KR101046836B1 - 엔진의 분사 시스템 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진의 분사 시스템의 제어 방법에 관한 것이며, 연료 분사는 인젝터의 노즐 니들(115)에 직접 또는 간접적으로 작용하는 적어도 하나의 압전 액추에이터(120)를 이용하여 실행되고, 액추에이터 작동을 결정하는 제어 전압은 연료 분사의 압력파 영향에 따라 보정된다. 본 발명은, 노즐 니들(115)에 인가되며 분사를 통해서 야기된 압력파가 분사 중지 중 액추에이터 전압의 측정에 의해서 검출되며, 후속 분사의 액추에이터 전압은 노즐 니들의 압력파에 상응하게 변조되는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020087002722
인젝터, 압전 액추에이터, 제어 전압, 압력파, 노즐 니들

Description

엔진의 분사 시스템 제어 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE INJECTION SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 각각의 독립 청구항들의 전제부에 따른, 엔진의 연료 분사 시스템 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
특히 자연 점화식 엔진의, 현재의 고압-연료 분사 시스템에서 연료 분사는 일반적으로 우선 서보 밸브를 제어하는 압전 액추에이터에 의해서 제어된다. 밸브의 스위칭 상태는, 분사 밸브를 개방 또는 폐쇄하는 제어 챔버 내의 압력에 다시 영향을 미친다. 그러나 앞으로는, 서보 밸브의 생략 하에 액추에이터가 연료 분사를 위해 인젝터의 노즐 니들에 직접 또는 간접적으로 작용하는 인젝터가 점차 많이 사용될 것이다.
DE 100 02 270 C1호에 설명되며, 본건에 해당되는 유형의 매우 일반적인 분사 시스템은 연료가 개별 인젝터들에 공급되기 전에, 고압 저장기(레일) 내에 일시 저장되는, 소위 "커먼-레일-(CR)-분사 시스템"이다.
연료는, 개선된 혼합기 형성(fuel mixture preparation)을 가능하게 함으로써 특히 엔진의 배기 가스 배출을 감소시키고 연소 시 소음 발생을 저하시키며 엔진의 출력을 증가시키는 다수의 부분 분사들을 통해서 분사된다. 특히 각각 2개의 부분 분사들 사이의 시간 간격을 제한 없이 변동시킬 수 있는 것이 요구된다.
연료 분사 시, 특히 언급한 다수의 부분 분사 시, 각각의 분사량의 정확도는 큰 의미를 갖는다. 그러나 동시에, 이와 같은 유형의 CR-분사 시스템의 인젝터에 의한 모든 분사가, 분사 시스템에 배치된, 레일로부터 해당 인젝터까지의 공급 라인 내의 연료압 및, 레일에 인접한 고압 연결부로부터 인젝터의 노즐 니들까지의, 상기 유형의 인젝터 내의 연료압의 단시간의 강하를 일으키는 점이 공지되어 있다. 또한 노즐 니들의 폐쇄는 압력 상승을 가져온다. 압력 강하와 압력 상승의 결합은, 바람직하게 레일과 인젝터 사이에 연료-압력파를 발생시킨다. 이러한 압력파는 특히 분사된 각각의 연료량을 불리하게 변동시키며, 이러한 압력파 영향은 인젝터의 노즐 니들의 니들 속도가 증가할 때에도 증폭되므로, 특히 매우 빠른 압전-조절기가 각각의 인젝터 내에서 노즐 니들 제어를 위한 분사 액추에이터로서 사용되는 미래의 분사 시스템에서도, 그 관찰은 점점 중요해진다.
언급한 압력파 영향은, 인접한 각각의 분사들 사이의 시간 간격이 증가함에 따라 감소한다. 이에 따라, 후속하는 각각의 분사의 분사량에 대한 영향도 시간 간격이 증가함에 따라 감소하며, 시간 간격이 충분히 큰 경우 시간적으로 분리된 분사로써 얻을 수 있는 방해 받지 않은 양에 근접한다.
설명한 압력파 영향은 엄밀히 말하면 시스템에 따른 특성이며, 실질적으로 참여한 분사의 시간적 간격, 분사된 연료량, 유압 연료압 및, 유압식으로 연관된 라인 시스템 내의 연료 온도에 따르기 때문에, 이는 엔진 제어 장치 내의 적절한 제어 기능을 통해 보정될 수 있다. 언급한 압력파 영향을 줄이기 위해, 예컨대 독일 공개 공보 DE 101 23 035 A1에 공지된 문서는 각각의 인젝터들의 분사량에 대한 이러한 영향을 측정해서 분사 시스템의 제어 데이터의 사전 설정 시 이러한 측정의 결과를 고려하는 것으로 구성된다. 언급한 제어 데이터의 상응하는 보정은, 각각 2개 또는 경우에 따라 더 많은 수의 부분 분사들 사이의 시간적 간격의 함수로서 사전에 경험적으로 또는 실험을 통해 검출된 일련의 연료량 파(wave)에 기초한다. 언급된 압력파 보상은 특성 필드 내의 후속 분사에 대한, 기준 시스템에서 측정된 양적 영향을 저장하며, 각각의 후속 분사의 공급 지속 즉, 후속 분사의 제어 지속의 상응하는 변경을 통해 엔진의 작동 시간에 상기 영향을 보상한다. 따라서, 기본적으로 앞서 설명한, 종래 기술에서 일반적인 방식은 언급한 연료량 파를 검출하는 것이다. 이로써 검출된 초과량 또는 부족량은 언급한 특성 필드 내에 저장되며 CR-제어 프로그램의 실행 시점에, 엔진 제어부의 연료량 경로 내에서의 상응하는 배출을 통해 보상된다.
이러한 알고리즘은 물론, 요구되는 정확성을 갖는 완전히 선형의 연료량 계산 특성 필드 또는 제어 지속 특성 필드에서만 기능한다. 이에 반해, 언급한 특성 필드 내에서 비선형성이 발생하면(예컨대 기울기 변화 등), 사용된 알고리즘은 압력파 보상 시에 시스템적 에러를 야기한다.
이러한 단점을 제거하기 위해, 출원인의 공개되지 않은 출원, 제DE 10 2004 014 367호는 언급한 연료량 파 대신에, 제어 지속-파를 기초로 해서 언급한 압력파 보상을 실행하는 것을 제시한다. 다시 말해, 제어 지속은 각각의 제어 지속-파를 인식한 상태에서, 소망 분사량에 도달하도록 변경된다.
이러한 방법은 특히, 노즐 니들에 작용하는 폐쇄력이 서보 밸브를 통해서 전달되는 인젝터의 경우에 사용된다. 이와 같은 인젝터의 경우, 노즐 니들은 서보 밸브의 스위칭 상태에 의해서만 영향을 받을 수 있는데, 소위 디지털 형태로만 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 이에 반해, 노즐 니들에 작용하는 힘의 변동은 가능하지 않다. 직접적인 니들 제어부(CRI-PDN)를 갖는 인젝터의 경우, 압전 액추에이터는 기계식 또는 유압식 커플러를 통해 직접 또는 간접적으로 노즐 니들에 작용한다. 이러한 액추에이터의 경우, 액추에이터와 커플러는 레일 압력 하에 있는 보다 큰 연료 체적으로 둘러싸인다. 상기 영역 내의 이러한 상당한 체적으로 인해, 분사의 결과로서 액추에이터 챔버와 레일 사이에 형성된 압력 변동은 작은 진폭을 갖는다. 물론 모든 분사는 노즐 시트에서 압력 변동을 일으킨다. 이러한 변동은 서보 밸브에 의해서 작동되는 종래의 인젝터의 경우에서보다 더 작은 진폭을 갖지만, 변동 주파수는 비교적 높다. 이로써, 분사, 예컨대 사전 분사에 이어서, 노즐 니들 개방력을 결정하는 니들 시트에서의 압력과 커플러, 예컨대 노즐 니들 폐쇄력을 결정하는 유압 커플러 내의 압력 사이의 압력 차이도 고주파 진동 하에 있게 된다. 도2에는, 노즐 개방을 위해 필요한 커플러 내의 압력 강하를 위한 니들 시트에서의 압력, 제어 전압 및 상기 유형의 액추에이터의 사전 분사에 후속하는, 노즐 개방을 위해서 필요한 전압 강하가 개략적으로 도시된다. 지금까지는, 도2에 도시된 바와 같이, 제어 중지 시 액추에이터를 항상 -경우에 따라 레일 압력 의존적인- 전압으로 충전하는 것이 일반적이다. 이에 반해, 제어 지속 중 압전 액추에이터의 전압은 강하한다. 이로써 노즐 니들 폐쇄력이 감소해서 노즐 니들 개방력 이하로 떨어지자마자, 노즐 니들은 개방되기 시작한다. 앞서 설명한 압력 변동은, 긴밀하게 연속된 분사의 경우 분사량에 큰 영향을 미친다. 이로써 연속된 2개의 분사의 제어 지속이 일정한 경우, 분사된 제2 분사의 양(Q)은 분사의 시간적 간격(tdiff)에 따라 현저하게 변동한다. 압력 변동의 높은 주파수로 인해, 분사된 양(dQ/dtdiff)의 높은 기울기도 발생하므로, 제어 장치 내의 압력파 보상의 정확도가 심하게 저하된다.
더욱이 노즐 니들을 그 시트 내에 가압시키는 기계적 폐쇄력은 분사에 뒤이어, 인젝터의 작동 시 노즐 시트의 마모를 높이는 진동에 노출된다.
레일로부터 각각의 인젝터까지의 공급 라인 내의 압력파의 영향은 순전히 원리적으로는, 레일로부터 인젝터까지의 공급 라인 내에 스로틀이 구성됨으로써 감소될 수 있다. 이로써 인젝터에까지 제공되며, 고압 회로에 손상을 일으킬 수도 있는 압력 피크가 동시에 방지된다. 압력파는 공급 라인 내에 발생한 레일 압력을 기초로 보정될 수 있다. 그러나 이를 위해서는 모든 실린더에 대해서, 각각의 공급 라인 내에 압력 센서가 필요할 수 있다. 즉, 실린더와 동일한 수의 압력 센서가 요구된다. 이러한 복수의 압력 센서들은 높은 비용 및 상당히 높은 조립 경비를 발생시킨다.
따라서 본 발명의 목적은 가능한 한 적은 조립 경비와 적은 비용으로써 개선된 압력파 보상이 가능하도록, 서두에 언급한 유형의 방법과 장치를 개선하는 것이다. 특히 레일 압력을 측정하기 위한 압력 센서들은 생략되어야 한다.
이러한 목적은, 특허청구범위의 독립항들의 특징들에 의해 달성된다. 바람직한 실시예와 개선예들은 각각 종속항들의 대상이다.
본 발명의 개념은, 직접적인 니들 제어부를 갖는 인젝터가 인젝터의 니들에 인가된 압력파를 측정하기 위한 센서 요소로서 사용되는 것을 기본으로 한다. 이를 위해 압전 액추에이터의 감지 효과가 사용된다. 직접적 니들 제어부(CRI-PDN)를 갖는 이와 같은 유형의 인젝터는 분사 중지 시 또는 제어 지속들 사이의 인터벌 시에 충전되기 때문에, 인젝터 내의 변동하는 연료압 즉, 분사압의 변동하는 힘 작용에 따른 모든 길이 변화는 액추에이터 전압의 변동 측정을 통해 검출될 수 있다.
바람직하게, 액추에이터 전압의 측정은 분사 종료 후에 시작되며 후속하는 분사 시작에 의해서 종료된다. 액추에이터 전압 외에, 레일 압력과 연료 온도가 측정되며, 2개의 분사의 시간적 간격 및 제어 지속이 측정된다. 압력파 자체는 진폭, 특히 압력파의 피크-피크-값 및/또는 액추에이터 전압의 제로 통과의 측정에 의해 결정된다.
바람직하게, 이와 같이 측정에 의해서 결정된 제어 전압은 동역학적 인터럽트 내에서 검출된 레일 압력, 연료 온도, 2개의 분사의 시간 간격 및 제어 지속의 함수로서 엔진의 제어 장치 내의 특성 필드 공간 또는 매트릭스 내에 저장되며, 후속 분사의 제어 전압은 검출된 압력파에 상응하게 변조되고, 제어 지속에 대한 값은 다음 분사에 상응하게 보정된다.
이러한 방법의 장점은, 인젝터로 이어지는 모든 고압 라인 내에 추가의 압력 센서들이 요구되지 않고서도, 분사에 관련된 연료압과 연료 영향까지 고압 회로의 제조 공차, 노후화 영향, 드리프트 영향을 고려하는 매우 정확한 압력파 보정에 있다.
또한 본 발명은 해당 분사 시스템을 앞서 언급한 방식으로 제어하기 위한 장치에 관한 것이며, 이는 분사 중지 중에 노즐 니들에 인가된 액추에이터 전압을 검출해서, 후속 분사의 제어 전압을 측정된 액추에이터 전압에 상응하게 변조하기 위한 회로 유닛을 포함한다.
이하에서 본 발명은 바람직한 실시예 및 도면을 참조로 더 자세히 설명되며, 이로부터 본 발명의 특수성, 특징 및 장점들이 제시된다.
도1은 본 발명의 사용에 적합하며, 직접적 니들 제어부를 갖는 종래 기술에 공지된 인젝터의 개략도이다.
도2는 직접적 노즐 니들 제어부를 갖는 인젝터의 압전 액추에이터를 제어하기 위한 종래 기술에 공지된 방법에 따른 분사에 연관된, 니들 시트의 압력, 노즐 개방을 위해 필요한 커플러 내의 압력 강하, 제어 전압 및 노즐 개방을 위해 필요한 전압 강하를 도시한 도면이다.
도3은 보정된 제어 전압에 의해 압전 액추에이터를 제어하기 위한 장치의 개략적 블록 회로도이다.
본 발명의 이해를 위해서 필요한, 이와 관련해서 참조되는, 출원인의 공개되지 않은 출원 제DE 10 2004 014 367호로부터 제시된 것과 같은 직접적 노즐 니들 제어부를 갖는 인젝터는 노즐 본체(100)를 포함하며, 이 노즐 본체 내에서는 노즐 니들(110)이 스프링(115)의 복원력에 대항하여 노즐 본체(100)의 축방향으로 이동 가능하게 안내된다.
노즐 니들(110)은 압전 액추에이터(120)에 의해 유압 커플러를 통해서 직접, 즉 종래 기술에 공지된 인젝터의 경우에서와 같이 제어 밸브의 중간 삽입 없이 작동된다. 유압 커플러는 간극(135)을 통해서 노즐 니들(110)에 작용하는, 액추에이터측 변환 피스톤(130)을 포함한다.
노즐 니들(110)은 노즐측 고압 챔버(140)에 의해서 둘러싸인다. 액추에이터(120)와 유압 커플러(130)는 레일 압력 하의 연료로 채워지는 액추에이터측 고압 챔버(150)로 둘러싸인다. 상기 영역 내의 상당한 체적으로 인해, 액추에이터측 고압 챔버(150)와 고압 저장기(레일) 사이의 분사에 의해서 형성된 압력 변동은 작은 진폭을 갖는다. 모든 분사는 노즐 니들(110)의 시트(160)에 압력 변동을 일으킨다. 이러한 변동으로 인해서, 분사된 연료량만이 왜곡되는 것이 아니라, 분사 중지 중에 있는 노즐 니들(110)이 노즐 시트(160)에 작용하는 펄스 힘을 받음으로써 노즐 니들(110)과 노즐 시트(160)가 마모되므로, 노즐 니들(110)은 노즐 시트(160) 상에서 어느 정도 "진동한다".
이러한 압력 변동의 측정은 액추에이터(120)의 분사 중지 중 연속적인 고주파 측정을 통해서, 액추에이터(120)에 인가된 제어 전압(UPause)이 측정됨으로써 이루어진다. 이러한 측정은 분사 종료에 의해 실행되고, 후속 분사의 시작에 의해 종료된다. 분사 중지(UPause) 중 제어 전압이 측정됨으로써, 이와 동시에 측정 변수들인 레일 압력, 연료 온도도 한 번에 측정된다. 이와 같은 유형의 커먼-레일-시스템의 경우 분사 시간의 결정은 통상적으로 소위 정적 그리고 동역학적 인터럽트 내에서 실행된다. 각각의 실린더의 정적 인터럽트에서, 다음 분사(들)의 제어 시작이 계산된다. 동역학적 인터럽트에서는, 제어 장치의 컨트롤러의 계산-실행 시간 및 하드웨어-실행 시간의 고려 하에, 가능한 한 제어 시작 직전에 각각의 분사(들)의 제어 지속이 계산된다. 제어 지속의 계산에 기초한 변수들은 레일 압력, 희망 설정량 및 압력파 보정 함수의 출발값이다. 압력 변동은 최소한의 수의 데이터에 의해서 설명된다. 압력 변동은 피크-피크-값의 조사 및/또는 제로 통과의 조사에 의해서 검출된다.
동역학적 인터럽트에서, 레일 압력, 연료 온도, 선행된 분사에 대한 간격 및, 선행된 분사의 제어 지속이 측정/결정되어, 그 수치가 입력 변수들의 수에 상응하는 특성 필드 공간 또는 매트릭스의 입력 변수로서 저장된다. 특성 필드 공간 또는 매트릭스로부터의 값은, 예컨대 레일 압력 센서에 의해서 측정되고 동역학적 인터럽트에서 측정된 레일 내의 연료-압에 대한, 또는 분사 중지(UPause) 중 제어 전압의 측정에 의해서 검출된, 액추에이터 내에서 측정된 연료-압에 대한 곱셈적 보정을 나타낸다. 후속 분사 시 기대되는, 검출된 연료-압의 값은 선행된 분사들의 저장된 값들의 희망 범위의 외삽에 의해서 결정된다. 이를 위해, 측정 변수들인 레일 압력, 연료 온도, 선행된 분사에 대한 분사 간격, 선행된 분사에 대한 제어 지속에 의해, 예컨대 압력파의 파장, 위상 위치 및 피크-피크-값과 같은 실제 관련된 특성 변수들이 알려진 압력 변동으로부터 검출된다. 동역학적 인터럽트의 시점 시 측정된 레일 내의 연료-압 또는 액추에이터 내의 연료압은 압력파의 상태를 설명한다. 다음 분사 시작이 고정되어 있기 때문에, 분사 시작에 대한 동역학적 인터럽트의 간격을 통해 또한, 압력파 즉, 압력파의 파장, 위상 위치 및 피크-피크-값에 대한 정확한 정보를 통해, 다가오는 분사 시점 시의 연료-압이 결정될 수 있으며 이로써 희망 분사량에 도달하기 위해 요구되는 제어 지속이 계산될 수 있다. 이는 도3에 도시된 회로 유닛(310)에 의해서 실행되며, 니들 시트(PNadelsitz)에서의 압력에 상응하는 전압(UPause)이 입력 변수로서 제시된다. 이러한 변수로부터, 제어 전압의 사전 설정값(USoll, a)과의 편차가 계산되어 상기 값에 가산됨에 따라, 압전 액추에이터(120)에 마지막으로 가해지는 새로운 제어 전압(USoll, n)이 산출된다.
이에 따라 제어 전압의 변조는 앞서 검출되어 제어 장치에 저장된 압력 변동을 기초로 실행되며, 압력 변동은 경우에 따라 실시간의 계산에 의해, 최초의 계산에 비해 변경된 파라미터에 맞게 조정된다.
본 발명을 충전 제어식 시스템에 전용하는 것이 고려될 수 있다. 이 경우 모든 전압값, 설정값 및 실제값은 충전값, 설정값 및 실제값으로 대체된다.

Claims (10)

  1. 엔진의 분사 시스템 제어 방법이며, 인젝터의 노즐 니들(115)에 직접 또는 간접적으로 작용하는 적어도 하나의 압전 액추에이터(120)를 이용하여 연료 분사가 실행되고, 액추에이터 작동을 결정하는 제어 전압은 연료 분사의 압력파 영향에 따라 보정되는, 엔진의 분사 시스템 제어 방법에 있어서,
    노즐 니들(115)에 인가되며 분사를 통해서 야기된 압력파는 분사 중지 중 액추에이터 전압의 측정에 의해서 검출되며, 후속 분사의 액추에이터 전압은 노즐 니들의 압력파에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 액추에이터 전압의 측정은 분사 종료 후에 시작되며 후속하는 분사 시작에 의해서 종료되는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액추에이터 전압 외에 레일 압력, 또는 연료 온도, 또는 이 둘 모두가 측정되며, 2개의 분사의 시간 간격, 또는 제어 시간, 또는 이 둘 모두가 고려되는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압력파는 액추에이터 전압의 진폭, 또는 진폭의 피크 값 사이에서의 액추에이터 전압 값이 0이 되는 점으로서의 제로 교차(zero crossing), 또는 이 둘 모두의 측정에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 전압의 측정을 통해서 검출된 압력파는 검출된 레일 압력, 연료 온도, 2개의 분사의 시간 간격 및 분사 시간의 함수로서 엔진의 제어 장치(310) 내의 특성 맵(characteristic map) 또는 매트릭스(matrix) 내에 저장되며, 후속 분사의 제어 전압은 이와 같이 검출된 압력파에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 엔진의 분사 시스템 제어 장치이며, 인젝터의 노즐 니들(115)에 직접 또는 간접적으로 작용하는 적어도 하나의 압전 액추에이터(120)를 이용하여 연료 분사가 실행되고, 분사될 연료량을 결정하는 제어부는 연료 분사의 압력파 영향에 따라 보정되는, 엔진의 분사 시스템 제어 장치에 있어서,
    분사 중지 중에 발생하는 액추에이터 전압 거동을 검출하고, 측정된 액추에이터 전압에 따라 후속 분사의 제어 전압을 조정하기 위한 회로 유닛(310)을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서, 회로 유닛(310)은 엔진의 제어 장치의 부품인 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 장치.
  9. 삭제
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 적어도 하나의 전기 액추에이터(120)는 기계식 또는 유압식으로 노즐 니들에 간접적으로 작용하는 것을 특징으로 하는 엔진의 분사 시스템 제어 장치.
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