KR20140024319A - 압전 소자를 작동하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

압전 소자를 작동하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트리거 신호에 의해 작동될 수 있는 압전 소자(12)의 작동을 위한 방법에 관한 것이다. 압전 소자는 능동 및 수동 작동 모드로 작동 가능하다. 압전 소자(12)가 수동 작동 모드에 존재할 경우, 압전 소자(12)는 기능에 맞는 작동 요구 없이 작동된다.

Description

압전 소자를 작동하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR OPERATING A PIEZO ACTUATOR}
본 발명은 일반적으로 압전 소자를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 압전 소자를 작동하기 위한 장치에 관한 것이다. 최종적으로 본 발명은 상기 유형의 장치를 구비한 내연기관에 관한 것이다.
압전 소자는, 예컨대 연료 분사 시스템에서 분사 밸브의 밸브 니들의 위치를 제어하기 위한 압전 소자로서와 같은 다수의 기술적 적용분야에 사용된다. 공지된 압전 소자의 기본 몸체는, 전기 전압의 인가 시 또는 부하의 제공 시 압전의 효과로 인해 팽창되는 압전 세라믹을 통해 형성된다.
지금까지 압전 세라믹의 사용 시 문제는, 압전 세라믹이 온도 변화에 대해 소정의 민감성을 가지는 데에 있었다. 실제로 압전 소자의 빈번한 온도 변화는, 시간에 따라 소자의 행정이 축소될 정도까지 압전 소자의 효능에 영향을 준다. 소자 행정의 축소는 분사 밸브에서 압전 소자의 사용 시 밸브 니들의 개폐 시점의 이동과 이를 통해 결국 결함이 있는 분사량을 야기한다.
문헌 DE 10 2004 018 211 A1호는 연료 분사 장치의 밸브 부재를 작동시키는 압전 소자를 기술한다. 내연기관을 작동하기 위한 요구가 존재하는지의 여부 및 긍정적인 검사 결과 시 압전 소자의 편극화가 요구되는지의 여부가 검사된다.
본 발명의 과제는, 압전 소자의 내구성을 증가시키고 압전 소자의 수명을 연장하기 위해 실용적인 해결책이 기기의 적은 비용으로 제공됨으로써, 압전 소자를 작동하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 가지는 방법 및 청구항 제10항의 특징들을 가지는 장치를 통해 해결된다.
상기 방법은 트리거 신호, 특히 트리거 전압을 이용해 작동될 수 있는 압전 소자의 작동에 이용된다. 트리거 신호는 전기 트리거 전류 또는 전기 트리거 부하일 수 있다. 압전 소자는 수동 및 능동 작동 모드로 작동 가능하다. 이때 압전 소자가 수동 작동 모드에 존재하는 경우, 압전 소자는 작동된다. 다시 말해, 압전 소자는 상술된 압전 소자의 수동 작동 모드에서 발생하는 불리한 효과들을 방지하는 목적에 부합하도록 조작된다. 본 출원의 의미에서 "압전 소자의 수동 작동 모드"의 개념은, 압전 소자가 정지 상태에 존재하는, 즉 기능에 맞는 조작이 요구되지 않는 (다시 말해, 압전 소자에 트리거 신호가 인가되지 않거나 압전 소자에 일정한 트리거 신호가 인가되는) 압전 소자의 작동 모드로 이해할 수 있다. 상응하게 본 출원의 의미에서 "압전 소자의 능동 작동 모드"의 개념은, 압전 소자가 기능에 따라 조작되는 압전 소자의 작동 모드로 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 변형예에서 압전 소자가 사전 설정된 시간 동안 수동 작동 모드로 존재하는 한, 압전 소자는 조작된다. 이를 통해 상술된 불리한 효과들이 발생하는 시간을 가능한 한 짧게 유지하도록 수동 작동 단계의 최대 기간이 제한될 수 있다.
압전 분사 밸브의 수동 작동 시 노화와 수명에 대해 행정 성능을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 방법의 일 변형예에서는 압전 소자의 영역에서 온도가 검출되고, 검출된 온도의 변화가 결정된다. 이때 온도 변화가 사전 규정된 값을 초과하는 경우, 압전 소자는 트리거 신호를 통해 조작된다.
온도는 측정 기술상 비교적 쉽고 정확하게 측정될 수 있는 변수여서, 온도는 본 발명에 따른 방법의 실시예에서 측정된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서 온도는 모델을 이용해 측정된다. 모델에 기초한 측정은, 원래 이미 차량에 존재하는 센서의 측정값이 사용될 수 있는 장점을 가진다.
온도 변경 부하는 바로 ("수동 작동"으로도 지칭되는) 수동 작동 모드에서 압전 세라믹의 특성에 특히 불리하게 작용하기 때문에, 본 발명에 따른 방법의 일 변형예에서 압전 소자가 수동 작동 모드로 존재하는지의 여부가 규칙적으로 검사된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따라 사전 규정된 값은 온도 편차를 통해 형성되어 있다. 제1 시점에서 제1 온도값과 제2 시점에 대한 제2 온도값 사이의 온도 편차는 압전 소자의 열적 부하에 대해 측정 기술상 쉽게 검출될 수 있는 변수이다.
압전 소자의 영역에서 온도 추이의 변화 시 온도 변화의 속도에 비례하는 압전 소자의 열적 부하가 발생하는데, 이러한 열적 부하는 상술된 것처럼 분사 밸브에서 압전 소자의 비교적 오랜 이용 시 분사량에서 용인할 수 없는 부정확성을 초래한다. 그렇기 때문에 본 발명에 따른 방법의 일 변형예에서 사전 규정된 값은 (예컨대 온도의 시간적 도함수로서 규정되는) 온도 변화 속도를 통해 형성되어 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 변형예에서, 하나의 또는 복수의 온도 변화가 측정되는 한, 압전 소자는 조작된다. 이를 통해 압전 소자의 수명에 걸쳐 행정 성능의 손실은 방지되거나 적어도 축소된다.
또한 본 발명은, 압전 소자가 능동 또는 수동 작동 모드로 작동되는지의 여부를 측정하기 위한 수단을 구비하고, 압전 소자가 수동 작동에 존재하는 한, 트리거 신호를 이용해 압전 소자(12)를 조작하도록 형성되어 있는 제어장치(24)를 구비한, 트리거 신호를 이용해 조작 가능한 압전 소자를 작동하기 위한 장치에 관한 것이다.
장치의 장점들에 관하여 상기 장치를 이용해 실행될 수 있는 본 발명에 따른 상술된 방법이 지시되고, 이때 상술된 장점들이 제공된다. 본 발명에 따른 방법의 특징, 특성 및 장점은 본 발명에 따른 장치에도 상응하게 해당되거나 적용 가능하다.
본 발명으로 주로 의도되는 장점은, 압전 소자의 위협적인 수명의 감소를 방지하는 효과적인 조치를 제시하는 데에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분사 밸브의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 1에는 본 발명에 따른 분사 밸브(10)의 예시화된 기능 방식을 도시하기 위한 블록도가 도시된다. 이때 본 발명의 실시를 위해 중요한 분사 밸브(10)의 구성 요소들이 매우 개략적으로 도시되어 있다. 내연기관 내에 배치된 압전 소자(12)는 분사 밸브(10)의 밸브 니들(18)의 위치를 제어하기 위해 연료 분사 시스템에 형성되어 있다. 압전 소자(12)는 트리거링된 상태로 압전 소자(12)와 노즐(14) 사이에 배치된 밸브 부재(16)를 통해 간접적으로 밸브 니들(18)에 작용한다. 밸브 니들(18)이 압전 소자(12)에 의해 직접 조작된다고 생각할 수도 있는 것은 자명하다. 압전 소자(12)는 전기 전류 신호, 전기 전압 신호, 또는 전기 부하 신호일 수 있는 신호에 의해 트리거링된다.
또한 장치(10)는, 온도가 압전 소자(12)에서 모델을 통해 검출되는 온도 검출 장치(22)를 포함한다.
분석 및 제어장치(24)는, 압전 소자(12)에서 온도 검출 장치(22)에 의해 검출되는 온도의 변화가 목표 값 영역 내에 존재하는지 또는 사전 규정된 목표 값을 초과하는지의 여부를 검사한다. 또한, 분석 및 제어장치(24)는 압전 소자(12)의 가능하고 상이한 작동 모드들을 인지할 수 있다. 이를 위해 압전 소자(12)의 현재 작동 상태에 관한 데이터는 데이터 라인(26)을 통해 분석 및 제어장치(24)로 전송되고 이로부터 현재 작동 모드를 검출하기 위해 분석된다. 분석 및 제어장치(24)는 특히 데이터 분석을 통해 압전 소자(12)의 수동 작동을 인지할 수 있다.
압전 소자(12)는 능동 작동 모드와 수동 작동 모드로 작동될 수 있다. 이때 능동 작동 모드는 압전 소자가 규칙적으로 또는 지속적으로 기능에 따라 조작되는 작동 모드이다. 이때 수동 작동 모드는, 전압 소자가 기능에 맞는 조작이 요구되지 않는 정지 상태에 존재하는 작동 모드이다. 그러므로 이러한 상태에서 압전 소자는 조작되지 않고 가동되지 않는다. 일련의 가능한 온도의 영향들로 인해 특히 압전 소자가 수동 작동 모드로 작동될 경우, 행정 성능에 손실이 초래될 수 있다. 그러한 온도의 영향들은, 임계적인 온도값을 넘어 존재하는 과도하게 높은 온도값, 온도 변화, 일회의 온도 변경 또는 복수의 온도 주기나 온도 변경일 수 있다.
직접 분사가 제1 분사 밸브를 구비한 연소 챔버에서 비교적 높은 압력으로 이루어지고, 흡입관 분사가 제2 분사 밸브를 구비한 공기 흡입 채널에서 비교적 낮은 압력으로 이루어지는 이중의 연료 분사 장치를 구비한 내연기관에서, 두 분사 모드의 장점은 상응하는 작동 모드의 변경을 통해 사용될 수 있다.
압전 소자(12)는 일반적으로 수동의 온도 변경 부하에서 행정 성능이 손실되는 기계적 특성을 나타낸다. 액체 연료와 가스, 특히 자동차 가스나 천연 가스를 구비한 선택적 작동을 가지는 내연기관의 경우, 이전에 명시된 문제는 단순한 가스 작동이나 내연기관의 흡입관 분사를 통한 작동에서 발생할 수 있다. 그렇기 때문에 압전 소자(12)의 조작은 상기 유형의 수동의 작동에서 예컨대 규칙적이거나 사전 설정된 조건 하에서 이루어진다. 이러한 조작은 단지 상술된 단점들을 방지하도록, 기능에 따른 조작의 요구 없이 이루어진다. 사전 설정된 조건은 예컨대 특정 수의 온도 주기나 온도 변경에서 존재할 수 있다. 압전 소자(12)는 사전 설정된 시간 이후에도 온도를 고려하지 않고 조작될 수 있다.
이를 위해 압전 소자(12)의 수동의 작동이 인지되어 있고, 동시에 목표 값 영역으로부터 온도 변화가 벗어나거나 사전 규정된 목표 값을 초과하였을 경우, 또는 사전 규정된 시간을 경과하는 한, 분석 및 제어장치(24)는 압전 소자(12)를 트리거링하고 조작하도록 형성되어 있다. 압전 소자(12)를 트리거링 하기 위해 전류의 시간적 추이가 규정된 프로파일을 포함하는 전기 전류(20)는 압전 소자(12)를 통해 유도된다. 전류 공급을 통해 압전 소자(12)의 팽창은 변경되고 이를 통해 밸브 부재(16)와 결국 밸브 니들(18)도 조작된다.
밸브 니들(18)의 조작을 통해 밸브 니들(18)의 위치와 밸브 니들(18)의 상부 사이의 압력차가 존재하며, 상기 압력차는 밸브 니들(18)이 개방되는 결과를 가져온다. 이를 통해 수동 작동에서 행정 성능의 변경이 방지될 수 있다.
도 2에는 압전 소자(12)의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도가 도시된다. 본 발명에 따른 방법은 시작 단계(28)에서 시작된다. 시작 후에 우선 작동 모드 검사 단계(30)에서 압전 소자(12)가 수동 작동에 존재하는지의 여부가 검사된다. 작동 모드 검사 단계(30)에서 부정의 검사 결과 시(다시 말해, 압전 소자(12)가 수동 작동에 존재하지 않는 경우) 상기 방법은 종료 단계(32)에서 종료된다.
작동 모드 검사 단계(30)에서 긍정의 검사 결과 시, 다시 말해 압전 소자(12)가 수동 작동에 존재하는 것이 분명해지면, 상기 방법은 온도 변화 검사 단계(34)로 이어진다. 온도 변화 검사 단계(34)에서, 압전 소자(12)에서 온도 변화가 사전 설정된 목표 영역 내에 위치하는지의 여부나, 온도 변화가 사전 규정된 목표 값을 초과하는지의 여부가 검사된다.
목표값은 온도 편차 델타 T=T1-T2일 수 있다. 이때 T1과 T2는 상이한 시점에 검출된 두 개의 온도 값들이다. 두 측정들 사이에 중요한 시간 간격은 절대 온도와 같이 수반되는 환경들 또는 온도의 시간적 추이의 프로파일에 의존하고, 중요한 결과들에 도달하도록 당업자에 의해 선택될 수 있다.
목표값은 온도 변화 속도(dT/dt=온도의 시간적 도함수)일 수 있다. 또한 온도 변화 검사 단계(34)에서 온도 변경 또는 사전 규정된 수의 온도 변경들이 측정되었는지의 여부가 검사될 수 있다.
온도 변화 검사 단계(34)에서 부정의 검사 결과 시, 온도 변화가 목표값 영역으로부터 벗어나거나 목표값을 초과할 때까지, 또는 온도 변경이나 사전 설정된 수의 온도 변화가 주어질 때까지 온도 변화의 검사는 주기적으로 반복된다. 온도 변화 검사 단계(34)에서 긍정의 검사 결과 시, 상기 방법은 트리거링 단계(36)로 이어진다. 트리거링 단계(36)에서는 압전 소자(12)의 트리거링이 이루어진다. 압전 소자(12)의 트리거링은 1차 연료 분사(실린더의 연료의 분배)에 대해 추가로 또는 1차 연료 분사에 대한 대안으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 분사 밸브에서 압전 소자의 상기 예시에 대해 기술되었음에도, 이러한 적용 분야로 전혀 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 기본적으로 압전 소자 트리거링된 모든 부재들, 예컨대 캠축 행정 조정장치용 압전 소자에 적용 가능하다.

Claims (11)

  1. 트리거 신호를 이용해 작동될 수 있는 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법이며, 압전 소자(12)는 능동 및 수동 작동 모드에서 작동 가능하고, 압전 소자는 능동 작동 모드에서 기능에 따라 작동되며, 수동 작동 모드에서 정지 상태로 존재하는, 압전 소자를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    압전 소자(12)는 수동 작동 모드에서 기능에 따른 작동 요구 없이 작동되는 것을 특징으로 하는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 압전 소자(12)가 사전 설정된 시간 동안 수동 작동 모드에 존재하는 한, 압전 소자(12)는 조작되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  3. 제1항과 제2항에 있어서, 압전 소자(12)의 영역에서 온도가 검출되고, 검출된 온도의 변화가 결정되며, 온도 변화가 사전 규정된 값을 초과하는 한, 압전 소자(12)는 트리거 신호를 통해 작동되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 온도는 온도 측정 수단으로 측정되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  5. 제3항에 있어서, 온도는 모델을 이용해 계산되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 압전 소자(12)가 수동 작동 모드에 존재하는지의 여부가 규칙적으로 검사되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 규정된 값은 온도 편차를 통해 형성되어 있는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 규정된 값은 온도 변화 속도를 통해 형성되어 있는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 또는 복수의 온도 변경이 측정되는 경우, 압전 소자(12)가 작동되는, 압전 소자(12)를 작동하기 위한 방법.
  10. 트리거 신호를 이용해 작동될 수 있는 압전 소자(12)를 작동하기 위한 장치이며, 상기 장치는 압전 소자(12)가 능동 또는 수동 작동 모드에서 작동되는지의 여부를 측정하기 위한 수단들을 구비하고, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위해 형성되어 있는 제어장치(24)를 구비한, 압전 소자를 작동하기 위한 장치.
  11. 분사 밸브와, 압전 소자(12)와, 제10항에 따르는 장치를 구비한 내연기관.
KR1020137027088A 2011-04-14 2012-03-16 압전 소자를 작동하기 위한 방법 및 장치 KR20140024319A (ko)

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