4행정 단기통 2륜 원동기 제어용 ECU와 전자제어 구동 시스템에 관한 연구

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1 공학박사학위청구논문 4 행정단기통 2 륜원동기제어용 ECU 와 전자제어구동시스템에관한연구 A Study on the Electronic Control Drive System and ECU for Controlling 4 Stroke One Cylinder Motorcycle Engine 2005 년 8 월 인하대학교대학원 기계공학과 ( 열및유체전공 ) 정태균

2 공학박사학위청구논문 4 행정단기통 2 륜원동기제어용 ECU 와 전자제어구동시스템에관한연구 A Study on the Electronic Control Drive System and ECU for Controlling 4 Stroke One Cylinder Motorcycle Engine 2005 년 8 월 지도교수채재우 이논문을공학박사학위논문으로제출함 인하대학교대학원 기계공학과 ( 열및유체전공 ) 정태균

3 이논문을정태균의박사학위논문으로인정함 년 8 월 주심 부심 위원 위원 위원

4 4 행정단기통 2 륜원동기제어용 ECU 와 전자제어구동시스템에관한연구 인하대학교대학원기계공학과 정태균 요 약 현재국내모터사이클엔진의대부분은캬브레터에의해연료공급이이루어지고비교적간단한컨트롤유니트에의해점화가제어됨에따라연비, 출력향상및배출가스의저감이한계에와있어, 캬브레터에의한기계적인시스템으로는점차강화되는배기가스규제에대응하기란불가능하다. 따라서한층강화되는모터사이클에대한배기가스규제에능동적으로대응하고연비저감, 출력향상그리고배출가스저감을위해서는반드시전자제어시스템의적용이필수적이다. 본논문에서는단기통모터사이클엔진을전자제어화하기위해엔진시스템을부분적으로설계변경하고 ECU와제어프로그램을개발하여엔진실험을수행하였다. 그결과단기통모터사이클엔진을제어하기위해개발한 ECU, 제어프로그램및관련시스템이정상적으로작동되는것을확인할수있었으며다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 단기통모터사이클엔진의크랭킹시의회전각속도차특성을이용하여압축상사점을정확히구별할수있었다. 2. CPS의출력신호를이용하여기존제어방식과는달리크랭크축 2회전에 1회연료분사와점화가가능하도록제어할수있었다. 3. VL125 단기통모터사이클엔진의최대토크는 6500rpm에서발생하며그값은 1.05kg m인것으로나타났다. 4. 캬브레터방식에비해전자제어화엔진의토크는약 10% 증가하는것으

5 로나타났다. 5. 전자제어화엔진의연료소비율은캬브레터방식에비해저속영역에서는 약 10% 감소하는것을알수있었다. 주요어 : ECU, TDC, CPS, 80C196KC 마이크로프로세서

6 목차 요약목차 List of Figures, Photos and Tables Nomenclature 제 1 장서론 연구의배경및목적 연구내용 제 2 장이론적고찰 엔진성능향상 연료공급량의증가 도시마력의증가 기계효율의향상 흡기계 흡기계에요구되는조건 흡기계발생현상 흡기관설정시고려사항 공기유량계 공기유량계의검토 흡입공기간접계측방식의고찰 흡입공기유량계측모델 공기충진율계산모델

7 2.4.2 간접유량계측모델 제 3 장엔진및 ECU 하드웨어시스템의설계 ECU 하드웨어시스템의설계 ECU 회로구성 입 출력센서및인터페이스 CDI 점화회로 엔진시스템의변경 크랭크각출력신호의설계 연료공급장치의변경 흡입장치의변경 점화장치의변경 제 4 장엔진제어알고리즘분석 크랭킹시제어알고리즘분석 초기크랭킹제어 압축상사점의판별 크랭킹시회전속도의계측 연료분사및점화제어 크랭킹후제어알고리즘 회전속도계측제어 연료분사제어 점화제어 ISCV 제어 노이즈제어

8 4.3 연료분사량및점화시기가변제어알고리즘 제 5 장엔진제어프로그래밍 제어프로그램개발과정 압축상사점판별프로그래밍 초기크랭킹시안정된펄스의입력 압축상사점판별 회전속도계측프로그래밍 연료분사제어프로그래밍 기본프로그램 TPS 제어 점화제어프로그래밍 기본프로그램 TPS 제어 노이즈제어프로그래밍 제 6 장실험장치및실험방법 실험장치 실험방법 제 7 장실험결과및고찰 카브레터방식 엔진토크특성 배출가스특성 연료소비율특성

9 7.1.4 공연비특성 흡입공기유속및배기가스온도특성 전자제어방식 TPS 출력기준엔진특성실험 맵센서출력기준엔진특성실험 스로틀-속도방식의특성 스로틀-밀도방식의특성 카브레터방식과전자제어방식의비교 엔진토크특성 배출가스특성 연료소비율특성 제 8 장결론 참고문헌 ABSTRACT

10 List of Figures Fig. 1.1 Schematic diagram of sensors and actuators to control motorcycle engine Fig. 2.1 A structure of rlroh calculation Fig. 2.2 A model of intake system for r1 calculation Fig. 2.3 A structure of dp s /dt calculation Fig. 2.4 A simplified model of engine intake system Fig. 2.5 Throttle plate geometry Fig. 3.1 Block diagram of CPU for controlling motorcycle engine - 28 Fig C196KC 68-lead PLCC package Fig. 3.3 Architectural overview of 80C196KC Fig C196KC internal data RAM Fig C196KC I/O port Fig. 3.6 A623308M pin configurations Fig L flash memory(rom) pin configuration Fig V8 pin configuration Fig. 3.9 Address memory map Fig C196KC and 74LS573 pin wiring harness Fig LM2575 voltage regulator for motorcycle ECU Fig Original CPS waveform of motorcycle engine Fig Input interface circuit of CPS Fig LM2901 comparator and resistances Fig Lenz's law and operation of coil Fig Output waveform of CPS

11 Fig Interface circuit of CPS Fig Control process of CPS signal Fig CPS waveform at B point Fig Final CPS waveform at D point Fig Input interface circuit of other signals Fig LCD control block diagram Fig Interface circuit to control fuel injection and spark timing Fig A composition of comparator circuit Fig Interface circuit for fuel injection Fig Operation of FET in output interface circuit Fig ISCV control block diagram Fig ISCV control circuit Fig Max 232 circuit in ECU Fig CDI ignition circuit Fig CDI circuit in ECU Fig CPS signal and Ignition output waveform generated by CPU Fig Condenser discharge circuit in ECU Fig Oscillation circuit in ECU Fig Ignition signal(upside) and waveform of condenser discharge voltage(downside) Fig CPS output signal(upside) and waveform of condenser discharge voltage signal(downside) Fig VL 125 crank angle design Fig Original CPS waveform of carburetor type

12 VL125 motorcycle engine Fig Tooth design of flywheel rotor Fig Width and length of tooth(t = 1.6mm) Fig TDC location and missing tooth design Fig CPS original output signal when engine is cranking Fig CPS original output signal at 50ms/1 division Fig Real waveform figure made by 10 teeth Fig Input interface circuit of CPS(INT0) Fig Input interface circuit of CPS(INT1) Fig CPU input signals and CPS original output signals Fig CPS waveform of carb. type (one tooth) Fig Output signal generated from CPS interface circuit(10 teeth) Fig Trouble of NO.3 tooth signal Fig Trouble of CPS signal generated by large air gap Fig CPS signal and final rectangular missing signal of CA generated by large air gap(1) Fig CPS signal and final rectangular missing signal of CA generated by large air gap(2) Fig CPS waveform (when engine speed is very slow) Fig Fuel system diagram Fig Injector dead time Fig Fuel injection amount according to fuel pressure and injection time Fig Fuel injection amount according to injection time and fuel pressure

13 Fig Fuel injection amount according to battery voltage variation Fig Circuit connection to measure fuel dead time Fig Variation of voltage when injector is operating Fig Full opening time of injector Fig Injector delay time according to voltage variation Fig Waveform of injector at 12V and 2.8kg/cm Fig Intake air system of motorcycle engine Fig MAP sensor output voltage according to vacuum pressure Fig Basic timing mark for controlling ignition Fig Ignition circuit diagram of carburetor type Fig Ignition circuit of electronic control system Fig. 4.1 CPS output waveform when engine is cranking Fig. 4.2 Flow chart to eliminate 10 pulse at early starting Fig. 4.3 Waveform of missing tooth when engine is cranking Fig. 4.4 Output waveform of missing tooth Fig. 4.5 Pulse width of missing tooth when it is compression and exhaust stroke Fig. 4.6 Decision of compression TDC Fig. 4.7 Flow chart of process to decide compression TDC Fig. 4.8 Measurement of engine speed when engine is starting Fig. 4.9 Flow chart to measure engine speed

14 Fig Injection and spark point when engine is starting Fig Waveform of condenser discharge at multi-point spark ignition time Fig Waveform of condenser discharge(blue, upside) and fuel injection(yellow, downside) at cranking time Fig Flow chart for injection and ignition when engine is starting Fig Method to measure engine speed when engine is running Fig Fuel injection waveform of CPU and CPS signal Fig Injector waveform(injection time=4ms) and CPS signal(n=14) Fig Flow chart of fuel injection and spark ignition when engine is running Fig Condenser discharge waveform and CPS signal at BTDC 17 Fig CPS signal and spark waveform at 7000rpm, BTDC 31 Fig CPS signal(upside) and condenser discharge waveform (downside) after cranking Fig Flow chart of ignition when engine is running normally 130 Fig Flow chart for noise control program Fig Flow chart of variable fuel injection time and spark timing control Fig. 5.1 Input elements for ECU control

15 Fig. 5.2 Development of control algorithm Fig. 5.3 Calculation of injection time by interpolation Fig. 6.1 Schematic diagram of experiments Fig. 7.1 Variation of engine torque(carburetor type) Fig. 7.2 CO(%) variation of carburetor type engine Fig. 7.3 HC variation of carburetor type engine Fig. 7.4 NOx variation of carburetor type engine Fig. 7.5 Fuel consumption ratio variation at WOT Fig. 7.6 λ variation of carburetor type engine at WOT Fig. 7.7 Intake air velocity of carburetor type engine at WOT Fig. 7.8 Exhaust gas temperature of carburetor type engine at WOT Fig. 7.9 Maximum engine torque according to engine speed Fig Variation of max. torque according to throttle valve opening Fig Variation of fuel injection time according to engine speed Fig Variation of CO(%) according to engine speed Fig Variation of HC(ppm) according to engine speed Fig Variation of NOx according to engine speed Fig Intake flow rate according to engine speed Fig Variation of intake air flow rate according to TPS output voltage in each engine speed Fig MAP sensor output voltage according to

16 TPS output voltage in each engine speed Fig Fuel consumption ratio according to engine speed Fig λ variation according to engine speed Fig Intake air velocity according to engine speed Fig Exhaust gas temperature according to engine speed Fig Max. engine torque at λ= Fig Variation of CO at λ= Fig Variation of HC at λ= Fig Variation of NOx at λ= Fig Variation of intake air flow rate at λ= Fig Variation of intake air velocity at λ= Fig Variation of exhaust gas temperature at λ= Fig Variation of MAP sensor output voltage at λ= Fig Waveform comparison of TPS and MAP sensor signal Fig MAP sensor output voltage according to engine speed Fig Engine torque according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of engine torque variation according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Intake air flow rate according to MAP sensor output voltage at 4000rpm Fig Intake air flow rate according to MAP sensor output voltage at 6500rpm

17 Fig Variation of CO according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of HC according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of NOx according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of λ according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of exhaust gas temperature according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of engine torque according to TPS output voltage Fig Variation of engine torque according to MAP sensor output voltage Fig Variation of fuel injection time according to engine speed Fig Variation of engine torque according to engine speed Fig Variation of engine torque according to MAP sensor output voltage at 6500rpm Fig Variation of CO(%) according to engine speed Fig Variation of HC according to engine speed Fig Variation of NOx according to engine speed Fig Variation of intake air flow rate according to MAP sensor output voltage Fig Variation of intake air flow rate according to engine speed Fig Mapping data of fuel injection or

18 spark ignition Fig Max. torque curve in throttle-speed method Fig Max. torque comparison of 2 TPS control types Fig Variation of CO according to engine speed Fig Variation of HC according to engine speed Fig Variation of NOx according to engine speed Fig λ variation in each RPM when fuel injection is controled by mapping data Fig Max. engine torque according to engine speed Fig Variation of CO(%) according to engine speed at TPS output voltage 4.74V Fig Variation of HC(ppm) according to engine speed at TPS output voltage 4.74V Fig Variation of NOx(ppm) according to engine speed at TPS output voltage 4.17V Fig Comparition of max. torque in each control type Fig Comparition of CO in each control type Fig Comparition of HC in each control type Fig Comparition of NOx in each control type Fig Comparition of fuel consumption rate in each control type

19 List of Photos Photo 3.1 ECU and 80C196KC microprocessor Photo 3.2 ECU and voltage regulator circuit Photo 3.3 VL125 engine and sensors Photo 3.4 Position of CPS in VL125 engine Photo 3.5 Trouble of injection circuit by high voltage generated in Ignition coil Photo 3.6 Trouble of CPS signal by high voltage generated in Ignition coil Photo 3.7 Crankcase cover and CPS Photo 3.8 Flywheel rotor and T, F mark Photo Teeth of flywheel rotor Photo 3.10 CPU input signal generated from CPS finally(one tooth) Photo 3.11 Apparatus for fuel injection test Photo 3.12 Intake air system of VL Photo 3.13 T mark and tooth of flywheel rotor for carburetor type Photo 3.14 CDI unit of carburetor type Photo 4.1 LCD and ECU for controlling engine Photo 5.1 Tasking EDE screen and engine control program written by C language Photo 5.2 Contents of C compiler program Photo 5.3 Down load program in order to send ~.hex file to ECU

20 Photo 6.1 VL 125 motorcycle engine Photo 6.2 Engine dynamometer and motorcycle engine Photo 6.3 Engine dynamometer controller Photo 6.4 CO, HC, NOx tester for emission test Photo 6.5 DC power supply for 12V constant voltage Photo 7.1 Carburetor type VL 125 motorcycle engine

21 List of Tables Table 1.1 The comparison of emission regulation (EURO Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ ) Table 1.2 The aim of japanese new motorcycle Table 1.3 Emission regulation of motorcycle in korea Table 3.1 Specification of VL125 engine Table 3.2 Specification of electricity system Table 3.3 Specification of power train system Table 3.4 Fuel injection time when fuel pressure is 2.8kg/cm Table 3.5 Variation of intake manifold pressure Table 6.1 Specification of engine dynamometer Table 7.1 Fuel consumption data Table 7.2 Fuel consumption ratio Table 7.3 Fuel consumption data at WOT Table 7.4 Fuel injection time at λ= Table 7.5 Fuel injection time(1) Table 7.6 Fuel injection time(2) Table 7.7 Fuel injection time at λ=

22 Nomenclature A A n A th a C C D C n dφ d th D th dt E L m mcyl m_norm mshfm Mm m c m th N N c P P b output amplification ratio according to input orifice area flow area of throttle acoustic velocity coefficient flow rate coefficient of throttle flow rate coefficient small variation of magnetic flux bore shaft diameter of throttle diameter of throttle valve small variation of time voltage value pipe length air mass air mass in combustion chamber normalized air mass in combustion air mass metered by AFS air variation in intake manifold air flow rate coming to cylinder from manifold mass flow rate going through manifold engine speed winded number of coil air pressure intake air pressure

23 P f P partial P 0 P S Q R rl rlroh S T T absolute fuel pressure partial air pressure in combustion chamber normalized air pressure( kpa) intake manifold pressure fuel injection amount gas constant relative cylinder charge in combustion chamber primary rel. cylinder charge pipe area air temperature absolute gas temperature in combustion chamber T 0 normalized air temperature(273 K, 0 ) T S υ h V V h V S V H θ 0 λ ϒ ρ f air temperature in intake manifold frequence of Helmholtz volume volume of one cylinder total volume of intake manifold total volume throttle angle of the closed valve wave length specific heat ratio fuel density

24 제 1 장서론 1.1 연구의배경및목적 일반적으로모터사이클엔진은흡입, 압축, 폭발및배기의과정을거치면서연료를연소실에공급하고적절한시기에점화를행하여크랭크축 2회전 (720 ) 에 1사이클을완성한다. 이과정에서연료의공급시기, 연료량및점화시기를엔진상태에알맞게제어함으로서우리가필요로하는동력을얻게된다. 기존모터사이클엔진의경우, 연소실로의연료공급은캬브레터 (carburetor) 에의해기계적으로이루어지고, 점화는플라이휘일로터위에설치된 1개의 Tooth와 CPS(Crank Position Sensor) 로부터출력되는크랭크각신호를받아간단한파형의정형과정을거쳐컨트롤유니트에서제어하게된다. 이러한시스템은기계적이거나부분적인전자제어에의해연료공급이나점화가이루어지기때문에연비와출력향상, 배출가스저감에한계가있다. 더욱이, 모터사이클엔진의배기량은중형자동차의 1/20 정도밖에되지않지만 CO의배출량은자동차의 4배정도이고, HC의배출량은무려 17배이상발생하는것으로알려져있다 1). 따라서현재와같이캬브레터에의해연료가기계적으로제어되고, 비교적간단한컨트롤유니트에의해점화가제어되는시스템으로는앞으로강화될배출가스규제에대응하기란불가능하다. 현재모터사이클엔진을개발하거나설계하는데있어서관심있게고려해야할점이몇가지있는데, 그중에는모터사이클의동력특성에큰영향을미치는엔진의출력과연비향상을위한엔진의효율증대, 그리고환경오염을줄이기위한유해배출가스의저감등이있다. 이러한기본적인요구사항은시대상황에따라서상대적으로그중요성이달라져왔다. 과거의모터사이클에대한연구는출력, 미관등을중심으로이 - 1 -

25 루어졌지만, 오늘날에와서는환경과에너지문제를중심으로이루어지고있는데모터사이클엔진의전자제어화가필수적이며고속, 고출력과가변기술을조합한모터사이클의개발, 엄격한배기가스규제를만족시키기위한엔진의전자제어화와촉매기술의조합, LPG 및천연가스를연료로한대체연료모터사이클의개발그리고연료전지모터사이클의개발등이있다. 현재의모터사이클엔진은대부분캬브레터방식의 2 행정 (stroke) 또는 4 행정엔진으로구성되어있어정확한공연비로엔진을제어하기가어렵다. 또한, 캬브레터에의한기계적인혼합비제어로인해연소실로진한혼합기가공급되어필요이상으로연료소비율이증가하고, 배기량대비 HC 와 CO 2 의배출량이자동차에비해많아져에너지절약과배출가스저감측면에서어려움이있다. 또, 전자제어를배제하고연소실의최적설계, 흡기시스템의변경등기계적인시스템의개선만으로서는점차강화되는배기가스규제에대처하기란사실상어려운상황에와있다. 최근전세계적으로강화되고있는배출가스규제가점차단기통모터사이클엔진에도적용하는추세에있으며, 이에따라배기가스규제를만족시키기위해경쟁적으로모터사이클엔진에적용하기위한전자제어연료분사와점화장치에대한연구가활발히진행되고있다. 단기통모터사이클엔진에는그동안주로 2 행정엔진이사용되어왔으나배기가스규제에대비해서 2 행정엔진의생산을중단하고 4 행정엔진으로대체되거나, 2 행정의장점을그대로살리면서연비와출력을향상시키고신기술을적용하는것으로규제강화에대응하고있다. 현재, 대부분의단기통모터사이클엔진은연료공급시스템으로캬브레터를사용하고있으나이러한시스템은연료경제성과배출가스측면에서는많은문제점을야기하고있는실정이다. 따라서모터사이클엔진의경우연료공급방식을캬브레터방식에서점차전자제어연료분사방식으로변화를모색하고있으며, 점화방식또한부분적인전자제어방식인현재의컨트롤유니트방식에서 ECU에의한제 - 2 -

26 어방식으로변화되고있다. Table1.1 과 Table 1.2 는유럽과일본의모터사이클에대한배출가스규제의변화및앞으로의규제목표를나타내고있다. Table 1.1과 Table 1.2에서보는것처럼현재각국에서는모터사이클엔진에대한배출가스규제가한층강화되고있는추세이고연비향상에대한요구또한점점높아지고있으며, 우리나라도 2007년경에는모터사이클에 EUROⅡ 수준의규제를할예정으로있어캬브레터의적용은우리나라에서도이제한계에와있다. Table 1.3은현재우리나라의모터사이클엔진에대한규제값이다. Table 1.1 The comparison of emission regulation(euro Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ ) Engine type (displacement) Application year CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) EUROⅠ ECE R40(2stroke) ECE R40(4stroke) EUROⅡ EUROⅢ <150cc cc <150cc cc Table 1.2 The aim of Japanese new motorcycle Displacement CO(g/km) HC(g/km) NOx(g/km) Target year <50cc cc Displacement<125cc cc Displacement<250cc cc

27 Table 1.3 Emission regulation of motorcycle in Korea Classification Application year Under 50cc More than 50cc CO stroke HC MODE (g/km) NOx ~ CO stroke HC NOx 따라서기존캬브레터방식의단점인고연비, 저출력, 고배출가스를보다개선하여향후적용될배출가스규제에대응하기위해서는반드시전자제어시스템의개발과적용이필요하다. 본연구의목적은전자제어시스템에알맞게단기통모터사이클엔진의흡기, 연료및점화시스템을설계 ( 구조 ) 변경하고, 전자제어엔진을제어하기위한최적 ECU 회로의설계제작그리고전자제어액츄에이터 (actuator) 시스템을구동하기위한알고리즘 (algorithm) 을구축하고이를기반으로하여제어소프트웨어를개발하는것이다. 또본연구에서개발한 ECU 및제어프로그램을단기통모터사이클엔진에적용하고엔진동력계 (engine dynamometer) 실험을통해엔진의성능특성을고찰함으로서전자제어단기통엔진의최적제어를위한방향을모색하도록한다

28 1.2 연구내용 현재단기통모터사이클엔진은연료제어방식으로캬브레터를사용하고있으므로배출가스규제, 연비향상, 성능향상등여러가지면에서전자제어방식에비해취약하며, 자동차가엔진에적용되고있는각종센서에의해정밀하게제어되고있는것에비하면아직도많은연구가필요한실정이다. 또한향후모터사이클엔진에대한배출가스규제가강화되면보다정밀한연료분사및점화제어를필요로하기때문에현재와같은시스템으로강화된배출가스규제를만족시키기란사실상어렵다. 따라서엔진으로부터입 출력되는여러요소들을고려하여연료분사량및점화시기를모터사이클엔진이요구하는최적의상태로제어하기위해강력한성능을가진마이크로프로세서에의해제어되는 ECU(Electronic Control Unit) 의개발이필요하다. 이에단기통모터사이클엔진을최적상태로제어하기위해필요한 ECU를설계, 제작하여엔진실험에적용하도록한다. 또보다효과적으로 ECU에의해엔진이제어되도록하기위해서흡기시스템, 점화시스템및연료시스템을전자제어모터사이클엔진에알맞게 Fig. 1.1과같은형태로구조변경 ( 개조 ) 하고, 자체개발한 ECU를이용하여각종액츄에이터 (actuator) 를작동시키기위한제어알고리즘과제어프로그램을개발한다. 또한, 엔진실험을효과적으로수행하기위해 ECU가모터사이클엔진의연료분사량과점화시기를실시간으로제어할수있도록설계한 LCD 제어시스템을개발한다. 먼저, 흡기시스템의설계변경에서는기존의캬브레터방식의공기흡입통로에설치되어있는벤츄리 (venturi) 등각종공기유동을방해하는요인을제거하고흡기시스템을단순화함으로서흡입효율을향상시키고흡기시스템의구조와형상을자유롭게설계할수있도록한다. 연료시스템의경우기존캬브레터방식이강제압송방식이아닌대기압에의한연료공급방식을사용함으로서비교적단순한형태이나, 본연구의전자제어방식에서는인젝터 - 5 -

29 (injector) 에서최적의상태로연료를분사할수있도록연료펌프에의한강제압송방식을사용한다. 점화시스템의경우, 기존캬브레터방식은플라이휘일로터에부착된 1개의 Tooth와 CPS에의해출력되는크랭크각신호를받아별도의컨트롤유니트에의해제어되던방식이나, 본연구에서는엔진제어에알맞도록 10개의 Tooth를플라이휘일로터둘레에설치하여보다정밀한크랭크각을감지할수있도록하여 ECU에의해최적상태로연료분사와점화가제어되도록설계한다. 그리고엔진실험을통해얻은데이터를실제전자제어엔진에적용해출력을구하고그출력특성을분석함으로서자체제작된 ECU의성능을확인하며, 향후전자제어단기통모터사이클엔진의개발에필요한자료를확보하고그연구개발방향에대해논한다. Fig. 1.1 Schematic diagram of sensors and actuators to control motorcycle engine - 6 -

30 제 2 장이론적고찰 2.1 엔진성능향상 연료공급량의증가 엔진출력의기본이되는발생열량을증가시키기위해서는보다많은연료를실린더내로공급할필요가있지만, 그렇게하기위해서는우선많은공기를흡입하지않으면안된다. 따라서전자제어모터사이클엔진의출력성능향상을위해서다음과같은사항을고려하였다. 1) 배기량을증가시킨다 2) 흡입효율을개선한다. (1) 흡입저항을감소시킨다. (2) 밸브타이밍을개선한다. (3) 관성과급을유용하게이용한다. (4) 배기저항을감소시킨다. 3) 엔진을고회전화한다 도시마력의증대 공급한전발열량에대한도시마력의비율을증가 ( 도시열효율을향상 ) 시키기위해다음과같은요소들을고려하였다. 1) 압축비를증가시킨다. 2) 연소조건을개선한다. (1) 적절한혼합비로제어한다. (2) 효율적으로연료를무화시킨다

31 (3) 최적점화시기를선정한다. (4) 점화계를개선한다 기계효율의향상 연소실내에서발생하는마력 ( 도시마력 ) 중실제로사용할수있는마력 ( 정미마력또는축마력 ) 의비율을증가시키기위해서는마찰손실을작게할필요가있다. 마찰손실은크게나누어펌핑손실과기계손실로나눌수있으며이들의개선에의해기계효율이향상된다. 1) 펌핑손실을감소시킨다. 2) 기계손실을감소시킨다

32 2.2 흡기계 흡기계에요구되는조건 엔진의출력을향상시키기위한방법으로는연소효율, 전달효율및흡 배기효율의 3가지를들수있는데, 이중연소효율과전달효율에의한출력향상효과를기대하기란상당히어렵다. 자연흡기방식에서실제로엔진이흡 배기할수있는양은배기량의 60% 전후인데흡기관의단면적, 길이, 곡면부의변화등에의해엔진의성능을향상시킬수있다. 흡기계는에어크리너 (air cleaner), 스로틀바디 (throttle body), 흡기매니폴드 (intake manifold), 흡기포트 (intake port) 그리고흡기밸브 (intake valve) 로구성되는데여기에는다음과같은기능이요구되며이를고려하여흡기계를설계하였다 2). 1) 전회전영역에걸쳐서흡입효율이좋을것 2) 응답성이우수할것 3) 안정된운전특성을얻을수있을것 4) 흡입저항이적을것 흡기계발생현상 1) RAM 효과일반적으로 1개의스로틀밸브로흡기하는실린더수가많을수록흡기매니폴드내의속도변화는적어지고흡기부압은증가한다. 흡기관의길이및엔진의회전속도가변화하면이기본적인속도파도변화하게되고, 대단히복잡한속도파가이것과겹쳐서나타나게된다. 따라서실제엔진작동시이러한압력차에의해대량으로실린더내로혼합기가밀려들어가게되는데, 이와같은현상을 RAM효과라고하며단기통모터사이클엔진과같이 1개스로틀 - 9 -

33 밸브가담당하는실린더수가적을수록 RAM 효과는크다. 2) 관성효과관성효과는흡입행정시흡기밸브가열려있는동안발생하는현상으로서, 흡기관내에서의혼합기흐름은처음에는관성이없기때문에부드러운흐름이되지않지만어떤회전속도에이르면흡입하지않아도계속흐름이이루어지는것을말한다. 따라서흡기관성효과에의해피스톤이상승하기시작해도혼합기의흐름은멈추지않고실린더내로계속유입된다. 그러나이현상은모든회전속도에서적용되는것이아니라어떤회전속도에서만유효하다. 이때, 흡기관내에서일어나는공기의진동은 Herman von Helmholtz의공조기로설명할수있다. 즉실린더가용기, 흡기관이파이프라고할때헬름헬쯔공조진동수 υ h 는식 (2.1) 과같이표시할수있다. υ h = a 2π S LV (2.1) 여기서관성효과는 1 사이클의흡입행정기간즉, 흡입밸브가열려서닫힐때 까지의기간에발생하므로주기 (1 사이클의시간 ) 은진동수의역수로식 (2.2) 와같이나타낼수있다. 1 ν h = 120 N θ 720 (2.2) N = 120υ h θ 720 (2.3) 식 (2.3) 을식 (2.1) 에대입하면식 (2.4) 와같이된다

34 N = aθ 12π S LV (2.4) 식 (2.4) 에서관성효과를발휘하는회전속도는흡기관의직경에비례하고, 길이의평방근에반비례한다는것을알수있다. 또한, 실린더배기량의평방근에도반비례하므로동일한흡기관에서도실린더의배기량이크면관성효과를발휘하는회전속도가낮아진다. 3) 맥동효과관성효과도일종의압력진동이지만흡입행정에서흡기관내에발생하는압력진동이동일한흡입행정에작용하므로흡기밸브가열려서닫힐때까지의시간에작용하는효과를말한다. 이에반해, 맥동효과는흡입행정에서발생된압력진동이흡기밸브가닫힌후에도소멸되지않고남아다음사이클의흡기행정에영향을미치는현상을말한다. 흡기밸브가상사점부근에서열려피스톤이아래쪽으로움직이기시작하면부압파는흡기관의대기에열려있는쪽으로이동해가고그속도는대략음속이다. 이부압파는흡기관의대기개방부에도달하면흡기관의끝부분에서대기로사라지는데, 이때주위의공기는이비어있는부분을채우기위해밀려오고공기의관성에의해정압파가발생하며공기중에있어서의음속과는반대로엔진의흡기밸브로전달이된다. 이것을제1 반사파라하며이반사파가흡기밸브에도달하면이번엔흡기관의대기개방부쪽으로되돌아나온다. 이정압파가대기개방부에도달되면대기중으로사라지고이번엔부압파가발생하여전파된다. 이것을제2 반사파라한다. 이와같이정 부의압력이연속적으로얻어지며그압력은차츰낮아진다. 일반적으로 0차의부압과 1차반사파의감소비율은 12% 정도이지만이감소비율은흡기밸브의형상등에따라차이가생긴다. 이들파가사라지는것은매우느리기때문에잔류파는 2회전후흡기밸브가열려있을

35 때에도여전히흡기관에남아있게된다. 관내의공기의고유진동수는음속 을파장으로나누어계산할수있으며, 흡기밸브가닫혀있는동안흡기관내 의공기의진동수 ν p 는식 (2.5) 로나타낼수있다. ν p = a λ (2.5) 여기서, 압력파는흡기관을 2 회왕복함으로서압력진동 1 사이클을종료하므 로 ν p = a 4L 가된다. 엔진의작동은크랭크축 2회전에 1사이클이완료되 므로엔진이 2 회전하는동안에즉, 다음의흡기행정에서흡기밸브가열릴때 까지흡기관내에서일어나는사이클의수를맥동차수라하는데식 (2.6) 과 같이 q 로나타낸다. q = = ν p N 2 60 a 4L N 120 (2.6) = 30 a N L (2.7) 식 (2.7) 에서맥동차수 q는 1, 2, 3 ㆍㆍ등의정수로서다음사이클의흡입행정에서흡기밸브가열릴때부의압력진동으로작용하여체적효율을저하시키는효과가발생한다. 또, q가 1.5, 2.5, 3.5ㆍㆍ등의경우정압의타이밍이되어체적효율이향상된다. 따라서맥동효과를발생하는회전속도는식 (2.7) 를바꾸어나타내면식 (2.8) 과같이된다

36 q = 30 a N L N = 30 q a L (2.8) 흡기관설정시고려사항 흡기관의형상과길이는흡입저항에큰영향을미치므로가능한한저항이 작은형상으로설계하였다 2). 1) 흡입저항에어크리너, 흡기매니폴드, 흡기밸브, 스로틀밸브에의한압력손실은흡입종료시기에있어입구압력과연소실내압력과의차압을발생시켜체적및충진효율모두를감소시킨다. 따라서흡기관은곡면과교축이적으면서충분한단면적을가지도록설계하여야압력손실을감소시킬수있다. 2) 흡기관의길이스로틀밸브에서흡기밸브까지의흡기포트내용적을흡기관용적이라하며, 이흡기관용적 / 실린더용적의비가작을수록가속응답성은좋아진다. 따라서흡기관의길이는가능한한짧게하는것이바람직하며, 가능한한진동에너지가큰 1차반사파 ( 정압 ) 를동일흡기행정에서이용하는것이좋다. 단기통모터사이클엔진의흡기과정은일반적으로 BTDC 30 ~ 35 에서밸브가열리고 ABDC 45 ~ 50 에서닫힌다. 그러나밸브개폐전 20 정도는밸브의리프트양도적고또한흡기밸브도좁혀져있으므로실제로유효하게밸브가열려있는시기는밸브가닫히기전 30, 즉 ABDC 25 ~ 30 부근이다. 이때흡기밸브의상부압력을높게하고 1차저압파의피크가일치되도록하여맥동효과가최대가되도록흡기관의길이를선정하면좋다

37 3) 곡면부유체의흐름에있어서곡면부분을두지않는것이이상적이지만실린더헤드와포트각도와의관계에의해흡기관에곡면부를두지않으면안되는경우가있다. 이경우흡기관의길이를짧게하고곡면부를부드럽게하여흡입효율을향상시킬수있다. 경험적으로는흡기관의곡면부는 100R( 곡면반경 100mm) 이상은확보되어야한다. 연료분사방식을적용할경우, 흡기관의경사는제약을받지않으므로흡입저항을우선적으로고려하여가능한한실린더와흡기포트각도에알맞게설계하였다. 4) 형상에따른분배성 1개의스로틀밸브로여러실린더에공기를균일하게분배하는것은매우어렵다. 따라서무화성을향상시키기위하여흡기관의길이를길게하면가속응답성이떨어지게된다. 흡기관자체에곡면부를두면중 저부하영역에서는좋지만고부하영역에서는흡입효율의저하를초래할수있다. 5) 에어패널 (air panel) 에어패널은흡기관내의부압에의해대기로부터공기를빨아들이는입구에해당되지만이끝단의형상도흡입효율에대하여크게영향을미치는요소중의하나이다. 여러가지형상이시험되어왔지만반원형의끝단형상이가장많이사용되고있다. 에어패널의길이는흡기계를가변으로하기위한요소라고생각하면스로틀밸브의위치를최소위치에설정함으로서흡기계의선정범위를크게하고에어패널의길이를조절하며최적길이를설정하였다

38 6) 흡기관단면적흡입효율을향상시켜출력증대를꾀하고자흡기관의단면적을크게한경우는고속 고부하영역에서는성능향상이가능하나, 저 중속영역에서는흡기관내의유속이낮아흡입효율이저하된다. 반대로중 저속에맞도록흡기관의단면적을좁게하면고속영역에서는흡입저항이증대하여출력부족을초래하나가속응답성을중시할때는바람직하다. 따라서일반적으로흡기관단면적은밸브개구면적과같은크기로하든가 5~10% 큰면적으로하면좋다

39 2.3 공기유량계 공기유량계의검토 흡입공기량을간접적으로계측하여연료분사량과점화시기를제어하는간접계측방식으로는흡기관내의흡기압력을측정하는 MAP(Manifold Absolute Pressure) 센서와엔진회전속도에의한속도-밀도 (speeddensity) 방식, 스로틀밸브의개도와엔진회전속도를이용하여간접적으로흡입공기량을계측하는스로틀-속도 (throttle-speed) 방식그리고스로틀밸브의개도와맵센서에의한스로틀-밀도 (throttle-density) 방식이있으며, 직접계측방식으로는흡기통로에 AFS(Air Flow Sensor) 를설치하여흡입공기량을직접계측하는것으로서핫-와이어 (hot-wire), 핫-필름 (hot-film), 칼만-와류 (karman-vortex), 베인 (vane) 방식등이있다. 기존의자동차용가솔린엔진에서는맵센서나베인형등의간단한측정방식의 AFS가많이사용되었으나, 현재에는점차응답성과정밀도가높은핫- 와이어, 핫-필름방식의것으로대체되어사용되고있다. 특히단기통모터사이클엔진은주기적인왕복운동에의해공기를흡입할때흡기관내의압력변동이커유량측정상몇가지문제점이발생할수있는데이와관련하여모터사이클엔진에서사용하기위한공기유량계의요건을살펴보면다음과같다 3). 첫째, 유량변화에대한유량계의출력응답이빨라야한다. 핫 - 와이어방식은매우빠른출력특성을나타내지만엔진의운전조건에따 라서는정상상태에서도맥동유동이심할경우또는회전속도가낮고변동이 심한저속영역에서는순간유량변화에응답이빨라서맥동을그대로출력하므

40 로이경우에는오히려평균유량을측정하는데어려움이따를수있다. 이에반해핫-필름이나맵센서방식은응답특성이핫-와이어방식에비해느리므로필터링효과가있어평균값을쉽게얻을수있다. 그러나엔진이급가속과같은빠른출력이요구되는상태가될때는유량변화가빨리일어나므로필터링이있으면유량계산에시간지연과오차를가져오게된다. 가속시연료량계산에는산소센서 (O 2 sensor) 에의한피드백이이루어지지않으므로시간지연이있으면그만큼공연비제어에어려움이있게되어응답성이빠른유량계일수록유리하다. 단기통모터사이클엔진의경우단기통인관계로자동차용 4기통엔진과비교시회전속도가낮을경우회전속도변동이심하게되고 RAM효과가커지게되어흡입공기유량을계측하는데어려움이따른다. 이때는응답성이빠를경우이에대응하여연료분사량을결정하게되므로엔진부조등의문제점이발생할수있다. 따라서단기통모터사이클엔진의경우엔진회전속도변동이큰저회전역에서는필터링효과가있는핫-필름이나맵센서방식이유리할수있다. 둘째, 유동의방향성을측정해야한다. 스로틀밸브가많이닫힌경우에는흡기매니폴드내의압력이대기압보다낮으므로유동의방향이항상대기에서엔진쪽으로향하지만스로틀밸브가 WOT(Wide Open Throttle) 에이르게될수록맥동의진폭이커지면서엔진에서대기로의유동이생기게된다. 따라서엔진이 WOT 상태에있을때역방향유량을순방향유량으로측정하게되면흡기량의계산에오차가커지게된다. 현재쓰이는대부분의유량계들은유동의방향성을감지할수가없다

41 셋째, 유량계의출력특성을고려해야한다. 유량과출력관계가선형적일경우출력오차로인한유량오차는유량에관계없이일정하지만비선형적인경우에는유량에따른오차도달라진다. 핫-와이어방식은유량과출력이비선형인데특히출력전압이높은상황에서는출력이조금만달라져도유량에는큰차이가나므로문제가된다. 또한출력전압을필터링할때에도전압에관계없이일률적으로할수없으므로어려움이있다. 이런관점에서볼때맵센서방식은선형성을가지고있으므로단기통모터사이클엔진의제어에유리하다. 넷째, 내구성과장착성등의요소를고려해야한다. 단기통모터사이클엔진의경우, 엔진의각부품의설치공간이매우제한 되어있으며차체의특성상진동이많이발생할수있다. 따라서이런관점에서맵센서방식은다른방식보다유리하다. 다섯째, 경제성이있어야한다. 단기통모터사이클엔진의경우, 자동차와달리핫 - 와이어나핫 - 필름방식 의경우대당가격대비흡입공기유량계의가격비율이커질수있다. 맵센서방식의경우경제적인면에서다른유량계에비해유리하다. 따라서, 앞서언급한공기유량계의여러가지특성을고려하였을때, 흡입 부압의변동이큰단기통모터사이클엔진에적합한흡입유량계측방식은 맵센서에의한간접계측방식이가장유리한것으로판단된다

42 2.3.2 흡입공기간접계측방식의고찰 1) 스로틀-속도 (throttle-speed) 방식이방식은스로틀밸브의개도와흡입공기량에는일정한상관관계가있으므로, 스로틀바디와일체로되어스로틀밸브의개도를전압신호로나타내는 TPS의출력변화를감지하여이에대응하는흡입공기량을간접계측함으로서 ECU에서연료분사량을제어하는방식이다. 따라서공연비의정밀제어는어려우나모터사이클엔진에대한초기배출가스규제의대응에는적당한것으로알려져있다. 또한스로틀-속도방식은직접계측방식의 AFS에고장이발생하였을때흡입공기량대체계측방식으로사용할수있다. 2) 속도-밀도 (speed-density) 방식속도-밀도방식은흡기매니폴드의부압을측정하여부압에따른흡입공기량을간접적으로계측하여연료분사량과점화시기를제어하는방식이다. 따라서설치가간편하고장착성이좋으나출력특성이느리고유량에대한정밀도가직접계측방식에비해떨어지는단점이있다 4). 또, 온도에따른공기량의보정을위해공연비 (A/F) 보정데이터를확보하여야하고, 맵센서출력특성을고려한다양한실험이필요하다. 3) 스로틀-밀도 (throttle-density) 방식이방식은스로틀밸브개도 ( 엔진회전속도 ) 와흡기매니폴드의부압 ( 엔진부하 ) 을이용하여흡입유량을간접적으로계측하여엔진을제어하는방식으로, 흡입공기량은단기통모터사이클엔진의작동특성을고려하여맵센서의신호와 TPS 신호를조합하여계산하게된다

43 2.4 흡입공기유량계측모델 공기충진율계산모델 흡입공기량을계산하기위해 Boyle-Charles 의법칙을적용시켜보면, 이상 기체방정식을식 (2.9) 와같이표현할수있다 5). P V = m R T (2.9) 식 (2.9) 를다르게나타내면식 (2.10) 과같이표현할수있다. m = P R V T (2.10) 또식 (2.10) 을실제엔진에적용시켜보면다음과같이나타낼수있다. V h mcyl = P partial (2.11) R T absolute 식 (2.11) 을표준상태 ( 0 C, kPa) 의공기로표현하면식 (2.12) 와같이나타낼수있다. V h m_norm = P 0 (2.12) R T 0 따라서실린더내상대충진율은식 (2.13) 과같이표현할수있다. rl = mcyl mnorm = P partial P 0 T 0 T absolute (2.13)

44 Fig. 2.1 A structure of rlroh calculation AFS 에의해계측된공기량 mshfm(kg/h) 를회전속도를고려하여다시표현 하면 Fig. 2.1 과같은과정을거쳐식 (2.14) 와같이나타낼수있다. rlroh = 2 mshfm (g/liter) V H N = 2578 V H mshfm N (2.14)

45 Fig. 2.2 A model of intake system for r1 calculation Fig. 2.2 에서보는것과같이실제엔진에적용시켜보면식 (2.15) 와같이 흡기매니폴드내의압력변화를유도할수있다. P S V S = m R T S P S V S = ṁ R T S = (mshfm - ms) R T S = (rlroh - rl) N K R T S dp / dt = (rlroh - rl) N K R T S / V S (2.15)

46 여기서 K= ρ 0 V H / 2, ρ 0 = m / V = P 0 / R T 0 로나타낼수있으므 로식 (2.15) 에대입하여나타내면식 (2.16) 과같이표현할수있다. dp / dt = (rlroh - rl) N ρ 0 2 V H R T S V S (2.16) = (rlroh - rl) N 1 2 P 0 V H R T 0 R T S V S = (rlroh - rl) N 1 2 T S T 0 V H V S P 0 따라서흡기매니폴드에서의압력변화를 Fig. 2.3 과같이나타낼수있으며 이것을식으로표현하면식 (2.17) 과같다. dp s / dt = (rlroh - rl) N P 0 (T S /T 0 ) (V H /V S ) 1/2 (2.17) Fig. 2.3 A structure of dp s / dt calculation

47 2.4.2 간접유량계측모델 1) 공기유량계측엔진의흡기계는 Fig. 2.4와같이크게세부분으로나눌수있다 3). 먼저, 한부분은외기를포함하는스로틀밸브의상류로서에어크리너에서의압력강하와마찰손실을무시한다면거의대기압으로볼수있는부분이다. 또하나는엔진의서지탱크 (surge tank) 와흡기매니폴드를이루는부분으로서스로틀밸브를지나서부터흡기밸브까지이다. Fig. 2.4 A simplified model of engine intake system

48 마지막하나는바로흡기밸브를지난후의흡기포트및실린더이다. 이렇게 3부분으로나눌수있는이유는바로압력인데, 각부분의압력은거의균일하게유지되는하나의부피로볼수있기때문이다. 즉, 각부분들은영역의경계에스로틀밸브와흡기밸브라는방해물로서유동이크게제한받고, 이에따른상호간의압력차가크거나유동형태가다르게나타나기때문이다. 이렇게 3부분으로나눈후, 서지탱크를포함하는흡기매니폴드를중심으로질량보존식을식 (2.18) 과같이나타낼수있다. 3) dm m dt = m th - m c (2.18) 일반적으로밸브또는오리피스 (orifice) 를통과하는유량에대해서는다음 과같이일차원압축성유량관계식을적용할수있다. 압축성유동은스로틀 밸브에서유량이초크되지않았을때와초크가일어났을때로나눌수있 는데만일매니폴드의압력이초크압력비보다크거나같을때즉, ( 2 γ + 1 )ϒ/(ϒ-1) 이라면유량은초크되지않고식 (2.19) 와같다. P m P 0 m th = C D A th P 0 ( 2 ) 1/2 ( RT 0 γ γ 1 )1/2 ( P m P 0 ) 2/ϒ -( P m P 0 ) (ϒ+1)/ϒ } 1/2 (2.19) 만약, 매니폴드압력이초크압력보다낮으면즉, P m 2 ( P 0 γ +1 )ϒ/(ϒ-1) 이라 면유량은초킹이일어나고식 (2.20) 과같다

49 m γ th = C D A th P 0 ( ) 1/2 2 ( RT 0 γ +1 )(ϒ+1)/2(ϒ-1) (2.20) 여기서, P 0, T 0 는각각정체압력 (stagnation pressure), 정체온도 (stagnation temperature) 로서대기압, 대기온도로볼수있다. P m 은엄밀히말하면스로틀목 (throttle throat) 에서의압력으로나타내어야하지만압력회복을무시한다면, 스로틀목압력은매니폴드압력과거의같다고가정할수있으므로매니폴드압력으로나타내었다. 2) 스로틀밸브직경계산식 (2.19) 에서는매니폴드압력과스로틀의유로면적모두가유량에관계하지만, 식 (2.20) 에서는매니폴드압력의영향을받지않는다. 즉대기압이거의일정하다고본다면, 식 (2.20) 에서초크시의유량은스로틀면적에의존한다. 그러므로스로틀각에대한스로틀면적은중요한함수가된다. 대부분의엔진에서사용하는일반적인스로틀의기하학적형상은 Fig. 2.5와같이나타낼수있고, 이형상에대한스로틀각도와면적은다음의식 (2.21) 로나타낼수있다. A th = f( θ th, θ 0, D th, d th ) = πd 2 th (1- cos θ th ) + 2 cos θ 0 π [ th cosθ (cos 2 θ th - th 2 cos 2 θ 0 ) 1/2 - cosθ th cosθ 0 sin -1 ( th cosθ 0 cosθ th - th(1- th 2 ) 1/2 + sin 1 th] (2.21)

50 Fig. 2.5 Throttle plate geometry 여기서 th = d th /D th 에서 d th 는스로틀의 Bore Shaft 직경, θ th 는스로틀 각 (degree), D th 는스로틀밸브의직경, 그리고 θ 0 는스로틀이닫힌상태에서의스로틀각이다. 스로틀각이 θ = cos -1 ( th cosθ 0 ) 보다클때에는 Bore Shaft의직경으로인하여스로틀면적은더이상늘어나지않고최대값 ( πd 2 th /4 - d th /D th ) 을유지한다. 식 (2.21) 의기하학적형상에의한계산값과유량측정으로부터계산한값을비교하여차이가생기는부분은스로틀밸브의유량계수 (C D ) 가된다. 따라서스로틀면적, 유량계수및매니폴드압력이구해지면식 (2.20) 에대입하여스로틀을통과하는유량을계산할수있다

51 제 3 장엔진및 ECU 하드웨어시스템의설계 3.1 ECU 하드웨어시스템의설계 ECU 회로구성 ECU(Electronic Control Unit) 는 80C196KC 마이크로프로세서, 2개의 A29040L 플래시메모리, A623308M RAM, 16V8 GAL, 74LS573과입 출력인터페이스로 Fig. 3.1 과같이구성하였다. Photo 3.1은실제본연구에서개발하여단기통모터사이클엔진제어에사용한 ECU를나타낸다. Fig. 3.1 Block diagram of ECU for controlling motorcycle engine

52 Photo 3.1 ECU and 80C196KC microprocessor

53 1) 80C196KC 마이크로프로세서 (1) 특성 80C196KC 마이크로프로세서는 16 비트의 CHMOS 형태로서 512 바이트의 내부 RAM 을가지고있으며특징은다음과같다 6). - 동적구조로되어있는 8/16비트 Bus Width - Capture 기능이있는 16비트 Up/Down Count - Sample/Hold 기능을갖고있는 8/10비트 A/D Converter - 232바이트 Register File - 5개의 8비트 I/O Port - 3개의 PWM Output - 4개의 16비트 Software Timer - Power Down/Idle Mode - 16비트 Watch Dog Timer - 28개 Interrupt Source/16개 Vector - Full Duplex Serial Port

54 Fig C196KC 68-lead PLCC package Fig. 3.2는본연구에서사용된 80C196KC 68Pin PLCC Type의단자구조를나타낸다. 80C196KC는 Fig. 3.3과같은내부구조로구성되어있어여러가지구조로외부메모리를인터페이스 (interface) 할수있으며, 외부메모리이외에입 출력포트를인터페이스할경우에도메모리인터페이스를기준으로한다. 자신이원하는외부메모리형태를지정하기위하여 CCR (Chip Configuration Register) 에 8비트 /16비트 Bus Width, Wait State, Write Enable 신호지정등을하여야한다. 외부메모리를인터페이스할경우다음과같은신호를필요로한다. EA : External Memory Access, 내부 ROM/ 외부 ROM 선택 ALE : Address Latch Enable, 외부메모리를액세스하는동안동작 WR RD : Write, "L" 일때데이터를버스에출력 : Read, 어드레스버스를 Latch 하는데사용. L" 일때메모리에서 출력된데이터를버스에출력

55 Fig. 3.3 Architectural overview of 80C196KC (2) 내부데이터 RAM 0x1FF 0x100 0xFF 상위데이터 RAM 데이터를저장하는데사용 Register File 연산에사용 0x1A 0x19 0x18 0x17 0x00 SP Stack Pointer 로사용 SFR 입 출력및주변장치를제어 Fig C196KC internal data RAM

56 80C196KC의내부데이터 RAM은 Fig. 3.4와같이 256바이트의상위데이터 RAM, 232바이트의레지스터파일, 2바이트 SP(Stack Pointer), SFR(Special Function Register) 로구성되어있다. 상위데이터 RAM은데이터를임시로저장하는데사용되며, 레지스터파일은 80C196KC가데이터전송및연산을하는데주로이용된다. 그리고모든입출력장치들은 SFR을이용하여제어한다. (3) I/O Port 80C196KC에는 Port 0 ~ Port 4 의각각 8비트입 출력포트가 5개있다. 이포트들은입력기능 (Port 0) 으로만사용하든지혹은출력기능 (Port 2 의일부 ) 으로만사용할수있으며, 동시에입 출력기능 (Port 1) 으로도사용할수있다. Port 3와 Port 4는 80C196KC 외부에메모리를연결하였을경우, 데이터버스 (Port 3) 및어드레스버스 (Port 3: 하위어드레스 A0 ~ A7, Port 4: 상위어드레스 A8 ~ A15) 로사용한다. 본연구에서는 P0.0 ~ P0.7을각종센서와연결하여아날로그신호를받아디지털신호로변환하여 CPU로전달하도록설계하였다. P1.0 ~ P1.7은본연구에서는사용하지않으나필요시입 출력확장용으로설계하였다. P2.0 ~ P2.7은 PC와의통신, ISCV제어등의용도로사용되도록설계하였다. P3.0 ~ P3.7은 ROM이나 RAM과의데이터정보를교환하기위한 8비트데이터버스로사용되도록설계하였으며, P4.0 ~ P4.7은 P3.0 ~ P3.7과함께 16비트어드레스버스로사용되도록설계하였다. 따라서본연구에서는 Port 0 ~ Port 4를맵센서, TPS 등으로부터엔진상태의신호를받아 CPU로전달하는입력단자의역할, 주변장치와의정보교환을위한데이터와어드레스버스의역할, PC와의통신등의입 출력역할을수행하도록설계하였다. Fig. 3.5는실제 ECU에서입 출력포트의연결회로도를표시한다. 여기서 CPS 로부터의신호는

57 HSI.0와 HSI.1을통해받아 CPU로전달하여제어하게되며, 액츄에이터를제어하기위한최종제어신호는 HSO.0( 인젝터제어 ) 와 HSO.1( 점화제어 ) 단자를통하여출력하게된다. 엔진실험시연료분사량과점화시기를제어하기위해필요한정보로서볼륨 (volume) 에의해제어되는전압신호는 P0.6( 점화시기제어 ) 와 P0.7( 연료분사량제어 ) 단자를통해입력받도록설계하였다. Fig C196KC I/O port

58 (4) 인터럽트 (interrupt) 인터럽트는 CPU가일을하고있다가우선순위가더높은일이발생했을때하던일을일단중단, 저장하고우선순위가높은일을처리한후하던일을계속하는것을말한다. 본연구에서는프로그램설계및엔진실험시 HSI Data Available Interrupt(2) 와 Timer1 Overflow Interrupt(0) 의 2개인터럽트를사용하여프로그램을제어하도록하였다. HSI Data Available Interrupt는 CPS로부터출력되는크랭크각신호의하강에지 (falling edge) 에서인터럽트가발생하면현재실행중인번지위치에서연료분사및점화제어루틴으로이동하여제어하도록프로그램하였다. 또타이머오버플로인터럽트는엔진이회전하지않고오랫동안정지하여 Timer1이오버플로될경우작동되는것으로서, 엔진이정지하였다는것을감지하고재시동시초기상태가되도록하여엔진이정상적으로작동되도록프로그램을설계하였다. (5) 타이머 (timer) 본연구에사용되고있는 80C196KC에는 2개 (timer1과 timer2) 의 16비트타이머가있다. 주로본연구에서연료분사량과점화시기를제어하기위해많이사용하고있는 Timer1은내부타이머를사용하여카운트하고, Timer2 는외부클록을클록소스로사용하여제어할수도있다. 1 State 시간은 20MHz의오실레이터 (oscillator) 를사용할경우 0.1µs 이다. Timer1은오실레이터의 1/16의주파수 (8 state 타임당 1회 ) 마다증가하는 16비트타이머이므로 Timer1의 1 카운트 (count) 시간은 0.8µs 가된다. (6) A/D Converter 80C196KC 에는입력전용 Port 0 를 A/D 컨버터로사용하여아날로그신 호를디지털신호로변환할수있으며, 8 개의아날로그신호를 8/10 비트

59 A/D 컨버터로받아들인다. 본연구에서는대부분의입력신호가아날로그신호인관계로 P0.0 ~ P0.7 단자를이용하여입력신호를받아들여엔진을제어하게된다. A/D 컨버터는 SAA(Successive Approximation Algorithm) 을이용하여한번에하나의입력만 A/D 변환을한다. A/D 변환을제어하는레지스터는다음과같은순서로변환을제어한다. 1 A/D Command(ADC): 변환할채널과변환시작을제어한다. 2 A/D 결과레지스터 (ADRH, ADRL): 8/10 비트변환결과를저장한다. 3 A/D 타임레지스터 (ADT) 와 IOC2.4는변환에필요한 State Time을제어한다. 본연구에서는실제엔진제어프로그램에서사용시다음과같이 C 언어로프로그램하였다. ADC = 0x18; /* 8비트, 채널0, A/D converter enable*/ temp=temp1; /* 변환시간확보 */ while(adrl & 0x08); /*A/D 변환확인 */ result = ADRL; /*A/D 결과 Read*/ (7) HSI/HSO 80C196KC에는 2개의 16비트타이머와소프트웨어타이머 (software timer) 로제어할수있는고속입 출력장치를가지고있으며이기능은 80C196KC의특징중의하나이다. 이고속입 출력장치는펄스폭을측정할수있고파형발생및주기적인인터럽트를발생할수도있다. 본연구에서는플라이휘일로터의 Tooth 시작점에서 CPS의출력신호를정형한파형이 80C196KC의 HSI.0로입력되고, Tooth 끝점에서발생되는신호를정형한파형이 HSI.1로입력되도록하드웨어를설계하였다. 이두신호를이용하여플라이휘일로터에부착된 Tooth의폭을쉽게측정할수있

60 다. 본연구에서는 Tooth의끝점에서발생되는신호를이용하여연료분사, 점화및엔진회전속도를제어할수있도록 ECU를설계하였으며, 고속형인단기통모터사이클엔진이보다빠른속도로센서로부터신호를받아제어프로그램을실행하도록하기위해입력신호를 HSI.O 와 HSI.1로받아 FIFO를이용하여프로그램을제어하며, CAM을이용하여제어된신호를 HSO.0(injector control), HSO.1(spark ignition control), HSO.2(ISCV control) 로출력하여액츄에이터를작동시키도록하드웨어를설계하였다

61 2) A623308M RAM A623308M은 8K 8비트 CMOS SRAM으로일반적인 PC의 RAM과같은역할을하며, 엔진의실험에서최적데이터를얻기위해실시간으로연료분사량, 점화시기및엔진회전속도를 LCD로표시할수있도록해준다. Fig. 3.6은실제 ECU에서의핀의연결도를나타낸다. A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 U13 A623308M-70S(28SOP) D0 9 A0 D0 12 D1 8 A1 D1 13 D2 7 A2 D2 15 D3 6 A3 D3 16 D4 5 A4 D4 17 D5 4 A5 D5 18 D6 3 A6 D6 19 D7 25 A7 D7 24 A8 20 CS3 21 A9 CE 22 /RD 23 A10 OE 27 /WR 2 A11 WE 26 A A13 VCC A14 14 VSS 1 2 U13C V Fig. 3.6 A623308M pin configurations

62 3) A29040L Flash Memory A29040L 플래시메모리 (2) 는 512K 8비트 CMOS 5 Volt-Only로서엔진을제어하기위한프로그램을저장하거나, ECU 시스템 (LCD display 등 ) 을작동가능한상태로만들기위해 ECU를초기화하거나, PC의엔진제어프로그램을다른플래시메모리 (1) 에전송할수있도록하는등의기능을하도록설계하였다. 80C196KC에연결된외부메모리로서 A29040L이작동되기위해서는 CE(Chip Enable) 이 GAL 16V8과연결되어칩 (chip) 이선택되어야하고, 80C196KC와연결된 OE(Output Enable), WE(Write Enable) 가선택되어야한다. 엔진제어프로그램은 PC의 Download 전용프로그램을통해통신인터페이스를거쳐플래시메모리 (1) 에전송되어기억되며이기억된프로그램에의해엔진이제어되도록설계하였다. 본연구에서 ECU의실제각단자의연결은 Fig. 3.7과같이각 IC에연결되어있다. A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 U8 A29040L-70(32PLCC) A0 D A1 D A2 D A3 D A4 D A5 D A6 D A7 D7 26 A8 23 A A10 CE 24 4 A11 OE A12 WE 29 A13 3 A A15 VCC 30 A16 1 A17 16 A18 VSS D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS1 /RD /WR 2 1 U8C V Fig L flash memory(rom) pin configurations

63 4) GAL 16V8 GAL 16V8은 Fig. 3.8과같이 20핀으로구성되어있는 PLD(Programm -able Logic Device) 로서 2개의플래시메모리, RAM 및 LCD 등의작동을제어한다. CPU가 ROM, RAM 등의칩을선택하는데는어드레스신호를디코딩 (decoding) 하는방법이일반적으로사용된다. 본연구에서는칩선택소자로서 16V8 GAL을사용하여디코딩하도록회로를설계하였다. ECU에서의실제회로의연결은 Fig. 3.8과같이연결되어있으며, ECU에서는 2개의 29040L 플래시메모리 (CS1, CS2), RAM A623308M(CS3), 연료분사시간과점화시기및엔진회전속도를확인하기위한 LCD 장치 (CS4) 를사용하고있는데이들의어드레스를 GAL 16V8을이용하여 Fig. 3.9와같이디코드하였다. A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A U14 16V8 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 DIP F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 CS6 CS7 CS8 /RD /WR 9 11 I8 I9 VCC GND U14C V Fig V8 pin configurations

64 RAM AREA 4000 FLASH AREA xFFFF 0xBFFF BOOT AREA 2F80 0x4FFF NOT USER USER_CS4 USER_CS3 USER_CS2 USER_CS1 LCD_CS SYSTEM AREA REGISTER FILE 200 0x2000 0x1F00 0x1E00 0x1D00 0x1C00 0x1B00 0x1A00 0x01FF 0x0000 Fig. 3.9 Address memory map 본연구에서사용하기위해설계된 ECU의경우 Fig. 3.8에서 CS1은 A29040L 플래시메모리 (U8) 의 CE에연결되어있으며이 ROM은초기시스템을부팅 (Booting) 하기위한프로그램을내장하고있다. CS2와연결되어있는 A29040L 플래시메모리 (U10) 은모터사이클엔진을제어하기위한엔진제어프로그램이내장되어있으며플래시메모리의 CE와연결되어있다

65 또, CS3는 A623308M(U13) RAM의 CE와연결되어있으며, CS4는 LCD 와연결되도록설계하였다. 그러나칩이선택되어있다하더라도무조건그칩이동작하는것은아니다. RD, WR과같은제어선도같이활성화 (active) 되어야그에해당되는동작을하게된다. 16V8은 Logic Program을 PALASM 컴파일러 (compiler) 로프로그램을컴파일 (compile) 하여내부 Logic을변경시켜새로운회로가형성되도록함으로서어드레스디코더회로를구성해준다. 이때상위어드레스 (A8 ~ A15) 를디코딩하여필요한 IC 를선택하도록설계하였다. PIN Declarations PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4 PIN 5 PIN 6 PIN 7 PIN 8 PIN 9 PIN 10 PIN 11 PIN 12 PIN 13 PIN 14 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 RD GND WR B_ROM_CS F_ROM_CS RAM_CS

66 PIN 15 PIN 16 PIN 17 PIN 18 PIN 19 PIN 20 LCD_CS USER_CS1 USER_CS2 USER_CS3 USER_CS4 VCC Boolean Equation Segment EQUATIONS /RAM_CS = (A15 * A14 * /A13 * /A12) + (A15 * A14 * /A13 * A12) + (A15 * A14 * A13 * /A12) + (A15 * A14 * A13 * A12) /F_ROM_CS = (/A15 * A14 * /A13 * A12) + (/A15 * A14 * A13 * /A12) + (/A15 * A14 * A13 * A12) + (A15 * /A14 * /A13 * /A12) + (A15 * /A14 * /A13 * A12) + (A15 * /A14 * A13 * /A12) + (A15 * /A14 * A13 * A12) /B_ROM_CS = (/A15 * /A14 * A13 * /A12) + (/A15 * /A14 * A13 * A12) + (/A15 * A14 * /A13 * /A12) /LCD_CS = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * /A10 * A9 * /A8 /USER_CS1 = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * /A10 * A9 * A8 /USER_CS2 = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * A10 * /A9 * /A8 /USER_CS3 = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * A10 * /A9 * A8-43 -

67 /USER_CS4 = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * A10 * A9 * /A8 /USER_CS4 = /A15 * /A14 * /A13 * A12 * A11 * A10 * A9 * /A8 ; AND * ; OR + ; NOT / ; NAND :*: ; NOR :+: 5) 74LS573 본연구에서 74LS573은 80C196KC의 Port 3와연결되어있으며어드레스신호와데이터신호를분류하여어드레스신호를어드레스버스에래치 (latch) 하도록하였다. 80C196KC의번지지정은 CPU 내부의 16비트 PC (Program Count) 에의해어드레스버스를통해번지가전달된다. CPU는복잡한제어를수행하기위해주변의많은 IC의도움을받게되는데이때주변 IC와상호정보교환을하게되며이를위해서는많은데이터버스와어드레스버스가필요하나이렇게될경우회로가매우복잡해져여러가지문제점이야기된다. 따라서이러한문제점을해결하기위해하나의포트에서데이터신호와어드레스신호를동시에보내주고, 별도의단자를통해현재의신호가데이터신호인지어드레스신호인지를구별해주면된다. 이와같이현재포트를통해전달되는신호가데이터신호인지어드레스신호인지를구별해주는역할을하는 IC가바로 74LS573이다. 본연구에서는 Port 3(8비트 ) 가데이터와어드레스버스로동시에사용되고있으므로어느때가어드레스신호이고어느때가데이터신호인지를구분할필요가있으며이역할을 Fig. 3.10에서보는것처럼 80C196KC의 /ALE

68 (62) 와연결된 LAT단자 (11) 가하도록하였다. 80C196KC에서어드레스신호를보낼때는 74LS573과연결된 /ALE 단자로신호를출력하여어드레스신호임을알려준다. 회로에서의 Latch" 의기능은 물고놓지않는다 라는뜻으로데이터와어드레스가다중화 ( 시분활로출력 ) 된라인에서하위바이트의어드레스를물고일정기간 ( 다음 ALE신호가오기전까지 ) 동안잡아두는기능을한다. 1 CH0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 INT 0 INT 1 INT 2 INT 3 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 /RESET U P0.0/ACH0 P0.1/ACH1 P0.2/ACH2 P0.3/ACH3 P0.4/ACH4 P0.5/ACH5 P0.6/ACH6 P0.7/ACH7 HSI.0 HSI.1 HSI.2/HSO.4 HSI.3/HSO.5 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RESET +5V R14 READY 2.2K +5V VREF 1 VPP VCC P3.0/AD0 P3.1/AD1 P3.2/AD2 P3.3/AD3 P3.4/AD4 P3.5/AD5 P3.6/AD6 P3.7/AD7 P4.0/AD8 P4.1/AD9 P4.2/AD10 P4.3/AD11 P4.4.AD12 P4.5/AD13 P4.6/AD14 P4.7/AD15 P2.7 P2.6 P2.5/PWM P2.4/T2RST P2.3/T2CLK P2.2/EXINT P2.1/RXD P2.0/TXD D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 DOUT1 DOUT2 DOUT3 DOUT4 CW ENABLE RXD TXD /WR /RD /ALE /ALE U7 74HC573A D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LAT/E OUT/E Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 VCC GND A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 U7C V INJECT IGNITION /CLOCK Y1 4MHz C16 22pF U6C U6C C15 22pF 2 CLKOUT BHE /WR /RD /ALE INST NMI BUSWIDTH EA ANGND VSS VSS VSS X1 X2 HSO.0 HSO.1 HSO.2 HSO V Fig C196KC and 74LS573 pin wiring harness

69 6) LM2575 Voltage Regulator Circuit 본연구에서사용한정전압회로는모터사이클배터리의 12V 전압을이용하여단기통엔진의 ECU 작동에필요한 5V 전압으로바꾸어주는전압조정회로이다. 실제 ECU에서안정된 5V 전압을각 IC에공급하기위해 Fig. 3.11과같이레규레이터출력단자에 100μH의코일과 470μF의콘덴서를연결하여비교적큰전력소비에도견딜수있도록설계하였다. Fig. 3.11은기본적인주변회로를나타내는것으로서이를기초로하여엔진제어 ECU의작동에알맞게 Photo 3.2와같이 5V 정전압회로를구성하였다. BAT BAT D5 1N DIP CE1 470uF/35V +12V U2 LM2575 VIN GND DIP *ON/OFF FEEDBACK OUT V L1 100uH 1 2 D6 1 CE2 VCC Fig LM2575 voltage regulator for motorcycle ECU

70 Photo 3.2 ECU and voltage regulator circuit

71 3.1.2 입 출력센서및인터페이스 1) 입력센서의선정 Photo 3.3 VL125 engine and sensors 모터사이클엔진을전자제어화하기위해가장기본적으로요구되는것은입력신호를받아엔진의현재상태를파악하는데필요한입력센서와인터페이스이다. 본연구에서는엔진을제어하기위해꼭필요한센서를설치하여최적상태로엔진이제어되도록설계하였는데실험시적용한센서들을살펴보면크랭크각을감지하기위한 CPS, 스로틀밸브의열림량을감지하여운전자의의지를파악하기위한 TPS(Throttle Position Sensor), 흡입공기량을간접적으로감지하여연료분사량과점화시기를제어하기위한맵센서, 흡입공기의

72 온도를감지하여연료량을보정하기위한 ATS(Air Temperature Sensor), 촉매의배출가스정화효율을극대화하기위해이론공연비로제어하기위한산소센서 (O 2 sensor), 단기통모터사이클엔진의경우공랭식이므로엔진의온도를간접적으로확인할수있는 OTS(Oil Temperature Sensor) 등이있으며, 배터리의전압변화를고려하여전압을보정하기위한전압보정회로와각센서와관련한인터페이스도노이즈 (noise) 를고려하여설계하였으며 Photo 3.3은센서들이설치된엔진을나타낸다. (1) CPS(Crank Position Sensor) Photo 3.4 Position of CPS in VL125 engine

73 기존캬브레터방식의엔진에서는엔진의회전속도를계측하고점화를제어하기위해 1개의 Tooth를가지고있으나본연구에서는보다정밀한제어를위해 10개의 Tooth를가지도록설계하였으며, CPS는마그네틱타입으로출력신호는자속량의차이에따라발생되는전압의크기가변화되도록되어있다. 그러나 CPS는기존캬브레터방식의센서를그대로사용하였으며그장착위치도 Photo 3.4에서보는것처럼크랭크케이스커버 (crankcase cover) 에동일하게설치되어있다. 플라이휘일로터의 Tooth가 CPS를통과하게되면 Tooth의시작과끝부근에서 CPS로전달되는자속량에급격한변화가생겨큰기전력이유도되는데, 이것은시간에따른자속변화 (dφ/dt) 에의해기전력의크기가결정되며식 (3.1) 과같은관계식을갖는다. E = N c dφ dt (3.1) 이때발생되는기전력의크기 (E) 는코일의권수 (N c ) 에비례하여증가하고, CPS와 Tooth의에어갭 (air gap) 이작을수록그리고엔진의회전속도가클수록커진다. CPS로부터출력되는신호는 L/Y 선을통해 ECU의 INT0, INT으로입력되며 G/W 선은접지되도록설계되어있다. (2) TPS(Throttle Position Sensor) 기존캬브레터방식의경우 TPS가없으므로단기통모터사이클엔진의흡기통로단면적을고려하여기존자동차에사용되는것중에서가장배기량이적고흡기통로의단면적이비슷한 GM-대우마티즈의스로틀바디를사용하였으며, 이스로틀바디와일체로되어있는 TPS 출력이 ECU의 P0.5(10) 에입력되도록설계하였다

74 (3) MAP Sensor 기존캬브레터방식의경우는흡입공기량을계측하지않고캬브레터내의벤츄리를통과하는흡기부압의변화에따라기계적으로연료가공급되나, 전자제어방식의경우에는연료분사량을정확히제어하기위해흡입공기량을계측한다. 본연구에사용한단기통모터사이클엔진에서는엔진의여러가지조건을고려하여흡입부압에의해흡입공기량을간접적으로계측하는맵센서방식을사용하여엔진을제어하도록설계하였으며 ECU로의입력단자는 P0.1단자이다. (4) ATS(Air Temperature Sensor) 엔진으로흡입되는공기의온도가바뀌면밀도가변화되어엔진의출력에영향을주게되므로, 실린더내로흡입되는공기의온도를계측하여이를토대로보정분사량을결정하여연료분사량을보정하게된다. 본연구에서는 GM-대우마티즈차량의 ATS를실험에사용하였으며 ECU으로의입력단자는 P0.3 단자이다. (5) 산소센서 (O 2 sensor) 산소센서는이론공연비로제어하기위해필요한것으로산소센서로부터출력되는신호를받아 ECU에서연료분사량을피드백제어를하게된다. 본연구에서사용한산소센서는지르코니아 (zirconia) 방식이며 ECU 로의입력단자는 P0.4단자이다. (6) OTS(Oil Temperature Sensor) 단기통모터사이클엔진은공랭식으로서수냉식인자동차엔진과달리 WTS (Water Temperature Sensor) 를부착할수가없다. 따라서냉간시동시등

75 에서의연료분사량및점화시기보정을위해서는엔진의온도를감지할수있 는센서가필요하며이를위해수온센서를대체한 OTS 를장착하여엔진을 제어할수있도록설계하였으며 ECU 로의입력단자는 P0.2 단자이다

76 2) 입력인터페이스 (1) CPS 신호입력회로처음엔진의 CPS에서출력되는신호는 Fig. 3.12와같은형태의원시아날로그파형이다. 최초 CPS로부터발생되는원시출력신호는파형정형회로에서노이즈를제거하기위해 EMI222 노이즈필터, LM2901 비교기를거쳐파형을정형하도록설계하였다. CPS로부터출력되는파형은단기통모터사이클엔진의특성상각크랭크각에서의각속도의차이로출력전압이달라져물결모양을나타낸다. Fig Original CPS waveform of motorcycle engine

77 INT1 DIP EMI V 1 2 R50 C28 R47 4.7K K K R V U16A LM V 1 R49 10K 2 2 U15C HC14 INT 0 +10V +5V Fig Input interface circuit of CPS CPS로부터출력되는원시신호는아날로그신호형태이므로 CPU에서제어가가능하도록디지털형태의신호로바꾸어주어야하는데, 이때일정전압이상의신호를 ON시킬수있도록 Fig. 3.13에서보는것처럼 LM2901 Open Collector Type Comparator를사용하여파형을변환시켰다. Fig LM2901 comparator and resistances

78 Vi Vr 이면 Vo가 5V 출력, Vi < Vr 이면 Vo가 0V를출력하게된다. 본실험에서는 Fig. 3.14에서와같이사용한저항값이 R 1 = 100KΩ, R 2 = 10KΩ 이므로식 (3.2) 에대입하면 Vr = 0.9V가되고, V i 0.9Volt 이면 V 0 가 5 Volt, V i < 0.9Volt 이면 V 0 가 0 Volt가출력되도록회로를구성하였다. Vr = R 2 R 1 + R 2 V 1 (3.2) 식 (3.2) 에서제어전압의크기 (Vr) 는기준전압 V 1 과저항 R 1, R 2 의크기를선택하여값을변환시킬수있다. 최초 CPS에서발생된파형이입력인터페이스를거쳐정형되는과정을보면다음과같다. CPS에서출력되는파형은 Lenz s Law에의해설명할수있다. 플라이휘일로터에부착된 Tooth 가회전함에의해크랭크케이스와일체로설치되어있는 CPS의내부에고정된코일을통과하는자력선양에변화가생기고그변화량에따라코일에서는기전력이발생하게된다. Fig 는자석의 N 극의움직임에따라코일에서발생되는기전력을나타낸다. 자석의 N 극이움직여코일에가까워지면코일을통과하는자력선의수가증가하게되며이때코일에서는이자력선의증가를억제하는방향으로기전력이유도된다. 이와반대로 N 극이코일로부터멀어지면코일을통과하는자력선의수가감소하므로이때코일에서는이자력선의감소를방해하는방향으로즉, 코일에가까워질때와는반대로기전력이유도된다. 실제 CPS에서 Lenz s Law에의해발생되는출력파형의모양은 Fig 과같다. Fig 과같은모양의파형이 Fig 의 CPS 입력인터페이스로입력되고입력신호를구형파형으로정형하여연료분사나점화를제어하기위한신호로사용하게된다

79 Fig Lenz's law and operation of coil Fig Output waveform of CPS

80 Fig Interface circuit of CPS Fig 의각위치에서의파형을살펴보면 Fig 과같다. Fig Control process of CPS signal

81 실제엔진에서 CPS의출력신호를받아 LM2901 비교기를거쳐출력되는파형을 Fig. 3.17의 B에서계측하면 Fig 와같다. 또, 최종적으로 CPS 신호가정형되어엔진을제어하기위해 80C196KC의 HSI.1(25번 ) 으로입력되는파형의모양은 Fig 의 D에서계측하면 Fig 과같다. Fig CPS waveform at B point Fig Final CPS waveform at D point

82 Schmitt Trigger Inverter 74HC14는기본적으로비교 판정동작을하는 IC이지만중간의출력을내지않는 H Level 과 L Level이나타나도록하는동작을한다. 본연구에서는 74HC14를거쳐 INT0로입력되는신호는검출하지않는다. 이신호는엔진제어과정에서 INT1으로입력되는신호와비교하여제어가정확하게이루어지고있는지확인하기위해사용된다. (2) 기타신호입력회로 TPS, 맵센서, ATS, 산소센서, OTS 등의입력은 0 ~ 5V 범위에서변동되며, 센서로부터입력되는전압을출력전류와관계없이정확하게검출하기위해 Fig 과같이부귀환버퍼회로를거치도록설계하였다. Fig Input interface circuit of other signals

83 (3) 연료분사및점화가변제어회로연료분사및점화가변제어회로는최적데이터로맵핑 (mapping) 된프로그램으로엔진을제어하기전, 엔진의최적연료분사량, 연료분사시기, 점화시기및엔진회전속도등을측정하고최적의맵핑데이터를얻기위해 ECU 에 Fig 와같이별도의가변회로와 LCD 장치를부가적으로설치하였으며, 이를이용하여엔진회전속도, 연료분사량및점화시기를실시간으로확인가능하도록하였다. Fig LCD control block diagram

84 Fig Interface circuit to control fuel injection and spark timing 엔진실험시볼륨의가변저항을조정하여출력되는전압을변화시키고이전압신호를 Fig. 3.23의 U12C, U12D(2902) 로입력시켜안정된전압신호가 CPU로입력되도록설계하였다. Fig (a) 에서입력에따른출력의증폭도 (A) 는식 (3.3) 에서와같이구할수있다

85 Fig A composition of comparator circuit A = V O V i = R 1 + R 2 R 2 = R 1 R (3.3) R 1 = 0, R 2 = 이면증폭도 A = 0/ +1 = 1 이된다. Fig. 3.24의 (b) 와같이회로를구성하면, OP Amp. 의입력저항이매우높기때문에검출부로부터전류를뽑아낼수없으며, 부귀환이최대로걸려있어 OP Amp. 의출력저항은매우낮아지므로비록전류를뽑아낸다하더라도출력전압 Vo가변동하는일이없다. 따라서입력전압 V i 의값을정확하게검출할수있는버퍼회로로사용될수있다

86 3) 출력인터페이스 (1) 연료분사제어회로연료분사는 Schmitt Trigger Inverter 와 FET(Field Effect Transistor, 전계효과트랜지스터 ) 를거쳐인젝터를제어하도록하였는데 CPU의출력은 Low Active로서최종적으로 Fig. 3.25에서와같이 FET의 Drain에연결된인젝터를작동하도록하였다. Fig Interface circuit for fuel injection Fig Operation of FET in output interface circuit

87 Fig. 3.26에서 Vds가작을때 Id는 Vds에비례하나, Vds가어느값이상으로커지면 Id는 Vds에그다지영향을받지않고포화되어 Vgs에의해크게변화된다. 즉, FET의 Gate에 5V의전압이가해지면 FET의 Drain과 Source가도통하여 Drain에연결되어있는인젝터코일에전류가흐르게되어연료분사가이루어진다. (2) ISCV 제어회로모터사이클엔진의공회전속도를 1400 ± 100rpm 으로유지하기위해설치한 ISCV 는스텝모터 (step motor) 제어방식을사용하였으며, ECU에서이를구동하기위해 Fig 과같이 L297, L298 을조합하여제어하는방식을이용하였다. 또한 ISCV는스로틀바디에일체로조립되어작동되도록되어있으며 Fig. 3.28과같이회로를구성하였다. Fig ISCV control block diagram Fig ISCV control circuit

88 4) 통신인터페이스 PC와의통신을위한인터페이스로서모터사이클엔진을제어하기위한프로그램을 ECU 로전송시키는역할을하며 MAX232 IC를이용한 RS-232C 통신을사용하여 Fig 와같이회로를구성하였다. RS-232C 통신은신호전송을전압에의존하고있기때문에장거리전송시잡음이발생할우려가있으므로가능한짧은거리에서전송하도록하였다. Fig Max 232 circuit in ECU 5) 출력인터페이스에서발생할수있는 Trouble 초기 ECU 개발과정에서흔히발생될수있는문제로서점화코일에서발생되는수만V의고전압이점화회로나다른입 출력회로에간섭을일으키고 Photo 3.5와 Photo 3.6과같은비정상적인파형을발생함으로써 IC나 TR 등에불안정한오작동을유발하거나작동을멈추게할수있다. 이러한간섭현상은보다효율적인입 출력인터페이스의설계에의해제거할수있었다

89 Photo 3.5 Trouble of injection circuit by high voltage generated in ignition coil Photo 3.6 Trouble of CPS signal by high voltage generated in ignition coil

90 3.1.3 CDI 점화회로 1) CDI 개요본연구에사용한 CDI(Condenser Discharge Ignition) 점화회로는 PNP TR, SCR, 코일및콘덴서등의반도체소자특성을이용한것으로서, Fig. 3.30에서보는것처럼제어회로부, 고압방전회로부및발진회로부로구성하여점화가가능한전압으로승압하였으며 Fig. 3.31과같이회로를구성하였다. 여기서 TR은코일을제어하여 250V 1.5μF 콘덴서에고전압이충전되도록하거나콘덴서에충전된고전압을제어신호에동기하여 SCR을제어함으로서고전압이방전되도록제어하는역할을하게되고, 발진회로는콘덴서에고전압이충전될때까지코일의작동을제어하는데콘덴서에충전이되면제너다이오드에의해발진회로의작동이멈추게된다. CDI 점화방식은동일한양의점화에너지를방전시킬경우, 방전시간이짧을수록연료소비율이감소하고연소시간도짧아져모터사이클과같은고속형엔진의급속연소에유리하다. 현 CDI 회로에서는인위적으로방전시간을제어하기는어렵고콘덴서의용량을변화시키면방출되는점화에너지도변화되어엔진의성능에영향을미치게된다. Fig CDI ignition circuit

91 따라서, TR 에의한 IDI(Inductive Discharge Ignition) 방식에비해콘덴서에 충전되는시간이매우짧으므로 ( 약 msec 이내 ) 7) 배출가스저감을위해 IDI 방식의점화장치에서적용하기어려운다중점화방식도적용할수있다. Fig CDI circuit in ECU

92 2) CDI 제어 80C196KC의 HS0.1에서출력되는점화지시신호가 Fig. 3.32와같은제어신호에의해 ON 되면점화지시신호를받는 Fig. 3.33의 TR Q 4 베이스에전압이가해져 Q 4 가작동하게되며, 이에따라 PNP형 TR인 Q 2 가작동함으로써 SCR Q 3 의게이트에전압이가해져캐소드와애노드가도통하게되고전류가흐르게된다. 이때콘덴서에충전된고전압이방전되어점화코일에고전압을유도하도록 CDI 회로를설계하였다. 또, Fig. 3.34의 TR Q 6 베이스에전압이가해지지않으면 TR Q 5 의베이스에전압이가해져코일에전류가흐른다. 이때코일에서고전압이발생하여콘덴서를충전하게된다. TR Q 6 베이스에전압이가해지면 TR Q 5 가 OFF 되어고전압이발생하지않는다. Fig CPS signal and ignition output waveform generated by CPU

93 Fig Condenser discharge circuit in ECU Fig Oscillation circuit in ECU

94 Fig 에서콘덴서 C13이충전이되어제너전압이상이되면 TR Q 6 베이스에전압이가해져 TR이작동하게되므로 TR Q 5 가작동하지않게되어계속콘덴서에충전되는것을방지하도록하였다. 실제점화코일을제어하기위한콘덴서출력전압의변화는 Fig 와같이나타나며 CDI 점화방식의경우제어프로그램을수정하면연속적인점화제어를얻을수도있다. 단기통모터사이클엔진의경우초기엔진시동시, 특히겨울철냉간시동 시시동성능이저하되어 8) 시동이매우어렵게되는데, 이때시동성능을향상 시키기위해제어프로그램을수정하여연속적으로점화할수도있으며, Fig. 3.36은 30 간격으로 3회연속점화를행할경우의콘덴서방전전압파형을나타낸다. 또, Fig. 3.31에서 R27, R29 저항크기를변화시키면콘덴서에충전되는전압의크기를변화시킬수있어방전되는전압이변화되어점화플러그에가해지는전압도변화된다. Fig Ignition signal(upside) and waveform of condenser discharge voltage(downside)

95 Fig CPS output signal(upside) and waveform of condenser discharge voltage signal(downside)

96 3.2 엔진시스템의변경 크랭크각출력신호의설계 모터사이클엔진에서연소실내로적절한시기에연료를공급하고정확하게점화시기를계측하여점화하기위해서는무엇보다도먼저정밀한크랭크각의감지가필요하다. 전자제어엔진의경우, ECU에서최적의상태로연료분사및점화를제어하기위해서는엔진의현재상태를각종센서로부터입력받고또한정확한크랭크각의정보를 CPS로부터입력받아야한다. 기본적으로연료분사및점화는엔진출력에큰영향을미치므로엔진의특성에알맞은크랭크각출력신호의설계가요구되고있다. 1) 실험엔진의관련제원 Table 3.1 Specification of VL125 engine Engine Item Specification Type Oil/Air cooled 4stroke SOHC 4valve engine Cylinder No. One cylinder, 15 gradient Bore stroke mm Total displacement 124.1cm 3 Compression ratio 11.5: 1 Valve mechanism SOHC chain drive Total Lubricant capacity Filter exchange Oil exchange Lubrication type 1.2l 1.15l 1,1l Compressed and scattered type Air cleaner type Wetted filter Valve timing Intake open 7 BTDC Intake closed 24 ABDC Exhaust open 16 BBDC Exhaust closed 4 BTDC Valve clearance(cold) Intake 0.12 ± 0.02mm Exhaust 0.12 ± 0.02mm Engine weight 32.3kg

97 실험에사용된엔진은대림자동차 ( 주 ) VL125 DAYSTAR 캬브레터방식엔 진으로서주요제원은 Table 3.1, Table 3.2 및 Table 3.3 과같다. Table 3.2 Specification of electricity system Item Specification Ignition type CDI ignition Electricity system Ignition timing F mark 8 BTDC/ 1400rpm Max. advance degree 28 BTDC/3900rpm AC generator 90W/5000rpm Battery capacity 12V 9AH Spark plug C8EH-9 Spark plug clearance 0.8 ~ 0.9mm Table 3.3 Specification of power train system Item Specification Transmission type Constantly combined gear Primary reduction ratio 3.650(73/20) Power train system (transmission) Secondary reduction ratio 3.000(42/14) Gear ratio 1st 2nd 3rd 4th 5th 3.083(37/12) 1.882(32/17) 1.380(29/21) 1.095(23/21) 0.923(24/26) 실험에사용된캬브레터방식플라이휘일로터측크랭크케이스커버에 Photo 3.7 과같이 CPS 가설치되어있으며, 플라이휘일로터에 1 개의 Tooth 가로터와일체로설치되어있어 CPS 에서엔진 1 회전마다 1 개의펄스를출

98 력하도록설계되어있다. 실험엔진에서크랭크축키홈을위쪽으로놓았을때플라이휘일로터의 T 마크와 CPS의설치각도는 47 이며, TDC 8 전에서 Tooth의끝과 CPS가일치하도록설계되어있어 CPS에서 Tooth 끝신호 (- Pulse) 가발생하고 8 경과후에 TDC가된다. 즉, Fig. 3.37과 Photo 3.8 에서 T 마크는 TDC( 압축상사점 ) 를나타내며, F 마크는엔진회전시 Tooth의끝과 CPS가일치하면이때자력선의변화에의해펄스가출력되고이순간이크랭크케이스커버의 TDC 확인을위한 AC 발전기캡에표시된 ꋿ 마크와플라이휘일로터의 F" 마크가일치할때이다. 또이각도는 BTDC 8 가되도록설계되어있으며엔진이수평으로설치된상태에서실린더는 15 경사져위치하도록되어있다. Fig VL 125 crank angle design

99 Photo 3.7 Crankcase cover and CPS Photo 3.8 Flywheel rotor and T, F mark

100 기존캬브레터의단기통모터사이클엔진은회전속도를계측하고점화를제어하기위해 1개의 Tooth를가지고있으며, CPS는마그네틱방식으로출력신호는 Fig. 3.38과같이자속량의차이에따라발생되는전압의크기가변화된다. volt 2 rev. ms Fig Original CPS waveform of carburetor type VL125 motorcycle engine Fig. 3.38에서 CPS 펄스전압의크기가다른것은단기통엔진에특히뚜렷하게나타나는회전각속도의차에의해식 (3.4) 에서 dφ 가변화되기때문 dt 이다

101 2) Tooth 설계엔진이회전하는동안최적의상태로연료분사와점화시기를제어하기위해서는크랭크각의위치를정확히알아야하고이것을알기위해 CPS를이용한다. 또, 크랭크축과연결되어회전하는플라이휘일로터에적절한수의 Tooth를설치하여 CPS를지날때신호가발생하고이신호의개수를세어피스톤의위치를파악하게되며, 엔진제어를위한기준점을찿아압축상사점을판단하기위해펄스폭이다른출력파형이발생하도록미싱투스 (missing tooth) 를두었다. 따라서고속형엔진인단기통모터사이클엔진의경우정확한시기에연료를분사하고점화를실시간으로제어하기위해서여러개의 Tooth를필요로하며본연구에서는 30 간격으로플라이휘일로터위에 10개의 Tooth를설치하였다. 이때, Tooth의개수및길이를결정하기위해서는엔진의최고회전속도, 마이크로프로세서의특성, 점화시기와점화방식, 연료분사시기등을종합적으로검토하여결정하여야한다. Tooth의간격과크기는고속회전시에도오실로스코프를이용하여파형구별을쉽게하기위해 Fig. 3.39와같이적절한비율로설정하였다. Fig Tooth design of flywheel rotor

102 본연구에서사용한 Tooth는 Fig. 3.40과같이 11mm 7.2mm 1.6mm 크기로서 10개의 Tooth를 30 간격으로 Photo 3.9에서보는것처럼플라이휘일로터에아르곤용접을하여단단하게고정시켰으며, Tooth의배열은엔진의플라이휘일로터측면에서봤을때휠에새겨진 T 마크를기준으로엔진의회전방향 ( 반시계방향 ) 으로 47 에 Tooth 끝이위치하도록고정하여이신호를기준으로 TDC를감지하도록하였다. Fig Width and length of tooth(t = 1.6mm) Photo teeth of flywheel rotor

103 또, 이 TDC를기준으로시계방향으로회전하면서 30 간격으로 Tooth 끝이오도록설치하였으며, 이때 TDC와미싱투스의설정각도는점화시기제어범위를고려하여 Fig. 3.41에서와같이 BTDC 60 에서미싱투스의하강에지가발생되도록설정하였다. 즉, 미싱투스바로다음하강에지에서 60 후에 TDC가위치하도록설계하였다. Fig TDC location and missing tooth design Fig CPS original output signal when engine is cranking

104 Fig. 3.42는크랭킹시 CPS에서출력되는원시파형을나타낸다. 또 Fig. 3.43은 50ms(1 div.) 의 CPS 출력파형을나타내고물결모양은크랭크각의위상에따라 CPS에서출력되는전압의크기를말하는데, 이것은각각의크랭크각위치에따라각속도가달라져출력되는전압의크기가달라지기때문이다. Fig CPS original output signal at 50ms/1 division 즉, 단기통의경우흡입, 압축, 폭발및배기의 4 행정과정에서피스톤의위상에따라피스톤이동속도가크게달라지므로, 이에따라각위상에서단위시간에따른자력선의변화 dφ/dt 가달라져발생되는현상으로이특성을이용하여압축상사점을구별하게되고나아가엔진 2회전에 1회점화와연료분사를수행할수가있다. Fig. 3.44는최종적으로 CPS의파형이정형된 INT1의파형을나타낸다

105 Fig Real waveform made by 10 teeth

106 3) 크랭크각신호제어플라이휘일로터가반시계방향으로회전하면서 Tooth가 CPS를통과하게되면 Tooth의시작과끝부근에서 CPS로전달되는자속량에급격한변화가생겨 CPS에서큰기전력이유도되는데, 이것은시간에따른자속변화에의해기전력의크기가결정되며식 (3.4) 와같은관계식을갖는다. E = N c dφ dt (3.4) 이때발생되는전압의크기 (E) 는코일의권수 (N c ) 에비례하여커지고센서와 Tooth의에어갭이작을수록, 엔진의회전속도가클수록커진다. CPS로부터출력되는원시신호는아날로그신호형태이므로 CPU에서제어가가능하도록디지털형태의신호로바꾸어주는데, 이때일정한값이상의전압을 ON시킬수있도록 Open Collector Type Comparator를사용하여파형을변환시켰다. Fig. 3.45에서는 Vi 0.9Volt 이면 V 0 가 5Volt, Vi < 0.9Volt 이면 V 0 가 0Volt가출력되도록 R47과 R52의값을설정하여인터페이스회로를설계하였다. 식 (3.5) 에서 V1은비교기에가해지는기준전압 으로 10V 의크기를가진다. 여기서, V = 다 V 가된 V = R52 R47 + R52 V1 (3.5)

107 Fig Input interface circuit of CPS(INT0) 식 (3.5) 에서제어전압의크기 (V) 는기준전압 V1(10V) 과저항 R47, R52 의 크기를선택하여값을변환시킬수있다. Fig Input interface circuit of CPS(INT1)

108 Fig CPU input signals and CPS original output signals Fig 은 Fig 과같은 CPS 입력인터페이스회로를거쳐 CPS 신 호를정형한파형 ( 위쪽파형 ) 과 CPS 에서발생되는정형하지않은파형 ( 아래 쪽파형 ) 을나타낸다

109 4) CPS 출력파형의분석단기통모터사이클엔진의경우, 다기통엔진에비해회전시크랭크각속도의변동이크므로그특성을분석하면압축상사점과배기상사점을구별하여연료분사및점화제어에응용할수있다. Fig CPS waveform of carb. type (one tooth) Fig. 3.48은 TDC 전 47 에위치해있는 1 개의 Tooth에의해발생되는캬브레터방식의 CPS의출력파형을나타내는것으로서, 압축상사점부근에서의출력전압과배기상사점부근에서의출력전압의크기가뚜렷이차이가발생하는것을볼수있다. 이것은크랭크축이회전할때압축시와배기시의피스톤상승속도의차이에의해발생된다. Fig. 3.48을 CPS 입력인터페이스를거쳐파형을정형하면 Photo 3.10과같은파형을얻을수있으며 CPU는이파형의길이를계측하여압축상사점을구별하게된다. Fig. 3.49는실제전자제어엔진을위해제작한 10개의 Tooth에의해발생되는출력파형을나타낸다. 실제엔진제어에서는이파형

110 을 카운트하고 최적의 연료분사 시기와 점화시기를 결정하여 제어하도록 설 계하였다. Photo 3.10 CPU input signal generated from CPS finally(one tooth) Fig Output signal generated from CPS interface circuit(10 teeth)

111 5) CPS 에서발생할수있는 Trouble 단기통모터사이클엔진의플라이휘일로터에 10개의 Tooth를설치하여엔진을제어하는과정에서 CPS와그주변장치에서발생되었던 Trouble을살펴본다. (1) 3 번 Tooth 의에어갭이너무적을때 Fig Trouble of NO.3 tooth signal Fig. 3.50은초기엔진개발과정에서흔히발생할수있는 Trouble로서비정상적으로큰출력전압이발생되었으며이것은미싱투스로부터 3번째 Tooth의에어갭이너무적을때 (3번째 Tooth의두께가두꺼울때나 CPS 의위치가변형되었을때 ) 발생할수있다. 그러나이러한 Trouble은 ECU 가이신호를이용하여엔진을제어하는데는아무런문제가없다

112 (2) 에어갭이클경우에어갭이클경우 Fig. 3.51과같이 CPS 출력전압이낮아져 Fig. 3.52와 Fig. 3.53에서보는것처럼 CPU로입력되는최종정형신호에서미싱 (missing) 신호가발생하여엔진의제어가불가능하게될수있다. ECU에서는정형신호의펄스폭을계측하여미싱투스를판별하고이를기준으로압축상사점 (TDC) 를판단하며, CPU에서는이정형신호의개수를카운트하여점화시기, 연료분사시기를제어하게되는데정형신호가부정확하게입력되면기준신호인 TDC신호와미싱투스판별이부정확하게되므로엔진의시동이불가능하게될수있다. 이러한현상은비교적엔진의회전속도가낮은시동시 (400~500rpm) 에많이발생하여시동을어렵게한다. Fig Trouble of CPS signal generated by large air gap

113 Fig CPS signal and final rectangular missing signal of CA generated by large air gap(1) Fig CPS signal and final rectangular missing signal of CA generated by large air gap(2)

114 (3) 배터리출력전압이낮을경우이때는배터리전압이낮아스타팅모터를제대로회전시켜주지못하므로 Fig. 3.54와같이 CPS의출력이낮아져미싱신호가많이발생하게되어시동이어려운경우가발생할수있다. Fig CPS waveform (when engine speed is very slow)

115 3.2.2 연료공급장치의변경 1) 연료장치의변경연료시스템은연료펌프, 연료탱크, 연료필터및연료파이프등으로구성하여인젝터에서연료분사가가능하도록 Fig. 3.55와같이설치하였으며, 인젝터에가해지는연료압력은연료압력조절기를사용하여 2.8kg/cm 2 의압력을유지하도록설계하였다. 우선, 흡입밸브직전에 BMW 모터사이클 C1엔진 (125cc) 에사용하는인젝터와인젝터홀드를설치하여연료분사가가능하도록하였으며, 인젝터의위치는캬브레터방식의벤츄리위치에설치하였다. Fig Fuel system diagram

116 2) 동력학적특성실험가. 유량관계식인젝터는 ECU의제어신호에의해연료를분사하는솔레노이드밸브로서, 전기적인신호를연료유량으로변화시키는것과동시에연료가연소실내에서연소가잘이루어지도록무화시켜흡기매니폴드내로분사하게된다. ECU 에서연산된연료분사신호가솔레노이드코일에전달되면코일은자화되어플런저를흡인하고이때플런저와연동하는니들밸브가동시에약 0.1mm 정도흡인되어원통형의연료통로가열린다. 엔진이회전중에는인젝터에약 2.8kg/cm 2 의연료압력이작용하고있으므로솔레노이드밸브가열리면바로연료가분사된다. 일정면적을가지는분사홀을통하여분사되는연료의양은홀의면적, 홀전후의압력차이와인젝터가열려있는시간에따라달라진다. 인젝터에서분사홀의면적은일정하므로인젝터를통한분사량은홀전후의압력차와인젝터가열려있는시간에따라다르다. 그러나이두가지의변수를가지고서는엔진이작동하는전체영역에걸쳐효과적으로연료량을제어할수가없다. 그래서가솔린엔진에서는압력조절기를설치하여인젝터홀전후의압력즉, 인젝터가설치되어있는흡기관과연료파이프사이의압력차이를항상일정하게하도록하고있다. 따라서가솔린엔진에서는인젝터홀이열려있는시간을제어함으로서엔진으로분사되는연료량을조절할수있다. 인젝터에요구되는특성은밸브열림시간과분사량사이에선형적인관계가성립되어야한다. 유량은오리피스의직경과연료압력, 시간의함수로주어진다. Q = C n A n (2 (Pf Pb )/ρf ) dt (3.6) 식 (3.6) 에서인젝터노즐끝단전후의압력차, 즉연료압력과흡입공기압력

117 차 (Pf - Pb) 를연료압력조절기로일정하게유지하면식 (3.7) 과같다. Q = C dt (3.7) 즉, 연료분사량은인젝터가열려있는시간의함수만으로주어진다. Fig. 3.56은분사시간에따른분사량특성곡선의예이다. 제1영역은인젝터의플런저가작동하지만연료의분사가없는영역, 제2영역은연료의분사는이루어지지만선형성이보장되지않는영역이다. 인젝터에서요구하는선형성을만족하는구간은제3영역이다. 제1영역은인젝터의작동지연시간으로이시간을무효분사시간 (injector dead time) 이라한다. Fig Injector dead time

118 나. 연료압력과분사시간에따른특성 Fig Fuel injection amount according to fuel pressure and injection time 본실험에사용된인젝터는전압크기에따라제어되고인젝터내부의솔레노이드코일의저항을크게하여코일에흐르는전류를제어하는전압제어식의고저항인젝터를사용하여실험하였다. Fig. 3.57에서보는것처럼분사압력을일정하게할경우연료분사량은분사시간에따라거의선형적으로변화되는것을알수있다. 또한, Fig. 3.58은각각의연료분사시간에서의연료압력변화에따른인젝터의연료분사량변화를나타내며어느정도선형성을띠고있는것으로나타났다. 따라서정확한연료분사량으로제어하기위해서는무엇보다도일정한연료분사압력의유지가중요하다는것을알수있다. 인젝터의동적특성실험에서인젝터 1회분사량은매우적으므로가시적으로확인이가능하도록하기위해매실험마다 6,000회반복분사되도록

119 분사제어프로그램을작성하여실험을하였다. Fig Fuel injection amount according to injection time and fuel pressure 다. 배터리전압변화에따른연료분사량변동특성엔진의운전조건에따라배터리전압은항상변화되기마련이며이전압의크기에따라인젝터에가해지는전압도달라지므로솔레노이드밸브에의해흡인되는플런저의상승속도도차이가날수있다. 따라서 SMPS(Switching Mode Power Supply) 를이용하여일정한전압으로유지한상태에서별도로연료압력조절이가능하도록고안한연료분사량시험기를이용하여실험을하였다. Fig. 3.59에서보는것처럼인젝터에가해지는전압이증가할수록연료분사량이증가하는것을알수있다. 이러한경향은인젝터의무효분사시간과직접적인관계가있는것으로판단되는데전압이증가하면무효분사시간이줄어들어그만큼연료분사시간이늘어나기때문에발생된다

120 Fig Fuel injection amount according to battery voltage variation 라. 무효분사시간계측 ECU에서인젝터로연료분사신호를출력하면이신호를받아인젝터가실제로연료를분사하기시작할때까지는약 0.6 ~ 0.8ms의시간적지연이발생한다. 이러한시간적지연을무효분사시간이라고하는데이와같은작동지연은인젝터의솔레노이드코일에서발생되는인덕턴스 (inductance) 와니들밸브등의구조적요인에의해발생된다. 따라서이런무효분사시간을작게하여연소실내로정확한양의연료를분사하기위해서는코일의응답성을좋게하여야하며, 이를위해서는솔레노이드코일의권수를감소시켜인덕턴스를최소화하고무효분사시간을감소시켜주어야한다. 그러나이러한인덕턴스의감소나다른요인들을제거함에의해완전히무효분사시간을줄

121 일수는없으므로 ECU에서는미리이무효분사시간만큼을고려하여보정한연료분사신호를인젝터로출력하도록하고있다. 인젝터에서의무효분사시간의계측은상당히어려우므로, 대신 ECU의연료분사제어신호가인젝터로가해지는초기의변동특성을관찰하여그때의무효분사시간을근사적으로산출할수있다. 인젝터의배터리 + 측단자에 1Ω의시멘트저항을연결하고저항양측에오실로스코프단자를연결하여인젝터작동시의양단자의미세한전압변화특성을관찰하였다. 본연구에서는무효분사시간을 Fig. 3.60과같은시멘트저항 (cement resistor) 을연결한회로를인젝터에접속하여그때발생되는파형을분석하여간접적으로유추할수있었다. Fig Circuit connection to measure fuel dead time

122 Fig 은 1Ω 크기의시멘트저항을연결한회로에서인젝터작동시발 생되는파형을검출한것이다. Fig Variation of voltage when injector is operating 시멘트저항은권선형금속판또는피막형저항체를세라믹케이스에넣고시멘트로몰딩한것으로불연성이며방열성이우수하고내전압특성이높다. Fig. 3.61에서변곡점 A 점은인젝터에연료분사신호가가해져플런저를순간적으로당길때최대로열려더이상움직이지못하는순간을나타낸다. 이때발생되는파형의변곡점은인젝터작동초기배터리전압에의해플런저가완전히상승한시점으로여기서순간적으로전압변화가발생하게된다. 따라서 Fig. 3.61의파형에의해인젝터가최대로열릴때까지의시간을측정할수있으므로이시간을이용하여무효분사시간을근사적으로유추해볼수있다. 인젝터에전압이인가되어변곡점까지소요되는시간을연료압력을변화시키면서실험을하면 Fig. 3.62와같은비선형성을띤그래프를얻을수있다

123 실험에의하면단기통모터사이클엔진에작용하는연료압력인 2.8kg/cm 2 에서인젝터가완전히열리는데소요되는시간은가해지는전압이 12V 일경 우 1.2ms 가되는것으로나타났다. Fig Full opening time of injector Table 3.4 Fuel injection time when fuel pressure is 2.8kg/cm 2 Injector voltage (V) A B A/B(%)

124 Table 3.4는연료압력 2.8kg/cm 2 에서연료분사시간을변화시키면서최초로연료가분사되는시기를계측한연료분사개시시작시간 (A) 과인젝터가완전히열릴때까지소요되는시간, 즉변곡점까지의시간 (B) 의비율 (A/B) 을표시하였다. 이때 A의변화를그래프로나타내면 Fig. 3.63과같다. Table 3.4에서보면배터리전압이 12V일때, 플런저가완전히열리는시간의 70~ 80% 시점에서최초로연료가분사되기시작하였으며, 배터리전압 12V, 연료압력 2.8kg/cm 2 에서연료가분사되기시작하는시간 (1.24ms) 은 Fig. 3.64에서보는것처럼인젝터가완전히열릴때까지소요되는시간 (1.6ms) 의 77.5% 가된다. 따라서인젝터의플런저가완전히열릴때까지의시간을계측하여이값의약 80% 를무효분사시간 (inject dead time) 으로보면된다. Photo. 3.11은인젝터특성을실험하기위한장치들을나타낸다. Fig Injector delay time according to voltage variation

125 Photo 3.11 Apparatus for fuel injection test Fig Waveform of injector at 12V and 2.8kg/cm

126 3.2.3 흡입장치의변경 1) 전자제어흡입장치캬브레터방식을전자제어방식으로변경하기위해우선간접계측방식으로흡입공기량을계측하는맵센서, 운전자의의도를감지하기위한 TPS와공전속도를제어하기위한 ISCV가포함된스로틀바디, 그리고흡기온도를감지하여연료분사량과점화시기를보정하기위한 ATS를흡입통로에 Fig. 3.65와같이설치하여연료분사량, 점화시기그리고공전속도를제어할수있도록설계하였다. Fig Intake air system of motorcycle engine (1) TPS TPS 는 Photo 3.12 와같이흡기관앞에위치하며엔진으로흡입되는공기 량을제어하는스로틀밸브와연동하여운전자의의도를파악하고스로틀밸

127 브의개도를전압신호로변환하여 ECU 로전달하는역할을한다. 실험에사 용한 TPS 의출력범위는스로틀밸브가완전히닫혔을때 0.65V, 스로틀밸 브가완전히열렸을때 4.74V 를나타냈다. Photo 3.12 Intake air system of VL125 (2) MAP Sensor 1 사이클당 1개실린더에흡입되는공기량은엔진의회전속도와흡기매니폴드의압력으로계산할수있다. 맵센서는압력변환소자와신호출력을증폭하는회로로구성되어있으며, 압력변환소자는 Piezo 효과를이용한반도체로서 Silicon Diaphragm 면에 Strain Gauge를부착하여흡기매니폴드의진공압력에의해생성된 Diaphragm 의 Strain을 Piezo의압전효과를이용하여진공압력을측정한다. 맵센서의특성은다음과같이설명할수있다

128 ( 가 ) 흡기계의손실이전혀없다. ( 나 ) 흡입통로의설계 Layout이자유롭다. ( 다 ) 비교적가격이싸다. ( 라 ) 공기밀도등에대한고려가필요하다. ( 마 ) 과도특성에대한보상이필요하다. Fig MAP sensor output voltage according to vacuum pressure Fig 은진공압력에따른맵센서의출력전압을나타내는데선형적으로 변화되는것을알수있다. 본실험에사용한맵센서의출력전압의범위는 대기압상태에서 4.91V, 68cmHg 에서 0.169V 를나타냈다

129 (3) ISCV(Idle Speed Control Valve) 단기통모터사이클엔진의공전속도조절을위해마티즈차량의 ISCV 가일 체로조립된스로틀바디를사용할수있도록설계하였다. (4) ATS 연소실로흡입되는공기의온도에따른산소밀도변화를보정하기위해스로틀밸브를지나흡기통로에 ATS를설치하여연료분사량및점화시기를보정할수있도록설계하였다. 2) 흡기계압력특성 Table 3.5 Variation of intake manifold pressure (unit: cmhg) 4000 (rpm) 4500 (rpm) 5000 (rpm) 5500 (rpm) 6000 (rpm) 6500 (rpm) 7000 (rpm) TPS output 1.0V V V V V V V V V

130 실험에사용한엔진은단기통인관계로그작동특성상회전속도변동이크고그에따라출력변동과흡기계의압력변동폭도크다. 각회전속도에따른흡기계의압력변동폭을보면 Table 3.5와같다. Table 3.5에서보면 TPS 출력값이 2.0V 이하로나타나는영역은스로틀밸브가비교적작게열려있는구간으로무부하작동시나저부하작동시이며흡기압력변동폭이큰영역으로서, 이영역에서는필터링효과가있는맵센서로연료분사량및점화시기를제어하고, 이외짙은색부분은흡기압력변동폭이적은영역으로서이영역에서는 TPS로연료분사량및점화시기제어를고려해볼수있다

131 3.2.4 점화장치의변경 기존캬브레터방식의점화제어는 Photo 3.13과 Fig. 3.67에서보듯이 1개의 Tooth에의해 CPS로부터크랭크축 1회전마다출력되는 1개의크랭크각신호를받아 Photo 3.14와같은별도의 CDI 유닛에의해점화시기를제어하게된다. 따라서정확한크랭크각위치의감지가어려워전자제어엔진과비교할때점화제어의정확도가떨어진다. 이를보완하기위해단기통모터사이클엔진에적합한점화시스템을개발하였으며 Ig. Coil, High Tension Cord와 Spark Plug는기존부품을그대로사용하였다. 본연구에서는보다정밀한크랭크각을감지하기위해플라이휘일로터에 10개의 Tooth를설치하여점화시기를제어하도록하였으며, ECU에 CDI 회로를내장시켜점화관련부품을단순화시켰다. Photo 3.13 T mark and tooth of flywheel rotor for carburetor type

132 Fig Basic timing mark for controlling ignition Photo 3.14 CDI unit of carburetor type

133 Fig 과 Fig 는기존캬브레터방식과본연구에서적용한전자제 어방식의점화시스템을보여준다. Fig Ignition circuit diagram of carburetor type Fig Ignition circuit diagram of electronic control type

134 제 4 장엔진제어알고리즘분석 4.1 크랭킹시제어알고리즘분석 초기크랭킹제어 처음크랭킹시회전초기저항이큰스타팅모터를회전시키기위해많은전류가소모되며이에따라회전속도뿐만아니라 CPS로부터발생되는펄스또한불안정한상태이므로이신호를이용하여제어를할경우초기시동성에많은문제점을야기할수있다. 따라서크랭킹초기에발생되는펄스는무시하고안정된상태의펄스를이용하여시동시제어를할수있도록크랭킹제어알고리즘을설계하였다. Fig. 4.1 CPS output waveform when engine is cranking

135 Fig. 4.1은초기크랭킹시최소전압이약 2V로낮은 CPS 출력파형 ( 그림의위쪽파형 ) 을나타내며초기파형이매우불안정하여입력인터페이스에의해구형파형 ( 그림의아래쪽파형 ) 으로변환되지않는것을볼수있다. 본연구에서는 Fig. 4.2의플로차트에서보는것처럼초기 10회의구형파형은무시하도록하고그이후의구형파형을받아엔진을제어하도록프로그램하였다. Fig. 4.2 Flow chart to eliminate 10 pulses at early starting

136 4.1.2 압축상사점의판별 우선전자제어단기통모터사이클엔진이크랭킹후원활하게시동이되도록하기위해 CPS와플라이휘일로터위에 10개의 Tooth를설치하였으며, 이에의해발생되는파형을정형한구형파형의폭을계측하고비교하여엔진 1회전시미싱투스를구별하도록하였다. Fig. 4.3 Waveform of missing tooth when engine is cranking 이미싱투스는마이크로프로세서 80C196KC Timer/Count에의해펄스폭을계측하고전후펄스폭을상호비교함으로서판별하였다. 실제엔진은크랭킹시배터리충전부족, 압축행정등여러가지상황에의해엔진회전이균일하지못하게될수있어 Fig. 4.3에서 A의펄스폭이낮은회전속도로인해비정상적으로길어질수있다. 따라서크랭킹시발생할수있는여러가지돌발상황을고려하여 A( 각 tooth의폭 ) 와 B(missing tooth의폭 ) 의펄스

137 폭을 CPU에서계측하여 A의폭이아무리길어지더라도 B의폭보다커지지않는상수 k값을결정하여야하며, ka < B이면미싱투스로판단하도록하였다. 본연구에서는 k값을 2로설정하여제어하도록하였으며, 이때 k의값은경험치로서여러번의실험을통해구할수있는상수값이다. Fig. 4.4 Output waveform of missing tooth 또, Fig. 4.4와같이나타나는미싱투스의길이는엔진의회전속도에따라달라지므로엔진의특성을고려하여압축상사점을구별할수있는측정기법을개발하여야한다. 크랭크축 1회전에 1회발생되는미싱투스가구별되면이신호를기준으로다음 1회전에서발생되는미싱투스의펄스폭과비교하여압축상사점의위치를구별하게된다

138 Fig. 4.5는압축상사점부근의미싱투스와배기상사점부근의미싱투스의펄스폭차이를보여주고있다. 이때 2개의미싱투스의폭차이는확연히구별이되며 CPU에서이를감지하여압축상사점을구별하게된다. 이러한펄스폭의차이는엔진의각행정시압축저항에의해크랭크축의회전속도가달라져발생하며이에따라압축행정시회전속도가느려져펄스폭이길어지게된다. Fig. 4.5 Pulse width of missing tooth when it is compression and exhaust stroke 고속형인단기통모터사이클엔진에서압축상사점의판별은점화제어에매우중요한의미가있다. 현재캬브레터방식에서와같이압축상사점을정확하게인지하지못할경우상사점부근에서엔진 2회전에 2회점화 (1회무효, 1회유효점화 ) 방식으로제어할수밖에없으며이는점화에너지의낭비로이어진다

139 따라서엔진 2회전에 2회점화하는방식을택할경우현재단기통모터사이클엔진에서사용되고있는 CDI 점화제어방식에서는큰문제가없으나, 자동차점화제어방식으로많이사용되고있는 IDI 방식의점화제어를모터사이클엔진제어용으로택할경우, 드웰각제어로인한점화제어시간 (dwell time) 의확보에어려움이따를수있다. 특히고속회전시충분한드웰각확보의어려움으로점화코일에서발생되는점화에너지가감소하여엔진의출력 이저하되는현상이발생할수있다. 33) 이러한문제점을개선하기위해본 연구에서는기존모터사이클엔진제어방식과는달리엔진 2회전에 1회연료분사와점화가이루어지도록엔진제어시스템을설계하여엔진실험을수행하도록하였다. 엔진이 1사이클을완성하기위해서는크랭크축이 2회전하게되고크랭크축 1회전에 1회의미싱투스에의해롱펄스 (long pulse, 이하플라이휘일로터의미싱투스에의해발생되는정형된파형을롱펄스라한다 ) 가발생되므로 2회전에는 2개의롱펄스가출력된다. 이미 CPS에의해크랭크각을감지하여엔진을제어하는방식을채택하고있는자동차용엔진에서는 2개의롱펄스중에서어느것이압축상사점의것인지판별이어려우므로엔진 2회전에 2회점화 (1회유효, 1회무효 ) 를하거나, 캠축에캠각센서 (Cam Angle Sensor) 를부착하여압축상사점을구별하도록하고있다. 그러나본실험에사용한단기통모터사이클엔진에서는압축상사점부근에서발생된롱펄스와배기상사점부근에서발생된롱펄스에서의크랭크축각속도차에의한펄스폭의변화를감지하고이를비교함으로서압축상사점을정확히감지하였으며, 이에따라엔진 2회전에정확히 1회의점화를수행하도록하였다. 이렇게함으로서, 점화에너지의낭비를줄이고점화코일등의점화계통부품의내구성을증가시키고또점화제어에필요한시간을충분히확보할수있어기존모터사이클엔진에많이적용되고있는방식인 CDI 방식뿐만아니라현재자동차점화제어에많이적용되는방식인 IDI방식의점

140 화제어에도적용이가능하도록하였다. Fig. 4.6 Decision of compression TDC 여기서우리가필요로하는롱펄스 ( 압축상사점부근 ) 가구별되면 Fig. 4.6에서보는것과같이 CPU에의해이롱펄스의하강에지에서부터 n=8로순서가정해지게된다. Fig. 4.7은시동시롱펄스를이용하여압축상사점을구별하는과정을나타내는플로차트이다

141 Fig. 4.7 Flow chart to decide compression TDC

142 4.1.3 크랭킹시회전속도계측 시동시에는엔진의회전속도가 500rpm 미만으로비교적느리므로타이머계측시간이너무길경우 CPU의타이머작동시오버플로가발생하게된다. 이를고려하여시동시에는구형파형에서 1 펄스 (30 ) 의경과시간을계측하여회전속도를계산하도록프로그램하였다. Fig. 4.8 Measurement of engine speed when engine is starting 단기통모터사이클엔진의경우크랭크축의각위상에따라 30 펄스폭의차가매우크므로측정위치에따라계산된회전속도에큰차이가생긴다. 따라서이를보완하여시동시에도가능한한정확한회전속도를계측하기위해크랭킹시각펄스폭을측정하여이를평균한값을나타내는위치 (Piston

143 이상승하는배기상사점부근 ) 즉 Fig. 4.8이나타내는위치인 n = 20 에서 30 펄스폭을계측하여시동시회전속도를계산하도록프로그래밍을하였다. 또압축상사점판별후, 압축상사점부근의롱펄스의하강에지를 n = 8로하고이를기준으로매펄스를카운트하여연료분사및점화시기를 Fig. 4.9의과정을거쳐제어하도록하였다. 이때 n = 8에서시작하는것은 CPU 의 CAM 작동에의해정해진다. Fig. 4.9 Flow chart to measure engine speed

144 또 Timer1 에의해카운트된 irpm_count 값으로엔진회전속도 irpm 을계 산하게된다. 즉, irpm = /irpm_count 로엔진회전속도를구한다 연료분사및점화제어 Fig. 4.10에서보는것처럼시동시의연료분사시기는냉간시동성을고려하여흡 배기밸브가열려기전인 n = 17로하였으며, 점화시작시기는 n = 8(BTDC 60 ) 로설정하여다중점화가가능하도록프로그램하였다. 시동시연료분사량은 7500 카운트로설정하였으며온도등엔진의상태를감지하여정밀한제어도가능하도록하였다. Fig. 4.11은 CPS 출력파형의하강에지에서엔진시동시 30 간격 (n=8, n=9, n=10) 으로연속적으로점화할때 ECU의 CDI 회로내의콘덴서방전전압파형을나타내며, Fig. 4.12는콘덴서방전전압파형과연료분사파형을동시에표시한그림이다. 또 Fig 은시동시연료분사및점화제어과정을플로차트로나타낸것이다. Fig Injection and spark point when engine is starting

145 Fig Waveform of condenser discharge at multi-point spark ignition time Fig Waveform of condenser discharge(blue, upside) and fuel injection (yellow, downside) at cranking time

146 Fig Flow chart for injection and ignition when engine is starting

147 4.2 크랭킹후제어알고리즘 회전속도계측제어 시동후엔진의회전속도는 1400rpm 정도의비교적빠른속도를유지하기때문에비교적큰각도에서도 Timer1 오버플로 (overflow) 가발생하지않는다. 또, 시동시와같이 30 로계측한값으로회전속도를계산하게되면 1회전시의 Timer1의카운트값으로계산한회전속도값보다는편차가심하게되므로, 보다정확한엔진회전속도를계산하기위해 Fig. 4.14에서보듯이크랭크축 1회전 (360 ) 의시간을계측하여안정된회전속도를산출하도록설계하였다. Fig Method to measure engine speed when engine is running

148 시동후의회전속도는 Fig. 4.14의 n = 1 과 n = 11 의두위치에서계측하도록프로그램하였다. 또, Timer1에의해계측한 irpm_count 값으로엔진회전속도 irpm을계산하게된다. 즉, irpm = (750000/irpm_count)*100 을계산하여회전속도를구하도록하였다 연료분사제어 연료분사는엔진실험시볼륨을변화시키면서구한최적연료분사시간으로맵핑한프로그램에의해제어되도록설계하였다. 우선엔진회전속도가 1200rpm 이상이면엔진이정상회전하는것으로판단하고시동후제어를수행하도록프로그램을설계하였으며, TPS 나맵센서출력신호를받아그값에따라미리 ms 시간단위로맵핑되어있는최적연료분사데이터를읽고이값만큼 80C196KC Timer1에의해연료분사제어가가능하도록카운트값으로환산하여 iinject_count 값을계산하도록하였다. 또회전속도를고려하여연료분사시기 (K) 값을결정하고, 크랭크각신호에동기하여발생되는하강에지신호에의해인터럽트가발생하면 Interrupt Sub-Routine에서연료분사시기 (K) 를확인하여 iinject_count 만큼연료를분사할수있도록프로그램을설계하였으며 Fig. 4.17은연료분사제어과정을플로차트로나타낸것이다. Fig. 4.15는 n=8의 CPS 신호에동기하여 80C196KC의 HSO.0 에서인젝터를작동시키기위해출력되는 Low Active 연료분사지시신호를나타내며, Fig. 4.16은 4000rpm, n=14에서인젝터가작동시발생되는연료분사시간 4ms인인젝터파형을나타낸다

149 Fig Fuel injection waveform of CPU and CPS signal Fig Injector waveform(injection time = 4ms) and CPS signal (n=14)

150 Fig Flow chart of fuel injection and spark ignition when engine is running

151 4.2.3 점화제어 점화제어과정은 Fig. 4.21과같은플로차트를거쳐제어되도록설계하였으며연료분사제어과정과거의유사하다. Main Routine에서엔진회전속도에따른점화시기값 ( 각도로표시한점화시기 ) 인 fspark_degree 값을구하고이값으로부터 ispark_degree를계산하도록설계하였다. 이 ispark_ degree 값이 BTDC 30 이상이면 Z=8, BTDC 30 이하이면 Z=9가되도록설정하였으며, 이때 Timer1을제어하기위한 ispark_count값도계산하여 Interrupt Sub-Routine에서점화시기를제어하도록프로그램을설계하였다. Fig. 4.18은 2800rpm, BTDC 17 로엔진을제어시 CPS 신호와콘덴서방전파형을나타낸다. 점화지시신호가프로그램된데로정확하게제어되는지를오실로스코프를통하여관찰해보면, CPS 신호 1사이클 (30 ) 경과시간은 1.8ms 이고압축상사점에서점화시작까지의측정시간은 1ms 이므로실제 ECU 의제어프로그램에서의점화시기 BTDC 17 와비교하였을때약 0.33 정도의오차가발생하나, 이것은단기통모터사이클엔진의특성에의한저속시회전각속도편차를고려하면정확하게제어되는것을알수있다. Fig. 4.19는 7000rpm, BTDC 30 에서의 CPS 신호와점화파형을나타내며, Fig 은 n = 8의하강에지신호를받아정확히크랭크축 2회전에 1회점화가이루어지는지를확인하기위해 CPS 신호와콘덴서방전전압의출력파형을관찰한것으로그림을통하여정확하게점화시기가제어됨을알수있다

152 Fig Condenser discharge waveform and CPS signal at BTDC 17 Fig CPS signal and spark waveform at 7000rpm, BTDC

153 Fig CPS signal(upside) and condenser discharge waveform(downside) after cranking Fig Flow chart of ignition when engine is running normally

154 4.2.4 ISCV 제어 공전속도제어는과도상태또는다양한엔진상태의변화를기본 ISC Duty 하나만으로제어하는것은불가능하다. 따라서다음과같은보정항목 (term) 을이용하여그영향을보정한다. 1) 시동후보정 2) Dashpot 보정 3) 각종부하보정 4) ISC Reference 회전속도계산 5) ISC Feedback 보정 1) ISCV Reference 회전속도계산공회전시의목표회전속도를설정하는역할을하는것으로서식 (4.1) 과같다. 예를들어평상시목표회전속도가 1400rpm이었다면기온이낮을때나엔진에부하가작용하고있을때는 1500rpm정도로높게설정하여공회전속도의안정성을높인다. Nobject = f( 엔진냉각수온도, 부하스위치등 ) (4.1) 2) PID 제어알고리즘 샘플링방식 ( 이산값 ) 에의한 PID 제어의기본식은식 (4.2) 와같이표현할 수있다. 조작량 = Kp 편차 + Ki 편차의누적값 + Kd 전회편차와의차 (4.2) ( 비례항 ) ( 적분항 ) ( 미분항 )

155 다른식으로표현하면식 (4.3) 과같이나타낼수있다. MV n = MV n-1 + MV n MV n = Kp(e n - e n-1 )+Ki e n +Kd((e n -e n-1 )-(e n-1 -e n-2 )) (4.3) 여기서 MV n, MV n-1 는금회, 전회조작량, MV n 는금회조작량미분, e n, e n-1, e n-2 는금회, 전회, 전전회의편차를나타낸다. 위식을프로그램으로실현하기위해서는이번과전회의편차값만측정할 수있으면조작량을구할수있다. 또한, 최적의 Kp, Ki, Kd 값을튜닝할 수있으면 PID 제어에의해 ISCV 를부드럽게제어할수있다. 3) ISC Feedback 보정응용엔진상황에맞게목표회전속도가정해지면이를맞춰주기위해현재의엔진회전속도를피드백받아목표회전속도와의편차를구하고, 이편차가 0이되는방향으로 ISC Duty를증가시키는것이바로이 ISC 피드백보정이다. 보통 PI 컨트롤로구성되며그수식은식 (4.4) 와같다. ISCPRO = K P (Nobject - Nreal) ISCINT[k] = ISCINT[k-1] +K i (Nobject - Nreal) ISCCOR = ISCPRO + ISCINT (4.4) 여기서, ISCPRO은 ISC 비례보정 (p-control), ISCINT는 ISC 적분보정 (i-control), ISCCOR은 ISC Feedback 보정치, Nobject는엔진목표회전속도, Nreal은현재엔진회전속도, K P 는비례이득그리고, K i 는적분이득을나타낸다

156 4.2.5 노이즈제어 엔진제어중 CPS 입력회로에외부노이즈가입력될경우연료분사와점화시기에영향을주어엔진성능에치명적인영향을미치게되므로하드웨어적으로노이즈를제거할수있도록필터링을하여야하며, 그에더해소프트웨어적으로제어프로그램을수행하는과정에서주기적으로롱펄스를감지하여압축상사점을확인하도록하고노이즈에의해제어위치가틀려질경우 Fig 와같은과정을거쳐제어프로그램의분사나점화시기를수정할수있도록프로그램하였다. 엔진실험중노이즈발생에의해점화시기가지각되면 5500rpm 이상에서배기가스의온도가정상시보다 100 이상상승함으로배기관이과열되어위험하게될수있으며노이즈가여러번반복적으로입력되면시동이꺼지게된다. Fig Flow chart for noise control program

157 4.3 연료분사량및점화시기가변제어알고리즘 전자제어단기통모터사이클엔진을최적상태로구동하기위해서는엔진을제어하기위한데이터가필요하며, 이데이터를얻기위해우선엔진동력계상에서실험을통해최적연료분사량및점화시기를측정하여야한다. 또한엔진실험을하기위해서는각엔진회전속도에서연료분사량및점화시기를가변적으로변화시킬수있는하드웨어및제어프로그램의개발이필요하다. 따라서본연구에서는엔진실험중에볼륨 ( 가변저항 ) 을변화시켜현재의연료분사량, 점화시기데이터및회전속도를실시간으로확인하면서엔진실험을수행하기위해 Photo 4.1과같은 LCD를포함한연료분사량및점화시기를가변적으로제어할수있는장치와제어알고리즘을개발하였다. Photo 4.1 LCD and ECU for controlling engine

158 볼륨으로부터전압신호를받아가변적으로연료분사량과점화시기를제어하기위한프로그램은엔진제어프로그램의 Setlcdview() 함수에포함되어있다. 연료분사시간 ( 분사량 ) 의제어는가변저항인볼륨에서출력되는 0 ~ 5V 의전압을 80C196KC의 P0.7로입력받아이를 8비트의디지털데이터로바꾸어 0 ~ 15ms 까지연료분사시간을변화시킬수있도록프로그램하였다. A/D 컨버터는 8비트의분해능력을가지고있으므로 0 ~ 5V의값을 0 ~255의디지털값으로변환하게된다. 본연구에서사용한연료분사변환범위 0 ~ 15ms로제한할경우 Setlcdview() 의 finject_time = ((float) GetAD(7)/K1) 의 K1값을계산하여제어하도록하였다. 여기서 GetAD(7) 은 P0.7에연결되어있는연료분사제어볼륨의출력값을받아디지털값으로바꾼것으로서이값을상수값 K1으로나누어연료분사시간 (finject_time) 을계산하게된다. 이때 K1 값은 K1=255/15 =17이된다. 이 finject_time 값은 ms단위로서실제엔진을제어하기위해서는 Timer1의카운트수로변환시켜인젝터를제어하여야한다. 즉, 1Count = 0.8µs이므로실제인젝터를작동하는연료분사시간 (iinject_count) 값은 iinject_ count = (unsigned int)(finject_time /0.0008) 이된다. 또, 점화시기제어는 0 ~ 5V 의전압을 P0.6 으로입력받아이를디지털 값으로바꾸어 TDC 0 ~ BTDC 42.5 범위에서변화시킬수있도록프로그램하였다. 본연구에서사용한점화시기변환범위 BTDC 42.5 ~ TDC 0 로제한할경우 Setlcdview() 의 fspark_degree = ((float) GetAD(6)/K2); 의 K2 값을계산하여제어하면된다. 여기서 GetAD(6) 은 P0.6에연결되어있는점화시기제어볼륨의출력값을받아디지털값으로바꾼것으로서이값을상수값 K2로나누어점화시기 (fspark_degree) 을계산하게된다. 이때 K2 값은 K2=255/42.5 =6이된다. 이 fspark_degree값은각도로서실제엔진을제어하기위해서는 Timer1의카운트수로변환시켜점화시기를제어

159 하여야한다. 계산과정에서 float값인 fspark_degree를정수값인 ispk_ degree로바꾸고이것을카운트로바꾸면된다. 제어과정에서 360 회전하는동안의카운트값을이용하여회전속도를계산하기위해 360 회전시의카운트수를구하고, 이값을이용하여각도를카운트값으로변환할수있다. 즉, ispark_count = ispk_degree (irpm_count /360) 가된다. 연료분사량및점화시기를실시간으로가변제어하기위해서는 ECU_Lcd.h" 와 ECU_Input.h" Head File이필요하다. ECU_Lcd.h" 은실시간으로변화하는연료분사량과점화시기의값을 LCD 에보기좋게표시하기위한프로그램을가지고있고, ECU_Input.h" File은볼륨의값을 LCD에효율적으로나타낼수있도록하는프로그램을내장하고있으며프로그램은 Fig. 4.23의과정을거쳐실행되도록설계하였다. Fig Flow chart of variable fuel injection time and spark timing control

160 제 5 장엔진제어프로그래밍 5.1 제어프로그램개발과정 1) 제어요소분석 처음단기통모터사이클엔진에필요한각종센서와액츄에이터에대한 입 출력요소를 Fig. 5.1 과같이분석한다. Fig. 5.1 Input elements for ECU control 2) 알고리즘개발입력센서로부터입력되는신호를받아 CPU에서어떻게처리할것인지를분석하고논리적으로연산을하여어떻게액츄에이터를제어할것인가에대한제어과정을개발하고이를효율적으로활용하기위해 Fig. 5.2와같이플로차트를그린다

161 Fig. 5.2 Development of control algorithm 3) C언어프로그램개발미리개발된제어알고리즘을토대로 Photo 5.1과같이 TASKING 사의 EDE 196/296 전용프로그램을이용하여 C 언어로제어프로그램을작성하였으며부분적으로어셈블리어를사용하였다

162 Photo 5.1 Tasking EDE screen and engine control program written by C language Start up Code 80C196KC 내부에 OS 시스템이없기때문에 C 언어로프로그램을짜서넣어준다하더라도 CPU는무엇을해야할지모른다. 따라서 Start up Code 가이 OS 역할을해준다. 이 Start up Code는어셈블리어로작성한다. 본프로그램에서사용한 Start up Code는다음과같이구성하여프로그램을제어하도록하였다

163 ECU_ENTRY MODULE MAIN RSEG SP EQU 018H:WORD CSEG AT 5200H EXTRN_main: NULL cstart: PUBLIC cstart LD SP, #0200H LCALL _main _exit: exit: PUBLIC PUBLIC _exit exit ; Interrupt Vector CSEG CSEG AT 5000H pusha extrn timer1_over lcall timer1_over popa ret AT 5020H pusha extrn hsi_data lcall hsi_data popa ret END

164 4) Compile 전용프로그램에의해작성된 C 언어프로그램을 CPU가이해할수있는기계어인 ~.hex File로바꾸기위해 Photo 5.2와같은컴파일러 (compiler) 를이용하여컴파일 (compile) 시킨다. Photo 5.2 Contents of C compiler program IC96.exe File은 C 컴파일러로서이를이용하여 C 언어로만들어진프로그램을컴파일시켜 Object File을생성하고, Linker인 RL96.exe File을이용하여생성된 Object File들을 Link시킨후최종적으로 OH.exe File을이용하여 RL96.exe에의해만들어진파일을 ~.hex File로만들게된다

165 5) ECU 전송 기개발된 ~.hex File 을 Photo 5.3 과같은전송프로그램을이용하여 ECU 에내장된플래시메모리로전송하여엔진을제어하도록설계하였다. Photo 5.3 Down load program in order to send ~.hex file to ECU

166 5.2 압축상사점판별프로그래밍 초기크랭킹시안정된펄스의입력 초기크랭킹시의낮은전압, 노이즈등의불안정한요인을제거하기위해 CPS 로부터출력되는초기파형을정형한구형펄스를 HSI.1 로입력받아 10 회공전후제어프로그램이실행되도록설계하였다. do{ while(hsis & 0X08); /*Falling Edge 감지, 최초불안정한 10Pulse 후부터신호입력 */ while((hsis & 0X08)==0); /*Rising Edge 감지 */ kim++; }while(kim<=10); kim=0; 압축상사점판별 구형펄스폭을 Timer1 으로카운트하여롱펄스를구별하고연속한롱펄스 의폭을비교하여압축상사점을판별한다. do{ /* 롱펄스의판별 */ while(hsis & 0X08); /*Falling Edge 대기 */ PW_2=PW_1; PW_1=TIMER1; settimer1( ); /*TIMER1 Zero Setting 후 Count 시작 */ if(pw_1>2*pw_2){ /*Compression TDC 구별 */

167 x++; /*2개의롱펄스의폭을계측하여압축상사점판별 */ while((hsis & 0X08)==0); /*Rising Edge 감지 */ while(hsis & 0X08); /*Falling Edge 감지 */ PW_3=TIMER1; if(x==1)pw_a=pw_3; else { PW_B=PW_3; if(pw_a < PW_B){ COM_TDC=1; /* 현재압축상태 */ x=0; } else PW_A=PW_B; /* 현재배기상태 */ } } while((hsis & 0X08)==0); /*Rising Edge 감지 */ }while(com_tdc!= 1); /*Compression TDC 이면탈출 */

168 5.3 회전속도계측프로그래밍 엔진의회전속도가 1200rpm이하이면크랭킹으로판단하여엔진 1회전마다 n = 20 에서의 30 펄스폭을 Timer1으로카운트하여회전속도를계산하게된다. 또한엔진이시동되어 1200rpm 이상이되면 360 의펄스폭을카운트하여엔진회전속도를계산하도록프로그램하였다. 엔진회전속도계측은 HSI.1로 CPS로부터의크랭크각신호가입력되면매하강에지마다 HSI Data Available Interrupt가발생하여 hsi_data() 함수로이동하게된다. if(irpm<1200) irpm= /(unsigned int)frpm_const; /* 회전속도계산, 30 계측 */ else irpm=(750000/irpm_count)*100; /*360 계측 */ void hsi_data() /* 펄스폭 Count*/ { if(hsis & 0x04){ n++; idtime=hsit; if(irpm>1200){ /* 시동후회전속도제어 */ if(n==1){/*360 마다회전속도계측 */ itime1=hsit; settimer1(); irpm_count=itime1; } if(n==11){/*360 마다회전속도계측 */ itime1=hsit;

169 settimer1(); irpm_count=itime1; } else if(n==20)n=0; } else { if(n==20){ /*30 계측 */ itime=hsit; irpm_count=itime; settimer1(); n=0; } else settimer1(); } } } else idtime=hsit;

170 5.4 연료분사제어프로그래밍 기본프로그램 기본적인연료분사제어프로그램은다음과같이설계하였다. HSI.1에의해인터럽트가발생하지않는동안은 do ~ while Loop를순환하면서현재엔진상태에알맞은연료분사량과연료분사시기를계산해놓는다. void inj() { HSOC =0X00; /*HSO.O핀크리어 */ HSOT=TIMER1+2; while(ios0 & 0X01); HSOC =0X20; /*iinject_count 후 HSO.0핀셋 */ HSOT=TIMER1+iinject_count; while((ios0 & 0X01)==0); } do{ if(irpm<1200){ /* 크랭킹시프로그램 */ iinject_count=7500; /* 크랭킹시연료분사고정 */ k=17; } else { /* 크랭킹후정상회전시프로그램 */ iinject_count=(unsigned int)(finject_time/0.0008);

171 k=12; } }while(engine_stop!=1); /* 엔진회전중에는이루프에서반복됨 */ TPS 제어 TPS 의출력전압을이용하여미리기억되어있는맵핑데이터에의해연료 분사량을제어할경우는다음과같다. 1) Mapping Data unsigned int inject_ms[25][20]={{60,60,40,40,40,40,40,40,40,42,,-,-}, {-,- }}; 2) Analogue Signal 의변환 ADC=0X1D; /*8비트변환, 채널 5(P0.5) 사용 */ temp2=temp3; while(adrl &0X08); /*A/D변환이끝나면 ADRL의 4번째비트가 0*/ tps_result=adrh; tps_value=(float)tps_result/10.2; /*25등분*/ tps_n=(unsigned int)tps_value; /*TPS 출력값을정수화 */ irpm_n=irpm/500; /*10000rpm값을 20등분 */ 3) 연료분사량의계산 K1=inject_ms[tps_n][irpm_n]; /* 보간법에의한연료분사량정밀계산 */ Y1=(float)K1/10.0; /* 소수점으로나타낸분사량 */ K2=inject_ms[tps_n][irpm_next+1];

172 Y2=(float)K2/10.0; K3=(Y2-Y1)/500.0; /*K3는 float*/ K4=irpm-irpm_n*500; finject_time=y1+k3*(float)k4; 연료분사량의계산은기본적으로실험에의해엔진회전속도를 500rpm 단위로구한맵핑데이터를읽어들이고이값을기준으로, 현재 CPU로입력되는 TPS의출력값과현재의회전속도에해당되는연료분사시간을선형보간법을사용하여계산하도록하였다. Fig. 5.3 Calculation of injection time by interpolation Fig. 5.3 에서두점 (x 0, y 0 ), (x 1, y 1 ) 가주어지고그두점사이의한값 x( 현 재의엔진회전속도 ) 를알고있을때 y( 현재분사해야할연료분사시간 ) 를 구하는방법은선형보간법에의해식 (5.1) 과같이계산할수있다. y = y 0 +((y 1 y 0 )/ (x 1 x 0 )) (x x 0 )) (5.1)

173 4) 연료분사 HSI.1 에의해인터럽트가발생하면 hsi_data() 함수로이동하여연료분사를 실행하게된다. void hsi_data() { if(hsis & 0x04){ n++; idtime=hsit; if(n==inject_sigi) inj( ); } }

174 5.5 점화제어프로그래밍 기본프로그램 기본적인점화제어프로그램은다음과같이설계하였다. void spk() { HSOC =0X21; /*ispark_count 후 HSO.1핀크리어 */ HSOT=TIMER1+ispark_count; while((ios0 & 0X02)==0); HSOC =0X01; /*20 카운트후 HSO.1핀셋 */ HSOT=TIMER1+20; while((ios0 & 0X02)!=0); } do{ if(irpm<1200)irpm= /(unsigned int)frpm_const;/*rpm계산 (30 )*/ else irpm=(750000/irpm_count)*100; /*360 계측 */ if(irpm<1200){ /* 시동시프로그램 */ ispark_count=2; z=9; frpm_const=(float)irpm_count*1.08;/* 보정계수곱함 */ } else { /* 시동후정상회전시프로그램 */

175 ispk_degree=(unsigned int)fspark_degree*10; if(ispk_degree>300){ ispark_count=((600-ispk_degree)/10)*(irpm_count/360); z=8; } else { if(ispk_degree==300)ispark_count=2; /*0이되면시동이꺼지므로 */ else ispark_count=(abs(300-ispk_degree)/10)*(irpm_count/360); z=9; /*abs는음수를방지 */ } } }while(engine_stop!=1); /* 엔진회전중에는이루프에서반복됨 */ TPS 제어 TPS 의출력전압을이용하여미리기억된맵핑데이터에의해점화시기를 제어할경우다음과같다. 1) 맵핑데이터 unsigned int sp_deg[25][20]={{11,11,11,11,20,30,30,30,31,31,31,31,-}, {-,- }}; 2) 점화시기의계산 점화시기의계산도연료분사계산과같이선형보간법에의해구하게된다. if((irpm<=2000)&(irpm<3000)){ /*2000~3000rpm 사이점화정밀제어 */

176 K5=(float)sp_deg[tps_n][irpm_n]; K6=(float)sp_deg[tps_n][irpm_next+1]; K7=(K6-K5)/500.0;/*K7은 float*/ fspark_degree=k5+k7*(float)k4; } else fspark_degree=(float)sp_deg[tps_n][irpm_n];/* 점화시기는정수제어 */ 3) 점화 HSI.1 에의해인터럽트가발생하면 hsi_data() 함수로이동하여점화를실행 하게된다. void hsi_data() { if(hsis & 0x04){ n++; idtime=hsit; if(n==spark_sigi)spk(); /* 다중점화 */ if((n==(spark_sigi+1))&(irpm<1200))spk_double(); if((n==(spark_sigi+2))&(irpm<1200))spk_triple(); } }

177 5.6 노이즈제어프로그래밍 CPS로부터출력되는신호에서 13 펄스마다한번씩롱펄스전후의폭을확인하여노이즈가확인되면 n = n +1로하여펄스번호를수정하게된다. if(irpm>1200){ if(n==1){ /*360 마다회전속도계측 */ itime1=hsit; settimer1(); irpm_count=itime1; } bojung++; if(bojung>10){ if(n==6)time_6=hsit;/* 노이즈제어보정 */ if(n==7)time_7=hsit; if(n==8){ time_8=hsit; bojung=0; time_a=time_7-time_6; time_b=time_8-time_7; if(time_a > time_b)n=n+1; } } if(n==11){ /*360 마다회전속도계측 */ itime1=hsit; settimer1(); irpm_count=itime1; } else if(n==20)n=0; }

178 제 6 장실험장치및실험방법 6.1 실험장치 본연구에서실험조건에맞추어엔진의토크를측정하기위해 Table 6.1에서보는바와같이, 최대제동마력이 54PS인엔진동력계, 연료분사량과점화시기를가변적으로제어할수있도록설계한 ECU, 엔진회전속도와연료분사시간및점화시기를확인할수있게실시간으로데이터가출력되도록설계한 LCD, 파형을관측하기위한오실로스코프등으로실험장치를구성하였다. 또한, 흡입되는공기유량을계측하기위해스로틀바디앞쪽에공기유량계를설치하였다. 그리고배출가스중의 CO, HC, NO X 및 λ를측정하기위해배출가스시험기를 Photo 6.1의엔진에설치하였으며 Fig. 6.1은그개략도를나타낸다. Photo 6.1 VL 125 motorcycle engine

179 엔진동력계에서의토크측정은변속비 4속 ( 감속비 1.095), 일차감속비 ( 엔진에서 1차감속을거쳐변속기로출력, 감속비 3.650) 를거쳐측정되도록하였으며, 실험에사용한 TPS는 ECU 기준전압이 5V일때, 스로틀밸브가완전히닫힌상태에서완전히열릴때의출력전압은 V의범위를나타냈다. Fig. 6.1 Schematic diagram of experiments

180 Table 6.1 Specification of engine dynamometer Max. brake horse power 54/5500(PS/RPM) Max. brake torque 10kgㆍm Max. engine speed 17000rpm Inertial moment Max. amount of water supplied 16.2(l /min) Minimum pressure Over 0.5kg/ cm2 Dynamometer weight 125kg Manufactured year 1997 또, 실험에사용한맵센서의출력전압은대기압상태에서 4.91V, 10cmHg에서 4.49V, 60cmHg에서 0.79V 정도의출력범위를나타냈다. 그리고인젝터에걸리는전압에따라인젝터분사량도큰차이를나타내므로인젝터에가해지는전압을일정하게유지하기위해 Photo 6.5와같이 12V 정전압계를설치하였다. 배출가스측정을위해 Photo 6.4에서보는신성환경기술 ( 주 ) 의 I/M 8000을사용하였으며이시험기는현재자동차검사장에서주로자동차배출가스검사및단속용으로많이사용하고있는모델이다. 그리고파형관측을위해 Tektronix 사의 TDS 3032B 300MHz 오실로스코프를사용하였다. Photo 6.2와 Photo 6.3은실험엔진에 ECU를연결하여실험중인장면을보여주고있다. 엔진동력계에서엔진실험중의토크변동은실험조건에따라약간차이가있으나실험중의토크변동량은최대 0.02k g m( 축마력 ) 정도로나타났으며, 각실험마다토크변동량은최대 0.08k g m( 축마력 ) 정도로나타났다

181 Photo 6.2 Engine dynamometer and motorcycle engine Photo 6.3 Engine dynamometer controller

182 Photo 6.4 CO, HC, NOx tester for emission test Photo 6.5 DC power supply for 12V constant voltage

183 6.2 실험방법 캬브레터방식엔진의기본적인데이터를확보하기위해 WOT 상태에서엔진의출력과배출가스실험을수행하였다. 또 ECU에의한전자제어엔진은 TPS 개도, 맵센서출력전압, 연료분사시간및점화시기를변동시키면서최대토크발생시와 λ=1일때의엔진특성을고찰하였다. 본연구에서는자체개발한 ECU가전자제어단기통모터사이클엔진의제어에적합한지를확인하고, 또한캬브레터방식과비교하여어느정도의출력을나타내는지시험하기위해대림오토바이 VL 125 엔진을이용하여다음과같은방법으로실험을수행하였다. 첫째, 기본적인연료분사시간과점화시기를얻기위한 TPS 출력기준엔진실험의경우일정한간격으로스로틀밸브의개도를변화시키면서각회전속도조건에서최대토크발생시의연료분사량및점화시기데이터를구하였으며, 이때의배출가스농도와연료소비율도구하였다. 실험시의스로틀밸브의개도변화는밸브를움직여미리정해진 TPS의출력전압값으로고정하고그값을기준으로실험을수행하였다. 또 λ = 1 일때의연료분사량, 점화시기및토크도구하였다. 이러한데이터는전자제어방식에서기본분사량과점화시기를결정하는데반드시필요하다. 둘째, 맵센서출력기준엔진실험의경우센서의출력전압값을기준으로엔진의회전속도를 4000rpm에서시작하여 7000rpm까지 500rpm간격으로변동시키면서최대토크발생시와 λ = 1 일때의연료분사량및점화시기데이터를구하였으며, 이때의배출가스농도와연료소비율도구하였다. 부압은엔진의스로틀바디뒤쪽의흡기매니폴드압력을계측하였으며, 맵센서의출력을 0.5V 의간격으로하여각회전속도에따른엔진특성을구하였다. 일정한간격으로맵센서의출력을변화시키면서각회전속도조건에

184 서실험시의맵센서의출력값변화는스로틀밸브를움직여미리정해진맵센서의출력전압값으로고정하고그값을기준으로실험을수행하였다. 단기통엔진에서는자동차와는달리경제성이나장착성그리고저회전영역에서흡기부압변동이큰단기통특성을고려할때, 직접계측방식보다는간접계측방식이더적합할것으로판단되어맵센서방식을채용하여실험을수행함으로서단기통모터사이클엔진에서의맵센서적용성도실험하였다. 셋째, 첫째와둘째의실험에서얻어진데이터를기초로맵핑데이터를작성하고이에의한엔진제어프로그램으로엔진실험을수행하였는데그실험내용을보면스로틀밸브의개도에의해연료분사량을제어하는스로틀-속도방식, 흡기매니폴드의부압을감지하는맵센서에의해연료분사량을제어하는속도-밀도방식, 그리고 TPS와맵센서제어방식을혼합한스로틀-밀도방식들이각각엔진출력특성에어떠한영향을미치는지를확인하고향후배출가스규제단계에서단기통모터사이클엔진에가장적합한방식이어떤것인지에대해고찰하였다. 또자체개발한 ECU를실제엔진에적용했을때의토크추종성, ECU의신뢰성그리고제어알고리즘과프로그램의신뢰성등도함께고찰하였다. 엔진실험시엔진회전속도가 4000rpm 이하에서는토크의변동이매우심하고엔진의상태가불안정하여엔진출력을측정하지않았으며, 엔진의최대토크가 6500rpm에서나타나므로변곡점을발견하기위해 7000rpm 까지실험을수행하였다. 캬브레터방식의경우최적점화시기가시동 ~ 2100rpm 에서는 BTDC 8, 2200rpm ~ 3900rpm 에서는 BTDC 28, 4000rpm ~ 8000rpm 에서는 BTDC 27, 8100rpm ~ 12000rpm 에서는 BTDC 26.5 이다. 이자료를토대로엔진실험을수행하였으며, 볼륨에의해점화시기를변화시켰을때최대토크를나타내는점화시기를구하였다. 점화시기에있어서전자제어방식이캬브레터방식과차이를나타낼수도있는데이것은아마도캬브레터방식에서노킹방지를위해약간지각한상태

185 에서점화시기를설정하였던가혹은전자제어방식에서초기플라이휘일로 터의 Tooth 를아르곤용접시약간의각도오차에기인할수있다

186 제 7 장실험결과및고찰 7.1 캬브레터방식 엔진토크특성 전자제어단기통모터사이클엔진과의출력및배출가스특성을비교하기위해 Photo 7.1과같은 VL125 캬브레터방식의엔진실험을수행하였다. 엔진실험시흡입공기의온도는 25 C ~ 27 C이였으며, 배기가스의온도는 235 C ~ 409 C이였다. 캬브레터방식의경우, 스로틀밸브가없어그열림량조정이어려운관계로부분부하 (partial load) 의실험은어렵기때문에흡기통로가완전히열려있는전부하 (full load, WOT) 에서실험을수행하였다. Photo 7.1 Carburetor type VL 125 motorcycle engine

187 Fig. 7.1 에서와같이캬브레터방식의경우 6500rpm 에서최대토크를발생 하며그값은 0.94kg m 로나타났다. 여기서표시한값은여러번의실험에 서얻은값들의평균값이다. Fig. 7.1 Variation of engine torque(carburetor type) 배출가스특성 CO(%) 농도의경우 Fig. 7.2에서보듯이회전속도가증가함에따라점차증가하다 5000rpm을경계로감소하는경향을나타냈다. 또, HC(ppm) 은 Fig. 7.3에서보는것처럼엔진의회전속도가증가함에따라점차감소하는경향을나타냈으며, 엔진연소온도의영향을크게받는 NOx의경우 Fig. 7.4에서보는것처럼점차감소하다 5000rpm을경계로서서히증가하는경향을나타냈다. 실험에서나타난것처럼 CO, NOx에서 5000rpm을경계로변화되

188 는것은캬브레터의특성에기인하는것으로추정된다. Fig. 7.2 CO(%) variation of carburetor type engine Fig. 7.3 HC variation of carburetor type engine

189 Fig. 7.4 NOx variation of carburetor type engine 연료소비율특성 캬브레터방식엔진의연료소비율은엔진회전속도가증가함에따라 Fig. 7.5와같이점차증가하는경향을나타냈다. 실험은 0.1g까지정밀측정이가능한전자저울을이용하여연료소모량을측정하였으며, 4000 ~ 5500rpm은 3분, 6000 ~ 7000rpm은 2분동안엔진이소모하는연료량을측정하여이를시간당연료소모량으로환산하여연료소비율을계산하였다. Table 7.1과 Table 7.2는실험시측정한연료소모량, 측정시간및연료소비율을표시하였다

190 Fig. 7.5 Variation of fuel consumption ratio at WOT Table 7.1 Fuel consumption data Engine speed (rpm) Fuel consumption(g) Measurement time(minute)

191 Table 7.2 Fuel consumption ratio Engine speed (rpm) Fuel consumption ratio(g/ps-h) 공연비특성 Fig. 7.6에서보면엔진회전속도가비교적낮은저속영역에서는 λ가 0.95 ~ 0.96 의값을나타내나, 중속영역에서는이보다 Rich한 0.92 부근의값을나타내다엔진회전속도가증가함에따라점차 0.96 부근영역으로이동하는경향을나타냈다. 이러한특성은캬브레터방식엔진의공연비제어특성에의해발생되는설계상의문제로판단되며이와같은공연비특성이 5000rpm부근에서 CO, NOx의농도변화특성에영향을미치는것을그래프로확인할수있다

192 Fig. 7.6 λ variation of carburetor type at WOT 흡입공기유속및배기가스온도특성 Fig. 7.7 Intake air velocity of carburetor type at WOT

193 Fig. 7.8 Exhaust gas temperature of carburetor type at WOT Fig. 7.7 과 Fig. 7.8 에서보듯이흡입공기유속은실험한엔진회전속도영 역에서 18 ~ 29m/s 의범위를나타냈으며, 배기가스온도는 254 ~ 411 C 의범위를나타냈다

194 7.2 전자제어방식 TPS 출력기준엔진특성실험 1) 최대토크특성실험엔진실험은스로틀밸브를일정한각도로고정한상태에서측정하고자하는엔진의회전속도로변동시키고볼륨을제어함에의해최대토크가발생되는시점에서연료분사량과점화시기를구하였다. 일반적으로단기통엔진의출력실험은 4000rpm 이상에서측정하게된다. 그이유는 4000rpm이하에서는엔진의진동이커져출력의변화가심하고엔진의상태가불안정하게되기때문이다. 그러나 TPS 출력특성실험에서는저속시의최대토크특성을확인하기위하여 2500rpm부터엔진실험을수행하였다. (1) 엔진토크특성엔진의 1차감속비 (3.65) 와 4속기어변속비 (1.095) 를고려한상태에서스로틀밸브개도에따른엔진동력계의최대토크변화는 Fig. 7.9와같다. 단기통엔진의경우스로틀밸브개도에따른최대토크를나타내는회전속도는스로틀밸브의개도가증가함에따라저속회전영역에서고속회전영역으로이동하게되며, 스로틀밸브가완전히열린상태에서엔진회전속도가 6500rpm 일때최대축토크 (1.053kg m) 가발생하였다. TPS 출력전압변화에따른최대토크값은 Fig. 7.10과같이나타났다

195 Fig. 7.9 Variation of max. torque according to engine speed Fig Variation of max. torque according to throttle valve opening

196 엔진토크와배출가스에영향을미치는연료분사량은 Fig. 7.11에서보는것처럼스로틀밸브가적게열리는저부하영역에서는엔진회전속도가증가함에따라감소하는경향이나, 점차스로틀밸브의개도가크지는고부하영역으로갈수록엔진회전속도증가에따라연료분사량이증가하는경향을나타냈다. 엔진회전속도가 4000 ~ 7000rpm 범위에서최적의점화시기는 BTDC 31 로나타났으며, 점화시기가 BTDC 31 ± 3 범위에서는엔진출력변화가거의없었다. Fig Variation of fuel injection time according to engine speed

197 (2) 배출가스특성 CO(%) 농도는스로틀밸브의개도에의해직접적인영향을받는다. Fig 에서와같이스로틀밸브의개도가적은영역에서는비교적높은배출가스농도를나타내며, 스로틀밸브개도가증가함에따라농도가낮아지는경향을나타낸다. 이러한경향은 Fig. 7.11에서연료분사시간의변화와밀접한관계가있다. Fig. 7.12에서 TPS 출력전압이 4.74V일때, 저속회전영역에서 CO 농도의불안정한변화는연료분사시간의증가에의해기인하는것으로판단된다. 이것은연쇄적으로 Fig. 7.14에서 NOx 와공연비에도영향을미치게된다. Fig. 7.13에서 HC의경우엔진회전속도가증가함에따라점차감소하는경향을띠는것으로나타났다. Fig Variation of CO(%) according to engine speed

198 Fig Variation of HC(ppm) according to engine speed Fig Variation of NOx according to engine speed

199 (3) 흡입공기유량특성 Fig. 7.16에의하면 TPS 출력전압이 1.0 ~ 2.0V에서는 TPS 개도변화에따라엔진으로흡입되는공기량이급격히증가하나, 2.0V이상의 TPS 출력영역에서는스로틀밸브개도증가에따라증가되다약간감소하는경향을나타낸다. Fig Intake flow rate according to engine speed 6500rpm 이상에서는회전속도증가에따라흡입공기유량이조금씩감소하는경향을나타낸다. Fig. 7.15와 Fig. 7.16에서알수있는엔진흡기유량의큰특징은유량의변화가없는두영역의존재인데하나는초크 (choke) 영역이고, 나머지는포화 (saturation) 영역이다. 초크영역은스로틀각을일정하게유지시킨채로엔진의회전속도를높여갈때나타난다. 스로틀밸브를통한대기에서흡기관으로의유량은대기압과흡기관의압력차와스로틀면적에의해결정된다 3). 어떤일정한스로틀각에서엔진의회전속도가증가하면흡기

200 관으로부터엔진으로유입되는공기량은증가한다. Fig Variation of intake air flow rate according to TPS output voltage in each engine speed 따라서흡기관내의압력은떨어지는데이것은 Fig. 7.17과같이흡기관내의압력을측정해보면알수있다. 대기와흡기관사이의압력차가커짐으로인하여스로틀밸브를통한흡기관내의공기량도또한증가하는데유량은스로틀밸브에의해제한되므로압력차이에의해서만증가되는공기량에는한계가있다. 따라서회전속도를더높이면유량은증가하지만압력은더욱떨어진다. 이렇게흡기관내의압력이떨어지면결국은스로틀밸브에서유속이음속에도달하여초킹이일어난다. 이때부터는엔진회전속도가증가하여도압력차이에의한대기에서흡기관으로의유량증가는이루어지지않고다만일정한유량만유입되어흡기관내의압력은더욱급격하게떨어진다. 이러한현상은운전자가가속페달을밟지않은상태에서차량이언덕을내려갈때, 가속이되면서일어난다

201 포화영역은어떤일정회전속도에서스로틀밸브가어느정도충분히열렸을때부터최대로열렸을때까지를의미한다. Fig. 7.16에서알수있듯이일정한회전속도에서스로틀밸브를조금씩열면스로틀면적이증가하면서유량이증가한다. 이때증가되는유량은흡기관의압력을높임과동시에엔진의펌핑유량도또한증가시킨다. 이렇게흡기관의압력이증가하여대기압에가까워지면스로틀밸브는더이상유량을제한하는요소가되지못하므로스로틀밸브가없는경우와동일하게된다. 이때부터는엔진의회전속도만이유량을좌우하게된다. 따라서엔진의회전속도가낮을때에는스로틀밸브를조금만열어도포화영역에빨리도달하고엔진회전속도가높을때에는스로틀밸브를많이열어야포화영역에도달한다. Fig MAP sensor output voltage according to TPS output voltage in each engine speed

202 Fig. 7.16에따르면스로틀밸브개도변화에따라흡입공기량이선형적으로변하지않고, 또엔진상태에따라연소실로흡입되는공기량이달라질수있어 TPS와회전속도에의해엔진을제어하는데는한계가있다. Fig. 7.17에서나타난결과를분석해보면일정한회전속도에서스로틀밸브의개도를증가 (TPS 출력값이증가 ) 시어느정도 (TPS 출력 2V) 까지는흡기관내의압력이증가하나그이후에는흡기관내의압력변동이거의없다. 이것은엔진에가해지는부하가크든작든 TPS 출력값이 2V 이상에서는거의동일한흡기관부압을갖게되므로맵센서출력값만으로는엔진의부하변동을감지할수가없다는것을나타낸다

203 (4) 연료소비율특성 Fig Fuel consumption ratio according to engine speed Fig. 7.18은스로틀밸브개도를나타내는 TPS의출력전압이 1V, 3V, 4.74V일때엔진회전속도를변화시키면서최대토크가발생하는시점에서의연료소비율을측정한것이다. 스로틀밸브가비교적적게열리는 TPS 출력 1V에서는연료소비율 (g/ps h) 이비교적높은값인 303 ~ 510 g/ps h 의범위를나타내며, λ도 Rich 영역인 0.9 ~ 0.93의범위로나타났다. Table 7.3은 WOT시즉, TPS 출력전압이 4.74V 일때의엔진회전속도에따른연료소모량 (g) 과측정시간 ( 분 ) 을나타내며이때의값을환산하여그래프로그린것이 Fig 의 TPS 4.74V일때의그래프이다. 또한 Fig. 7.19를보면전운전영역에서 λ의범위는 0.9 ~ 0.97 정도를나타내는것을알수있다

204 Table 7.3 Fuel consumption data at WOT Fuel Fuel Engine Measurement consumption consumption speed(rpm) time (minute) amount (g) ratio (g/ps h) Fig λ variation according to engine speed

205 (5) 흡입공기유속과배기온도특성 Fig Intake air velocity according to engine speed Fig Exhaust gas temperature according to engine speed

206 실험시배기가스온도는 250 C ~ 450 C 의범위로나타났으며, 흡입공기 유속은흡입공기유량특성과유사한경향을나타냈다. 2) 이론공연비특성실험이론공연비실험은 4000 ~ 7000rpm까지의엔진회전속도범위에서실험을수행한것으로서미리정해진값으로 TPS 출력전압을고정한상태에서 500rpm 단위로단기통모터사이클엔진을실험하여필요한데이터를구하였다. 실험은각회전속도별로연료분사량과점화시기를조정하여 λ=1이되도록셋팅하고그때의연료분사시간과점화시기를구하였으며그외엔진특성분석에필요한데이터도측정하였다. 이때구한값들은 ECU에서엔진의기본분사량과점화시기를결정하는데필요한데이터로서활용된다. Table 7.4 Fuel injection time at λ=1 (unit: ms) 4000 rpm 4500 rpm 5000 rpm 5500 rpm 6000 rpm 6500 rpm 7000 rpm TPS 1.0V V V V V V V V V Table 7.4는실제엔진실험에서구한연료분사시간 (ms) 을나타낸다. 이데이터는 3원촉매의효율을극대화하여배출가스의정화효율을높이기위해산소센서의피드백제어를통해 λ=1이되도록제어할때의값인기본분사량값과일치하게된다

207 Fig Max. engine torque at λ=1 Fig. 7.22에서나타내는값들은이론공연비 (λ=1) 로제어하지않았을때와비교하여최대토크를기준으로약 2.5% 의토크저하가발생하는것을알수있다. Fig ~ Fig. 7.30에서보면 CO는 0.5 ~ 3.0% 의범위에서변화되고, HC는 250 ~ 400ppm의범위를나타낸다. 또 NOx는 2000 ~ 4000ppm의범위에서변화되나최대토크가발생하도록연료분사량을조절할때에비해 CO와 HC는약간감소하고 NOx는증가하는경향을나타냈다. 그외의값들은비슷한경향을나타내는것을그래프를통해볼수있다. Fig. 7.29에서엔진회전속도에따른맵센서출력변화는 TPS 출력값이 2V이상에서는거의동일한출력값특성을나타내는것을알수있으며앞에서본 Fig. 7.17에서와같이그변동폭도 4.6V ~ 4.8V사이로매우적은것을알수있다

208 Fig Variation of CO at λ=1 Fig Variation of HC at λ=

209 Fig Variation of NOx at λ=1 Fig Variation of intake air flow rate at λ=

210 Fig Variation of intake air velocity at λ=1 Fig Variation of exhaust gas temperature at λ=

211 Fig Variation of MAP sensor output voltage at λ=

212 7.2.2 맵센서출력기준특성실험 1) 최대토크특성실험 (1) 맵센서특성일반적으로 TPS의출력전압과엔진회전속도에의해연료분사량을계산하여제어하는스로틀-스피드 (throttle-speed) 방식은흡입공기량에비례하는 TPS 출력전압값을얻기가어려워현재와같이점차배출가스규제가강화되고있는시점에서의엔진제어방식으로는부적당하다. 예를들면, Fig. 7.30에서보는것처럼급가속시흡입공기량의변화 ( 맵센서의출력값 ) 에따른 TPS의출력특성이다르고응답성이떨어져엔진제어에어려움이따를수있다. Fig. 7.30에서처럼가속시 TPS 신호의모양과맵센서의신호모양에큰차이가발생하며 TPS 출력전압을기준으로연료분사량을제어할경우급가속시문제가생기게된다. Fig Waveform comparison of TPS and MAP sensor signal

213 맵센서출력기준실험은맵센서출력전압을변화시키면서엔진의출력특성을실험하는것으로서스로틀밸브의개도를변화시키면서맵센서출력전압을미리정해진일정한값으로맞추고이때엔진을 500rpm 단위로변화시켜최대토크를측정하였다. 이실험은맵센서의출력전압과회전속도변화에의한기본분사량특성을구하고이때의엔진특성을알아보기위한실험이다. Table 7.5 Fuel injection time(1) (unit : ms) MAP 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 4.74V 4000 rpm rpm rpm rpm rpm rpm rpm Table 7.6 Fuel injection time(2) Engine speed (rpm) Injection time(ms) MAP sensor max. output voltage(v)

214 Table 7.5는맵센서의출력전압과회전속도변화에따른연료분사시간의값을나타낸다. 실험에의하면맵센서의최대출력전압은엔진회전속도에따라 Table 7.6에서보는것처럼다르게나타났다. 즉, 엔진회전속도가 4000rpm에서는맵센서최대출력전압이 4.80V 이나 7000rpm에서는 4.59V로나타났으며, 이상태에서스로틀밸브를더개방하더라도맵센서의최대출력값은더이상증가하지않는현상이발생한다. Fig. 7.31은스로틀밸브가더개방되더라도엔진회전속도증가에따라나타나는맵센서출력전압이변동하지않는영역을나타낸다. 그러나스로틀밸브가더개방되어맵센서의출력전압은변화되지않지만엔진토크는더증가하여최대토크가발생되는점이이맵센서미제어영역에서존재한다. 또엔진회전속도가증가할수록그회전속도에서의맵센서최대출력값은감소하는경향을나타냈다. Fig MAP sensor max. output voltage according to engine speed