KR20110074892A - 내연기관용 고압 연료 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저압 영역(12) 및 양 제어 장치(28)를 포함하는, 직접 분사식 내연기관용 고압 연료 펌프(10)에 관한 것이다. 양 제어 장치(28)는 스위칭 밸브를 포함하고, 상기 스위칭 밸브는 고압 연료 펌프(10)의 유입 밸브(22)의 상류측에 배치되고, 제 1 스위칭 위치와 적어도 하나의 제 2 스위칭 위치를 포함하고, 상기 스위칭 위치들은 상이한 스로틀 효과를 갖는다.

Description

내연기관용 고압 연료 펌프{High-pressure fuel pump for an internal combustion engine}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 직접 분사식 내연기관용 고압 연료 펌프에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 대상은 해당 독립 청구범위의 전제부에 따른 직접 분사식 내연기관용 고압 연료 펌프의 작동 방법, 제어- 및/또는 조절 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
직접 분사식 내연기관을 위한 오늘날의 연료 시스템은 대부분 유입 영역(저압 영역)에 양 조절식 고압 연료 펌프를 갖고, 이 경우 양 조절은 실질적으로 고압 연료 펌프의 유입 밸브의 속도 동기식 작동에 의해 이루어진다. 이로써 매우 정확한 양 조절이 가능하다. 이를 위해 사용된 양 제어 밸브의 스위칭 시간은 속도 동기식 제어로 인해 매우 짧다. 또한 양 조절을 위해 고압 영역에 압력 센서가 사용된다. 제어- 및/또는 조절 장치는 고압 영역에서 실제 압력과 설정 압력을 비교하고, 필요 시 양 제어 밸브를 위한 제어를 보정한다.
EP 0 299 337 A2, EP 0 837 986 B1, EP 0 974 008 B1 및 DE 196 12 413 A1호에는 연료 압력을 조절하기 위한 장치가 공지되어 있다. DE 103 27 411 A1호에는 고압 연료 펌프용 압력 제한 밸브가 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 확실하게 작동하고 콤팩트하게 구성된, 전술한 방식의 내연기관용 고압 연료 펌프를 제공하거나 또는 개발하는 것이다. 또한, 상기 고압 연료 펌프는 저렴해야 한다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 내연기관용 고압 연료 펌프, 각각의 독립 청구범위의 특징에 따른 내연기관용 고압 연료 펌프의 작동 방법, 제어- 및/또는 조절 장치 및 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다. 또한, 본 발명에 중요한 특징들은 하기 설명 및 도면에 제시되고, 상기 특징들은 단독으로 및 다양한 조합으로 본 발명에 중요할 수 있고, 이에 대해서는 상세히 제시되지 않는다. 바람직한 개선예들은 종속 청구범위들에 제시된다.
본 발명에 의해 연료 시스템이 현저히 간단해지고 저렴해진다. 가장 간단한 경우에 이를 위해서는 2개의 스위칭 위치를 갖는 양 제어 장치로 충분하다. 2개의 스위칭 위치들은 일반적인 경우에 줄어든, 더 스로틀된 연료 유량을 가진 부분 송출 위치와 실질적으로 방해를 받지 않는 또는 스로틀되지 않은 연료 유량을 가진 전체 송출 위치를 의미한다. 필요 시 연료 송출을 위한 2개 이상의 단계, 즉, 소량, 중간 양 및 전체 양의 구현이 가능하다. 스위칭 밸브의 조절은 간단하게 구성된 조절 회로에 의해 이루어지고, 상기 조절 회로는 고압 연료 펌프의 영역으로부터 간단하게 측정 가능한 작동 변수에 의존하여 스위칭을 일으킨다. 따라서 더 스로틀된 스위칭 위치에서 연료 송출량이 충분한지 여부 또는 덜 스로틀된 스위칭 위치로 스위칭되어야 하는지 여부만 검출되면 된다. 다른 한편으로, 덜 스로틀된 스위칭 위치에서는, 부분 송출 시 연료 송출량이 실제 작동에 충분한지 그리고 그에 따라 더 스로틀된 스위칭 위치로 스위칭될 수 있는지가 검출되어야 한다. 이러한 결정은 간단하게 구성될 수 있고, 따라서 저렴한 제어- 및/또는 조절 장치에서 이루어질 수 있다.
스위칭 밸브가 전자기식 작동 장치 장치를 포함하는 것이 제안된다. 전자석의 액추에이터에 의한 스위칭 밸브의 작동은 확실하고 저렴한 방법이다. 스위칭 밸브에 모든 운동 방향에 대해 하나의 전자석이 할당될 수 있다. 그러나, 스프링의 스프링력에 대항해서 접속 시 하나의 전자석만 작동할 수 있고, 후속해서 차단 시 스프링력은 액추에이터를 다시 초기 위치로 복귀시킬 수 있다. 2개의 스위칭 위치를 갖는 양 제어 장치에서 이 방법은 특히 바람직하다. 스위칭은 비교적 천천히 이루어질 수 있기 때문에, 전자석을 가진 스위칭 밸브에 의해 충분히 릴리스될 수 있는 스위칭 시간에 대한 요구는 적다. 따라서 스위칭 밸브 및 해당 전기 출력단은 비교적 간단하게 구성될 수 있다. 또한, 저렴하며 조립 공간이 절약된다. 스위칭은 낮은 스위칭 속도로 단발성으로 이루어지기 때문에, 스위치에 의한 소음 발생이 적다.
스위칭 밸브는 최소 스로틀 작용을 하는 스위칭 위치에서 비 작동 상태인 것이 제안된다. 예컨대, 오류 시 스위칭 밸브에 대한 제어 라인의 중단이 발생할 수 있다. 제어 장치 내의 출력단의 고장도 가능하다. 이러한 오류의 경우들에서 스위칭 밸브의 제어는 더 이상 불가능하고, "비작동" 또는 "무전류" 상태이다. 본 발명에 따른 조치에 의해 상기 오류에도 불구하고 항상 내연기관의 (비상) 작동이 가능하다.
이에 대한 대안으로서, 스로틀 작용이 증가된 스위칭 위치에서 스위칭 밸브는 비 작동 상태인 것이 제안된다. 고압 연료 펌프의 작동 시 내연기관 내의 연비 최적화에 초점이 맞춰진다면, 전술한 오류 시 고압 펌프의 기계적 구동력 외에 스위칭 밸브의 전력도 고려되어야 한다. 내연기관이 특히 부분 부하로 작동 되면,(이것은 보통의 주행 모드에서 주로 나타남) 제안된 조치에 의해 에너지 소비가 감소될 수 있다.
이에 대한 보완으로서, 스위칭 위치에서 스로틀 효과는 상기 유동 스로틀이 최대 체적 유량의 대략 10-20%의 체적 유량을 가능하게 하도록 설정되는 것이 제안된다. 부분 송출 위치에서 스로틀 효과의 설정은, 정해진 작동 사이클 동안 고압 연료 펌프의 구동력이 전체적으로 최소화되도록 이루어진다. 차량에서는 이를 위해, 예컨대 MVEG 사이클(롤러 시험대에서 배기가스 및 연비 측정을 위한 유럽형 주행 사이클)이 기초가 될 수 있다. 이 사이클에 따라 평균적으로 고압 펌프의 최대 송출량의 대략 10-20%만이 필요하다. 따라서, 이것은 치수 설계 최적화를 나타낸다. 스로틀 효과가 상기와 같이 설계됨으로써, 상기 스위칭 위치에서 내연기관의 작동 시간의 대부분이 최적으로 커버될 수 있다.
고압 연료 펌프가 압력 조절 밸브를 포함하는 경우도 바람직하고, 상기 압력 조절 밸브는 고압 연료 펌프의 고압 영역을 고압 연료 펌프의 저압 영역에 연결하므로, 고압 영역 내의 압력을 적어도 실질적으로 일정하게 유지할 수 있다. 정상 작동 시 스위칭 밸브의 2개의 위치에서 고압 펌프의 송출량은 내연기관의 필요량보다 클 수 있다. 고압 연료 펌프의 손상과 특히 연료 매니폴드의 손상을 방지하기 위해, 초과량의 연료가 압력 조절 밸브를 통해 고압 영역으로부터 저압 영역으로 복귀된다. 연료 매니폴드 내의 압력은 실질적으로 압력 조절 밸브의 개방 압력에 의존한다.
이에 대한 보완으로서, 압력 조절 밸브는 순수하게 기계식/유압식으로 작동하고, 바람직하게 체크 밸브인 것이 제안된다. 이것은 특히 저렴하고 효율적인 해결책인데, 그 이유는 압력 센서와, 제어- 및/또는 조절 장치에서 압력 센서 신호의 평가가 생략될 수 있기 때문이다. 또한, 스위칭 밸브의 제어는 고압 영역 내의 압력을 검출하는 압력 센서의 신호 및/또는 적어도 하나의 분사 밸브의 제어 시간에 의존하는 것이 제안된다. 고압 연료 펌프의 고압 영역에서 압력 감소 시 연료-/공기 혼합물의 최적의 연소에 필요한 연료량을 내연기관의 연소실 내로 분사하기 위해, 분사 밸브의 실제 제어 시간은 연장되어야 한다. 고압 영역에서 압력 상승 시 실제 제어 시간은 상응하게 단축된다. 따라서 제어 시간은 고압 영역 내의 압력에 대한 특성값으로서 간주될 수 있다. 제어 시간(설정 제어 시간)의 미리 주어진 상한 또는 하한값의 초과는 스위칭에 대한 지표이므로, 저압 영역에서 연료 송출량은 고압 영역에서의 검출에 맞추어진다. 제어 시간은 제어- 및/또는 조절 장치 내에 알려진 작동 변수이고, 간단하게 평가될 수 있다. 이로 인해 스위칭 밸브에 대한 스위칭 시점은 간단하게 큰 비용 없이 검출될 수 있다. 고압 영역 내의 압력은 물론 센서에 의해서도 검출될 수 있고, 후속해서 제어- 및/또는 조절 장치에서 압력 상한값 및 하한값과 비교될 수 있다.
이에 대한 보완으로서, 스위칭 밸브의 제어는 펌프 회전수 예비 송출 압력 및/또는 연료 온도에 의존하는 것이 제안된다. 이러한 작동 변수의 평가는 스위칭 밸브의 더 정확한 스위칭을 가능하게 하므로, 에너지가 절약되고 연료와 배기가스가 감소된다.
하기에서 도면을 참고로 본 발명의 실시예가 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 스위칭 밸브의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 순서도.
도 1은 고압 연료 펌프(10)를 구비한 내연기관(9)용 연료 시스템(8)의 개략도를 도시한다. 연료 시스템(8)은 아래에서 설명되는 바와 같이, 도 1의 좌측에 도시된 저압 영역(12)과 우측에 도시된 고압 영역(14)으로 나뉜다. 저압 영역(12)에 배치된 예비 송출 펌프(16)는 연료 저장기(18)로부터 저압 라인(20)을 통해 예비 송출 압력으로 고압 연료 펌프(10)의 유입 파이프(22)로 연료를 펌핑한다. 고압 연료 펌프(10)에서 저압 영역(12)에 필터(24)와 압력 댐퍼(26)가 배치된다. 압력 댐퍼(26)는 고압 연료 펌프(10) 내의 맥동을 저압측으로 댐핑하고, 회전수 및 캠수가 높은 경우에도 높은 송출률을 제공한다.
스위칭 밸브(28) 및 유입 밸브(30)를 통해 연료가 고압 연료 펌프(10)의 작동 챔버(32) 내로 흡입된다. 스위칭 밸브(28)는 나중에 상세히 설명된다. 작동 챔버(32)의 체적은 펌프 실린더(35) 내의 펌프 피스톤(34)의 위치에 의존한다. 펌프 피스톤(34)이 하향 운동하는 동안 작동 챔버(32)가 확장됨으로써, 연료가 흡입된다. 펌프 피스톤(34)의 상향 운동 동안 연료는 고도로 압축되고 배출 밸브(38)와 고압 영역(14)에 포함되는 배출구(40)를 통해 고압 라인(42)을 지나 레일(44)로 계속 송출된다. 레일(44)에 분사 밸브들(46)이 접속되고, 상기 분사 밸브들은 내연기관(9)의 연소실(48) 내로 연료를 직접 분사한다.
정상 작동 시 고압 연료 펌프(10)의 송출량은 분사 밸브(45)로부터 분사된 연료량보다 클 수 있기 때문에, 불필요한 연료량은 고압 영역(14)으로부터 압력 조절 또는 압력 제한 밸브(50)를 통해 다시 저압 영역(12) 내로 복귀된다. 압력 제한 밸브(50)는 예컨대 체크 밸브로서 형성될 수 있다. 고압 저장기(44) 내의 압력은 실질적으로 압력 제한 밸브(50)의 개방 압력에 상응한다. 압력 제한 밸브(50)는 고압 라인(52)을 통해 고압 영역(14)에 연결되고, 저압 라인(54)을 통해 저압 영역(12)에 연결된다. 고압 영역(14)에서도 특히 단일 실린더 펌프의 사용 시 맥동이 발생하고, 다중 실린더 펌프의 사용 시에도 적은 맥동이 생긴다. 맥동은 압력 조절 기능에 부정적인 영향을 미친다. 분리를 위해 스로틀(56)은 유압 면에서 압력 제한 밸브(50) 전방에(상류에) 배치될 수 있으므로, 압력 제한 밸브(50) 전방에서 맥동이 댐핑된다.
펌프 피스톤(34)은 캠(58)에 의해 구동되고, 상기 캠은 내연기관(9)에 의해, 예컨대 캠- 또는 크랭크 샤프트(도시되지 않음)를 통해 구동된다. 캠(58)은 캠- 또는 크랭크 샤프트의 부분일 수도 있다. 캠(58)에 대한 펌프 피스톤(34)의 밀봉은 밀봉 부재(60)에 의해 이루어진다. 펌프 피스톤(34)과 펌프 실린더(36) 사이의 갭에서 발생하는 피스톤 누설은 리턴 라인(62)을 통해 저압 영역(12) 내로 복귀된다.
제어 유닛(64)은 스위칭 밸브(28)의 스위칭 기능을 제어 라인(66)을 통해 제어한다. 또한, 제어 라인들(68)을 통해 분사 밸브들(46)이 제어된다(도 1에는 편의상 하나의 라인(68)만 도시됨). 또한, 내연기관(9)은 회전수 센서(70)와 온도 센서(72)를 포함하고, 상기 회전수 센서는 도시되지 않은 크랭크 샤프트의 회전수를 검출하고, 상기 온도 센서는 내연기관의 작동 온도, 예컨대 실린더 헤드 온도 또는 냉각수 온도를 검출한다. 스위칭 밸브(28)의 제어를 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램은 제어 유닛(64)에 배치된 메모리 매체(74)에 저장된다.
스위칭 밸브(28)의 상세한 구성과 기능은 도 2에 의해 설명된다. 좌측에는 스위칭 밸브(28)의 스위칭 위치 "부분 송출"이 도시되고, 우측에는 스위칭 위치 "전체 송출"이 도시된다. 스위칭 밸브(28)는 실질적으로 액추에이터(76)와 스프링 부재(80)를 포함하고, 상기 액추에이터는 스위칭 부재(78)를 이동시킨다. 액추에이터(76)는 예컨대 전자석으로 형성될 수 있거나 또는 적어도 전자기적으로 작동될 수 있고, 전류 공급 상태에서 스프링 부재(80)에 대항해서 작동한다. 스위칭 부재(78)는 도 2에서 하부 영역에 부분 송출을 위한 스로틀(82)을 가진 배출부를 갖는다. 또한, 도 2에는 실질적으로 영향을 받지 않는 전체 송출을 위해 배출부(84)가 배치된다.
스위칭 밸브(28)의 스위칭이 필요함을 식별하기 위한 특성 변수로서 예컨대 분사 밸브(46)의 작동을 위한 제어 시간이 사용된다. 도시되지 않은 센서에 의해 검출된, 레일(44) 내의 압력이 사용될 수도 있다. 연료-/공기 혼합물의 최적의 연소에 필요한 연료량이 내연기관(9)의 연소실(48) 내로 분사될 수 있도록 하기 위해, 고압 연료 펌프(10)의 고압 영역(14) 내의 압력 감소 시 분사 밸브(36)의 실제 제어 시간은 연장되어야 한다. 고압 영역(14) 내의 압력 증가 시, 실제 제어 시간은 상응하게 단축된다. 제어 시간의 미리 주어지 상한값 또는 하한값(설정 제어 시간)의 초과는, 스위칭에 대한 지표이고, 이로써, 저압 영역 내의 연료 송출량은 고압 영역 내의 조건에 맞게 조정된다.
도 3은 특히 스위칭 밸브(28)의 스위칭 시점에 적응하기 위한 방법을 실행하는 순서도를 도시한다. 이 방법은 제어 유닛(64)에서 실행되는 컴퓨터 프로그램으로 실시된다. 조회 100에서, 스위칭 밸브(28)가 부분 송출로 작동하는지의 여부(스위칭 위치(82))가 확인된다. 그러한 경우라면, 110에서 고압 연료 펌프(10) 내의 필요 연료량의 증가가 검출되고, 예컨대 분사 밸브(46)의 실제 제어 시간이 검출되어 평가되고 회전수 및 온도가 검출되어 평가된다. 120에서, 실제 제어 시간이 주어진 설정 상한값을 초과했는지 여부가 조회된다. 그러한 경우라면, 130에서 스위칭 밸브(28)는 전체 송출(스위칭 위치(84))로 스위칭 된다. 그러한 경우가 아니라면, 다음 실제 제어 시간이 설정 한계값과 비교된다.
조회 100에서, 스위칭 밸브(28)가 이미 전체 송출(스위칭 위치(84))로 작동하는 것이 확인되면, 140에서 다시 분사 밸브(46)의 실제 제어 시간의 검출 및 평가에 의해 고압-연료 펌프(10) 내의 필요 연료량의 감소가 검출된다. 150에서 실제 제어 시간이 미리 주어진 설정 하한값에 미달되었는지 여부가 조회된다. 그러한 경우라면, 160에서 스위칭 밸브(28)는 부분 송출(스위칭 위치(82))로 스위칭된다. 그렇지 않은 경우라면, 다음 실제 제어 시간은 설정 한계값과 비교된다. 스위칭 후에 170에서 스위칭 시점이 제어 유닛(64)에 저장된다. 스위칭 시점의 검출 시 제어 유닛(64)의 컴퓨터 프로그램 내의 다른 작동 변수들, 예컨대 엔진 회전수, 예비 송출 압력 및 연료 온도의 영향이 고려된다. 고압 영역(14) 내의 압력 또는 필요 연료량에 영향을 미치는 다른 추가의 작동 변수들이 전체적으로 고려될 수 있고, 다른 실시예에서 고려될 수 있다.
스위칭 밸브가 스위칭 위치(82;부분 송출)에 있는 경우에 고압-연료 펌프(10)가 충분히 연료를 송출하는지 여부를 확인하기 위해, 실제-출력 또는 실제-회전 모멘트 또는 그것의 특성 곡선 및/또는 실제-회전수가 평가될 수 있다. 출력 감소가 확인되고, 적절한 평가에 의해 상기 출력 감소가 불충분한 연료 송출에 관련될 수 있는 경우에, 이것은 전체 송출(스위칭 위치(84))로의 스위칭 기준으로서 사용될 수 있다.
9 내연기관
10 고압 연료 펌프
12 저압 영역
22 유입 밸브

Claims (12)

  1. 저압 영역(12)과 양 제어 장치(28)를 포함하는, 직접 분사식 내연기관(9)용 고압 연료 펌프(10)에 있어서,
    상기 양 제어 장치(28)는 스위칭 밸브를 포함하고, 상기 스위칭 밸브는 고압 연료 펌프(10)의 유입 밸브(22)의 상류측에 배치되고, 제 1 스위칭 위치와 적어도 하나의 제 2 스위칭 위치를 포함하고, 상기 스위칭 위치들은 다른 스로틀 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)는 전자기식 작동 장치(76)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)는 최저 스로틀 효과를 갖는 스위칭 위치에서 비 작동 상태인 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)는 커진 스로틀 효과를 갖는 스위칭 위치에서 비 작동 상태인 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 스위칭 위치에서 상기 스로틀 효과는, 최대 체적 유량의 대략 10-20%의 체적 유량을 가능하게 하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압 연료 펌프는 압력 조절 밸브(50)를 포함하고, 상기 압력 조절 밸브는 상기 고압 연료 펌프(10)의 고압 영역(14)을 고압 연료 펌프(10)의 저압 영역(12)에 연결하고, 따라서 고압 영역(14) 내의 압력을 적어도 실질적으로 일정하게 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 압력 조절 밸브(50)는 순수 기계식/유압식으로 작동하고, 바람직하게는 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 고압 연료 펌프의 작동 방법에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)의 제어는 고압 영역의 압력을 검출하는 압력 센서의 신호 및/또는 적어도 하나의 분사 밸브(46)의 제어 시간에 의존하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프의 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 분사 밸브(46)의 제어 시간이 한계값을 초과하면, 상기 스위칭 밸브(28)는 더 스로틀되는 스위칭 위치로부터 덜 스로틀되는 스위칭 위치로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프의 작동 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)의 제어는 펌프 속도, 예비 송출 압력 및/또는 연로 온도에 의존하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프의 작동 방법.
  11. 고압 연료 펌프(10)용 제어- 및/또는 조절 장치(64)에 있어서, 제 8 항 내지제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 적용하기 위해 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 제어- 및/또는 조절 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 적용하기 위해 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
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