KR20030046689A - 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법이 개시된다. 개시된 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진은, 크랭크샤프트 풀리와 벨트에 의해 동력 전달이 가능하도록 연결된 캠 샤프트 풀리와; 상기 캠 샤프트 풀리에 일단이 지지된 배기 캠 샤프트와; 상기 배기 캠 샤프트의 타단부에 설치된 CVVT와; 상기 배기 캠 샤프트에 대응되게 설치된 흡기 캠 샤프트와; 상기 흡기 캠 샤프트와 상기 배기 캠 샤프트를 연결하여 상기 흡기 캠 샤프트가 구동되도록 하는 동력전달장치;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법{ENGINE HAVING A CONTINUOUSLY VARIABLE VALVE TIMING APPARATUS AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 단순화되고, 엔진의 성능이 향상되도록 개선된 연속 가변 밸브 타이밍 장치(Continuously Variable Valve Timing apparatus; 이하, CVVT라 함)가 채용된 엔진 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근에는 밸브의 개폐시기를 엔진의 작동 조건에 따라 가변시켜 최적의 출력과 연비 향상을 도모할 수 있는 흡기 및 배기밸브 가변장치가 제안되고 있으며, 실차에도 적용되고 있다.

그 일예가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 흡기 캠축(2)의 전단부에 형성된 스프라켓(4) 내부에 VVT 유닛(Variable Valve Timing Unit)(6)을 배치하고, 이 VVT 유닛(6)에는 오일 플로 컨트롤 밸브(OCV; Oil-flow Control Valve)(8)가 포함되어 있으며, 상기 오일 플로 컨트롤 밸브(8)는 오일펌프(10)로부터 VVT 유닛(6)으로 공급되는 유압의 유로를 변화시키게 된다.

그리고 상기 VVT 유닛(6)은 도면에는 전부 도시되지 않았지만, 스프라켓(4)과 일체로 형성된 하우징과, 캠축(2)과 일체로 형성되어 상기 하우징의 내부에 위치하는 로터 베인으로 이루어진다.

그런데, 상기와 같이 이루어진 종래의 CVVT 시스템은, 타이밍벨트의 장력을 조절하는 오토 텐셔너(automatic tensioner)의 구동을 위한 오일펌프(10)의 용량 증대가 필요하고, 이 오일펌프(10)의 용량 증대에 따른 엔진 마찰이 증가하게 되어 엔진의 성능을 저하시킨다.

그리고 물림각이 적어 벨트의 이빨이 넘어가는 것을 방지하기 위한 타이밍 벨트 가이드를 반드시 장착하여야 한다. CVVT가 장착되지 않은 엔진의 경우에는 타이밍 벨트가 이빨 2개까지 넘어가더라도 밸브와 피스톤이 충돌하지 않도록 설계되어 있다.

그런데, CVVT 엔진의 경우에는 CVVT가 장착되지 않은 엔진에 비해 밸브 타이밍이 30˚이상 진각되고 이에 맞추어 피스톤에 밸브 포켓을 형성하였을 경우 피스톤 상부가 관통된다.

따라서 CVVT 엔진의 경우에는 타이밍 벨트가 이빨 1개라도 넘어가게 되면 밸브와 피스톤의 충돌이 일어나 엔진 전체가 파괴되는 경우가 발생하게 된다. 즉, 구조적으로 벨트 이빨이 넘어갈 가능성이 있고, 벨트 이빨이 넘어갔을 경우 밸브와 피스톤이 충돌하여 엔진 전체가 연쇄적으로 파손될 소지가 있다.

그리고 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 캠투캠(cam to cam) 타입(type)의 경우 캠 샤프트의 축간거리를 체인(11,21) 길이 보다 길게 한 억지 끼워 맞춤에 의해 체인(11,21)의 장력을 유지한다. 이러한 구조의 경우에는 체인(11,21)과 캠 샤프트 축간거리의 길이 공차에 의해 체인(11,21) 장력 편차가 매우 크게 나타난다.

그리고 CVVT를 작동시키기 위한 체인(11,21) 요구 장력은 500N 이하로 유지되어야 한다. 따라서 CVVT가 장착된 모든 엔진에는 오토 텐셔너(12,22)를 장착하여 구동 체인(11,21)의 요구 장력을 500N 이하로 유지하고 있다. 또한 상기 오토 텐셔너(12,22)를 장착하기 위해서는 실린더헤드의 축간거리를 바꾸어야 하고 실린더헤드 축간거리 변경시에는 현재의 가공 라인 설비의 대폭적인 개조가 불가피하여 엄청난 투자비가 추가되어야 한다.

그리고 도 4에는 CVVT 비작동 영역에 대한 그래프가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 캠 샤프트 체인 장력이 매우 클 경우(500N 이상) 전 운전영역에서 CVVT가 비작동 하는 것은 아니고, 오일 압력이 떨어지는 저RPM 구간과 오일 점도가 낮아지는 고온 조건에서 CVVT가 비작동 한다.

이러한 저RPM, 고온 구간에서는 ECU에서 CVVT를 작동시키기 위한 명령을 하여도 CVVT는 작동하지 않는 것이다. CVVT 비작동 구간의 엔진 조건에서는 밸브 타이밍 불안정에 의한 엔진 NVH 악화 및 성능 악화가 발생한다. 또한 밸브 오버랩(overlap)이 없어짐에 따른 에미션 악화가 일어나며, 북미 OBD-II 법규에 의해 CVVT가 비작동하고 있다는 엔진 경고등이 점등되도록 되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 오토 텐셔너를 설치하지 않아 구조를 단순화하고 투자비를 줄이며, CVVT의 비작동 영역을 줄이도록 한 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2 및 도 3은 일반적인 캠투캠 타입에 오토 텐셔너가 채용된 상태를 나타내 보인 도면.

도 4는 일반적인 CVVT 비작동 영역을 나타내 보인 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 6은 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법을 나타내 보인 개략적인 플로차트.

도 7은 도 4와 대비되는 CVVT 비작동 영역을 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31. 크랭크샤프트 풀리

32. 벨트

33. 캠 샤프트 풀리

34. 배기 캠 샤프트

35. CVVT

36.흡기 캠 샤프트

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진은, 크랭크샤프트 풀리와 벨트에 의해 동력 전달이 가능하도록 연결된 캠 샤프트 풀리와; 상기 캠 샤프트 풀리에 일단이 지지된 배기 캠 샤프트와; 상기 배기 캠 샤프트의 타단부에 설치된 CVVT와; 상기 배기 캠 샤프트에 대응되게 설치된 흡기 캠 샤프트와; 상기 흡기 캠 샤프트와 상기 배기 캠 샤프트를 연결하여 상기 흡기 캠 샤프트가 구동되도록 하는 동력전달장치;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진의 제어방법은, (a) 차량의 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 상기 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, OBD-Ⅱ 제어를 하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5에는 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진은, 크랭크샤프트 풀리(31)와 벨트(32)에 의해 동력 전달 가능하도록 연결된 캠 샤프트 풀리(33)와, 상기 캠 샤프트 풀리(33)에 일단이 지지된 배기 캠 샤프트(34)와, 이 배기 캠 샤프트(34)의 타단부에 설치된 CVVT(35)와, 상기 배기 캠 샤프트(34)에 대응되게 설치된 흡기 캠 샤프트(36)와, 이 흡기 캠 샤프트(36)와 배기 캠 샤프트(34)를 연결하여 흡기 캠 샤프트(36)가 구동되도록 하는 동력전달장치를 포함하여 구성된다.

상기 동력전달장치는 CVVT(35)의 후방으로 배기 캠 샤프트(34)에 설치된 제1스프라켓(41)과, 상기 흡기 캠 샤프트(36)의 단부에 설치된 제2스프라켓(42)과, 상기 제1,2스프라켓(41,42)에 연결되어 설치된 체인(43)을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진은 배기 캠 샤프트(34)의 단부에 설치된 CVVT(35)가 흡기 캠 샤프트(36)를 동력전달장치 즉, 체인(43)과 제1,2스프라켓(41,42)으로 구동된다. 또 상기한 체인(43)에는 오토 텐셔너가 설치되지 않음으로 오토 텐셔너의 장착에 따른 투자비가 절감된다.

그리고 오토 텐셔너가 장착되지 않음에 따라 오토 텐셔너의 삭제에 의한 오일펌프 용량 축소로 엔진 마찰손실을 저감하여 엔진성능을 향상시키게 된다. 또한 타이밍 벨트의 물림각이 충분하여 타이밍 벨트의 가이드가 필요 없게 된다.(TIMING BELT 이빨이 넘어가지 않는 구조)

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

도 6에는 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 플로차트가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 우선, 차량의 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한다.(단계 10)

상기 단계 10에서 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, OBD-Ⅱ 제어를한다.(단계 20) 이에 따라 MIL의 점등을 방지하게 된다.

그리고 상기 단계 10에서 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, 연료 인젝터(fuel injector)를 작동시킨다.(단계 30) 이어서, 연료량(또는 공연비)을 제어한다.(단계 40) 이에 따라 에미션의 악화를 방지하게 된다.

또한 상기 단계 10에서 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, 오일 컨트롤 밸브(OCV; Oil Control Valve)를 작동시킨다.(단계 50)

그리고 상기 CVVT를 리셋(reset)시키고, 밸브 타이밍을 지각(retard)시킨다.(단계 60) 이에 따라 아이들(idle) 안정성을 개선하게 된다.

그리고 상기 단계 10에서 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식하지 않은 경우, 상기 차량 엔진의 저속, 중속, 및 고속인지 각각 판단한다.(단계 110,120,130)

상기 단계 110,120,130에서 상기 엔진의 저속, 중속, 및 고속에 따라 CVVT를 작동시킨다. 예컨대, 상기 단계 110에서와 같이 상기 엔진의 속도가 저속인 경우, CVVT를 작동시키고 흡기 밸브 클로징 타임(closing time)을 진각(advance)시킨다.(단계 111) 이에 따라 엔진의 출력 저하를 방지하게 되고, 에미션을 개선하게 된다.

그리고 상기 단계 120에서와 같이 엔진의 속도가 중속인 경우, CVVT를 작동시키고 흡기 밸브 오프닝 타임(opening time)을 진각시킨다.(단계 121) 이에 따라 엔진의 성능이 향상되고, 연비가 개선된다.

또한 상기 단계 130에서와 같이 상기 엔진의 속도가 고속인 경우, CVVT를 작동시키고 흡기 밸브 클로징 타임을 지각시킨다.(단계 131) 이에 따라 엔진의 성능을 증대시킬 수 있게 된다.

그리고 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, CVVT 비작동 영역 발생에 의한 문제점 제거를 위한 ECU 제어 로직에서, CVVT 비작동 영역 맵(map)은 1200rpm 이하일 때는 오일 온도120℃이고, 1000rpm이하일 때는 오일 온도는 100℃이다.

또한 CVVT 비작동 영역에서 밸브 타이밍을 초기 상태로 지각시키고, CVVT 비작동 영역에서 연료량 제어에 의한 연소 안정성 확보를 위한 에미션 제어를 한다.

그리고 체인과 실린더헤드 축간거리를 등급(grade) 관리함으로써, 흡기 캠 구동 토오크를 저감시키고, CVVT 비작동 구간이 줄어들게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법은 종래의 CVVT 비작동 구간에 대한 문제점을 개선하기 위한 것으로, ECU에서 엔진이 CVVT 비작동 조건에 들어갈 경우 CVVT를 아이들 상태로 지각시키며, 이 조건에 맞는 최적 연료량을 분사함에 따라 연소 안정성을 확보하며 에미션 악화를 방지하고 동력성능 저하를 운전자가 느낄 수 없는 수준으로 제어한다.

또한 체인과 실린더헤드 축간거리를 등급(grade) 관리함으로써 불량률 증가 없이 체인 장력을 저감시켜 CVVT 비작동 영역을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

오토 텐셔너를 설치하지 않아 구조가 단순화되고 투자비를 줄일 수 있으며, CVVT가 장착됨으로써 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 오일펌프의 용량 축소에 의한 엔진 마찰 저감으로 엔진의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 크랭크샤프트 풀리와 벨트에 의해 동력 전달이 가능하도록 연결된 캠 샤프트 풀리와;

   상기 캠 샤프트 풀리에 일단이 지지된 배기 캠 샤프트와;

   상기 배기 캠 샤프트의 타단부에 설치된 CVVT와;

   상기 배기 캠 샤프트에 대응되게 설치된 흡기 캠 샤프트와;

   상기 흡기 캠 샤프트와 상기 배기 캠 샤프트를 연결하여 상기 흡기 캠 샤프트가 구동되도록 하는 동력전달장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 동력전달장치는,

   상기 CVVT의 후방으로 상기 배기 캠 샤프트에 설치된 제1스프라켓과;

   상기 흡기 캠 샤프트의 단부에 설치된 제2스프라켓과;

   상기 제1,2스프라켓에 연결되어 설치된 체인;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진.
3. (a) 차량의 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식하는 단계와;

   (b) 상기 단계 (a)에서 상기 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, OBD-Ⅱ 제어를 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   (c) 상기 단계 (a)에서 상기 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, 연료 인젝터를 작동하는 단계와;

   (d) 연료량을 제어하는 단계;를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.
5. 제3항에 있어서,

   (e) 상기 단계 (a)에서 상기 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식한 경우, 오일 컨트롤 밸브를 작동시키는 단계와;

   (f) 상기 CVVT를 리셋시키고, 밸브 타이밍을 지각시키는 단계;를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.
6. 제3항에 있어서,

   (g) 상기 단계 (a)에서 상기 ECU가 CVVT의 비작동 영역을 인식하지 않은 경우, 상기 차량 엔진의 저속, 중속, 및 고속인지 각각 판단하는 단계와;

   (h) 상기 단계 (g)에서 상기 엔진의 저속, 중속, 및 고속에 따라 상기 CVVT를 작동시키는 단계와;

   (i) 상기 단계 (g)에서 상기 엔진의 속도가 저속인 경우, 흡기 밸브를 클로징 타임을 진각시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.
7. 제6항에 있어서,

   (j) 상기 단계 (g)에서 상기 엔진의 속도가 중속인 경우, 흡기 밸브 오프닝 타임을 진각시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.
8. 제6항에 있어서,

   (k) 상기 단계 (g)에서 상기 엔진의 속도가 고속인 경우, 흡기 밸브 클로징 타임을 지각시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 타이밍 장치가 채용된 엔진 제어방법.