KR20020038953A - 내연 기관의 연료 도우징 제어용 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 방법 및 장치가 설명된다. 내연 기관으로의 연료 흐름을 제어하기 위해 밸브가 사용되며 상기 밸브는, 제 1 위치에서는 연료 흐름을 중단하고 제 2 위치에서는 연료 흐름을 완전히 개방하도록 조절 소자에 의해서 제어된다. 특정 작동 상태에서 상기 조절 소자는, 상기 밸브가 적어도 하나의 중간 위치를 갖도록 제어된다.

Description

내연 기관의 연료 도우징 제어용 방법 및 장치{Method and device for controlling fuel metering in an internal combustion machine}
내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 방법 및 장치는 공지되어 있다. 연료 도우징을 제어하기 위해 주로 밸브가 사용되며, 상기 밸브는 내연 기관으로의 연료 흐름을 제어한다. 제 1 위치에 있을 때 밸브는 연료 흐름을 중단한다. 상기 밸브는 제 2 위치에 있을 때 연료 흐름을 완전히 개방한다.
또한 압전식 액추에이터도 공지되어 있으며, 상기와 같은 밸브는 상기 압전식 액추에이터에 의해서 제어될 수 있다.
펌프 노즐 유닛(PDE)의 경우, 분사 펌프 및 분사 노즐은 구성적 유닛을 형성한다. 상기 유닛은 엔진 캠축에 의해 구동된다. 각각의 펌프 노즐 유닛에는 신속하게 스위칭하는 밸브가 속하며 상기 밸브는 분사 시작 및 분사 종료를 제어한다. 밸브가 개방된 경우, PDE는 연료를 다시 공급부로 복귀시킨다.
밸브가 폐쇄되면, PDE는 상응된 엔진 실린더에 연료를 도우징한다. 밸브의 폐쇄 시점은 분사 시작, 폐쇄 지속 시간 즉 밸브가 폐쇄된 상태의 지속 시간 및 밸브의 분사량을 결정한다.
유사한 방법으로, 소위 펌프 라인 노즐 시스템(PLD)이 형성된다. PDE와 마찬가지로, 상기 펌프 라인 노즐은 각 엔진 실린더마다 하나의 분사 펌프를 가지며, 상기 분사 펌프는 엔진의 축, 즉 캠축에 의해 구동된다. 밸브에 의해, 분사 시점 및 분사량이 제어된다. 펌프 및 노즐은 짧은 라인을 통해 서로 연결된다.
본 발명은 내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1, 도 2는 펌프 노즐 유닛의 두 가지 실시예를 도시한 도면.
도 3, 도 4, 도 5는 시간에 따라 도시된 다양한 신호를 도시한 도면.
본 발명은, 내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 방법 및 장치에서 가능한 정확한 연료 도우징을 실현하고자 하는 것이다. 상기 과제는 독립항에 제시된 특징들을 통해 해결된다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 매우 정확한 연료 분사가 이루어질 수 있다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는 종속항에 나타난다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예에 의해 하기에서 더 자세히 설명된다.
도 1에는 펌프 노즐 유닛이 개략적으로 도시된다. 하기에서는 실질적 소자들이 설명된다. 펌프 노즐 유닛(100)은 밸브(110)가 적어도 하나의 제 1 폐쇄 위치 및 제 2 개방 위치를 갖도록, 점선으로 도시된 연결부(102)를 통해 영향을 미치는 조절 소자(105)를 포함한다. 상기 밸브(110)는 저압 영역으로 도시될 수 있는 연료 공급부(115)와 라인(120) 사이에 배열된다. 저압 영역은 탱크로서도 도시되는 연료 저장 탱크를 포함하며, 연료는 상기 연료 저장 탱크로부터 필터 및 연료 공급 펌프를 거쳐 밸브(110)에 이른다.
상기 라인(120)은 구동 유닛(140)에 의해 움직이는 펌프 플런저(135)가 움직일 수 있게 배열된 소자 공간(130)을, 분사 노즐(150)과 연결한다. 주로 구동 유닛(140)은 직접 또는, 내연 기관의 캠축의 로커암에 의해 구동된다. 분사 노즐(150)은 노즐 스프링(152) 및 노즐 니들(154)을 포함한다. 조절 소자(105)는 제어 장치(160)로부터 제어 신호를 받는다. 조절 소자로서는 일반적으로 자기 액추에이터 및 특히 압전식 액추에이터가 사용된다.
상기 밸브(110)가 그 폐쇄 위치에 있고, 소자 공간(130)이 작아지도록 펌프 플런저(135)가 움직이면, 라인(120) 및 더불어 분사 노즐 내의 압력은 상승한다. 압력의 특정 값으로부터 노즐 니들(154)은 노즐 스프링(152)의 스프링력에 반하여 움직이고 분사구(156)가 개방되므로, 연료는 내연 기관의 연소실에 이른다. 밸브(110)가 그 개방 위치에 있으면, 압력 형성은 가능하지 않으며 연료 분사는 일어나지 않는다.
상기 밸브(110)의 개폐를 통해, 소자 공간, 라인(120) 및, 연료로 충진된 분사 노즐의 영역으로써 형성된 고압 영역은 저압 영역과 연결될 수 있다. 밸브(110)의 폐쇄 시점에서부터, 고압 영역에서는 압력이 형성되고 연료 분사가 시작된다. 밸브(110)의 개방시, 라인(120) 내의 압력은 강하되며 분사는 종료된다. 이는 밸브(110)의 개방 시점 및 폐쇄 시점이 분사 시작, 분사 종료 및 분사 지속시간을 결정하는 것을 의미한다.
상기 조절 소자(105)는 다양한 센서들에 의해 검출되는 내연 기관의 작동 상태에 따라, 원하는 시점에 밸브가 개폐되고 이로써 원하는 시점에서 분사가 시작되고 종료하도록, 제어 장치(160)에 의해 제어된다.
도 2에는 펌프 노즐 유닛의 제 2 실시예가 도시된다. 상기 실시예는, 밸브(110)가 소자 공간(130)을 연료 공급부(115)와 직접 연결하는 점이 도 1의 실시예와 구별된다. 상기 양 실시예는, 밸브(110)가 고압 영역을 저압 영역과 연결하는 점이 공통된다.
일반적으로 상기 밸브(110)는, 개방 또는 폐쇄 위치를 갖도록 제어된다. 상기와 같은 제어 방식은, 밸브의 개방시 고압 영역의 압력이 매우 빨리 저압 영역 내의 압력으로 강하되기 때문에 문제점이 있다. 이는 예를 들어, 노즐 니들을 그 폐쇄 위치로 매우 빨리 전환시킨다. 제어가 갱신된 경우, 압력은 고압 영역 내에 재차 형성되어야 한다. 이는 분사가 적어도 2 개의 부분 분사로 분할될 때 특히 문제가 된다. 예컨대 주분사 전에 전분사가 이루어지는 것이 제공될 수 있다. 내연 기관의 특성에 긍정적인 영향을 미치기 위해, 양 부분 분사, 즉 전분사 및 주분사는 일정 간격으로 연속되어야 한다. 밸브의 개방시 압력은 완전히 강하되므로, 모든 시간 간격이 실현될 수 있는 것은 아니며 이는 압력 형성을 위해서는 최소한의 시간이 필요하기 때문이다.
또한 상기와 같은 시스템의 경우, 고압 챔버 내의 압력에 영향을 미치는 것은 불가능하거나 또는 매우 어렵다. 상기와 같은 영향은 특히 두 분사 사이의 포우즈에서 어렵다.
따라서 본 발명에 따라, 밸브가 그 두 끝 위치 이외에 개폐되어 부가적으로 적어도 하나의 중간 위치를 갖도록, 상기 조절 소자가 제어되는 것이 제시된다. 특히 이는 조절 소자로서 압전식 액추에이터가 사용될 때 실현하기가 간단하다. 상기와 같은 압전식 액추에이터의 경우 압전식 액추에이터의 위치 또는 팽창은 압전식 액추에이터에 인가된 전압에 직접 비례한다. 따라서 상기 조절 소자는 다양한 위치를 가질 수 있다. 따라서 밸브(110)도 지정된 위치 내에 올 수 있다.
도 3에서는 시간에 대한 다양한 신호가 도시된다. 제 1 부분도 3a에는 압전식 액추에이터(105)에 인가된 전압(U)이 도시된다. 부분도 3b는 시간(t)에 따른 밸브(110)의 상태를 도시한다. 부분도 3c는 시간(t)에 따른 노즐 니들(154)의 상태를 도시한다. 부분도 3d는 노즐 니들 또는 고압 영역 내의 압력(P)의 변동을 도시한다.
시점(t1)에서 펌프 노즐 유닛의 제어가 시작된다. 이는 시점(t1)에서 시점(t2)까지, 밸브(110)를 폐쇄하는 신호가 제어 장치(160)에 의해 프리세팅되는 것을 의미한다. 이는 압전식 액추에이터(105)의 전압이 바람직하게는 0인 최소값으로부터 제 2 값으로 상승함으로써 실현된다. 도시된 실시예에서 상기 상승은 선형적이다. 압전식 액추에이터(105)의 전압 상승은 밸브(110)가 그 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 천천히 움직이게 한다. 노즐 니들은 아직 반응을 보이지 않으며 그 폐쇄 위치에 있는다. 고압 영역의 압력은 천천히 상승한다.
시점(t2, t3) 사이의 시간 간격에서는, 밸브(110)가 그 폐쇄 위치에 머무르도록, 즉 압전식 액추에이터의 전압(U)이 그 최대치에 있도록, 압전식 액추에이터(105)의 제어가 이루어진다. 이는 밸브(110)가 그 폐쇄 위치에 있도록 한다. 고압 영역의 압력(P)은 계속 상승한다. 압력(P)은 시점(t3) 또는 시점(t3) 바로 전에, 노즐 니들을 그 밸브 시트로부터 천천히 들어올리고 연료 분사를 개시하는 값에 이른다. 이는 압력을 단 시간에 강하시킨다.
전압은 시점(t3)로부터 시점(t4)까지 중간값으로 감소되며 이는 밸브(110)를 제 1 중간 위치 방향으로 움직이도록 한다. 따라서 소자 공간 내의 압력(P)은 강하되며 노즐 니들은 그 폐쇄 방향으로 움직인다.
시점(t4, t5) 사이의 시간 간격에서 밸브(110)는 제 1 중간 위치에 유지된다. 이는, 압전식 액추에이터의 전압(U)이 그 중간값에 유지됨으로써 얻어진다. 이는 밸브(110)가 마찬가지로 제 1 중간 위치에 있도록 작용한다. 소자 공간 내의 압력(P)은 천천히 강하되며 노즐 니들은 그 폐쇄 위치에 이르고 상기의 폐쇄된 위치에 머무른다.
상기 단계에서 밸브의 개방 단면이 너무 크면, 즉 상기 시구간에서 밸브가 완전히 개방되면, 소위 과도한 압력 감소가 일어나며 고압 영역의 압력은 증기압 아래로 강하한다.
시점(t4, t5) 사이의 상기 전압 및 이와 더불어 밸브의 위치 및/또는 시간 지속은, 과도한 압력 감소가 발생하지 않게 선택된다. 따라서 다음 분사의 시작시 지정된 상태에 이르게 된다. 따라서 동일한 제어 지속 시간에서 연료량이 분산되는 것은 분명 줄어들 수 있다.
시점(t5, t6) 사이에서 상기 제어 밸브(110)는 다시 폐쇄되며, 즉 압전식 액추에이터(105)의 전압은 다시 그 최대값으로 상승한다. 이는 밸브(110)가 그 폐쇄 상태로 전환되게 한다. 고압 영역의 압력(P)은 다시 상승하기 시작한다.
시점(t6 내지 t7) 사이의 시간 간격에서, 밸브(110)는 그 폐쇄 위치에 유지된다. 즉 압전식 액추에이터의 압력은 그 최대값에 머무른다. 밸브(110)는 그 폐쇄된 위치에 유지된다. 따라서 고압 영역의 압력(P)은 급격하게 상승한다. 시점(t6) 후 소정의 시간에 압력값은, 노즐 니들(154)이 움직이기 시작하고 그 후 바로 완전히 개방된 상태에 이르는 값에 도달한다.
도 3에 도시된 특히 바람직한 실시예의 경우, 시점(t7, t8) 사이에서 압전식 액추에이터의 전압(U)은 노즐 니들이 개방 위치에 이른 후 작은 값 만큼 줄어든다. 이는 밸브(110)가 완전히 개방되지는 않게 한다. 이것은 상기 밸브(110)가, 폐쇄 위치와 약간 구별되는 제 2 중간 위치에 유지되는 것을 의미한다. 이는 적은 양의 유체가 누설될 수 있는 것을 의미한다. 특히 압력이 계속적으로 상승하지 않도록 횡단면이 선택되는 것은 바람직하다. 이는 시간 간격(t7 내지 t8) 중 압력이 거의 일정하게 유지, 즉 압력 플래토가 얻어지는 것을 뜻한다.
단순한 실시예에서 시간 간격(t7 내지 t8)에서는 시간 간격(t6 내지 t7)에 상응되게 전압의 최대값이 설정되며, 상기 시간 간격에서 밸브(110)는 그 폐쇄 위치에 머무른다. 따라서 더 높은 압력값에 도달될 수 있다.
시점(t8 내지 t9) 사이의 시구간에서 전압은 제 3 사이값으로 감소된다. 이는 상기 밸브(110)가 제 3 중간 위치로 전환하는 것을 의미한다. 이는 압력(P)을강하시키며, 특정 압력 시에 노즐 니즐을 그 폐쇄 상태로 전환시킨다. 특히 상기 전압값이 작동 상태에 따라 프리세팅될 수 있을 때 바람직하다. 따라서 압력 강하 율, 즉 일정 시간 내의 압력 변화는 내연 기관의 작동 상태에 따라 프리세팅될 수 있다.
시점(t9 내지 t10) 사이의 시구간에서 밸브(110)는 제 3 중간 위치로 유지된다.
시점(t10)에서부터 압전식 액추에이터는, 밸브(110)가 개방되도록, 즉 전압이 그 출력값으로 감소되도록 제어된다. 이는 완전히 개방된 위치로 밸브가 전환되도록 한다. 압력(P)은 저압 영역의 압력값으로 강하되며 노즐 니들은 그 폐쇄된 위치에 머무른다.
설명된 제어는 주분사를 제 2 부분 분사로서, 전분사를 제 1 부분 분사로서 포함한다. 여기서는, 분사 포우즈 동안 소위 과도한 압력 감소가 일어나지 않는 감소된 전분사가 다뤄진다. 이는 밸브가 제 1 중간 위치에 머무르도록 2 개의 부분 분사 상에서 제어됨으로써 이루어진다.
대안으로서, 부가 전분사가 이루어지는 것이 제시될 수도 있으며, 상기 전분사는 직접 주분사로 전환된다.
또한 본 발명에 따라, 주분사 중 주로 고압 영역의 압력이 제한되는 것이 제시된다. 특히 부분 부하 범위에서, 예컨대 속도가 작고/또는 분사된 연료량이 작을 경우에 큰 분사압이 선택되는 것이 바람직하며, 즉 시간 간격(t7 내지 t8) 내의 부분 부하 범위에서의 분사 중 밸브가 완전히 폐쇄된 그 위치에 머무르는 것이 바람직하다. 속도 및/또는 분사량이 클 경우 분사압의 제한이 선택되며, 즉 시간 간격(t7 내지 t8)에서 밸브는 제 2 중간 위치에 있는다. 이로써 펌프 및 구동기의 기계적 하중은 방지될 수 있다.
분사 중 상기 밸브는 제 2 중간 위치에 머무르도록 제어된다. 바람직하게는 상기 중간 위치, 또는 압전식 액추에이터에서의 필요한 전압은 부하 상태에 따라, 특히 속도 및/또는, 분사된 연료량을 특성화하는 값에 따라 설정된다. 이는 혼합 농도를 개선시키며 이로써 배출을 줄인다.
압력 강하율은 밸브의 제 1 또는 제 3 중간 위치의 프리세팅을 통해 조절될 수 있다. 상기 조절은 바람직하게는 내연 기관의 작동 상태에 따라 이루어진다. 이는 전분사 및 주분사의 종료시에 이뤄질 수 있다.
특히 완전 부하시, 즉 속도가 크거나/또는 분사된 연료량이 클 경우, 압력 강하는 빠르게 이루어지며, 예컨대 전압은 작은 값 또는 최소값으로 감소되므로, 밸브는 그 개방 위치로 신속하게 전환된다. 부분 부하시, 이에 반해 압력 강하율은 작게 프리세팅되며, 즉 부분 부하시 시간 간격(t8 내지 t10)에서는 더 높은 전압이 세팅되고, 밸브는 그 폐쇄 위치에 머무른다.
이는 분사의 종료시에 상기 밸브(110)가, 제 3 중간 위치에 머무르도록 제어되는 것을 의미한다. 바람직하게 상기 중간 위치, 또는 압전식 액추에이터에 가해지는 전압은 소정의 압력 강하율에 따라 조절된다.
밸브가 개방된 동안 압력 강하가 제어될 수 있음으로써, 주로 펌프에 의해 발생되는 소음은 분명히 줄어들 수 있다.
특히 또 다른 부분 분사, 즉 다수의 전분사가 제공되거나 또는 주분사가 다수의 부분 분사로 분할되는 것이 바람직하다. 특히 주분사의 뒤를 이어 실행되는 적어도 하나의 후분사가 일어나는 것도 바람직하다.
시간 간격(t4 내지 t5 또는 t7 내지 t8 및 t9 내지 t10)은 주로 속도, 분사의 시작 및/또는 다른 작동 특성값에 따라 프리세팅된다.
압전식 액추에이터를 위한 제어 프로파일의 또 다른 변형예는 도 4에 도시된다.
도 4a에는 중간 위치가 없는 종래의 제어가 도시되며, 즉 전압은 전분사 중 그 최대값으로 올라간 다음 최소값으로 떨어진다. 주분사 중 전압은 다시 최대값으로 상승되며 주분사의 종료시에 최소값으로 감소된다.
부분도 4b에는 부가 전분사의 그래프가 도시된다. 즉 전분사 초기에 전압은 중간값으로 상승되며 그 후 주분사가 시작되면서 최대값으로 안내된다. 상기 중간값은 최대값 바로 아래에 위치한다. 분사 종료시에 전압은 최소값으로 돌아간다.
부분도 4c에는 후분사를 갖는 적합한 제어가 도시된다. 상기 제어는, 주분사에서 시점(t7, t8) 사이에 감소가 이뤄지지 않고 가요성 압력 강하율만 세팅되는 점이 도 3과 구별된다. 주분사 후 바로 짧은 간격 후, 후분사를 실현하기 위한 또 다른 제어가 이뤄진다.
본 발명에 따른 방식은 펌프 노즐 유닛일 때의 사용에만 국한되지 않는다. 상기 방식은 고압 영역의 압력을 제어하기 위한 밸브가 사용되는 다른 분사 시스템에도 사용될 수 있다. 특히 펌프 라인 노즐 유닛 시스템 또는 커먼 레일 시스템을제어하기 위한 본 발명에 따른 방식이 적합하다.

Claims (8)

  1. 내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 방법으로서, 내연 기관으로의 연료 흐름을 제어하기 위한 밸브를 구비하며, 상기 밸브는, 제 1 위치에서 연료 흐름을 중단하고 제 2 위치에서는 연료 흐름을 완전히 개방하도록 조절 소자에 의해 제어되는 방법에 있어서,
    특정 작동 상태에서 상기 조절 소자는, 상기 밸브가 적어도 하나의 중간 위치를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 두 부분 분사 사이에서, 제 1 중간 위치에 머무르도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 밸브는 분사중, 제 2 중간 위치에 머무르도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 밸브는 분사의 종료시에, 제 3 중간 위치에 머무르도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 위치는 소정의 압력 강하율에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 위치는 내연 기관의 작동 상태를 특성화하는 적어도 하나의 값에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 소자는 압전식 액추에이터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 내연 기관의 연료 도우징을 제어하기 위한 장치로서, 내연 기관으로의 연료 흐름을 제어하기 위한 밸브를 구비하며, 상기 밸브는, 제 1 위치에서 연료 흐름을 중단하고 제 2 위치에서는 연료 흐름을 완전히 개방하도록 조절 소자에 의해 제어되는 장치에 있어서,
    특정 작동 상태에서 상기 밸브가 적어도 하나의 중간 위치를 갖도록 조절 소자를 제어하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1020027004799A 1999-10-16 2000-10-12 내연 기관의 연료 계량 제어 방법 및 장치 KR100717527B1 (ko)

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