KR20030037504A - 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는밸브구동시스템 및 그를 위한 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 터보차저 장착 차량의 저속운전 구간에서의 가속성 저하현상을 방지할 수 있는 흡배기 밸브구동시스템을 제공하는 데 있다.

이를위해 본 발명은 터보차저 장착차량에 있어서,

흡배기 포트를 개폐하는 밸브와;

상기 밸브의 상부로 연장된 밸브스템에 고정된 원판형의 아마추어와;

상기 아마추어의 하부로 실린더헤드에 의해 지지되도록 설치되어 여자시 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 하강시켜 포트를 여는 밸브열림 전자석과;

상기 아마추어의 상부로 상기 밸브열림 전자석과 대향되어 설치되어 여자시에 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 상승시켜 포트를 닫는 밸브 담힘 전자석과;

상기 밸브닫힘 전자석의 상부측으로 밸브스템에 고정되는 상부 스프링 리테이너와;

상기 밸브스프링 리테이너를 항상 밸브열림 방향으로 힘을 가하는 상부 리턴스프링과;

상기 밸브열림 전자석의 하부로 상기 밸브스템에 고정 장착된 하부 스프링 리테이너와;

상기 하부 스프링 리테이너를 항상 밸브닫힘 방향으로 힘을 가하는 하부 리턴스프링과;

상기 밸브의 개폐 타이밍에 맞추어 상기 밸브열림 및 닫힘 전자석을 제어하는 전자제어장치; 를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

터보차저엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템 및 그를 위한 제어방법{Valve driving system}

본 발명은 터보차저엔진의 가변밸브 타이밍에 의한 터보래그(Turbo rag) 저감을 위한 밸브구동시스템 및 그를 위한 제어방법에 관한 것이다.

전세계적으로 자동차에 대한 CO₂배출량의 규제가 강화되어 가는바 자동차 메이커들은 CO₂배출량 저감을 위해 많은 노력과 비용을 들이고 있다. 일반적으로 자동차 메이커들은 마찰저감, 희박연소, 터보차저를 이용한 다운사이징(Down sizing) 등의 기술을 사용하여 CO₂저감을 추구하고 있다. 이중 다운사이징 기술은 정속주행모드에서는 효과가 크나 가속주행모드에서는 가속성이 부족한 터보래그(Turbo rag)라는 기술적 문제에 봉착해 있다. 이로 인해 이 기술은 우수한 연비를 달성할 수 있음에도 불구하고 소비자들의 요구인 상쾌한 가속성능이라는 측면을 만족시키지 못하여 양산에 어려움을 겪고 있다.

따라서 이를 개선하기 위하여 웨이스트 게이트 터보(Waste gate turbo)나 가변노즐터보(Variable geometry turbo)와 같은 기술들이 사용되고 있다. 웨이스트 게이트 터보는 터보차져의 작동시 엔진속도를 낮게 설정하여 가속성능을 높이며, 높은 엔진속도에서의 과도한 부스트 압력은 웨이스트 게이트(Waste gate)를 열어서 배기가스를 바이패스시키므로서 부스트 압력을 일정하게 유지하는 구조이다. 이러한 웨이스트 게이트 터보(Waste gate turbo)를 더욱 발전시킨 것이 가변노즐터보(Variable geometry turbo)인데, 이것은 저속회전영역에서 과급기 작동에 충분한 배기가스량이 없을 때 터어빈의 노즐 면적을 조절하여 배기가스의 유속을 증대시키므로써 배기터빈의 에너지 회수를 크게 한 것이다. 이때 저속 토크 향상, 가속성능개선 등을 꾀할 수 있는데, 일반적으로 웨이스트 게이트 터보(Waste gate turbo)에 비하여 발진가속성능이 15% 정도 향상되는 것으로 알려져 있다.

그러나 웨이스트 게이트 터보와 가변노즐터보는 모두 엔진의 가속성능의 개선효과를 얻을 수 있으나 저속운전에서는 배기에너지가 부족하다는 근본적인 문제가 있어 충분한 가속성능을 기대할 수 없다. 따라서 저속에서의 가속성능에 있어서만큼은 공기가 과급되지 않는 자연흡기엔진보다 성능이 떨어지므로 가속성을 중요시하는 승용차량에 적용되기에는 문제가 있다.

이에따라 차량의 가속성능이 더욱더 개선된 기술의 필요성이 대두되고 있다.

터보차저 장착 차량의 경우 저속운전에서의 가속성 저하현상을 터보래그(Turbo rag)라고 부르는데 터보래그의 발생원인은 저속운전시에는 근본적으로 낮은 배기압력과 낮은 배기에너지로 인해 흡기를 압축할 에너지가 부족한데 기인하고 있다. 그러므로 저속에서의 배기에너지를 증대시켜 흡기를 충분히 압축시키는 방법이 필요하며, 이를 구현하는 방법으로는 조기에 배기밸브를 열게하는 방법이 있다. 그러나 일반엔진의 경우 캠에 의해 흡배기밸브를 구동하는 방식으로 밸브타이밍이 고정되어 있기 때문에 배기밸브의 열림시기를 빨리하면 정속주행에서의 연비가 급격히 나빠져 가속성만을 향상시키고자 이 방법을 사용할 수 없다는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은

터보차저 장착 차량의 저속운전 구간에서의 가속성 저하현상을 방지할 수 있는 흡배기 밸브구동시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

터보차저 장착차량에 있어서,

흡배기 포트를 개폐하는 밸브와;

상기 밸브의 상부로 연장된 밸브스템에 고정된 원판형의 아마추어와;

상기 아마추어의 하부로 실린더헤드에 의해 지지되도록 설치되어 여자시 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 하강시켜 포트를 여는 밸브열림 전자석과;

상기 아마추어의 상부로 상기 밸브열림 전자석과 대향되어 설치되어 여자시에 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 상승시켜 포트를 닫는 밸브 담힘 전자석과;

상기 밸브닫힘 전자석의 상부측으로 밸브스템에 고정되는 상부 스프링 리테이너와;

상기 밸브스프링 리테이너를 항상 밸브열림 방향으로 힘을 가하는 상부 리턴스프링과;

상기 밸브열림 전자석의 하부로 상기 밸브스템에 고정 장착된 하부 스프링리테이너와;

상기 하부 스프링 리테이너를 항상 밸브닫힘 방향으로 힘을 가하는 하부 리턴스프링과;

상기 밸브의 개폐 타이밍에 맞추어 상기 밸브열림 및 닫힘 전자석을 제어하는 전자제어장치; 를 포함하여 구성되어 있다.

도 1은 본 발명에 의한 터보차저엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템의 밸브닫힘 상태를 나타내는 도면

도 2는 본 발명에 의한 터보차저엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템의 밸브열림 상태를 나타내는 도면

도 3은 본 발명에 의한 터보차저엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템의 중립 상태를 나타내는 도면

도 4는 본 발명의 가변밸브 타이밍 제어를 위한 플로우챠트

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실린더헤드 2 : 포트(흡기,배기)

3 : 밸브 4 : 밸브스템

5 : 아마추어 6 : 밸브닫힘 전자석

7 : 밸브열림 전자석 8 : 상부 스프링 리테이너

9 : 스프링 지지판 10 : 상부 리턴스프링

11 : 하부 스프링 리테이너 12 : 하부공간

13 : 하부 리턴스프링 14 : 전자제어장치

15 : TPS 센서

이하 본 발명의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템의 밸브닫힘 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 동상 밸브구동시스템의 밸브열림 상태를 나타내는 도면이며, 도 3은 동상 밸브구동시스템의 밸브 중립 상태를 나타내는 도면이다.

도면중 부호 1은 실린더헤드이고, 부호 2는 배기포트(홉기포트)이며, 부호 3은 포트(2)를 개폐하는 밸브이다.

밸브(3)의 상부로 연장된 밸브스템(4)의 도중에는 원판의 아마추어(4)가 고정 장착되어 있으며, 아마추어(4)의 상하부에는 간격(t)을 두고 밸브닫힘 전자석(6)과 밸브열림 전자석(7)이 설치되어 여자시에 상기 아마추어(5)를 흡인하여 흡착하게 된다.

그리고 상기 밸브닫힘 전자석(6)의 상부로 밸브스템(4)에 상부 스프링 리테이너(8)의 상부측으로 실린더헤드(1)나 상부의 밸브 닫힘 전자석(6)에 의해 고정지지되는 스프링 지지판(9)이 구비되고, 그 스프링 리테이너(8)와 스프링 지지판(9)사이의 공간에 상기 스프링 리테이너(8)를 항시 밸브(3) 열림 방향으로 힘을 가하는 상부 리턴스프링(10)이 설치되어 있다.

또 상기 밸브열림 전자석(7)의 하부인 밸브스템(4) 도중에는 하부 스프링 리테이너(11)가 고정 장착되어 있으며, 그 하부공간(12)에 하부 리턴스프링(13)이 내장되어 있어, 상기 하부 스프링 리테이너(11)를 항상 상부로 밀러올려 밸브(3)가 닫히도록 힘을 가하고 있다.

여기서 상기 상하부측의 밸브닫힘 및 밸브열림 전자석(6)(7)의 자력과, 상하부 리턴스프링(10)(13)의 탄성력은 각각 상하가 동일하게 설정되어 있다.

이하 본 발명의 작동에 대하여 설명한다.

엔진이 구동되면(단계 가) 속도센서로부터 엔진 rpm 정보를, 그리고 TPS센서로부터 현재의 부하 상태를 검출한다(단계 나).

터보차저 엔진의 정속모드시의 적정 밸브 타이밍, 즉 밸브(3)의 개폐시기에 맞추어 상하의 밸브열림 및 닫힘 전자석(6)(7)을 온·오프 제어하는 밸브 타이밍과 엔진 가속 상태시의 배기밸브 타이밍의 가변적 변화량을 미리 전자제어장치(14)에 맵핑(Mapping)시켜 놓은 상태에서 TPS 센서(15)로부터 검출된 가속페달의 작동상태(트로틀밸브의 개도량에 의함)가 정속모드인가 이니면 가속모드인가를 전자제어장치(14)에서 비교판단한다(단계 다, 단계 라).

이에따라 정속모드로 판정되면 전자제어장치(14)는 맵핑되어 있는 일반밸브 타이밍에 맞추어 밸브(3)를 개폐, 즉 밸브(3)의 열림 시기에는 통상적 밸브타이밍에 맞추어 밸브열림 전자석(7)을 여자시켜 아마추어(5)를 흡인하여 밸브(3)를 하강시켜 포트(2)를 개방(포트가 흡기포트이면 흡기공기가 유입되고, 배기포트라면 배기가스가 배출되게 됨)하게 되며, 밸브(3)의 닫힘 시기에는 밸브닫힘 전자석(6)을 여자시켜 아마추어(5)를 흡인하여 밸브(3)를 상승시켜 포트(2)를 닫도록 제어하게 되는 것이다(단계 마).

그러나 만일 TPS 센서(15)로부터 검출된 정보가 가속모드, 즉 가속페달이 급격히 작동되고 있는 상태이면 이때 전자제어장치(14)는 밸브(이 경우의 밸브는 배기밸브를 말하는 것임) 열림시기를 정속모드보다 빠르게, 예를들면 25 ~ 35°정도 빠르게 열리도록 밸브열림 전자석(7)에 전원을 공급하여 여자시키므로서 밸브(3)가 정상모드의 경우보다 빨리 열려져 팽창 행정중의 고압의 가스가 미리 개방된 포트(2)를 통해 빠져나가게 되므로써 배기가스의 압력과 유속이 상승하여 터보차저의 과급능력을 높여 다음에 이어지는 흡기행정시 많은 흡기공기를 도입하여 엔진출력을 향상시켜 가속성능을 높일 수 있게 되는 것이다(단계 바).

다음에 엔진의 시동 오프중인가를 판단하여(단계 사) 아니라면 앞선 제어 과정을 반복 실행하고, 시동 오프중이라면 종료한다(단계 아).

도면 제 3 도는 밸브(3) 중립 상태로서 밸브(3)가 반쯤만 열린 상태인데 밸브 중립이 필요한 경우 전자제어장치(14)는 밸브열림 및 밸브닫힘 전자석(7)(6)을 모두 오프시키거나 또는 온시키도록 제어하게 되며, 양측의 전자석(6)(7)의 세기 및 상하부 리턴스프링(10)(13)의 세기가 상하 동일하며 아마추어(5)가 어느쪽에도 흡인되지 못하고 중립위치에 있게 되는 것이다.

이와같이 본 발명은 밸브에 대하여 자유로운 밸브타이밍을 설정할 수 있는바, 일정 실린더에 대해 일시적으로 밸브(3)를 열지않고 휴지시키는 기통휴지(Cylinder deactivation)도 가능한 장점이 있다.

이상과 같은 본 발명은 밸브를 개폐시 자력에 의해 밸브스템에 고정시킨 아마추어를 흡인하여 밸브를 개폐하게 되는 전자석을 아마추어의 상하에 설치하고, 전자제어장치로 하여금 전자석의 여자 상태를 엔진운전 조건에 따라 선택적으로 제어하게 되는 것에 의해서, 터보차저 엔진이 정속모드시엔 정상적인 밸브 타이밍에 맞추어 밸브가 개폐되도록 전자석을 제어하여 높은 연비를 달성하며, 가속모드시엔 배기밸브의 개방 타이밍이 정상모드시보다 앞당겨지도록 전자석을 제어하므로써 가속성능을 높이게 되는 효과가 있다.

이에따라 터보래그 현상을 저감하여 자연흡기 엔진만큼의 좋은 가속성능을 얻을 수 있으며, 작은 엔진으로 큰 엔진을 대체할 수 있어 연비 및 배기가스 저감을 도모할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 터보차저 장착차량에 있어서,

   흡배기 포트를 개폐하는 밸브와;

   상기 밸브의 상부로 연장된 밸브스템에 고정된 원판형의 아마추어와;

   상기 아마추어의 하부로 실린더헤드에 의해 지지되도록 설치되어 여자시 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 하강시켜 포트를 여는 밸브열림 전자석과;

   상기 아마추어의 상부로 상기 밸브열림 전자석과 대향되어 설치되어 여자시에 상기 아마추어를 흡인하여 상기 밸브를 상승시켜 포트를 닫는 밸브 담힘 전자석과;

   상기 밸브닫힘 전자석의 상부측으로 밸브스템에 고정되는 상부 스프링 리테이너와;

   상기 밸브스프링 리테이너를 항상 밸브열림 방향으로 힘을 가하는 상부 리턴스프링과;

   상기 밸브열림 전자석의 하부로 상기 밸브스템에 고정 장착된 하부 스프링 리테이너와;

   상기 하부 스프링 리테이너를 항상 밸브닫힘 방향으로 힘을 가하는 하부 리턴스프링과;

   상기 밸브의 개폐 타이밍에 맞추어 상기 밸브열림 및 닫힘 전자석을 제어하는 전자제어장치; 를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진의가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 밸브열림 및 닫힘 전자석과 상하부 리턴스프링간의 세기는 동일하게 설계되는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전자제어장치는 트로틀밸브의 개도량을 검출하는 TPS 센서에 의해 정속모드인가 가속모드 상황인가에 따라 상기 전자석들을 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전자제어장치는 TPS 로부터 검출된 정보가 가속모드일 때에는 배기밸브가 빨리 열리도록 밸브개방 전자석을 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전자제어장치는 밸브중립시 상기 밸브열림 및 닫힘 전자석을 동시에 오프하거나 온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터보차저 엔진의 가변밸브 타이밍을 가지는 밸브구동시스템.
6. 정속 운전 모드시의 적정 밸브타이밍과 가속 운전 모드시의 배기밸브타이밍의 변화량을 전자제어장치에 미리 맵핑시켜 놓는 단계와;

   엔진의 시동되면 TPS 신호를 분석하여 정속 운전 모드인가 아니면 가속운전모드인가를 판단하는 단계와;

   정속 운전 모드이면 일반밸브타이밍으로 운전하며, 가속운전모드이면 배기밸브의 열림 시기를 정속 운전 모드보다 30°정도 빠르게 제어하는 단계;

   로 이루어져 가속운전시 터보래그를 저감시키게 되는 것을 특징으로 하는 가변밸브타이밍 제어방법.