KR101439034B1

KR101439034B1 - 엔진의 캠축 제어방법

Info

Publication number: KR101439034B1
Application number: KR20130068115A
Authority: KR
Inventors: 장석형
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-09-05
Also published as: US20140366822A1

Abstract

본 발명은 가변밸브타이밍 장치가 구비된 엔진에서, 크랭크축에 대한 캠축의 정렬 상태가 비정상적인 상태로 판정되는 경우에도, 가급적 정상적인 상태로 엔진의 운전이 가능하도록 액츄에이터를 제어할 수 있도록 함으로써, 엔진의 부조나 소손을 방지하고 엔진의 운전성을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

엔진의 캠축 제어방법{CAM SHAFT CONTROL METHOD FOR ENGINE}

본 발명은 엔진의 캠축 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크랭크축에 대한 캠축의 상대 위상이 정상적이지 못한 경우에, 캠축의 위상을 제어하는 기술에 관한 것이다.

4행정 왕복 피스톤형 엔진에서, 캠축은 크랭크축에 벨트나 체인 또는 기어 등의 기계요소를 통해 연결되어, 크랭크축에 대하여 일정 비율로 회전하면서, 적절한 시기에 밸브를 개폐하도록 되어 있다.

최근에는 밸브의 개폐시기를 가변하기 위하여, 상기 캠축을 크랭크축에 대하여 상대적으로 그 위상을 가변시킬 수 있도록 하는 CVVT(Continuous Variable Valve Timing) 장치 등이 구비되고 있으며, 주로 유압이나 전기를 사용하는 액츄에이터를 이용하여 크랭크축으로부터의 회전력이 전달되는 부분에 대하여 상대적으로 캠축의 위상을 진각 또는 지각시킬 수 있는 메커니즘을 채택하고 있다.

엔진 제어기인 ECU는 엔진의 회전수, 부하, 냉각수온, 오일온도, 고도 등과 같은 엔진의 운전 환경을 나타내는 센서들의 신호를 입력 받아, 그에 따라 액츄에이터로 캠축을 회동시킴으로써, 엔진의 상태에 따라 흡기밸브 및 배기밸브 중 적어도 하나 이상의 개폐 타이밍이 연속적으로 가변되어 궁극적으로 엔진의 출력을 향상시킬 수 있도록 한다.

상기와 같은 가변 밸브 타이밍 기술에 의한 엔진의 연소의 최적화는 크랭크축에 대한 캠축의 상대 위상의 정확한 제어가 수반되어야 하는 바, ECU는 실시간으로 크랭크축의 위치와 캠축의 위치를 각각의 센서를 통해 입력 받아, 상기 액츄에이터를 제어함으로써, 크랭크축에 대한 캠축의 적절하고 정확한 위상을 연속적으로 제어하도록 구성된다.

그런데, 엔진의 조립불량이나 타이밍벨트 또는 타이밍체인의 치 넘음 등의 문제로 인하여, 도 1에 비교하여 도시한 바와 같이, 크랭크축(500)에 대한 캠축의 위치가 잘못 정렬되면, 엔진은 비정상 연소가 발생되고, 이에 의해 심한 경우 실화로 인한 촉매 손상이나 엔진의 소손 등에 이르게 될 수 있다.

참고로, 도 1의 좌측은 정상적인 상태로서 크랭크축(500)에 대한 흡기측캠축(502)과 배기측캠축(504)이 모두 정상적인 위상을 가지고 있는 것이고, 이에 비하여 우측은 비정상적인 상태로서 흡기측캠축(502)이 크랭크축(500)에 대하여 잘못 정렬된 상태를 예시하고 있다.

종래에는, 상기한 바와 같은 상황에 대비하여, 크랭크축에 대한 캠축의 정렬 상태가 정상적인 판정범위를 초과하면, 고장판정카운터나 고장판정시간 등의 변수를 증가시켜서 이러한 변수가 소정의 기준값을 넘어서면, 그에 상응하는 고장코드를 저장하고 클러스터에 엔진 경고등을 점등시키며, 캠축의 위상제어를 중단시킨다.

따라서, 상기와 같은 고장판정 후에는, 캠축은 액츄에이터에 대한 기준위치인 0도 위치에 고정된 상태로 운전되게 된다. 여기서, 상기 캠축의 0도 위치는 주로 엔진의 아이들 회전수를 고려하여 설정되는 바, 아이들 회전수로 운전되는 엔진에서 최적의 성능이 발휘되도록 하는 캠축의 각도가 된다.

상기한 바와 같이 고장판정에 의해 캠축이 액츄에이터에 대한 기준위치로 고정된 상태에서, 부분부하나 전부하 운전이 요구되는 경우에는 부적절한 밸브개폐시기로 인해 충진효율이 감소하고 엔진은 정상적인 출력을 발생시키지 못하게 된다.

상기의 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

1020130002029

A

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가변밸브타이밍 장치가 구비된 엔진에서, 크랭크축에 대한 캠축의 정렬 상태가 비정상적인 상태로 판정되는 경우에도, 가급적 정상적인 상태로 엔진의 운전이 가능하도록 액츄에이터를 제어할 수 있도록 함으로써, 엔진의 부조나 소손을 방지하고 엔진의 운전성을 향상시킬 수 있도록 한 엔진의 캠축 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 캠축 제어방법은

크랭크축에 대한 캠축의 현재 위상각이, 크랭크축에 대한 캠축 정렬 상태의 이상 여부를 판정하기 위해 설정된 소정의 기준범위를 벗어나는지 판단하는 이상여부판단단계와;

상기 현재 위상각이 상기 기준범위를 벗어나는 경우, 상기 현재 위상각과 최근에 상기 기준범위 이내의 정상적인 값으로 학습되었던 학습 위상각의 차이인 제어 오차 위상각을 구하는 오차산출단계와;

상기 오차산출단계에서 구해진 제어 오차 위상각을 반영하여 상기 오차를 보상하도록 캠축의 위상을 조절하는 액츄에이터를 제어하는 제어보상단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 크랭크축에 대한 흡기측캠축과 배기측캠축이 정상적인 상태와 흡기측캠축이 비정상적인 상태를 비교하여 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 엔진의 캠축 제어방법의 실시예를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 작용을 설명한 개념도로서 정상상태와 고장상태 및 그에 따른 본 발명의 제어상태를 비교하여 도시한 도면이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명 엔진의 캠축 제어방법의 실시예는, 크랭크축에 대한 캠축의 현재 위상각(θ_curr)이, 크랭크축에 대한 캠축 정렬 상태의 이상 여부를 판정하기 위해 설정된 소정의 기준범위인 θ_thrsh_lo부터 θ_thrsh_hi의 범위를 벗어나는지 판단하는 이상여부판단단계(S10)와; 상기 현재 위상각이 상기 기준범위를 벗어나는 경우, 상기 현재 위상각(θ_curr)과 최근에 상기 기준범위 이내의 정상적인 값으로 학습되었던 학습 위상각(θ_learn)의 차이로부터 보상해야 할 제어 오차 위상각(ω_err)을 구하는 오차산출단계(S20)와; 상기 오차산출단계(S20)에서 구해진 제어 오차 위상각을 반영하여 상기 오차를 보상하도록 캠축의 위상을 조절하는 액츄에이터를 제어하는 제어보상단계(S30)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 이상여부판단단계(S10) 수행결과, 상기 현재 위상각이 상기 기준범위를 벗어나는 경우, 고장 판정 회수 및 시간 중 적어도 하나 이상을 누적하는 고장카운터누적단계(S15)와; 상기 누적된 고장카운터(C_fail)가 소정의 기준값(C_thrsh)을 초과하는지 판단하여, 초과하는 경우 고장코드를 저장하고 엔진 경고등을 점등시키는 고장확정단계(S40)를 구비하고, 상기 고장확정단계(S40) 이후에도 상기 제어보상단계(S30)를 지속적으로 수행한다.

즉, 엔진을 제어하는 컨트롤러는 실시간으로 크랭크축에 대한 캠축의 현재 위상각을 입력 받아 상기 이상여부판단단계(S10)를 수행하고, 그 결과에 따라 오차산출단계(S20)를 통해 구해진 제어 오차 위상각을 반영하여 상기 액츄에이터를 제어함으로써, 실질적으로 캠축의 정렬 상태가 불량함이 검출되어 상기 고장카운터를 누적하는 동안은 물론, 상기 고장확정단계(S40)에 의해 고장이 확정된 경우에도 지속적으로 가능한 한 액츄에이터로 상기 제어 오차 위상각을 해소하도록 제어하게 됨으로써, 엔진의 정상적인 작동이 이루어질 수 있도록 하여, 엔진의 부조나 소손 등을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

상기 오차산출단계(S20)와 상기 제어보상단계(S30) 사이에는, 상기 오차산출단계(S20)에서 산출된 제어 오차 위상각(ω_err)이 상기 액츄에이터가 조절할 수 있는 최대 위상각(ω_max)보다 크면, 상기 제어 오차 위상각을 상기 액츄에이터가 조절할 수 있는 최대 위상각으로 제한하여 설정하는 제한설정단계(S25)를 더 구비한다.

즉, 상기 액츄에이터가 조절할 수 있는 최대 위상각 이상으로는 어차피 오차를 보정하려고 해도 할 수 없으므로, 이를 반영하여, 상기 제어 오차 위상각을 제한하도록 한 것이며, 상기 최대 위상각은 상기 액츄에이터가 유압식인지, 전기 모터식인지, 또는 어느 정도의 작동 범위를 가지고 있는지 등의 하드웨어적 제한에 의해 결정되는 값이다.

상기 제어보상단계(S30)에서는, 캠축 위상각의 기본적인 제어값인 제어 기본 위상각(ω_base)에 엔진의 운전 환경을 나타내는 센서들의 신호에 따른 제어 보정 위상각(ω_corr)을 합하여 구해진 매핑 위상각(ω_map)에 상기 제어 오차 위상각(ω_err)을 더하여 구해진 제어 목표 위상각(ω_target)으로 상기 액츄에이터를 제어한다.

즉, 종래의 가변밸브타이밍 장치에서는 제어 기본 위상각(ω_base)에 제어 보정 위상각(ω_corr)을 합하여 구해진 매핑 위상각(ω_map)으로 액츄에이터를 제어함으로써, 기본적으로 설정된 제어 기본 위상각에 현재의 엔진 운전 환경의 내적 외적 요인에 따른 제어 보정 위상각을 감안하여 제어가 이루어지도록 하고 있는데, 본 발명에서는 여기에 상기에서 구해진 제어 오차 위상각(ω_err)을 더 고려하여 상기 제어 목표 위상각(ω_target)을 결정하고, 이 제어 목표 위상각에 따라 제어가 이루어지도록 하여, 도 3에 설명하고 있는 바와 같이 좌측의 정상상태로 운전되지 못하고 중앙의 고장상태가 되면, 상기 제어 목표 위상각에 따라 액츄에이터를 제어하여 우측과 같은 제어를 함으로써, 실질적으로 엔진의 운전상황에 필요한 밸브의 적절한 개폐시기를 확보할 수 있도록 하는 것이다.

참고로, 도 3은 액츄에이터의 위상각과 이 액츄에이터에 연결된 캠축의 위상각 사이의 개념적 관계를 이용하여 본 발명의 작용을 상징적으로 설명한 것이다.

한편, 상기 누적된 고장카운터를 비교하는 상기 소정의 기준값(C_thrsh)은, 엔진의 급격한 운전 변화가 발생하는 과도구간에서 발생되는 노이즈에 의한 오판정을 방지하고 보다 확실한 고장판정이 가능하도록, 상기 노이즈에 의한 영향을 배제할 수 있는 수준으로 설정된다.

즉, 상기 기준값은 엔진의 시동시나, 급가속시 또는 급감속시 등과 같이 엔진의 급격한 운전 변화가 초래되는 과도구간에서 발생할 수 있는 전기적 노이즈 등에 의한 오판정을 방지할 수 있도록 다수의 실험을 바탕으로 설계적으로 정해질 수 있는 값이다.

또한, 상기 크랭크축에 대한 캠축 정렬 상태의 이상 여부를 판정하기 위해 설정된 소정의 기준범위는, 당해 엔진의 크랭크축과 캠축을 연결하는 타이밍 체인의 치 한 개가 넘어간 현상이 발생하였을 때 발생할 수 있는 위상차보다 작은 범위로 설정될 수 있다.

즉, 크랭크축에 대한 캠축의 현재 위상각은 엔진의 조립 공차, 크랭크축 센서나 캠축 센서의 출력오차, 타이밍 체인이나 타이밍 벨트의 늘어남 등과 같은 다양한 요인에 의해 항상 변화할 수 있는데, 그러나 그 변화의 폭은 정상적인 경우에는 타이밍 체인의 치 한 개 이상이 넘어간 경우에 발생하는 위상각의 크기와는 구별 가능한 정도로 작으므로, 상기 기준범위는 이러한 경우의 위상차보다는 작은 범위 내에서 설정될 수 있다는 것이다.

물론, 상기 기준범위는 현재의 위상각이 정상적인 것으로 보기에는 어렵다고 판단되는 범위로 실험 및 해석에 의해 설계적으로 결정되는 값으로, 도 2에서는 θ_thrsh_lo 부터 θ_thrsh_hi로 표현되고 있다.

상기한 바와 같은 제어방법에 따라 액츄에이터를 구동하도록 하는 엔진 제어장치를 구성하면, 상술한 바와 같이 캠축 정렬 상태가 불량한 경우에도 지속적으로 액츄에이터로 이러한 오차를 해소할 수 있도록 제어함으로써, 엔진의 정상에 가까운 운전상태를 지속적으로 유지하고 엔진의 부조나 소손 등을 방지할 수 있을 것이다.

참고로, 도 2에서 설명되지 않은 나머지 부분을 살펴보면, 캠축의 현재 위상각이 상기 이상여부판단단계(S10)에 의해 상기 기준범위 이내의 정상적인 수준으로 판단되면, 이를 이용하여 학습 위상각(θ_learn)을 업데이트하고(S11), 엔진이 오프되면 상기 학습 위상각을 비휘발성메모리에 저장하였다가(S12), 엔진이 시동되면 이 데이터를 불러서(S13), 상기 오차산출단계(S20)에서 사용하게 되는 것이 표현되어 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S10; 이상여부판단단계
S15; 고장카운터누적단계
S20; 오차산출단계
S25; 제한설정단계
S30; 제어보상단계
S40; 고장확정단계

Claims

크랭크축에 대한 캠축의 현재 위상각이, 크랭크축에 대한 캠축 정렬 상태의 이상 여부를 판정하기 위해 설정된 소정의 기준범위를 벗어나는지 판단하는 이상여부판단단계(S10)와;
상기 현재 위상각이 상기 기준범위를 벗어나는 경우, 상기 현재 위상각과 최근에 상기 기준범위 이내의 정상적인 값으로 학습되었던 학습 위상각의 차이인 제어 오차 위상각을 구하는 오차산출단계(S20)와;
상기 오차산출단계(S20)에서 구해진 제어 오차 위상각을 반영하여 상기 오차를 보상하도록 캠축의 위상을 조절하는 액츄에이터를 제어하는 제어보상단계(S30);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 오차산출단계(S20)와 상기 제어보상단계(S30) 사이에는, 상기 오차산출단계(S20)에서 산출된 제어 오차 위상각이 상기 액츄에이터가 조절할 수 있는 최대 위상각보다 크면, 상기 제어 오차 위상각을 상기 액츄에이터가 조절할 수 있는 최대 위상각으로 제한하여 설정하는 제한설정단계(S25);
를 더 구비한 것을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제어보상단계(S30)에서는, 캠축 위상각의 기본적인 제어값인 제어 기본 위상각에 엔진의 운전 환경을 나타내는 센서들의 신호에 따른 제어 보정 위상각을 합하여 구해진 매핑 위상각에 상기 제어 오차 위상각을 더하여 구해진 제어 목표 위상각으로 상기 액츄에이터를 제어하는 것
을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이상여부판단단계(S10) 수행결과, 상기 현재 위상각이 상기 기준범위를 벗어나는 경우, 고장 판정 회수 및 시간 중 적어도 하나 이상을 누적하는 고장카운터누적단계(S15)와;
상기 누적된 고장카운터가 소정의 기준값을 초과하는지 판단하여, 초과하는 경우 고장코드를 저장하고 엔진 경고등을 점등시키는 고장확정단계(S40);
를 더 구비하고,
상기 고장확정단계(S40) 이후에도 상기 제어보상단계(S30)를 지속적으로 수행하는 것
을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
청구항 4에 있어서,
상기 누적된 고장카운터를 비교하는 상기 소정의 기준값은, 엔진의 급격한 운전 변화가 발생하는 과도구간에서 발생되는 노이즈에 의한 오판정을 방지하고 보다 확실한 고장판정이 가능하도록, 상기 노이즈에 의한 영향을 배제할 수 있는 수준으로 설정되는 것
을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 크랭크축에 대한 캠축 정렬 상태의 이상 여부를 판정하기 위해 설정된 소정의 기준범위는, 당해 엔진의 크랭크축과 캠축을 연결하는 타이밍 체인의 치 한 개가 넘어간 현상이 발생하였을 때 발생할 수 있는 위상차보다 작은 범위로 설정되는 것
을 특징으로 하는 엔진의 캠축 제어방법.
크랭크축에 대한 캠축의 위상각을 가변시킬 수 있도록 구비된 액츄에이터를 제어하도록 구성되어, 상기 청구항 1 내지 6항 중 어느 한 항의 제어방법으로 상기 액츄에이터를 제어하도록 구성된 것
을 특징으로 하는 엔진의 제어장치.