KR20150055036A - 내연 기관 및 내연 기관을 위한 제어 방법 - Google Patents

내연 기관 및 내연 기관을 위한 제어 방법 Download PDF

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에이이치 히오카
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

내연 기관은, 흡기 밸브의 밸브 특성을 취하고 엔진 작동 상태에 따라 밸브 특성을 변경하는 가변 밸브 기구 (44); 터빈 휠의 상류에 있는 배기 통로의 일부를 상기 터빈 휠의 하류에 있는 배기 통로의 일부에 연결함으로써 상기 배기 통로에 배열된 상기 터빈 휠 (31) 을 바이패스시키는 바이패스 통로 (34), 및 상기 바이패스 통로의 유로 면적을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브 (35) 를 포함하는 터보차저 (30); 및 엔진 작동 상태의 변화에 따라 상기 밸브 특성을 증가시키려는 요구가 있을 때, 상기 요구 전보다 큰 개도로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방한 후 상기 가변 밸브 기구로 상기 밸브 특성을 증가측으로 변경하도록 구성된 제어 장치를 포함한다.

Description

내연 기관 및 내연 기관을 위한 제어 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 가변 밸브 기구를 구비한 내연 기관, 및 내연 기관을 제어하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.
내연 기관의 작동 상태에 따라 흡기 밸브의 밸브 특성 (밸브 작동 특성) 을 변경하는 가변 밸브 기구가 공지되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2004-339951 호 (JP 2004-339951 A) 는 밸브 특성으로서 흡기 밸브의 작동 각도 및 최대 리프트 양 중 적어도 하나를 취하고 이 밸브 특성을 단계적으로 변경하는 다단 가변 밸브 기구를 기재한다.
전술한 다단 가변 밸브 기구 이외에, 흡기 밸브의 밸브 특성을 연속적으로 (단계 없이 고르게) 변경하는 연속 가변 밸브 기구가 또한 있다.
하지만, 전술한 다단 가변 밸브 기구에 있어서, 서로 크기가 크게 상이한 복수의 밸브 특성들이 설정된다. 따라서, 흡기 밸브의 밸브 특성은 증가측으로 급격하게 크게 변할 수도 있다. 이 경우에, 흡기 밸브의 이 밸브 특성 변화로, 내연 기관으로 유입되는 공기의 양이 급격하게 증가할 수도 있어서, 가능하다면 내연 기관의 출력 토크를 한꺼번에 증가시킨다.
이 문제점은 전술한 다단 가변 밸브 기구에 한정되지 않고, 밸브 특성이 연속 가변 밸브 기구를 구비한 내연 기관에서 급격하게 증가측으로 크게 변할 때에도 또한 유사하게 발생할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 흡기 밸브의 밸브 특성에서 증가측으로 변화 이후 내연 기관의 출력 토크가 급격하게 증가하는 것을 억제할 수 있는, 내연 기관, 및 내연 기관을 위한 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태는 내연 기관에 관한 것으로, 내연 기관은 밸브 특성으로서 흡기 밸브의 작동 각도 및 최대 리프트 양 중 적어도 하나를 취하고 엔진 작동 상태에 따라 상기 밸브 특성을 변경하는 가변 밸브 기구; 터빈 휠의 상류에 있는 배기 통로의 일부를 상기 터빈 휠의 하류에 있는 배기 통로의 일부에 연결함으로써 상기 배기 통로에 배열된 상기 터빈 휠을 바이패스시키는 바이패스 통로, 및 상기 바이패스 통로의 유로 면적을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브를 포함하는 터보차저; 및 엔진 작동 상태의 변화에 따라 상기 밸브 특성을 증가시키려는 요구가 있을 때, 상기 요구 전보다 큰 개도 (opening amount) 로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방한 후 상기 가변 밸브 기구로 상기 밸브 특성을 증가측으로 변경하도록 구성된 제어 장치를 포함한다.
이 양태에 따르면, 내연 기관에서, 흡기 밸브의 밸브 특성은 가변 밸브 기구에 의해 엔진 작동 상태에 따라 가변적으로 제어된다. 또한, 터보차저에서, 내연 기관으로부터 배기 통로로 배출된 배기가스는 터빈 휠에서 송풍되어서, 상기 터빈 휠을 회전 구동한다. 결과적으로, 터빈 휠과 동일한 샤프트 상에 있는 압축기 휠은 터빈 휠과 함께 회전하여서, 과급이 수행된다. 즉, 유입된 공기는 압축되고 내연 기관으로 압송된다. 더욱이, 웨이스트 게이트 밸브가 개방될 때, 배기가스의 적어도 일부는 터빈 휠을 바이패스하고 웨이스트 게이트 밸브의 개도에 따라 바이패스 통로를 통하여 배출된다.
여기에서, 엔진 작동 상태의 변화에 따라 흡기 밸브의 밸브 특성을 증가측으로 변경하려는 요구가 있다면, 웨이스트 게이트 밸브는 요구 전보다 큰 개도로 개방될 것이다. 터빈 휠을 바이패스하여 바이패스 통로를 통하여 배출되는 배기가스의 양은 요구 전보다 더 많아진다. 요구 전과 비교했을 때, 바이패스 통로를 통하여 유동하는 배기가스의 양에 의해 배기 압력이 감소하여서, 터빈 휠의 회전 속도는 감소할 것이다. 결과적으로, 압축기 휠에 의해 공기를 공급시키는 힘이 약해져서, 부스트 압력이 감소한다.
또한, 개방측으로 웨이스트 게이트 밸브를 작동시킨 후, 흡기 밸브의 밸브 특성은 가변 밸브 기구에 의해 증가측으로 바뀐다. 따라서, 흡기 밸브의 밸브 특성이 급격하게 증가측으로 변한다면, 내연 기관으로 유입된 공기의 양은 급격하게 증가할 것이지만, 이 증가는 전술한 대로 부스트 압력이 감소되는 상황 하에 있어서, 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가가 억제될 수 있다.
전술한 내연 기관에서, 웨이스트 게이트 밸브는 밸브 특성의 요구된 변화량에 따른 개도로 개방될 수도 있다. 여기에서, 흡기 밸브의 밸브 특성이 가변 밸브 기구에 의해 증가측으로 급격하게 변한다면, 내연 기관으로 유입되는 공기의 양은 밸브 특성의 변화량에 따른 양만큼 증가할 것이다. 다른 한편으로는, 웨이스트 게이트 밸브가 개방되면, 배기 압력과 부스트 압력은 개방측으로 밸브의 개도 변화량에 따른 양만큼 감소할 것이다.
이 점에서, 전술한 구조에 있어서, 웨이스트 게이트 밸브는 밸브 특성의 요구된 변화량에 따른 개도로 개방된다. 따라서, 웨이스트 게이트 밸브가 항상 일정한 양으로 개방될 때와는 대조적으로, 흡기 공기 양의 갑작스런 증가에 의해 유발되는 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가는, 밸브 특성의 변화량에 관계없이, 적절히 억제될 수 있어서, 출력 토크는 목표 값에 접근한다.
전술한 구조에서, 웨이스트 게이트 밸브는, 밸브 특성의 요구된 변화량이 작을 때보다 밸브 특성의 요구된 변화량이 클 때 더 많은 양으로 개방될 수도 있다. 여기에서, 내연 기관으로 유입되는 공기의 양은, 증가측으로 밸브 특성 변화량이 작을 때 작고, 이 변화량이 증가함에 따라 증가한다. 다른 한편, 배기 압력 및 부스트 압력의 감소량은, 개방측으로 웨이스트 게이트 밸브의 개도 변화량이 작을 때 감소하고, 이 변화량이 증가함에 따라 증가한다.
이 점에서, 이 구조에 따르면, 밸브 특성의 요구된 변화량이 작지 않고 클 때 웨이스트 게이트 밸브는 더 많은 양으로 개방된다. 따라서, 밸브 특성의 요구된 변화량에 관계없이, 흡기 공기 양의 갑작스런 증가에 의해 유발되는 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가는 적절히 억제될 수 있어서, 출력 토크는 목표 값에 접근할 것이다.
전술한 양태에서, 가변 밸브 기구는 복수의 미리 정해진 밸브 특성들 중에서 하나를 선택함으로써 상기 밸브 특성을 다수의 단계들로 변경하는 다단 가변 밸브 기구일 수도 있다.
여기에서, 다단 가변 밸브 기구에서, 서로 크기가 크게 상이한 복수의 밸브 특성들이 설정된다. 따라서, 밸브 특성이 변할 때 변화량은 흡기 밸브의 밸브 특성을 연속적으로 (즉, 고르게) 변경하는 연속 가변 밸브 기구에 대해서보다 더 많은 경향이 있다. 다단 가변 밸브 기구에 있어서, 흡기 밸브의 밸브 특성은 연속 가변 밸브 기구에 대해서보다 증가측으로 크게 보다 쉽게 급격하게 변화된다.
그러므로, 전술한 구조에 있어서, 다단 가변 밸브 기구를 구비한 내연 기관에서, 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가가 억제되는 효과는 전술한 웨이스트 게이트 밸브 및 가변 밸브 기구의 제어를 수행함으로써 효과적으로 획득될 수 있다.
전술한 구조에서, 상기 밸브 특성들의 3 개 이상의 단계들이 설정될 수도 있고, 상기 요구는 요구 전 밸브 특성으로부터, 상기 복수의 밸브 특성들 중에서, 두 단계 더 큰 밸브 특성으로 상기 밸브 특성들을 변경하려는 요구를 포함할 수도 있다.
3 개 이상의 밸브 특성들이 설정되는 다단 가변 밸브 기구를 구비한 내연 기관에서, 밸브 특성이 한 단계 더 큰 밸브 특성으로 변할 때보다 밸브 특성이 두 단계 더 큰 밸브 특성으로 변할 때 더 많은 공기가 엔진으로 유입된다. 흡기 밸브의 밸브 특성 변화 이후 내연 기관의 출력 토크가 급격하게 증가하는 현상은 보다 쉽게 발생하는 경향이 있다.
따라서, 전술한 구조에 있어서, 요구 전 밸브 특성으로부터, 복수의 밸브 특성들 중에서, 두 단계 더 큰 밸브 특성으로 밸브 특성을 변경하려는 요구를 포함하는 요구가 있을 때, 전술한 웨이스트 게이트 밸브 및 가변 밸브 기구의 제어를 수행함으로써 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가가 억제되는 효과를 효과적으로 얻을 수 있다.
전술한 구조에서, 요구는, 복수의 밸브 특성들 중에서, 가장 작은 밸브 특성으로부터 가장 큰 밸브 특성으로 상기 밸브 특성들을 변경하려는 요구를 포함할 수도 있다. 요구 전 밸브 특성으로부터, 복수의 밸브 특성들 중에서, 두 단계 더 큰 밸브 특성으로 변경하려는 요구가 있는 한 가지 상황은, 예를 들어, 전술한 구조에서처럼, 3 개 이상의 밸브 특성들이 있을 때, 가장 작은 밸브 특성으로부터 가장 큰 밸브 특성으로 변경하려는 요구가 있을 때이다. 이 경우에, 밸브 특성은 임의의 가능한 변화 중 가장 크게 변화될 것이다. 다량의 공기가 급격하게 내연 기관으로 유입되어서, 흡기 밸브의 밸브 특성의 변화 후, 내연 기관의 출력 토크가 급격하게 증가하는 현상이 또한 보다 쉽게 발생하는 경향이 있다.
그러므로, 전술한 구조에 있어서, 복수의 밸브 특성들 중에서 가장 작은 밸브 특성으로부터 가장 큰 밸브 특성으로 밸브 특성을 변경하려는 요구를 포함하는 요구가 있을 때, 전술한 웨이스트 게이트 밸브 및 가변 밸브 기구의 제어를 수행함으로써 내연 기관의 출력 토크의 급격한 증가가 억제되는 효과를 효과적으로 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 양태는 내연 기관을 위한 제어 방법에 관한 것으로, 상기 내연 기관은 밸브 특성으로서 흡기 밸브의 작동 각도 및 최대 리프트 양 중 적어도 하나를 취하고 엔진 작동 상태에 따라 상기 밸브 특성을 변경하는 가변 밸브 기구; 및 터빈 휠의 상류에 있는 배기 통로의 일부를 상기 터빈 휠의 하류에 있는 배기 통로의 일부에 연결함으로써 상기 배기 통로에 배열된 상기 터빈 휠을 바이패스시키는 바이패스 통로, 및 상기 바이패스 통로의 유로 면적을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브를 구비하는 터보차저를 포함한다. 상기 제어 방법은 엔진 작동 상태의 변화에 따라 상기 밸브 특성을 증가시키려는 요구가 있을 때, 상기 요구 전보다 큰 개도로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방한 후 상기 가변 밸브 기구로 상기 밸브 특성을 증가측으로 변경하는 것을 포함한다.
이 양태에 따르면, 전술한 제 1 양태에 의해 얻은 효과와 유사한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 예시적 실시형태들의 특징들, 이점들, 및 기술적, 산업적 중요성은 첨부 도면들을 참조하여 이하 설명될 것이고, 같은 도면부호들은 같은 요소들을 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 내연 기관의 일 예시적 실시형태에 따른 내연 기관 및 터보차저의 일반 구조의 프레임 포맷을 보여주는 도면이다.
도 2 는 예시적 실시형태에 따른 내연 기관의 실린더 헤드 주변 구조의 단면도이다.
도 3 은, 일부를 잘라낸, 예시적 실시형태에 따른 가변 밸브 기구의 가변 기구 부분의 사시도이다.
도 4 는 예시적 실시형태에 따른 가변 밸브 기구의 프레임 포맷을 보여주는 도면이다.
도 5 는 예시적 실시형태에 따른 가변 밸브 기구에 제공된 캠의 프로파일의 설명도이다.
도 6 은 예시적 실시형태에 따른 캠 (모터) 의 회전 각도와 가변 밸브 기구에 의해 변경되는 흡기 밸브의 최대 리프트 양 사이 관계를 보여주는 특성도이다.
도 7 은 예시적 실시형태에 따른 최대 리프트 양의 증가 요구가 있을 때 가변 밸브 기구 및 웨이스트 게이트 밸브에 수행된 제어 프로세스 흐름을 도시한 흐름도이다.
도 8a 는 최대 리프트 양의 변화 방식을 도시한 타이밍 차트이다.
도 8b 는 웨이스트 게이트 밸브의 개도 변화 방식을 도시한 타이밍 차트이다.
도 8c 는 부스트 압력 (내연 기관의 출력 토크) 의 변화 방식을 도시한 타이밍 차트이다.
이하, 내연 기관의 예시적 실시형태는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 먼저, 내연 기관의 일반적인 구조가 설명될 것이다. 도 1 및 도 2 에 나타난 것처럼, 내연 기관 (10) 은 복수의 실린더들 (11) 을 가지는 실린더 블록 (12), 및 실린더 블록 (12) 의 상측에 배열된 실린더 헤드 (13) 를 포함한다. 피스톤 (14) 은 각각의 실린더 (11) 에 왕복식으로 이동할 수 있도록 수용된다. 각각의 피스톤 (14) 은 커넥팅 로드 (15) 를 통하여 내연 기관 (10) 의 출력 샤프트인 크랭크샤프트 (16) 에 연결된다. 각각의 피스톤 (14) 의 왕복 운동은 커넥팅 로드 (15) 에 의해 회전 운동으로 변환된 후, 크랭크샤프트 (16) 에 전달된다.
피스톤 (14), 실린더 (11), 및 실린더 헤드 (13) 에 의해 둘러싸인 공간은 각각의 실린더 (11) 의 연소 챔버 (17) 를 형성한다. 각각의 연소 챔버 (17) 와 연통되는 한 쌍의 흡기 포트들 (18) 및 한 쌍의 배기 포트들 (19) 이 실린더 헤드 (13) 에 제공된다.
흡기 포트들 (18) 을 개폐하도록, 한 쌍의 흡기 밸브들 (21) 은 실린더 헤드 (13) 에서 각각의 실린더 (11) 에 대해 왕복식으로 이동할 수 있도록 지지된다. 또한, 배기 포트들 (19) 을 개폐하도록, 한 쌍의 배기 밸브들 (22) 은 실린더 헤드 (13) 에서 각각의 실린더 (11) 에 대해 왕복식으로 이동할 수 있도록 지지된다. 흡기 밸브들 (21) 및 배기 밸브들 (22) 은 각각 밸브 스프링 (23) 에 의해 일반적으로 위로 가압된다. 이 가압 방향은 흡기 포트들 (18) 및 배기 포트들 (19) 을 폐쇄하는 방향 (즉, 밸브 폐쇄 방향) 이다.
밸브 스프링들 (23) 에 대하여 흡기 밸브들 (21) 을 아래로 눌러줌으로써 각각의 흡기 포트 (18) 를 개방하는 (즉, 각각의 흡기 포트 (18) 를 밸브 개방 상태에 두는) 밸브 기구는 실린더 헤드 (13) 에 제공된다. 또한, 밸브 스프링들 (23) 에 대하여 배기 밸브들 (22) 을 아래로 눌러줌으로써 각각의 배기 포트 (19) 를 개방하는 (즉, 각각의 배기 포트 (19) 를 밸브 개방 상태에 두는) 밸브 기구는 실린더 헤드 (13) 에 제공된다. 이 밸브 기구들은 후술될 것이다.
흡기 통로 (24) 는 흡기 포트들 (18) 전부에 연결되고, 내연 기관 (10) 외부로부터 공기는 흡기 통로 (24) 및 흡기 포트들 (18) 을 통하여 각각의 실린더 (11) 의 연소 챔버 (17) 로 유입된다. 연료를 분사하기 위한 연료 분사 밸브 (25) 는 흡기 통로 (24) 에서 각각의 실린더 (11) 에 대해 장착된다. 각각의 연료 분사 밸브 (25) 로부터 분사된 연료는 대응하는 흡기 포트들 (18) 을 통하여 연소 챔버 (17) 로 도입된 흡기 공기와 혼합되어서 공기-연료 혼합물이 된다. 흡기 통로 (24) 대신에 실린더 헤드 (13) 에 연료 분사 밸브들 (25) 을 장착함으로써 연료는 또한 연료 분사 밸브들 (25) 로부터 연소 챔버들 (17) 로 직접 분사될 수도 있다.
각각의 실린더 (11) 를 위한 스파크 플러그 (26) 는 실린더 헤드 (13) 에 장착된다. 각각의 연소 챔버 (17) 에서 공기-연료 혼합물은 스파크 플러그 (26) 로부터 전기 스파크에 의해 점화되고 연소된다. 피스톤들 (14) 은 이 연소로 발생된 고온 고압 연소 가스에 의해 왕복식으로 구동되고, 결과적으로, 크랭크샤프트 (16) 가 회전되고 내연 기관 (10) 의 구동력 (출력 토크) 이 획득된다.
한편, 배기 통로 (27) 는 모든 배기 포트들 (19) 에 연결된다. 연소 챔버들 (17) 에서 발생된 연소 가스는 배기 포트들 (19) 과 배기 통로 (27) 등을 통하여 내연 기관 (10) 외부로 배기가스로서 배출된다.
내연 기관 (10) 의 출력 조절 일부는 흡기 통로 (24) 에 제공된 스로틀 밸브 (28) 의 개도 (스로틀 개도) 를 조절함으로써 실현된다. 즉, 스로틀 개도가 조절될 때, 내연 기관 (10) 으로 유입된 공기의 양 (즉, 흡기 공기 양) 은 변한다. 각각의 연소 챔버 (17) 로 충전되는 공기-연료 혼합물의 양이 변하여 결과적으로 내연 기관 (10) 의 출력이 조절되도록 상기 변화에 응하여 연료 분사 밸브들 (25) 로부터 연료 분사량이 제어된다.
배기가스의 고압 (즉, 배기 압력) 을 효과적으로 사용함으로써 공기 충전 효율성을 증가시키도록, 내연 기관 (10) 은 슈퍼차저로서 역할을 하는 터보차저 (30) 를 구비한다. 터보차저 (30) 는 배기 통로 (27) 를 통하여 유동하는 배기가스 및 이 배기가스의 압력 (즉, 배기 압력) 에 의해 회전하는 터빈 휠 (31), 및 흡기 통로 (24) 에서 스로틀 밸브 (28) 의 상류에 배열되고 회전자 샤프트 (32) 에 의해 터빈 휠 (31) 에 연결되는 압축기 휠 (33) 을 포함한다. 터보차저 (30) 에서, 배기가스는 터빈 휠 (31) 에서 송풍되고, 이것은 터빈 휠 (31) 을 회전시키고, 이 회전은 회전자 샤프트 (32) 를 통하여 압축기 휠 (33) 에 전달된다. 결과적으로, 피스톤 (14) 이 이동함에 따라 연소 챔버 (17) 내부에서 발생된 부압에 의해 공기가 연소 챔버 (17) 로 보내질 뿐만 아니라, 이 공기는 압축기 휠 (33) 의 회전에 의해 압축되고 강제로 연소 챔버 (17) 로 보내진다 (과급됨). 이런 식으로, 연소 챔버 (17) 로 공기의 충전 효율성이 증가된다.
터보차저 (30) 는, 터빈 휠 (31) 의 상류에 있는 배기 통로 (27) 의 일부를 터빈 휠 (31) 의 하류에 있는 배기 통로 (27) 의 일부에 연결함으로써 터빈 휠 (31) 을 바이패스하는 바이패스 통로 (34) 를 구비한다. 웨이스트 게이트 밸브 (35; 이하, 간단히 "WGV" 로 지칭함) 는 바이패스 통로 (34) 에 제공된다. 이 WGV (35) 는, 액추에이터를 사용해 개방 및 폐쇄된 바이패스 통로 (34) 에 배열된 밸브 몸체를 구동함으로써 바이패스 통로 (34) 의 유로 면적을 조절한다. 액추에이터는 전기 모터에 의해 밸브 몸체를 구동하는 것, 부압에 의해 밸브 몸체를 구동하는 것, 등일 수도 있다.
바이패스 통로 (34) 및 WGV (35) 는 일반적으로 부스트 압력이 미리 정해진 값을 초과하는 것을 막도록 (즉, 과다한 부스트 압력이 발생되는 것을 억제하도록) 제공된다. 이 예시적 실시형태에서, 이것에 부가적으로, 바이패스 통로 (34) 와 WGV (35) 는 또한 흡기 밸브들 (21) 의 밸브 특성에서 증가측으로 변화 이후 내연 기관 (10) 의 출력 토크가 급격하게 증가하는 것을 억제하도록 제공된다 (이하, 복수로 제공되는 흡기 밸브들 (21) 및 다른 부품들은 설명을 간략화하기 위해서 단수로 지칭될 수도 있음). 흡기 밸브 (21) 의 밸브 특성은 최대 리프트 양 및 작동 각도 중 적어도 하나이고, 이 예시적 실시형태에서는, 이것 둘다 밸브 특성들이다. 하지만, 이하, 간략화를 위해, 최대 리프트 양이 밸브 특성으로서 설명될 것이다. 최대 리프트 양은, 밸브 개방 방향으로 될 수 있는 만큼 흡기 밸브 (21) 가 변위될 때 변위량 (리프트 양) 이다. 또한, 작동 각도는, 흡기 밸브 (21) 가 개방하기 시작할 때부터 흡기 밸브 (21) 가 폐쇄될 때까지 각도 범위 (즉, 밸브 개방 기간) 이다.
WGV (35) 가 폐쇄될 때, 바이패스 통로 (34) 의 유로 면적은 "0" 이 되고, 배기가스는 바이패스 통로 (34) 를 통하여 유동하지 않는다. 반면에, WGV (35) 가 조금이라도 개방될 때, 바이패스 통로 (34) 의 유로 면적은 "0" 보다 크고, 배기가스의 적어도 일부는 터빈 휠 (31) 을 바이패스하면서 바이패스 통로 (34) 를 통하여 배출된다. 바이패스 통로 (34) 의 유로 면적은, WGV (35) 의 개도가 증가함에 따라 증가한다. 배기가스가 바이패스 통로 (34) 를 통하여 유동할 때, 터빈 휠 (31) 의 상류의 배기 압력은 결과적으로 감소하고, 터보차저 (30) 의 구동은 억제된다 (즉, 터빈 휠 (31) 의 회전 속도가 감소함). 결과적으로, 압축기 휠 (33) 에 의해 압송되는 공기의 양은 감소되어서, 부스트 압력은 감소한다.
WGV (35) 가 내연 기관 (10) 의 작동 상태를 제어하는 엔진 제어 유닛 (82; 도 4 참조) 에 연결된다. WGV (35) 의 작동은 이 엔진 제어 유닛 (82) 에 의해 제어된다. 예를 들어, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양을 크게 증가시키려는 요구가 없을 때, WGV (35) 의 목표 개도는 엔진 속도 및 엔진 부하 등과 같은 엔진 작동 상태를 기반으로 계산된다. 실제 개도가 목표 개도와 일치하게 되도록 WGV (35) 는 제어 (즉, 구동) 된다. 운전자에 의해 내연 기관 (10) 으로부터 요구되는 출력 토크는, 이 WGV (35) 의 개도를 제어하고 전술한 스로틀 밸브 (28) 의 개도를 제어함으로써 실현된다.
또한, 최대 리프트 양을 크게 증가시키려는 요구가 있을 때, 최대 리프트 양이 변하기 전, 실제 개도가 목표 개도와 일치하게 되도록 WGV (35) 의 이 목표 개도는 증가되고 WGV (35) 의 액추에이터는 제어 (즉, 구동) 된다. 이 제어시, WGV (35) 의 목표 개도는 세 개의 양, 즉, "0", "소 (small)", 및 "대 (large)" 중에서 선택되고 설정된다.
다음에, 흡기 밸브들 (21) 및 배기 밸브들 (22) 의 밸브 기구들이 도 2 를 참조하여 설명될 것이다. 래시 어저스터 (36; lash adjuster) 는 각각의 흡기 밸브 (21) 및 각각의 배기 밸브 (22) 에 제공된다. 로커 아암 (37) 은 래시 어저스터 (36) 와 흡기 밸브 (21) 사이, 및 래시 어저스터 (36) 와 배기 밸브 (22) 사이 양자에 제공된다. 로커 아암 (37) 은 일 단부에서 래시 어저스터 (36) 에 의해 지지되고, 타 단부는 흡기 밸브 (21) 의 상단부 부분 또는 배기 밸브 (22) 의 상단부 부분에 대해 맞닿아 있다.
흡기 캠 (38a) 을 가지는 흡기 캠 샤프트 (38) 는 실린더 헤드 (13) 에서 흡기 밸브 (21) 위에 회전가능하게 지지된다 (도 4 참조). 유사하게, 배기 캠 (39a) 을 가지는 배기 캠 샤프트 (39) 는 실린더 헤드 (13) 에서 배기 밸브 (22) 위에 회전가능하게 지지된다. 흡기 캠 샤프트 (38) 및 배기 캠 샤프트 (39) 는 도시되지 않은 타이밍 체인 등에 의해 크랭크샤프트 (16; 도 1 참조) 에 구동적으로 연결된다. 또한, 크랭크샤프트 (16) 의 회전은 타이밍 체인 등을 통하여 흡기 캠 샤프트 (38) 및 배기 캠 샤프트 (39) 에 전달된다.
배기 캠 (39a) 의 외주면은 배기 밸브 (22) 에 대해 맞닿는 로커 아암 (37) 의 롤러 (37a) 에 대해 맞닿아 있다. 따라서, 엔진이 작동하는 동안 배기 캠 샤프트 (39) 가 회전할 때, 배기 캠 (39a) 의 작용은 로커 아암 (37) 이 지점 (fulcrum) 으로서 래시 어저스터 (36) 에 의해 지지되는 부분과 요동하도록 하여서, 배기 밸브 (22) 를 밸브 스프링 (23) 에 대해 아래로 누른다. 배기 밸브 (22) 가 이런 식으로 아래로 눌러질 때, 배기 포트 (19) 는 개방되어 있다 (즉, 밸브 개방 상태임). 래시 어저스터 (36), 로커 아암 (37), 및 배기 캠 샤프트 (39) 등은 함께 배기 밸브 (22) 를 개방 및 폐쇄되게 구동하는 기구 (밸브 기구) 를 형성한다.
한편, 흡기 밸브 (21) 를 개방 및 폐쇄되게 구동하는 기구 (구동 기구) 는 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양을 변경하는 가변 밸브 기구 (A) 에 의해 형성된다. 가변 밸브 기구 (A) 의 일부는, 흡기 밸브 (21) 에 대해 맞닿아 있는 로커 아암 (37) 과 흡기 캠 (38a) 사이에 배열되는 각각의 실린더 (11) 의 가변 기구 부분 (44) 에 의해 형성된다. 이 가변 기구 부분 (44) 은 입력 아암 (46) 및 출력 아암 (52) 을 가지고 있다. 입력 아암 (46) 및 출력 아암 (52) 은 실린더 헤드 (13) 에 고정된 지지 파이프 (56) 둘레에서 요동가능하게 지지된다. 로커 아암 (37) 은 밸브 스프링 (23) 의 가압력에 의해 출력 아암 (52) 측을 향해 가압되어서, 로커 아암 (37) 의 중간부에 제공된 롤러 (37a) 는 출력 아암 (52) 의 외주면에 대해 맞닿아 있다.
또한, 돌출부 (48) 는 가변 기구 부분 (44) 의 외주면에 제공된다. 실린더 헤드 (13) 내부에 부착된 스프링 (42) 의 가압력은 이 돌출부 (48) 에 작용한다. 이 가압력은 입력 아암 (46) 의 팁 단부에 제공된 롤러 (46a) 가 흡기 캠 (38a) 의 외주면에 대해 맞닿도록 한다. 따라서, 엔진이 작동하는 동안 흡기 캠 샤프트 (38) 가 회전할 때, 흡기 캠 (38a) 의 작용은 가변 기구 부분 (44) 이 지지 파이프 (56) 둘레에서 요동하도록 한다. 또한, 로커 아암 (37) 은 롤러 (37a) 를 통하여 출력 아암 (52) 에 의해 밀리고, 이것은 로커 아암 (37) 이 지점으로서 래시 어저스터 (36) 에 의해 지지되는 부분과 요동하도록 하여서, 흡기 밸브 (21) 는 밸브 스프링 (23) 에 대해 아래로 누른다. 흡기 밸브 (21) 가 이런 식으로 아래로 눌러질 때, 흡기 포트 (18) 는 개방되어 있다 (즉, 밸브 개방 상태임).
제어 샤프트 (57) 는 그것의 축선 방향으로 지지 파이프 (56) 에서 움직일 수 있도록 삽입된다. 가변 기구 부분 (44) 은, 축선 방향으로 제어 샤프트 (57) 를 변위시킴으로써, 중심으로서 지지 파이프 (56) 에 대한 출력 아암 (52) 과 입력 아암 (46) 사이, 상대 위상 차이, 즉, 도 2 에 나타낸 각도 (θ) 를 변화시킨다.
다음에, 가변 기구 부분 (44) 의 구조는 도 3 을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 입력부 (45), 및 축선 방향으로 양측으로부터 이 입력부 (45) 를 사이에 끼우는 한 쌍의 출력부들 (51) 이 가변 기구 부분 (44) 에 배열된다. 입력부 (45) 의 하우징 (49) 및 각각의 출력부 (51) 의 하우징 (54) 은 둘다 중공 실린더형 형상으로 형성된다. 지지 파이프 (56) 는 이 하우징들 (49, 54) 의 내부를 통하여 삽입된다.
나선형 스플라인 (47) 은 입력부 (45) 의 하우징 (49) 의 내주연에 형성된다. 한편, 입력부 (45) 의 나선형 스플라인 (47) 의 치형부 트레이스 (tooth trace) 와 역방향으로 치형부 트레이스를 가지는 나선형 스플라인 (53) 이 각각의 출력부 (51) 의 하우징 (54) 의 내주연에 형성된다.
슬라이더 기어 (61) 는 입력부 (45) 의 하우징 (49) 및 양 출력부들 (51) 의 하우징 (54) 에 의해 형성된 일련의 내부 공간들에 배열된다. 슬라이더 기어 (61) 는 중공 실린더형 형상으로 형성되고, 지지 파이프 (56) 의 축선 방향으로 왕복식으로 이동할 수 있고 그것의 축선 둘레에서 상대 회전할 수 있도록 지지 파이프 (56) 의 외주면에 배열된다.
입력부 (45) 의 나선형 스플라인 (47) 과 치합되는 나선형 스플라인 (62) 은 축선 방향으로 슬라이더 기어 (61) 의 중심부의 외주면에 형성된다. 한편, 출력부들 (51) 의 나선형 스플라인들 (53) 과 치합되는 나선형 스플라인들 (63) 은 축선 방향으로 슬라이더 기어 (61) 의 양 측부들의 외주면들에 형성된다.
제어 샤프트 (57) 와 슬라이더 기어 (61) 는 도시되지 않은 핀에 의해 구동 연결 (맞물림) 된다. 이 구동 연결 (맞물림) 은 슬라이더 기어 (61) 가 지지 파이프 (56) 에 대해 회전할 수 있도록 한다. 또한, 슬라이더 기어 (61) 는 또한 축선 방향으로 제어 샤프트 (57) 의 운동으로 축선 방향으로 이동한다.
이런 식으로 구조된 가변 기구 부분 (44) 에 있어서, 제어 샤프트 (57) 가 축선 방향으로 이동할 때, 슬라이더 기어 (61) 는 또한 이 운동과 함께 축선 방향으로 이동한다. 슬라이더 기어 (61) 의 외주면에 형성된 나선형 스플라인들 (62, 63) 은 상이한 방향들로 형성된 치형부 트레이스들을 가지고, 입력부 (45) 와 출력부들 (51) 의 내주면들에 각각 형성된 나선형 스플라인들 (47, 53) 과 치합한다. 따라서, 슬라이더 기어 (61) 가 축선 방향으로 이동할 때, 입력부 (45) 및 출력부들 (51) 은 서로 반대 방향으로 회전한다. 결과적으로, 입력 아암 (46) 과 양쪽 출력 아암들 (52) 사이 상대 위상 차이 (도 2 에서 각도 (θ)) 가 변하여서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양이 변한다.
이 예시적 실시형태에서, 제어 샤프트 (57) 가 도 3 에서 화살표 (Hi) 로 표시된 방향으로 이동할 때, 슬라이더 기어 (61) 는 동일한 방향으로 제어 샤프트 (57) 와 함께 이동한다. 입력 아암 (46) 과 출력 아암 (52) 사이 상대 위상 차이 (즉, 도 2 에서 각도 (θ)) 가 증가하여서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 과 작동 각도 (밸브 개방 기간) 가 또한 증가하고, 결과적으로, 흡기 공기 양이 증가한다. 다른 한편으로는, 제어 샤프트 (57) 가 도 3 에서 화살표 (Lo) 로 표시된 방향으로 이동할 때, 슬라이더 기어 (61) 는 동일한 방향으로 제어 샤프트 (57) 와 함께 이동한다. 입력 아암 (46) 과 출력 아암 (52) 사이 상대 위상 차이 (즉, 도 2 에서 각도 (θ)) 가 감소하여서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 과 작동 각도 (밸브 개방 기간) 가 또한 감소하고, 결과적으로, 흡기 공기 양이 감소한다.
다음에, 축선 방향으로 가변 밸브 기구 (A) 의 제어 샤프트 (57) 를 이동시키는 구동부의 구조가 설명될 것이다. 도 4 에 나타난 것처럼, 가변 밸브 기구 (A) 의 구동부는 전기 모터 (66), 모터 (66) 의 회전을 감속하는 감속 기구 (68), 및 감속 기구 (68) 의 회전 운동을 제어 샤프트 (57) 의 선형 운동으로 변환하는 변환 기구 (71) 를 포함한다.
감속 기구 (68) 는 복수의 기어들 등을 구비한다. 감속 기구 (68) 의 입력 샤프트는 모터 (66) 의 출력 샤프트에 연결되고, 감속 기구 (68) 의 출력 샤프트는 변환 기구 (71) 에 제공된 캠 (75) 에 연결된다.
변환 기구 (71) 는 홀더 (72), 및 이 홀더 (72) 의 운동을 가이드하는 가이드 (74) 를 포함한다. 제어 샤프트 (57) 를 향하여 연장되는 연결 샤프트 (73) 는 홀더 (72) 에 부착된다. 연결 샤프트 (73) 의 단부 부분은 연결 부재 (65) 에 의해 제어 샤프트 (57) 의 연결 샤프트 (73) 측에서 단부 부분에 연결된다.
감속 기구 (68) 의 출력 샤프트에 의해 회전되는 캠 (75) 은 홀더 (72) 내부에 배열된다. 또한, 캠 (75) 의 캠 면과 접촉하는 롤러 (76) 는 홀더 (72) 에 회전가능하게 부착된다.
캠 (75) 이 회전할 때, 캠 (75) 의 운동이 전달되는 부재인 피동 섹션으로서 홀더 (72) 는 가이드 (74) 를 따라 이동한다. 홀더 (72) 의 이 운동은 제어 샤프트 (57) 를 축선 방향으로 변위시킨다.
모터 제어 유닛 (81) 은 모터 (66) 에 연결된다. 모터 (66) 의 회전 각도는 모터 제어 유닛 (81) 으로부터 구동 신호에 응하여 제어된다. 모터 제어 유닛 (81) 은 내연 기관 (10) 의 작동 상태를 제어하는 엔진 제어 유닛 (82) 에 연결된다.
엔진 제어 유닛 (82) 은 가속기 작동량 센서에 의해 검출된 가속기 작동량, 및 크랭크 각도 센서에 의해 검출된 크랭크 각도 등을 표시하는 신호들을 수신한다. 그 후, 엔진 제어 유닛 (82) 은, 예를 들어, 크랭크 각도 등으로부터 계산된 가속기 작동량 및 엔진 속도를 기반으로 엔진 작동 상태에 따라 요구되는 흡기 공기 양을 계산하고, 요구되는 흡기 공기 양을 얻을 수 있는 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양을 계산한다. 그 후, 엔진 제어 유닛 (82) 은 목표 리프트 양으로서 계산된 최대 리프트 양을 설정한다. 목표 리프트 양이 이런 식으로 설정될 때, 모터 제어 유닛 (81) 은 목표 리프트 양에 대응하는 캠 (75) 의 회전 위상을 계산하고, 이런 계산된 회전 위상을 달성하기 위해서 모터 (66) 의 회전 각도를 제어한다.
모터 (66) 의 구동은 모터 제어 유닛 (81) 에 의해 듀티 제어된다. 모터 (66) 를 작동할 때, 즉 최대 리프트 양을 변경할 때, 모터 (66) 에 적용된 듀티비는 거의 최대값에 가까운 값으로 설정된다. 따라서, 모터 (66) 의 출력 토크가 최대값에 가까운 값으로 되어서, 제어 샤프트 (57) 는 최대 속도에 가까운 속도로 움직인다.
다음에, 제어 샤프트 (57) 를 변위시키는 캠 (75) 이 상세히 설명될 것이다. 도 5 에 나타난 것처럼, 일 방향으로 점진적으로 증가하는 캠 반경 (회전 중심으로부터 캠 면까지 반경) 으로 인해 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 선형으로 증가하는 구간들 (즉, 제 1 회전 각도 (Rl) 로부터 제 2 회전 각도 (R2) 까지 구간, 및 제 3 회전 각도 (R3) 로부터 제 4 회전 각도 (R4) 까지 구간) 이 캠 (75) 의 캠 면에 설정된다. 또한, 일정한 캠 반경으로 인해 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 일정한 구간들 (즉, 제 2 회전 각도 (R2) 로부터 제 3 회전 각도 (R3) 까지 구간, 제 4 회전 각도 (R4) 로부터 제 5 회전 각도 (R5) 까지 구간, 및 롤러 (76) 가 캠 (75) 의 기준 원 (75b) 과 접촉하는 제 1 회전 각도 (Rl) 앞 구간) 이 또한 캠 (75) 의 캠 면에 설정된다.
보다 구체적으로, 캠 (75) 의 회전 각도가 제 1 회전 각도 (Rl) 앞에 있는 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 "0" 으로 유지된다. 또한, 캠 (75) 의 회전 각도가 제 2 회전 각도 (R2) 와 제 3 회전 각도 (R3) 사이에 있는 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 일정한 값인 "L1" 로 유지된다. 또한, 캠 (75) 의 회전 각도가 제 4 회전 각도 (R4) 와 제 5 회전 각도 (R5) 사이에 있는 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 "L1" 보다 큰 일정한 값인 "L2" 로 유지된다. 이런 식으로, 제어 샤프트 (57) 의 변위량 (L1 및 L2) 이 일정한 구간들은 이하 "홀딩 구역들" 로서 지칭될 것이다.
캠 (75) 의 캠 면은 전술한 캠 프로파일을 가져서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 은 캠 (75) 의 일 회전 중 도 6 에 나타난 것처럼 변한다. 도 6 에서 수평축에 나타낸 것처럼, 모터 (66) 의 회전 각도가 증가함에 따라 캠 (75) 의 회전 각도도 증가한다. 또한, 롤러 (76) 가 캠 (75) 의 기준 원 (75b) 과 접촉한 상태에 있는 제 1 회전 각도 (Rl) 앞에 있는 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 "0" 이어서, 최대 리프트 양 (VL) 은 최소값인 제 1 리프트 양 (VL1) 으로 홀딩된다. 또한, 캠 (75) 의 회전 각도가 제 1 회전 각도 (Rl) 로부터 제 2 회전 각도 (R2) 로 변하는 프로세스 중, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 점진적으로 증가하여서, 최대 리프트 양 (VL) 은 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 점진적으로 증가한다.
제 2 회전 각도 (R2) 로부터 제 3 회전 각도 (R3) 까지 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 일정한 "L1" 로 유지되어서, 최대 리프트 양 (VL) 은 제 1 리프트 양 (VL1) 보다 큰 제 2 리프트 양 (VL2) 으로 홀딩된다. 또한, 캠 (75) 의 회전 각도가 제 3 회전 각도 (R3) 로부터 제 4 회전 각도 (R4) 로 변하는 프로세스 중, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 점진적으로 증가하여서, 최대 리프트 양 (VL) 은 제 2 리프트 양 (VL2) 으로부터 점진적으로 증가한다.
제 4 회전 각도 (R4) 로부터 제 5 회전 각도 (R5) 까지 구간에서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량은 전술한 "L1" 보다 큰 "L2" 로 유지되어서, 최대 리프트 양 (VL) 이 제 2 리프트 양 (VL2) 보다 큰 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 홀딩된다. 이 제 3 리프트 양 (VL3) 은 최대 리프트 양 (VL) 의 최대값이다.
여기에서, 밸브 스프링 (23) 으로부터 반력은 가변 기구 부분 (44) 의 출력부들 (51) 에 작용하여서, 입력 아암 (46) 과 출력 아암 (52) 사이 상대 위상 차이 (즉, 도 2 에서 각도 (θ)) 를 감소시키려는 힘이 적용된다. 따라서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 감소하는 방향으로 (즉, 도 3 및 도 4 의 화살표 (Lo) 의 방향으로) 축방향력은 슬라이더 기어 (61) 및 제어 샤프트 (57) 에 작용한다. 이 축방향력이 제어 샤프트 (57) 의 변위량을 변경하는 구간에서 캠 (75) 의 캠 면에 적용될 때, 이 축방향력으로부터 성분력이 발생된다. 이 성분력은 최대 리프트 양 (VL) 이 감소하는 방향으로 작용하는 회전 토크가 캠 (75) 에 영향을 미치도록 한다. 따라서, 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 변하는 구간에서 최대 리프트 양 (VL) 을 홀딩하려고 할 때, 회전 토크에 맞서는 힘이 모터 (66) 에 의해 발생되어야 하고, 그래서 홀딩 전류가 모터 (66) 에 공급될 필요가 있다.
한편, 축방향력이 캠 (75) 의 홀딩 구역에서 캠 면에 작용할 때, 즉, 일정한 캠 반경으로 인해 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 일정한 구간에서 캠 면에 축방향력이 작용할 때, 이 축방향력이 적용될지라도, 이 축방향력으로부터 성분력이 발생되는 것이 억제된다. 따라서, 축방향력에 의해 야기되는 회전 토크가 발생되는 것이 억제된다. 그러므로, 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 일정한 구간에서 최대 리프트 양 (VL) 이 홀딩될 때, 모터 (66) 로 공급되는 홀딩 전류가 감소될 수 있다.
따라서, 가변 밸브 기구 (A) 에서, 전술한 제 1 리프트 양 (VL1), 제 2 리프트 양 (VL2), 및 제 3 리프트 양 (VL3) 중 어느 하나는, 엔진 작동 상태에 따라, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 으로서 설정된다. 또한, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 은 선택된 리프트 양을 홀딩함으로써 세 단계로 변화된다. 이런 식으로, 가변 밸브 기구 (A) 는 최대 리프트 양을 다수 단계로 변경하는 다단 가변 밸브 기구이다.
전술한 대로, 서로 크기가 크게 상이한 복수의 최대 리프트 양들 (VL; VL1, VL2, VL3) 이 설정되는 다단 가변 밸브 기구 (A) 에 있어서, 도 8a 의 타이밍 (t2) 에서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 증가측으로 급격하게 크게 변한다면 이하 설명되는 현상이 발생할 수도 있다.
즉, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양의 전술한 변화로, 연소 챔버 (17) 로 유입되는 공기의 양이 급격하게 증가하여서, 내연 기관 (10) 의 출력 토크가 한꺼번에 증가할 수도 있다. 도 8c 에서 이점 쇄선은, 도 8b 에서 이점 쇄선으로 나타낸 것처럼 WGV (35) 의 개도가 타이밍 (t2) 에서 증가측으로 변화될 때 부스트 압력 (출력 토크) 변화 방식을 나타낸다. 이런 식으로, 타이밍 (t2) 에서, 부스트 압력 (출력 토크) 은 급격하게 증가하고 목표 부스트 압력 (목표 출력 토크) 보다 훨씬 더 커진다. 하지만, 배기 압력은 WGV (35) 를 개방측으로 작동함으로써 감소하여서, 부스트 압력 (출력 토크) 이 전술한 대로 급격하게 증가한 후 감소되어 목표 값으로 수렴된다.
따라서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구가 있을 때, 엔진 제어 유닛 (82) 은 전술한 대로 WGV (35) 및 가변 밸브 기구 (A) 를 제어 (즉, 구동) 하여서 부스트 압력 (출력 토크) 의 급격한 증가를 억제한다.
다음에, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양을 증가시키려는 요구가 있을 때 엔진 제어 유닛 (82) 에 의해 실행된 루틴은, 이 예시적 실시형태의 작동으로서, 도 7 의 흐름도를 참조하여 설명될 것이다. 이 루틴은 미리 정해진 사이클들로 실행된다.
이 루틴을 시작할 때, 먼저 단계 S110 에서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양을 증가시키려는 요구가 있는지 판정된다. 이 요구는, 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 제 2 리프트 양 (VL2) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구, 제 2 리프트 양 (VL2) 으로부터 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구, 또는 제 1 리프트 양 (VLl) 으로부터 바로 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구일 수도 있다.
단계 S110 에 대한 판정 조건이 충족되지 않는다면 (즉, 전술한 요구들 중 어느 것도 이루어지지 않는다면), 이 루틴 사이클은 종료된다. 다른 한편으로는, 단계 S110 에 대한 판정 조건이 충족된다면 (즉, 요구가 있다면), 프로세스는 요구 내용이 판정되는 단계 S120 으로 진행한다. 여기에서, 제 1 리프트 양 (VLl) 으로부터 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구가 있는지 판정된다. 이 루틴은, 흡기 밸브 (21) 의 작동 각도 및 최대 리프트 양을 증가측 (즉, 흡기 밸브 (21) 의 작동 각도 및 최대 리프트 양이 증가하는 측) 의 큰 값으로 급격하게 변경하려는 요구가 있는지 판정하기 위해서 실행된다.
단계 S120 에서 판정 조건이 충족되면, WGV (35) 의 목표 개도는 단계 S130 에서 두 단계 증가된다. 예를 들어, 요구 전 WGV (35) 의 목표 개도가 "0" 이라면, 목표 개도는 "대 (Large)" 로 변경된다. 이 때 목표 개도의 증가량은 사용가능한 범위에서 최대이다. 또한, 이 변화 후 실제 개도가 목표 개도와 일치하게 되도록 WGV (35) 의 액추에이터는 구동 (즉, 제어) 된다. 결과적으로, WGV (35) 의 실제 개도는 두 단계 ("0" 에서 "대" 로) 증가한다.
다른 한편으로는, 단계 S120 에서 판정 조건이 충족되지 않는다면, 즉, 요구가, 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 제 2 리프트 양 (VL2) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구, 또는 제 2 리프트 양 (VL2) 으로부터 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구이라면, 프로세스는 단계 S140 으로 진행한다. 단계 S140 에서, WGV (35) 의 목표 개도는 한 단계 증가된다. 예를 들어, 요구 전 WGV (35) 의 목표 개도가 "0" 이라면, 목표 개도는 "소" 로 변화된다. 또한, WGV (35) 의 목표 개도가 "소" 라면, 목표 개도는 "대" 로 변화된다. 둘 중 어느 하나의 경우에, 목표 개도의 증가량은 단계 S130 에서 증가량 미만이다. 또한, 이 변경 후 실제 개도가 목표 개도와 일치하게 되도록 WGV (35) 의 액추에이터는 구동 (즉, 제어) 된다. 결과적으로, WGV (35) 의 실제 목표 개도는 한 단계 증가된다.
그 후 단계 S130 또는 단계 S140 후, 프로세스는 단계 S150 으로 진행한다. 단계 S150 에서, 단계 S120 에서 최대 리프트 양 (VL) 에 대한 요구 값 (즉, 단계 S130 이 수행되었을 때 제 3 리프트 양 (VL3), 및 단계 S140 이 수행되었을 때 제 2 리프트 양 (VL2) 또는 제 3 리프트 양 (VL3)) 이 목표 리프트 양으로서 설정되고, 이것은 모터 제어 유닛 (81) 으로 전송된다.
단계 S150 이 수행된 후, 이 루틴 사이클은 종료된다. 목표 리프트 양을 수용한 모터 제어 유닛 (81) 에서, 전술한 대로, 이 목표 리프트 양에 대응하는 캠 (75) 의 회전 위상이 계산되고, 모터 (66) 의 회전 각도는 이 회전 위상을 실현하도록 제어된다.
모터 (66) 의 회전은 감속 기구 (68) 및 변환 기구 (71) 를 통하여 캠 (75) 에 전달된다. 캠 (75) 의 회전은 홀더 (72) 가 가이드 (74) 를 따라 이동하도록 하여서, 제어 샤프트 (57) 는 슬라이더 기어 (61) 와 축선 방향으로 (즉, 화살표 (Hi) 의 방향) 이동한다. 슬라이더 기어 (61) 의 운동은 입력부 (45) 의 입력 아암 (46) 과 출력부들 (51) 의 출력 아암 (52) 사이 상대 위상 차이 (즉, 도 2 에서 각도 (θ)) 가 증가되도록 하여서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 증가하고, 결과적으로, 흡기 공기 양이 증가한다.
도 7 에서 루틴이 수행되고, 엔진 작동 상태의 변화 (즉, 단계 S120 에서 예) 에 따라 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 변경하려는 요구가 있을 때, 프로세스 (단계 S130) 는 도 8b 에서 실선으로 나타낸 것처럼, 타이밍 (tl) 에서, 요구 전으로부터 개방측으로 두 단계의 개도로 WGV (35) 를 개방하기 위해서 수행된다. 터빈 휠 (31) 을 바이패스하고 바이패스 통로 (34) 를 통하여 배출되는 배기가스의 양은 요구 전의 양보다 더 많아진다. 요구 전과 비교했을 때, 배기 압력은 감소하고 터빈 휠 (31) 의 회전 속도는 감소한다. 이로써, 압축기 휠 (33) 에 의해 공기가 공급되는 힘은 약해져서, 도 8c 의 실선으로 나타낸 것처럼, 부스트 압력은 타이밍 (tl) 후 일시적으로 감소한다.
또한, WGV (35) 의 개도가 두 단계 증가한 후 타이밍 (t2) 에서, 도 8a 에서 실선으로 나타낸 것처럼, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 은 가변 밸브 기구 (A) 에 의해 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 변화된다.
따라서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 증가측으로 급격하게 변화될 때, 내연 기관 (10) 으로 유입되는 공기의 양은 급격하게 증가하지만, 이 증가는 부스트 압력이 전술한 대로 감소되는 상황 하에서 수행되어서, 도 8c 의 실선으로 나타낸 것처럼, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가가 억제된다.
여기에서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 갑자기 가변 밸브 기구 (A) 에 의해 증가측으로 변화될 때, 내연 기관 (10) 으로 유입된 공기의 양은 최대 리프트 양 (VL) 의 변화량에 따라 증가한다. 보다 구체적으로, 흡기 공기 양은, 증가측으로 최대 리프트 양 (VL) 의 변화량이 작을 때 작고 변화량이 증가할 때 증가한다.
다른 한편으로는, WGV (35) 가 개방될 때, 배기 압력 및 부스트 압력은 개방측으로 WGV (35) 의 개도 변화량에 따라 감소한다. 보다 구체적으로, 배기 압력 (부스트 압력) 은, 개방측으로 WGV (35) 의 개도 변화량이 작을 때 작고, 변화량이 증가할 때 증가한다.
이 점에서, 이 예시적 실시형태에서, WGV (35) 는 최대 리프트 양 (VL) 의 요구된 변화량에 따른 개도로 개방된다. 보다 구체적으로, 최대 리프트 양 (VL) 의 요구된 변화량이 클 때 (즉, 단계 S120 에서 예), WGV (35) 는 많은 양으로 개방된다 (S130). 최대 리프트 양 (VL) 의 요구된 변화량이 작을 때 (즉, 단계 S120 에서 아니오), WGV (35) 는 적은 양으로 개방된다 (S140).
따라서, WGV (35) 가 항상 일정한 양으로 개방될 때와 대조적으로, 흡기 공기 양의 갑작스러운 증가에 의해 초래되는 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가는 최대 리프트 양 (VL) 에 관계없이 적절히 억제될 수 있어서, 출력 토크가 목표 값에 접근할 것이다.
또한, 다단 가변 밸브 기구 (A) 에 있어서, 제 1 리프트 양 (VL1), 제 2 리프트 양 (VL2), 및 제 3 리프트 양 (VL3) 은 서로 크기가 크게 상이한 복수의 최대 리프트 양들 (VL) 로서 설정된다. 따라서, 최대 리프트 양 (VL) 이 변할 때 변화량은, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 연속적으로 (즉, 고르게) 변경하는 연속 가변 밸브 기구 (A) 를 이용하는 경우보다 더 큰 경향이 있다. 다단 가변 밸브 기구 (A) 에 있어서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 은 연속 가변 밸브 기구 (A) 를 이용하는 경우보다 증가측으로 보다 쉽게 급격하게 크게 변화된다.
따라서, 전술한 대로, 다단 가변 밸브 기구 (A) 를 구비한 내연 기관 (10) 에서, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가는 전술한 대로 WGV (35) 및 가변 밸브 기구 (A) 의 구동 제어를 수행함으로써 효과적으로 억제될 수 있다.
또한, 다단 가변 밸브 기구 (A) 를 구비한 내연 기관 (10) 에 있어서, 한 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 최대 리프트 양 (VL) 이 변할 때와 비교해, 두 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 최대 리프트 양 (VL) 이 변할 때 연소 챔버 (17) 로 유입되는 흡기 공기의 양이 더 많다. 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 의 변화 후 내연 기관 (10) 의 출력 토크가 한꺼번에 증가하는 현상도 또한 보다 쉽게 발생하는 경향이 있다.
따라서, 이 예시적 실시형태에 있어서, 요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터, 복수의 최대 리프트 양들 (VL) 중에서 두 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로의 변경하려는 요구가 있을 때 (즉, 단계 S120 에서 예), 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가는, 전술한 WGV (35) 및 가변 밸브 기구 (A) 의 구동 제어 (S130 및 S150) 를 수행함으로써 효과적으로 억제될 수 있다.
요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터, 복수의 최대 리프트 양들 (VL) 중에서 두 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 변경하려는 요구가 있는 한 가지 상황은, 가장 작은 최대 리프트 양 (VL) 인 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 가장 큰 최대 리프트 양 (VL) 인 제 3 리프트 양 (VL3) 으로 변경하려는 요구가 있을 때이다 (즉, 단계 S120 에서 예). 이 경우에, 최대 리프트 양 (VL) 은 임의의 가능한 가장 큰 변화량으로 변화될 것이다. 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 의 변화 후 내연 기관 (10) 의 출력 토크가 한꺼번에 증가하는 현상이 또한 보다 쉽게 발생하는 경향이 있다.
따라서, 전술한 대로, 가장 작은 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터, 복수의 최대 리프트 양들 (VL1, VL2, 및 VL3) 중에서, 가장 큰 제 3 리프트 양 (VL3) 까지 변경하려는 요구가 있을 때, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가는, 전술한 WGV (35) 및 가변 밸브 기구 (A) 의 구동 제어 (S130 및 S150) 를 수행함으로써 효과적으로 억제될 수 있다.
위에서 상세히 설명한 이런 예시적 실시형태에 따르면, 이하 설명되는 효과들을 얻을 수 있다. 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구가 있을 때, 요구 전보다 개방측에서 더 먼 개도로 WGV (35) 가 개방된 후 최대 리프트 양 (VL) 은 가변 밸브 기구 (A) 에 의해 증가측으로 변화된다.
따라서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 이 증가측으로 급격하게 증가될 때, 내연 기관 (10) 으로 유입되는 공기의 양은 급격하게 증가할 것이지만, 이 증가는 부스트 압력이 감소된 상황 하에서 수행될 수 있어서, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가는 억제될 수 있다.
최대 리프트 양 (VL) 의 변화량이 클 때, WGV (35) 는 변화량이 작을 때보다 더 큰 양으로 개방되고, 즉, WGV (35) 는 최대 리프트 양 (VL) 의 요구된 변화량에 따른 양으로 개방된다.
따라서, 흡기 공기 양의 갑작스러운 증가로 인한 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가가 억제되어서, 최대 리프트 양 (VL) 의 변화량에 관계없이 출력 토크가 목표 값에 가까워지는 효과를 얻을 수 있다.
복수의 미리 정해진 최대 리프트 양들 (VL1 ~ VL3) 중에서 선택함으로써 최대 리프트 양 (VL) 을 다수 단계들로 변경하는 다단 가변 밸브 기구가 가변 밸브 기구 (A) 로서 사용된다.
따라서, 다단 가변 밸브 기구 (A) 를 구비한 내연 기관 (10) 에서, 전술한 WGV (35) 및 가변 밸브 기구 (A) 의 구동 제어를 수행함으로써, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가를 억제하는 효과를 효과적으로 얻을 수 있다.
요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터, 복수의 최대 리프트 양들 (VL) 중에서, 두 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 변경하려는 요구는 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구로서 포함된다. 이 예시적 실시형태에서, 3 개의 최대 리프트 양들 (VL; VL1, VL2, 및 VL3) 이 설정되고, 이들 중에서 가장 작은 제 1 리프트 양 (VL1) 으로부터 가장 큰 제 3 리프트 양 (VL3) 까지 증가시키려는 요구는 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구로서 포함된다.
따라서, 내연 기관 (10) 의 출력 토크의 급격한 증가가 억제될 수 있어서, 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구가 요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터 한 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 밸브 특성을 변경하려는 요구만 단지 포함할 때와 비교해, 전술한 효과를 효과적으로 얻을 수 있다.
예시적 실시형태는 그것이 이하 설명된 대로 변경되는 변형예로서 또한 실시될 수도 있다. 가변 밸브 기구 (A) 에 의해 변화되는 흡기 밸브 (21) 의 최대 리프트 양 (VL) 은 또한 2 개 또는 4 개 이상으로 설정될 수도 있다.
전술한 예시적 실시형태에서, i) 일 방향으로 캠 반경을 점진적으로 증가시킴으로써 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 선형으로 증가하는 구간들의 개수, 및 ⅱ) 캠 (75) 의 캠 면에서, 일정한 캠 반경에 의해 제어 샤프트 (57) 의 변위량이 일정한 구간들의 개수를 변화시킴으로써 최대 리프트 양들 (VL) 의 개수가 변화될 수 있다.
2 개의 최대 리프트 양들 (VL) 이 설정될 때, 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구는 요구 전 리프트 양으로부터 한 단계 더 큰 리프트 양으로 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구이다. 또한, 최대 리프트 양 (VL) 이 "4 개" 이상으로 설정될 때, 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구는 요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터 두 단계 이상 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 최대 리프트 양 (VL) 을 증가시키려는 요구를 포함할 수도 있다. 결과적으로, 전술한 바와 유사한 효과를 얻을 수 있다.
가변 밸브 기구 (A) 는, 위의 예시적 실시형태에서 설명한 바와 상이한 구조에 의해 단계적으로 밸브 특성을 또한 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 직동 밸브 시스템을 포함하는 밸브 기구에 있어서, 가변 밸브 기구 (A) 는 캠에 의해 작동하는 밸브 리프터의 작동량을 다수 단계들로 변화시킬 수도 있다. 또한, 로커 아암 밸브 시스템을 포함하는 밸브 기구에 있어서, 가변 밸브 기구 (A) 는 로커 아암을 지지하는 래시 어저스터의 싱킹 (sinking) 양을 다수 단계들로 변화시킬 수도 있고, 또는 로커 아암의 형상을 다수 단계들로 변화시킬 수도 있다.
가변 밸브 기구 (A) 는 또한 흡기 밸브 (21) 의 작동량 (밸브 개방 기간) 및 최대 리프트 양 중 단 하나만 변경할 수도 있다. 가변 밸브 기구 (A) 는, 흡기 밸브 (21) 용 밸브 기구 이외에, 배기 밸브 (22) 용 밸브 기구를 또한 구비할 수도 있다.
최대 리프트 양을 증가시키려는 요구가 있을 때, WGV (35) 의 목표 개방은 2 가지 유형 또는 4 가지 이상의 유형의 값들 중에서 설정될 수도 있다.
도 7 의 흐름도에서, 요구 전 최대 리프트 양 (VL) 으로부터, 복수의 최대 리프트 양들 (VL; VL1 ~ VL3) 중에서, 한 단계 더 큰 최대 리프트 양 (VL) 으로 변경하려는 요구가 있을 때 (즉, 단계 S120 에서 아니오), WGV (35) 의 개도를 변화시키지 않음으로써 최대 리프트 양은 요구 값으로 변화되지 않을 수도 있다.
내연 기관의 제어 장치는 다단 가변 밸브 기구에 제한되지 않고, 흡기 밸브의 밸브 특성을 연속적으로 (즉, 고르게) 변경하는 연속 가변 밸브 기구를 구비한 내연 기관에 또한 적용될 수도 있다. 이것은, 심지어 연속 가변 밸브 기구에 있어서, 밸브 특성이 증가측으로 급격하게 크게 변화하는 경우들이 있기 때문이다.

Claims (7)

  1. 내연 기관으로서,
    밸브 특성으로서 흡기 밸브의 작동 각도 및 최대 리프트 양 중 적어도 하나를 취하고 엔진 작동 상태에 따라 상기 밸브 특성을 변경하는 가변 밸브 기구;
    터빈 휠의 상류에 있는 배기 통로의 일부를 상기 터빈 휠의 하류에 있는 배기 통로의 일부에 연결함으로써 상기 배기 통로에 배열된 상기 터빈 휠을 바이패스시키는 바이패스 통로, 및 상기 바이패스 통로의 유로 면적을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브를 포함하는 터보차저; 및
    상기 엔진 작동 상태의 변화에 따라 상기 밸브 특성을 증가시키려는 요구가 있을 때, 상기 요구 전보다 큰 개도 (opening amount) 로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방한 후 상기 가변 밸브 기구로 상기 밸브 특성을 증가측으로 변경하도록 구성된 제어 장치를 포함하는, 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이스트 게이트 밸브는 상기 밸브 특성의 요구된 변화량에 따른 개도로 개방되는, 내연 기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이스트 게이트 밸브는, 상기 밸브 특성의 요구된 변화량이 작을 때보다 상기 밸브 특성의 요구된 변화량이 클 때 더 많은 양으로 개방되는, 내연 기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 밸브 기구는, 복수의 미리 정해진 밸브 특성들 중에서 하나를 선택함으로써 상기 밸브 특성을 다수 단계들로 변경하는 다단 가변 밸브 기구인, 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브 특성들의 3 개 이상의 단계들이 설정되고, 상기 요구는 요구 전 밸브 특성으로부터, 상기 복수의 밸브 특성들 중에서, 두 단계 더 큰 밸브 특성으로 상기 밸브 특성들을 변경하려는 요구를 포함하는, 내연 기관.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 요구는, 상기 복수의 밸브 특성들 중에서, 가장 작은 밸브 특성으로부터 가장 큰 밸브 특성으로 상기 밸브 특성들을 변경하려는 요구를 포함하는, 내연 기관.
  7. 내연 기관을 위한 제어 방법으로서,
    상기 내연 기관은,
    밸브 특성으로서 흡기 밸브의 작동 각도 및 최대 리프트 양 중 적어도 하나를 취하고 엔진 작동 상태에 따라 상기 밸브 특성을 변경하는 가변 밸브 기구; 및
    터빈 휠의 상류에 있는 배기 통로의 일부를 상기 터빈 휠의 하류에 있는 배기 통로의 일부에 연결함으로써 상기 배기 통로에 배열된 상기 터빈 휠을 바이패스시키는 바이패스 통로, 및 상기 바이패스 통로의 유로 면적을 조절하는 웨이스트 게이트 밸브를 포함하는 터보차저를 포함하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 엔진 작동 상태의 변화에 따라 상기 밸브 특성을 증가시키려는 요구가 있을 때, 상기 요구 전보다 큰 개도로 상기 웨이스트 게이트 밸브를 개방한 후 상기 가변 밸브 기구로 상기 밸브 특성을 증가측으로 변경하는 것을 포함하는, 내연 기관을 위한 제어 방법.
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