KR20110016901A - 연료 분사기 내 압전액추에이터의 활성화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분사 전 액추에이터 베이스판의 기결정된 초기 위치에 의존하여, 액추에이터 베이스판(7)과 액추에이팅 소자(3) 간의 기결정된 무부하 스트로크(h0)가 설정되는 활성화 방법에 관한 것이다. 진동-성향의 초기 위치들을 안정화하고 이로써 분사 정확도를 향상시키기 위해서, 본 발명은 압전액추에이터(1)를 분사 직전에 활성화하여서 규정된 예비변형이 발생하는 결과 액추에이터 베이스판(7)이 후속 분사 전에 새로운 더 작은 진동-성향의 초기 위치를 취하는(assume) 것을 제안한다. 상기 예비변형을 가져오기 위해서 음의 전류가 상기 압전액추에이터(1)에 인가되어서, 상기 액추에이터 베이스판(7)이 규정된 새로운 위치로 수축된다.

Description

연료 분사기 내 압전액추에이터의 활성화 방법{METHOD FOR ACTIVATING A PIEZOACTUATOR IN A FUEL INJECTOR}
본 발명은 연료 분사기 내 압전액추에이터의 활성화 방법에 관한 것인데, 상기 방법에서 전기적으로 활성가능한 압전액추에이터가 액추에이팅 소자에 길이방향 이동(스트로크)를 전달하고, 활성화 전 액추에이터 베이스판의 기결정된 초기 위치에 따라서 상기 액추에이터 베이스판과 상기 액추에이팅 소자 간의 기결정된 무부하 스트로크가 설정된다.
이러한 방법이 예를 들어 DE 199 05 340 C2로부터 알려져 있다.
내연 기관에 연료를 공급하기 위해, 커먼 레일 연료 분사 시스템들이 사용되는데, 이것은 높은 분사 압력 및 빠른 스위칭 속도에서 동작한다. 이러한 시스템들에 의하면, 연료가 고압 펌프에 의해서 고압 축적기(high-pressure accumulator)로 전달되고 이로부터 연료 분사기들의 도움으로 연료가 각각의 실린더 내로 연료가 분사된다. 연료 분사기는 분사 밸브를 구비하는데, 분사 밸브는 서보 밸브에 의해서 개폐되어서 연소 챔버 내로 분사 프로세스의 시간 프로파일을 확립한다(establish). 여기서 서보 밸브는 전기적으로 활성화된 압전액추에이터에 의해서 액추에이트되고 전압을 인가하는 것에 의해서 길이방향 연장이 발생한다. 이러한 연장이 서보 밸브에 전달되고 이어서 분사 밸브를 제어한다. μm 범위인 압전액추에이터의 길이방향 연장에 대하여 서보 밸브를 적절하게 액추에이트할 수 있도록, 예를 들면 연료 내에서 지지되는 레버 변속 시스템(lever transmission system)에 의해서 기계적으로 또는 압력 챔버에 의해서 유압식으로 상기 길이방향 연장이 증폭된다.
최적 연소 프로파일을 위해 연료 분사기 내에 필요한 작은 연료량과 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있도록 하기 위해서, 분사기를 매우 정밀하게 설정하는 것이 필요하다. 이것은 특히 압전액추에이터와 액추에이팅 소자(서보 밸브) 사이 분사기에서 야기하는 무부하 스트로크에 적용된다.
실질적으로 대부분의 적용들에서의 목적은 대략 압전액추에이터의 전체 스트로크가 또한 제어 소자의 기계적인 움직임을 위하여 사용되게 하는 것인데, 요구되는 스트로크에 의해서 크기가 커지기 때문이다. 이로부터 압전액추에이터와 액추에이팅 소자 간의 유격(play)(무부하 스트로크)가 가능한 작게 유지되어야 한다는 것이 뒤따를 수 있다. 다른 한편 무부하 스트로크의 형태로 액추에이터와 액추에이팅 소자 간의 최소 유격이 항상 유지되어야 하는데, 동작적인 오기능을 방지하고 분사기의 동작적인 신뢰성을 보증하기 위함이다. 따라서 현재의 실무(current practice)는 일반적으로, 액추에이터와 액추에이팅 소자가 조립되었을 때 가장 불리한 조건들에서조차 요구되는 최소 유격이 존재하고 그리고 알려진 노화 효과(마모(wearing in), 침강(settling) 등)가 가능한 많이 고려되도록, 무부하 스트로크를 설정하도록 나아가는 것이다.
일반적으로 조립 동안 한 번 구현되는, 이러한 밸브의 변속 요소 및 압전액추에이터 간의 무부하 스트로크 설정 방법에 기초하여, 압전액추에이터의 동작 동안 기결정된 무부하 스트로크를 설정 및 모니터링하는 방법이 또한 앞서 언급한 특허로부터 알려져 있다. 여기에서 직류 전압이 압전액추에이터의 압전소자들 중 적어도 몇몇에 공급되고 이로써 압전액추에이터의 길이 변화가 야기되는데, 이것은 활성화 전압에 의존하고 노화 및 온도 영향에 기인하는 무부하 스트로크의 변화를 보상하도록 의도된다.
본 출원인은, 압전액추에이터의 동적 동작과 비교할 때 매우 느린 무부하 스트로크의 변화를 가져오는, 이러한 생산 변동(production variances)에 덧붙여, 당면한(immediate) 동적 이전 이력 다시 말해서 이전 분사에 분명하게 의존하는, 무부하 스트로크의 빠른 변화가 또한 발생함을 확인하였다(establish). 이것은 또한 분사 전에 액추에이터 베이스판의 위치에 의해서 무부하 스트로크가 결정된다 - 이로써 이것은 또한 분사기들의 분사 특성들을 결정함 - 는 사실에 기초한다. 따라서 액추에이터 베이스판의 안정적인 초기 위치는 재생가능한(reproducible) 안정적인 최소량 분사에 대한 선결요건이다. 그런데, 멀티 분사의 경우에 특히 상이한 베이스판 위치들이 초기 위치로서 설정되고 이로써 이것이 비안정적인 최소량들을 야기한다. 이것은 예를 들면 압전액추에이터의 크리프(creepage) 및 도메인 폴드(domain folds), 멤브레인 내 내부 응력, 멤브레인 공간 압력 변동 및 마찰력에 기인한 것이다.
본 발명의 목적은 분사 전에 액추에이터 베이스판에 취해지는 진동-성향의 초기 위치가 안정화될 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 청구항 제1 항에 기재된 수단들에 의해서 상기 목적이 성취된다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 후속 종속항들에 열거된다.
본 발명에 따르면 상기 목적은, 상기 압전액추에이터 - 상기 압전액추에이터의 액추에이터 베이스판은 기결정된 진동-성향의 초기 위치 내에 있음 - 가 분사 직전에 활성화되어서 상기 압전액추에이터의 규정된 예비변형이 발생하는 결과, 상기 액추에이터 베이스판이 후속 분사 전에 새로운 더 작은 진동-성향의 초기 위치를 취하는(assume) 것에 의해서 성취된다.
본 발명은 분사 이벤트 동안 작용하는 높은 동적 힘에 기인하여 액추에이터 베이스판이 기결정된 초기 위치로 깔끔하게 귀환되지 아니하고 따라서 액추에이터 베이스판이 추가적인 큰 힘을 받게 되어서 전기적 활성화에 의해서 규정된 안정화된 위치 조건들을 가지는 액추에이터 베이스판에 대한 가상 정지(virtual stop)(새로운 초기 위치)를 확립한다는 지식(knowledge)에 기초한다. 이롭게도 단지 활성화 신호의 변형에 기초하는 본 발명에 따른 방법은 정밀한 소량이 멀티 분사에 의해서 성취되도록 하고 이로써 배기 가스 값들에 대하여 엄격한 법적 표준들이 충족될 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 특히 바람직하게는, 상기 예비변형을 가져오기 위한 음의 전류가 상기 압전액추에이터에 인가되어서, 상기 액추에이터 베이스판이 규정된 새로운 위치로 수축된다.
이러한 실시예의 바람직한 일 개선에 의하면, 활성화 목적으로 상기 압전액추에이터가 각각의 경우에, 규정된 예비변형 및 후속 분사를 야기하는, 인가된 전류 프로파일에 종속되고, 전류 인가의 시작이 상기 예비변형에도 불구하고 상기 분사기의 밸브의 기결정된 유압식 개방 시간이 얻어지도록 앞으로 이동된다는 것에 의해서, 이것이 간단한 방식으로 구현될 수 있다. 일 개선에 의하면, 상기 압전액추에이터의 충전 전류 프로파일이 전류 인가 프로파일의 파라미터들에 의해서 영향을 받을 수 있어서, 상기 액추에이터 베이스판의 희망 위치들이 희망 횟수만큼 취해진다.
도 1은 압전액추에이터를 구비한 종래 기술로부터 알려진 밸브 제어기의 구조를 도식적인 단면도로 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따라서 활성화된 압전액추에이터의 액추에이터 베이스판 위치의 시간 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 활성화된 압전액추에이터의 액추에이터 베이스판 위치를 나타낸다.
도 1은 전기 압전액추에이터(1)를 구비하는 밸브 제어기의 구조를 도식적으로 예시적으로 나타내는데, 전기 압전액추에이터는 판-형 압전 소자들(piezoelectric elements)의 스택으로 구성되고 이들은 액추에이터 베이스판(7)에 의해서 밸브의 방향으로 종료된다. 도시된 실시예에 있어서 개별 압전 소자들의 레이어 평면에 수직하게 다시 말해서 압전액추에이터(1)의 길이 방향(longitudinal direction)(z-방향)으로 전압이 인가될 때, 기계적 변형이 발생한다.
안착 위치(rest position)에서 다시 말해서 어떠한 활성화 전압도 존재하지 아니할 때, 압전액추에이터(1)는 길이(l0)를 가지고 액추에이터 베이스판(7)이 그 기결정된 초기 위치를 취한다(assume). 연장되지 아니한 압전액추에이터(1)와 기계적 제어 또는 액추에이팅 소자(여기서는 밸브 피스톤(3)) 간의 거리가 무부하(idle) 스트로크(h0)이다. 압전액추에이터(1)의 단자들(2)에 전압이 인가되면, 압전액추에이터가 z-방향으로 연장되고 길이 l1 (여기서 l1 > 10 + h0)를 가진다.
도 1에 도시된 상태에서, 어떠한 전압도 인가되지 않았기 때문에, 압전액추에이터(1)가 그 안착 위치에 있고, 밸브가 폐쇄되고 밸브의 제어 공간(4) 내에 압력(p0)가 존재한다. 활성화 전압이 인가되면, 압전액추에이터(1)가 변형되고, 밸브 피스톤(3)이 밸브 볼(5)을 리셋 스프링(6)의 작용에 대항하여 그 시트(seat)로부터 들어올리고, 이로써 밸브가 열리고, 제어 공간 내에 압력(p1)이 야기된다.
도 2는 종래 기술에 따라 활성화된 압전액추에이터(1)의 액추에이터 베이스판(7)의 위치를 시간에 따라 나타내는 다이어그램이다. 먼저 시각 t0에서 전류가 인가되면, 압전액추에이터(1)가 길어지기 시작해서, 무부하 스트로크에 의존하는 특정한 시간 간격 후에 액추에이터 베이스판(7)이 액추에이팅 소자에 작용하기 시작한다. 이어서 시각 tOpening에서 분사기의 온/오프 밸브의 유압식(hydraulic) 개방 시간에 도달한다. 그런데 전류 인가 전 액추에이터 베이스판(7)의 기결정된 초기 위치(0점 위치, zero position)는 위에서 보인 이유로 진동 성향(oscillation-prone)이 있고, 다시 말해서 기결정된 초기 위치는 도 2에 도시된 변동(variance)(σ1)을 가지고 있고 상기 변동이 밸브 개방 시작의 상응하는 변동에 반영되는데, 압전액추에이터(1)가 활성화될 때마다 다소 상이하지만 변동 범위(σ1) 내인 무부하 스트로크가 활성화되기 때문이다. 또한 길어진 압전액추에이터(1)에 음의 전류를 인가함으로써 다시 말해서 방전(discharging)에 의해서, 종래 알려진 방식으로 기결정된 초기 위치가 활성화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전액추에이터(1)의 예비변형(predeflection)이 실제 분사 이벤트 직전에 발생한다. 이러한 예비변형은 재현성에 관한 증가된 위치 안정성을 가지는 영역 내로 액추에이터 베이스판(7)을 가져간다. 예비변형은 이롭게도 음의 전류의 인가에 기인한 압전액추에이터(1)의 수축으로서 실현될 수 있고, 이것이 도 3에 도시된다. 종래의 활성화와 마찬가지로 동일한 온/오프 밸브의 유압식 개방 시간(tOpening)을 성취하기 위해서, 전류 인가의 시작이 앞으로(forward) 이동되어야 하는데, 더 길지만 규정된 액추에이터 경로(도 3에 도시된 곡선의 골-형태의(trough-shaped) 음의 부분 참조) 때문이고, 이것은 액추에이터 베이스판(7)의 새로운 초기 위치로의 수축을 나타낸다. 새로운 초기 위치는 변동(σ2)에 의해 특징지워지고, 변동(σ2)는 기결정된 초기 위치에 할당된 변동(σ1)보다 더 작다. 이것은 예비변형이 튜브 스프링, 멤브레인 응력, 멤브레인 공간 압력, 열 응력 및 마찰을 포함하는 힘 방정식에서의 액추에이터 힘의 비율로 하여금 외부 영향들(주변 온도, 압력)에 관계하여 및 이전 이력, 다시 말해서 이전 분사에 관계하여 - 이것은 진동-성향 액추에이터 베이스판 위치들을 야기함 - 증가하도록 하기 때문이다. 이것은 규정된 방식으로 제어될 수 있는 힘들의 비율이 (확률적으로(stochastically)) 외부적으로 제어되는 힘들에 관계하여 증가함을 의미한다. 액추에이터 베이스판의 초기 위치가 보다 안정적이게 되고 따라서 실제 밸브 개방 시작의 변동이 감소되고 그 결과 희망하는 바와 같이 분사 정밀도의 증가를 가져온다.

Claims (4)

  1. 전기적으로 활성가능한 압전액추에이터(1)가 액추에이팅 소자(3)에 길이방향 이동(스트로크)를 전달하고, 활성화 전 액추에이터 베이스판(7)의 기결정된 초기 위치에 따라서 상기 액추에이터 베이스판(7)과 상기 액추에이팅 소자(3) 간의 기결정된 무부하 스트로크(h0)가 설정되는,
    연료 분사기 내 압전액추에이터(1) 활성화 방법에 있어서,
    상기 압전액추에이터(1) - 상기 압전액추에이터의 액추에이터 베이스판(7)은 기결정된 진동-성향의 초기 위치 내에 있음 - 가 분사 직전에 활성화되어서 상기 압전액추에이터(1)의 규정된 예비변형이 발생하는 결과
    상기 액추에이터 베이스판(7)이 후속 분사 전에 새로운 더 작은 진동-성향의 초기 위치를 취하는(assume) 것을 특징으로 하는,
    연료 분사기 내 압전액추에이터 활성화 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 예비변형을 가져오기 위한 음의 전류가 상기 압전액추에이터(1)에 인가되어서, 상기 액추에이터 베이스판(7)이 규정된 새로운 위치로 수축되는 것을 특징으로 하는,
    연료 분사기 내 압전액추에이터 활성화 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    활성화 목적으로 상기 압전액추에이터(1)가 각각의 경우에, 규정된 예비변형 및 후속 분사를 야기하는, 인가된 전류 프로파일에 종속되고,
    전류 인가의 시작이 상기 예비변형에도 불구하고 상기 분사기의 밸브(4, 5, 6)의 기결정된 유압식 개방 시간이 얻어지도록 앞으로 이동된 것을 특징으로 하는,
    연료 분사기 내 압전액추에이터 활성화 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    시간에 따른 상기 압전액추에이터 (1)의 충전 전류 프로파일이 전류 인가 프로파일의 파라미터들에 의해서 영향을 받아서, 상기 액추에이터 베이스판(7)의 희망 위치들이 희망 횟수만큼 취해지는(assume) 것을 특징으로 하는,
    연료 분사기 내 압전액추에이터 활성화 방법.
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