KR102026367B1 - 내연 엔진용 밸브 제어 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 흡기 또는 배기 밸브(12, 14)를 갖는 적어도 하나의 실린더(4) 및 피스톤(2)을 가지며, 밸브는 엔진 크랭크 샤프트의 회전에 무관하게 작동 가능한 내연 엔진용 밸브 제어 시스템이 제시된다. 시스템은 엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전에 액추에이터(30, 32)의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 생성하고, 사전 조정 작동 사이클 중 액추에이터의 작동 상태에 연관된 피드백 신호(52, 54)를 수신하며, 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하며 피드백 신호를 기준으로 수정되는 수정 제어 신호(44, 46)를 생성하도록 구성된다. 이러한 밸브 제어 신호의 재교정은 밸브 트레인의 현재의 작동 상태가 엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전에 고려되도록 한다.

Description

내연 엔진용 밸브 제어 시스템 및 그 작동 방법{VALVE CONTROL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND METHOD OF OPERATION THEREOF}
본 발명은 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더 및 피스톤을 갖는 내연 엔진용 밸브 제어 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 엔진 크랭크 샤프트의 회전과 무관하게 작동될 수 있는 밸브 제어 시스템의 작동을 개선하는 것에 관한 것이다.
회전 캠 샤프트가 내연 엔진의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 작동시키는 것은 잘 알려져 있다. 캠 샤프트가 엔진의 크랭크 샤프트와 함께 회전되면, 엔진 속도 또는 부하와 관련한 밸브 이동 프로파일 및/또는 타이밍을 변경할 수 없다. 그러나, 엔진의 수요에 따라 밸브 작동을 달리 하는 것에 의해 보다 큰 효율이 달성될 수 있다.
밸브 작동을 보다 양호하게 제어하기 위해, 컴퓨터 제어 엔진 관리 시스템에 의해 통제되는 전자기식 솔레노이드 액추에이터를 사용하여 밸브를 작동시키는 것이 제안되었다. 대안적인 접근법이 WO 2004/097184에 기재되어 있다. 이는 적합한 링크에 의해 밸브에 결합되는 종동 로터를 갖는 전자기식 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더 및 피스톤을 갖는 내연 엔진용 밸브 제어 시스템에 있어서,
밸브 제어 시스템은
엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전에 수행되는 적어도 하나의 밸브를 작동시키기 위해 배치된 액추에이터의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 생성하고,
사전 조정 작동 사이클 중 액추에이터의 작동 상태에 연관된 피드백 신호를 수신하며,
엔진의 연소 사이클 중 수행되는 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하는 수정된 제어 신호를 생성하도록 구성되는 신호 처리 장치를 포함하며,
수정 제어 신호는 피드백 신호를 기준으로 신호 처리 장치에 의해 수정되는, 밸브 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 적어도 하나의 흡기 밸브 또는 배기 밸브인 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더와 피스톤을 갖는 엔진에 적용 가능하며, 적어도 하나의 밸브는 엔진 크랭크 샤프트의 회전과 무관하게 작동 가능하다.
밸브 작동 타이밍의 기계식 제어 보다는 전기식 제어를 수반하는 밸브 제어 시스템은 적응형 피드백으로부터 이득을 얻을 수 있다. 이는 밸브 제어 시스템이 특정 상태 및 작동 요건에 따라 각 밸브의 작동을 조정할 수 있도록 한다. 그러나, 엔진의 시동 시, 작동 상태가 엔진이 마지막으로 정지한 때로부터 변경될 수 있다. 밸브 제어 시스템은 엔진 오일 및 수온과 같이 직접 측정 가능한 파라미터를 고려하도록 구성될 수 있지만, 다른 중요한 변수가 알려지지 않았다. 이는 엔진 시동 시 그리고 엔진 시동 직후에 초기 밸브 동작에 상당한 오류를 초래할 수 있다. 이는 엔진으로부터의 배기 가스의 구성, 그 소음, 진동 및 하시니스 특성, 엔진 시동 능력, 그 아이들 안정성 및 운전자의 엔진 작동의 지각에 유해한 영향을 미칠 수 있다.
다수의 급격히 변화하는 파라미터가 측정될 수 있고 액추에이터에 대한 초기, 사전 조정 작동 신호에 대한 요건을 계산할 때 밸브 제어 시스템에 의해 고려될 수 있다. 이는, 예를 들면, 엔진 냉각수 온도, 오일 받이(sump oil) 온도, 주위 공기 온도 및 액추에이터 권선 온도 및/또는 기타 관련된 파라미터 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 부품 마모 및/또는 윤활유 특성의 저하의 효과에 의존하는 것과 같은, 상대적으로 느리게 변화하는 파라미터는, 엔진을 재시동할 필요가 있을 때 고려될 준비 상태에 있는 밸브 제어 시스템 메모리에 저장될 수 있다. 그러나, 이러한 파라미터가 엔진의 점화 시 요구되는 제어 정확성을 제공하는 데에 충분할 수 있다고 보이지 않는다.
본 발명에 따르면, 밸브 제어 시스템은 엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전에 밸브가 사전 조정 작동 사이클을 수행하도록 한다. 그런 다음, 이러한 작동에 연관된 피드백 신호는 엔진의 연소 사이클 중 밸브의 작동을 통제하는 밸브에 대한 후속 제어 신호를 수정하거나 교정하는 데에 채용된다. 밸브 작동을 수행하는 데에 소요되는 시간이 짧아질 수 있으므로(대략 7ms), 하나 이상의 사전 조정 사이클이 차량 사용자에게 사실상 감지되지 않으면서 엔진의 점화 이전에 밸브 일부 또는 전부에서 수행될 수 있다.
예를 들면, 4스트로크 엔진에서, 엔진의 연소 사이클은, 일반적으로, 각각 흡입, 압축, 점화 및 배기 스트로크라고 하는, 4번의 피스톤 스트로크의 사이클로 구성되는 것으로 이해된다.
밸브 시스템의 이러한 "사전 조정"은 밸브 제어 신호의 재교정이 엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전의 밸브 트레인의 현재의 작동 상태를 고려하도록 할 수 있다. 즉, 이는 불꽃 점화 기관에서 실린더로 연료 및 점화가 제공되기 전에 또는 압축 착화 기관의 경우 연료가 공급되기 전에 수행된다.
전자기식 작동 구성에서의 추가적인 이익은 액추에이터 권선이 사전 조정 절차 중 정상적인 작동 상태에 접근하거나 이를 달성하기 위해 필요로 하는 상당한 비율의 워밍업 기간을 겪을 수 있다는 것이다.
일 실시예에서, 사전 조정 작동 사이클은 엔진의 크랭킹 중 엔진의 스타터 모터에 의해 수행된다. 그러므로, 사전 조정 액추에이터 사이클링 단계는 엔진의 초기 크랭킹 단계 중 수행될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 사전 조정 작동 사이클은 엔진의 크랭킹 이전에 엔진의 스타터 모터에 의해 수행된다. 이 방식에서, 액추에이터 사이클링 단계가 차량 사용자가 엔진 시동을 개시한 이후 그리고 스타터 모터에 의해 엔진 크랭킹이 시작하기 전에 수행될 수 있다.
응용처에 따라, 밸브 제어 시스템은 엔진의 초기 크랭킹 이전에 또는 그 대신 초기 크랭킹 중 밸브 사전 조정을 수행하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 엔진 시동 시 특정 상황에 따라 이러한 옵션 중 하나 또는 둘이 선택될 수 있다. 보다 큰 엔진 안정성이 시동 시 요구될 때, 실행되는 사전 조정 사이클의 수가 사전 크랭킹 사이클링 중 또는 크랭킹 중 또는 이들 모두가 진행되는 동안 증가될 수 있다.
밸브 제어 시스템의 교정의 정확성이 연소가 개시되기 이전에 각 밸브의 복수의 작동 사이클을 작동시키는 것에 의해 향상될 수 있다. 액추에이터 제어 신호가 각 사이클 이후 각 피드백 신호에 대응하거나 복수의 각각의 작동 사이클에 대응하는 복수의 피드백 신호에 대응하여 수정될 수 있다.
바람직하게는, 각 밸브의 적어도 3번의 사이클이 실행된다.
동일 엔진의 상이한 실린더에서의 밸브의 사전 조정 사이클이 실린더마다 순차적으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 밸브 모두를 주기적으로 작동시키는 데에 소요되는 전체 시간을 줄이기 위해 상이한 실린더에서의 밸브의 작동 사이클이 어느 정도 겹칠 수 있다.
전원에서의 최대 전기 수요를 줄이기 위해 사전 조정 사이클(충분한 시간이 이용 가능함) 중 액추에이터 사이클링 동작을 단계적으로 진행(즉, 각 밸브 또는 실린더에 대해 사전 사이클링의 시작 시간을 달리하는 것이 바람직할 수 있다.
현재의 개념이 엔진 크랭크 샤프트의 회전에 무관하게 작동 가능한 밸브를 갖는 엔진에 적용될 수 있고 이러한 작동의 제어가 적응형 전기 피드백의 일부 형태를 수반하는 것을 이해할 수 있다. 밸브 액추에이터는 전자기식, 유압식 및/또는 공압식으로 작동할 수 있다. 그러므로, "액추에이터"라는 용어는 연관된 밸브를 작동시키기 위한 힘 또는 토크를 생성하는 임의의 전자기식, 공압식 또는 유압식 장치를 포함하는 것으로 의도된다.
신호 처리 장치에 의해 수신된 피드백 신호는 각 밸브 액추에이터의 하나 이상의 작동 상태에 반응할 수 있다. 예를 들면, 피드백 신호는 정위치에 대한 액추에이터 변위, 액추에이터 내의 권선의 온도, 액추에이터의 권선 내의 전류의 크기, 그 시트로부터의 밸브 양정, 액추에이터에 걸리는 전압, 액추에이터 내의 적어도 하나의 압력, 액추에이터 내의 적어도 하나의 압력차 등 중 적어도 하나에 반응할 수 있다.
바람직하게는, 사전 조정 작동 사이클로부터의 피드백을 고려하는 수정 제어 신호가 엔진의 첫 번째 연소 사이클 중 수행되는 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어한다. 차량 배출 가스 규제가 엔진이 시동하는 순간으로부터 바로 모든 배출 가스에 적용되므로, 밸브 타이밍이 첫 번째 연소 사이클로부터 계속 신중하게 제어되는 것이 바람직하다. 피드백이 밸브 제어 시스템 및/또는 엔진의 상이한 특징에 대응하는 파라미터의 저장된 값을 갱신하는 데에 사용되면서, 밸브의 적응형, 피드백 기반 제어가 엔진의 작동 중 계속된다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 연관된 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더와, 본원에 기재된 밸브 제어 시스템을 포함하는 내연 엔진을 제공한다.
내연 엔진은 보통 실린더마다 포핏 밸브 형태의 밸브와, 적어도 하나의 흡기 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브를 포함한다. 또한, 본 발명은 예를 들면, 해양 응용처에서 사용되는 고부하(heavy duty) 중간 속도 디젤과 같은, 배기 밸브만을 갖는 엔진을 포함하는 다른 구성에 적용 가능하다.
추가적인 양태에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더 및 피스톤과, 본원에 설명된 밸브 제어 시스템을 갖는 내연 엔진의 밸브 제어 시스템을 교정하는 방법에 있어서,
엔진의 첫 번째 연소 사이클 이전에 수행되는 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 신호 처리 장치로 제어 신호를 생성하는 단계;
사전 조정 작동 사이클 중 적어도 하나의 밸브를 작동시키기 위해 배치된 액추에이터의 작동 상태와 연관된 피드백 신호를 신호 처리 장치에서 수신하는 단계; 및
엔진의 연소 사이클 중 수행되는 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하는 신호 처리 장치로 수정 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
수정 제어 신호는 피드백 신호를 기준으로 수정되는, 방법을 제공한다.
액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하는 수정 제어 신호를 결정하는 데에 있어, 신호 처리 장치는 액추에이터의 작동 상태와 연관된 피드백 신호를 고려한다. 또한, 수정 제어 신호는 또한 밸브 및/또는 엔진의 다른 부품의 성능 특성에 영향을 미치는 다른 파라미터에 반응할 수도 있다.
이제 본 발명의 실시예가 첨부된 개략적인 도면을 참조로 설명된다.
도 1은 알려진 내연 엔진 내의 실린더의 상부의 측단면도이다.
도 2 및 도 3은 각각 기계식 흡기 밸브 작동 장치 및 전자기식 흡기 밸브 작동 장치를 갖는 엔진에서의 피스톤 운동 및 밸브 운동의 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명을 구현하는 밸브 제어 시스템을 포함하는 엔진 제어 시스템의 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 사전 조정 사이클링 중의 피스톤 운동 및 밸브 운동의 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 4기통 엔진 내의 밸브의 사전 조정 사이클링 중의 피스톤 운동 및 밸브 운동을 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 실린더가 각각 4기통 엔진 및 6기통 엔진에서의 사전 조정 사이클링 이후에 점화될 수 있는 경우를 나타내는 도면이다.
도 1은 잘 알려진 내연 엔진 구성의 실린더의 단면도를 도시한다. 피스톤(2)은 실린더 블록(4) 내에서 상하로 왕복 운동하도록 배치된다. 실린더 헤드(8) 내의 흡기구(6)로부터 연소실(10) 내로의 급기(charge air)(또는 엔진 구성에 따라 공기 및 연료 혼합기)의 유동은 흡기 포핏 밸브(12)를 사용하여 제어된다. 배기 포핏 밸브(14)는, 연소가 이루어진 이후, 배기 가스가 배기구(16)를 통해 운반되면서 연소실로부터 빠져나가도록 한다.
예시로서, 도 2는 도 1에서의 실린더의 작동 중 피스톤, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 (x-축 상의 경과 시간에 따른) 운동의 플롯을 나타낸다. 이 예에서, 엔진의 크랭크 샤프트는 120RPM으로 회전한다. 플롯(20)은 피스톤 크라운의 시간에 따른 위치를 나타내고, 플롯(22)은 흡기 밸브에 해당하며, 플롯(24)은 배기 밸브에 해당한다.
유사한 플롯이 도 3에 도시되지만, 이 경우, 흡기 밸브는 크랭크 샤프트와 무관하게 제어 가능한 액추에이터를 사용하여 작동되어, 플롯(26)으로 나타낸 흡기 밸브 운동을 일으킨다. 도 3의 플롯은, 피스톤의 첫 번째 엔진 점화 스트로크 직전의, 엔진의 첫 번째 연소 사이클의 흡입 및 압축 피스톤 스트로크에 해당하는 기간(28)을 포함한다. 스타터 모터를 사용하여 충분히 큰 크랭킹 속도에 도달했을 때(그리고, 다른 요건이 충족되었을 때), 이 사이클이 수행된다. 흡기 밸브 작동에서의 이상적인 양정 높이, 주기 및 타이밍은 달라질 수 있으며, 도 3에 도시된 흡기 밸브 동작은 단지 일 예에 불과하다.
흡기 밸브 작동은 작동 사이클을 실행하는 연관된 액추에이터에 의해 이루어지며, 밸브 스템에 힘을 가하는 액추에이터의 부분은 그 초기 시작 위치로부터 멀리 이동한 후 그 위치로 복귀한다. 예를 들면, WO 2004/097184에 설명된 바와 같이, 회전식 액추에이터의 경우, 작동 사이클은 그 초기 정지 위치로부터 멀어진 후 그리고 다시 그 초기 정지 위치로의 로터의 부분 회전 또는 로터의 완전 회전에 각각 대응한다.
도 4는 본 발명을 구현하는 적어도 하나의 밸브 제어 시스템을 포함하는 엔진 제어 시스템을 도시한다. 이 예에서, 흡기 밸브 및 배기 밸브 모두는, 엔진 크랭크 샤프트의 회전에 무관하게, 개별적으로 전자적으로 제어 가능하다. 흡기 밸브를 작동시키기 위해 액추에이터(30)가 구비되며, 액추에이터(32)는 배기 밸브를 작동시킨다.
엔진의 전체적인 작동은 엔진 제어 유닛(34)에 의해 통제된다. 엔진 제어 유닛은 불꽃 점화 기관의 연료 분사 및 점화, 또는 압축 착화 기관의 연료 분사를 제어한다. 이는 엔진의 작동 상태를 감시하는 다양한 변환기로부터의 신호에 반응하는 것이다. 예를 들면, 엔진 제어 유닛은 크랭크 샤프트 위치, 냉각수 온도, 오일 온도, 엔진 속도, 엔진의 크랭킹 모드 등을 감시할 수 있다.
양방향 통신 링크(38)가 엔진 제어 유닛(34) 및 밸브 제어 유닛(40) 사이에 구비된다. 현실적으로, 제어 유닛(34, 40)은 물리적으로 별개인 유닛일 수 있거나, 단일 제어기에 일체화될 수 있다. 밸브 제어 유닛(40)은, 액추에이터 구동 전자 모듈(42) 및 액추에이터(30, 32)와 함께, 흡기 및 배기 밸브(12, 14)의 작동을 제어하는 밸브 제어 시스템의 일부이다.
엔진 제어 유닛으로부터의 제어 신호와 관련하여, 밸브 제어 유닛은 액추에이터 구동 전자 모듈(42)로 보내지는 흡기 액추에이터 및 배기 액추에이터 구동 신호(44, 46)를 순차적으로 발생시킨다. 이러한 입력 신호에 대응하여, 모듈(42)은 각각의 도선(48, 50)을 따라 흡기 액추에이터 및 배기 액추에이터 구동 전류를 발생시킨다.
액추에이터의 작동이 액추에이터의 작동 상태의 변경에 대응할 수 있도록 하기 위해, 피드백 신호(52, 54)가 각각 흡기 밸브 액추에이터 및 배기 밸브 액추에이터로부터 밸브 제어 유닛으로 전달된다. 이러한 피드백 신호는 밸브 액추에이터의 위치, 전자기 권선의 온도, 권선 내의 전류 흐름 등과 같은 각각의 밸브 액추에이터의 하나 이상의 작동 상태에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 신호에 의해 전달되는 정보는 물론, 채용된 작동 타입, 예를 들면, 전자기식, 유압식 또는 공압식인지에 따라 달라질 수 있다. 이러한 정보는 엔진의 첫 번째 연소 사이클 중 액추에이터의 작동을 교정하는 데에 사용되며, 정상 작동 중 제어 시스템으로의 적응형 입력으로서 사용된다.
이하, 독립적으로 제어되는 밸브의 사전 조정 사이클의 타이밍 순서의 일부 예가 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명된다.
밸브 작동의 타이밍은 흡기 밸브, 배기 밸브 및 피스톤 사이의 임의의 접촉을 방지할 필요성에 의해 어느 정도 제한된다. 이러한 잠재적인 간섭 영역이 도 1에서 확인된다. 흡기 밸브 간섭(60)에 대한 잠재적인 피스톤의 영역, 배기 밸브 간섭(62)에 대한 잠재적인 피스톤의 영역 및 밸브 간섭(64)에 대한 잠재적인 밸브의 영역이 있음을 알 수 있다.
도 5는 엔진의 점화 전에 엔진 크랭크 샤프트의 초기 크랭킹 사이클 중에 수행된 흡기 밸브 작동 사이클의 가능한 타이밍을 도시하는 그래프이다. 이 예에서, 배기 밸브는 플롯(24)으로 도시된 바와 같이 엔진 크랭크 샤프트와 동기화된 캠 샤프트에 의해 작동되는 한편, 흡기 밸브는 플롯(66)으로 나타낸 바와 같이 독립적으로 작동된다.
배기 밸브의 개방과의 간섭을 방지하기 위해 기간(64) 중에 흡기 밸브 작동이 수행되지 않거나, 피스톤 "상사점" 위치 주위에서 실린더 피스톤과의 간섭을 방지하기 위해 기간(62) 중에 흡기 밸브 작동이 수행되지 않는다. 이러한 "사각 지대"의 크기는 연소실 설계 및 구조에 따라 달라질 수 있다. 일부 엔진에서는, 현실적으로 사각 지대가 없을 수 있다. 다른 예에서, 사각 지대는 크랭크 샤프트 회전의 45° 이상에 대응할 수 있다.
도 5에 도시된 예에서, 크랭크 샤프트는 120RPM으로 회전하며, 이에 따라, 각 회전에 500ms가 소요된다. 예를 들어, 사각 지대가 피스톤의 상사점의 각 측면에서 30°의 회전을 통하여 연장된다면, 흡기 밸브가 피스톤과 충돌할 우려 없이 크랭크 샤프트의 회전 중 승강될 수 있는 시간은 500 x 300/360 = 약 417ms가 된다.
흡기 밸브 개방 및 폐쇄 사이클에, 예를 들면, 7ms가 소요될 수 있다. 회전식 전자기 밸브 액추에이터(WO 2004/097184에 기재된 바와 같음)의 경우, 완전한 사이클을 통한 액추에이터의 회전에, 예를 들면, 15ms가 소요될 수 있다. 이를 기준으로, 단일 엔진 회전에서의 27 전후의 완전한 밸브 양정 동작을 위한 시간이 존재한다. 모든 밸브를 동시에 작동시키는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있고, 요구되는 적응형 피드백을 달성하기 위해 밸브마다 27회를 주기적으로 작동시킬 필요가 없을 수 있다. 대신에, 밸브는 배터리에서의 최대 부하를 줄이기 위해 순차적으로 주기를 이룰 수 있다.
예를 들면, 흡기 밸브만이 독립적으로 작동되는 경우 8개까지의 실린더를 갖는 엔진에서의 밸브(또는 밸브 쌍 또는 멀티-밸브/실린더 엔진의 그룹)마다 3개의 사이클 동안 또는 배기 밸브 및 흡기 밸브(또는 밸브 쌍 또는 그룹)가 독립적으로 작동되는 경우 4기통 엔진에서의 밸브마다 2개의 사이클 동안, 단일 크랭크 샤프트가 120RPM으로 회전하는 데에 충분한 시간이 존재한다. 필요하다면, 추가적인 엔진 회전 또는 회전들이 독립적으로 작동되는 밸브 모두를 통한 사이클링을 완성하기 위해 채용될 수 있다. 최대 전류에 대한 동시의 수요를 줄이거나 방지하기 위해 다수의 밸브가 위상을 달리 하여 작동될 수 있다.
밸브 시스템의 사전 조정으로, 첫 번째 연소 사이클 직전에 존재하는 밸브 트레인의 정밀한 작동 상태를 고려하여, 교정될 점화 엔진 사이클 도중 제어 신호가 액추에이터로 전송된다.
한 번에 하나 보다 많은 밸브(또는 한 쌍의 밸브)를 주기적으로 작동시키기 위해 사이클링을 "교차(interlace)"시키는 방식으로 각 밸브의 사이클링을 시차를 두고 진행시키되, 최대 전류 수요가 나뉘도록 사이클링을 시차를 두고 진행시키도록, 밸브의 사전 조정이 조정될 수 있다. 이는 사전 조정에 소요되는 시간을 더 줄일 수 있다.
도 6은 독립적으로 작동되는 흡기 밸브 및 배기 밸브를 갖는 엔진에서의 엔진 크랭킹 도중 사전 조정 밸브 작동의 가능한 타이밍을 도시한다. 플롯(70)은 플롯(74)으로 나타낸 배기 밸브 작동과 교대로 이루어지는 흡기 밸브 작동 동작을 나타낸다. 다시 말하면, 피스톤이 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동이 수행되지 않는 그 상사점 위치를 통과하는 시간 전후의 기간이 존재한다.
추가적인 예시로서, 도 7은 독립적으로 작동되는 흡기 밸브만을 갖는 4기통 엔진에서의 흡기 밸브 작동의 가능한 타이밍을 도시한다. 이 예에서, 점화 순서는 1-3-4-2이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트는 120RPM의 속도로 회전한다. x-축은 경과 시간을 나타내며, 이에 따라, 플롯은 좌측의 "원점(time zero)" 이전의 과거의 동작을 보여준다.
플롯(80)은 실린더 1 및 실린더 4 내의 피스톤 크라운 위치를 나타내며, 플롯(88)은 실린더 2 및 실린더 3 내의 피스톤 크라운 위치를 나타낸다. 실린더 1 내지 실린더 4의 배기 밸브의 운동이 각각 플롯(82, 92, 86, 98)으로 도시된다. 실린더 1 내지 실린더 4의 흡기 밸브 작동의 가능한 타이밍이 각각 플롯(84, 96, 90, 102)으로 도시된다.
밸브 사전 조정은, 첫 번째 점화가 밸브 사이클링 운동에 의해 지연되지 않도록 엔진 크랭크 샤프트의 두 번째 회전 후 곧바로 정상적인 급기가 첫 번째 점화 실린더로 도입될 수 있도록, 점화 순서 및 크랭크 시작 위치와 연관되는 순서로 정해질 수 있다. 예를 들면, 모든 밸브를 주기적으로 작동시키기 위해 하나 보다 많은 회전을 필요로 할 수 있는 24개의 독립적으로 작동되는 밸브(즉, 실린더마다 2개의 흡기 밸브 및 2개의 배기 밸브)를 갖는 6기통 엔진의 경우, 엔진 크랭크 샤프트의 두 번째 회전 후 곧바로 첫 번째 점화 스트로크가 수행될 수 있다.
첫 번째의 엔진 연소 사이클이 밸브 사전 조정 사이클 이후에 수행될 수 있는 경우를 나타내는 타이밍 선도가 도 8 및 도 9에 도시된다. 도 8은 점화 순서가 1-3-4-2인 4기통 직렬 엔진에 관한 것인 한편, 도 9는 점화 순서가 1-5-3-6-2-4인 6기통 직렬 엔진에 관한 것이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 흡입, 압축, 점화 및 배기의 잘 알려진 단계를 진행하는 각 실린더 사이클이 도면에서 I, C, F 및 E로 표시된 블록의 순서로 표시된다.
각 순서 위에 표시된 기간(110)은 기계 구동식 배기 밸브가 그 시트로부터 상승하므로 이에 따라 사전 조정 중 방지될 필요가 있는 시간을 나타낸다. 영역(112)은 실린더 피스톤이 흡기 밸브의 사이클링을 방지하는 상사점에 있거나 상사점에 인접할 때의 시간을 나타낸다.
윤곽선(114, 116, 118 및 120)은 사전 조정 사이클(배기 밸브 및 피스톤과의 충돌 가능한 영역을 고려하지 않음) 수행이 허용될 수 있는 때의 실린더 각각의 기간을 나타낸다. 괄호 영역(122, 124, 126, 128)은 현실적으로 사전 조정 사이클이 실제로 진행될 수 있을 때(그 상사점 위치에 인접하게 있는 동안 피스톤과의 접촉이 방지됨)의 기간을 나타낸다. 사전 조정 중 흡기 밸브에 의한 최대 전류 수요를 줄이기 위해 이들 기간은 시차를 두고 진행된다.
크랭크 속도가 증가함에 따라 추후 점화 실린더(추후의 사전 조정을 수행함)에 이용 가능한 크랭크 회전의 정도를 보다 크게 하여, 이에 따라, 각 사전 조정 사이클이 수행할 크랭크 회전의 정도를 크게 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 영역(124)은 영역(122)에 비하여 길다.
번개 기호(130, 132, 134, 136)는 사전 조정 사이클이 완료된 후 각 실린더를 점화시키는 첫 번째의 실행 가능한 시기를 나타낸다. 도 8에 표시된 기간(140)은 엔진 크랭크의 첫 번째 2회전에 소요되는 시간을 나타낸다. 이러한 첫 번째 2회전 직후에 첫 번째 점화 시기가 실린더 1에서 수행됨을 알 수 있다.
실린더 사전 조정 사이클의 순서는 엔진의 이전의 작동 후 크랭크 샤프트가 정지한 위치에 따라 달라질 수 있다. 도시된 예에서, 크랭크 샤프트의 시작 위치가 실린더(1)내의 피스톤이 그 상사점 위치로부터 멀어지도록 됨에 따라 사전 사이클링이 곧바로 시작될 수 있다.
도 9는 도 8과 유사한 도면이지만, 6기통 엔진의 타이밍 순서를 나타낸다. 다시 말하면, 최대 전류 수요를 최소화하도록 사전 사이클링의 기간이 선택된다. 이 실시예에서, 사전 조정된 사이클링이 수행되는 기간 중 단지 2기간이 임의의 시간에 겹친다. 실린더 2에 대한 사전 조정이 별개의 2기간 동안 수행될 수 있음을 알 수 있다.
첫 번째 점화가 기간(150)에 대응하는 첫 번째 2번의 크랭크 샤프트 회전 직후에 실린더 4에서 발생한다.
6개보다 많은 수의 실린더를 갖는 엔진의 경우, 각 실린더에 대한 사전 사이클링 기간을 2 이상의 별개의 하위 기간(sub-period)으로 분리하는 것이 점점 더 바람직하게 될 수 있다. 적절하다면, 원하는 사이클링 순서로 수행될 수 있도록 첫 번째 점화까지의 시간이 지연될 수 있다.
첫 번째 가능한 점화 시간이 도 8 및 도 9에 나타나지만, 경우에 따라, 사전 조정 위상(phase)을 연장하고 첫 번째 점화를 지연시키는 것이 적절할 수 있다. 이 동작에서, 엔진의 크랭킹이 이를 수행하는 것이 적절할 때까지 계속해서 추가적인 사전 조정 사이클을 허용하고 엔진의 첫 번째 점화를 지연시킬 수 있다. 또한, 엔진 상태가 적합하지 않은 경우에는, 예를 들면, 크랭킹 속도가 아직 충분히 크지 않은 경우에는, 첫 번째 시기 이후까지 실린더의 첫 번째 점화를 지연시키는 것이 바람직할 수 있다.
엔진의 초기 크랭킹 중 밸브 사전 조정 사이클이 수행되는 경우, 밸브의 사전 조정에 의해 차량용 배터리에 대한 수요는 스타터 모터로부터의 동력 수요와 일치한다. 대안적인 접근법으로서, 예를 들면, 배터리 상태 또는 (극도의 추위와 같은) 주위 상태에 의해 밸브 사전 조정 사이클이 실현될 수 없는 경우, 엔진의 크랭킹이 개시되기 이전에 수행되는 밸브를 주기적으로 작동시키는 대안적인 방법을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 접근법에서는, 엔진이 정지할 때, 밸브 모두가 안전하게 개방될 수 있도록 피스톤 모두가 상사점 영역으로부터 충분히 멀리 떨어진 "안전한" 위치로 크랭크 위치가 설정되는 것을 보장할 필요가 있을 수 있다. 3회를 주기적으로 작동하는 데에 대략 45ms가 소요되는 각 밸브/밸브 쌍에 의해, 그 흡기구에서 독립적으로 작동되는 밸브를 갖는 4기통 엔진은 단지 엔진("키 온(key on)")의 사용자 발동 작동 및 엔진 크랭킹 간의 약 180ms 이하의 지연만을 필요로 할 수 있다. 각 액추에이터의 사이클의 최종 부분이 상대적으로 낮은 전류 수요를 가지기 때문에 이 지연이 180ms 미만일 수 있어, 순차적인 사이클이 겹칠 수 있다.

Claims (16)

  1. 피스톤 및 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더를 갖는 내연 엔진용 밸브 제어 시스템에 있어서,
    상기 밸브 제어 시스템은 신호 처리 장치를 포함하고,
    상기 신호 처리 장치는,
    상기 적어도 하나의 밸브를 작동시키도록 배치된 액추에이터의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 생성하고,
    상기 사전 조정 작동 사이클 중 상기 밸브의 개방 및 폐쇄 사이클에서의 상기 액추에이터의 현재 작동 상태에 관련된 피드백 신호를 수신하고, 그리고
    상기 적어도 하나의 실린더의 연소 사이클 중 수행되는 상기 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하는 수정 제어 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 수정 제어 신호는 상기 피드백 신호를 참조하여 상기 신호 처리 장치에 의해 수정되고, 그리고
    상기 사전 조정 작동 사이클은, 사용자가 엔진 시동을 개시한 후 상기 적어도 하나의 실린더의 제1 연소 사이클 이전에 그리고 상기 엔진의 스타터 모터에 의한 상기 엔진의 크랭킹 중 수행되는, 밸브 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자가 엔진 시동을 개시한 후 상기 적어도 하나의 실린더의 제1 연소 사이클 이전에, 그리고 상기 엔진의 스타터 모터에 의한 상기 엔진의 크링킹 이전에 추가적인 사전 조정 작동 사이클이 수행되는, 밸브 제어 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는 상기 적어도 하나의 실린더 내에서의 상기 피스톤과 상기 밸브 간의 충돌을 방지하기 위해 상기 액추에이터의 상기 사전 조정 작동 사이클 또는 각각의 사전 조정 작동 사이클을 제어하도록 구성되는, 밸브 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 적어도 하나의 실린더 내의 상기 피스톤의 위치에 관련된 피스톤 위치 신호를 수신하고, 그리고 상기 밸브와 상기 피스톤 간의 충돌을 방지하기 위해 상기 피스톤 위치 신호를 참조하여 상기 액추에이터의 상기 사전 조정 작동 사이클 또는 각각의 사전 조정 작동 사이클을 제어하도록 구성되는, 밸브 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는 상기 적어도 하나의 실린더와 연관된 흡기 밸브와 배기 밸브 간의 충돌을 방지하면서 상기 엔진의 점화 이전에 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브 둘 모두의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호들을 생성하도록 구성되는, 밸브 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 사전 조정 작동 사이클들이 수행되고,
    상기 수정 제어 신호는 상기 복수의 사전 조정 작동 사이클들에 응답하여 수신되는 복수의 피드백 신호들을 참조하여 수정되는, 밸브 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 각각 적어도 하나의 밸브를 갖는 복수의 실린더들을 갖고,
    상기 신호 처리 장치는 각각의 실린더의 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되고, 그리고 각각의 실린더의 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클은 실린더마다 순차적으로 수행되는, 밸브 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 각각 적어도 하나의 밸브를 갖는 복수의 실린더들을 갖고,
    상기 신호 처리 장치는 각각의 실린더의 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 생성하도록 구성되고,
    제1 실린더 및 제2 실린더의 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클(들)의 시작 시간들은, 상기 제2 실린더의 적어도 하나의 밸브의 액추에이터의 사전 조정 작동 사이클이 제 시간에 상기 제1 실린더의 적어도 하나의 밸브의 액추에이터의 사전 조정 작동 사이클과 겹치도록, 엇갈리는(staggered), 밸브 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 밸브를 작동시키기 위한 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터의 작동은 전자기식, 유압식 및 공압식으로 생성된 힘 중 적어도 하나를 수반하는, 밸브 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 신호는 액추에이터 변위, 상기 액추에이터 내의 권선의 온도, 상기 액추에이터의 권선 내의 전류의 크기, 밸브 양정, 상기 액추에이터에 걸리는 전압, 상기 액추에이터 내의 적어도 하나의 압력 및 상기 액추에이터 내의 적어도 하나의 압력차 중 적어도 하나에 응답하는, 밸브 제어 시스템.
  11. 제1항의 밸브 제어 시스템, 및 적어도 하나의 연관된 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함하는, 내연 엔진.
  12. 피스톤 및 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 실린더와, 제1항의 밸브 제어 시스템을 갖는 내연 엔진의 밸브 제어 시스템을 교정하는 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 밸브의 사전 조정 작동 사이클을 제어하는 제어 신호를 신호 처리 장치를 이용하여 생성하는 단계;
    상기 사전 조정 작동 사이클 중 상기 밸브의 개방 및 폐쇄 사이클에서 상기 적어도 하나의 밸브를 작동시키도록 배치된 액추에이터의 현재 작동 상태에 관련된 피드백 신호를 상기 신호 처리 장치에서 수신하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 실린더의 연소 사이클 중 수행되는 상기 액추에이터의 연소 작동 사이클을 제어하는 수정 제어 신호를 상기 신호 처리 장치를 이용하여 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 수정 제어 신호는 상기 피드백 신호를 참조하여 수정되고, 그리고
    상기 사전 조정 작동 사이클은, 사용자가 엔진 시동을 개시한 후 상기 적어도 하나의 실린더의 제1 연소 사이클 이전에 그리고 상기 엔진의 스타터 모터에 의한 상기 엔진의 크랭킹 중 수행되는, 방법.
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