KR101388810B1 - 분사과정을 측정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분사밸브, 분사밸브에 의해 분사되는 유체로 채워지는 측정실, 측정실 안에 배치되는 피스톤, 피스톤의 이동을 측정하기 위한 전압신호를 내고, 측정실내에서의 피스톤의 이동을 지속적으로 감지하는 컨트롤러에 연결되는 센서, 용적량 차이에 의해 구동되고 측정실의 바이패스 채널에 설치되는 회전변위펌프, 및 측정실에 설치된 압력센서를 포함하는 분사과정 측정시스템 및 이런 시스템을 이용한 분사과정 측정방법에 관한 것이다. 측정실에 가열기(32)나 냉각기가 배치되고, 분사된 유체와 냉각기나 가열기에 의해 전체적으로 공급되는 분사사이클마다의 에너지량이 일정하도록 컨트롤러(26)가 가열기나 냉각기를 작동시킨다.

Description

분사과정을 측정하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING INJECTION PROCESSES}

본 발명은 분사밸브, 분사밸브에 의해 분사되는 유체로 채워지는 측정실, 측정실 안에 배치되는 피스톤, 피스톤의 이동을 측정하기 위한 전압신호를 내고, 측정실내에서의 피스톤의 이동을 지속적으로 감지하는 컨트롤러에 연결되는 센서, 용적량 차이에 의해 구동되고 측정실의 바이패스 채널에 설치되는 회전변위펌프, 및 측정실에 설치된 압력센서를 포함하는 분사과정 측정시스템 및 이런 시스템을 이용한 분사과정 측정방법에 관한 것이다.

이런 시스템들은 많이 알려져있고, 주로 압축점화나 불꽃점화법으로 작동하는 직분사 연소기관 분야에서 많이 사용된다. 이런 시스템의 방출율 국선은 지난 몇년간 많이 변경되었는데, 연소사이클에 할당되는 분사량이 여러개의 부분 분사로 나뉘거나, 연료의 압축율이나 다른 측정치를 통해 방출율을 조절한다. 이런 방출율 곡선을 가능한한 실시간으로 정확하게 재생하려면, 각각의 연료분사기의 분사거동이 가능한한 정확하게 재생되는 시스템이 필요하다.

DE 103 31 228 B3에 소개된 장치는 시간에 따라 유체흐름 과정을 측정하고, 특히 내연기관에서의 분사과정을 측정한다. 이 장치는 바이패스 라인에 배치된 회전변위 기기와, 측정실 안에 배치된 피스톤을 갖는데, 이 피스톤은 측정 액체와 같은 비중량을 갖는다. 피스톤에 연결된 센서에서 발생된 전압이 분사가 일어날 때 피스톤의 이동을 측정한 것이다. 이 전압은 평가장치에 공급되고, 이 평가장치는 측정실내에서의 피스톤의 움직임을 지속적으로 감지하고 유동과정을 그래프로 나타낸다. 회전변위 기기의 제어를 위해 제공된 제어장치에 의해, 회전변위 기기의 회전속도가 작업 사이클 중에 일정하게 유지되고, 작업사이클 내내의 평균값에 해당한다. 이 장치는 유동과정을 높은 시간해상도로 나타내므로, 총량과 정확한 전개과정을 구할 수 있다.

그러나, 이런 장치에서는 분사에 의해 측정실에 공급되는 에너지량 때문에 세팅시간이 길다는 단점이 있다. 지금까지, 이로 인한 부정확한 측정을 예비측정으로 얻은 보정상수로 보상하려는 시도가 있었지만, 이런 보정상수들이 항상 정확한 것은 아니어서, 여전히 부정확한 측정이 있다.

이를 감안하여, 센서를 교정하는 방법이 DE 100 64 509 A1에 소개되었는데, 여기서는 실제 측정을 하기에 앞서, 센서의 온도, 압력 및 측정신호를 통해 먼저 교정테이블을 만든다. 이 테이블을 만들기 위해, 환형공간을 만들고, 이 공간에 일정 온도를 설정한다. 이런 보상법은 많은 시간이 들고, 각각의 밸브마다 반복해야 한다. 또, 분사할 때마다 시스템을 새로 세팅해야 하므로, 다수의 분사기에 의한 전체 분사를 위해서는 어떤 해상도로도 정확한 측정값을 얻을 수 없는데, 이는 각각의 온도변화를 측정할 수 없기 때문이다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 측정 정확도를 개선한 분사과정 측정 시스템과 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적은 특허청구범위의 제1항의 특징부에서 소개한 특징을 갖는 시스템과 제6항의 특징부에서 소개한 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다.

측정실에 가열기나 냉각기가 배치되고, 분사된 유체와 냉각기나 가열기에 의해 전체적으로 공급되는 분사사이클마다의 에너지량이 일정하도록 컨트롤러가 가열기나 냉각기를 작동시키면, 측정된 분사량과 계산된 분사량이 더이상 온도변화와 무관하게 된다. 그 결과 분사량이 계속되는 분사과정에서 올바르게 결정되고, 이때 새로운 세팅과정도 불필요하다.

이런 장점들은 분사할 때마다 측정실에 일정량의 에너지를 공급하는 방법으로도 달성되는데, 이런 에너지량은 분사에 의한 에너지량과 가열기나 냉각기에 의한 에너지량으로 이루어진다.

가열기로는 글로우플러그(glow plug)가 바람직하다. 이런 가열기는 아주 짧은 시간에 시스템에 충분한 양의 에너지를 공급할 수 있다.

또, 냉각기가 측정실에 배치되고, 냉각기에 의해 일정한 열량이 측정실로부터 없어지도록 하면 좋다. 이렇게 되면, 에너지가 계속 공급되어도 시스템이 과열되지 않는다.

또, 냉각기에 공급되는 냉매의 량이 컨트롤러에 연결된 자석 밸브에 의해 조절된다. 이 밸브도 정확한 제어가 가능하도록 아주 빠르게 스위칭될 수 있다.

측정실에 온도센서를 배치해 올바른 에너지 공급을 점검하는 것이 바람직하다. 온도센서를 통해 결정된 값들은 에너지 공급량을 수정하는데 사용되거나, 열에너지가 아주 빨리 흡수되는 경우에는 에너지공급을 위한 기준 변수로 사용될 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 분사밸브의 최대 개방시간 동안의 최대 에너지 공급량이 계산된 다음, 분사에 의한 예상 에너지 공급량이 계산되거나, 실제 에너지 공급량이 측정되며, 이어서 최대 에너지 공급량과 실제 또는 예상 에너지 공급량 사이의 에너지차가 계산되고, 끝으로 이런 상기 에너지차에 해당하는 에너지량이 가열요소를 통해 측정실에 공급될 수 있다. 따라서, 분사를 할 때마다 시스템에 공급되는 에너지가 항상 동일하여, 일정한 에너지 증가가 시스템에서 일어나고, 이런 에너지 증가는 냉각에 의해서 없어질 수 있다. 따라서, 시스템에서 항상 같은 온도에서 측정을 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의하면, 실제 분사에 의한 살제 또는 예상 에너지 공급량이 계산되거나 측정되고; 이렇게 계산되거나 측정된 에너지가 냉각을 통해 시스템에서 배출될 수도 있다. 이렇게 되면, 정확한 측정을 위해 시스템의 온도를 항상 일정하게 유지할 수 있다.

또, 분사밸브가 개방된 시간 동안 예상되는 유량과 압력차 세트에 대한 에너지 공급량을 그린 특성곡선을 이용해 예상 에너지공급량을 계산할 수도 있다. 컨트롤러가 이런 개방시간과 고정된 압력차를 인지함은 물론, 개방시간 동안 펌프를 통과하는 이론적 예측 유량을 압력조절기와 고압 펌프로부터 알 수 있고, 이론적으로 필요한 에너지 공급량이 특성곡선에 의해 결정되어 시스템에 공급될 수 있다. 이론적 유량과 시스템에서 측정된 유량의 차이가 아주 작아, 별도의 조정이 거의 불필요하다. 따라서, 시스템내 온도가 일정할 때가지 개선된 특성곡선으로 측정을 반복할 수 있다.

한편, 측정실내 온도변화를 측정해 실제 에너지공급량을 결정하고, 최대 에너지공급량과의 차이를 시스템에 공급할 수도 있다. 마찬가지로, 측정실내 온도가 일정해져 정확한 측정이 이루어질 수 있지만, 이런 시스템은 속도가 늦다.

또, 온도변화가 추가 에너지의 공급 후에 측정되고, 온도변화로부터 수정 에너지공급량을 결정하며, 이런 수정 에너지공급량이 측정실에 공급되거나 측정실로부터 배출될 수도 있다. 이때문에 반복적으로 작동하는 시스템이 가능하고, 이런 시스템에 의해 에너지공급의 기반을 이루는 유량과 나중에 측정되는 유량 사이의 유량차가 수정된다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 블록도.

도 1은 본 발명의 일례를 개략적으로 도시한 개략도이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

본 발명의 시스템에서, 분사밸브(4)가 측정실(2) 안으로 분사를 할 수 있도록 분사실에 분사밸브가 배치된다. 측정실(2) 안에 위치하는 피스톤(6)은 축방향으로 움직이고, 측정실(2)내의 유체와 같은 비중량을 갖는다. 피스톤(6)에 의해 측정실(2)이 입구부(8)와 출구부(10)로 나뉜다. 측정실(2)에 설치된 센서(12)는 피스톤(6)의 움직임을 감지한다.

또, 기어펌프 형태의 회전변위펌프(16)가 피스톤(6)을 둘러싼 바이패스 채널(14)에 설치되어, 피스톤(6)을 우회하여 측정실(2)의 입구부(8)를 출구부(10)와 연결한다. 측정실(2)의 출구부(10)의 배출라인(18)은 압력조절기(20)를 통해 유체저장 탱크(22)에 연결되고, 이 탱크는 피드펌프(24)를 통해 분사밸브(4)에 연결된다. 압력조절기(20) 때문에 배출라인(18)의 압력이 고정된다.

압력조절기(20)와 분사밸브(4)와 펌프(16)는 컨트롤러(26)에 연결되고, 컨트롤러는 센서(12)로부터의 신호와 펌프(16)의 회전수를 받아 처리하고, 펌프에는 동작센서가 달려있다. 측정실(2)에서, 피스톤(6)과 분사밸브(4) 사이에 위치하는 압력센서(28)와 온도센서(30)는 이 구역의 압력과 온도를 지속적으로 측정해 컨트롤러(26)에 알려주고, 컨트롤러는 피스톤의 위치를 감지하는 동시에 분사밸브(4)를 조절한다.

측정실(2) 안에 글로우플러그(glow plug) 형태의 발열기(32)가 배치되고, 이 발열기를 통해 측정실(2)에 에너지가 아주 신속하게 공급된다. 이를 위해, 발열기(32)도 컨트롤러에 연결된다. 또, 피스톤(6) 부근에 냉각기(34)가 배치되는데, 이런 냉각기를 통해 측정실의 에너지를 빼앗을 수 있다. 자석밸브(36)를 통해 저장기(28)로부터 냉각기(34)에 냉매를 공급하므로, 결국 이 밸브에 의해 제어가 이루어진다.

시험 유체를 분사밸브(4)를 통해 측정실(2)에 분사하면, 피스톤(6)이 지체없이 반응한다. 그와 동시에, 바이패스 채널(14)에 배치된 변위펌프(16)가 피스톤(6)의 이동속도의 함수이자 분사된 유체량의 함수인 회전속도로 구동된다. 펌프의 회전속도는 유량이 작동사이클 내내 일정하게 유지되도록 조절된다.

따라서, 펌프(16)에 의한 연속 부분과 분사과정중에 그 반대방향으로 일어나는 불연속 부분의 중첩에 의해 피스톤(6)의 움직임이 일어난다. 컨트롤러(26)는 측정실(2) 안의 압력센서(28)의 신호를 시간에 따른 유체분사량으로 변환한다. 이를 위해, 펌프에 의한 연속 이동부분을 실제 주행거리인 센서(12)의 값에서 뺀다. 이런 컨트롤러(26)의 변환은 물리적 기반의 모델 계산법으로 이루어지는데, 구체적으로는 압력신호를 이용해 실제 측정된 피스톤 거리를 압력신호를 이용해 측정과정중에 정압조건하에 구한 피스톤 거리로 변환한다. 따라서, 이 계산은 유체의 압축율을 압력의 함수로 반영한다.

그러나, 분사로 생긴 에너지 때문에, 유체의 온도도 변할 수밖에 없다. 온도를 측정해 보정을 하고 이런 보정을 이용한 계산을 해도 어쩔 수 없이 에러가 생긴다. 따라서, 가열기(32)를 이용해 측정실(2)에 에너지를 더 공급하는데, 측정실내의 온도가 분사 시간에 상관없이 항상 일정하도록 에너지량을 결정한다.

이를 위해, 먼저 분사밸브(4)의 특징을 이용해 분사에 의해 측정실에 공급할 최대 에너지량을 계산한다. 측정실(2)에 들어갈 실제 에너지량은 일반적으로 이렇게 계산된 에너지량보다 적다. 계산된 최대 에너지량과 분사에 의해 공급된 에너지량의 차이에 해당하는 에너지를 분사를 할 때마다 가열기(32)를 통해 측정실에 공급한다. 그와 동시에, 일정량의 에너지가 냉각기(34)를 통해 빠져나가면서 측정실(2)의 온도가 유지된다. 따라서, 유체 분사량을 계산할 때 온도보정을 전혀 할 필요가 없다. 온도 변화 때문에 압축율이 변하므로, 에러가 전혀 생기지 않는다.

가열기(32)를 통해 공급되는 에너지량은 예컨대 컨트롤러(26)에 저장된 특성선도로 조절되는데, 펌프(16)를 통한 유량과 압력조절기에서 정해진 압력차에 의해 에너지입력 그래프가 그려진다. 이때, 유량은 개방시간과 압력차에 의해 좌우된다. 따라서, 특성선도를 이용해 계산된 에너지량이 측정사이클 동안 가열기(32)를 통해 측정실(2)에 공급된다. 이때 매체 자체의 배출에 의한 에너지 소멸은 고려하지 않으므로, 온도센서(30)를 이용해 수정이나 일반적 체크를 할 수 있는데, 이런 온도센서는 사이클의 시작과 끝에서 일정한 온도를 측정해야 한다. 온도가 일정하지 않으면, 특성선도에 에러가 있는 것이므로, 이를 조정한다.

한편, 공급할 에너지량의 결정을 온도센서(30)로만 할 수도 있다. 그러나, 이 경우에는 시스템의 세팅시간이 더 길어질 것이다.

따라서, 전체 온도가 일정해질 때까지 특성선도를 조절할 수 있다.

정압조건에서 아주 신속하게 정확한 측정을 할 수 있으므로, 다른 온도보정작업이 불필요하다.

아주 신속히 이루어져야 하는 냉각에 의해서만 에너지균형을 이룰 수 있고, 온도도 일정하게 유지할 수 있다. 공급되거나 빼낼 에너지량을 결정하는 다른 방법도 있을 수 있지만, 이런 다른 방법도 본 발명의 범위에 있다고 보아야 한다.

Claims (11)

1. 분사밸브; 분사밸브에 의해 분사되는 유체로 채워지는 측정실; 측정실 안에 배치되는 피스톤; 피스톤의 이동을 측정하기 위한 전압신호를 내고, 측정실내에서의 피스톤의 이동을 지속적으로 감지하는 평가장치에 연결되는 센서; 측정실 입구부와 출구부의 용적량 차이에 의해 구동되고 측정실의 바이패스 채널에 설치되는 회전변위펌프; 및 측정실에 설치된 압력센서;를 포함하는 분사과정 측정시스템에 있어서,
   측정실에 가열기(32)나 냉각기가 배치되고, 분사된 유체와 냉각기나 가열기에 의해 전체적으로 공급되는 분사사이클마다의 열에너지량이 일정하도록 컨트롤러(26)가 가열기나 냉각기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 분사과정 측정시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 가열기(32)가 글로우플러그(glow plug)인 것을 특징으로 하는 분사과정 측정시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각기(34)가 측정실(2)에 배치되고, 냉각기에 의해 일정한 열량이 측정실(2)로부터 없어지는 것을 특징으로 하는 분사과정 측정시스템.
4. 제3항에 있어서, 냉각기(34)에 공급되는 냉매의 량이 컨트롤러(26)에 연결된 자석 밸브(36)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 분사과정 측정시스템.
5. 제1항에 있어서, 측정실(2)에 온도센서(30)가 배치되는 것을 특징으로 하는 분사과정 측정시스템.
6. 제1항에 따른 분사과정 측정시스템에 의한 분사과정측정방법에 있어서,
   분사할 때마다 일정량의 열에너지가 측정실(2)에 공급되고, 이렇게 공급되는 열에너지의 에너지량은 분사에 의한 열에너지량과 가열기나 냉각기를 통한 열에너지량으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
7. 제6항에 있어서,
   - 분사밸브(4)의 최대 개방시간 동안의 최대 열에너지 공급량이 계산되고;
   - 분사에 의한 예상 열에너지 공급량이 계산되거나, 실제 열에너지 공급량이 측정되며;
   - 최대 열에너지 공급량과 실제 또는 예상 열에너지 공급량 사이의 열에너지차가 계산되고;
   - 상기 열에너지차에 해당하는 열에너지량이 가열요소(32)를 통해 측정실(2)에 공급되는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
8. 제6항에 있어서,
   - 실제 분사에 의한 실제 또는 예상 열에너지 공급량이 계산되거나 측정되고;
   - 이렇게 계산되거나 측정된 열에너지가 냉각을 통해 시스템에서 배출되는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
9. 제7항에 있어서, 분사밸브(4)가 개방된 동안 예상되는 유량과 압력조절기에서 정한 압력차로 열에너지 공급량을 그린 특성곡선을 이용해 상기 예상 열에너지 공급량을 계산하는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
10. 제7항에 있어서, 측정실(2)내 온도변화를 측정해 상기 실제 열에너지 공급량을 결정하는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 온도변화가 추가 열에너지의 공급 후에 측정되고, 온도변화로부터 수정 열에너지 공급량을 결정하며, 이런 수정 열에너지 공급량이 측정실(2)에 공급되거나 측정실로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 분사과정측정방법.
    

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