KR100300476B1

KR100300476B1 - 용량성 액츄에이터를 구동하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100300476B1
Application number: KR1019997002468A
Authority: KR
Inventors: 크리스찬 호프만; 헬무트 프로이덴베르크; 하르트무트 게르켄
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2001-09-29
Also published as: US6236190B1; WO1998019346A1; CN1234912A; EP0934605A1; CZ133699A3; BR9712447A; ES2227676T3; DE59712087D1; CN1155124C; EP0934605B1; JP2000505176A; AR008503A1; CA2269724A1; DE19644521A1; KR20000048551A

Abstract

넓은 온도 범위에 걸쳐 내연 기관의 연료 주입 밸브인 용량성 액츄에이터의 일정한 이동(ds)을 얻기 위하여, 액츄에이터는 소정 에너지 공급원에 의해 충전되고, 즉 캐패시터가 한정된 방식으로 방전된다. 선택적으로, 액츄에이터에 공급된 전류 및 거기에 배출된 전압은 곱셈되고, 그 적은 적분되고 적분 값은 소정 세트포인트 값과 비교된다. 충전 과정은 만약 적분 값이 세트포인트 값에 도달하거나 초과하면 중단된다.

Description

용량성 액츄에이터를 구동하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A CAPACITATIVE ACTUATOR}

피에조 액츄에이터는 다수의 피에조 세라믹 층으로 구성하고 전압이 인가될 때 크기, 특히 변위(ds) 만큼 길이(s)를 변화시키거나, 전압 및 기계적 압력 또는 응력을 형성하는 소위 '스택'을 형성한다.

캐패시터 처럼 전기적으로 작동하는 피에조 액츄에이터를 구동하기 위한 여러 가지 방법이 공지되었고, 상기 방법에서 피에조 액츄에이터에 인가된 전압은 모티터된다. 모든 공지된 방법에서, 충전을 종료하기 위해 사용된 기준은 만약 관련된 액츄에이터 변위(ds)의 정밀한 측정이 제공되지 않는다면, 피에조 액츄에이터 양단에 특정 전압이 도달할때이다. 이 실시예는 종래 독일 특허 출원 1932872.1에 기술된다.

이런 형태의 피에조 스택의 전기적 특성은 스택이 영향을 받을 온도에 따라 변화한다. 온도가 증가하면, 스택의 캐패시턴스는 증가하고, 변위 또한 증가한다. 자동차에서 고려된 약 -40℃ 내지 +150℃의 온도에서, 이 경우 2 인자 만큼의 변화가 관찰된다.

만약, 모든 동작 포인트에서, 피에조 액츄에이터가 예를들어 낮은 온도에서 필요한 변위(ds)를 얻는 일정한 전압으로 충전되면, 높은 온도에서 얻어진 변위는 일정한 연료 압력을 가지는 연료 주입 밸브의 경우, 과도한 연료의 양을 포함하거나, 그 반대가 되도록 필요한 범위보다 상당히 크다. 이와같이 피에조 스택의 캐패시턴스가 높은 온도에서 크기 때문에, 필요한 것보다 매우 큰 전하 및 에너지(E = 1/2 C·U²)가 요구된다.

US 5,387,834는 도트 매트릭스 프린터의 압전기 엘리먼트에 대한 구동 회로를 개시하고, 여기에서 온도 감지기는 압전 엘리먼트의 온도를 감지한다. 압전기 엘리먼트는 테이블에서 온도의 함수로서 저장된 충전 시간을 사용하여 구동된다.US 5,543,679는 연료 밸브를 구동하기 위한 압전 엘리먼트용 구동 회로를 개시하고, 여기에서 캐패시터로부터는 추정적으로 일정한 전하가 인출되어서 트랜스포머를 통해 압전 엘리먼트에 제공된다. 이 경우 온도의 변동, 습도, 부품의 허용 오차, 노화 등에 의한 회로의 모든 변동은 고려되지 않는다.일본 특허 초록, 018권, 188호(E-1532), 1994년 3월 31일 JP-A 05 344755에는 연료 밸브를 구동하기 위한 압전 엘리먼트용 구동 회로가 개시되어 있으며, 여기에서 압전 엘리먼트는 제 1 제어 전압을 통해 일정량의 전하로 충전되고, 압전 엘리먼트의 캐패시턴스 측정을 통해서 방전시 측정된 전압으로부터 제어된 제 2의 음의 전압으로 재차 완전하게 방전된다.

본 발명은 용량성 액츄에이터, 특히 내연 기관의 압전기 동작 연료 주입 밸브를 구동하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 제 1 도시적인 실시예의 회로도.

도 2는 도 1에 따른 회로 동작 모드에 관한 흐름도.

도 3은 제 2 도시적인 실시예의 개략적인 회로도.

본 발명의 목적은 가장 일정한 변위(ds)가 액츄에이터를 동작하는 전체 온도 범위에서 달성되는 방식으로 온도 센서를 사용하지 않고 용량성 액츄에이터를 구동하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이런 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제 1 항 또는 제 2 항중 어느 한 항에 언급된 특징부에 의해 달성된다. 상응하는 장치는 청구범위 제 3 항 및 제 4 항에 기술되어 있다.

용량성 액츄에이터에 공급된 에너지는 인가된 전압을 나타내기 보다 매우 정밀한 변위(ds) 측정치를 나타내고, 필수적인 온도 범위에 걸쳐 일정한 에너지로 충전하는 것은 실질적으로 보다 일정한 변위를 유발한다. 변위는 특정 온도에서 인가된 전압에 따라 대략 선형적으로 가변한다. 만약 온도가 가변하면, 동일 전압에 대해 변위가 변화한다. 다른 한편, 변위는 온도와 무관하게 인가된 에너지(dse²)의 제곱에 맞게 가변한다.

피에조 스택의 부피 제조시, 각 피에조 층의 두께는 정확하게 동일하지 않다. 예를들어 일정한 길이(s)를 가지지만 다른 수의 층을 가지는 스택을 생성하는 것이 가능하다. 상기 다른 스택은 만약 결함있는 연료 밸브가 서로 대체되면 사용될수있다. 상기 다른 스택이 일정한 전압으로 충전되면, 다른 변위(ds)는 온도가 동일할때 조차 발생한다.본 발명에 따른 구동 방법의 장점은 일정한 에너지로 액츄에이터를 충전할때, 상기 다른 스택이 특정 온도에서뿐 아니라 전체 온도 범위에 걸쳐 수치적으로 상기된 온도에서 실질적으로 동일하고, 일정한 변위를 가지는 것이다.

본 발명에 따른 구동 방법의 다른 장점은 - 에너지 소스 또는 캐패시터로부터 인출된 전하를 검출하는 것이 아니라 - 액츄에이터에 공급된 에너지를 검출함으로써 온도 변동, 습도, 부품의 허용 오차, 노화 등에 의한 회로의 모든 변동이 에너지의 측정시 고려된다는 점이다.

내연 기관의 연료 주입 밸브의 작동을 위한 용량성 액츄에이터(피에조 액츄에이터)를 구동하기 위한 2개의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 통상적으로 마이크로프로세서에 의해 제어되는 제어 회로(ST)에 의해 내연 기관의 연료 주입 밸브(도시되지 않음)의 피에조 액츄에이터(P)를 구동하기 위한 제 1 실시예를 도시한다.

전력 소스(V)의 양극(+V) 및 음극(GND) 사이에는 제어 회로(ST)에 의해 제어되는 전자 스위치(T1), 전류 제한 엘리먼트 예를들어 레지스터(R)(또는 코일) 및 길이(s)를 가지는 연료 주입 밸브의 피에조 액츄에이터(P)로 구성된 직렬 회로가있다. 다른 전자 스위치(T2)는 피에조 액츄에이터(P) 및 레지스터(R)로 구성된 직렬 회로와 병렬로 배열된다.

전자 트랜지스터 스위치(T1 및 T2)는 예를들어 모터 제어 유니트(제어 회로는 일체적으로 구성된다)로부터, 주입 시간동안 외부 제어 신호(st)를 수신하는 제어 회로(ST)에 의해 구동된다. 게다가, 스위치(T1)가 턴온될때, 피에조 액츄에이터(P)로 흐르고 레지스터(R)에 의해 제한되는 전류(i), 및 피에조 액츄에이터(P) 양단 전압 강하 값(u)은 측정되고 다른 입력 값으로서 제어 회로(ST)에 공급된다.곱셈기 엘리먼트(X), 적분기(I) 및 비교기(K)는 제어 회로(ST)에 직렬로 배열되고(그것들은 점선으로 도시된 상자에 있다), 곱셈기 엘리먼트(X)의 출력은 적분기(I)의 입력에 접속되고, 적분기의 출력은 비교기(K)의 한 입력에 접속된다. 목표된 에너지 출력에 대한 세트포인트(G)는 비교기(K)의 다른 입력에 공급된다.

도 3에 도시된 흐름도의 도움으로, 도 1에 따른 회로를 동작하기 위한 방법이 기술되고, 상기 방법은 양쪽 스위치(T1 및 T2)가 오프된 초기 상태(상태 0)로부터 시작하여 하기에 기술될 도 2에 따른 회로에 사용될 수 있다. T1=0은 오프를 의미하고; T1=1은 온을 의미한다. 동일한 사항이 T2에도 적용된다. 신호(st 및 k)에 대하여, '1'은 상기 신호가 있다는 것을 의미하고, '0'은 상기 신호가 없다는 것을 의미한다.

0 내지 1 사이에서 변화하는 제어 신호(st)의 시작에서(상태 Ⅰ), 스위치(T1)는 턴온된다. 그러므로 레지스터(R)에 의해 제한되는 전류(i)는 전압 소스의 양극(+V)으로부터, 스위치(T1) 및 피에조 액츄에이터(P)를 통하여음극(GND)으로 흐르기 시작한다. 전압(u)은 피에조 액츄에이터(P) 양단에서 셋업된다 : 피에조 액츄에이터는 길이(s+ds) 까지의 변위(ds) 만큼 연장하고 연료가 주입되도록 주입 밸브를 개방한다(상태 Ⅱ). 제어 신호(st)의 유도 에지(st´)에 응답하여, 적분기(I)는 동시에 방전된다. 각각의 주입 처리 시작시, 그 출력 신호는 e=0이다.

제어 회로(ST)에 공급된 측정된 값(i 및 u)은 곱셈기 엘리먼트(X)에서 서로 곱셈되고, 그 출력에 나타나는 적(p)은 방전된후 적분기(I)에서 적분된다. 적분기(I)의 출력 신호(e)는 피에조 액츄에이터(P)에 공급된 에너지에 비례하고, e=이고 세트포인트(G)와 비교되는 비교기(K)에 공급된다. 이런 세트포인트에 도달하거나 초과하자 마자, 비교기는 디지탈 출력 신호(k=1)를 출력한다(상태 Ⅲ). 이런 비교기 출력 신호(k=1)는 제어 회로(ST)가 스위치(T1)를 오프하게 하고(상태 Ⅳ), 이것은 피에조 액츄에이터(P)의 충전 과정을 종료시킨다.

액츄에이터는 목표된 변위에 도달되고 연료 주입 밸브는 충분히 개방되고, 그 결과 일정한 연료 압력으로 인해, 주입된 연료 양은 액츄에이터의 개방 시간과 비례한다. 연료 주입 밸브는 제어 신호(st)가 중지될때까지(st=0)(상태 Ⅴ) 인가된 에너지(e)에 할당된 변위(ds)로 인해 개방된 채로 남는다.

만약 제어 신호가 st=0이 되면, 스위치(T2)는 제어 회로(ST)에 의해 턴온되고(상태 Ⅵ), 그 결과 피에조 액츄에이터는 레지스터(R)를 통하여 방전되고 연료 주입 밸브는 닫힌다. 이것은 주입 과정을 완료시킨다. 그 다음, 및 모든 다른 주입 과정은 동일 방식으로 수행된다.

도 2는 일정한 전류 소스(Q)가 피에조 액츄에이터(P)의 전류 경로에 삽입되고 일정한 전류(i=일정)를 가지는 피에조 액츄에이터(P)를 충전하는 범위에 대한 도 1에 따른 회로의 변형을 가지는 본 발명에 따른 회로의 보다 간단한 실시예를 도시한다. 공지된 전류 세기로 인해, 전류 측정은 생략되고, 또한 정교한 곱셈(u*i) 및 곱셈기 엘리먼트(X)가 생략된다. 제어 신호(st)와는 별개의 제어 회로(ST)의 입력 값(u)은 출력 신호(e)가 저장된 에너지에 비례하는 적분기(I)에 공급된다. 다른 관점에서, 회로의 기능은 도 1과 동일하다. 저항 또는 전류 제한 엘리먼트는 방전 전류를 단순히 제한하기 위하여 필요하고 그러므로 피에조 액츄에이터(P) 및 스위치(T2) 사이에 배열된다.

Claims

특정 액츄에이터 변위(ds)에 할당된 소정 양의 에너지(e)를 사용하여 내연 기관의 압전기적으로 동작되는 연료 주입 밸브인 용량성 액츄에이터(P)를 구동하기 위한 방법에 있어서,

전력 소스(V)로부터 액츄에이터를 충전하는 동안, 액츄에이터(P)쪽으로 흐르는 전류(i) 및 액츄에이터(P) 양단에서 검출될수있는 전압(u)은 서로 곱셈되고,

전류(i) 및 전압(u)의 적(p = ui)은 시간에 대해 적분되고(e=),

충전 과정은 적분 값(e)이 소정 세트포인트(G)에 도달하거나 초과할때 종료되는 것을 특징으로 하는 방법.
특정 액츄에이터 변위(ds)에 할당된 소정 양의 에너지(e)를 사용하여 내연 기관의 압전기적으로 동작되는 연료 주입 밸브인 용량성 액츄에이터(P)를 구동하기 위한 방법에 있어서,

상기 액츄에이터(P)는 소정 일정 전류(i=일정)로 충전되고,

액츄에이터(P) 양단에서 검출될수있는 전압(u)은 충전 과정(e=) 동안 시간에 대해 적분되고,

상기 충전 과정은 적분 값(e)이 소정 세트포인트(G)에 도달하거나 초과할때 종료되는 것을 특징으로 하는 방법.
전압 소스(V)의 양극(+V) 및 음극(GND) 사이에 배열되고 액츄에이터(P), 전류 제한 엘리먼트(R) 및 전자 스위치(T1)로 구성된 직렬 회로를 가지는 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,

제어 회로(ST)에는 구동 시작, 진행 및 종료를 위한 제어 신호(st) 및 액츄에이터(P)에 공급된 전류(i)와 액츄에이터(P) 양단에서 검출될 수 있고 제어 신호(st)의 시작시 스위치(T1)를 턴온하는 전압의 측정 값이 입력 값으로서 제공되고,

제어 회로(ST)는 전류(i) 및 전압(u)의 측정된 값이 서로 곱셈되는 곱셈기 엘리먼트(X), 적(p=ui)(e=)을 적분하는 적분기(I), 및 소정 세트포인트(G)와 적분 값(e)을 비교하는 비교기(K)를 포함하고,

제어 회로(ST)는 적분 값(e)이 세트포인트(G)에 도달하거나 초과할때 스위치(T1)를 턴오프하는 것을 특징으로 하는 장치.
전압 소스(V)의 양극(+V) 및 전압 소스(V)의 음극(GND) 사이에 배열된 직렬 회로를 가지며 액츄에이터(P) 및 전자 스위치(T1)로 구성된 청구항 제 2 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,

일정 전류 소스(Q)는 액츄에이터(P)의 충전 전류 회로에 제공되고,

상기 제어 회로(ST)에는 구동 과정의 시작, 진행 및 종료를 위한 제어 신호(st) 및 액츄에이터 양단에서 검출될 수 있고 제어 신호(st)의 시작에서 스위치(T1)를 턴온하는 전압의 측정값이 입력 값으로서 공급되고,

상기 제어 회로(ST)에는 측정된 값(u)(e=)을 적분하는 적분기(I), 소정 세트포인트(G)와 적분 값(e)을 비교하는 비교기(K)를 포함하고,

상기 제어 회로(ST)는 적분 값(e)이 세트포인트(G)에 도달하거나 초과할때 스위치(T1)를 턴오프하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 적분기(I)는 각각의 제어 신호(st)의 스위칭 에지(st´)에 의해 방전되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 적분기(I)는 각각의 제어 신호(st)의 스위칭 에지(st´)에 의해 방전되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항7는 삭제 되었습니다.