KR101785276B1 - 밸브 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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토마스 크라프트
한스 리이플
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 스프링 힘(F_1)을 갖는 스프링(32), 스프링 힘(F_1)에 대항하여 작용하는 액츄에이터 힘(F_2)을 갖는 액츄에이터(42), 및 상기 액츄에이터(42)에 의해 구동될 수 있는 핀(34)을 포함하는 밸브(20) 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 특정 코스를 갖는 전류는, 전류의 시작 값(I_0)으로부터 발생하여 액츄에이터(42)에 인가되며, 여기서, 핀(34)은, 시작 위치(P_0)에 있으며, 상기 위치에서, 상기 핀(34)은, 정상 개방 밸브(20)에 대해 폐쇄를 허용하고 정상 폐쇄 밸브(2)에 대해 개방을 허용한다. 전류의 코스는 상기 코스가 하나의 섹션 또는 다수의 시간적으로 연속적인 섹션들을 갖도록 지정되며, 여기서, 섹션들의 각각은, 전류의 시작 값, 전류의 최종 값, 연속으로 하강하는 전류 코스를 갖는 제 1 시간 간격(Δt1) 및 연속으로 상승하는 전류 코스를 갖는 제 1 시간 간격에 후속하는 제 2 시간 간격(Δt2)을 갖도록 지정되며, 상기 섹션들은, 각각의 섹션을 통해 통과한 후에, 전류의 최종 값이 전류의 시작 값보다 낮으며, 전류의 미리 정해진 프로파일을 통해 통과한 후에, 핀(34)이 최종 위치(P_F)에 있으며, 상기 최종 위치에서, 정상 개방 밸브(20)를 폐쇄하지 않고 정상 폐쇄 밸브(20)를 개방하지 않도록 설계된다.

Description

밸브 제어 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A VALVE}
본 발명은 밸브 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 타입의 밸브는, 바람직하게는 자동차들의 내연기관용 축압기 타입(accumulator-type) 분사 시스템에 유체를 공급하기 위한 고압 펌프에 사용된다.
이러한 밸브들은, 특히 이들 밸브들이 예컨대 고압 펌프들인 경우에서와 같이 연속적인 부하(loading)를 받게 된다면, 집중 응력(intense stress)들을 받게 된다. 이러한 고압 펌프들은, 예컨대 2000 바(bar) 및 그 초과의 압력들을 받게 되기 때문에, 상기 타입의 펌프들 내의 밸브들에 대한 많은 요구들이 있다. 상기 밸브들의 폐쇄 중 그리고 개방 중 양자 모두에서 노이즈들이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 밸브의 정밀하고 저렴한 작동을 허용하는 밸브 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립항들의 특징들에 의해 성취된다. 본 발명의 유리한 개선예들은 하위 청구항들에서 특징으로 한다.
본 발명은 밸브를 제어하기 위한 방법 및 대응 장치를 특징으로 한다. 이 밸브는 스프링 힘을 갖는 스프링, 스프링 힘을 상쇄시키는 액츄에이터 힘을 갖는 액츄에이터, 및 상기 스프링에 커플링되며 상기 액츄에이터에 의해 구동될 수 있는 핀을 갖는다. 상기 액츄에이터는 전류의 시작 값으로부터 발생한 미리 정해진 프로파일과 함께 액츄에이터에 인가되는 전류를 가지며, 상기 프로파일에서, 핀은, 시작 위치에 있으며, 상기 위치에서, 상기 핀은, 비통전(deenergized) 상태에서 개방되어 있는 밸브인 경우에, 밸브의 폐쇄를 허용하고, 비통전 상태에서 폐쇄되어 있는 밸브인 경우에, 밸브의 개방을 허용한다. 상기 전류의 프로파일은 하나의 섹션 또는 다수의 시간적으로 연속적인 섹션들을 갖기 위해서 미리 규정되며, 상기 섹션들의 각각은, 각각의 경우에, 전류의 시작 값, 전류의 최종 값, 연속으로 하강하는 전류 프로파일을 갖는 제 1 시간 간격 및 연속으로 상승하는 전류 프로파일을 갖는 시간적으로 후속의 제 2 시간 간격을 가지며, 상기 섹션들은, 각각의 섹션을 통해 통과한 후에, 전류의 최종 값이 전류의 시작 값보다 낮으며, 전류의 미리 정해진 프로파일을 통해 통과한 후에, 핀이 종료 위치에 있으며, 상기 종료 위치에서, 비통전 상태에서 개방된 밸브의 경우에, 상기 핀은 밸브의 폐쇄를 허용하지 않으며, 비통전 상태에서 폐쇄된 밸브의 경우에, 상기 핀은 밸브의 개방을 허용하지 않도록, 설계된다.
이는, 연속으로 하강하는 전류 프로파일 및 시간적으로 후속하는 연속으로 상승하는 전류 프로파일을 갖는 섹션 또는 섹션들을 가지는 미리 정해진 전류 프로파일에 의해, 밸브가 비통전 상태에서 폐쇄되는 밸브인 경우에 느리게 폐쇄될 수 있고, 또는 비통전 상태에서 개방되는 밸브인 경우에 느리게 개방될 수 있어, 밸브에 의해 생성된 노이즈가 낮게 유지될 수 있으며, 그럼에도 불구하고, 밸브의 신뢰가능하며 충분히 빠른 폐쇄 또는 개방이 각각 성취될 수 있다는 이점을 갖는다. 게다가, 밸브의 마모는 낮게 유지될 수 있다. 게다가, 밸브의 저렴한 설계가 가능하다.
유리한 일 실시예에서, 시간적으로 연속적인 섹션들 각각에서의 전류의 프로파일은, V 형상 구성이다. 이는, 전류의 프로파일이 단순하고, 용이하게 생산가능한 형태를 갖는 이점을 포함한다.
추가의 유리한 실시예에서, 밸브는 내연 기관의 분사 시스템에서 배열되고, 전류의 프로파일은 내연 기관의 특성값들에 따라 판정된다. 이는 밸브가 내연 기관의 작동 조건들에 따라 각각 조용하게 폐쇄 또는 개방될 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명의 예시적 실시예들은 개략도들에 기초하여 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 길이 방향 섹션으로 밸브를 갖는 펌프의 개략도를 도시한다.
도 2는 3 개의 작동 상태들에서 밸브의 개략도를 도시한다.
도 3은 시간에 대한 밸브 핀의 위치의 프로파일 및 전류 프로파일의 개략도를 도시한다.
동일한 설계 또는 기능의 요소들은 도면들 전체에서 동일한 도면부호들로 나타낸다.
도 1은 펌프 하우징(12)을 갖는 펌프(10)를 도시한다. 펌프(10)는 특히 고압 펌프의 형태, 바람직하게는 래디얼 피스톤 펌프이다. 펌프 피스톤(14)은 펌프 하우징(12)에 이동가능식으로 장착된다. 압력 챔버(16)는 펌프 피스톤(14)의 일단부에서 펌프 하우징(12)에 위치된다. 압력 챔버(16)가 유체로 채워질 수 있기 위해서는, 상기 압력 챔버는 유입 라인(18)을 가지며, 여기서, 바람직하게는 입구(inlet) 밸브의 형태로 밸브(20)가 배열된다. 입구 밸브 형태의 밸브(20)는 디지털식으로 전환가능한(digitally switchable) 밸브의 형태가 바람직하다. 밸브(20)는 압력 챔버(16)의 채움을 용이하게 하며, 채움 과정 중, 유입(inflow) 라인(18)으로부터 유체의 복귀 유동을 방지한다. 또한, 압력 챔버(16)는 출구 밸브의 형태로 추가의 밸브(24)가 배열되는 유출(outflow) 라인(22)을 갖는다. 이에 의해, 유체가 압력 챔버(16)로부터 배출될 수 있다.
또한, 펌프(10)는 회전 방향(D)에 시계방향으로 회전될 수 있으며 편심 링(28)에 작동식으로 연결되는 구동 샤프트(26)를 갖는다. 편심 링(28) 대신에, 또한, 캠샤프트로 만들어지는 것이 사용될 수 있다. 또한, 펌프(10)는 대안으로, 크랭크-구동 펌프로서 설계될 수 있다.
도 2는 밸브(20)의 예시적 실시예를 3 개의 작동 상태들로 도시한다.
밸브(20)는 리세스(30)를 갖는 밸브 하우징(29)을 포함한다. 스프링(32), 핀(34) 및 밀봉 요소(36)가 리세스(30)에 배열된다. 스프링(32)은, 스프링이 리세스(30)의 벽 상에 지지되기 때문에, 핀(34)을 통해 밀봉 요소(36)에 예압을 가한다(preload).
또한, 밸브 하우징(29)에 대해 고정식으로 배열되며 통과(passage) 리세스(40)들을 갖는 밀봉 시트(38)가 리세스(30)에 위치된다. 밀봉 요소(36)가 밀봉 시트(38)에 대항하여 지탱되지 않을 때, 유체는 통과 리세스(40)들을 통해 유동할 수 있다.
또한, 밸브(20)는 액츄에이터(42)를 갖는다. 액츄에이터(42)는, 바람직하게는 자석 코일의 형태이다. 핀(34)은, 액츄에이터(42) 내에 부분적으로 배열되며, 액츄에이터(42)에 의해 구동될 수 있다.
펌프(10) 및 밸브(20)의 작동 모드가 하기에서 설명될 것이다:
회전 방향(D)으로의 구동 샤프트(26)의 회전 이동에 의해서, 펌프 피스톤(14)은, 상기 펌프 피스톤이 하사점(bottom dead centre)(UT)에 도달할 때까지 구동 샤프트(26)를 향해서 편심 링(28)에 의해 이동된다(또한 도 3 참조). 여기서, 밸브(20)의 상류 및 하류의 압력차 및 스프링(32)의 스프링 힘(F_1)에 기인하여, 밸브(20)가 개방된다. 밀봉 요소(36)는 밀봉 시트(38)로부터 들어올려진다(lift). 이제, 압력 챔버(16)는 유체로 채워진다. 회전 방향(D)으로의 구동 샤프트(26)의 추가의 회전 이동에 의해, 펌프 피스톤(14)이 편심 링(28)에 의해 구동 샤프트(26)로부터 멀리 이동되고, 프로세스시, 압력 챔버(16) 내에 위치된 유체를 압축한다. 미리 규정된 시간에서, 밸브(20)는 액츄에이터(42)에 인가된 전류로 인해 폐쇄되며, 이에 의해 스프링 힘(F_1)을 상쇄(counteract)시키는 액츄에이터 힘(F_2)이 핀(34)에 작용할 수 있다. 액츄에이터 힘(F_2)의 방향으로의 핀(34)의 이동 및 밸브(20)의 상류 및 하류에서 우세한 압력 조건들로 인해, 밀봉 요소(36)가 밀봉 시트(38)에 대항하여 맞닿을 수 있고, 통로 리세스(40)들을 통한 유체 유동이 방지된다. 이제, 압력 챔버(16)에서 압축되는 유체는, 그 전체로서, 출구 밸브의 형태인 추가 밸브(24)를 경유하여 펌프(10)로부터 배출될 수 있다. 이제, 펌프 피스톤(14)은 상사점(top dead centre)(OT)에 도달한다(또한, 도 3 참조).
펌프(10)가 내연 기관의 분사 시스템의 고압 연료 펌프라면, 고압식 연료(highly pressurized fuel)가 고압 연료 축압기, 이른바 커먼 레일(common rail)의 형태인 유체 축압기를 통과할 수 있다.
밸브(20)의 개방중 및 폐쇄중 양자 모두에서, 기계적으로 그리고 유압으로 유도된 노이즈들이 밸브(20)에서 생성될 수 있다. 밸브(20)의 개방 중 생성된 노이즈들은, 도 2를 기초로 하기에 설명될 것이다. 밸브의 개방 중, 제 1 단계에서, 밀봉 요소(36)는 밸브 하우징(29)(도 2b)에 대항하여 맞닿음되며, 이에 의해, 제 1 노이즈가 생성될 수 있다. 후속하여, 핀(34)은 스프링(32)의 스프링 힘(F_1)에 의해 밀봉 요소(36)의 방향으로 이동된다. 밀봉 요소(36) 및 핀(34)이 서로에 대항하여 충격을 준다면, 추가의 노이즈가 생성될 수 있다(도 2c). 핀(34) 및 밀봉 요소(36)가 일체형으로(in one piece) 함께 형성된다면, 제 1 노이즈가, 특히, 핀(34) 및 밀봉 요소(36)의 조인트 질량(mass)으로 인해, 매우 많을(very considerable) 수 있다.
밸브(20)의 제어 방법은, 비통전 상태에서 개방되는 밸브에 대하여 하기 상세에서 제공될 것이다(도 3). 이 방법이 비통전 상태에서 폐쇄되는 밸브에 대응하게 적용될 수 있다는 것은 자명하다. 이 방법의 설명에 대해서는, 이는 단지 상사점(OT)과 하사점(UT) 사이의 전류 프로파일을 설명하고자 하는 의도이다.
밸브(20)의 개방을 위해서, 미리 정해진 프로파일을 갖는 전류(I)가 액츄에이터(42)에 인가된다(도 3의 상부). 인가된 전류(I)는 시작 값(I_0)으로부터 계속 감소한다. 전류의 시작 값(I_0)에서, 액츄에이터 힘(F_2)은, 스프링 힘(F_1)보다 크다. 이에 따라, 핀(34)은 스프링 힘(F_1)에 대항하는 스프링(32)의 방향으로 푸시되며, 시작 위치(P_0)에 위치된다(도 3의 저부). 이 상태에서, 밸브(20)는 폐쇄될 수 있다(도 2a). 밸브(20)가 펌프(10)에 배열되면, 인가된 전류는, 펌프 피스톤(14)이 상사점(OT)에 도달될 때, 초기 값(I_0)을 가정한다.
추가의 작동 과정 중, 전류의 프로파일이 하나의 섹션 또는 다수의 시간적으로 연속(temporally consecutive) 섹션들을 갖도록, 전류가 액츄에이터(42)에 인가되며, 여기서 섹션들 각각에서, 전류(I)는, 처음에는 제 1 시간 간격(Δt1)에서 연속적으로 감소하고, 제 2 시간 간격(Δt2)에서 다시 연속적으로 증가한다. 제 1 섹션에서, 액츄에이터 힘(F_2)이 스프링 힘(F_1)보다 큰 시작 값(I_0)으로부터 전류의 감소들이 계속 발생한다. 미리정해진 전류값에 도달될 때까지 제 1 시간 간격(Δt1)에서 전류의 연속적인 감소가 발생한다. 추가의 프로파일에서, 제 2 시간 간격(Δt2)에서, 전류가 섹션에서 마지막 값에 도달할 때까지 다시 연속적으로 증가한다. 전류의 최종 값은, 전류의 시작 값(I_0)보다 낮다.
주기적으로 연속적인 섹션(cyclically consecutive section)들에서, 미리 정해진 전류값에 도달할 때까지, 그리고 전류값이 새로운 최종 값에 도달할 때까지 추가의 프로파일에서 다시 연속적으로 증가하기 이전에, 이전에 얻어진 전류의 최종 값으로부터 전류의 감소가 계속 발생한다. 주기적으로 연속적인 섹션들에서, 전류의 새로운 최종 값은, 각각의 경우에, 전류의 이전 최종 값보다 더 작다. 도 3에 도시된 예에서, 이 방법은 4 개의 주기적으로 연속적인 섹션들에 대해 예시된다.
본원에 예시된 실시예에서, 시간적으로 연속적인 섹션들에서의 전류의 미리정해진 프로파일은, V 형상 구성이다. 그러나, 전류의 프로파일은, 전류의 연속적인 감소 및 후속의 연속적인 감소를 갖는 임의의 다른 소망하는 형태를 또한 가질 수 있는데, 예컨대, 전류의 프로파일은 또한 하나 또는 그 초과의 섹션들의 U 형상일 수 있다.
예시된 전류 프로파일이 소정의 전류 값을 통해 통과됨에 따라, 액츄에이터 힘(F_2)은 스프링 힘(F_1)보다 낮아지며, 핀(34)은 밀봉 요소(36)를 향해 이동할 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 핀(34)의 이동의 개시는, 전류 프로파일의 제 2 섹션 중 발생한다. 핀(34)이 움직임 중인 것으로 설정되면, 전류 프로파일의 별개의(individual) 섹션들에서 전류의 각각의 증가에 의해서, 제동력이 핀(34)에 부과되는 것을 가능케 한다. 이에 따라 밀봉 요소(36)를 향한 핀(34)의 이동이 제동된다. 예시된 예에서, 핀(34)의 제동 이동이 전류 프로파일의 제 3 섹션에서 실질적으로 발생한다(도 3의 저부 참조; 비교를 위해서, 제동 이동이 없는 핀(34)의 이동의 프로파일은 대쉬선으로 예시됨).
핀(34)의 제동의 결과로서, 핀은, 종료(end) 위치(P_F)에서, 밀봉 요소(36)에 부드럽게 접촉하게 될 수 있다. 이에 의해서, 밀봉 시트(38)에 대한 밀봉 요소(36)의 위치는, 밸브(20)가 효과적인 방식으로 개방 유지될 수 있도록 고정될 수 있다. 밀봉 요소(36)를 향한 핀(34)의 느린 이동의 결과로서, 밸브(20)의 노이즈가 매우 낮게 유지될 수 있고, 그럼에도 불구하고, 밸브(20)의 신뢰가능하며 충분히 빠른 개방이 가능하다. 핀(34)의 느린 이동의 결과로서, 또한 밸브(20)의 마모가 적게 유지될 수 있다.
밸브(20)가 펌프(10)에 배열되면, 펌프 피스톤(14)이 하사점(UT)에 근접될 때, 인가된 전류는 0(zero)으로 설정된다. 이로써, 펌프(10)의 이송 단계(delivery phase)의 시작시, 연료의 이송이 보장될 수 있다.

Claims (4)

  1. 스프링 힘(F_1)을 갖는 스프링(32), 스프링 힘(F_1)을 상쇄시키는 액츄에이터 힘(F_2)을 갖는 액츄에이터(42), 및 상기 스프링(32)에 커플링되는 핀(34)을 가지며 상기 액츄에이터(42)에 의해 구동될 수 있는, 밸브(20) 제어 방법으로서,
    상기 액츄에이터(42)는 전류의 시작 값(I_0)으로부터 발생한 미리 정해진 프로파일과 함께 액츄에이터에 인가되는 전류를 가지며, 상기 프로파일에서, 핀(34)은, 시작 위치(P_0)에 있으며, 상기 위치에서, 상기 핀(34)은, 비통전(deenergized) 상태에서 개방되어 있는 밸브(20)인 경우에, 밸브(20)의 폐쇄를 허용하고, 비통전 상태에서 폐쇄되어 있는 밸브(20)인 경우에, 밸브(20)의 개방을 허용하고,
    상기 전류의 프로파일은 하나의 섹션 또는 다수의 시간적으로 연속적인 섹션들을 갖기 위해서 미리 규정되며,
    상기 섹션들의 각각은, 각각의 경우에, 전류의 시작 값, 전류의 최종 값, 연속으로 하강하는 전류 프로파일을 갖는 제 1 시간 간격(Δt1) 및 연속으로 상승하는 전류 프로파일을 갖는 시간적으로 후속의 제 2 시간 간격(Δt2)을 가지며, 상기 섹션들은, 각각의 섹션을 통해 통과한 후에, 전류의 최종 값이 전류의 시작 값보다 낮으며, 전류의 미리 정해진 프로파일을 통해 통과한 후에, 핀(34)이 종료 위치(P_F)에 있으며, 상기 종료 위치에서, 비통전 상태에서 개방된 밸브(20)의 경우에, 상기 핀은 밸브(20)의 폐쇄를 허용하지 않으며, 비통전 상태에서 폐쇄된 밸브(20)의 경우에, 상기 핀은 밸브(20)의 개방을 허용하지 않도록, 구성되는,
    밸브 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간적으로 연속적인 섹션들에서의 전류의 프로파일은, V 형상 구성인,
    밸브 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브(20)는 내연 기관의 분사 시스템에서 배열되고, 전류의 프로파일은 내연 기관의 특성값들에 따라 판정되는,
    밸브 제어 방법.
  4. 스프링 힘(F_1)을 갖는 스프링(32), 스프링 힘(F_1)을 상쇄시키는 액츄에이터 힘(F_2)을 갖는 액츄에이터(42), 및 상기 스프링(32)에 커플링되는 핀(34)을 가지며 상기 액츄에이터(42)에 의해 구동될 수 있는, 밸브(20) 제어 장치로서,
    상기 액츄에이터(42)는 전류의 시작 값(I_0)으로부터 발생한 미리 정해진 프로파일과 함께 액츄에이터에 인가되는 전류를 가지며, 상기 프로파일에서, 핀(34)은, 시작 위치(P_0)에 있으며, 상기 위치에서, 상기 핀(34)은, 비통전 상태에서 개방되어 있는 밸브(20)인 경우에, 밸브(20)의 폐쇄를 허용하고, 비통전 상태에서 폐쇄되어 있는 밸브(20)인 경우에, 밸브(20)의 개방을 허용하도록 상기 장치가 설계되며,
    상기 전류의 프로파일은 하나의 섹션 또는 다수의 시간적으로 연속적인 섹션들을 갖기 위해서 미리 규정되며,
    상기 섹션들의 각각은, 각각의 경우에, 전류의 시작 값, 전류의 최종 값, 연속으로 하강하는 전류 프로파일을 갖는 제 1 시간 간격(Δt1) 및 연속으로 상승하는 전류 프로파일을 갖는 시간적으로 후속의 제 2 시간 간격(Δt2)을 가지며, 상기 섹션들은, 각각의 섹션을 통해 통과한 후에, 전류의 최종 값이 전류의 시작 값보다 낮으며, 전류의 미리 정해진 프로파일을 통해 통과한 후에, 핀(34)이 종료 위치(P_F)에 있으며, 상기 종료 위치에서, 비통전 상태에서 개방된 밸브(20)의 경우에, 상기 핀은 밸브(20)의 폐쇄를 허용하지 않으며, 비통전 상태에서 폐쇄된 밸브(20)의 경우에, 상기 핀은 밸브(20)의 개방을 허용하지 않도록, 구성되는,
    밸브 제어 장치.
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