KR20040002564A - 속도 범위에 대해서 가변 캠축 타이밍의 위상 에러를보상하기 위한 방법 - Google Patents

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대니알. 테일러
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보그워너 인크.
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Abstract

본 발명은 내연기관의 가변 캠 타이밍을 보상하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 주기적인 크랭크 펄스 신호(62)를 제공하는 단계와; 주기적인 캠 펄스 신호(66)를 제공하는 단계와; 내연기관 속도가 Z 위상 값에서 휘발성 변화를 유도하는 세그먼트를 결정하는 단계와; 세그먼트를 서브-세그먼트로 분할하는 단계와; 서브 세그먼트들 내의 복수의 지점들의 Z 위상 값(90)들을 계산하는 단계를 포함한다.

Description

속도 범위에 대해서 가변 캠축 타이밍의 위상 에러를 보상하기 위한 방법{Compensating for VCT phase error over speed range}
본 발명은 가변 캠축 타이밍(VCT) 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 속도 범위에 대해서 VCT 위상 에러를 보상하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 배경을 검토할 때, 본원에서 참고로 합체된 하기 미국 특허에 기재된 정보를 참고하는 것이 유용하다.
미국 특허 제 5,002,023호는 실린더 중의 하나로부터 다른 하나로 또는 그 반대방향으로 유압 오일을 선택적으로 전달하여, 캠축의 원주방향 위치를 크랭크 축에 대해 전진(advance) 또는 지연(retard)시키기에 적절한 유압 오일 유동 부재들을 갖는 한 쌍의 반대방향으로 작동하는 유압 실린더들을 포함하는 본 발명의 분야 내의 VCT 시스템을 설명한다. 제어 시스템은 반대방향으로 작동하는 실린더들의 하나 또는 다른 하나로부터 유압 오일이 밸브 내의 스풀(spool)을 그 중앙 또는 영점(null) 위치로부터 한 방향 또는 다른 방향으로 이동하여 배출될 수 있는 제어 밸브를 사용한다. 스풀의 이동은 일 단부에서의 유압력과 다른 단부에서의 반대방향의 기계적 힘 간의 관계와 스풀의 일 단부에서의 제어 유압(Pc)의 증가 또는 감소에 반응하여 일어나며, 상기 기계적 힘은 상기 다른 단부에 작용하는 압축 스프링으로 인한 것이다.
미국 특허 제 5,107,804호는 시스템의 유압 장치가 상술한 미국 특허 제 5,002,023호에 의해 설명된 반대방향으로 작용하는 실린더들을 대체하는 밀폐된 하우징 내의 로브(lobe)를 갖는 베인(vane)을 포함하는, 본 발명의 분야 내의 다른타입의 VCT 시스템을 설명한다. 베인은 하우징에 대해 진동할 수 있고, 적절한 유압 유동 부재들이 하우징 내의 유압 오일을 로브의 일 측면으로부터 다른 측면으로, 또는 그 반대방향으로 전달하여, 베인을 하우징에 대해 일 방향 또는 다른 방향으로 진동시키고, 이 작용은 크랭크축에 대한 캠축의 위치를 전진 또는 지연시키는데 효과적이다. 이 VCT 시스템의 제어 시스템은 미국 특허 제 5,002,023호에 설명된 것과 동일하며, 그 스풀 밸브에 작용하는 동일한 타입의 힘들에 응답하는 동일한 타입의 스풀 밸브를 사용한다.
미국 특허 제 5,172,659호 및 제 5,184,578호는 모두 스풀의 일 단부에 대해 작용하는 유압력과 다른 단부에 대해 작용하는 기계적 힘의 균형을 맞추려하는 시도에 의해 형성된 상술한 타입의 VCT 시스템의 문제들을 처리한다. 미국 특허 제 5,172,659호 및 제 5,184,578호 모두에 공개된 개선된 제어 시스템은 스풀의 양단부에서 유압력을 사용한다. 일 단부에서의 유압력은 전에 유압력(Ps)에서의 엔진 오일 갤러리(gallery)로부터 직접 가해지는 유압 오일로 인한 것이다. 스풀의 다른 단부에서의 유압력은 유압 실린더 또는 다른 배력기(force multiplier)로 인한 것이며, 이는 PWM 솔레노이드로부터의 감소된 압력(Pc)의 시스템 유압 오일에 반응하여 작용한다. 스풀의 대향 단부들 각각에서의 힘이 동일한 유압 오일에 근거한 초기의 유압이기 때문에, 유압 오일의 점성 또는 압력 변화는 자동 소멸(self-negating)되고, 스풀의 중앙 또는 영점 위치에 영향을 미치지 않는다.
미국 특허 제 5,289,805호는 높은 등급의 견고성(robustness)을 갖는 규정된 세팅점 추적 거동을 보이는 개선된 제어 알고리즘과 유압 PWM 스풀 위치 제어를 사용하는 개선된 VCT 방법을 제공한다.
미국 특허 제 5,361,735호에서, 캠축은 비-진동 회전을 위해 일 단부에 고정된 베인을 갖는다. 캠축은 타이밍 벨트 종동 풀리를 가지며, 이는 캠축과 함께 회전할 수 있지만, 캠축에 대해 진동할 수 있다. 베인은 풀리의 대향하는 리세스 내에 각각 수용된 대향 로브들을 갖는다. 캠축은 그 정상 중에 겪는 토크 펄스들에 반응하여 변하는 경향이 있고, 엔진 제어 유닛으로부터의 신호에 반응하여 제어 밸브의 밸브 본체 내의 스풀의 위치를 제어하여 리세스로부터의 엔진 오일의 유동을 선택적으로 차단하거나 또는 허용하여 전진 또는 지연될 수 있다. 스풀은 바람직하게는 스테퍼(stepper) 모터 타입인 전기 모터에 의해 회전되는 회전 선형 운동 전달 수단에 의해 주어진 방향으로 밀린다.
미국 특허 제 5,497,738호는 VCT 시스템의 이전 실시예들에 의해 사용되는 전체 유압(Ps)의 엔진 오일 갤러리로부터 직접 가해지는 유압 오일로 인한 스풀의 일단부에서의 유압력을 제거하는 제어 시스템을 도시한다. 통기된(vented) 스풀의 다른 단부에서의 힘은 바람직하게는 가변력 솔레노이드 타입인, 전자기 액추에이터로 인한 것이며, 이 액추에이터는 다양한 엔진 매개변수들을 모니터링하는 엔진 제어 유닛("ECU")으로부터 발생된 전자 신호에 반응하여 통기된 스풀에 직접 작용한다. ECU는 캠축 및 크랭크축 위치들에 대응하는 센서로부터 신호들을 수신하며, 상대 위상각을 계산하는데 이 정보를 사용한다. 바람직하게는 모든 위상각 에러를 보정하는 폐쇄 루프 피드백 시스템이 사용된다. 가변력 솔레노이드를 사용하면 둔한 동적 반응의 문제가 해결된다. 이러한 장치는 스풀 밸브의 기계적 반응이 가능한한 빠르게, 그리고 종래의 (전체 유압식) 차압 제어 시스템보다 확실히 빠르도록 설계될 수 있다. 보다 빠른 반응은 증가된 폐쇄 루프 이득(gain)을 사용할 수 있게 하여, 시스템이 구성요소 공차(component tolerance)와 작동 환경에 덜 민감하게 된다.
또한, 가변 캠축 타이밍(VCT) 시스템을 제어하기 위하여 네가티브 피드백 루프(negative feedback loop)를 사용하는 것이 당기술에 공지되어 있다. 미국 특허 제 5,289,805호에는 가변 캠축 타이밍(VCT) 시스템을 위한 개선된 폐쇄 루프 피드백 시스템이 기재되어 있다. 이 특허는 또한 가변 캠축 타이밍(VCT) 시스템을 위한 폐쇄 루프 피드백 시스템에 사용되는 견고한 제어 로우(control law)를 공개하고 있다. 상기 제어 로우는 위상 통합(phase integration;PI) 블록과 위상 안내 블록을 포함한다. 도 1 및 도 1a는 피드백 루프와 제어 로우를 각각 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래기술의 폐쇄 루프 피드백 시스템(10)이 도시되어 있다. 피드백 루프(10)의 제어 목적은 정확한 위상[세팅점(12)]에서 VCT 페이저를 갖는 것이며 위상 변화 속도는 0이다. 이 상태에서, 스풀 밸브(14)는 영점 위치에 있으며 페이저(도시생략)의 두 유체 유지 챔버 사이에는 유체가 유동하지 않는다. VCT 메커니즘의 동적 상태를 사용하는 제어 컴퓨터 프로그램 제품이 상술한 상태를 이루는데 사용되었다.
VCT 폐쇄 루프 제어 메커니즘은 캠축 위상 변화(θ0; 16)를 측정하고 원하는 세팅점(r; 12)에 이를 비교하여 이루어진다. VCT 메커니즘은 결국 세팅점(r; 12)에 의해 정해지는 위치를 페이저가 취하도록 조정된다. 제어 로우(18; control law)은 세팅점(12)을 위상 변화(θ0; 16)에 비교한다. 비교 결과는 솔레노이드(20)가 스풀(14)을 위치시키는 명령을 발령하는 기준으로서 사용된다. 이렇게 스풀(14)을 위치시키는 것은 위상 에러[세팅점(r; 12), 위상 변화(θ0; 16)]가 0이 아닐 때 발생한다.
위상 에러가 포지티브(positive)(지연)이면 스풀(14)이 제 1 방향(예를 들어, 우측)으로 이동하고, 위상 에러가 네가티브(전진)이면 제 2 방향(예를 들어, 좌측)으로 이동한다. 외상 에러가 0일 때, VCT 위상은 세팅점(r;12)과 같아, 스풀(14)이 영점 위치에 있게 되어 스풀 밸브 내에 유체가 유동하지 않는다.
VCT 시스템에서의 캠축과 크랭크축 측정 펄스들은 각각 캠축과 크랭크축 펄스 휠(22, 24; pulse wheel)에 의해 생성된다. 캠축(도시되지 않음)과 크랭크축(역시, 도시되지 않음)이 회전할 때, 휠(22, 24)들도 이를 따라 회전한다. 휠(22, 24)은 센서들에 의해 생성된 측정 펄스에 따라 센서에 의해 감지 및 측정될 수 있는 톱니 형태(teeth)를 갖는다. 측정 펄스들은 각각 캠축 및 크랭크축 측정 펄스 센서(22a, 24a)에 의해 검출된다. 감지된 펄스들은 위상 측정 장치(26)가 사용한다. 그 다음에, 측정 위상차가 정해진다. 위상차는 연속적인 크랭크 펄스들 사이의 시간으로 나누고 연속적인 크랭크 펄스들(각도에서)에 대응하는 각 거리를 곱한연속적인 크랭크-대-캠(crank-to-cam) 펄스들로부터의 시간으로 규정된다. 다시 말해서, 각도 위치 차이는 캠축과 크랭크축 사이의 거리로 기술된다. 측정된 위상차는 θ0(16)로서 표현될 수 있다. 이 위상차는 그때 원하는 스풀 위치에 도달하도록 제어 로우(18)에 공급된다.
도 1 및 도 1a와 관련하여, 폐쇄 루프(10)의 제어 로우(18)가 미국 특허 제 5,184,578호에 기재되어 있으며 본원에서 참고로 합체되었다. 제어 로우의 단순화된 설명은 도 1a에 도시된다. 측정 위상(26)은 비례적인 위상 통합(PI) 공정이 발생하는 블록(30)에서 초기에 제어 로우(18)에 종속된다. 통상적으로, 위상 통합(PI) 공정은 두 서브 공정으로 분할된다. 제 1 서브-공정은 확대 조치를 포함하고; 제 2 서브 공정은 통합 조치를 포함한다. 측정된 가변 캠축 타이밍(VCT) 위상은 블록(32)에서 추가로 위상 보상된다.
위상 보상기(32)에 대해서, 가변 캠축 타이밍(VCT)에 대해서 사용된 엔진의 속도 범위에 대한 위상 측정 변화로 인하여, 위상 측정 변화를 자동으로 조정하기에 적합한 방법을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 감지를 목적으로 사용된 가변 저항 센서로 인하여, 바람직하지 않은 에러성 위상 변화를 보상하는 방법을 실행하는 것이 필요하다. 시험에 기초하여, 엔진 속도가 500 내지 6000rpm 범위에 있는 동안, 위상은 크랭크축 위치에 대해서 8도 내지 1도의 범위로 변동할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 위상 변동량은 페어저에서 다른 페이저에 따라 변화되므로, 방법에서 고정된 표는 에러값을 단지 평균한 것이다. 따라서, 엔진 제어 유닛(ECU)에서 사용하기 위하여 저장된 보정을 위한 한 세트의 소정값과 같은 여러 엔진 속도들에서 위상 보상을 자동으로 실행하는 방법을 가지는 것이 바람직하다.
가변 캠 타이밍(VCT) 시스템에 있어서, 본 방법은 여러 유형의 엔진의 속도 범위에 대하여 위상 측정의 부정확성을 보상하기 위하여 제공된다.
따라서, 내연기관의 가변 캠 타이밍을 보상하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 주기적인 크랭크 펄스 신호를 제공하는 단계와; 주기적인 캠 펄스 신호를 제공하는 단계와; 내연기관 속도가 Z 위상 값에서 휘발성 변화를 유도하는 세그먼트를 결정하는 단계와; 세그먼트를 서브-세그먼트로 분할하는 단계와; 서브 세그먼트들 내의 복수의 지점들의 Z 위상 값들을 계산하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래기술의 제어 루프를 도시한 도면.
도 1a는 도 1의 부분을 더욱 상세하게 도시한 도면.
도 2는 크랭크 펄스의 시퀀스와 캠 펄스 사이의 관계를 도시하는 타이밍 다이애그램.
도 3은 도 2의 타이밍 다이애그램을 더욱 상세하게 도시한 도면.
도 4는 Z 위상값과 엔진 속도 사이의 관계를 도시하는 다이애그램.
도 5는 본 발명의 플로우차트.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
22a: 센서24a: 센서
62: 크랭크 펄스64: 캠 펄스
90: Z 위상 값92: 곡선
도 2 내지 도 5에서, 본 발명을 실행하는 일반적인 방법이 도시된다. 도 2에 있어서, 주기적인 크랭크 펄스(62)의 시퀀스와 주기적인 캠 펄스(64)의 시퀀스 사이의 펄스 관계(60)가 도시된다. 크랭크 펄스(62)는 인접 펄스들의 폴링 에지(falling edge) 사이의 시간으로 규정된 주기(T)를 가진다. 크랭크 펄스(62)의 상기 폴리 에지(68)와 캠 펄스의 폴링 에지(66) 사이의 시간은 △T으로 규정된다.
VCT 위상 계산 방법은 하기와 같이 기재된다:
위상 = (△T/T * 크랭크각) - Z 위상
여기서:
위상은 크랭크 위치에 대한 각도의 위상을 표시한다.
△T은 마이크로초 또는 부분적인 마이크로초로 측정된, 폴링 에지의 크랭크 톱니형 신호(68)에서 다음 폴링 에지의 캠 톱니형 신호(66)까지의 시간이다.
T는 마이크로초 또는 부분적인 마이크로초로 측정된, 2 적용가능한 연속적인 크랭크 톱니 폴링 에지의 신호 사이의 시간이고, 항상 △T 보다 크다.
크랭크각 = 360/적용가능한 균일하게 이격된 크랭크 톱니의 수
보기: 2 크랭크 톱니에 대해서, 크랭크각 = 180 도. 3 크랭크 톱니에 대해서, 크랭크각 = 120도. 4 크랭크 톱니에 대해서, 크랭크각 = 90도. Z위상 또는 0 위상은 런 타임 계산 오프셋 값이다. 눈금측정은 오퍼레이터 또는 소프트웨어로 개시될 수 있다.
캠 센서 휠 상의 톱니 수는 크랭크축 센서 휠 상의 "측정 톱니"의 수의 두배이어야 한다. "측정 휠" 보다 크랭크축 센서 휠 상의 톱니가 많을 수 있다. 그러나, 크랭크축 상의 톱니 수는 통합 요소일 필요가 있다. 예를 들어, 36개의 실제 톱니를 갖는 크랭크 센서에서, 4개는 "측정 톱니"이다. 다시 말해서, 위상 측정은 소프트웨어의 모든 9번째 톱니에서 개시될 수 있으며, 36/9 = 4이다. 이것은 크랭크 센서 휠이 단지 4개의 톱니를 가지는 것과 같이 동일하고 상기 방법은 8개의 톱니를 갖는 캠 센서 휠과 양호하게 작용한다.
Z 위상 값은 상술한 식으로부터 계산된 위상이다. Z 위상을 0으로 하고 알려진 위치[예를 들어, 충분한 전진(advance)]로 명령된 페이저(phaser)를 가짐으로써, Z 위상 값이 얻어질 수 있다. Z위상은 실행중일 때, 크랭크 센서 휠에 대한캠 센서 휠 얼라인먼트의 측정값이다.
Z 위상 눈금측정 방법은 수학적으로 캠 톱니형 신호[또는 펄스(64)]가 크랭크 신호[또는 펄스(62)] 다음에 발생하고 그리고 윈도우[또는 타임 세그먼트] 내에서 제 1 및 제 2 크랭크 톱니형 신호(68,70)에 의해서 각각 제공된다는 것을 보장한다. 상기 눈금측정 동작의 결과는 수학적인 위상 측정이 2 적당한 크랭크 톱니형 신호들 사이에서 발생하도록, 상기 제시된 바와 같이, 계산된 위상으로부터 차감된다. VCT 시스템에서 크랭크 및 캠축 사이에서 정확한 위상 관계를 유지하기 위하여, 특수한 엔진 속도의 충분히 정확한 Z 위상 값은 ECU와 같은 제어기에 의해서 알려질 필요가 있다. Z위상이 위상 계산에서 사용되지 않는다는 것을 가정하면, 위상 측정은 캠 톱니형 신호[또는 펄스(66)]가 제 2 크랭크 톱니형 신호[또는 펄스(70)]와 교차하는 "크로스 오버(cross over)" 위치를 가질 수 있다. 이러한 상황이 발생하면, 위상 측정은 각도가 "높은 값에서 낮은 값으로 "롤 오버(roll over)"된다. 이 롤 오버는 측정의 정확도를 명백하게 손상시키므로, 바람직하지 않다.
도 3에 도시된 바와 같이, 펄스(66)와 같은 각 캠 펄스에 대하여, 페이저 측정은 완전 전진 위치(advance position)에서 개시되어 완전 지연 위치(retard position)에서 종결되는 범위 내에서만 정확하다. 펄스(66)의 파선 및 화살표는 펄스(66)의 이동을 표시한다.
정확한 측정을 얻기 위하여, 펄스(66)에 대한 이동 범위는 도 3에 도시된 바와 같이, 완전 전진 위치와 완전 지연 위치 내에 있어야 한다.
Z위상 눈금측정은 3초와 같은 소정 시간 주기 동안 흡기 및 배기 솔레노이드 모두를 0으로 함으로써 실행된다. 보기에서, 배기 캠 페이저는 완전 전진 위치로 이동하고 흡기 캠 페이저는 완전 지연 위치로 이동한다. 3초의 보기에서, 2초 이후에 또는 잔여 1초 동안, 연속적인 위상 측정이 행해지고 최하값은 각 페이저에 대하여 저장된다.
배기 캠에 대해서,2.5도 내지 5도와 같은 작은 각도가 차감되고 측정값은 배기 Z 위상 값이 된다. 흡기 캠에 대해서, 각 페이저의 이동의 충분한 범위에 대응하는 57.5도 내지 60도와 같은 값의 넓은 범위가 차감되고 상기 값들은 흡기 Z 위상 값들이 된다.
속도 범위에 대해서 센서 신호 래그(sensor signal lag)를 보상하기 위하여, 다른 RPM 범위에서 취한 여러 Z 위상 값들을 가지는 것이 필요하다. 상기 Z 위상 값들은 제어기에 알릴 필요가 있다. 예를 들어, 값들은 VCT 유닛들을 제어할 때, 마이크로-제어기의 EEPROM 메모리에 저장될 수 있다. 이것은 500 내지 6000 RPM 사이와 같은 속도 범위에 대해서 엔진을 작동시킴으로써 달성된다. 제어기는 각 500RPM 임계값 또는 단계를 인식할 필요가 있으며, [25RPM의 허용 오차와 같은 어떤 오차를 가질 수 있다] 그리고 각 페이저에 대한 지점에서 Z위상을 계산한다. 각 페이저에 대한 Z 위상 값은 차후 사용을 위하여 제어기에 의해서 접근가능하게 된다.
Z위상 값들이 모든 속도 범위에 대해서 저장된 후에, 정상 방식 즉,Z 위상 보정없이 본 방법이 실행된다. 이 방법은 엔진 제어 유닛과 같은 제어기에 의하여사용되기에 적합한 제어 소프트웨어에 보관될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 저장된 Z 위상 값 또는 지점들은 500 내지 6000RPM 범위에 대해서 500RPM 임계값들 사이에서 삽입(interpolate)된다. 상기 삽입된 값들은 ECU와 같은 제어기에 의해서 위상 측정을 계산할 때 사용된다.
도 4에 있어서, 다이애그램(90)은 엔진 크랭크 속도와 Z 위상 값 사이의 관계를 도시한다. 복수의 시험점들은 곡선(92) 상에 표시된다. 예를 들어, 지점(94)은 대응하는 Z위상 값을 가지는 500rpm의 크랭크 속도를 표시할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, Z 위상 값은 곡선(92)의 부분즉, 낮은 엔진 속도 범위에서만 변화된다. 다이애그램(90)에 도시된 상기 지점들은 Z위상 눈금측정을 위하여 그리고 지점들 인터폴레이션 방법 사이의 값들에 대해서 사용된다. 지점들에 대응하는 값들은 장래 사용을 위하여 ROM 또는 EEPROM와 같은 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 획득한 값들은 ECU와 같은 제어기에 의하여 삽입(interpolate)될 수 있다. 높은 엔진 속도에서, Z 위상 값들은 상대적으로 안정되며 그에 따라서 필요로 하는 지점들은 더욱 작아질 수 있다.
도 5에 있어서, Z 위상 값을 계산하기 위한 플로우 차트(100)가 도시된다. 주기적인 크랭크 펄스 신호가 제공된다(단계 102). 또한, 주기적인 캠 펄스 신호가 제공된다(단계 104). Z위상에 대한 엔진 속도의 휘발성 범위가 결정된다(단계 106). 범위는 Z위상 지점 값이 다른 속도 범위 보다 엔진 속도 변화(rpm)에 대해서 상대적으로 더욱 변화된다는 점에서 휘발성이다. 휘발성 범위 밖에는, 크게 변화되지 않으며, Z 위상 값이 거의 일정하게 고려될 수 있다. 엔진 rpm의 단편은엔진 속도 범위와 동일하다는 것을 주의해야 한다. 휘발성 범위는 서브 세그먼트로 추가로 분할되고 Z 위상 값은 보간법[interpolation method](단계 108)을 사용하여 계산된다. 결과적인 Z 위상 값은 메모리 장치(단계 110)에 저장된다. 메모리 장치는 값들을 저장하기 위하여 EEPROM, ROM, CD 또는 어떤 적당한 장치를 포함한다. 저장된 Z 위상 값들은 엔진의 정상적인 작동 동안 사용하기 위하여 복구된다.
다른 유형의 엔진들 또는 다른 제조량의 엔진에 따라서, Z 위상 값이 변화될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 눈금측정의 일시적인 방법을 적용하면 가변 캠 타임 에러를 감소시키는데 도움이 된다. 본 발명의 한 실시예는 가변 저항(VR) 센서를 사용한다. 다시 말해서, 센서(22a,24a)는 VR 센서이다. 가변 캠 타이밍 시스템을 제어하기 위하여, 크랭크축에 대한 캠축의 위치를 측정할 필요성이 있다. 또한, 높은 정확도의 VCT 시스템에서, 상기 위치를 높은 정밀도로 측정하는 것이 필요하다. 예를 들어, 캠 위치를 대부분의 작동 범위를 통해서 원하는 위치의 2 도 내에서 제어하기 위하여 적용될 필요가 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이것은 허용된 전체 에러이다. 제어 시스템의 가장 큰 에러 컨트리뷰터(contributor)는 캠축 및 크랭크축 위치 센서일 수 있다. 따라서, 본 발명은 낮은 엔진 속도에서 에러를 감소시키는 가변 저항 센서의 사용에 관한 원리를 포함한다. 한 실험에서, 엔진 속도 범위는 약 500 내지 3000rpm의 범위에 있다.
VR 센서에 대하여, 공기 갭, 회전 속도, 센서 휠 특성 및 브라켓의 두께 뿐아니라 사용된 재료를 포함하는 여러 요소들이 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있으며, 여기서 그 위에 설치되는 VR 센서는 측정에 변화를 일으킬 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 상술한 변화량 또는 요소들을 보상하기 위한 방법들을 제공하고, 그에 의하여 높은 정확도의 캠 위치 측정을 달성하기 위하여, 홀 효과(Hall effect) 또는 자기-저항 센서(magneto-resistive sensor)와 같이 비싼 센서 보다 저렴한 VR 센서를 사용할 수 있게 한다.
본 발명은 정상적인 엔진 동작 동안 캠 위치 측정 에러를 감소시키기 위하여, Z 위상 값을 사용하는 단계를 가지는 방법 또는 공정을 포함한다.
본 발명은 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템에 포함된 다른 압력 제어(differential pressure control;DPCS) 시스템에 통합될 수 있다. 다른 압력 제어 시스템(DPCS)은 캐비티 내에 진동하는 적어도 하나의 베인의 위치를 제어하기 위하여, 엔진 오일과 같은 유체에 작동하는 온/오프 솔레노이드를 포함하고 그에 의하여 캠축과 크랭크축 사이의 원하는 상대 위치를 형성한다. 알 수 있는 바와 같이, 다른 압력 제어 시스템(DPCS)의 온/오프 솔레노이드는 가변 힘의 솔레노이드 유형이 아니다.
하기 설명은 본 발명과 연관된 용어 및 개념들이다.
상기 설명과 연관된 유압 유체 또는 유체는 작동 유체라는 것을 주의해야 한다. 작동 유체는 베인 페이저에서 베인을 이동시키는 유체이다. 통상적으로, 작동 유체는 엔진 오일을 포함하지만, 개별적인 유압 유체일 수 있다. 본 발명의 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템은 캠 토크 작동식(Cam Torque Actuated;CTA)VCT 시스템일 수 있으며, 여기서, 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템은 베인을 이동시키기 위하여 엔진 밸브를 개방 및 폐쇄하는 힘에 의하여 발생된 캠축의 역토크를 이용한다. 캠 토크 작동식(CTA) 시스템의 제어 밸브는 유체가 전진 챔버에서 지연 챔버로 유동하게 허용하여서, 베인이 유동을 이동 또는 정지시킬 수 있게 하며 베인을 제자리에 로킹한다. 캠 토크 작동식(CTA) 페이저는 누설로 인한 손실을 보상하기 위하여, 오일 입력부를 가지지만 페이저를 이동시키기 위하여 엔진 오일 압력을 사용하지 않는다. 베인은 챔버에 수용되고 래디얼 요소 작동 유체에 작용한다. 베인 페이저는 챔버에서 이동하는 베인에 의하여 작동되는 페이저이다.
엔진에 비례하여 하나 이상의 캠축이 있다. 캠축은 벨트 또는 체인 또는 기어 또는 다른 캠축에 의하여 구동될 수 있다. 로브(lobe)들은 밸브를 밀어내기 위하여 캠축에 있다. 다중 캠축 엔진에서, 대부분은 종종 배기 밸브에 대해서 한 샤프트를 가지며, 흡기 밸브에 대해서 한 샤프트를 가진다. "V"형 엔진은 일반적으로 두 캠축(각 뱅크에 대해서 하나) 또는 4개의 캠축(각 뱅크에 대해서 흡기 및 배기)을 가진다.
챔버는 베인이 회전하는 공간으로 한정된다. 챔버는 전진 챔버[밸브들을 크랭크축에 대해서 즉시 개방시킴]와 지연 챔버[밸브들을 크랭크축에 대해서 늦게 개방시킴]로 분할될 수 있다. 체크 밸브는 단지 일방향으로만 유체 유동을 허용하는 밸브로 한정된다. 폐쇄 루프는 다른 루프에 반응하여 한 특성을 변화시키는 제어 시스템으로 규정되고, 정확하게 변화되었는지를 확인하기 위하여 체크하고 원하는 결과를 얻도록 조치를 조절한다[즉, ECU로부터의 명령에 따라서 페이저 위치를 변화시키기 위하여 밸브를 이동시키고, 그때 실제 페이저 위치를 체크하여 밸브를 다시 정확한 위치로 이동시킨다]. 제어 밸브는 페이저로 흐르는 유체 유동을 제어하는 밸브이다. 제어 밸브는 캠 토크 작동식(CTA) 시스템의 페이저 내에 존재할 수 있다. 제어 밸브는 오일 압력 또는 솔레노이드에 의하여 작동할 수 있다. 크랭크축은 피스톤으로부터 동력을 받아서 전동 장치 및 캠축을 구동시킨다. 스풀 밸브는 스풀 유형의 제어 밸브로 규정된다. 통상적으로, 스풀은 보어에 탑재되어서 한 통로를 다른 통로에 연결한다. 대부분은 종종 스풀이 페이저의 회전자의 중심축 상에 위치한다.
다른 압력 제어 시스템(DPCS)은 스풀의 각 단부 상에 작용하는 유체 압력을 사용하는 스풀 밸브를 이동시키기 위한 시스템이다. 스풀의 한 단부는 다른 단부 보다 크고 그 단부의 유체는 [일반적으로 오일 압력 상의 펄스폭 조절(PWM) 밸브에 의하여] 제어되고, 스풀의 다른 단부에 충분한 공급 압력이 제공된다[그에 따라서 압력차가 제공된다]. 밸브 제어 유닛(VCU)은 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템을 제어하기 위한 제어 회로이다. 통상적으로, 밸브 제어 유닛(VCU)은 ECU로부터의 명령에 따라 작용한다.
피동축은 동력을 받는 어떤 샤프트이다[VCT에서, 대부분 종종 캠축에서]. 구동축은 동력을 공급하는 어떤 샤프트이다[VCT에서, 대부분 종종 크랭크축이지만, 한 캠축을 다른 캠축으로부터 구동시킬 수 있다]. ECU는 자동차의 컴퓨터인 엔진 제어 유닛이다. 엔진 오일은 엔진을 윤활시키기 위하여 사용되는 오일이고, 압력은 제어 밸브를 통해서 페이저를 작동시키기 위하여 탭(tap)될 수 있다.
하우징은 챔버들을 갖는 페이저의 외부 부분으로 규정된다. 하우징의 외측은 풀리(타이밍 벨트용), 스프로켓(타이밍 체인용) 또는 기어(타이밍 기어용)가 있을 수 있다. 유압 유체는 브레이크 유체 또는 파워 스티어링 유체와 유사한 유압 실린더에 사용되는 어떤 특수한 종류의 오일이다. 유압 유체는 엔진 오일과 반드시 동일할 필요는 없다. 통상적으로, 본 발명은 "작동 유체"를 사용한다. 로킹핀은 페이저를 제자리에 로킹시키기 위하여 배치된다. 일반적으로, 로킹 핀은 오일 압력이 엔진 시동 또는 셧다운 동안 페이저를 유지하기에 너무 낮을 때 사용된다.
오일 압력 작동(OPA) VCT 시스템은 종래 페이저를 사용하고, 여기서 엔진 오일 압력이 베인의 한쪽 또는 다른 쪽에 적용되어서 베인을 이동시킨다.
개방 루프는 조치를 확인하기 위하여, 피드백없이 특성을 다른 특성에 따라 변화시키는 [즉, ECU로부터의 명령에 따라 밸브를 이동시킨다] 제어 시스템에서 사용된다.
위상은 캠축 및 크랭크축의 상대 각 위치로 규정된다[만약, 페이저가 다른 캠에 의하여 구동되면, 캠축 또는 다른 캠축]. 페이저는 캠에 설치된 전체 부품으로 규정된다. 페이저는 통상적으로 회전자 및 하우징과 가능하게는 스풀 밸브 및 체크 밸브로 구성된다. 피스톤 페이저는 내연기관의 실린더에서 피스톤에 의하여 작동되는 페이저이다. 회전자는 캠축에 부착된 페이저의 내부 부분이다.
펄스폭 조절부(PWM)는 전류 또는 유체 압력의 온/오프 펄스의 타이밍을 변경함으로써, 변화되는 힘 또는 압력을 제공한다. 솔레노이드는 기계식 아암을 이동시키기 위하여 코일에서 유동하는 전류를 사용하는 전기 액추에이터이다. 가변력솔레노이드(VFS)는 작용력이 일반적으로 공급 전류의 PWM에 의하여 변화될 수 있는 솔레노이드이다.
스프로켓은 엔진 타이밍 체인과 같은 체인과 함께 사용되는 부재이다. 타이밍은 피스톤이 규정된 위치[일반적으로, 상사 중심(TDC)]에 도달하는 시간과 종종 발생하는 시간 사이의 관계로 규정된다. 예를 들어, VCT 또는 VVT 시간에서, 타이밍은 일반적으로 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 때와 연관된다. 점화 타이밍은 스파크 플러그가 발화되는 때와 연관된다.
토션 어시스트(TA;Torsion Assist) 또는 토크 어시스트 페이저(Torque Assisted phaser)는 OPA 페이저 상의 변형 형태이고, 이것은 체크 밸브를 오일 공급 라인에 부가하거나(즉, 단일 체크 밸브의 실시예) 또는 공급 라인에서 체크 밸브를 각 챔버에 부가한다(즉, 두 체크 밸브의 실시예). 체크 밸브는 오일 시스템으로 뒤로 전달되는 역토크로 인하여 오일 압력 펄스를 차단하고 역 토크로 인하여 베인이 뒤로 이동하는 것을 저지한다. TA 시스템에서, 전방 토크 효과로 인한 베인의 동작이 허용되고; 그에 따라서 용어 "토션 어시스트"가 사용된다. 베인 운동의 그래프는 계단식 함수이다.
VCT 시스템은 페이저, 제어 밸브(들), 제어 밸브 액추에이터(들) 및 제어 회로를 포함한다. 가변 캠 타이밍(VCT)은 프로세스이며, 엔진의 흡기 및/또는 배기 밸브를 구동시키는 하나 이상의 캠축 사이의 각도 함수(위상)를 제어하거나 및/또는 변경하는 것을 지칭하는 것이 아니다. 각도 관계는 캠과 크랭크축 사이의 위상 관계를 포함하며, 여기서 크랭크축은 피스톤에 연결된다.
가변 밸브 타이밍(VVT)은 밸브 타이밍을 변경하는 어떤 프로세스이다. VVT는 VCT와 결합될 수 있거나 또는 캠의 형상 또는 캠에 대한 캠 로브의 관계 또는 캠에 대한 밸브 액추에이터의 관계 또는 밸브들의 관계를 변화시키거나 또는 전기 또는 유압 액추에이터를 사용함으로써 밸브들 자체를 개별적으로 제어함으로써 달성될 수 있다. 다시 말해서, 모든 VCT는 VVT이지만, 모든 VVT가 VCT는 아니다.
본 발명의 한 실시예는 하기 기술된 예를 들어, 엔진 제어 유닛과 같은 컴퓨터 시스템과 함께 사용하기 위한 프로그램 프로덕트(program product)로 실행된다. 프로그램 프로덕트의 프로그램(들)은 (도 1 및 도 5를 참고하여 하기 기술된 방법을 포함하는) 실시예의 기능들을 한정하고 여러 신호 유지 매체(signal-bearing media)에서 수용될 수 있다. 예시적인 신호 유지 매체는 비기록성 저장 매체[즉, CD-ROM 드라이브에 의하여 판독가능한 CD-ROM과 같은 컴퓨터 내의 판독 전용 메모리] 상에 영구적으로 저장된 정보(i)와; 기록성 저장 매체[즉, 디스켓 드라이브 내의 플로피 디스크 또는 하드 디스크 드라이브] 상에 저장된 변경가능한 정보(ⅱ)와; 무선 통신을 포함하는 컴퓨터 또는 전화 네트워크와 같은 통신 매체에 의하여 운송된 정보(ⅲ)를 포함하지만, 이들에 국한되지 않는다. 후자 실시예는 상세하게는 인터넷과 다른 네트워크로부터 다운로드(download)된 정보를 포함한다. 이러한 신호 유지 매체는 본 발명의 기능을 안내하는 컴퓨터-판독성 지시를 전달할 때, 본 발명의 실시예를 나타낸다.
일반적으로, 작동 시스템의 일부 또는 특정 적용, 컴포넌트, 프로그램, 모듈, 목적으로 실행되는 본 발명의 실시예를 실행하도록 구성된 루틴, 또는 지시 시퀀스를 본원에서 "프로그램"으로 기술한다. 컴퓨터 프로그램은 통상적으로 네이티브 컴퓨터(native computer)에 의하여 장치 판독성 양식으로 해석되어서 실행가능한 지시로 되는 여러 명령들을 포함한다. 또한, 프로그램들은 메모리 또는 저장 장치에 발견되거나 또는 프로그램에 국부적으로 잔류하는 데이터 구조 및 변수들을 포함한다. 또한, 본원에 기술된 여러 프로그램들은 본 발명의 특정 실시예에 실행되는 적용에 기초하는 것으로 인식될 수 있다. 그러나, 하기 기술되는 어떤 특수한 프로그램 명칭은 단지 편리성을 위하여 사용되므로, 본 발명은 상기 명칭에 의하여 의미되는 및/또는 인식된 어떤 특정 적용에서만 사용되는 것으로 한정되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 본원에 기술된 본 발명의 실시예는 본 발명의 원리를 단지 예시하는 것으로 이해해야 한다. 본원에 기술된 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 필수사항으로 간주되는 특징 형태를 기술한 청구범위의 범주를 제한하는 것이 아니다.
본 발명에 따른 방법은 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템에서, 여러 유형의 엔진의 속도 범위에 대하여 위상 측정의 부정확성을 보상한다.

Claims (9)

  1. 내연기관의 가변 캠 타이밍을 보상하기 위한 방법에 있어서,
    주기적인 크랭크 펄스 신호(62)를 제공하는 단계(102)와;
    주기적인 캠 펄스 신호(66)를 제공하는 단계(104)와;
    내연기관 속도가 Z 위상 값에서 휘발성 변화를 유도하는 세그먼트를 결정하는 단계(106)와;
    상기 세그먼트를 서브-세그먼트로 분할하는 단계(108)와;
    상기 서브 세그먼트들 내의 복수의 지점들의 Z 위상 값(90)들을 계산하는 단계(108)를 포함하는 보상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, Z 위상값(90)들을 메모리 장치에 저장하는 단계를 추가로 포함하는 보상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 엔진 눈금측정(calibration)을 위하여 Z 위상값(90)들을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 보상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 계산 단계(108)는 보간법(interpolation method)을 이용하여 Z 위상 값들을 계산하는 보상 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 결정 단계(106)는 엔진에서 실험을 실행하는 단계를 포함하는 보상 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 주기적인 캠 펄스 신호(66)는 주기적인 크랭크 펄스 신호(62)에 대해서 적어도 하나의 완전 전진 위치와 완전 지연 위치를 포함하는 보상 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 주기적인 캠 펄스 신호(66)는 완전 전진 위치와 완전 지연 위치에 의하여 형성된 범위 내에 배치되도록 지정되는 한 캠 펄스를 포함하는 보상 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 크랭크 펄스 신호(62)와 캠 펄스 신호(66)는 가변 저항 센서를 이용함으로써 제공되는 보상 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 정상적인 엔진 동작 동안 캠 위치 측정 에러를 감소시키기 위하여 Z 위상 값(90)들을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 보상 방법.
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