KR102001333B1 - 내연 엔진의 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 압전 액추에이터를 작동시키는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연 엔진의 연료 분사 시스템의, 압전 액추에이터 및 노즐 니들을 갖는 분사 밸브를 작동시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 제어 유닛은, 연속적인 분사 사이클에서, 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 실제 행정 높이를 변경하기 위한 제어 신호를 출력한다. 본 발명은, 상기 제어 유닛이, 상기 압전 액추에이터의 온도에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 커패시턴스의 온도 의존성을 보상하기 위해, 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이를 변경하는 것을 특징으로 한다.

Description

내연 엔진의 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 압전 액추에이터를 작동시키는 방법 및 장치
본 발명은 내연 엔진의 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 압전 액추에이터를 작동시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료 분사 시스템의 분사 밸브는 미리 정해진 양의 가압 연료를 내연 엔진의 실린더 내로 가능한 한 정확히 분사하기 위해 미리 정해진 시점에서 가능한 한 정확히 다시 개폐되도록 작동되는 것으로 이미 알려져 있다. 이러한 방식으로, 또한 가능하게는 분사 사이클 내의 주 분사에 더하여 추가적인 사전 분사 및/또는 사후 분사를 사용함으로써, 내연 엔진의 효율이 증가될 수 있고, 배기 가스 및 소음 배출이 동시에 감소될 수 있다.
일반적으로 분사기(injector)라고도 지칭되는 분사 밸브는 분사기를 개폐시키기 위해 구동부에 의해 이동될 수 있는 폐쇄 부재를 갖는다. 분사가 수행되지 않는 분사기의 폐쇄된 상태에서, 폐쇄 부재는 분사기의 모든 분사 개구를 폐쇄하는 폐쇄된 위치에 위치된다. 구동부에 의해, 폐쇄 부재는 그 폐쇄된 위치로부터 진행하여 상승됨으로써 적어도 일부의 분사 개구를 개방하여 분사를 개시할 수 있다.
폐쇄 부재는 일반적으로 노즐 니들(nozzle needle)을 갖거나 또는 일반적으로 노즐 니들로 설계된다. 그 폐쇄된 위치에서, 상기 노즐 니들은 분사기의 니들 안착부(needle seat)에 안착된다. 분사기의 구동부는, 폐쇄 부재를 이동시키기 위해, 액추에이터를 포함하고, 이 액추에이터는, 제어 신호에 의존하는 방식으로, 폐쇄 부재를 폐쇄된 위치로부터 행정 높이까지 상승시키고, 상기 폐쇄 부재를 상기 행정 높이에 유지하고, 및/또는 폐쇄 부재를 폐쇄된 위치로 다시 이동시키도록 설계된다. 예를 들어, 상기 액추에이터는 전기 충전 또는 방전 공정으로 인해 팽창 또는 수축하여 폐쇄 부재의 행정 또는 폐쇄 운동을 개시하는 압전 소자(piezo element)에 의해 제공될 수 있다. 압전 액추에이터라고도 지칭되는 이러한 액추에이터는 특히 폐쇄 부재를 정밀하고 지연 없는 이동시키는데 매우 적합하다. 이것은 특히 압전 액추에이터와 폐쇄 부재 사이에 힘을 직접 및 지연 없이 전달할 수 있는 소위 직접 구동 압전 분사기의 경우이다.
DE 10 2011 075 732 A1은 분사 밸브 및 분사 시스템을 조절하는 방법을 개시했다. 상기 알려진 방법에서, 분사 사이클을 반복할 때 및 분사 밸브의 폐쇄 부재의 설정점 행정 높이(setpoint stroke height)에 의존하는 방식으로, 각 경우에 분사 밸브의 구동부를 작동시키기 위한 적어도 하나의 제어 신호가 생성되고, 상기 구동부는 폐쇄 부재를 설정점 행정 높이까지 상승시키기 위해 제어 신호에 의해 작동되고, 폐쇄 부재는 구동부에 의해 실제 행정 높이까지 상승되고, 여기서 실제 행정 높이와 상관성이 있는 적어도 하나의 측정 변수가 검출되고, 상기 적어도 하나의 측정 변수에 의존하는 방식으로 상기 실제 행정 높이가 결정되며, 상기 제어 신호는, 설정점 행정 높이로부터 실제 행정 높이의 편차에 의존하는 방식으로, 후속 분사 사이클들 중 적어도 하나의 분사 사이클에서 생성된다.
본 발명의 목적은 내연 엔진의 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 압전 액추에이터를 작동시키는 방법을 제공하는 것이고, 본 방법은 실제 동작시 발생하는 조건에 더 적합하다.
상기 목적은 청구항 1에 제시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예 및 개선은 종속 청구항에 제시된다.
본 발명에서, 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 압전 액추에이터의 작동은 일반적으로 엔진 온도로부터 추론될 수 있는 분사기 온도에 의존하는 방식으로 수행된다. 고온 분사기(hot injector)로 동작하는 경우, 최대 니들 행정이 달성되어 밸브 니들을 완전히 디스로틀링(dethrottling)하여 최대 연료 관통 흐름(fuel throughflow)을 달성하도록 압전 액추에이터가 작동된다. 저온 분사기(cold injector)로 동작하는 경우, 니들 행정이 최대가 아니어서 밸브 니들을 완전히 디스로틀링하는 것이 달성되지 않아 연료 관통 흐름이 감소되도록 압전 액추에이터가 작동된다. 상기 감소된 연료 관통 흐름은 압전 액추에이터의 작동 지속 시간을 증가시키는 것에 의해 보상된다.
이러한 접근법의 장점은 특히, 연료 분사 시스템의 작동 하드웨어가, 고온 동작 동안, 완전한 디스로틀링을 위해 최대 니들 행정을 보장하여 최대 연료 관통 흐름을 보장할 수 있도록 설계되면 된다는 것이다. 저온 동작 동안, 연료 분사 시스템의 작동 하드웨어에 대한 요구 조건이 감소된다. 그 결과, 이러한 접근법은 연료 분사 시스템의 작동 하드웨어에 대한 전기적 요구 조건이 감소될 수 있게 한다. 이것은, 관련된 출력 스테이지를 포함하는 연료 분사 시스템의 전자 제어 유닛이 작동 하드웨어인 저비용의 작동 하드웨어를 연료 분사 시스템에 사용할 수 있게 한다.
본 발명의 추가적인 유리한 특성은 이하의 도면에 기초하여 아래 상세한 설명으로부터 드러날 것이다.
도 1은 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 개략도;
도 2는 압전 액추에이터의 커패시턴스 대 온도의 프로파일을 나타내는 다이어그램;
도 3은 압전 액추에이터의 작동 전압 대 온도의 프로파일을 나타내는 다이어그램; 및
도 4는 밸브 니들의 폐쇄 단계를 나타내는 다이어그램.
도 1은 연료 분사 시스템의 분사 밸브의 개략도이다. 예시된 분사 밸브(1)는 도시된 예시적인 실시예에서 다중 부재로 구성된 형태인 분사기 몸체(2)를 갖는다. 분사기 몸체(2)는 상부 부분에 액추에이터 리세스(2a)를 갖고, 이 액추에이터 리세스 내에 압전 액추에이터(3)가 배열된다. 더욱이, 분사기 몸체(2)는 전달 핀 리세스(2b)를 갖고, 이 전달 핀 리세스를 통해 전달 핀(4)이 안내된다. 전달 핀(4)은 압전 액추에이터(3)를, 분사기 몸체(2)의 제어 피스톤 리세스(6)에 배열된 제어 피스톤(5)에 결합시키는 역할을 하고, 제어 피스톤 리세스(6)의 제1 부분(6a)은 제어 피스톤(5) 위에 배열되고, 제어 피스톤 리세스(6)의 제2 부분(6b)은 제어 피스톤(5) 아래에 배열된다. 제어 피스톤 아래에 배열된, 제어 피스톤 리세스(6)의 제2 부분(6b)에는 제어 피스톤 스프링(7)이 배열되고, 이 제어 피스톤 스프링은 제어 피스톤 리세스(6)를 하향 획정하는, 분사기 몸체(2)의 표면에서 지지된다. 제어 피스톤 스프링(7)의 상부 단부는 제어 피스톤(5)의 바닥 측에서 지지된다.
제어 피스톤(5) 아래에 제공된, 제어 피스톤 리세스(6)의 제2 부분(6b)은 연결 보어(8)를 통해 고압 연료 라인(9)에 연결되고, 이 고압 연료 라인을 통해 매우 가압된 연료가 분사 밸브(1)로 공급되어 분사기 몸체를 통해 분사기 몸체(2)의 노즐 챔버(10)로 안내된다. 상기 노즐 챔버(10)에는 노즐 니들(11)이 위치되고, 이 노즐 니들은 노즐 챔버(10) 내에서 축방향으로 이동 가능하다. 압전 액추에이터(3)의 비-작동 상태에서, 분사기 몸체(2)에 제공된 분사 개구(12)는 노즐 니들(11)에 의해 폐쇄된다. 압전 액추에이터(3)의 작동 상태에서, 분사기 몸체(2)에 제공된 하나 이상의 분사 개구(12)가 개방된다.
노즐 니들(11)은 반경방향으로 돌출하는 웹(web)(13)을 갖는다. 상기 웹(13)과 노즐 챔버(10)의 상부 종단 벽 사이에는 노즐 스프링(14)이 배열되고, 이 노즐 스프링의 힘에 의해 노즐 니들이, 압전 액추에이터(3)의 비-작동 상태에서, 분사 개구(12)를 신뢰성 있게 폐쇄하기 위해 하향으로 푸시된다.
노즐 니들(11)의 상부 단부 구역은, 노즐 챔버(10)보다 더 좁은, 분사기 몸체(2) 내의 추가적인 리세스(15)에 의해 안내된다.
압전 액추에이터(3)가 작동될 때, 노즐 니들(11)의 상부 단부 구역은 상기 추가적인 리세스(15) 내에서 상향 이동되고, 상기 이동의 결과, 노즐 니들의 하부 단부 구역은 밀봉 안착부로부터 상승되어 분사 개구(12)를 개방한다.
노즐 챔버(10) 및 추가적인 리세스(15)의 치수는, 모든 분사 개구(12)가 완전히 개방된 상태에서도, 노즐 니들의 상부 종단 표면이 분사기 몸체(2)의 정지부에 접촉하지 않도록, 다시 말해, 분사 개구들이 개방된 동안 노즐 니들(12)이 정지부에 충돌하지 않고 상향 이동되도록 선택된다.
추가적인 리세스(15)는, 상부 단부 구역에서, 제어 피스톤(5) 위에 제공된, 제어 피스톤 리세스(6)의 제1 부분(6a)에, 추가적인 연결 보어(16)를 통해 결합된다. 상기 결합으로 인해 제어 피스톤 리세스(6)의 제1 부분(6a)과 추가적인 리세스(15)는 등화 챔버를 형성하며, 이 등화 챔버를 통해 유압 등화가 일어날 수 있다.
또한 도 1에는 제어 유닛(17)이 도시되고, 이 제어 유닛은 이 제어 유닛에 공급되는 센서 신호(se)를 평가하고, 저장된 동작 프로그램 및 저장된 특성 맵, 테이블 및/또는 특성 곡선을 사용하여, 분사 밸브(1)의 작동 가능한 구성 부재(component)에 대한 제어 신호(s)를 출력한다.
테스트 결과, 압전 액추에이터의 커패시턴스는 온도에 의존하는 것으로 나타났다. 압전 액추에이터는 고온이 존재하는 경우보다 저온이 존재하는 경우에 더 낮은 커패시턴스를 갖는다. 그 결과, 밸브 니들이 동일한 행정을 달성하기 위해, 상대적으로 고온이 존재하는 경우보다 저온이 존재하는 경우에 압전 액추에이터에 인가되는 전압이 더 높을은 것이 필요하다.
이것은 도 2 및 도 3에 기초하여 아래에서 논의될 것이다.
도 2는 2개의 상이한 유형의 압전 액추에이터에 대해 온도에 의존하는 방식으로 압전 액추에이터의 커패시턴스의 프로파일을 나타내는 다이어그램을 도시한다. 여기서, 커패시턴스는 각 경우에 밸브 니들의 행정이 80㎛인 경우에 적용된다.
여기서, 프로파일(V1)은 온도에 의존하는 방식으로 제1 유형의 압전 액추에이터의 제1 예의 커패시턴스의 프로파일을 나타내고, 프로파일(V2)은 제1 유형의 압전 액추에이터의 제2 예의 커패시턴스의 프로파일을 나타내고, 프로파일(V3)은 온도에 의존하는 방식으로 제2 유형의 압전 액추에이터의 제1 예의 커패시턴스의 프로파일을 나타내고, 프로파일(V4)은 제2 유형의 압전 액추에이터의 제2 예의 커패시턴스의 프로파일을 나타낸다.
커패시턴스의 차이로 인해, 상이한 작동 전압이 적용된다. 여기서, 상대적으로 최고 전압이 동일한 레일 압력과 저온에서 필요하다.
도 3은 2개의 상이한 유형의 압전 액추에이터에 대해 온도에 의존하는 방식으로 전압의 프로파일을 나타내는 다이어그램을 도시한다. 전압은 각 경우에 80㎛의 밸브 니들의 행정을 구현하는 데 필요한 전압이다. 여기서, 프로파일(U1)은 온도에 의존하는 방식으로 제1 유형의 압전 액추에이터의 제1 예의 전압의 프로파일을 나타내고, 프로파일(U2)은 제1 유형의 압전 액추에이터의 제2 예의 전압의 프로파일을 나타내고, 프로파일(U3)은 제2 유형의 압전 액추에이터의 제1 예의 전압의 프로파일을 나타내고, 프로파일(U4)은 제2 유형의 압전 액추에이터의 제2 예의 전압의 프로파일을 나타낸다.
각 압전 액추에이터를 작동시키기 위한 전술한 전압은 각각 적절한 작동 하드웨어에 의해 제공되어야 한다. 이것은 상대적으로 높은 하드웨어 비용과 관련되므로, 저온이 존재하는 경우에만 필요하다.
압전 분사기의 직접 구동부에 대해 일부 이전에 사용된 개념의 경우, 그렇지 않은 경우 압전 액추에이터의 작동 전압이 210 V의 최대 허용 가능한 한계 값을 초과할 수 있기 때문에 저온이 존재하는 경우 최대 레일 압력을 2000 바(bar)로 설정할 수 없었다. 그 결과, 분사기가 액추에이터 커패시턴스의 증가와 상관성이 있는 예상 동작 온도에 도달될 때까지 레일 내 연료의 최대 압력이 온도에 의존하는 방식으로 제한되는 것이 필요하였다.
이전에 사용된 개념에서 대안적인 해결책은 압전 분사기의 작동 하드웨어를 필요한 고전압을 제공하는 데 적합하도록 구성하는 것이다. 그러나 상기 고전압은 저온이 존재하는 경우에만 요구되기 때문에, 작동 하드웨어는 이 경우 과도하게 치수가 정해져 비교적 높은 하드웨어 비용을 발생시킨다.
이와 달리, 본 발명의 경우, 현재 온도와 독립적으로 항상 동일한 니들 행정을 달성하는 것이 더 이상 추구되지 않는다. 오히려, 본 발명의 경우에, 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이는 현재 온도에 의존하는 방식으로 변한다. 여기서, 분사 시스템의 작동 하드웨어에 대한 전기적 요구 조건을 감소시키기 위해 특히 저온이 존재하는 경우 밸브 니들을 디스로틀링하는 정도가 감소되는 것으로 제공된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 압전 액추에이터는 상대적으로 낮은 전압으로 작동되고 이는 원하는 상대적으로 작은 니들 행정을 초래한다. 이 감소된 니들 행정은 더 작은 최대 관통 흐름을 초래한다. 이러한 더 작은 최대 관통 흐름은 작동 지속 시간을 대응하여 증가시키는 것에 의해 보상된다. 상대적으로 저온이 존재하는 경우, 종래 기술과 관련하여 변경된 이러한 접근법은 전체적으로 연소 공정 및 연료 분사 시스템에 매우 작은 영향만을 미친다.
이와 달리, 고온이 존재하는 경우, 특히 분사 시스템의 정상 동작 온도가 존재하는 경우, 밸브 니들을 완전히 디스로틀링하는 것을 가능한 한 달성하기 위해 최대 니들 행정이 구현되는 것으로 제공된다.
도 4는 밸브 니들의 폐쇄 단계를 나타내는 다이어그램을 도시한다. 상기 다이어그램은 니들 행정의 프로파일(k1), 제어 피스톤의 행정의 프로파일(k2), 압전 힘의 프로파일(k3), 커패시턴스의 프로파일(k4), 전류의 프로파일(k5), 전압의 프로파일(k6), 및 압전 액추에이터의 행정의 프로파일(k7)을 나타낸다. 특히, 도 4로부터, 니들의 행정은 에너지와 상관성이 있고 또한 니들의 행정은 폐쇄 시간과 상관성이 있는 것을 볼 수 있다. 이에 의해, 더 작은 니들 행정은 또한 더 적은 에너지를 수반하는 것이 보장된다. 폐쇄 시간이 검출될 수 있기 때문에, 검출된 폐쇄 시간에 기초하여 니들 행정이 모니터링될 수 있고 필요한 경우 보정될 수 있다.
본 발명의 경우에는, 설정점 니들 행정이 현재 온도에 의존하는 방식으로 변하는 것에 의해 연료 분사 시스템의 작동 하드웨어에 대한 요구 조건이 감소되고, 특히 저온이 존재하는 경우 압전 액추에이터의 최대 작동 전압을 감소시키기 위해 설정점 니들 행정이 감소되는 것으로 제공된다.

Claims (6)

  1. 내연 엔진의 연료 분사 시스템의, 압전 액추에이터 및 노즐 니들을 갖는 분사 밸브를 작동시키는 방법으로서,
    제어 유닛은, 연속적인 분사 사이클에서, 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이(setpoint stroke height)에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 실제 행정 높이를 변경하기 위한 제어 신호를 출력하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 압전 액추에이터의 온도에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 커패시턴스의 온도 의존성을 보상하기 위해, 상기 압전 액추에이터의 상기 설정점 행정 높이를 변화시키며,
    상기 제어 유닛은 상대적으로 고온의 경우보다 상대적으로 저온의 경우에 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이를 더 작게 미리 한정하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브를 작동시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 내연 엔진의 정상 동작 온도의 경우, 상기 제어 유닛은 상기 노즐 니들을 완전히 디스로틀링(dethrottling)하는 것이 달성되도록 상기 압전 액추에이터의 상기 설정점 행정 높이를 미리 한정하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브를 작동시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 내연 엔진의 정상 동작 온도 아래의 온도의 경우, 상기 제어 유닛은 상기 노즐 니들을 부분적으로 디스로틀링하는 것이 달성되도록 상기 압전 액추에이터의 상기 설정점 행정 높이를 미리 한정하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브를 작동시키는 방법.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛은 상대적으로 고온의 경우보다 상대적으로 저온의 경우에 상기 압전 액추에이터의 작동 지속 시간을 더 길게 미리 한정하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브를 작동시키는 방법.
  6. 내연 엔진의 연료 분사 시스템의, 압전 액추에이터 및 노즐 니들을 갖는 분사 밸브를 작동시키는 장치로서,
    연속적인 분사 사이클에서, 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 실제 행정 높이를 변경하기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛(17)은 온도에 의존하는 방식으로, 상기 압전 액추에이터의 온도 의존성을 보상하기 위해, 상기 압전 액추에이터의 상기 설정점 행정 높이를 변경하도록 설계되며,
    상기 제어 유닛은 상대적으로 고온의 경우보다 상대적으로 저온의 경우에 상기 압전 액추에이터의 설정점 행정 높이를 더 작게 미리 한정하는 것을 특징으로 하는 분사 밸브를 작동시키는 장치.
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