KR101232631B1 - 커먼 레일 연료 펌프 제어 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

커먼 레일 연료 펌프 제어 방법 및 이를 수행하는 장치 Download PDF

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Abstract

고압인 연료를 레일 체적부로 수송하는 복수의 펌프 요소(10)를 포함하는 연료 펌프 어셈블리를 제어하는 방법 및 장치에 있어서, 각각의 상기 펌프 요소(10)는 관련된 캠에 의해 엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하도록 구동되는 플런저(12)와 펌프 챔버(14)로의 연료 유출입을 제어하는 제어 밸브(20)를 포함한다. 각각의 상기 펌핑 이벤트는 상기 관련된 캠의 관련된 캠 로브에 대응한다. 상기 방법은, 각각의 상기 펌프 요소의 각각의 상기 펌핑 이벤트에 대하여, 적어도 하나의 이전 펌핑 이벤트로부터 얻어진 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)에 응답하여 상기 펌프 요소(10)의 제어 밸브(20)를 제어하는 단계를 포함한다. 상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)는, 상기 레일 체적부 내에서 연료 압력을 측정하여 측정된 레일 압력값(42)을 얻는 단계와, 상기 측정된 레일 압력값(42)을 요구된 레일 압력값과 비교하여 레일 압력 오차(102)를 얻는 단계를 포함한다. 상기 레일 압력 오차(102)에 비례 적분 계산을 수행하여 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 비례항(104)과 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 적분항(110)을 얻는다. 상기 비례항(104)과 상기 적분항(110)이 결합되어 상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)를 얻는다.
각 펌프 요소의 각 펌핑 이벤트에 대한 적분항(110)을 모니터링하는 것은 연료 펌프 에셈블리 또는 관련된 연료 시스템 내에서 결함 상태를 식별하고 진단하는 수단을 제공한다.

Description

커먼 레일 연료 펌프 제어 방법 및 이를 수행하는 장치{CONTROL METHOD FOR A COMMON RAIL FUEL PUMP AND APPARATUS FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 내연 기관의 연료 분사 시스템에 사용하는 커먼 레일 연료 펌프 제어 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 커먼 레일 연료 펌프에서 이러한 방법을 구현하는 장치에 관한 것이다.
내연 기관을 압축 점화하기 위한 커먼 레일 연료 시스템에서, 연료는 저압 이송 펌프에 의해 연료 탱크로부터 연료가 공급되는 고압 연료 펌프에 의해 가압된다. 일반적으로, 고압 연료 펌프는 여러 펌프 요소를 지지하는 메인 펌프 하우징을 포함한다. 각 펌프 요소는, 높은 연료 압력을 생성하도록 엔진에 의해 구동되는 캠샤프트에 의한 왕복 운동으로 구동되는 플런저(plunger)를 포함한다. 그 다음, 고압의 연료는 연료 분사기로의 수송를 위하여 커먼 연료 레일에 저장된다.
일반적으로, 단일의 흡입 계량 밸브가 모든 펌프 요소에 들어오는 연료를 측정하는데 사용된다. 펌프 요소에서의 연료는 관련된 플런저의 펌핑 행정(stroke) 동안 가압된다. 흡입 계량 밸브의 제공은 펌프 요소가 그 최대 펌핑 용량 이하로 동작되는지 여부에 관계없이 엔진의 동작 범위 전체에 걸쳐 고압 연료 펌프의 펌핑 듀티가 펌프 요소 사이에서 균일하게 분배된다는 것을 의미한다. 따라서, 각 펌프 요소가 펌핑 행정을 수행하는데 필요한 주파수는 최대이다.
본 출원인의 계류중인 EP 특허 출원 09157959.9는 모든 펌프 요소에 걸쳐 하나의 흡입 계량 밸브를 갖는 대신에 각 펌프 요소가 자신의 전용 계량 밸브를 제공받는 다른 연료 펌프를 설명한다. 각 펌프 요소의 플런저는 하나 이상의 캠 로브(cam lobe)를 갖는 관련된 엔진 구동 캠에 의해 구동된다. 각 펌프 요소의 제어 밸브는 레일로 수송되는 연료의 양을 제어하기 위하여 관련 캠 로브의 상승 플랭크(rising flank)에 대응하는 하사점(bottom-dead-center)과 상사점(top-dea-center) 사이의 펌핑 원도우(pumping window) 동안 사용 가능하다. 펌핑 윈도위 내에서의 각 펌핑 이벤트의 지속 시간은 펌핑 요소에 의해 커먼 레일로 수송되는 연료의 양을 결정한다. 필요한 펌핑 지속 시간을 획득하기 위하여, 밸브는 펌핑 윈도우 동안에 캠에 대한 엔진 회전에서 정확한 위치로 구동되어야만 한다. 펌프 요소의 전체 펌프 용량을 획득하기 위하여, 그 요소의 계량 밸브는 전체 펌핑 윈도우에 대하여 구동되며, 반면, 제로 디맨드(zero demand)에 대하여 어떤 펌핑 윈도우에 대하여도 밸브가 구동되지 않는다.
EP 09157959.9에서의 발명은 적어도 하나의 펌프 요소(또는 펌프 요소와 관련된 적어도 하나의 캠 로브)의 펌핑 듀티는 그 특정 펌프 요소와 관련된 계량 밸브를 동작시키지 않음으로써 쉽게 제거될 수 있다는 이점을 제공하며, 이것은 펌핑 행정의 가압 페이즈에 노출되지 않는다는 것을 의미하다. 따라서, 펌프 요소가 펌핑 행정에 노출되는 빈도는 피로 고장의 가능성과 함께 감소된다. 또한, 펌프 요소의 부품 사이에서의 여유 때문에 펌프 요소는 펌핑 행정 동안에 고압 연료 누출을 겪는다는 것이 인식되어 왔다. 고압 연료 누출은 가압된 연료가 커먼 연료 레일로 전부 옮겨지지 않기 때문에 펌프 효율에서의 감소를 나타낸다. EP 특허 출원 09157959.9에서의 발명은 이 문제를 해결한다.
이러한 커먼 레일 연료 펌프의 다른 바람직한 특징은 분사 압력을 유지하기 위하여 레일 압력이 정밀하게 제어되고 유지된다는 것이다. 이러한 목적이 획득되는 전술한 종류의 커먼 레일 연료에서 레일 압력을 제어하는 방법을 제공하는 것은 본 발명의 일 목적이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 고압인 연료를 레일 체적부로 수송하는 복수의 펌프 요소를 포함하는 연료 펌프를 제어하는 방법이 제공되며, 각각의 상기 펌프 요소는 관련된 캠에 의해 엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하도록 구동되는 플런저와 펌프 챔버로의 연료 유출입을 제어하는 제어 밸브를 포함하고, 각각의 상기 펌핑 이벤트는 상기 관련된 캠의 관련된 캠 로브에 대응하고, 상기 방법은, 각각의 상기 펌프 요소의 각각의 상기 펌핑 이벤트에 대하여, 적어도 하나의 이전 펌핑 이벤트로부터 얻어진 출력 제어 신호에 응답하여 상기 펌프 요소의 제어 밸브를 제어하는 단계를 포함한다. 상기 출력 제어 신호는, 상기 레일 체적부 내에서 연료 압력을 측정하여 측정된 레일 압력값을 얻는 단계와 상기 측정된 레일 압력값을 요구된 레일 압력값과 비교하여 레일 압력 오차를 얻는 단계에 의해 얻어진다. 상기 레일 압력 오차에 비례 적분 계산이 수행되어 상기 레일 압력 오차에 대한 비례항과 상기 레일 압력 오차에 대한 적분항을 얻고, 상기 비례항과 상기 적분항은 결합되어(예를 들어, 더해져) 상기 출력 제어 신호를 얻는다.
본 방법은 임의의 하나의 펌프 요소의 성능에 관계없이 레일 체적부 내의 레일 압력이 실질적으로 요구되는 레벨로 유지될 수 있다는 것이다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 레일 압력 오차의 상기 적분항은 상기 관련된 펌프 요소의 상기 관련된 캠 로브에 대한 복수의 이전(예를 들어, 가장 최근의) 펌핑 이벤트로부터 얻어진 누적 적분항이다.
일 실시예에서, 적분항은 주기적으로 리셋될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서, 적분항은 0의 레일 압력이 요구되는 시간마다 리셋될 수 있다(예를 들어, 키오프(key off)를 포함하여). 이 경우에, 레일 압력 오차의 적분항은 상기 관련된 펌프 요소의 상기 관련된 캠 로브에 대한 0 레일 압력 디맨드 이후에 발생한 펌핑 이벤트로부터 얻어진 누적 적분항이다.
다른 바람직한 일 실시예에서, 상기 비례항은 비례 이득 팩터가 곱해진 상기 레일 압력 오차로서 계산되고, 상기 레일 압력 오차는 바로 이전 펌핑 이벤트가 관련된 펌프 요소와 관계없이 상기 바로 이전 펌핑 이벤트에 대하여 측정된 오차이다.
상기 비례 이득 팩터는 상수값일 수 있으며, 또는 이 대신에 예를 들어 속도, 부하 및 레일 압력과 같은 하나 이상의 엔진 상태에 종속적인 매핑된 값일 수 있다.
다른 바람직한 일 실시예에서, 상기 레일 체적부 내에서 연료 압력을 측정하는 단계는 상기 레일 압력을 여러 번 측정하는 단계와, 평균 레일 압력값을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 비교하는 단계는, 상기 평균 레일 압력값을 상기 요구된 레일 압력값과 비교하는 단계를 포함한다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 방법은 각각이 적어도 2개의 캠 로브를 갖는 관련된 캠(즉, 멀티 로브 캠)에 의해 구동되어 엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하는 복수의 펌프 요소를 갖는 펌프 어셈블리에 적용된다.
본 발명의 다른 이점은, 레일 압력 오차에 대한 적분항이 각 펌프 요소의 각 캠 로브에 독립적으로 계산되기 때문에, 이는 진단 목적으로, 즉, 결함 상태의 존재를 식별하고 특성화하기 위하여 모니터링될 수 있다.
예로써, 멀티 로브 캠을 구비한 펌프 요소를 갖는 연료 펌프에서, 펌프 요소의 제1 캠 로브의 상기 적분항은 동일한 펌프 요소의 다른 캠 로브 또는 다른 캠 로브 각각에 대한 적분항과 비교될 수 있고; 상기 비교에 기초하여, 상기 결함 상태의 성질이 식별될 수 있다. 예를 들어, 동일한 펌프 요소와 관련된 상기 캠 로브의 상기 레일 압력 오차의 적분항이 서로 상이한 정도로 변경하는 것이 관찰되면, 이것은 예를 들어 분사기 중 하나에서의 결합과 같은 펌프 요소와 관련되지 않은 결함을 나타낼 수 있다.
이 대신에, 동일한 펌프 요소와 관련된 상기 캠 로브의 적분항이 실질적으로 동일한 양만큼 변화하면, 이것은 예를 들어 펌프 요소에서의 누출 문제와 같은 펌프 요소와 관련된 결함을 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 실질적으로 동일한 엔진 상태에 대응하는 적분항만이 비교된다.
다른 방법에서, 주어진 펌프 요소의 주어진 캠 로브의 적분항은 사전에 저장된 데이터와 비교되어 결함이 있는지의 여부 및 그 결함의 성질을 결정할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서, 본 발명의 제1 양태의 방법을 수행하는 장치가 제공된다. 이러한 장치는 본 발명의 제1 양태의 바람직한 그리고/또는 선택적인 방법 단계의 하나 이상을 구현하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 여러 개의 로브를 갖는 캠이 있는 펌프뿐만 아니라 각 펌프 요소에 대한 캠이 단일 로브 캠인 펌프에 균등하게 적용가능하다는 것이 이해될 것이다. 본 발명은 하나 이상의 커먼 레일에 공급하는 여러 개의 펌프 요소(예를 들어, 2, 4, 6 또는 그 이상)를 갖는 연료 펌프에 적용가능하다.
본 발명은 예로써 다음의 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 각각 자신의 전용 계량 밸브를 갖는 복수의 펌프 요소를 포함하는 엔진의 커먼 레일 연료 시스템의 고압 연료 펌프의 펌프 요소 중 하나의 단면도이다;
도 2(a) 내지 (e)는 절반의 엔진 크랭크 샤프트 속도로 회전하는 캠 샤프트의 일회전에 대하여 엔진의 2개의 실린더 및 이에 따른 2개의 분사기에 연결된 커먼 레일로 연료를 펌핑하는 2개의 캠 로브를 갖는 단일 캠을 구비한 도 1에서의 연료 펌프의 펌프 요소에 대한 펌프 사이클의 상대적인 타이밍을 도시하며, 특히,
도 2(a)는 하나의 분사기의 분사 제어 밸브의 상태를 도시하고;
도 2(b)는 레일 압력을 도시하고;
도 2(c)는 펌프 요소와 관련된 계량 밸브에 대한 구동 펄스를 도시하고;
도 2(d)는 펌핑 이벤트의 지속 시간을 도시하고; 그리고,
도 2(e)는 캠의 리프트를 도시한다;
도 3은 ECU(Engine Control Unit, 엔진 제어 유닛)를 포함하는 도 1에서의 연료 펌프를 위한 제어 시스템의 개략적인 블록도이다; 그리고,
도 4는 도 3의 ECU에 구현된 프로세스 단계를 나타내는 시스템 제어도이다.
본 발명의 제어 방법은 동조된(phased) 주기적 방법으로 동작하는 여러 개의 펌프 요소를 갖는 압축 점화 내연 기관을 위한 고압 연료 펌프 어셈블리에 적용가능하다.
도 1을 참조하면, 각 펌프 요소(10)는 동일하며, 펌프 어셈블리의 다른 펌프 요소의 각각에 공통인 연료 레일 체적부(미도시)로의 수송을 위하여 펌프 요소 내에서 연료를 가압하는데 사용되는 플런저를 포함한다. 간략함을 위하여, 펌프 어셈블리의 단지 하나의 펌프 요소만이 상세하게 설명될 것이지만, 다른 펌프 요소의 각각이 동일한 방법으로 구축되고 동작된다는 것이 이해될 것이다.
이 시점에서, '펌프 요소(pump element)'는 일반적인 의미로 사용되고 예를 들어 인라인 커먼 레일 펌프로 종종 알려진 펌프에서 공통의 하우징 요소 내에서 하우징되는 일련의 펌핑 요소를 포함하는 펌프 배치를 포함한다는 것이 이해되어야만 한다. 이 대신에, 각 펌프 요소는 상응하는 (개별) 하우징 요소 내에 하우징될 수 있어, 이에 의해 본 발명이 속하는 기술분야에서 '단위 펌프(unit pump)' 또는 분사기 모듈과 결합할 때 '단위 분사기'라고도 하는 개별 펌핑 모듈을 형성하며, 커먼 레일 장치에 공급하기 위하여 단위 펌프 모듈 중 몇 개가 함께 작용하다.
플런저(12)는 엔진 구동 캠 샤프트 상에 장착된 캠(미도시)에 의해 구동되고, 각 캠은 일반적으로 상승 플랭크와 하강 플랭크를 갖는 적어도 하나의 캠 로브를 구비한다. 펌프 요소(10)는 펌프 챔버(14) 및 펌프 챔버(14)로의 흡입 통로(16)를 포함한다. 흡입 통로(16)는 공급 통로(18)를 통해 저압 이송 펌프(미도시)와 연통한다. 흡입 통로(16)는 일반적으로 20이라 하는 솔레노이드 래칭(latching) 밸브(제어 밸브라고 함)에 의해 펌프 챔버(14)로부터 분리된다.
제어 밸브(20)는 제어 밸브 스프링(24)에 의해 열린 상태로 바이어스된 밸브 부재(22)를 포함한다. 제어 밸브용 액추에이터(26)는 ECU(Engine Control Unit)(도 1에는 도시되지 않음)에 의해 제어되고, 작동되었을 때, 스프링력에 대항하여 밸브 부재(22)를 닫힌 위치로 가게 하는 역할을 하여, 펌프 챔버(14)와 흡입 경로(16) 사이의 연통이 깨어진다. 제어 밸브(20)의 제공은 펌프 요소(10)에 의해 옮겨지는 연료가 플런저(12)의 운동에 독립적으로 측정될 수 있게 한다. 즉, 제어 밸브는 플런저(12)의 운동에 자동으로 응답하지 않는다.
플런저(12)는 도시된 예에서 가장 낮은 위치에 있을 때(즉, 펌프 챔버(14)의 체적/용량이 최대일 때) 하사점 위치(하사점이라고도 함)에 있으며, 가장 높은 위치에 있을 때(즉, 펌프 챔버(14)의 체적/용량이 최소일 때) 상사점 위치(상사점이라고도 함)에 있다. 펌프 사이클은 플런저가 상사점에서 하사점으로 이동하고 다시 상사점으로 이동할 때 발생한다.
펌프 챔버(14)로부터의 토출 통로(28)는 유압식으로 동작되는 비회수 토출 밸브(30)(토출 밸브라고 함)에 의해 펌프 챔버(14)로부터 분리될 수 있다. 이러한 밸브는 본 발명이 속하는 기술분야에서 가끔 '체크 밸브(check valve)'라고도 한다. 토출 통로(28)는 커먼 레일과 직접 연통하여 양쪽의 압력이 실질적으로 동일하도록 한다. 커먼 레일은 관련된 토출 밸브가 열렸을 때 펌프 어셈블리의 각 펌프 요소에서 토출 밸브(28)로부터 가압된 연료를 공급받는다. 토출 밸브(30)는 커먼 레일에서 고압 연료에 의해 닫힌 위치로 바이어스되어, 토출 밸브 스프링(32)과 결합하여 작동한다. 실제로, 흡입 밸브 스프링(24)과 토출 밸브 스프링(32)에 의해 제공된 바이어스 힘은 상대적으로 낮으며 밸브가 노출되는 연료의 압력보다 훨씬 덜 상당한 힘을 제공한다.
사용에 있어서, 제어 밸브(20)는 개방되고, 플런저(12)는 상사점과 하사점 사이에서 움직이고(즉, 캠 로브의 하강 플랭크에 대응하여), 연료는 흡입 통로(18)로부터 펌프 챔버(14)로 수송된다. 펌프 사이클의 이 부분은 펌프 챔버(14)가 낮은 압력에서 연료로 충진되는 사이클의 일부이기 때문에 충진 행정(filling stroke)라 한다. 토출 밸브(30)는 토출 통로(및 커먼 레일)에서의 고압 연료의 힘과 토출 밸브 스프링(32)으로부터의 힘 때문에 충진 행정의 전체에 걸쳐 닫힌 지점으로 바이어스된다. 펌프 챔버(14)로부터의 연료 수송은 플런저(12)가 하사점에 도달하는 충진 행정의 종료시에 끝난다.
도 1은 플런저의 제어 밸브(20)가 비활성화되고 연료가 이송 펌프에 의해 흡입 통로(18)를 통해 펌프 챔버(14)에 공급되는 플런저의 충진 행정 동안의 펌프 요소(10)를 도시한다.
플런저(12)의 이어지는 펌핑 행정은 엔진 연소의 한 사이클 동안 펌프 사이클, 즉 720도의 엔진 회전에서의 상대적인 이벤트 타이밍을 도시하는 도 2를 참조하여 가장 잘 도시된다. 펌프의 캠 샤프트는 엔진 회전 속도의 절반으로 회전하여, 엔진의 720도 회전 동안에 하나의 완전한 360도 회전을 수행한다는 점에 유의하라.
0도의 엔진 회전에서의 기준 지점의 바로 후에, 플런저(12)는 하사점에 있다. 하사점과 상사점 사이의 구간은 도 2(e)에 도시된 바와 같이 펌핑 윈도우(pumping window)라 하며, 관련된 제어 밸브(20)가 닫혀있다면 플런저(12)의 움직임 때문에 연료 가압이 일어날 수 있는 펌프 사이클의 부분을 나타낸다. 하사점 후의 미리 정해진 시간에서, 제어 신호가 제어 밸브(20)로 인가되어 이는 상사점으로 향하는 플런저(12)의 계속된 운동이 펌프 챔버(14) 내에서 발생하는 연료 가압을 일으키도록 제어 밸브(20)를 닫게 한다.
트윈 로브(twin-lobe) 캠 배치에 대하여, 캠 샤프트의 한 회전 동안 2개의 펌핑 이벤트가 있으며, 2개의 펌핑 이벤트의 개시는 도 2(c)에서 펌핑 이벤트 1과 펌핑 이벤트 2로 식별된다.
활성화되면, 제어 밸브(20)는, 펌프 챔버(14) 내의 연료 압력이 토출 통로(28)에서의 연료 압력을 극복하기에 충분한 양을 초과할 때 토출 밸브(30)가 열리게 될 때까지 펌핑 행정의 나머지 전체에 걸쳐 닫힌 상태를 유지한다. 따라서, 펌프 챔버(14) 내의 가압된 연료는 토출 통로(28)를 통해 커먼 레일로 흐를 수 있다. 펌프 챔버(14) 내의 연료 압력이 감소하기 시작하면, 제어 밸브(20)는 스프링(24)의 동작하에서 다시 열리게 된다.
각 펌프 요소의 제어 밸브(20)가 주어진 펌프 이벤트를 위해 닫히는 시점을 제어함으로써, 제어 밸브(20)가 닫힌 상태로 유지되는 지속 시간이 제어되며, 따라서, 레일 압력(도 2(b)에 도시된 바와 같이)은 다음 분사 이벤트를 위하여 원하는 레벨로 유지될 수 있다. 도 2에서의 펌핑 이벤트 1 및 2에 대하여, 제어 밸브는 각 이벤트가 커먼 레일로 수송되는 서로 다른 연료 부피를 가져다주도록 상이한 지속 시간 동안 작동된다. 예를 들어, 펌프 챔버(14)의 최대 부피/용량에 대응하는 최대량의 연료를 옮기기 위하여, 제어 밸브(20)는 펌핑 윈도우의 개시 시점에서 닫히고 상하점 까지 닫힌 상태를 유지한다. 따라서, 펌프 어셈블리의 최대 펌프 용량은 어셈블리의 모든 펌프 요소가 모든 캠 로브에 대하여 전술한 방법(즉, 최대 용량)으로 동작될 때 획득된다는 것이 이해될 것이다. 다른 동작 모드에서, 제어 밸브(20)는 주어진 시간에서 엔진의 디맨드를 정밀하게 충족하기 위하여 펌핑 행정 동안 플런저(12)에 의해 옮겨진 연료의 양을 측정하는데 사용될 수 있다. 이것은 도 2(c)의 펌핑 이벤트 2에 대하여 도시된 바와 같이 펌핑 윈도우에서 제어 밸브(20)를 이후에 닫음으로써 획득될 수 있다.
예로써, 6-실린더 엔진에 대하여, 펌프 어셈블리는 3개의 펌프 요소를 가질 수 있으며, 각각은 자신의 상응하는 캠을 구비하며, 각 캠은 동일하고, 도 2에서와 같이 캠 로브-1, 캠 로브-2로 나타낸 2개의 캠 로브를 갖는다. 캠 로브-1은 제1 펌프 이벤트에 대한 펌핑 이벤트 1에 대응하며, "펌핑 이벤트 1-1"로 나타내어질 것이다. 유사하게, 제1 펌프 이벤트에 대한 캠 로브-2는 "펌핑 이벤트 1-2"로 나타내어질 것이다. 다음의 설명에서, 동일한 용어, 즉 펌프 이벤트 2-1 및 2-2가 제2 펌프 이벤트에 대하여 채용될 것이며, 더 높은 번호를 갖는 펌프 요소에 대하여도 유사하게 적용될 것이다. 이러한 예에서, 펌프의 캠샤프트의 각 회전에 대하여 6개의 펌프 이벤트, 즉 3개의 펌프 요소의 각각에 대하여 2개의 펌핑 이벤트가 있을 것이라는 것이 이해될 것이다. 또한, 예를 들어, 6개의 펌프 요소 각각은 단일의 캠 로브를 가지거나 2개의 펌프 요소 각각이 3개의 로브의 캠을 구비하는 것과 같은 다른 조합도 캠샤프트 회전 당 6개의 펌핑 이벤트를 공급하는 것이 가능하다. 동일하게, 엔진 실린더에 있는 것과 동일한 개수의 캠샤프트 회전당 펌핑 이벤트 개수를 갖는 것에 매력이 있지만 이는 필수적 요구 사항이 아니다.
본 발명은, 분사 압력을 원하는 값으로 유지하기 위하여 레일 압력이 평가되고 이어서 그 평가에 응답하여 펌핑 이벤트가 조정되는 도 1에의 연료 펌프의 제어 방법을 제공한다.
도 3은 3개의 펌프 요소를 갖는 연료 시스템에서 도 1의 펌프 어셈블리에 대한 제어 시스템의 개략적인 도면이다. 제어 시스템은 레일 압력 센서(44)로부터 샘플링된 신호(42)를 수신하고 도 4에 도시된 프로세스를 이용하여 3개의 펌프 요소의 각각의 각 펌핑 이벤트에 대하여 이 신호를 독립적으로 처리하는 ECU(Engine Control Unit, 40)를 포함한다. 레일 압력에 대한 샘플링된 신호(42)는 요구된 레일 압력값(46)과 비교되어 그 차이가 ECU(40)의 컴퍼레이터(48) 내에서 계산된다. 또한, ECU(40)는 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 컴퍼레이터(48)로부터 차이 신호를 수신하고 각 펌핑 이벤트에 대하여 차이 신호에 비례 적분 계산을 독립적으로 수행하는 비례 적분(PI, proportional integral) 제어기(50)를 포함한다.
ECU(40)는 다음 펌핑 이벤트에 대하여 관련된 펌프 요소의 제어 밸브를 조정하기 위하여 PI 계산에 기초하여 복수의 출력 신호(52a - 52f)를 생성한다. 다른 말로 하면, 출력 신호(52a)는 펌프 요소-1의 제1 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 1-1에 대한 펌프 요소-1의 제어값에 대하여 생성되며, 유사하게, 출력 신호(52b)는 펌프 요소-1의 제2 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 1-2에 대한 펌프 요소-1의 제어값에 대하여 생성된다. 유사한 방법으로, 출력 신호(52c)는 펌프 요소-2의 제1 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 2-1에 대한 펌프 요소-2의 제어값에 대하여 생성되며, 출력 신호(52d)는 펌프 요소-2의 제2 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 2-2에 대한 펌프 요소-2의 제어값에 대하여 생성된다. 마지막으로, 출력 신호(52e)는 펌프 요소-3의 제1 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 3-1에 대한 펌프 요소-3의 제어값에 대하여 생성되며, 출력 신호(52f)는 펌프 요소-3의 제2 캠 로브로부터 각 펌프 이벤트 3-2에 대한 펌프 요소-3의 제어값에 대하여 생성된다.
본 발명의 한가지 중요한 특징은, 각 캠 로브에서의 펌핑 이벤트의 제어는 동일한 펌핑 요소에서의 다른 캠 로브 또는 다른 캠 로브 각각의 제어에 독립적으로 수행되고, 다른 펌프 요소의 각각에 독립적으로 수행된다는 것이다.
도 4는 ECU에 의해 수행되는 제어 방법을 더욱 상세하게 도시한다. 레일 압력의 PI 제어를 이용하여, 이어지는 펌핑 이벤트를 위한 적합한 제어 신호를 얻는데 사용되는 적분항과 비례항을 계산하기 위하여 레일 압력 오차 신호가 평가된다.
본 발명에 대한 기초로써, 종래의 PI 제어가 원하는 값 또는 이상적인 값의 출력을 갖는 프로세스의 측정가능한 출력과 그 프로세스의 제어 입력을 제어하는데 사용된다. PI 제어 방법은 이상적인 값을 측정된 출력과 비교하고 오차 신호를 계산하고, 그 다음 이 오차 신호를 분석하여 측정된 출력이 이상적인 값으로 수렴하게 적절히 조정되도록 이어지는 제어 입력을 수정하는데 사용되는 비례항(proportional term)과 적분항(integral term)을 유도함으로써 작용한다.
비례항은 현재의 오차값에 비례하는 제어기의 출력을 변경한다. 비례 응답은 오차에 비례 이득 팩터를 곱함으로써 조정될 수 있다. 높은 비례 이득 팩터는 제어기로의 입력에서 오차의 주어진 변화에 대한 제어기 출력에 있어서 큰 변화를 야기한다. 비례 이득 팩터가 너무 높다면, 시스템은 불안정하게 될 수 있다. 반대로, 작은 이득 팩터는 입력에서의 큰 오차에 대하여 작은 출력 응답 및 덜 반응하는(또는 민감한) 제어기를 가져다 준다. 비례 이득 팩터가 너무 작으면, 시스템 불안에 응답할 때 제어 동작이 너무 작을 수 있다.
불안이 없다면, 순수한 비례 제어는 그 목표값에 안정되지 않을 것이지만 비례 이득 및 프로세스 이득의 함수인 정상 상태 오차를 유지할 것이다. 적분항으로부터의 기여분은 오차의 크기 및 오차의 지속 시간 모두에 비례한다. 시간에 대한 순시(instantaneous) 오차를 더하는 것(오차를 적분하는 것)은 이어서 적분 이득으로 곱해지고 제어기 출력에 더해지는 누적된 오프셋을 제공한다. 전체 제어기 출력에 대한 적분항 기여분의 크기는 적분 이득에 의해 결정된다.
비례항에 더해질 때, 적분항은 그 이상적인 값으로 향하는 프로세서의 이동을 가속하며, 비례만 하는 제어기로 발생하는 남아 있는 정상 상태 오차를 제거한다.
도 4를 더욱 상세하게 참조하면, 본 발명의 특정 예에서, 각 펌핑 요소는 ECU(40)에 대한 입력 1의 작업 번호가 할당된다. 예를 들어, 펌프 요소(1)에 대한 펌핑 이벤트는 1과 2(트윈 로브 캡에 대하여)로 나타내어진다. 각 펌핑 이벤트에 대하여, 레일 압력이 샘플링되고 입력 2에서 ECU에 의해 수신된다(도 3에서의 신호(42). 입력 3에서, ECU는 현재 엔진 동작 조건(예를 들어, 속도 및 부하)에 대응하는 레일 압력의 요구되는 값인 디멘드 신호(도 3에서의 신호(46))를 수신한다. 일반적으로 각 펌핑 이벤트에 대하여, 종래 방법으로 "버스트 샘플"을 생성하도록 레일 압력은 높은 빈도로 여러번 측정된다. 여러 개의 레일 압력 판독값을 하나의 판독값을 돌려주기 위하여 평균함으로써, 신호에서의 노이즈의 효과를 감소시키고 센서(44) 및 이어지는 ECU 내에서의 신호의 아날로그-디지털 변환의 해상도를 개선하는 것이 가능하다.
각 펌프 요소(10)에 대한 각 펌핑 이벤트에 대하여, 요구되는 레일 압력은 컴퍼레이터에서의 샘플링된 레일 압력과 비교되어(단계 100) 레일 압력 오차(102)를 얻는다. 그 다음, 레일 압력 오차(102)에 대한 비례항(104)은 단계 106에서 레일 압력 오차에 비례 이득 팩터(108)를 곱함으로써 계산된다. 현재의 펌핑 이벤트에 대한 비례항(104)은 바로 전의 펌핑 이벤트 전에 취해진 레일 압력 오차 신호와 비례 이득 팩터(108)로부터 얻어진다. 이 계산을 위하여, 바로 전의 펌핑 이벤트는 동일한 펌프 요소의 동일한 캠 로브에 대응하는 펌핑 이벤트일 필요는 없지만, 다른 펌프 요소의 하나에 대한 펌핑 이벤트일 수 있다. 비례 이득 팩터(108)는 상수값일 수 있거나 또는 이 대신에 속도 및 레일 압력과 같은 엔진 조건에 대하여 매핑될 수 있다.
그 다음, 비례항(104)은 단계 112에서 레일 압력 오차 신호에 대한 대응하는 적분항(110)과 더해진다. 그 다음, 더해진 출력(결합된 출력 신호)(114)는 다음 펌프 사이클에서 동일한 캠 로브에 대한 이어지는 펌핑 이벤트를 제어하기 위하여 관련된 펌프 요소(10)의 제어 밸브(20)로 피드백된다.
레일 압력 오차 신호의 적분항(110)을 계산하기 위하여, 적분 이득(116)은 적분 이득 출력(120)을 얻기 위하여 단계 118에서 레일 압력 오차 신호(102)에 적용된다. 그 다음, 적분 이득 출력(120)은 점선(122)로 나타낸 바와 같이 현재 작업 번호를 나타내는 신호(130)도 수신하는 적분기 함수로 통합된다. 종래의 적분기 함수에 관해서는, 적분 이득 출력(120)은 현재의 적분 이득 출력(즉, 이전 작업 번호에서의 적분 이득 출력 항)과 더해져 합해진 적분항(110)을 생성한다.
이전 펌핑 이벤트(동일한 펌핑 요소의 동일한 캠 로브와 반드시 관련될 필요가 없는) 전에 취해진 레일 압력 판독값으로부터 얻어진 비례항(104)에 대조적으로, 적분항(110)은 동일한 펌프 요소의 동일한 캠 로브에 대한 가장 최근의 레일 압력 판독값에 기초하며, 동일한 펌프 이벤트의 동일한 캠 로브에 대한 이전 펌핑 이벤트에 대하여 얻어진 전개되는 적분항이다. 따라서, 레일 압력 오차의 적분항(110)은 관련된 펌프 요소의 관련된 캠 로브에 대한 이전의 펌핑 이벤트로부터 얻어진 누적 적분항이다. 일반적으로, 적분항(110)은 0의 레일 압력이 요구되는 시점마다 주기적으로 리셋될 수 있다. 이 경우에, 레일 압력 오차의 적분항은 관련된 펌프 요소의 관련된 캠 로브에 대한 0 레일 압력 디맨드 이후에 발생한 가장 최근의 펌핑 이벤트로부터 얻어진 누적 적분항이다.
단계 126에서 적분항 데이터 저장부는 적분기 함수(122)로부터 출력된 적분항(110)에 관련 작업 번호를 할당함으로써 갱신된다. 적분기 함수(122)로부터의 합해진 출력(110)은 단계 112에서 전술한 바와 같이 비례항(104)과 더해져서, 그 펌프 요소의 관련 캠 로브에 대한 다음 펌핑 이벤트를 위하여 제어 밸브(20)에 대한 출력 신호(114)를 얻는다. 비례항에 더해질 때, 적분항은 0으로 향하는 레일 압력 오차 신호의 이동을 가속하고 비례만 하는 제어기로 발생하는 남아 있는 정상 상태 오차를 제거한다. 적분항은 레일 압력 오차에 대한 빠른 응답을 제공하는 원인이 된다.
결합된 출력 신호는 제어 밸브가 닫힌 상태를 유지하는 지속 시간을 제어하고, 이에 따라 관련된 펌프 요소의 관련된 캠 로브에 대한 이어지는 펌핑 이벤트의 지속 시간을 제어한다. 도 1에 도시된 예에서와 같이 제어 밸브가 래칭(latching) 밸브이면, 제어 밸브가 닫힌 상태를 유지하는 지속 시간은 플런저가 하사점과 상사점 사이에서 움직일 때 제어 밸브가 닫히는 시점에 의해 결정되며, 플런저가 하사점에 도달하고 캠 로브의 하강 플랭크를 오버라이드하는 것을 개시할 때까지 제어 밸브는 닫힌 위치로 래칭된 상태를 유지한다. 제어 밸브가 닫힌 상태를 유지하는 지속 시간은 이어지는 펌핑 이벤트 동안 커먼 레일에 측정된 연료의 양을 결정하며, 따라서 레일에서의 연료의 압력을 원하는 레벨로 유지한다.
본 발명의 제어 방법을 이용하여, 각 펌프 요소의 제어 밸브에 대한 출력 신호는 각 캠 로브에 대하여 독립적으로 제어된다. 적분항은 압력의 오버슈트(overshoot) 또는 부족(shortfall)을 보상하도록 관련 캠 로브 이벤트(즉, 이전의 1 캠 회전)를 위한 이전의 펌핑 이벤트 후에 측정되는 가장 최근의 레일 압력 오차에 반응한다. 본 발명의 중요한 특징은 각 펌프 요소의 각 캠 로브는 각 펌프 요소의 각 캠 로브를 독립적으로 샘플링하고 독립적인 비례항 및 적분항을 각 펌핑 이벤트에 대하여 계산함으로써 독립적으로 모니터링되며, 비례항은 이전 펌핑 이벤트(즉, 관련된 캠 로브에 관계없이 현재 펌핑 이벤트에 바로 선행하는 펌핑 이벤트)로부터 얻어지고, 적분항은 동일한 펌프 요소의 동일한 캠 로브에 대응하는 이전 펌핑 이벤트로부터만 얻어진다는 것이다.
본 발명의 다른 이점은 각 펌프 요소의 각 캠 로브에 대한 적분항(110)(즉, 적분기로부터 얻어진 합해진 적분항)은 관련 펌프 요소에 관한 고유 정보를 가지고 있기 때문에 진단 목적으로 사용될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 특정 펌프 요소가 펌프 누출을 겪거나 또는 성능 시프트를 가지면, 펌프 요소의 각 캠 로브에 대한 적분항(110)이 동일한 방법으로 변경하여야만 하도록, 펌프 요소에 대한 각 펌핑 이벤트는 실질적으로 동일한 방법으로 영향을 받을 것이라는 것이다. 그러나, 변경은 임의의 다른 펌프 요소에 대한 적분항(110)에서는 예측되지 않을 것이다. 대조적으로, 특정 펌프 요소에 기인하지 않는 시스템에서의 외부 누출은 각 펌프 요소의 각 캠 로브에 대한 적분항(110)이 동일한 방법으로 변경하도록 할 것이며, 이는 이 경우에 각 펌핑 이벤트가 동일한 방법으로 영향을 받게 될 것이기 때문이다. 다른 예에서, 하나의 펌프 요소의 하나의 캠 로브에 대한 적분항(110)이 동일한 펌프 요소에 대한 다른 캠 로브(들)와 관련되는 것과 다른 속도로 변화하는 것으로 보인다면, 분사기 결함이 식별될 수 있다. 또 다른 예에서, 적분항은 주어진 엔진 상태(예를 들어, 속도, 부하, 레일 압력)에 대하여 모니터링되고 시스템 열화 또는 결함을 결정하기 위하여 이전의 값 또는 이상적인 값에 비교될 수 있다.
본 출원인의 계류중인 EP 특허 출원 09157959.9은 펌프 요소에 대한 소정의 펌핑 이벤트를 선택적으로 디스에이블하거나 또는 소정의 펌프 요소들을 모두 선택적으로 디스에이블하여 펌프 요소에 걸쳐 펌핑 용량에서의 불균일한 분포를 생성하는 방법을 설명한다. 일반적으로, 펌프 시스템은 동기화된 펌핑 및 분사 이벤트를 갖도록 설정되는 것이 바람직하고, 따라서 이 방법의 잠재적인 단점은 이것이 비동기화된 펌핑 및 분사 이벤트를 발생한다는 것이다. 그러나, 선택적인 펌프 요소/펌핑 이벤트만으로 동작하는 펌프 어셈블리에서의 본 발명의 제어 방법을 구현함으로써, 선택된 펌핑 이벤트의 지속시간은 커먼 레일에서의 실질적으로 일정한 연료 압력을 유지하도록 될 것이며, 심지어 비동기화된 펌핑/분사를 허용할 것이다.

Claims (15)

  1. 고압인 연료를 레일 체적부로 수송하는 복수의 펌프 요소(10)를 포함하는 연료 펌프 어셈블리를 제어하는 방법에 있어서,
    각각의 상기 펌프 요소(10)는 관련된 캠에 의해 엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하도록 구동되는 플런저(12)와 펌프 챔버(14)로의 연료 유출입을 제어하는 제어 밸브(20)를 포함하고,
    각각의 상기 펌핑 이벤트는 상기 관련된 캠의 관련된 캠 로브에 대응하고,
    상기 방법은, 각각의 상기 펌프 요소의 각각의 상기 펌핑 이벤트에 대하여, 적어도 하나의 이전 펌핑 이벤트로부터 얻어진 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)에 응답하여 상기 펌프 요소(10)의 제어 밸브(20)를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)는,
    상기 레일 체적부 내에서 연료 압력을 측정하여 측정된 레일 압력값(42)을 얻는 단계;
    상기 측정된 레일 압력값(42)을 요구된 레일 압력값과 비교하여 레일 압력 오차(102)를 얻는 단계;
    상기 레일 압력 오차(102)에 비례 적분 계산을 수행하여 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 비례항(104)과 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 적분항(110)을 얻는 단계; 및
    상기 비례항(104)과 상기 적분항(110)을 결합하여 상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)를 얻는 단계
    에 의해 얻어지고,
    상기 방법은, 결함 상태의 존재를 식별하기 위하여 각 펌프 요소의 각 캠 로브의 상기 적분항(110)을 모니터링하는 단계를 더 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레일 압력 오차(102)의 상기 적분항(110)은 상기 관련된 펌프 요소(10)의 상기 관련된 캠 로브에 대한 최근의 복수의 펌핑 이벤트로부터 얻어진 누적 적분항인,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적분항(110)은 주기적으로 리셋되는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비례항(104)은 비례 이득 팩터가 곱해진 상기 레일 압력 오차(102)로서 계산되고, 상기 레일 압력 오차(102)는 바로 전의 펌핑 이벤트가 관련된 펌프 요소와 관계없이 상기 바로 전의 펌핑 이벤트에 대하여 측정된 오차인,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비례 이득 팩터는 상수인,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 비례 이득 팩터는 하나 이상의 엔진 상태에 종속적인 매핑된 값인,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)는 상기 펌프 요소의 상기 제어 밸브(20)가 닫히는 지속 시간을 제어하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하도록 적어도 2개의 캠 로브를 갖는 관련된 캠에 의해 각각이 구동되는 복수의 펌프 요소(10)를 포함하는 연료 펌프 어셈블리를 제어하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 요소 중 하나의 펌프 요소에 대한 상기 캠 로브 중 제1 캠 로브의 상기 적분항(110)을 동일한 펌프 요소의 다른 캠 로브 또는 다른 캠 로브 각각에 대한 적분항(110)과 비교하는 단계; 및
    상기 비교에 기초하여, 상기 결함 상태의 성질을 식별하는 단계
    를 더 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적분항(110)이 시간에 대하여 상이한 정도로 변경하는 경우에, 펌프 요소과 관련이 없는 결함이 있다고 판단하는 단계
    를 더 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적분항(110)이 시간에 대하여 실질적으로 동일한 정도로 변경하는 경우에, 펌프 요소과 관련이 있는 결함이 있다고 판단하는 단계
    를 더 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    실질적으로 동일한 엔진 상태에 대응하는 적분항만이 비교되는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    주어진 펌프 요소의 주어진 캠 로브에 대한 상기 적분항(110)을 미리 저장된 데이터와 비교하여 결함이 있는지 여부를 판단하는 단계
    더 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리 제어 방법.
  15. 고압인 연료를 레일 체적부로 수송하는 복수의 펌프 요소(10)를 포함하는 연료 펌프 어셈블리에 있어서,
    각각의 상기 펌프 요소(10)는 관련된 캠에 의해 엔진 회전당 적어도 하나의 펌핑 이벤트를 수행하도록 구동되는 플런저(12)와 펌프 챔버(14)로의 연료 유출입을 제어하는 제어 밸브(20)를 포함하고,
    각각의 상기 펌핑 이벤트는 상기 관련된 캠의 관련된 캠 로브에 대응하고,
    상기 연료 펌프 어셈블리는 각각의 상기 펌프 요소의 각각의 상기 펌핑 이벤트에 대하여, 적어도 하나의 이전 펌핑 이벤트로부터 얻어진 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)에 응답하여 상기 펌프 요소(10)의 제어 밸브(20)를 제어하는 제어 수단(40)을 포함하고,
    상기 제어 수단은,
    상기 레일 체적부 내에서 연료 압력을 측정하여 측정된 레일 압력값(42)을 얻는 수단(44);
    상기 측정된 레일 압력값(42)을 요구된 레일 압력값과 비교하여 레일 압력 오차(102)를 얻는 수단(48);
    상기 레일 압력 오차(102)에 비례 적분 계산을 수행하여 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 비례항(104)과 상기 레일 압력 오차(102)에 대한 적분항(110)을 얻는 수단(50);
    상기 비례항(104)과 상기 적분항(110)을 결합하여 상기 제어 밸브를 위한 상기 출력 제어 신호(52a - 52f, 114)를 얻는 수단(112); 및
    결함 상태의 존재를 식별하기 위하여 각 펌프 요소의 각 캠 로브의 상기 적분항(110)을 모니터링하는 수단
    을 포함하는,
    연료 펌프 에셈블리.
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