KR101680929B1

KR101680929B1 - 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101680929B1
Application number: KR1020127024341A
Authority: KR
Inventors: 울리히-미햐엘 네프처; 엘마르 핏취; 카르스텐 데링어
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2016-11-29
Also published as: CN102791964A; DE102010003051A1; EP2547876A1; WO2011113690A1; KR20130008025A; EP2547876B1; CN102791964B; US20130092114A1

Abstract

본 발명은 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에서 내연기관(1)은 2개 이상의 캠축(8, 9, 10, 11)을 가지며, 캠축(8, 9, 10, 11)에서 픽업된 신호로부터 내연기관(1)의 회전수 및/또는 상태가 도출된다. 크랭크축의 비상 작동 모드 중에도 내연기관의 배기 가스 거동을 개선하기 위해, 내연기관(1)의 회전수 및/또는 상태를 검출하는 데에는 제1 캠축(11)만이 이용되는 한편, 제2 캠축(8, 9, 10)에 의해 구동되는 내연기관(1)의 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)의 가변 밸브 트레인을 조정하기 위해 제2 캠축(8, 9, 10)의 회전각이 조정된다.

Description

크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THE EVENT OF A FAULT OF A CRANKSHAFT SENSOR}

본 발명은 내연기관이 2개 이상의 캠축을 가지며, 캠축에서 픽업된 신호로부터 내연기관의 회전수 및/또는 상태가 도출되는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법 및 상기 방법의 실시를 위한 장치에 관한 것이다.

오늘날 차량에 있어서 내연기관의 회전수를 정확하게 검출하는 것이 중요한데, 이는 상기 변수가 차량의 수많은 폐루프/개루프 제어 프로세스에 고려되기 때문이다. 일반적으로 상기 회전수는 연소 과정에서 발생하는 기계 에너지를 통해 구동되는 크랭크축의 회전수로부터 도출된다. 이때 상기 크랭크축은 크랭크축의 회전수와 위치를 검출하는 크랭크축 센서에 의해 스캔된다. 상기 신호는 적절한 센서를 통해 제공되어 내연기관의 회전수 및/또는 상태에 대한 평가 척도로서 제어 장치에서 평가된다. 이때 상기 내연기관의 분사 시점 및 점화 시점이 검출된다.

크랭크축 센서 신호의 이상 또는 간섭 발생 시 제어 장치는 크랭크축 비상 작동 모드로 스위칭되며, 이와 같은 크랭크축 비상 작동 모드에서는 크랭크축에 의해 구동되는 캠축의 위치로부터 내연기관의 상태가 검출된다. 상기 크랭크축 비상 작동 모드를 위한 전제 조건은, 내연기관의 상태를 정확하게 검출할 수 있도록 상기 캠축이 크랭크축에 대하여 정해진 위치에 고정되어야 한다는 점이다. 그러므로 상기 캠축은 내연기관의 상이한 작동 영역들에서 더 이상 캠축 조정에 이용되지 않으므로, 내연기관의 배기 가스 거동이 악화된다.

그러므로 본 발명의 과제는, 크랭크축 센서의 장애나 고장 발생 시 크랭크축 비상 작동 모드에서도 내연기관의 배기 가스 거동이 개선되는 내연기관 작동 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 본 발명에 의거하여 해결하기 위해, 내연기관의 회전수 및/또는 상태를 검출하는데 제1 캠축만이 이용되는 한편, 제2 캠축에 의해 구동되는 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브에서의 가변 밸브 트레인의 조정을 위해 제2 캠축의 회전각이 조정될 수 있다. 이는 크랭크축 비상 작동 모드 동안 검출되는 내연기관의 회전수 또는 상태가 단일 캠축만을 통해 신뢰성 있고 정확하게 검출될 수 있는 장점을 갖는다. 그 외에도 가변 밸브 개방 시간은 제2 캠축을 이용해 조정된다. 상기 제2 캠축의 회전을 통해 내연기관의 배기 가스 거동이 개선되며, 배기 가스 거동의 긍정적 영향은 크랭크축 비상 작동 모드 동안에도 유지된다. 밸브 개방 시간의 적응은 내연기관의 효율 증가를 가능하게 하며, 이는 출력 이득 및 토크 이득 또는 연료 절약의 효과를 갖는다.

장점으로서 제1 캠축은 내연기관에 의해 구동되는 크랭크축에 대하여 기준 위치를 취하고 크랭크축에 대한 사전 설정 변속비로 회전하며, 상기 캠축의 회전 운동은 캠축 센서에 의해 검출된다. 상기 기준 위치의 조정을 통해 캠축의 운동이 크랭크축의 운동과 관련하여 고정적으로 분명하게 할당됨에 따라, 내연기관의 상태가 신뢰성 있게 검출될 수 있다.

한 변형예에서, 크랭크축에 대하여 기준 위치에 있는 제1 캠축은 내연기관의 배기 밸브를 개방 및/또는 폐쇄하고, 회전 운동을 제공받은 제2 캠축은 내연기관의 흡기 밸브를 개방 및/또는 폐쇄한다. 캠축 조정 시 흡기 밸브 및 배기 밸브의 제어 시간은 상기 회전수에 따라 변하므로, 모든 회전수 범위에서 가능한 한 효율적인 실린더 충전이 달성될 수 있다. 요구되는 배기 가스 저감 효과는 흡기 밸브를 제어하는 캠축의 회전을 통해서만 달성될 수 있다. 그러므로 가변 밸브 트레인의 조정은 하나의 캠축으로 충분하다.

한 실시예에서 2개 이상의 캠축을 이용하는 경우 제1 캠축만이 크랭크축에 대한 기준 위치에 고정되고, 나머지 캠축들은 그 회전각이 조정된다. 하나의 캠축 외에 모든 다른 캠축은 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 작동을 위해 이용되기 때문에 가변 밸브 트레인의 최적 조정이 가능하며, 이는 크랭크축 비상 작동 모드 동안 내연기관의 배기 가스 거동 개선에 반영된다. 복수의 캠축을 이용하는 경우에 흡기 캠축뿐만 아니라 내연기관의 배기 밸브를 제어하는 배기 캠축도 조정된다. 배기 캠축의 그와 같은 조정을 통해 내부 배기 가스 재순환이 질소 산화물 배출 감소의 형태로 변화될 수 있다. 그 외에도 흡기 캠축 및 배기 캠축의 동시 조정은 흡기 밸브와 배기 밸브의 개방 시간 오버랩 가능성을 높이며, 이는 내연기관에서의 가스 유동의 최적화가 훨씬 더 양호하게 이루어지도록 한다.

그 외에 캠축 센서를 통해 검출되는 내연기관의 회전수 및/또는 상태에 기초하여 캠축의 회전각이 조정된다. 상기 캠축의 조정은 크랭크축과 관련한 회전각을 변경시키며 상기 조정은 검출된 내연기관의 회전수에 좌우되기 때문에, 크랭크축 비상 작동 모드 시 상기 회전각이 제1 캠축을 이용하여 검출된 회전수에 기초하여 산출된다.

한 실시예에서, 상기 회전각의 조정 시 크랭크축에 의해 구동되는 캠축이 크랭크축에 대해 사전 설정된 위치로부터 이동됨으로써, 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 제어 시간들이 변경될 수 있다. 상기 조정은 기계적인 방법으로 간단하게 이루어지며, 이 경우 크랭크축과 캠축 사이에 유압식 위상 조정기가 설치되어 동력 전달을 위해 각 캠축의 단부에 배치된다.

또 다른 실시예에서는 제2 캠축의 한 조정 범위 내에서 사전 설정된 2개의 고정 회전각 사이에서 제2 캠축의 조정이 이루어진다. 그러므로 위상 조정기의 제어 비용이 줄어든다. 상기 조정 범위는 보통 60°크랭크축이다.

대안으로서 제2 캠축의 조정이 캠축의 조정 범위 내에서 연속적으로 이루어진다. 복잡한 제어에도 불구하고 캠축의 연속 조정 시 내연기관의 다양한 작동 상태들에 대해 편안하게 반응될 수 있으므로 내연기관의 배기 가스 거동이 유리하게 조정될 수 있다.

그 외에도 본 발명은 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동을 위한 장치에 관한 것으로서, 내연기관은 2개 이상의 조정가능한 캠축을 가지며, 상기 캠축 회전에서 픽업된 신호로부터 내연기관의 회전수 및/또는 상태가 검출된다. 크랭크축 비상 작동 모드 동안에도 내연기관의 배기 가스 거동을 개선하기 위해, 내연기관의 회전수를 검출하는 데에는 제1 캠축만 이용되고, 제2 캠축에 의해 구동되는 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 가변 밸브 트레인을 조정하기 위해 제2 캠축의 회전각을 조정하는 수단이 제공된다. 상기 시스템을 통해 크랭크축 비상 작동 모드 동안에도 내연기관의 배기 가스 거동 개선이 이루어진다.

한 실시예에서 제1 및 제2 캠축은 각각의 회전 운동시 제어 장치에 의해 제어되며, 크랭크축에 대한 기준 위치로 제1 캠축을 조정하는 제어 장치가 제1 캠축의 회전 운동을 검출하는 캠축 센서와 연결되어 있으며, 상기 회전 운동으로부터 상기 제어 장치가 내연기관의 회전수 및/또는 상태를 검출하며 검출된 내연기관의 회전수 또는 상태에 기초하여 제2 캠축과 연결된 조정 장치를 제2 캠축의 회전각의 회전을 위해 제어한다. 단 하나의 캠축을 이용해 내연기관의 상태 또는 회전수를 정확하게 검출하는 것 외에, 크랭크축 비상 작동 모드 동안에도 가변 밸브 개방 시간이 제2 캠축을 이용해 조정된다. 제2 캠축의 회전을 통해, 외기(fresh air)와 연료의 비율이 최적화되어 내연기관의 배기 가스 거동이 개선되며, 배기 가스 거동의 긍정적 영향은 크랭크축 비상 작동 모드 동안에도 유지된다. 이때 조정 부재로서 적절한 조정 기구가 이용되며, 이러한 조정 기구는 전기식으로 또는 유압식으로 작동되고 상기 조정을 기계적인 방식으로 간단하게 실현하며 동력 전달을 위해 각 캠축의 단부에 배치된다.

본 발명의 경우에 많은 실시예들이 가능하다. 이들 중 어느 한 실시예가 도면들을 참고하여 상술될 것이다.
도 1은 4개의 캠축을 가진 V자형 내연기관의 기본 구조에 관한 도이다.
도 2는 도 1에 따른 V자형 내연기관에 크랭크축 센서 및 캠축 센서를 배치한 기본적인 개략도이다.
도 3은 캠축 조정기를 포함하는 캠축에 관한 도이다.

동일 특징은 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1에는 V자형 내연기관(1)의 기본 구조가 도시되어 있다. 도 1에서 내연기관(1)의 실린더들(2)은 V자 형상으로 2개의 섹션(3, 4)에 배치되어 있으며, 양 섹션(3, 4)의 교차 지점에 크랭크축(5)이 배치되어 있다. 각각의 섹션(3, 4)은 일반적으로 뱅크(bank)라 지칭된다. 각각의 실린더(2)는 하나 또는 복수의 흡기 밸브(6) 및 배기 밸브(7)를 갖는다. 흡기 밸브(6)를 통해 외기 및 연료가 내연기관(1)의 각 실린더(2)에 공급되고, 배기 밸브(7)에 의해 실린더(2)의 연소 생성물이 배기 가스의 형태로 내연기관(1)으로부터 배출된다. 실린더(2)의 제1 섹션(3)의 흡기 밸브(6)는 제1 캠축(8)과 연결되고, 제1 섹션(3)의 배기 밸브(7)는 제2 캠축(10)에 의해 작동된다. 그와 유사하게 실린더(2)의 제2 섹션(4)의 흡기 밸브는 제3 캠축(9)으로 연결되며, 제2 섹션(4)의 배기 밸브(7)는 제4 캠축(11)과 상호 작동한다. 각 캠축(8, 9, 10, 11)에는 각각의 밸브(2)를 위한 상세히 도시되지 않은 편심 캠(돌출부)이 위치한다. 상기 캠축이 자신의 축을 중심으로 회전하고, 이러한 회전 운동을 통해서 캠에 의해 상기 회전 운동이 짧은 종방향 운동으로 변환되므로, 상기 캠에 종속된 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)가 개방된다. 캠이 계속 회전하면 밸브(6, 7)는 밸브 스프링(19)을 통해 (도 3) 다시 폐쇄된다.

크랭크축(5)에서 일측 단부에 회전수 센서 휠(12)이 치차의 형태로 배치되어 있으며, 이는 도 2에서 윤곽만 그려진 내연기관(1) 옆에 도시되어 있다. 상기 회전수 센서 휠(12)은 철이나 강으로 이루어진 일정수의 톱니(13)를 가지며, 이들 톱니는 회전수 센서 휠(12)의 둘레에 연속적으로 배치되다가 하나의 갭 또는 복수의 갭(14)에 의해 단속된다. 회전수 센서 휠(12) 맞은 편에 크랭크축 센서(15)가 배치되어 톱니들 및 갭(들)(14)을 스캔하며, 이때 크랭크축 센서(15)가 자석을 이용해 형성한 자기장이 상기 톱니들(13)에 의해 단속됨으로써, 교류 전압이 크랭크축 센서(15)의 코일로 유도되며, 크랭크축 센서는 평가를 위해 제어 장치(16)에 상기 교류 전압을 전송한다. 상기 크랭크축 센서 휠(12)의 갭(14)은 크랭크축(5)의 일 회전 종료를 신호화하며, 이때 실린더(2)의 하나의 작동 사이클이 종료된다.

각각의 캠축(8, 9, 10, 11)에는 캠축 센서 휠(17)이 배치되는데, 도 2에는 캠축(9)의 예에만 도시되어 있다. 캠축 센서 휠(17) 역시 갭들에 의해 단속되는 톱니들을 갖는다. 그러나 캠축 센서 휠(17)은 (60-2)개의 톱니를 가지는 크랭크축 센서 휠(12)처럼 미세하게 분할되어 있지 않으며, 캠축 센서 휠(17)은 당 실시예에서 단지 3개의 톱니를 갖는다.

상기 캠축(8, 9, 10, 11)은 도면에 도시되지 않은 기어를 통해 크랭크축(5)에 의해 구동되며, 상기 기어는 캠축(8, 9, 10, 11)이 크랭크축(5) 회전수의 절반 회전수로 회전하도록 하는 변속비를 갖는다.

흡기 밸브 또는 배기 밸브의 제어 시간을 캠축(8, 9, 10, 11)을 통해 변경하기 위해, 각각의 캠축(8, 9, 10, 11)이 크랭크축(5)에 대하여 소정의 각도만큼 회전된다. 상기 캠축(8, 9, 10, 11)의 조정은 내연기관(1)의 회전수에 기초하여 이루어지며, 상기 캠축의 조정은 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)의 개방이 크랭크축(5)의 크랭크각에 대하여 변경되는 것을 의미한다. 이를 위해, 예를 들어 도 3에서 캠축(9)과 관련하여 도시된 것과 같은 유압식 캠축 조정기(20)가 이용된다. 이미 설명한 것처럼, 기어의 치차(21)가 캠축(9)을 회전시킨다. 역시 제어 장치(16)와 연결되어 상기 제어 장치에 의해 구동되는 캠축 조정기(20)가 캠축(9)의 위치를 치차(21) 쪽으로 이동시킴으로써 밸브(2)가 진각 방향으로 또는 지각 방향으로 닫히고, 그 결과 내연기관(1)의 효율 증가가 달성된다.

특히 흡기 밸브와 배기 밸브의 개방 시간의 오버랩은 내연기관(1)의 특성에 근본적으로 영향을 미친다. 작은 오버랩을 갖는 내연기관(1)은 낮은 회전수에서 오히려 높은 토크를 갖는다. 오버랩이 크면 내연기관(1)의 더 높은 최대 출력이 달성될 수 있다.

내연기관(1)의 회전수뿐만 아니라 이의 상태를 확인하는 데 이용되는 크랭크축 센서(5)가 현저히 왜곡된 출력 신호를 제공하거나, 더 이상 전혀 신호를 제공하지 않음이 확인되면, 상기 제어 장치(16)는 소위 크랭크축 비상 작동 모드로 스위칭된다. 이와 같은 크랭크축 비상 작동 모드에서는 내연기관(1)의 4개의 캠축(8, 9, 10, 11) 중 하나가 크랭크축(5)에 대한 기준 위치로 이동된다. 그러한 캠축은 본 실시예의 경우 실린더(2)의 제2 섹션(4)의 배기 밸브(7)를 제어하는 캠축(11)이다. 상기 크랭크축(5)의 운동과 캠축(11)의 운동 사이의 관계는 상기 기준 위치에 의해 고정되므로, 엔진 상태는 일정하게 검출될 수 있다. 상기 캠축(11)에서도 역시 일측 단부에 캠축 센서 휠(17)이 배치되며, 캠축 센서 휠 맞은편에 캠축 센서(18)가 위치한다(도 2). 이때 홀 센서로서 형성된 캠축 센서(15)의 자기장이 캠축 센서 휠(17)의 개별 톱니들에 의해 변하고, 이는 신호로서 제어 장치(16)에 전송되며, 제어 장치는 상기 신호로부터 내연기관(1)의 회전수와 상태를 도출한다.

내연기관(1)의 상태와 회전수의 검출에 필요하지 않은 나머지 3개의 캠축(8, 9, 10)은 조정에 이용되며, 이로 인해 양 흡기 캠축(8, 9)과 나머지 배기 캠축(10)의 제어에 의해 내연기관(1)의 배기 가스 거동이 개선된다. 이미 설명한 방식으로 복수의 캠축이 조정에 이용됨으로써, 내연기관(1)의 모든 회전수 영역들에서 가능한 한 효율적인 실린더 충전을 유도하는 흡기 및 배기 제어 시간이 설정될 수 있다.

Claims

내연기관(1)이 2개 이상의 캠축(8, 9, 10, 11)을 가지며, 상기 캠축(8, 9, 10, 11)에서 픽업된 신호로부터 내연기관(1)의 회전수, 상태, 또는 이들 모두가 도출되는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법에 있어서,
내연기관(1)의 회전수, 상태, 또는 이들 모두를 검출하기 위해 제1 캠축(11)만 이용되는 한편, 제2 캠축(8, 9, 10)에 의해 구동되는 내연기관(1)의 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)의 가변 밸브 트레인을 조정하기 위해 제2 캠축(8, 9, 10)의 회전각이 조정되는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 캠축(11)은 내연기관(1)에 의해 구동되는 크랭크축(5)에 대하여 기준 위치를 취하며, 크랭크축(5)에 대한 사전 설정 변속비로 회전하고, 상기 캠축(11)의 회전 운동이 캠축 센서(18)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 크랭크축(5)에 대하여 기준 위치에 위치하는 제1 캠축(11)이 내연기관(1)의 배기 밸브(7)를 개방하거나 폐쇄하며, 회전 운동을 제공받은 제2 캠축(8, 9, 10)은 내연기관(1)의 흡기 밸브(6)를 개방하거나 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 2개 이상의 캠축(8, 9, 10, 11)을 이용하는 경우 제1 캠축(11)만이 크랭크축(5)에 대한 기준 위치에 고정되고, 나머지 캠축(8, 9, 10)은 그 회전각이 조정되는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제4항에 있어서, 캠축(8, 9, 10)의 회전각의 조정은 캠축 센서(18)를 통해 검출되는 내연기관(1)의 회전수, 상태, 또는 이들 모두에 따라서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제5항에 있어서, 상기 회전각 조정 시 크랭크축(5)에 의해 구동되는 캠축(8, 9, 10)이 크랭크축(5)에 대해 사전 설정된 위치로부터 이동됨으로써, 내연기관(1)의 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)의 제어 시간이 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 캠축(8, 9, 10)의 조정은 제2 캠축(8, 9, 10)의 조정 범위 내에서 사전 설정된 2개의 고정 회전각 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 캠축(8, 9, 10)의 조정은 캠축(8, 9, 10)의 조정 범위 내에서 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 방법.
내연기관(1)이 2개 이상의 캠축(8, 9, 10, 11)을 가지며, 상기 캠축 회전에서 픽업된 신호로부터 내연기관(1)의 회전수, 상태 또는 이들 모두가 검출되는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 장치에 있어서,
내연기관(1)의 회전수, 상태, 또는 이들 모두를 검출하기 위해 제1 캠축(11)만 이용되는 한편, 제2 캠축(8, 9, 10)에 의해 구동되는 내연기관(1)의 흡기 또는 배기 밸브(6, 7)의 가변 밸브 트레인을 조정하기 위해 제2 캠축(8, 9, 10)의 회전각을 조정하는 수단(16, 20)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 장치.
제9항에 있어서, 제1 및 제2 캠축(8, 9, 10, 11)의 각각의 회전 운동은 제어 장치(16)에 의해 제어되며, 크랭크축(5)에 대한 기준 위치로 제1 캠축(1)을 조정하는 상기 제어 장치(16)는 제1 캠축(11)의 회전 운동을 검출하는 캠축 센서(18)와 연결되어 있으며, 제어 장치(16)는 상기 회전 운동으로부터 내연기관(1)의 회전수,상태, 또는 이들 모두를 검출하며 검출된 내연기관(1)의 회전수에 기초하여 제2 캠축(8, 9, 10)과 연결된 조정 장치(20)를 제2 캠축(8, 9, 10)의 회전각의 회전을 위해 제어하는 것을 특징으로 하는, 크랭크축 센서의 고장 시 내연기관의 작동 장치.