KR20130002029A - 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정하며, 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정한 다음에는 상기 최진각 기준위치에서 지각량을 제어하여, 아이들 조건을 포함한 낮은 RPM 영역에서, 낮은 밸브리프트와 이에 필요한 최적 캠타이밍을 기준위치로 설정할 수 있으며, 이를 통해 해당 영역에서 CVVT 제어를 통하지 않고도 최적 밸브리프트를 사용할 수 있게 하여 아이들 및 저속구간의 연비 개선효과를 극대화할 수 있으며, 적정 유효 압축비를 유지하여 Knock 발생 억제 및 RPM 변동량을 축소할 수 있고, 밸브리프트 변경 시 자체 진지각을 포함하는 CVVL 기구를 적용하는데 필요한 기구상의 복잡성 및 이에 기인하는 회전 관성 및 마찰 증가와 원가 상승 없이 저속 연비 개선이 가능하게 하는 동시에, 자체 진지각 기능을 포함한 CVVL 기구대비, 냉각수 온도 또는 대기압이 낮을 때, 전부하 운전 및 타력 운전 등 다양한 운전 조건에 최적화된 밸브리프트 및 캠타이밍 조합을 일반 유압식 CVVT 모듈을 사용하여 구현할 수 있게 하여 상품성을 향상시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법{Continuously Variable Valve Lift system and controlling method}
본 발명은 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 자체 진지각 기능이 없는 연속가변밸브리프트(Continuously Variable Valve Lift, 이하 CVVL) 엔진에 일반 유압식 연속가변밸브타이밍(Continuously Variable Valve timing, 이하 CVVT) 시스템 적용 시 기준위치를 제어하여 연비를 개선시키기 위한 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진은 밸브리프트 및 밸브 열림기간(duration)을 ECU(Electric Control Unit)가 직접 제어하여 연비개선, 성능 향상, 응답성 개선, 배출물 저감 등의 개선 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
한편, CVVL 시스템의 밸브리프트 변화 특성은 CVVL 엔진의 가변 리프트 기구의 구조에 대해 여러 가지 구조 및 구분법이 있으나, 엔진 제어의 관점에서 밸브리프트 변경시 최대 밸브 열림 위치(Maximum Opening Point, MOP)의 변경 여부에 따라 아래와 같이 편의상 두 가지 형식으로 나눌 수 있다.
도 1은 자체 진지각 기능이 없는 연속가변밸브리프트 시스템의 리프트 변화 특성을 도시하는 도면이며, 도 2는 자체 진지각 기능이 있는 연속가변밸브리프트 시스템의 리프트 변화 특성을 도시하는 도면으로, 자체 진지각 기능 유무에 따라 밸브리프트 가변 시 흡기 밸브 리프트 프로파일의 변화를 도시한 것이다.
여기서, 자체 진지각 기능이 없는 CVVL 시스템은 CVVL 기구 작동을 통해 밸브 리프트 변경 시 최대 밸브 열림 위치(MOP)가 변화하지 않는 시스템으로, 상대적으로 구조가 간단하여 CVVL 구현에 유리하나, 캠타이밍은 별도의 CVVT 시스템에 의해 제어해야 하며, 자체 진지각 기능이 있는 CVVL 시스템은 CVVL 기구 작동을 통해 밸브 리프트 변경 시 최대 밸브 열림 위치(MOP)가 함께 변화하는 시스템으로 CVVL 기구 자체의 진지각 특성을 이용하면 별도 CVVT 작동 필요성을 일부 분담할 수 있게 된다.
또한, 자체 진지각 기능이 없는 CVVL 엔진에는 별도의 CVVT 시스템을 장착하여 캠타이밍 제어를 수행하는 것이 필요하며, 통상적으로 일반 Non-CVVL엔진에 적용하고 있는 일반 유압식 CVVT 시스템을 사용하고 있다.
한편, Non-CVVL 엔진에서의 유압식 CVVT 시스템은 Non-CVVL 엔진에서 고정 흡기밸브 리프트를 사용하므로, 해당 운전 조건에서 연료 소모량을 최소화할 수 있는 흡배기 캠타이밍을 목표로 제어하게 된다. 일반적인 Non-CVVL 엔진의 경우, 시동 시 및 아이들을 포함한 저속 저부하 영역에서의 최적 캠타이밍을 기준으로 기준 위치를 선정하는데, 통상적으로 밸브 오버랩이 최소가 되는 흡배기 캠타이밍에 해당된다.
즉, 흡기 캠타이밍은 최지각 위치, 배기 캠타이밍은 최진각 위치를 기준 위치가 되며, 시동 시 및 저속 운전 시 CVVT 구동에 충분한 오일압력이 형성되지 않은 조건에서의 기준위치를 유지해야 한다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 CVVT는 외주 스프로켓이 회전하면 내부 로터는 캠 마찰 토크에 의해 외주 스프로켓 보다 늦게 회전하게 되므로 항상 최지각 위치로 이동하게 된다. 흡기 CVVT의 경우에는 이동된 위치가 기준위치가 되지만, 배기 CVVT의 경우에는 최진각 위치로 강제로 타이밍을 이동시키기 위해 바이어스 스프링을 스프로켓과 내부 로터 사이에 설치하여 그 복원력을 통해 최진각 위치를 유지할 수 있게 된다. 아이들 운전조건보다 RPM이 증가하거나 부하가 증가하면 아이들 캠타이밍 대비 흡기는 진각 방향으로, 배기는 지각 방향으로 최적 캠타이밍이 이동해야 하는데, 이때에는 헤드 오일갤러리에 형성된 오일압을 오일컨트롤밸브(Oil Control Valve, OCV)를 통해 두 개의 오일회로(진각 유로 및 지각 유로)를 통해 CVVT 장치내의 진각실 및 지각실에 오일압을 인가하게 되고 진각실과 지각실 사이의 압력차이로부터 캠 마찰토크 및 배기 CVVT의 경우에는 바이어스 스프링의 탄성력을 이기고 CVVT를 작동시킨다.
이처럼, 대부분의 Non-CVVL 엔진에서 적용하고 있는 유압식 CVVT의 경우 일정 수준 이상의 오일압을 확보해야만 CVVT 작동이 가능하다. 따라서 Non-CVVL 엔진에서는 충분한 오일압을 형성할 수 없는 저속(주로 아이들 RPM)에서는 CVVT 제어의 안정성 및 응답성이 크게 나빠지므로 기준위치(흡기 최지각 위치 및 배기 최진각 위치)의 캠타이밍을 그대로 사용할 수 밖에 없으므로 상기 캠타이밍을 기준위치로 선정하며, 저속 저부하 이외의 엔진 운전 영역에서는 기준 위치 보다 흡기는 진각방향, 배기는 지각방향으로 캠타이밍을 제어한다.
그러나, 종래에는 자체 진지각 기능이 없는 CVVL 엔진에 Non-CVVL엔진용 CVVT 시스템을 적용하는 경우 아이들을 포함한 저속구간에서 최적 캠타이밍 제어가 불가능해지며, 이에 따라 연비 개선율 감소, 녹킹 발생, 차량 응답성 저하 및 차량의 진동이 발생하게 되는 문제점이 있었다.
즉, RPM이 증가하여 CVVT 작동에 필요한 충분한 오일압이 형성되어야만 흡배기 캠타이밍을 가변시킬 수 있으나, 저속 영역(아이들 및 주위)에서는 오일압 부족으로 인하여 CVVT를 작동시키지 못하고, 흡배기 CVVT는 기준위치(흡기 최지각, 배기 최진각)에서 운전될 수 밖에 없으며, 최저리프트를 사용하는 경우 오히려 펌핑 손실이 증가하고 유효 압축비 과다 증가에 의해 연비 악화가 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 자체 진지각 기능이 없는 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진에 일반 유압식 CVVT 시스템 적용 시 일반 Non-CVVL 엔진과 CVVL 엔진에서의 CVVT 기준위치 선정에 대한 제어 방법 개선을 통해 펌핑 손실 저감을 통한 연비 개선 및 유효 압축비가 개선되도록 하여 Knock 특성 개선 및 사이클내 RPM 변동량을 저감시키기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정하며, 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정한 다음에는 상기 최진각 기준위치에서 지각량을 제어함으로써 달성된다.
이상과 같은 본 발명은 아이들 조건을 포함한 낮은 RPM 영역에서, 낮은 밸브리프트와 이에 필요한 최적 캠타이밍을 기준위치로 설정할 수 있으며, 이를 통해 해당 영역에서 CVVT 제어를 통하지 않고도 최적 밸브리프트를 사용할 수 있게 하여 아이들 및 저속구간의 연비 개선효과를 극대화할 수 있으며, 적정 유효 압축비를 유지하여 Knock 발생 억제 및 RPM 변동량을 축소할 수 있고, 밸브리프트 변경 시 자체 진지각을 포함하는 CVVL 기구를 적용하는데 필요한 기구상의 복잡성 및 이에 기인하는 회전 관성 및 마찰 증가와 원가 상승 없이 저속 연비 개선이 가능하게 하는 동시에 또한, 자체 진지각 기능을 포함한 CVVL 기구대비, 냉각수 온도 또는 대기압이 낮을 때, 전부하 운전 및 타력 운전 등 다양한 운전 조건에 최적화된 밸브리프트 및 캠타이밍 조합을 일반 유압식 CVVT 모듈을 사용하여 구현할 수 있게 하여 상품성을 향상시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1은 자체 진지각 기능이 없는 연속가변밸브리프트 시스템의 리프트 변화 특성을 도시하는 도면,
도 2는 자체 진지각 기능이 있는 연속가변밸브리프트 시스템의 리프트 변화 특성을 도시하는 도면,
도 3은 일반적인 유압식 연속가변밸브타이밍 시스템의 구조를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 유압식 연속가변밸브타이밍 시스템의 구조를 도시하는 도면,
도 5는 밸브리프트 및 흡기 캠타이밍에 따른 효율을 도시하는 그래프,
도 6은 연속가변밸브리프트 엔진에서 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍을 도시하는 도면,
도 7은 운전 조건별 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍을 도시하는 도면,
도 8은 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍 특성을 도시하는 도면,
도 9는 리프트/흡기캠에 따른 유효 압축비 및 RPM 변동을 도시하는 도면.
도 4 내지 도 9은 본 발명의 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 도 4는 본 발명의 유압식 연속가변밸브타이밍 시스템의 구조를 도시하는 도면이며, 도 5는 밸브리프트 및 흡기 캠타이밍에 따른 효율을 도시하는 그래프이고, 도 6은 연속가변밸브리프트 엔진에서 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍을 도시하는 도면이다.
또한, 도 7은 운전 조건별 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍을 도시하는 도면이며, 도 8은 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍 특성을 도시하는 도면이고, 도 9는 리프트/흡기캠에 따른 유효 압축비 및 RPM 변동을 도시하는 도면이다.
이하 본 발명의 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법에 대한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선 CVVL 엔진에서 밸브 리프트의 크기를 연속적으로 가변하여 제어하는 것은 펌핑 손실을 최소화하여 연비를 개선하기 위한 것으로, CVVL 엔진에서는 밸브 리프트와 밸브 열림 기간(valve open duration)을 가변 제어할 수 있으므로, CVVT 기구와 조합을 통해 흡기 밸브 열림 위치와 닫힘 위치를 최적값을 선택하여 운전할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브 닫힘 시기를 대폭 진각시키면, 연소실내에 갇힌 흡입 공기는 하사점(BDC)까지 단열 팽창하고, 이후 피스톤 상승과 더불어 단열 압축 과정을 거치게 된다.
이때 흡기 밸브 닫힘 시기의 피스톤 위치까지는 펌핑 손실이 이론적으로 '0'이 되어 흡기 밸브 닫힘 시기에서의 연소실 체적에 해당하는 공기량 만큼을 흡입하면서 펌핑손실을 최소화할 수 있게 되며, 반면 밸브 리프트 및 밸브 열림 기간(duration)이 일정한 일반 Non-CVVL 엔진에서 흡기 밸브 닫힘 위치를 대폭 진각시킬 경우 흡기 밸브 열림 시기가 과다 진각되어 밸브 오버랩이 지나치게 커서 연소 불안정으로 실화가 발생하여 운전할 수 없는 조건이 된다.
한편, 도 5에서 제1선도는 최대리프트(MPI 동등 수준의 밸브리프트), 제2선도는 최소리프트(쓰로틀 바디에 의한 쓰로틀링 최소화 리프트)에서의 연소압-체적을 나타낸 커브이다.
이때, 최대 리프트를 사용할 경우에 펌핑 손실(제1선도 테두리 부분의 면적)대비 최소리프트를 사용할 경우의 펌핑 손실(적색 테두리 부분의 면적)은 최소리프트에 따라 다르나 최소리프트가 1mm일 때, Non-CVVL (또는 최대리프트) 대비 1/3 수준까지 저감할 수 있으며, 해당 저감량 만큼 IMEP (indicated mean effective pressure, 도시유효평균압력) 및 연료 소모량을 절감할 수 있어, 연비개선 효과를 얻을 수 있다.
도 7 및 도 8은 최적 밸브리프트 및 흡기타이밍 특성에 관한 것으로, 리프트와 흡기캠에 따라 아래와 같은 엔진 운전 특성이 있다.
먼저, 리프트가 최소이고 흡기캠이 최진각인 경우 펌핑손실 최소 및 연비가 개선되는 효과가 있으며, 리프트가 최소이고 흡기캠이 최지각인 경우 유효압축비 과다, 녹킹 발생 및 사이클 내 RPM변동이 과다되는 현상이 발생되며, 리프트가 최대이고 흡기캠이 최진각인 경우 내부 EGR 과다 및 연소안정성이 저하되는 현상이 발생되며, 리프트가 최대이고 흡기캠이 최지각인 경우 고속 출력이 증가되는 효과가 있게 된다.
한편, 연속가변밸브타이밍 시스템에 대한 부하 영역별 특징을 설명하면 다음과 같다.
저속 저부하를 포함하는 아이들 영역에서는 연비 개선이 중요하므로 최소 리프트 및 최진각 흡기 캠타이밍을 사용하여야 한다. 여기서 일반적인 Non-CVVL용 CVVT 시스템과 오일펌프가 장착된 엔진에서는 낮은 RPM으로 인하여 CVVT 작동에 충분한 오일압력이 형성되지 않으므로, 흡기 캠타이밍이 최지각 조건으로 고정된다. 이때 오히려 최소리프트를 대신 최대 리프트를 사용하는 것이 펌핑 손실을 줄일 수 있으나, 최소리프트 및 최진각 흡기캠대비 연비 악화가 발생한다.
또한 아이들 정숙성과 관련하여 유효압축비에 따라 압축과정에 필요한 토크차이가 발생하여 사이클내 RPM 변동 특성의 차이가 있다. 일반적으로 아이들 운전시 유효 압축비를 낮추면 RPM 변동량이 감소하여 아이들 정숙성이 개선된다. 따라서 도 9에 도시된 바와 같이 아이들 RPM 변동량을 줄이기 위해서는 유효압축비가 낮아지는 최소리프트 및 최진각 조건이 유리한 것임을 알 수 있다.
부분 부하 영역에서는 아이들 영역과 마찬가지로 연비 개선이 중요한 영역으로, 최소리프트와 최진각 흡기 캠 타이밍을 사용하는 것이 필요하다. 이때 부하가 증가함에 따라서 리프트는 증가하고 흡기캠 타이밍은 다소 지각하는 상태를 나타내게 된다.
전부하 영역에서는 전부하 시 최대 공기량을 흡입하여 토크를 개선하는 것이 중요하므로, 최대 공기량을 확보할 수 있는 리프트와 그 때의 캠타이밍을 선정한다. 통상적으로 저중속에서는 최대리프트의 60~80% 수준, 고속에서는 최대리프트가 사용된다.
이와 같이 운전 조건에 따라 최대의 연비개선 및 연소 안정성을 얻을 수 있는 흡기 밸브 리프트와 흡기 밸브 타이밍이 존재하므로, 자체 진지각 기능이 있는 CVVL 엔진에서는 리프트 저감을 통해 밸브 프로파일 및 열림/닫힘 시기의 진각 효과를 거둘 수 있으나, 자체 진지각 기능이 없는 CVVL엔진에서는 CVVT 작동 및 제어를 통해 최적 캠타이밍을 사용해야 한다.
한편, 본 발명의 CVVL 엔진에서 최적 캠타이밍 구현을 위한 CVVT 시스템 및 그에 대한 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이 엔진 운전 영역별 최적 리프트와 캠타이밍을 동시에 구현해야 최적의 연비와 운전성, 성능을 만족할 수 있으며, 이때 저속에서의 CVVT 요구 조건이 일반 Non-CVVL엔진과 다름을 알 수 있다.
이에 따라 본 발명은 밸브리프트 가변 시 기구 자체의 진지각 기능이 없거나 필요한 진지각량 대비 현격히 부족한 CVVL 엔진에서 밸브 리프트별 최적 캠타이밍 운전을 위한 유압 제어식 CVVT 시스템에 대한 것으로, 흡기 CVVT의 기준위치를 최진각 지점으로 설정하고, 바이어스 스프링 부착형 CVVT 어셈블리를 사용함으로서 최진각 기준위치에서 지각량 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명은 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 스프링을 통해 설정한다.
한편, 흡기 CVVT 기준위치를 최진각 위치에 설정하고 CVVT 지각 제어를 하기 위해서는 상기 CVVT 시스템 내부에 구비되는 오일컨트롤밸브(OCV)가 미작동하게 되는 경우(PWM이 0 일 때) 흡기 캠타이밍이 진각 방향으로 이동할 수 있도록 CVVT 시스템 내부에 바이어스 스프링을 설치하며, 상기 CVVT 시스템 내부에 구비되는 오일컨트롤밸브(OCV)가 최대로 작동하게 되는 경우(PWM을 인가할 때) 상기 오일컨트롤밸브에서 CVVT 시스템으로 연결되는 오일압 유로를 변경시킬 수 있게 하여 헤드 내 오일 회로를 변경하거나 또는 캠샤프트내 오일 유로 변경을 통해 구현할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이처럼, OCV 미작동 상태 또는 저속에서 헤드 오일압이 충분하지 않은 상태에서는 CVVT 모듈내의 진각실 및 지각실 모두 오일압이 인가되지 않으므로, 바이어스 스프링의 복원력에 의해 진각 위치로 이동하게 된다.
이때 일반적인 CVVT 모듈과 마찬가지로 록핀을 사용하여 CVVT 위치를 고정할 수 있으며, 헤드 오일압이 형성되고 OCV를 작동시키면, OCV 및 오일회로를 통해 CVVT 모듈의 지각실로 오일압이 전달되고, 지각실은 OCV를 통해 drain 유로에 연결되어, 진각실과 지각실내의 오일압력 차이에 의해 진각방향으로 캠타이밍이 변경된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연속가변밸브타이밍 시스템 및 제어방법은 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정하며, 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정한 다음에는 상기 최진각 기준위치에서 지각량을 제어하여 저속 연비 개선이 가능하게 하고, 상품성을 향상시키는데 탁월한 이점을 가진 발명인 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 스프링을 통해 설정하는 것을 특징으로 하는 연속가변밸브타이밍 시스템.
  2. 연속가변밸브리프트(CVVL) 엔진과 연동되는 연속가변밸브타이밍(CVVT) 시스템에서 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정하며, 상기 흡기 CVVT의 기준 위치를 최진각 지점으로 설정한 다음에는 상기 최진각 기준위치에서 지각량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연속가변밸브타이밍 시스템 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 CVVT 시스템 내부에 구비되는 오일컨트롤밸브(OCV)가 미작동하게 되는 경우 상기 CVVT 시스템 내부에 구비되는 바이어스 스프링에 의해 흡기 캠타이밍이 진각 방향으로 이동할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 연속가변밸브타이밍 시스템 제어방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 CVVT 시스템 내부에 구비되는 오일컨트롤밸브(OCV)가 최대로 작동하게 되는 경우 상기 오일컨트롤밸브에서 CVVT 시스템으로 연결되는 오일압 유로를 변경시키는 것을 특징으로 하는 연속가변밸브타이밍 시스템 제어방법.
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