KR20230101064A - 엔진의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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김백식
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치는 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진; 상기 실린더로 공급되는 흡기의 유량을 조절하는 스로틀 밸브; 상기 실린더로 과급 공기를 공급하는 과급기; 상기 실린더를 선택적으로 개폐하여 흡기를 공급하는 흡기 밸브; 상기 흡기 밸브의 개폐 시점을 조절하는 가변 밸브 타이밍 장치; 상기 흡기 밸브의 개방 듀레이션을 조절하는 가변 밸브 듀레이션 장치; 및 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 상기 스로틀 밸브 또는 상기 과급기에 의해 상기 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 상기 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 상기 실린더 내의 공기량을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

엔진의 제어 장치 및 방법 {APPARATUS OF CONTROLLING ENGINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 엔진의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가변 밸브 듀레이션 장치와 가변 밸브 타이밍 장치를 이용하여 흡기 밸브 닫힘 시기를 조절하여 급격한 요구 토크 변동에 신속하게 대응할 수 있는 엔진의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
내연기관(Internal Combustion Engine)은 연료와 공기가 설정된 비율로 혼합된 혼합기를 설정된 점화 방식을 통해 연소시킴으로써 폭발 압력을 이용하여 동력을 발생시킨다.
이 때, 폭발 압력에 의한 실린더의 직선 운동을 회전 운동으로 전환하는 크랭크샤프트(Crank shaft)와 연결되는 타이밍 벨트에 의해 캠샤프트(Cam shaft)가 구동되어 흡기 밸브(Intake valve) 및 배기 밸브(Exhaust valve)가 작동되며, 흡기 밸브가 열려있는 동안 연소실로 공기의 흡입이 이루어지고, 배기 밸브가 열려있는 동안 연소실에서 연소된 가스의 배출이 이루어진다.
이와 같은 종래의 엔진 제어 방법에 의하면, 차량을 가속시킬 때, 엔진의 토크를 증가시키기 위해 스로틀 밸브의 개도량을 증가시켜 엔진의 실린더로 공급되는 흡기 유량을 증가시키거나, 또는 터보차저를 동작시켜 엔진의 실린더로 공급되는 흡기 압력을 증가시킨다. 이와 반대로, 차량을 감속시킬 때, 엔진의 토크를 감소시키기 위해 스로틀 밸브의 개도량을 감소시켜 엔진의 실린더로 공급되는 흡기 유량을 감소시키거나, 또는 터보차저를 동작시켜 엔진의 실린더로 공급되는 흡기 압력을 감소시킨다.
이와 같이, 스로틀 밸브 또는 터보차저의 동작에 의해 엔진의 토크를 조절하는 경우, 스로틀 밸브로부터 엔진의 실린더까지의 흡기 경로, 또는 터보차저로부터 엔진의 실린더까지의 흡기 경로에 의한 시간 지연, 및 터보차저의 동작에 의해 과급 공기를 형성하는데 소요되는 시간 지연이 발생한다.
통상적으로, 스로틀 밸브 또는 터보차저의 동작에 의해 실린더로 공급되는 흡기 유량 또는 흡기 압력을 조절하는데, 약 2초 정도의 시간 지연이 발생하는 것으로 알려져 있다.
종래의 엔진 제어 방법은 이러한 시간 지연에 의해, 운전자의 급격한 요구 토크 변경에 빠르게 대응하지 못하는 문제가 발생하였다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 운전자의 요구 토크가 급격하게 변동하는 경우, 신속하게 요구 토크에 대응할 수 있는 엔진의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치는 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진; 상기 실린더로 공급되는 흡기의 유량을 조절하는 스로틀 밸브; 상기 실린더로 과급 공기를 공급하는 과급기; 상기 실린더를 선택적으로 개폐하여 흡기를 공급하는 흡기 밸브; 상기 흡기 밸브의 개폐 시점을 조절하는 가변 밸브 타이밍 장치; 상기 흡기 밸브의 개방 듀레이션을 조절하는 가변 밸브 듀레이션 장치; 및 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 상기 스로틀 밸브 또는 상기 과급기에 의해 상기 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 상기 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 상기 실린더 내의 공기량을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 운전자의 요구 토크는 단위 시간당 가속 페달의 변화량으로부터 산출될 수 있다.
상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 증가하도록 제어할 수 있다.
상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 지각시킬 수 있다.
상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 진각시킬 수 있다.
상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 상기 운전자의 요구 토크가 감속 상태이면, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 감소하도록 제어할 수 있다.
상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 진각시킬 수 있다.
상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 지각시킬 수 있다.
엔진의 토크가 운전자의 요구 토크를 추종하면, 상기 제어기는 상기 가변 밸브 듀레이션 장치와 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통한 상기 실린더 내의 공기량 조절을 중단하고, 상기 스로틀 밸브 또는 상기 과급기의 제어를 통해 상기 운전자의 요구 토크를 추종할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 엔진의 제어 방법은 제어기에 의해, 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작은지 여부를 판단하는 단계; 상기 제어기에 의해, 차량이 가속 상태인지 또는 감속 상태인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 제어기에 의해, 상기 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 스로틀 밸브 또는 과급기에 의해 상기 운전자의 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 가변 밸브 타이밍 장치와 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 상기 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 실린더 내의 공기량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면, 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 증가하도록 제어할 수 있다.
상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때, 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 지각시킬 수 있다.
상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때, 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 진각시킬 수 있다.
상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 상기 운전자의 요구 토크가 감속 상태이면, 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 감소하도록 제어할 수 있다.
상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때, 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 진각시킬 수 있다.
상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때, 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 지각시킬 수 있다.
엔진의 토크가 운전자의 요구 토크를 추종하면, 상기 가변 밸브 듀레이션 장치와 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통한 상기 실린더 내의 공기량 조절을 중단하고, 스로틀 밸브 또는 상기 과급기의 제어를 통해 상기 운전자의 요구 토크를 추종할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치 및 방법에 의하면, 가변 밸브 타이밍 장치와 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 흡기 밸브 닫힘 시기를 조절하여 엔진의 실린더로 공급되는 흡기 유량을 조절함으로써, 운전자의 급격한 요구 토크 변동에 신속하게 대응할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 흡기 밸브 닫힘 시기의 변경에 따른 실린더 내부의 공기량의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 흡기 밸브와 배기 밸브의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 엔진의 유형과 차량의 주행 상태에 따른 흡기 밸브의 개폐 타이밍을 도시한 도면들이다.
도 10은 엔진 토크를 도시한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 방법들의 부분들은 적어도 하나 이상의 제어기에 의하여 실행될 수 있다. 제어기라는 용어는 메모리와, 알고리즘적 구조로 해석될 수 있는 하나 이상의 단계들을 실행하도록 된 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 말한다. 상기 메모리는 알고리즘적 단계들을 저장할 수 있도록 되어 있고 프로세서는 하기에서 더욱 자세히 설명되는 하나 이상의 방법을 수행하기 위하여 상기 알고리즘적 단계들을 특히 실행하도록 되어 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 제어 로직은 프로세서, 제어기 또는 이와 유사한 것에 의하여 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상의 일시적이지 않은 컴퓨터가 읽을 수 있는 미디어로 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, 이에 한정되지는 않지만, ROM, RAM, 컴팩트 디스크 (CD)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래쉬 드라이브, 스마트 카드 및 광학 데이터 저장 장치들을 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 재생 매체는 컴퓨터 시스템에 연결된 네트웍 상에 분산되어 예를 들어, 텔레매틱스 서버나 계측 제어기 통신망(Controller Area Network; CAN)에 의하여 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체가 저장되고 실행될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치의 구성을 도시한 개념도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 장치는 적어도 하나의 실린더(11)를 포함하는 엔진(10), 엔진(10)의 실린더(11)를 선택적으로 차단하는 흡기 밸브(13)와 배기 밸브(15), 흡기 밸브(13)의 개폐 시기 및 개폐 시간(또는 듀레이션)을 조절하는 가변 밸브 장치(40), 및 엔진(10), 흡기 밸브(13), 배기 밸브(15) 및 가변 밸브 장치(40)를 제어하는 제어기(50)를 포함할 수 있다.
엔진(10)의 실린더(11)는 연료의 연소에 의해 차량의 주행이 필요한 동력을 발생시킨다. 필요에 따라, 실린더(11)는 복수 개 구비될 수 있다.
적어도 하나의 흡기 밸브(13)는 실린더(11)로 흡기가 유입되도록 실린더(11)를 선택적으로 차단한다. 즉, 흡기 밸브(13)가 개방되면 흡기가 실린더(11) 내부로 유입되고, 흡기 밸브(13)가 차단되면 실린더(11) 내부로 흡기가 유입되지 않는다.
적어도 하나의 배기 밸브(15)는 연료의 연소에 의해 실린더(11) 내부에서 발생한 배기 가스를 배출하기 위해 실린더(11)를 선택적으로 차단한다. 즉, 배기 밸브(15)가 개방되면 배기 가스가 실린더(11)에서 배출되고, 배기 밸브(15)가 차단되면 배기 가스가 실린더(11)에서 배출되지 않는다.
가변 밸브 장치(40)(VVA: variable valve apparatus)는 가변 밸브 타이밍(CVVT: continuous variable valve timing) 장치와 가변 밸브 듀레이션(CVVD: continuous variable valve duration) 장치를 포함할 수 있다.
가변 밸브 타이밍 장치(43)는 흡기 밸브(13)와 배기 밸브(15)의 개폐 시기(opening and closing timing)를 조절하고, 가변 밸브 듀레이션 장치(41)는 흡기 밸브(13)와 배기 밸브(15)의 개방 시간(또는 듀레이션)을 조절한다. 상기 가변 밸브 타이밍 장치(43)와 가변 밸브 듀레이션 장치(41)의 구체적인 구성은 본 발명의 기술 분야에 속하는 통상의 기술자에게 이미 알려진 기술로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 엔진(10)으로 공급되는 흡기가 흐르는 흡기 라인에는 스로틀 밸브(20)가 설치되고, 스로틀 밸브(20)의 개도량에 의해 엔진(10)의 실린더(11)로 공급되는 흡기의 유량이 조절된다.
또한, 본 발명의 실시 에에 따른 엔진의 제어 장치는 엔진(10)의 실린더(11)로 과급 공기를 공급하는 과급기(30)를 포함할 수 있다.
과급기(30)는 배기 에너지를 사용하여 실린더(11)로 과급 공기를 공급하는 터보차저, 또는 전기 에너지를 사용하여 실린더(11)로 과급 공기를 공급하는 전동식 슈퍼차저를 포함할 수 있다.
터보차저는 엔진(10)에서 배출되는 배기 라인에 설치되는 터빈, 및 스로틀 밸브(20) 상류의 흡기 라인에 설치되는 컴프레서를 포함할 수 있다. 전동식 슈퍼차저는 모터, 및 모터의 동력의 의해 회전하는 전동식 컴프레서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 과급기(30)는 터보차저인 것을 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
제어기(50)는 운전자의 요구 토크에 기초하여 엔진(10)의 출력 토크를 제어하고, 이를 위해, 엔진(10), 흡기 밸브(13), 배기 밸브(15), 스로틀 밸브(20), 가변 밸브 타이밍 장치(43), 가변 밸브 듀레이션 장치(41), 및 과급기(30)의 동작을 제어한다.
또한, 제어기(50)는 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 스로틀 밸브(20) 및/또는 과급기(30)에 의해 운전자의 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 가변 밸브 타이밍 장치(43)와 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 실린더(11) 내의 공기량을 조절한다.
운전자의 요구 토크는 가속 페달 위치 센서로부터 판단될 수 있다. 가속 페달 위치 센서(APS: Accelerator Position Sensor)는 운전자가 가속 페달을 누른 정도를 검출하여 제어기(50)로 전송한다. 가속 페달이 완전히 눌린 경우에는 가속 페달의 위치값이 100%이고, 가속 페달이 눌리지 않은 경우에는 가속 페달의 위치값이 0%일 수 있다.
제어기(50)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.
여기에 설명되는 다양한 실시 예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시 예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(50)는 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값 이상인지 여부를 판단한다(S10). 제어기(50)는 단위 시간당 가속 페달 센서(70)의 위치값의 변화로부터 운전자의 요구 토크를 판단할 수 있다.
운전자의 요구 토크 변화량의 절대값이 설정값 이상이면, 제어기(50)는 변속단의 변경을 통해 운전자의 요구 토크를 추종한다(S12).
운전자의 요구 토크 변화량의 절대값이 설정값보다 작으면, 제어기(50)는 차량이 가속 상태인지 또는 감속 상태인지 여부를 판단한다(S20). 제어기(50)는 가속 페달 변화량으로부터 차량의 가속 상태 또는 감속 상태를 판단할 수 있다. 예를 들어, 가속 페달의 위치값이 작은 값(예를 들어, 0%)에서 큰 값(예를 들어, 50%)으로 변화하면, 차량이 가속 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이와 반대로, 가속 페달의 위치값이 큰 값(예를 들어, 50%)에서 작은 값(예를 들어, 0%)으로 변화하면, 차량이 감속 상태인 것으로 판단할 수 있다.
운전자의 요구 토크 변화량으로부터 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 운전자의 요구 토크를 추종하기 위해, 스로틀 밸브(20)의 개도량, 터보차저에 의한 과급 공기량을 조절한다. 예를 들어, 스로틀 밸브(20)의 개도량을 증가시키고 터보차저에 의한 과급 공기량을 증가시킨다. 이와 동시에, 제어기(50)는 가변 밸브 타이밍 장치(43)와 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 실린더(11) 내의 공기량을 증가시켜 운전자의 요구 토크를 추종하도록 제어한다(S30).
운전자의 요구 토크 변화량으로부터 차량이 감속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 운전자의 요구 토크를 추종하기 위해, 스로틀 밸브(20)의 개도량, 터보차저에 의한 과급 공기량을 조절한다. 예를 들어, 스로틀 밸브(20)의 개도량을 감소시키고 터보차저에 의한 과급 공기량을 감소시킨다. 이와 동시에, 제어기(50)는 가변 밸브 타이밍 장치(43)와 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 실린더(11) 내의 공기량을 감소시켜 운전자의 요구 토크를 추종하도록 제어한다(S40).
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 흡기 밸브 닫힘 시기의 변경에 따른 실린더(11) 내부의 공기량의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 밀러 사이클의 경우를 예로 들어 설명한 도면이다.
도 4를 참조하면, 이론적으로, 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기가 하사점(BDC: bottom dead center)에 위치할 때, 실린더(11)의 밀폐 부피가 최대가 된다. 이때, 실린더(11) 내부로 유입되는 공기량이 최대가 되고, 엔진(10)의 출력이 최대가 된다.
밀러 사이클 엔진(10)의 경우, 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 하사점 이전에 발생시켜 실제 엔진(10)의 배기량보다 작은 밀폐 부피를 사용한다. 반면, 앳킨슨 사이클 엔진(10)의 경우, 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 하사점 이후에 발생시켜 실제 엔진(10)의 배기량보다 작은 밀폐 부피를 사용한다.
따라서, 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기를 고정하고, 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하면, 실린더(11) 내부로 유입되는 공기량을 조절할 수 있다.
밀러 사이클 엔진(10)에서, 운전자의 요구 토크로부터 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브(13)의 듀레이션을 증가시키고, 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 통해 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 지각시키면, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태가 유지되고, 흡기 밸브 닫힘 시기가 지각된다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브(13)의 듀레이션을 증가시키면, 흡기 밸브 열림(IVO) 시기는 진각되고 흡기 밸브 닫힘(IVC) 시기는 지각된다. 이때, 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 통해 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 지각시키면, IVO는 고정되고 IVC만 지작된다.
이와 같이, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태에서 흡기 밸브 닫힘 시기가 지각되면, 실린더(11)의 밀폐 부피가 증가하고, 실린더(11)로 유입되는 공기량이 증가한다. 따라서, 엔진(10)의 실린더(11)에서 출력되는 토크가 증가한다(도 6 참조).
이와 반대로, 밀러 사이클 엔진(10)에서, 운전자의 요구 토크로부터 차량이 감속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브(13)의 듀레이션을 감소시키고, 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 통해 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 진각시키면, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태가 유지되고, 흡기 밸브 닫힘 시기가 진각된다.
이와 같이, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태에서 흡기 밸브 닫힘 시기가 진각되면, 실린더(11)의 밀폐 부피가 감소하고, 실린더(11)로 유입되는 공기량이 감소한다. 따라서, 엔진(10)의 실린더(11)에서 출력되는 토크가 감소한다(도 7 참조).
앳킨슨 사이클 엔진(10)에서, 운전자의 요구 토크로부터 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브(13)의 듀레이션을 감소시키고, 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 통해 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 진각시키면, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태가 유지되고, 흡기 밸브 닫힘 시기가 진각된다.
이와 같이, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태에서 흡기 밸브 닫힘 시기가 진각되면, 실린더(11)의 밀폐 부피가 증가하고, 실린더(11)로 유입되는 공기량이 증가한다. 따라서, 엔진(10)의 실린더(11)에서 출력되는 토크가 증가한다(도 8 참조).
이와 반대로, 앳킨슨 사이클 엔진(10)에서, 운전자의 요구 토크로부터 차량이 감속 상태인 것으로 판단되면, 제어기(50)는 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 흡기 밸브(13)의 듀레이션을 증가시키고, 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 통해 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 지각시키면, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태가 유지되고, 흡기 밸브 닫힘 시기가 지각된다.
이와 같이, 흡기 밸브 열림 시기는 고정된 상태에서 흡기 밸브 닫힘 시기가 지각되면, 실린더(11)의 밀폐 부피가 감소하고, 실린더(11)로 유입되는 공기량이 감소한다. 따라서, 엔진(10)의 실린더(11)에서 출력되는 토크가 감소한다(도 9 참조).
엔진(10)의 출력 토크가 운전자의 요구 토크를 추종하고 설정된 시간이 경과하면(S50), 제어기(50)는 가변 밸브 듀레이션 장치(41)와 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 이용한 흡기 밸브 닫힘 시기의 제어를 중단하고, 스로틀 밸브(20)와 과급기(30)의 제어를 통해 운전자의 요구 토크를 추종한다(S60).
도 10을 참조하면, 스로틀 밸브(20)와 과급기(30)의 동작을 제어하여 운전자의 요구 토크를 추종하는 경우, 흡기 경로에 의한 시간 지연과 과급기(30)의 동작에 의한 시간 지연이 발생하고, 이러한 시간 지연에 의해 운전자의 요구 토크를 빠르게 추종하지 못하게 된다(도 10의 종래 기술 참조).
반면, 본 발명의 실시 예와 같이, 가변 밸브 타이밍 장치(43)와 가변 밸브 듀레이션 장치(41)를 통해 실린더(11) 내부로 공급되는 공기량을 조절하여 엔진(10)의 출력 토크를 제어하는 경우, 운전자의 요구 토크를 빠르게 추종할 수 있다.
즉, 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 스로틀 밸브(20) 및/또는 과급기(30)에 의해 운전자의 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 가변 밸브 듀레이션 장치(41)와 가변 밸브 타이밍 장치(43)를 이용하여 흡기 밸브 닫힘 시기만을 조절함으로써, 급격한 운전자의 요구 토크 변동에 빠르게 대응할 수 있다(도 10의 본 발명 참조).
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 엔진
11: 실린더
13: 흡기 밸브
15: 배기 밸브
20: 스로틀 밸브
30: 과급기
40: 가변 밸브 장치
41: 가변 밸브 듀레이션 장치
43: 가변 밸브 타이밍 장치
50: 제어기
70: 가속 페달 센서

Claims (17)

  1. 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진;
    상기 실린더로 공급되는 흡기의 유량을 조절하는 스로틀 밸브;
    상기 실린더로 과급 공기를 공급하는 과급기;
    상기 실린더를 선택적으로 개폐하여 흡기를 공급하는 흡기 밸브;
    상기 흡기 밸브의 개폐 시점을 조절하는 가변 밸브 타이밍 장치;
    상기 흡기 밸브의 개방 듀레이션을 조절하는 가변 밸브 듀레이션 장치; 및
    운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 상기 스로틀 밸브 또는 상기 과급기에 의해 상기 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 상기 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 상기 실린더 내의 공기량을 조절하는 제어기;
    를 포함하는 엔진의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전자의 요구 토크는 단위 시간당 가속 페달의 변화량으로부터 산출되는 엔진의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면,
    상기 제어기는 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 증가하도록 제어하는 엔진의 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때,
    상기 제어기는
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 지각시키는 엔진의 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때,
    상기 제어기는
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 진각시키는 엔진의 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 상기 운전자의 요구 토크가 감속 상태이면,
    상기 제어기는 상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 감소하도록 제어하는 엔진의 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때,
    상기 제어기는
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 진각시키는 엔진의 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때,
    상기 제어기는
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 지각시키는 엔진의 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    엔진의 토크가 운전자의 요구 토크를 추종하면,
    상기 제어기는
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치와 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통한 상기 실린더 내의 공기량 조절을 중단하고,
    상기 스로틀 밸브 또는 상기 과급기의 제어를 통해 상기 운전자의 요구 토크를 추종하는 엔진의 제어 장치.
  10. 제어기에 의해, 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제어기에 의해, 차량이 가속 상태인지 또는 감속 상태인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 상기 운전자의 요구 토크가 입력되는 시점에서부터 스로틀 밸브 또는 과급기에 의해 상기 운전자의 요구 토크를 추종할 때까지의 과도 구간에서, 가변 밸브 타이밍 장치와 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 흡기 밸브 열림(IVO: intake valve opening) 시기는 고정하고, 상기 흡기 밸브 닫힘(IVC: intake valve closing) 시기를 조절하여 실린더 내의 공기량을 조절하는 단계;
    를 포함하는 엔진의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 차량이 가속 상태인 것으로 판단되면,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 증가하도록 제어하는 엔진의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때,
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고, 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 지각시키는 엔진의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때,
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브 개폐 시기를 진각시키는 엔진의 제어 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 운전자의 요구 토크 변화량이 설정값보다 작고 상기 운전자의 요구 토크가 감속 상태이면,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치와 상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 실린더 내의 공기량이 감소하도록 제어하는 엔진의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 엔진이 밀러 사이클 엔진일 때,
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 감소시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 진각시키는 엔진의 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진일 때,
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 듀레이션을 증가시키고,
    상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통해 상기 흡기 밸브의 개폐 시기를 지각시키는 엔진의 제어 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    엔진의 토크가 운전자의 요구 토크를 추종하면,
    상기 가변 밸브 듀레이션 장치와 상기 가변 밸브 타이밍 장치를 통한 상기 실린더 내의 공기량 조절을 중단하고,
    스로틀 밸브 또는 상기 과급기의 제어를 통해 상기 운전자의 요구 토크를 추종하는 엔진의 제어 방법.
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