KR20130115170A - 유체 분사 시스템을 모니터링 하는 방법 및 그 시스템 - Google Patents

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장-세바스티앙 프로몽
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티아이 오토모티브 퓨얼 시스템즈 에스에이에스
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Abstract

시스템에서 유체 분사 시스템을 모니터링하는 방법이 제시되며, 상기 시스템은,
· 코일에 의해 작동되는 유체 도징 펌프, 및
· 상기 코일에 구동 전압을 공급하도록 구성되는 전자 모듈,
을 포함한다.
상기 방법은 코일을 통해 흐르는 전류(Ip)의 에볼루션(evolution), 및 상기 전류(Ip)의 시간 도함수(time derivative)(dl/dt)의 에볼루션을 모니터링하는 단계를 포함하며, 상기 전류 시간 도함수의 에볼루션을 모니터링하는 단계는 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수(dlt)의 의 2 개의 연속적인 제로 크로싱(zero crossing)을 모니터링하는 단계를 포함한다.

Description

유체 분사 시스템을 모니터링 하는 방법 및 그 시스템{METHOD FOR MONITORING A FLUID INJECTION SYSTEM AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 유체 분사 시스템들의 분야, 및 이러한 시스템들을 모니터링하는 방법들에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들어,
- 디젤 입자 필터 적용을 위한 연료 첨가물 분사,
- 처치(treatment) 후 배기를 위한 모터 차량의 배기에서의 유체 분사[SCR을 위한 요소(urea), 디젤 입자 필터 재생을 위한 디젤, SCR을 위한 에탄올,...], 또는
- 솔레노이드 피동 펌프(solenoid driven pump)가 기반인 여하한의 유체 분사 시스템으로서 여하한의 분사 시스템에 적용된다.
일반적으로, 유체 분사 시스템은,
- 유체 탱크, 예를 들어 유체 첨가물 분사 시스템을 위한 부가 탱크,
- 코일에 의해 작동되는 피스톤 펌프 형태의 도징 펌프(dosing pump),
- 상기 유체 탱크와 유체 연통되는 유체 공급 호스(fluid feeding hose),
- 상기 호스 끝에 있고(terminate), 상기 유체를 전달하기 위한(예를 들어, 상기 첨가물을 유체 탱크 내로 삽입하기 위한) 분사 체크 밸브, 및
- 상기 펌프를 작동시키고 상기 유체를 전달하기 위하여 코일에 제어 전압을 공급하는 전자 제어기를 포함한다.
이러한 유체 분사 시스템들의 도징 펌프들은 다양한 작동 모드들, 예컨대 유체를 이용하는 정상 작동, 또는 비정상 작동들을 겪을 수 있다.
비정상 작동들에는 시스템 프라이밍(system priming)에서 발생될 수 있는 액체 대신 공기를 펌핑하는 것, 또는 호스의 누출 또는 연결해제가 있는 작업, 막힌 체크 밸브(stuck check valve), 또는 기계적으로 차단된 펌프가 포함될 수 있다.
코일에 의해 구동되는 피스톤 펌프를 갖는 현재의 첨가물 분사 시스템들에서는, 상술된 비정상 작업 모드들 또는 유압기 고장들(hydraulic failures)을 검출하기에 용이한 방법이 존재하지 않는다.
유량 센서들(flow rate sensors)과 같은 외부 센서를 토대로 이러한 시스템을 진단하는 해법들이 존재하지만, 이러한 센서들에 의존하고 그들을 이들 시스템 내에 설치하는 것은 많은 추가 비용을 발생시킨다.
예를 들어, 문서 US 5,808,471, US 5,796,261, 및 US 6,307,376에서는, 코일의 작동을 모니터링하기 위해 코일을 통해 흐르는 전류의 측정을 구현한 유체 분사 시스템들을 모니터링하는 다른 기술들에 대해 고려하고 있다.
하지만, 이들 문서들은 펌프가 겪을 수 있는 다양한 비정상적 작동들을 구별할 수 없다.
따라서, 본 발명의 한 가지 목적은 코일 피스톤 펌프의 다양한 작동 모드들을 평가하는 새로운 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구현하기 용이한 저 비용의 기술을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 유체 분사 시스템을 모니터링하는 방법이 제공된다. 이 방법은,
- 코일에 의해 작동되는 유체 도징 펌프, 및
- 상기 코일에 구동 전압을 공급하도록 구성되는 전자 모듈,
을 포함하는 시스템에서 수행되며,
상기 방법은 코일을 통해 흐르는 전류의 에볼루션(evolution), 및 상기 전류의 시간 도함수(time derivative) 에볼루션의 2 개의 연속적인 제로 크로싱(zero crossing)을 모니터링하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
몇몇 실시예에서, 상기 방법은,
- 펌프의 구동을 개시하는 단계 - 상기 개시하는 단계는 상기 코일에 구동 전압을 공급하고 모니터링의 시간을 초기화하는 단계를 포함함 - ,
- 상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수의 제 1 제로 크로싱을 모니터링하는 단계,
- 상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱을 모니터링하는 단계, 및
- 상기 펌프의 정상적 또는 비정상적 작동 모드를 결정하는 단계,
를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 상기 방법은 다음의 특징들, 즉
- 제 1 제로 크로싱이 발생하지 않고, 펌프의 차단 또는 시스템의 막힘(clogging)이 검출되고,
- 제 1 제로 크로싱이 검출되고, 제 2 제로 크로싱을 모니터링하는 단계는 상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱의 시간을 검출하는 단계를 포함하고,
- 제 1 제로 크로싱 검출을 위한 사전결정된 시간이 끝나기 전에 제 2 제로 크로싱이 발생하지 않고, 비정상적으로 높은 출력의 유체 압력이 검출되고,
- 상기 방법은 상기 제 2 제로 크로싱 전에 상기 코일을 통해 흐르는 상기 전류의 시간 도함수의 최소 값을 검출하는 단계를 더 포함하고,
- 상기 최소 값은 사전결정된 최소 값과 비교되고, 검출된 최소 값이 상기 사전결정된 최소 값 아래에 있을 경우 상기 펌프의 건식 작용(dry functioning)이 검출되고,
- 상기 방법은 상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱의 시간과 제 2 제로 크로싱에 대해 사전결정된 최소 및 최대 시간을 비교하는 단계를 더 포함하고,
- 제 2 제로 크로싱의 시간이 제 2 제로 크로싱에 대한 최소 시간 아래에 있고, 누출 또는 누락된(missing) 체크 밸브가 검출되고,
- 제 2 제로 크로싱의 시간이 제 2 제로 크로싱에 대한 최소 시간과 최대 시간 사이에서 비교되고, 검출된 최소 값이 사전결정된 최소 값보다 우세하며, 상기 시스템이 무결함이며,
- 상기 방법은 실온에서의 펌프 저항이 모니터링되고 저장되는 상기 시스템의 캘리브레이션 단계, 및 모니터링 단계 이전에 상기 펌프를 초기화하는 단계를 더 포함하며, 상기 단계는,
ㆍ 상기 펌프 저항을 측정하는 단계,
ㆍ 상기 펌프 저항으로부터 펌프 온도를 추정하는 단계, 및
ㆍ 상기 펌프 온도에 따라 검출 임계치 값들을 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 유체 분사 시스템이 제공되며, 상기 유체 분사 시스템은,
- 유체 탱크,
- 상기 탱크와 유체 연동하며 분사 체크 밸브를 포함하는 호스,
- 상기 탱크로부터 상기 호스 내로 유체를 펌핑하도록 구성되는 유체 도징 펌프,
- 전압이 공급될 때 상기 펌프를 작동시키도록 구성되는 코일, 및
- 상기 펌프에 제어 전압을 공급하도록 구성되는 전자 모듈을 포함하며,
상기 유체 분사 시스템은, 상기 전자 모듈이 상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수 모니터를 포함하며, 또한 상기 전자 모듈이 상술된 항들 중 하나의 항에 따른 방법을 구현하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체 분사 시스템은 또한 아래의 추가적인 특징들, 즉
- 모니터가 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수에 비례하는 출력 텐션(output tension)을 갖는 전류 미분기(current differentiator)를 포함하여 상기 시간 도함수의 모니터링을 가능하게 하며,
- 상기 모니터는 신호 처리 모듈을 포함한다.
본 발명의 특징 및 장점들은 도면으로 예시된 본 발명의 특정 실시예들의 후속하는 보다 상세한 설명으로부터 명확히 이해될 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 유체 분사 시스템을 나타낸 도,
- 도 2는 본 발명에 따른 유체 분사 시스템의 전자 모듈의 전기적 구조의 일 예를 나타낸 도,
- 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 정상 작동의 펌프 작용 동안 피스톤 위치 에볼루션 및 전류 프로파일들을 나타내는 곡선들,
- 도 4a 및 도 4b는 시스템에서 체크 밸브가 누락되어 있거나 또는 펌프 출구 다음에 누출이 존재할 경우의 피스톤 위치 에볼루션 및 전류 프로파일들을 나타내는 곡선들,
- 도 5a 및 도 5b는 액체 대신 공기 펌핑에 의한 펌프 작용 동안 피스톤 위치 에볼루션 및 전류 프로파일들을 나타내는 곡선들,
- 도 6a 및 도 6b는 비정상적으로 높은 액체 압력을 갖는 펌프 작용 동안 피스톤 위치 에볼루션 및 전류 프로파일들을 나타내는 곡선들,
- 도 7은 막힌 분사 시스템 또는 기계적으로 차단된 펌프에 의한 펌프 작용 동안 전류 프로파일들을 나타내는 곡선,
- 도 8a 및 도 8b는 상이한 작동 조건들에 의한 펌프 작용 동안 비교된 전류 프로파일들을 나타내는 곡선들,
- 도 9a, 도 9b, 도 9c, 및 도 9d는 본 발명에 따른 방법에서 구현되는 모니터링 알고리즘을 예시한 도이다.
유체 분사 시스템의 설명
도 1을 참조하면, 유체 분사 시스템(1)이 도시되어 있다. 이 시스템은 차량 엔진의 연료 탱크 내로 첨가물을 분사하기 위한 연료 첨가물 분사 시스템일 수 있다. 이러한 첨가물은 일반적으로 연소로부터의 배기 가스 내의 NOX 오염물질들을 저감시키는 데 사용되는 요소를 포함한다.
이 시스템(1)은 첨가물 탱크와 같은 유체 탱크(10), 및 상기 탱크(10)와 유체 연통되고 분사 체크 밸브(12)에 의해 끝나는 공급 호스(11)를 포함한다. 이 밸브(12)는, 예를 들어 유체 탱크(2)와 유체 연통된다.
시스템(1)은 도징 펌프(13)를 더 포함하며, 상기 도징 펌프는 코일(14)에 의해 작동되는 피스톤 펌프(13)이다. 전자 모듈(15)은 코일(14)에 전압을 공급하고, 코일(14)을 통해 흐르는 전류를 모니터링한다. 이 전자 모듈(15) 자체는 차체의 배터리일 수 있는 전원(16)에 연결된다.
정상 작동에서, 전자 모듈은 제어 전압 신호로 도징 펌프(13)를 구동한다. 전압이 상승할 경우, 코일에 에너지가 채워지고, 피스톤은 그것의 실린더(도시 안됨) 내에서 당겨져 복원 스프링(return spring)(도시 안됨)을 압축시킨다. 이 움직임 동안, 유체는 펌프의 출구를 거친 다음 출구 체크 밸브(12)를 통해 분사된다.
그 다음, 전압이 하강할 경우, 스프링은 피스톤을 초기 위치까지 거꾸로 밀어주며, 펌프 입구로부터 유체가 흡입된다.
반대의 작동 방식으로, 전압이 상승하고 피스톤이 복원 스프링을 압축시키도록 실린더 내에서 이동하는 경우에는 유체 펌프 입구로부터 유체가 흡입될 수 있으며, 전압이 하강하는 경우에는 스프링이 초기 위치까지 거꾸로 피스톤을 밀어주고 펌프의 출구를 통해 유체가 분사된다.
본 발명에 따르면, 전자 제어기는 또한 코일(14)을 통해 전류 프로파일 및 그것의 시간 도함수를 모니터링할 수 있다. 이는, 코일을 통한 전류 시간 도함수의 모니터링을 가능하게 하는 미분기(differentiator)를 포함하는 전기 구조에 의해 인에이블(enable)된다.
도 2에 예시적인 전기 구조가 표현되어 있다. 코일은 전원(도시 안됨), 통상적으로는 차체의 배터리로부터 DC 전압(Ubat)이 공급되는 인덕턴스(LPUMP) 및 저항(RPUMP)으로서 표현된다.
제 1 및 제 2 필터링 캐패시터들(151 및 151')은 전압(Ubat)을 전달하는 전원(도시 안됨)과 병렬로 연결되고, 접지부(ground)에 연결되며, 제 1 다이오드(152)가 캐패시터들 사이에서 직렬로 삽입되고 전원으로부터 펌프까지 전류가 흐르게 한다. 이러한 제 1 다이오드는 펌프로부터 일어날 수 있는 방전으로부터 전원을 보호하고 역분극(reverse polarization)으로부터 전자 모듈을 보호한다.
펌프 및 제 2 다이오드(152')의 인덕턴스 및 저항은 제 2 캐패시터(151')의 출력과 병렬로 장착된다. 제 2 다이오드는 엘리미네이팅 플라이백(eliminating flyback)(플라이휠 다이오드)이다.
펌프 드라이버는 트랜지스터(153)를 통해 펌프에 연결된다. 레지스터(154)는 트랜지스터를 접지부에 연결시킨다. 또한, 트랜지스터는 제 1 다이오드의 입력 및 펌프의 출력에 연결된다. 트랜지스터는 펌프의 작동을 구동하기 위한 스위치로서 작용한다. 닫힐 경우, 펌프로부터의 전류는 레지스터(154)로 흐른 다음 접지부로 흐른다. 개방될 경우, 펌프로부터의 전류는 제 2 다이오드(152')를 통해 역으로 흐른다. 따라서, 트랜지스터(153)를 연속적으로 닫고 여는 것은 펌프의 스위치를 연속적으로 켜고 끄는 것에 대응된다.
끝으로, 코일(LPUMP)을 통해 흐르는 전류 시간 도함수 dlp/dt를 모니터링하는 수단(155)이 제공된다. 상기 수단은 이산 전자 구성요소들 또는 신호 처리 모듈일 수 있다.
도 2에서, 상기 수단은 접지부에 연결되는 "+" 입력을 갖는 반전 미분기(inverting differentiator)로서 장착되는 연산 증폭기(operational amplifier; 156)를 포함하며, "-" 입력은 캐패시턴스(157)를 포함하고, 상기 "-"입력은 펌프의 출력에 연결되며, 연산 증폭기의 출력은 레지스터(158)를 통해 "-" 입력에 연결된다.
따라서, 미분기는 코일을 통해 흐르는 전류(Ip)에 비례하는 입력 텐션을 측정하고, 상기 전류의 시간 도함수에 비례하는 텐션을 출력한다.
코일을 통한 전류 프로파일과 피스톤 움직임 간의 상관관계
코일을 통한 전류 프로파일 및 그것의 도함수는 피스톤의 움직임 동안 코일 피동 펌프의 인덕턴스 에볼루션에 직접 연결된다. 이는 아래의 전기 방정식에 의해 알수 있다.
Figure pat00001
λ=Li, 즉 코일을 통한 자속에 의하면, U는 구동 전압이고, R은 코일 저항이고, L은 코일 인덕턴스이며, i는 코일을 통해 흐르는 전류이다. 저항(R)은 실온에 따라 변한다.
Figure pat00002
α는 온도 계수이고, T는 실온이며, T0는 초기 캘리브레이션 단계 동안의 실온이다(아래 참조).
이때,
Figure pat00003
여기서, x는 움직이는 피스톤의 순간 위치이다.
이때,
Figure pat00004
또한, 피스톤 움직임(위치, 속도, 및 가속도)은 다음 방정식 세트를 특징으로 한다.
Figure pat00005
여기서, Ffrs는 정 마찰(static friction)이고, Ffrd는 피스톤의 속도에 비례하는 동 마찰(dynamic friction)이며, ΔFp는 피스톤의 속도, 체크 밸브, 호스 및 시스템의 다른 파라미터들에 따라 정해지는 압력 효과들이다.
그러므로, 코일을 통해 흐르는 전류 및 그것의 시간 도함수의 모니터링은 펌프의 거동에 관한 많은 정보를 제공한다.
예를 들어, 도 3a 내지 도 3c는 정상 작동에서의, 피스톤의 움직임과 코일을 통해 흐르는 전류 간의 상관관계 및 그것의 시간 도함수를 나타내고 있다. 상기 정상 작동은 액체를 펌핑하는 펌프 및 호스(11)의 끝에 있는 체크 밸브(12)를 포함하는 시스템을 포함하여 이루어진다. 상이한 곡선들의 값들은 예시에 불과하며, 그들이 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 3a를 참조하면, 전압의 정사각형 펄스들은 펌프 드라이버에 의해 코일에 가해지고, 전압 값들은 오른쪽 축에 표시되어 있다. 각각의 펄스는 상기 코일에서의 전류 상승을 유도하며, 전류 값은 왼쪽 축에 표시되어 있다.
코일에서의 전류 증가는 도 3b에 표현된 펌프 내측에서의 피스톤의 대응되는 움직임을 유도하며, 피스톤의 위치는 오른쪽 축에 표시되어 있다. 도 3a 내지 도 3c에서의 전류 편향 지점들(current deflection points)인 A 및 B는 실린더 내에서의 피스톤의 움직임에 의한 것으로, 이는 코일의 인덕턴스 값에 충격을 준다.
실제로, 피스톤이 코어 내측에서 움직이기 시작하면, 전류 시간 도함수는 제 1 크로싱이 0이 될때까지, 즉 전류가 지점 A에서 증가를 멈추고 감소를 시작할 때까지 감소한다. 전류 및 대응되는 시간 도함수는 피스톤의 속도가 최대일 경우 지점 B 및 B'에서 각각의 최소 값에 도달된다. 피스톤이 최대 위치에 도달하고 나면, 전류 값은 크로싱이 0이 되는 전류 시간 도함수와 함께 제 2 시간, 코일에서의 전류의 조성(establishment)이 완료될 때까지 다시 증가한다.
이 공칭 거동의 예시에서, 전류의 최소 값인 제 1 피스톤 움직임의 종료시(대략 0.026s)의 전류 도함수는 -7 A/s에 근접해 있으며, 피스톤 스트로크는 대략 14 ms(0.012s와 0.026s 사이에서) 지속됨을 알 수 있다.
도 3c에는, 전류 시간 도함수가 표현되어 있으며, 그 값들은 오른쪽 축에 표시되어 있다. 이 도면에는 제 1 및 제 2 제로 크로싱 A' 및 B'가 도시되어 있다.
전류 및 전류 시간 도함수의 이 공칭 거동은 비정상 작동에서의 것과 비교된다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 펌프가 액체로 작동되고, 체크 밸브(12)가 누락되어 있거나 펌프 출구 다음에 누출이 존재하는 작동 상황에서의 전류 및 전류 시간 도함수 곡선이 도시되어 있다.
특히 도 4a에서는, 피스톤 움직임이 정상 작동에서보다 빠른 것(대략 0.1s)으로 나타나 있는데, 이는 펌프의 출구 압력이 낮아서 이 움직임에 의해 유도되는 전류 편향 지점들 A 및 B가 정상 작동에서보다 빨리 발생되기 때문이다. 결과적으로, 전류 시간 도함수 제로 크로싱 지점 A' 및 B'는 정상 작동에서의 같은 지점들보다 빨리 발생된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 예를 들어 시스템 프라이밍 동안 펌프가 공기를 펌핑하고 있는 작동 상황에서의 같은 곡선들이 예시되어 있다. 이는 "건식 조건(dry condition)" 또는 "건식 작동(dry operation)"이라 불린다.
건식 조건에서 기능할 경우, 피스톤의 움직임은 (대략 14 ms 대신 7ms로) 액체를 이용할 때보다 훨씬 더 빠르며, 전류 시간 도함수는 정상 작동의 것보다 훨씬 더 낮게, 예를 들어 피스톤 종료시 지점 B'에서 (-7 A/s 대신) -32 A/s에 도달한다. 공기와 액체를 이용하는 전류 시간 도함수들 간의 주된 차이는 공기를 이용할 때 훨씬 더 작아지는 피스톤에서의 동 마찰로 인한 것이다.
또한, 피스톤 상에서 복원 스프링에 의해 이행되는 휴지 위치(rest position)까지의 역방향으로의 움직임 동안, 전류 도함수는 양이 되었다가, 급격히 다시 떨어진다. 이는 피스톤의 움직임의 종료 및 급격한 0의 속도(sudden nil velocity)로 인한 것이다.
이때, 펌프의 작동 모드는 전원의 "On" 상태 동안, 즉 제어 전압이 코일에 인가되는 경우의 전류 시간 도함수를 평가함으로써 구별될 수 있다. 또한, 확인의 목적으로, "off" 상태 동안(피스톤이 휴지 위치까지 역으로 돌아갈 경우) 전류 시간 도함수에서의 "점프(jump)"가 평가될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 펌프가 액체를 펌핑하고 있는 작동 모드에서의 같은 곡선들이 예시되어 있으나, 비정상적으로 높은 압력, 예를 들어 체크 밸브 압력에서의 출구 유체 압력이 존재한다.
이 상황에서, 피스톤 움직임의 개시는 공칭 체크 밸브를 이용할 때보다 높은 전류에서 얻어진다. 피스톤 움직임 동안의 전류 시간 도함수는 음으로 유지되며, 즉 지점 A'와 B' 사이에서 경과된 시간이 정상 상태에서의 5 ms 대신 15 ms로 지속된다.
도 7을 참조하면, 시스템이 (예를 들어 펌프 출구, 또는 체크 밸브에서) 막힌 작동 모드에서의 전류 및 전류 시간 도함수의 곡선들이 예시되어 있다. 그 경우에, 피스톤은 실린더를 통한 움직임이 완료되어 코일의 임피던스를 바꾸지 않기 때문에 전류 편향 지점들 A 및 B는 나타나지 않는다.
도 8a에는 요약된 전류 프로파일들이 예시되어 있으며, 도 8b에서의 초점은 전류 편향 지점들의 구역[A, A' 및 B, B'에 집중된(centered on) 구역]에 있다. 간명히 하기 위해, 편향 지점들인 A, B, A', 및 B'는 정상 작동의 곡선에 대해서만 표현되어 있다. 이들 도면에서, 처음 3 개의 곡선들은 전류 프로파일을 나타내며, 마지막 3 개의 곡선들은 심볼들을 이용하여 전류 시간 도함수 프로파일들을 나타내고 있다.
시스템에서 누출이 존재할 경우, 상기 누출은 전류 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱이 발생되는 시간을 모니터링함으로써 쉽게 결정될 수 있다는 것이 명확히 나타나 있다. 또한, 전류 시간 도함수의 최소 값은 정상 조건들에서의 이 도함수의 최소 값 훨씬 아래에 있기 때문에 이 최소 값이 사전결정된 임계치 아래에 있을 경우 건식 작동이 검출될 수 있다.
본 방법의 구현의 바람직한 실시예
도 9a를 참조하면, 유체 분사 시스템의 조립 동안, 시스템(1000)의 캘리브레이션의 제 1 단계가 수행된다. 이 캘리브레이션 동안, 실온이 전자 모듈에 의해 측정되거나 또는 외부 수단에 의해 전달된다. 이후, 전자 모듈은 하나의 긴 전압 Ubat 펄스를 전달하기 위해 전압을 구동하고 안정 상태의 코일을 통해 흐르는 전류를 측정한다.
보다 정확하게는, 캘리브레이션의 이 단계는 t=0에서 기록된 온도 T0를 주변 온도 T와 같게 설정하고, 타이머 t를 0s로 같게 초기화하며, 펌프 드라이버를 켜는 단계 1010을 포함한다.
그 다음, 단계 1020는 경과된 시간 t가 캘리브레이션을 위한 전력 신호의 사전결정된 지속시간 Tlong와 같은지를 점검하고, 같지 않을 경우 t가 Tlong에 도달할 때까지 기다리는 단계이다.
그 다음, 단계 1030은 펌프 전압 Up 및 펌프 전류 Ip를 측정하고 펌프 드라이버를 끄는 단계이다.
그 다음, 단계 1040은 펌프 저항 R0의 값을 Up/Ip와 같은 온도 T0에서의 저항으로 설정하고, T0 및 R0를 전자 회로(도시 안됨)의 메모리 내에 저장하는 단계이다.
이후, 그리고 유체의 분사를 위해 도징 펌프를 구동하는 각각의 단계 이전에, 초기화 단계가 수행되며, 그 동안 전자 모듈은 캘리브레이션 과정과 같은 방식으로 하나의 긴 펄스에 걸쳐 펌프를 구동한다.
목적은 온도 변화로 인한 펌프 저항을 추정하는 것이다. 보다 정확하게는 펌프의 저항이 방정식 R(T) = R( T0 ) + α(T - T0 )에 의하여 주어진다. 펌프 R(T)의 저항을 측정하고, 저항 R(T0)가 주어지면, 온도가 전자 모듈에 의해 직접적으로 측정되었던 경우보다 더 정확하게 펌프 내의 현재 온도(T)를 측정할 수 있다.
그 다음, 현재 온도 T가 주어지면, 전자 모듈은 후술되는 검출 임계치들(TZC2MIN, TZC2MAX, DIMIND)의 값들을 선택하고, 이들 임계치들은 온도 변화들에 민감하며 임베디드 룩-업 테이블(embedded look-up table)에 온도의 함수에 있어 이들 임계치들의 상이한 값들이 포함된다.
초기화 과정 후에, 모니터링 및 결합 진단 방법은,
- 피스톤 움직임이 개시됨을 나타내는 제 1 전류 시간 도함수 제로 크로싱의 검출하는 단계,
- 건식 또는 액체 작동 모드를 구별하기 위해 전류 시간 도함수의 최소 값을 평가하는 단계,
- 피스톤 움직임의 종료를 검출하기 위하여 전류 도함수의 제 2 제로 크로싱을 검출하는 단계, 및
- 체크 밸브의 존재와 상기 체크 밸브의 누출 또는 부재간의 구별을 위해 상기 제 2 제로 크로싱의 순간을 평가하는 단계,
에 따른다.
이 방법은, 도 9b 내지 도 9d를 참조하여 상세히 설명된다.
도 9b에서, 단계 1000은 펌프 드라이버를 시동하는 단계이다.
단계 1100은,
- 시간을 초기화하여 t=0로 기록하는 단계,
- 전류 시간 도함수 DIMIN의 최소 값을 0 A/s로 설정하는 단계,
- 각각 전류 시간 도함수의 제 1 제로 크로싱 및 제 2 제로 크로싱을 나타내는 2 개의 플래그 ZC1 및 ZC2를, 상기 도함수가 아직 제로 크로싱되지 않았음을 의미하는 "거짓(false)"으로 설정하는 단계, 및
- 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱의 시간 TZC2를 0s로 설정하는 단계,
에 의하여 펌프의 모니터링을 개시하는 단계이다.
전류 시간 도함수의 제로 크로싱에 대한 시간 종료(time out)에 대응되는 사전결정된 시간 TMAX가 설정된다. 이 시간은 정상 작동에서의 제 1 및 제 2 제로 크로싱 검출의 몇몇 시간들을 기록함으로써 결정된다. 단계 1110은 경과된 시간 t가 이 시간 TMAX를 초과하는지를 점검하는 단계이다.
초과하지 않았다면, 전류 시간 도함수 dl(t)는 단계 1120 동안 시간 t에서 측정되며, 이는 단계 1130 동안 노이즈 교란(noise disturbance)에 대한 안전 마진에 대응되는 임계치 -e1(e1은 양의 값)과 비교된다. dl(t) ＜ -e1이라면, 도함수는 확실히 음인 것으로 간주된다.
dl(t)가 -e1보다 낮지 않을 경우, 기록 시간 t는 단계 1140에서 증가되고, 단계 1110 내지 1130은, 시간 t가 도함수가 제로 크로싱된 것으로 예측되는 시간 TMAX를 초과하지 않는 한 전류 시간 도함수가 음이될 때까지 반복된다. 그 경우, 펌프는 단계 1150에서 차단된 것으로 판정되고, 프로세스가 종료된다.
이와는 달리, 시간 TMAX 이전에, 전류 시간 도함수가 -e1 아래의 값에 도달한 경우에는, 도함수가 제 1 제로 크로싱된 것으로 간주된다. 따라서, 단계 1160에서, 상기 값 -e1이 도달된 시간 t는 전류 시간 도함수의 제 1 제로 크로싱의 시간 TZC1으로서 기재된다. 제 1 제로 크로싱의 플래그 ZC1은 "참(true)"과 같게 설정된다.
그 다음, 도 9c를 참조하면, 시간 t를 증가시키고 이 시간에서의 전류 시간 도함수를 측정하는 단계 1200가 구현된다.
t가 TMAX를 초과하지 않은 경우(비교 단계 1210)에는, 단계 1220 동안 전류 시간 도함수 dl(t)가 DIMIN-e1과 비교된다. DIMIN이 초기에 0으로 설정되었으므로, 이 비교는 단계 1150과 같고, 결과는 양이다.
그 다음, 단계 1230에서 DIMIN은 dl(t)의 값으로 설정되고, 단계 1200 내지 단계 1220은 dl(t)가 더이상 DIMIN-e1보다 낮지 않을 때까지 반복된다. 따라서, 이들 반복은 제 1 제로 크로싱 후에 전류 시간 도함수가 도달한 최소 값을 검출하는 것을 목적으로 한다.
단계 1220에서, 여러 반복 후에, dl(t)가 DIMIN-e1보다 낮지 않다는 것은 전류 시간 도함수가 감소를 멈추었음을 의미한다. 단계 1240에서, dl(t)는 전류 시간 도함수가 다시 양이될 때까지 증가되었는지를 검출하기 위해 양의 제 2 임계치 값 e2와 비교된다. 만약 그렇지 않을 경우, dl(t)가 e2를 초과할 때까지 단계 1200 내지 단계 1220이 반복된다.
dl(t)가 e2를 초과하는 경우, dl(t)가 DIMIN에 도달할 때 그것이 실제로 음이었는지를 확실히 결정하기 위해 전류 시간 도함수의 저장된 최소 값 DIMIN은 단계 1250에서 -e1과 비교된다. 그 경우, DIMIN에서 e2를 초과하는 값으로의 전환은 전류 시간 도함수가 두 번째로 제로 크로싱되었음을 나타낸다.
그 다음, 단계 1260에서, 제 2 제로 크로싱이 발생되었음을 나타내는 플래그 ZC2는 "참"과 같게 설정되고, 모든 단계 1200 내지 단계 1250가 극복된 시간은 제 2 제로 크로싱이 발생된 시간 TZC2로 기재된다. 그 다음, 프로세스는 도 9d의 단계 1300으로 계속된다.
하지만, 모니터링 시간 t의 여러 증가들 후에, 모니터링 시간이 TMAX보다 높은 경우(단계 1210), 프로세스는 도 9d의 단계 1300으로 바로 계속된다. 단계 1300은 플래그 ZC2를 점검하는 단계이다.
ZC2가 거짓이라면, 이는 이 단계가 모니터링 시간 t를 점검하는 단계 1210 바로 다음에 수행된 경우이며, 전류 시간 도함수의 제 1 제로 크로싱 후에 TMAX와 같은 시간이 경과되기 전에는 제 2 제로 크로싱이 검출되지 않았음을 의미한다.
TMAX는 높은 유체 출구 압력의 검출을 위해, 예를 들어 도 6a의 TMAX = 0.04s와 같이 제로 크로싱 발생의 정상적인 시간보다 높은 시간으로서 정의되는 것이 바람직하다. TMAX보다 높은 t는, 예를 들어 체크 밸브에서의 유체의 비정상적으로 높은 출구 압력이 존재하는 경우 발생된다.
따라서, t ＞ TMAX라면, 그 경우에는 단계 1310에서 유체의 비정상적으로 높은 출구 압력이 검출되고, 프로세스는 단계 1400에서 종료된다.
이와는 달리, (단계 1260 후와 같이) t ＜ TMAX라면, 단계 1320에서는 제 2 제로 크로싱 이전의 전류 시간 도함수 DIMIN의 최소 값과 전류 시간 도함수의 사전결정된 최소값 DIMIND의 비교가 이행되고, 단계 1230에서 전류 시간 도함수 DIMIND의 사전결정된 최소 값으로 저장되며, 상기 값은 도 5a에 표현된 바와 같이 펌프의 건식 작용의 검출을 위한 DIMIN의 임계치이다.
따라서, DIMIN이 DIMIND보다 낮다면, 단계 1330에서 펌프의 건식 작용이 검출되고, 그 다음 프로세스는 단계 1400에서 종료된다.
이와는 달리, DIMIN이 DIMIND보다 높다면, 프로세스는 단계 1340으로 계속된다. 이 단계에서, 전류 시간 도함수가 두 번째로 제로 크로싱되는 시간 TZC2는 이 제 2 제로 크로싱이 발생되어야 하는 사전결정된 최소 시간 TZC2MIN과 비교된다. 이 최소 시간은 시스템의 체크 밸브의 누출 또는 부재의 검출을 가능하게 하는 값으로 설정된다. 실제로, 도 4a를 참조하면, 그 경우에는 제 2 제로 크로싱이 정상 작동에서보다 일찍 발생된다.
따라서, TZC2가 TZC2MIN보다 낮을 경우, 단계 1350에서 체크 밸브의 누출 또는 부재가 검출되고, 프로세스는 단계 1400에서 종료된다.
이와는 달리, TZC2가 TZC2MIN보다 높은 것으로 판명되면, 프로세스는 단계 1360으로 계속된다. 이 단계는 값 TZC2를 전류 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱이 발생되어야 하는 사전결정된 최대 시간 TZC2MAX와 비교하는 단계이다.
도 6a를 다시 참조하면, TMAX 및 TZC2MAX의 값들에 따라, TMAX보다 낮지만 TZC2MAX보다 높은 모니터링 시간 t 또한 액체 출구 압력이 너무 높은 작동 모드를 나타낼 수 있다. 따라서, TZC2가 TZC2MAX보다 높은 경우, 단계 1310에서 비정상적으로 높은 유체 출구 압력이 검출되고, 프로세스가 단계 1400에서 종료된다.
이와는 달리, TZC2가 TZC2MAX보다 낮은 경우에는, 결합이 없는 것으로 검출되며, 시스템은 단계 1370에서 정상 작동 모드로 운용되는 것으로 간주되며, 프로세스는 1400에서 종료된다.
TZC2MIN, TZC2MAX, 및 DIMIND는 온도-의존형 룩 업 테이블(temperature-dependent look up table), 즉 캘리브레이션 단계에서의 온도의 측정치로서 전자 모듈 내에 임베디드된다.
요약하면, 본 발명에 따른 방법은 정상 작동 모드, 건식 모드, 막힌 시스템, 시스템에서의 비정상적으로 높은 압력, 또는 체크 밸브가 없거나 펌프 후에 누출이 있는 작용 모드를 포함하는, 유체 분사 시스템의 다양한 작동 상태들을 식별하기 위한 쉽고 비용-효율적인 방법을 제공한다.

Claims (14)

  1. 유체 분사 시스템(fluid injection system; 1)을 모니터링하는 방법에 있어서, 상기 시스템(1)은,
    · 코일(14)에 의해 작동되는 유체 도징 펌프(fluid dosing pump; 13), 및
    · 상기 코일(14)에 구동 전압을 공급하도록 구성되는 전자 모듈(15)을 포함하며,
    상기 방법은 상기 코일(14)을 통해 흐르는 전류(Ip)의 에볼루션(evolution) 및 상기 전류(Ip)의 시간 도함수(dlt)의 에볼루션을 모니터링하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 상기 코일(14)을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수(dlt)의 2 개의 연속하는 제로 크로싱(zero crossing)을 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    · 상기 펌프(13)의 구동을 개시하는 단계 - 상기 개시하는 단계는 상기 코일(14)에 구동 전압을 공급하고 모니터링의 시간(t)을 초기화하는 단계를 포함함 - ,
    · 상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수의 제 1 제로 크로싱(ZC1)을 모니터링하는 단계,
    · 상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱(ZC2)을 모니터링하는 단계, 및
    · 상기 펌프의 정상적 또는 비정상적 작동 모드를 결정하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 제로 크로싱(ZC1)이 발생되지 않고, 상기 펌프의 차단 또는 상기 시스템의 막힘(clogging)이 검출되는 모니터링 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 1 제로 크로싱(ZC1)이 검출되고, 제 2 제로 크로싱(ZC2)을 모니터링하는 단계는 상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱의 시간(TZC2)을 검출하는 단계를 포함하는 모니터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 2 제로 크로싱 검출을 위한 사전결정된 시간 종료(time out)(TMAX) 전에 제 2 제로 크로싱이 발생되지 않고, 비정상적으로 높은 출구 유체 압력이 검출되는 모니터링 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수가 상기 제 2 제로 크로싱 전에 최소 값(DIMIN)에 도달하였는지를 모니터링하는 단계를 더 포함하는 모니터링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 최소 값(DIMIN)은 사전결정된 최소 값(DIMIND)과 비교되고, 검출된 최소 값(DIMIN)이 상기 사전결정된 최소 값(DIMIND) 아래에 있는 경우, 상기 펌프의 건식 작용(dry functioning)이 검출되는 모니터링 방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간 도함수의 제 2 제로 크로싱의 시간(TZC2)을, 제 2 제로 크로싱을 위한 사전결정된 최소 시간(TZC2MIN) 및 최대 시간(TZC2MAX)과 비교하는 단계를 포함하는 모니터링 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 제로 크로싱의 시간(TZC2)이 상기 제 2 제로 크로싱을 위한 최소 시간(TZC2MIN) 아래에 있는 경우, 체크 밸브의 누출 또는 누락(missing)이 검출되는 모니터링 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 제로 크로싱의 시간(TZC2)은 제 2 제로 크로싱을 위한 상기 최소 시간(TZC2MIN)과 상기 최대 시간(TZC2MAX) 사이에서 비교되고, 검출된 최소 값(DIMIN)이 상기 사전결정된 최소 값보다 높고, 상기 시스템은 결함이 없는 것으로 간주되는 모니터링 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 실온에서의 펌프 저항이 모니터링되고 저장되는 상기 시스템의 캘리브레이션 단계, 및
    · 상기 모니터링 단계 이전에, 상기 펌프를 초기화하는 단계를 더 포함하며, 상기 단계는,
    ㆍ 상기 펌프 저항을 측정하는 단계,
    ㆍ 상기 펌프 저항으로부터 펌프 온도를 추정하는 단계, 및
    ㆍ 상기 펌프 온도에 따라 검출 임계치 값들을 설정하는 단계를 포함하는 모니터링 방법.
  12. 유체 분사 시스템(1)에 있어서,
    · 유체 탱크(10),
    · 상기 탱크와 유체 연동하며 분사 체크 밸브(12)를 포함하는 호스(11),
    · 상기 탱크로부터 상기 호스 내로 유체를 펌핑하도록 구성되는 유체 도징 펌프(13),
    · 전압이 공급될 때 상기 펌프를 작동시키도록 구성되는 코일(14), 및
    · 상기 펌프에 제어 전압을 공급하도록 구성되는 전자 모듈(15)을 포함하며,
    상기 유체 분사 시스템은 상기 전자 모듈(15)이 상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수 모니터(155)를 포함하며, 또한 상기 전자 모듈이 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 분사 시스템(1).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 모니터(155)는 상기 코일을 통해 흐르는 전류의 시간 도함수에 비례하는 출력 텐션(output tension)을 갖는 전류 미분기(current differentiator)를 포함하며, 이에 따라 상기 시간 도함수의 모니터링을 가능하게 하는 유체 분사 시스템(1).
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 모니터(155)는 신호 처리 모듈을 포함하는 유체 분사 시스템(1).
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