KR20060047493A - 2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용한 가변 캠 타이밍폐루프 제어 - Google Patents

2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용한 가변 캠 타이밍폐루프 제어 Download PDF

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KR20060047493A
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Abstract

감지된 신호 및 설정점을 포함하는 피드백 루프를 갖는 VCT 시스템에서, 감지된 신호 및 설정점에 관련된 스위치 변수를 결정하는 단계, 스위치 변수의 값에 따라 VCT 페이저내에서 흐르는 제어 유체의 흐름을 제어하는 온/오프 2 위치 솔레노이드의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 그에 의해, VCT 페이저로 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용함으로써, VCT 페이저내의 일 방향 또는 다른 방향 중 어느 한 방향으로 제어 유체가 흐른다.
설정점, 피드백 루프, 스위치 변수, VCT 페이저, 2-위치 솔레노이드

Description

2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용한 가변 캠 타이밍 폐루프 제어{VCT CLOSED-LOOP CONTROL USING A TWO-POSITION ON/OFF SOLENOID}
도 1은 종래 기술의 VCT 루프를 도시하는 도면.
도 1a는 도 1의 종래 기술 VCT 루프의 제어 규칙을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 제어 루프를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 흐름도를 도시하는 도면.
본 출원은 발명의 명칭이 "2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용한 VCT 폐루프 제어"인 2004년 4월 28일자로 출원된 가출원 번호 제60/566,218호에 기술된 발명을 주장한다. 미국 가출원의 35 USC§119(e)하의 급부가 주장되며, 상술된 출원은 여기서 참조하고 있다.
발명의 분야
본 발명은 폐루프 제어 시스템의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용한 VCT 폐루프 제어에 관한 것이다.
발명의 배경
에크달, 얼(Ekdahl, Earl) 등의 발명의 명칭이 "VCT 솔레노이드 디더 주파수 제어"인 미국 특허 출원공개 제20030230266A1호는 가변 캠 타이밍 시스템내의 히스테리시스 효과를 감소시키기 위해 디더 신호(dither signal)를 사용하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 a) 적어도 두 개의 스위칭가능한 주파수를 가지는 디더 신호를 제공하는 단계, b) 엔진 속도의 주파수 특성을 결정하는 단계, c) 대략 엔진 크랭크 RPM 값에 관련한 적어도 하나의 주파수 맥동점을 결정하는 단계 및 d) 엔진이 대략 엔진 크랭크 RPM 값내에서 동작할 때 디더 신호 주파수를 변경하는 단계를 포함한다. 그에 의해, 주파수 맥동 효과가 감소된다.
테일러, 대니(Taylor, Danny) 등의 발명의 명칭이 "온도 범위에 걸친 전기-유압 제어 밸브를 위한 제어 방법"인 미국 특허출원 공개 제20040003788A1호는 크랭크축 위치 또는 적어도 하나의 캠축 위치 중 어느 하나의 적어도 하나의 감지된 위치 신호에 관련한 에러 신호가 예정된 명령 신호를 보정하기 위해 피드백되는 피드백 제어 루프를 가지는 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템을 개시한다. 이 시스템은 페이저의 상대 각도 관계를 제어하기 위한 밸브를 추가로 포함하며, 밸브의 병진 이동을 제어하기 위한 가변력 솔레노이드를 포함한다. 개선된 제어 방법은, 에러 신호 보다 현저히 작은 디더 신호를 제공하는 단계; 온도 변화에 따라, 디더 신호에 관련한 적어도 하나의 파라미터를 변경하는 단계; 및 가변력 솔레노이드에 디더 신호를 인가하여, 밸브의 과도한 이동을 유발하지 않고 시스템 히스테리시스를 극복하기 위해 디더 신호를 사용하는 단계를 포함한다.
퀸 주니어, 스탠리 비(Quinn, Jr., Stanley B) 등의 발명의 명칭이 "전자 VCT 제어에서 개루프 및 폐루프 동작 사이의 전이를 위한 제어 방법"인 유럽 특허 제1375838A2호는 시스템이 개루프 모드에서 동작하여야만 할때의 상태와, 폐루프 동작이 바람직한 다른 상황이 존재하는 가변 캠 타이밍(VCT) 제어 시스템을 개시한다. 이들 상태 사이에서 스위칭하도록 VCT 제어 시스템을 위해 다수의 동작 상태가 제공된다. 최소의 교란으로 이들 두 동작 모드 사이에서의 스위칭을 위한 제어 방법론이 설명되어 있다. 또한, 개루프로부터 폐루프로 전환하는 동안, VCT 시스템에 대한 충격을 저지하는 체계가 제공된다.
심슨, 로거(Simpson, Roger)의 발명의 명칭이 "중앙 장착식 스풀 밸브의 위치를 제어함으로써 캠 페이저의 노이즈를 감소시키기 위한 방법"인 미국 특허출원 공개 제20040040525A1호는 VCT 캠 타이밍 시스템내의 페이저 하우징을 가격하는 로터의 비틀림 반전(torsional reversal)에 의해 유발되는 노이즈를 감소시키기 위한 방법을 개시한다. 캠 토크 작동식 페이저(체크 밸브를 구비한 페이저)의 소음을 감소시키기 위해, 제어 루프가 개방되고, 그후, 스풀 밸브를 일 단부 또는 다른 단부로 이동시키지 않고, 스풀 밸브는 단지 조금만 널(null)에서 벗어난다. 이에 의해, 페이저의 운동을 제어하는 스풀 통로내의 오일 포트가 규제되고, 페이저의 운동이 감소된다. 따라서, 페이저의 노이즈가 감소된다.
에크달, 얼 등의 발명의 명칭이 "이중 종속 캠을 위한 흡기 위상의 계산을 활용하는 VCT 캠 타이밍 시스템"인 미국 특허 출원 공개 제20030230263A1호는 종속 흡기 캠(dependent intake cam)을 가지는 엔진이 흡기 캠의 위상을 결정하기 위해 서로 다른 방법 및 공식을 필요로 한다는 것을 개시한다. 배기 캠축은 흡기 캠축을 구동하고, 그래서, 흡기 캠 위치는 배기 캠 위치에 의존한다. 본 발명은 이중 종속 캠을 위한 흡기 위상의 계산을 활용하는 VCT 캠 타이밍 시스템을 제공한다.
스미스, 프랭클린 알(Smith, Franklin R.) 등에 의한 발명의 명칭이 "가변 캠축 타이밍 장치를 위한 유압 멈춤쇠"인 미국 특허 제6,666,181호는 서로에 대해 회전하도록 배치된 로터 및 하우징이 제공되는 페이저를 개시한다. 하우징은 로터에 강성적으로 부착된 베인에 의해 구동되도록 배치된 하나 이상의 캐비티를 갖는다. 베인은 캐비티를 제1 챔버 및 제2 챔버로 분할한다. 페이저는 제1 및 제2 챔버를 연결하는 통로를 추가로 포함하고, 그에 의해, 캐비티내의 베인의 발진을 용이하게 한다. 페이저는 a) 적어도 하나의 개구를 폐쇄 상태로 유지하도록 배치되며, 제1 챔버와 제2 챔버 사이에서 흐르는 유체를 위해 적어도 2개의 개구를 형성하도록 배치된 밸브; 및 b) 하우징과 로터 사이의 회전을 정지 또는 느려지게 하여 로킹 메카니즘이 유체 흐름에 관계없이 하우징과 로터를 함께 로킹할 수 있도록 배치된 적어도 하나의 바이패스를 포함한다.
퀸 주니어, 스탠리 비(Quinn, Jr., Stanley B)의 발명의 명칭이 "설정점 레이트 제한기를 사용하여 기대 VCT 작동율을 달성하기 위한 제어 방법"인 미국 특허출원 공개 제20030230262A1호는 페이저 각도 위치를 제어하기 위한 피드백 루프, 복수의 설정점 값 및 복수의 피드백값을 인수하도록 배치된 제어 규칙을 구비한 VCT 시스템을 공개하며, 이는 입력으로서 복수의 설정점값을 수신하고 제1 출력 및 제2 출력을 출력하는 연산 블록, 제1 출력을 복수의 피드백값과 합산하여 제1 합 (e0)을 생성하는 제1 합산기, 제1 합(e0)과 그 도함수(e1)를 수신하고 처리된 값(e2)을 출력하는 위상 적분기 및 위상 보상기, 예정된 스케일(Kff) 만큼 제2 출력을 증폭시키는 증폭기 및 처리된 값(e2)과 증폭된 제2 출력을 합산하여 제2 합(e3)을 생성하는 제2 합산기를 포함하도록 제공되어 있다.
스미스, 프랭클린 알의 발명의 명칭이 "VCT 로크를 위한 차압 제어 시스템의 사용"인 미국 특허 제6,668,778호는 차압 제어 시스템(DPCS)의 제어 회로와 유압 소통하는 CVD 로킹 핀을 포함하는 가변 캠 타이밍 시스템의 제공을 개시한다. 제어 압력이 50% 듀티 사이클 미만일 때, 동일한 제어 신호는 로킹 핀이 결합하도록 명령하고, VCT가 기계적 정지부를 향해 이동한다. 제어 압력이 50% 듀티 사이클 보다 클 때, 로킹 핀은 분리되고, VCT는 기계적 정지부로부터 멀어지는 방향으로 이동된다.
심슨, 로거(Simpson, Roger) 등의 발명의 명칭이 "베인형 가변 캠축 타이밍 시스템을 위한 제어 밸브 전략:인 미국 특허 제6,263,846호는 내연 기관을 개시하고 있으며, 이는 캠축 및 그와 함께 회전하도록 캠축에 고정된 허브를 포함하고, 하우징은 허브를 둘러싸며, 허브 및 캠축과 함께 회전하고, 추가로 허브 및 캠축에 관하여 발진한다. 구동 베인은 하우징내에 반경방향 내향으로 배치되고, 허브와 협력하며, 피동 베인은 하우징과 협력하도록 허브내에 반경방향 외향으로 배치되며, 또한, 구동 베인과 원주방향으로 교번하며 배치된다(원주방향으로 교번적으로 진각 및 지각 챔버를 형성하도록). 허브에 대한 하우징의 발진을 제어하기 위한 구성은 전자 엔진 제어 유닛 및 진각 제어 밸브를 포함하고, 이 진각 제어 밸브는 전자 엔진 제어 유닛에 응답하며 진각 챔버로 출입하는 엔진 오일 압력을 조절한다. 전자 엔진 제어 유닛에 응답하는 지각 제어 밸브는 지각 챔버로 출입하는 엔진 오일 압력을 조절한다. 진각 통로는 진각 제어 밸브와 진각 챔버 사이의 엔진 오일 압력을 소통시키고, 지각 통로는 지각 제어 밸브와 지각 챔버 사이의 엔진 오일 압력을 소통시킨다.
스미스, 프랭클린 알의 발명의 명칭이 "가변 캠축 타이밍 장치를 위한 공기 통풍 메커니즘"인 미국 특허출원 공개 제20030196625A1호는 유체 유동에 독립적이면서 상대 회전이 없도록 하우징과 로터를 로킹하며, 실질적으로 하우징내의 폐쇄부내에 배치된 로킹 부재와 하우징내의 폐쇄부와 제1 또는 제2 챔버 중 어느 하나 사이에 배치된 하나 이상의 통풍 통로를 포함하고, 그에 의해, 챔버내의 공기가 제거되고 노이즈가 중지되는 장치를 개시한다.
또한, 고프, 알렉산더 유리(Gopp, Alexander Yuri) 등의 발명의 명칭이 "배기 가스 재순환 제어를 위한 방법 및 시스템"인 미국 특허출원 공개 제20030192518A1호는 적어도 하나의 자동 제어가능한 기류 액추에이터 및 EGR 밸브를 구비한 배기 가스 재순환(EGR) 시스템을 구비한 다기통 내연 기관을 제어하기 위한 시스템 및 방법을 개시하며, 이는 자동 제어가능한 기류 액추에이터의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 원하는 매니폴드 압력을 결정하고, 측정된 매니폴드 압력이 원하는 압력에 도달하도록 EGR 밸브를 제어한다. 일 실시예에서, 자동 제어가능한 기류 액추에이터는 충전 운동 제어 밸브 및 가변 캠 타이밍 장치를 포함한다. 다른 실시예에서, 자동 제어가능한 기류 액추에이터는 가변 밸브 리프트 장치, 가변 밸브 타이밍 장치 또는 실린더내의 잔류 배기 가스에 영향을 미치는 소정의 다른 장치를 포함할 수 있다.
그러나, 온/오프 솔레노이드를 사용하는 어떠한 종래기술 특허 또는 공보도 사전조절되는 레벨을 가지는 사전규정된(predefined) 실체를 사용하는 것을 개시 또는 고려하고 있지 않다. 따라서, 스위치 변수가 제공되고, 스위치의 수치적 값의 부호에 기초한 계산이 또한 2-위치 온/오프 솔레노이드(ON/OFF solenoid)의 온 또는 오프를 제어하도록 제공되는 피드백 제어 루프내의 온/오프 솔레노이드를 구비하는 것이 바람직하다.
피드백 루프를 갖는 VCT 시스템에서, VCT 페이저와 연계된 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 솔레노이드가 사용되도록 온/오프 솔레노이드가 제공된다.
피드백 루프를 갖는 VCT 시스템에서, VCT와 연계된 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 솔레노이드가 사용되도록 2-위치 온/오프 솔레노이드가 제공된다.
온/오프 솔레노이드를 구비한 피드백 루프를 구비하는 VCT 시스템에서, 스위 치 변수, 즉, switch가 제공되며, 스위치의 수치값의 부호에 기초한 계산이 또한 2-위치 온/오프 솔레노이드를 온 또는 오프 전환하기 위해 제공된다.
2-위치 온/오프 솔레노이드의 작은 크기 및 신속한 응답이 VCT 페이저내의 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 추진하기 위해 제공된다.
스위치 변수, 즉, switch 가 제공되며, 스위치는 제어 규칙내에서 산출된다. 그리고, switch 의 수치값의 부호에 기초하여, 2-위치 온/오프 밸브가 온 또는 오프 전환된다.
따라서, 감지된 신호 및 설정점을 포함하는 피드백 루프를 갖는 VCT 시스템에서, 감지된 신호 및 설정점에 관련된 스위치 변수를 결정하는 단계; 스위치 변수를 계산하는 단계; 및 이 스위치 변수의 값에 따라 VCT 페이저내에서 흐르는 제어 유체의 흐름을 제어하는 온/오프 2 위치 솔레노이드의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 그에 의해, VCT 페이저로 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용함으로써, VCT 페이저내의 일 방향 또는 다른 방향 중 어느 한 방향으로 제어 유체가 흐른다.
따라서, 감지된 신호 및 설정점을 포함하는 피드백 루프; VCT 페이저로 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위한 2-위치 온/오프 솔레노이드를 포함하는 VCT 시스템이 제공된다. 시스템은 감지된 신호 및 설정점에 관련된 스위치 변수를 결정하는 단계; 스위치 변수를 계산하는 단계; 및 이 스위치 변수의 값에 따라 VCT 페이저내에서 흐르는 제어 유체의 흐름을 제어하는 온/오프 2 위치 솔레노이드의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 방법을 포함하며, 그에 의해, VCT 페이저 로 흐름 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 2-위치 온/오프 솔레노이드를 사용함으로써, VCT 페이저내의 일 방향 또는 다른 방향 중 어느 한 방향으로 제어 유체가 흐른다.
본 장은 본 발명의 이해를 위한 본 발명의 양호한 실시예를 포함하는 본 발명의 설명을 포함한다. 본 실시예는 단지 본 발명을 설명하는 것이라는 것을 주의하여야 한다. 본 발명의 청구범위 부분은 법률에 의해 부여되는 지적 재산권의 테두리를 규정한다.
본 명세서에서 참조하고 있는 발명의 명칭이 "자체-교정형 가변 캠축 타이밍 시스템"인 미국 특허 제5,289,805호는 액츄에이터가 가변력 솔레노이드(VFS)인 폐루프를 개시한다. 5,289,805 특허의 시스템은 도 1에 도시된 바와 같은 피드백 루프로서 도시될 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 피드백 루프(10)가 도시되어 있다. 피드백 루프(10)의 제어 목적은 스풀 밸브를 널 위치(null position)에 있도록 하는 것이다. 달리 말해서, 목적은 스풀(14)을 갖는 설정점(12)에 의해 주어진 위상 각도의 VCT 메커니즘이 그 널 위치에서 정지해 있도록 페이저(미도시)의 2개의 유체 보유 챔버 사이에서 어떠한 유체도 흐르지 않도록 하는 것이다. 이 방식으로, VCT 메카니즘은 정확한 위상 위치에 있으며, 위상 변화율은 0이다. VCT 메카니즘의 동적 상태를 활용하는 제어 컴퓨터 프로그램 제품이 상기 상태를 달성하기 위해 사용된다.
VCT 폐루프 제어 메카니즘은 캠축 위상 편이 θ0 (16)을 측정하고, 이를 원 하는 설정점(12)에 비교함으로써 달성된다. VCT 메카니즘은 순차적으로 페이저가 설정점(12)에 의해 결정된 위치를 달성하도록 조절된다. 제어 규칙(18)은 설정점(12)을 위상 편이 θ0(16)와 비교한다. 비교 결과는 스풀을 위치시키기 위해 솔레노이드(20)에 명령을 발하기 위한 기준으로서 사용된다. 이 스풀(14)의 위치설정은 위상 에러(설정점 r(12)과 위상 편이(16) 사이의 편차)가 0 이 아닐 때 이루어진다.
스풀(14)은 페이저 에러가 음(지각)인 경우 제1 방향(예로서, 우측)을 향해 이동되고, 위상 에러가 양(진각)인 경우 제2 방향(예로서, 좌측)을 향해 이동된다. 현 위상 측정 체계에서 지각은 보다 큰 값을 제공하며, 진각은 작은 값을 산출한다는 것을 인지하여야 한다. 위상 에러가 0일 때, VCT 위상은 설정점(12)과 같으며, 그래서, 스풀은 어떠한 유체도 스풀 밸브내에서 흐르지 않도록 널 위치에서 유지된다. 스풀 밸브(14) 위치에 대한 제어 유체 흐름 상태의 기능적 관계(15)에 주목하기 바란다.
VCT 시스템내의 캠축 및 크랭크축 측정 펄스는 각각 캠축 및 크랭크축 펄스 휠(22, 24)에 의해 발생된다. 크랭크축(미도시) 및 캠축(역시 미도시)이 회전할 때, 휠(22, 24)이 그들과 함께 회전한다. 휠(22, 24)은 치형부를 보유하며, 이는 센서에 의해 발생된 측정 펄스에 따라 센서에 의해 감지 및 측정될 수 있다. 측정 펄스는 캠축 및 크랭크축 측정 펄스 센서(22a, 24a)에 의해 각각 검출된다. 감지된 펄스는 위상 측정 장치(26)에 의해 사용된다. 측정 위상차가 그후 결정된다. 캠축 과 크랭크축 사이의 위상은 전체 회전수 동안의 시간으로 나누어지고 360도 곱해진 연속적 크랭크-대-캠 펄스로부터의 시간으로서 규정된다. 측정된 위상은 θ0(16)로 표현될 수 있다. 이 위상은 그후 원하는 스풀 위치를 달성하기 위해 제어 규칙(18)에 공급된다.
솔레노이드(20)는 통상적으로 스풀(14)상에 작용되는 힘이 변하고, 그에 의해, 예정된 라인을 따른 스풀(14)의 서로 다른 변위를 유발하며, 그에 의해, 가변적 제어 유체 유동량을 유발하는 가변력 솔레노이드(VFS)이다. 통상적으로, VFS는 크고, 큰 점유면적을 가지며, 그에 의해, 엔진 덮개 둘레 또는 엔진 헤드내의 유가치한 공간을 점유한다. 따라서, 작은 크기가 바람직한 경우, VFS는 지정된 치수 제약을 충족시킬 수 없다.
폐루프(10)의 제어 규칙(18)이 본 명세서에서 참조하고 있는 미국 특허 제5,184,578호에 기술되어 있다. 제어 규칙의 간단한 설명이 도 1a에 도시되어 있다. 측정된 위상(26)은 비례-적분(PI) 프로세스가 이루어지는 블록(30)에서 처음으로 제어 규칙(18)을 받게 된다. PI 프로세스는 2개의 하위 프로세스(sub-process)의 합이다. 제1 하위 프로세스는 증폭을 포함하며, 제2 하위 프로세스는 적분을 포함한다. 측정된 위상은 제어 신호가 액추에이터, 이 경우에는, 가변력 솔레노이드를 구동하기 위해 송출되기 이전에 전체 제어 시스템 안정성을 향상시키도록 조절되는 블록 32에서 위상 보정을 추가로 받게 된다.
달리 말해서, VFS가 양호한 폐루프 제어 성능을 제공하는 반면에, 이는 또한 보다 높은 비용, 보다 큰 패키지 크기 및 보다 낮은 신뢰성 같은 다수의 단점을 갖는다. 본 발명은 이를 2-위치 온/오프 솔레노이드로 교체함으로써, VFS에 고유한 상기 단점을 피한다. 2-위치 온/오프 솔레노이드는 VFS 보다 크게 저렴하고, 크기가 작으며, 신뢰성이 있다.
본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 VCT 페이저 내의 유동 방향을 제어하는 스풀 밸브를 압박하기 위한 소형 및 신속 응답성 2-위치 온/오프 솔레노이드를 제공한다.
도 2를 참조하면, 피드백 루프(11)가 도시된다. 피드백 루프(11)의 제어 목표는 스풀 밸브를 널 위치에 있게 하는 것이다. 달리 말하면, 목표는 위상각에서의 VCT 메커니즘이 스풀(14)이 그의 널 위치에 고정되어 있는 설정점(12)에 의해 제공되도록 페이저(도시 생략)의 2개의 유체 보유 챔버 사이에 유동하는 유체가 없도록 하는 것이다. 이 방식으로, VCT 메커니즘이 정확한 위상 위치에 있고 위상 변화율이 0이다. VCT 메커니즘의 동적 상태를 이용하는 제어 컴퓨터 프로그램 제품이 상기 상태를 성취하는데 사용된다.
VCT 폐루프 제어 메커니즘은 캠축 위상 편이 θ0(16)을 측정하고 이를 소정 설정점(12)과 비교함으로써 성취된다. VCT 메커니즘은 이어서 페이저가 설정점(12)에 의해 결정된 위치를 성취하도록 조정되고, 이는 VCT 제어기와 같은 제어기에 의한 연산된 값 제어기이거나 엔진 제어 유닛(ECU) 내에 내장된다. 제어 규칙(31)은 감지된 크랭크 펄스 또는 캠 펄스와 같은 적어도 하나의 측정값과 연계되는 위상 편이 θ0(16)와 설정점(12)을 비교한다. 비교 결과는 스풀(14)을 위치 설정하도록 온/오프 솔레노이드(30)에 명령을 발하기 위한 기준으로서 사용된다. 온/오프 솔레노이드(30)는 2 위치 솔레노이드일 수 있다. 이 스풀(14)의 위치 설정은 위상 에러(설정점(12)과 위상 편이(16) 사이의 차이)가 0이 아닐 때 발생한다.
단지 2개의 밸브 위치, 즉 제1 위치(17a) 및 제2 위치(17b)가 존재하는 스풀 밸브(14) 위치에 대한 유체 유동 상태의 기능적 관계(17)가 솔레노이드의 온/오프 속성에 기인하여 사용된다는 것을 주목하라. 달리 말하면, 이상적으로는 제어 유체는 완전히 유동하거나 완전히 차단된다.
예로서, 스풀(14)은 위상 에러가 음(지각)이면 제1 방향(예를 들면, 우측)을 향해 이동되고 위상 에러가 포지티브(진각)이면 제2 방향(예를 들면, 좌측)을 향해 이동된다. 현재 위상 측정 체계로의 지각은 더 큰 값을 제공하고 진각은 작은 값을 산출하는 것으로 주목된다. 위상 에러가 0이면, VCT 위상은, 스풀 밸브 내에 유체가 유동하지 않게 스풀(14)이 널 위치에 유지되도록 설정점(12)과 동일하다.
VCT 시스템 내의 캠축 및 크랭크축 측정 펄스는 각각 캠축 및 크랭크축 펄스 휠(22, 24)에 의해 생성된다. 크랭크축(도시 생략) 및 캠축(또한 도시 생략)이 회전함에 따라, 휠(22, 24)이 이들과 함께 회전한다. 휠(22, 24)은 센서에 의해 생성된 측정 신호에 따라 센서에 의해 감지되어 측정될 수 있는 치형부를 갖는다. 측정 펄스는 캠축 및 크랭크축 측정 펄스 센서(22a, 24a)에 의해 각각 검출된다. 감지된 펄스는 위상 측정 디바이스(26)에 의해 사용된다. 측정 위상 차이가 그후 결정된다. 캠축과 크랭크축 사이의 위상은 전체 회전수 동안 시간으로 나누고 360°만큼 곱한 연속적인 크랭크-대-캠 펄스로부터의 시간으로서 정의된다. 측정된 위상은 θ0(16)으로서 표현된다. 다음, 위상은 소정의 스풀 위치에 도달하기 위해 제어 규칙(31)에 공급된다.
본 발명의 솔레노이드(30)는 VCT 페이저 내의 유동 방향을 제어하는 스풀 밸브(14)를 압박하기 위한 소형 및 신속 응답성 2-위치 온/오프 솔레노이드이다. 스위치 변수 switch 가 제어 규칙(31) 내에서 계산된다. switch 의 수치값의 값 또는 부호에 기초하여, 2-위치 온/오프 밸브가 온 상태로 전환되거나 오프 상태로 전환된다. 이하는 스위치 변수의 값을 컴퓨팅하기에 적합한 논리 프로세스이다.
부호(switch)>0이면,
2-위치 온/오프 솔레노이드를 온 상태로 전환하고, VCT 내의 유압 유체(hydraulic fluid)를 일 방향으로 유동하게 한다.
부호(switch)<0이면,
2-위치 온/오프 솔레노이드를 오프 상태로 전환하고, VCT 내의 유압 유체를 반대 방향으로 유동하게 한다.
부호(switch)=0이면,
원래 솔레노이드 상태를 유지한다.
본 발명에 있어서, switch의 값을 계산하는 다양한 방식이 존재한다. switch를 계산하는 하나의 바람직한 방식은 switch=theta_setP - theta_M 이다.
스위치를 계산하는 다른 바람직한 방식은,
switch = C 1 * (theta_setP - theta_M) + C 2 * (theta_M Dot)
여기서, theta_setP 는 VCT 위치 설정점,
theta_M 은 측정된 VCT 위치,
(theta_M Dot)는 theta_M 의 도함수이다.
C1 및 C2는 동조될 제어 파라미터이다.
변화율은 C2*(theta_M Dot)의 제1 차수 에러 보정이 불충분할 수 있게 할 수 있는 것으로 주목된다. 이에 의해, 더 높은 차수 에러 보정이 필요할 수 있다. 스위치 변수를 계산하기 위한 다수의 방식이 잠재적으로 존재한다. 몇몇 변수는 다른 것들보다 양호하게 수행될 수 있다. 본 발명은 스위치 변수의 부호 또는 적어도 몇몇 임계값에 기초하여 계산된다.
알 수 있는 바와 같이, 제어 유체 유동(도 1의 15 참조)을 증가시킬 수 있는 종래의 VFS에 비교할 때, 본 발명의 온/오프 솔레노이드는 단지 2개의 위치, 즉 온 또는 오프(도 2의 도면 부호 17, 17a 참조)만을 유지한다. 제어 유체 유동은 CTA 또는 TA 시스템과 연계된 캠축 토크 펄스에 의해 발생된다. 본 발명은 또한 OPA 시스템에서의 그의 사용을 고려한다는 것을 주목해야 한다.
도 3을 참조하면, 플로차트가 도시되어 있다. 스위치 변수 switch는 42로서 정의되고, 스위치에 할당된 값은 44로 정의된다. 스위치 변수 switch는 예로서 도 2의 제어 규칙(31) 내에서 계산된다. 스위치의 값이 예정된 값 Z보다 크면 온/오프 솔레노이드가 온상태(48)가 되는 제1 결정(46)이 수행된다. 스위치의 값이 예정된 값 Z보다 작으면 온/오프 솔레노이드가 온 상태(48)로 되는 제2 결정(50)이 이어서 수행된다. 스위치의 값이 예정된 값 Z와 동일하면 온/오프 솔레노이드가 그의 원래 온/오프 솔레노이드 상태를 유지하는 제3 결정(54)이 이어서 수행된다. 예정된 값 Z는 값 0을 포함하는 임의의 값일 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 VCT 페이저로 유동 방향을 제어하는 스풀 밸브를 작동시키기 위해 2-위치 온/오프 솔레노이드의 사용을 포함한다. 스위치 변수는 스위치 변수의 결정값에 기초하여 제공되고, 온/오프 솔레노이드는 온 상태로 전환되거나 오프 상태로 전환되고, 또는 그의 현재 상태, 즉 온 또는 오프 상태를 유지한다. 스위치 변수를 정의하는 하나의 방식은 이를 부호 함수(sign function)로 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는 예로서 도 2에 도시되고 이하에 설명되는 체계와 같은 컴퓨터 시스템과 함께 사용하기 위한 프로그램 제품으로서 구현된다. 프로그램 제품의 프로그램(들)은 본 실시예의 기능(도 3을 참조하여 이하에 설명되는 방법을 포함)을 규정하고 다양한 신호-보유 매체(signal-bearing media)에 포함될 수 있다. 예시적인 신호-보유 매체는 이에 한정되는 것은 아니지만, (i) PROM, EPPOM 등과 같은 회로내 프로그램 가능 디바이스 상에 영구적으로 저장된 정보, (ii) 기 록 불가능 저장 매체(예로서, CD-ROM 드라이브에 의해 판독 가능한 CD-ROM 디스크와 같은 컴퓨터 내의 판독 전용 메모리 디바이스) 상에 영구적으로 저장된 정보, (iii) 기록 가능 저장 매체(예로서, 디스켓 드라이브 내의 플로피 디스크 또는 하드디스크 드라이브) 상에 저장된 수정 가능 정보, (iv) 무선 통신을 포함하는 컴퓨터 또는 전화 네트워크 또는 자동차의 차량 제어기 등을 통한 통신 매체에 의해 컴퓨터에 전달된 정보를 포함한다. 몇몇 실시예는 구체적으로 인터넷 및 다른 네트워크로부터 다운로드된 정보를 포함한다. 이러한 신호-보유 매체는, 본 발명의 기능들을 지시하는 컴퓨터-판독 가능 명령을 수반할 때, 본 발명의 실시예를 대표한다.
일반적으로, 본 발명의 실시예를 구현하기 위해 실행된 루틴은, 운영 시스템의 일부 또는 특정 어플리케이션, 부품, 프로그램, 모듈, 대상 또는 명령의 시퀀스로서 구현되는지의 여부에 상관없이 본원에서 "프로그램"이라 칭할 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 통상적으로 기계-판독 가능 포맷 및 따라서 실행 가능 명령으로 원시 컴퓨터에 의해 번역될 수 있는 다수의 명령으로 구성된다. 또한, 프로그램은 프로그램에 국부적으로 상주하거나 메모리 또는 저장 디바이스에서 발견되는 변수 및 데이터 구조로 구성된다. 게다가, 이하에 설명되는 다양한 프로그램은 이들이 본 발명의 특정 실시예에서 구현되는 어플리케이션에 기초하여 식별될 수 있다. 그러나, 이어지는 임의의 특정 프로그램 명명법은 편의를 위해서만 사용되는 것이고 따라서 본 발명은 이러한 명명법에 의해 식별되고 및/또는 암시된 임의의 특정 어플리케이션에서만 사용하도록 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.
이하는 본 발명에 관한 용어 및 개념이다.
상기 언급된 유압 유체 또는 유체는 작동 유체(actuating fluid)인 것에 주목하기 바란다. 작동 유체는 베인 페이저 내에서 베인을 이동시키는 유체이다. 전형적으로, 작동 유체는 엔진 오일을 포함하지만, 별도의 유압 유체일 수 있다. 본 발명의 VCT 시스템은, 베인을 이동시키도록 엔진 밸브를 개폐하는 힘에 의해 발생된 캠축 내의 토크 반전을 사용하는 VCT 시스템인 캠 토크 작동식(CTA) VCT 시스템일 수 있다. CTA 시스템 내의 제어 밸브는 진각 챔버로부터 지각 챔버로의 유체 유동을 허용하여, 베인을 이동시키거나 유동을 중단하고 베인을 적소에 로킹시킨다. CTA 페이저는 또한 누설에 기인한 손실을 보상하기 위한 오일 입력을 가질 수 있지만, 페이저를 이동시키도록 엔진 오일을 사용하지는 않는다. 베인은 챔버 내에 수용된 작동 유체에 작용하는 반경방향 요소이다. 베인 페이저는 챔버 내에서 이동하는 베인에 의해 작동되는 페이저이다.
엔진당 하나 이상의 캠축이 존재할 수 있다. 캠축은 벨트 또는 체인 또는 기어 또는 다른 캠축에 의해 구동될 수 있다. 로브가 밸브를 압박하도록 캠축에 존재할 수 있다. 다중 캠축 엔진에서, 대부분 배기 밸브용의 하나의 축과 흡기 밸브용의 하나의 축을 갖는다. "V"형 엔진은 일반적으로 2개의 캠축(각각의 뱅크용의 하나) 또는 4개의 캠축(각각의 뱅크용의 흡기 및 배기용)를 갖는다.
챔버는 그 내부에서 베인이 회전하는 공간으로서 정의된다. 챔버는 진각 챔버(크랭크축에 비해 먼저 밸브를 개방시키는) 및 지각 챔버(크랭크축에 비해 늦게 밸브를 개방시키는)로 분할될 수 있다. 체크 밸브는 단지 일방향으로만 유체 유동 을 허용하는 밸브로서 정의된다. 폐루프는 다른 특성에 응답하여 하나의 특성을 변경하고, 그후, 변경이 정확히 이루어지고 원하는 결과를 달성하기 위한 작용을 조절하는지를 확인하기 위해 검토하는 시스템으로서 규정된다(예로서, ECU로부터의 명령에 응답하여 페이저 위치를 변경하도록 밸브를 이동시키고, 그후, 실제 페이저 위치를 검토하고, 정확한 위치로 다시 밸브를 이동시키는). 제어 밸브는 페이저로의 유체의 유동을 제어하는 밸브이다. 제어 밸브는 CTA 시스템내의 페이저내에 존재할 수 있다. 제어 밸브는 오일 압력 또는 솔레노이드에 의해 작동될 수 있다. 크랭크축은 피스톤으로부터 동력을 취하고, 트랜스미션 및 캠축을 구동한다. 스풀 밸브는 스풀형의 제어 밸브로서 규정된다. 통상적으로, 스풀은 보어내에 탑재되고, 하나의 통로를 다른 통로에 연결한다. 가장 빈번히, 스풀은 페이저의 로터의 중심축상에 위치된다.
차압 제어 시스템(DPCS)은 스풀의 각 단부상의 작동 유체 압력을 사용하는, 스풀 밸브를 이동시키기 위한 시스템이다. 스풀의 일 단부는 나머지 보다 크며, 그 단부상의 유체가 제어되고(통상적으로, 오일 압력상의 펄스 폭 변조(PWM) 밸브에 의해), 전체 공급 압력이 스풀의 다른 단부에 공급된다(따라서, 차압). 밸브 제어 유닛(VCU)은 VCT 시스템을 제어하기 위한 제어 회로이다. 통상적으로, VCU는 ECU로부터의 명령에 응답하여 작용한다.
피동 축은 동력을 받아들이는 소정의 축이다(VCT에서, 대부분 캠축). 구동 축은 동력을 공급하는 소정의 축이다(VCT에서, 대부분 크랭크축, 그러나, 다른 캠축으로부터 하나의 캠축을 구동할 수 있음). ECU는 차량의 컴퓨터인 엔진 제어 유 닛이다. 엔진 오일은 엔진을 윤활하기 위한 오일이며, 압력은 제어 밸브를 통해 페이저를 작동시키도록 조절될 수 있다.
하우징은 챔버를 가지는 페이저의 외부 부분으로서 규정된다. 하우징의 외측은 풀리(타이밍 벨트를 위한), 스프로켓(타이밍 체인을 위한) 또는 기어(타이밍 기어를 위한)일 수 있다. 유압 유체는 파워 조향 유체 또는 제동 유체와 유사한 유압 실린더내에 사용되는 소정의 특수한 종류의 오일이다. 통상적으로, 본 발명은 "작동 유체"를 사용한다. 로크 핀은 페이저를 적소에 로크하도록 배치된다. 일반적으로, 로크 핀은 엔진 시동 또는 중단 동안 같이 오일 압력이 페이저를 유지하기에 너무 낮을 때 사용된다.
오일 압력 작동식(OPA) VCT 시스템은 종래의 페이저를 사용하며, 엔진 오일 압력은 베인의 한 측부 또는 다른 측부에 적용되어 베인을 이동시킨다.
개방 루프가 작용을 확인하기 위한 피드백 없이 다른 특성에 응답하여 하나의 특성을 변화시키는(즉, ECU로부터의 명령에 응답하여 밸브를 이동시키는) 제어 시스템에 사용된다.
위상은 캠축 및 크랭크축(또는 페이저가 다른 캠에 의해 구동되는 경우 캠축 및 다른 캠축)의 상대 각도 위치로서 정의된다. 페이저는 캠에 장착하는 전체 부분으로서 정의된다. 페이저는 통상적으로 로터 및 하우징 및 가능하게는 스풀 밸브 및 체크 밸브로 구성된다. 피스톤 페이저는 내연 기관의 실린더 내에서 피스톤에 의해 작동되는 페이저이다. 로터는 캠 축에 부착된 페이저의 내부 부분이다.
펄스폭 변조(PWM)는 유압 또는 전류의 온/오프 펄스의 타이밍을 변경함으로 써 가변력 또는 압력을 제공한다. 솔레노이드는 기계적 아암을 이동시키도록 코일 내에 흐르는 전류를 사용하는 전기 액추에이터이다. 가변력 솔레노이드(VFS)는, 그의 작동력이 일반적으로 공급 전류의 PWM에 의해 변경될 수 있는 솔레노이드이다. VFS는 온/오프(전체 또는 전무) 솔레노이드에 대향된다.
스프로켓은 엔진 타이밍 체인과 같은 체인과 함께 사용된 부재이다. 타이밍은 피스톤이 규정된 위치(일반적으로 상사점(TDC))에 도달하는 시간과 다른 것이 발생하는 시간 사이의 관계로서 정의된다. 예를 들면, VCT 또는 VVT 시스템에서, 타이밍은 일반적으로 밸브가 개방 또는 폐쇄될 때에 관한 것이다. 점화 타이밍은 스파크 플러그가 점화될 때에 관한 것이다.
비틀림 이용(TA:torsion assist) 또는 토크 이용 페이저는 오일 공급 라인 내의 체크 밸브(즉, 단일 체크 밸브 실시예)를 부가하거나 각각의 챔버로의 공급 라인에 체크 밸브(즉, 2개의 체크 밸브 실시예)를 부가하는 OPA 페이저의 변형예이다. 체크 밸브는 토크 반전에 기인하여 오일 압력 펄스가 오일 시스템 내로 재차 전파되는 것을 차단하고, 토크 반전에 기인하여 베인이 후방으로 이동하는 것을 중단시킨다. TA 시스템에서, 전방 토크 영향에 기인하는 베인의 운동이 허용되고, 따라서 표현 "비틀림 이용"이 사용된다. 베인 운동의 그래프는 단차형 함수이다.
VCT 시스템은 페이저, 제어 밸브(들), 제어 밸브 액추에이터(들) 및 제어 회로를 포함한다. 가변 캠 타이밍(VCT)은, 엔진의 흡기 및/또는 배기 밸브를 구동하는 하나 이상의 캠축 사이의 각도 관계(위상)를 제어하고 및/또는 변경하는 것을 칭하는 프로세스이며, 물체가 아니다. 각도 관계는 또한 크랭크축이 피스톤에 연 결되는 캠과 크랭크축 사이의 위상 관계를 포함한다.
가변 밸브 타이밍(VVT)은 밸브 타이밍을 변경하는 임의의 프로세스이다. VVT는 VCT와 연계될 수 있고, 또는 캠의 형상 또는 캠 또는 밸브에 대한 캠 로브의 관계 또는 캠 또는 밸브에 대한 밸브 액추에이터의 관계를 변경시킴으로써, 또는 전기적 또는 유압 액추에이터를 사용하여 밸브 자체를 개별적으로 제어함으로써 성취될 수 있다. 달리 말하면, 모든 VCT는 VVT이지만, 모든 VVT가 VCT인 것은 아니다.
따라서, 본원에 설명된 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 원리의 적용의 예시일 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 예시된 실시예의 상세에 대한 본원에서의 참조는 본 발명에 본질적인 것으로서 간주되는 이들 특징을 자체로 인용하는 청구범위의 범주를 한정하는 것으로 의도되어서는 안된다.
본 발명은 VCT 페이저 내의 유동 방향을 제어하는 스풀 밸브를 압박하기 위한 소형 및 신속 응답성 2-위치 온/오프 솔레노이드를 제공한다.
본 발명에 의하여, 2-위치 온/오프 솔레노이드는 VFS 보다 크게 저렴하고, 크기가 작으며, 신뢰성이 있다.

Claims (6)

  1. 크랭크축 및 캠축; 각각 측정 펄스를 생성하는 캠축 센서 및 크랭크축 센서; 가변 캠 타이밍 페이저를 포함하고, 상기 가변 캠 타이밍 페이저는 구동력을 받아들이기 위한 외주를 가지는 하우징; 상기 하우징내에 동축으로 위치된 캠축에 연결된 로터; 스풀 밸브; 및 온/오프 솔레노이드를 포함하며, 상기 하우징과 로터는 복수의 챔버를 분리하는 하나 이상의 베인을 형성하고, 상기 베인은 상기 하우징과 상기 로터의 상대 각도 위치를 변위시키도록 회전할 수 있으며, 상기 스풀 밸브는 상기 복수의 챔버 사이의 유체 유동을 제어하기 위한 활주식 스풀을 포함하며, 상기 온/오프 솔레노이드는 상기 스풀의 위치를 제어하는 구성으로 된 내연 기관을 위한 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    측정 펄스를 사용하여 상기 캠축과 상기 크랭크축 사이의 측정된 각도 위상을 결정하는 단계;
    설정점과 상기 측정된 각도 위상 사이의 차이와 같은 스위치 값을 결정하는 단계; 및
    상기 스위치 값이 0 보다 큰 경우 상기 온/오프 솔레노이드가 온 상태로 전환되어 상기 복수의 챔버 사이에서 제1 방향으로 유체가 흐를 수 있게 하고, 스위치 값이 0 보다 작은 경우, 상기 온/오프 솔레노이드가 오프 상태로 전환되어 상기 복수의 챔버 사이에서 상기 제1 방향에 대향한 제2 방향으로 유체가 흐를 수 있게 하도록 상기 스위치 값에 기초하여 상기 온/오프 솔레노이드를 제어하는 단계를 포 함하는 가변 캠 타이밍 시스템 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 값은 수학식
    switch = C1*(설정점-감지된 신호)+C2*(감지된 신호의 변화율)
    에 따라 산출되며,
    여기서, C1 및 C2는 동조에 좌우되는 제어 파라미터인 가변 캠 타이밍 시스템 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 스위치값이 0과 같은 경우, 온/오프 솔레노이드의 상태가 유지되는 가변 캠 타이밍 시스템 제어 방법.
  4. 크랭크축 및 캠축;
    각각 측정 펄스를 생성하는 크랭크축 센서 및 캠축센서; 및
    가변 캠 타이밍 페이저를 포함하는 내연 기관을 위한 가변 캠 타이밍(VCT) 시스템에 있어서,
    상기 가변 캠 타이밍 페이저는,
    구동력을 받아들이기 위한 외주를 가지는 하우징;
    상기 하우징내에 동축으로 위치된 캠축에 연결된 로터로서, 상기 하우징과 상기 로터가 복수의 챔버를 분리하는 하나 이상의 베인을 형성하고, 상기 베인은 상기 하우징과 상기 로터의 상대 각도 위치를 이동시키도록 회전할 수 있는 로터;
    상기 복수의 챔버 사이에서의 유체 유동을 제어하기 위한 활주식 스풀을 포함하는 스풀 밸브;
    상기 스풀의 위치를 제어하기 위한 온/오프 솔레노이드; 및
    상기 온/오프 솔레노이드의 위치를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은,
    측정 펄스를 사용하여 상기 캠축과 상기 크랭크축 사이의 측정된 각도 위상을 결정하는 단계;
    상기 측정된 각도 위상과 설정점 사이의 차이와 같은 스위치값을 결정하는 단계; 및
    상기 스위치 값이 0 보다 큰 경우 상기 온/오프 솔레노이드가 온 상태로 전환되어 상기 복수의 챔버 사이에서 제1 방향으로 유체가 흐를 수 있게 하고, 스위치 값이 0 보다 작은 경우, 상기 온/오프 솔레노이드가 오프 상태로 전환되어 상기 복수의 챔버 사이에서 상기 제1 방향에 대향한 제2 방향으로 유체가 흐를 수 있게 하도록 상기 스위치 값에 기초하여 상기 온/오프 솔레노이드를 제어하는 단계를 포함하는 방법에 의해 동작되는 가변 캠 타이밍 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치 값은 수학식
    switch = C1*(설정점-감지된 신호)+C2*(감지된 신호의 변화율)
    에 따라 산출되며,
    여기서, C1 및 C2는 동조에 좌우되는 제어 파라미터인 가변 캠 타이밍 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 스위치값이 0과 같은 경우, 온/오프 솔레노이드의 상태가 유지되는 가변 캠 타이밍 시스템.
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