KR20170134686A - 연료 분사 밸브 내 압력의 결정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔레노이드 밸브(1)의 제어 가능한 폐쇄 부재(11)를 통해 연소 챔버(23) 내로 분사될 연료(19)의 압력을 결정하는 장치 및 방법을 제공하고, 상기 방법은 전기자(9)에 작용하는 자기력을 생성하는 자기장을 생성하기 위해 상기 솔레노이드 밸브(1)의 코일(3)을 통해 흐르는 전류 흐름(i)을 생성하는 단계로서, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재(11)를 개방하는 방향으로 상기 전기자(9)를 변위시키는, 상기 전류 흐름(i)을 생성하는 단계; 상기 전기자가 상기 폐쇄 부재를 변위시키기 시작하는 제1 상태(I)에 도달되기 전에 또는 도달될 때 상기 자기장의 자속(Ψ)의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 자속의 결정된 크기에 기초하여 상기 압력의 크기를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

연료 분사 밸브 내 압력의 결정

본 발명은 솔레노이드 밸브 내의 자속을 이용하여 연료의 압력을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 솔레노이드 밸브 및 연료의 압력을 결정하기 위한 장치를 갖는 압력 측정 시스템에 관한 것이다.

연료 분사 시스템은 통상적으로 전자 부분 및 유압 부분으로 구성된다. 유압 부분에서, 예를 들어, 실린더와 같은 연소 챔버로 분사하는 분사 공정 동안 요구되는 연료 양 또는 원하는 연료 양이 최적화된 분무와 함께 도입될 수 있도록 연료는 미리 한정된 압력으로 압축된다. 이 방법을 정확히 진행하기 위해서는 일반적으로 압력 센서를 통해 측정되는 연료 압력을 아는 것이 필요하다. 실제 연료 압력으로부터 측정된 연료 압력의 에러 또는 편차는 분사량의 편차, 연료의 비-최적화된 분무, 및 그리하여 내연 엔진의 배출량의 악화 또는 성능의 악화를 야기할 수 있다. 그리하여 일반적으로 압력 센서에 의해 수행되는 연료 압력을 충분한 정확도로 결정하는 것이 기본적으로 필요하다. 또한, 동작 동안 압력 센서에 드리프트를 야기하거나 또는 심지어 압력 센서에 고장을 초래할 수 있기 때문에 압력 센서에 의해 공급되는 측정 값의 타당성(plausibility)을 체크(check)하는 것이 필요하다.

연료 압력을 측정하는 것은 통상적으로 압력 센서를 사용하여 수행된다. 여기서 연료 압력 센서의 전기적 파라미터를 체크하는 것은 압력 센서의 기능을 체크하거나 또는 그 타당성을 체크하는 역할을 할 수 있다.

그러나 압력 센서에 의해 압력을 측정하는 것은 충분한 정확도와 신뢰도로 모든 상황에서 수행될 수 없다는 것이 관찰되었다. 전기적 파라미터를 모니터링하여 압력 센서의 측정 값의 타당성을 체크하는 것은 또한 모든 상황과 환경에서 신뢰할 수 있는 것은 아니다. 또한, 특정 상황에서 압력 센서에 의해 압력을 측정하는 것은 충분한 정확도를 갖지 않을 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 정밀하고 신뢰성 있는 압력 결정을 가능하게 하거나, 특히 압력 센서의 압력 측정값의 타당성을 체크하는데 사용될 수 있는, 연료의 압력을 결정하는 방법 및 장치를 제안하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 주제에 의해 달성된다. 종속 청구항은 본 발명의 특정 실시예를 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 솔레노이드 밸브의 제어 가능한 폐쇄 부재(closure element)를 통해 연소 챔버 내로 분사될 연료의 압력을 결정하는 방법이 제공된다. 이러한 맥락에서, 상기 방법은, 전기자에 작용하는 자기력을 생성하는 자기장을 생성하기 위해 상기 솔레노이드 밸브의 코일을 통해 흐르는 전류 흐름을 생성하는 단계로서, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재를 개방하는 방향으로 상기 전기자를 변위시키는 (또는 어쨌든 이 방향으로 힘을 가하는), 상기 전류 흐름을 생성하는 단계; 상기 전기자가 상기 폐쇄 부재를 변위시키기 시작하는 제1 상태에 도달되기 전에 또는 도달될 때 상기 자기장의 자속의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 자속의 결정된 크기에 기초하여 상기 압력의 크기를 결정하는 단계를 포함한다.

예를 들어 실린더와 같은 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위해, 솔레노이드 밸브 또는 솔레노이드 인젝터가 사용될 수 있다. 이러한 솔레노이드 인젝터(코일 인젝터라고도 지칭됨)는 전류가 코일을 통해 흐를 때 자기장을 생성하는 코일을 가지며, 이 자기장에 의해 자기력이 전기자에 가해져, 상기 전기자가 변위되어 노즐 니들(nozzle needle) 또는 폐쇄 부재를 개방 또는 폐쇄하여 상기 솔레노이드 밸브의 개방 또는 폐쇄를 수행한다. 상기 솔레노이드 밸브 또는 상기 솔레노이드 인젝터가 상기 인젝터와 상기 노즐 니들 사이 또는 상기 전기자와 상기 폐쇄 부재 사이에 아이들 행정(idle stroke)이라고 지칭되는 행정을 갖는 경우, 상기 전기자가 변위되어도 상기 폐쇄 부재 또는 상기 노즐 니들이 즉각적으로 변위되는 것이 아니라 상기 전기자가 상기 아이들 행정의 크기만큼 변위된 후에만 변위된다.

상기 솔레노이드 밸브의 상기 코일에 전압이 인가될 때, 상기 전기자는 전자기력에 의해 자극편(pole shoe)(극편(pole piece))의 방향으로 이동된다. 상기 아이들 행정이 극복된 후에 기계적 결합(예를 들어, 기계적 접촉)이 일어난 결과, 상기 노즐 니들 또는 상기 폐쇄 부재가 또한 이동하고, 대응하는 변위에서 상기 연소 챔버 내로 공연료를 급하기 위해 분사 구멍을 개방한다. 전류가 상기 코일을 통해 계속 흐르면 상기 전기자가 상기 자극편으로 이동하여 상기 자극편과 접촉할 때까지 상기 전기자와 노즐 니들 또는 폐쇄 부재가 더 이동한다. 상기 폐쇄 부재 또는 상기 노즐 니들의 구동기 부재(driver element)에 상기 전기자가 접촉하는 것과 상기 자극편에 상기 전기자가 접촉하는 것 사이의 거리는 또한 상기 니들 행정 또는 작업 행정(working stroke)이라고도 지칭된다. 상기 밸브를 폐쇄하기 위해, 상기 코일에 인가되는 여기자 전압(exciter voltage)이 스위치 오프되어 상기 코일이 단락되면, 자기력이 감소된다. 상기 코일이 단락되면 상기 코일에 저장된 자기장이 감소하는 것에 의해 상기 전압의 극성(polarity)이 반전된다. 상기 전압의 레벨은 다이오드에 의해 제한된다. 예를 들어 스프링에 의해 제공되는 복원력 때문에, 상기 전기자를 포함하는 상기 노즐 니들 또는 폐쇄 부재는 상기 폐쇄된 위치로 이동된다. 이러한 맥락에서, 상기 아이들 행정 및 상기 니들 행정은 역순으로 진행된다.

상기 솔레노이드 밸브가 개방될 때 상기 니들이 움직이기 시작하는 시간은 상기 아이들 행정의 크기에 따라 달라진다. 상기 니들 또는 상기 전기자가 상기 자극편에 접촉하는 시간은 상기 니들 행정 또는 상기 작업 행정의 크기에 따라 달라진다. 상기 니들의 움직임(개방)이 시작되는 시간과 니들의 움직임(폐쇄)이 종료되는 시간이 인젝터에 따라 상이하면, 전기적 작동이 동일한 경우에도 상이한 분사량을 초래할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 부분적으로 구현될 수 있다. 특히, 본 방법은 진단 장치 또는 특히 또한 엔진 제어 장치에서 구현될 수 있다. 본 방법은 작업장, 조립 공장 또는 동작 중인 차량에서 수행될 수 있다. 상기 방법은 차량의 정상 주행 모드(normal driving mode) 동안, 특히 상기 솔레노이드 밸브의 상기 코일을 작동시키기 위해 특정 코일 작동 프로파일을 사용할 수 있는 특정 시간 간격으로 수행될 수 있다. 이 작동 신호 또는 전압 작동 프로파일은 부스트 단계 동안 감소된 부스트 전압(boost voltage)(예를 들어, 65V 미만)을 가질 수 있으며, 예를 들어, 3V와 12V 사이의 전압이 인가된다.

상기 전류 흐름은, 특히 부스트 단계, 유지 단계 및 짧은 폐쇄 단계를 갖는 특정 전압 프로파일에 따라 상기 코일에 전압을 인가함으로써 생성될 수 있다. 상기 전기자는 특히, 와전류(Eddy current)를 감소시키기 위해 슬롯이 형성된 전기자 또는 서로 전기적으로 각각 절연된 복수의 강자성 재료 층으로 형성된 전기자를 포함할 수 있다. 이 경우에, 통상적으로 사용되는 60V와 70V 사이의 크기도 부스트 전압으로 사용될 수 있다.

상기 자속은 상기 제1 상태에 도달되기 전에 또는 도달될 때 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 자속은 상기 제1 상태에 도달되기 전에 및 도달될 때(또는 심지어 도달한 후에) 결정되고, 예를 들어, 정확도를 더 증가시키기 위해 결합될 수 있고, 예를 들어, 평균화될 수 있다.

본 발명의 실시예는 솔레노이드 밸브의 개방 동안(그리고 또한 폐쇄 동안) 상기 연료 압력이 자속에 영향을 미친다는 관찰에 기초한다. 그리하여 상기 연료의 압력은 상기 자속을 모니터링하는 것으로부터 추론될 수 있다.

상기 연료 압력은 일반적으로 레일 내 통상적인 표준 압력 센서에서 측정된다. 그러나, 이 위치에서 상기 인젝터, 즉 솔레노이드 밸브에 실제로 존재하는 압력과 다른 압력이 존재할 수 있다. 편차는 예를 들어 라인, 인젝터 등에 쓰로틀 효과(throttle effect)에 의해 야기될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에 따른 압력은 상기 솔레노이드 밸브 자체를 사용하거나 또는 상기 인젝터(특히 코일의 표준 작동으로 와전류-감소된 인젝터)를 사용하여 본 발명에 따른 방법에 의해 측정되지만, 상기 인젝터 또는 상기 솔레노이드 밸브 내의 실제 압력이 결정될 수 있고, 이에 의해 압력을 보다 정확히 결정하여 분사 정확도를 증가시킬 수 있다.

상기 자속은 예를 들어 (솔레노이드 밸브의 코일에 의해) 측정된 전류, (솔레노이드 밸브의 코일에 인가된) 측정된 전압, 및 상기 코일의 알려진 옴 저항(ohmic resistance)으로부터 계산될 수 있다. 예를 들어 전류가 하나의 축에 표시되고 자속이 다른 축에 표시된 좌표계에서 측정된 전류에 대해 상기 자속을 기록하거나 표시하여 상태 궤적 또는 Ψ-I 곡선을 얻을 수 있다.

상기 제1 상태는 여기서 예를 들어 상기 곡선 또는 상태 궤적의 형상으로부터 결정될 수 있다. 상기 제1 상태는, 예를 들어, 구배의 부호가 변하는 상태 궤적의 변곡점에서 일어날 수 있다. 이러한 실시예는 상기 솔레노이드 밸브가 아이들 행정을 갖지 않는 경우에 특히 유리하다.

상기 폐쇄 부재는, 예를 들어, 폐쇄된 상태에서 원추형 안착부(conical seat)와 접촉하고, 개방된 상태에서 원추형 안착부를 개방하도록 일 단부에 폐쇄 볼(closure ball)을 갖는 노즐 니들로서 구현될 수 있다.

상기 전기자가 상기 솔레노이드 밸브의 개방 공정 동안 상기 폐쇄 부재(또는 폐쇄 부재에 고정 연결된 구동기 부재)에 접촉하는 경우, 상기 폐쇄 부재가 개방 위치의 방향으로 상기 전기자와 함께 (특히 구동기 부재를 통해) 변위되기 전에 힘이 추가적으로 증가되는 것이 또한 필요할 수 있는데 그 이유는 상기 폐쇄 부재가 복원 스프링에 의해 개방 상태로 선-응력(prestressed)을 받고 있을 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 궤적의 구획 내 자속이 고려되는 경우 궤적의 구획으로부터 (다시 말해, 폐쇄 부재의 움직임 전에) 상기 압력에 관한 추론이 이루어질 수 있다. 상기 제1 상태에 도달될 때, 상기 폐쇄 부재는 상기 전기자와 함께 개방된 위치의 방향으로 변위되기 시작한다. 특히 압력의 함수로서 자속의 참조 곡선(reference curve) 및/또는 감도 또는 상기 자속의 함수로서 상기 압력의 감도가 또한 사용되는 경우, 상기 압력은 상기 자속의 결정된 크기의 함수로서 결정될 수 있다.

그리하여 자기 인젝터를 갖는 분사 시스템의 압력을 결정하는 것은 Ψ-I 곡선들에 기초하여 수행될 수 있다. 이러한 맥락에서, Ψ-I 곡선에서의 변화는 압력이 변하는 경우에 발생하는 기계적 변형(갭이 변하는 것으로 평가됨)과 힘 변화(Ψ ² 에 비례하는 힘에 따라 변곡점이 생기는 것으로 평가됨)를 검출할 수 있게 한다. 본 발명의 실시예에 따라 결정된 압력 값들은 압력 센서의 값들을 타당성 체크하는 것으로서 사용되거나 또는 예를 들어 압력 센서가 고장난 경우 등가 값으로서 사용될 수 있다(비상 동작(emergency running)). 측정은 절대 압력 측정으로 수행되거나 또는 상대 압력 측정으로 수행될 수 있다. 절대 압력을 측정하는 경우, 알려진 압력에서 곡선들이 기록될 수 있다. 측정은 이 참조 곡선들과 비교하면서 미지의 연료 압력으로 솔레노이드 밸브에 대해 수행될 수 있다. 또한, 참조 곡선 또는 복수의 참조 곡선은 알려진 압력 또는 알려진 압력들(예를 들어, 차량이 정지해 있을 때 0바(bar))에서 기록될 수 있다. 이때 참조 곡선과 다른 압력들의 곡선들 사이의 차이는 압력 감도(예를 들어, ΔΨ/Δ압력)를 사용하여 계산될 수 있다.

상대 압력 측정은 곡선들 사이의 차이 또는 자속들 사이의 차이가 압력 변화의 척도로 고려될 수 있는 방식으로 수행될 수 있다. 압력의 변화를 계산하는 것은 압력 감도를 사용하여 이 차이에 기초하여 수행될 수 있다.

압력 측정은 분사 거동(특히 스프레이 형성)이 작동에 의해 (방출량이) 크게 변하지 않는 경우 정상 주행 모드에서 수행될 수 있다. 특정 작동 프로파일(시간에 따라 표시된 코일에 인가되는 전압을 한정하는 전압 프로파일)에 의해, 작동은, 참조 곡선들을 결정하기 위해, 차량이 시작되기 전이라도, 예를 들어, 감소된 연료 압력에서, 예를 들어, 0바(분사량이 없거나 아주 적음)에서, 또는 압력이 여전히 존재할 때 시작/정지 모드에서 또는 주행 모드의 종료 후, 가능할 수 있다. 기본적으로 추가된 연료량과 그 연소로 인해 방출량 한도는 초과되지 않는 것으로 고려될 수 있다.

감소된 와전류를 갖거나 또는 와전류가 없는 인젝터의 경우, 압력 측정은 정상 차량 모드 동안 표준 작동 프로파일을 사용하여 수행될 수 있다. 결정된 압력 값들은 예를 들어 온도 및 연료 압력과 관련하여 정정(corrected)될 수 있다. 작동 및 평가는 특정 측정 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 그러나, 본 방법은 바람직하게는 존재하는 (수정된) 엔진 제어 장치에 의해 수행된다.

압력의 크기의 함수로서 상기 자속의 크기의 감도 또는 자속의 크기의 함수로서 압력의 크기의 감도는 (동일한) 솔레노이드 밸브에 대해 이전에 측정된 값들로부터 알려질 수 있다. 이 경우에, 상기 압력의 크기는 자속의 결정된 크기(특히 자속의 이전에 결정된 크기) 및 알려진 감도에 기초하여 압력의 변화를 결정하는 것으로서 결정될 수 있다. 이것은 함수의 급수 전개(series expansion)에 대응할 수 있고, 여기서 전개는 제1 요소 또는 선형 요소 이후에 중단된다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 쉽게 수행될 수 있다. 다양한 감도가 다양한 압력 범위 또는 다양한 자속 범위에서 한정될 수 있고, 측정된 자속 및 전류의 쌍에 가장 근접한 감도가 사용될 수 있다.

압력의 크기는 또한 알려진 압력에서 자속의 적어도 하나의 크기를 포함하는 참조 데이터(reference data)로부터 결정될 수 있거나, 또는 예를 들어, 솔레노이드 밸브의 개방 공정 또는 폐쇄 공정 동안 다양한 자속 및 전류의 쌍들을 포함할 수 있는, 전기자의 다양한 상태 동안의 총 궤적을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 절대 압력을 결정하는 것도 또한 수행될 수 있다.

일 대안에 따라, 자속의 크기는 제1 상태에 도달될 때 (즉, 정확히는 폐쇄 부재가 전기자에 의해 이동하기 시작할 때) (정확히) 결정될 수 있다. 이 경우에, 압력의 크기는 자속의 크기의 제곱에 비례하는 것으로서 결정될 수 있다. 이것은 자기력이 자속의 제곱에 비례한다는 사실로부터 발생할 수 있다. 제1 상태에서, 압력으로 인해 생성된 힘과 자기장으로 인해 생성된 힘 사이에서는 바로 힘 평형이 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 정확한 압력 결정이 수행될 수 있다. 또한, 자속의 단 하나의 값만이 사용되어야 한다.

다른 대안(그러나, 이 대안은 제1 대안과 함께 사용될 수도 있음)에 따르면, 자속의 크기는 제1 상태에 도달되기 전에 (즉, 전기자가 구동기 부재 또는 폐쇄 부재에 지지되지만, 압력에 기초하여 생성된 힘이 자기장에 기초하여 생성된 힘보다 더 크기 때문에 구동기 부재 또는 폐쇄 부재를 변위시키지 않을 때) 결정될 수 있고, 압력의 크기 및/또는 전기자의 - 아이들 행정 및 작업 행정으로 이루어진 - 총 행정의 크기가 이 자속의 크기로부터 결정될 수 있고(자속 결정이 점(I) 이전에, 즉 전기자가 움직이기 이전에 이루어지기 때문에 총 행정이 결정될 수 있고), 특히, 자속의 크기의 감도는 행정(아이들 행정 또는 작업 행정)의 크기의 함수로서 고려될 수 있다. 이 대안의 장점은 밸브를 개방하지 않고 (즉, 연료가 연소 챔버 내로 흐르지 않고) 측정이 수행될 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로, 방출량을 감소시키거나 회피할 수 있다. 솔레노이드 밸브가 추가적으로 또한 아이들 행정을 갖는 경우, 자속의 크기의 결정은, 전기자가 구동기 부재 또는 폐쇄 부재와 접하거나 이와 접촉하는 상태에 도달한 후 및 또한 제1 상태에 도달되기 전에 수행될 수 있다.

상기 방법에서 하나의 옵션에 따르면, (특히 작동 프로파일에 따라 전압이 코일에 가해질 때) 솔레노이드 밸브의 흐름 공정 동안 폐쇄 부재 또는 전기자의 상태 궤적에 대응할 수 있는, 전류의 크기 및 자속의 크기의 쌍들은 특히 그래프로 고려될 수 있다(특히 그래프로 표시될 수 있다). 이러한 맥락에서, 제1 상태는 상태 궤적을 따라 구배의 부호가 변하는 쌍과 관련될 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 상태는 간단하고 신뢰성 있는 방식으로 검출될 수 있다. 제1 상태에서 곡선은 극점을 가질 수 있다.

코일을 통해 흐르는 전류가 가로축에 표시되고 자속이 세로축에 표시된 그래프에서, 제1 상태는 양의 구배가 음의 구배로 변하는 위치에 할당된 것으로서 식별될 수 있다. 제1 상태는 양의 구배의 구획과 음의 구배의 구획 사이의 위치에 할당된 것으로서 식별될 수도 있다. 따라서 제1 상태를 간단히 식별할 수 있다. 이를 위해, 예를 들어. 2차 미분이 고려될 수 있거나, 또는 1차 미분의 그래프에서 극점이 검색될 수 있다.

코일을 통해 흐르는 전류 흐름을 생성하기 위해, 초기에 특히 3V와 65V 사이의 부스트 전압(예를 들어, 구형파)이 인가되고 나서, 특히 6V와 14V 사이의 유지 전압이 인가될 수 있다. 이러한 전압 프로파일의 총 지속기간은, 예를 들어, 1 ms 내지 3 ms일 수 있고, 부스트 전압을 인가하는 지속시간은, 예를 들어, 0.2 ms 내지 0.7 ms일 수 있다. 다른 파라미터도 가능하다.

연료의 압력을 결정하는 방법과 관련하여 기술되거나, 제공되거나 또는 개별적으로 적용되거나 또는 임의의 조합으로 적용된 특징들은 또한 본 발명의 실시예에 따라 연료의 압력을 결정하는 장치에 제공되거나 개별적으로 적용되거나 또는 임의의 조합으로 적용될 수 있고, 또 그 반대도 적용가능한 것으로 이해된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 솔레노이드 밸브의 제어 가능한 폐쇄 부재를 통해 연소 챔버 내로 분사될 연료의 압력을 결정하기 위한 장치, 특히 엔진 제어 유닛이 제공된다. 이러한 맥락에서, 상기 장치는, 전기자에 작용하는 자기력을 생성하는 자기장을 생성하기 위해 상기 솔레노이드 밸브의 코일을 통해 흐르는 전류 흐름을 생성하기 위한 구동기 장치로서, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재를 개방하는 방향으로 상기 전기자를 변위시키는, 상기 구동기 장치; 및 상기 전기자가 상기 폐쇄 부재를 변위시키기 시작하는 제1 상태에 도달되기 전에 또는 도달될 때 상기 자기장의 자속의 크기를 결정하고, 상기 자속의 결정된 크기에 기초하여 상기 압력의 크기를 결정하도록 설계된 결정 모듈을 포함한다.

상기 엔진 제어 장치는 통상적인 차량에 사용 및 설치될 수 있다. 상기 결정 모듈은 산술/논리 유닛, 및 또한 예를 들어, 참조 데이터를 저장할 수 있는 메모리를 포함할 수 있다. 상기 전기자에 작용하는 증가하는 자기력은 상기 제1 상태에 도달되는 과정 동안 생성되고, 이 과정 동안 상기 폐쇄 부재(또는 그 구동기 부재)는 상기 전기자와 연속적으로 접촉하거나 또는 이와 접한다. 증가된 자기력에 대응하는 결정된 증가된 자기장에서, 힘 압력으로 인해 발생하는 힘과 자기장으로 인해 작용하는 힘 사이에 힘 평형이 존재할 수 있다. 이 순간으로부터 시작하여, 상기 전기자 및 상기 폐쇄 부재 모두가 상기 솔레노이드 밸브의 개방된 위치의 방향으로 변위되는 일이 발생한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 압력 측정 시스템이 제공되고, 상기 압력 측정 시스템은, 제어 가능한 폐쇄 부재, 코일, 및 전기자를 갖는 솔레노이드 밸브로서, 자기장은 상기 전기자에 자기력을 생성하기 위해 상기 코일을 통해 흐르는 전류 흐름에 의해 생성되고, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재를 개방하는 방향으로 상기 전기자를 변위시키는, 상기 솔레노이드 밸브; 및 상기 솔레노이드 밸브의 상기 폐쇄 부재를 통해 연소 챔버 내로 분사될 연료의 압력을 결정하기 위해 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 장치를 포함하고, 상기 전기자는, 특히, 와전류를 감소시키기 위해, 슬롯이 형성된 강자성 재료 및/또는 서로 전기적으로 절연된 강자성 재료 층들을 포함한다.

상기 전기자가 와전류-감소된 재료를 포함하는 경우, 상기 코일은 약 65V의 부스트 전압을 사용하는 표준 작동 프로파일에 따라 작동될 수 있다. 다른 경우에는 비교적 낮은 부스트 전압이 사용될 수 있다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명은 설명되거나 또는 도시된 실시예로 제한되지 않는다.

도 1은, 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라 압력을 결정하기 위한 장치를 사용하여, 본 방법에 따라 연료의 압력을 결정할 수 있는 솔레노이드 밸브의 개략 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 솔레노이드 밸브의 참조 데이터 또는 상태 궤적 또는 측정 데이터의 그래프;
도 3은 상이한 니들 행정들에 대해 아이들 행정이 없는 솔레노이드 밸브의 Ψ-I 곡선을 도시한 도면;
도 4는 도 3에 도시된 그래프의 상세 확대도;
도 5는 다양한 작동 전압 프로파일에 의해 얻어지는 상태 궤적의 그래프;
도 6은 다양한 압력에 대한 솔레노이드 밸브의 Ψ-I 곡선을 도시한 도면;
도 7은 도 6에 도시된 곡선의 상세 확대도; 및
도 8은 도 6에 도시된 곡선의 다른 상세 확대도.

도 1의 개략 단면도에 도시된 솔레노이드 밸브(1)는 전압이 인가될 수 있는 코일(3)을 가지며, 그 결과 코일(3)을 통해 전류가 흐르면 자기장이 형성된다. 이러한 맥락에서, 자기장은 본질적으로 가이드 실린더(7)의 길이방향(5)으로 연장된다. 자기장은 가이드 실린더(7) 내에서 변위될 수 있는 강자성 전기자(9)에 작용한다. 전기자(9)를 변위시키는 것에 의해, 특히 폐쇄 부재(11)에 고정 연결된 환형 구동기 부재(13)와 전기자(9) 사이에 접촉을 형성함으로써, 솔레노이드 밸브(1)의 노즐 니들(11) 또는 폐쇄 부재를 길이 방향(5)으로 변위시킬 수 있다.

도 1에 도시된 개방된 상태에서, 원추형 안착부(17)로 구성된 폐쇄 볼(15)이 뒤로 당겨진 결과, 연료(19)는 안착부 내의 개구(21)를 통해 연소를 위해 연소 챔버(23) 내로 통과할 수 있게 된다. 완전히 개방된 상태에서, 전기자(9)는 자극편(27)에 지지되는 것에 의해, 더 상방으로 변위될 수 없다.

솔레노이드 밸브(1)의 폐쇄 상태(도 1에 도시되지 않음)에서, 전류가 코일(3)을 통해 흐르지 않을 때 전기자(9)는 복원 스프링(25)에 의해 하방으로 변위되고, 이에 의해 구동기 부재(13)도 폐쇄 부재(11)와 함께 또한 하방으로 변위되어, 이에 폐쇄 볼(15)이 원추형 안착부(17)에 대해 밀봉 형성 방식으로 지지되는 것에 의해, 연료(19)가 연소 챔버(23) 내로 통과할 수 없게 된다. 전기자(9)가 하방으로 변위된 상태에서, 구동기 부재(13) 및 또한 전기자(9)는 적어도 하나의 작업 행정(12)(전기자(9)와 구동기 부재(13)가 접촉해 있는 행정) 및 선택적으로 또한 전기자(9)와 구동기 부재(13) 사이에 갭이 있는 추가적인 아이들 행정(10)을 실행하였다.

도 1은 또한 연료(19)의 압력을 결정하기 위한 장치(2)를 도시한다. 장치(2)는 여기서 (특히 작동 프로파일에 따라) 코일(3)을 통해 흐르는 전류 흐름을 생성할 수 있는 구동기 장치(4)를 포함한다. 또한, 장치(2)는 결정 모듈(6)을 포함하고, 이 결정 모듈은, 전기자(9)가 (특히 구동기 부재(13)와 함께) 폐쇄 부재(11)를 변위시키기 시작하는 제1 상태에 도달되기 전에 또는 도달될 때 자기장의 자속의 크기를 결정하도록 설계되고, 또한 이 자속의 결정된 크기에 기초하여 압력의 크기를 결정하도록 설계된다. 이를 위해, 장치(2)는, 예를 들어, 코일(3)에 연결된 제어 및 데이터 라인(8)을 통해 전류 및 전압을 수신하고, 이 수신된 전류 및 전압으로부터 자속을 계산할 수 있다.

본 발명의 실시예는 전기자(9)를 통과하고 부분적으로 자극편(27) 및 구동기 부재(13)를 통과하는 자속을 결정하고 평가함으로써 연료(19)의 압력을 결정할 수 있게 한다.

자속은 연관된(concatenated) 자속(Ψ)을 측정하고 분석하는 것에 의해 결정될 수 있다. 이러한 맥락에서, 연관된 자속(Ψ)은 코일(3)을 통해 흐르는 전류, 코일(3)에 인가되는 전압, 및 코일(3)의 옴 저항으로부터 계산될 수 있다. 측정된 전압(u(t))은 옴 성분(i(t)*R)과 유도 성분(u _int (t))으로 구성된다. 여기서, 유도 전압은 시간에 따라 연관된 자속을 미분하는 것으로부터 계산되고, 여기서 Ψ는 전류(i(t)) 및 공기 갭(x(t))의 변화에 따라 달라진다.

느린 작동의 경우, 전류의 변화로 인한 "자기" 유도 성분은 작다.

전기자가 움직인 결과 기계적 유도 부분은 솔레노이드 밸브의 행정(아이들 행정 및/또는 작업 행정)을 나타낸다.

연관된 기계적 자속은 재배열 및 적분에 의해 다음 방식으로 계산할 수 있다:

니들 행정을 결정하거나 또는 솔레노이드 밸브의 폐쇄 부재(11)의 행정을 결정하기 위해, 자속(Ψ)이 결정되고 나서 평가될 수 있다.

행정(예를 들어, 아이들 행정 및/또는 작업 행정) 및 또한 압력을 결정하는 것은 도 2에 도시된 다이어그램과 같은 Ψ-I 다이어그램에 기초하여 수행될 수 있다. 이러한 맥락에서, 코일(3)을 통해 흐르는 전류(i)가 가로축(30)에서 계산되고, 위 수식에 따라 계산된 자속(Ψ)이 세로축(32)에 도시된다. 도 2는 이 점에서 아이들 행정이 없는 솔레노이드 밸브의 궤적(Ψ-I 곡선)(37 및 39)을 도시한다. 상태(I)는, 전기자(9)가 폐쇄 부재(11)의 구동기 부재(13)를 지지하고, 개방을 위해 구동기 부재(13)와 함께 폐쇄 부재(11)를 상방으로 막 변위시키기 시작하는 상태에 대응한다. 상태(I)는, 예를 들어, 그래프(35)를 분석하는 것에 의해, 특히 예를 들어, 구배의 부호가 변하는 변곡점으로서 궤적(또는 Ψ-I 곡선)(37)을 분석하는 것에 의해 결정될 수 있다. 50 ㎛로부터 0 ㎛까지의 작업 행정, 즉 전기자(9)의 견인(attraction)은 점(I)과 점(II) 사이에서 발생한다. 행정을 결정하고 또한 압력을 결정하는 것은 자속(Ψ)을 평가함으로써 상태(I) 이전의 범위에서 수행될 수 있다.

상태 궤적(37)은 견인 공정 동안(다시 말해, 개방 공정 동안) 실행되고, 궤적(39)은 (여기서는 아이들 행정이 없는 경우에 대해) 솔레노이드 밸브(1)의 해제 공정 동안(즉, 폐쇄 공정 동안) 실행된다. 연료의 압력은 도 2에 도시되지 않은 참조 데이터 또는 참조 궤적(reference trajectory)과 비교하는 것으로부터 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 점(I) 이전의 궤적(37)의 범위가 아이들 행정이 없는 솔레노이드 밸브에 대해 평가된다. 점(I)과 점(II) 사이의 구획에서 곡선(37)의 구배는 양의 값으로부터 음의 값으로 변한다.

도 3은 코일 전류가 가로축(30)에 표시하고 자속(PSI)이 세로축(32)에 표시된 그래프(41)를 도시한다. 궤적 또는 곡선(43, 45, 47)들은 다양한 작업 행정, 특히 77 ㎛, 59 ㎛ 및 52 ㎛을 각각 설정하기 위해 자극편(27)의 다양한 위치에서 하나의 동일한 솔레노이드 밸브를 측정하는 것에 의해 구현되었다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, Ψ-I 곡선(43, 45 및 47)들은 서로 약간씩 상이하며, 이는 도 4의 특정 상세 확대도에 도시된다. 이러한 맥락에서 측정은 일정한 연료 압력에서 이루어졌다. 자속의 측정으로부터 행정을 결정하기 위한 참조 데이터는 곡선(43, 45 및 47)들로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 작업 행정 또는 압력과 측정된 자속 사이의 관계는, 예를 들어, 상태(I) 이전의 범위에서 결정될 수 있고, 또는 자속의 감도는 작업 행정 또는 압력의 함수로서 결정될 수 있다. 미지의 작업 행정 또는 아이들 행정 또는 압력으로 솔레노이드 밸브의 자속을 측정한 후, 솔레노이드 밸브의 원하는 미지의 행정(특히 작업 행정, 아이들 행정) 또는 연료 압력은 감도로부터 또는 자속과 행정 또는 압력 사이의 관계로부터 결정될 수 있다.

다양한 작동 전압(3V ... 18V)에서 Ψ-I 곡선의 형태가 도 5에서 궤적(48)(여기자 전압 18V), 궤적(49)(여기자 전압 6V), 궤적(51)(여기자 전압 12V) 및 궤적(53)(여기자 전압 3V)으로 도시되어 있다. 도 5로부터 명백한 바와 같이, 비교적 높은 전압에서, 구배의 변화는 단지 매우 작게 일어나기 때문에, 상태(I)와 상태(II)를 신뢰성 있게 검출하는 것이 점점 더 어려워진다. 예를 들어, 18V의 여기자 전압의 경우에, 상태(I)를 신뢰성 있게 검출하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 참조 곡선들이 측정될 수 있고, 또는 비교적 낮은 여기자 전압, 예를 들어, 3V와 12V 사이의 전압에서 행정을 결정하는 측정이 수행될 수 있다.

도 6, 도 7 및 도 8은 다양한 연료 압력, 구체적으로 200바, 50바, 20바 및 1바에서 하나의 동일한 솔레노이드 밸브에 대해 기록된 Ψ-I 곡선(55, 57, 59 및 61)들을 도시하며, 여기서 가로축(30)에는 코일(3)을 통해 흐르는 전류가 표시되고 세로축(32)에는 자속이 각각 표시된다. 도 7 및 도 8은 여기서 곡선(55, 57, 59 및 61)들의 특정 상세(63 및 64)들을 도시하는데, 이 특성 상세들은 도 6에 비교적 작은 스케일로 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 연료 압력은 분사 시스템에서 자석 액추에이터, 특히 솔레노이드 밸브 또는 인젝터로부터 Ψ-I 곡선들을 얻음으로써 결정된다. Ψ-I 곡선들에서, (가능하게는 기계적 변형으로 인한) 압력의 변화시에 또한 발생할 수 있는, 공기 갭 또는 자기적 갭 힘 및 자기적 운동 힘을 인식할 수 있다. 나아가, 상이한 압력은 상이한 반대 운동 힘을 야기할 수 있기 때문에, 액추에이터가 상이한 압력에서 이동하는 힘은 변할 수 있다.

도 6, 도 7 및 도 8은 상이한 압력들에서 솔레노이드 밸브 또는 인젝터의 Ψ-I 곡선들을 도시한다. 이러한 맥락에서, 상태(I)에서 움직임의 시작시에 적용될 힘과 함께 변화된 갭/행정들이 인식 가능하다.

압력 결정 방법의 하나의 대안에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 자속(65)은 이 자속으로부터 연료 압력을 계산하기 위해 상태(I)에서 (정확히) 결정된다. 이 위치 또는 이 상태에서, 연료 압력에 기초하여 생성된 힘과 자기장 또는 자속에 기초하여 생성된 힘 사이에는 실제 힘 평형이 있을 수 있다. 자속에 의해 생성된 힘은 여기서 자속의 제곱에 비례한다. 따라서 연료의 압력은 상태(I)에서 평가된 자속의 제곱에 비례해야 한다.

나아가, 상태(I)에서의 (및/또는 상태(I) 이전에서의) 자속과 이전에 알려진 압력 사이의 관계는 다수의 Ψ-I 곡선(55, 57, 59 및 61)들로부터 결정될 수 있다. 이 결정된 관계는 압력 결정을 수행하기 위해 결정될 압력으로 솔레노이드 밸브의 Ψ-I 곡선을 평가하는 데 사용될 수 있다. 나아가, 감도(예를 들어, 자속과 압력 사이의 차이 값 또는 이 차이 값의 역수 값)는, 특히 상태(I)에서 다양한 압력에서 자속들 사이의 차이로부터 형성될 수 있고, 상기 센서는 추가적인 측정값의 (상대) 압력을 결정하는데 사용될 수 있다.

도 8은 도 6에 도시된 곡선(55, 57, 59 및 61)들의 범위(64)를 도시한다. 이 범위(64)는 상태(I) 이전에, 즉 전기자가 구동기 부재(13) 또는 폐쇄 부재(11)를 지지하고 접촉해 있지만 아직 구동기 부재와 폐쇄 부재(13)를 개방을 위해 이동시키지 않은 범위에서 발생한다. 일 실시예에서, 이 범위는 또한 연료 압력을 결정하는데 사용될 수 있다. 명백한 바와 같이, 곡선(55, 57, 59 및 61)들의 자속들은 상이하며, 여기서 자속의 변화와 압력의 변화 사이에는 명확히 선형 관계가 없다. 이러한 이유로 다양한 감도가 결정되어 자속의 다양한 범위에 저장될 수 있고, 나중에 압력을 결정하기 위해 추가적인 측정 곡선들을 해석하거나 또는 평가하는데 사용될 수 있다.

본 방법의 높은 레벨의 정확도는 솔레노이드 밸브의 전기자 또는 다른 부재들 내 와전류가 비교적 낮은 경우 달성될 수 있다. 낮은 와전류를 보장하기 위해, 코일(3)을 통전(energizing)시키기 위해 비교적 느린 작동이 사용될 수 있다. 이러한 맥락에서, 예를 들어, 도 5와 관련하여 또한 언급된 바와 같이, 예를 들어, 3V와 12V 사이의 비교적 낮은 부스트 전압이 사용될 수 있다. 어쨌든, 상태(I)는 이러한 비교적 낮은 부스트 전압에 대해 신뢰성 있게 결정될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 와전류를 감소시키기 위해 설계가 변경된 액추에이터(특히, 전기자 및 노즐을 포함하는 액추에이터)가 사용될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 슬롯이 형성된 전기자 또는 서로 전기적으로 각각 절연된 강자성 재료 층들로 구성된 전기자가 제공될 수 있다. 이러한 전기자를 사용하면, 행정 운동 동안 곡선 프로파일이 상당히 더 두드러지기 때문에, 또한 표준 작동에 의해 솔레노이드 밸브의 코일에 전류를 인가할 수 있다.

압력을 결정하는 것과 같이, 전체 곡선을 측정하지 않고 행정을 결정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 각 경우에서 상태(I)까지만 곡선을 측정하는 것만으로도 충분할 수 있다. 여기서, 행정을 결정하는 것은 인젝터를 개방(분사)하지 않고 수행될 수 있는 것이 유리할 수 있다. 그리하여, 측정은 방출량에 악영향을 미치지 않고 수행될 수 있다.

압력 측정과 행정 측정은 모두 여기서 참조 데이터와 함께 또는 없이 수행될 수 있다. 압력들 사이의 차이는 (다양한 압력 조건 하에서) 자속의 차이로부터 추론될 수 있다. 참조 데이터에 의해 교정을 수행할 수 있으므로 절대 압력을 결정하는 것도 가능하다. 상기 방법은 예를 들어 엔진 제어 장치에서 구현될 수 있다.

Claims (10)

1. 솔레노이드 밸브(1)의 제어 가능한 폐쇄 부재(11)를 통해 연소 챔버(23) 내로 분사될 연료(19)의 압력을 결정하는 방법으로서,
   전기자(9)에 작용하는 자기력을 생성하는 자기장을 생성하기 위해 상기 솔레노이드 밸브(1)의 코일(3)을 통해 흐르는 전류 흐름(i)을 생성하는 단계로서, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재(11)를 개방하는 방향으로 상기 전기자(9)를 변위시키는, 상기 전류 흐름(i)을 생성하는 단계;
   상기 전기자가 상기 폐쇄 부재를 변위시키기 시작하는 제1 상태(I)에 도달되기 전에 또는 도달될 때 상기 자기장의 자속(Ψ)의 크기를 결정하는 단계; 및
   상기 자속의 결정된 크기에 기초하여 상기 압력의 크기를 결정하는 단계를 포함하는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 압력의 크기의 함수로서 상기 자속의 크기의 감도(ΔΨ/Δ압력) 또는 상기 자속의 크기의 함수로서 상기 압력의 크기의 감도는 상기 솔레노이드 밸브(1)에 대해 이전에 측정된 값들로부터 알려지고,
   상기 압력의 크기를 결정하는 것은 상기 자속의 결정된 크기 및 알려진 감도에 기초하여 압력의 변화를 결정하는 것으로서 수행되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압력의 크기는 또한 알려진 압력에서의 상기 자속의 적어도 하나의 크기를 포함하는 참조 데이터(55, 57, 59, 61)로부터 결정되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자속의 크기는 상기 제1 상태(I)에 도달될 때 결정되고,
   상기 압력의 크기는 상기 자속(Ψ)의 크기의 제곱에 비례하는 것으로서 결정되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자속(Ψ)의 크기는 상기 제1 상태(I)에 도달되기 전에 결정되고, 상기 압력의 크기 및/또는 상기 전기자의 아이들 행정(idle stroke) 및/또는 작업 행정(working stroke)의 크기는 상기 자속의 크기로부터 결정되고, 특히, 상기 자속의 크기의 감도는 상기 아이들 행정 및/또는 작업 행정의 크기의 함수로서 고려되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 솔레노이드 밸브의 폐쇄 공정 동안, 상기 폐쇄 부재의 상태 궤적에 대응하는, 전류(i)의 크기와 상기 자속(Ψ)의 크기의 쌍들이 특히 그래프로 고려되고,
   상기 제1 상태(I)는 상기 상태 궤적을 따라 구배의 부호가 변하는 쌍과 관련되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코일을 통해 흐르는 상기 전류(i)가 가로축에 표시되고 상기 자속(Ψ)이 세로축에 표시된 그래프에서, 상기 제1 상태(I)는 양의 구배가 음의 구배로 변하는 위치에 할당된 것으로서 식별되고,
   또는 상기 제1 상태는 양의 구배의 구획과 음의 구배의 구획 사이의 위치에 할당된 것으로서 식별되는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   코일을 통해 흐르는 상기 전류 흐름을 생성하기 위해 초기에 특히 3V와 65V 사이의 부스트 전압이 인가되고 나서 특히 6V와 14V 사이의 유지 전압이 인가되고,
   상기 전기자(9)는, 특히, 와전류(eddy current)를 감소시키기 위해, 슬롯이 형성된 강자성 재료 및/또는 서로 전기적으로 절연된 강자성 재료 층들을 포함하는, 연료의 압력을 결정하는 방법.
9. 솔레노이드 밸브의 제어 가능한 폐쇄 부재를 통해 연소 챔버 내로 분사될 연료의 압력을 결정하는 장치, 특히, 엔진 제어 유닛으로서,
   전기자에 작용하는 자기력을 생성하는 자기장을 생성하기 위해 상기 솔레노이드 밸브의 코일을 통해 흐르는 전류 흐름을 생성하는 구동기(driver)로서, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재를 개방하는 방향으로 상기 전기자를 변위시키는, 상기 구동기; 및
   결정 모듈로서,
   상기 전기자가 상기 폐쇄 부재를 변위시키기 시작하는 제1 상태에 도달되기 전에 또는 도달될 때 상기 자기장의 자속의 크기를 결정하고,
   상기 자속의 결정된 크기에 기초하여 상기 압력의 크기를 결정하도록 설계된, 상기 결정 모듈을 포함하는, 연료의 압력을 결정하는 장치.
10. 압력 측정 시스템으로서,
    제어 가능한 폐쇄 부재, 코일 및 전기자를 갖는 솔레노이드 밸브로서, 자기장은 상기 전기자에 자기력을 생성하기 위해 상기 코일을 통해 흐르는 전류 흐름에 의해 생성되고, 상기 자기력은 상기 폐쇄 부재를 개방하는 방향으로 상기 전기자를 변위시키는, 상기 솔레노이드 밸브; 및
    상기 솔레노이드 밸브의 상기 폐쇄 부재를 통해 연소 챔버 내로 분사될 연료의 압력을 결정하기 위한 제9항의 디바이스를 포함하되,
    상기 전기자는 특히 와전류를 감소시키기 위해 슬롯이 형성된 강자성 재료 및/또는 서로 전기적으로 절연된 강자성 재료 층들을 포함하는, 압력 측정 시스템.

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