KR20200131547A - 2단 vvl 작동 안정성 확보 제어 방법 및 전동식 2단 vvl 시스템 - Google Patents

2단 vvl 작동 안정성 확보 제어 방법 및 전동식 2단 vvl 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전동식 2단 VVL 시스템(1)에 적용된 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어는 엔진(100)의 냉간/온간운전조건에서 VVL 컨트롤러(10)에 의해 VVL 작동 신호 감지가 이루어지더라도 VVL 액추에이터의 동작대기시간 후 배기밸브(130)의 메인 리프트에 이어진 2차 리프트 동작이 수행되거나 또는 VVL 액추에이터의 동작대기시간 없이 배기밸브(130)의 메인 리프트와 2차 리프트 동작이 수행되는 VVL 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 포함함으로써 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)이 락킹 실패되는 원인을 원천적으로 제거해 배기밸브(130)의 2차 리프트가 안정화되고, 특히 VVL 작동회피영역을 위한 작동 회피 시간을 정확하게 계산하여 액추에이터(2)의 작동시간이 제어됨으로써 리프트 도중 락 핀(5c)의 이탈로 발생되는 밸브트레인 부품 파손을 방지하는 특징이 구현된다.

Description

2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법 및 전동식 2단 VVL 시스템{Method of Two-Step VVL Operation Stability Control and Electric Two-Step VVL System Thereof}
본 발명은 2단 VVL 작동 제어에 관한 것으로, 특히 특정 운전조건에서 배기밸브의 2차 리프트 동작을 지연시켜줌으로써 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어가 이루어지는 전동식 2단 VVL 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가변 밸브 리프트 시스템(Variable Valve Lift System, 이하 VVL 시스템) 중 전동식 2단 배기 VVL 시스템은 2단 리프트 캠에 의한 캠 팔로워(Cam Follower)의 동작에 VVL 액추에이터를 연계시킴으로써 흡기 리프트 전 배기 밸브의 배기 메인 리프트(또는 퍼스트 리프트)에 이어서 흡기 리프트 중 2차 리프트(또는 세컨드 리프트)를 구현하는 특징을 갖는 방식이다.
특히 상기 전동식 2단 배기 VVL 시스템은 캠 팔로워에 대한 VVL 액추에이터(Actuator)의 전동식 제어로 외기온과 오일온 등 환경 조건과 무관하게 독립적 이므로 2차 리프트에 대한 강건한 리프트 온(On)↔오프(Off) 제어를 가능하게 한다.
그러므로 상기 전동식 2단 배기 VVL 시스템은 저 외기온 운전 시 오일 점도 증가로 인한 압력실 유압 응답성 확보 불가로 나타나는 저온 영역 한계 온도를 -10도로 확장하면서 실도로조건 배출 허용기준 평가를 규정한 RDE(Real Driving Emission)규제 영역에 적합하게 활용될 수 있다.
국내공개공보 10-2018-0022126(2018.03.06)
하지만, 상기 전동식 2단 배기 VVL 시스템은 전동식 제어에 VVL 액추에이터에 의한 캠 팔로워의 락 핀(Lock Pin)이 결합되는 방식이므로 기구적 신뢰성 개선을 필요로하고 있다.
일례로 VVL 액추에이터에 의한 전동식 배기 2단 VVL 구현은 캠 팔로워 락킹에 필요한 최소작동시간을 요구하고, 상기 최소작동시간은 락킹 시도 시 락 핀이 캠 팔로워의 이너 암에 불안전하게 걸렸다가 다시 빠져나올 수 있게 함으로써 2차 리프트가 실패하는 현상을 발생시키는 원인이 되고 있다.
나아가 락 핀의 결합위치 분리 상황은 락 핀 결합으로 미소하게 개방되었던 배기 밸브가 락 핀 이탈로 스프링 탄성력을 받아 원위치에 복귀될 때 배기 밸브와 밸브시트(혹은 캠과 캠 팔로워의 롤러)의 충돌 현상을 발생시키는 원인이 되고 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 VVL 액추에이터의 전동식 제어에 VVL 작동회피영역이 부여됨으로써 락킹 실패 원인에 대한 원천적 제거로 2차 리프트를 안정적으로 발생하게 하고, 특히 VVL 작동회피영역을 위한 작동 회피 시간을 정확하게 계산하여 VVL 액추에이터의 작동시간이 제어됨으로써 락 핀 이탈로 발생되는 밸브트레인 부품 파손을 방지한 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법 및 전동식 2단 VVL 시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전동식 2단 VVL 시스템에 있어서, 엔진 시동시 냉간 운전조건 또는 온간운전조건으로 판단되면, VVL 액추에이터의 배기밸브의 2차 리프트 동작을 지연시켜 VVL 작동시 발생하는 구동저항을 회피하는 제어 방법을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 2차 리프트 동작의 지연은 VVL 작동 안정성 확보 제어로 이루어지고, 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어는 상기 전동식 2단 VVL 시스템을 제어하는 VVL 컨트롤러에 의해 엔진에서 상기 냉간 운전조건 또는 상기 온간운전조건을 판단하고, VVL 작동 신호에 대해 VVL 액추에이터의 동작대기시간으로 상기 배기밸브의 메인 리프트에 이어진 상기 2차 리프트 동작을 지연시켜 주는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 엔진 운전은 엔진시동이다. 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간은 엔진시동 전 또는 엔진시동 후 검출된 오일온도 값으로 해제되어 상기 액추에이터의 동작을 시작한다.
바람직한 실시예로서, 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어는 상기 냉간운전조건에 오일온도가 적용되는 오일온도 판단 단계, 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간을 위한 액추에이터 대기 결정단계, 상기 VVL 액추에이터의 작동으로 상기 메인 리프트와 상기 2차 리프트 동작이 이루어지는 캠 팔로워 작동 단계로 수행된다.
바람직한 실시예로서, 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어에서 오일온도 판단을 위한 오일온도는 엔진시동 전 검출된 -10 ℃ 오일온도이다.
바람직한 실시예로서, 상기 액추에이터 대기 결정단계는 엔진 회전수가 검출되는 엔진스피드 모니터링 단계, 상기 냉간운전조건에서 VVL 작동 필요성이 결정되는 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단 단계, 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간을 위한 구동회피구간이 결정되는 VVL 작동 회피 영역 확인 단계, 상기 구동회피구간 결정에 따라 VVL 액추에이터 작동여부가 판단되는 VVL 작동회피필요 판단 단계로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 액추에이터 대기 결정단계에서 엔진스피드 모니터링은 상기 엔진 회전수를 이용하여 운전부하와 운전조건이 판단된다. 상기 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단은 냉각수온, 오일온, 촉매전단온, 운전부하, 운전조건을 이용하여 상기 냉간/온간 운전조건에 대한 판단이 이루어진다. 상기 구동회피구간은 캠각도와 엔진스피드로 표현된 작동회피커브를 적용하여 결정된다.
바람직한 실시예로서, 상기 액추에이터 대기 결정단계에서 캠 팔로워 작동 단계는 상기 메인 리프트에 이어진 상기 2차 리프트 동작이 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간 후 이루어지거나 또는 상기 메인 리프트와 상기 2차 리프트 동작이 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간 없이 이루어진다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전동식 2단 VVL 시스템은 엔진의 냉간/온간운전조건에서 VVL 작동 신호 감지가 이루어지더라도 메인 리프트에 이어진 2차 리프트에 대한 배기밸브의 지연 동작 또는 메인 리프트와 2차 리프트에 대한 배기밸브의 즉시 동작을 판단해 주는 VVL 컨트롤러; 상기 배기밸브의 즉시 동작 대비 지연 동작을 동작대기시간으로 상기 VVL 컨트롤러로 제어되는 VVL 액추에이터가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 VVL 컨트롤러는 VVL 작동 회피 맵을 갖추고, 상기 VVL 작동 회피 맵은 캠각도와 엔진스피드로 표현된 작동회피커브에서 구동회피구간을 산출하고, 상기 구동회피구간은 상기 VVL 작동 신호 감지에서도 상기 VVL 액추에이터의 작동을 멈추어주도록 VVL 작동 BIT 신호의 생성을 지연시켜준다.
바람직한 실시예로서, 상기 VVL 액추에이터의 작동은 슬라이더를 이동시켜 주고, 상기 슬라이더의 이동은 캠 팔로워의 락 핀을 락킹시켜주며, 상기 캠 팔로워는 캠 샤프트에 구비된 2단 리프트 캠과 연계되어 상기 락 핀의 락킹 시 상기 배기밸브의 동작을 구현해준다.
바람직한 실시예로서, 상기 슬라이더는 스프링 암을 이용하여 상기 슬라이더의 이동 시 상기 락 핀의 밀어주고, 리턴 스프링을 이용하여 상기 액추에이터의 작동 중지에 따른 상기 슬라이더의 복귀 이동에 스프링 복원력을 가해준다.
이러한 본 발명의 전동식 2단 VVL 시스템에 적용된 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어는 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, VVL 작동회피영역으로 VVL 액추에이터 구동을 제어함으로써 락 핀 락킹 실패 원인을 원천적으로 제거하여 2차 리프트 발생 안정성 확보가 이루어진다. 둘째, VVL 작동 중 락 핀 이탈로 발생되는 밸브 복귀에 따른 밸브트레인 부품 파손 방지가 가능하다. 셋째, 외기온과 오일온 등 환경 조건에 대해 독립적이어서 -10도 이상의 한계 온도 확장, 배기 승온의 촉매 전단 온도 상승 등이 가능한 전동식 VVL 장점을 VVL 작동 안정성으로 향상시켜 준다. 넷째, VVL 작동 안정성으로 최근 강화되고 잇는 RDE 규제 영역에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어를 구현하는 전동식 2단 VVL 시스템의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어에 적용된 2단 VVL 작동영역 회피 맵의 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어를 통해 이루어지는 전동식 2단 VVL 시스템의 동작 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어를 통한 전동식 2단 VVL 시스템의 결과 선도이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 2단 VVL 작동 제어 방법은 엔진 운전(S10) 시 작동 안정성 확보에 VVL 작동 요구(Demand) 조건(S40)을 적용하는 VVL 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 적용함으로써 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법으로 특징된다.
이로부터 상기 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법은 메인 리프트에 이어진 2차 리프트의 안정적인 발생을 통해 락 핀 락킹 실패 원인을 원천적으로 제거한 작동 제어전략을 가능하게 하면서 특히 락 핀 이탈에 의한 밸브트레인 부품 파손을 방지하도록 작동회피시간의 정확한 계산과 제어가 이루어지도록 한다.
그 결과 상기 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법은 전동식 배기 2단 VVL 구현을 위한 액추에이터 구동 시 캠 팔로워 락킹에 필요한 최소 작동 시간에서 락킹 시도 시 이너 암에 핀이 걸렸다가 빠져나와 2차 리프트가 실패하는 현상 발생이 가져오는 밸브의 미소 개방 후 스프링에 의한 원위치 복귀 과정에서 밸브와 밸브시트(혹은 캠과 롤러)의 충돌 문제를 방지하여 준다.
도 2를 참조하면, 전동식 2단 VVL 시스템(1)은 엔진(100)의 실린더 헤드(110)에 구비된 캠 샤프트(120)와 연계되어 배기밸브(130)를 제어하는 VVL 컨트롤러(10)와 연계된다. 이로부터 상기 전동식 2단 VVL 시스템(1)은 통상적인 전동식 2단 VVL 구성요소를 이용하면서도 운전조건에 따른 VVL 작동 제어 시 엔진스피드에 따른 최소 작동시간 계산 및 안정적 구동을 위한 회피영역 설정이 가능할 수 있다.
구체적으로 상기 전동식 2단 VVL 시스템(1)은 VVL 액추에이터(2). 슬라이더(3), 캠 팔로워(5), OCV(Oil Control Valve)(7) 및 2단 리프트 캠(9)을 포함한다.
일례로 상기 VVL 액추에이터(2)와 상기 슬라이더(3)는 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)을 락킹(Locking) 및 언락킹(Unlocking)시켜주는 움직임을 만들어 준다. 이를 위해 상기 VVL 액추에이터(2)는 실린더 헤드(110)의 외부에 장착되어 VVL 컨트롤러(10)의 제어 시 슬라이더(3)를 밀어낸다. 상기 슬라이더(3)는 액추에이터(2)에 의한 밀림으로 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)을 언락킹(Unlocking)에서 락킹(Locking)으로 전환시켜 준다.
또한, 상기 VVL 액추에이터(2)는 작동 온(ON) 시 인출되어 슬라이더(3)를 밀어내는 반면 작동 오프(OFF) 시 인입되어 초기 상태로 복귀되는 액추에이터 핀(2a)을 구비한다. 이 경우 상기 액추에이터 핀(2a)은 실린더 헤드(110)의 내부로 위치되어 슬라이더(3)를 밀어낸다. 또한 상기 슬라이더(3)는 캠 샤프트(120)의 길이에 맞춰진 플레이트 바디로 이루어져 캠 샤프트(120)의 측면으로 나란히 배열되고, 상기 플레이트 바디에는 핀 암(3a), 스프링 암(3b), 슬라이더 지지 로드(3c) 및 리턴 스프링(3d)이 구비된다.
특히 상기 핀 암(3a)은 “┚”형상으로 이루어져 슬라이더(3)의 한쪽 끝에서 플레이트 바디에 용접 또는 일체화됨으로써 액추에이터(2)의 액추에이터 핀(2a)과 접촉으로 슬라이더(3)를 밀어낸다. 상기 스프링 암(3b)은 “┙”형상으로 이루어져 슬라이더(3)의 길이 방향으로 슬라이더(3)의 측면에서 플레이트 바디에 용접 또는 일체화됨으로써 슬라이더(3)의 밀림 시 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)을 가압한다. 이 경우 상기 스프링 암(3b)은 캠 팔로워(5)의 수량에 맞춰 캠 팔로워(5)의 측면에 위치된다. 상기 슬라이더 지지 로드(3c)는 실린더 헤드(110)의 내부에 고정되어 슬라이더(3)의 다른 쪽(즉, 핀 암(3a)의 반대쪽)과 결합됨으로써 슬라이더(3)의 밀림 이동을 지지한다. 상기 리턴 스프링(3d)은 슬라이더 지지 로드(3c)와 결합되어 슬라이더(3)의 밀림 이동에 의한 탄성 압축력을 슬라이더(3)의 초기 위치 복귀 시 슬라이더(3)에 전달한다.
일례로 상기 캠 팔로워(5)와 상기 OCV(7) 및 상기 2단 리프트 캠(9)은 서로 연계되어 배기밸브(130)의 메인 리프트와 2차 리프트를 만들어 준다. 이를 위해 상기 캠 팔로워(5)는 메인 리프트와 2차 리프트를 만들어 내도록 2단 리프트 캠(9)과 배기밸브(130)에 접촉된다, 상기 OCV(7)는 캠 팔로워(5)의 작동을 위해 유압공급을 단속한다. 상기 2단 리프트 캠(9)은 캠 샤프트(120)에 구비되어 메인 리프트와 2차 리프트를 위한 캠 팔로워(5)의 동작을 생성시켜 준다.
그러므로 상기 캠 팔로워(5)와 상기 OCV(7) 및 상기 2단 리프트 캠(9)은 통상적인 2단 VVL 시스템의 구성요소이며, 도 1의 예시와 같이 엔진(100)의 실린더 개수와 동일한 수량(예, 4기통 시 4개)으로 이루어진다.
구체적으로 상기 VVL 컨트롤러(10)는 저속에서 리프트량을 적게 하는 반면 고속에서는 리프트량을 크게 하여 충진 효율 증대로 엔진 출력 증강 및 연비 개선이 이루어지는 흡배기 밸브의 리프트량 조절 제어를 기본으로 수행하고, 이에 더하여 VVL 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 수행하는 로직이 프로그래밍되어 저장된 메모리를 구비하면서 VVL 작동 BIT 신호(K)를 출력한다.
이를 위해 상기 VVL 컨트롤러(10)는 상기 메모리와 연계된 중앙처리장치로 동작하고, VVL 작동 회피 맵(10-1)과 데이터 프로세서(20)를 구비하여 필요한 정보 또는 데이터를 읽거나 산출 및 계산하여 준다.
이 경우 상기 VVL 작동 회피 맵(10-1)은 VVL 작동 BIT 신호(K)의 생성을 위해 VVL 작동 안정성 확보 제어 로직의 조건과 매칭 또는 매핑을 수행하고, 캠각도와 엔진스피드로 표현된 작동회피커브(도 3 참조)에서 구동회피구간을 산출하여 VVL 작동 신호 감지에서도 액추에이터(2)의 작동을 멈추어주도록 VVL 작동 BIT 신호(K)의 생성을 지연시켜준다. 상기 데이터 프로세서(20)는 엔진(100)의 운전정보와 전동식 2단 VVL 시스템(1)의 작동 정보를 검출하여 입력데이터로 VVL 컨트롤러(10)에 전송하다. 그러므로 상기 데이터 프로세서(20)는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있다.
특히 상기 입력데이터는 IG ON, 엔진 스피드(또는 엔진 RPM(Revolution Per Minute)), 오일 온도, 외기 온도, 냉각수 온도, 촉매전단온도, 배기온도, 운전부하, 연료량, 캠각도, 운전조건(일반모드/냉각모드/온간모드), 공기량, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 가스 량 등을 포함한다.
구체적으로 상기 엔진(100)은 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진이고, 상기 실린더 헤드(110)는 실린더 블록 위에 위치되어 밸브 트레인(Valve Train)과 함께 전동식 2단 VVL 시스템(1)의 구성요소들이 장착되는 공간으로 제공된다. 상기 캠 샤프트(120)는 크랭크 샤프트와 연동되어 흡배기밸브 제어로 연소 타이밍을 제어해 주면서 2단 리프트 캠(9)을 구비한다. 상기 배기밸브(130)는 캠 팔로워(5)와 접촉하여 메인 리프트와 2차 리프트를 수행한다.
그러므로 상기 엔진(100), 상기 실린더 헤드(110), 상기 캠 샤프트(120) 및 상기 배기밸브(130)는 통상적인 엔진 시스템의 구성요소이다.
이하 도 1의 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어 방법을 도 2 내지 도 5를 참조로 상세히 설명한다. 이 경우 제어 주체는 VVL 컨트롤러(10)이고, 제어 대상은 VVL 액추에이터(2)를 포함한 전동식 2단 VVL 시스템(1)이다.
먼저 VVL 컨트롤러(10)는 S10의 엔진 운전 확인 시 VVL 즉시 작동(100)으로 진입하기 전 VVL 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 통해 VVL 지연 작동(S70)을 먼저 판단한다.
도 2를 참조하면, VVL 컨트롤러(10)는 데이터 프로세서(20)의 입력데이터 중 시동신호(IG ON)로 엔진 운전을 확인한 후 엔진 동작 상태에서 엔진 스피드(또는 엔진 RPM(Revolution Per Minute)), 오일 온도, 외기 온도, 냉각수 온도, 촉매전단온도, 배기온도, 운전부하, 연료량, 캠각도, 운전조건(일반모드/냉각모드/온간모드), 공기량, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 가스 량 등을 입력데이터로 읽어 온다.
이어 VVL 컨트롤러(10)는 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 S20의 오일 온도 판단 단계, S20~S60의 액추에이터 대기 결정단계, S70~S80 또는 S100~S80의 배기밸브(130)에 대한 메인 리프트에 이어진 2차 리프트 동작이 이루어지는 캠 팔로워 작동 단계로 수행한다.
구체적으로 상기 오일 온도 판단(S20)은 저 외기온 운전 시 오일 점도 증가로 인한 압력실 유압 응답성 확보 불가(예, OCV(7))로 나타나는 저온 영역 사용 한계성을 고려한다. 이를 위해 하기의 오일온 판단식을 적용한다.
오일온 판단식 : 오일온 > A
여기서 “오일온”은 엔진(100)의 시동이 완전히 걸리기 전에 입력데이터로 제공된 엔진시동 전 오일 온도이고, “A"는 오일온 임계값(Threshold)으로 약 -10 ℃를 적용한다.
따라서 상기 오일온 판단식은 운행간 오일온이 -10도 이하로 떨어질 가능성은 극히 드물기 때문에 시동 전 오일온 측정함으로써 오일온 -10도 이하 영역(시동직후 초냉간 상태) 오일점도 및 액추에이터 구동 저항 증가로 응답성 악화우려를 해소할 수 있고, 특히 -10도 이하일 경우 전동식 2단 VVL 시스템(1)을 즉시 작동함으로써 배기 승온 효과를 극대화할 수 있다.
이로부터 VVL 컨트롤러(10)는 오일 온도 판단(S20)에서 오일온도가 A 보다 작은 경우 S100의 VVL 즉시 작동 단계로 전환하는 반면 오일온도가 A 보다 큰 경우 S30의 엔진스피드 모니터링 단계로 진입한다.
구체적으로 상기 액추에이터 대기 결정(S20~S60)은 S30의 엔진스피드 모니터링 단계, S40의 VVL 작동 디멘드 조건 충족 단계, S50의 VVL 작동 회피 영역 확인 단계, S60의 VVL 작동회피필요 판단 단계로 수행된다.
일례로 상기 엔진스피드 모니터링(S30)은 VVL 작동필요성을 위해 이루어진다.
도 2를 참조하면, VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동필요성을 위해 데이터 프로세서(20)의 입력데이터 중 엔진 RPM, 운전부하, 운전조건(일반모드/냉각모드/온간모드)을 입력데이터로 읽어 온다. 이로부터 VVL 컨트롤러(10)는 엔진(100)의 운전조건을 일반모드, 냉각모드, 온간모드로 구분하고, 이들 중 VVL 작동필요성을 일반모드에 적용함으로써 후처리 시스템을 위한 LNT(Lean NOx Trap), DPF(Diesel Particulate Filter) 재생이 이루어질 때 전동식 2단 VVL 시스템(1)이 VVL 미 작동 상태로 유지될 수 있도록 한다.
따라서 상기 엔진스피드 모니터링(S30)은 연료량 ~30mg/st 미만이면서 냉각수온 80℃ 이하의 냉간 운전조건 및 연료량 ~15mg/st 이상이면서 냉각수온 80℃ 이상의 온간 운전조건에 대해 VVL 작동 영역을 우선함으로써 연료량 30mg/st 이상이면서 고부하에서 VVL 작동 시 발생될 수 있는 내부 EGR량 증가로 인한 흡기 공기량 추종의 어려움을 해소하여 주고, 나아가 촉매 재생 최적 온도 조건인 200~450℃로 촉매전단온도 수준을 유지할 수 있도록 한다.
일례로 상기 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단(S40)은 판단된 엔진운전조건에서 VVL 작동필요성을 결정하여 준다.
도 2를 참조하면, VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동 디멘드 조건 충족(S40)에 대해 데이터 프로세서(20)의 입력데이터 중 냉각수온, 오일온, 촉매전단온, 운전부하, 운전조건 등 고려한다.
이로부터 상기 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단(S40)은 하기의 VVL 작동 디멘드 판단식을 적용한다.
VVL 작동 디멘드 판단식 : VVL_stVal = 1
여기서 “VVL_stVal”은 VVL 작동 디멘드 수치(Number)이고, “1”은 정수이다.
특히 상기“VVL_stVal”은 하기의 VVL 작동 디멘드 수치 산출식으로 구해진다.
VVL 작동 디멘드 수치 산출식 : VVL_DemVal > B
여기서 “VVL_DemVal”은 냉간/온간 운전조건에 따른 냉각수온, 오일온, 촉매전단온, 운전부하, 운전조건을 판단 인자로 하여 산출된 VVL 작동 디멘드 산출 값이고, “B"는 냉간/온간 운전조건에 따른 냉각수온, 오일온, 촉매전단온, 운전부하, 운전조건에 대한 VVL 작동 디멘드 임계값(Threshold)으로 이다. 그러므로 상기 VVL 작동 디멘드 산출 값(VVL_DemVal)과 상기 VVL 작동 디멘드 임계값(B)은 냉간/온간 운전조건의 범위에 속하는 냉각수온, 오일온, 촉매전단온에 종속되어 달라지므로 특정한 수치 값으로 한정되지 않는다.
이로부터 VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단(S40)에서 오일온도가 A 보다 큰 조건이면서 VVL 작동 디멘드 수치가 1인 아닌 경우 S30의 엔진스피드 모니터링 단계로 복귀하는 반면 오일온도가 A 보다 큰 조건이면서 VVL 작동 디멘드 수치가 1인 경우 S50의 VVL 작동 회피 영역 확인 단계로 진입한다.
일례로 상기 VVL 작동 회피 영역 확인(S50)은 전동식 2단 VVL 시스템(1)의 액추에이터(2)에 대한 구동회피구간을 결정하고, 상기 VVL 작동회피필요 판단(S60)은 구동회피구간 결정에 따라 액추에이터(2)의 작동여부를 판단하여 준다.
도 2를 참조하면, VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동 회피 영역 확인(S50)에 대해 데이터 프로세서(20)의 입력데이터 중 엔진 스피드(또는 엔진 RPM(Revolution Per Minute))와 오일온을 고려한다.
따라서 상기 VVL 작동 회피 영역 확인(S50) 및 VVL 작동회피필요 판단(S60)은 연료량 ~30mg/st 미만이면서 냉각수온 80℃ 이하의 냉간 운전조건 및 연료량 ~15mg/st 이상이면서 냉각수온 80℃ 이상의 온간 운전조건에 대해 VVL 작동 영역을 우선함으로써 그 이상의 연료량 및 고부하에 따른 악 영향을 배제하여 준다.
이로부터 VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동회피필요 판단(S60)에서 액추에이터(2)의 구동회피구간이 필요한 경우 S70의 VVL 지연 작동 단계로 진입하는 반면 액추에이터(2)의 구동회피구간이 필요하지 않는 경우 S100의 VVL 즉시 작동단계로 전환한다.
구체적으로 상기 캠 팔로워 작동(S70~S80 또는 S100~S80)은 S70의 VVL 지연 작동 단계, S80의 VVL 작동 주행 단계로 전환하거나 또는 S100의 VVL 즉시 작동 단계, S80의 VVL 작동 주행 단계로 전환한다.
일례로 상기 VVL 지연 작동(S70)은 VVL 작동 회피 맵(10-1)을 활용하여 회피 필요 시간동안 VVL 액추에이터(2)를 대기시켜주고, 상기 VVL 작동 주행(S80)은 회피 필요 시간 대기 후 VVL 액추에이터(2)를 구동시켜 VVL 작동이 수행됨으로써 배기 밸브(130)의 메인 리프트에 이어진 2차 리프트를 구현하여 준다.
도 3을 참조하면, VVL 액추에이터(2)의 회피 필요 시간에 적용되는 작동회피커브를 나타낸 VVL 작동회피선도가 예시된다.
도시된 바와 같이, VVL 작동회피선도에서 작동회피커브는 캠각도와 엔진스피드로 산출되는 VVL 액추에이터(2)의 회피 필요 시간이 약 11~17ms로 회피영역으로 정의됨을 예시한다. 그러므로 VVL 컨트롤러(10)는 VVL 작동 신호 감지되어도 기준점 대비 해당 엔진스피드 회피영역이 고려되도록 VVL 액추에이터(2)의 동작을 회피 필요 시간만큼 대기후 작동을 진행하여 준다.
일례로 상기 VVL 즉시 작동(S100)은 S20의 오일 온도 판단 단계에서 오일온도가 -10 ℃ 보다 작을 때 또는 S60의 VVL 작동회피필요 판단 단계에서 VVL 액추에이터(2)의 구동회피구간이 필요할 때 결정되고, 상기 VVL 작동 주행(S80)은 VVL 작동 신호 감지 시 VVL 액추에이터(2)를 구동시켜 VVL 작동이 즉시 수행됨으로써 배기 밸브(130)의 메인 리프트와 2차 리프트를 구현하여 준다.
그러므로 VVL 컨트롤러(10)는 VVL 즉시 작동(S100)은 VVL 작동 신호 감지 시 기준점 대비 해당 엔진스피드 회피영역에서 VVL 액추에이터(2)의 동작을 진행하여 준다.
한편 도 4를 참조하면, VVL 컨트롤러(10)에 의한 VVL 지연 작동(S70)에 이은 VVL 작동 주행(S80) 또는 VVL 즉시 작동(S100)에 이은 VVL 작동 주행(S80)시 전동식 2단 VVL 시스템(1)의 동작이 예시된다.
도시된 바와 같이, 액추에이터(2)의 동작은 슬라이더(3)와 캠 팔로워(5)를 동작시켜 줌으로써 2단 리프트 캠(9)에 의래 흡기밸브의 흡기 리프트(B) 동안 배기밸브(130)의 메인 리프트(a)에 이은 2차 리프트(b)를 수행하여 준다.
이를 위해 상기 슬라이더(3)는 액추에이터(2)의 액추에이터 핀(2a)이 밀어내는 힘으로 밀려나 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)을 락킹시켜준다. 반면 상기 슬라이더(3)는 VVL 액추에이터(2)의 액추에이터 핀(2a)의 가압력 해제시 리턴 스프링(3D)의 탄성복원력으로 반대방향으로 밀려남으로써 액추에이터 핀(2a)을 초기 위치로 복귀시켜 준다.
이어 상기 캠 팔로워(5)는 락 핀(5c)의 이동 락 핀(5c-1)이 슬라이더(3)의 스프링 암(3b)과 접촉하여 밀려나고, 락 핀(5c)의 고정 락 핀(5c-2)이 이동 락 핀(5c-1)으로 밀려나 이너 암(5a)과 아웃터 레버(5b)를 함께 고정하여 준다. 또한 상기 2단 리프트 캠(9)은 밸브 타이밍을 위한 캠 샤프트(120)의 회전에 맞춰 메인 리프트 캠(9a)이 이너 암(5a)을 눌러주고, 2차 리프트 캠(9b)이 아웃터 레버(5b)를 눌러준다.
그러면 상기 캠 팔로워(5)의 이너 암(5a)이 2단 리프트 캠(9)의 메인 리프트 캠(9a)과 접촉하여 배기밸브(130)의 메인 리프트를 만들어 주고, 아웃터 레버(5b)는 이너 암(5a)을 감싸면서 2단 리프트 캠(9)의 2차 리프트 캠(9b)과 접촉하여 배기밸브(130)의 2차 리프트를 만들어 준다.
한편 도 5를 참조하면, 상기 VVL 컨트롤러(10)에 의한 VVL 지연 작동(S70)에 이은 VVL 작동 주행(S80)의 결과가 본 기술 미적용(a) 대비 본 기술 적용(A)으로 예시된다.
도시된 바와 같이, 전동식 2단 VVL 시스템(1)은 외기온과 오일온 등 환경 조건과 무관하게 독립적으로 락 핀(5C)의 위치 제어 가능함으로써 저온한계 온도인 -10℃ 이상에서 VVL 작동이 이루어짐으로써 배기온 상승으로 촉매 전단 온도가 본 기술 미적용(a) 대비 본 기술 적용(A) 시 상승됨을 실험 결과로 예시된다. 특히 상기 촉매 전단 온도 상승효과는 RDE규제 영역에 전동식 2단 VVL 시스템(1)가 활용될 수 있음을 증명한다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전동식 2단 VVL 시스템(1)에 적용된 2단 VVL 작동 안정성 확보 제어는 엔진(100)의 냉간/온간운전조건에서 VVL 컨트롤러(10)에 의해 VVL 작동 신호 감지가 이루어지더라도 VVL 액추에이터의 동작대기시간 후 배기밸브(130)의 메인 리프트에 이어진 2차 리프트 동작이 수행되거나 또는 VVL 액추에이터의 동작대기시간 없이 배기밸브(130)의 메인 리프트와 2차 리프트 동작이 수행되는 작동 안정성 확보 제어(S20~S80)를 포함함으로써 캠 팔로워(5)의 락 핀(5c)이 락킹 실패되는 원인을 원천적으로 제거해 배기밸브(130)의 2차 리프트가 안정화되고, 특히 VVL 작동회피영역을 위한 작동 회피 시간을 정확하게 계산하여 VVL 액추에이터(2)의 작동시간이 제어됨으로써 리프트 도중 락 핀(5c)의 이탈로 발생되는 밸브트레인 부품 파손을 방지한다.
1 : 전동식 2단 VVL 시스템
2 : VVL 액추에이터 2a : 액추에이터 핀
3 : 슬라이더 3a : 핀 암
3b : 스프링 암 3c : 슬라이더 지지 로드
3d : 리턴 스프링 5 : 캠 팔로워
5a : 이너 암 5b : 아웃터 레버
5c : 락 핀 5c-1 : 이동 락 핀
5c-2 : 고정 락 핀 7 : OCV(Oil Control Valve)
9 : 2단 리프트 캠 9a : 메인 리프트 캠
9b : 2차 리프트 캠
10 : VVL 컨트롤러 10-1 : VVL 작동 회피 맵
20 : 데이터 프로세서
100 : 엔진 110 : 실린더 헤드
120 : 캠 샤프트 130 : 배기밸브

Claims (17)

  1. 전동식 2단 VVL 시스템에 있어서,
    엔진 시동시 냉간 운전조건 또는 온간운전조건으로 판단되면, VVL 액추에이터의 배기밸브의 2차 리프트 동작을 지연시켜 VVL 작동시 발생하는 구동저항을 회피하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 리프트 동작의 지연은 VVL 작동 안정성 확보 제어로 이루어지고, 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어는 상기 전동식 2단 VVL 시스템을 제어하는 VVL 컨트롤러에 의해 엔진에서 상기 냉간 운전조건 또는 상기 온간운전조건을 판단하고, VVL 작동 신호에 대해 VVL 액추에이터의 동작대기시간으로 상기 배기밸브의 메인 리프트에 이어진 상기 2차 리프트 동작을 지연시켜 주는
    것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간은 엔진시동 전 또는 엔진시동 후 검출된 오일온도 값으로 해제되어 상기 VVL 액추에이터의 동작을 시작하는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 VVL 작동 안정성 확보 제어는 상기 냉간운전조건에 오일온도가 적용되는 오일온도 판단 단계, 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간을 위한 액추에이터 대기 결정단계, 상기 VVL 액추에이터의 작동으로 상기 메인 리프트에 이어진 상기 2차 리프트 동작이 이루어지는 캠 팔로워 작동 단계
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 오일온도 판단을 위한 오일온도는 엔진시동 전 검출된 오일온도인 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 오일온도는 -10 ℃인 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 액추에이터 대기 결정단계는 엔진 회전수가 검출되는 엔진스피드 모니터링 단계, 상기 냉간운전조건에서 VVL 작동 필요성이 결정되는 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단 단계, 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간을 위한 구동회피구간이 결정되는 VVL 작동 회피 영역 확인 단계, 상기 구동회피구간 결정에 따라 액추에이터 작동여부가 판단되는 VVL 작동회피필요 판단 단계
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 엔진스피드 모니터링은 상기 엔진 회전수를 이용하여 운전부하와 운전조건이 판단되는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 VVL 작동 디멘드 조건 충족 판단은 냉각수온, 오일온, 촉매전단온, 운전부하, 운전조건을 이용하여 상기 냉간/온간 운전조건에 대한 판단이 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 구동회피구간은 캠각도와 엔진스피드로 표현된 작동회피커브를 적용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 캠 팔로워 작동 단계는 상기 메인 리프트에 이어진 상기 2차 리프트 동작이 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간 후 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  12. 청구항 4에 있어서, 상기 캠 팔로워 작동 단계는 상기 메인 리프트와 상기 2차 리프트 동작이 상기 VVL 액추에이터의 동작대기시간 없이 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 VVL 작동 제어 방법.
  13. 엔진의 냉간/온간운전조건에서 VVL 작동 신호 감지가 이루어지더라도 메인 리프트에 이어진 2차 리프트에 대한 배기밸브의 지연 동작 또는 메인 리프트와 2차 리프트에 대한 배기밸브의 즉시 동작을 판단해 주는 VVL 컨트롤러;
    상기 배기밸브의 즉시 동작 대비 지연 동작을 동작대기시간으로 상기 VVL 컨트롤러로 제어되는 VVL 액추에이터
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 전동식 2단 VVL 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 VVL 컨트롤러는 VVL 작동 회피 맵을 갖추고, 상기 VVL 작동 회피 맵은 캠각도와 엔진스피드로 표현된 작동회피커브에서 구동회피구간을 산출하고, 상기 구동회피구간은 상기 VVL 작동 신호 감지에서도 상기 VVL 액추에이터의 작동을 멈추어주도록 VVL 작동 BIT 신호의 생성을 지연시켜주는 것을 특징으로 하는 전동식 2단 VVL 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 VVL 액추에이터의 작동은 슬라이더를 이동시켜 주고, 상기 슬라이더의 이동은 캠 팔로워의 락 핀을 락킹(Locking)시켜주며, 상기 캠 팔로워는 캠 샤프트에 구비된 2단 리프트 캠과 연계되어 상기 락 핀의 락킹(Locking) 시 상기 배기밸브의 동작을 구현해주는 것을 특징으로 하는 전동식 2단 VVL 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 슬라이더는 스프링 암을 갖추고, 상기 스프링 암은 상기 슬라이더의 이동으로 상기 락 핀의 밀어주는 것을 특징으로 하는 전동식 2단 VVL 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 슬라이더는 리턴 스프링을 갖추고, 상기 리턴 스프링은 상기 VVL 액추에이터의 작동 중지에 따른 상기 슬라이더의 복귀 이동에 스프링 복원력을 가해주는 것을 특징으로 하는 전동식 2단 VVL 시스템.
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