KR100573847B1 - Piezo injector driving apparatus in diesel common rail system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 전자 제어 장치(EMS ECU)의 인젝터 구동신호에 의해 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택을 개폐하여 연소실에 연료를 직접 분사하도록 된 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a piezo injector driving apparatus of a diesel common rail system in which a piezo stack used as an injector pressure regulating valve is opened and closed to directly inject fuel into a combustion chamber by an injector driving signal of an engine ECU.

본 발명은 저가이면서 소형인 고압 레귤레이터를 사용하여 피에조 스택을 개폐 작동시키기 위한 구동전류 및 전력을 공급할 수 있으며, 특히 본 발명에 따라서 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택은 소량의 충전 전류만을 사용하고 응답성이 빠르므로, 전류 및 전력 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 다중 분사 제거가 가능하고 연료 분사량과 분사시기를 세밀하면서도 빠르게 제어할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인해 연소실 내에서의 연료 소비량이 증가하여 배기 가스량이 감소하는 효과가 있다.According to the present invention, the piezo stack used as the injector pressure control valve according to the present invention uses only a small amount of charging current. The fast response makes it possible to reduce current and power consumption, eliminate multiple injections, and provide precise and fast control of fuel injection volume and timing, which increases fuel consumption in the combustion chamber. There is an effect that the amount of exhaust gas is reduced.

디젤, 커먼레일, 피에조 인젝터, 엔진 전자 제어 장치, EMS ECUDiesel, Common Rail, Piezo Injector, Engine Electronic Control Unit, EMS ECU

Description

디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치 {PIEZO INJECTOR DRIVING APPARATUS IN DIESEL COMMON RAIL SYSTEM} Piezo Injector Drive of Diesel Common Rail System {PIEZO INJECTOR DRIVING APPARATUS IN DIESEL COMMON RAIL SYSTEM}             

도 1은 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치를 도시한 회로도.1 is a circuit diagram showing a piezo injector driving apparatus of a diesel common rail system according to the present invention.

도 2는 도 1의 고압 레귤레이터를 도시한 회로도.FIG. 2 is a circuit diagram illustrating the high voltage regulator of FIG. 1. FIG.

도 3은 본 발명에 따라서 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택의 변위 특성을 나타내는 실시예.Figure 3 is an embodiment showing the displacement characteristics of the piezo stack used as the injector pressure control valve in accordance with the present invention.

도 4는 고압 레귤레이터의 전류 및 전압특성을 도시한 그래프.Figure 4 is a graph showing the current and voltage characteristics of the high voltage regulator.

도 5는 고압 레귤레이터의 듀티비와 입출력 전압비의 관계를 도시한 그래프.Fig. 5 is a graph showing the relationship between the duty ratio and the input / output voltage ratio of the high voltage regulator.

도 6은 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치의 동작특성 그래프를 도시한 제1실시예.Figure 6 is a first embodiment showing a graph of the operating characteristics of the piezo injector driving apparatus of the diesel common rail system according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치의 동작특성 그래프를 도시한 제2실시예.Figure 7 is a second embodiment showing a graph of the operating characteristics of the piezo injector driving apparatus of the diesel common rail system according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10: 고압 레귤레이터 11: PWM제어기10: high voltage regulator 11: PWM controller

20: 피에조 스택 30: 트랜스퍼 코일20: piezo stack 30: transfer coil

Q1: 제1트랜지스터 Q2: 제2트랜지스터Q1: first transistor Q2: second transistor

Q3: 제3트랜지스터 FET: 제4트랜지스터Q3: 3rd transistor FET: 4th transistor

L: 인덕터 D1,D2,D3,D4: 정류기L: Inductor D1, D2, D3, D4: Rectifier

C2: 고압 커패시터C2: high voltage capacitor

본 발명은 디젤 커먼레일(Common Rail) 시스템에 관한 것이며, 보다 상세히는 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a diesel common rail system, and more particularly to a piezo injector drive device of the diesel common rail system.

공지된 바와 같이, 디젤 커먼레일 시스템은 엔진 전자 제어 장치(EMS ECU)의 인젝터 구동신호에 의해 구동하는 인젝터 구동장치가 인젝터 압력조절밸브를 개폐하여 연소실에 연료를 직접 분사하는 방식의 디젤 엔진 시스템이며, 특히 상기 인젝터 압력 조절 밸브로는 솔레노이드가 사용된다.As is known, the diesel common rail system is a diesel engine system in which an injector driving device driven by an injector driving signal of an engine electronic control unit (EMS ECU) opens and closes the injector pressure regulating valve to directly inject fuel into the combustion chamber. In particular, a solenoid is used as the injector pressure regulating valve.

그러나, 상기와 같이 인젝터 압력 조절 밸브로서 솔레노이드를 사용하는 종래의 디젤 커먼레일 시스템의 인젝터 구동장치는, 솔레노이드를 개폐 작동시키기 위한 구동전류 및 전력의 소비가 크기 때문에 가격이 비싸고 부피가 크며 승압 시 소음이 많이 발생하는 대형 변압기를 사용해야 하는 단점이 있다.However, the injector driving apparatus of the conventional diesel common rail system using the solenoid as the injector pressure regulating valve as described above is expensive, bulky, and noises when boosted due to the large consumption of driving current and power for opening and closing the solenoid. There is a drawback to using a large transformer that occurs a lot.

특히, 상기 솔레노이드 자체의 반응 시간이 느리기 때문에 다중 분사 제어 시 시간적인 제약이 따르고 연료 분사량과 분사시기를 세밀하게 제어하기 어려우며, 이로 인해 연소실 내에서의 연료 소비량이 감소하여 배기 가스량이 증가하는 문제점이 있다.In particular, since the reaction time of the solenoid itself is slow, it is difficult to control the fuel injection amount and the injection timing in detail during the multi-injection control, and thus, the fuel consumption in the combustion chamber is reduced and the exhaust gas amount is increased. have.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 구동신호에 의해 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택을 개폐하여 연소실에 연료를 직접 분사하도록 된 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치를 제공하는데 있다.
The present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, an object of the present invention is to open and close the piezo stack used as the injector pressure control valve by the injector drive signal of the engine electronic control device to direct fuel injection to the combustion chamber The present invention provides a piezo injector driving device for a common rail system.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치는, 차량의 배터리 전원을 PWM제어방식에 의해 특정한 고압으로 승압하여 출력하는 고압 레귤레이터와; 반대 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 충전 커패시터로 작용하여 길이가 수축되고, 동일 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 방전 커패시터로 작용하여 길이가 팽창되는 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택; 상기 피에조 스택의 전단에 위치하며, 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택으로 반대 극의 구동전류가 흐르도록 하여 피에조 스택에 특정한 구동전압을 충전시키는 제1트랜지스터; 상기 피에조 스택의 후단에 위치하며, 상기 엔진 전자 제 어 장치의 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 상기 제1트랜지스터와 동시에 턴온되어 상기 피에조 스택을 접지시키는 제2트랜지스터; 상기 피에조 스택과 제1트랜지스터 사이에 위치하며, 코일 용량에 따라서 상기 피에조 스택이 충전 및 방전 커패시터로 작용할 때 상기 피에조 스택의 양단에 흐르는 구동전류와 이 구동전류의 기울기를 설정하여 연료 분사율을 결정짓는 트랜스퍼 코일; 및 상기 제2트랜지스터와 병렬 연결되도록 상기 제1트랜지스터와 트랜스퍼 코일 사이에 위치하며, 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 닫힘 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택으로 동일 극의 구동전류가 흐르도록 하여 상기 피에조 스택에 충전된 특정한 구동전압을 방전시키는 제3트랜지스터로 구성된다.
The piezo injector driving apparatus of the diesel common rail system for achieving the object of the present invention, the high voltage regulator for boosting and outputting the battery power of the vehicle to a specific high pressure by the PWM control method; Injector pressure control that extends its length by acting as a charging capacitor when the driving current of the opposite pole is applied and acts as a charging capacitor, and shrinks its length. Piezo stacks used as valves; A first transistor positioned at a front end of the piezo stack and turned on when an injector open driving signal of an engine electronic control device is input to allow a driving current of a reverse pole to flow into the piezo stack to charge a specific driving voltage to the piezo stack; A second transistor positioned at a rear end of the piezo stack and turned on simultaneously with the first transistor when the injector open driving signal of the engine electronic control device is input to ground the piezo stack; Located between the piezo stack and the first transistor, when the piezo stack acts as a charge and discharge capacitor according to the coil capacity to determine the fuel injection rate by setting the drive current flowing through both ends of the piezo stack and the slope of the drive current. Tailoring transfer coil; And a position between the first transistor and the transfer coil so as to be connected in parallel with the second transistor, and when the injector closing drive signal of the engine electronic control device is input, it is turned on so that the same pole driving current flows to the piezo stack. And a third transistor for discharging a specific driving voltage charged in the stack.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 고압 레귤레이터(10)는 차량의 배터리 전원(VB)을 PWM(Pulse Width Modulation; 이하 같다) 제어방식에 의해 아래의 피에조 스택(20)을 충전 혹은 방전시켜 상기 피에조 스택(20)의 길이를 수축 혹은 팽창시키기 위한 특정한 고압(예컨대, 80V)으로 승압하여 출력하는 변압기로서, 작동 소음이 적고 저가이면서 소형이다.Referring to FIG. 1, the high voltage regulator 10 charges or discharges a piezo stack 20 below by using a pulse width modulation (PWM) control method of a vehicle battery power supply (VB). It is a transformer that boosts and outputs a specific high pressure (for example, 80V) for contracting or expanding the length of a.

도 2를 참조하면, 상기 고압 레귤레이터(10)의 고압 커패시터(C2)는 상기 피에조 스택(20)의 길이를 수축 혹은 팽창시키기 위한 특정한 고압을 충전하여 출력한다.Referring to FIG. 2, the high voltage capacitor C2 of the high voltage regulator 10 charges and outputs a specific high pressure for contracting or expanding the length of the piezo stack 20.

상기 고압 레귤레이터(10)의 PWM제어기(11)는 차량의 배터리 전원(VB)을 구 동전원으로 사용하고 상기 고압 커패시터(C2)의 출력단을 통해서 피드백되어 감지되는 고압 커패시터(C2)의 출력전압이 설정전압보다 낮으면 구동하여 PWM 온/오프신호를 출력한다.The PWM controller 11 of the high voltage regulator 10 uses the battery power VB of the vehicle as an old coin source, and output voltage of the high voltage capacitor C2 fed back through the output terminal of the high voltage capacitor C2 is sensed. If it is lower than the set voltage, it is driven to output PWM on / off signal.

상기 고압 레귤레이터(10)의 제4트랜지스터(FET)는 전계 효과 트랜지스터로서, 드레인이 차량의 배터리 측과 연결되고 소스가 접지단과 연결되어 있으며, 상기 PWM제어기(11)의 PWM 온/오프신호가 게이트로 입력되면 온/오프 작동을 반복한다.The fourth transistor (FET) of the high voltage regulator 10 is a field effect transistor, the drain is connected to the battery side of the vehicle, the source is connected to the ground terminal, the PWM on / off signal of the PWM controller 11 is gated When is input, repeats the on / off operation.

상기 고압 레귤레이터(10)의 인덕터(L)는 차량의 배터리 측과 상기 드레인 사이에 위치하며, 상기 제4트랜지스터(FET)가 오프 작동하는 동안 차량의 배터리 전원(VB)에 대한 역전압을 발생하여 상기 고압 커패시터(C2)에 특정한 고압을 충전한다.The inductor L of the high voltage regulator 10 is positioned between the battery side of the vehicle and the drain, and generates a reverse voltage to the battery power source VB of the vehicle while the fourth transistor FET is turned off. The high voltage is charged to the high voltage capacitor C2.

상기 고압 레귤레이터(10)의 정류기(D4)는 상기 제4트랜지스터(FET)와 인덕터(L)의 연결점(도 2 참조)과 상기 고압 커패시터(C2) 사이에 위치하며, 상기 제4트랜지스터(FET)가 오프 작동하는 동안 인덕터(L)에 발생하는 역전압에 의해 도통하여 상기 인덕터(L)의 역전압이 상기 고압 커패시터(C2)에 특정한 고압으로 충전되게 한다.The rectifier D4 of the high voltage regulator 10 is positioned between the connection point (see FIG. 2) of the fourth transistor FET and the inductor L and the high voltage capacitor C2, and the fourth transistor FET. Is conducted by the reverse voltage generated in the inductor L during the off operation, causing the reverse voltage of the inductor L to be charged to a specific high voltage in the high voltage capacitor C2.

도 3을 참조하면, 상기 피에조 스택(20)은 외부로부터 전압을 가하면 그 극과 크기에 따라 스택의 길이가 변화하는 역압전 효과(Inverse Piezoelectric Effect)를 나타내며, 내부저항(R1)을 가지는 커패시터(C1)의 성질을 가지고 있다.Referring to FIG. 3, the piezo stack 20 represents an inverse piezoelectric effect in which the length of the stack changes according to its pole and size when a voltage is applied from the outside, and the capacitor having an internal resistance R1 ( It has the property of C1).

상기 피에조 스택(20)은 반대 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 충전 커패시터(C1)로 작용하여 길이가 수축되고, 동일 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 방전 커패시터(C1)로 작용하여 길이가 팽창되는 인젝터 압력조절밸브로 사용된다.When the piezo stack 20 is applied with a driving current of the opposite pole and a specific driving voltage is applied, the piezo stack 20 acts as a charging capacitor C1 and shrinks. When the driving current of the same pole is applied and a specific driving voltage is applied, the discharge capacitor is applied. It acts as a (C1) and is used as an injector pressure regulating valve whose length is expanded.

상기 피에조 스택(20)은 영구적 극성을 가지도록 만들어지고 그 구동전압은 각층의 두께에 비례하며, 스택의 변위(Pd)는 아래의 수학식 1로 나타낸 바와 같이 인장계수(Cs=m/V), 스택의 층수(N), 구동 전압(V)에 따라 결정된다.The piezo stack 20 is made to have a permanent polarity and its driving voltage is proportional to the thickness of each layer, the displacement (Pd) of the stack as shown in Equation 1 below the tensile coefficient (C s = m / V ), The number of layers (N) of the stack, and the driving voltage (V).

Pd = Cs ·N ·VPd = C s · N · V

도 3에 있어서, (a)는 특정한 극성을 가지는 피에조 스택(20)을 나타내고 있으며, (b)는 동일 극의 전류가 흘러 팽창한 피에조 스택(20)을 나타내고 있고, (c)는 반대 극의 전류가 흘러 수축한 피에조 스택(20)을 나타내고 있다.In Fig. 3, (a) shows a piezo stack 20 having a specific polarity, (b) shows a piezo stack 20 in which the current of the same pole flows and (c) shows the opposite pole. The piezo stack 20 which contracted by the electric current is shown.

제1트랜지스터(Q1)는 상기 피에조 스택(20)의 전단에 위치(도 1 참조)하며, 공지의 디젤 커먼레인 시스템의 엔진 전자 제어 장치(EMS ECU)으로부터 출력되는 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택(20)으로 반대 극의 구동전류가 흐르도록 하여 피에조 스택(20)에 특정한 구동전압을 충전시킨다.The first transistor Q1 is positioned at the front end of the piezo stack 20 (see FIG. 1), and is turned on when an injector open driving signal output from an engine ECU (EMS ECU) of a known diesel common lane system is input. Then, the driving current of the opposite pole flows to the piezo stack 20 to charge the piezo stack 20 with a specific driving voltage.

상기 제1트랜지스터(Q1)의 이미터 출력단에 연결된 정류기(D1)는 회로안정화용 다이오드이다.The rectifier D1 connected to the emitter output terminal of the first transistor Q1 is a circuit stabilization diode.

제2트랜지스터(Q2)는 상기 피에조 스택(20)의 후단에 위치하며, 상기 엔진 전자 제어 장치로부터 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 상기 제1트랜지스터(Q1)와 동시에 턴온되어 상기 피에조 스택(20)을 접지시킨다.The second transistor Q2 is positioned at the rear end of the piezo stack 20. When the injector open driving signal is input from the engine electronic control device, the second transistor Q2 is turned on at the same time as the first transistor Q1 to open the piezo stack 20. Ground it.

상기 제2트랜지스터(Q2)는 제1트랜지스터(Q1)와 동시에 턴온되거나 동시에 턴오프되어 상기 피에조 스택(20)을 접지시킴으로써 상기 고압 레귤레이터(10)의 구동전류가 피에조 스택(20)을 흐르도록 한다.The second transistor Q2 is simultaneously turned on or simultaneously turned off with the first transistor Q1 to ground the piezo stack 20 so that the driving current of the high voltage regulator 10 flows through the piezo stack 20. .

상기 제2트랜지스터(Q1)의 이미터와 컬렉터에 연결된 정류기(D2)는 회로안정화용 다이오드이다.The rectifier D2 connected to the emitter and the collector of the second transistor Q1 is a circuit stabilization diode.

트랜스퍼 코일(30)은 상기 피에조 스택(20)과 제1트랜지스터(Q1) 사이에 위치하며, 코일 용량에 따라서 상기 피에조 스택(20)이 충전 및 방전 커패시터(C1)로 작용할 때 상기 피에조 스택(20)의 양단에 흐르는 구동전류와 이 구동전류의 기울기를 설정하여 연료 분사율을 결정짓는다.Transfer coil 30 is located between the piezo stack 20 and the first transistor (Q1), the piezo stack 20 when the piezo stack 20 acts as a charge and discharge capacitor (C1) according to the coil capacity The fuel injection rate is determined by setting the drive current flowing through both ends and the slope of this drive current.

제3트랜지스터(Q3)는 상기 제2트랜지스터(Q2)와 병렬 연결되도록 상기 제1트랜지스터(Q1)와 트랜스퍼 코일(30) 사이에 위치하며, 상기 엔진 전자 제어 장치로부터 인젝터 닫힘 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택(20)으로 동일 극의 구동전류가 흐르도록 하여 상기 피에조 스택(20)에 충전된 특정한 구동전압을 방전시킨다.The third transistor Q3 is positioned between the first transistor Q1 and the transfer coil 30 so as to be connected in parallel with the second transistor Q2, and is turned on when an injector closing driving signal is input from the engine electronic controller. As a result, a driving current of the same pole flows to the piezo stack 20 to discharge a specific driving voltage charged in the piezo stack 20.

상기 제3트랜지스터(Q3)는 상기 제2트랜지스터(Q2) 및 제1트랜지스터(Q1)가 턴온 혹은 턴오프되면 반대로 턴오프 혹은 턴온되어 상기 피에조 스택(20)을 접지시킴으로써 충전 커패시터(C1)로 작용하여 특정한 구동전압을 충전하고 있는 피에조 스택(20)에 방전전류가 흐르도록 한다.When the second transistor Q2 and the first transistor Q1 are turned on or turned off, the third transistor Q3 is turned off or turned on to serve as a charging capacitor C1 by grounding the piezo stack 20. The discharge current flows through the piezo stack 20 which is charging a specific driving voltage.

상기 제3트랜지스터(Q3)의 컬렉터에 연결된 정류기(D3)는 회로안정화용 다이오드이다.The rectifier D3 connected to the collector of the third transistor Q3 is a circuit stabilization diode.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치는 다음과 같이 작동한다.The piezo injector driving device of the diesel common rail system according to the present invention configured as described above operates as follows.

본 발명에 따른 디젤 커먼레인 시스템의 피에조 인젝터 구동장치는 차량의 배터리 전원(VB)을 상기 피에조 스택(20)을 충전 혹은 방전시기 위한 특정한 고압(예컨대, 80V)으로 승압하는 과정과, 상기 특정한 고압으로 상기 피에조 스택(20)을 충전 혹은 방전시켜 그 길이를 수축 혹은 팽창시킴으로써 인젝터 압력조절밸브로서 작동하는 상기 피에조 스택(20)을 개폐 제어하는 과정으로 구분된다.The piezo injector driving apparatus of the diesel common lane system according to the present invention includes the step of boosting the vehicle battery power (VB) to a specific high pressure (for example, 80 V) for charging or discharging the piezo stack 20, and the specific high pressure. The piezo stack 20 is divided into a process of opening and closing the piezo stack 20 which operates as an injector pressure regulating valve by charging or discharging the piezo stack 20 to contract or expand the length thereof.

1. 피에조 스택(20) 구동전압 승압 과정1. Piezo stack 20 driving voltage step-up process

도 2를 참조하면, 상기 고압 레귤레이터(10)의 PWM제어기(11)는 주변 저항을 이용하여 승압 주파수, PWM 듀티비 등을 변경할 수 있으므로, 적절한 저항을 선택함으로써 상기 피에조 스택(20)의 구동전압을 최적화할 수 있는 주파수와 듀티비를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 2, the PWM controller 11 of the high voltage regulator 10 may change the boosting frequency, the PWM duty ratio, etc. using a peripheral resistance, and thus, select the appropriate resistor to drive the voltage of the piezo stack 20. We can get the frequency and duty ratio to optimize the

실제로, 상기 PWM제어기(11)는 피드백되는 고압 커패시터(C2)의 출력전압이 설정전압보다 낮으면 구동하여 일정한 듀티비로 PWM 온/오프신호를 출력하며, 이에 따라서 상기 인덕터(L)에 전류가 흐르기 시작하면 승압 사이클이 시작된다.In practice, the PWM controller 11 drives when the output voltage of the fed-back high voltage capacitor C2 is lower than the set voltage, and outputs a PWM on / off signal at a constant duty ratio, so that current flows in the inductor L. The start up cycle begins.

만약, 상기 제4트랜지스터(FET)가 턴오프되면 인덕터(L) 양단에 역전압이 발생되어 상기 정류기(D4)가 도통하고, 이에 따라서 상기 인덕터(L)의 자기에너지가 대용량 고압 커패시터(C2)에 모두 축적된다.If the fourth transistor FET is turned off, a reverse voltage is generated across the inductor L so that the rectifier D4 conducts, so that the magnetic energy of the inductor L is a high-capacity high voltage capacitor C2. Accumulate in all.

이처럼, 상기 인턱터(L)의 에너지가 고압 커패시터(C2)로 모두 축적되면 상기 정류기(D4)는 전기 흐름을 멈추고, 상기 인덕터(L)의 전압은 0이 되어 다음 승압 사이클로 넘어갈 준비가 된다. 이때, 상기 고압 커패시터(C2)의 출력은 승압 사이클마다 이전된 에너지의 양에 초당 주파수를 곱한 것이 된다.As such, when the energy of the inductor L is accumulated in the high voltage capacitor C2, the rectifier D4 stops the flow of electricity, and the voltage of the inductor L becomes 0 and is ready for the next boost cycle. At this time, the output of the high voltage capacitor (C2) is multiplied by the frequency per second multiplied by the amount of energy transferred every boost cycle.

한편, 상기 고압 레귤레이터(10)의 전류 및 전압특성을 도시한 그래프인 도 4를 참조하면, 상기 제4트랜지스터(FET)가 턴온되어 있는 동안(ton)에는 상기 인덕터(L)에 전류가 생성되어 상기 인덕터 전압 VL=Vi가 된다.Meanwhile, referring to FIG. 4, which is a graph illustrating current and voltage characteristics of the high voltage regulator 10, current is generated in the inductor L while the fourth transistor FET is turned on (t on ). And the inductor voltage V L = V i .

또한, 상기 제4트랜지스터(FET)가 턴오프되어 있는 동안(toff)에는 상기 인덕터(L)에 역전압(VL=Vi-Vo)이 발생되고, 이 역전압이 입력전압에 더해져서 입력전압보다 큰 출력전압이 생성되어 상기 고압 커패시터(C2)에 충전된다.In addition, while the fourth transistor FET is turned off (t off ), a reverse voltage (V L = V i -V o ) is generated in the inductor L, and the reverse voltage is further added to the input voltage. An output voltage larger than the input voltage is generated and charged in the high voltage capacitor C2.

도 4의 그래프에 의하면, 한 주기(T) 동안 상기 인덕터(L)의 양단에 걸리는 전압은 0이므로, 상기 인덕터(L) 저항과, 제4트랜지스터(FET)의 전압 강하, 스위 칭, 정류 다이오드의 전압 강하 등에 의한 손실을 무시하면, 아래의 수학식 2과 수학식3으로부터 수학식 4와 같은 주파수와 듀티비(D; duty ratio)의 관계식을 구할 수 있다.According to the graph of FIG. 4, since the voltage across the inductor L is 0 during one period T, the voltage drop, the switching, and the rectifier diode of the inductor L and the fourth transistor FET are zero. By ignoring the loss due to the voltage drop, the relationship between the frequency and the duty ratio (D) can be obtained from the following equations (2) and (3).

Vi·ton - (Vo-Vi)·toff = 0 V i · t on - (V o -V i) · t off = 0

V·D·T - (Vo-Vi)·(1-D)·T = 0V-D-T-(V o -V i ) · (1-D) T = 0

Vo/Vi = 1/(1-D)V o / V i = 1 / (1-D)

따라서, 상기 수학식 4를 기초하여 상기 고압 레귤레이터(10)의 듀티비(D)와 입출력 전압비(Vo/Vi)의 관계를 구하면 도 5와 같이 나타나며, 이로부터 상기 고압 레귤레이터(10)의 주파수와 듀티비를 적절히 선정하면 차량의 배터리 전원(VB)을 상기 피에조 스택(20)을 충전 혹은 방전시키기 위한 특정한 고압(예컨대, 80V)으로 용이하게 승압할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, based on Equation 4, the relationship between the duty ratio (D) and the input-output voltage ratio (V o / V i ) of the high voltage regulator 10 is shown in Figure 5, from which the high voltage regulator 10 of When the frequency and duty ratio are properly selected, it can be seen that the battery power source VB of the vehicle can be easily boosted to a specific high voltage (eg, 80V) for charging or discharging the piezo stack 20.

2. 피에조 스택(20) 충방전 과정2. Piezo stack 20 charging and discharging process

도 3을 참조하면, 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 상기 피에조 스택(20)은 기본적으로 커패시터(C1)의 성질을 가지고 있으므로 충전과 방전을 반복하며, 충전 시 길이가 수축하여 열리고, 방전 시 길이가 팽창하여 닫힌다. 따라서, 상기 피에 조 스택(20)의 닫히는 시간을 제어하면 연료 분사량을 조절할 수 있다.Referring to FIG. 3, the piezo stack 20 used as the injector pressure regulating valve basically has the property of a capacitor C1, thereby repeating charging and discharging. Inflate and close Therefore, the fuel injection amount can be adjusted by controlling the closing time of the piezo stack 20.

먼저, 상기 제1트랜지스터(Q1)와 제2트랜지스터(Q2)가 동시에 턴온되면 상기 고압 레귤레이터(10)로부터 출력되는 구동전류가 상기 트랜스퍼 코일(30)을 경유하여 피에조 스택(20)으로 흐르게 되며, 이에 따라서 상기 피에조 스택(20)이 충전된다.First, when the first transistor Q1 and the second transistor Q2 are turned on at the same time, a driving current output from the high voltage regulator 10 flows to the piezo stack 20 via the transfer coil 30. Accordingly, the piezo stack 20 is filled.

이때, 상술한 역압전 효과에 의해 상기 피에조 스택(20)은 길이가 수축하며,실제로 인젝터 압축조절밸브로 사용되는 경우 밸브 열림 상태를 유지한다.In this case, the piezo stack 20 is contracted in length by the above-described reverse piezoelectric effect, and in fact, when the piezo stack 20 is used as an injector compression control valve, the piezo stack 20 maintains an open state.

반면에, 상기 제1트랜지스터(Q1)와 제2트랜지스터(Q2)가 동시에 턴오프되고 상기 제3트랜지스터(Q3)가 턴온되면 상기 고압 레귤레이터(10)로부터 출력되는 구동전류가 차단됨과 동시에, 상기 트랜스퍼 코일(30)을 경유하여 피에조 스택(20)의 충전전압에 의해 상기 제3트랜지스터(Q3)를 통하여 방전전류가 흐르게 되므로 상기 피에조 스택(20)이 방전된다.On the other hand, when the first transistor Q1 and the second transistor Q2 are turned off at the same time and the third transistor Q3 is turned on, the driving current output from the high voltage regulator 10 is interrupted and at the same time, the transfer Since the discharge current flows through the third transistor Q3 by the charging voltage of the piezo stack 20 via the coil 30, the piezo stack 20 is discharged.

이때, 상술한 역압전 효과에 의해 상기 피에조 스택(20)은 길이가 팽창하며,실제로 인젝터 압축조절밸브로 사용되는 경우 밸브 닫힘 상태를 유지한다.At this time, the piezo stack 20 is expanded by the above-mentioned reverse piezoelectric effect, and when used as an injector compression control valve, it maintains the valve closed state.

상기와 같은 피에조 스택(20)의 충방전 과정에 있어서, 상기 트랜스퍼 코일(30)의 코일 용량은 상기 피에조 스택(20)의 양단에 흐르는 구동전류와 이 구동전류의 기울기를 설정하여 연료 분사율을 결정짓는 중요한 요소가 된다.In the charge / discharge process of the piezo stack 20 as described above, the coil capacity of the transfer coil 30 is set to the driving current flowing through both ends of the piezo stack 20 and the slope of the driving current to set the fuel injection rate Decisions are an important factor.

예컨대, 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 트랜스퍼 코일(30)의 용량을 100uH와 200uH로 다르게 설정하면 상기 피에조 스택(20)의 양단 구동전류와 구동전압 및 상기 구동전류의 기울기가 다르게 나타남을 알 수 있다.For example, as illustrated in FIGS. 6 and 7, when the capacitance of the transfer coil 30 is set differently to 100 uH and 200 uH, the driving current and the driving voltage and the slope of the driving current of both ends of the piezo stack 20 are different. It can be seen that.

도 6을 참조하면, 상기 트랜스퍼 코일(30)의 용량이 100uH로 설정되었을 때, 상기 피에조 스택(20)의 양단 구동전류와 구동전압이 급격한 기울기를 나타내면서 변하고 최대 전류치 또한 높게 나타남을 알 수 있다. 특히, 이처럼 구동전류의 최대 전류치가 높고 급격한 기울기를 나타내는 경우에는 상기 피에조 스택(20)에 충격이 가해져 내구성에 치명적인 영향을 미쳐 피에조 스택(20) 자체를 파괴할 수 있다.Referring to FIG. 6, when the capacity of the transfer coil 30 is set to 100 uH, it can be seen that the driving current and the driving voltage of both ends of the piezo stack 20 change while showing a sharp slope and the maximum current value is also high. In particular, when the maximum current value of the driving current is high and shows an inclined slope, the piezo stack 20 may be impacted to destroy the piezo stack 20 itself due to a fatal effect on durability.

도 7을 참조하면, 상기 트랜스퍼 코일(30)의 용량이 100uH보다 큰 200uH로 설정되었을 때, 상기 피에조 스택(20)의 양단 구동전류오 구동전압의 기울기가 비교적 완만하게 나타나고 최대 전류치 또한 낮아질 뿐만 아니라 전압의 흔들림 역시 줄어듦을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, when the capacity of the transfer coil 30 is set to 200 uH, which is greater than 100 uH, the slopes of the driving current and the driving voltage at both ends of the piezo stack 20 are relatively gentle and the maximum current value is not only lowered. It can be seen that the shaking of the voltage is also reduced.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치는, 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 구동신호에 의해 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택을 개폐하여 연소실에 연료를 직접 분사하도록 되어 있으므로, 저가이면서 소형인 고압 레귤레이터를 사용하여 피에조 스택을 개폐 작동시키기 위한 구동전류 및 전력을 공급할 수 있다.As described above, the piezo injector driving device of the diesel common rail system according to the present invention opens and closes the piezo stack used as the injector pressure regulating valve by injector driving signal of the engine electronic control device to directly inject fuel into the combustion chamber. In addition, a low-cost, compact, high-pressure regulator can be used to provide the drive current and power to open and close the piezo stack.

또한, 본 발명에 따라서 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택은 소 량의 충전 전류만을 사용하고 응답성이 빠르므로, 전류 및 전력 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시간적인 제약 없이 용이하게 다중 분사 제거를 할 수 있고 연료 분사량과 분사시기를 세밀하면서도 빠르게 제어할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인해 연소실 내에서의 연료 소비량이 증가하여 배기 가스량이 감소하는 효과가 있다.
In addition, the piezo stack used as the injector pressure regulating valve according to the present invention uses only a small amount of charging current and is fast in response, thus reducing current and power consumption and easily eliminating multiple injections without time constraints. It is possible to control the fuel injection amount and the injection timing finely and quickly, thereby increasing the fuel consumption in the combustion chamber, thereby reducing the amount of exhaust gas.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is just one embodiment for implementing the piezo injector driving apparatus of the diesel common rail system according to the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, the present invention as claimed in the following claims Without departing from the gist of the invention, those skilled in the art to which the present invention pertains to the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

Claims (2)

삭제delete 특정한 고압을 출력하는 고압 커패시터(C2)와; 차량의 배터리 전원(VB)을 구동전원으로 사용하고 상기 고압 커패시터(C2)의 출력단을 통해서 감지되는 고압 커패시터(C2)의 출력전압이 설정전압보다 낮으면 구동하여 PWM 온/오프신호를 출력하는 PWM제어기(11)와; 드레인이 차량의 배터리 측과 연결되고 소스가 접지단과 연결되어 있으며, 상기 PWM제어기(11)의 PWM 온/오프신호가 게이트로 입력되면 온/오프 작동을 반복하는 제4트랜지스터(FET)와; 차량의 배터리 측과 상기 드레인 사이에 위치하며, 상기 제4트랜지스터(FET)가 오프 작동하는 동안 차량의 배터리 전원(VB)에 대한 역전압을 발생하여 상기 고압 커패시터(C2)에 특정한 고압을 충전하는 인덕터(L); 및 상기 제4트랜지스터(FET)와 인덕터(L)의 연결점과 상기 고압 커패시터(C2) 사이에 위치하며, 상기 제4트랜지스터(FET)가 오프 작동하는 동안 인덕터(L)에 발생하는 역전압에 의해 도통하여 상기 인덕터(L)의 역전압이 상기 고압 커패시터(C2)에 특정한 고압으로 충전되게 하는 정류기(D4)로 구성되며, 차량의 배터리 전원(VB)을 PWM제어방식에 의해 특정한 고압으로 승압하여 출력하는 고압 레귤레이터(10)와;A high voltage capacitor C2 for outputting a specific high voltage; PWM that uses the battery power (VB) of the vehicle as a driving power and outputs a PWM on / off signal by driving when the output voltage of the high voltage capacitor (C2) sensed through the output terminal of the high voltage capacitor (C2) is lower than a set voltage. A controller 11; A fourth transistor (FET) having a drain connected to a battery side of the vehicle and a source connected to a ground terminal, and repeating on / off operation when a PWM on / off signal of the PWM controller 11 is input to the gate; Located between the battery side of the vehicle and the drain, while generating the reverse voltage for the battery power supply (VB) of the vehicle while the fourth transistor (FET) is off operation to charge a specific high voltage to the high voltage capacitor (C2) Inductor L; And between a connection point of the fourth transistor FET and the inductor L and the high voltage capacitor C2, and by a reverse voltage generated in the inductor L while the fourth transistor FET is turned off. It consists of a rectifier (D4) is conducted so that the reverse voltage of the inductor (L) is charged to a specific high voltage in the high voltage capacitor (C2), by boosting the battery power supply (VB) of the vehicle to a specific high voltage by the PWM control method A high pressure regulator 10 for outputting; 반대 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 충전 커패시터(C1)로 작용하여 길이가 수축되고, 동일 극의 구동전류가 인가되어 특정한 구동전압이 가해지면 방전 커패시터(C1)로 작용하여 길이가 팽창되는 인젝터 압력조절밸브로 사용되는 피에조 스택(20);When the driving current of the opposite pole is applied and a specific driving voltage is applied, it acts as a charging capacitor C1 and the length is contracted. When the driving current of the same pole is applied and a specific driving voltage is applied, it acts as a discharge capacitor C1. Piezo stack 20 is used as the injector pressure control valve is expanded; 상기 피에조 스택(20)의 전단에 위치하며, 엔진 전자 제어 장치(EMS ECU)의 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택(20)으로 반대 극의 구동전류가 흐르도록 하여 피에조 스택(20)에 특정한 구동전압을 충전시키는 제1트랜지스터(Q1);Located at the front end of the piezo stack 20, when the injector open drive signal of the engine electronic control device (EMS ECU) is input, it is turned on so that the driving current of the opposite pole flows to the piezo stack 20, the piezo stack 20 A first transistor Q1 which charges a specific driving voltage); 상기 피에조 스택(20)의 후단에 위치하며, 상기 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 열림 구동신호가 입력되면 상기 제1트랜지스터(Q1)와 동시에 턴온되어 상기 피에조 스택(20)을 접지시키는 제2트랜지스터(Q2);A second transistor Q2 positioned at a rear end of the piezo stack 20 and turned on at the same time as the first transistor Q1 when the injector open driving signal of the engine electronic control device is input to ground the piezo stack 20; ); 상기 피에조 스택(20)과 제1트랜지스터(Q1) 사이에 위치하며, 코일 용량에 따라서 상기 피에조 스택(20)이 충전 및 방전 커패시터(C1)로 작용할 때 상기 피에조 스택(20)의 양단에 흐르는 구동전류와 이 구동전류의 기울기를 설정하여 연료 분사율을 결정짓는 트랜스퍼 코일(30); 및Located between the piezo stack 20 and the first transistor (Q1), the driving flows across both ends of the piezo stack 20 when the piezo stack 20 acts as a charge and discharge capacitor (C1) according to the coil capacity A transfer coil 30 that determines a fuel injection rate by setting a current and a slope of the drive current; And 상기 제2트랜지스터(Q2)와 병렬 연결되도록 상기 제1트랜지스터(Q1)와 트랜스퍼 코일(30) 사이에 위치하며, 엔진 전자 제어 장치의 인젝터 닫힘 구동신호가 입력되면 턴온되어 상기 피에조 스택(20)으로 동일 극의 구동전류가 흐르도록 하여 상기 피에조 스택(20)에 충전된 특정한 구동전압을 방전시키는 제3트랜지스터(Q3)Located between the first transistor Q1 and the transfer coil 30 so as to be connected in parallel with the second transistor Q2, and is turned on when the injector closing driving signal of the engine electronic control device is input, to the piezo stack 20. A third transistor Q3 for discharging a specific driving voltage charged in the piezo stack 20 by allowing a driving current of the same pole to flow; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 커먼레일 시스템의 피에조 인젝터 구동장치.Piezo injector driving device of the diesel common rail system, characterized in that consisting of.
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