KR20160073992A - 압전 서보 인젝터를 동작시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 서보 밸브에 의해 압전 작동체로 동작되는 노즐 니들을 구비하는, 내연 엔진의 인젝터를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 영구적인 직접 힘 연결을 유지함으로써 상기 압전 작동체의 아이들 진행이 제거되므로, 상기 서보 밸브가 개폐될 때 그리고 상기 인젝터의 노즐 니들이 폐쇄될 때 밸브 챔버의 압력의 변화로 인한 상기 서보 밸브에 작용하는 힘의 변화가 상기 압전 작동체에 힘의 변화로서 항상 전달된다. 이에 의해 상기 압전 작동체의 전압 및/또는 커패시턴스의 변화가 검출되고, 상기 검출 결과로부터 상기 인젝터에 의해 출력되는 분사량을 조절하는 파라미터들이 결정된다. 이런 방식으로 특히 높은 계량 정밀도를 달성할 수 있다.

Description

압전 서보 인젝터를 동작시키는 방법{METHOD FOR OPERATING A PIEZO SERVO INJECTOR}
본 발명은, 서보 밸브(servo valve)에 의해 압전 작동체(piezo actuator)로 동작되는 노즐 니들(nozzle needle)을 구비하는, 내연 엔진의 인젝터(injector)를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
이런 종류의 인젝터에서, 인젝터의 노즐 니들은 상기 압전 작동체에 직접 연결되어 압전 작동체가 팽창하고 수축하는 것에 의해 노즐 니들이 이동하여 개방되고 폐쇄되는 것이 아니라, 노즐 니들과 압전 작동체 사이에 서보 밸브가 위치되고, 상기 서보 밸브의 밸브 몸체는 압전 작동체에 연결되고, 상기 서보 밸브는 작동체의 팽창시 밸브 안착부(valve seat)로부터 멀어지는 방향으로 리프트(lift)된다. 이것은 밸브 몸체를 밸브 안착부로 가압하는 밸브 스프링의 힘에 대항하여 일어난다. 밸브 안착부로부터 멀어지는 방향으로 서보 밸브의 밸브 몸체가 리프트하면 연료 흐름이 생성되어 연관된 노즐 니들이 동작한다.
이런 종류의 인젝터에서, 서보 밸브가 이동하는 프로파일(profile)과 노즐 니들이 이동하는 프로파일은 정밀하게 계량된 연료량을 분사하기 위하여 정밀하게 조절되어야 한다. 이것은, 예를 들어, 노즐 니들을 폐쇄하는 시간을 결정하고 조절하도록 수행된다. 이를 위해, 압전 작동체에 전압을 인가하는 것은 서보 밸브가 폐쇄된 후에 수행되어야 하므로, 작동체는 서보 밸브와 힘 접촉을 계속 유지한다. 그러나, 이 경우 압전 작동체는 아이들 진행(idle travel)을 하는 것으로 알려져 있다. 그리하여, 아이들 진행은 동시에 (압력 강하에 의해 또는 활성화 동안 압전 작동체의 주파수/진폭의 변화에 의해) 적응된다. 그러나, 이 알려진 적응 방법은 상대적으로 느리고, 정밀도와 강건함(robustness)은 동작 상태에 따라 달라진다.
본 발명은 인젝터에 의해 계량되는 양에 대한 특히 높은 정밀도가 달성될 수 있는 서두에 약술된 종류의 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 목적은, 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 영구적인 직접 힘 연결(permanent direct force connection)을 유지함으로써 상기 압전 작동체의 아이들 진행이 제거되므로, 상기 서보 밸브가 개폐될 때 그리고 상기 인젝터의 노즐 니들이 폐쇄될 때 밸브 챔버의 압력 변화로 인한 상기 서보 밸브에 작용하는 힘의 변화가 상기 압전 작동체에 힘의 변화로서 항상 전달되고, 그에 따라 얻어지는 상기 압전 작동체의 전압 및/또는 커패시턴스의 변화를 검출하고, 그리고 상기 검출의 결과로부터 상기 인젝터에 의해 출력되는 분사량을 조절하는 파리미터들을 확인하는 전술한 종류의 방법으로 달성된다.
본 발명은 상기 압전 작동체의 아이들 진행을 제거하고 이런 방식으로 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 직접 힘 연결을 항상 달성함으로써, 상기 노즐 니들이 폐쇄될 때에 그리고 상기 서보 밸브가 각각 개/폐될 때에 피드백 신호를 항상 이용가능하다는 기본 아이디어에 기초한다. 그리하여, 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결이 항상 보장되는데, 구체적으로 본 발명에 따라 심지어 극히 낮은 동작 압력에서도 보장된다. 이 힘 연결로 인해, 상기 서보 밸브가 개방되거나 또는 폐쇄될 때 그리고 상기 노즐 니들이 폐쇄될 때 상기 밸브 챔버의 압력이 변하는 것으로 야기되어 상기 서보 밸브에 작용하는 힘의 변화가 상기 압전 작동체로 전달되어서, 이 경우에 센서로 작용하는 상기 압전 작동체에 작용하는 힘이 변하고, 그리하여 상기 압전 작동체의 전압 및/또는 커패시턴스가 이런 방식으로 변하는 것이 항상 보장된다. 상기 인젝터에 의해 출력되는 분사량을 조절하는 파라미터들이 이후 전압 및/또는 커패시턴스의 변화로부터 식별된다. 그리하여 본 발명에 따른 방법은 높은 정밀도로 구현될 수 있고, 신속히 수행될 수 있고, 높은 레벨의 강건함을 구비할 수 있다.
바람직하게는 상기 압전 작동체에 걸친 전압, 커패시턴스 및/또는 힘의 변화를 확인하고 평가함으로써 상기 서보 밸브의 개방 시간 또는 폐쇄 시간 및/또는 상기 노즐 니들의 폐쇄 시간이 확인된다. 이들 시간은 본 발명에 따른 방법에서 특히 정확한 방식으로 결정될 수 있다. 대응하는 확인된 실제(ACTUAL) 시간은 상기 내연 엔진의 제어 디바이스에 저장된 목표(DESIRED) 시간과 비교되고 나서, 분사량이 목표량을 따르도록 조절될 수 있다. 특히, 상기 압전 작동체의 충전 시간 및/또는 충전 에너지, 상기 압전 작동체의 분사 시간 및/또는 방전 시간을 조절하는 것에 의해 이것을 달성할 수 있다.
상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 영구적인 직접 힘 연결에 요구되는 힘을 조절하기 위하여, 상기 힘에 의해 상기 압전 작동체에 걸쳐 생성되는 전기 전압을 사용하여, 이 전기 전압으로부터 힘을 계산할 수 있다. 힘이 목표값에 도달하면 조절 동작이 종료될 수 있다.
상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 영구적인 밀봉 힘 연결을 달성하는 여러 바람직한 방법들이 있다. 이들 방법은 서로 별개로 수행될 수 있으나, 조합으로 수행될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 상기 영구적인 직접 힘 연결은 상기 서보 밸브에 대한 스프링 힘을 증가시키는 것에 의해 생성된다. 본 발명에 따라, 이전에 사용된 10 N의 스프링 힘은, 예를 들어, 이 경우에 100 내지 140 N으로 증가된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 영구적인 직접 힘 연결은 상기 압전 작동체의 강성(stiffness)에 대해 밸브 안착부의 강성을, 특히 상기 강성 값의 2배 내지 4배 값으로 조절하는 것에 의해 생성된다. 폐쇄 에지(closing edge)에서의 밸브 안착부의 강성(K_안착부)이 상기 압전 작동체의 강성(K_압전)에 따라 변하도록 조절되거나 설계될 때, 특히, 강성(K_안착부)이 강성(K_압전)에 비해 너무 높지 않으며, 그리하여 압전 후분극(postpolarization)/탈분극(depolarization)으로 인해 또는 온도의 변화로 인해 상기 인젝터 몸체에 대해 작동체의 팽창에 변동이 있는 경우에도 여전히 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결이 생성되는 것이 주목된다. 이어서, 강성(K_안착부)이 강성(K_압전)보다 더 낮지 않아서, 압전 활성화 시에 개방 상태에서 충분한 밸브 리프트가 존재한다. 상기 밸브 안착부의 강성은 바람직하게는 압전 작동체의 강성보다 2배 내지 4배(예를 들어, 압전 작동체의 10 N/마이크로미터에 비해 오늘날 75 N/마이크로미터 내지 30 N/마이크로미터) 더 높도록 조절되거나 설계된다.
또 다른 변형에서, 인젝터 몸체에 대한 클램핑 힘을 고려하여 상기 인젝터를 상기 내연 엔진의 연관된 실린더에 클램핑한 후 상기 압전 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결이 스프링 힘의 일부, 특히 대략 절반이도록 유압 힘(hydraulic force) 없이 인젝터를 장착하는 동안 상기 영구적인 직접 힘 연결이 조절된다. 다시 말해, 상기 밸브 안착부를 폐쇄하는 힘은 예를 들어 140 N의 스프링 힘에서 레일 압력 없이 대략 70 N이어야 한다. 상기 압전 작동체와 버섯 형태의 밸브(mushroom-type valve) 사이에 힘 연결은 바람직하게는 또한 여기서 70 N이고, 그리하여 후분극으로 인해 및/또는 상기 인젝터 몸체에 대한 온도의 변화로 인해 압전 팽창에 변동이 있는 경우에도, 여전히 상기 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결 또는 적절히 밸브 안착부를 폐쇄하는 힘이 존재한다.
각 경우에, 본 발명에 따른 방법은 상기 영구적인 직접 힘 연결이 극히 낮은 동작 압력, 예를 들어 150 바(bar)에서도 보장되도록 조절되는 것을 보장한다.
바람직하게는 영구적 밀봉 힘 연결을 생성하는 것에 의해 압전 분극(piezo polarization)이 안정화된다. 이 경우에, 상기 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결을 또한 사용하여 상기 압전 분극을 안정화한다. 특히, 상기 압전 후분극이 증가하여 상기 작동체가 더 팽창할 때, 상기 작동체와 상기 서보 밸브 사이에 힘 연결이 있는 것으로 인해 작동체에 작용하는 힘이 이 경우에 증가되고, 이것으로 상기 압전 후분극이 감소하여 작동체 팽창 레벨이 더 낮아진다. 이것은 또한 압전 탈분극이 있는 경우에는 역으로 적용된다. 그리하여, 상기 압전 후분극 또는 탈분극이 매우 심각히 제한되고, 이것은 상기 압전 작동체의 길이를 각 동작점에서 활성화 없이 일정하게 유지하는 것에 기여한다.
상기 엔진의 동작 동안, 상기 작동체는 바람직하게는 상기 압전 작동체의 방전 후 그 다음 분사 동작 때까지 단락되지 않아서, 힘의 변화로 인한 전압의 변화가 가시적으로 유지된다.
또한 이런 방식으로 형성된 인젝터를 사용하여 상기 노즐 니들이 개방됨이 없이 압전 전압을 제어하는 것에 의해 누설(leak)을 용이하게 생성할 수 있다. 이것을 사용하여, 특히 분사 동작이 스위치오프된 경우에, 분사량이 작은 요구조건에서 PDV/PCV(압력 출구 밸브) 없이 레일 압력을 목표값으로 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시예를 참조하여 아래에서 상세히 설명된다:
도 1은 압전 작동체와 서보 밸브를 포함하는 인젝터의 일부 개략 단면도; 및
도 2는 인젝터를 동작시키는 방법을 도시하는 블록도.
도 1은, 서보 밸브(2)에 의해 압전 작동체(1)로 동작되는 노즐 니들(미도시)을 구비하는, 내연 엔진의 인젝터의 일부를 도시한다. 서보 밸브(2)는 밸브 안착부(4)와 상호 작용하는 버섯 형태의 밸브 몸체(3)를 구비한다. 스프링(5)은 밸브 몸체(3)를 밸브 안착부(4)로 가압한다. 전기 전압이 압전 작동체(1)에 인가될 때, 상기 압전 작동체는 도면에서 아래쪽으로 팽창하고, 이런 방식으로 스프링(5)의 힘에 의해 도면에서 아래쪽으로 서보 밸브(2)의 밸브 몸체(3)를 이동시켜서, 흐름 채널이 밸브 안착부(4)와 밸브 몸체(3) 사이에 개방되어서, 연료가 상기 흐름 채널을 통해 흐르고, 노즐 니들(미도시)이 이동하여 분사 공정을 개시하는 것으로 구현된다.
압전 작동체(1)에 인가되는 전기 전압이 스위치오프될 때, 압전 작동체는 수축되고, 이에 의해 밸브 몸체(3)는 도면에서 위쪽으로 스프링(5)을 이동시키고 서보 밸브(2)는 다시 폐쇄된다. 이 경우에, 본 발명에 따른 방법은 압전 작동체(1)와 밸브 몸체(3) 사이에 발생하는 아이들 진행이 제거되고 압전 작동체(1)와 서보 밸브(2) 사이에 영구적인 직접 힘 연결이 유지되는 것을 보장한다. 서보 밸브(2)가 개폐될 때 그리고 노즐 니들이 폐쇄될 때 밸브 챔버의 압력이 변하는 것으로 인해 서보 밸브(2)에 작용하는 힘의 변화가 압전 작동체(1)에 작용하는 힘의 변화로 항상 전달되고, 여기서 센서로 작용하는 압전 작동체(1)의 전압 및/또는 커패시턴스의 변화로 명확히 나타난다. 이 변화는 검출될 수 있고, 이 검출 결과로부터 인젝터에 의해 출력되는 분사량을 조절하는 파라미터들이 확인될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 개별 단계들을 개략적으로 도시한다. 압전 작동체와 서보 밸브 사이에 영구적인 직접 힘 연결을 수립하고 유지하기 위하여, 서보 밸브(2)에 대한 스프링 힘이 단계(10)에서 증가되고, 압전 작동체(1)의 강성에 대한 밸브 안착부의 강성이 단계(11)에서 조절되고, 그리고/또는 인젝터 몸체에 작용하는 클램핑 힘을 고려하여 인젝터를 내연 엔진의 연관된 실린더에 클램핑한 후 압전 작동체(1)와 서보 밸브(2) 사이의 힘 연결이 스프링 힘의 대략 절반이 되도록 이 힘 연결이 단계(12)에서 조절된다. 이런 조치들을 단계(13)에서 적절히 결합하여 압전 작동체(1)와 서보 밸브(2) 사이에 영구적인 직접 힘 연결을 유지할 수 있다.
서보 밸브(2)는 이후 개방되고 폐쇄되고 노즐 니들은 단계(14)에서 폐쇄된다. 이에 따라 압전 작동체의 전압 및/또는 커패시턴스의 변화가 단계(15)에서 검출된다. 이 검출 결과로부터, 대응하는 파라미터, 예를 들어, 충전 시간, 충전 에너지, 분사 시간 및 방전 시간이 단계(16)에서 확인되고, 상기 파라미터들은 단계(17)에서 대응하여 조절되어서, 분사량은 항상 목표량을 따른다.

Claims (9)

  1. 서보 밸브(servo valve)에 의해 압전 작동체(piezo actuator)로 동작되는 노즐 니들(nozzle needle)을 구비하는, 내연 엔진의 인젝터(injector)를 동작시키는 방법으로서,
    상기 압전 작동체(1)와 상기 서보 밸브(2) 사이에 영구적인 직접 힘 연결을 유지함으로써 상기 압전 작동체(1)의 아이들 진행(idle travel)이 제거되므로, 상기 서보 밸브(2)가 개폐될 때 그리고 상기 인젝터의 노즐 니들이 폐쇄될 때 밸브 챔버의 압력 변화로 인한 상기 서보 밸브(2)에 작용하는 힘의 변화가 상기 압전 작동체(1)에 힘의 변화로서 항상 전달되고, 결과적으로 얻어지는 상기 압전 작동체(1)의 전압 및/또는 커패시턴스의 변화를 검출하고, 그리고 상기 검출의 결과로부터 상기 인젝터에 의해 출력되는 분사량을 조절하는 파라미터들을 확인하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 작동체(1)에 걸친 전압, 커패시턴스 및/또는 힘의 변화를 확인하고 평가함으로써 상기 서보 밸브(2)의 개방 시간 또는 폐쇄 시간 및/또는 상기 노즐 니들의 폐쇄 시간을 확인하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 작동체(1)의 충전 시간 및/또는 충전 에너지, 상기 압전 작동체(1)의 분사 시간 및/또는 방전 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 작동체(1)와 상기 서보 밸브(2) 사이에 영구적 밀봉 힘 연결을 위하여 요구되는 힘을 조절하기 위하여, 상기 힘에 의해 상기 압전 작동체(1)에 걸쳐 생성된 전기 전압을 사용하여, 상기 전기 전압으로부터 상기 힘을 계산하고 상기 힘이 목표값에 도달할 때 조절 동작을 종료하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구적 밀봉 힘 연결은 상기 서보 밸브(2)에 대한 스프링 힘을 증가시키는 것에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구적 밀봉 힘 연결은 상기 압전 작동체의 강성(stiffness)에 대해서 상기 밸브의 강성을, 특히 상기 강성 값의 2배 내지 4배로 조절하는 것에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 인젝터 몸체에 작용하는 클램핑 힘을 고려하여 상기 인젝터를 상기 내연 엔진의 연관된 실린더에 클램핑한 후 상기 압전 작동체(1)와 상기 서보 밸브(2) 사이의 힘 연결이 스프링 힘의 일부, 특히 대략 절반이도록, 유압 힘 없이 상기 인젝터를 장착하는 동안 상기 영구적인 직접 힘 연결을 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구적인 직접 힘 연결은 극히 낮은 동작 압력에서도 보장되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구적 밀봉 힘 연결을 생성하는 것에 의해 압전 분극(piezo polarization)이 안정화되는 것을 특징으로 하는 방법.
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