KR101871294B1 - 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들에서의 힘 조건들의 결정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전 프로세스에 의해 전기 전압이 노즐 니들을 구동하는 피에조 액추에이터에 증가되는, 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법에 관한 것이다. 충전 프로세스가 종료된 후에, 피에조 액추에이터의 전압이 다시 측정된다. 전압 구배가 연이은 전압 값들로부터 결정된다. 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결론들이 전압 구배들로부터 도출된다.

Description

직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들에서의 힘 조건들의 결정 방법 {METHOD FOR DETERMINING THE FORCE CONDITIONS AT THE NOZZLE NEEDLE OF A DIRECTLY DRIVEN PIEZO INJECTOR}

본 발명은 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들에서의 힘 조건들을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근 세대의 연료 분사 시스템들은 보통 커먼 레일 원리로 작용하고 종종 피에조 전기식으로 구동되는 분사기들을 갖는다. 여기서, 목표로 한 방식으로 개방 및 폐쇄될 수 있는 하나 또는 그 초과의 이러한 피에조 분사기들은 내연기관의 각각의 연소 챔버에 제공된다. 분사기들이 개방될 때, 연료는 연소 챔버의 내부로 들어가고 거기서 연소한다. 양호한 연소 및 배기 방출들을 보장하기 위해, 그리고 편안함을 위해, 분사되는 연료량은 가능한 한 정밀하게 결정되어야 한다.

WO 2009/010374 A1 은 연료 분사기의 분사 펄스를 위한 전기 제어 신호를 형성하는 방법 및 장치를 기재한다. 이러한 전기 제어 신호는 내연기관의 실린더 안으로 미리 규정된 연료량을 분사하도록 피에조 전기 액추에이터를 동작시킨다. 전기 제어 신호의 곡선을 사용하여, 연료 분사기의 분사율이 특히 연료 분사기의 개방 기간, 스트로크 이동 및/또는 레일 압력의 함수로서 조절된다. 분사될 적어도 부분 연료량을 위해, 전기 제어 신호의 곡선은 하나 이상의 펄스 플랭크 및/또는 진폭에 대하여 자유롭게 형성될 수 있다. 분사 펄스의 형태는 분사를 위해 미리 규정된 연료량이 전기 제어 신호의 곡선과 관계없이 일정하게 유지되도록 구성된다.

연료를 위한 속도(rate) 곡선을 형성할 때, 원하는 방식으로 각각의 자동차의 방출물들 및 연료 소비에 영향을 미치기 위해 엄격한 공차들 내의 혼합물 형성을 위해 내연기관에 의해 요구되는 분사량들을 유지하는 것이 중요하다.

속도 곡선의 형성에서의 하나의 본질적인 양태는 소위 부분 스트로크 작동이다. 여기서 노즐 니들은 노즐 니들의 종료 스트로크 위치(분사기는 최대로 개방됨)와 노즐 시트(분사기 폐쇄됨) 사이의 중간 위치로 유지되어 노즐을 통하는 연료 흐름 및 그러므로 혼합물 형성에 영향을 미친다.

실제로, 내연기관에 의해 요구되는 분사량이, 분사 노즐 니들 스트로크에 의존하는, 노즐을 통하는 연료 흐름의 적분으로서 보장될 수 있다는 점에서, 상기 부분 스트로크를 정밀하게 설정하고 달성하는데 문제가 있다. 이러한 문제는 부분 스트로크 작동에서, 니들 스트로크에 걸쳐, 노즐의 흐름 곡선의 가파름 때문에, 내연기관의 분사기의 작동에서 상이한 주변 조건들(압력, 온도) 하에서 분사기의 구성요소 공차들이 분사기의 풀 스트로크(full-stroke) 작동의 경우에서 보다 극단적으로 더 큰 효과를 갖기 때문에 일어난다.

내연기관들에서, 속도 곡선의 형성 및 방출물들에 대한 그의 영향의 이점들은 내연기관에 대하여 주로 연구되었으며 그 내연기관에서 실린더 압력, 다양한 온도들 및 때때로는 또한 니들 스트로크가 외부 센서들에 의해 감시되었다. 이러한 센서들의 사용은 비싸고 따라서 비용의 이유로 인해 자동차들에는 적용되지 않는다.

본 발명의 목적은 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘을 결정하기 위한 방법을 명시하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제 1 항에 주어진 특징들을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들 및 개량들은 종속 청구항들에 주어진다.

본 발명에 따르면, 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘을 결정하기 위한 방법이 제공되며, 개방 프로세스 동안 및 부분 스트로크 작동에서, 충전 프로세스에 의해 전기 전압이 노즐 니들을 구동하는 피에조 액추에이터에서 증가되고, 충전 프로세스의 종료 후에, 피에조 액추에이터에 존재하는 전압이 다시 측정되고, 전압 구배가 연이은 전압 값들로부터 결정되며, 노즐 니들 상에 작용하는 힘에 관한 결론들이 전압 구배들로부터 도출될 수 있다.

노즐 니들 상에 작용하는 힘에 관하여 결정된 정보는 유리하게는 노즐 니들의 스트로크에 관한 결론들을 도출하는데 사용될 수 있다. 노즐 니들의 스트로크에 대한 인지는 결국 피에조 분사기를 통하는 연료 흐름이 결정되는 것을 가능하게 한다. 최종적으로 분사되는 연료량은 적분 공식에 의한 연료 흐름으로부터 결정될 수 있다. 이는 결국, 비록 이러한 작동 모드에서, 니들 스트로크에 걸쳐, 노즐의 흐름 곡선의 가파름 때문에, 내연기관의 분사기의 작동에서 상이한 주변 조건들 및 분사기의 구성요소 공차들이 풀 스트로크 작동에서보다 극단적으로 더 큰 효과를 갖더라도, 작업 사이클의 종료에서, 부분 스트로크 작동의 정밀한 설정이 분사 노즐 니들 스트로크에 의존하는, 노즐을 통하는 연료 흐름의 적분으로서 내연기관에 의해 요구되는 분사량을 보장하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 유리한 특성들은 도면들을 참조하여 아래의 설명으로부터 발생한다.

도 1 은 본 발명에 따른 방법이 사용될 수 있는 피에조 분사기의 구조를 설명하는 스케치이고, 및
도 2 는 피에조 액추에이터에 존재하는 전압, 피에조 액추에이터에 존재하는 힘, 결과적인 니들 스트로크 및 결과적인 분사율의 상관 관계를 설명하는 도면들이다.

도 1 은 본 발명에 따른 방법이 사용될 수 있는 피에조 분사기의 구조를 설명하는 스케치를 나타낸다. 나타낸 피에조 분사기는 피에조 액추에이터(1), 핀(2), 레버 하우징(3), 벨(4), 레버(5), 중간 디스크(6), 노즐 니들 스프링(7), 노즐 니들(8) 및 노즐 본체(9)를 갖는다.

피에조 액추에이터(1)는 전기 전압의 인가시 팽창하는 복수의 개별 박층들로 이루어진다. 즉, 이들은 인가된 전기 전압을 기계적 작업 또는 에너지로 바꾼다. 역으로, 피에조 액추에이터 상의 기계적 영향들은 측정될 수 있는 전기 신호들을 유발한다. 피에조 액추에이터의 달성 가능한 팽창은 그의 공칭 길이, 층들의 개수, 달성되는 극화(polarization)의 품질 및 그의 전체 영역에 대한 그의 활성 영역의 비를 포함하는 파라미터들에 의존한다. 피에조 액추에이터가 충전될 때, 이는 관련되는 분사의 기간에 대한 그의 달성된 팽창 상태로 남아있는다.

도 1 에 나타낸 예시적인 실시예는 노즐 니들(8)이 피에조 액추에이터(1)에 의해 직접적으로 구동되는 피에조 분사기를 묘사한다. 이를 위해 피에조 액추에이터(1)는, 형태 끼움(form fit)에 의해 연결되는 강성 커플링 요소들인 핀(2), 벨(4) 및 니들(5)을 통하여 노즐 니들(8)에 직접적으로 연결된다. 피에조 액추에이터에 대한 노즐 니들의 이러한 직접 연결은 백 포스(back force)가 니들 이동에 의해 피에조 액추에이터에 인가되는 것을 가능하게 하며, 이는 커패시턴스 곡선에서 명백하다. 피에조 액추에이터로의 힘의 각각의 인가는 측정된 커패시턴스에서의 변경으로 표현된다.

노즐 본체(9)는 온도 의존식으로 팽창한다. 노즐 니들 스프링(7)의 목적은 노즐 니들(8)을 그의 시트(seat)에 유지하는 것이다. 노즐 본체(9)의 그의 길이방향 축선으로의 상기 팽창, 소위 노즐 신장은 최대 니들 스트로크에 영향을 미친다. 레일(도시되지 않음) 내에 지배적인 레일 압력은 또한 노즐 본체의 신장 및 노즐 니들의 압축을 야기한다.

니들 개방 프로세스에서, 먼저 피에조 액추에이터(1)가 전류의 인가에 의해 충전된다. 아이들 스트로크를 극복한 후에, 피에조 액추에이터(1)의 팽창은 핀(2)을 통하여 벨(4)로 전달되고, 핀(2)은 레버 하우징(3)으로 안내된다. 벨(4)은 레버 쌍을 형성하는 레버(5) 상의 양측들 상에서 대칭적으로 프레스한다. 이러한 레버들은 록커(rocker)의 방식으로 중간 디스크(6) 상에서 구른다. 2 개의 레버들의 각각의 접촉 지점은 노즐 니들(8)의 노치에 놓인다.

상기 설명된 메커니즘 때문에, 피에조 액추에이터(1)의 축방향 압축력이 노즐 니들(8)에 전달된다. 노즐 니들은 레버 힘이 스프링 힘과 유압 힘의 합보다 더 커지자마자 그의 시트로부터 들어올려지고, 노즐 본체(9)의 탄성은 노즐 시트가 노즐 니들을 뒤따르는 것을 더 이상 보장하지 않는다.

규정된 이동 후에, 니들 멈춤부는 중간 디스크와 충돌한다. 피에조 액추에이터(1) 상에 다시 작용하는 접촉력이 증가된다.

이러한 피에조 액추에이터(1)들에 의해 노즐 니들(8)을 그의 시트로부터 단지 부분적으로만 상승시키고 이를 소위 부분 스트로크에 유지하는 것이 가능하다. 노즐 니들과 노즐 본체 사이의 개방된 흐름 횡단면은 여기서 모든 노즐 보어들의 횡단면들의 합보다 더 작다.

도 2 는 피에조 액추에이터에 인가되는 전압, 피에조 액추에이터에 존재하는 힘, 결과적인 니들 스트로크 및 결과적인 분사율 사이의 상관 관계를 설명하는 도면들이다. 이러한 실시예의 예에서 1,000 바의 압력이, 연료가 그로부터 피에조 액추에이터에 공급되는 레일에서 지배적이며, 피에조 액추에이터는 부분 스트로크 작동으로 작업되는 것으로 가정된다.

도 2 의 a) 는 피에조 분사기에 존재하는 몇몇의 상이한 전압들에 대한, 시간(t)의 함수로서 부분 스트로크 작동 동안 피에조 분사기에 존재하는 전압(U)의 곡선을 나타낸다. 아래의 고려 사항들은 도 2 의 a) 에 나타낸 전압(U1 및 U2)들에 관한 것이다.

도 2 의 a) 로부터 피에조 분사기의 충전은 시간(t0 = 0)에서 시작하는 것이 명확하다. 충전 프로세스 동안, 피에조 액추에이터에 존재하는 전압(U1)은 최대값(M1)으로 높아진다. 이 때 충전 프로세스는 종료된다. 최대(M1)에 도달한 후에, 전압(U1)은 다시 떨어지고, 일정한 전압 값에 도달하고 시간(t2)까지 이 전압으로 남아있는다. 시간(t2)으로부터 피에조 액추에이터는 활성적으로 방전된다. 그 후 피에조 액추에이터에 존재하는 전압은 다시 0 V 로 떨어진다.

충전 프로세스 동안 전압(U2)이 피에조 액추에이터에 존재한다면, 그 후 시간(t0 = 0)으로부터 피에조 액추에이터에서의 전압은 최대값(M1)보다 낮은 최대값(M2)까지 높아진다. 최대(M2)에 도달한 후, 전압(U2)의 전압 값은 최대값(M2)에 대응하는 동일한 전압 값으로 남아있는다.

본 발명에서, 피에조 액추에이터에 존재하는 전압에 대한 도 2 의 a) 에 나타낸 곡선들은 피에조 액추에이터 상에 작용하는 힘에 관한 결론들을 도출하는데 사용된다.

이를 위해, 전압은 충전 프로세스의 종료 후에, 즉 최대값(M1 또는 M2)이 도달될 때 측정된다. 전압 구배(도 2 의 a) 의 G1 및 G2 참조)는 그 후 측정되는 연이은 전압 값들로부터 결정된다. 노즐 니들 상에 작용하는 힘에 관한 결론들은 이러한 전압 구배들로부터 도출된다. 이를 위해, 상기 전압 구배들을 사용하여, 주어진 연료 압력에 대하여 힘 값이 각각의 복수의 전압 구배들에 할당되는, 이전에 저장된 데이터베이스가 어드레스(address) 된다.

도 2 의 b) 는, 피에조 분사기에 존재하는 다중의 상이한 전압들에 대하여 다시, 시간(t)에 걸쳐 부분 스트로크 작동 동안 피에조 액추에이터 상에 작용하는 힘의 곡선을 나타낸다. 도 2 의 b) 에 나타낸 힘 곡선(K1)은 도 2 의 a) 에 나타낸 전압 곡선(U1)에 할당된다. 도 2 의 b) 에 나타낸 힘 곡선(K2)은 도 2 의 a) 에 나타낸 전압 곡선(U2)에 할당된다. 힘 곡선(K1)이 전압 곡선(U1)을 반영하고 힘 곡선(K2)이 전압 곡선(U2)을 반영하는 것이 명백하다. 따라서 U1 및 또한 K1 양쪽에 대하여, 각각의 최대에 도달한 후에 진폭 값의 명확한 떨어짐이 있어서, 연이은 전압 또는 힘 값들로부터 비롯되는 구배는 비교적 크다. 하지만 U2 및 또한 K2 에 대하여, 전압 및 힘의 연이은 값들은 서로로부터 약간 벗어나서 구배는 약 1 의 값을 갖게 된다.

이전에 저장된 데이터베이스는, 미리 규정된 압력 값에 대하여 힘 값을 각각의 복수의 전압 구배들에 할당하는 데이터 기록들을 갖는다. 결정된 전압 구배들에 의해, 결과적으로는 이러한 데이터베이스는 연관된 힘 값을 결정하도록 어드레스 될 수 있다.

결정된 힘 값들은 바람직하게는 결국 다른 이전에 저장된 데이터베이스를 어드레스 하는데 사용된다. 이러한 다른 데이터베이스는 결국, 미리 규정된 레일 압력 값에 대하여, 니들 스트로크에 대한 값을 각각의 복수의 힘 값들에 할당한다.

이는 노즐 니들의 스트로크가 시간(t)에 걸쳐 도시된 도 2 의 c) 에 도시된다. 힘(K1)에 대응하는 스트로크의 곡선은 H1 으로 나타내었고, 힘(K2)에 대응하는 스트로크의 곡선은 H2 로 나타내었다. 도 2 의 b) 와 c) 의 비교는 더 큰 힘 구배 - 곡선(K1)에서와 같은 - 가 더 큰 스트로크를 유도하지만, 더 작은 힘 구배 - 곡선(K2)에서와 같은) - 는, 곡선(H2)에 의해 도 2 의 c) 로부터 나타낸 것과 같이, 더 작은 니들 스트로크를 유도하거나 또는 심지어 니들 스트로크를 유도하지 않는 것을 나타낸다.

또한 힘-니들 스트로크 쌍과 관련하여, 레일 압력의 미리 규정된 값에 대하여, 스트로크 값이 각각의 복수의 힘 값들에 할당되는 데이터베이스가 제공된다. 이러한 데이터베이스는 그 후 연관된 스트로크 값을 결정하기 위해 힘 값에 의해 어드레스 될 수 있다.

이러한 스트로크 값으로부터 결론들이 연관된 연료 흐름 또는 연료 흐름율에 대하여 다시 도출될 수 있다. 따라서 도 2 의 d) 는 몇몇의 연료 흐름 곡선들을 나타내며, 이들 중 하나는 R1 그리고 다른 하나는 R2 로 나타낸다. 곡선(R1)은 도 2 의 c) 에 나타낸 곡선(H1)에 할당되고, 곡선(R2)은 도 2 의 c) 에 나타낸 곡선(H2)에 할당된다. 더 큰 니들 스트로크가 또한 더 큰 흐름율을 유도하는 것이 명백하다.

니들 스트로크와 흐름율 사이의 이러한 연관은, 레일 압력의 미리 규정된 값에 대하여, 연관된 흐름율 값이 각각의 복수의 스트로크 값들에 대하여 저장된, 이전에 저장된 데이터베이스에서 다시 발견된다. 레일 압력 값에 의해, 상기 데이터베이스는 연관된 흐름율 값을 결정하도록 어드레스 될 수 있다.

최종적으로 흐름율 값으로부터, 적분 공식에 의해, 결론들이 분사되는 연료량에 대해 도출될 수 있다. 분사되는 연료량에 대한 이러한 값들을 사용하여, 부분 스트로크 작동은 원하는 연료량이 항상 분사되는 것을 보장하도록 조절될 수 있다. 이는 결국 그의 방출들의 이익들에 의한 상기 부분 스트로크 제어는 전체 로드 및 회전 속도 범위에 걸쳐 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.

Claims (8)

1. 직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법에 있어서,
   - 충전 프로세스에 의해 전기 전압이 노즐 니들을 구동하는 피에조 액추에이터에서 증가되고,
   - 상기 충전 프로세스의 종료시에, 피에조 액추에이터에 존재하는 전압이 다시 측정되고,
   - 전압 구배가 연이은 전압 값들로부터 결정되고, 및
   - 상기 노즐 니들 상에 작용하는 힘에 관한 결론들은 전압 구배들로부터 도출될 수 있고,
   - 상기 노즐 니들의 스트로크에 관한 결론들은 결정된 힘 값으로부터 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   결정된 상기 전압 구배를 사용하여, 힘 값이 각각의 복수의 전압 구배들에 할당되는 데이터베이스가 어드레스 되는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   결정된 상기 힘 값을 사용하여, 스트로크 값이 각각의 복수의 힘 값들에 할당되는 데이터베이스가 어드레스 되는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   노즐 니들 스트로크로부터 연료 흐름에 관한 결론들이 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   결정된 상기 스트로크 값을 사용하여, 연료 흐름 값이 각각의 복수의 스트로크 값들에 할당되는 데이터베이스가 어드레스 되는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   분사된 연료량에 관한 결론들은 연료 흐름 값으로부터 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   분사된 상기 연료량에 관한 결론들은 연료 흐름 값의 적분의 형성에 의해 도출될 수 있는 것을 특징으로 하는,
   직접 구동식 피에조 분사기의 노즐 니들 상에 작용하는 힘의 결정 방법.
   

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