KR100756045B1 - 인젝터의 솔레노이드 코일을 이용한 고전압발생시스템 및그 방법 - Google Patents

인젝터의 솔레노이드 코일을 이용한 고전압발생시스템 및그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 솔레노이드 코일을 포함하는 인젝터를 이용하여 고전압을 발생시키는 고전압발생시스템 및 고전압발생방법에 관한 것으로, 구체적으로, 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 인젝터와, 전원 공급을 위한 전원부와, 충전 및 방전을 위한 충전부를 포함하는 고전압발생시스템의 고전압발생방법에 있어서, (a) 상기 인젝터에 대하여 연료분사명령이 수신되는지 판단하는 단계; (b) 상기 연료분사명령이 수신되지 않은 경우, 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인지 판단하는 단계; (c) 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인 경우 소정 시간 동안 상기 전원부로부터 상기 인젝터로 전류가 공급되도록 하는 단계; 및 (d) 상기 소정의 시간이 경과한 후 상기 인젝터로 흐르는 전류를 차단하여 상기 인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 충전부에 충전되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 인젝터의 솔레노이드 코일을 이용하여 고전압을 발생시킬 수 있어서, 고전압 발생을 위하여 별도의 고가의 코일을 구비하지 않아도 되므로 생산원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

Description

인젝터의 솔레노이드 코일을 이용한 고전압발생시스템 및 그 방법{High voltage generating system using solenoid coil of injector and method thereof}
도 1은 본 발명의 시스템의 구성을 도시한 블록선도
도 2는 본 발명에서 휴지 상태에서의 회로의 동작을 도시한 도면
도 3은 본 발명에서 고전압발생을 위한 솔레노이드의 에너자이징시 회로에서의 전류의 흐름을 도시한 도면
도 4는 본 발명에서 충전부의 커패시터의 충전시 회로에서의 전류의 흐름을 도시한 도면
도 5는 본 발명의 인젝터 및 커패시터에서의 전류 및 전압의 변화를 도시한 도면
도 6은 본 발명이 2기통엔진에 적용된 예를 도시한 도면
도 7은 본 발명이 2기통엔진에 적용된 경우에 인젝터 및 커패시터에서의 전류 및 전압의 변화를 도시한 도면
도 8은 본 발명이 4기통엔진에 적용된 예를 도시한 도면
도 9는 본 발명의 구체적인 일 실시예의 회로도
도 10은 본 발명의 방법을 도시한 흐름도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
120, 621, 622, 821, 822, 823, 824, 921, 922, 923, 924 인젝터
130, 631, 632, 831, 832, 833, 834, 931, 932, 933, 934 전류방향제어부
160, 661, 662, 861, 862 전류측정부
111, 112, 113, 611, 612, 613, 614, 615, 616, 811, 812, 813, 814, 815, 816, 817, 818, 911, 912, 913, 914, 915, 916, 917, 918 스위치부
140, 640, 840, 940 전원
150, 650, 850, 950 충전부
170, 670, 870 전압측정부 100 스위치제어부
908, 909 OR 게이트 901 상태제어기
903, 907 전류제어기 902 전압선택기
905, 909 AND 게이트 904, 908 전압부스터기
본 발명은 인젝터 구동기 내의 고전압 발생 시스템 및 고전압 발생 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 인젝터의 솔레노이드 코일을 이용하여 고전압을 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
디젤기관, 가솔린기관 등의 엔진 등은 연료의 분사를 제어하기 위하여 인젝터를 사용한다.
일반적으로 엔진에 사용되는 인젝터에는 솔레노이드 코일이 사용되며, 이 솔 레노이드 코일에 흐르는 전류를 이용하여 연료의 분사를 제어하게 된다. 그런데, 분사명령이 내려진 경우 빠른 시간 안에 인젝터를 구동하여 연료분사를 하기 위해서는 순간적으로 고전압을 가해줄 필요가 있다.
이러한 목적을 위해서, 특히 커먼 레일 디젤 엔진의 경우 인젝터 구동기에는 분사명령이 내려졌을때 고전압을 인젝터에 제공하는 고전압발생장치가 필수적이다.
종래 고전압발생장치로 사용되는 대표적인 장치는 DC-DC 컨버터의 일종인 스텝업 컨버터(Step-up Converter)이다. 이 스텝업 컨버터는 고전압을 발생시키기 위해 내구성이 좋고 전류용량이 크며 높은 인덕턴스를 가진 인덕터가 필요하다.
그러나, 이러한 조건을 만족시키는 인덕터는 다른 부품에 비해 가격이 높고, 구하기가 쉽지 않아 인젝터 구동기를 상품화하였을 경우 원가상승의 요인이 되는 문제점이 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 인젝터에 사용되는 솔레노이드 코일을 이용하여 고전압을 발생시키는 인젝터 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 상기한 인젝터 구동장치를 구동하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 인젝터; 전원 공급을 위한 전원부; 충전 및 방전을 위한 충전 부; 상기 전원부와 상기 인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제1스위치부; 상기 충전부와 상기 인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제2스위치부; 상기 인젝터의 제2측단에 연결되어 상기 인젝터에 흐르는 전류의 차단을 제어하기 위한 제3스위치부; 상기 인젝터의 제2측단과 상기 충전부에 연결되어 상기 제3스위치부가 오프된 경우 소정의 제1방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 전류방향제어부; 및 상기 인젝터에 연료분사명령이 없고, 상기 충전부에 걸리는 전압이 소정 전압 이하인 경우, 상기 제1스위치부 및 상기 제3스위치부를 온 시켜서 상기 전원부로부터 상기 인젝터로 전류가 공급되도록 하고, 소정의 시간이 경과한 후 상기 제3스위치를 오프시켜, 상기 인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 전류방향제어부를 통해 상기 충전부에 충전되도록 하는 스위치제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템을 제공한다.
또한, 상기 고전압발생시스템은 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 제2인젝터; 상기 전원부와 상기 제2인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제4스위치부; 상기 충전부와 상기 제2인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제5스위치부; 상기 제2인젝터의 제2측단에 연결되어 상기 제2인젝터에 흐르는 전류를 차단하기 위한 제6스위치부; 및 상기 제2인젝터의 제2측단과 상기 충전부에 연결되어 상기 제6스위치부가 오프된 경우 소정의 제1방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 제2전류방향제어부;를 더 포함하고, 상기 스위치제어부는 상기 제2인젝터에 연료분사명령이 없고, 상기 충전부에 걸리는 전압이 소정 전압 이하인 경우, 상기 제4스위치부 및 상기 제6스위치부를 온 시켜서 상기 전원부로부터 상기 제2인젝 터로 전류가 공급되도록 하고, 소정의 시간이 경과한 후 상기 제6스위치를 오프시켜, 상기 제2인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 제2전류방향제어부를 통해 상기 충전부에 충전되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 인젝터와 상기 제2인젝터는 교대로 연료분사가 되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 인젝터와, 전원 공급을 위한 전원부와, 충전 및 방전을 위한 충전부를 포함하는 고전압발생시스템의 고전압발생방법에 있어서, (a) 상기 인젝터에 대하여 연료분사명령이 수신되는지 판단하는 단계; (b) 상기 연료분사명령이 수신되지 않은 경우, 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인지 판단하는 단계; (c) 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인 경우 소정 시간 동안 상기 전원부로부터 상기 인젝터로 전류가 공급되도록 하는 단계; 및 (d) 상기 소정의 시간이 경과한 후 상기 인젝터로 흐르는 전류를 차단하여 상기 인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 충전부에 충전되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생방법을 제공한다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 상기한 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 구성을 도시한 블록선도이다.
본 발명의 인젝터 구동기 내에서의 고전압 발생 시스템은 스위치제어부 (100), 제1스위치부(111), 제2스위치부(112), 제3스위치부(113), 인젝터(120), 전류방향제어부(130), 전원(140), 충전부(150), 전류측정부(160) 및 전압측정부(170)를 포함하여 구성된다.
제1스위치부(111)는 스위치제어부(100)의 제어에 따라 전원(140)과 인젝터(120) 제1측단(121)의 연결의 개폐를 담당한다.
제2스위치부(112)는 스위치제어부(100)의 제어에 따라 충전부(150)와 인젝터(120) 제1측단(121)의 연결의 개폐를 담당한다.
제3스위치부(113)는 스위치제어부(100)의 제어에 따라 인젝터(120)의 제2측단(122)과 전류측정부(160)의 연결의 개폐를 담당한다.
스위치제어부(100)는 인젝터 분사명령을 수신하고, 이 인젝터 분사명령과 전류측정부(160)로부터 전달되는 인젝터(120)를 통과한 전류의 세기에 관한 정보 및 전압측정부(170)로부터 전달되는충전부(150)에 걸리는 전압에 관한 정보에 따라 제1스위치부(111), 제2스위치부(112) 및 제3스위치부(113)의 온/오프를 제어한다.
충전부(150)는 인젝터(120)의 분사명령이 없는 경우 충전을 수행하고, 인젝터(120)의 분사명령이 있는 경우 충전된 전압을 인젝터(120)에 가하는 기능을 한다. 충전부(150)로는 일반적으로 커패시터가 사용된다. 본 발명에서는 이 커패시터를 전압부스팅용으로 사용된다는 의미를 강조하기 위하여 부스터커패시터라고 호칭한다.
전류측정부(160)는 제3스위치부(113)가 닫혔을 때 인젝터(120)를 통하여 흐르는 전류의 세기를 측정하여 이에 관한 정보를 스위치제어부(100)에 전달한다.
전압측정부(170)는 충전부(150)에 걸린 전압을 측정하여 이에 관한 정보를 스위치제어부(100)에 전달한다.
전류방향제어부(130)는 인젝터(120)의 제2측단(122)과 충전부(150) 사이에 연결되어 인젝터(120)와 충전부(150) 사이에 어느 한 방향으로만 전류가 흐르도록 전류의 방향을 제어한다. 전류방향제어부(130)로 사용 가능한 대표적인 소자로는 다이오드가 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 도 1의 시스템의 동작을 보다 상세히 설명한다.
먼저 도 2 내지 도 4는 본 발명의 동작을 설명하기 위하여 도 1에 도시된 구성요소 중 제1스위치부(111), 제2스위치부(112), 인젝터(120), 충전부(150), 제3스위치부(113), 전류측정부(160), 전압측정부(170)만을 도시한 것이다.
도 5는 인젝터(120) 전류 및 충전부(150)의 전압을 도시한 것으로, 상단의 그래프는 전류측정부(160)에 의해 측정되는 인젝터(120)의 전류값으로 인젝터(120)의 분사명령이 내려진 경우에 인젝터에 흐르는 전류의 값을 도시한 것이고, 중단의 그래프는 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터의 전압을 도시한 것으로 전압측정부(170)에 의해 측정된 값을 도시한 것이고, 하단의 그래프는 전류측정부(160)에 의해 측정되는 인젝터(120)의 전류값으로 전압부스팅을 위하여 인젝터(120)에 흐르는 전류의 값을 도시한 것이다.
먼저, 인젝터 분사명령이 없는 경우를 먼저 살펴본다.
스위치제어부(100)는 전압측정부(170)에 의해 측정된 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터의 양단에 걸리는 전압을 체크하여 충전부(150)에 충전된 전압이 소정 전압 아래로 내려가는지 여부를 판단한다.
여기서 소정전압은 시스템의 종류나 특성 등에 따라 다를 수 있는 값이다. 예를 들어 직접 분사식 가솔린 엔진(일명 GDI 엔진)과 커먼레일 디젤 엔진의 인젝터의 경우 충전부(150)에 걸리는 소정 전압의 기준이 되는 최적값은 주로 40V~120V 범위 내로 사용되고 있다.
인젝터 분사명령도 없고, 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터의 전압도 미리 설정된 소정의 전압 이상인 경우는 본 발명의 시스템은 도 2와 같이 휴지상태로 유지된다.
도 5의 그래프들 중 중단의 그래프의 제1구간에서와 같이 부스터커패시터의 전압이 설정된 전압 아래로 내려갔다고 판단되는 경우, 도 3에서와 같이 스위치제어부(100)는 제3스위치부(113)와 제1스위치부(111)를 온시켜 전원(140)으로부터 인젝터(120)로 전류가 흐르게 한다.
인젝터(120)의 솔레노이드에 전류가 흐르게 되면 솔레노이드에 에너지가 축적되기 시작하여 어느 정도 이상 에너지가 축적되면 인젝터의 니들이 상승하면서 연료가 분사되는데, 도 5의 중단 그래프의 제1구간에서는 분사명령이 내려지지 않은 상태이므로 솔레노이드에 에너지가 축적되어 인젝터가 열리기 전에 전류를 차단해야 한다. 그러므로, 스위치제어부(100)는 인젝터가 열리지 않을 정도의 소정의 시간이 지난 후에 제3스위치부(113)를 오프시켜서 인젝터(120)에 흐르는 전류를 차단한다.
도 5에서 제1구간과 제2구간의 접점에서 도 4와 같이 제3스위치부(113)가 오 프가 되게 되며, 도 5의 하단 그래프와 같이 인젝터(120)에 흐르는 전류는 차단되게 된다.
갑자기 인젝터(120)에 흐르는 전류를 차단시키면 인젝터(120) 내부의 솔레노이드의 인덕터 성분의 역기전력에 의해 순간적으로 고전압이 발생하게 되고, 이 고전압에 의해 인젝터(120)에 흐르던 전류는 다이오드를 통하여 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터를 충전하게 된다.
이렇게 됨으로써 부스터커패시터의 전압은 도 5의 중단 그래프의 제1구간의 전압에서 제2구간의 전압으로 상승하게 된다.
전류방향제어부(130)로 사용되는 다이오드는 충전부(150)에 충전된 전압이 전류방향제어부(130)를 통하여 다시 인젝터(120)에 제공될 수 없도록 제어한다.
전압부스팅 과정을 거쳤음에도 불구하고 전압측정부(170)에 의해 측정된 전압이 여전히 설정되어 있는 요구 전압보다 낮은 경우에는 다시 앞의 과정을 거쳐서 부스터커패시터의 전압을 상승시켜 설정된 전압 이상의 전압(34)이 되도록 한다.
도 5에서는 중단 그래프의 제4구간에 이르러 목표로 하는 전압(34)이 되었으므로, 제4구간까지 전압부스팅을 수행한 후, 이 과정을 멈추고 도 2에서와 같은 휴지상태에서 분사명령이 있을 때까지 기다린다.
분사명령이 내려지기 전에도 자연방전에 의해 전압이 내려가는 것으로 판단되는 경우에는 다시 도 2 내지 도 4로 설명되는 앞의 과정을 거쳐서 전압 부스팅 과정을 수행한다.
인젝터 분사명령이 수신되면, 스위치제어부(100)는 제3스위치부(113)를 온 시킨 상태에서 제1스위치부(111)를 오프시키고, 제2스위치부(112)를 온시켜서 충전부(150)에 충전된 전압을 이용하여 고압의 전압이 인젝터(120)에 걸리도록 한다.
커먼 레일 디젤 엔진 기관에서 전원(140)으로 사용되는 배터리로부터만 인젝터에 전류를 공급하여 최대상승전류까지 도달하는데에 요하는 시간은 일반적으로 2000~3000 us이상이다. 이는 일반적인 분사기간보다 길게 되므로 적합하지 않다. 따라서 분사명령이 시작한 직후부터 최대상승전류(502)에 도달할 때까지 짧은 시간 동안(약 50 us) 충전부(부스터커패시터)에 충전해 두었던 전압(80 V)을 분사 명령을 받은 인젝터(120)의 작동전압으로 걸게 된다. 이 구간은 도 5의 제5구간에 해당된다.
인젝터(120)를 통하여 연료를 분사하는 기간이 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터의 용량에 비하여 극히 짧은 등의 경우에는 충전부(150)에 충전된 전압만을 이용하여 인젝터(120)에 계속하여 전압을 제공할 수도 있을 것이다. 그러나, 일반적으로 충전부(150)에 걸린 전압이 인젝터(120)에 흐르는 전류값의 빠른 상승을 유도하는데는 충분하지만, 계속하여 인젝터(120)에 최대전류가 흐르도록 하기에는 그 부스터커패시터의 용량이 부족한 경우가 많으므로, 최대전류에 도달한 경우에는 전원(140)을 이용하여 인젝터(120)에 전류를 공급하도록 하는 것이 바람직하다.
전류측정부(160)는 인젝터(120)에 흐르는 전류를 측정하며, 측정된 결과는 스위치제어부(100)에 전달된다.
스위치제어부(100)는 전류측정부(160)에 의해 측정된 전류값을 이용하여 인 젝터(120)에 흐르는 전류가 최대전류에 도달한 것으로 판단되면, 제2스위치부(112)를 오프시켜 충전부(150)로부터 걸리는 전압을 차단시키고, 제1스위치부(111)를 온시켜 전원(140)만을 이용하여 일정시간(약 700 us) 동안 인젝터(120)에 최대전류가 유지되도록 한다. 이 때, 스위치제어부(100)는 제1스위치부(111)의 온/오프를 주기 20us정도 반복하는 방법으로 최대전류를 유지한다.
스위치제어부(100)가 제2스위치부(112)를 오프시키고 제1스위치부(111)를 온시키는 지점은 전류측정부(160)에 의해 측정된 전류값을 이용하는 것이 바람직하지만, 미리 실험에 의해서 최대전류가 되는 시간을 측정하고, 이를 스위치제어부(100)에 설정하여 설정된 시간에 따라 자동으로 스위치제어부(100)가 제2스위치부(112)를 오프시키고 제1스위치부(111)를 온시키도록 할 수도 있다.
일정기간의 시간이 지나면 연료의 분사를 제어하는 인젝터 니들의 상승도 확실히 끝나있고, 계속하여 인젝터(120)의 솔레노이드에 전류가 흐르게 하면 솔레노이드에서 발생하는 열량이 증가하여 고장 등의 원인이 될 수 있으므로, 전류를 낮춰서 제1스위치(111)의 온/오프를 반복하면서 홀드 전류(503)를 유지한다.
분사명령이 끝나면 전류를 끊어 휴지상태로 돌아가며 각 스위치는 도 2의 상태로 돌아가게 된다.
한편, 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터에 충전된 전압은 분사명령이 수신되어 인젝터(120)의 전류를 상승시킬 때 사용되어 그 전압이 낮아졌으므로, 앞에서 설명한 전압부스팅과정을 통해 그 전압을 상승시킨다.
앞의 설명에서는 단기통 엔진을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 본 발명은 2기통엔진, 4기통엔진 등 다른 모든 종류의 엔진에도 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명이 2기통엔진에 적용된 예로 도 2와 같이 휴지기의 경우를 도시한 것이다. 또한 도 7은 도 6의 엔진의 인젝터 전류 및 충전부의 전압을 도시한 것이다.
도 6은 도 1 내지 도 4에서의 실시예의 구성 외에 제2인젝터(622)가 하나 더 추가되고, 제2인젝터(622)에 연결된 제4스위치부(614), 제5스위치부(615), 제6스위치부(616), 제2전류방향제어부(632) 및 제2전류측정부(662)가 더 포함된다. 각 구성요소의 기능은 도 1 내지 도 4에서 설명한 1행정기관과 대응되므로 여기서는 보다 구체적인 설명은 생략한다.
도 7에서 상단의 그래프는 제1인젝터(621)에 분사명령이 내려진 경우 제1인젝터(621)에 흐르는 전류를 도시한 것이고, 중단의 그래프는 충전부(650)로 사용되는 부스터커패시터의 전압을 도시한 것으로 전압측정부(670)에 의해 측정된 값을 도시한 것이고, 하단의 그래프는 제1전류측정부(661) 및 제2전류측정부(662)에 의해 측정되는 제1인젝터(621) 및 제2인젝터(622)의 전류값으로 전압부스팅을 위하여 제1인젝터(621) 및 제2인젝터(622)에 흐르는 전류의 값을 도시한 것이다.
2행정기관의 경우 180도의 위상차를 가지고 제1인젝터(621) 및 제2인젝터(622)가 번갈아가면서 연료를 분사하게 되며, 이 때 연료를 분사하지 않는 인젝터는 부스터커패시터에 걸리는 전압을 측정하여 정해진 전압 이하로 내려가는 경우 전압부스팅을 수행한다.
도 7의 하단 그래프에서 제1구간(701)의 전류의 파형은 제2인젝터(622)가 연 료분사를 하는 동안 제1인젝터(621)에 의해 전압부스팅을 하기 위하여 제1인젝터에 흐르는 전류의 값을 나타낸 것이고, 제2구간(702)의 전류의 파형은 제1인젝터(621)가 연료분사를 하는 동안 제2인젝터(622)에 의해 전압부스팅을 하기 위하여 제2인젝터(622)에 흐르는 전류의 값을 나타낸 것이다.
마찬가지로, 제3구간(703)의 전류의 파형은 제2인젝터(622)가 연료분사를 하는 동안 제1인젝터(621)에 의해 전압부스팅을 하기 위하여 제1인젝터에 흐르는 전류의 값을 나타낸 것이고, 제4구간(704)의 전류의 파형은 제1인젝터(621)가 연료분사를 하는 동안 제2인젝터(622)에 의해 전압부스팅을 하기 위하여 제2인젝터(622)에 흐르는 전류의 값을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명이 4기통엔진에 적용된 예로 도 2와 같이 휴지기의 경우를 도시한 것이다.
도 8에 도시된 4기통 4행정 기관의 경우 크랭크 축이 한 사이클인 720도를 도는 동안 180도 위상차를 두고 4개의 인젝터가 연료분사를 한다.
간단히 설명을 하면, 제1인젝터(821)와 제2인젝터(822)를 그룹 A라고 하고 제3인젝터(823)와 제4인젝터(824)를 그룹 B 라고 정의할 때, 그룹 A 의 제1인젝터(821)에서 연료가 분사될 때 그룹 B에서는 부스터커패시터의 전압을 모니터링하면서 측정된 전압이 설정 전압보다 내려가면 그룹 B의 인젝터 2개를 이용하여 부스팅을 진행한다. 이 때 그룹 A 의 제2인젝터(822)는 아무런 작동도 하지 않는다.
마찬가지로 제2인젝터(822)에서 분사할 때는 제1인젝터(821)는 아무런 작동도 하지 않고, 그룹 B에서는 제3 및 제4인젝터(824)를 이용하여 전압 부스팅을 실 시한다.
제3인젝터(823)가 분사될 때에는 그룹 A에서 제1 및 제2인젝터(822)를 통하여 전압부스팅을 실시하고 제4인젝터(824)는 작동을 하지 않는다.
제4인젝터(824)가 분사될 때에는 그룹 A에서 제1 및 제2인젝터(822)를 통하여 전압부스팅을 실시하고 제3인젝터(823)는 작동을 하지 않는다.
도 9는 본 발명의 구체적인 실시예를 도시한 것으로, 본 발명의 고전압 발생시스템을 이용하여 4개의 인젝터를 동시에 제어하는 경우를 예로 들은 것이다.
도 9에서 전압비교기(973)는 본 발명의 전압측정부(170)의 기능을 수행한다. 즉, 충전부로 사용되는 부스터커패시터(950)의 전압을 입력받아 이 전압이 80V 이상인지 미만인지를 판단하여 그 결과를 상태제어기(901)를 통하여 전압부스터기(904, 908)에 전송한다. 상태제어기(901)는 제1인젝터(921) 또는 제2인젝터(922)가 연료를 분사하고 있는 경우에는 전압부스팅을 위하여 전압부스터기(908)로 부스터커패시터(950)의 전압 측정 결과를 전송하고, 제3인젝터(923) 또는 제4인젝터(924)가 연료를 분사하고 있는 경우에는 전압부스팅을 위하여 전압부스터기(904)로 부스터커패시터(950)의 전압 측정 결과를 전송한다.
제1인젝터(921) 및 제2인젝터(922)의 동작과 제3인젝터(923) 및 제4인젝터(924)의 동작은 크랭크 축이 한 사이클인 720도를 도는 동안 각각 180도 위상차를 가지고 동작한다는 점을 제외하고는 동일하고, 도 8을 설명하면서도 이미 설명이 되었으므로 이하에서는 제1인젝터(921) 및 제2인젝터(922)를 위주로 도 9를 설명하겠다.
도 9에서 전압비교기(973)에 80V로 표기한 것은 상징적인 의미이며, 부스터커패시터(950)에 병렬 연결되어 있는 저항값의 비율에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 39k와 1k의 저항(971, 972)을 사용하는 경우 전압비교기(950)에 기준전압을 입력되는 전압의 값은 2V가 될 것이다.
전류비교기(962)는 도 1에서의 전류측정부(160)의 기능을 수행한다. 도 9에서의 시스템은 최대유지전류가 20A이고, 홀드전류가 12A인 경우를 나타내는 것으로, 전류비교기(962)는 인젝터의 솔레노이드를 통해 흐르는 전류가 20A 이상인지 미만인지 여부 및 12A 이상인지 미만인지 여부를 판단하여 판단된 값을 전류제어기(903)에 전송한다.
전압선택기(902)와 전류제어기(903), 전압부스터기(904) 및 상태제어기(901)는 도 1에서의 스위치제어부(100)의 기능을 수행한다.
상태제어기(901)는 인젝터의 분사명령이 수신되면 제1인젝터(921) 또는 제2인젝터(922)에 대한 분사명령이 내려졌는지 혹은 제3인젝터(923) 또는 제4인젝터(924)에 대한 분사명령이 내려졌는지에 따라 전압선택기(902, 906), 전류제어기(903, 907) 및 전압부스터기(904, 908) 중 해당되는 모듈에 이 사실을 알린다.
제1인젝터(921) 및 제2인젝터(922)의 동작을 중심으로 설명하면, 전압선택기(902)는 인젝터의 분사명령이 수신되었음을 상태제어기로부터 수신하면 이를 우측 상단에 위치한 제2스위치구동부(912)에 전송하여 MOSFET으로 구성된 제2스위치가 온 되도록 하여 부스터커패시터(950)에 충전된 전압이 제1인젝터(921) 및 제2인젝터(922) 중 분사명령이 내려진 인젝터에 제공되도록 한다.
전류제어기(903)는 전류비교기(962)로부터 인젝터의 솔레노이드 코일에 흐르는 전류의 세기에 따라 중간 상단에 위치한 제1스위치구동부(911)를 제어하여 MOSFET으로 구성된 제1스위치의 온/오프를 제어하고, 측정된 전류의 세기를 상태제어기(901)에 전송하여 상태제어기(901)가 이를 기초로 전압선택기(902)를 제어하도록 한다.
구체적으로, 분사명령이 내려지면 전압선택기(902)는 제2스위치(912)로 온 신호를 제1스위치(911)로는 오프신호를 보내어 제1스위치 및 제2스위치로 가는 신호가 서로 반전되도록 한다. 또한 상태제어기(901) 및 전압부스터기(904)의 제어에 의해 제3스위치(913) 및 제4스위치(914) 중 분사명령의 대상이 된 인젝터(921 또는 922)와 연결된 스위치가 온이 된다.
측정된 전류의 세기가 최대유지전류의 세기인 20A 이상이 되는 경우에는 전압선택기(902)는 앞에서와는 반대로 제1스위치(911)로 온 신호를 제2스위치(912)로는 오프신호를 보내고, 전류제어기(903)는 측정된 전류의 세기에 따라 빠른 속도로 제2스위치(912)가 온/오프되도록 신호를 보낸다.
전류제어기(903)는 인젝터에 흐르는 전류의 세기가 20A에 도달한 후, 소정 시간 동안 20us의 주기로 제1스위치의 온/오프를 반복한 후, 미리 설정된 시간이 경과되면, 전류의 세기가 12A가 되도록 한 후 분사명령이 종료될 때까지 제1스위치가 20us의 주기로 온/오프를 반복하도록 제어하여 전류의 세기를 12A로 유지한다.
한편, 전압부스터기(908)는 제1인젝터(921) 또는 제2인젝터(922)가 분사동작을 하는 도중 부스터커패시터(950)의 전압이 80V 미만인 것으로 판단되는 경우, 제 7스위치구동부(917) 및 제8스위치구동부(914)를 제어하여 분사명령을 받고 있지 않은 제3인젝터(923) 및 제4인젝터(924) 하단의 제7스위치 및 제8스위치를 이용하여 전압부스팅이 되도록 하고, 분사명령이 내려진 경우 해당되는 스위치를 온 시켜서 인젝터가 연료를 분사하도록 한다.
다이오드(991)는 제1스위치가 온에서 오프상태로 변경될 때 인젝터의 인덕턴스 성분 때문에 발생할 수 있는 인덕키브 킥(inductive kick) 현상을 방지한다. 즉 제1스위치가 온에서 오프상태로 변경된 경우 발생한 전류가 다이오드(991)를 통하여 그라운드에서 인젝터로 흐르도록 함으로써 상기한 인덕티브 킥 현상을 방지하게 된다. 다이오드(992)의 경우에도 제3인젝터(923) 및 제4인젝터(924)와 관련하여 동일한 기능을 수행한다.
도 10은 본 발명의 방법을 도시한 흐름도이다. 도 1의 구성요소를 참조하여 도 10에 도시된 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 스위치제어부(100)는 대상이 되는 인젝터(120)의 분사명령이 내려졌는지를 판단한다.(1010).
대상이 되는 인젝터의 분사명령이 내려지지 않은 경우, 스위치제어부(100)는 전압측정부(170)에 의해 측정된 충전부(150)의 전압값을 이용하여 충전부(150)의 전압이 설정된 전압(예: 80V) 이하인지를 판단한다(1021).
충전부(150)에 충전된 전압이 설정된 전압 이하인 경우, 스위치제어부(100)는 도 3에서와 같이 제3스위치부(113)와 제1스위치부(111)를 온시켜 전원(140)으로부터 인젝터(120)로 전류가 흐르게 한다(1022).
스위치제어부(100)는 소정 시간 동안 인젝터(120)의 솔레노이드에 전류가 흐르게 한 후, 솔레노이드에 에너지가 축적되어 인젝터가 열리기 전에 제3스위치부(113)를 오프시켜서 인젝터(120)에 흐르는 전류를 차단하여, 인젝터(120) 내부의 솔레노이드의 인덕터 성분의 역기전력에 의해 순간적으로 발생한 고전압이 충전부(150)로 사용되는 부스터커패시터를 충전하도록 한다(1023).
한편, 해당되는 인젝터에 대하여 분사명령이 내려진 경우(1010), 스위치제어부(100)는 제3스위치부(113)를 온 시킨 상태에서 제1스위치부(111)를 오프시키고, 제2스위치부(112)를 온시켜서 충전부(150)에 충전된 전압을 이용하여 고압의 전압이 인젝터(120)에 걸리도록 한다(1031).
인젝터(120)에 흐르는 전류가 최대전류에 도달한 것으로 판단되면(1032), 스위치제어부(100)는 제2스위치부(112)를 오프시켜 충전부(150)로부터 걸리는 전압을 차단시키고, 제1스위치부(111)를 온시켜 전원(140)만을 이용하여 인젝터(120)에 전원이 공급되도록 한다(1033).
전원(140)를 이용하여 전원이 공급되도록 할 때, 일정시간(약 700 us) 동안 제1스위치부(111)의 온/오프를 주기 20us정도 반복하여 인젝터(120)에 최대전류가 유지되도록 한 후, 전류를 낮춰서 제1스위치(11)의 온/오프를 반복하면서 홀드 전류(33)를 유지한다는 점은 이미 앞에서 살펴본 바와 같다.
본 발명의 상기 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치 를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 본 발명의 보호범위는 앞에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 의하여 정하여지는 범위 내에서 자유롭게 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기한 부스터 전압, 피크 전류, 홀드 전류의 값 등은 하나의 일 예를 들어놓은 것에 불과하며, 시스템 설계자에 의해 임의로 변경이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 인젝터의 솔레노이드 코일을 이용하여 고전압을 발생시킬 수 있어서, 고전압 발생을 위하여 별도의 고가의 코일을 구비하지 않아도 되므로 엔진의 생산원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 인젝터;
    전원 공급을 위한 전원부;
    충전 및 방전을 위한 충전부;
    상기 전원부와 상기 인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제1스위치부;
    상기 충전부와 상기 인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제2스위치부;
    상기 인젝터의 제2측단에 연결되어 상기 인젝터에 흐르는 전류의 차단을 제어하기 위한 제3스위치부;
    상기 인젝터의 제2측단과 상기 충전부에 연결되어 상기 제3스위치부가 오프된 경우 소정의 제1방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 전류방향제어부; 및
    상기 인젝터에 연료분사명령이 없고, 상기 충전부에 걸리는 전압이 소정 전압 이하인 경우, 상기 제1스위치부 및 상기 제3스위치부를 온 시켜서 상기 전원부로부터 상기 인젝터로 전류가 공급되도록 하고, 소정의 시간이 경과한 후 상기 제3스위치를 오프시켜, 상기 인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 전류방향제어부를 통해 상기 충전부에 충전되도록 하는 스위치제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류방향제어부는 다이오드인 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전부는 커패시터인 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고전압발생시스템은
    솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 제2인젝터;
    상기 전원부와 상기 제2인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제4스위치부;
    상기 충전부와 상기 제2인젝터의 제1측단의 연결을 개폐하기 위한 제5스위치부;
    상기 제2인젝터의 제2측단에 연결되어 상기 제2인젝터에 흐르는 전류를 차단하기 위한 제6스위치부; 및
    상기 제2인젝터의 제2측단과 상기 충전부에 연결되어 상기 제6스위치부가 오프된 경우 소정의 제1방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 제2전류방향제어부;를 더 포함하고,
    상기 스위치제어부는 상기 제2인젝터에 연료분사명령이 없고, 상기 충전부에 걸리는 전압이 소정 전압 이하인 경우, 상기 제4스위치부 및 상기 제6스위치부를 온 시켜서 상기 전원부로부터 상기 제2인젝터로 전류가 공급되도록 하고, 소정의 시간이 경과한 후 상기 제6스위치를 오프시켜, 상기 제2인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 제2전류방향제어부를 통해 상기 충전부에 충전되도록 하는 것 을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인젝터와 상기 제2인젝터는 교대로 연료분사가 되는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생시스템.
  6. 솔레노이드 코일을 이용하여 연료의 분사를 제어하는 인젝터와, 전원 공급을 위한 전원부와, 충전 및 방전을 위한 충전부를 포함하는 고전압발생시스템의 고전압발생방법에 있어서,
    (a) 상기 인젝터에 대하여 연료분사명령이 수신되는지 판단하는 단계;
    (b) 상기 연료분사명령이 수신되지 않은 경우, 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인지 판단하는 단계;
    (c) 상기 충전부의 전압이 소정전압 이하인 경우 소정 시간 동안 상기 전원부로부터 상기 인젝터로 전류가 공급되도록 하는 단계; 및
    (d) 상기 소정의 시간이 경과한 후 상기 인젝터로 흐르는 전류를 차단하여 상기 인젝터의 역기전력에 의해 발생한 전압이 상기 충전부에 충전되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터를 이용한 고전압발생방법.
  7. 제6항에 기재된 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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