KR100763052B1 - 직접 분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기위한 방법 - Google Patents

직접 분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기위한 방법 Download PDF

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Abstract

분사되는 연료량(Q)의 증가 함수인 연료 압력(Pfuel)이 제공되는 인젝터를 사용하고, 상기 인젝터의 개방은 사전 결정된 지속 시간(T1)의 전류 피크로 인젝터의 일부를 형성하는 전기 코일을 에너지화함으로써 전자기적으로 트리거링된다. 본 발명에 따르면, 전류 피크의 지속 시간(T1)은 연료 압력(Pfuel)의 증가 함수이다. 그러므로, 인젝터의 동적 범위는 증가한다.

Description

직접 분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE AMOUNT OF FUEL INJECTED IN A DIRECT INJECTION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 압력 하의 연료가 공급되는 인젝터를 사용하는 방법에 관한 것으로, 상기 인젝터의 개방은 인젝터의 일부를 형성하는 전자 코일에 사전 설정된 지속 시간 동안 전류 피크(佛: pic de courant, 英: current peak)를 공급함으로써 전자기적으로 트리거링된다.
여기서 언급되는 것과 같은 인젝터를 제어하기 위한 방법(참조, 예를 들어 미국 특허 번호 제 5 381 297호)과 같이, 전자기적으로 작동되는 연료 인젝터는 공지되어 있다. 이러한 인젝터는 적절한 전류가 공급되는 전자 코일에 의하여 생성되는 전자기장의 작용 하에서 이동할 수 있는 니들을 포함하는데, 시트에 관통되어 내연 기관 실린더로 연료가 분사되는 통로를 형성하는 개구를 니들의 일단부가 폐쇄하는 위치와 그리고 니들이 상기 개구에서 벗어나 분사를 허용하는 위치 사이에서 상기 니들이 이동할 수 있다는 것은 공지되어 있다. 안착시, 니들은 사전 부하 스프링에 의하여 그리고 인젝터에 부여되는 연료 압력에 의하여 시트에 대해 가압된다. 이러한 부하를 극복하기 위하여 그리고 인젝터를 개방시키기 위하여, 예를 들어 10 암페어(amps) 정도의 강한 전류를 코일에 공급하는 것이 필요한데, 인가되 는 전류 피크 다음에는 저전류의 인가가 뒤따르며, 이 저전류 인가는 분사되는 연료량에 따라 조정되는 시간동안 인젝터의 개방을 유지한다.
이러한 인젝터는 가솔린을 직접-분사 내연 기관의 실린더에 공급하는데 사용되는 경우, 일반적으로 넓은 범위에서 연료량을 조정하는 가능성을 구비하는 것이 바람직하다. 실제로, 이러한 엔진이 희박-연료 및 성층 공기/연료 혼합기(fuel-lean and stratified air/fuel mixture)로 경부하에서 작동하는 경우, 분사되는 가솔린 양이 매우 낮을 필요가 있다. 대조적으로, 매우 높은 속도 및 전체 부하에서는, 6000 rpm에서 5㎳보다 짧은 매우 짧은 시간에 매우 큰 가솔린 양이 엔진에 분사될 필요가 있다. 그러므로 인젝터의 "동적 범위" 또는 극한 연료 유동 비는 유리하게는 20 정도의 매우 큰 것이 필요하다.
이러한 값에 근접하기 위하여, 인젝터가 많은 양의 가솔린을 이송할 필요가 있는 경우 인젝터로 이송되는 가솔린 압력을 증가시키는 것이 제안되어 왔다. 즉, 예를 들어 공급될 가솔린 양이 작은 경우에는 50 bar 압력의 가솔린이, 그리고 양이 많은 경우에는 110bar의 가솔린이 인젝터에 공급된다. 이러한 방식으로, 약 15의 동적 범위를 획득하는 것이 가능하지만, 여전히 부족한 것으로 여겨진다.
그러므로 본 발명의 목적은 대략 20 정도의 높은 동적 범위를 구비하는 인젝터에 의하여 직접-분사 내연 기관에 분사되는 연료량을 조정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이하 기술될 사항들로부터 명백하게 될 다른 것들과 함께 이러한 본 발명의 목적은 압력 하의 연료가 공급되는 인젝터에 의하여 직접-분사 내연 기관에 분사될 연료량을 제어하기 위한 방법을 사용하여 얻게되며, 상기 인젝터의 개방은 인젝터의 일부를 형성하는 전자 코일에 사전 설정된 전류 피크를 인가함으로써 전자기적으로 트리거링되는데, 이러한 방법에서 상기 전류 피크의 지속은 상기 연료 압력의 함수를 증가시키는 것이라는 점을 주의하여야 한다.
이하 보다 자세하게 기술되는 바와 같이, 이러한 방법은 적은 양의 한도 및 가장 큰 양의 한도에서 분사되는 연료량의 값의 범위를 보다 넓히는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 또 다른 특징에 따르면, 이러한 전류 피크의 지속 시간은 사전 결정된 인젝터-개방 시간의 지속 시간의 증가 함수이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하 기술되는 사항과 첨부된 도면으로부터 명백하게 될 것이다:
- 도 1은 인젝터-개방 시간을 조정하기 위하여 본 발명에 따라 제어되는 인젝터 코일에서의 1) 전류 시간에 대한, 그리고 2) 논리 인젝터 제어 신호의 시간에 대한 변동을 도시하는 도표이고, 그리고
- 도 2는 다양한 인젝터 작동 조건하에서 개방 시간의 함수로서 인젝터에 의하여 이송되는 연료량의 변화를 나타내고, 본 발명에 따른 제어 방법의 성능을 설시하는 도표를 도시한다.
첨부된 도면의 도 1이 참조되는데, 도 1은 인젝터를 개방하고 그리고 사전 결정된 양의 가솔린(Q)이 직접-분사 내연 기관의 실린더에 이송된 후에 인젝터를 폐쇄하기 위해 전자기적 제어 연료 인젝터의 코일에 본 발명에 따른 방법에 의하여 실행되는 전기 전류 변화의 도표를 도시한다. 통상적으로 이러한 양은 엔진 흡기 압력, 엔진 속도 등과 같은 엔진 작동 파라미터에 기초하여, 그리고 엔진에 의하여 추진되는 차량에서 운전자에 의하여 생성되는 토크 요구를 나타내는 파라미터에 기초하여 엔진 관리 유니트에 의하여 결정되는데, 이러한 요구는 예를 들어 스로틀 페달이 답입되는 정도를 통해 결정되는 것이 가능하다.
도 1에 도시된 전류(I)의 시간에 대한 프로파일은 상기 관리 유니트의 일부를 형성하는 마이크로프로세서로부터 적절한 신호가 공급되는 인젝터 제어 회로에 의하여 제어되고 연산된다. 이를 위하여, 마이크로프로세서는 논리 신호(SL, 도 1 참조)를 송출하는데, 이 논리 신호는 코일이 전류(I)로 에너지화되는 지속 시간(t2-t0)동안 형성되어 엔진의 실린더로 분사되는 연료량의 함수로서 관리 유니트에 의하여 연산되는 사전 결정 시간(Ti)동안 인젝터의 개방을 명령한다.
전류(I)의 프로파일의 전체 형상은 표준적인 것이다. 즉, 바람직한 것으로서, 관리 유니트에 의하여 형성되는 인젝터를 개방시키는 요구를 인젝터 제어 회로로 신호화하는 신호(SL)를 스위칭하는 경우(t0에서), 제어 회로는 "사전 충전(precharge)" 전류를 인젝터 코일로 송부하여 이러한 코일에 저장되는 에너지가 이후에 보게되는 것처럼 사전 결정된 시점(t1)에서 인젝터를 효과적이고 연속적으로 인젝터 개방하는 것을 용이하게 한다. 이를 위하여, 주기(t1-t0)동안 코일의 전류는 인젝터의 개방을 트리거링하기에 충분하게 크지는 않지만 대략 일정한 값으 로 안정화된다.
코일의 단자 사이에 도 1에 도시된 바와 같은 톱니형 프로파일의 전류를 부여하는 촙핑된 전압(chopped voltage)을 인가함으로써 이러한 코일에 사전 충전 전류가 성립된다. 상기 언급된 미국 특허 제 5 381 297호에 기술된 이러한 공급은 수반되는 전류 피크동안 소비되는 전기 전력을 제한하는 것이 인젝터 코일에서 발생되는 자기-유도 전류로 이익을 얻는다는 점에서 유리하다.
시점(t1)에서, 적절한 지속 시간의 전압 펄스를 코일에 인가함으로써, 인젝터 제어 회로는 도 1에 도시되는 지속 시간(T1)의 전류 피크에 따라 코일에 인가되는 전류를 형성한다. 코일을 사전 충전하기 때문에, 코일에서의 전류 상승은 빠른 것이 유리하고, 그리고 예를 들어 약 11암페어 및 약 70V의 전압에서 정점에 달한다. 이러한 속도는 스프링 및 연료의 압력에 의하여 압축되는 시트 상의 인젝터 니들을 시트로부터 잡아 당김으로써 시점(t1)에서 인젝터의 즉각적이고 효과적으로 개방시킨다. 시점(t1)에서 코일 전류의 급격한 상승을 거쳐 (니들이 배치되는 축을 따라) 코일에 유발되는 자기 플럭스를 사용하여 잡아 당기는 힘이 니들에 전자기적으로 인가된다. 그런 후, 관리 유니트에 의하여 미리 연산되는 개방 시간(Ti)이 시점(t1)으로부터 시점(t2)까지 제어 회로에 의하여 카운트 다운되는데, 여기서 t2 = t1+ Ti이고, 시간 간격(t2-t1) 동안 분사되는 연료량은 관리 유니트에 의하여 성립되는 연료량을 따르도록 이 시점(t2)에서 인젝터가 다시 폐쇄되어야 한다.
시점(t2)에서 인젝터의 신속하고 정교한 폐쇄를 보장하기 위하여, 이후 코일을 통하여 전달되는 전류는 가능한한 작아야할 필요성이 있다. 이는 지속 시간(Ti)의 전류 피크 후에, 전류가 지속 시간(T2)의 급격한-감소 단계에서 수 암페어의 낮은 수치로 복귀되는가 하는 이유인데, 하지만 그럼에도 사전 결정된 시간동안 인젝터 개방을 유지시키기에 충분하다. 또한 대략 일정한 "유지" 전류(Ih)는 촙핑된 전류를 인젝터 코일에 인가함으로써 성립된다. 시간(T2)은 T1의 그리고 인젝터에 동력을 가하는 전기 전력 소스의 전압의 함수인데, 전기 전력 소스의 전압은 예를 들어 차량에 장착된 엔진의 경우에 배터리의 전압과 같다.
피크 전류의 지속 시간(T1)은 공지된 방식으로 관리 유니트에 의하여 사전 결정되는 그렇지 않다면 "분사 시간"으로 알려진 인젝터-개방 시간(Ti)의 함수이다. 본 발명의 일특징에 따르면, 이러한 지속 시간(T1)은 인젝터에 공급되는 연료 압력의 증가 함수이다.
본 발명에 따른 방법의 특징을 설명하고 증명하기 위하여 첨부된 도면 중 도 2의 도표를 참조한다.
A는 인젝터-개방 시간의 지속 시간(Ti) 함수로서 인젝터에 의하여 이송되는 연료량(Q, 예를 들어 밀리그램으로 측정됨)의 변화 도표(실선)를 나타내는데, 통상적인 경우 연료의 압력(Pfuel)은 50bar정도로 고정되고 그리고 인젝터 개방 전류 피크의 지속 시간(T1)도 400㎲정도로 고정되며, 유지 전류(Ih)는 3.5A이다.
이러한 도표는 앞서 도시된 바와 같이 최고에서 10정도의 동력 범위(Q1max/Q1min)로 양(Q1)이 조정될 수 있는 선형 부분을 구비한다.
앞서 도시된 바와 같이, 예를 들어 110bar(도표 B)까지 연료 압력을 상승시킴으로써 최고 속도로 중부하(heavy load) 하에서 분사되는 최대 연료량이 상승될 수 있다(Ti는 5㎳정도이다). 이와 같이 달성되는 동적 범위는 15정도이다.
본 발명에 따르면, 엔진 부하의 함수로서 전류 피크의 지속 시간(Ti)과 연료 압력을 변동시키는 것이 제안된다.
경부하시에 예를 들어 50bar 정도의 적절한 연료 압력과 200㎲의 짧아진 지속 시간동안 3.5A의 유지 전류의 전류 피크가 사용된다. 이러한 조건은 도 2의 도표C(파선)에 대응한다. 인젝터 니들에 압력을 가하는 스프링의 사전 부하는 연료량의 조정의 동적 범위를 증가시키기 위하여 가능한한 최소의 분사 가능한 연료량의 값(Q2min)을 설정하도록 하는 것인데, 이러한 값(Q2min)은 스프링이 T1=400㎲로 사전 부하되는 경우 얻어지는 대응 값(Q1min)보다 현저하게 작은 값이다.
이송되는 연료량은 도 2의 도표(E)에서 확인되는 값(Q3min<Q2min)까지 더욱 낮아질 수 있는데, 도표(C)와 같은 동일한 연료 압력 및 전류 피크 지속 시간 조건(각각 50bar 및 200㎲)하에서 성립된다. 이러한 결과는 예를 들어 3.5A(실선의 도표)로부터 2.5A(파선의 도표)까지 도 1에 도시되는 유지 전류를 낮춤으로써 이루어진다. 전방으로 시점(t2)으로부터 전류 감소는 모든 경우에 기울기가 동일하기 때문에, 파선의 도표가 실선의 도표보다 더욱 빨리 인젝터-폐쇄 문턱값(S)을 통과한다. 이는 효과적인 분사-개방 지속 시간의 짧아짐(Δt)을 초래하고, 그러므로 분사되는 연료량, 특히 분사되는 연료의 최소량(Q3min)의 감소를 초래한다.
이러한 연료 압력이 비교적 높은 경우(200bar)보다 비교적 낮은 경우(50bar) 하위 값으로 유지 전류 값을 설정함으로써, 즉 전류 값이 연료 압력과 함께 증가되도록 함으로써, 본 발명이 추구하는 목표에 따라 이송되는 연료량 조정의 동적 범위가 더욱 증가한다.
중부하 하에서(Ti ~5㎳) 연료 인젝터로의 이송은 예를 들어 120bar의 고압이고, 그리고 전류 피크의 지속 시간은 T1=400㎲까지 증가되며, 유지 전류는 3.5A로 설정된다.
그런 후 얻어진 특성(Q=f(Ti))은 도 2의 도표 D에 대응한다. 이러한 도표는 도 A, B 및 C의 도표로 주어지는 양과 비교됨으로써 인젝터에 의하여 이송 가능한 최대 연료량(Q2max)이 상당히 증가된다는 것을 도시한다. 이러한 최대 연료량(Q2max)은 예를 들어 T1=600㎲까지 전류 피크의 지속 시간을 추가적으로 연장시킴으로써 여전히 증가될 수 있다.
이상 언급된 스프링 사전 부하의 강하는, 비록 인젝터가 개방되는 것을 허용하지만 인젝터로 이송 가능한 연료의 압력을 추가적으로 증가(예를 들어 110 내지 120bar, 참조 도표 B 및 D)시키는 것을 가능하게 하고, 이는 분사되는 연료량 조정의 동적 범위를 증가시키는 것이 바람직한다는 점에 주목해야 한다.
그러므로, 엔진 경부하시 도표(C 또는 E)에 의하여 형성되는 분사 특성을 엔진 중부하에 대한 도표(D)로 형성되는 분사 특성과 결합시킴으로써, 분사될 연료량이 본 기술의 서문에 개시된 목표에 따라 20 정도의 원하는 동적 범위로 조정될 수 있다.
엔진 관리 유니트는 엔진 부하의 함수로서 성립되는 연료 압력 값과 각각의 연료 분사 시에 인가되는 시간(T1 및 T2)을 연산한다. 이러한 값(T1 및 T2)은 예를 들어 SPI 또는 CAN 형태의 연결을 통하여 인젝터에 인가되는 전류의 시간 프로파일을 형성하는 인젝터 제어 회로로 전달된다.
물론, 본 발명은 한가지 예로서 주어지고 기술되며 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 전류 피크를 인가하기에 앞서 코일을 유리하게 사전 충전하는 것은 필요 불가결하지는 않고, 본 발명은 프로파일이 이러한 사전 충전을 가지지 않는 전류가 공급되는 인젝터에 적용된다. 유사하게, 본 발명은 다양한 압력의 연료가 공급되는 인젝터에 그리고 일정한 압력으로 공급되는 인젝터에 적용된다. 연료 압력의 조정시 오류의 경우, 이의 상부 값은 통상적으로 안전 밸브의 사전 부하에 의하여 한정된다. 그러므로 연료 압력이 상부 값까지 증가되는 전류 피크 지속 시간의 본 발명에 따른 증가는 인젝터의 연료 공급 작동의 "강등 모드(degraded mode)"를 성립시킨다.

Claims (6)

  1. 압력(Pfuel)하의 연료가 공급되는 인젝터에 의하여 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량(Q)을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 인젝터의 개방은 상기 인젝터의 부분을 형성하는 전기 코일에 사전 결정된 전류 프로파일이 공급됨으로써 전자기적으로 트리거링되는 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법에 있어서:
    - 사전 결정된 지속 시간(T1)의 전류 피크를 얻기 위한 방식으로 상기 코일로의 사전 결정된 전류 프로파일의 공급이 명령되는데, 상기 전류 피크의 지속 시간(T1)은 상기 연료 압력(Pfuel)의 증가 함수이고,
    - 상기 전류 강도의 급격한 감소가 명령되고, 상기 감소의 지속 시간(T2)은 상기 지속 시간(T1)의 그리고 상기 인젝터에 전력을 공급하는 전력 소스의 전압의 함수이고, 그리고
    - 상기 전류는 상기 연료 압력(Pfuel)의 증가 함수인 사전 결정된 유지 시간 동안 대체적으로 일정한 값으로 안정화되는 것을 특징으로 하는 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전류 피크의 지속 시간(T1)은 또한 사전 결정된 인젝터 개방 시간(Ti)의 지속 시간의 함수인 것을 특징으로 하는 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전류 피크의 지속 시간(T1)은 50bar의 연료 압력(Pfuel)에 대하여 200㎲로부터, 120bar의 연료 압력(Pfuel)에 대하여 600㎲까지의 범위로 정해지는 것을 특징으로 하는 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일이 상기 전류 피크의 인가에 앞서 사전 충전되는 것을 특징으로 하는 직접-분사 내연 기관으로 분사되는 연료량을 제어하기 위한 방법.
  5. 삭제
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