최근의 자동차는 엔진 노크 발생을 최소화하기 위한 노크 센서 시스템을 장착하고 있어 엔진 수명을 극대화하면서 출력을 증가시키고, 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
본 기고에서는 엔진 노크의 기본 원리와 노크 센서 신호 컨디셔닝 시스템을 구성하는 방법에 대해 살펴본다.
글/Yvette Tran, 오토모티브 시스템 애플리케이션 엔지니어, 텍사스 인스트루먼트
엔진 노크 현상은 엔진 실린더에서 부적절한 점화 타이밍이나 부품 결함으로 인해 발생한다. 최근의 자동차는 엔진 노크 발생을 최소화하기 위한 노크 센서 시스템을 장착하고 있어 엔진 수명을 극대화하면서 출력을 증가시키고, 연료 효율을 향상시킬 수 있다. 본 고에서는 엔진 노크의 기본 원리와 노크 센서 신호 컨디셔닝 시스템을 구성하는 방법에 대해 살펴본다.
엔진 노크의 기본 원리
엔진 노크 또는 이상 폭발 현상은 실린더에서 스파크플러그에 의해 시작되는 공기와 연료가 섞인 혼합기의 부적절한 점화에 의해 발생한다. 엔진 노크는 실린더 압력을 크게 높이고 엔진 부품의 손상을 일으킬 수 있으며 총탄과 비슷한 소음을 발생시킨다.
정상적인 연소의 경우에는 내부 연소 엔진이 순차적인 방식으로 공기와 연료가 섞인 혼합기를 연소시킨다. 연소는 크랭크축이 피스톤의 상사점(TDC)을 지나기 몇 도 전에 시작되어야 한다. 이러한 타이밍 어드밴스는 혼합기가 완전히 연소하는 시간을 주기 위함이며, 이 시점은 엔진 속도와 부하에 따라 달라진다. 적절한 타이밍에서 점화가 이루어지면, 크랭크축은 피스톤이 가장 위로 올라간 상사점을 지난 몇 도 후에 최대 실린더 압력을 발생시킨다. 그러면 완전히 점화된 혼합기가 피스톤을 최대 힘으로 밀게 되며, 매 사이클마다 최대 토크가 크랭크축에 전달된다.
최근의 엔진은 배기 최소화, 연료의 경제성뿐만 아니라 출력을 극대화하도록 설계되고 있다. 이는 점화 스파크 타이밍을 최적화하여 토크를 극대화함으로써 달성할 수 있다. 이러한 타이밍 제어를 통해 스파크 플러그는 혼합기를 점화하고, 점화 포인트로부터 실린더 벽으로 팽창 시키면서 일정한 속도로 매끄럽게 연소시킨다. 정상적인 연소보다 점화 시기가 너무 빠르면 엔진 노크가 발생할 수 있으며, 극도의 경우엔 영구적인 엔진 손상을 일으킬 수 있다. 그 밖에 엔진 노크의 원인으로는 잘못된 옥탄가 휘발유의 사용 및 점화 부품의 결함 등이 있을 수 있다.
신호 컨디셔너 인터페이스
최신 자동차는 노크 센서 시스템이 장착되어 있어 노크 윈도우라고 부르는 상사점을 지나 지정된 시간 동안 각 실린더에 대한 엔진 노크를 검출한다. 일반적인 시스템은 압전 감지 소자와 신호 컨디셔너로 이루어져 있다.
센서는 진동을 검출하고, 신호 컨디셔너는 신호를 처리하여 엔진 제어 모듈에 전압 신호를 보낸다. 모듈은 노크 신호를 해석하여 타이밍을 제어하고 엔진 효율을 향상시킨다. 노크 센서는 보통 엔진 블록에 설치된다(그림 1).
그림 2의 간략화된 다이어그램은 노크 감지 소자와 엔진 제어 모듈을 연결할 수 있는 TI의 TPIC8101 듀얼 채널, 고집적, 신호 컨디셔너 인터페이스를 보여준다. 2개의 넓은 대역의 내부 증폭기(그림 3)가 압전 센서에 인터페이스를 제공한다. 증폭기 출력은 채널-선택 먹스 스위치(그림2)와 3차 안티 앨리어싱 필터(AAF)에 공급된다. 그런 후에 신호는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해 변환된 다음 프로그래밍 가능한 이득 단으로 전송된다. 이득 단은 신호를 프로그래밍 가능한 대역 통과 필터에 공급해 엔진과 노크 센서와 관련된 특정 주파수 성분을 처리한다.
대역 통과 필터의 출력은 전파(full-wave) 정류된 다음 프로그래밍의 시간 상수와 적분 시간을 기반으로 적분된다. 매번 노크 윈도우가 시작될 때 적분기 출력이 리셋된다. 적분된 신호는 디지털-아날로그(DAC)를 통해 아날로그 형식으로 변환되지만, 마이크로프로세서에 직접 연결 할 수 있다. 프로세서는 데이터를 읽고 스파크 점화 타이밍을 조절해 노크를 감소시키면서 부하와 엔진RPM과 관련된 연료효율을 최적화한다.
내부 블록
신호 컨디셔너 인터페이스의 동작은 전달 함수에 의해 다음과 같이 정의할 수 있다.
(1)
이 식은 신호 컨디셔너의 내부 블록에 기본이 되며, 이후에 식의 구성요소 값은 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)로 SPI(serial peripheral interface) 포트를 통해 디바이스 내부로 프로그래밍된다.
전달 함수의 유도
다음 단계는 그림 2의 기능 블록으로부터 식 1이 어떻게 유도되었는지 설명한다.
유도를 시작하기 위해 출력 전압을 다음과 같이 정의한다.
VIN의 진폭은 다음과 같다.
(3)
또한
(4)
여기서, fBP는 필터 중심 주파수이고 N은 사이클 수이다. 따라서,
적분기 연산은 0에서 B까지 N번 수행된다. 이것은 입력의 양의 측면에 해당한다. 이후에 전파(Full-wave) 정류는 다른 이득 계수를 통해 보상된다. VIN을 대체하고 0에서 1/fBP까지 적분한다.
AINT =2, AIN = AOUT =1, VRESET =0.125이므로
애플리케이션 예제
다음은 신호 컨디셔너를 구성하는 데 필요한 단계이다.
요구사항
필수적으로 알려진 값은 VIN, 발진 주파수, tINT, VOUT이다. 이 예에서 우리가 알고 있는 값은 다음과 같다.
* VIN =7.3kHz, 300mVPP(노크 센서 규격)
* 오실레이터=6MHz(마이크로프로세서 클록 규격)
* 노크 윈도우(tINT)= 3ms(시스템 규격)
* VOUT = 4.5V(마이크로프로세서 인터페이스 규격)
나머지 계수 계산하기
AINT, AOUT, ABP, VRESET은 결정되었으므로 다음과 같은 나머지 계수를 계산할 필요가 있다.
* 프로그래밍 가능 이득(AP)
* 적분 시간 상수(τC)
* 입력 증폭기 이득(AIN): AIN =1로 설정
(13)
알려진 값을 이용하여 이제 AP에 대해 식 1을 다음과 같이 풀 수 있다.
(14)
τC에 대한 100μs 값은 아래에서 보듯이 값을 프로그래밍하는 데 필요한 최소의 조정이다.
계수 프로그래밍 방법
계수를 계산한 후에 이들 값을 GUI에 입력할 필요가 있다. 아래의 내용은 TIDA-00152 레퍼런스 디자인을 위한 GUI 소프트웨어에 입력되는 데이터 값을 간략히 설명한 것이다.
fC의 경우 표 1은 7.3kHz에 가장 가까운 대역 통과 주파수가 7.27kHz임을 보여준다. 이것은 42라는 10진수 값과 2A라는 16진수 값에 해당된다. AP의 경우 표 1에서 0.38에 가장 가까운 값은 0.381이며, 이것은 10진수 값 34와 16진수 값 22에 해당된다. τC의 경우 표 1에서 106μs에 가장 가까운 값은 100μs이며, 이것은 10진수 값 10과 16진수 값 0A이다. 오실레이터 주파수에 대해 6MHz, 채널 수에 대해 1을 입력한다. 그러면 GUI 값은 그림 4와 같이 보인다. 앞의 단계를 따라 하면 그림 5와 같은 파형을 얻을 수 있다.
요약
엔진 노크 제어는 최적의 엔진 성능과 엔진 보호를 위해 필수적이다. TPIC8101 노크 센서 인터페이스의 듀얼채널 입력 및 향상된 신호 컨디셔닝은 엔진 제어 모듈의 프로세싱 부하를 감소시킨다.
<반도체네트워크>