KR101222343B1

KR101222343B1 - 크랭크축과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축의 회전 각도위치를 조정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR101222343B1
Application number: KR1020077007747A
Authority: KR
Inventors: 민 남 뉴옌; 하이코 델; 홀거 슈토르크
Original assignee: 섀플러 홀딩 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2005-09-24
Publication date: 2013-01-14
Also published as: KR20070057920A; WO2006039884A1; JP2008516127A; EP1797287B1; CN101035967B; CN101035967A; US7721693B2; EP1797287A1; US20070261670A1; US20090007865A1

Abstract

본 발명은 크랭크축(5)과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축(3)의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 크랭크축(5)은 조정 구동부(1)를 통해 캠축(3)에 구동 연결된다. 상기한 조정 구동부(1)는, 크랭크축에 고정되는 구동축, 캠축에 고정되는 피동축, 그리고 구동될 수 있도록 전동기에 연결되는 조정축,을 구비한 삼축 기어로서 구현된다. 정지 부재는 구동축과 연결되며, 그리고 상대 정지 부재는 캠축(3)과 연결된다. 내연기관의 시동 단계에서, 크랭크축 회전 각도 측정 신호와 조정축의 회전 각도에 대한 위치 측정 신호가 검출된다. 상기 회전 각도 측정 신호, 상기 위치 측정 신호, 그리고 상기 삼축 기어의 기어 특성 변수를 이용하여, 크랭크축(5)에 대한 시작 위치를 바탕으로 하는 캠축(3)의 회전 각도 위치에 대한 위상각 신호가 결정된다. 크랭크축(5)과 캠축(3)이 기준 위치에서 상호 간에 상대적으로 고정되고, 기준 위치의 도달이 검출된 후에, 기준 위치와 관련한 위상각이 측정되어, 목표값 신호로 조절된다.

크랭크축, 캠축, 조정 구동부, 구동축, 피동축, 조정축

Description

크랭크축과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 방법{METHOD FOR ADJUSTING THE ROTATIONAL ANGLE POSITION OF THE CAMSHAFT OF A RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN RELATION TO THE CRANKSHAFT}

본 발명은 특히 내연기관의 시동 단계 동안 크랭크축과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 크랭크축은 조정 구동부를 통해 캠축과 구동 연결되며, 조정 구동부는, 크랭크축에 고정된 구동축과, 캠축에 고정된 피동축과, 전동기와 구동 연결되는 조정축을 구비한 삼축 기어로서 구현된다.

상기한 조정 방법은 DE 41 10 195 A1으로부터 공지되었다. 이에 따라 크랭크축과 관련한 캠축의 회전 각도 위치는 전동기를 이용하여 조정되며, 이 전동기는 크랭크축과 캠축 사이에 배치되는 삼축 기어의 조정축을 구동한다. 삼축 기어의 구동축 상에는 캠축 기어가 제공되고, 이 캠축 기어는 크랭크축과 회전 고정식으로 체결된 크랭크축 기어에 의해 체인을 통해 구동된다. 삼축 기어의 피동축은 캠축과 회전 고정식으로 체결된다. 캠축이 크랭크축과 관련하여 갖는 회전 혹은 위상 위치를, 제공되는 목표값 신호로 조절하기 위해, 위상각이 측정되어 목표값 신호와 비교된다. 편차의 발생 시에, 편차를 감소하는 방식으로 전동기가 제어된다. 또 한, 조정 장치에 간섭이 발생한 경우에도 모터 기능이 유지될 수 있도록 하기 위해, 상대 조정이 구동축과 연결된 정지 부재를 이용하여 최대 조정 각도로 제한되며, 상기한 정지 부재는 캠축에 고정된 상대 정지 부재와 상호 작용한다. 간섭이 있을 경우, 정지 부재는 상대 정지 부재에 대해 위치 결정되며, 그로 인해 캠축 및 크랭크축이 상호 간에 상대적으로 고정된다. 그렇게 함으로써, 일정한 위상 위치로써 작동되는 그에 대응하는 왕복형 내연기관과 비교하여, 개선된 실린더 충전이 제공되고, 그럼으로써 연료는 절감되고, 유해 물질 배출은 감소되고 그리고/또는 내연기관의 출력이 증가될 수 있다. 그러나 이는 단지 조건에 따라서만 내연기관의 시동 단계에 적용되는데, 왜냐하면, 시동 단계 동안 부분적으로 캠축의 위상 위치에 대한 측정값이 제공되지 않기 때문이다.

그러므로 본 발명의 목적은, 서두에 언급한 종류의 조정 방법에 있어서, 내연기관의 시동 단계 동안 극미한 유해 물질 배출과 낮은 연료 소모를 가능케 하는 조정 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 서두에 언급한 종류의 조정 방법에서 하기 사항들을 통해 달성된다:

a) 회전 각도 측정 신호가 회전 각도 측정 신호 시작값으로 설정되며,

b) 크랭크축은 회전하고 이 크랭크축의 회전 각도 변화 시에 그 상태를 변경하는 크랭크축 센서 신호가 검출되며,

c) 크랭크축 센서 신호의 상태 변화 발생 시에, 회전 각도 측정 신호가 후속 제공되며,

d) 위치 측정 신호는 위치 측정 신호 시작값으로 설정되며,

e) 조정축은 회전하고 이 조정축의 회전 위치 변화 시에 그 상태를 변경하는 조정축 센서 신호가 검출되며,

f) 조정축 센서 신호의 상태 변화의 발생 시에 위치 측정 신호가 후속 제공되며,

g) 회전 각도 측정 신호, 위치 측정 신호, 그리고 조정 구동부의 기어 특성 변수를 이용하여, 크랭크축에 대한 캠축의 회전 각도 위치를 위한 위상각 신호가 결정되며,

h) 크랭크축 및 캠축이 기준 위치에서 상호 간에 상대적으로 고정되고, 기준 위치의 도달이 검출되며,

i) 기준 위치의 검출 시에 위상각 신호는 기준 위치에 할당된 기준값으로 설정되며,

k) 그런 후에 회전 각도 측정 신호 및/또는 위치 측정 신호의 상태 변화 시에 위상각 신호가 후속 제공되며,

l) 이와 같이 획득된 기준 위치 관련 위상각 신호가 목표값 신호와 비교되고, 위상각 편차의 발생 시에 편차가 감소하는 방식으로 전동기가 제어되면서, 위상각이 조절된다.

다시 말해, 위상각 신호는 간접적으로 크랭크축에 대한 회전 각도 측정 신호와, 조정축에 대한 위치 측정 신호와, 기어 특성 변수, 즉 구동축이 정지할 시에 조정축과 캠축 사이에서 삼축 기어가 갖는 기어비로부터 결정된다. 그렇게 함으로써, 대개 고정자와 관련하여 조정 모터 회전자의 위치를 결정하기 위해 제공되는 위치 센서의 상대적으로 높은 분해능이 위상각 신호의 측정을 위해 이용될 수 있다. 내연기관을 시동할 시에 우선 크랭크축 회전 각도와 조정축의 회전 각도 위치에 대한 정보가 존재하지 않기 때문에, 회전 각도 측정 신호 및 위치 측정 신호가 임의의 값일 수 있는 시작값으로 설정된다. 대응하는 시작값으로부터 출발하여, 크랭크축 센서 신호가 그 상태를 변경하면, 회전 각도 측정 신호가 후속 제공된다. 그에 상응하는 방법으로, 조정축 센서 신호가 자체 상태를 변경하면, 위치 측정 신호가 후속 제공된다. 그러나 위상각 조절을 위해 크랭크축에 대한 캠축의 회전 각도 위치의 정보가 필요하기 때문에, 크랭크축 및 캠축은 기준 위치에서 상호 간에 상대적으로 고정되며, 기준 위치의 도달이 센서 장치를 이용하여 검출된다. 기준 위치의 도달 시에, 위상각 신호는 사전 지정된 기준값으로 설정되며, 이 기준값은 앞서 측정을 통해 혹은 기타 방법으로 결정되어 예컨대 비휘발성 메모리 내에 저장되었던 값이다. 기준 위치에서 크랭크축에 대향하는 캠축의 상대 위치에 대응하는 상기한 기준값으로부터 출발하여, 위상각 신호는 회전 각도 측정 신호 및 위치 측정 신호의 상태 변화에 따라서 후속 제공된다. 이후 존재하는 위상각 신호를 이용하여, 위상각은 제공된 목표값 신호로 조절된다. 다시 말해 그로 인해 상대적으로 이른 시기에, 다시 말해 기준 위치에 도달한 직후에 위상각 조절이 가능하며, 그럼으로써 내연기관의 시동 단계 동안 그에 상응하게 낮은 유해 물질 배출 및 낮은 연료 소모가 가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 크랭크축 및 캠축을 고정하기 위해, 캠축과 연결된 상대 정지 부재에 대해 구동축과 연결된 정지 부재가 위치 결정된다. 그런 다음 조정 방법이 적정 가격으로 제조될 수 있는 캠축 조정 장치를 이용하여 실행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 크랭크축 및 캠축은 적어도 하나의 스프링 부재를 이용하여 상호 간에 고정된다. 이때 스프링 부재는 기준 위치에서 중립 위치 혹은 중심 위치에 배치될 수 있다.

목적에 더욱 부합하게는, 위상각 신호의 변화 속도의 변화에 따라 기준 위치의 도달이 검출된다. 또한, 전동기를 이용하여 토크가 인가되며, 이 토크가 인가되기 전에, 인가되는 동안, 및/또는 인가된 후에 위상각 신호가 자체 값을 유지하는지 여부가 검사됨으로써, 기준 위치의 도달이 검출되는 점도 생각해 볼 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 크랭크축의 사전 지정된 기준 회전 각도 위치에 도달하면, 크랭크축 센서 신호에서 기준 마크(reference mark)가 생성되며, 기준 마크의 발생 시에 제2 회전 각도 측정 신호는 기준 회전 각도 위치에 할당된 값으로 설정되며, 크랭크축 센서 신호의 상태 변화의 발생 시에 상기한 제2 회전 각도 측정 신호가 후속 제공된다. 또한, 캠축의 사전 지정된 회전 각도 위치의 도달 시에 캠축 기준 신호가 생성되며, 이 캠축 기준 신호의 발생 시에 회전 각도 측정 신호 및 위치 측정 신호의 각각의 존재하는 측정값들이 결정되며, 그리고 상기한 측정값들과 기어 특성 변수를 이용하여 절대 위상각 신호에 대한 값이 결정되고, 이때, 내연기관의 회전 속도가 측정되어, 사전 지정된 회전 속도 임계값과 비교되며, 그리고 회전 속도 임계값을 초과할 시에 실제값 신호로서 절대 위상각 신호를 이용하여 위상각의 조절이 계속된다. 이와 관련하여 크랭크축 센서 신호는 바람직하게는 예컨대 내연기관의 엔진 블록에 위치 고정되어 배치된 자기 검출기를 이용하여 검출되며, 이 자기 검출기는 크랭크축 상에 회전 고정식으로 배치된 자기 전도성 링기어와 상호 작용한다. 링기어의 톱니들 및/또는 톱니 갭들 중 하나의 톱니 및/또는 톱니 갭은 나머지 톱니들 내지 톱니 갭들과 구분되어, 크랭크축 회전 각도의 절대적 결정을 위한 기준으로서 이용된다. 캠축 기준 신호는 캠축의 절대 회전 위치에 따라 트리거 장치를 이용하여 생성될 수 있다. 캠축 기준 신호 및 절대 크랭크축 센서 신호로부터 유도된 제2 회전 각도 측정 신호는, 기준 위치와 관련하는 제1 회전 각도 측정 신호와 비교하여, 캠축 구동부(크랭크축 기어, 구동 체인 혹은 톱니 벨트, 체인 텐셔너 혹은 톱니 벨트 텐셔너, 캠축 기어, 정지 부재 및 상대 정지 부재)에서의 허용오차 및/또는 마모가 회전 각도 측정의 정밀성에 영향을 미치지 않는다는 장점을 갖는다. 그에 따라, 기준 위치와 관련한 위상각 신호로부터 절대 위상각 신호로 위상각 조절을 전환함으로써, 위상각 조정의 정밀도는 추가로 개선될 수 있다.

바람직하게는 우선 크랭크축의 회전 속도에 대한 적어도 하나의 회전 속도 측정값이 검출되고, 그런 후에 비로소, 절대 위상각 신호를 이용하는 위상각의 조절이 계속된다. 그렇게 함으로써, 회전 속도가 낮을 시에, 다시 말해 크랭크축 기어와 상호 작용하는 자기 검출기를 이용하여 여전히 회전 속도 측정값이 측정될 수 없을 때에, 절대 위상각 신호의 비개연성 값들이 캠축의 위치 오류를 야기하는 점은 회피된다.

본 발명의 적합한 구현예에 따라, 기준 위치에 도달하기 전에 사전 지정된 펄스 점유율(puls duty factor)을 이용하는 펄스폭 변조를 통해 전동기가 기준 위치의 방향으로 사전 제어된다. 위상 위치에 대해 유용한 측정값들이 아직 존재하지 않는 점에 한해서, 전동기는 우선 "불감 상태(blind)"로 제어된다. 이때, 정지 부재 및 상대 정지 부재가 내연기관의 시동 시에 바로 위치하는 위치와는 무관하게, 상기한 정지 부재 및 상대 정지 부재의 손상이 확실하게 회피되는 방식으로, 펄스 점유율이 선택된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 펄스 점유율은 회전 속도 측정값의 검출에 따라 변화하며, 회전 속도 측정값이 검출되면 곧바로 펄스 점유율은 바람직하게는 증가된다. 펄스 점유율이 증가되는 값은, 예컨대 내연기관의 엔진 온도와 그에 따른 밸브 구동 장치 내 드래그 손실과 같은 적어도 하나의 파라미터에 따라서 선택될 수 있다. 회전 속도 측정값의 검출은 바람직하게는 약 50RPM의 크랭크축 회전 속도로부터 개시된다.

바람직하게는, 상대 정지 부재에 대해 정지 부재를 위치 결정하기 전에, 위상각 신호는 위상 속도 신호를 구하기 위해 미분되고, 이 위상 속도 신호는 위상 속도 임계값과 비교되며, 그리고 위상 속도 신호가 상기한 임계값보다 큰 경우, 위상 속도 신호는 목표값 신호와 비교되어, 편차의 발생 시에, 이 편차가 감소하는 방식으로 전동기가 제어된다. 이때, 위상 속도 신호가 임계값을 초과한다면, 위상 속도 조절에 충분한 정밀도가 있는 위상 속도에 대한 측정값들이 존재한다는 사실로부터 출발한다. 위상 속도 조절을 통해, 정지 부재 및 상대 정지 부재에서의 마모는 감소하고 그리고/또는 상기한 부재들의 파손은 억제될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 기준 위치의 도달이 검출되기 전에, 전동기의 작동 전류 및/또는 작동 전압 및/또는 회전 속도는 제한되고/되거나 조절된다. 그렇게 함으로써, 내연기관의 시동 단계 동안 정지 부재가 상대 정지 부재에 대해 위치 결정되도록 하는 힘과 그에 따라 정지 부재 내지 상대 정지 부재에서의 마모는 제한된다. 또한, 상기한 부재들의 파손은 억제된다.

다음에서 본 발명은 도면과 결부하여 기술된 실시예에 따라 더욱 상세하게 설명된다.

도1은 크랭크축에 대한 캠축의 위상 위치를 조정하기 위한 장치를 구비한 왕복형 내연기관을 개략적으로 도시한 부분도이다.

도2는 캠축 조정 장치를 도시한 개략도이다.

도3은 크랭크축에 대한 캠축의 위상 위치를 조절하기 위한 상태 신호를 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시간이, 그리고 종축에는 상태가 도시되어 있다.

도4는 내연기관의 이상적인 회전 속도 특성 곡선을 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시간이, 그리고 종축에는 RPM 단위의 회전 속도가 도시되어 있다.

도5는 실제 위상 각도(펄스 기호로 표시된 선)와 위상 각도에 대한 목표값 신호(펄스 기호로 표시되지 않은 선)를 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시 간이, 그리고 종축에는 도(°) 단위의 위상 각도가 도시되어 있다.

도6은 기준 위치와 관련한 위상각 신호를 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시간이, 그리고 종축에는 도 단위의 위상 각도가 도시되어 있다.

도7은 실제 크랭크축 회전 각도(빗금이 없는 선)과 크랭크축 회전 각도에 대한 측정 신호(빗금친 선)를 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시간이, 그리고 종축에는 도 단위의 회전 각도가 도시되어 있다.

도8은 전동기의 실제 회전 각도(빗금친 선)를 나타낸 그래프이며, 횡축에는 초 단위의 시간이, 그리고 종축에는 도 단위의 회전 각도가 도시되어 있다.

왕복형 내연기관의 크랭크축(5)에 대한 캠축(3)의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 조정 장치는 도1에 따라 조정 구동부(1)를 포함하며, 이 조정 구동부는 크랭크축에 고정된 구동축과, 캠축에 고정된 피동축과, 조정축을 포함하는 삼축 기어로서 구현된다. 조정 구동부는 예컨대 유성 기어 메커니즘 및/또는 회전 경사판(wobble plate) 메커니즘의 유성 기어 시스템일 수 있다.

구동축은 캠축 기어(2)와 회전 고정식으로 체결되며, 이 캠축 기어는, 내연기관의 크랭크축(5) 상에 회전 고정식으로 배치된 크랭크축 기어와 공지된 방법으로 체인 혹은 톱니 벨트를 통해 구동 연결된다. 피동축은 캠축(3)과 회전 고정식으로 체결된다. 조정축은 전동기(4)의 회전자와 회전 고정식으로 연결된다. 조정 구동부(1)는 캠축 기어(2)의 허브 내에 통합된다.

내연기관의 캠축(3) 및 크랭크축(5) 사이의 회전 각도를 제한하기 위해, 조 정 장치는, 조정 구동부(1)의 구동축과 견고하게 체결된 정지 부재(6)와, 캠축(3)과 회전 고정식으로 체결되어 기준 위치의 작동 위치에서 정지 부재(6)와 인접하는 상대 정지 부재(7)를 포함한다.

도1에 따라 알 수 있듯이, 크랭크축 회전 각도를 측정하기 위해, 자기 검출기(8)가 제공되며, 이 자기 검출기는 자기 전도성 소재로 구성되어 크랭크축(5) 상에 배치된 링기어(9)의 톱니면을 검출한다. 링기어(9)의 톱니 갭들 혹은 톱니들 중 하나의 톱니 갭 혹은 톱니는 다른 톱니 갭들 내지 톱니들보다 더욱 큰 폭을 가지면서, 크랭크축(5)의 기준 회전 각도 위치를 표시한다.

내연기관의 시동 시에, 크랭크축(5)이 바로 위치하는 위치와 무관하게, 제1 회전 각도 측정 신호는 예컨대 영(0)의 값을 가질 수 있는 회전 각도 측정 신호 시작값으로 설정된다. 그런 후에, 크랭크축은 예컨대 전기 시동 전동기를 이용하여 회전되고, 자기 검출기(8)를 이용하여 크랭크축 센서 신호가 검출되며, 이 크랭크축 센서 신호는 링기어(9)의 톱니면을 통과할 시에, 각각 자체 상태를 변경한다. 크랭크축 센서 신호의 에지가 상승하고 그리고/또는 하강할 시(상태 변화)에, 제어 장치의 작동 프로그램에서는 예컨대 증분을 통해 회전 각도 측정 신호가 각각 후속 제공되는 인터럽트가 야기된다.

기준 회전 각도 위치의 도달 시에, 자기 검출기(8)의 센서 신호(이하에서 크랭크축 센서 신호로서도 지칭됨)에서는, 기준 마크가 생성된다. 이는, 크랭크축 링기어(9)가 기준 회전 각도 위치에서 자체 나머지 톱니들보다 더욱 큰 톱니 갭을 갖게 됨으로써 달성된다. 크랭크축 센서 신호에서 기준 마크가 검출되면, 곧바로 제2 회전 각도 측정 신호가 기준 회전 각도 위치에 할당된 값으로 설정된다. 그런 후에, 제2 회전 각도 측정 신호는 매번 크랭크축 센서 신호의 에지가 상승하고 그리고/또는 하강할 때(상태 변화)마다 후속 제공된다.

전동기(4)로서 바람직하게는 회전자를 포함하는 EC 모터가 제공되며, 상기 회전자의 외주연에는 상호 간에 반대되는 방향으로 교호적으로 자화되는 일련의 자석 세그먼트들이 배치된다. 이들 자석 세그먼트들은 공기 갭을 통해 고정자의 톱니들과 자기 전도 방식으로 상호 작용한다. 톱니들은 제어 장치를 통해 전류를 공급받는 권선으로 권취된다.

고정자에 상대적인 자석 세그먼트들의 위치와, 그에 따른 조정축 회전 각도는 고정자에 다수의 자기장 센서(10)를 구비한 측정 장치를 이용하여 검출된다. 상기 자기장 센서들(10)은, 회전자가 회전할 때마다, 복수의 자석 세그먼트-센서 조합부가 통과되는 방식으로, 고정자의 원주 방향으로 상호 간에 오프셋 되어 배치된다. 자기장 센서들(10)은 디지털 센서 신호를 생성하며, 이 디지털 센서 신호는, 회전자가 기계적으로 완전하게 회전할 시에 측정 장치가 자기장 센서들(10)을 구비한 바와 같은 빈도로 반복되는 일련의 센서 신호 상태들을 통과한다. 상기한 센서 신호는 이하에서 조정축 센서 신호로서 지칭된다.

내연기관을 시동할 시에, 회전자 내지 조정축이 바로 위치하는 위치와는 무관하게, 위치 측정 신호는 위치 측정 신호 시작값으로 설정된다. 그런 후에, 조정축이 회전되며, 조정축 센서 신호의 상태가 전환될 시에, 제어 장치의 작동 프로그램에서는 위치 측정 신호가 후속 제공되는 인터럽트가 야기된다.

캠축 회전 각도에 대한 기준 신호 발생기로서 유도 센서(11)가 제공되며, 이 유도 센서는 캠축(3) 상에 배치된 트리거 휠(12)과 상호 작용한다. 유도 센서(11)가 트리거 휠(12)의 톱니면을 검출하면, 제어 장치의 작동 프로그램에서는, 위상각의 조절을 위한 크랭크축 회전 각도 및 조정축 회전 각도가 추가의 처리를 위해 중간 저장되는 인터럽트가 야기된다.

크랭크축에 상대적인 캠축의 회전 각도 위치는 다음에서 위상 위치로서도 지칭된다. 이런 위상 위치는 내연기관의 크랭크축과 관련한 밸브 개방 시점을 나타낸다. 위상 위치는 다음과 같이 정의된다:

(1)

상기 식에서,

는 시점(t)의 크랭크축 회전 각도이며, 그리고

는 시점(t)의 캠축 회전 각도이다.

내연기관을 시동할 시에, 가능한 한 빠르게 위상각의 목표 위치를 조정해야 한다. 이는 단지 기준 각도에 따라서만 이루어질 수 있는데, 왜냐하면 기준 회전 각도 위치를 표시하는 톱니 갭들 내지 톱니가 검출되고 캠축의 톱니면이 검출될 때 비로소 위상각이 결정될 수 있기 때문이다.

내연기관의 시동 후에, 우선 정지부 이동이 실행되는데, 이 경우 2가지 전략을 생각해 볼 수 있다:

a) 기준 위치에 도달할 때까지, 정지 부재가 전동기(4)를 이용하여 사전 지정된 힘으로써 상대 정지 부재의 방향으로 제어된다.

b) 기준 위치에 도달할 때까지, 위상 속도가 사전 지정된 목표 위상 속도로 조절된다.

위상각은 정지부 이동 중에 2개의 부분항으로 분리된다:

(2)

상기 식에서,

는 정지부 이동 단계의 시작 시에 크랭크축 회전 각도이며,

는 정지부 이동 단계의 시작 시에 캠축 회전 각도이며,

는 정지부 이동 단계의 시작 시에 위상각이며, 그리고

는 정지부 이동 단계의 시작시부터 현재 시점(t)까지 조정되었던 위상각이다. 또한,

는 시작 단계 각도와 관련하는 위상각의 상대적인 비율(relative proportion)로서 지칭될 수도 있다.

전동기(4)의 회전자의 회전 각도용 측정 장치는 캠축(3)의 유도 센서(11)보다 더욱 높은 분해능을 가지기 때문에, 캠축(3)의 회전 각도는 직접적으로 계산되는 것이 아니라, 조정 구동부(1)의 기어 방정식(gear equation)을 이용하여 위치 측정 신호로부터 계산된다. 그에 따라 방정식 (1)로부터 위상각의 상대적인 비율을 결정하기 위한 하기와 같은 공식이 제공된다:

(3)

상기 식에서,

는 정지부 이동 단계의 시작 시에 전동기의 회전자의 회전 각도이며,

는 정지부 이동 단계의 시작 시부터 현재 시점(t)까지 회전자의 회전 각도이다.

내연기관을 시동할 시에, ε⁽⁰⁾는 알지 못하는 값이다. 그러므로 현재 위상각(ε(t))은 상기한 단계 동안 역시 알 수 없다. 이러한 단계에 대해 단지 위상각의 상대적인 비율만이 필요하다. 상기한 상대적인 비율은, 전략 b)가 적용될 경우(전술한 내용 참조), 정지부 이동 시에 위상 속도 조절을 위해 필요한 위상 속도를 계산하는데 이용된다. 그 외에도, 위상각의 상대적인 비율은 기준 위치를 찾아내기 위해서도 이용된다. 기준 위치에 도달했다면, 전동기가 여전히 계속해서 동일한 방향으로 전류를 공급받는다고 하더라도, 위상각과 그에 따른 위상각의 상대적인 비율은 거의 일정하게 유지된다.

기준 위치의 도달 시에 발생하는 위상각 신호의 변화 속도의 감소가 검출되고, 그에 따라 기준 위치가 식별된 후에, 목표값 신호로서 제2 회전 각도 측정 신호를 이용하는 위상각의 조절을 위한, 다음에서 더욱 상세하게 설명되는 조건들이 충족될 때까지, 위상각은 목표값으로서 기준 위치를 이용하고 실제값 신호로서 제1 회전 각도 측정 신호를 이용하여 조절된다. 위상각은 또한 본 실시예에 따라서도 2개의 부분항으로 분리될 수 있다:

(4)

상기 식에서,

는 기준 정지부에서의 위상각이며, 그리고

는 제1 회전 각도 측정 신호가 실제값 신호로서 이용되는 조절 단계의 시작시부터 현재 시점(t)까지 조정된 위상각이다. 또한,

는 기준 위치와 관련한 위상각의 상대적인 비율이다. 이런 위상각의 상대적인 비율은 다시금 조정 기어의 기어 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

(5)

상기 식에서,

는 제1 회전 각도 측정 신호가 실제값 신호로서 이용되는 조절 단계의 시작 시에 전동기 회전자의 회전 각도이며,

는 제1 회전 각도 측정 신호가 실제값 신호로서 이용되는 조절 단계의 시작 시에 크랭크축 회전 각도이며,

는 제1 회전 각도 측정 신호가 실제값 신호로서 이용되는 조절 단계의 개시 시점부터 현재 시점(t)까지 전동기 회전자의 회전 각도이며, 그리고

는 제1 회전 각도 측정 신호가 실제값 신호로서 이용되는 조절 단계의 개시 시점부터 현재 시점(t)까지 크랭크축 회전 각도이다.

크랭크축 센서 신호의 기준 마크,와 캠축 기준 신호,가 검출되었고, 내연기관의 회전 속도가 500 RPM을 초과하며, 위상각이 개연성 영역에 위치한 후라면, 위상각은 실제값 신호로서 제2 크랭크축 회전 각도 측정 신호를 이용하여 조절된다. 이러한 조절 단계 동안 위상각은 하기 공식에 의해 결정된다:

(6)

상기 식에서,

는 기준 마크의 마지막 검출 시부터 현재의 주기적 인터럽트까지 전동기 회전자의 회전 각도이며,

는 기준 마크의 마지막 검출 시부터 현재의 주기적 인터럽트까지 크랭크축 회전 각도이며,

는 기준 마크의 마지막 검출 시부터 마지막 주기적 인터럽트까지 전동기 회전자의 회전 각도이며,

는 기준 마크의 마지막 검출 시부터 마지막 주기적 인터럽트까지 크랭크축 회전 각도이며, 그리고

는 매 주기적 인터럽트 시마다 결정되고, 캠축 기준 신호의 발생 시점의 크랭크축 회전 각도와 동일한 위상각이다.

500 RPM의 회전 속도 임계값은, 목표값 신호로서 제2 회전 각도 측정 신호를 이용하는 위상각 조절이, 단지 크랭크축 링기어(9)의 톱니들의 톱니면, 기준 마크, 그리고 캠축 기준 신호가 확실하게 검출될 수 있는 엔진 회전 속도 영역에서만 실행되는 것을 보장한다. 그 외에도, 목표값 신호로서 제2 회전 각도 측정 신호를 이용하는 위상각 조절은, 오로지 제2 크랭크축 회전 각도 측정 신호를 이용하여 결정된 위상각이 조정 장치의 조정 영역에 위치할 때에만 실행된다. 개연성 없는 위상각은, 하드웨어 결함(예: 정지 결함), 측정 신호 검출 오류(예: 크랭크축 링기어(9)에서 잘못된 톱니면 검출), 혹은 신호 처리(기준 마크의 잘못된 검출, 회전 각도 측정 신호의 잘못된 후속 제공 등)에 의해 야기될 수 있다. 이러한 오류의 경우들은 적합한 조치에 의해 처리된다.

앞서 기술한 전략은 하기와 같이 요약될 수 있다:

a) 엔진 시동 후에 (다시 말해 시동 전동기 신호가 영(0)에서 일(1)로 점프한 후에) 크랭크축 회전 속도 측정값이 검출될 때까지: 20%의 펄스폭 변조 비율로써 기준 위치의 방향으로 전동기(4)의 사전 제어.

b) 크랭크축 회전 속도 측정값이 검출된 후에, 전동기(4)는 적어도 하나의 작동 파라미터에 따르는 예컨대 30%의 펄스폭 변조 비율로써 기준 위치의 방향으로 속도가 사전 지정되고 전동기 자체 작동 전류 및 작동 전압이 제한되는 조건으로 위치 결정된다. 이를 위해, 그리고 정지부 검출을 위해, 위상각은 방정식 (3)에 따라 계산된다. 이러한 조절 단계는, 정지부에 도달하여 그 정지부가 검출될 때 종료되거나, 혹은 목표값 신호로서 제2 크랭크축 회전 각도 신호를 이용하는 위상 위치 조절에 대한 조건들이 충족될 때 중단된다.

c) 기준 위치가 검출된 후에, 위상각은 기준 위치와 관련하여 조절된다. 이를 위해, 정지부에서의 위상각을 알고 있어야 한다. 현재 위상각은 방정식 (4) 및 (5)를 이용하여 계산된다. 이러한 조절 단계는, 정지부에 도달하고 그 정지부가 검출될 때 중단되거나, 혹은 목표값 신호로서 크랭크축 회전 각도 신호를 이용하는 위상 위치 조절에 대한 조건들이 충족되고 정지부에는 아직 도달하지 않았을 때 중단된다.

d) 목표값 신호로서 제2 크랭크축 회전 각도 신호를 이용하는 위상 위치 조절은, 하기 조건들이 충족되면 곧바로 실행된다: 내연기관의 엔진 회전 속도가 500RPM보다 높거나 동일하고, 기준 마크가 검출되었으며, 그리고 제2 크랭크축 회전 각도 신호를 이용하여 결정된 위상각이 개연성 영역에 위치한다. 이러한 조절을 위해, 위상각은 방정식 (6)을 이용하여 계산된다.

다음에서는 도4 내지 도8에 도시한 시뮬레이션 결과에 따른 조정 방법이 설명된다. 이와 관련하여, 정지부 이동를 위해 위상 속도 조절 전략이 이용되었다.

시간이 t = 0.02s일 시에, 내연기관이 시동된다. 엔진 회전 속도는 t = 0.2s일 때 800 RPM의 값에 도달하여, 이 도달한 시점부터 시뮬레이션의 종료 시점까지 일정하게 유지된다. t = 0.0375s일 시에, 정지부 이동이 개시되는데(SCam = 4), 왜냐하면 이 시점에 50 RPM의 엔진 회전 속도에 도달하기 때문이다. 이와 같은 위치에서, 크랭크축 회전 각도는 엔진 시동 위치와 관련하여 7°의 값을 가지며, 전동기의 회전 각도는 0°의 값을 갖는다. 이러한 값들은 기준 각도(

및

)로서 방정식 (3)에 따라 위상각을 계산하기 위해 이용된다. 시점 t = 0.08s에서 정지부에 도달한 이후에, 이 정지부가 검출될 때까지 25ms가 소요된다(t = 0.105s). 정지부 이동를 위해, 크랭크축의 148° 시작 위상각이 가정된다.

t = 0.105s 시점부터, 위상각은 기준 위치와 관련하여 조절된다(SCam = 5). 이 시점에 크랭크축 회전 각도(

= 106°) 및 회전자 회전 각도(

= 213.5°)가 갖는 값들은, 이 단계 동안 방정식 (5)에 따라 위상각을 계산하기 위한 기준 각도(

및

)로서 이용된다. 이와 관련하여, 기준 위치에서의 위상각은 154°이다. 방정식 (4) 참조.

목표값 신호로서 제2 크랭크축 회전 각도 신호를 이용하는 조절은, t = 0.135s에서 500 RPM의 회전 속도 임계값에 도달하고, 제1 기준 마크는 t = 0.125s에서 검출될 뿐 아니라, 캠축 기준 신호의 에지가 검출된 후에, t = 0.2375s 일 때에 비로소 개시된다(SCam = 6). 이 단계의 시작 시에, 제2 회전 각도 측정 신호를 이용하여 결정된 위상각(

)은 107.5°의 값을 가지며, 그리고 캠축 기준 신호의 곧바로 후행하는 에지의 발생 시(t = 0.39s)에 119.5°의 값을 갖는다.

다시 말해, 본 발명은 크랭크축(5)과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축(3)의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. 크랭크축(5)은 조정 구동부(1)를 통해 캠축(3)과 구동 연결된다. 상기 조정 구동부(1)는 크랭크축에 고정된 구동축과, 캠축에 고정된 피동축과, 전동기(4)와 구동 연결된 조정축을 구비한 삼축 기어로서 구현된다. 정지 부재(6)는 구동축과 연결되고, 상대 정지 부재(7)는 캠축(3)과 연결되며, 이 상대 정지 부재(7)는 적어도 하나의 기준 위치에서 정지 부재(6)와 상호 작용한다. 내연기관의 시동 단계에서, 크랭크축 회전 각도 측정 신호와 조정축의 회전 각도에 대한 위치 측정 신호가 검출된다. 회전 각도 측정 신호, 위치 측정 신호, 그리고 삼축 기어의 기어 특성 변수를 이용하여, 크랭크축(5)에 대한 시작 위치를 바탕으로 캠축(3)의 회전 각도 위치에 대한 위상각 신호가 결정된다. 상대 정지 부재(7)에 대해 정지 부재(6)가 위치 결정되고, 기준 위치의 도달이 검출된 후에, 기준 위치와 관련하는 위상각이 측정되어, 목표값 신호로 조절된다.

<도면 부호 리스트>

1: 조정 구동부

2: 캠축 기어

3: 캠축

4: 전동기

5: 크랭크축

6: 정지 부재

7: 상대 정지 부재

8: 자기 검출기

9: 링기어

10: 자기장 센서

11: 유도 센서

12: 트리거 휠

Claims

내연기관의 시동 단계 동안, 크랭크축(5)과 관련하여 왕복형 내연기관의 캠축(3)의 회전 각도 위치를 조정하기 위한 방법이고,

상기 크랭크축(5)은 조정 구동부(1)를 통해 캠축(3)과 구동 연결되고, 상기 조정 구동부(1)는 크랭크축에 고정된 구동축과, 캠축에 고정된 피동축과, 전동기(4)와 구동 연결된 조정축을 포함하는 삼축 기어로서 구현되고,

상기 크랭크축(5)은 회전하고, 크랭크 축 센서 신호가 측정되고, 크랭크축 센서 신호는 크랭크축(5)의 회전 각도의 변화에 따라 변화하고, 크랭크축(5)과 캠축(3)은 기준 위치에서 상호 간에 고정되고, 기준 위치의 도달이 감지되고,

a) 회전 각도 측정 신호가 회전 각도 측정 신호 시작값으로 설정되고,

b) 크랭크축 센서 신호의 상태 변화의 발생 시에, 회전 각도 측정 신호가 업데이트되고,

c) 위치 측정 신호는 위치 측정 신호 시작값으로 설정되고,

d) 조정축이 회전하고, 조정축의 회전 위치 변화 시에 변화하는 조정 축 센서 신호가 검출되고,

e) 조정축 센서 신호의 상태 변화의 발생 시에, 위치 측정 신호가 업데이트되고,

f) 상기 회전 각도 측정 신호, 상기 위치 측정 신호, 그리고 상기 조정 구동부(1)의 기어 특성 변수를 이용하여, 크랭크축(5)에 대한 상기 캠축(3)의 회전 각도 위치를 위한 위상각 신호가 결정되고,

g) 기준 위치의 검출 시에 위상각 신호는 기준 위치에 할당된 기준값으로 설정되며,

h) 그 후, 회전 각도 측정 신호와 위치 측정 신호 중 어느 하나 또는 두 신호 모두의 상태 변화 시에 위상각 신호가 업데이트되며,

i) 이와 같이 얻어진 기준 위치 관련 위상각 신호가 목표값 신호와 비교되고, 위상각 편차의 발생 시에 편차가 감소하는 방식으로 상기 전동기(4)가 제어되면서, 위상각이 조절되는 조정 방법.
제1항에 있어서, 크랭크축(5)을 캠축(3)에 고정하기 위해, 구동축과 연결된 정지 부재(6)가 캠축(3)과 연결된 상대 정지 부재(7)에 대해 위치 결정되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 기준 위치의 도달이, 위상각 신호의 변화 속도의 변화에 따라서 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 크랭크축(5)의 사전 지정된 기준 회전 각도 위치의 도달 시에 크랭크축 센서 신호에서 기준 마크가 생성되며, 기준 마크의 발생 시에 제2 회전 각도 측정 신호가 기준 회전 각도 위치에 할당된 값으로 설정되며, 상기 크랭크축 센서 신호의 상태 변화의 발생 시에 상기 제2 회전 각도 측정 신호가 업데이트되며, 캠축(3)의 사전 지정된 회전 각도 위치의 도달 시에 캠축 기준 신호가 생성되며, 캠축 기준 신호의 발생 시에 회전 각도 측정 신호 및 위치 측정 신호의 각각 존재하는 측정값들이 결정되어 이들 측정값들과 기어 특성 변수를 이용하여 절대 위상각 신호를 위한 값이 결정되며, 내연기관의 회전 속도가 측정되어 사전 지정된 회전 속도 임계값과 비교되며, 회전 속도 임계값의 초과 시에 실제값 신호로서 절대 위상각 신호를 이용하여 위상각의 조절이 계속되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제5항에 있어서, 절대 위상각 신호는 사전 지정된 값 영역과 비교되며, 오로지 위상각 신호가 사전 지정된 값 영역 내에 위치하는 경우에만 절대 위상각 신호를 이용하여 위상각의 조절이 계속되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 우선 크랭크축(5)의 회전 속도에 대해 적어도 하나의 회전 속도 측정값이 검출되며, 그리고 나서야 비로소 절대 위상각 신호를 이용하는 위상각의 조절이 계속되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 정지 부재(6)가 상대 정지 부재(7)에 대해 위치 결정되기 전에, 사전 지정된 펄스 점유율을 이용하는 펄스폭 변조를 통해 전동기(4)가 기준 위치의 방향으로 사전 제어되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제8항에 있어서, 펄스 점유율은 회전 속도 측정값의 검출에 따라 변경되며, 상기 회전 속도 측정값이 검출되면, 곧바로 상기 펄스 점유율이 증가되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 정지 부재(6)가 상대 정지 부재(7)에 대해 위치 결정되기 전에, 위상 속도 신호를 형성하기 위해 위상각 신호가 미분되고, 위상 속도 신호는 위상 속도 임계값과 비교되며, 위상 속도 신호가 임계값보다 큰 경우, 위상 속도 신호는 목표값 신호와 비교되어, 편차의 발생 시에 이 편차가 감소하는 방식으로 전동기(4)가 제어되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기준 위치의 도달이 검출되기 전에, 전동기(4)의 작동 전류와 작동 전압과 회전 속도 중 어느 하나 또는 이들의 둘 이상의 임의의 조합이 제한되거나, 조절되거나 제한 및 조절되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.