KR20060043187A - 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치와 제어 방법 - Google Patents

내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치와 제어 방법 Download PDF

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KR20060043187A
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겐이치 마치다
마사히코 와타나베
요시유키 고바야시
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

크랭크샤프트의 기준 회전 위치와 캠샤프트의 기준 회전 위치 사이의 간격에 기초하여 기관 밸브의 작동각의 중심 위상이 검출되고, 한편 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기에서 중심 위상이 검출되며, 소정의 규칙에 기초하여 상기 검출된 결과들 중 하나가 선택되고, 상기 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 기관 밸브의 개방 특성이 조작된다.
가변 밸브 제어, 가변 밸브 타이밍 제어 기구, 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구, 회전 위상.

Description

내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치와 제어 방법{VARIABLE VALVE OPERATING CONTROL APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시예에서의 내연 기관의 시스템도이다.
도 2는 상기 실시예의 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구를 도시하는 (도 3의 A-A에 따른) 단면도이다.
도 3은 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 측면 입면도이다.
도 4는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 평면도이다.
도 5는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구에 사용되는 편심 캠을 도시하는 사시도이다.
도 6은 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 저-리프트 상태를 도시하는 (도 3의 B-B에 따른) 단면도이다.
도 7은 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 고-리프트 상태를 도시하는 (도 3의 B-B에 따른) 단면도이다.
도 8은 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구에 있어서의 리프트 특성도이다.
도 9는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구에 있어서의 작동각과 리프트 사이의 상관 관계를 나타내는 특성도이다.
도 10은 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구에 있어서의 제어샤프트의 구동 기구를 도시하는 사시도이다.
도 11은 상기 실시예에서 캠 센서와 크랭크각 센서의 출력 신호를 도시하는 타이밍 챠트이다.
도 12는 상시 실시예의 가변 밸브 타이밍 제어 기구를 도시하는 단면도이다.
도 13은 최대 지각 상태에서의 가변 밸브 타이밍 제어 기구를 도시하는 도면이다.
도 14는 최대 진각 상태에서의 가변 밸브 타이밍 제어 기구를 도시하는 도면이다.
도 15는 중간 진각 상태에서의 가변 밸브 타이밍 제어 기구를 도시하는 도면이다.
도 16은 가변 밸브 타이밍 제어 기구에 나선 스프링을 부착한 상태를 도시하는 도면이다.
도 17은 가변 밸브 타이밍 제어 기구에서의 히스테리시스(hysteresis) 재료의 자속 밀도의 변화 특성을 도시하는 그래프이다.
도 18은 가변 밸브 타이밍 제어 기구에서의 히스테리시스 브레이크를 도시하는 도면이다.
도 19는 히스테리시스 브레이크에서의 자계의 방향을 도시하는 도면이다.
도 20은 가변 밸브 타이밍 제어 기구에서의 상대 변위 검출 수단을 도시하는 분해 사시도이다.
도 21은 도 20의 부분 확대도이다.
도 22는 상대 변위 검출 수단의 자기 특성을 도시하는 도면이다.
도 23은 가변 밸브 타이밍 제어 기구의 피드백-제어를 도시하는 흐름도이다.
도 24는 크랭크샤프트와 캠샤프트의 기준 회전 위치의 검출에 기초하여 회전 위상을 검출하는 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 25는 가변 밸브 타이밍 제어 기구에서의 위상-제어 각을 제한하는 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 26은 상기 실시예의 제2 캠 센서의 구조를 도시하는 도면이다.
도 27은 상기 실시예의 갭 센서의 출력 특성을 도시하는 그래프이다.
도 28은 갭 센서의 출력과 캠샤프트의 각 사이의 상관 관계를 도시하는 그래프이다.
도 29는 크랭크샤프트와 캠샤프트의 각도의 검출에 기초하여 회전 위상을 검출하는 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
13: 캠샤프트 14: 캠 베어링
16: 제어샤프트 17: 제어 캠
19: 밸브 리프터(valve lifter) 20: 로커 캠(rocker cam)
22: 기단부 26: 링크 부재
101: 내연 기관 102: 흡기관
105: 흡기 밸브 107: 배기 밸브
111: 캠
112: 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트(Variable valve Event and Lift; VEL) 기구
113: 가변 밸브 타이밍 제어(Variable valve Timing Control; VTC) 기구
114: 기관 제어 유닛 117: 크랭크각 센서
120: 크랭크샤프트 132: 캠 센서
133: 제2 캠 센서 502: 타이밍 스프라킷(timing sprocket)
506: 상대 변위 검출 수단 507: 종동축 부재
509: 돌기부 511: 링크
513: 돌출부 515: 나선형 슬롯
516: 맞물림 핀 520: 히스테리시스 브레이크
523: 히스테리시스 링 524: 전자기 코일
525: 코일 요크 532: VTC 커버
534: 영구 자석 535: 센서 베이스
537: 제1 요크 부재 538: 제2 요크 부재
540: 소자 홀더 541: 제3 요크 부재
542: 제4 요크 부재 545: 홀 소자(Hall element)
본 발명은 가변 밸브 타이밍 기구를 구비한 내연 기관의 가변 밸브 작동 제어 장치와 제어 방법에 관한 것이다.
일본 특허 공개 공보 제2000-087769호에서는 내연 기관의 크랭크샤프트에 대하여 캠샤프트의 회전 위상(rotational phase)을 변화시키는 가변 밸브 타이밍 기구와 기관 밸브의 리프트(lift)를 변화시키는 가변 밸브 리프트 기구를 구비한 가변 밸브 작동 제어 장치가 개시된다.
종래 기술에서, 가변 밸브 타이밍 기구에 의하여 조정되는 회전 위상은 크랭크샤프트의 기준 회전 위치에서의 검출 신호와 캠샤프트의 기준 회전 위치에서의 검출 신호 사이의 간격에 기초하여 검출된다.
그러면, 상기 간격에 기초하여 탐지된 회전 위상에 기초하여 상기 언급한 가변 밸브 타이밍 기구가 피드백-제어된다.
따라서, 기준 회전 위치를 검출하는 센서가 고장 났을 경우에는 회전 위상의 피드백-제어가 실행될 수 없게 되는 문제가 발생하였다.
또한, 회전 위상이 기준 회전 위치의 검출 신호에 기초하여 검출되는 구조에서는 회전 위상은 일정한 크랭크각마다 검출된다.
따라서, 기관 속도가 낮을 때의 시간 때문에 회전 위상의 갱신 주기가 길어진다면, 갱신 주기 동안에 회전 위상의 검출된 값과 실제 값 사이에 큰 편차가 발생한다.
예를 들어, 흡기 밸브의 리프트를 변화시키면서 가변 밸브 타이밍 기구에 의하여 흡기 밸브의 작동각의 중심 위상이 변화되는 경우에는, 리프트가 낮을 때에 중심 위상의 변화에 대한 공기량의 증가 및 감소의 변화가 크게 된다.
따라서, 회전 위상이 지각 방향으로 변화될 때에 회전 위상의 갱신에 있어서의 지연 때문에 실제 각도보다 더욱 나아간 측에서의 회전 위상이 검출되는 경우, 회전 위상은 지각 측(retard side)에서 과도하게 제어된다. 회전 위상이 지각 측에서 과도하게 설정되면, 실린더 흡입 공기량은 필요 이상으로 증가하게 된다.
더욱이, 기관 밸브의 작동각(operating angle)/리프트(lift)가 변하는 경우, 피스톤과 기관 밸브 사이의 간섭을 방지하는 최대 작동각/최대 리프트는 작동각의 중심 위상에 따라서 달라진다.
따라서, 중심 위상 검출에서 지각이 존재한다면, 최대 작동각/최대 리프트가 잘못 정하여지고, 그 결과, 피스톤과 기관 밸브가 서로 간섭하는 작동각/리프트를 갖도록 기구가 제어될 우려가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 센서 고장이 있거나 기준 회전 위치에 기초하여 검출되는 회전 위상의 갱신 지연이 있는 경우에도 기관 밸브의 개방 특성을 안전 측에 있도록 제어할 수 있게 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 크랭크샤프트의 기준 회전 위치와 캠샤프트의 기준 회전 위치 사이의 간격에 기초하여 기관 밸브의 작동각이 중심 위상이 검출되고, 또 한편으로는, 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 짧은 주기에서 기관 밸브의 작동각의 중심 위상이 검출되며, 기준 회전 위치마다 검출된 중심 위상의 최신값과 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 짧은 주기에서 검출된 중 심 위상의 최신값 중 하나가 소정의 규칙에 따라서 선택되며, 이러한 선택된 중심 위상에 기초하여 기관 밸브의 개방 특성이 조작된다.
본 발명의 다른 목적 및 특성은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에서 차량 기관의 시스템 블록선도이다.
도 1에서 전자 제어 스로틀(104)은 내연 기관(101)의 흡기관(102)에 설치된다.
전자 제어 스로틀(104)은 스로틀 모터(103a)에 의하여 스로틀 밸브(103b)를 개폐 제어하는 장치이다.
공기는 전자 제어 스로틀(104)과 흡기 밸브(105)를 통하여 기관(101)의 연소실(106) 내로 흡입된다.
기관(101)의 배기 가스는 배기 밸브(107)를 통하여 연소실(106)으로부터 배출되고, 그 후에 전방 촉매 컨버터(108) 및 후방 촉매 컨버터(109)를 통하여 정화되어 대기로 배출된다.
배기 밸브(107)는 배기측 캠샤프트(110)에 의하여 축 지지되는 캠(111)에 의하여, 주어진 리프트, 작동각, 및 밸브 타이밍을 유지하도록 개폐 제어된다.
한편, 흡기 밸브(105) 측에는 작동각과 함께 흡기 밸브(105)의 리프트를 연속적으로 변화시키는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트(Variable valve Event and Lift; VEL) 기구(112)(이하, VEL 기구라 함)가 설치된다.
또한, 흡기 밸브(105) 측에는, 크랭크샤프트(120)에 대하여 공기-흡입 측에 있는 캠샤프트의 회전 위상을 변화시킴으로써 흡기 밸브(105)의 작동각의 중심 위상을 연속적으로 변화시키는 가변 밸브 타이밍 제어(Variable valve Timing Control; VTC) 기구(113)(이하, VTC 기구라 함)가 설치된다.
마이크로 컴퓨터가 내장되어 있는 기관 제어 유닛(ECU)(114)(이하 ECU라 함)은, 요구되는 토크에 대응하는 필요한 흡기량, 필요한 실린더 잔류 가스비 등을 얻기 위하여 VEL 기구(112)와 VTC 기구(113)를 제어하고, 한편으로는 필요한 흡입 압력을 얻기 위하여 전자 제어 스로틀(104)을 제어한다.
상기 ECU에는, 내연 기관(101)의 흡기량을 검출하는 유량계(115), 가속기(엑셀러레이터)의 개방을 검출하는 가속기 페달 센서(116), 크랭크샤프트(120)로부터 단위 크랭크각마다 단위 각도 신호(POS)를 취하는 크랭크각 센서(117), 스로틀 밸브(103b)의 개방(TVO)을 검출하는 스로틀 센서(118), 내연 기관(101)의 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서(119), 그리고 캠샤프트로부터 캠 신호(CAM)를 얻는 캠 센서(132)로부터 나오는 검출 신호가 입력된다.
여기서, 크랭크 각 센서(117)는 크랭크샤프트(120)와 일체화되도록 회전하는 회전체에 대하여 크랭크각 10도마다 설치되어 있는 피검출부를 검출하고, 도 11에 도시된 바와 같이, 크랭크 각 센서(117)는 크랭크각 10도마다 단위 각도 신호(POS)를 출력한다. 그러나, 크랭크 각 센서(117)의 구조는, 크랭크각 180도의 간격을 가지는 두 지점들에 있어서 상기 피검출부의 두 지점들이 연속적으로 생략되어 있기 때문에 단위 각도 신호(POS)가 연속적으로 두 번 출력되지 않도록 되어 있다.
180도의 크랭크각은, 본 실시예의 4 기통 기관에 있어서 실린더들 사이의 행정의 위상 차이에 상당한다.
그러면, 단위 각도 신호(POS)의 출력 주기 등에 기초하여 단위 각도 신호(POS)가 짧은 기간 동안 간섭받는 부분이 검출되고, 예를 들어 단위 각도 신호(POS)가 간섭받은 후에 처음으로 출력되는 단위 각도 신호(POS)에 기초하여 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치가 검출된다.
ECU(114)는 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기나 소정의 시간 당 단위 각도 신호(POS)의 발생 회수를 계수함으로써 기관 회전 속도를 계산한다.
크랭크각 센서(117)는 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치마다(각도 180도 마다) 기준 각도 신호(REF)와 생략 없이 단위 각도 신호(POS)를 개별적으로 출력하는 구성으로 할 수도 있다.
또한, 캠 센서(132)는, 캠샤프트와 일체로 회전하는 회전체에 제공된 피검출부를 감지함으로써, 도 11에 도시된 바와 같이 180도의 크랭크각에 상당하는 90도의 캠각마다의 펄스 수에 의하여 실린더 번호(제1 실린더 내지 제4 실린더)를 나타내는 캠 신호(CAM)를 출력한다.
각 실린더의 흡기 밸브(105)의 상류측의 흡기 포트(130)에는 전자식(electromagnetic) 연료 분사 밸브(131)가 설치된다.
연료 분사 밸브(131)는 ECU(114)로부터의 분사 펄스 신호에 의하여 밸브를 개방하도록 제어되고 분사 펄스 신호의 분사 펄스 폭에 비례하는 연료량을 분사한다.
도 2 내지 도 4는 VEL 기구(112)의 구성을 상세하게 도시한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 VEL 기구(112)는, 한 쌍의 흡기 밸브(105, 105), 실린더 헤드(11)의 캠 베어링(14)에 의하여 자유롭게 피벗 회전할 수 있도록 지지되는 중공형 캠샤프트(13)(구동축), 캠샤프트(13)에 의하여 축 지지되는 회전하는 캠인 두 개의 편심 캠(15, 15)(구동 캠), 캠샤프트(13) 위의 위치에서 동일한 캠 베어링(14)에 의하여 자유롭게 피벗 회전할 수 있도록 지지되는 제어샤프트(16), 제어샤프트(16)에 의하여 제어캠(17)을 통하여 자유롭게 요동할 수 있도록 지지되는 한 쌍의 로커 암(rocker arm)(18, 18), 그리고 각각의 흡기 밸브(105, 105)의 상단부에서 밸브 리프터(valve lifter)(19, 19)를 통하여 배치되는 한 쌍의 각각 분리된 로커 캠(20, 20)을 구비한다.
편심 캠(15, 15)과 로커 암(18, 18)은 링크 암(25, 25)에 의하여 서로 연결되어 있고, 로커 암(18, 18)과 로커 캠(20, 20)은 링크 부재(26, 26)에 의하여 서로 연결되어 있다.
로커 암(18, 18), 링크 암(25, 25), 및 링크 부재(26, 26)는 전달 기구를 구성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 편심 캠(15)은 실질적으로 환형으로 형성되고, 작은 반경의 캠 본체(15a)와 캠 본체(15a)의 외부 단부면과 일체로 설치되는 플랜지부(15b)로 구성되고, 내부 축 방향에는 캠샤프트 관통공(15c)이 관통 형성되고, 캠 본체(15a)의 축(X)은 캠샤프트(13)의 축(Y)으로부터 소정의 양만큼 편심되어 있다.
또한, 편심 캠(15)은 캠샤프트(13)에 대하여 밸브 리프터(19)를 간섭하지 않 는 양 외측에서 캠샤프트 관통공(15c)을 통하여 압입 고정된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 로커 암(18)은 본질적으로 크랭크 형상으로 굴곡 형성되고, 그 중심의 기부(基部)(18a)는 제어 캡(17)에 의하여 자유롭게 피벗 회전하도록 지지된다.
링크 암(25)의 상단부에 연결되어 있는 핀(21)이 압입되는 핀 홀(18d)은 기부(18a)의 외측 단부에서 돌출하도록 설치된 일 단부(18b)를 관통하도록 형성되는 한편, 각 링크 부재(26)의 후술되는 일 단부(26a)를 함께 연결시키는 핀(28)이 압입되는 핀 홀(18e)은 기부(18a)의 내측 단부에서 돌출하도록 설치된 타 단부(18c)에 형성된다.
제어 캠(17)은 원통형으로 형성되고 제어샤프트(16)의 외주면에 고정되며, 도 2에 도시된 바와 같이 축 위치(P1)의 위치는 제어샤프트(16)의 축(P2)으로부터 α만큼 편심되어 있다.
도 2, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 로커 캠(20)은 본질적으로 수평한 U-형상이고, 캠샤프트(13)가 끼워짐으로써 자유롭게 피벗 회전하도록 지지되는 지지공(22a)은 본질적으로 환형의 기단부(基端部)(22)를 관통하도록 형성되며, 핀 홀(23a)은 로커 암(18)의 타 단부(18c)에 위치한 단부(23)를 관통하도록 형성된다.
또한, 기단부(22)에서의 베이스 원형면(24a)과 베이스 원형면(24a)으로부터 단부(23) 모서리 측으로 원호 형상으로 신장하는 캠 면(24b)은 로커 암(20)의 하면에 형성되고, 베이스 원형면(24a)과 캠 면(24b)은 로커 캠(20)의 요동 위치에 따라서 각 밸브 리프터(19)의 상면 상의 소정의 위치에 접하도록 되어 있다.
즉, 도 8에 도시된 리프트 특성의 관점에서, 베이스 원형면(24a) 상의 소정의 각도 범위(θ1)는 도 2에 도시된 바와 같이 베이스 원 구간이 되도록 설정되고, 캠 면(24b) 상의 베이스 원 구간(θ1)으로부터 소정의 각도 범위(θ2)까지의 구역은 소위 램프(ramp) 구간이 되도록 설정되고, 또한, 캠 면(24b) 상의 램프 구간(θ2)으로부터 소정의 각도 범위(θ3)까지의 구간은 리프트 구간이 되도록 설정되어 있다.
또한, 링크 암(25)은 환형 기부(25a)와 기부(25a)의 외주면 상의 소정 위치에서 돌출하도록 설치된 돌출 단부(25b)를 구비하고, 기부(25a)의 중심 위치에는 편심 캠(15)의 캠 본체(15a)의 외주면에 끼워지는 끼워맞춤 구멍(25c)이 형성되며, 핀(21)이 자유롭게 피벗 회전하도록 삽입되는 핀 홀(25d)이 돌출 단부(25b)를 관통하도록 형성된다.
또한, 링크 부재(26)가 소정의 길이를 가지는 직선 형상으로 형성되고, 로커 암(18)의 타 단부(18c)와 로커 캠(20)의 단부(23)의 각각의 핀 홀(18d, 23a)에 압입된 각각의 핀(28, 29)의 단부가 삽입되는 핀 관통공(26c, 26d)이 원형의 양 단부(26a, 26b)를 관통하도록 형성된다.
각각의 핀(21, 28, 29)의 일 단부에는 링크 암(25)과 링크 부재(26)의 축방향으로의 운동을 조절하는 스냅 링(30, 31, 32)이 설치된다.
상기 구성에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 리프트는 제어샤프트(16)의 축(P2)과 제어 캠(17)의 축(P1) 사이의 위치 관계에 따라서 변하고 제어샤프트(16)가 회전하도록 제어함으로써 제어 캠(17)의 축(P1)에 대한 제어샤프트(16)의 축(P2)의 위치가 변하게 된다.
제어샤프트(16)는, 도 10에 도시된 구성에 따라서, 정지부에 의하여 제한되는 소정의 회전각 범위 내에서 DC 서보 모터(액추에이터)(121)에 의하여 회전하도록 제어되고, 액추에이터(121)에 의하여 변화되는 제어샤프트(16)의 각에 의하여 흡기 밸브(105)의 리프트 및 작동각은 최대 리프트와 최소 리프트 사이에서 정지부에 의하여 제한되는 범위 내에서 연속적으로 변화된다(도 9 참조).
도 10에서, DC 서보 모터(121)는 그 회전축이 제어샤프트(16)와 평행하게 되도록 설치되고, 베벨 기어(122)는 회전축의 상단부에서 축 지지된다.
한편, 한 쌍의 스테이(stay)(123a, 123b)가 제어샤프트(16)의 상단부에 고정되고, 너트(124)가, 상기 한 쌍의 스테이(123a, 123b)의 상단부들이 연결되어 있는 제어샤프트(16)에 평행한 축을 중심으로 요동 가능하도록 지지된다.
베벨 기어(122)에 맞물리는 베벨 기어(126)는 너트(124)에 맞물리도록 되어 있는 나사봉(125)의 상단부에서 축 지지되고, 나사봉(125)은 DC 서보 모터(121)의 회전에 의하여 회전하도록 되어 있고, 나사 봉(125)과 맞물리는 너트(124)의 위치는 나사봉(125)의 축방향으로 이동되고, 따라서 제어샤프트(16)가 회전하게 된다.
여기서, 너트(124)의 위치가 베벨 기어(126)로 접근하게 되는 방향은 밸브 리프트가 작게 되는 방향이고, 이와 대조적으로 너트(124)의 위치가 베벨 기어(126)로부터 멀어지게 되는 방향은 밸브 리프트가 크게 되는 방향이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제어샤프트(16)의 상단부에는 제어샤프트(16)의 각을 검출하는 전위차계(potentiometer) 시스템 각도 센서(127)가 설치되고, ECU(114)는 각도 센서(127)에 의하여 검출된 실제 각도가 목표 각도(목표 리프트에 상당하는 값)와 일치하도록 DC 서보 모터(121)를 피드백-제어한다.
다음으로 VTC 기구(113)의 구성이 도 12 내지 도 22를 참조하여 설명된다.
도 12에 도시된 바와 같이, VTC 기구(113)는, 상대 회전 가능하도록 캠샤프트(13)의 전단부에 조립되고 타이밍 체인(chain)을 통하여 크랭크샤프트(120)에 연결되는 타이밍 스프라킷(sprocket)(502)과, 타이밍 스프라킷(502)과 캠샤프트(13) 사이의 조립각(assembling angle)을 변경하는 조립각 변경 수단(504)과, 조립각 변경 수단(504)을 구동시키는 조작력 제공 수단(505)과, 타이밍 스프라킷(502)에 대한 캠샤프트(13)의 상대 회전 변위의 각도를 검출하는 상대 변위 검출 수단(506)과, 실린더 헤드의 실린더 헤드 커버에 설치되고 상대 변위 검출 수단(506)과 조립각 변경 수단(504)의 전면을 덮는 VTC 커버(532)를 구비한다.
종동축 부재(507)는 캠 볼트(510)에 의하여 캠샤프트(13)의 단부에 고정된다.
플랜지(507a)는 종동축 부재(507)와 일체로 설치된다.
타이밍 스프라킷(502)은 타이밍 체인이 맞물리는 기어 부분(503)이 형성되는 대-반경 원통부(502a)와, 소-반경 원통부(502b)와, 대-반경 원통부(502a)와 소-반경 원통부(502b)를 연결하는 디스크 부분(502c)으로 구성된다.
원통부(502b)는 종동축 부재(507)의 플랜지(507a)에 대하여 볼 베어링(530)에 의하여 회전 가능하도록 조립된다.
도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 디스크 부분(502c)의 원통부(502b)의 표면에는 세 개의 홈(508)이 타이밍 스프라킷(502)의 반경 방향을 따라서 방사상으로 형성된다.
또한, 반경 방향으로 방사상으로 돌출한 세 개의 돌기부(509)가 종동축 부재(507)의 플랜지 부분(507a)의 캠샤프트(1) 측부 단부면과 일체가 되도록 형성된다.
세 개의 링크(511)의 기단부는 핀(512)에 의하여 회전 가능하도록 각 돌기부(509)에 각각 연결된다.
자유롭게 요동하도록 각각의 홈(508)과 맞물리는 원통형 돌출부(513)는 각 링크(511)의 상단부와 일체로 형성된다.
각각의 링크(511)는 각각의 돌출부(513)가 대응하는 홈(508)과 맞물려 있는 상태에서 핀(512)을 통하여 종동축 부재(507)에 연결되기 때문에, 외력을 받아서 링크(511)의 상단측이 홈(508)을 따라 이동되는 경우 타이밍 스프라킷(502)과 종동축 부재(507)가 각각의 링크(511)의 효과에 의하여 상대적으로 회전된다.
또한, 캠샤프트(13) 측을 향하여 개방되어 있는 수용공(514)이 각각의 링크(511)의 돌출부(513)에 형성된다.
후술되는 나선형 슬롯(515)과 맞물리는 맞물림 핀(516)과, 나선형 슬롯(515)에 대하여 맞물림 핀(516)을 밀어 넣는 코일 스프링(517)이 수용공(514)에 수용된다.
한편, 돌기부(509)보다 먼 캠샤프트(1)의 종동축 부재(507)에는, 디스크형 중간 회전체(518)가 베어링(529)을 통하여 자유롭게 피벗 회전할 수 있도록 지지된다.
나선형 슬롯(515)은 중간 회전체(518)의 돌기부(509)의 단부면에 형성되고, 각각의 링크(511)의 상단부의 맞물림 핀(516)은 나선형 슬롯(515)과 맞물린다.
나선형 슬롯(515)은 타이밍 스프라킷(502)의 회전 방향을 따라 직경이 점차 감소되도록 형성된다.
따라서, 각각의 맞물림 핀(516)이 나선형 슬롯(515)과 맞물린 상태에서 중간 회전체(518)가 타이밍 스프라킷(502)에 대하여 지각 방향(retard direction)으로 상대적으로 이동되는 경우, 각각의 링크(511)의 상단부는 홈(508)에 의하여 안내되면서 나선형 슬롯(515)에 의하여 유도되어 반경 방향의 내측을 향하여 이동하게 된다.
이와 반대로, 중간 회전체(518)가 타이밍 스프라킷(502)에 대하여 진각 방향(advance direction)으로 상대적으로 이동되는 경우, 각각의 링크(511)의 상단부는 반경 방향의 외측을 향하여 이동하게 된다.
조립각 변경 수단(504)은 타이밍 스프라킷(502)의 홈(508), 링크(511), 돌출부(513), 맞물림 핀(516), 중간 회전체(518), 나선형 슬롯(515) 등으로 구성된다.
회전 조작력이 조작력 제공 수단(505)으로부터 중간 회전체(518)로 입력될 때에, 링크(511)의 상단부는 반경 방향으로 이동되고, 변위는, 링크(511)를 통하여 타이밍 스프라킷(502)과 종동축 부재(507) 사이의 상대 변위의 각도를 변화시키는 회전력으로서 전달된다.
조작력 제공 수단(505)은 타이밍 스프라킷(502)의 회전 방향으로 중간 회전체(518)를 밀어 넣는 나선형 스프링(519)과 타이밍 스프라킷(502)의 회전 방향과 반대 방향으로 중간 회전체(518)를 회전시키는 제동력을 발생하는 히스테리시스 브레이크(520)를 구비한다.
여기서, ECU(114)는 내연 기관(101)의 작동 상태에 따라 히스테리시스 브레이크(520)의 제동력을 제어하고, 그에 따라서 중간 회전체(518)는 나선형 스프링(519)의 미는 힘과 히스테리시스 브레이크(520)의 제동력이 균형을 이루는 위치까지 타이밍 스프라킷(502)에 대하여 상대적으로 회전될 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 나선형 스프링(519)은 타이밍 스프라킷(502)의 원통부(502a)에 설치되고, 외주 단부(519a)는 원통부(502a)의 내주 부분과 맞물리며, 내주 단부(519b)는 중간 회전체(518)의 기부(518a)의 맞물림 슬롯(518b)과 맞물린다.
히스테리시스 브레이크(520)는 히스테리시스 링(523), 자계 제어 수단으로서 작용하는 전자기 코일(524), 및 전자기 코일(524)의 자기를 유도하는 코일 요크(coil yoke)(525)를 구비한다.
히스테리시스 링(523)은 리테이너(retainer) 판(522)과 리테이너 판(522)의 후방 단부면과 일체로 설치되는 돌기부(522a)를 통하여 중간 회전체(518)의 후방 단부에 부착된다.
전자기 코일(524)에 대한 전류 공급(여자 전류)은 기관의 작동 상태에 따라서 ECU(114)에 의하여 제어된다.
히스테리시스 링(523)은 디스크형 기부(523a)와, 나사(523c)를 통하여 기부(523a)의 외주 측으로 연결된 원통부(523b)로 구성된다.
기부(523a)는 외주 방향의 균일한 간격의 위치에 설치된 부시(bush)에 각각의 돌기부(522a)가 압입됨으로써 리테이너 판(522)에 연결된다.
또한, 히스테리시스 링(523)은 외부 자계(도 17 참조)의 변화에 대하여 위상 지연을 가지도록 자속이 변하는 특성을 갖는 재료로 형성되고, 원통부(523b)는 코일 요크(525)에 의하여 제동 효과를 받는다.
코일 요크(525)는 전자기 코일(524)을 둘러싸도록 형성되고 그 외주면은 도면 밖의 실린더 헤드에 고정된다.
또한, 코일 요크(525)의 내주 측은 니들 베어링(528)을 통하여 캠샤프트(13)를 자유롭게 피벗 회전하도록 지지하고, 히스테리시스 링(523)의 기부(523a) 측은 볼 베어링(531)에 의하여 자유롭게 피벗 회전하도록 지지된다.
코일 요크(525)의 중간 회전체(518) 측에는 환상 갭을 통하여 서로 마주보는 한 쌍의 대향면(526, 527)이 형성된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 자계 발생부를 구성하는 복수의 볼록부(526a, 527a)가 대향면(526, 527)에서 원주 방향을 따라 균일한 간격으로 형성된다.
일 대향면(526) 상의 볼록부(526a)와 다른 대향면(527) 상의 볼록부(527a)는 원주 방향으로 번갈아서 설치되고, 대향면(526, 527)의 인접한 볼록부(526a, 527a)들은 원주 방향으로 완전히 이동되어 있다.
따라서, 원주 방향으로 편향된 자계가 전자기 코일(524)의 여자(도 19 참조)에 의하여 대향면(526, 527)의 서로에 근접한 볼록부(526a, 527a) 사이에 생성된다.
히스테리시스 링(523)의 원통부(523a)는 비접촉 상태에서 대향면(526, 527)들 사이에 설치된다.
히스테리시스 링(523)이 대향면(526, 527)들 사이의 자계에서 이동되는 경우, 자속의 방향과 히스테리시스 링(523) 내의 자계의 방향 사이의 차이로 인하여 제동력이 발생된다.
제동력은 대향면(526, 527)과 히스테리시스 링(523) 사이의 상대 속도에는 관계없이 본질적으로 자계의 강도, 즉 전자기 코일(524)의 여자 전류의 크기에 비례한 값을 가지게 된다.
도 12, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 상대 변위 검출 수단(506)은 종동축 부재(507)에 설치된 자계 발생 기구와, 고정 측인 VTC 커버(532)에 설치되고 자계 발생 기구로부터 자계의 변화를 검출하는 센서 기구로 구성된다.
자계 발생 기구는, 플랜지(507a)의 전단측에 고정된 비-자성 재료로 형성된 자석 기부(magnet base)(533)와, 자기 기부(533)의 상단부에 형성된 홈(533a)에 수용되고 핀(533c)에 의하여 고정되는 영구 자석(534)과, 타이밍 스프라킷(502)의 원통부(502b)의 상단 모서리에 고정된 센서 베이스(535)와, 원통형 요크 홀더(yoke holder)(536)를 통하여 센서 베이스(535)의 전단면에 고정된 제1 요크 부재(537) 및 제2 요크 부재(538)를 구비한다.
오물 등이 센서 기구로 들어가는 것을 방지하는 씰(seal) 부재(551)가 자석 기부(533)의 외주면과 센서 베이스(535)의 내주면 사이에 설치된다.
도 20에 도시된 바와 같이, 자석 기부(533)는 상하가 개방되어 있는 홈 (533a)을 형성하는 돌출된 벽(533b, 533b)의 세트를 구비하고, 돌출된 양 벽(533b, 533b) 사이에는 영구 자석(534)이 수용된다.
영구 자석(534)은 긴 홈(533a)의 방향으로 긴 타원형으로 형성되고, 상단부 중심과 하단부 중심은 각각 N극과 S극의 중심에 설정된다.
도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 제1 요크 부재(537)는 센서 베이스(535)에 고정된 판형 기부(537a)와, 기부(537a)의 내주 모서리와 일체로 설치되는 팬(fan)형 요크부(537a)와, 팬형 요크부(537b)와 일체로 설치되는 원통형 중심 요크부(537c)로 구성된다.
중심 요크부(537c)의 후단면은 영구 자석(534)의 전면에 배치된다.
제2 요크 부재(538)는 센서 베이스(535)에 고정된 판형 기부(538a)와, 기부(538a)의 상단 모서리와 일체로 설치되는 판형 원호 요크부(538b)와, 동일한 곡률로 원호 요크부(538b)의 후단부와 일체로 설치되는 링 요크부(538c)로 구성된다.
링 요크부(538c)는 후술되는 제4 요크 부재(542)의 외주 측을 둘러싸도록 배치된다.
센서 기구는 환형 소자 홀더(540)와, 정류 요크로서 작용하는 제3 요크 부재(541)와, 정류 요크로서 작용하는 바닥이 있는 원통형의 제4 요크 부재(542)와, 합성 수지로 된 보호 캡(543)과, 보호 부재(544)와, 홀 소자(Hall element)(545)를 구비한다.
소자 홀더(540)는 VTC 커버(532)의 내측에 설치되고, 내주측에서 볼 베어링(539)에 의하여 자유롭게 회전할 수 있도록 요크 홀더(536)의 전단부를 지지한다.
제3 요크 부재(541)는 공기 갭(G)을 통하여 제1 요크 부재(537)의 중심 요크부(537c)를 향하도록 배치된다.
제4 요크 부재(542)는 볼트에 의하여 소자 홀더(540)의 내주 부분에 고정된다.
보호 캡(543)은 제4 요크 부재(542)의 원통부의 내주면에 고정되고 제3 요크 부재(541)를 지지한다.
보호 부재(544)는 제4 요크 부재(542)의 기부 벽의 중심과 일체로 설치된 원통형 돌기부(542c)의 외주 부분에 끼워져서 부착된다.
홀 소자(545)는 제3 요크 부재(541)와 제4 요크 부재(542)의 돌기부(542c) 사이에 유지되고, 리드선(lead wire)(545a)이 홀 소자(545)로부터 당겨진다.
소자 홀더(540)에는, 도 20에 도시된 바와 같이, 세 개의 돌기부(540a)가 원주 방향으로 균일한 간격으로 일체로 설치되고, 핀(546)의 단부는 각각의 돌기부(540a)에 구멍을 뚫음으로써 형성된 고정 구멍에 각각 압입 고정된다.
또한, VTC 커버(532)의 내측에는 원주 방향에서 균일한 간격으로 홀(532a)이 세 개 형성되고, 고무 부시(547)는 각각 홀(532a)의 내측에 고정된다.
핀(546)의 타단부는 고무 부시(547)의 중심에 낸 구멍 속으로 삽입되고, 그에 따라서 VTC 커버(532)에서 소자 홀더(540)가 지지된다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 볼 베어링(539)의 외측 레이스(outer race)는 소자 홀더(540)에 압입 고정된다.
또한, 볼 베어링(539)의 외측 레이스는 VTC 커버(532)의 내면과 제4 요크 부 재(542) 사이에 설치된 코일 스프링(549)의 스프링 힘에 의하여 캠샤프트(13)의 방향으로 압박되고, 그에 따라서 축방향의 배치가 수행되고 느슨한 상태의 발생이 방지된다.
VTC 커버(532)에는 각각의 유지공(holding hole)(506a)의 외측 개구를 폐쇄하는 정지부 본체(548)가 나사 결합되어 있다.
제3 요크 부재(541)가 디스크형으로 형성되고, 소정의 폭(약 1mm)의 공기 갭(G)을 갖고 축방향으로부터 제1 요크 부재(537)의 중심 요크부(537a)에 대향 배치된다.
또한, 제2 요크 부재(538)의 링 요크부(538c)의 내주면과 제4 요크 부재(542)의 원통부(542b)의 외주면 사이에는 공기 갭(G1)이 형성된다.
제4 요크 부재(542)는 소자 홀더(540)에 고정된 디스크형 기부(542a)와, 기부(542a)의 홀 소자(545)의 측부 단부면과 일체로 설치된 소-반경 원통부(542b)와, 원통부(542b)에 의하여 둘러싸인 기부 벽에 설치된 돌기부(542c)를 구비한다.
돌기부(542c)는 영구 자석(534), 제1 요크 부재(537)의 중심 요크 부재(537c) 및 제3 요크 부재(541)와 동축으로 배치된다.
홀 소자(545)의 리드선(545a)은 ECU(114)에 연결된다.
상기 구성을 가진 VTC 기구(113)에 의하면, 기관이 정지되어 있는 시간 동안, 히스테리시스 브레이크(520)의 전자기 코일(524)이 꺼지기 때문에, 중간 회전체(518)는 동력 스프링(519)의 힘에 의하여 기관이 타이밍 스프라킷(502)에 대하여 회전하는 방향으로 회대로 회전하게 되고(도 13 참조), 흡기 밸브(105)의 작동각의 중심 위상은 최대 지각 측에서 유지된다.
그러면, 이러한 상태로부터 기관의 운전이 시작되고, 중심 위상을 진각 측으로 변경하는 요구에 기초하여 히스테리시스 브레이크(520)의 전자기 코일(524)이 여자되는 경우, 나선형 스프링(519)의 힘에 대한 제동력이 중간 회전체(518)에 적용된다.
그에 따라서, 중간 회전체(518)는 타이밍 스프라킷(502)의 반대 방향으로 회전되고, 그에 따라서 링크(511)의 상단부의 맞물림 핀(516)이 나선형 슬롯(515)으로 유도되고, 링크(511)의 상단부는 반경 방향으로 홈(508)을 따라서 내측으로 이동된다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 타이밍 스프라킷(502)과 종동축 부재(507) 사이의 조립각은 링크(511)의 효과로 인하여 진각 측에 있도록 변화되고, 진각 측으로의 변화는 전자기 코일(524)의 여자 전류의 크기에 따라서 제어된다.
도 14는 최대 진각 상태를 도시하고, 도 15는 중간 진각 상태를 도시한다.
상대 변위 검출 수단(506)에 의한 상대 변위각의 검출은 다음과 같이 수행된다.
캠샤프트(13)와 타이밍 스프라킷(502) 사이의 상대 회전 위상이 변화되고, 상대 변위 검출 수단(506)의 영구 자석(534)이 회전될 때, 예를 들어 도 22에 도시된 각 θ에 의하여 N극의 중심(P)으로부터 출력된 자계(Z)가 제1 요크 부재(537)의 팬형 요크부(537b)에 전달되고, 중심 요크 부재(537c)에 전달되며, 또한 자계(Z)는 공기 갭(G)을 거쳐서 제3 요크 부재(541)를 통하여 홀 소자(545)로 전달된다.
홀 소자(545)로 전달된 자계(Z)가 홀 소자(545)로부터 제4 요크 부재(542)의 돌기부(542c)를 통하여 원통부(542b)로 전달되고, 다시 공기 갭(G1)을 거쳐서 제2 요크 부재(538)의 링 요크부(538c)로 전달되며, 영구 자석(534)의 S극으로 되돌아온다.
영구 자석(534)의 회전각(θ)이 연속적으로 변함에 따라 자계(Z)의 자속 밀도가 연속적으로 변하기 때문에, 자속 밀도의 연속적인 변화가 홀 소자(545)에 의하여 검출되고, 그 전압의 변화가 ECU(114)로 출력된다.
ECU(114)에서는 캠샤프트(13)의 크랭크샤프트(120)에 대한 상대 회전 변위각(회전 위상의 진각값)이 리드선(545a)을 통하여 홀 소자(545)로부터 출력된 연속적인 검출 신호(압력 변화)에 기한 계산에 의하여 구하여진다.
또한, ECU(114)는 VTC 기구(113)에서의 회전 위상의 진각 목표를 계산하고, 실제 회전 위상이 상기 진각 목표와 일치하도록 전자기 코일(524)의 여자 전류를 피드백-제어한다.
도 23의 흐름도는 ECU(114)에 의한 VTC 기구(113)의 피드백-제어의 메인 루틴을 도시한다.
먼저, 단계(S31)에서 크랭크샤프트(120)에 대한 캠샤프트(13)의 회전 위상의 진각 목표인 목표 VTC 각도(TGTVTC)를 읽는다.
단계(S32)에서는, 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치(120)로부터 캠샤프트(13)의 기준 회전 위치까지의 각도에 기초하여 검출된 회전 위상의 진각값(REVTCref)을 읽는다.
기준 회전 위치에 기한 회전 위상의 탐지는, 크랭크각 센서(117)로부터의 단위각 신호(POS)가 생략되는 위치를 검출함으로써 검출되는 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치로부터 캠 신호(CAM)(크랭크각 180도 마다의 헤드 신호)가 캠 센서(132)로부터 출력되는 위치에 이르기까지의 각도에서 단위각 신호(POS)를 계수함으로써 수행된다.
구체적으로 설명하면, 계수기(counter)는 단위각 신호(POS)를 발생시키는 매 시간을 계수하게 되어 있고, 다른 한편으로는, 계수기는 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치에서 0으로 리셋되며, 캠 신호(CAM)(크랭크각 180도 마다의 헤드 신호)가 출력될 때마다 방해가 수행되는 도 24의 흐름도의 단계(S11)에서 그 시점의 계수기 값을 판단하여 회전 위상을 검출한다.
상기 기능은 본 실시예에서의 제1 검출 수단에 상응한다.
따라서, 기준 회전 위치에 기한 회전 위상의 검출값은 캠 신호(CAM)가 (크랭크각 180도마다) 캠 센서(132)로부터 출력될 때마다 갱신되고, 단계(S32)에서는, 최근의 캠 신호(CAM)가 발생될 때에 갱신된 값을 읽는다.
단계(S33)에서는, 홀 소자(545)(제2 검출 수단)로부터의 검출 신호에 기초하여 계산된 진각값(REVTCnow)을 읽는다.
단계(S32)에서 읽은 회전 위상의 진각값(REVTCref)이 일정 크랭크각마다 갱신되기 때문에, 낮은 기관 회전 속도로 인하여 갱신 주기가 길어지는 경우에는 최근의 갱신된 타이밍으로부터 메인 루틴의 실행 타이밍까지의 시간 사이에 시간이 경과하여 회전 위상의 변화 시에 실제 회전 위상에 대하여 오차가 발생한다.
한편, 단계(S33)에서 읽은 진각값(REVTCnow)이 그 시점에 홀 소자(545)로부터의 검출 신호에 기초하여 정하여지기 때문에, 진각값(REVTCnow)은 그 시점의 회전 위상을 나타낸다.
단계(S34)에서는, 단계(S32)에서 읽은 진각값(REVTCref)과 단계(S33)에서 읽은 진각값(REVTCnow)이 서로 비교되고, 더 작은 값, 즉 보다 더 지각 측에 있는 값이 선택된다.
그러면, 단계(S35)에서는, 단계(S34)에서 선택된 회전 위상의 진각값과 그 시점의 목표 진각값(TGVTC) 사이의 편차에 기초하여, VTC 기구(113)의 피드백-제어된 양(전자기 코일(524)의 여자 전류값)이 계산된다.
단계(S36)에서는, 여자 전류를 제어하기 위한 듀티(duty) 신호가 상기 피드백-제어된 양에 따라서 출력된다.
VEL 기구(112)에 의하여 흡기 밸브(105)의 리프트를 조정하고 VTC 기구(113)에 의하여 작동각의 중심 위상을 조정함으로써 실린더 흡기량이 제어되는 본 실시예에서, 중심 위상의 지각 측은 공기량이 더 증가되는 방향에 있다.
따라서, 진각값(REVTCref)과 진각값(REVTCnow) 중에서 보다 더 지각 측에 있는 값을 선택하는 것은, 그 시점의 중심 위상이 보다 더 지각 측으로 위치하는 것으로 판단된다는 것과, 진각 측에 있는 값이 선택되는 경우보다 중심 위상이 보다 더 진각 측으로 제어된다는 것과, 중심 위상이 흡기량이 감소되는 측에 있도록 제어된다는 것을 의미한다.
본 실시예에서, VEL 기구(112)에 의하여 흡기 밸브(105)의 리프트를 조정함 으로써 기관의 흡기량을 제어하는 구성의 경우, 낮은 밸브 리프트에서는 중심 위상의 변화에 대한 공기량의 변화가 커지기 때문에, 지연 제어 시에 실제값보다 진각 측에 있는 검출 결과에 기초하여 회전 위상이 제어될 때에는 흡기 밸브의 작동각의 중심이 과도하게 지각 측에 설정되고, 그 결과로 실린더 흡기량이 필요 이상으로 증가될 가능성이 있다.
그와 대비하여, 전술한 바와 같이, 진각값(REVTCref)과 진각값(REVTCnow) 중에서 보다 더 지각 측에 있는 값이 선택되면, 지연 제어 중에 진각값(REVTCref)의 갱신의 지연이 발생할 때에 실제값에 보다 가까운 진각값(REVTCnow)에 기초하여 VTC 기구(113)를 제어할 수 있고, 과도한 지연 제어로 인하여 필요 이상으로 흡기량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 센서의 고장 때문에 진각값(REVTCref)과 진각값(REVTCnow) 중 하나가 실제값과 크게 다른 값이 되는 경우에도, 보다 더 지각 측에 있는 값을 선택하여 피드백-제어를 수행함으로써 적어도 회전 위상이 과도하게 지각 측에 설정되는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 진각값(REVTCref)과 진각값(REVTCnow) 중에서 보다 더 지각 측에 있는 값을 선택함으로 인하여, 기관 출력이 보다 감소되도록 제어되고, 흡기 밸브(105)의 작동각의 중심 위상이 더 안전한 측에 있도록 제어된다.
한편, VEL 기구(112)에 의한 리프트/작동각 제어에서, 리프트/작동각의 한계치는 그 시점에서의 작동각의 중심에 따라 변하기 때문에, ECU(114)는 도 25의 흐름도에 도시된 메인 루틴에 의하여 한계치를 설정하고 VEL 기구(112)의 작동을 제 한한다.
도 25의 흐름도의 단계(S41)에서 VEL 기구(112)에서의 제어샤프트(16) 목표각(TGVEL0)을 읽는다.
단계(S42)에서는, 단계(S32)와 같은 방식으로 캠 센서(132)로부터의 각각의 캠 신호(CAM)에 대하여 검출/갱신된 회전 위상의 진각값(REVTCref)의 가장 최근의 값을 읽는다.
단계(S43)에서는, 단계(S33)와 같은 방식으로 홀 소자(545)(제2 검출 수단)로부터의 검출 신호에 기초하여 계산된 진각값(REVTCnow)을 읽는다.
단계(S44)에서는, 단계(S42)의 진각값(REVTCref)과 단계(S43)의 진각값(REVTCnow)이 서로 비교되어, 그 중에서 더 큰 값, 즉 보다 더 진각 측에 있는 값이 선택된다.
단계(S45)에서, 단계(S44)에서 선택된 회전 위상 값에 기초하여 각도 리미터(angle limiter)가 계산된다.
각도 리미터는, 단계(S44)에서 선택된 회전 위상의 진각값에 기초하여 피스톤과 흡기 밸브(105) 사이의 간섭을 피할 수 있는 흡기 밸브(105)의 최대 작동각 또는 최대 리프트를 정하고 이러한 최대 작동각 또는 최대 리프트를 VEL 기구(112)의 제어샤프트(16)의 각으로 변환하여 설정한다.
단계(S46)에서는, 목표각(TGVEL0)이 각도 리미터를 넘지 않도록 제한되고, 최종 목표각(TGVEL)이 설정된다.
동일한 작동 각/리프트의 상태에서의 경우들을 비교하면, 흡기 밸브(105)의 작동각의 중심 위상이 진각 측에 설정될수록, 상사점에서의 피스톤과 흡기 밸브(105) 사이의 거리는 짧아진다.
따라서, 각도 리미터가 진각값(REVTCref)과 진각값(REVTCnow) 중에서 보다 더 진각 측에 있는 값에 기초하여 설정되면, 상사점에서의 피스톤과 흡기 밸브(105) 사이의 더 먼 거리를 확보하기 위하여 목표각(TGVEL)이 제한되고, 피스톤과 흡기 밸브(105) 사이의 간섭을 확실하게 피할 수 있다.
그에 따라서, 작동각/리프트가 회전 위상의 과도기의 변화 또는 센서가 고장 났을 경우에 피스톤과 흡기 밸브(105) 사이의 간섭을 일으키는 작동각/리프트로 제어되는 것을 막을 수 있다.
본 실시예에서, 영구 자석(534)의 회전각의 변화에 의하여 자속 밀도의 변화를 검출하는 홀 소자(545)가 진각값(REVTCnow)을 검출하는 제2 검출 수단으로서 사용된다. 그러나, 도 26에 도시된 제2 캠 센서(133)가 홀 소자(545) 대신에 제공되기 때문에, 그리고 제2 캠 센서(133)와 크랭크각 센서(117)를 결합함으로써, 임의의 시점에 흡기 밸브(105)의 중심 위상을 검출할 수 있는 제2 검출 수단을 구성할 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 제2 캠 센서(133)는 캠샤프트(13)와 일체로 회전하는 회전체(133a)의 반경이 원주 방향으로 연속적으로 변화되도록 형성되고, 회전체(133a)의 주변 모서리를 향하도록 고정된 갭 센서(133b)의 출력이, 도 27에 도시된 바와 같이, 갭 센서(133b)와 회전체(133a)의 주변 모서리 사이의 거리가 캠샤프트의 회전에 의하여 변화함에 따라서 연속적으로 변화되도록 구성된다.
여기서, 캠샤프트의 각도 위치(angle position)와 상기 갭 사이의 관계가 일정하기 때문에, 도 28에 도시한 바와 같이, 갭 센서(133b)의 출력과 캠샤프트의 각도 위치는 일정한 상관 관계를 가지고, 캠샤프트의 각도 위치는 갭 센서(133b)의 출력에 기초하여 검출될 수 있다.
여기서, 갭 센서(133b)의 출력이 캠각 신호(CAMA)이라고 가정한다.
크랭크샤프트(120)의 각도 위치는, 크랭크각 센서(117)로부터의 단위 각도 신호(POS)가 생략된 위치를 탐지함으로써 검출되는 크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치로부터 단위 각도 신호(POS)의 발생 회수를 계수함으로써 검출되고, 캠샤프트(13)의 각도 위치는 제2 캠 센서(133)로부터의 캠 각도 신호(CAMA)에 기초하여 검출된다.
크랭크샤프트(120)의 기준 회전 위치로부터의 단위 각도 신호(POS)의 발생 회수가 항상 계수되면, 크랭크샤프트(120)의 각도 위치는 임의의 시점에서 최소 단위를 10도로 하여 구할 수 있고, 캠샤프트(13)의 각도 위치는 제2 캠 센서(133)로부터의 캠 각도 신호(CAMA)(갭 센서(133b)의 출력)를 읽음으로써 임의의 시점에서 구할 수 있다.
소정의 미소 시간(예를 들어 10 ms)마다 간섭이 실행되는 도 29의 단계(S21)에서는, 크랭크샤프트(120)에 대한 캠샤프트(13)의 회전 위상의 진각값(REVTCnow)이 그 시점에서의 크랭크샤프트(120)의 각도 위치와 캠샤프트(13)의 각도 위치에 기초하여 검출된다.
단계(S33, S43)에서는, 단계(S21)에서 정하여진 진각값(REVTCnow)의 가장 최 근값을 읽는다.
단계(S21)에서 정하여진 진각값(REVTCnow)은 미소 시간마다 갱신되는 값의 가장 최근값이고, 진각값(REVTCref)과 비교할 때에 크게 지연되지 않은 것이며, 홀 소자(545)를 대신하여 필요하고도 충분한 검출 응답성을 가지게 된다.
크랭크샤프트(120) 측에는 갭 센서에 의하여 각도 위치를 검출하는 센서가 설치되므로, 크랭크샤프트(120) 측의 갭 센서와 전술한 갭 센서(133b)의 검출 결과에 기초하여 임의의 시점에서 중심 위상을 검출할 수 있다.
크랭크샤프트(120)에 대하여 캠샤프트(13)의 회전 위상을 변화시킬 수 있는 기구와 작동각/리프트를 변화시킬 수 있는 기구는 전술한 VTC 기구(113)와 VEL 기구(112)에 제한되지 않으며, 잘 알려진 기구들이 적절히 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
또한, 개방 특성을 변화시킬 수 있는 기관 밸브는 흡기 밸브(105)에 한정되지 않으며, VTC 기구(113)와 VEL 기구가 배기 밸브(107) 측에 설치되고, 제1 검출 수단과 제2 검출 수단에 대응하는 수단들이 제공되고, 그러한 수단들에 의한 중심 위상의 검출 결과 가운데에서 배기 밸브의 개방 특성이 더 안전한 측에 있도록 제어되는 결과가 선택되고, 중심 위상의 선택된 검출 결과에 기초하여 배기 밸브의 개방 특성이 제어되도록 구성할 수도 있다.
예를 들어, 상사점의 피스톤과 배기 밸브(107) 사이의 거리는 중심 위상이 보다 더 지각 측으로 정하여짐에 따라 더 짧아지기 때문에, 보다 더 지각 측으로 가 있는 검출된 결과를 선택함으로써 배기 밸브의 작동각/리프트가 제한된다면, 배 기 밸브의 개방 특성은 더 안전한 측으로 제어된다.
또한, 중심 위상을 검출하는 데에 사용되는 다양한 센서들의 고장 진단이 별도로 이루어지고, 센서가 정상인 조건에서, 진각값(REVTCref)의 갱신 주기가 더 길게 되는 낮은 기관 속도에서만 양 검출 결과 중 하나가 선택되는 처리를 수행하거나, 중심 위상이 과도기에 있는 상태에서만 양 검출 결과 중 하나가 선택되는 처리를 수행하고, 또한, 회전 위상의 과도기적 변화 방향을 제한하여 양 검출 결과 중 하나가 선택되는 처리가 수행될 수 있다.
또한, 진각값(REVTCref)에 기초하여 진각값(REVTCnow)이 교정되도록 할 수도 있다.
2004년 2월 26일 출원된 일본 특허 출원 제2004-051639호와 2004년 12월 28일 출원된 일본 특허 출원 제2004-380637호의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
선별된 실시예들만이 본 발명을 설명하기 위하여 기재되었지만, 관련 기술 분야의 당업자는 첨부된 청구항에서 정의된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 이러한 개시 내용에 다양한 변경 및 수정을 가할 수 있다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 따른 전술한 실시예의 설명은 예시를 위한 것이고, 첨부된 청구항에 의하여 정의된 본 발명과 그 동등물의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명은 센서 고장이 있거나 기준 회전 위치에 기초하여 검출되는 회전 위상의 갱신에 있어서의 지연이 있는 경우에도 기관 밸브의 개방 특성을 안전 측에 있도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 크랭크샤프트에 대한 캠샤프트의 회전 위상의 변화에 의하여 기관 밸브의 작동각의 중심 위상이 변할 수 있게 하는 가변 밸브 타이밍 제어 기구(Variable valve Timing Control mechanism)와,
    상기 크랭크샤프트의 기준 회전 위치와 상기 캠샤프트의 기준 회전 위치 사이의 간격에 기초하여 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 제1 검출부와,
    상기 제1 검출부에 의한 주기보다 더 짧은 주기로 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 제2 검출부와,
    상기 제1 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상과 상기 제2 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상 중에서 하나를 소정의 규칙에 기초하여 선택하는 선택부와,
    상기 선택부에 의하여 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 기관 밸브의 개방 특성을 조작하는 조작부를 포함하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선택부는, 상기 제1 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상과 상기 제2 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상 중에서 상기 기관 밸브의 개방 특성이 더 안전한 측에 있도록 조작되는 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조작부는, 상기 선택부에서 선택된 상기 중심 위상과 상기 중심 위상의 목표값에 기초하여 조작 신호를 상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구에 출력하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구는 흡기 밸브의 작동각의 중심 위상이 변할 수 있게 하고,
    상기 선택부는 상기 제1 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상과 상기 제2 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상 중에서 보다 더 지각 측(retard side)에 있는 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기관 밸브의 작동각과 리프트(lift)가 변할 수 있게 하는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구(Variable valve Event and Lift mechanism)를 추가로 포함하고,
    상기 조작부는, 상기 선택부에서 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 조작량의 제한값을 설정하고, 상기 제한값 내에서 상기 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구를 조작하는 것을 특징으로 하는 내연 기 관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 선택부는, 상기 제1 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상과 상기 제2 검출부에 의하여 최근에 검출된 중심 위상 중에서, 피스톤 상사점(top dead center)에서의 상기 기관 밸브와 피스톤 사이의 거리를 더 짧게 하는 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 검출부는,
    상기 크랭크샤프트의 기준 회전 위치에서 검출 신호를 발생시키는 크랭크각 센서와,
    상기 캠샤프트의 기준 회전 위치에서 검출 신호를 발생시키는 캠 센서와,
    상기 크랭크샤프트의 기준 회전 위치에서의 검출 신호와 상기 캠샤프트의 기준 회전 위치에서의 검출 신호 사이의 간격을 측정하는 측정부와,
    상기 간격에 기초하여 상기 중심 위상을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부는 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상의 변화에 따라서 출력이 연속적으로 변하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 검출부는, 상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구의 작동 상태에 따라서 상대적으로 회전하는 부재의 일측에 영구 자석이 설치되고, 그 타측에는 요크(yoke)가 설치되고, 상기 상대 회전에 의하여 상기 영구 자석의 자극 중심과 상기 요크 사이의 간격이 변화하도록 구성되어 있고,
    상기 제2 검출부는 상기 간격의 변화에 의한 자속 밀도의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 검출부는 홀 소자(Hall element)에 의하여 상기 자속 밀도의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출부는,
    상기 캠샤프트와 일체로 회전하고 반경이 원주 방향으로 연속적으로 변하는 회전체(rotator)와,
    상기 회전체의 둘레 모서리를 향하도록 고정되고 상기 회전체의 둘레 모서리와의 상대 거리의 변화에 따라서 검출 신호를 출력하는 거리 센서와,
    미소 회전각마다 상기 크랭크샤프트의 회전각을 검출하는 크랭크각 센서와,
    상기 거리 센서의 출력으로부터 검출된 상기 캠샤프트의 회전각과 상기 크랭 크각 센서에서 검출된 상기 크랭크샤프트의 회전각에 기초하여, 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출부는,
    상기 캠샤프트와 일체로 회전하고 반경이 원주 방향으로 연속적으로 변하는 제1 회전체와,
    상기 제1 회전체의 둘레 모서리를 향하도록 고정되고 상기 제1 회전체의 둘레 모서리와의 상대 거리의 변화에 상응하는 검출 신호를 출력하는 제1 거리 센서와,
    상기 크랭크샤프트와 일체로 회전하고 반경이 원주 방향으로 연속적으로 변하는 제2 회전체와,
    상기 제2 회전체의 둘레 모서리를 향하도록 고정되고 상기 제2 회전체의 둘레 모서리와의 상대 거리의 변화에 상응하는 검출 신호를 출력하는 제2 거리 센서와,
    상기 제1 거리 센서의 출력으로부터 검출된 상기 캠샤프트의 회전각과 상기 제2 거리 센서의 출력으로부터 검출된 상기 크랭크샤프트의 회전각에 기초하여 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구는,
    상기 크랭크샤프트로부터 회전력이 전달되는 구동 부재와,
    상기 캠샤프트와 일체로 설치되는 종동 부재와,
    상기 구동 부재와 상기 종동 부재의 사이에 설치되고 상기 구동 부재에 대하여 상대적으로 회전함으로써 상기 종동 부재에 전달되는 회전을 가속 및 감속하는 중간 회전체와,
    상기 중간 회전체가 상기 구동 부재에 대하여 상대적으로 회전하게 하는 전자기 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  14. 크랭크샤프트에 대한 캠샤프트의 회전 위상의 변화에 의하여 기관 밸브의 작동각의 중심 위상이 변할 수 있게 하는 가변 밸브 타이밍 제어 기구와,
    상기 크랭크샤프트의 기준 회전 위치와 상기 캠샤프트의 기준 회전 위치 사이의 간격에 기초하여 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 제1 검출 수단과,
    상기 제1 검출 수단에 의한 주기보다 더 짧은 주기로 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 제2 검출 수단과,
    상기 제1 검출 수단에 의하여 최근에 검출된 중심 위상과 상기 제2 검출 수단에 의하여 최근에 검출된 중심 위상 중 하나를 소정의 규칙에 기초하여 선택하는 선택 수단과,
    상기 선택 수단에 의하여 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 기관 밸브의 개방 특성을 조작하는 조작 수단을 포함하는 내연 기관용 가변 밸브 작동 제어 장치.
  15. 크랭크샤프트에 대한 캠샤프트의 회전 위상의 변화에 의하여 기관 밸브의 작동각의 중심 위상이 변할 수 있게 하는 가변 밸브 타이밍 제어 기구를 구비한 내연 기관의 제어 방법으로서,
    상기 크랭크샤프트의 기준 회전 위치와 상기 캠샤프트의 기준 회전 위치 사이의 간격에 기초하여 기준 회전 위치마다 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 단계와,
    상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기로 상기 기관 밸브의 작동각의 중심 위상을 검출하는 단계와,
    기준 회전 위치마다 검출된 중심 위상의 최신값과 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기에서 검출된 중심 위상의 최신값 중 하나를 소정의 규칙에 기초하여 선택하는 단계와,
    상기 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 기관 밸브의 개방 특성을 조작하는 단계를 포함하는 내연 기관의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 두 개의 중심 위상 중 하나를 선택하는 상기 단계는,
    기준 회전 위치마다 검출된 중심 위상의 최신값과 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기에서 검출된 중심 위상의 최신값 중에서, 상기 기관 밸 브의 개방 특성이 더 안전한 측에 있도록 조작되는 것을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 기관 밸브의 개방 특성을 조작하는 상기 단계는,
    상기 선택된 중심 위상과 상기 중심 위상에 대한 목표값에 기초하여 조작 신호를 상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법,
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가변 밸브 타이밍 제어 기구는 흡기 밸브의 작동각의 중심 위상이 변할 수 있게 하고,
    상기 두 개의 중심 위상 중 하나를 선택하는 상기 단계는, 기준 회전 위치마다 검출된 중심 위상의 최신값과 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기에서 검출된 중심 위상의 최신값 중에서 보다 더 지각 측에 있는 것을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 내연 기관은 기관 밸브의 작동각 및 리프트(lift)가 변할 수 있게 하는 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구(Variable valve Event and Lift mechanism)를 추가로 구비하고,
    상기 기관 밸브의 개방 특성을 조작하는 상기 단계는, 상기 선택된 중심 위상에 기초하여 상기 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구의 조작량의 한계치를 설정하는 단계와, 상기 가변 밸브 이벤트 앤드 리프트 기구를 상기 한계치 내에서 조작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 두 개의 중심 위상 중 하나를 선택하는 상기 단계는,
    기준 회전 위치마다 검출된 중심 위상의 최신값과 상기 기준 회전 위치들 사이의 주기보다 더 짧은 주기에서 검출된 중심 위상의 최신값 중에서, 피스톤 상사점에서의 기관 밸브와 피스톤 사이의 거리가 더 짧게 되는 것을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 방법.
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