V 의 범위를나타냈다. 엔진에설치된상태에서 Throttle Valve 의정확한열림각도를계측하기는매우어려우므로대신 Throttle Valve 의열림량을간접적으로표시하는 TPS Sensor 의출력전압을측정하여이에의해 ECU 에서연료분사량과점화시기를제어하도록프로그램하였다. 실험을위한제어프로그램은 TPS 의출력전압의범위내에서 Idle 에서 WOT 까지 0.2V 간격으로 ECU 에서제어할수있도록 12 등분하였으며, 정해진 TPS 전압출력위치에서 Throttle Valve 의 개도를일정하게유지하고이때, 엔진의 RPM 을 2500rpm 에서시작하여

31 7000rpm 까지 500rpm 간격으로변동시키면서각회전수에따른 최대토오크를측정하였다. 엔진회전수가 4000rpm 이하에서는토오크의 변동이매우심하고기관상태가불안정하였으며, 7000rpm 이상은 고회전에따른위험성을고려하여출력을측정하지않았다. TPS 출력전압과 RPM 을고정하고, 연료분사량과점화시기를 변화시키면서최대토오크와그때의연료분사량, 점화시기를구하였다. 또, 실험에사용한 MAP 센서의출력전압은 2v~4.78v 의범위를 나타냈다. 부압은엔진의 Throttle Body 부근의 Intake Manifold 압력을계측하였으며, MAP 센서의출력을 0.5v 의간격으로하여각 RPM 에따른최대토오크를구하였으며엔진의작동조건을고려하여 4000rpm ~ 7000rpm 에걸쳐실험을하였다

32 제 5 장실험결과및분석 5.1 토오크 우선 Throttle-Speed 제어의실험에서, 인젝터를제어하는연료 분사시간은 Throttle Valve 가적게열리는저부하영역에서는 RPM 이 증가함에따라감소하였으나, Throttle Valve 가많이열리는고부하 영역에서는엔진의회전수가증가함에따라증가하는경향을나타냈다. 점화시기는 BTDC 31 에고정하여실험을하였으며 BTDC 31 ±3 정도 범위내에서는토오크변동이매우적게나타났다. Fig. 5-1 Torque variation to engine rpm in each TPS output voltage TPS 출력전압을기준으로한엔진의 RPM 에따른엔진토오크의 변화는 Fig. 5-1 와같으며전자제어화엔진의최대토오크는

33 6500RPM 에서 4.2kg m 정도인것으로나타났다. 이때토오크는 다이나모미터에서표시하는값으로서실제엔진토오크는감속비를고려하여구할수있다. 또한동일한엔진의 WOT 상태의 Carburetor Type 의출력과비교하였을때 Fig. 5-2 과같은특성을나타냈다. Fig. 5-2 comparison in maximal torque between ECU type and carburetor type Fig. 5-2 에서 TPS-1 은최대토오크를구하기위해연료분사량과점화시기를변화시키면서각 RPM 별로얻은최대토오크를나타냈으며, TPS-2 는이때구한연료분사량과점화시기데이터를기초로 Mapping 한제어프로그램으로엔진을제어하였을때각 RPM 에따른

34 최대토오크변화를나타낸다. 따라서다른요소들을배제하고토오크만의관점에서는 TPS 에의한 간접제어방식의경우 Caburetor 방식에비해약 10% 정도의출력을 향상시킬수있는것으로나타났다. Fig. 5-3 Torque graph according to the MAP output in each RPM Speed-Density 제어에서, RPM 을고정하고맵출력을변화시키면서토오크변화를관찰한그래프는 Fig. 5-3 와같다. 각 RPM 에서 MAP 센서출력에따른토오크변화추세는비슷하였으며, MAP 센서출력에따른각 RPM 에서의토오크값도큰차이를보이지않았다. 또 MAP 센서출력 4.5V 에서토오크값이거의같게나왔다

35 Fig. 5-4는 MAP 센서출력을기준으로그시점에서의최대의토오크변화를구하였다. 이결과에의하면 MAP 센서출력전압이 4.5V~4.8V 에서는약간의 MAP 센서출력변동에도큰토오크변화 (2.63kg m~4.21kg m) 를나타내므로, 정밀한공연비제어를위해서는이부압영역에서많은실험을통한세밀한데이터의확보가필요하다. Fig. 5-4 Torque variation to MAP sensor output voltage 또 MAP 센서출력전압을이용하여얻은연료분사량과점화시기로 Mapping 한프로그램에의해제어된엔진의출력은 Fig. 5-5 에나타났으며더좋은알고리즘에의해제어한다면더좋은출력성능을나타낼것으로판단한다

36 Fig. 5-5 Torque to engine rpm when TPS output voltage is 4.74V 이때동일한실험방법을적용하기위해 TPS 의열림량을기준으로하여실험을하였다. MAP 센서의제어경우특정 RPM 에서 Throttle Valve 의개도를증가시키더라도엔진출력은증하하지만더이상 MAP 센서의출력이증가하지않는영역이발생하며이때의최대 MAP 센서출력은 Fig. 5-6 와같이나타났다

37 Fig. 5-6 MAP sensor output voltage to engine rpm when torque is maximum 또최대의 MAP 센서출력에대응한 TPS 센서출력은 Fig. 5-7 에서 나타냈다. 각 RPM 에서 MAP 센서출력한계에서부터 MAP 센서에의한 제어는정확하지못하다. 그러므로이한계에서부터 MAP 센서에 의거하여엔진을제어할것이아니라 TPS 센서로제어하는것이 합당하고본다. 그래프에서화살표를친부분이바로 TPS 센서로 제어해야할부분이다

38 Fig. 5-7 TPS Sensor output according to the limitation of MAP Sensor output limitation in each RPM 5.2 배기가스분석오토바이엔진의경우완성차와엔진상태의배출가스특성에큰차이가있으므로, 완전히최적의데이터가셋팅된 ECU 에의해제어되지않는상태에서의배출가스의측정은큰의미가없으나엔진의개발과정에서데이터의비교자료로서유용하다. WOT 상태에서 TPS 제어에의한 ECU Type 과 Carburtor Type 의 NOx 의배출가스특성을비교하면그림 Fig. 5-8 와같다

39 Fig. 5-8 NOx concentration to engine rpm TPS 출력전압에의한 ECU 제어의경우, Carburtor 방식과비교했을때 NOx 는더많이배출하였고, CO 는많이감소하였으며, HC 는약간증가하였다. ECU Type 와 Carburetor Type 의 CO 와 HC 의배출가스특성비교는 Fig. 5-9 와 Fig 에나타냈다

40 Fig. 5-9 CO concentration to engine rpm Fig HC concentration to engine rpm

41 5.3 연료소비율 Fig 에서와같이최대토오크를나타내는시점에서의연료소비율은저속영역에서 TPS 출력에의한 ECU 제어방식이 10% 이상의연비감소효과를나타났으며전반적으로 Carburetor 방식에비해연비가개선되는것으로나타났다. Fig Fuel consumption rate to engine rpm in each control type 5.4 공기유량 Fig 에의하면 TPS 출력전압이 1.0V~2.0V 정도에서엔진으로흡입되는공기량이급격히증가하고그이후에는안정되는경향을나타냈고저회전수영역에서는 Throttle Valve 개도가증가하면그에따라실린더내로충진되는공기량이증가하지만, 중속이상의회전수

42 영역에서는 Throttle Valve 가증가함에따라약간감소하는경향을 나타낸다. Fig Intake air flow rate to TPS output voltage in each rpm Fig 에서보는것처럼 Throttle Valve 가비교적적게열려 TPS 의출력전압이낮은저부하영역에서는낮은공기유량특성을보이나 TPS 출력전압이 2.0V 이상영역에서는 RPM 증가함에따라흡입공기량이약간씩증가하는경향이나 Throttle Valve 개도가증가하더라도흡입공기량은큰변화를나타내지않았다

43 Fig 5-13 Intake air flow rate to engine rpm in each TPS output voltage Fig 는 4000RPM 에서 MAP 센서출력전압에따른흡입공기량의변화를나타내는것으로서 MAP 센서출력전압이 4.0V 이상에서는실린더내로흡입되는공기량이급격히증가하며, 4000RPM 에서 MAP 출력이최대 4.78V 가되고이이후부터는 Throttle Valve 의개도가증가하더라도 MAP 출력은더이상증가하지않으나 Throttle Valve 의개도가증가함에따라 Fig. 5-4 와같이 Torque 가증가하는경향을나타낸다

44 Fig Intake air flow rate to MAP Sensor output voltage in 4500rpm 5.5 진공압의변화 Fig 는 4000RPM 에서 MAP 센서출력에따른흡기관내의 진공압의변동을나타냈다. Fig 에서볼수있다싶이진공압은 MAP 센서의출력이커짐에따라서점차작아진다. MAP 센서의출력이작을 때, 다시말해서스로틀밸브가작게열리였을때진공압이컸으며변동범위도비교적크다. 스로틀밸브가크게열림에따라서진공압의변동범위는작아지면서나중에는거의변화가없는추세를나타냈다. 실험할때진공압력계에서진공압의부단한변동을직접관찰할수가있었다. 기타 RPM 에서도 4000RPM 와유사한경향을보였다. 이것은일반적인상태에서오토바이엔진과같은단기통엔진은흡기관으로

45 흘러드는공기량이아주불균일하고변동이심하다는것을설명한다. 따라서 TPS 센서나 MAP 센서에의한공기량의간접계량방식에의한 제어가적합함을더한층증명해준다. Fig Variation of vacuum pressure in 4000RPM to the MAP Sensor output voltage

46 제 6 장결론 본연구는전자제어화오토바이엔진에서연료분사량과점화시기를 결정하기위해흡입공기량의간접계량방식인 TPS 와 MAP 센서의 출력전압에의해제어되도록프로그래밍한 ECU 로실험을행하고각 특성을비교하고분석하였으며, 그결과다음과같은결론을얻었다. 1) TPS 의출력전압에의한전자제어화엔진의토오크는현재의한국내 오토바이에서사용하고있는 Carburetor 제어방식에비해증가하는 것으로나타났으며본실험에서는약 10% 이상증가하는것으로나타났다. 2) TPS 출력전압에의한전자제어화엔진의연료소비율은 Carburetor 방식에비해낮으며, 본실험에서는약 10% 감소하는것을알수있다. 3) MAP 센서에의한전자제어의경우 MAP 센서의출력전압이 4.5V 이상의영역에서는미세한부압변동에의해서도엔진의 Torque 의변동이크므로이영역에서의제어는정밀한실험에의한제어가필요함을알수있다. 4) 한국내배출가스규제초기단계에서는실험을통해정밀한데이터를확보한다면 TPS 의출력전압에의한엔진의전자제어도가능성이있음을실험을통하여확인하였다. 5) 실험에서자체개발한 80C196KC 마이크로프로세서를이용한 ECU 의실제엔진에서의토오크추종성도정밀한 Mapping Data 와제어알고리즘을보완한다면고속형엔진인전자제어화 Motorcycle 엔진에도적용할수있는것을확인할수있었다

47 제 7 장참고문헌 [1 ] 장재덕 조영우 박정원공저, 전자제어엔진공학, 골든벨, 1998 [2 ] 정태균역음, 신전자제어기술, 현대, 1999 [3 ] 오재건 이상호공저, 자동차전자제어교본, 골든벨, 1995 [4 ] 차영배저, C 언어로배우는 80C196, 다다미디어, 2004 [5 ] 김대근 정순배 김재희공저, 인텔 80C196KC 의모든것, [6 ] 麻友良主编, 汽车电器与电子控制技术, 武汉科技大学,2003 [7 ] 李春明主编, 汽车发动机燃油喷射技术北京理工大学,2002 [8 ] 程军主编, Intel 80C196 单片机应用实践与 C 语言开发, 北京航空航天大学,

48 감사의글 한국에온지도어언간 2 년을잡아가고석사졸업을맞이하게되였습니다. 조선민족으로태여나서한국땅을밟게된자체가저에게는특별한의미를갖다준 2 년이였습니다. 우선본논문이있기까지많은조언을주셨고, 생활상경제상에서많은배려를주신채재우지도교수님께진심으로감사를드립니다. 바쁘신중에서본논문을심사하여주시고아낌없는조언을해주신임장순교수님, 김동섭교수님께진심으로감사를드립니다. 엔진의전자제어에대해서많은가르침을주셨고본논문의완성에도큰도움을주신부산기능대학의정태균교수님께진심으로되는감사를드립니다. 어려운유학생활중에서저에게여러모로도움을줬던첨단환경기술연구실의탁선재씨, 이창민씨, 최인철씨, 곽용환씨, 오석환씨, 그리고 A 兰 ( 兰雪巍 ), 유서강에게도고맙다는말을드리고싶습니다. 또스마트파워트레인연구실의성범모씨, 조승환씨그리고기타분들께도고맙다는말을드리고싶습니다. 대학원영어강의실에서우연히알게되였고저에게여러모로관심을줬던권축복씨에게도감사를드립니다. 한국노가다판에서돌을나르는일을하면서도움을받았던선종석사장님, 정형, 동수형에게도감사를드립니다. 유학을와서어려운가운데서도재미있게축구를하였고마음을나누며함께소주도마셨던, 서로간에힘을줬던연룡하큰형님, 영구형, 광수그리고기타유학생친구들께도감사를드립니다. 마지막으로저에게큰힘이되여주신자애로운부모님, 그리고형님들, 귀여운조카옥화와리라에게도감사를드립니다. 묵묵히저한테지원을해주신존경하는장인, 장모님, 그리고몇년째떨어져생활하면서고생을겪어온나의사랑하는안해선란에게도감사를드립니다

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