KR20110135920A - 내연 기관용 높은 동작 반복가능성 및 안정성의 연료 분사 시스템 - Google Patents
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Abstract
내연 기관용 연료 분사 시스템으로서, 하나 이상의 연료 전자분사기; 및 파일럿 연료 분사를 수행하는 적어도 하나의 제1 전기 명령 및 주요 연료 분사를 수행하는 제2 전기 명령을 가지는, 엔진 실린더로의 연료 분산 단계에서, 연료 전자분사기를 공급하도록 형성된 하나의 전자 제어 유닛을 포함한다. 제1 및 제2 전기 명령은 주요 연료 분사가 파일럿 연료 분사에 대하여 중단되지 않고 시작되도록 전기적 드웰 시간에 의해 시간상 구분된다. 제1 및 제2 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간은 엔진 실린더의 연료 분사 단계에서 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에서 분사되는 총 연료량이 실질적으로 일정한 전기적 드웰 시간 범위에 속한다.
Description
본 발명은 내연 기관용 높은 동작 반복가능성 및 안정성의 연료 분사 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료 분사 시스템은 각각 계량 서보 밸브(metering servo valve)가 제공되는 복수의 연료 전자분사기(전자분사기(electroinjector))를 포함하며, 상기 계량 서보 밸브(metering servo valve)는 가압 연료가 공급되고 탄성 가압 수단(elastic urging means)을 통해 개폐 요소에 의해 상시 폐쇄되는(normally closed) 연료 출구가 제공되는 제어 챔버를 포함한다. 연료를 분사시키는 탄성 가압 수단(elastic urging means)과 반대로 작용하는 전기 액추에이터(electric actuator)에 의해 제어 챔버의 연료 출구를 열도록 개폐 요소가 작동된다. 제어 챔버의 연료 압력은 분사기 몸체에서 축 방향으로(axially) 이동가능한 제어 막대(control rod)로 작용하며, 제어 막대(control rod)는 네뷸라이저 노즐(nebulizer nozzle)의 연료 분사 구멍(fuel injection hole)을 개폐하기 위해 축 방향으로(axially) 이동하는 네뷸라이저 니들(nebulizer needle)에 연결된다.
연료 분사 시스템은 또한 대응하는 전기 명령을 이용하여, 각 연료 분사에 대한, 전기 액추에이터를 공급하는 프로그램화된 전자 제어 유닛을 포함한다.
대응하는 전기 명령에 대하여 제어 막대(control rod)의 움직임의 시간 지연은 제어 챔버의 부피 및 연료 입구부(sections of the fuel inlet)와 연료 출구 부(sections of the fuel inlet) 사이의 비율뿐만 아니라, 계량 서보 밸브(metering servo valve)의 개폐 요소에 작용하는 가압 수단(urging means)의 프리로딩(preloading)에 의존한다.
엔진 성능을 개선하기 위해, EP 1657422 및 EP 1795738에 연료 분사 시스템이 공지되어 있으며, (엔진 속도, 부하, 냉각수 온도 등에 기초한) 미리 정의된 엔진 작동 조건에서, 전자 제어 유닛이, 연료 분사 단계 및 엔진 실린더에서의 대응하는 연료 연소 단계에서, 파일럿 연료 분사(pilot fuel injection)를 수행하는 미리 정해진 지속 시간(time duration)의 적어도 하나의 제1 전기 명령 및 주요 연료 분사(main fuel injection)를 수행하는 엔진 작동 조건에 따른 지속 시간(time duration)의 후속 전기 명령을 공급한다. 두 전기 명령은 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)에 의해 시간으로 구분되어서 주요 연료 분사(main fuel injection)가 파일럿 연료 분사에 대하여 중단없이 시작된다, 즉, 연료 분사 단계에서 순간 연료 유속은 소위 "두-험프 프로파일(two-hump profile)"을 띤다.
본 출원인은 상기 특허에서 설명하고 있는 연료 분사 시스템에서, 엔진 작동 조건을 기초로 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에 대한 전기 명령의 지속 시간, 연료 압력 및 일반적으로 부피로 표현되는, 파일럿 연료 분사 동안 분사된 연료량을 조정하면, 전자 제어 유닛에 의해 발생한 대응하는 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)의 함수로서 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사를 통해 엔진 실린더로 전체로서 분사된 전체 연료량이 변한다는 것을 실험적으로 알아냈다. 특히, 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사를 위한 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)의 함수로서 연료 전자분사기(electroinjector)의 두 다른 거동을 확인하였다. 사실, 제한적인 전기적 드웰 시간(limit electrical dwell time)을 확인하는 것이 가능하며, 미리 결정된 양인, 주요 연료 분사 동안 분사된 연료량은 연료가 연료 전자분사기(electroinjector)로 전달되는 연료 전달 파이프에서 유발되고, 파일럿 연료 분사로 인해 발생하는 연료 압력 진동, 대응하는 전기 명령의 지속 시간(time duration), 연료 압력 및 파일럿 연료 분사 동안 분산된 연료량에 의존한다.
이 제한적인 전기적 드웰 시간(limit electrical dwell time)보다 짧은 파일럿 연료 분사에 대한 전지 명령 및 주요 연료 분사에 대한 연료 명령 사이의 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)을 위해, 이미 상술한 연료 압력 및 파일럿 연료 분사 동안 분사된 연료량 이외에, 주요 연료 분사 동안 분사된 연료량은 많은 요소, 즉, 두 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간(electrical dwell time), 제어 챔버의 연료 출구의 폐쇄 동안 밸브 시트에서의 개폐 요소의 반동, 주요 연료 분사에 대한 전기 명령 개시시의 네뷸라이저 니들(nebulizer needle) 위치 및 계량 서보 밸브(metering servo valve)의 개폐 요소의 유체 누출 방지 영역(fluid-tight area)에 인접하여 유발되는 유체-역학적 조건(fluid-dynamic condition)에 의해 영향을 받고, 상기 반동은 제어 챔버의 연료 출구를 다시 열고, 제어 챔버에서의 연료 압력 변화에 영향을 주며 그로 인하여 제어된 제어 막대의 역학(dynamics)에 영향을 준다.
또한, 유체 누출 방지부(fluid-tight part) 또는 아주 작은 간격(clearance)을 가지는 상대 이동부(relatively movable part)의 마모가 개폐 요소의 바운싱(bouncing)에 영향을 주는 한 연료 전자분사기(electroinjector) 노화를 고려할 필요가 있고, 반면, 네뷸라이저 노즐 구멍(nebulizer nozzle hole)에 영향을 미치고 기본적으로 연소 챔버의 고온 및 높은 연료 분사 압력의 조화에 의해 발생하는 탄소 퇴적물(carbon deposit)의 침전에 의해 유발되는 구멍부(hole section)가 점점 좁아지는 것을 포함하는 소위 "코킹(coking)" 현상이 후자의 부분을 줄이고, 그로 인해 연료 전자분사기(electroinjector)의 연료 유속이 감소한다.
상술한 것처럼, 주요 연료 분사(main fuel injection)에 대한 전기 명령이 공급될 때 파일럿 연료 분사가 실제로 연료 전자분사기(electroinjector)의 유체-역학적 조건(fluid-dynamic condition)을 바꾼다. 특히, 전형적으로 승객용 자동차 엔진에 적용되는 1~3㎣ 및 전형적으로 산업 자동차 엔진에 적용되는 5~7㎣의 영역의 파일럿 연료 분사 동안 분사되는 연료량에 있어서, 두 거동을 분리하는 파일럿 연료 분사에 대한 전자 명령 및 주요 연료 분사에 대한 전자 명령 사이의 제한적인 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)은 약 300㎲이다.
본 출원인은 또한 파일럿 연료 분사에 대한 전자 명령 및 주요 연료 분사에 대한 전자 명령 사이의 제한적인 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)이 상술한 제한적인 전기적 드웰 시간보다 짧을 때 연료 전자분사기(electroinjector)의 동작 견고성이 현저하게 위태로워서 파일럿 연료 분사가 이어지는 주요 연료 분사를 상당히 방해한다는 것을 실험적으로 알아냈다.
그것은 연료 전자분사기(electroinjector) 수명 동안 파일럿 연료 분사에 대한 전자 명령 및 주요 연료 분사에 대한 전자 명령 사이의 제한적인 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)을 변경하도록 전자 제어 유닛을 프로그램하는 것이 가능하더라도, 어떤 경우에는 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 동안의 순간 연료 유속이 두-험프 프로파일(two-hump profile)을 계속 가지도록 도입시킬 보정량을 미리 결정할 수 없다. 특히, 파일럿 연료 분사와 주요 연료 분사 동안 분사된 연료량 사이의 미리 정의된 비율을 변하지 않도록 유지하는 것은 불가능하고, 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 동안 분사된 연료 사이의 비율이 변함에 따라 엔진 배기 가스 방출에 부정적으로 영향을 미치는 과도한 연료량이 연소 챔버로 도입되는 것과 관련하여, 두 연료 분사가 단일 연료 분사로 실질적으로 합쳐지는 제한적인 상황에 도달할 수 있다.
사실, 설명된 유형의 공지된 연료 분사 시스템에서 경험한 단점은 파일럿 연료 분사와 주요 연료 분사 동안 순간 연료 유속의 두-험프 프로파일(two-hump profile)을 얻기 위해, 비록 인접하지만, 파일럿 연료 분사가 주요 연료 분사와 잘 식별되고 구별가능한 경우, 대응하는 전기 명령 사이에 매우 짧은 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)을 설정하는 것이 필요기 때문이다. 따라서, 유체역학적 조건이 현저하게 변하고 엔진 효율 및 오염 물질 배기 가스 방출에 나쁜 효과로 이전에 언급된 매개 변수에 의존할 때, 주요 연료 분사를 얻기 위해 계량 서보 밸브를 다시 개방하기 시작한다.
연료 전자분사기(electroinjector) 수명 동안 상기 단점이 급속하게 증가한다: 특히, 연료 전자분사기(electroinjector)의 상대 이동부의 마모 및 네뷸라이저 노즐 구멍(nebulizer nozzle hole)의 코킹(coking)과 같은 현상이, 소위 "연료 유속 곡선"과 같은, 전자분사기(electroinjector) 성능 곡선 도는 "접근 곡선(approach curve)"을 변경하며, 상기 성능 곡선은 주어진 연료 압력에 있어서, 대응하는 전기 명령의 지속 시간에 대한 주요 연료 분사 동안 분사된 연료량을 묘사하며, 상기 접근 곡선은 하기에서 더 상세히 기술되겠지만, 주어진 연료 압력 및 전기 명령의 지속 시간에 있어서, 대응하는 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간에 대한 파일럿 연료 분사 및 이어지는 주요 연료 분사 동안 분사된 총 연료량을 묘사한다. 전자 제어 유닛에 의해 발행된 전기 명령은 연료 전자분사기의 상술한 성능 곡선에 기반을 두고, 마모 또는 코킹(coking)의 결과로서 시간을 변경하는 정확한 방법을 예측하는 것은 불가능하기 때문에, 전자 제어 유닛이 연료 전자분사기의 전체 수명 동안 한 연료 전자분사기에서 다른 연료 전자분사기까지 재현할 수 있는 견고한 작동을 보장하도록 하는 제어 알고리즘을 산출하는 것이 어렵다. 특히 모든 엔진 실린더의 배기 매니폴드(manifold)의 하류에 위치하고 따라서 평균 배기 가스를 분석할 수 있는 한 각 연료 전자분사기(electroinjector)의 매핑(mapping)을 지속적으로 수정하기 위한 UEGO 프로브(UEGO probe)에 의지하는 것이 불가능하다. 배기 가스 방출에 대한 새로운 그리고 엄격한 제한을 따르기 위해서, 처음에, 하나의 연료 전자분사기(electroinjector)의 성능 곡선이 다른 연료 전자분사기의 성능 곡선에 완벽하게 겹쳐질 수 없기 때문에, 또한 상술한 것과 같이, 문제의 작동 범위에서, 최소한의 변화가 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에 대한 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간이 최소한으로 변하는 것이 연료 전자분사기 작동에 상당한 차이를 주더라도, 그런 대응책도 충분하지 않다.
본 발명의 목적은 시간이 지남에 따라 높은 작동 반복가능성 및 안정성을 가지는 공동 레일 연료 분사 시스템을 제공하여, 최신 기술상태에 따른 연료 분사 시스템의 단점을 제거하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 첨부된 청구항에서 정의된 것과 같은, 내연 기관용 공동 레일 연료 분사 시스템에 의해 이루어진다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해 순전히 예로서 첨부된 도면의 도움으로 본 발명의 몇 바람직한 구체예를 여기서 기술한다:
- 도 1은 내연 기관용 연료 분사 시스템의 연료 전자분사기를 개략적으로 도시한다.
- 도 2 내지 6은 연료 분사 시스템의 물리적 수량이 증가하는 것을 묘사하는 그래프를 나타낸다.
- 도 1은 내연 기관용 연료 분사 시스템의 연료 전자분사기를 개략적으로 도시한다.
- 도 2 내지 6은 연료 분사 시스템의 물리적 수량이 증가하는 것을 묘사하는 그래프를 나타낸다.
도 1에, 내연 기관(미도시), 특히 디젤 엔진용 고압 연료 분사 시스템(2), 특히 공동 레일 연료 분사 시스템용 연료 전자분사기(electroinjector)가 전체적으로 1로 지시되어 있다.
연료 전자분사기(1)는 세로방향의 축을 따라 형성되고 고압 연료 공급 파이프를 통해서, 공동 레일에 연결되고, 차례로 연료 분사 시스템(2)의 고압 펌프(미도시)에 연결되도록 형성된 측면 연료 입구(4)를 가지는 중공의 분사기 몸체(3)를 포함한다. 분사기 몸체(3)는 기본적으로 파이프(6)를 통해 연료 입구(4)와 연결되고 연료 분사 구멍이 제공되는 원뿔형 팁(conical tip)을 가지는 노즐(5)을 포함하는 네뷸라이저(5)로 끝난다. 노즐은 일반적으로 원뿔형 팁(conical tip)을 가지는 니들 셔터(needle shutter; 7)에 의해 폐쇄상태로 유지되고, 니들 셔터는 노즐의 원뿔형 팁(conical tip)에 연결되도록 형성되고 분사기 몸체(3)의 하부에서 축 방향으로 이동가능한, 제어 막대(8)의 작동 하에서 노즐 구멍을 개폐하도록 네뷸라이저(nebulizer) 내에서 축 방향으로(axially) 이동가능하다. 다른 구체예에서는, 니들 셔터(needle shutter; 7)는 제어 막대(8)와 일체로 형성되어, 결과적으로 직접적으로 노즐 구멍을 개폐한다.
분사기 몸체(3)의 상부에, 제어 막대(8)의 이동을 제어하도록 작동하는, 연료 계량 서보 밸브(fuel metering servo valve; 9)가 수용된다. 계량 서보 밸브(9)는 엔진 실린더에서 각 연료 분사 단계 및 대응하는 연료 연소 사이클에 있어서, 대응하는 연료 분사를 수행하는 하나 이상의 전기 명령을 전기 액추에이터(10)에 공급하도록 프로그램화된 전자 제어 유닛(11)에 의해 제어되는 전기 액추에이터(10)를 포함한다. 본 명세서 및 청구항에서, 용어 "전기 명령"은 미리 정해진 지속 시간(time duration) 및 미리 정해진 시간 변화(time evolution)를 가지는 전류 신호를 의미한다.
계량
서보
밸브(9)는 영구적으로 연료 입구 통로(13)를 통해 연료 입구(4)와 그리고 연료 출구 통로(14)를 통해 (
미도시된
) 연료
배출부(fuel discharge)와
연결되는 제어
챔버(12)를
포함하며, 계량
서보
밸브는 대응하는 밸브 시트(
valve
seat)와 협동하여 셔터(15)에 의해 개폐되고,
서보
밸브에 출구 통로(14)가 배열되어서 제어
챔버(12)를
채우거나 비워서 제어 막대(8)가 제어
챔버(12)에서의
연료 압력의 증감에 따라 축 방향의 개폐 스트로크를 수행하며,
네뷸라이저(5)의
개폐 및 그로 인하여 연료 분사를 결정하거나 또는 그 반대로 각 연료 실린더로 분사를 결정한다.
계량 서보 밸브(9)는 솔레노이드 전기 액추에이터(10)를 가지는 유형 또는 압전 전기 액추에이터(10)를 가지는 유형일 수도 있고, 또한 연료 출구 통로(14)가 닫힐 때 셔터(15)가 한편으로 연료 압력의 반대 행동 및 다른 한편으로 일반적으로 스프링으로 형성된, 가압 수단(urging means)의 반대 행동에 종속되는 소위 "불균형" 유압식 구성(architecture) 또는 연료 출구 통로(14)가 닫힐 때 셔터(15)에서 연료에 의해 발휘되는 축 방향으로의 가압이 실질적으로 0인 한 가압 수단(urging means)의 행동에 셔터(15)가 종속되는 소위 "균형" 유압식 구성을 가지는 유형일 수도 있다.
예를 들면, EP 1106816에 솔레노이드 전기 액추에이터 및 불균형 유압식 구성을 가지는 계량 서보 밸브(metering servo valve)가 공지되어 있으며, 여기서 밸브 시트는 제어 챔버의 연료 출구 통로의 수정된 부분이 멈추는 원뿔형 시트(conical seat)로 형성되고, 반면에 셔터는 전기 액추에이터의 동작하에 슬리브에서 미끄러지는 스템(stem)에 의해 제어되는 볼(ball)로 형성된다.
솔레노이드 전기 액추에이터 및 균형 유압식 구성을 가지는 계량 서보 밸브(metering servo valve)가 상기 EP 1795738 및 EP 1621764에 공지되어 있고, 여기서 셔터는 연료 출구 통로가 배열된, 축 방향으로(axially) 고정된 스템에서 유체가 누출되지 않게(in fluid-tight manner) 축 방향으로(axially) 미끄러질 수 있는 슬리브로 형성되며, 반면에 밸브 시트는 스템(stem)과 일체로 형성되고 스템(stem)에서 돌출되며, 분사기 몸체에 수용되고 내부 나사산과 나사결합된 나사산으로 된 링 너트(ring nut)에 의해 분사기 몸체의 숄더에 대하여 유체가 누출되지 않게 축 방향으로 접촉 상태로 유지되는 플랜지(flange) 및 스템(stem) 사이의 연결 영역에 의해 형성되는 환상 숄더(shoulder)에 의해 형성된다.
두 상기 특허에 설명된 것과 다른 솔레노이드 액추에이터 및 균형 유압식 구성을 가지는 계량 서보 밸브(metering servo valve)가 예를 들면 WO2009092507 및 WO2009092484에 공지되어 있다.
EP 1612398 및 WO2008138800에는 대신 압전 전기 액추에이터 및 균형 유압식 구성을 가지는 계량 서보 밸브(metering servo valve)가 공지되어 있고, 여기서 셔터는 축 방향으로(axially) 고정된 슬리브에 유체가 누출되지 않게(in fight-tight manner) 축 방향으로(axially) 미끄러질 수 있는 스템(stem)으로 형성되고, 반면에 밸브 시트는 슬리브의 환상 숄더(shoulder)로 형성된다.
높은 엔진 효율을 얻고 오염물질 배기 가스의 배출을 줄이기 위해, 엔진 실린더의 각 연료 연소 사이클에 있어서, 연료 전자분사기(1)가 적어도 하나의 파일럿 연료 분사 및 파일럿 연료 분사로 중단되지 않고 시작하는 이어진 주요 연료 분사를 포함하는 연료 분사 단계를 수행하게 전자 제어 유닛(11)이 계량 서보 밸브(9)를 제어하도록 프로그램화된다.
상기 목적을 위해, 엔진 실린더의 각 연료 분사 단계에서, 전자 제어 유닛(11)은 파일럿 연료 분사를 수행하기 위하여 전기 액추에이터(10) 및 그로 인하여 셔터(15)를 작동시키고 제어 막대(8)가 제1 개방 스트로크, 이어서 대응하는 제1 폐쇄 스트로크를 수행하도록 미리 정해진 지속 시간(time duration)을 가지는 적어도 하나의 제1 전기 명령(S1) 및 전기 액추에이터(10) 및 그로 인하여 셔터(15)를 작동시키고 제어 막대(8)가 제2 개방 스트로크 및 이어서 대응하는 제2 폐쇄 스트로트를 수행하도록 엔진 작동 조건의 함수인 지속 시간(time duration)을 가지는 제2 전기 명령(S2)을 생성하도록 프로그램화된다. 두 전기 명령(S1, S2)은 DT로 지정된, 전기적 드웰 시간(electrical dwell time)에 의해 시간상 분리되고, 연료 전자분사기(1)의 작동 안정성 및 견고성을 결정하는데 있어서의 역할을 이하에서 상세히 논의할 것이다.
파일럿 연료 분사 동안 분사된 연료량(VP)은 실질적으로 연료 압력과 관계없고 실린더 연소 챔버 부피에 비례한다. 특히, 승객용 자동차 엔진에 적용될 때, 파일럿 연료 분사 동안 분사되는 연료량은 1~3㎣의 영역이고, 반면 산업 자동차 엔진에 적용될 때 연료량은 5~7㎣까지 증가한다.
주요 연료 분사 동안 분사된 연료량(VM)은 엔진 실린더의 변위뿐만 아니라 엔진 속도 및 부하로 정의되는, 엔진 작동점에 의존적이며, 무부하 완속 운전(無負荷緩速運轉; idling) 동안 가정되는 5㎣의 최소값에서 시작하여, 최대 토크, 즉, 1900 내지 2300rpm 동안 가정되는, (약 330cc의 엔진 실린더의 변위에 있어서) 55㎣ 또는 (약 500cc의 엔진 실린더의 변위에 있어서) 77㎣의 영역에서의 최대값까지 증가한다.
도 2는 전자 제어 유닛(11)에 의해 공급되는 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에 대한 전기 명령(S1, S2)의 시간 변화를 점선으로 묘사하고, 반면 네뷸라이저(5)가 폐쇄되는, 세로 좌표(ordinate) "0"에 대한, 전기 명령(S1, S2)에 대한 응답으로 제어 막대(8)의 대응하는 변위(P)를 실선으로 묘사하는 상부 그래프를 나타낸다. 또한, 도 2는 각각 P와 M으로 지정된, 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 동안 엔진 실린더로 분사되는 순간 연료 유속(Qi)의 시간 변화 및 대응하는 제어 막대(8)의 변위(P)가 묘사된 하단 그래프를 도시한다.
도 2의 하단 그래프에서, 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사는 시간 측면에서 연속하고 또는 다른 표준점(standpoint)에서, 실질적으로 0인 유압 드웰 시간에 의해 분리되는 것으로 평가되며, 이는 순간 연료 유속(Qi)의 두-험프 프로파일(two-hump profile)이 달성되도록 하고, 차례로 전자분사기(1)의 작동 안정성 및 견고성을 달성하게 하며, 이하에서 더 상세히 논의할 것이다.
도 2의 상단 그래프에서, T1으로 지정된 순간 시간에서 시작하여 파일럿 연료 분사를 위한 제1 전기 명령(S1)이 생성되어 연료 전자분사기(1)로 공급되며, 전기 명령은 전기 액추에이터(10)에 동력을 공급하기 위해 최대값까지 비교적 빠르게 증가하는 상승 스트레치(rising stretch)를 가지는 변화(evolution)를 가지며, 최대값보다 작은 값을 가지는 여기 유지 스트레치(excitation maintenance stretch) 및 T2로 지정된 순간 시간에서 끝나는 최종 감소 스트레치(derease stretch)가 이어진다.
T3로 지정된 순간 시간에서 시작하여 제2 전기 명령(S2)이 생성되어 전자분사기(1)로 공급되고, 제어 막대(8)가 제1 전기 명령(S1)의 결과로서 일어나는 폐쇄 스트로크의 말미에 도달한 후가 아닌, 대응하는 개방 스트로크를 시작하고, 그로 인하여 파일럿 연료 분사로 중단되지 않고 시작하는 주요 연료 분사가 일어난다. 특히, 도 2의 하단 그래프에 도시된 순간 연료 유속(Qi)의 정확한 두 험프 프로파일을 얻기 위해, 제어 막대(8)가 제1 전기 명령(S1)의 말미에 도달하는 순간 시간에 정확하게 제2 전기 명령(S1)의 결과로서 일어나는 개방 스트로크를 시작한다. 제어 막대(8)에서 작동하는 니들(7)이 제어 막대(8)의 변위와 동일하게 중단되지 않고 이동되고, 그로 인하여 실질적으로 0인 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 사이의 유압 드웰 시간에 대응하는, 실질적인 0 시간에 있어 네뷸라이저 노즐 구멍(nebulizer nozzle hole)의 폐쇄를 결정한다.
대신, T3 - T2 시간 간격은 두 전기 명령(S1, S2) 사이의 상술한 전기 드웰 시간(DT)을 정의한다.
제2 전기 명령(S2)은 또한 전기 액추에이터(10)에 동력을 제공하기 위해, 최대값까지의 상승 스트레치, 이어서 최대값보다 작은 값을 가지고 제1 전기 명령(S1)의 여기 유지 스트레치보다 긴 지속 시간(time duration)을 가지며 엔진 작동 조건의 함수로서 변하는 여기 유지 스트레치를 가지는 시간 변화를 가진다. 마지막으로, 제2 전기 신호(S2)의 여기 유지 스트레치는 T4로 지정된 순간 시간에서 끝나는. 최종 감소 스트레치가 이어진다.
주요 연료 분사 동안 분사하는 연료량이 파일럿 연료 분사 동안 분사된 연료량보다 많으면, 주요 연료 분사 동안 제어 막대(8)는 파일럿 연료 분사 동안 수행하는 것보다 긴 개방 스트로크를 수행하며, 특히 전체 부하 엔진 작동 조건 동안, 제어 막대는 최대 리프트에 도달합니다. 다른 말로 하면, 파일럿 연료 분사 동안 제어 막대(8)가 소위 "균형" 상태로 이동하고, 반면 주요 연료 분사 동안 제어 막대(8)는 주요 연료 분사의 견고성 및 반복가능성에 맞는 최대 리프트에 도달한다.
상술한 것을 더 잘 이해시키기 위해, 도 3은 분리된, 즉 일련의 연료 분사의 일부를 형성하지 않는 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사를 비교한다. 특히, 도 3에서, P1 및 P2로 지정된 곡선은 도 2에 도시된 것과 유사하고 묘사의 편의를 위해 동일한 순간 시간 T1에서 시작하는 것으로 도시된, S1 및 S2로 지정된 각 전기 명령에 대한 응답으로, 각각, 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 동안 제어 막대(8)의 시간(t)에 대한 변위를 나타낸다. 파일럿 연료 분사 동안 순간 시간 T6에서 C1으로 지정된 리프트까지 균형 방식으로 제어 막대(8)가 이동하고, 주요 연료 분사 동안, 제어 막대(8)가 순간 시간 T7에서 C2로 지정되고 T8까지 일정하게 유지되는 리프트에 도달하고, T8에서 폐쇄 스트로크가 시작하는 것으로 평가된다. 어떻게 제1 전기 명령(S1)의 지속 시간(time duration)에 대응하는 시간 간격 T1-T2이 제1 전기 명령(S1)의 결과로서 일어나는 제어 막대(8)의 개방 스트로크에 대응하는, 시간 간격 T5-T6보다 짧은지 평가되고, 이것은 전기 명령에 대한 계량 서보 밸브(9)의 응답이 제어 막대(8)의 응답보다 빠르다는 것을 암시한다.
위에 언급된 특허에서 설명된 연료 전자분사기는 모두 전기 명령에 매우 빠른 응답을 가지는, 특히 매우 작은 제어 챔버를 가지는 계량 서보 밸브(metering servo valve)를 특징으로 하고 있다. 본 출원인은 이런 유형의 연료 전자분사기에서, 파일럿 연료 분사로 중단되지 않고 주요 연료 분사가 시작되도록 전기적 드웰 시간(DT)에 의해 시간으로 분리된 전기 명령(S1, S2)을 가지는 제어 막대(8)로 대체하고, 특정 경우와 같이, 도 2에 도시된 순간 연료 유속(Qi)의 두-험프 프로파일을 결정하며, 다른 조건은 동일하게 남겨두고, 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 변함에 따라, 각 연료 분사 단계에서 전체로서 분사되는 연료량, 즉 파일럿 연료 분사 및 이어진 주요 연료 분사에서 전체로서 분사된 연료량이 상당히 변한다는 것을 실험적으로 알아냈다.
특히, 두 전기 명령 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 감소함에 따라, 제어 막대가 여전히 제1 전기 명령에 의해 결정되는 개방 스트로크 동안 제2 전기 명령이 시작할 수도 있다. 그것은 파일럿 연료 분사와 주요 연료 분사가 부분적으로 겹치는 한 현저하게 바람직하지 않고, 이 겹침은 바람직한 연료량에 대하여 과도한 연료량이 도입되는 것을 결정하고, 이는 엔진 작동의 불균형에 대응하고 배기 가스 배출을 악화시킨다.
이러한 상황은 도 4에 도시되어 있으며, 비교할 수 있도록 실선과 점선으로 긴 (실선), 짧은, 매우 짧은 (점선), 다른 두 전기적 드웰 시간(DT)에 의해 시간으로 분리된, 각각 두 전기 명령(S1, S2)의 결과로서 일어나는 순간 연료 유속(Q1, Q2)의 시간변화를 나타낸다. 전기적 드웰 시간(DT)이 감소함에 따라, 실선으로 묘사된 순간 연료 유속(Q1)의 시간 변화는 점선으로 묘사된 순간 연료 유속(Q2)으로 악화되며, 그 결과 원하는 연료량에 초과하여 연료량이 분사되고 이를 평행선 영역(hatched area)로 나타내었다.
도 5는 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에 대한 대응하는 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)의 함수로서 파일럿 연료 분사 및 파일럿 연료 분사에 의해 중단되지 않고 시작하는 이어진 주요 연료 분사를 포함하는 연료 분사 단계에서 전체로서 분사되는 (일반적으로 부피 단위, 즉 ㎣로 표현되는) 총 연료량(V)을 빼고는 명세서의 도입부에서 언급된 연료 전자분사기(electroinjector)의 접근 곡선을 실선으로 나타낸다. 특히, 도 5에 표시된 접근 곡선은 연료 압력 및 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에 대한 전기 명령의 지속 시간의 미리 결정된 조건에서 그리고 상기 EP 1795738 및 EP 1621764에서 설명된 유형의 균형 유압식 구성을 가지는 계량 서보 밸브를 가지는 연료 전자분사기(electroinjector)에서 실험적으로 결정하였다.
접근 곡선을 분석하여, 각각 약 60㎲ 및 100㎲과 동일한 것으로 고려되는 예에서, 특정 최소값보다 짧은 전기적 드웰 시간 및 특정 최대값보다 긴 전기적 드웰 시간에 있어서, 전기적 드웰 시간(DT)이 감소함에 따라 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사에서 전체적으로 분사된 총 연료량(V)이 매우 높고 실질적으로 일정한 기울기로, 점차적으로 빠르게 감소시킨다. 따라서, 이러한 전기적 드웰 시간 범위에서, 부품의 마모 또는 코킹(coking) 현상에 의해 접근 곡선이 최소 변경이 일어나는 경우에도(예 : 작은 수평 변형), 엔진 실린더로 전체로서 분사되는 전체 연료량(V)은 상당히 변경되어, 연료 분사의 반복가능성이 열악한 것으로 나타났다.
대신, 상기 최소값 및 최대값에 의해 정의된 중간 범위에서의 전기적 드웰 시간에 있어서, 중간 전기적 드웰 시간 범위 바로 밖의 전기적 드웰 시간(DT)에서 얻어진 것에 비하면, 전체 연료량(V)의 변화는 훨씬 작고, 실제로 무시할 만하다. 특히, 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 총 연료량(V)은 승객용 자동차 엔진에서 적용하면 40㎲의 시간 기준에서 약 3㎣만큼 변하고, 반면 산업용 자동차 엔진에 적용하면 60㎲의 시간 기준에서 6㎣만큼 변한다. 따라서, 이 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 전체 연료량(V)은 중간 전기적 드웰 시간 범위 바로 밖의 전기적 드웰 시간(DT)에서 얻는 변화보다 적어도 4배 적은 변화를 가지기 때문에, 중간 전기적 드웰 시간 범위 내에서 전기적 드웰 시간(DT)의 가능한 변화가 실질적으로 전체 연료량(V)을 변경하지 않고 따라서 연료 전자분사기(1)의 작동이 시간에 대해 높은 반복가능성 및 안정을 가지도록 전체 연료량이 제1 근사값(approximation)으로 실질적으로 일정하다.
이것은 전기적 드웰 시간(DT)이 중간 전기적 드웰 시간 범위에서 변할 때 총 연료량(V)의 실질적인 일정함 또는 비교적 감소하는 변화도(variability)가 도 5에 Z로 지정된, 스트레치로 도시된 접근 곡선에 묘사되며, 이는 전체 목적 및 효과에 대해, 이전 및 이후 스트레치의 기울기와 비교하면 거의 수평으로 고려된다.
또한, 본 출원인은 실험적으로 전체 연료량(V)이 실질적으로 일정하거나 극히 제한된 변화를 가지는 중간 전기적 드웰 시간 범위가 정확하게 도 4에서 점선으로 묘사된 순간 연료 유속(Qi)의 프로파일보다, 도 2의 하단 그래프에서 도시된 순간 연료 유속(Qi)의 바람직한 두-험프 프로파일이 이루어지게 하며, 반면 파일럿 연료 분사가 주요 연료 분사와 실제로 구별가능하지 않다는 것을 실험적으로 알게 되었다.
따라서 이 실험에서 알아낸 것에서 시작하여, 일단 엔진 작동 조건에 따라 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 동안 분사되는 연료량(VP, VM)이 결정되면, 본 발명은 기본적으로 다음을 포함하는 연료 분사 제어를 통해 동작 안정성 및 연료 분사 시스템(2)의 견고성을 개선하는 것을 제안한다;
- 다른 연료 분사 압력에서 연료 유속 곡선을 결정하기 위해 연료 전자분사기를 특징화하는 것; 예를 들면, 도 6은 연료 전자분사기의 연료 유속 곡선 및 대응하는 연료 분사 압력(P)을 도시하며, 여기서 세로 좌표의 축은 연료 전자분사기에 의해 분사되는 연료량(V)을 나타내며 가로 좌표의 축은 대응하는 연료량을 분사시키는 연료 전자분사기에 대한 에너지인가 시간(energization time; ET)을 나타낸다;
- 파일럿 연료 분사 및 파일럿 연료 분사로 중단되지 않고 시작하는 주요 연료 분사를 포함하는 연료 분사 단계를 수행하도록 예정된 엔진 작동점에서 주어진 연료 분사 압력에 대응하는 연료 유속 곡선에 기초하여, 파일럿 연료 분사에 있어 원하는 연료량(VP)을 분사시키는 연료 전자분사기에 대한 에너지인가 시간(ETP) 및 주요 연료 분사에 있어서 원하는 연료량(VM)을 분사시키는 연료 전자분사기에 대한 에너지인가 시간(ETM)을 결정하는 것,
- 이전 점에서 결정된 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사와 관련된 에너지인가 시간(ETP, ETM)을 이용하여, 그의 접근 곡선을 결정하기 위한 연료 전자분사기(electroinjector)를 특징화하는 것;
- 제1 전기 명령 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 즉시 진행하는, 제1 전기적 드웰 시간 범위 및 즉시 이어지는 제2 전기적 드웰 시간 범위 사이의 중간 전기적 드웰 시간 범위(Z)에서 변해서 주요 연료 분사(M)가 파일럿 연료 분사(P)로 중단되지 않고 시작하는지 여부를 체크하기 위해 접근 곡선을 분석하고, 총 연료량이 실질적으로 일정한 제1 근사값으로 고려되는 한도까지 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화보다 현저히 작은 변화가 실질적으로 일정하며; 특히, 연료 전자분사기가 시간에 대한 원하는 작업 반복가능성 및 안정성을 가지기 위해서, 상대적인 측면에서, 총 연료량(V)이 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화보다 적어도 4배 작은 변화를 가지며, 및/또는 절대적 측면에서, 총 연료량(V)은 승객용 자동차 엔진에 적용시, 40㎲의 기초 시간에 대해 3㎣ 이상 변하지 않고, 산업용 자동차 엔진에 적용시, 60㎲의 기초 시간에 대해 6㎣ 이상 변하지 않도록 중간 전기적 드웰 시간 범위를 정해야 한다;
- 체크 결과가 긍정적인 경우, 예를 들면 네뷸라이저 노즐 구멍에 영향을 미치는 마모 또는 코킹 현상의 결과, 접근 곡선이 시간에 대해 이동하는 방법에 대한 이용가능한 데이터를 기본으로, 확인된 중간 전기적 드웰 시간 범위(Z) 내에서 파일럿 연료 분사 및 주요 연료 분사 사이의 특정한 전기적 드웰 시간(DT)을 선택하고; 결과적으로 만약 연료 전자분사기 부품의 노화에 기인한 것과 같이, 접근 곡선이 시간에 대해 오른쪽으로 이동하는 경향이 있다면, 중간 전기적 드웰 시간 범위의 오른쪽 말단에 대응하는 전기적 드웰 시간(DT)을 선택하는 것이 편리할 것이며, 반면 접근 곡선에 대한 이동 모드에 관한 정보가 없으면, 중간 전기적 드웰 시간 범위에서 중간값에 대응하는 전기적 드웰 시간을 선택하는 것이 편리할 것이다;
- 마지막으로, 연료 전자분사기(1)를 전기적으로 작동할 수 있는 방식으로 전자 제어 유닛(11)에 선택된 전기적 드웰 시간(DT)을 저장하고 연료 전자분사기가 파일럿 연료 분사 및 이어서, 주요 연료 분사가 파일럿 연료 분사로 중단되지 않고 시작되도록 저장된 전기적 드웰 시간(DT)에 의해 시간적으로 분리된 주요 연료 분사를 수행하며, 파일럿 연료 분사와 주요 연료 분사 동안 전체로서 분사된 전체 연료량(V)이 실질적으로 저장된 전기적 드웰 시간(DT) 근처에서 일정하다.
공지된 기술에 비해 본 발명에 따른 연료 분사 시스템의 장점은 먼저, 도 5에 도시된, 총 연료량(V)의 변화가 매우 제한적이고 스트레치(Z) 전후 스트레치에서의 변화에 대하여 실제로 0인, 접근 곡선의 스트레치(Z)에 대응하는 전기적 드웰 시간을 선택하는 것은 연료 전자분사기의 시간에 대한 높은 동작 반복가능성 및 안정성을 보장하는 것이다.
첨부된 청구항에 의해 정의된 것과 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 기술된 연료 분사 시스템에 대한 다른 수정안 및 개선안이 가능하다는 것은 명백하다.
예를 들면, 연료 분사 시스템은 상술한, 특히 EP 1612401, EP 1612405 및 EP 1612406에서 기술한 공통 레일 구성과 다른 구성을 가질 수 있다. 단일 집중 공동 레일로 정의되는 것 대신에, 가압 연료 저장 부피가 분산된 별개의 저장 부피로 나뉘어지거나, 또는 공동 레일 구성의 시장 이전에 사용되는 유형의 것 외에, 연료 분사기의 작동과 동시에 가압된 연료를 전달하도록 작동되는 고압 연료 펌프에 의해 직접 공급되며, 즉 엔진과 단계적으로, 일시적으로 불연속적으로 전달되고, 사이클적으로는 일정하다.
Claims (15)
- 내연 기관용 연료 분사 시스템(2)으로서,
적어도 하나의 연료 전자분사기(fuel electroinjector; 1); 및
엔진 실린더의 연료 분사 단계에서,파일럿 연료 분사(pilot fuel injection; P)를 수행하는 적어도 하나의 제1 전기 명령(first electrical command; S1) 및 주요 연료 분사(main fuel injection; M)를 수행하는 제2 전기 명령(second electrical command; S2)을 상기 연료 전자분사기(1)로 공급하도록 형성된 전자 제어 유닛(electronic control unit; 11)을 포함하며,
상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2)은 전기적 드웰 시간(electrical dwell time; DT)에 의해 시간상으로 분리되어서 상기 주요 연료 분사(M)는 상기 파일럿 연료 분사(P)에 대하여 중단되지 않고 시작하고;
상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위 사이의 중간 전기적 드웰 시간 범위(intermediate electrical dwell time range; Z)에서 변하고, 상기 주요 연료 분사(M)가 상기 파일럿 연료 분사(P)에 대하여 중단되지 않고 시작함에 따라, 엔진 실린더의 연료 분사 단계에서 상기 파일럿 및 주요 연료 분사(P, M) 동안 분사된 총 연료량(V)이 상기 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화량보다 작은 변화량(variation)을 가지며, 상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 상기 중간 전기적 드웰 시간 범위(Z)에 속하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)이 실질적으로 일정한 연료 분사 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)은 승객용 자동차 엔진에 적용되면 40㎲의 기초 시간에 대해 3㎣ 이상으로 변하지 않고 산업용 자동차 엔진에 적용되면 60㎲의 기초 시간에 대해 6㎣ 이상으로 변하지 않는 연료 분사 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)은 상기 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화량보다 적어도 4배 적은 변화량을 가지는 연료 분사 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주요 연료 분사(M)가 상기 파일럿 연료 분사(P)에 대하여 중단되지 않도록 상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 상기 파일럿 연료 분사가 끝날 때 즉시인 연료 분사 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전자분사기(1)는 계량 서보 밸브(metering servo valve; 9)를 포함하며,
상기 계량 서보 밸브(9)는
연료가 공급되도록 형성되고 연료 출구(14)를 가지는 제어 챔버(12);
상기 연료 출구(14)를 개폐하기 위해 개방 및 폐쇄 스트로크를 따라 이동가능한 개폐 요소(15);
상기 연료 출구(14)를 폐쇄하기 위해 상기 개폐 요소에 작용하도록 형성된 가세 부재(urging means); 및
상기 연료 출구(14)를 개방하기 위해 상기 가세 부재의 작용에 대항하여 상기 개폐 부재(15)에 작용하도록 형성된 전기 액추에이터(electric actuator; 10)를 포함하는 연료 분사 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
공동 레일 연료 분사 시스템(common rail fuel injection system)인 연료 분사 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사 시스템(2)용 연료 전자분사기(fuel electroinjector; 1).
- 제1항 또는 제5항에 따른 연료 분사 시스템(2)용 전자 제어 유닛(11).
- 연료 분사 시스템(1)의 전자 제어 유닛(11)에 탑재가능한(loadable) 소프트웨어로서,
상기 소프트웨어가 실행되면, 상기 전자 제어 유닛(11)이 제1항 또는 제5항에서 청구한 대로 구성되도록 상기 소프트웨어가 형성되는 소프트웨어. - 연료 분사 시스템(2)이 장착된 내연 기관에서의 연료 분사 제어 방법으로서,
상기 연료 분사 시스템(2)은
적어도 하나의 연료 전자분사기(1) 및
엔진 실린더의 연료 분사 단계에서, 파일럿 연료 분사(pilot fuel injection; P)를 수행하는 적어도 하나의 제1 전기 명령(first electrical command; S1) 및 주요 연료 분사(main fuel injection; M)를 수행하는 제2 전기 명령(second electrical command; S2)을 상기 연료 전자분사기(1)로 공급하도록 형성된 전자 제어 유닛(electronic control unit; 11)을 포함하며,
상기 연료 분사 제어 방법은
상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)의 함수로서 엔진 실린더에서의 연료 분사 단계에서 상기 파일럿 및 주요 연료 분사(P, M) 동안 분사된 총 연료량(Q)을 결정하도록 연료 전자분사기(1)를 특징화하는 단계;
제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위 사이의 중간 전기적 드웰 시간 범위(intermediate electrical dwell time range; Z) 내에서 변하여 상기 주요 연료 분사(M)가 상기 파일럿 연료 분사(P)에 대하여 중단되지 않고 시작하도록 상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간이 상기 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화량보다 작은 변화량을 가지는지 여부를 확인하는 단계; 및
긍정적인 결과가 나오면, 상기 중간 전기적 드웰 시간 범위(Z)에서 전기적 드웰 시간(DT)을 정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 제어 방법. - 제11항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)이 실질적으로 일정한 연료 분사 제어 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)은 승객용 자동차 엔진에 적용되면 40㎲의 기초 시간에 대해 3㎣ 이상으로 변하지 않고 산업용 자동차 엔진에 적용되면 60㎲의 기초 시간에 대해 6㎣ 이상으로 변하지 않는 연료 분사 제어 방법. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간 전기적 드웰 시간 범위에서, 연료 분사 단계에서 분사되는 총 연료량(V)은 상기 제1 및 제2 전기적 드웰 시간 범위에서의 변화량보다 적어도 4배 적은 변화량을 가지는 연료 분사 제어 방법. - 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주요 연료 분사(M)가 상기 파일럿 연료 분사(P)에 대하여 중단되지 않도록 상기 제1 및 제2 전기 명령(S1, S2) 사이의 전기적 드웰 시간(DT)이 상기 파일럿 연료 분사가 끝날 때 즉시인 연료 분사 시스템.
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