KR101567226B1 - 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법 - Google Patents

중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상을 위한 오일제어밸브 듀티 신호 인가방법에서는 엔진 구동 시 중간위상 CVVT의 PWM(Pulse Width Modulation)제어가 시작되면, OCV(Oil-Flow Control Valve)(10-1)에 PWM 듀티신호(Pulse Width Modulation DUTY)가 인가되기 전 OCV(10-1)의 스풀특성으로 달라지는 데드밴드(Dead Band)를 체크하는 OCV 성능체크가 수행되고, OCV 성능체크 후 PWM제어가 진행됨으로써 OCV(10-1)의 데드밴드해소로 물리적인 응답성이 크게 향상되고, 특히 OCV(10-1)의 응답성 향상을 통해 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 캠위치지각현상(undershoot) 및 엔진RPM저하(drop)현상이 크게 개선되는 특징을 갖는다.

Description

중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법{Method for Improving Response of Middle Phase type Continuously Variable Valve Timing System}
본 발명은 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve)에 인가되는 PWM DUTY신호(Pulse Width Modulation Duty)의 2단계 인가로 스풀(또는 플런저)의 데드밴드(Dead Band)가 해소됨으로써 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성이 향상되는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 연비향상, 배출가스저감, 저속 토크 증대 및 출력 향상에 대한 높은 요구에 맞춰 엔진의 흡/배기밸브 개폐시기를 엔진 회전수에 따라 최적화 제어하는 연속 가변 밸브 제어 시스템(Continuously Variable Valve Timing System 또는 Camshaft Phaser System, 이하 CVVT)의 성능 개선을 필요로 하고 있다.
이러한 CVVT 성능개선요구를 시스템 응답성 향상 및 캠 작동 영역 확장으로 달성한 예로서, 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템(Middle Phase type Continuously Variable Valve Timing System, 이하 중간위상 CVVT)가 있다.
상기 중간위상 CVVT에서는 흡/배기 밸브의 밸브오버랩 증대에 의한 펌핑로스 저감으로 연비가 향상되는 효과를 더욱 높이고, 엔진조건에 따른 밸브오버랩 최적화를 통한 내부 EGR에 의한 연소가스 재연소로 배출가스 저감효과를 더욱 향상하며, 엔진조건에 따른 흡기 밸브타이밍 최적화에 의한 체적효율 증대로 저속 토크 증대 및 출력향상 효과를 더욱 높임으로써 CVVT대비 연비 향상 및 배출가스 저감 효과의 개선을 가져온다.
이를 위해, 상기 중간위상 CVVT에는 스풀(또는 플런저)의 움직임으로 유로를 형성하는 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve, 이하 OCV)가 적용되고, OCV의 내부 오일 유로 제어시 목표 위치에 따라 전기신호인 PWM DUTY(Pulse Width Modulation Duty)를 인가하고, 캠의 목표값 대비 실제값의 차이를 보상하면서 플런저의 위치 제어가 이루어지며, 캠의 목표값과 실제값 차이에 의한 제어 수행 시 캠의 위치를 최지각(흡기), 최진각(배기) 위치가 아닌 중간 위치에서 제어함으로써 CVVT대비 시스템 응답성이 빨라지고 캠 사용 영역이 넓혀질 수 있다.
일본공개특허 2011-163270(2011년8월25일)
하지만, OCV는 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 캠위치지각현상(undershoot) 및 엔진RPM저하(drop)를 발생시키는 한 원인으로 작용될 수 있다. 이는 OCV가 전기 신호를 받고 데드밴드(Dead Band, 물리적으로 움직이지 않음) 이후 서서히 움직이는 스풀 응답성 및 내부 오일 유로의 영향과 캠 토크의 영향 하에 놓이고, OCV에 인가되는 신호가 PWM DUTY 고정값으로 제공됨에 기인된다.
구체적으로, 중간위상 CVVT의 미작동 영역(락킹 위치)에서 진각이나 홀딩 영역으로 이동이 이루어지려면, OCV의 스풀이 지각 오일 유로를 먼저 지나갈 수밖에 없다. 그러므로, 스풀에 인가되는 PWM DUTY 고정값이 충분하지 않을 때 플런저의 전기적 응답성이 느려짐으로써 스풀이 지각 유로를 지나는 동안 오일이 흐르게 되어 원하지 않는 캠위치지각현상(undershoot)이 발생된다. 이러한 캠위치지각현상(undershoot)은 엔진RPM저하(drop)로 나타나게 된다. 일례로, -7도의 캠위치지각현상(undershoot)은 약 150RPM 정도의 엔진RPM저하(drop)를 발생시키게 된다.
더 나아가, 엔진RPM저하(drop)는 차량의 아이들 안전성을 나쁘게 함으로써 악조건에서 시동꺼짐으로 발전될 수 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 OCV(Oil-Flow Control Valve)의 스풀에 인가되는 PWM DUTY(Pulse Width Modulation Duty)값이 데드밴드(Spool Dead Band)의 해소 전과 해소 후로 구분되어 인가됨으로써 스풀의 데드밴드(dead band)해소로 OCV의 물리적인 응답성이 크게 향상되고, 특히 OCV의 응답성 향상을 통해 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 캠위치지각현상(undershoot) 및 엔진RPM저하(drop)현상이 크게 개선되는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상방법은 엔진 구동 시 중간위상 CVVT의 PWM(Pulse Width Modulation)제어가 시작되면, OCV(Oil-Flow Control Valve)에 PWM 듀티신호(Pulse Width Modulation DUTY)가 인가되기 전 상기 OCV의 스풀특성으로 달라지는 데드밴드(Dead Band)를 체크하는 OCV 성능체크가 수행되고, 상기 OCV 성능체크 후 상기 PWM제어가 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 데드밴드체크는 OCV 목록이 구축된 OCV 성능 맵(Map)에서 검색된다.
상기 OCV 성능체크가 수행되면, 상기 PWM 듀티신호의 인가 방식은 설정 PWM 듀티신호 크기가 인가되는 OCV 노말제어모드나 또는 설정 PWM 듀티신호 크기와 함께 설정 PWM 듀티신호 크기를 증폭한 증폭 PWM 듀티신호 크기가 인가되는 OCV 스텝제어모드로 구분된다.
상기 OCV 노말제어모드에서는 상기 설정 PWM 듀티신호가 1회 인가된다.
상기 OCV 스텝제어모드에서는 상기 증폭 PWM 듀티신호 크기는 상기 설정 PWM 듀티신호 크기 대비 백분율(%)로 증폭된다. 상기 OCV 스텝제어모드에서는 상기 증폭 PWM 듀티신호가 인가된 후 일정시간이 경과되면, 상기 설정 PWM 듀티신호가 다시 인가된다.
상기 OCV에는 흡기밸브와 배기밸브를 제어하는 캠에 이어진 유압회로가 연결되고, 상기 유압회로에는 상기 캠을 최지각과 최진각의 중간 위치에서 고정하는 락핀(Lock Pin)이 구비되며, 상기 OCV는 -10도~130도 유온과 500RPM 이상 엔진회전수에서 오일을 제어한다.
이러한 본 발명은 OCV(Oil-Flow Control Valve)의 스풀이 갖는 데드밴드(dead band)특성에 맞춰 PWM DUTY(Pulse Width Modulation Duty)의 값을 달리 한 적어도 2단계(2step)의 전기 신호 인가로 스풀의 물리적인 응답성을 향상함으로써 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 캠위치지각현상(undershoot)이 크게 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 OCV에 의한 캠위치지각현상(undershoot)이 크게 개선됨으로써 캠위치지각현상(undershoot)이 가져오는 엔진RPM저하(drop)도 크게 개선되고, 특히 엔진RPM저하(drop)개선으로 악조건에서 시동꺼짐으로 발전될 수 있는 차량의 아이들 안전성 저하가 방지되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 PMW DUTY 값의 가변을 통한 OCV 응답성 최적화로 별도의 하드웨어 추가없이도 -10도~130도 유온과 500RPM 이상 엔진회전수에서 작동기능보증이 충족되어야 하는 중간위상 CVVT의 성능을 최적화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상을 위한 오일제어밸브 듀티 신호 인가방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve)의 데드밴드(Spool Dead Band)해소를 위해 설정값 대비 약 5% 증폭된 PWM DUTY신호(Pulse Width Modulation Duty)가 인가된 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve)의 데드밴드(Spool Dead Band)해소를 위해 설정값 대비 약 10% 증폭된 PWM DUTY신호(Pulse Width Modulation Duty)가 인가된 예이고, 도 5는 본 발명에 따라 설정값 대비 약 10% 증폭된 PWM DUTY신호(Pulse Width Modulation Duty)가 인가됨으로써 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템의 캠위치지각현상(undershoot)이 크게 개선된 성능 선도의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 응답성 향상을 위한 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve, 이하 OCV)의 듀티 신호 인가방법에 대한 흐름이고, 도 2는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템(Middle Phase type Continuously Variable Valve Timing System, 이하 중간위상 CVVT)의 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 응답성 향상을 위한 OCV 듀티 신호 인가방법은 OCV 작동모드(S10~S20)로 시작된다. 구체적으로, 상기 OCV 작동모드(S10~S20)는 S10의 중간위상 CVVT 제어시작과 S20의 PWM(Pulse Width Modulation)제어시작으로 구분된다. 상기 PWM제어시작은 중간위상 CVVT로 PWM 듀티신호(Pulse Width Modulation DUTY)가 인가됨을 의미한다. 이러한 PWM 듀티신호 인가는 OCV의 스풀(또는 플런저)위치제어로 전환됨으로써 중간위상 CVVT의 내부 오일 유로 제어가 이루어진다. 이때, PWM 듀티신호인가는 컨트롤러(중간위상 CVVT용 컨트롤러 또는 ECU(Engine Control Unit))로 이루어지며, 컨트롤러에서는 캠의 목표 위치에 따른 PWM 듀티신호값을 인가함으로써 목표값 대비 실제값의 차이를 보상하면서 제어가 수행된다.
도 2를 참조하면, 상기 OCV 작동모드(S10~S20)에 의한 중간위상 CVVT의 내부 오일 유로 제어 상태가 예시된다. 도시된 바와 같이, 중간위상 CVVT에는 OCV(10-1)가 구비되고, 상기 OCV(10-1)에는 흡기밸브와 배기밸브를 제어하는 캠(10-3)에 이어진 유압회로(10-2)가 연결되고, 상기 유압회로(10-2)에는 상기 캠(10-3)을 최지각과 최진각의 중간 위치에서 고정하는 락핀(Lock Pin)(10-4)이 구비되며, PWM 듀티신호로 OCV(10-1)의 스풀(또는 플런저)위치가 이동됨으로써 유압회로(10-2)에 대한 오일 유로 제어가 이루어진다.
상기 PWM 듀티신호는 -10도~130도 유온과 500RPM 이상 엔진회전수에서 OCV(10-1)에 인가된다. 그러므로, OCV(10-1)에 인가되는 PWM 듀티신호는 최지각과 최진각의 중간위치에서 캠(10-3)을 고정시킨 락핀(Lock Pin)(10-4)의 고정상태(Detent(Locking))가 해제되는 오일 흐음을 발생시킨다. 또한, OCV(10-1)에 다르게 인가되는 PWM 듀티신호는 캠(10-3)의 상태를 지각 -> 홀딩 -> 진각으로 전환시키거나 그 역으로 전환시키게 된다.
이로부터, OCV 작동모드(S10~S20)에서는 OCV(10-1)의 스풀(또는 플런저)이 갖는 데드밴드(Dead Band)가 중간위상 CVVT의 응답성 지연을 해소하는 주요 변수임을 확인할 수 있다.
그러므로, 응답성 향상을 위한 OCV 듀티 신호 인가방법에서는 PWM 듀티신호가 OCV 작동모드(S10~S20)에서 OCV에 바로 인가되지 않는 대신 OCV 성능을 감안한 OCV 성능체크가 더 고려된다.
다시 도 1을 참조하면, OCV 성능체크는 OCV 데드밴드(Dead Band)체크모드(S30), OCV 스텝제어모드(S40~S60), OCV 노말제어모드(S100)로 구분된다.
상기 OCV 데드밴드체크모드(S30)에서는 동일한 PWM 듀티신호 인가시 스풀(또는 플런저)특성으로 달라지는 OCV의 데드밴드(Dead Band)가 체크되고, 데드밴드체크는 OCV 목록이 구축된 OCV 성능 맵(Map)을 검색함으로써 간단하게 수행된다. 그러면, 데드밴드체크결과는 PWM 듀티신호 인가 방식의 변경에 반영된다. 일례로, 데드밴드가 무관한 조건에서는 PWM 듀티신호 인가가 설정 PWM 듀티신호로 1회 수행되는 반면, 데드밴드가 반드시 고려되는 조건에서는 PWM 듀티신호 인가가 설정 PWM 듀티신호를 크게 한 증폭 PWM 듀티신호로 1회 수행되는 1단계와 설정 PWM 듀티신호로 1회 수행되는 2단계로 구분함으로써 증폭된 PWM 듀티신호의 인가가 2회 수행되는 방식이다.
상기 OCV 노말제어모드(S100)는 OCV 데드밴드체크모드 결과로부터 OCV 데드밴드의 고려 없이 PWM 듀티신호 인가가 이루어지더라도 중간위상 CVVT의 응답성 저하가 없음을 의미한다. 그러므로, 상기 OCV 노말제어모드(S100)는 OCV 작동모드(S10~S20)에 이어 즉시 수행될 수 있다.
반면, 상기 OCV 스텝제어모드(S40~S60)는 OCV 데드밴드체크모드 결과로부터 PWM 듀티신호 인가 시 OCV 데드밴드가 반드시 고려되고, 이를 통해 중간위상 CVVT의 응답성 저하가 해소되어야 함을 의미한다.
구체적으로, 상기 OCV 스텝제어모드(S40~S60)는 S40의 1차 PWM DUTY 신호 인가, S50의 인가시간체크, S60의 2차 PWM DUTY 신호 인가로 구분된다. 이때, 상기 1차 PWM DUTY 신호 크기는 설정 PWM 듀티 신호를 크게 한 증폭 PWM 듀티 신호이고, 상기 2차 PWM DUTY 신호크기는 설정 PWM 듀티 신호와 동일하다. 또한, 상기 인가시간체크는 1차 PWM DUTY 신호와 2차 PWM DUTY 신호의 인가 시간 차이로서, 경과시간(1차 PWM DUTY 신호 인가 후 시간) > 설정값(시간)으로 판단된다.
본 실시예에서, 상기 설정 PWM 듀티 신호 크기와 단품 OCV 특성에 좌우되므로 특정 값으로 한정되지 않지만, 상기 1차 PWM DUTY 신호 크기와 상기 2차 PWM DUTY 신호 크기는 단품 OCV별 설정 PWM 듀티 신호 크기 대비 백분율(%)로 결정된다. 상기 설정값(시간)은 단품 OCV 특성에 좌우되므로 단품 OCV별로 달리 적용된다.
일례로, 도 3은 설정 PWM 듀티 신호 크기 대비 약 5% 증폭된 1차 PWM DUTY 신호가 OCV에 인가된 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 약 5% 증폭된 1차 PWM DUTY 신호로 인해 스풀(플런저)이 락킹 위치에서 홀딩 위치로 이동시 응답성 개선이 이루어지고, 이를 통해 캠위치지각현상(undershoot)의 개선됨이 확인된다. 또한, 도 4는 설정 PWM 듀티 신호 크기 대비 약 10% 증폭된 1차 PWM DUTY 신호가 OCV에 인가된 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 약 10% 증폭된 1차 PWM DUTY 신호로 인해 스풀(플런저)이 락킹 위치에서 홀딩 위치로 이동시 응답성 개선이 이루어지고, 이를 통해 캠위치지각현상(undershoot)의 개선됨이 확인된다.
한편, 도 5는 설정값 대비 약 10% 증폭된 PWM DUTY신호가 1차 PWM DUTY 신호로 인가되고, 일정시간 경과후 설정 PWM 듀티 신호가 2차 PWM DUTY 신호로 인가된 후, 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템의 성능 선도를 나타낸 예이다.
도시된 성능 선도 결과로부터, 1차 PWM DUTY의 10%증대 값에 의한 OCV의 전류 증가로 정지 상태의 스풀(플런저)의 초기 움직임 시 정지 마찰력을 빠르게 이겨냄으로써 목표 위치로 이동하는 응답성이 향상됨을 알 수 있다. 이로 인해, 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 미작동 영역(락킹 위치)에서 진각이나 홀딩 영역으로 이동이 이루어지도록 OCV의 스풀(플런저)이 지각 오일 유로를 먼저 지나갈 수밖에 없더라도 캠위치지각현상(undershoot)이 크게 개선된다. 특히, 캠위치지각현상(undershoot)의 개선으로 차량의 아이들 안전성을 나쁘게 하는 엔진RPM저하(drop)가 방지됨으로써 악조건에서 나타날 수 있는 시동꺼짐도 방지된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상을 위한 오일제어밸브 듀티 신호 인가방법에서는 엔진 구동 시 중간위상 CVVT의 PWM(Pulse Width Modulation)제어가 시작되면, OCV(Oil-Flow Control Valve)(10-1)에 PWM 듀티신호(Pulse Width Modulation DUTY)가 인가되기 전 OCV(10-1)의 스풀특성으로 달라지는 데드밴드(Dead Band)를 체크하는 OCV 성능체크가 수행되고, OCV 성능체크 후 PWM제어가 진행됨으로써 OCV(10-1)의 데드밴드해소로 물리적인 응답성이 크게 향상되고, 특히 OCV(10-1)의 응답성 향상을 통해 중간위상 CVVT의 캠 위치제어(락킹(중간위상)/지각/홀딩/진각)시 캠위치지각현상(undershoot) 및 엔진RPM저하(drop)현상이 크게 개선된다.
10 : 중간위상CVVT(Middle Phase Control Continuously Variable Valve Timing Apparatus)
10-1 : 오일제어밸브(Oil-Flow Control Valve)
10-2 : 유압회로 10-3 : 캠
10-4 : 락핀(Lock Pin)

Claims (8)

  1. 엔진 구동 시 중간위상 CVVT의 PWM(Pulse Width Modulation)제어가 시작되면, OCV(Oil-Flow Control Valve)에 PWM 듀티신호(Pulse Width Modulation DUTY)가 인가되기 전 상기 OCV의 스풀특성으로 달라지는 데드밴드(Dead Band)를 체크하는 OCV 성능체크가 수행되고, 상기 OCV 성능체크 후 상기 PWM제어가 진행되며,
    상기 OCV 성능체크가 수행되면, 상기 PWM 듀티신호의 인가 방식은 설정 PWM 듀티신호 크기가 인가되는 OCV 노말제어모드나 또는 설정 PWM 듀티신호 크기와 함께 설정 PWM 듀티신호 크기를 증폭한 증폭 PWM 듀티신호 크기가 인가되는 OCV 스텝제어모드로 구분되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 데드밴드체크는 OCV 목록이 구축된 OCV 성능 맵(Map)에서 검색되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 OCV 노말제어모드에서는 상기 설정 PWM 듀티신호가 1회 인가되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 OCV 스텝제어모드에서는 상기 증폭 PWM 듀티신호 크기는 상기 설정 PWM 듀티신호 크기 대비 백분율(%)로 증폭되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 OCV 스텝제어모드에서는 상기 증폭 PWM 듀티신호가 인가된 후 일정시간이 경과되면, 상기 설정 PWM 듀티신호가 다시 인가되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 OCV에는 흡기밸브와 배기밸브를 제어하는 캠에 이어진 유압회로가 연결되고, 상기 유압회로에는 상기 캠을 최지각과 최진각의 중간 위치에서 고정하는 락핀(Lock Pin)이 구비되는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 OCV는 -10도~130도 유온과 500RPM 이상 엔진회전수에서 오일을 제어하는 것을 특징으로 하는 중간위상 연속 가변 밸브 제어 시스템 응답성 향상 방법.
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