KR20110086514A

KR20110086514A - 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법

Info

Publication number: KR20110086514A
Application number: KR1020110006096A
Authority: KR
Inventors: 요제프 프랑크; 알렉산더 푹스; 클라우스 오르트너
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-07-28
Also published as: DE102010001150A1; KR101841276B1; US20110182752A1; CN102135088A; CN102135088B

Abstract

본 발명은 구동 모터(121)를 구비한 구동부(120)와, 흡입 개구(122) 및 배출 개구(123)와, 상기 두 개구 사이에 배치된 토출 메카니즘 부품(121)을 구비한 유압부(120)를 포함하는 토출 펌프(100)의 토출량을 개회로 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 설정 토출량(

)이 사전 설정되고, 토출 펌프(100)는 설정 토출량(

)과, 유체의 온도(T_{실제-유체})와, 토출 펌프(100)의 유압부(120)에서 흡입 개구(122)와 배출 개구(123) 사이의 압력차(Δp)에 기초하여 제어된다.

Description

토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법{METHOD TO CONTROL DISCHARGE RATE OF DELIVERY PUMP}

본 발명은 토출 펌프의 토출량, 즉 시간 당 토출 체적을 개회로 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

유체를 위한 토출 펌프는 널리 사용된다. 예를 들어 차량 분야에서는 엔진으로 연료를 토출하기 위한 토출 펌프가 사용된다. 이러한 토출 펌프는 대체로 베인 펌프 또는 로터리 베인 펌프로서 형성된다. 특히 내연 기관에서는 원하는 분사압, 원하는 연소 출력, 또한 오염 물질이 없는 연소를 얻기 위해 토출량을 정확하게 사전 설정하는 것이 중요하다. 따라서, 선행 기술에서는 통상적으로 토출량을 폐회로 제어하며, 즉 설정 토출량을 실제 토출량과 비교하여 토출 펌프를 폐회로 제어 편차에 상응하게 제어한다. 이를 위해, 실제 토출량 센서가 필요한데, 이는 토출량의 폐회로 제어를 비교적 복잡하게 한다.

아직 공개되지 않은 DE 10 2008 043 127호에는 펌프 압력의 폐회로 제어가 설명되어 있다. 실제 압력이 소위 폐회로 제어 기술에 의한 모니터링 장치를 통해 검출되는 경우, 압력 센서의 제공은 중단될 수 있다. 이 경우, 토출 압력은 모터 전류 및 모터 회전수에 기초하여 결정된다. 토출량은 결정되지 않는다.

따라서, 실제 토출량을 측정하지 않으면서 토출 펌프의 토출량을 폐회로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 토출 펌프의 토출량, 즉 시간 당 토출 체적을 개회로 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 청구 범위 제1항의 특징부에 의한 방법이 제시된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항 및 하기 설명부의 대상이다.

본 발명은 토출 펌프의 실제 토출량을 측정하는 수단이 아니라, 토출 펌프의 펌프부 또는 유압부에서 흡입 개구와 배출 개구 사이의 압력차와, 유체의 온도에 기초하여 결정하는 수단을 포함한다. 이러한 방식으로, 복잡하고 많은 비용이 드는 추가 센서들이 생략될 수 있다. 실제로 이러한 결정은 예를 들어 온도 및 압력차에 대해 정의된 특성맵에 기초하여 실행될 수 있다. 고려될 압력 차이는 유입 압력을 제외한 배압으로 이루어진다.

압력차의 검출을 위해, 바람직한 실시예에서는 구동 모터의 구동 토크가 사용될 수 있으며, 경험에 따르면 이러한 구동 토크는 압력차에 비례하여 거동한다. 이 경우, 바람직하게는 마찬가지로 압력차에 영향을 미치는 유체의 점도 및 온도도 고려된다.

구동 회전 토크(M_ZP)와 차압(Δp) 사이의 상호 관계는 예를 들어 하기의 식으로 설명된다.

이 경우,

V_이론은 회전수 당 이론적 토출 체적이고,

는 펌프 전체 효율이다.

반면, 구동 토크는 공지되어 있거나 용이하게 결정 가능한 변수에 기초하여 비교적 간단하게 결정될 수 있다. 구동 회전 토크는 공지된 모터 특성맵에서 예를 들어 모터 전류로부터 도출될 수 있다. 반면, 이러한 전류 측정은 비용면에서 유리하게 출력 전자 장치에 의해 구현된다.

펌프의 기하 구조를 고려함으로써, 예를 들어 특성맵을 보정하기 위해 실제 측정값을 1회 측정하고 저장함으로써 유량 측정 없이도 양을 매우 정확하게 폐회로 제어할 수 있다.

통상의 토출 펌프는 유압부와, 이에 플랜지 연결된 구동부를 포함한다. 이외에, 내치 기어 펌프 또는 외치 기어 펌프가 모터축에 축방향으로 플랜지 연결되는 변형예가 공지되어 있다. 구동 모터는 DC 변형으로서 뿐만 아니라 "브러쉬리스(brushless)" DC 변형으로서도 형성된다. 언제나 이러한 모든 전기 토출 펌프는 토출부 및 구동부가, 분리된 유닛이 되도록 형성된다. 그러나 이에 반해, 본 발명은 특히 통합된 구조의 펌프가 사용될 때, 즉 구동부와 유압부가 분리되지 않을 유닛을 형성하는 구조의 펌프가 사용될 때 장점을 제공한다. 이러한 펌프의 예시는 US 2,761,078호 또는 EP 1 803 938 A1호에 설명되어 있다. 이러한 통합된 펌프의 사용은 본 발명을 위해, 유체와 전자 장치 사이에 협소한 공간 접촉부가 존재하는 장점을 제공하므로, 예를 들어 온도 센서는 복잡한 케이블 연결없이 간단하게 장착될 수 있다. 폐회로 제어 전자 장치 또는 출력 전자 장치가 토출 매체에 직접 결합되는 경우에는, 본 발명에 따른 폐회로 제어를 위해 사용될 수 있는 온도 측정 지점이 비용면에서 유리하게 배치될 수 있다.

바람직하게 압력차가 결정될 때는 온도에 좌우되는 누설이 고려된다. 이는 특히 하기의 관점에서 실행될 수 있다.

누설 단면에 기초하여 배압 방향으로는 압력(p₁ 및 p₂)을 갖는 위치(1 및 2)가 인접하고 흡입 압력 방향으로는 압력(p₃ 및 p₄)을 갖는 위치(3 및 4)가 인접하면, 하기식이 적용된다.

"p₁

p₂" 펌프 배압

"p₄

p₃" 펌프 흡입 압력

액체는 대개 비 압축성 매체이므로, 위치들(i=1 내지 i=4)에서의 밀도(ρ_i)는 동일하다(ρ₁ = ρ₂ = ρ₃ = ρ₄ = ρ).

손실항을 갖는 베르누이 방정식(Bernoulli's equation)에 의해, 누설 유동에 대한 "Δp"의 영향은 하기식에 따라 예측된다.

(1)

및

이 가정될 때 하기식이 성립한다.

(2)

또는

(3)

일정한 단면을 위한 손실항은 다음과 같다.

(4)

따라서, 하기식이 성립한다.

(5)

이 경우, λ는 다음 식과 같다.

(6)

반경 방향 미끄럼 베어링의 마찰 토크 예측(M_마찰)은 예를 들어 하기식으로서 주어진다.

이 경우,

이며, 여기서

α는 상수이고,

Rq는 접촉 결합부에 대한 거칠기(Rq) 표준 편차이며,

이 경우,

, 여기서

B는 보유하는 폭

는 동적 점도

E는 탄성 모듈

는 푸아송비(Poisson's ratio)

D는 직경

n은 회전수(1/min)이다.

이에 따라, 회전수에 좌우되는 손실항이 주어질 수 있다.

회전자의 마찰 저항(M)은 회전하는 디스크와 유사하게 설정된다.

이 경우, 층류와 Re < 3·10⁴에 대해서는 하기식이 적용된다.

여기서, s는 회전자와 하우징 사이의 축방향 간격이고

인 경우 회전수에 좌우되는 손실항이 재차 주어질 수 있다.

외부 실린더면에서의 마찰 저항은 이미 베어링 연산에서 고려된다.

이에 따라, 토출량을 결정하기 위해, 온도 및 모터 전류에 대한 특성맵이 사용될 수 있는데, 이는 이러한 매개 변수가 비교적 정확함에도 불구하고 덜 복잡하면서 비용면에서 유리하게 결정될 수 있으므로, 특히 간단하다. 바람직한 상호 관계가 하기와 같이 얻어진다.

이 경우,

이고,

이다.

"V_이론"은 펌프에서 회전수 당 이론적 토출 체적을 표시한다.

본 발명에 따른 연산 유닛, 예를 들어 차량의 개회로 제어 장치는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 특히 프로그램 기술에 따라 설치된다.

본 발명의 추가의 장점 및 실시예는 명세 내용 및 첨부된 도면으로부터 얻어진다.

상기에 언급되고 이하에서 더 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 각각 기술된 조합뿐 아니라 다른 조합으로도 적용 가능하고, 개별적으로도 적용 가능하다는 사실이 자명하다.

본 발명에 의해, 토출 펌프의 토출량, 즉 시간 당 토출 체적을 개회로 제어하기 위한, 비용면에서 유리한 방법이 제공된다.

본 발명은 실시예에 의해 도면에 개략적으로 도시되며, 도면을 참조하여 하기에 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하기에 특히 적합한 토출 펌프의 개략적인 도면.
도 2는 유체 온도가 일정할 때, 압력차에 좌우되는 토출량과 회전수의 상호 관계를 도시한 그래프.
도 3은 유체 온도가 일정하고 압력차가 일정할 때, 유입 압력에 좌우되는 토출량과 회전수의 상호 관계를 도시한 그래프.
도 4는 압력차가 일정할 때, 유체 온도에 좌우되는 토출량과 회전수의 상호 관계를 도시한 그래프.

도 1에는 구동부와 유압부 또는 토출부가, 분리되지 않을 유닛(120)을 형성하는 통합된 구조의 전기 토출 펌프가 개략적으로 도시되어 있으며, 전체적으로 도면 부호 "100"으로 표시되어 있다. 본 예시에서, 통합된 구조는 예를 들어 EP 1 803 938 A1호에 도시된 바와 같이 구동 모터의 회전자가, 유압부의 작동하는 펌프 부재도 동시에 형성함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 유압부(120)는 흡입 개구(122)를 통해 유체, 특히 연료를 흡입하여 배출 개구(123)를 통해 배출하는 토출 메카니즘 부품(121)으로도 작용하는 구동 모터(121)를 포함한다. 따라서, 흡입 개구(122)과 배출 개구(123) 사이에는 압력차(Δp)가 존재한다.

또한, 이러한 펌프는 전자 장치부(110)를 포함한다. 전자 장치부(110)에는 폐회로 제어 모듈(111) 및 출력 모듈(112)이 제공된다. 이러한 폐회로 제어 모듈(111)은 예를 들어 모터 개회로 제어 장치(150)로부터 설정 토출량(

)을 수신하고, 이로부터 모터 전류(I_모터) 및 유체 온도(T_{실제-유체})에 기초하여 구동 모터에 대한 설정 회전수(n_설정)를 결정하며, 이러한 설정 회전수는 출력 모듈(112)에 송신된다. 출력 모듈(112)은 예를 들어 구동 모터를 작동시키기 위한 변환 장치를 포함할 수 있다. 모터 전류(I_모터)는 출력 모듈(112)의 내부에서 결정되어 폐회로 제어 모듈(111)에 전달된다.

펌프(100)의 통합된 구조에 의해, 전자 장치부(110)와 구동 및 유압부(120) 사이의 협소한 공간 접촉부가 존재하므로, 유체 온도(T_{실제-유체})는 전자 장치부(110) 내부에 제공되는 센서(113)에 의한 측정을 통해 간단한 방식으로 측정될 수 있다.

측정된 모터 전류(I_모터) 및 측정된 유체 온도(T_{실제-유체})에 기초하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 토출 펌프(100)의 토출량은 개회로 제어된다. 이를 위해, 폐회로 제어 모듈(111) 내에서는 온도(T_{실제-유체}) 및 모터 전류(I_모터)에 대한 하기에 따른 특성맵이 사용된다.

"V_이론"은 펌프에서 회전수 당 이론적 토출 체적을 표시하고, 대체로 데이터 시트에서 주어진다. 특성맵 상수들(K₁ - K₁₂)은 경험에 따라 검출된다. 바람직하게, 이를 위해 충분한 수의 측정점[

, n, T, I]이 측정되어, 공지된 매칭 방법[예를 들어 최소 제곱법(Least Squares Fitting)]에 의해 평가된다.

이러한 특성맵에 기초하여, 설정 회전수(n_설정)가 결정되어 출력 모듈(112)에 송신된다. 토출량을 폐회로 제어하기 위해, 구동 모터(121)의 실제 회전수(n_실제)는 설정 회전수(n_설정)에 대해 폐회로 제어된다. 이를 위해, 공지된 회전수 폐회로 제어가 사용될 수 있다.

대안적으로, 실제 회전수(n_실제)는 측정된 모터 전류(I_모터) 및 측정된 유체 온도(T_{실제-유체})와 함께, 특성맵을 통해 실제 토출량을 결정하기 위해 사용될 수 있고, 실제 토출량은 재차 설정 회전수의 사전 설정 하에 설정 토출량에 대해 폐회로 제어될 수 있을 것이다.

본 발명에 기초한 여러 가지 상호 관계는 하기에 도 2 내지 도 4를 참조하여, 단지 도시를 위해서 정성적(qualitative)으로만 설명된다.

도 2에는 온도가 일정할 때, 횡좌표 상의 회전수(n)에 대한 종좌표 상의 토출량(

)의 상호 관계를 나타내는 그래프(200)가 도시되어 있다. 그래프(200)에는 흡입 개구와 배출 개구 사이의 다른 압력차(Δp)에 의해 각각 특성화된 3개의 토출량 곡선(210, 220, 및 230)이 도시되어 있다. 이와 같이, 토출량 곡선(210)에는 제1 압력차(Δp₁)가, 토출량 곡선(220)에는 제2 압력차(Δp₂)가, 토출량 곡선(230)에는 제3 압력차(Δp₃)가 할당되며, 압력차는 증가하므로, "Δp₁ ＜ Δp₂ ＜ Δp₃"의 식이 적용된다. 내부 누설이 증가하므로, 토출 체적/회전수 특성 곡선은 상승하는 압력차(Δp)에 의해 우측으로 이동한다. 바꿔 말해, 더 큰 압력차에서 특정 토출량을 제공하기 위해서는 더 높은 회전수도 필요하다.

3개의 토출량 곡선 각각은 실질적으로 선형적으로 상승하는 제1 영역(A)과, 이에 연결되는 만곡된 영역(B)을 포함한다. 영역(A)에서의 기울기는 일정하고 실질적으로 펌프의 기하학적 토출 체적에만 좌우된다. 영역(B)에서 토출 체적 곡선은 기울기가 낮은데, 이는 특히 흡입측의 부분적인 공동 현상(cavitation)이 원인일 수 있으며, 이러한 공동 현상은 특히 국부적으로 빠른 유속에 의해 발생한다.

도 3에는 토출 체적/회전수 특성 곡선에 대한 흡입 개구에서의 압력, 즉 유입 압력(p_유입)의 영향을 나타내는 그래프(300)가 도시되어 있다. 그래프(300)에는 압력차(Δp)가 일정할 때의 3개의 특성 곡선(310, 320, 및 330)이 도시되어 있으며, 이들 특성 곡선의 유입 압력은 각각 상이하다. 특성 곡선(310)은 유입 압력(p_유입1)을 통해, 특성 곡선(320)은 유입 압력(p_유입2)을 통해, 특성 곡선(330)은 유입 압력(p_유입3)을 통해 정의되며, "p_유입1 ＞ p_유입2 ＞ p_유입3"의 식이 적용된다.

유입 압력의 변동은 영역(A 및 B)의 이동을 야기하며, 유입 압력이 감소할 때 안정적인, 즉 선형적인 작동 영역(A)은 작아진다. 바꿔 말해, 유입 압력(p_유입)이 커질수록 안정적인 영역은 작아진다. 따라서, 영역(B)에서의 작동을 방지하기 위해 펌프의 사양에 있어 한계를 설정하는 것이 바람직하다.

도 4에는 토출 체적/회전수 특성 곡선에 대한 유체 온도의 영향을 나타내는 그래프(400)가 도시되어 있다. 그래프(400)에는 3개의 특성 곡선(410, 420, 및 430)이 도시되어 있으며, 이들은 상이한 유체 온도(T₁, T₂, 또는 T₃)에 각각 할당되며, "T₁ ＜ T₂ ＜ T₃"의 식이 적용된다. 온도는 유체의 점성 또는 점도에 영향을 미치고 이에 따라 누설에 영향을 미치므로, 특성 곡선은 상승하는 유체 온도에 의해 우측으로 이동한다. 또한, 펌프 부품들은 팽창하며, 대체로 상이한 재료들이 상이한 부품들을 위해 사용됨에 따라 상이한 열팽창이 발생한다. 예를 들어 하우징은 통상적으로 알루미늄으로 구성되는 반면, 토출 메카니즘 부품은 통상적으로 강철 부재를 포함하며, 따라서 이러한 강철 부재는 하우징보다 더 작은 열팽창을 갖는다. 이후, 누설은 상승하는 온도에 의해 증가한다. 전체적으로, 더 높은 유체 온도에서 특정 토출량을 제공하기 위해서는 더 높은 회전수도 필요하다는 것을 알 수 있다.

Claims

구동 모터(121)를 구비한 구동부(120)와, 흡입 개구(122) 및 배출 개구(123)와, 상기 두 개구 사이에 배치된 토출 메카니즘 부품(121)을 구비한 유압부(120)를 포함하는 토출 펌프(100)의 토출량을 개회로 제어하기 위한 방법에 있어서,
설정 토출량(
)이 사전 설정되고, 토출 펌프(100)는 설정 토출량(
)과, 유체의 온도(T_{실제-유체})와, 토출 펌프(100)의 유압부(120)에서 흡입 개구(122)와 배출 개구(123) 사이의 압력차(Δp)에 기초하여 제어되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 압력차(Δp)는 구동 모터(121)의 구동 토크에 기초하여 결정되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제2항에 있어서, 상기 구동 토크는 구동 모터(121)를 통해 흐르는 모터 전류(I_모터)에 기초하여 결정되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제3항에 있어서, 실제 토출량 또는 설정 회전수(n_설정)는 온도(T_{실제-유체}) 및 모터 전류(I_모터)에 대한 특성맵의 사용하에 결정되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력차는 유체의 점도 및 온도(T_{실제-유체})에 기초하여 결정되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압력차(Δp)가 결정될 때는 온도에 좌우되는 누설이 고려되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 모터의 설정 회전수(n_설정)가 제어되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 구동부와 유압부가, 분리되지 않을 유닛(120)을 형성하는 통합된 구조의 펌프(100)가 사용되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제8항에 있어서, 온도(T_{실제-유체})의 결정은 토출 펌프(100)의 전자 장치부(110)에서 실행되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제8항에 있어서, 모터 전류(I_모터)의 결정은 전자 장치부(110)의 출력 모듈(112)에서 실행되는, 토출 펌프의 토출량 개회로 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위해 설치된 연산 유닛(111).