KR20140031867A - 전기자가 멈춤부에 닿는 시간을 결정하기 위한 액추에이터의 변형된 전기적 작동 - Google Patents

전기자가 멈춤부에 닿는 시간을 결정하기 위한 액추에이터의 변형된 전기적 작동 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코일 및 상기 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자를 갖는 액추에이터를, 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간(260)을 확인하기 위한 측정 동작 모드에서, 동작시키기 위한 방법이다. 본 발명은, (a) 전기자가 멈추는 예상 시간(260)이 일시적으로 일정한 전압이 코일에 인가되는 시간 창(206) 내에 해당하도록 치수화되는 작동 전압 신호(200)를 코일에 인가하는 단계, (b) 시간 창(206) 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기의 시간 프로파일(220)을 검출하는 단계, 및 (c) 전류의 세기의 검출된 시간 프로파일(220)의 평가에 기초하여, 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260)을 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한, 이러한 유형의 액추에이터를 동작시키기 위한 방법으로서, 정지 시간에 대한 정보가 측정 동작 모드에서 얻어지고, 이 정보가 액추에이터의 최적 작동을 위해 연속 동작 모드에 사용될 수 있는 방법을 개시한다. 본 발명은 또한, 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 확인하기 위한 장치 및 컴퓨터 프로그램을 개시한다.

Description

전기자가 멈춤부에 닿는 시간을 결정하기 위한 액추에이터의 변형된 전기적 작동 {MODIFIED ELECTRICAL ACTUATION OF AN ACTUATOR FOR DETERMINING THE TIME AT WHICH AN ARMATURE STOPS}
본 발명은 작동(actuation) 신호가 인가될 수 있는 코일 및 코일에 대해 이동 가능하도록 장착되는 전기자를 포함하는 전자기식으로 구동되는(electromagnetically driven) 액추에이터의 기술 분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 액추에이터의 활성화 후에 전기자(armature)가 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 측정 동작 모드에서, (a) 코일 및 (b) 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자를 갖는 액추에이터를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 액추에이터를 동작시키는 방법으로서, 측정 동작 모드에서 정지 시간에 대한 정보가 얻어지고, 이러한 정보가 액추에이터의 최적 작동을 위한 연속 동작 모드에 사용될 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
전자기식으로 구동되는 액추에이터는 이른바 풀 스트로크(full stroke) 동작 모드에서 낮은 공차(tolerance)로 동작될 수 있다. 이는 액추에이터의 전기자가 시작 위치와 종료 위치 사이에서 앞뒤로(to and fro) 이동된다는 것을 의미한다. 여기서, 시작 위치 및 종료 위치는 각각 전형적으로, 액추에이터의 하우징 상의 전기자의 기계적 멈춤부에 의해 규정된다. 연료 분사용 분사 밸브의 일 예에 대해, 이러한 동작 모드는 분사 밸브의 밸브 니들이 각각 최대 편향(deflection)까지 이동된다는 것을 의미한다. 그 후, 분사된 연료의 양은 분사 공정의 기간을 적절하게 조정함으로써 변경된다.
그러나, 자동차에 의한 오염물질의 배출 및/또는 연료의 소비를 줄이기 위해, 현대 분사 시스템에서는, 심지어 소량 분사의 경우에서도, 분사 밸브의 동작을 가능한 정밀하게 제어하는 것이 요구된다. 이는 분사 밸브의 탄도 동작 모드(ballistic operating mode)로 언급되는 것 역시 제어된다는 것을 의미한다. 이와 관련하여, 분사 밸브의 탄도 동작 모드는, 전기적 및/또는 구조적 파라미터에 의해 미리 규정되고 전기자에 대해 전자기적 힘의 인가가 종료된 후에 완전 멈춤에 이르지 않고서 자유롭게, 즉 포물선 형태인 궤도에서의 전기자 또는 밸브 니들의 부분 편향인 것으로 이해된다.
풀 스트로크 동작 모드에 대조적으로, 분사 밸브의 탄도 동작 모드는, 여기서는 전기적 및 기계적 공차 둘 모두가 풀 스트로크 동작 모드의 경우보다 상당히 크게 개방 프로파일에 영향을 미치기 때문에, 공차에 상당히 크게 종속된다. 대체로 코일을 포함하는 액추에이터의 전자기적으로 구동되는 전기자의 분사 밸브의 탄도 동작 모드에 대해, 여기서는 이하의 공차가 개별적으로 또는 서로 조합되어 발생될 수 있다.
a) 개방 공차: 규정된 전기적 작동 펄스가 코일에 인가된 후에 전기자가 전기자의 시작 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 시간은 개별 분사 밸브의 전기적, 자기적 및/또는 기계적 특성, 및/또는 그 동작 상태(예를 들어, 온도)에 따른다.
b) 폐쇄 공차: 부분 편향 후에 전기자가 전기자의 시작 위치로 다시 복귀하는 시간은 개별 분사 밸브의 전기적, 자기적 및/또는 기계적 특성, 및/또는 그 동작 상태에 따른다.
c) 스트로크 공차: 전기자의 부분 편향의 경우에, 도달되는 최대 스트로크는 유사하게, 개별 분사 밸브의 전기적, 자기적 및/또는 기계적 특성, 및/또는 그 동작 상태에 따른다. 스트로크 공차는 대응하는 편향 곡선이 바람직하지 않게 평탄하거나 과도하게 증가될 가능성을 갖고, 전기자의 포물선 궤도에 있어서의 개별적 변경을 야기한다.
DE 10 2006 035 225 A1호에는 코일을 갖는 전자기적 작동 장치가 개시되어 있다. 작동 장치의 실제 운동은 외부 기계적 영향에 의해 야기되는 유도 전압 신호를 평가함으로써 분석될 수 있다.
DE 198 34 405 A1호에는 솔레노이드 밸브의 니들 스트로크를 평가하기 위한 방법이 개시되어 있다. 솔레노이드 밸브의 코일에 대한 밸브 니들의 운동 동안, 코일에 유도된 전압이 감지되고, 연산 모델(computational model)에 의해 밸브 니들의 스트로크와 관련하여 위치된다. 코일 전압의 시간에 대한 도함수(dU/dt)는 이 신호가 니들 운동 또는 전기자 운동의 반전 지점에서 큰 점프를 갖기 때문에 접촉 시간을 결정하는데 사용될 수 있다.
DE 38 43 138 A1호에는 전자기 전환 요소의 전기자의 운동을 제어 및 감지하기 위한 방법이 개시되어 있다. 전환 요소의 스위칭 오프시, 그의 여자기(exciter) 권선에 자기장이 유도되고, 상기 자기장은 전기자 운동에 의해 변경된다. 상기 전기자 운동에 기인하는 여자기 권선에 인가되는 전압에 있어서의 시간에 따른 변화는 전기자 운동의 종료를 감지하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 코일 및 완전 편향으로 동작되는 변위 가능 장착식 전기자를 포함하는 전자기식으로 구동되는 액추에이터의 경우에, 활성화 후 액추에이터의 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 정확한 시간에 대한 지식을 얻고자 하는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 독립 청구항의 요지에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들이 종속 청구항에 개시된다.
본 발명의 제 1 태양에 따라, (a) 코일 및 (b) 상기 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자를 갖는 액추에이터를, 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 측정 동작 모드에서, 동작시키기 위한 방법이 개시되어 있다. 개시된 방법은,
(a) 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간이 연대기적으로 일정한 전압이 코일에 인가되는 시간 창에서 발생하도록 치수화되는 작동 전압 신호를 코일에 인가하는 단계,
(b) 시간 창 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기의 연대기적 프로파일을 취득하는 단계, 및
(c) 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일의 평가에 기초하여, 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하는 단계를 포함한다.
개시된 방법은 동작될 액추에이터는, 액추에이터가 적어도 유사한 개방 거동 및, 소정의 환경하에서, 예를 들어, 액추에이터가 연속 동작 모드에서 정상 작동으로 동작되는 경우에는 폐쇄 거동까지도 유사한 거동을 갖는 특정 측정 동작 모드에서 적어도 일시적으로 동작될 수 있다는 인식에 기초한다. 이와 관련하여, 측정 동작 모드는 특히, 연대기적으로 적어도 대략 일정한 전압이 전기자의 (기계적) 정지가 예상되는 시간 창 내에 인가된다는 사실에 의해 연속 동작 모드와 비교되어 규정될 수 있다. 이후, 사실상 시간 창 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기에 있어서의 시간에 따른 변화는 아티팩트(artifact)가 아니며, 대신 전기자의 기계적 정지에 특징이 있는 상당한 표시(indication)일 수 있다는 결과와 함께, 액추에이터의 전체 전기적 측정 시스템은 규정되고 안정된 상태에 있다.
이와 관련하여, "연대기적으로 일정한 전압"이라는 용어는, 특히 제 1 전압을 갖는 짧은 제 1 전압 펄스 및 제 2 전압을 갖는 짧은 제 2 전압 펄스가 각각 연대기적으로 연속하여 코일에 인가되는 동안 클로킹이 일어나지 않는 것을 의미할 수 있다. 이와 관련하여, 특히 제 2 전압은 또한, 제 1 전압만이 연대기적으로 연속적인 이산(discrete) 전압 펄스의 형태로 인가된 결과에 의해, "제로"일 수도 있다. 코일에 효과적으로 인가된 전압은 그 중에서도(inter alia), (a) 제 1 전압이 인가되는 제 1 기간 및 (b) 제 1 기간과 전압이 인가되지 않은(또는 제 2 전압이 인가된) 제 2 기간의 합인 전체 기간 사이의 펄스 듀티 팩터(duty factor)에 의해 결정된다. 물론, 효과적인 전압은 또한, 실질적으로 2 개의 전압의 레벨에 따른다.
개시된 액추에이터는 인젝터일 수 있으며, 특히 자동차용 연료 분사 인젝터일 수 있다. 분사 연료는 가솔린 또는 디젤 연료일 수 있다.
본 발명의 일 예시적 실시예에 따르면, 작동 전압 신호는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간이 시간 창에서 발생하도록, 신호 레벨 및/또는 연대기적 프로파일의 관점에서 치수화된다. 이는 액추에이터의 전기적 측정 시스템의 원하는 안정된 상태를 달성하기 위해, 작동 신호의 2 개의 기본적인 상이한 특성이 신호 레벨 및 연대기적 프로파일에 의해 적합한 방식으로 설정될 수 있다는 이점을 갖는다. 이와 관련하여, 신호 레벨 또는 전압 레벨은, (a) 시간 창 내에서 전기적 측정 시스템의 가장 안정적인 가능 상태의 관점에서, 그리고 (b) 정상 작동에 의한 연속 동작 모드에서의 전기자의 운동 거동과 가능한 유사한 전기자의 운동 거동에 대해 최적으로(best) 가능한 작동 전압 신호를 얻기 위해, 적절하다면 연대기적 프로파일과 상관없이 변경될 수 있다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 작동 전압 신호는 상승 단계 및 유지 단계를 가지며, (a) 상승 단계 동안, 상승 전압이 코일에 인가되고, (b) 유지 단계 동안, 유지 전압이 코일에 인가되며, 상승 전압은 유지 전압보다 높다.
유지 전압은 특히, 자동차의 배터리에 의해 이용 가능한 전압일 수 있다. 이후, 상승 전압은 배터리 전압에 대해 과도하게 증가된, 그리고 예를 들어 전기(부스트) 회로에 의해 배터리 전압으로부터 공지된 방식으로 취득된 전압이다. 또한, 상승 전압은 부스트 전압으로도 자주 언급된다.
연속 동작 모드 동안 상승 단계의 사용은 알려진 바와 같이, 인젝터가 높은 레벨의 에너지로 활성화되고, 이에 따라 전기자가 전기자의 시작 위치로부터 즉각적으로 편향되는 이점을 갖는다. 이렇게 함으로써, 동일한 유형의 다양한 액추에이터의 개방 거동에 관한 공차가 감소되고, 이에 따라 개방 거동이 보다 정밀하게 규정되고, 따라서 분사 연료량의 높은 정밀도를 달성하게 된다. 전기자가 멈춤부에 닿는 시간을 결정하기 위해 측정 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키기 위한 본 명세서에 개시된 방법에 있어서, 상승 단계의 사용은 특히, 측정 동작 모드에서의 액추에이터의 개방 거동이 연속 동작 모드에서의 액추에이터의 개방 거동과 매우 유사할 수 있도록, 작동 전압 신호가 조절(tailor)될 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서, 전기자가 측정 동작 모드에서 멈춤부에 닿는 시간의 개시된 결정의 결과는 액추에이터가 또한 전형적으로 상승 단계를 사용하여 작동되는 연속 동작 모드에 대한 우수한 근사치로 전달될 수 있다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 상승 단계는 코일을 통과하는 전류가 최대 전류에 도달하자마자 중단된다. 이와 관련하여, 최대 전류는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간이 시간 창에서 발생하도록 선택된다. 이는 적합한 작동 전압 신호가 용이하게 시행될 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 상승 단계는 상승 전압에 비해 역극성(reversed polarity)을 갖는 전압 펄스에 의해 중단된다. 추가로, 유지 단계는 전압 펄스의 종료 후에 이어진다. 이는 유지 단계에서, 실제로 코일에 존재하는 전압에 대해 특히 안정적인 상태가 존재한다고 하는 이점을 갖는다. 이는 전기자가 멈춤부에 닿는 시간이 특히 정밀하게 결정될 수 있다고 하는 결과와 함께, 코일을 통과하는 전류가 전술한 시간 창 내에서 낮은 구배(low gradient)를 갖도록 한다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간은 시간 창 내에서 감지되는 코일을 통과하는 전류의 세기의 극값(extreme value)에 의해 결정된다. 극값은 특히 최소값일 수 있다. 이는 전기자가 멈춤부에 닿는 시간이 특히 용이하게 결정될 수 있다고 하는 이점을 갖는다.
극값은 특히, 전체 전류 프로파일에 비해 국부적 극값이라는 점에 주목해야 한다. 시간 창에 대해, 극값은 국부적(local) 극값 또는 전역적(global) 극값일 수 있다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 상기 방법은 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일을 기준 전류 프로파일과 비교하는 단계를 더 포함한다. 이러한 경우에, 전기자가 정지 위치에 도달하는 시간의 결정은 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일과 기준 전류 프로파일의 비교의 평가에 기초한다.
전류 측정 신호와 기준 전류 프로파일의 개시된 비교를 통해, 전기자가 멈춤부에 닿는 시간의 결정에 대해 특히 높은 레벨의 정밀도를 얻는 것이 가능하다. 이는 특히, 취득된 전류 측정 신호 및 기준 전류 프로파일 둘 모두에서 발생하는 아티팩트가 용이하게 제거될 수 있다는 사실에 기인할 수 있다. 상기 비교는 바람직하게는, 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일과 기준 전류 프로파일 사이에서의 차이의 간단한 형성 단계만(적절하다면, 추가 스케일링(scaling)과 함께)을 포함한다.
특별한 유형의 액추에이터, 또는 심지어 개별 액추에이터를 특징으로 할 수 있는 개시된 기준 전류 프로파일은 예를 들어, 테스트 벤치 상에서 결정될 수 있다. 개시된 기준 전류 프로파일은 예를 들어, 자동차의 엔진 제어기에 저장될 수 있다.
기준 전류 프로파일은, 전기자가 시작 위치에 기계적으로 고정되고 작동 전압 신호가 코일에 인가됨에도 불구하고 액추에이터의 하우징에 대해 이동하지 않는 고정식 액추에이터를 특징으로 할 수 있다. 기계식 고정은 특히, 각각의 액추에이터가 연결되는 레일 시스템에서의 상당히 증가된 연료 압력에 의해 테스트 벤치 상에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 태양에 따르면, (a) 코일 및 (b) 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자를 갖는 액추에이터를 동작시키기 위한 방법이 개시된다.
개시된 방법은 (a) 연속 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키는 단계로서, 연속 작동 전압 신호가 코일에 인가되고, 상기 연속 작동 전압 신호는 전류를 조절하기 위해 클록 전압을 적어도 일시적으로 갖는, 동작 단계, 및 (b) 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 측정 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키는 단계를 포함한다. 전술한 상기 방법은 측정 동작 모드에서 실행된다.
개시된 방법은 예를 들어, 내연 기관의 진행중인 동작 동안, 연속 작동 전압 신호가 액추에이터에 인가되지 않은 때에, 이에 대신하여, 적어도 앞서 규정된 시간 창에서 전기자가 (측정 동작 모드에서) 정지 위치에 도달한 시간이 결정될 수 있도록 하는 전술한 작동 전압 신호가 인가되는 것을 실현하는 것에 기초한다. 전기자가 실제로 (측정 동작 모드에서) 멈춤부에 닿는 결정된 시간에 기초하여, 후속하는 연속 동작 모드에서, 적절하다면 연속 작동 전압 신호가 액추에이터의 원하는 개방 거동을 야기하도록 코일의 최적 활성화를 얻기 위해 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 결론이 도출될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양과 함께 설명된 상기 방법은 최적 작동에 대해 액추에이터에 특화된 적용이 가능하다고 하는 이점을 갖는다. 이렇게 함으로써, 예를 들어 마모 및/또는 특정 동작 조건에 기인한 액추에이터의 개방 거동에 있어서의 변화가 보상될 수 있다. 변화된 동작 조건은 예를 들어, 상이한 연료 압력, 분사된 연료의 특이한 점도 및/또는 특이한 온도일 수 있다.
연속 작동 전압 신호가 전형적으로는 원하는 개방 및 폐쇄 거동을 야기하기 위해 최적화되는 신호일 것이기 때문에, 본 명세서에서 전술한 작동 전압 신호는 변형 작동 전압 신호로도 언급된다.
클록 전압이란 용어는 특히, 2 개의 전압 레벨 사이에 놓이는 시간에 대해 평균화된 유효 전압 설정되는 결과와 함께, 인가된 전압이 일련의 연속적인 짧은 펄스에 의해 2 개의 상이한 전압 레벨 사이에서 별도로 변경된다는 의미로서 이해되어야 한다. 전술한 바와 같이, 이들 전압 레벨 중 하나는 "제로(0)" 일 수도 있으며, 유효 전압의 값은 특히, 전술한 바와 유사하게, 펄스 듀티 팩터로부터 공지된 방식으로 유발된다.
본 발명의 일 예시적인 실시예에 따르면, 연속 작동 전압 신호는 연속 상승 단계 및 연속 유지 단계를 포함한다. 연속 상승 단계 동안, 연속 상승 전압이 코일에 인가되고, 연속 유지 단계 동안, 연속 유지 전압이 코일에 인가되며, 연속 상승 전압은 연속 유지 전압보다 높다. 연속 유지 전압은 또한, 여기서는 특히 자동차의 배터리에 의해 이용 가능한 전압일 수 있다. 이후, 연속 상승 전압은 배터리 전압에 비해 과도하게 증가된, 그리고 예를 들어 전기(부스트) 회로에 의해 배터리 전압으로부터 예를 들어 공지된 방식으로 취득된 전압이다. 따라서, 연속 상승 전압은 연속 부스트 전압으로도 자주 언급될 수 있다.
본 발명의 추가적인 일 예시적 실시예에 따르면, 연속 상승 단계는 코일을 통과하는 전류가 연속 최대 전류에 도달하자마자 중단되며, 작동 전압 신호의 상승 단계를 중단시키는 최대 전류는 연속 최대 전류보다 낮다. 이는 한편으로는 (a) 전기적 작동이 전기자가 멈춤부에 닿는 시간의 신뢰할 만한 결정을 야기하기에 충분히 강하게 변경되고 작동 전압 신호의 경우, 그리고 한편으로는 (b) 전기적 작동이 실제 정지 시간에 대해 취득된 정보가 연속 동작 모드로 전달될 수 없는 정도로 연속 동작 모드에 비해 변형되지 않은 작동 전압 신호의 경우에, 적합한 (변형된) 작동 전압 신호가 측정 동작 모드에 대해 용이하게 시행될 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명의 추가적인 태양에 따르면, 코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 장치가 개시된다. 개시된 장치는 (a) 작동 전압 신호를 코일에 인가하기 위한 기구로서, 상기 작동 전압 신호는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간이 연대적으로 일정한 전압이 코일에 인가되는 시간 창에서 발생하도록 치수화되는, 상기 기구, 및 (b) (b1) 시간 창 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기의 연대기적 프로파일을 취득하기 위한, 그리고 (b2) 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일의 평가에 기초하여, 전기자가 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 유닛을 갖는다.
개시된 장치는 또한, 액추에이터가, 정상 작동으로 연속 동작 모드에서 동작된다면 취하게 될 개방 거동과 유사한 개방 거동을 갖는 특정 측정 동작 모드에서 적어도 일시적으로 동작될 수 있다는 점에 대한 인식에 기초한다. 본 발명에 따르면, 전기자의 (기계적) 정지가 예상되는 시간 창 동안, 시간에 따라 적어도 대략적으로 일정한 전압이 코일에 존재한다. 사실상, 액추에이터의 전체 전기적 측정 시스템은 특정 시간 창 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기에 있어서의 변동은 아티팩트가 아니라 전기자의 기계적 정지를 특징으로 하는 상당한 표시일 수 있다는 결과와 함께 규정되고 안정된 상태에 있다.
본 발명의 추가적인 태양에 따르면, 코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 측정하기 위한 컴퓨터 프로그램이 개시된다. 컴퓨터 프로그램이 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터 프로그램은 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위해, 측정 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키는 전술한 방법을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 상이한 청구 대상을 참조하여 설명되었음을 주목해야 한다. 특히, 장치 청구항을 구비한 본 발명의 다수의 실시예들 및 방법 청구항을 갖는 본 발명의 다른 실시예들이 설명되었다. 그러나, 본 명세서를 읽으면, 당업자는 특별히 달리 언급되지 않는 한, 본 발명의 청구 대상의 일 유형과 관련된 특징들의 조합에 더해, 본 발명의 청구 대상의 상이한 유형과 관련된 특징들의 임의의 원하는 조합도 가능하다는 것을 즉시 이해할 것이다.
본 발명의 추가적인 이점 및 특징은 본 바람직한 실시예에 대한 이하의 예시적인 설명으로부터 도출된다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c는 상승(boosting) 단계 및 유지(holding) 단계를 구비한 연료 인젝터의 연속(series) 작동에 대해, (a) 작동 전압 및 결과적인 작동 전류의, 그리고 (b) 결과적인 분사율의 연대기적 프로파일을 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 변형된 상승 단계 및 변형된 유지 단계를 구비한 연료 인젝터의 측정 작동에 대해, (a) 대응하는 작동 전압 및 결과적인 작동 전류의, 그리고 (b) 결과적인 분사율의 연대기적 프로파일을 도시한다.
도 3a는 (도 2b에 예시된) 작동 전류와 유압(hydraulic) 차단식 연료 인젝터의 경우에 동일한 작동 전압이 사용될 때 발생하는 작동 전류 사이의 비교를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 예시된 2 개의 작동 전류들 사이의 차이를 확대하여 도시한다.
이하 개시되는 실시예는 단지 본 발명의 가능한 실시 변형예의 제한된 선택으로 구성된다는 점을 주목해야 한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 상승 단계 및 유지 단계를 구비한 연료 인젝터의 연속 작동에 대해, (a) 작동 전압(100) 그리고 결과적인 작동 전류(120)의, 그리고 (b) 결과적인 분사율(140)의 연대기적 프로파일을 도시한다. 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 연속 작동은 상승 단계를 포함하는 연료 인젝터의 공지된 작동에 대응한다는 점을 주목해야 한다. 그러나, 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 이러한 연속 작동은 표준 작동으로서 사용되며, 표준 작동은 전기자가 연료 인젝터의 활성화 후에 멈춤부에 도달하는 시간을 정밀하게 결정할 수 있도록, 그리고 멈춤부에 닿는 전기자에 관한 취득된 정보에 기초하여 후속하는 연속 작동을 최적화할 수 있도록, 그 사이에서(in the meantime) 측정 작업에 의해 대체된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c로부터 명백한 바와 같이, 연속 작동에 있어서 작동 전압(100)은 0 ms 내지 대략 0.3 ms의 시간 범위에서의 작동의 개시 시에, 대략 60 V 레벨의 상승 전압이 연료 인젝터의 코일에 인가되는 상승 단계(102)를 갖는다. 이와 동시에, 코일을 통과하는 작동 전류(120)가 상승하기 시작한다. 상승의 기울기(steepness)는 공지된 방식으로 연료 인젝터의 코일의 유도율(inductivity)에 따른다. 최대 전류(122)에 도달할 때, 상기 최대 전류(122)는 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따라 대략 12.5 A이며, 상승 단계는 중단된다. 이와 관련하여, 작동 전압(100)은 갑자기 감소하고, 작동 전류(120)는 대략 5 A의 레벨로 떨어진다. 작동 전류(120)가 코일의 유도율로 인해 기하급수적으로 떨어지는 대략 0.3 ms 내지 0.5 ms의 범위는 프리-휠링 단계(124)로도 언급된다.
그의 기계적 멈춤부를 향한 연료 인젝터의 전기자의 즉각적인 운동을 이루기 위해, 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 대략 0.75 ms의 시간까지 작동 전류(120)는 5A의 전류 레벨 미만으로 떨어지지 않는다는 것이 보장된다. 이는 대략 0.3 ms 내지 대략 0.7 ms 범위에서 전압(105)의 클로킹이 수행된다는 사실에 의해 달성된다. 대략 0.3 ms 내지 대략 0.4 ms의 시간 범위에서의 약간의 음의 값으로의 작동 전압(100)의 하강은 측정 아티팩트라는 점과, 대략 0.3 ms 내지 대략 0.7 ms의 전체 시간 범위에서, 코일에 존재하는 실제 전압은 전압 클로킹(105)으로 인해, 적어도 대략 일정한 유효 전압 레벨에 있다는 점을 주목해야 한다.
도 1c로부터, 대략 0.5 ms의 시간에서 분사율(140)은 대략 12 mg/ms인 그의 최대값에 도달한다는 점은 명백하다. 이로부터, 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 연료 인젝터의 전기자는 점선(160)으로 표시된 이 시간에서 그의 기계적 멈춤부에 도달한다는 결론에 이를 수 있다.
도 1a로부터 명백한 바와 같이, 연속 작동의 경우에, 전기자가 멈춤부에 닿는 시간(160)은 전술한 전압 클로킹(105)이 발생하는 시간 창(window) 내에서 발생한다. 그러나, 전압 클로킹(105)은 예를 들어, 작동 전류(120)가 단지 전기적 데이터에 기초하여서는 전기자가 멈춤부(160)에 닿는 것을 결정하기 위해 필요한 것과 같은 정밀도로 평가될 수 없다는 결과와 함께, "불안정(unsteady) 측정 환경"이 존재한다는 것을 보장한다. 이와 관련하여, 분사율(140)은 연료 인젝터 측정 벤치 상에서만 측정될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 연료 인젝터의 실제 동작 동안, 대응하는 관통 유동율 측정은 일반적으로 불가능하다.
완벽을 기하기 위해, 현 시점에서, 또한, 연료 인젝터로의 전기적 에너지 입력을 불필요한 증가를 방지하기 위해, 도 1a 및 도 1b에 예시된 연료 인젝터의 전기적 연속 작동의 추가적인 특징을 간략하게 언급할 것이며, 대략 0.7 ms로 전기자가 멈춤부(160)에 닿은 후에, 추가 전압 클로킹(110)이 수행되고, 클로킹은 변경된 펄스 듀티 팩터로 인해, (연료 인젝터의 코일에 존재하는) 보다 낮은 유효 전압을 야기한다. 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 이러한 추가 전압 클로킹(110)은 대략 0.75 ms에 개시되고, 대략 1.45 ms에서 종료된다. 도 1b로부터 명백한 바와 같이, 추가 전압 클로킹(110)은 개시된 예시적인 실시예에서는 대략 2.5 A의 작동 전류(120)를 야기한다.
대략 0.7 ms에서 명백한 음(negative) 전압 펄스(또한 음 상승 전압으로도 언급됨)는 코일 전류의 급속한 하강을 야기하기 위해 본 경우(예시된 경우에, 코일 전류는 대략 5 A에서 대략 2.5 A까지 하강함)에 인가된다.
여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 연료 인젝터의 전기적 작동은 대략 1.45 ms에서 종료한다. 도 1a로부터 명백한 바와 같이, 자체-유도 전압은 작동 전압(100)의 대응하는 스위칭 오프의 결과로서 연료 인젝터의 코일에서 생성된다. 이는 따라서 코일을 통과하는 전류의 흐름을 야기하고, 이후 이는 자기장을 제거한다. (여기서는 음으로 예시된) 대략 70 V인 회복(recuperation) 전압이 초과된 후에, 어떠한 추가 전류도 흐르지 않는다. 이 상태는 또한, "개방 코일"로도 언급된다. 전기자의 자성 재료의 옴 저항으로 인해, 코일 필드가 제거될 때 유도되는 와전류가 쇠퇴한다(decay). 와전류에 있어서의 감소는 이어서 코일 내 자기장의 변화를 야기하고, 이에 따라 전압의 유도를 야기한다. 이러한 유도 효과는 연료 인젝터의 코일에서의 전압값이 지수 함수(115)의 프로파일에 따라 회복 전압의 레벨로부터 개시하여 제로까지 상승할 수 있도록 한다. 자기력의 제거 후에, 연료 인젝터는 탄성력(spring force) 및 연료 압력에 의해 야기되는 유압력(hydraulic force)에 의해 폐쇄된다.
전기적 작동의 종료는 대략 1.45 ms에서 작동 전류(120)가 제로값까지 떨어진다는 사실로부터 도 1b에서 볼 수 있다. 도 1c로부터, 소정의 시간 지연(전술한 폐쇄 공차와 비교) 후에, 연료 인젝터의 전기자는 대략 1.75 ms에서 폐쇄를 개시한다는 것이 명백하다.
연료 인젝터의 전기자가 멈춤부에 닿을 것으로 예상되는 시간 창에서 코일을 통과하는 작동 전류의 전류 신호의 정밀한 전기적 분석을 위한 가장 가능한 측정 조건을 허용하기 위해, 그리고 연속 작동의 경우에서의 거동과 유사한 적어도 개방 거동, 적절하다면 폐쇄 거동도 함께 달성하기 위해, 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 이하 설명되는 예시적인 실시예에 따르면, 연료 인젝터의 코일은 전압 클로킹 없이도 가능하도록 작동된다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 변형된 상승 단계 및 변형된 유지 단계를 갖는 연료 인젝터의 측정 작동에 대해, (a) 대응하는 작동 전압(200) 및 결과적인 작동 전류(220)의, 그리고 (b) 결과적인 분사율(240)의 연대기적 프로파일을 도시한다. 전기자가 멈춤부와 닿는 시간은 참조 부호(260)가 제공되는 점선으로 예시된다.
도 2b와 도 1b 사이의 비교로부터 명백한 바와 같이, 연속 작동에 비해 변형된 측정 작동의 경우에, 상승 단계(202)가 다소 조기에 중단되었다는 결과로 비교적 작은 최대 전류(222)가 선택된다. 연속 작동에서 대략 12 A인 최대 전류(122)에 비해, 측정 작동의 최대 전류(222)는 단지 대략 20 A이다. 또한, 상승 단계(202)가 대략 0.35 ms에서 종료되는 때에, 코일 전류를 보다 낮은 레벨로 즉각적으로 하강(여기서는 대략 10 A)시키기 위해, 짧은 음의 전압 펄스(204)가 코일에 능동적으로(actively) 인가된다. (a) 다소 작은 최대 전류(222)의 선택의, 그리고 (b) 짧은 음의 전압 펄스(204)에 의한 전류의 능동적 축소(draw down)의 이들 2 개의 측정의 실행 후, 후속적으로, 즉 전기자가 멈춤부에 닿은 것이라 예상되는 대략 0.35 ms 내지 0.75 ms의 시간 창에서, 전압의 클로킹을 없애는 것이 가능하다. 결과적으로, 도 1b에 예시된 전류 프로파일(120)에 비해 상당히 평활한 전류 프로파일을 갖는 전류 플래토(226) 및 비클로킹 전압 플래토(plateau)(206)가 얻어진다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, "안정 측정 조건"의 경우에, 따라서 전류 플래토(226)의 정밀한 분석을 통해, 연료 인젝터의 전기자가 그의 기계적 멈춤부에 도달하는 시간을 결정하는 것이 가능하다.
여기서 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 전류 플래토(226)는 일정한 전압이 인가되는 코일의 유도율에 의해 공지된 방식으로 상승이 야기되는 작동 전류(220)에 있어서의 기하급수적 상승의 개시를 구성한다는 점을 주목해야 한다. 그러나, 최대 전류(222)에 대한 적합한 (감소된) 값의 숙련된 선택을 통해, 특히 음의 전압 펄스(204)의 사용을 통해, 이러한 상승은 여전히 대략 0.35 ms 내지 대략 0.75 ms의 시간 창에서는 매우 평탄하고, 시간 창에서의 전류는 우수한 근사치로 연대기적으로 일정하다는 것이 보장된다.
완벽을 기하기 위해, 현 시점에서, 도 2a 및 도 2b에 예시된 연료 인젝터의 전기적 측정 작동의 추가적 특징에 대한 간략한 상세들이 또한 제시될 것이다. 대략 0.75 ms의 시간에서, 연료 인젝터의 전기적 작동은 종료된다. 연속 작동의 경우에서와 마찬가지로, 연료 인젝터의 코일에서의 작동 전압(200)의 스위칭 오프(switching off)는 음의 자체-유도 전압을 야기하고, 후속하여 제로 값까지의 작동 전압의 기하급수적인 상승을 야기한다. 대략 0.75 ms의 시간에, 코일 전류(220)는 제로까지 하강한다. 도 2c로부터, 소정의 시간 지연(전술한 폐쇄 공차와 비교) 후에, 연료 인젝터의 전기자는 대략 1 ms에서 폐쇄를 개시한다는 점은 명백하다.
도 3a는 작동 전류가 이제 참조 부호(320)로 특징되는 도 2b에 예시된 작동 전류와, 동일한 작동 전압이 유압 차단식 연료 인젝터의 경우에 사용되는 때에 설정되는 작동 전류(320R) 사이의 비교를 도시한다. 도 3b는 도 3a에 예시된 2 개의 작동 전류(320 및 320R) 사이의 차이를 확대하여 도시한다.
도 2b에 비해 확대된 도 3a의 예시로부터, 전기자가 멈춤부에 닿는 것은 작동 전류(320)가 평탄한 것이기는 하지만 국부적인 최소값(321)을 갖는 시간에 발생한다는 것이 명백하게 된다. 그러나, 전술한 측정 작동이 제공된 안정적 전기적 측정 조건으로 인해, 적어도 대략 0.35 ms 내지 0.75 ms의 시간 창 내에서, 작동 전류의 측정 곡선(320)은 이 최소값(321)이 실제로 충분히 높은 신뢰도를 갖고 검출될 수 있을 정도로 정밀하다.
검출 신뢰도를 추가로 증가시키기 위해, 작동 전류의 측정 곡선(320)은, 작동 전압(200)이 전기적으로 공급되지만 기계적으로 클램핑된 전기자를 특징으로 하는 전술한 기준 작동 전류(320R)와 비교될 수 있다. 여기에 예시된 예시적인 실시예에 따르면, 상기 비교는 단순히 차이를 형성하는 것을 포함하며, 그 결과가 도 3b에 예시된다. 따라서, 대응하는 곡선(320D)은 작동 전류(320)와 기준 작동 전류(320R) 사이의 차이를 나타낸다. 이와 관련하여, 전기자가 멈춤부(360)에 닿는 시간이 이제는 실질적으로 보다 명확하게 제시되는 최소값(321D)에 의해 특징지어짐은 분명 명백하다. 따라서, 전기자가 멈춤부(360)에 닿는 시간은 보다 정밀하게, 특히 보다 높은 신뢰도로 결정될 수 있다.
내연 기관의 동작 동안, 연료 인젝터의 중간 기계적 클램핑은 예를 들어, 과도하게 증가된 연료 압력의 인가로 인해, 전형적으로는 불가능하다는 점을 주목해야 한다. 그러나, 소정 유형의 연료 인젝터 또는 심지어 개별 연료 인젝터의 특성일 수 있는 기준 작동 전류(320R)는 예를 들어, 테스트 벤치 상에서 결정된 후, 자동차의 엔진 제어기에 저장될 수 있다. 만약, 여기에 개시된 측정 작동이 자동차의 동작 동안 실행된다면, 이 기준 작동 전류(320)는 엔진 제어기의 메모리로부터 회수되어, 멈춤부(360)에 대한 전기자의 실제 접촉의 신뢰할만한 결정을 위해 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. (a) 코일 및 (b) 상기 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자(armature)를 갖는 액추에이터를, 전기자가 액추에이터의 활성화(activation) 후에 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하기 위한 측정 동작 모드에서, 동작시키기 위한 방법으로서,
    전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간(260, 360)이 연대기적으로 일정한 전압이 코일에 인가되는 시간 창(206)에서 발생하도록 치수화되는 작동 전압 신호(200)를 코일에 인가하는 단계,
    시간 창(206) 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기(intensity)의 연대기적 프로파일(220)을 취득하는 단계, 및
    전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일(220)의 평가에 기초하여, 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하는 단계를 포함하는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 전압 신호(200)는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간(260, 360)이 시간 창(206)에서 발생하도록, 작동 전압 신호의 신호 레벨 및/또는 연대기적 프로파일의 관점에서 치수화되는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 작동 전압 신호(200)는 상승(boosting) 단계(202) 및 유지(holding) 단계(206)를 가지며,
    - 상승 단계(202) 동안, 상승 전압이 코일에 인가되고,
    - 유지 단계(206) 동안, 유지 전압이 코일에 인가되며, 상승 전압은 유지 전압보다 높은,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상승 단계(202)는 코일을 통과하는 전류가 최대 전류(222, 322)에 도달하자마자 중단되고, 최대 전류(222, 322)는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간(260, 360)이 시간 창(206)에서 발생하도록 선택되는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 상승 단계(202)는 상승 전압에 비해 역극성(reversed polarity)을 갖는 전압 펄스(204)에 의해 중단되고, 유지 단계(206)는 전압 펄스(204)의 종료 후에 이어지는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)은 시간 창(206) 내에서 감지되는 코일을 통과하는 전류의 세기의 극값(extreme value)(321), 특히 최소값(321)에 의해 결정되는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일을 기준 전류 프로파일(320R)과 비교하는 단계를 더 포함하며, 전기자가 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)의 결정은 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일(220)과 기준 전류 프로파일(320R)의 비교의 평가에 기초하는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  8. (a) 코일 및 (b) 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 구동되는 변위 가능 장착식 전기자를 갖는 액추에이터를 동작시키기 위한 방법으로서,
    연속 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키는 단계로서, 연속 작동 전압 신호(100)가 코일에 인가되고, 상기 연속 작동 전압 신호(100)는 전류를 조절하기 위해 클록(clocked) 전압(105)을 적어도 일시적으로 갖는, 동작 단계, 및
    전기자가 액추에이터의 활성화 후에 전기자의 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하기 위한 측정 동작 모드에서 액추에이터를 동작시키는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 청구된 방법으로서 실행되는,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연속 작동 전압 신호는 연속 상승 단계(102) 및 연속 유지 단계(105, 110)를 포함하며,
    - 연속 상승 단계(102) 동안, 연속 상승 전압이 코일에 인가되고, 그리고
    - 연속 유지 단계(105, 110) 동안, 연속 유지 전압이 코일에 인가되며, 연속 상승 전압은 연속 유지 전압보다 높은,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연속 상승 단계(102)는 코일을 통과하는 전류가 연속 최대 전류(122)에 도달하자마자 중단되며, 작동 전압 신호(200)의 상승 단계(202)를 중단시키는 최대 전류(222, 322)는 연속 최대 전류(122)보다 낮은,
    액추에이터를 동작시키는 방법.
  11. 코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하기 위한 장치로서,
    작동 전압 신호(200)를 코일에 인가하기 위한 기구(device)로서, 상기 작동 전압 신호(200)는 전기자가 멈춤부에 닿는 예상 시간(260, 360)이 연대적으로 일정한 전압이 코일에 인가되는 시간 창(206)에서 발생하도록 치수화되는, 상기 기구, 및
    (a) 시간 창 내에서 코일을 통과하는 전류의 세기의 연대기적 프로파일(220)을 취득하기 위한, 그리고
    (b) 전류의 세기의 취득된 연대기적 프로파일(220)의 평가에 기초하여, 전기자가 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하기 위한 유닛을 포함하는,
    코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 장치.
  12. 코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간(260, 360)을 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램이 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터 프로그램은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 청구된 방법을 제어하도록 구성되는,
    코일을 포함하는 액추에이터의 변위 가능 장착식 전기자가 액추에이터의 활성화 후에 정지 위치에 도달하는 시간을 결정하기 위한 컴퓨터 프로그램.
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