KR100534722B1 - 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템에서 배터리 전압을 캐패시터에 충전하여 순간적인 고압, 고전류의 방전으로 인젝터가 구동되도록 하여 순간적인 고압 분사가 이루어지도록 하는 것으로,

차량용 전원장치인 배터리와; 픽업 및 홀드 상태에서 인젝터의 솔레노이드에 공급되는 전류를 일정하게 제어하는 제1스위치와; 대응되는 연소실에 산출된 연료량을 분사하기 위해 노즐의 개폐를 수행하는 솔레노이드와; 상기 솔레노이드에 고전압,고전류의 공급을 제어하는 제2스위치와; 연료 분사를 위한 연소실을 선택하는 제3,4스위치와; 배터리에서 공급되는 전압을 충전하여 방전시 고전압, 고전류를 방출하는 캐패시터와; 홀딩 및 솔레노이드 선택 스위치의 오프시에 캐패시터측에 충전 전압을 공급하는 프리 휠링 다이오드를 포함한다.

Description

디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치 및 그 방법{COMMON RAIL INJECTION DRIVE SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 인젝터 구동장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템에서 배터리 전압을 캐패시터에 충전하여 순간적인 고압, 고전류의 방전으로 인젝터가 구동되도록 하여 순간적인 고압 분사가 이루어지도록 하는 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템은 기존의 기계식 연료 펌프의 저압 시스템에 비해 고압의 누적된 연료를 순간적으로 정밀하게 분사 제어하여야 하는 특징을 갖고 있어 인젝터 구동에 전자 제어식이 적용되고 있다.

따라서, 디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템은 대응되는 연소실에 공기량 및 기타 엔진의 부하 조건에 따라 산출된 연료량의 분사시에 연료 분사의 시작 시점 및 지속 시간이 결정되면 분사간 최소시간과 밸브를 완전히 들어 올리는 시간(Valve Full Lift Time)이 짧아져야 하므로, 이에 따라 구동장치내의 부스터(Booster)에 저장된 전류가 순간적으로 방전되어 인젝터 내의 솔레노이드 구동에 충분한 전류를 공급하도록 하고 있다.

디젤 엔진에 적용되고 있는 인젝터 구동 제어에 대하여 많은 간행물이 배포되어 있는데, 특허출원 제88-1875호에 게재된 전자 밸브 제어식 연료분사장치의 초기 제어방법과 특허출원 제88-12200호에 게재된 인젝터 구동회로는 분배형 연료펌프에 적용되는 사양으로 저압 인젝터 구동에는 적합하나 고압 분사가 요구되는 커먼 레일 연료 분사 시스템에 적용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 디젤 커먼 연료 분사 시스템에서 배터리 전압을 이용하여 캐패시터에 부스터 전압을 충전하고, 인젝터의 구동시에 순간적인 고압, 고전류의 방전을 통해 인젝터내의 솔레노이드가 순간적으로 구동되도록 하고, 밸브를 완전히 들어 올리는 시간이 아주 짧은 시간 안에 이루어지도록 하여 순간적인 고압 분사에 안정성 및 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 차량용 전원장치인 배터리와; 픽업 및 홀드 상태에서 인젝터의 솔레노이드에 공급되는 전류를 일정하게 제어하는 제1스위치와; 대응되는 연소실에 산출된 연료량을 분사하기 위해 노즐의 개폐를 수행하는 솔레노이드와; 상기 솔레노이드에 고전압, 고전류의 공급을 제어하는 제2스위치와; 연료 분사를 위한 연소실을 선택하는 제3,4스위치와; 배터리에서 공급되는 전압을 충전하여 방전시 고전압, 고전류를 방출하는 캐패시터와; 홀딩 및 솔레노이드 선택 스위치의 오프시에 캐패시터측에 충전 전압을 공급하는 프리 휠링 다이오드를 포함한다.

또한, 본 발명은 공기량과 부하에 따라 임의의 연소실에 분사를 위한 연료량의 산출에 따라 해당 연소실의 인젝터 구동 시작 시점 및 홀딩시간이 결정되면 부스터 스위치의 제어를 통해 캐패시터에 충전된 고전압, 고전류를 해당 인젝터내의 솔레노이드에 공급하는 과정과; 상기 캐패시터의 방전으로 솔레노이드가 구동되면 부스터 스위치를 오프함과 동시에 전류 제어 스위치의 접점을 통해 배터리 전압을 솔레노이드에 설정된 홀딩시간 동안 공급하는 과정과; 상기 솔레노이드의 홀딩이 유지되는 상태에서 솔레노이드 선택 스위치의 접점을 오프시켜 배터리 전압을 캐패시터 충전전압으로 공급하는 과정과; 상기 솔레노이드의 구동 오프를 위해 선택 스위치의 접점을 오프할 시 과잉 공급된 전류를 캐패시터측에 충전전류로 공급하는 과정 및; 상기한 과정을 반복하여 인젝터 구동을 유지하는 과정을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치는 차량의 전원장치인 배터리(1)와, 상기 배터리(1)의 플러스 단자에 소오스(Source)단자가 직렬로 연결되며, 도시되지 않은 엔진제어수단에서 게이드(Gate)단자에 인가되는 제어신호에 따라 픽업 및 홀드 상태에서 인젝터 내의 솔레노이드로 공급되는 전류를 일정하게 제어하는 FET소자로 이루어지는 제1스위치(2)와, 상기 제1스위치(2)의 드레인(Drain) 단자에 병렬로 접속되어 대응되는 연소실에 산출되는 연료량을 분사하여 주기 위하여 밸브의 개폐를 수행하는 인젝터 내부의 제1,제2 솔레노이드(3a)(3b)와, 상기 제1스위치(2)의 드레인 단자와 소오스 단자가 직렬로 연결되어 부스터 동작을 제어하는 FET 소자인 제2스위치(4)와, 상기 인젝터 내부의 제1,제2 솔레노이드(3a)(3b)의 다른 일측에 드레인 단자가 연결되고, 소오스 단자는 그라운드로 연결되며, 도시되지 않은 엔진제어수단에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 연료 분사를 위한 연소실을 선택하는 제3,제4스위치(7a)(7b)와, 상기 제2스위치(4)의 드레인 단자와 일측 단자가 직렬로 연결되며, 배터리(1)에서 공급되는 전압을 충전하여 방전시 고전압, 고전류를 방출하여 인젝터 내부의 솔레노이드를 구동시키는 캐패시터(5)와, 상기 인젝터 내부의 제1,제2 솔레노이드(3a)(3b)와 제3,제4스위치(7a)(7b)의 사이에 병렬로 애노드 단자가 접속되고 캐소드 단자는 캐패시터(5)에 연결되어 배터리(1)의 전압을 캐패시터(5)에 충전전압으로 공급하고, 캐패시터(5)의 방전 전압이 역전압으로 인가되지 않도록 하는 프리 휠링 다이오드(6a)(6b)로 구성된다.

상기한 구성에서는 뱅크1의 1,2번 인젝터에 대한 개략적인 구성이므로, 인젝터의 구성이 증가되는 경우 역시 상기한 구성이 적용됨은 자명한 사실인바, 이에 대한 설명은 생략한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 동작은 다음과 같다.

커먼 레일 연료 분사 시스템을 적용하는 디젤 엔진의 시동이 온을 유지하는 상태에서 엔진제어장치는 흡입되는 공기량과 차량의 부하조건에 따라 산출된 연료량을 임의의 연소실에 분사하고자, 예를 들어 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제1솔레노이드(3a)를 구동하고자 부스터 스위치인 제2스위치(4)의 접점을 온으로 제어함과 동시에 해당 제1솔레노이드(3a)의 구동을 선택하는 제3스위치(7a)의 접점을 온으로 제어하면, 캐패시터(5)에 부스터 전압으로 충전되어 있는 고전압, 고전류는 도시된 패스로 방전되어 제1솔레노이드(3a)에 공급므로, 제1솔레노이드(3a)는 고전압, 고전류에 의해 순간적으로 최고점까지 동작되어 인젝터 노즐을 순간적으로 개방하게 된다(S101).

상기와 같이 선택된 인젝터 노즐의 개방이 시작되면 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진 제어장치는 부스터 스위치인 제2스위치(4)의 접점을 오프 상태로 제어함과 동시에 전류 제어 스위치인 제1스위치(2)의 접점을 온으로 제어하여, 캐패시터(5)의 방전 전압을 차단시킴과 동시에 배터리(1)의 전압을 제어 대상인 제1솔레노이드(3a)에 공급하여 배터리(1)의 픽업 전류를 끌어올 수 있도록 한다(S102).

상기와 같이 배터리(1)의 전압이 제1솔레노이드(3a)에 공급되는 상태에서 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진제어수단은 접점 온 상태를 유지하고 있는 제1솔레노이드(3a)의 선택 스위치인 제3스위치(7a)의 접점을 오프로 제어하여 배터리(1)의 전압이 캐패시터(5)측에 충전 전압으로 공급되도록 하여 캐패시터(5)의 충전을 수행하며 이를 통해 픽업 전류를 솔레노이드 밸브 개방 유지에 필요한 홀딩 전류상태로 이동한다(S103).도 7은 산출된 연료량의 분사를 위해 솔레노이드 밸브를 홀딩하는 단계로, 전류 제어 스위치인 제1스위치(2)의 접점을 온으로 제어하고, 제1인젝터 솔레노이드(3a)의 선택 스위치인 제3스위치(7a)의 접점을 온으로 제어함으로써, 배터리(1)의 전압, 전류가 제1솔레노이드(3a)에 공급되는 전류패스를 형성한다.이때, 제1스위치(2)의 접점을 온/오프 제어하며 전류 제어를 통해 일정 전류를 홀딩하며, 이렇게 제1인젝터 솔레노이드(3a)의 밸브 개방을 유지하여 계산된 연료 분사시간 만큼 연료를 분사하여 준다.상기에서 도 5와 도 7의 경우 같은 회로를 형성하지만 도 5는 인젝터 구동 전류를 초기 끌어올리는 픽업 단계이고, 도 7은 인젝터 밸브의 개방을 유지하는 단계로 작동상에 있어 서로 구분되어진다.

상기와 같이 제1솔레노이드(3a)의 구동을 통해 인젝터 노즐을 개방시켜 산출된 연료량의 분사가 완료되어 노즐의 폐쇄를 위해 제1솔레노이드(3a)의 선택 스위치인 제3스위치(7a)의 접점을 오프로 제어하게 되면 제1솔레노이드(3a)에 과잉 공급된 전류 역시 도 8에서 알 수 있는 바와 같이 프리휠링 다이오드(6a)를 통해 캐패시터(5)측에 충전 전류로 공급된다(S104).

또한, 재충전을 위해 첨부된 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 전류 제어 스위치인 제1스위치(2)의 접점을 온으로 제어하고, 제2솔레노이드(3b)를 선택하는 제4스위치(7b)의 접점을 온으로 제어하게 되면 도면에 도시된 바와 같이 배터리(1)의 전압, 전류가 제2솔레노이드(3b)에 공급되는 전류 패스가 형성되며, 이 상태에서 제2솔레노이드(3b)의 선택 스위치인 제4스위치(7b)의 접점을 온에서 오프로 선택하게 되면 도 10에서 알 수 있는 바와 같은 배터리(1)의 전압, 전류가 제2솔레노이드(3b)를 통해 캐패시터(5)로 공급되는 전류 패스가 형성되므로, 이에 따라 캐패시터(5)는 재충전이 수행된다(S105).

상기에서 캐패시터(5)의 충전을 위해 제4스위치(7b)의 접점 온하는 경우 제2솔레노이드(3b)에 공급되는 배터리(1)의 전압은 인젝터 노즐의 개방이 수행되지 않는 값으로 제한한다.

이상에서 설명한 바와 같이 디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템에서 캐패시터에 충전된 부스터 전압을 통해 인젝터 솔레노이드의 구동을 안정되고 정밀하게 제어함으로써 각 연소실에의 고압 분사가 제어되어 차량의 성능이 향상되고, 배출가스 감소, 엔진 진동 소음이 저감된다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치에서 뱅크 1의 1,2번 인젝터 구동장치를 도시한 개략적 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동에 대한 타이밍도.

도 3은 본 발명에 따른 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동 제어에 대한 흐름도.

도 4 ~ 도 10은 본 발명에 따른 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치에서 각 타이밍에서의 전류 흐름 관계를 도시한 도면.

Claims (5)

1. 디젤 커먼 레일 연료 분사 시스템에 있어서,

   차량용 전원장치인 배터리와;

   픽업 및 홀드 상태에서 인젝터의 솔레노이드에 공급되는 전류를 일정하게 제어하는 제1스위치와;

   대응되는 연소실에 산출된 연료량을 분사하기 위해 노즐의 개폐를 수행하는 솔레노이드와;

   상기 솔레노이드에 고전압,고전류의 공급을 제어하는 제2스위치와;

   연료 분사를 위한 연소실을 선택하는 제3,4스위치와;

   배터리에서 공급되는 전압을 충전하여 방전시 고전압, 고전류를 방출하는 캐패시터와;

   홀딩 및 솔레노이드 선택 스위치의 오프시에 캐패시터측에 충전 전압을 공급하는 프리 휠링 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼 레일 인젝터 구동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1스위치는 FET 소자로 이루어지며, 배터리의 플러스 단자에 소오스 단자가 직렬로 연결되고, 게이드 단자에 엔진제어수단의 제어신호가 연결되며, 드레인 단자에 제2스위치의 드레인 단자가 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 솔레노이드는 일측단이 상기 제1스위치의 드레인 단자와 병렬로 접속되고 타측단은 선택용 스위치인 제3스위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼 레일용 인젝터 구동장치.
4. 공기량과 부하에 따라 임의의 연소실에 분사를 위한 연료량의 산출에 따라 해당 연소실의 인젝터 구동 시작 시점 및 홀딩시간이 결정되면 부스터 스위치의 제어를 통해 캐패시터에 충전된 고전압, 고전류를 해당 인젝터내의 솔레노이드에 공급하는 과정과;

   상기 캐패시터의 방전으로 솔레노이드가 구동되면 부스터 스위치를 오프함과 동시에 전류 제어 스위치의 접점을 통해 배터리 전압을 솔레노이드에 설정된 홀딩시간 동안 공급하는 과정과;

   상기 솔레노이드의 홀딩이 유지되는 상태에서 솔레노이드 선택 스위치의 접점을 오프시켜 배터리 전압을 캐패시터 충전전압으로 공급하는 과정과;

   상기 솔레노이드의 구동 오프를 위해 선택 스위치의 접점을 오프할 시 과잉 공급된 전류를 캐패시터측에 충전전류로 공급하는 과정 및;

   상기한 과정을 반복하여 인젝터 구동을 유지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼 레일 인젝터 구동방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 캐패시터의 재충전시에 솔레노이드 밸브의 구동이 수반되지 않는 전류 제어를 통해 배터리 전압을 상기 캐패시터측에 충전 전압으로 공급하는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼 레일 인젝터 구동방법.