KR20110031913A - 분사 밸브, 연료 분사 시스템 및 내연기관을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

분사 밸브, 연료 분사 시스템 및 내연기관을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 - 상기 분사 밸브(2)의 압전 액추에이터에 제공된 전압(U)의 전위 구배 및 상기 분사 밸브(2)에 의해 수행된 기준 분사 동안 상기 압전 액추에이터를 포함하는 회로에 시프팅된 전하(Q)의 시간 특정 곡선을 기록하는 단계, - 상기 전위 구배 및 상기 전하(Q)의 시간 특성 곡선으로부터 기준 분사 동안 상기 분사 밸브(2)의 이동 가능한 폐쇄 밸브에 상기 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘(F)의 힘 곡선을 계산하여 결정하는 단계, - 상기 힘 곡선의 최대의 위치(tmax)를 결정하는 단계, - 상기 기준 분사에 대해 선택된 구동 시간 인스턴트와 상기 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 따라 하나 이상의 후속 분사 동안 구동 시간 인스턴트 및/또는 구동 지속 시간및/또는 구동구동 강도를 특정하는 단계를 포함하는 내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 상응하는 내연 기관용 연료 분사 시스템 및 이러한 분사 시스템을 포함하는 내연 기관에 관한 것이다.

Description

분사 밸브, 연료 분사 시스템 및 내연기관을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING AN INJECTION VALVE, FUEL INJECTION SYSTEM, AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 발명은 내연기관에 대한 연료 분사 시스템의 압전식(piezoelectrically actuated) 분사를 제어하기 위한 방법 및 상응하는 연료 분사 시스템 및 이러한 연료 분사 시스템을 통합하는 내연기관에 관한 것이다.
연료에 대한 압전식 분사 밸브를 개방하기 위해, 전기 제어 신호가 분사 밸브의 압전식 액츄에이터에 인가되고, 그 결과 상기 압전식 액츄에이터는 밸브 니들로서 전형적으로 구현되는 분사 밸브의 폐쇄 요소를 개방한다. 상기 타입의 압전식 액츄에이터의 매우 빠른 응답 특성 때문에, 극히 매우 작은 분사량이 이러한 분사 밸브에 의해 상대적으로 정확하게 계량될 수 있고 필요하면 복수의 단일 분사들이 짧은 기간에서 연속적으로 수행될 수 있다. 그러나, 압전 액츄에이터와 폐쇄 요소 사이의 제조-관련 또는 마모-유발 아이들 스트로크는 불가피하며 그 정확한 값은 일반적으로 알려져 있지 않다. 압전 액츄에이터와 폐쇄 요소 사이의 간극으로 인해 발생하는 이러한 아이들 스트로크는 분사 밸브의 작동에 후속하여 그 길이가 정확하게 알려지지 않은 지연 후에 개방되는 상황을 야기한다. 이것은 차례로 단일 분사 시작으로서 여기서 정의되는 분사 시간 인스턴트 측면에서 바람직하지 않은 정확성의 결여를 가져오며, 또한 그 결과로 실제로 분사 연료 수량과 목표 분사 수량 사이의 불일치를 가져온다.
따라서 본 발명의 근간이 되는 목적은 실제 분사 시간 인스턴트가 더 정확하게 세팅되게 허용하고 또한 분사량의 더 정확한 계량을 허용하는 내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브를 제어하기 위한 방법을 제안하는것이다. 본 발명의 근간이 되는 다른 목적은 분사 시간 인스턴트 및 분사량이 비교적 정확하게 제어되도록 하는 상응하는 연료 분사 시스템, 및 이러한 연료 분사 시스템을 갖는 내연기관을 제안하는 것이다.
이러한 목적은 주 독립항에 기재된 특징들을 갖는 방법에 의해 그리고 청구항 9에 기재된 특징들을 갖는연료 분사 시스템 및 청구항 13항에 청구된 내연기관에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선예들이 종속항들의 특징들로부터 나타날 것이다.
내연기관에 대한 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브를 제어하기 위한 제안된 방법의 경우에서, 분사 밸브의 압전 액츄에이터에 제공된 전압의 전위 구배(potential gradient, Spannungsverlaufs) 및 압전 액츄에이터를 포함하는 회로에서 시프팅된 전하의 시간 특정 곡선은 분사 밸브에 의해 수행된 적어도 하나의 기준 분사 동안 먼저 기록된다. 이 경우에 기준 분사는 특별히 특징화된 분사 작동일 필요없고; 오히려, 상응하는 내연기관의 작동 동안 임의의 규칙적인 분사가 기준 분사로서 작용할 수 있고, 상기 기준 분사는 적어도 하나의 다음 분사에서 분사 밸브의 기동을 수정하기 위해 사용되기 때문에 여기서 그와 같이 단지 지칭된다.
기준 분사 동안 압전 액츄에이터에 의해 분사 밸브의 이동가능한 폐쇄 엘리컨트에 인가된 힘의 힘 곡선은 이후 그렇게 기록된 전위 구배 및 전하의 시간 특성화 곡선으로부터 컴퓨터 계산으로 결정된다. 이것은 전압 및 전하에 따라 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘을 특정하는 선형 압전력 모델을 사용하는 충분한 정밀도에 의해 간단한 방식으로 달성될 수 있다.
마지막으로, 상기 힘 곡선의 최대 위치가 결정되어 적어도 하나의 후속 분사 동안 구동 시간 인스턴트(activation time instant) 및/또는 구동 지속 시간(activation duration) 및/또는 구동 펄스(activation pulse) 강도가 기준 분사에 대해 선택된 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 따라 특정된다. 이러한 경우에서 최대 위치 및 구동 시간 인스턴트 또는 구동 지속 시간 및 상기 시간 오프셋은 특히 크랭크축 각도 또는 크랭크축 각도를 반영한 변수에 의해 정의될 수 있다. 적어도 하나의 후속 분사에 대한 구동 시간 인스턴트 및/또는 구동 지속 시간 및/또는 구동 펄스 강도가 특정되는 시간 오프셋은 반드시 명백하게 결정될 필요없고; 오히려, 시간 인스턴트 - 예를 들어 크랭크축 각도에 의해 정의됨 - 가 또한 대신 결정될 수 있고 이러한 시간 인스턴트는 일대일로 상기 시간 오프셋, 예를 들어 힘 곡선 자체의 최대값의 시간 인스턴트와 관련된다. 분사 밸브를 개방하기 위한 제어 신호의 시작에 대한 시간 인스턴트 또는 상기 제어 신호를 트리거하는 작동이 발생하는 시간 인스턴트는 예를 들어 구동 시간 인스턴트로서 지칭될 수 있다.
제안된 방법은 한편으로 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘이 매우 간단하고 고유한 방식으로 압전 액츄에이터에 제공된 전압 및 압전 액츄에이터에 의해 시프팅된 전하에 의존하며 그리고 다른 한편으로 힘 커브의 최대 위치가 폐쇄 엘리먼트가 실제 개방되고 분사 밸브가 연료 분사를 위한 경로를 해제하는 시간 인스턴트와 밀접하게 상호관련된다는 판단에 기초한다. 후자는 그 개방의 순간에 분사 밸브에서 오픈의 순간에 분사 밸브에서 지배적인 연료 압력이 이후 밖으로 흐르는 연료로 인해 갑자기 하강한다는 사실에 기인한다. 따라서 압전 액츄에이터에 의해 적용된 힘의 힘 곡선의 최대 위치를 결정하는 것은 분사 밸브의 실제 개방의 시간 인스턴트가 추론되게 하며 이러한 시간 인스턴트는 오직 특정 제한값 내에서, 즉, 대략, 정확하게 알려지지 않은 아이들 스트로크 또는 분사 밸브의 간극으로 인해 초기에 알려진다.
기술된 방법은 평균값으로부터 상기 간극의 편차가 고려되어서 훨씬 더 정밀하게 계량되고 훨씬 더 정확하게 시간의 분사가 수행되는 분사 밸브의 구동의 수정을 허용한다.
현재 의미하는 범위 내에서, 분사의 매우 정밀한 제어가 가능한 상응하게 바람직한 연료 분사 시스템은 내연기관의 각 실린더에 대한 각각의 경우에서 압전 액츄에이터 및 분사 밸브를 구동하기 위한 제어 장치에 의해 구동될 적어도 하나의 분사 밸브를 포함하고, 상기 제어 장치는 기술된 형태의 방법에 의해 분사 밸브들을 제어하기 위한 프로그래밍 수단에 의해 구성된다. 일반적으로, 상기 연료 분사 시스템은 공용-레일 분사 시스템(common-rail injection system)으로 구현 될 것이고, 상기 제어 장치는 예를 들어 이러한 연료 분사 시스템에 구비된 내연기관의 ECU(Engine Control Unit) 내로 통합될 수 있다. 본 발명의 전형적인 실시예에서 각각의 분사 밸브의 압전 액추에이터에 의해 이동가능한 폐쇄 엘리먼트들이 밸브 니들로 구현되고, 상기 압전 액츄에이터는 밸브 니들 또는 밸브 니들의 연장(extension)을 둘러쌓을 수 있는 복수의 링-형상 압전 엘리먼트를 가질 수 있다.
각각의 분사 밸브의 압전 액츄에이터를 포함하는 회로에 시프팅되는 전하의 시간 특성화 곡선을 기록하기 위해, 상기 회로를 통해 흐르는 전류의 전류 흐름(current profile)이 측정되어 직접 또는 간접적으로, 즉 크랭크축 각도를 통해 기록되는 시간을 통해 컴퓨터 계산으로 적분될 수 있다. 전술된 방법을 수행하기에 적절한 연료 분사 시스템은 이에 따라 전위 구배를 기록하기 위한 하나 이상의 전압계 및 전류 흐름을 측정하기 위한 전류계를 포함할 수 있고, 연료 분사 시스템의 제어 장치는 이후 측정된 전류 흐름에 따라 전하를 결정하기 위해 적분 유닛을 바람직하게 포함한다.
제안된 방법은 프로그래밍 수단에 의해 쉽게 실현될 수 있으며, 여기서 구동 시간 인스턴트가 폐루프 제어 회로의 조력으로 조작 변수로서 설정되어서 이후 제어 변수로 고려될 수 있는 힘 곡선의 최대 위치는 예를 들어 크랭크축 각도 또는 크랭크축 각도를 반영한 변수의 특정 값을 통해 다시 정의될 수 있는 설정 포인트 값으로 조절되며 일반적으로 상응하는 내연기관의 전류 작동 상태에 따라 다를 것이다. 이 경우 실제의 최대 위치와 설정포인트 값 사이의 차이는 오차 변수(error variable)로 작용할 수 있다.
분사 밸브의 간극에 의해 야기된 분사의 지연된 실제 시작을 보상하기 위해, 구동 시간 인스턴트는 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 대한 실제 시간 오프셋과 공칭 값 사이의 차이에 상응하는 공칭 구동 시간 인스턴트에 앞선 시간 값에 의해 적어도 하나의 후속 분사에 대한 전술된 방법에 의해 시프팅될 수 있다. 이러한 차이가 네거티브인 경우, 즉 실제 시간 오프셋이 상응하는 공칭값보다 작다면, 적어도 하나의 후속 분사에 대한 구동 시간 인스턴트가 공칭 구동 시간 인스턴트 이후 차이의 양에 의해 그에 맞게 시프팅될 수 있다. 이것은 전술된 타입의 폐루프회로에 의해 또는 대안적으로 이를 위해 저장된 시간 오프셋에 대한 공칭값의 판독 및 실제 시간 오프셋과 공칭값 사이의 이후 결정된 차이에 따라 공칭 구동 시간 인스턴트와 상이한 구동 시간 인스턴트의 재정의에 의해 발생할 수 있다.
압전 액츄에이터와 폐쇄 요소 사이에 증가된 간극이 지연된 실제 분사의 시작에 의해서 뿐 아니라, 그 결과로서 더 짧은 실제 분사 지속 시간에 의해서 수반되기 때문에, 상기 방법은 구동 시간 인스턴트가 시프팅될 뿐 아니라, 적어도 하나의 후속 분사에 대한 구동 지속 시간이 또한 수정되도록 바람직하게 설계될 수 있다. 이러한 방법으로 실제로 분사된 연료 수량이 목표 분사 수량에 상응하는 것이 보장될 수 있다. 덧붙여 적어도 하나의 후속하는 분사에 대한 구동 지속 시간은 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 대한 1 내지 2 사이의 인자가 곱해진, 실제 시간 오프셋과 공칭 값 사이의 차이에 상응하는 시간값에 의해 공칭 구동 지속 시간과 비교하여 연장될 수 있다. 따라서, 구동 지속 시간은 차이가 네거티브라면, 즉 실제 시간 오프셋이 시간 오프셋에 대한 공칭값보다 작다면 그 차이의 양만큼 더 짧아질 수 있다. 공칭 구동 지속 시간과 비교하여 구동 지속 시간에서 시간 오프셋에 대한 실제 시간 오프셋과 공칭값 사이의 차이에 상응하는 변화는 전술된 방법들 중 하나에 의해 구동 시간 인스턴트를 시프팅하는 것에 의해 용이하게 실현될 수 있다. 많은 적용예들에서 이것은 이미 분사 밸브의 구동에 대한 충분한 수정을 야기할 것이다. 그러나, 특정 조건들에서, 압전 액츄에이터와 분사 밸브의 폐쇄 요소 사이에 증가된 간극은 분사 밸브의 지연된 개방을 야기할 뿐 아니라, 분사 밸브의 너무 이른 폐쇄를 야기할 수 있다. 따라서 많은 경우들에서 - 실제 시간 오프셋과 공칭 값 사이의 포지티브 차이인 경우에 - 구동 시간 인스턴트를 앞당기는 것과 더불어 상응하는 제어 펄스가 덧붙여 제어 펄스의 끝이 지연되도록 길어진다면 더 나은 결과들이 달성될 수 있다. 그러나, 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 대한 실제 시간 오프셋과 공칭값 사이의 차이에 2배 이상만큼 공칭 구동 지속 시간과 비교하여 구동 지속 시간을 연장하는 것은 일반적으로 증가된 아이들 스트로크의 충분한 보상을 달성하기 위해 필요하지 않을 것이다.
대안적으로 또는 덧붙여, 분사 밸브의 개방에 의해 정의된 분사의 실제 시작 및 분사 지속 시간 모두는 또한 구동 펄스 강도, 즉 전술된 시간 오프셋에서 반영된 분사 밸브의 아이들 스트로크에 따라 제어 펄스의 강도를 특정하여 수정될 수 있다. 구동 펄스 강도에 대한 측정은, 예를 들어, 시프팅된 전하에 의존하는 전하 부하 에너지이고, 이러한 충전 부하 에너지를 통해 압전 액츄에이터에 의해 수행되는 스트로크가 수정된다. 따라서, 힘 곡선의 지연된 최대값을 통해 검출되는 더 큰 아이들 스크로크의 경우에, 압전 액츄에이터의 더 크고 및/또는 더 빠른 스트로크가 압전 액츄에이터 내로 도입되는 전하 부하 에너지를 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있고, 이는 차례로 더 빠른 조기 개방 시간 인스턴트를 야기한다. 이러한 방법으로 또한 분사 밸브의 개방 시간 인스턴트가 개방 시간 인스턴트 또는 경우에 따라 분사의 시작에 대한 설정포인트 값으로 조절될 수 있다.
분사의 실제 시작과 힘 곡선의 최대값 사이의 작은 시간 갭의 정확한 값이 또한 분사 밸브에 공급하는 연료 라인에서 지배적이고 통상적으로 레인 압력으로서 지칭되는 연료 압력에 의존하기 때문에, 구동 시간 인스턴트 및/또는 구동 지속 시간 및/또는 구동 펄스 강도가 수정되는 적어도 하나의 후속 분사 동안 상기 연료 압력이 기준 분사 동안과 동일한 값을 갖다면 분사 밸브의 제어에 대한 최대한 정확한 수정에 대해 바람직하다. 구동 시간 인스턴트 및/또는 구동 지속 시간 및/또는 구동 펄스 강도가 수정되는 분사가 기준 분사가 발생하는 작업 사이클을 즉시 후속하는 작업 사이클 내로 시작된다면 충분히 높은 정확도를 갖는 경우일 것이다.
특히 분사 밸브의 구동을 수정하기 위한 방법인 압전식 분사 밸브를 제어하기 위한 전술된 방법은 연료 분사 시스템의 각각의 분사 밸브에 대해 예를 들어 상응하는 내연 기관의 작동 동안 정의된 간격들에서 연속적으로 또는 반복적으로 바람직하게 수행될 수 있다. 상기 방법의 연속적인 실행은 특히 폐루프 제어 회로의 조작 변수로서 앞에서 전술된 방식으로 구동 시간 인스턴트를 처리하여 실현될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들이 도 1 내지 도 3을 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1은 분사 밸브를 제어하기 위한 폐루프 제어 회로가 또한 도시된 연료 분사 시스템의 개략도이고,
도 2는 분사 중에 분사 작동에 관련된 변수들의 특성 곡선들에 의한 4 개 그래프이고, 및
도 3은 도2에 상응하는 도면으로, 증가된 아이들 스트로크를 갖는 분사 밸브에 대한 상응하는 특성 곡선들에 의한 4 개의 그래프이다.
도 1은 공용-레일 분사 시스템으로서 구현된 내연기관의 연료 분사 시스템의 여러 구성요소를 도시한다. 상기 분사 시스템은 도 1에 오직 하나만이 도시된, 내연기관의 각 실린더에 대해 하나의 압전식 분사 밸브(2) 및 내연기관의 ECU의 일부인 제어 장치(1)를 포함하고, 나머지 밸브들은 제어 장치(1)에 의해 상응하는 방식으로 구동된다. 폐쇄 요소로서, 각 분사 밸브(2)는 밸브 니들 및 상기 밸브 니들을 이동시키기 위한 압전 액츄에이터를 갖는다. 압전 액추에이터는 N 개 압전 엘리먼트들의 하나의 스택을 포함하고, 각각은 유효 표면(active surface, A) 및 층 두께(d)를 갖고 유전 상수(ε33) 및 전자기계식 커플링 인자(d33)를 나타낸다. 현 시점에서 관련되지 않는 상응하는 내연기관의 다른 구성요소들은 도 1에 도시되지 않는다.
제어 장치(1)는 분사기로 또한 지칭되는 분사 밸브(2)에 대한 통상적인 분사기 제어기(3)를 포함하고, 분사기 제어기(3)는 내연기관의 현재 작동 상태에 따라 분사 밸브(2)에 대한 제어 신호를 발생시키고, 상기 제어 신호는 분사 밸브(2)에 할당된 실린더 내로의 연료 분사가 수행될 때 분사 밸브(2)의 개방(opening)을 시작(initiating)한다. 상기 제어 신호는 전압 펄스의 형태로 분사 밸브(2)의 압전 액츄에이터에 마지막으로 인가되고, 그 결과 상기 액츄에이터가 밸브 니들의 리프팅을 변형시켜서 영향을 주며, 차례로 분사 밸브(2)의 노즐 오리피스의 개방을 야기한다. 분사기 제어기(3)의 출력에 따라 신호 형성 유닛(4)(도시됨)에서 마지막 형태로 된 단일 분사에 대한 제어 신호는 특히 전압 펄스의 시작으로 정의되어야 하는 구동 시간 인스턴트(activation time instant) 및 전압 펄스의 길이가 지정되어야 하는 구동 지속시간(activation duration)을 나타낸다. 이러한 경우에 상기 신호를 통해 시간-변이 전압(U)이 분사 밸브(2)의 압전 액츄에이터에 인가되고 시간-변이 전류(I)가 압전 액츄에이터를 포함하는 회로를 통해 흐른다. 기술된 회로를 통해 흐르는 전류(I)의 전류의 전류 흐름 및 전압(U)의 전위 구배를 기록하기 위해, 전압(U)은 명시적으로 도시되지 않은 전압계에 의해 측정되고 전류(I)도 마찬가지로 명시적으로 도시되지 않은 전류계에 의해 측정된다. 덧붙여 분사 시스템의 제어 장치(1)는 전류(I)의 전류 흐름이 추가 기록 시간에 걸쳐 적분된다는 점에서 상기 회로에서 시프팅된 전하(Q)가 결정되는 적분 유닛(5)을 갖는다. 따라서, 전위 구배 뿐만 아니라 분사 밸브(2)에 의해 수행된 각 분사 동안 전하(Q)의 시간 특성 곡선이 기록된다.
이러한 각 분사들이 내연기관의 후속하는 작업 사이클에서 상응하는 분사에 대한 다음의 제어 신호를 수정하기 위해 기준 분사(reference injection)로서 각 경우에 사용되는 방식으로 제어 장치(1)가 구현된다. 그러한 목적을 위해 분사 밸브(2)의 밸브 니들에 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘(F)의 힘 곡선은 상응하는 다음의 분사에 대해 기준 분사로서 작용하는 분사 작동 동안 먼저 결정된다. 이것은 추가 기록 전위 구배 및 적분 유닛(5)에 의해 획득된 전하(Q)의 시간 특성 곡선을 사용하여 직선의 압전 힘 모델(6)에 의해 컴퓨터 계산으로 달성된다. 이 경우에 힘(F)은 다음과 같은 이미 정의된 변수들 및 파라미터들에 따라 계산된다.
Figure pct00001

도 1에 같이 도시된 최대값 검출 엘리먼트(7)에 의해 힘 곡선의 최대 위치(tmax)가 이후 결정되고, 이는 본 예시의 실시예에서 분사기 제어기(3)에 의해 출력된 공칭 구동 시간 인스턴트(nominal activation time instant)와 관련하여 정의된다. 따라서 결정된 최대 위치(tmax)와 공칭 값(tmax ,N) 사이의 차이(Δt)는 이후 감산기 엘리먼트(8)에 의해 형성된다. 이러한 경우에 공칭값(tmax,N)은, 본 경우에서 분사기 제어기(3)에 의해 출력된 공칭 구동 시간 인스턴트에 관련된, 최대 위치(tmax)에 대한 설정포인트 값을 정의하고, 그리고 0 포인트의 선택된 정의로 인해 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 대한 공칭값(tmax,N)으로서 고려될 수 있다.
신호 형성 유닛(4)에서, 각각의 기준 분사를 후속하는 분사에 대한 제어 신호가 변화될 수 있어서 구동 시간 인스턴트가 상기 차이(Δt)만큼 기준 분사에 대한 구동 시간 인스턴트에 대해 시프팅되고, 구체적으로 최대 위치 값(tmax)이 공칭 값(tmax ,N)보다 더 크면 앞당겨지고, 기준 분사 동안 결정된 최대 위치값(tmax)이 공칭 값(tmax ,N)보다 더 작으면 더 늦은 시간 인스턴트로 시프팅된다. 이러한 방식으로 폐루프 제어 회로는 본 예시에서 공칭값(tmax,N)까지 힘 곡선의 최대 위치(tmax)가 설정포인트 값으로 조절되는 방식으로 구동 시간 인스턴트가 조작 변수로서 설정되는 것에 의해 실현된다. 이 경우 공칭값(tmax ,N)은 내연기관의 작동 상태에 따라 분사기 제어기(3)의 출력과 같이 정의될 수 있다. 더욱이, 주어진 회전 속도에서 상기 변수가 물리적 시간 동안 고유한 측정을 형성하기 때문에, 위치(tmax), 공칭값(tmax ,N) 및 구동 시간 인스턴트는 구동 지속 시간과 같이, 크랭크축 각도 또는 크랭크축 각도를 반영한 변수를 통해 정의될 수 있다.
제어 장치(1)는 전술된 방법 단계들을 수행하기 위한 프로그래밍 수단에 의해 구성되며, 특히 신호 형성 유닛(4), 적분 유닛(5), 선형 압전 힘(piezoelectric force model) 모델(6), 최대값 검출 엘리먼트(8) 및 감산기 엘리먼트(8)가 프로그래밍 수단에 의해 구성된다.
기술된 방식으로 달성되는 것은 다음의 분사를 위한 구동 시간 인스턴트가 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이에 시간 오프셋에 대해 기준 분사에 대한 선택된 구동 시간 인스턴트와 공칭값(tmax,N)으로부터 힘 곡선의 최대값 사이에 실제 시간 오프셋의 차이에 상응하는 분사기 제어기(3)에 의해 출력된 공칭 구동 시간 인스턴트에 앞선 시간값에 의해 각각의 기준 분사에 대해 변위되는 것이다. 여기 기술된 폐루프 제어 회로에 의하는 대신, 상응하는 분사 시스템의 대안적인 실시예에서 이것은 기준 분사에 대해 선택된 구동 시간 인스턴트와 힘 곡선의 최대값 사이에 실제 시간 오프셋이 결정되고 그리고 상기 실제 시간 오프셋과 공칭값(tmax ,N) 사이의 차이를 형성하기 위해 작동-상태-의존 변수로서 추가 저장된 공칭 값(tmax ,N)이 비교된다는 점에서 또한 달성될 수 있고, 이후에 후속하는 분사들에 대한 구동 시간 인스턴트는 상기 차이양만큼 앞서 놓이거나, 네거티브 차이의 경우에 상기 작동 상태에 따라 마찬가지로 특정된 공칭 구동 시간 인스턴트 후에 놓이도록 특정된다.
도 1로부터 예시적인 실시예는 구동 시간 인스턴트의 변화에 의해 후속하는 분사에 대한 구동 지속 시간이 각각의 경우에 또한 변하는 것이 제공되고, 즉 신호 형성 유닛(4)에 의해 그 끝이 아니라 출력된 제어 신호의 오직 시작의 감지로 구동 시간 인스턴트가 신호 형성 유닛(4)에서 변화된다. 이에 달성되는 것은 후속적인 분사들에 대한 구동이 기준 분사에 대해 기록된 실제 시간 오프셋과 구동 포인트와 힘 곡선의 최대값 사이의 시간 오프셋에 대한 공칭 값 사이의 차이에 상응하는 시간 값 만큼 미리 정해진 공칭 구동 지속시간에 대해 시프팅되고, 구동 지속기간은 상기 차이가 포지티브이면 연장되고 그 차이가 네거티브이면 줄어든다는 것이다. 분사 밸브(2)에서 압전 액츄에이터와 밸브 니들 사이의 아이들 스트로크가 분사 밸브(2)의 지연된 개방 뿐 아니라, 분사 밸브(2)의 너무 이른 폐쇄를 야기할 수 있다는 것을 고려하기 위해, 제어 펄스의 끝이 기준 분사와 관련하여 예를 들어 분사 시간 인스턴트가 제어 신호의 시작의 관점에서 앞당겨지는 양 또는 그 반대인 양만큼 뒤로 시프팅되는 것이 분사 시스템의 대안적인 실시예에서 또한 제공될 수 있다.
도 1을 참조하여 기술된 방법의 다른 변형에서, 분사 밸브의 개방에 의해 정의된 분사의 실제 시작 및 분사 지속 시간은 구동 펄스 강도, 즉 압전 액츄에이터에 인가된 제어 펄스의 강도가 분사 밸브(2)의 아이들 스트로크 또는, 경우에 따라 상기 차이(Δt)에 따라 신호 형성 유닛(4)에서 특정된다. 이러한 경우에서 구동 펄스 강도에 대한 측정은 시프팅된 전하(Q)에 의존하는 전하 부하 에너지이며 이는 차례로 압전 액츄에이터에 의해 수행된 압전 스트로크의 크기가 의존한다. 힘 곡선의 최대 값의 지연된 위치(tmax)를 통해 검출되는 더 큰 아이들 스트로크의 경우에서, 압전 액츄에이터의 더 크고 더 빠른 스트로크는 이후 압전 액츄에이터 내로 도입되는 전하 하중 에너지를 증가 시켜서 달성되고, 이것은 차례로 더 이른 개방 시간 인스턴트 및 더 긴 분사 지속 시간을 야기한다. 이런 방식으로 개방 시간 인스턴트 및 분사 지속 시간 모두가 상응하는 설정포인트 값들로 재조절될 수 있다.
전술된 예시적 실시예들에서 상응하는 기준 분사에 대한 구동 시간 인스턴트 및 구동 지속시간과 비교하여 구동 시간 인스턴트 및 구동 지속시간 또는 경우에 따라 구동 펄스 강도가 변화된 분사는 기준 분사의 작업 사이클을 즉시 후속하는 작업 사이클을 시작하기 때문에, 분사 밸브들(2)에 공급하는 연료 라인에 지배적인 레일 압력이 상응하는 기준 분사 동안만큼 후속하는 분사동안 동일한 값을 갖는 것을 보장한다. 이 경우에서 도 1에 도시된 분사 시스템은 구동 시간 인스턴드들 및 구동 지속시간들의 수정이 상기 내연 기관의 모든 분사 밸브들(2)에 대해 내연 기관의 작동 동안 지속적으로 수행되는 방식으로 구성된다. 이러한 분사 시스템의 다른 실시예에서 상기 종류의 수정이 내연기관의 작동 동안 오직 정의된 간격들에서 수행되는 것이 또한 제공될 수 있다.
전술된 방법이 기초가 된 작동을 도시하기 위해, 도 2 및 도 3은 각각 압전 액츄에이터와 각각의 밸브 니들 사이의 상이한 아이들 스트로크들의 측면에서 서로 상이한 2 개의 분사기들에 대한 단일 분사 동안 상이한 물리적 변수들의 시간 특성 곡선들을 도시한다.
다이어그램들의 종좌표는 시간 축로서 각각의 경우에 작용하고, 상기 시간 축선의 영점은 각 분사기에 대한 공칭 구동 시간 인스턴트, 즉 상기 분사기에 대해 아직 미수정인 제어 신호에 대한 시작으로 제공되는 시간 인스턴트로서 선택된다. 이러한 경우에서 기술된 분사기는 도 1의 분사 밸브(2)에 상응한다.
2 μm의 매우 작은 아이들 스트로크를 갖는 분사기에 대한 도 2에서, 제일 위의 그래프는 압전 액츄에이터를 위한 제어 신호를 형성하는 분사 동안 분사기의 압전 액츄에이터 또는 경우에 따라, 분사기에 적용된 전압(U)의 전위 구배(9)를 도시한다. 그 아래의 그래프는 동시에 압전 액추에이터를 통해 흐르는 전류(I)의 전류 흐름(10)을 도시한다. 다음 그래프는 분사기의 밸브 니들에 대한 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘(F)의 힘 곡선(11)을 도시하고, 상기 힘은 도 1로부터 분사 시스템의 경우에서 컴퓨터 계산으로 결정되며 여기서 전류(I)에 의해 시프팅된 전하(Q)의 시간 특성 곡선이 전류 흐름(10)으로부터 적분 유닛(5)에 의해 먼저 결정되고 힘(F)은 선형 압전 힘 모델(6)에 의해 마찬가지로 측정된 전압(U) 그리고 상기 전하(Q)로부터 감산된다.
이것은 분사기의 구동을 후속하여 힘 곡선(11)이 최대를 취하며, 더욱이 이러한 경우에서 시간 축선 상에 제 1 값(t1)에서 명확하게 보여질 수 있다. 이러한 최대의 원인은 밸브 니들의 리프팅으로 인한 분사기의 개방에서 발견될 수 있고, 상기 개방이 분사기에 우세한 연료 압력(p)에서 갑작스런 하강을 야기하기 때문이다. 상기 연료 압력(p)의 커브(12)는 도 2의 마지막 그래프에서 도시된다. 마지막 두 그래프의 비교는 도 2의 마지막 2 그래프에서 수직 라인에 의해 식별되는 압력 내림의 시작으로 동시에 발생하는 매우 작은 시간 차이(Δt)에 의해 오프셋되어 힘 곡선의 최대값이 분사기의 개방을 후속한다는 것을 도시한다. 동일한 것을 도시하기 위해 밸브 니들의 스트로크(s)의 시간 특성 곡선(13)이 도 2의 다음부터 끝까지(next-to-last) 그래프에서 또한 도시된다.
도 3은 도 2에 상응하는 도면으로, 전위 구배(9'), 전류 흐름(10'), 힘 곡선(11'), 분사기의 연료 압력 곡선(12'), 및 분사기의 밸브 니들의 스트로크(s)의 곡선(13')을 도시하고, 여기서 도 2가 관계되는 분사기와 비교하여 압전 액츄에이터와 10μm의 밸브 니들 사이의 증가된 아이들 스트로크의 측면에서 오직 상이한다. 이 경우에 더 큰 아이들 스트로크 때문에 밸브 니들은 약간 더 늦게 리프팅되고, 이러한 이유로 개방에 상호관계되는 분사기에 지배적인 압력(p)의 압력에서의 강하가 또한 더 늦게, 또는 분사기의 제어 챔버에서 더 정확하게 발생한다. 동일한 이유로 힘 곡선(11')의 최대값은 또한 도 2로부터 힘 곡선(11)의 경우에서 보다 더 늦게, 즉 시간 축선 상에 제 2 값(t2)에서 발생한다. 반대로, 힘 곡선(11')의 최대값과 밸브 니들이 리프팅을 시작하는 순간 사이의 시간 차이(Δt)는 도 2로부터 시간 차(Δt)에 상응하는 값을 갖는다. 따라서 힘 곡선(11')의 최대 값의 위치로부터 실제 분사 시간 인스턴트 또는 경우에 따라 설정포인트 분사 시간 인스턴트로부터 상기 분사 시간 인스턴트의 편차를 감산하는 것이 가능하다. 따라서 설정 포인트 분사 시간 인스턴트에 의해 후속적인 분사들에 대한 실제 분사 시간 인스턴트를 조정하여 분사 량의 정확한 계량을 달성하기 위해, 도 2 및 도 3의 각각의 경우 맨 위 그래프에서 보여질 수 있는 제어 신호의 시작에 상응하는 구동 시간 인스턴트, 또는 대안적으로 구동 펄스 강도가 도 1을 참조하여 전술된 방법에 따라 후속적인 분사를 위해 변화된다.

Claims (13)

  1. 내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법으로서,
    - 상기 분사 밸브(2)의 압전 액추에이터에 제공된 전압(U)의 전위 구배(9, 9') 및 상기 분사 밸브(2)에 의해 수행된 기준 분사 동안 상기 압전 액추에이터를 포함하는 회로에 시프팅된 전하(Q)의 시간 특성 곡선을 기록하는 단계,
    - 상기 전위 구배(9, 9') 및 상기 전하(Q)의 시간 특성 곡선으로부터 기준 분사 동안 상기 분사 밸브(2)의 이동하는 폐쇄 엘리먼트에 상기 압전 액츄에이터에 의해 인가된 힘(F)의 힘 곡선(11, 11')을 계산하여 결정하는(computationally determining) 단계,
    - 상기 힘 곡선(11, 11')의 최대의 위치(tmax)를 결정하는 단계,
    - 상기 기준 분사에 대해 선택된 구동 시간 인스턴트와 상기 힘 곡선(11, 11')의 최대값 사이의 시간 오프셋에 따라 하나 이상의 후속 분사 동안 구동 시간 인스턴트(activation time instant) 및/또는 구동 지속 시간(activation duration) 및/또는 구동 펄스 강도(activation pulse intensity)를 특정하는 단계를 포함하는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    시간 특성 곡선을 기록하기 위해 상기 전하(Q)가 상기 회로를 통해 흐르는 전류(I)의 전류 흐름(10, 10')을 측정하여 결정되며 또한 기록된 시간 동안 계산하여 적분되는(computationally integrated)
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 힘 곡선(11, 11')을 결정하기 위해 상기 압전식 액츄에이터에 의해 인가된 힘(F)이 상기 전압(U) 및 상기 전하(Q)에 따라 선형 압전 힘 모델(6)에 의해 결정되는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 힘 곡선(11, 11')의 최대의 위치(tmax)가 설정포인포 값으로 조절되도록 상기 구동 시간 인스턴트가 폐루프 제어 회로의 조작변수로서 설정되는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 후속 분사에 대한 구동 시간 인스턴트가 상기 실제 시간 오프셋과 상기 힘 곡선의 최대값과 구동 시간 인스턴트 사이의 시간 오프셋에 대한 공칭 값 사이의 차이에 상응하는 시간 값만큼 공칭 구동 시간 인스턴트보다 이전에 전방으로 이동되는 내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 후속 분사에 대한 구동 지속 시간이 상기 실제 시간 오프셋과 상기 힘 곡선의 최대값과 구동 시간 인스턴트 사이의 시간 오프셋에 대한 공칭 값 사이의 1 내지 2 사이의 인자에 의해 곱해진 차이에 상응하는 시간값 만큼 공칭 구동 지속시간에 관해 더 크도록 선택되는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 시간 인스턴트 및/또는 상기 구동 지속시간 및/또는 상기 구동 펄스 강도가 수정되는 상기 하나 이상의 후속 분사 동안 상기 분사 밸브에 공급하는 연료 라인의 압력이 상기 기준 분사 동안과 동일한 값을 갖는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상응하는 내연기관의 작동 동안 상기 연료 분사 시스템의 각 분사 밸브에 대해 정의된 간격들에서 지속적으로 또는 반복적으로 수행되는
    내연기관용 연료 분사 시스템의 압전식 분사 밸브(2)를 제어하기 위한 방법.
  9. 내연기관용 연료 분사 시스템으로서,
    내연기관의 각 실린더에 대해 각 경우에서 분사 밸브를 포함하고 상기 분사 밸브는 분사 밸브들을 구동하기 위한 압전 액츄에이터 및 제어 장치에 의해 구동되고, 상기 제어 장치는 상기 제 1 내지 제 8 항 중 한 항의 방법의 조력에 의해 상기 분사 밸브들을 제어하기 위한 프로그래밍 수단에 의해 구성되는
    내연기관용 연료 분사 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    공용-레일 분사 시스템(common-rail injection system)으로서 구현되는 내연기관용 연료 분사 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 밸브들이 각 경우에서 폐쇄 부재로서 상기 압전 액츄에이터에 의해 이동가능한 밸브 니들을 갖는
    내연기관용 연료 분사 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 전위 구배를 기록하기 위한 전압계 및 상기 전류 흐름을 측정하기 위한 전류계를 갖고, 상기 제어 회로가 상기 측정된 전류 흐름에 따라 전하를 결정하기 위한 적분 유닛을 포함하는
    내연기관용 연료 분사 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 연료 분사 시스템을 포함하는
    내연기관.
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