KR102069928B1 - 밸브를 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 명시된 시동 전압이 밸브를 폐쇄하기 위해서 명시된 제 1 작동 모드에서 밸브 액추에이터에 인가되는 방법 또는 상응하는 장치에 관한 것으로서, 상기 밸브는 액추에이터의 액추에이터력에 대항하여 작용하는 스프링력을 갖는 스프링을 갖는다. 제 1 작동 모드에서, 최대 전류값(MAX)에 도달했다는 것을 나타내는 시간의 제 1 구간(T1)이 확인된다. 또한, 최소 전류값(MIN)에 도달했다는 것을 나타내는 시간의 제 2 구간(T2)이 확인된다. 명시된 제 2 작동 모드(AP)에서, 명시된 시동 전압이 시간의 제 1 구간(T1)의 종료에 도달할 때까지 액추에이터에 인가되고, 이후 제어 전압이 시간의 제 2 구간(T2)의 종료에 도달할 때까지 액추에이터에 인가되며, 상기 제어 전압의 평균값은 시동 전압의 평균값보다 낮다.

Description

밸브를 제어하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A VALVE}
본 발명은 밸브를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이러한 유형의 밸브는 예를 들면, 차량의 내연 기관을 위한 어큐물레이터형(accumulator-type) 분사 시스템을 위한 유체를 전달하기 위해 고압 펌프에서 사용된다.
이러한 유형의 밸브들은 특히 예를 들면 그것들이 고압 펌프에서의 경우와 같은 연속적인 하중인가를 받는 경우 집중 응력을 받는다. 고압 펌프는 예를 들면 디젤 내연 기관에서 2000 바(bar) 이상의 압력을 받기 때문에, 이러한 유형의 펌프에 있는 밸브에는 높은 요구사항을 둔다.
본 발명의 목적은 밸브의 정확한 작동을 가능하게 하는 방법 및 상응하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항들의 특징들에 의해 달성된다. 유리한 개선형태들은 종속항들에서 확인된다.
본 발명은 밸브를 제어하기 위한 방법 및 상응하는 장치에 의해 구별된다. 밸브는 스프링력을 갖는 스프링 및 스프링력에 대항하는 액추에이터력을 갖는 액추에이터를 갖는다. 사전정의된 제 1 작동 모드에서, 사전정의된 시동 전압이 밸브를 폐쇄하기 위한 목적으로 액추에이터에 인가된다. 또한 최대 전류값이 결정되며, 상기 최대 전류값은 인가된 시동 전압에 의해 인가되는 전류의 전류 피크를 나타낸다. 제 1 시간 구간이 결정되며, 상기 제 1 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최대 전류값에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타낸다. 최소 전류값이 결정되며, 상기 최소 전류값은 인가되는 전류의 국부 최소값(local minimum)을 나타낸다. 최소 전류값은 최대 전류값에 뒤따른다. 제 2 시간 구간이 결정되며, 상기 제 2 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최소 전류값에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타낸다. 사전정의된 제 2 작동 모드에서, 사전정의된 시동 전압이 밸브를 폐쇄하기 위한 목적으로 액추에이터에 인가된다. 시동 전압은 결정된 제 1 시간 구간 동안 인가된다. 그런 다음, 제 1 시간 구간 이후 제 2 시간 구간의 종료시까지, 액추에이터 상에 인가되는 전류는 사전정의된 제어 전압에 의해 조정된다. 제어 전압의 평균값은 시동 전압의 평균값보다 낮다.
예를 들면 밸브의 폐쇄 기간과 같은 밸브의 중요한 정보는 제 1 작동 모드에서 얻어진다. 이 정보는 제 2 작동 모드에서 밸브를 구동하기 위해 사용된다. 결과적으로, 밸브가 정확하게 구동될 수 있다. 또한, 밸브에 의한 전력 소비가 종래의 구동에 비해 가능하면 감소될 수 있고, 결과적으로 밸브의 서비스 수명이 증가될 수 있으며, 또한 폐쇄 동안 밸브에 의한 감소된 소음 생성과 같은 다른 긍정적인 부효과가 가능하면 추가로 달성될 수 있다.
하나의 유리한 개선형태에 따르면, 제어 전압은 결정된 제 1 시간 구간 및/또는 결정된 제 2 시간 구간에 따라 결정된다. 결과적으로, 제어 전압을 조정함으로써 예를 들면 폐쇄 기간과 같은 밸브의 특성에 반응할 수 있기 때문에 밸브를 효율적으로 구동할 수 있다.
다른 유리한 개선형태에 따르면, 액추에이터 상에 인가되는 전류는 그것이 제 2 시간 구간의 종료시에 사전정의된 하한값에 거의 일치하도록, 제 1 시간 구간 이후 제 2 시간 구간의 종료시까지 제어 전압에 의해 조정된다. 예를 들면, 하한값은 밸브가 폐쇄되는 것을 보장할 수 있는 값이다. 결과적으로, 전력 소비가 가능하면 감소될 수 있다.
다른 유리한 개선형태에 따르면, 인가되는 전류는 제 1 시간 구간 이후 제 2 구간의 종료시까지 프리휠링 단계(freewheeling phase)에 의해 조정되며, 제어 전압은 상기 프리휠링 단계에서 영이 되고, 전류는 상기 프리휠링 단계에서 프리휠에 의해 조정된다. 결과적으로, 전력 소비가 가능하면 더욱 감소된다.
다른 유리한 개선형태에 따르면, 제어 전압은 제 1 시간 구간 이후 제 2 시간 구간의 종료시까지 펄스-폭 변조에 의해 조정된다. 결과적으로, 제어 전압은 간단한 방식으로 조정된다.
다른 유리한 개선형태에 따르면, 밸브는 입구 밸브의 형태로 고압 펌프에 배치된다.
본 발명에 따르면, 밸브의 정확한 작동이 가능하다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은 개략적인 도면들을 참조하여 이어지는 명세서에서 더욱 상세히 설명된다:
도 1은 밸브를 갖는 펌프를 관통하는 종단면을 도시하고,
도 2는 밸브를 관통하는 종단면을 도시하며,
도 3a는 밸브의 제어 동안 전류 프로파일을 도시하고,
도 3b는 밸브의 제어 동안 다른 전류 프로파일을 도시하며,
도 4a는 밸브의 제어 동안 다른 전류 프로파일을 도시하고
도 4b는 밸브의 제어 동안 다른 전류 프로파일을 도시하며,
도 5는 회로도를 도시한다.
동일한 구조 또는 기능을 갖는 요소들은 도면 전체에 걸쳐서 동일한 참조 부호로 식별된다.
도 1은 펌프 하우징(12)을 갖는 펌프(10)를 도시한다. 펌프(10)는 고압 펌프의 형태이고, 특히 바람직하게는 레이디얼 피스톤 펌프의 형태이다. 펌프 피스톤(14)은 펌프 하우징(12) 내에 이동가능하게 장착된다. 압력 챔버(16)는 펌프 하우징(12) 내에서 펌프 피스톤(14)의 일단부에 위치한다. 압력 챔버(16)를 유체로 채울 수 있도록 하기 위해, 상기 압력 챔버는 입구 밸브의 형태인 밸브(20)가 바람직하게 배치되는 유입 라인(18)을 갖는다. 밸브(20)는 바람직하게는 디지털 전환 밸브의 형태이다. 밸브(20)는 압력 챔버(16)의 충전을 용이하게 하고, 충전 동안 유체가 유입 라인(18)으로부터 역류하는 것을 방지한다. 압력 챔버(16)는 또한 출구 밸브의 형태인 다른 밸브(24)가 배치되는 유출 라인(22)을 갖는다. 따라서, 유체는 압력 챔버(16)로부터 배출될 수 있다.
펌프(10)는 펌프 피스톤(14)에 대해 캠형 프로파일(cam-like profile)을 사전정의하는 캠형 바디(28)에 작동되게 연결되고 회전 방향(D)으로 예를 들면 시계 방향으로 회전될 수 있는 구동 샤프트(26)를 갖는다. 캠형 바디(28) 대신에, 또한 편심 링 또는 캠샤프트가 예를 들면 사용될 수 있고, 대안으로, 또한 펌프(10)는 크랭크 구동 펌프로서 설계될 수 있다.
도 2는 리세스(30)를 갖는 밸브 하우징(29)을 구비한 밸브(20)를 도시한다. 스프링(32), 핀(34) 및 밀폐 요소(36)가 리세스(30)에 배치된다. 스프링(32)은 리세스(30)의 벽과 핀(34) 사이에 배치된다. 결과적으로, 스프링(32)에 의해 발생되는 스프링력(F_1)이 핀(34)에 작용하고, 그 결과 밀폐 요소(36)는 핀(34)에 의해 예압된다. 핀(34)은 제 1 원통부(34a) 및 제 2 원통부(34b)를 가지며, 제 1 원통부(34a)는 제 2 원통부(34b)보다 더 큰 직경을 갖는다.
리세스(30)는 밸브 하우징(29)에 대해 고정 배치되고 컷아웃(cutout)(40)을 갖는 밀폐 시트(38)를 더 포함한다. 밀폐 요소(36)가 밀폐 시트(38)에 지지되고 있지 않다면 유체는 컷아웃(40)을 통해 흐를 수 있다.
펌프(10) 및 밸브(20)의 작동 방식은 이어지는 명세서에서 설명될 것이다:
회전 방향(D)으로 구동 샤프트(26)의 회전 운동의 결과, 펌프 피스톤(14)은 상기 펌프 피스톤이 하사점에 도달할 때까지 캠형 바디(28)에 의해 구동축(26)을 향해 이동한다. 압력 챔버(16) 내의 압력은 이 운동의 결과로 감소된다. 이것은 밸브에 작용하는 힘에 변화를 초래하고, 밸브(20)는 스프링(32)의 스프링력(F_1) 및 유입 라인(18)과 압력 챔버(16) 사이의 압력 차이 때문에 결국 개방된다. 밀폐 요소(36)는 밀폐 시트(38)로부터 멀어지게 들어올려진다. 밀폐 요소(36)가 밀폐 시트(38)로부터 멀어지게 들어올려지는 이 시간을 자연 개방 시간이라고 한다.
밸브(20)가 개방되었을 때, 압력 챔버(16)는 유체로 채워진다. 회전 방향(D)으로 구동 샤프트(26)의 추가 회전 운동의 결과로, 펌프 피스톤(14)은 캠형 바디(28)에 의해 구동 샤프트(26)로부터 멀어지게 이동하고, 이 과정에서 압력 챔버(16)에 들어있는 유체를 압축한다. 사전정의된 시간에, 스프링력(F_1)에 대항하는 액추에이터력(F_2)이 전압이 액추에이터(42)에 인가된 결과 핀(34)에 작용한다. 핀(34)은 액추에이터력(F_2) 및 압력 챔버(16)와 유입 라인(18) 사이의 압력 차이 때문에 액추에이터력(F_2)의 방향으로 이동한다. 결과적으로, 밀폐 요소(36)는 밀폐 시트(38)에 지지되고, 유체가 컷아웃(40)을 통해 흐르는 것이 방지된다. 밸브(20)는 이러한 방식으로 폐쇄된다. 압력 챔버(16)에서 압축된 유체는 이제 출구 밸브의 형태인 추가 밸브(24)를 통해 펌프(10)로부터 완전히 배출될 수 있다.
펌프(10)가 내연기관의 분사 시스템의 고압 연료 펌프인 경우, 고압을 받는 연료는 소위 커먼 레일(common rail)이라고 하는 고압 연료 저장소 형태인 유체 저장소에 전달될 수 있다.
정상 개방 밸브(normally open valve)를 위한 밸브(20)의 제어는 하기에 상세하게 설명될 것이다(도 3a, 도 4a, 도 3b, 도 4b). 이것이 상응하는 방식으로 정상 폐쇄 밸브(normally closed valve)에 적용될 수 있음은 물론이다.
사전정의된 제 1 작동 모드(MP)에서, 사전정의된 시동 전압이 밸브(20)를 폐쇄하기 위해 액추에이터(42)에 인가된다(도 3a, 도 4a). 제 1 작동 모드(MP)는 예를 들면, 예컨대 오버런(overrun) 단계에서 발생하는 측정 모드이다. 사전정의된 시동 전압은 예를 들면, 배터리 전압이거나 예컨대 펄스-폭 변조에 의해 설정되는 전압이다.
전류가 시동 전압에 의해 액추에이터(42) 상에 인가된다. 최대 전류값(MAX)이 결정되며, 상기 최대 전류값은 인가되는 전류의 전류 피크를 나타낸다. 또한, 제 1 시간 구간(T1)이 결정되며, 상기 제 1 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최대 전류값(MAX)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타낸다. 또한, 최소 전류값(MIN)이 결정되며, 상기 최소 전류값은 인가되는 전류의 국부 최소값(local minimum)을 나타내고, 최소 전류값(MIN)은 최대 전류값(MAX)에 뒤따른다. 제 2 시간 구간(T2)이 결정되며, 상기 제 2 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최소 전류값(MIN)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타낸다. 제 1 시간 구간(T1) 및 제 2 시간 구간(T2)은 밸브(20)에 대한 중요한 정보를 얻는데 사용될 수 있는데, 예를 들면 밸브(20)가 느리게 또는 빠르게 폐쇄되는지 여부를 결정할 수 있다.
사전정의된 제 2 작동 모드(AP)에서, 사전정의된 시동 전압은 결정된 제 1 시간 구간(T1) 동안 액추에이터(42)에 인가된다(도 3b, 도 4b). 제 2 작동 모드(AP)는 예를 들면 애플리케이션 모드이다. 제 1 시간 구간(T1)이 경과한 후에 그리고 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지, 액추에이터(42) 상에 인가되는 전류는 사전정의된 제어 전압에 의해 조정된다. 제어 전압은 제어 전압의 평균값이 시동 전압의 평균값보다 낮도록 조정된다. 예로써, 제어 전압은 제 1 시간 구간(T1) 및/또는 제 2 시간 구간(T2)에 따라 결정된다. 예로써, 제어 전압은 제 2 시간 구간(T2)과 제 1 시간 구간(T1) 사이의 차이의 크기에 따라 조정되어, 그것은 더 작은 크기 동안보다 더 큰 크기 동안 더 높다.
대안으로 또는 부가적으로, 제어 전압이 프리휠링(freewheeling) 단계에 의해 조정될 수 있으며, 제어 전압은 이 프리휠링 단계에서 영이고, 전류는 예를 들면 도 5에서 프리휠링 다이오드(FL)와 스위치(SW)에 의한 것과 같은 프리휠에 의해 조정된다. 대안으로 또는 부가적으로, 밸브(20)에 영보다 큰 제어 전압을 인가할 수 있고, 상기 제어 전압은 예를 들면 펄스-폭 변조에 의해 조정된다. 구체적으로 느린 밸브(20)에는 영보다 큰 제어 전압을 인가할 필요가 있을 수 있다.
제 2 시간 구간(T2)이 경과한 후에, 전류값은 사전정의된 하한값(U_GW)에 거의 일치하는 것이 유리하다. 하한값(U_GW)은 예를 들면, 밸브(20)가 폐쇄되는 것이 보장되는 결정값이다. 따라서, 예를 들면, 액추에이터(42) 상에 인가되는 전류가 그것이 하한값(U_GW)에 도달할 때까지 떨어지도록 제어 전압이 조정될 수 있다. 예로서, 전류는 우선 프리휠링 단계로, 그런 다음 영보다 큰 제어 전압으로 낮출 수 있다.
제어 전압은 예를 들면 펄스-폭 변조된 전압이다. 전압 피크는 예를 들면 펄스-폭 변조의 경우에 단지 시동 전압만큼 높을 수 있기 때문에, 제어 전압을 시동 전압과 비교하기 위하여, 제어 전압의 적어도 하나의 범위의 평균값이 발생된 액추에이터력에 대해 이러한 점에서 적절하다. 예를 들어 시동 전압이 펄스-폭 변조된다면 동일한 것이 적용되고, 따라서 또한 평균값이 상기 시동 전압의 경우에 적절하다.
소위 유지 모드는 통상적으로 제 2 시간 구간(T2)이 경과한 후에 뒤따른다. 유지 모드에서는 밸브(20)가 폐쇄되고 폐쇄된 채로 유지되는 것이 보장된다. 이를 위해, 전류는 예를 들면 2점 제어기(two-point controller)에 의해 낮은 수준으로 유지된다.
제 2 작동 모드(AP), 예를 들면 애플리케이션 모드에서 구동함으로써 밸브(20)에 의한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 밸브(20)의 불필요한 가열이 결과적으로 회피될 수 있다. 밸브(20)의 코일 서비스 수명이 연장될 수 있고, CO2 배출량은 이러한 방식으로 감소될 수 있다. 또한 제 1 시간 구간이 경과한 후 그리고 제 2 시간 구간(T2)이 경과할 때까지 전력의 감소는 소음이 최소화되는 것을 가능하면 보장할 수 있다. 또한, 밸브(20)의 폐쇄 기간에 대한 정보가 제 1 시간 구간(T1) 및 제 2 시간 구간(T2)에 따라 결정될 수 있고, 빠른 밸브(20)가 추후에 제어기에 의해 구동되어야 할 수 있고 그리고/또는 더 느린 밸브(20)가 초기에 제어기에 의해 구동되어야 할 수 있기 때문에, 정확한 펌프 제어가 결과적으로 달성될 수 있다.
또한, 예를 들면 마모 정도의 진단 또는 밸브(20)의 분석이 정의된 제 1 작동 모드(MP)에 의해 가능하다. 결과적으로, 예를 들면 최소 전류값(MIN)이 제 1 작동 모드(MP)의 이전 시간 구간에서 달성되지 않았다면, 또한 예를 들면, 가능하면 제 1 작동 모드(MP)를 연장할 수 있다. 개별 밸브들(20)의 생산 스프레드(production spread)는, 예를 들면, 결정된 제 1 시간 구간(T1) 및 제 2 시간 구간(T2)에 의하여 목표된 구동을 함으로써 또한 보상될 수 있다.

Claims (7)

  1. 스프링력(F_1)을 갖는 스프링(32)과 스프링력(F_1)에 대항하는 액추에이터력(F_2)을 갖는 액추에이터(42)를 구비한 밸브(20)를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법에서
    - 사전정의된 제 1 작동 모드(MP)에서 밸브(20)를 폐쇄하기 위한 목적으로,
    -- 사전정의된 시동 전압이 액추에이터(42)에 인가되고,
    -- 최대 전류값(MAX)이 결정되며, 상기 최대 전류값은 인가된 시동 전압에 의해 인가되는 전류의 전류 피크를 나타내며,
    -- 제 1 시간 구간(T1)이 결정되며, 상기 제 1 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최대 전류값(MAX)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타내고,
    -- 최소 전류값(MIN)이 결정되며, 상기 최소 전류값은 인가되는 전류의 국부 최소값을 나타내고, 최소 전류값(MIN)은 최대 전류값(MAX)에 뒤따르며,
    -- 제 2 시간 구간(T2)이 결정되며, 상기 제 2 시간 구간은 시동 전압이 인가되고 최소 전류값(MIN)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타내고,
    - 사전정의된 제 2 작동 모드(AP)에서 밸브를 폐쇄하기 위한 목적으로,
    -- 결정된 제 1 시간 구간(T1) 동안 액추에이터(42)에 사전정의된 시동 전압이 인가되고, 그 다음 제 1 시간 구간(T1) 이후 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지 액추에이터(42) 상에 인가되는 전류는 사전정의된 제어 전압에 의해 조정되며, 제어 전압의 평균값은 시동 전압의 평균값보다 낮은 것을 특징으로 하는
    밸브(20)를 제어하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법에서 제어 전압은 결정된 제 1 시간 구간(T1) 및/또는 결정된 제 2 시간 구간(T2)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방법에서 액추에이터(42)의 전류는 그것이 제 2 시간 구간(T2)의 종료시에 사전정의된 하한값(U_GW)에 일치하도록 제어 전압에 의해 제 1 시간 구간(T1) 이후 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    액추에이터(42)의 전류는 제 1 시간 구간(T1) 이후 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지 프리휠링 단계에 의해 조정되며, 제어 전압은 영이고 액추에이터(42)의 전류는 상기 프리휠링 단계에서 프리휠링에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방법에서 제어 전압은 제 1 시간 구간(T1) 이후 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지 펄스-폭 변조에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방법에서 밸브(20)는 입구 밸브의 형태로 고압 펌프에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 스프링력(F_1)을 갖는 스프링(32)과 스프링력(F_1)에 대항하는 액추에이터력(F_2)을 갖는 액추에이터(42)를 구비한 밸브(20)를 제어하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    - 인가된 시동 전압에 의해 인가되는 전류의 전류 피크를 나타내는 최대 전류값(MAX)을 결정하고,
    - 시동 전압이 인가되고 최대 전류값(MAX)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타내는 제 1 시간 구간(T1)을 결정하며,
    - 인가되는 전류의 국부 최소값을 나타내는 최소 전류값(MIN)으로서, 상기 최소 전류값(MIN)이 최대 전류값(MAX)에 뒤따르는 최소 전류값(MIN)을 결정하고,
    - 시동 전압이 인가되고 최소 전류값(MIN)에 도달하는 사이에 경과한 시간을 나타내는 제 2 시간 구간(T2)을 결정하며,
    - 결정된 제 1 시간 구간(T1) 동안 액추에이터(42)에 사전정의된 시동 전압을 인가하고, 그 다음 제 1 시간 구간(T1) 이후 제 2 시간 구간(T2)의 종료시까지 액추에이터(42) 상에 인가되는 전류를 사전정의된 제어 전압에 의해 조정하며, 제어 전압의 평균값은 시동 전압의 평균값보다 낮도록 설계되는 것을 특징으로 하는
    밸브(20)를 제어하기 위한 장치.
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