KR20110115976A - 내연기관용 고압-연료 펌프 - Google Patents

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Abstract

직접 분사식 내연기관(9)용 고압-연료 펌프(10)는 저압 영역(12)과 양 제어장치를 포함하고, 상기 양 제어장치는 스위칭 밸브(28)를 포함하고, 상기 스위칭 밸브는 상기 고압-연료 펌프(10)의 유입 밸브(22)의 상류측에 배치되고, 적어도 하나의 개방된 제 1 스위칭 위치(84)와 적어도 하나의 폐쇄된 제 2 폐쇄된 위치(82)를 포함한다. 본 발명에 따라 유동 면에서, 스위칭 밸브(28)에 대해 평행하게 유동 스로틀(29)이 배치된다.

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 직접 분사식 내연기관용 고압-연료 펌프의 작동 방법, 제어- 및/또는 조절 장치 및 해당 청구항에 따른 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
예컨대 DE 10 2007 010 502 A1 호에 공지된 바와 같은, 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 동기 작동에 의해 이루어진다. 이로써 매우 정확한 양 조절이 가능하다. 이를 위해 사용된 양 제어 밸브의 스위칭 시간은 속도 동기 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 상이한 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 충분하고, 각각의 스위칭 위치는 해당 작동 단계 동안 일정하게 유지되고, 짧고 신속한 스위칭 시간을 가진 클록 작동은 필요하지 않다. 2개의 스위칭 위치들은 일반적인 경우에 줄어든, 더 스로틀된 연료-유량을 가진 부분 이송 위치와 실질적으로 방해를 받지 않은 또는 스로틀되지 않은 연료-유량을 가진 전체 이송 위치를 의미한다. 더 스로틀된 연료-유량을 갖는 스위칭 위치는 스위칭 밸브의 폐쇄에도 불구하고 계속해서 유체에 의해 병렬 접속되는 유동 스로틀에 의해 달성된다. 따라서 스위칭 밸브는 특히 간단하고 저렴하게 구성된다. 기본적으로 스위칭 밸브는 추가로 개방 및 폐쇄된 스위칭 위치 사이의 중간 위치를 취할 수 있다. 이러한 중간 위치에서 유동 스로틀을 통해 유동하는 스로틀된 유량은 중간 위치에 있는 스위칭 밸브를 통해 유동하는 스로틀된 유량에 합쳐진다. 또한, 스위칭 밸브의 "폐쇄된" 위치는 여전히 소량이 스위칭 밸브를 통해 유동할 수 있는 위치인 것이 고려될 수 있다. 이러한 경우에 상기 양은 유동 스로틀을 통해 흐르는 양에 합쳐진다.
스위칭 밸브의 조절은 간단하게 구성된 조절 회로에 의해 이루어지고, 상기 조절 회로는 쉽게 검출될 수 있는 작동 변수에 의존하여 고압-연료 펌프의 영역으로부터 전환을 일으킨다. 따라서, 폐쇄된 스위칭 위치에서 연료 이송량이 충분한지의 여부 또는 개방 스위칭 위치로 전환되어야 하는지의 여부만 검출되면 된다. 다른 한편으로 개방된 스위칭 위치에서, 연료 이송량은 부분 이송 시 실제 작동에 충분하고, 따라서 폐쇄된 위치로 전환될 수 있다는 것이 검출되어야 한다. 이러한 결정은 간단하게 구성될 수 있고 따라서 저렴한 제어- 및/또는 조절 장치에서 이루어질 수 있다.
개선예에서, 유동 스로틀의 스로틀 효과는 상기 유동 스로틀이 최대 체적 유량의 대략 10-20%의 체적 유량을 가능하게 하도록 설정되는 것이 제안된다. 부분 이송 위치에서 스로틀 효과의 설계는, 정해진 작동 사이클 동안 고압-연료 펌프의 총 구동 출력이 최소가 되도록 이루어져야 하는 것에 기초한다. 차량에서는 이를 위해 예컨대 MVEG-사이클(롤러 시험대에서 연료 배기가스 및 연비 측정을 위한 유럽형 주행 사이클)이 기초가 될 수 있다. 이 사이클에 따라 평균적으로 고압 펌프의 최대 이송량의 대략 10- 20%만 필요하다. 따라서 이것은 치수 설계 최적화를 나타낸다. 스로틀 효과가 상기와 같이 설계됨으로써, 스위칭 밸브의 폐쇄된 위치에서 내연기관의 작동 시간의 대부분이 커버될 수 있다.
또한, 스위칭 밸브가 비작동 상태에서 폐쇄되는 것이 제안된다. 고압-연료 펌프의 작동 시 내연기관에서 연비 최적화가 중요하므로, 전술한 에러의 경우에 고압 펌프의 기계적 구동 출력 외에 스위칭 밸브의 전력이 고려되어야 한다. 내연기관이 특히 부분 부하로 작동되는 경우에(이것은 평균적인 운전 방식에서 대부분의 경우이다), 제안된 조치에 의해 에너지 소비가 감소될 수 있다. 이것은 특히, 폐쇄된 스위칭 밸브에서 내연기관의 작동 시간의 대부분이 경과할 수 있도록 유동 스로틀이 설계되는 경우에 적용된다. 유동 스로틀에 의해, 예컨대 미끄러 떨어진 플러그 때문에 더 이상 제어할 수 없는 스위칭 밸브에서도 비상 작동이 가능한 것이 보장된다.
대안으로서 스위칭 밸브는 비작동 상태에서 개방될 수 있다. 이로 인해 에러 시 제어 라인이 중단된 경우에도 내연기관은 계속해서 정상 작동할 수 있다.
고압-연료 펌프가 압력 조절 밸브를 포함하는 경우에도 바람직하고, 상기 압력 조절 밸브는 고압-연료 펌프의 고압 영역을 고압-연료 펌프의 저압 영역에 연결하므로, 고압 영역 내의 압력을 적어도 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 정상 작동 시 스위칭 밸브의 2개의 위치에서 고압 펌프의 이송량은 내연기관의 필요량보다 클 수 있다. 고압-연료 펌프의 손상과 특히 연료 수집 라인의 손상을 방지하기 위해, 초과량의 연료가 압력 조절 밸브를 통해 고압 영역으로부터 저압 영역으로 복귀된다. 연료 수집 라인 내의 압력은 실질적으로 압력 조절 밸브의 개방 압력에 의존한다.
이에 대해 보완적으로, 압력 조절 밸브는 순수하게 기계식/유압식으로 작동하고, 바람직하게 체크 밸브인 것이 제안된다. 이것은 특히 저렴하고 효율적인 방법인데, 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 강하 시 연료-공기 혼합물의 최적의 연소에 필요한 연료량을 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 스위칭을 위한 표시이므로, 저압 영역에서 연료 이송량은 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 의해 검출될 수 있고, 후속해서 제어- 및/또는 조절 장치에서 압력 상한값 및 하한값과 비교될 수 있다.
이에 대한 보완으로서, 스위칭 밸브의 제어는 펌프 회전수 또는 내연기관의 회전수, 예비 이송 압력 및/또는 온도, 예컨대 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 이송 펌프(16)는 예비 이송 압력에 의해 연료 저장기(18)로부터 저압 라인(20)을 통해 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 이송율을 제공한다.
스위칭 밸브(28) 및 유입 밸브(30)를 통해 연료가 고압-연료 펌프(10)의 작동 챔버(32) 내로 흡입된다. 그러한 점에서, 스위칭 밸브(28)는 유입 밸브(30)의 상류측에 배치된다. 경우에 따라서, 고압-연료 펌프(10)의 유입 파이프(13)의 상류측에도 배치될 수 있다. 유동 면에서 볼 때, 스위칭 밸브(28)에 대해 평행하게 유동 스로틀(29)이 제공된다. 유동 스로틀(29)은 스위칭 밸브(28)의 외부에 배치될 수 있거나 또는 상기 스위칭 밸브에 통합될 수 있다. 스위칭 밸브(28)와 유동 스로틀(29)은 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 배출 파이프(40)를 통해 고압 라인(42)을 지나 레일(44)로 계속 이송된다. 레일(44)에 분사 밸브(46)가 접속되고, 상기 분사 밸브는 내연기관(9)의 연소실(48) 내로 연료를 직접 분사한다.
정상 작동 시 고압-연료 펌프(10)의 이송량은 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)에서 특히 단일 실린더 펌프의 사용 시 맥동이 발생하고, 다중 실린더 펌프의 사용 시에도 적은 맥동이 형성된다. 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)에 의해 제어한다. 또한, 제어 라인들(68)에 의해 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)와 유동 스로틀의 상세한 구성과 기능은 도 2에 의해 설명된다. 좌측에는 스위칭 밸브(28)의 폐쇄된 스위칭 위치 "부분 이송"이 도시되고, 우측에는 개방된 스위칭 위치 "전체 이송"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 작동하고, 스위칭 부재를 폐쇄 위치(82)로 움직인다. 개방 위치는 도면부호 84로 도시된다. 예컨대 도 1에 도시된 폐쇄된 위치(82)에서 고압-연료 펌프(10)의 최대 이송 가능한 체적 유량의 대략 10-20%의 양이 스위칭 밸브(28)를 지나 유동 스로틀(29)을 통해 유입 밸브(30)를 거쳐서 작동 챔버(32) 내에 이를 수 있다.
스위칭 밸브(28)의 스위칭이 필요함을 식별하기 위한 특성 변수로서 예컨대 회전수 센서(70)에 의해 검출된 내연기관(9)의 회전수가 사용되고 및/또는 온도 센서(72)에 의해 검출된 예컨대 냉각수 또는 연료의 온도가 사용된다. 예컨대 회전수가 낮고 부하가 높은 경우에 이송 행정당 더 많은 연료가 이송되어야 하면, 스위칭 밸브(28)는 개방 스위칭 위치(84)로 스위칭 된다. 그와 달리, 부하와 회전수가 정상인 경우에 스위칭 밸브(28)는 폐쇄된 스위칭 위치(82)로 이동되므로, 연료는 유동 스로틀(29)을 통해서만 작동 챔버(32) 내에 도달한다.
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 이송으로 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, 이송 행정당 실제 필요 이송량을 특징짓는 변수가 한계치를 초과했는지 여부가 조회된다. 그러한 경우라면, 130에서 스위칭 밸브(28)는 완전 이송(스위칭 위치(84))로 스위칭 된다.
조회 100에서, 스위칭 밸브(28)가 이미 완전 이송(스위칭 위치(84))으로 작동하는 것이 확인되면, 140에서 (이송 행정당) 고압-연료 펌프(10) 내의 필요 연료량의 감소가 검출된다. 150에서 이송 행정당 실제 필요 이송량을 특징짓는 변수가 한계치에 미달되었는지 여부가 조회된다. 그러한 경우라면, 160에서 스위칭 밸브(28)가 폐쇄된다(스위칭 위치(82)). 스위칭 후에 170에서 스위칭 시점이 제어 유닛(64)에 저장된다.
스위칭 밸브가 폐쇄된 스위칭 위치(82;부분 이송)에 있는 경우에 고압-연료 펌프(10)가 충분히 연료를 이송하는지 여부를 확인하기 위해, 실제-출력 또는 실제-회전 모멘트 또는 그것의 특성 곡선이 평가될 수 있다. 출력 감소가 확인되고, 적절한 평가에 의해 상기 출력 감소가 불충분한 연료 이송에 관련될 수 있는 경우에, 이것은 전체 이송(스위칭 위치(84))으로의 스위칭 기준으로서 사용될 수 있다.
9 내연기관
10 고압-연료 펌프
12 저압 영역
28 스위칭 밸브
29 유동 스로틀
32 이송 챔버

Claims (12)

  1. 직접 분사식 내연기관(9)용 고압-연료 펌프로서, 저압 영역(12)과 양 제어장치를 포함하고, 상기 양 제어장치는 스위칭 밸브(28)를 포함하고, 상기 스위칭 밸브는 고압-연료 펌프의 이송 챔버(32)의 상류측에 배치되고, 적어도 하나의 개방된 제 1 스위칭 위치(84)와 적어도 하나의 폐쇄된 제 2 스위칭 위치(82)를 포함하는 고압-연료 펌프에 있어서,
    유동 면에서, 상기 스위칭 밸브(28)에 대해 평행하게 유동 스로틀(29)이 배치되는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 스로틀(29)의 스로틀 효과는 상기 유동 스로틀이 최대 체적 유량의 대략 10-20%의 체적 유량을 가능하게 하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유동 스로틀(29)은 상기 스위칭 밸브(28)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)는 비작동 상태에서 개방되는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브는 비작동 상태에서 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압-연료 밸브는 압력 조절 밸브(50)를 포함하고, 상기 밸브는 상기 고압-연료 펌프(10)의 고압 영역(14)을 상기 고압-연료 펌프의 저압 영역(12)에 연결하고, 따라서 상기 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 순수하게 기계식/유압식으로 작동하고, 바람직하게 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 고압-연료 펌프(10)의 작동 방법에 있어서, 스위칭 밸브(28)의 제어는 상기 고압-연료 펌프(10)의 행정당 소정의 이송 출력을 특징짓는 변수, 예컨대 고압 영역의 압력을 검출하는 압력 센서의 신호 및/또는 적어도 하나의 분사 밸브(46)의 제어 시간 및/또는 내연기관(9)의 회전수 및/또는 온도에 의존하는 것을 특징으로 하는 고압-연료 펌프의 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 스위칭 밸브(28)는 상기 고압-연료 펌프(10)의 행정당 소정의 이송 출력을 특징짓는 변수가 한계치를 통과하는 경우에, 폐쇄된 스위칭 위치(82)로부터 개방된 스위칭 위치(84)로 스위칭 되는 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 이송 압력 및/또는 연료-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 내지 제 10 항에 따른 방법에서 적용하기 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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