KR20030067856A - 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치및 그 제어방법 - Google Patents

가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

서지탱크로부터 발생되는 부압을 축적하여 기구적으로 VCM 밸브를 엔진의 운전조건에 맞게 작동시킴으로서 제작원가를 줄이며, 동시에 기구적인 조작에 의하여 상기 VCM 밸브를 작동시킬 수 있도록 하여 제어가 간단하게 이루어질 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치 및 그 제어방법을 제공할 목적으로,
흡기 매니폴드의 각 포트를 관통하여 설치되는 회전축과; 상기 흡기 매니폴드의 외부 일측에서 상기 회전축의 일 선단에 장착되는 회전레버와; 상기 흡기 매니폴드의 일측 포트 내에서 상기 회전축 상에 장착되는 VCM 밸브와; 상기 회전레버의 일 선단에 연결되어 부압에 의해 작동하여 상기 회전레버를 회전축을 중심으로 회전 작동시키는 부압 액츄에이터와; 상기 흡기 매니폴드와 연결되는 서지탱크의 일측에서 흡기 매니폴드에서 생성되는 부압을 축적하는 부압챔버와; 상기 부압챔버와 부압 액츄에이터를 연결하는 부압관로 상의 일측에 장착되어 제어신호에 따라 상기 부압 액츄에이터에 부압 또는 대기압이 선택적으로 공급될 수 있도록 하는 제어밸브와; 엔진회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호에 따라 상기 제어밸브에 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치를 제공한다.

Description

가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치 및 그 제어방법{A VARIABLE CHARGE MOTION VALVE CONTROL DEVICE FOR GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINES AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서지탱크로부터 발생되는 부압을 축적하여 기구적으로 VCM 밸브를 엔진의 운전조건에 맞게 작동시킴으로서 제작원가를 줄이며, 동시에 기구적인 조작에 의하여 상기 VCM 밸브를 작동시킬 수 있도록 하여 제어가 간단하게 이루어질 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션밸브 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; 이하 'GDI'라 함) 엔진은 공기만이 연소실 내로 흡입되고, 연료는 전자적으로 정밀하게 제어되는 인젝터에 의해 연소실로 직접 분사되는 것으로, 이 방식은 균일 혼합기는 물론, 성층 혼합기의 형성을 가능하게 하여 고출력과 저연비를 동시에 달성하게 한다.
즉, 가솔린 직접 분사 엔진은 이론 공연비, 희박 운전영역, 초희박 운전영역의 3가지 영역이 존재하며, 이상적으로 초희박 운전 영역만을 추구하나, 실제 차속이 일정 이하이고, 수온이 일정 이하일 때는 운전의 안정성을 위해 이론 공연비 운전을 유지해야 하고, 이론 공연비 영역과 초희박 운전영역의 중간에 희박 운전영역을 만들어 양 영역을 자주 왕복하는 것에 대한 충격을 최소화해야 한다.
한편, 멀티 포인트 분사(Multi Point Injection; 이하 'MPI'라 함)용 전자 제어 시스템(Electronic Management System; 이하 'EMS'라 함)은 쓰로틀링을 통한 제어로서 VCM 밸브(Variable Charge Motion 밸브 ; 이하 VCM 밸브라 함.)를 선택적으로 사용하나, 가솔린 직접 분사 엔진(GDI)의 전자 제어 시스템(EMS)는 인젝터를 통한 연료량 제어로서 흡기 유동의 정도를 제어하기 위해서 VCM 밸브를 사용하여야 한다.
여기서, 상기 VCM 밸브는 흡기 유동을 스월 또는 텀블 타입으로 연소실에 공급하기 위한 스월 컨트롤 밸브(Swirl Control Valve; SCV) 또는 텀블 컨트롤 밸브(Tumble Control Valve; MCV)를 통칭하는 명칭으로 규정한다.
즉, MPI 엔진에서의 VCM 밸브는 필요에 따라 린번 엔진 등에서 선택적으로사용되며, 그의 작동 수준은 오픈/클로즈 2단계에 불과하나, GDI 엔진에서의 VCM 밸브는 초희박 운전시 적정한 흡기 유동을 강화하기 위해 반드시 사용되어야 하고, 또한 VCM 밸브의 제어도 오픈과 클로즈를 복수개의 단계로 나누어 세밀하게 제어되어야 한다. 이러한 이유로는 초희박 운전에서는 엔진의 부하와 속도에 따라 달리하는 값을 지녀야 하기 때문에 적정한 유동을 만들어 주어야 한다.
도 3은 종래 기술에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 VCM 밸브(SCV인 경우) 제어장치의 구성도로서, 흡기 매니폴드(101)에 설치되는 회전축(103)이 흡기 매니폴드(101) 외부 일측에 설치되는 구동모터(105)에 연결되며, 상기 흡기 매니폴드(101)의 일측 포트(107) 내에서 상기 회전축(103) 상에 SCV(109)가 장착되며, 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호에 따른 ECU(111)로부터의 제어신호에 의해 상기 구동모터(105)가 작동하여 SCV(109)를 개폐함으로서 흡기의 유동을 스월 타입으로 연소실(113)에 공급하게 되는 것이다.
미설명 부호 115와 117은 각각 서지탱크와 쓰로틀 유닛을 지칭한다.
그러나 상기한 바와 같은 구성의 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치에 의하면, VCM 밸브(즉, SCV)를 작동시키도록 DC모터로 구성되는 고가의 구동모터를 사용함에 따른 제작원가를 상승시키는 원인이 됨과 동시에, 구동모터의 작동을 정밀하게 제어하기 위한 제어로직이 복잡하게 되는 등의 문제점을 내포하고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본발명의 목적은 서지탱크로부터 발생되는 부압을 축적하여 기구적으로 VCM 밸브를 엔진의 운전조건에 맞게 작동시킴으로서 제작원가를 줄이며, 동시에 기구적인 조작에 의하여 상기 VCM 밸브를 작동시킬 수 있도록 하여 제어가 간단하게 이루어질 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치의 제어방법에 의한 작동 흐름도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치의 구성도이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 흡기 매니폴드의 각 포트를 관통하여 설치되는 회전축과; 상기 흡기 매니폴드의 외부 일측에서 상기 회전축의 일 선단에 장착되는 회전레버와; 상기 흡기 매니폴드의 일측 포트 내에서 상기 회전축 상에 장착되는 VCM 밸브와; 상기 회전레버의 일 선단에 연결되어 부압에 의해 작동하여 상기 회전레버를 회전축을 중심으로 회전 작동시키는 부압 액츄에이터와; 상기 흡기 매니폴드와 연결되는 서지탱크의 일측에서 흡기 매니폴드에서 생성되는 부압을 축적하는 부압챔버와; 상기 부압챔버와 부압 액츄에이터를 연결하는 부압관로 상의 일측에 장착되어 제어신호에 따라 상기 부압 액츄에이터에 부압 또는 대기압이 선택적으로 공급될 수 있도록 하는 제어밸브와; 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호에 따라 상기 제어밸브에 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 서지탱크와 부압챔버 사이에는 상기 서지탱크 내의 압력이 설정부압 이상일 때, 닫히도록 탄성계수가 설정된 체크밸브를 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 부압 액츄에이터는 부압챔버로부터 공급되는 부압에 의해 작동하는 다이아프램으로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 제어밸브는 부압챔버와 부압 액츄에이터 및 대기로 연결되는 3웨이 솔레노이드 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어방법은 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호를 수신하는 검출신호 수신단계와; 상기 단계로부터 수신한 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상인가를 판단하는 판단단계; 및 상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상이면, 부압 액츄에이터에 상기 부압챔버로부터의 부압이 걸리도록 제어밸브를 작동시키는 단계와; 상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 미만이면, 부압 액츄에이터에 상기 대기압이 걸리도록 제어밸브를 작동시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치의 구성도로서, 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치의 구성은 흡기 매니폴드(1)의 각 포트(5,7)를 관통하여 회전축(3)이 설치되고, 회전축(3)은 상기 흡기 매니폴드(1)의 외부 일측에서 상기 회전축(3)의 일 선단에 회전레버(21)가 장착된다.
그리고 상기 흡기 매니폴드(1)의 일측 포트(7; 즉, 스트레이트 포트) 내에서 상기 회전축(3) 상에는 VCM 밸브(9)가 장착된다.
또한, 상기 회전레버(21)의 일 선단에는 부압에 의해 작동하여 상기 회전레버(21)를 회전축(3)을 중심으로 회전 작동시키는 부압 액츄에이터(23)가 그 작동로드(25)를 통하여 연결된다.
여기서 상기 부압 액츄에이터(23)는 부압에 의해 작동하는 다이아프램으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 흡기 매니폴드(1)와 연결되는 서지탱크(15)의 일측에는 흡기 매니폴드 (1)에서 생성되는 부압을 축적하는 부압챔버(27)가 장착되는데, 이 때, 상기 서지탱크(15)와 부압챔버(27) 사이에는 상기 서지탱크(15) 내의 압력이 설정부압(약 -0.5bar) 이상일 때, 닫히도록 탄성계수가 설정된 체크밸브(29)가 설치된다.
따라서 엔진의 시동시나 아이들 또는 저부하 운전영역에서 상기 서지탱크 (15) 내에 부압이 크게 걸리면(즉, -0.5bar 미만으로 걸리면), 상기 체크밸브(29)가 열려 부압챔버(27) 내에 부압이 축적된다.
그리고 상기 부압챔버(27)와 부압 액츄에이터(23)를 연결하는 부압관로(31) 상의 일측에는 제어신호에 따라 상기 부압 액츄에이터(23)에 부압 또는 대기압이 선택적으로 공급될 수 있도록 하는 제어밸브(33)가 장착된다.
이 때, 상기 제어밸브(33)는 상기 부압챔버(27)와 부압 액츄에이터(23) 및 대기로 각각 연결되는 3웨이 솔레노이드 밸브로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호에 따라 상기 제어밸브(33)에 제어신호를 출력하는 제어부로서 ECU(11)가 그 기능을 수행하도록 한다.
이와 같은 구성을 갖는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치를 제어하기 위해서는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 먼저, 상기 ECU(11)가 엔진 회전수 센서(미도시) 및 APS 센서(미도시)로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호를 수신하게 된다(S10).
그러면, 상기 ECU(11)는 수신한 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상인가를 판단하게 되는데(S20), 상기 판단단계(S20)로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상이면, ECU(11)는 상기 부압 액츄에이터(23)에 상기 부압챔버(27)로부터의 부압이 걸리도록 제어밸브(33)를 작동시키게 된다(S30).
그러면, 상기 부압 액츄에이터(23)는 작동로드(25)를 통하여 회전레버(21)를 VCM 밸브(9)가 열리는 방향으로 회전시키게 되며, 이에 따라 엔진은 고속, 고부하의 운전을 수행할 수 있게되며, 이러한 상태에서 상기 VCM 밸브(9)는 연소실(13)로 흡입되는 흡입공기의 흡기압에 의해 열리거나 닫히는 양이 조절되면서 흡입 공기량이 흡기압에 의해 제어되는 것이다(S50).
또한, 상기 판단단계(S20)로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 미만이면, ECU(11)는 상기 부압 액츄에이터(23)에 대기압이 걸리도록 제어밸브(33)를 작동시키게 된다(S40).
그러면, 상기 부압 액츄에이터(23)는 작동로드(25)를 통하여 회전레버(21)를 VCM 밸브(9)가 닫히는 방향으로 회전시키게 되며, 이에 따라 엔진은 저속, 저부하의 운전을 수행할 수 있게 된다. 이러한 상태에서 상기 VCM 밸브(9)는 연소실(13)로 흡입되는 흡입공기의 흡기압에 의해 미량이나마 열리거나 닫히는 양이 조절되면서 흡입 공기량이 흡기압에 의해 제어되는 것이다(S50).
또한, 이 때, 상기 서지탱크(15)에서는 부압이 크게 발생하게 되며, 이 부압은 상기 부압챔버(27) 내에서 체크밸브(29)의 작동에 의하여 계속해서 축적되며, 이 때 축적된 부압은 상기한 바와 같이, 엔진이 고속, 고부하 영역에서 운전될 때, 사용할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치 및 그 제어방법에 의하면, 서지탱크로부터 발생되는 부압을 별도의 부압챔버에 축적하고, 이를 이용한 부압 액츄에이터의 작동에 의해 VCM 밸브를 엔진의 운전조건에 맞게 작동시킴으로서 고가의 구동모터 사용을 배제하여 제작원가를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 동시에 기구적인 조작에 의하여 상기 VCM 밸브를 작동시킴으로서 제어가 간단하다는 등의 효과가 있다.
또한, 고속, 고부하 및 저속, 저부하 등의 운전조건에 따라 상기 VCM 밸브의 개폐제어가 흡기압에 의해 미량 제어되어 연소 안정성을 확보하며, 연비개선 및 배기가스 저감 효과를 나타낸다.

Claims (5)

  1. 흡기 매니폴드의 각 포트를 관통하여 설치되는 회전축과;
    상기 흡기 매니폴드의 외부 일측에서 상기 회전축의 일 선단에 장착되는 회전레버와;
    상기 흡기 매니폴드의 일측 포트 내에서 상기 회전축 상에 장착되는 VCM 밸브와;
    상기 회전레버의 일 선단에 연결되어 부압에 의해 작동하여 상기 회전레버를 회전축을 중심으로 회전 작동시키는 부압 액츄에이터와;
    상기 흡기 매니폴드와 연결되는 서지탱크의 일측에서 흡기 매니폴드에서 생성되는 부압을 축적하는 부압챔버와;
    상기 부압챔버와 부압 액츄에이터를 연결하는 부압관로 상의 일측에 장착되어 제어신호에 따라 상기 부압 액츄에이터에 부압 또는 대기압이 선택적으로 공급될 수 있도록 하는 제어밸브와;
    엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호에 따라 상기 제어밸브에 제어신호를 출력하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 서지탱크와 부압챔버 사이에는
    상기 서지탱크 내의 압력이 설정부압 이상일 때, 닫히도록 탄성계수가 설정된 체크밸브를 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 부압 액츄에이터는
    부압챔버로부터 공급되는 부압에 의해 작동하는 다이아프램으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제어밸브는
    부압챔버와 부압 액츄에이터 및 대기로 연결되는 3웨이 솔레노이드 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어장치.
  5. 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호를 수신하는 검출신호 수신단계와;
    상기 단계로부터 수신한 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상인가를 판단하는 판단단계; 및
    상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 이상이면, 부압 액츄에이터에 상기 부압챔버로부터의 부압이 걸리도록 제어밸브를 작동시키는 단계와;
    상기 판단단계로부터 엔진 회전수 및 엑셀러레이터 페달의 개도량 신호가 설정값 미만이면, 부압 액츄에이터에 상기 대기압이 걸리도록 제어밸브를 작동시키는 단계와;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 가변 차지 모션 밸브 제어방법.
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