KR101851262B1 - 피에조 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

피에조 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법은, 피에조 연료 분사 밸브용 작동 장치에 의해 실행될 수 있고, 이하의 단계를 갖는다. 먼저, 셧-오프의 개시가 이른 시점에 이루어져 노즐 니들이 개방 단부 위치에 도달하지 못할만큼 짧은 작동 기간에 시험 분사가 실행된다. 상기 이른 시점은 작동에 의해 미리 정해지고, 따라서 정확하게 공지된다. 다음 단계에서, 이후 노즐 니들의 폐쇄 시간이 피에조 직접 구동부의 전기적 변수의 측정 및 평가에 의해 결정된다. 일단, 폐쇄 시간 및 셧 오프의 개시 시간이 공지되면, 실제 분사 개시는 폐쇄 시간으로부터 셧-오프의 개시를 통해 역산된다. 이에 의해, 내연 기관의 거의 모든 동작 상태에서, 실제 분사량의 충분히 정확한 결정이 가능하다.

Description

피에조 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ACTUAL START OF INJECTION OF A PIEZO FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 내연 기관용 고압 연료 분사 시스템을 위한 직접 구동부를 갖는 피에조 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 전술한 방법을 실행하기 위해 연료 분사 밸브를 작동시키기 위한 장치에 관한 것이다.
내연 기관, 특히 자동차의 디젤 기관과 불꽃 점화 기관 양자에 대한 고압 분사 시스템에 있어서, 연소 공정을 위한 연료를 계량하기 위해, 바람직하게는 전자기계적으로 활성화되는 분사 밸브가 사용된다. 내연 기관의 연료 소비, 동력 산출량, 오염 물질 배출 및 원활한 작동에 관한 내연 기관의 동작 특성으로 이루어진 지속적으로 증가하고 있는 요구사항에 부합하기 위해, 각각의 개별 연소 공정을 가능한 정밀하게 제어할 필요가 있다. 이를 위해 중요한 조건은, 높은 반복 정밀도를 갖고, 그리고 경우에 따라서는 연소 공정마다 상이한 복수의 분사, 즉 내연 기관의 개별 연소 공간에 매우 높은 작동 압력 및 높은 속도를 적용하여, 극소량의 연료를 시간의 흐름에 따라 매우 정밀하게 계량하는 것이다.
이를 가능하게 하기 위해, 밸브 니들 시트(valve needle seat)로부터 밸브 니들을 들어올림으로써, 연소실 내로 연료를 분사하기 위해 밸브의 분무 구멍이 해제되는 피에조 연료 분사 밸브로 언급되는 것이 사용된다. 이 경우에, 2개의 상이한 기능적 원리가 구분된다. 종래의 설계에 있어서, 밸브는 고압하에 있는 연료를 사용하여 활성화되며, 피에조 액추에이터는, 활성화 압력을 제어하기 위해 제어 밸브를 활성화만시키고, 노즐 니들로부터 분리된다. 상대적으로 신규한 설계의 피에조 연료 분사 밸브에는 피에조 직접 구동부가 설치되며, 노즐 니들은 전달 기구를 통해 피에조 액추에이터에 의해 직접 활성화된다. 직접 구동부를 갖춘 이러한 피에조 연료 분사 밸브의 예시적인 실시예가 문헌 DE 199 52 057 A1호 및 EP 1 760 305 A1호에 개시되어 있고, 도 1에 예시된다.
직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브는 유압 활성화(hydraulic activation)가 이루어지는 종래의 피에조 연료 분사 밸브와 비교하여, 분사 중의 노즐 니들의 스트로크 및 이에 따른 연료의 흐름율이 다양한 방식으로 제어될 수 있다고 하는 이점을 갖는다. 따라서, 이에 상응하여 피에조 액추에이터를 작동시킴으로써, 시간에 따라 다양한 방식으로 분사 프로파일을 형상화하는 것이 가능하다. 이의 일 예가 문헌 DE 10 2007 033 469 A1호에 의해 제시된다.
그러나, 이들 피에조 연료 분사 밸브 모두는 공통적으로, 사용 수명에 따른 에이징(aging)의 함수로서, 그리고 마모로 인해, 변경되기도 하는 제작 공차(fabrication tolerances)에 종속된다는 사실을 갖는다. 이들 공차는 무엇보다, 노즐 니들의 왕복 운동 및 이에 따른 밸브의 개방 거동에 영향을 미치며, 그 결과 미리 정해진 동일한 작동을 고려해 볼 때, 연료의 분사량 및 분사 시간은 쉽게 변경될 수 있는 결과를 가져오게 되며, 이는 내연 기관의 전술한 동작 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
실제로, 이 문제는 상이한 보완적인 방법들로 해결된다. IIC(Injector Individual Coding) 방법으로 언급되는 방법은, 제조 후 분사 특성에 대해 측정되어, 이에 따라 분류되는 분사 밸브를 포함한다. 이어서, 이러한 분류에 따라, 해당 보정값이 밸브 제어 공정에서 미리 정해져, 밸브 작동 공정에 고려된다.
MFMA(Minimun Fuel Mass Adaptation) 방법으로 언급되는 다른 방법은 동작 중에, 미리 정해진 사이클에서, 그리고 미리 정해진 주변 환경하에서 이루어진다. 이와 관련하여, 예를 들어, 미리 정해진 시험 분사 동안, 크랭크샤프트의 회전 속도의 변화 또는 커먼레일 내의 압력 강하와 같은 측정 가능한 시스템 변수에 기초하여, 실제 분사된 연료량에 대한 결과가 도출된다. 만일, 이 연료량이 밸브의 작동에 따라 예상되는 연료량과 상이한 경우에는, 이러한 차이로부터 보정값이 도출되고, 이어서 이 보정값이 차후의 분사 동안에 고려된다.
개별 분사의 재현 가능성을 추가로 증가시키기 위해서는, 분사량뿐만 아니라, 실제 분사 개시, 분사 프로파일 및 분사 종결에 대한 정보를 얻는 것이 도움이 된다. 본 명세서에서, 직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브의 사용은 분사의 정확성을 증가시키는 가능한 방법을 추가로 제공한다.
커패시턴스 신호로 인해, 피에조 액추에이터는 힘 입력에 대한 결론이 도출될 수 있도록 한다. 직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브의 경우에, 노즐 니들은 예를 들어 레버와 같은 강성 커플링 요소를 통해 피에조 액추에이터에 연결된다. 따라서, 노즐 니들에서의 힘 입력은 피에조 신호로 형성된다. 결과적으로, 예를 들어 노즐의 개방 공정 동안, 피에조 커패시턴스는 노즐 니들에 작용하는 대항력의 함수로서 변경된다. 노즐 니들이 미리 정해진 단부 멈춤부에 도달할 때, 예를 들어 커패시턴스 값의 상당한 점프가 존재한다. 커패시턴스 신호에 기초하여, 노즐 니들이 개방 멈춤부에 도달하는, 즉 동작점 2로 언급되는 완전히 개방되는 시간은 매우 정밀하게 결정될 수 있으며, 마찬가지로 노즐 니들이 노즐 시트 내 멈춤부에 도달하는 동작점 4(OPP4)로 언급되는 폐쇄 시간도 매우 정밀하게 결정될 수 있다.
그러나, 개방 시간에 있어서의 불충분한 커패시턴스 변화의 유의성 및 전술한 다수의 추가적인 영향으로 인해, 이러한 방법으로는 실제 개방 시간, 즉 실제 분사 개시를 충분히 정확하게 결정하는 것이 불가능하다.
따라서, 본 발명은 직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브에 있어서, 개방 시간, 즉 실제 분사 개시를 충분히 정확하게 결정하는 것이 가능한 방법을 명시하고자 하는 목적에 기초한다.
이 목적은 특허 청구항 제1항에 따른 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 개별적으로 또는 서로 결합하여 사용될 수 있는 유리한 실시예 및 개조예들이 종속 청구항의 청구 대상이다.
노즐 니들의 피에조 직접 구동부를 갖춘 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법은 이하의 단계들을 갖는다. 먼저, 셧-오프(shut off)의 개시가 조기에 이루어져 노즐 니들이 개방 단부 위치에 도달하지 못할 만큼 짧은 작동 기간에 시험 분사가 시행된다. 이는 개방 멈춤부에서 노즐 니들의 체류 시간이 발생하지 않기 위해 필요한데, 이때 체류 시간의 발생은 방법의 추가적인 실행에 바람직하지 않다.
본 명세서에서, 셧-오프의 개시는 피에조 액추에이터의 작동이 전류 흐름을 역전시키고, 이에 따라 피에조 액추에이터의 스트로크의 방향이 역전되어, 결과적으로 노즐 니들의 방향이 역전되는 시간, 즉 노즐 니들의 폐쇄의 개시이다. 이 시간은 작동 공정에 의해 미리 정해지며, 따라서 정확하게 알려져 있다.
다음 단계로, 이어서 피에조 직접 구동부의 전기적 변수를 측정 및 평가함으로써, 노즐 니들의 폐쇄 시간이 결정된다. 이를 위해 사용되는 전기적 변수는 바람직하게는, 피에조 액추에이터의 커패시턴스 값인데, 이는 상기 커패시턴스 값이 폐쇄 시간에 국소적 최소부의 형태의 중요한 프로파일을 갖기 때문이다.
일단 셧-오프의 개시 시간 및 폐쇄 시간이 알려져 있으면, 예를 들어 전형적인 실험을 통해 결정될 수 있는 폐쇄 스트로크 및 개방 스트로크에서의 노즐 니들의 스트로크 속도가 공지되는 것을 전제로, 폐쇄 시간으로부터 셧-오프의 개시 시간을 통해 개방 시간을 역산하는 것이 가능하고, 이에 따라 실제 분사 개시를 역산할 수 있다.
폐쇄 시간에 있어서 측정된 전기적 변수가 충분히 많이 발생하는 한, 역산 과정에서 발생할 수 있는 연대적 오차(chronological error)는 시험 분사를 단축함으로써, 즉 분사량을 감소시킴으로써 최소화될 수 있다. 극단적인 경우에, 분사량은 영까지 감소될 수 있다. 이는 폐쇄력을 완화하지만 여전히 시트로부터 들어 올려지지는 않는 방식으로의 노즐 니들의 작동에 대응한다. 결과적으로, 예를 들어 기준 측정 동안, 노즐 니들의 개방 속도와 폐쇄 속도를 벗어남에 따른 오류가 제거될 수 있다.
직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브를 작동시키기 위한 장치는 무엇보다 연산 유닛 및 메모리 유닛을 구비한다. 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이 장치, 예를 들어 메모리 유닛에 저장된다. 이 컴퓨터 프로그램은 프로그램이 연산 유닛 상에서 실행될 때, 전술한 바와 같은, 피에조 직접 구동부를 갖춘 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법을 실행하는 역할을 한다. 작동용 장치는 상위 개념의 제어 장치, 예를 들어 엔진 제어부의 일부로서 실현될 수 있다. 복수의 실린더를 갖는 내연 기관의 경우에, 실린더마다 각각의 피에조 연료 분사 밸브를 작동시키기 위해 지정된 장치를 제공하거나, 대안적으로 모든 실린더를 통합적으로 책임지고, 각각의 실린더의 개별 피에조 연료 분사 밸브를 제공하는 작동 장치를 제공하는 것이 가능하다.
따라서, 실제 분사 개시의 시간은 본 발명으로 용이하고 매우 정밀하게 결정될 수 있다. 또한, 셧-오프의 개시의 시간 및 폐쇄 시간이 알려진 후에, 노즐 니들의 스트로크 높이 및 실제 개방 기간도 결정될 수 있다. 또한, 예를 들어 레일 압력과 같은 추가적인 측정 변수를 사용함으로써, 실제로 분사된 연료량이 컴퓨터로 결정될 수 있으며, 경우에 따라서 특성 요인도(characteristic diagram)를 사용하여 결정될 수 있다. 시험 분사 동안의 설정치 연료량과 실제 연료량의 후속 비교를 통해, 추가적인 동작 동안의 분사 정확성을 증가시키는데 사용되는 해당 보정값을 결정하는 것이 가능하다.
유리한 개선안들이 종속 청구항에 개시된다.
지정된 피에조 액추에이터의 전기 공급 접속부에서 측정될 수 있는 전기 커패시턴스(C)는 유리하게는, 평가를 위해 채용될 피에조 직접 구동부의 전기적 변수로서 사용될 수 있다. 이는 노즐 니들의 폐쇄 시간(TS)의 정확한 결정을 가능하게 하는데, 그 이유는 이러한 값이 이 시간에, 동작점 4(OPP4)로도 언급되고, 높은 수준의 신호 프로파일의 신뢰성을 갖고 인식될 수 있는 특히 중요한 프로파일을 갖기 때문이다.
연산 프로파일에 있어서, 니들의 폐쇄 기간(TS)으로서의 폐쇄 시간(TS)과 미리 정해진 셧-오프 개시의 미리 정해진 시간(TA) 사이의 기간을 결정하는 것이 용이하게 가능한데, 이는 이들 2개의 시간이 프로파일 내에서 서로 추종하고, 이들 2개의 시점 사이의 시간 간격이 폐쇄 기간(tS)을 구성하기 때문이다.
노즐 니들의 폐쇄 기간(tS)과 개방 기간(tO)이 서로에 대해 공지된 비로 존재한다는 조건하에서, 역산 동안, 이 비를 반영하는 해당 비례 인자(FP)와의 결합에 의해 폐쇄 기간(tS)에 기초하여, 니들의 개방 기간(tO)을 결정하는 것이 가능하다.
이러한 비례 인자(FP)는 노즐 니들의 폐쇄 속도(VS)와 개방 속도(VO) 사이의 비로부터 용이하게 결정될 수 있다. 이 비는 개방 스트로크에 대한 노즐 니들의 스트로크 높이의 방정식 (hO = tO × VO) 및 폐쇄 스트로크에 대한 노즐 니들의 스트로크 높이의 방정식 (hS = tS × VS)이 동등할 때, 폐쇄 기간에 대한 개방 기간의 비 (tO/tS = VS/VO 또는 FP = VS/VO)로부터 얻어진다. 이와 관련하여, 개방 속도 및 폐쇄 속도는 공지된, 가능한 미리 측정된 변수인 것으로 상정된다.
따라서, 실제 분사 개시는 폐쇄 시간(TS)에서 폐쇄 기간(tS)과 개방 기간(tO)을 뺀 것에 기초하여 결정될 수 있으며, 이들 시간의 합은 실제 분사 기간(tE)을 나타낸다.
전술한 방법의 추가적인 개선은, 관련된 비례 인자가 연료 분사 밸브의 작동 압력의 함수로서, 즉 예를 들어 차후의 실제 동작 시에 발생할 수 있는 압력 범위 내의 여러 작동 압력에서, 미리 여러 차례 시행을 통해 결정되고, 현재의 작동 압력을 고려하면서, 상기 비례 인자가 실제 분사 개시의 연산을 위해 동작 동안 특성 요인도에서 사용될 수 있다는 점에서 달성될 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어 작동 온도 또는 마모의 상태와 같은, 비례 인자가 종속 관계를 갖는 다른 동작 변수를 고려하는 것도 가능하다.
비례 인자는 전형적으로, 예를 들어 여러 시행을 통해 연료 분사 밸브의 구조적으로 동일한 패턴을 기초로 하여 결정될 수 있으며, 모든 구조적으로 동일한 연료 분사 밸브에 대해 미리 정해질 수 있다. 그러나, 시험 벤치 상의 임의의 연료 분사 밸브의 제조 공정에 뒤이어, 이러한 개별 밸브에 대해 유효한 비례 인자를 결정하고, 이들을 이러한 밸브에 대해 구체적으로 이용할 수 있도록 하는 것도 가능하다. 이를 위해, 결정되는 값들은 각각의 특성 요인도에서 결합되고, 밸브를 작동시키기 위한 장치의 메모리 유닛에 저장된다. 이들 측정값들은 정확도를 증가시키고, 청구된 방법의 사용 분야를, 동작 동안 변경되는 작동 압력의 영향이 실제 분사 개시의 결정에 고려될 수도 있을 정도로 확장시킨다. 따라서, 방법들이 정밀하게 실행되기 위해, 우선적으로 작동 압력에 대한 특정 주변 조건을 조성할 필요는 없다.
본 발명의 예시적인 실시예가 도면의 예시를 참조하여 이하 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브의 3차원 단면도를 도시한다.
도 2는 전형적인 분사 사이클에 대한 피에조 연료 분사 밸브에서의 다양한 신호 변수 및 측정 변수의 연대적 프로파일의 예시에 따른 도표를 도시한다.
도 3은 시험 분사 동안, 노즐 니들의 스트로크 이동에 대한 피에조 액추에이터의 중요한 전기적 신호, 전류, 전압 및 커패시턴스의 연대적 프로파일의 예시에 따른 도표를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 5는 피에조 직접 구동부를 갖는 연료 분사 밸브를 작동시키기 위한 장치의 배열의 예시적인 실시예의 단순화된 예시를 도시한다.
기능 및 명칭의 측면에서 동일한 부분은 도면에서 동일한 도면부호로 표기된다.
도 1은 직접 구동부를 갖춘 피에조 연료 분사 밸브(1)의 기본 설계를 도시한 반면, 도 4에서는 그 배열이 내연 기관의 전체 시스템에 예시된다. 피에조 연료 분사 밸브(1)는 본질적으로, 3개의 기능 유닛, 즉 액추에이터 유닛(2), 증폭기 유닛(3) 및 노즐 유닛(4)으로 구성된다. 액추에이터 유닛(2)은, 스프링 슬리브(10)에 수용되고, 접속 플러그(14)를 가지며, 액추에이터 하우징(12) 내에 배열되는 피에조 요소(11)를 갖는다. 누설 복귀 유동 접속부(15) 및 연료 필터(16)와의 고압 접속부(17), 및 제어 접속부(18)가 액추에이터 하우징(12)의 상단부에 배열된다. 설치된 상태에서, 피에조 연료 분사 밸브(1)는 고압 연료 라인을 통해 고압 접속부(17)를 개재하여 커먼 레일(26)에 접속된다. 그 후, 연료가 연료 필터(16) 및 고압 유입 덕트(13)를 통해 노즐 유닛(4)으로 안내된다. 설치된 상태에서, 피에조 연료 분사 밸브(1), 특히 피에조 요소(11)는 제어 접속부(18) 및 이에 접속되는 제어 신호 라인(39)을 통해 지정된 제어 장치(30)에 접속된다.
증폭기 유닛(3)은 활성화 벨(8)로서 언급되는 것과 피에조 요소(11) 사이의 전달 요소로 작용하는 활성화 핀(9)으로 구성된다. 이로 인해, 활성화 벨(8)은 그 자체가 노즐 니들(6)의 후방 단부에 작용하는 활성화 레버(7)와 기계적으로 접촉한다.
노즐 니들(6)은, 노즐 유닛(4)과 연관되고, 노즐 케이싱(5) 내에 배열된다. 말단부를 갖는 노즐 니들(6)을 노즐 케이싱(5)의 말단부의 밸브 시트로 가압하여 밸브가 폐쇄된 상태를 유지하도록 하는 압력 스프링이 노즐 니들(6)에 작용한다.
분사 밸브를 개방하기 위해, 이제 충전 전류가 제어 장치로부터 제어 접속부(18)를 통해 피에조 요소(11)로 공급된다. 따라서, 피에조 요소(11)가 확장되어, 활성화 핀(9)에 의해 활성화 벨(8)을 가압한다. 이어서, 활성화 벨(8)이 활성화 레버(7)의 외측 단부 상에 지지되어, 이들 단부를 노즐 말단부의 방향으로 "하방"으로 가압한다. 활성화 레버(7)는 중간 플레이트 상에 로커식으로 지지되고, 노즐 니들의 단부에 있는 버섯 형상의 요홈부 아래에서 각각의 다른 내측 단부와 결합한다. 활성화 레버(7)의 외측 단부의 하방 가압으로 인해 내측 단부가 로커식으로 액추에이터 유닛(2)의 방향으로 들어 올려지게 되며, 이에 따라 노즐 니들(6), 특히 노즐 니들의 말단부가 시트로부터 들어 올려지게 되고, 그 결과로서 노즐의 말단부에서 밸브가 개방되어, 연료가 내연 기관(20)의 관련 연소실 내로 분사된다. 이에 의해 달성될 수 있는 노즐 니들(6)의 최대 스트로크는 중간 플레이트에 대한 멈춤부에 의해 제한된다.
분사 밸브를 폐쇄하기 위해, 이제 제어 장치(30)에 의해 피에조 요소(11)로의 전류의 흐름이 반전되며, 이에 따라 상기 피에조 요소(11)가 방전되어 단축된다. 이 공정의 개시 시에, 활성화 핀(9)이 피에조 요소(11)에 작용하는 힘이 최소로 떨어짐에 따라, 피에조 요소는 고속으로 단축된다. 방전이 진행됨에 따라, 피에조 요소(11)의 단축 속도가 느려진다. 반대로, 노즐 니들(6)은 압축 스프링에 의해 노즐의 말단부에 있는 노즐 시트의 방향으로 가속되고, 활성화 벨(8)은 활성화 핀(9)과 함께 반대 방향으로 가속된다. 따라서, 활성화 핀(9)을 통해 피에조 요소(11)에 작용하는 힘은 노즐 니들(6)이 그 시트의 멈춤부에 맞닿을 때까지 다시 증가한다. 여기서, 핀 이동이 급하게 종결되고, 유사하게 활성화 핀(9)과 피에조 요소(11) 사이의 힘이 다시 급격하게 떨어진다. 이제, 본 발명에 따른 방법을 실행함에 있어 중요한 것은 피에조 요소의 전기 접속 플러그(14)에서 측정되는 커패시턴스 값이 피에조 요소(11)에 작용하는 힘에 반비례하여 거동한다는 점을 인지하는 것이다.
피에조 연료 분사 밸브의 다양한 신호 변수와 측정 변수 사이의 관계, 전압(U), 커패시턴스(C), 니들 스트로크(h) 및 분사율(R)이 도 2에 예시된다. 전술한 관계를 인지할 수 있도록, 4개의 상이한 프로파일 도표가 대응하는 수평 시간 축에 대해 적층식으로 배열되어 있다. 전압 도표에서 P1, P2 및 M으로 표시된 2번의 짧은 예비-분사 및 상대적으로 긴 주 분사를 갖는 통상적 분사 사이클 동안의 개별 변수 각각의 측정된 값 프로파일이 예시된다. 전압 곡선(U), 스트로크 곡선(h) 및 분사율 곡선(R)은 직접적으로 관련되며, 전압 곡선과 다른 두 개의 곡선 사이의 연대적 오프셋을 볼 수 있다. 이와 달리, 커패시턴스 곡선(C)의 프로파일은 다른 곡선 프로파일과 현저하게 상이하다. 여기서, 각 경우에 있어서 중요한 것은 동작점 4(OPP4)로서 표시된 국소적 최소부이며, 이는 노즐 니들(6)이 그 시트의 멈춤부에 도달하여, 밸브가 완전히 폐쇄된 시간을 반영한다. 커패시턴스 프로파일(C) 내의 OPP2로 특정되는 추가적인 동작점 2는 노즐 니들(6)이 완전 개방된 경우에 최대 스트로크에 도달하여, "개방 멈춤부"에 대항해 멈추게 되는 시간을 반영한다[스트로크 곡선(h) 참조]. 커패시턴스 곡선(C)은 각 경우에, 노즐 니들의 폐쇄 시간에 정확하게 매우 중요한 국소적 최소부, OPP4를 가지며, 연대적 위치의 국소적 최소부는 측정 수단에 의해 명확하게 그리고 높은 수준의 신뢰성으로 검출될 수 있다는 것이 명확하다.
이어서, 도 3은 피에조 연료 분사 밸브의 결정적인 측정 변수, 전류 프로파일(I), 전압 프로파일(U), 커패시턴스 프로파일(C) 및 스트로크 이동 프로파일(h)의 4개의 도표를 적층식 연대적 관계로 예시한다. 그러나, 본 발명에 따른 시험 분사 동안의 신호 프로파일은 본 명세서에서 연대적으로 비교적 높은 분해도로 예시되며, 본 발명에 따른 방법에 있어 중요한 시간 및 기간이 표시된다. 특히, 셧-오프 시간(TA)은 전류 프로파일 곡선(I)에서 특이점으로서 중요하다. 상기 특이점은 전류 프로파일 곡선의 영점 교차점에서 전류 값의 부호의 변경을 특징으로 한다. 이 시간까지, 피에조 요소(11)는 충전되어 확장되고, 이 시간부터, 다시 방전되어 수축된다.
이를 고려할 때, 전압 프로파일 곡선(U)은 부수적 의의를 가지며, 전압 곡선 프로파일의 구배가 부호를 변경시키는 시점에서 셧-오프 시간(TA)을 판독하는 것 역시 가능하다.
특히, 동작점 4(OPP4)로서 언급되는 것이 커패시턴스 프로파일 곡선에서 중요하다. 상기 동작점 4는, 커패시턴스 프로파일 곡선의 국소적 최소부의 특징이 되며, 폐쇄 시간(TS)과 일치한다.
이에 따라 공지되는 2개의 시간(TA 및 TS)로부터, 개방 시간(TO), 즉 실제 분사 개시를 역산하는 것이 스트로크 이동 프로파일 곡선(h)에 예시된다. 커패시턴스 프로파일 도표 및 스트로크 프로파일 도표 내에서 점선으로 표시된 곡선 프로파일은 본 명세서에서 상대적으로 짧은 폐쇄 시간의 경우의 곡선 프로파일의 특징이 된다. 상기 방법의 프로파일이 상기 방법의 하나의 가능한 실시예인 도 4에 예로서 예시된 블록도와 함께 이하 설명된다.
먼저, 방법 단계(S1)에서, 시험 분사가 실행된다. 이는 작동 기간(tAN) 동안의 피에조 요소(11)의 작동인 개별 단계(S11) 및 셧-오프 기간(tAB) 동안 피에조 요소(11)를 셧-오프시키는 단계(S12)로 구성된다. 이와 관련하여, 작동 기간(tAN)은 노즐 니들(6)이 절대로 개방 단부 위치에 도달하지 않을 정도로 짧도록 정해진다. 미리 정해진 셧-오프 시간(TA)에, 피에조 요소(11)는 셧-오프 기간(tAB) 동안 전류의 흐름을 역전시킴으로써 단계(S12)에서 다시 방전된다. 셧-오프 시간(TA)은 이 목적에 대비한 메모리 유닛(32)의 메모리 영역에 기록된다.
방법 단계(S2)에서, 커패시턴스 값(C)는 먼저, 시험 분사 동안 개별 단계(S21)에서 방법 단계(S1)에 병행하여 측정된다. 개별 단계(S22)에서, 기록되는 커패시턴스 프로파일 곡선은 동작점 4(OPP4)를 분리하기 위해 평가되며, 이로부터 개별 단계(S23)에서 노즐 니들(6)의 실제 폐쇄 시간(TS)이 결정된다.
이어서, 추가적인 방법 단계(S3)에서, 실제 분사 개시에 대한 역산이 이루어진다. 이를 위해, 개별 단계(S31)에서, 노즐 니들(6)의 폐쇄 기간(ts)이 먼저, 폐쇄 시간(TS)과 셧-오프 시간(TA) 사이의 차이로서 계산된다. 다음 개별 단계(S32)에서, 폐쇄 기간(ts)에 기초하여, 개방 기간(t0)이 결정된다. 이는 기본적으로 상이한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시간에 따른 노즐 니들(6)의 폐쇄 스트로크의 구배, 즉 폐쇄 속도(VS)가 개방 스트로크의 구배, 즉 개방 속도(V0)에 대응하는 것으로 간단히 대략적으로 상정된다면, 개방 기간(tO)은 폐쇄 기간(tS)과 동일한 길이를 갖는다. 이러한 간단한 경우 역시 도 3에 예시된다.
그러나, 도 3은 또한, 원칙적으로 상이한 개방 속도 및 폐쇄 속도에서 개방 기간의 계산이 어떻게 이루어질 수 있는지를 보여준다. 폐쇄 시간(TS)으로부터, 노즐 니들의 스트로크 이동(hS)이, 공지된 것으로 간주되는 페쇄 속도(VS) 및 (hS = VS * tS에 따라) 결정된 폐쇄 기간(tS)으로 결정되며, 폐쇄 스트로크는 개방 스트로크와 동등한 것으로 설정된다 (hS = h0). 이어서, 노즐 니들의 스트로크 이동(hO)으로부터, 공지된 것으로 간주되는 개방 속도(V0)로 (tO = hO/VO에 따라) 개방 기간(tO)을 결정하는 것이 가능하다.
분사 밸브에서의 압력비 및 기계적 조건으로 인해, 노즐 니들의 폐쇄 속도(VS) 및 개방 속도(VO)가 상이할 가능성이 높다. 만일, 폐쇄 속도와 개방 속도가 동일하지는 않지만, 서로에 대한 특정 비의 관계가 있는 것으로 전제한다면, 이 비를 나타내는 비례 인자(FP)를 계산에 사용하는 것을 고려할 수 있다. 이는 다음과 같이, 폐쇄 스트로크와 개방 스트로크에 대한 공식을 동등화하여 얻어진다.
hS = VS * tS, hO = VO * tO 및 hS = hO 로부터
VO * tO = VS * tS => tO = tS * VS/VO 을 얻을 수 있으며,
여기서, VS/VO = FP 이므로, 결과적으로, t O = t S * F P 이 얻어진다.
예를 들어, 마찰과 같은 기계적 조건 및 압력비가 동작 온도 및 레일 동작 압력의 함수로서 변경될 수 있기 때문에, 경우에 따라서는 고정된 비례 인자(FP)를 사용하는 방안은 실제 분사 개시의 역산 시 부정확한 결과를 초래한다. 따라서, 계산의 정확성을 높이기 위해, 분사 밸브의 각각의 동작점에 대한 역산을 위한 관련 비례 인자(FP)를 제공하는 메모리 유닛(32)의 메모리 영역 내 비례 인자에 대한 특성 요인도를 이용하는 것이 가능하다.
고정적으로 미리 정해진 비례 인자 또는 비례 인자에 대한 특성 요인도는 요구되는 정확성에 따라, 여러 시도를 통해 대표적으로 피에조 연료 분사 밸브의 모델 시리즈에 대해 한 차례 결정되어, 이용될 수 있다. 그러나, 정확성의 증가를 위해, 제조 공정의 범주 내에서 각각의 개별 피에조 연료 분사 밸브에 대한 해당 특성 요인도를 생성하고, 이를 피에조 연료 분사 밸브에 공급하여, 동작 동안 피에조 연료 분사 밸브를 작동시키기 위해, 제어 장치(30)의 메모리 유닛(32)에서 이용하는 것을 고려할 수 있다.
이어서, 상기 방법의 다음의 부분적인 단계(S33)에서, 폐쇄 기간(tS)과 개방 기간(tO)을 추가하여 분사 기간(tE)이 결정된다. 최종의 부분적인 단계(S34)에서, 개방 시간(TO) 및 이에 따라 실제 분사 개시가 폐쇄 시간(TS)으로부터 분사 기간(tE)을 뺌으로써 결정된다.
이어서, 개방 시간으로부터 시험 분사의 개시 시간까지 역산이 이루어지면, 전달 기구의 아이들 스트로크의 측정값인 지연 기간(tV)이 추가로 얻어진다.
도 5는 내연 기관(20)과의 전체 배열에 있어서, 피에조 연료 분사 밸브(1)를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 장치(30)의 배열을 도시한다. 제어 장치(30)는 신호 수신기 모듈(33) 및 신호 발생기 모듈(34)뿐만 아니라, 연산 유닛(31) 및 메모리 유닛(32)을 갖는다. 제어 장치(30)는 실제 분사 개시를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다. 이를 위해, 연산 유닛(31) 상에서의 실행 시, 신호 수신기 모듈(33) 및 신호 발생기 모듈(34)에 접속하여 상기 방법을 실행하는 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이 메모리 유닛에 저장된다. 이를 위해, 제어 장치(30)는 또한, 피에조 제어 측정 라인(40)을 통해 피에조 연료 분사 밸브(1)의 제어 접속부(18)에 접속된다.
피에조 제어 측정 라인(40)의 접속은 제어 장치(30)의 신호 수신기 모듈(33) 및 신호 발생기 모듈(34)에 동시에 지정된다. 피에조 제어 측정 라인(40)은 본 발명에 따른 방법의 범주 내에서 시험 분사를 실행하기 위해, 제어 장치(30)로부터 피에조 연료 분사 밸브(1)로 작동 신호를 전달하는 것과, 커패시턴스를 나타내는 측정 신호를 피에조 연료 분사 밸브(1)의 피에조 요소(11)로부터 제어 장치(30)로 전달하는 것을 동시에 제공한다. 그러나, 다른 실시예에서는, 별도의 제어 및 센서 신호 라인이 피에조 연료 분사 밸브에 제공될 수도 있다.
피에조 연료 분사 밸브(1)는 내연 기관(20)의 실린더 헤드에 배열되고, 제어 접속부(18)뿐만 아니라 고압 접속부(17) 및 누설 복귀 유동 접속부(15)를 갖는다. 피에조 연료 분사 밸브(1)는 고압 접속부(17)를 통해 고압 분사 시스템의 커먼 레일(26)에 유압 접속된다. 피에조 연료 분사 밸브(1)는 누설 복귀 유동 접속부(15) 및 연료 복귀 라인(27)을 통해 연료 탱크(21)에 유압 접속된다. 피에조 연료 분사 밸브(1)의 영구적인 누설에 의해 야기되는 연료의 복귀 유동이 이 접속부를 통해 다시 연료 탱크(21)로 복귀 공급된다.
커먼 레일(26)에는 고압 펌프(24)에 의해 연료 탱크(21)로부터 연료 공급 라인(22)을 통해 고압 수준의 연료가 공급된다. 고압 펌프(24)는 연료 공급 라인(22) 내 상류측에 계량 밸브(23) 및 상기 연료 공급 라인(22) 내 하류측에 압력 제어 밸브(25)가 배정되어 있다. 커먼 레일(26)의 필요 동작 고압은 계량 밸브(23), 고압 펌프(24) 및 압력 제어 밸브(25)에 의해 설정된다. 레일 압력 센서(37)는 커먼 레일(26) 상에 배열된다. 레일 압력 센서(37)는 센서 신호 라인(38) 및 센서 신호 입력(35)을 통해 제어 장치(30)의 신호 수신기 모듈(33)에 전기적으로 접속되고, 상기 레일 압력 센서(37)는 압력을 제어하는데 필요한 압력 측정 신호를 제어 장치(30)에서 사용할 수 있도록 한다.
제어 신호 출력(36) 및 해당 제어 신호 라인(39)을 통해, 제어 장치(30)는 고압 펌프(24), 계량 밸브(23) 및 압력 제어 밸브(25)에 전기적으로 접속되어 이들 구성요소를 작동시킨다.
압력 제어 밸브는 또한, 압력 제어 공정 동안 발생하는 연료 유출을 다시 연료 탱크(21)로 복귀시키기 위해, 연료 복귀 라인(27)에 접속된다.

Claims (8)

  1. 노즐 니들(nozzle needle)의 피에조 직접 구동부를 갖는 연료 분사 밸브의 실제 분사 개시를 결정하기 위한 방법으로서,
    셧-오프(shut-off)의 개시가 너무 조기에 이루어져 상기 노즐 니들이 개방 단부 위치에 도달하지 못할 만큼 짧은 작동 기간에 시험 분사를 실행하는 단계와,
    상기 피에조 직접 구동부의 전기적 변수를 측정 및 평가하여, 상기 노즐 니들의 폐쇄 시간을 결정하는 단계와,
    상기 폐쇄 시간으로부터 상기 셧-오프의 개시를 통해 실제 분사 개시까지 역산하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피에조 직접 구동부의 전기적 변수는 지정된 피에조 액추에이터의 전기 공급 접속부에서 측정될 수 있는 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 역산 단계 동안, 미리 정해진 셧-오프의 개시와 상기 폐쇄 시간 사이의 기간이 상기 니들의 폐쇄 기간으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 역산 단계 동안, 상기 니들의 개방 기간은 비례 인자와의 조합에 의해 상기 폐쇄 기간에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비례 인자는 상기 노즐 니들의 폐쇄 속도와 개방 속도 사이의 비로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 실제 분사 개시는 상기 폐쇄 시간에서 상기 폐쇄 기간과 상기 개방 기간을 뺌으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    관련된 상기 비례 인자는, 상기 실제 분사 개시를 계산하기 위해, 연료 분사 밸브의 작동 압력 및/또는 다른 동작 변수의 함수로서 미리 결정되고, 동작 동안 특성 요인도(characteristic diagram)에서 이용 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 피에조 직접 구동부를 갖는 연료 분사 밸브를 작동하기 위한 장치로서,
    연산 유닛과 메모리 유닛을 갖고, 그리고 상기 연산 유닛 상에서의 실행 시 제 1 항 또는 제 2 항의 특징들을 갖는 방법을 실행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 저장된 컴퓨터 프로그램을 갖는 장치.
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