KR20010051000A - 연료 분사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최소 분사량의 저감과 바운스(bounce)의 억제를 가능하게 하며, 통내분사 인젝터에 적합한 제어내용을 갖는 연료 분사 시스템을 얻는 것으로서, 전자(電磁) 구동되는 인젝터(7)와, 이 인젝터(7)에 제 1통전시간(T1)과 제 2 통전시간(T2)을 갖는 구동신호를 출력하는 제어수단(2)과, 제 1통전시간(T1)에는 인젝터(7)를 밸브 개방 시키는 대전류를 통전하며, 제 2통전시간(T2)에는 인젝터(7)를 밸브 개방상태로 유지하기 위한 소전류를 통전하는 구동수단(6)을 구비하며, 제 1통전시간(T1)이 인젝터(7)의 통전 개시부터 전체 개방으로 이를 때까지의 밸브 개방 소요시간(T0)보다 짧은 시간으로 설정되며, 그 시간차가 제 1통전시간(T1)에서 전류를 차단한때, 인젝터(7)의 전류 차단으로부터 밸브 폐쇄동작을 시작할 때까지의 밸브 폐쇄 동작 지연시간보다 짧은 값으로 설정되도록 하였다.

Description

연료 분사 시스템{Fuel injection system}

본 발명은, 차량에 탑재된 내연기관의 연료 분사량의 제어에 관한 것으로서, 특히, 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 직접 분사형 내연기관의 연료 분사량을 제어하는 연료 분사 시스템에 관한 것이다.

(종래의 기술)

내연기관의 연료 분사량 제어에 관해서는 종래부터 각종의 기술이 개시되어 있으며, 예를 들면, 일본 특허 공고 평4-23100호 공보에는 내연기관의 흡기통로에 멀티 포인트로 연료를 분사하는 소위 MPI 인젝터에 적합한 제어법이 개시되어 있다. 종래부터 전자구동의 인젝터를 밸브 개방하여 내연기관에 연료를 분사하는 경우, 밸브 개방시에는 대전류치의 개방밸브 전류를 인젝터의 솔레노이드에 통전하여 밸브 개방동작을 진행하며, 밸브 개방 완료후는 밸브 개방상태의 유지에 필요한 소전류치의 밸브 개방 유지전류로 전환되고, 이 밸브 개방 유지전류를 솔레노이드에 소정시간 통전시켜 분사량을 억제하는 것이 알려져 있지만, 상기의 종래 예에서는, 밸브 개방 전류의 통전 시간(T1)을, 통전이 개시된 후 밸브가 완전히 개방될 때까지의 밸브 개방소요시간(T0)에 대하여 T1 〉 T0 + 0.1ms 의 관계를 가지며, 이 밸브 개방 소요시간(T1)의 경과 후에 유지 전류로 이행시키는 것이 개시되어 있다.

이와 같은 전자구동의 인젝터에 사용되는 니들밸브의 기구에서는, 밸브의 개방도를 규제하기 위해, 밸브체를 고정하는 플런저의 이동량을 제한하는 스토퍼가 설치되어 있으며, 이 스토퍼에 플런저가 충돌함으로써 바운스가 발생하며, 이 바운스가 분사시간에 대한 연료 분사량 특성의 직선성을 저해하여 연료 분사량 제어의 정도에 악영향을 부여하기 때문에, 상기의 종래 예에서는 밸브 개방 소요시간보다 밸브 개방 전류의 통전시간을 길게하여 강한 전자 흡인력을 플런저에 부여하고, 바운스를 억제함과 함께, 한 동작에 해당하는 연료 분사량의 최소치를 확보하기 위해 그 연장시간을 0.1ms로 규제한 것이다.

또한, 이 바운스 현상을 억제하여 연료 분사량의 제어성을 개선하는 또 다른 종래기술 예로서는 일본 특허 공고 평 3-7834호 공보가 개시되어 있다. 이 공보에 개시된 기술은, 상기의 밸브 개방 전류의 통전시간(T1)을 밸브 개방 소요시간(T0)보다 짧게 설정하여 일단 전류를 차단하거나, 또는, 낮은 레벨의 전류치로 전환하여 밸브 개방 속도를 저하시켜, 플런저가 스토퍼에 충돌하기 직전, 즉, 밸브 개방 소요시간(TO)에 도달하기 직전에 유지전류보다 큰 값의 전류를 통전하여 바운스를 억제하며, 밸브의 개방도가 안정된 후에 유지 전류로 전환되도록 이루어진 것이며, 이와 같이 제어함으로써 플런저와 스토퍼의 충돌 속도를 저하시키며, 또한, 바운스 발생시의 흡인력을 높여 바운스를 억제하도록 한 것이다.

내연기관의 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 통내 분사 인젝터, 소위, DI 인젝터에서는 실린더 내에서의 층상 연소를 전제로 하고 있기 때문에, 공기와 연료와의 질량 혼합비를 논리 혼합비인 14.7보다 크게 하는 것이 통상이며, 이 때문에, 연료의 최소 분사량을 MPI 인젝터와 비교하여 적게 할 필요가 있다. 또한, 층상연소를 전제로 하지 않는 경우에도, 통내 분사의 경우에는 보다 단시간에 소정량의 연료를 분사할 필요가 있으며, 인젝터의 유량 게인을 크게 설정하기 때문에 시간당 분사량이 많게되며, 최소 분사량의 연료를 분사할 때의 분사시간을 보다 작게 하지 않으면 안 된다는 과제를 갖는 것이다. 이 인젝터의 최소 분사량을 안정된 값으로 얻기 위해서는, 분사펄스 폭을 상기의 밸브 개방 소요시간(TO)과 거의 동일하게 하거나, 또는 그 이상으로 할 필요가 있는 것이 실험결과 등으로부터 구해져 있으며, 상기의 종래예와 동일하게 바운스 현상은 억제할 필요가 있다.

또한, 인젝터에 사용되는 밸브의 구성에서는, 솔레노이드의 통전이 차단된 후, 밸브가 폐쇄될 때까지의 밸브 폐쇄 소요시간이 존재하며, 이 밸브 폐쇄 소요시간은, 밸브기구의 기계적 관성 이외에 플런저에 전자 흡인력으로서 가해지는 자속의 감쇄율에 영향을 준다. 이 자속의 감쇄율은 플런저의 각 제원에 의해 결정되는 시정수에 따라서 감쇄하기 때문에 통칭, 잔류자속, 또는 자속의 응답지연 등이라고 칭해지며, 전류 차단시에 있어서의 기자력의 세기에 의해 전류 차단으로부터 밸브 폐쇄 동작 시작까지의 지연시간이 변화되는 것으로서, 기자력이 클수록 잔류 자속이 크게 되어 자속의 소멸에 시간이 걸리기 때문에, 이 밸브 폐쇄 동작 지연시간이 길게 되며, 따라서 밸브 폐쇄 소요시간이 크게 되어 최소 분사량도 크게된다.

상기에 설명한 종래예인 일본 특허 공고 평 4-23100호 공보에 개시된 기술에서는, 밸브 개방전류의 통전시간(T1)을 밸브 개방 소요시간(T0)보다 0.1ms 크게하여 바운스를 억제하고 있으며, 상기의 밸브 폐쇄 동작 지연시간과 어울려, 0.1ms의 밸브 개방시간의 연장이 최소 분사량의 제어에 크게 영향을 주며, 분사량을 소정치 이하로 제어하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 일본 특허 공고 평 3-7834호 공보에 개시된 기술에서도, 밸브 개방속도를 저하시키고 있기 때문에 밸브 개방 소요시간( TO)이 길게되며, 또한, 밸브 개방 소요시간(TO)에 도달하기 직전에 큰 값의 전류를 통전하여 밸브의 개방도가 안정될 때까지 이것을 계속하도록 구성되어 있기 때문에 밸브 개방시간이 길게되어 최소 분사량을 적게 하는 일이 불가능하게 되며, 어느 것도 직접 분사형 내연기관에는 적합하지 않은 것이다.

본 발명은, 단순한 제어구성으로 최소 분사량의 저감과 바운스의 억제를 가능하게 하며, 내연기관의 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 통내 분사 인젝터에 적합한 제어내용을 갖는 연료 분사 시스템을 얻는 것을 목적으로 하는 것이다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명에 따른 연료 분사 시스템은, 전자 구동되는 인젝터와, 이 인젝터에 제 1 통전시간과 제 2통전시간을 갖는 구동신호를 출력하는 분사 제어수단과, 제 1 통전시간에는 인젝터를 밸브 개방시키는 대전류를 통전하며, 제 2통전시간에는 인젝터를 밸브 개방 상태로 유지하기 위한 소전류를 통전하는 인젝터 구동수단을 구비하며, 제 1통전시간이, 통전 시작부터 인젝터의 전체 개방에 이를 때까지의 밸브 개방 소요시간보다 짧은 시간으로 설정되며, 이 시간차가 제 1통전시간에 있어서의 전류가 차단된 때, 이 전류 차단으로부터 인젝터가 밸브 폐쇄동작을 시작할 때까지의 밸브 폐쇄 지연시간보다 짧은 값으로 설정되도록 한 것이다.

또한, 제 1통전시간과 제 2통전시간과의 사이에 통전을 휴지하는 통전 휴지시간이 설정되며, 이 통전 휴지시간이 제 1통전시간의 전류 차단 후에 밸브가 폐쇄될 때까지의 제 1밸브 폐쇄 소요시간과, 제 2통전시간의 전류 차단 후에 밸브가 폐쇄될 때까지의 제 2밸브 폐쇄 소요시간과의 시간차와 거의 동등하게 설정되도록 한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 구성을 설명하는 블록도.

도 2는 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 동작을 설명하는 설명도.

도 3은 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 동작특성을 설명하는 설명도.

도 4는 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 동작을 설명하는 설명도.

도 5는 본 발명의 실시형태 2의 연료 분사 시스템의 동작을 설명하는 설명도.

도 6은 본 발명의 연료 분사 시스템의 통전 전류의 변형예를 설명하는 설명도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 : 각종 센서류 2 : 분사 제어수단

3 : 여자전류 제어부 4 : 과 여자 타이머(over exciting timer)

5 : 분사 타이머 6 : 인젝터 구동수단

7 : 인젝터

실시형태 1

도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 구성을 설명하는 블록도 이며, 도 2 내지 도 4는, 본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템의 동작을 설명하는 설명도이고, 이하의 설명에 사용되는 부호는 상기의 종래예의 설명과 부호를 대응시키고 있다. 도 1에서, 부호 1은 내연기관의 회전각이나 흡입 공기량 및 냉각수 온도 등, 내연기관의 작동 파라미터를 검출하는 각종 센서류, 부호 2는 각종 센서류(1)로부터의 입력에 의해 연료의 필요량이나 분사 타이밍 등을 연산하는 분사 제어수단이며, 분사 제어수단(2)에는 통전 조건을 설정하는 여자전류 제어부(3)와, 밸브 개방동작용의 과 여자전류의 통전시간을 설정하는 과 여자 타이머(4)와, 유지전류의 통전시간을 설정하는 분사타이머(5)가 포함되어 있다. 부호 6은 이들의 타이머(4, 5)와의 출력에 의해 도시 생략된 전원으로부터의 전류를 제어하여 통내 분사용의 전자 구동 인젝터(7)를 구동하는 인젝터 구동수단이다.

분사 제어수단(2)은 분사타이밍을 연산하여 도 2에 도시하는 인젝터 구동신호를 출력한다. 이 인젝터 구동신호는, 과 여자 타이머(4)를 동작시키는 제 1통전시간(T1)과, 통전을 휴지 시키는 통전 휴지시간(T3)과, 분사 타이머(5)를 동작시켜서 유지전류를 통전하는 제 2통전시간(T2)으로 이루어지며, 인젝터 구동수단(6)은 제 1통전시간(T1)의 사이는 밸브 개방동작용의 과 여자전류를, 제 2통전 시간(T2)의 사이는 밸브 개방 유지용의 유지전류를 인젝터(7)의 도시 생략된 솔레노이드로 통전한다. 통내 분사용의 인젝터(7)는, 내연기관의 실린더 내에 발생하는 연소압에 견디기 위해 밸브 개방압이 5Mpa이상으로 설정되어 있으며, 밸브 개방 동작시에는 인젝터(7)의 솔레노이드에는 자로(磁路)를 과 여자상태로 하여 밸브 개방력을 증대시키기 위한 대전류가 통전된다. 또한, 유지전류는 밸브 개방상태의 유지에 필요한 소전류로 설정되어 있기 때문에, 인젝터 구동수단(6)은 쵸퍼(chopper)제어 등에 의해 전원전압을 저하시켜 솔레노이드로 통전하는 전류치를 제어하도록 구성되어 있다.

인젝터(7)의 솔레노이드에 대한 통전을 차단한 때, 인젝터(7) 자로의 자속변화의 상태를 도시한 것이 도 4이다. 여자전류(I)의 차단에 대하여, 자로의 자속은 도면의 Φ로 도시하였듯이, 인젝터(7)의 각 제원에 의해 결정되는 시정수에 따라서 일정한 감쇄율에 의해 감쇄된다. 도면에 도시된 인젝터 구성의 상세한 설명은 생략하지만, 표준적인 각 제원을 갖는 인젝터의 자로에 도면에 도시한 바와같은 서치코일(7)을 설치하여 측정한 결과, 제 1통전시간(T1)에서 과 여자전류의 통전을 차단한 때, 초기 자속량의 90%까지 자속량이 저하하는데 0.1ms를 필요로 하였다. 이 자속의 응답지연은 여자전류(I)의 차단 후에도 전자 흡인력이 잔류되며, 자속이 밸브 개방을 유지할 수 없는 값으로 저하될 때까지의 사이, 밸브 폐쇄 동작이 개시되지 않는 것을 도시하고 있다. 이 밸브 폐쇄 동작 지연시간은 전류 차단시의 자속량, 즉, 여자 전류치에 의해 변화되며, 예를 들면, 유지전류를 차단할 때에는 과 여자전류를 차단할 때와 비교하여 단시간에 밸브 폐쇄 동작을 시작 하게된다.

본 발명의 실시형태 1의 연료 분사 시스템은, 이 자속의 응답 지연의 시간에 착안하여 통전을 제어하도록 이루어진 것으로서 도 2에 도시하듯이, 밸브 개방시의 통전시간인 제 1통전시간(T1)을 인젝터(7)의 밸브 개방 소요시간(T0)보다 소정시간 짧게 설정하도록 한 것이며, 제 1통전 시간(T1)에 통전하는 과 여자전류의 차단에 대한 자속의 응답 지연에 의해 자속이 밸브 폐쇄 동작을 개시하는 값까지 감쇄하는 시간, 즉, 밸브 폐쇄 동작 지연시간을 TΦ1로 하면,

TΦ1 〉 T0 - T1 (1)

로 설정되며, 적어도 T1이 T0보다 짧게 되도록 한 것이다.

제 1통전시간(T1)에는 상기와 같이 밸브 개방압 5Mpa에 대응하기 위한 것과 통내 분사에 대응하여 밸브 개방속도를 높이기 위한 대전류치의 과 여자전류가 통전되기 때문에, 상기와 같이 제 1통전시간(T1)을 설정하여도, 통전 차단 직후에는 인젝터(7)의 도시 생략된 플런저에는 잣고의 응답 지연에 의한 강한 흡인력이 동작하게 되며, 밸브 개방시간이 저하되는 일 없이 밸브는 밸브 개방 소요시간(T0)에서 전체 개방되며, 전체 개방상태로 된 때의 바운스 현상도 억제된다. 또한, 시간(T0)에 있어서는 플런저에 동작하는 흡인력은 감쇄 도상에 있기 때문에, 그 직후에 인젝터 구동신호가 오프로 된 경우, 자속은 빠르게 소멸되어 밸브 폐쇄동작을 개시하며, 밸브 폐쇄 시간이 빠르게 되는 결과, 연료의 최소 분사량을 적은 값으로 할 수 있다.

도 3은 이와같이 설정된 연료 분사 시스템의 분사특성을 도시하는 것이다. 도면은 인젝터 구동신호의 시간폭에 대한 분사량의 관계를 도시하는 것으로서, 실선으로 도시한 특성 a는 제 1통전시간(T1)과 밸브 개방 소요시간(T0)과의 관계를, 본 발명의 실시형태 1에 기초하여 T1〈T0 로 한 경우이며, 또한, 점선으로 도시한 특성 b는 통전 조건이 T1〉T0의 경우이다. 분사량은 통전시간과 함께 증가하지만, 공지와 같이 제 1통전시간이 종료하여 유지전류로 이행할 때에 분사상태가 변화되며, 그 후에 다시 안정되어 증가되게 된다. 여기에서, 대표적인 제원을 갖는 인젝터로 양자를 비교하면, 특성 a의 것으로서, 밸브 개방 소요시간(T0)이 1ms로서, 도 4에 도시하는 자속의 응답 지연이 0.1ms의 인젝터를 사용하며, 통전시간을 상기의 (1)식의 한계치인 T1=TO-TΦ1으로 한 경우, 특성 b의 것, 즉, 통전시간을 밸브 개방 소요시간보다 약간 크게 한 것과 비교하여 최소 분사량을 약 10% 저감시킬 수 있었다.

실시형태 2

본 발명의 실시형태 2의 연료 분사 시스템은, 실시형태 1의 설정에 추가하는 것으로서, 도 2의 동작 설명도에서 제 1통전시간(T1)과 제 2통전시간(T2)과의 사이에 통전 휴지 시간(T3)를 설정하며, 이 통전 휴지시간(T3)를 소정의 값으로 규제하도록 한 것으로서, 제 1통전시간(T1)에서 인젝터(7)에 공급되는 과 여자전류가 차단된 때의 자속의 지연에 의한 제 1밸브 폐쇄 소요시간을 TC1으로 하며, 제 2통전시간(T2)에 공급되는 유지전류가 차단된 때의 제 2밸브 폐쇄 소유시간을 TC2로 한 때, 통전 휴지시간(T3)의 값이 식

T3 ≒ TC1-TC2 (2)

로 되도록 설정한 것이다.

도 5는 이 휴지시간(T3)을 변화시켜서 인젝터 구동신호의 시간폭에 대한 분사량의 관계를 도시한 실험 데이터이다. 통내분사 인젝터와 같이 제 1통전시간을 과 여자상태로 하여 밸브 개방 속도를 크게 한 것에 있어서는, 제 1통전시간 완료후의 통전 휴지시간(T3)을 T3〈TC1-TC2로 즉시 유지전류를 통전한 경우, 통전 전환시에 분사량의 변화에 불안정한 현상이 발생하는 결과로 된다. 도면의 특성 3에 도시한 것이 그 내용이며, 시간 Ta에서 제 1통전을 종료하며, 시간 Tb에서 유지전류인 제 2통전을 시작한 경우, Ta에서의 연료 분사량(Qa)이 Tb 에서는 Qb로 저하되어 유량 관리상의 정도가 악화하게 된다.

이것과는 반대로, 제 1통전 후의 휴지시간(T3)을 T3〉TC1-TC2로 설정하면 특성 1과 같이 안정된 특성을 도시하게 되지만, 시간 Ta로부터 Tb에 걸쳐 분사량의 증가 경향에 있기 때문에 최소 분사량을 낮게 억제할 수 없게된다. 인젝터 구동신호의 시간폭에 대한 분사량 특성을 거의 안정된 상태로 유지하면서 최소 분사량을 억제하기 위해서는, 휴지시간(T3)을 상기 (2)식에 거의 합치시키는 것이 최선의 결과로 되며, 이것에 의해 안정된 유량제어와, 커다란 유량 활동영역을 얻을 수 있게된다.

또한, 이상의 설명에서는 제 2 통전시간을 전류 제한하기 위해 쵸퍼제어 하도록 설명하였지만, 인젝터(7)의 솔레노이드의 임피던스가 매우 낮은 경우 등, 제 1통전시간에서 전류 상승이 빠르게 포화전류가 지나치게 높은 경우 등에는, 도 6에 도시하듯이 제 1통전시간에서 최대 전류의 제한을 위해 쵸퍼 제어를 행할 필요가 있지만, 이와 같은 경우에서도 실시형태 1 및 실시형태 2에 설명한 제 1통전시간(T1)과 휴지시간(T3)의 특정화에 의한 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 분사 시스템에 의하면, 밸브 개방 동작을 행하게 하는 제 1통전시간을 인젝터의 밸브 개방 소요시간보다 짧게 설정함과 함께, 그 시간차를 제 1통전시간 종료시의 전류치에 의한 자속의 지연시간보다 짧은 시간으로 설정하며, 또한, 제 1통전시간과 유지전류를 통전하는 제 2통전시간과의 사이에 통전 휴지시간을 마련하며, 이 통전 휴지시간을 제 1통전 시간에 공급되는 과 여자전류 차단시의 밸브 폐쇄 소요시간과 제 2통전시간에 공급되는 유지 전류 차단시의 밸브 폐쇄 소요시간과의 차의 시간과 거의 동등한 시간으로 하였기 때문에, 연료의 최소 분사량을 작은 값으로 설정하는 것이 가능하며, 안정된 유량제어와, 커다란 유량 활동영역을 얻을 수 있어서 통내 분사 인젝터에 적합한 연료 분사 시스템을 얻을 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 전자 구동되는 인젝터와, 상기 인젝터에 제 1통전시간과 제 2통전시간을 갖는 구동신호를 출력하는 분사 제어수단과,

   상기 제 1통전시간에는 상기 인젝터를 밸브 개방시키는 대전류를 통전하며, 상기 제 2통전시간에는 상기 인젝터를 밸브 개방상태로 유지하는 소전류를 통전하는 인젝터 구동수단을 구비하며,

   상기 제 1통전시간이, 통전 시작부터 상기 인젝터의 전체 개방에 이를 때까지의 밸브 개방 소요시간 보다 짧은 시간으로 설정되고, 이 시간차가 상기 제 1통전시간에서 전류가 차단된 때, 이 전류 차단부터 상기 인젝터가 밸브 폐쇄 동작을 시작할 때까지의 밸브 폐쇄동작 지연시간보다 짧은 값으로 설정된 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   제 1통전시간과 제 2통정시간과의 사이에 통전을 휴지하는 통전 휴지시간이 설정되며, 이 통전 휴지시간이, 제 1통전시간의 전류 차단 후에 밸브가 폐쇄 될 때까지의 제 1밸브 폐쇄 소요시간과, 제 2통전시간의 전류 차단 후에 밸브가 폐쇄될 때까지의 제 2밸브 폐쇄 소요시간과의 시간차와 거의 동등하게 설정된 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.