KR101581126B1 - 직접 니들 구동형 피에조 인젝터용 구동 제어 회로 및 이를 포함하는 차량 - Google Patents

직접 니들 구동형 피에조 인젝터용 구동 제어 회로 및 이를 포함하는 차량 Download PDF

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김진수
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 서보 유압형 피에조 인젝터의 기존의 구동 제어 회로를 교체하지 않고 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 적용하기 위해서, 피에조 인젝터의 충전시 연료 분사 신호가 인가되고, 방전시 연료 분사가 종료가 되는 분사 종료 신호를 인가하는 유압형 피에조 인젝터 구동회로 및상기 구동회로에 서로 반대 위상을 가진 동일한 파형을 생성하는 반전회로를 포함하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터 구동 제어 회로를 제공한다.

Description

직접 니들 구동형 피에조 인젝터용 구동 제어 회로 및 이를 포함하는 차량{Driving Control Circuit of Direct Needle-drive Piezo Injector and vehicle comprising the same}
본 발명은 직접 니들 구동형 피에조 인젝터용 구동 제어 회로 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다.
국내 완성차 업계는 현재 출시되는 승용 디젤차량에 모두 커먼레일 시스템을 탑재하고 있다. 과거 솔레노이드 방식 인젝터보다는 정밀한 제어를 위해 유압 서보형 피에조 타입의 인젝터로 발전하였고, 최근 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 연구가 일부 진행되고 있다.
커먼레일 직접 분사 시스템이란 엔진을 ECU(Electronic Control Unit)에서 제어하여 분사시기, 분사압력, 분사량을 최적화한 후 커먼레일 연료펌프에서 배송된 연료를 고압의 상태로 저장하는 축압기에서 저장된 초고압(1,350bar 이상) 연료를 연소실에 직접 분사하는 시스템을 말한다.
엔진의 소음은 줄이고 출력 및 배기가스 성능 향상을 위하여 차량에 장착된 서보 유압형 피에조 인젝터를 응답성이 빠른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터로 교체시 발생되는 분사 시작점 지연, 고압 분사시 분사량 감소 등의 문제점이 있다.
한국특허공개공보 제2001-0059382호 (발명의 명칭: 디젤 엔진용 전자 유닛 인젝터)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 교체하지 않고, 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 적용하더라도, 분사 시작점 지연, 고압 분사시 분사량 감소를 해결할 수 있는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터용 구동 제어 회로를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 서보 유압형 피에조 인젝터용 드라이버를 포함하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 위한 구동 제어 회로로서, 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동을 위해 ECU로부터 출력되는 신호를 반전시키는 반전회로를 포함하되, 상기 드라이버는 상기 반전신호를 고전압으로 승압하는 승압회로 및 상기 피에조 스택을 충전 또는 방전시키기 위한 전류를 출력하는 충방전 회로를 포함하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터 구동 제어 회로가 제공된다.
상기 반전회로는 부정 게이트(NOT gate)일 수 있다.
상기 직접 니들 피에조 인젝터는 상기 충방전 회로에서 인가되는 전류에 의해 충전 또는 방전되는 피에조 스택을 포함하며, 상기 충방전 회로는 상기 피에조 스택이 충전 후 방전이 되도록 할 수 있다.
상기 피에조 스택의 충전 후 방전 시까지 전압 강하를 막기 위한 대용량 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서보 유압형 피에조 인젝터용 드라이버; 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동을 위한 신호를 출력하는 ECU; 및 상기 ECU로부터 출력되는 신호를 반전시키는 반전회로를 포함하되, 상기 드라이버는 상기 반전신호를 고전압으로 승압하는 승압회로 및 상기 피에조 스택을 충전 또는 방전시키기 위한 전류를 출력하는 충방전 회로를 포함하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 포함하는 차량이 제공된다.
본 발명에 따르면, 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로에 반전회로를 추가함으로써 기존 구동 제어 회로를 교체하지 않고 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 구동회로 교체 비용을 절감할 수 있으며, 연비 향상 및 배기가스 저감 효과를 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터를 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 인가되는 전압 전류 파형을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반전회로를 거쳐 직접 니들 구동형 피에조 인적터에 인가되는 전압 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8은 종래기술에 따른 구동 제어 회로를 통해 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 제어 신호를 인가한 경우의 분사압력 증가에 따른 분무 이미지를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 제어 회로를 통해 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 제어 신호를 인가한 경우의 분사압력 증가에 따른 분무 이미지를 나타낸 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 서보 유압형 피에조 인젝터를 장착한 차량에 엔진의 소음 및 성능 향상, 배기가스 절감을 위하여 응답성이 뛰어난 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 교환 장착한 경우, 기존의 구종 제어 회로를 제거 하지 않고 신호 반전을 위한 반전 회로 및 대용량 커패시터 추가함으로써 커먼레일용 연료분사기의 성능 최적화를 구현하기 위한 기술이다.
이하, 도면을 참조하여 종래기술과 본 발명을 비교하여 본 발명의 구성 및 효과에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터를 도시한 도면이고, 도 2는 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 나타낸 도면이다. 또한, 도 3는 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝더의 구동 파형을 도시한 도면이다.
서보 유압형 피에조 인젝터는 피에조 스택의 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)를 이용한 것으로 전압을 걸어주면 압전 물질이 팽창 및 축소되는 기계적 변형이 생겨 진동이 발생하는 현상을 이용한 것이다.
도 1을 참조하면, 서보 유압형 피에조 인젝터(100)는 니들(105), 압력제어밸브(110), 유압커플러(115), 피에조 액추에이터(120)로 구성된 것을 확인할 수 있다.
니들(105)은 압력제어밸브(110) 하단에 위치하며, 피에조 액추에이터(120)의 출력을 받아 최종적으로 인젝터 분사구를 개폐하는 수단이다.
유압커플러(115)는 피에조 액츄에이터(120) 하단에 위치하며 유압 피스톤을 이용하여 상하부 피스톤의 단면적 비율만큼 피에조 액추에이터(120)의 출력을 증폭하여 유효 스트로크를 증대시키는 역할을 한다.
압력제어밸브(110)는 유압커플러(115) 하단에 위치하며, 유압커플러(115)에서 증폭된 피에조 액추에이터(120)의 출력에 따라 니들(105)을 제어한다.
피에조 액추에이터(120)는 원통의 실린더형 피에조 세라믹 적층으로 구성되어있으며, 전압을 가하는 경우 역압전 효과를 일으킨다.
피에조세라믹 금속이 수십 내지 수 백 개의 웨이퍼 적층으로 이루어진 피에조 스택(piezo stack)은 충·방전을 통해 수십 미크론 단위의 변위를 발생시켜 압력제어밸브(110)를 작동시켜 분사하는 구동방식을 가지고 있다.
도 2는 종래기술에 따른 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 나타낸 도면으로서, 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로(200)는 승압회로(205), 충전회로(210), 방전회로(215)로 구성된 것을 확인할 수 있다.
승압회로(205)는 피에조 인젝터(220)에 고전압 인가를 위한 구성이며, 충전회로(210), 방전회로(215)는 커패시터의 성질을 가지는 피에조 스택을 수축 또는 팽창시켜 니들 개폐를 제어하는 역할을 한다.
도 3의 구동파형을 참조하여, 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동방식을 설명하면, 스택에 전류가 흘러 전하가 충전되면 , 피에조 스택은 팽창한다. 다음으로, 피에조 스택이 팽창하면, 유압커플러(115)의 유압이 증가되어 압력제어밸브(110)를 열며, 이를 통해 니들(105)이 인젝터 분사구를 개방하여 분사가 시작된다.
반면, 전류가 방전되면, 피에조 스택이 수축하고, 유압커플러(115)의 유압이 감소되어 압력제어밸브(110)가 닫힌다. 압력제어밸브(110)가 닫히면 니들(105)이 인젝터 분사구를 닫아 연료의 분사가 종료된다.
따라서, 서보 유압형 피에조 인젝터는 전류의 충전으로 연료의 분사를 시작할 수 있으며, 전류의 방전으로 연료의 분사를 종료시킬 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터 개략도이다.
도 4를 참조하면, 직접 니들 구동형 피에조 인젝터는 니들(405), 니들 작동 증폭기(410), 어큐뮬레이터(415), 피에조 일렉트릭 엑추에이터(420)를 포함할 수 있다.
피에조 인젝터(200)의 간략한 작동 과정을 설명하면 다음과 같다. 전원이 피에조 스택에 가해지면 피에조 스택의 상하방향의 길이가 증가하여 니들 작동 증폭기(410)를 작동시키고, 니들 작동 증폭기(410)의 동작에 의해 니들(405) 개폐됨으로써 어큐뮬레이터(415)내의 연료 분사가 제어된다.
직접 니들 구동형 피에조 인젝터는 서보 유압형 피에조 인젝터와 같이 피에조 역압전 효과를 이용하는 점에서는 동일하지만, 별도의 인젝터의 연료 리턴이 없고 인젝터 내부에 연료를 저장하기 때문에 압력 맥동에 의한 연료 분사율 왜곡이 상대적으로 적은 효과를 가지고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 인가되는 전압 전류 파형을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하여 구동 원리를 설명하면, 직접 니들 구동형 피에조 인젝터는 전류가 방전되어 피에조 스택을 수축시켜 분사를 시작한다.
전류가 방전되어 피에조 스택이 수축하면, 네 개의 판(401)이 압축이 감소가 되고 피에조 스택의 끝에 연결된 피스톤(402)이 이동하여, 노즐캡의 연료라인(403)으로 연료의 유입이 시작되고 스프링이 내장된 니들연결부(404)에 연료압력작용이 증가하고 니들이 이동하여 분사를 시작하게 된다.
반면, 전류가 충전되면 피에조 스택이 팽창하고 네게의 판(401)의 압축이 증가되고 스택의 끝에 연결된 피스톤(402)이 이동하여 노즐캡의 연료라인(403)으로 연료유입이 차단되거나 유입량이 감소하게 된다.
스프링이 내장된 니들 연결부(404)에 의하여 분사가 종료된다.
상기에 검토한 바와 같이 직접 니들 구동형 피에조 인젝터는 전류의 방전시 분사가 시작되는 반면, 서보 유압형 피에조 인젝터는 분사가 종료되는 차이점이 있다.
따라서, 기존의 서보 유압형 피에조 인젝터가 장착된 차량의 구동 제어 회로를 교체하지 않고, 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 교체하여 사용할 경우 이와 같은 구동 방식의 차이로 인하여 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 빠른 응답성이 발현되지 못하게 된다.
따라서, 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 최적 사용을 위하여는 그 방식에 따른 구동 신호를 최적화할 필요가 있으며, 본 발명은 구동 신호의 최적화를 위해, 전류의 충방전 특성에 따라 연료의 분사 종료시점이 상반되게 나타나는 특성을 이용하여 기존 구동 제어 회로에 반전회로를 추가한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 제어 회로(600)는 승압회로(605), 충전회로(610), 방전회로(615)로 구성된 기존 서보 유압형 피에조 인젝터 구동 제어 회로와 동일한 구성을 포함하나, 반전회로(620)가 더 추가된 것을 확인할 수 있다.
도 6에서 충전회로(610) 및 방전회로(615)는 별도의 구성으로 도시하였으나, 승압회로(605)에서 출력된 신호를 피에조 스택에 전달하는 회로라는 점에서 하나의 구성일 수 있다.
반전회로(620)는 입력된 신호를 반전시켜 입력 신호와 서로 반대 위상을 가진 동일한 파형을 생성하는 회로이다.
여기서, 반전회로(620)에 입력되는 신호는 서보 유압형 피에조 인젝터 드라이버, 즉 상기한 도 2와 같은 승압회로, 충방전회로를 포함하는 드라이버의 제어를 위해 출력하는 신호일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반전회로(620)는 부정 게이트(NOT gate)일 수 있으며, 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동을 위해 ECU로부터 출력되는 신호를 반전시킨다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반전회로를 거쳐 직접 니들 구동형 피에조 인적터에 인가되는 전압, 전류의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 반전회로를 거쳐 직접 니들 구동형 피에조 인적터에 인가되는 전압, 전류의 파형은 기존에 인가되는 전압 전류의 파형을 반전시켜, 전류를 방전시켜 연료를 분사하고, 전류의 충전시 연료 분사를 종료시킬 수 있는 구동 매커니즘이 일치된 것을 확인할 수 있다.
도 8은 종래기술의 또 다른 일 실시예에 따른 분사압력 증가에 따른 분무 이미지를 나타낸 사진이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 분사압력 증가에 따른 분무 이미지를 나타낸 사진이다.
도 8과 도 9를 참조하면, 종래의 구동 제어 회로를 그대로 이용하여 서보 유압형 피에조 인젝터를 직접 니들 구동형 피에조 인젝터로 교체하였을 때, 분무이미지와 본 발명의 반전회로가 추가되었을 때, 분사압력 증가에 따른 분무이미지의 차이를 확인할 수 있다.
반전회로가 추가되지 않는 경우 분사압력이 증가함에 따라 분사량, 분무 관통길이 및 속도가 감소한 것을 확인할 수 있다.
반면, 반전회로가 추가된 경우에는 분사압력이 증가하여도 분사량이 많아지고, 분무 관통길이가 길어지고 및 속도도 증가하여 그 효과가 증가한 것을 확인할 수 있다.
이것은 서보 유압형 피에조 인젝터와 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 매커니즘이 전류의 충방전 시점과 연료의 분사시점이 상반되게 나타나는 차이를 반전회로 추가를 통해 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 조건과 일치시켜, 최적화된 구동 조건을 구현하였기 때문이다.
본 발명에 의할 때 엔진의 소음은 줄이고 출력 및 배기가스 성능 향상을 위하여 차량에 장착된 서보 유압형 피에조 인젝터를 응답성이 빠른 직접 니들 구동형 피에조 인젝터로 교체시 발생되는 분사 시작점 지연, 고압 분사시 분사량 감소 등의 문제점을 해결할 수 있다.
대용량 커패시터를 추가함으로써, 충전 후, 방전 시까지의 전압 강하를 지연시킬 수 있는 효과가 있다.
결과적으로 구동 제어 회로를 교체하지 않고 신호 반전회로 및 대용량 커패시터를 추가함으로서 직접 니들 구동형 피에조 인젝터에 최적 구동 신호를 인가하여 성능을 극대화할 수 있다.
더 나아가, 2,000bar 이상의 초고압 분사방식도 적용하여, 초고압분사를 실현시킴으로써 연료의 미립화 성능을 더욱 향상시키고, 엔진출력 증강에 기여할 뿐만 아니라 궁극적으로 PM 저감에도 기여할 수 있다.
출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로 부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 서보 유압형 피에조 인젝터 105: 니들
110: 압력제어벨브 115: 유압커플러
205: 승압회로 210: 충전 회로
215: 방전회로 615: 방전회로
620: 반전회로

Claims (5)

  1. 서보 유압형 피에조 인젝터용 드라이버를 포함하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 위한 구동 제어 회로로서,
    상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동을 위해 ECU로부터 출력되는 신호를 반전시키는 반전회로를 포함하되,
    상기 드라이버는 상기 반전회로에서 출력되는 반전신호를 고전압으로 승압하는 승압회로 및 피에조 스택을 충전 또는 방전시키기 위한 전류를 출력하는 충방전 회로를 포함하되,
    상기 반전회로는 부정 게이트(NOT gate)이며,
    상기 직접 니들 피에조 인젝터는 상기 충방전 회로에서 인가되는 전류에 의해 충전 또는 방전되는 피에조 스택을 포함하며, 상기 충방전 회로는 상기 피에조 스택이 충전 후 방전이 되도록 하며,
    상기 피에조 스택의 충전 후 방전 시까지 전압 강하를 막기 위한 대용량 커패시터를 더 포함하되,
    서보 유압형 피에조 인젝터와 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 매커니즘에서 전류의 충방전 시점과 연료의 분사시점이 반대로 나타나며, 상기 반전회로는 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 충전을 위한 신호를 상기 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 방전을 위한 신호로 변환하고 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 방전을 위한 신호를 직접 니들 구동형 피에조의 충전을 위한 신호로 변환하는 인젝터 구동 제어 회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 서보 유압형 피에조 인젝터용 드라이버;
    상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 구동을 위한 신호를 출력하는 ECU; 및
    상기 ECU로부터 출력되는 신호를 반전시키는 반전회로를 포함하되, 상기 드라이버는 상기 반전회로에서 출력되는 반전신호를 고전압으로 승압하는 승압회로 및 피에조 스택을 충전 또는 방전시키기 위한 전류를 출력하는 충방전 회로를 포함하고,
    상기 반전회로는 부정 게이트(NOT gate)이며,
    직접 니들 피에조 인젝터는 상기 충방전 회로에서 인가되는 전류에 의해 충전 또는 방전되는 피에조 스택을 포함하며, 상기 충방전 회로는 상기 피에조 스택이 충전 후 방전이 되도록 하며,
    상기 피에조 스택의 충전 후 방전 시까지 전압 강하를 막기 위한 대용량 커패시터를 더 포함하되,
    서보 유압형 피에조 인젝터와 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 구동 매커니즘에서 전류의 충방전 시점과 연료의 분사시점이 반대로 나타나며, 상기 반전회로는 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 충전을 위한 신호를 상기 직접 니들 구동형 피에조 인젝터의 방전을 위한 신호로 변환하고 상기 서보 유압형 피에조 인젝터의 방전을 위한 신호를 직접 니들 구동형 피에조의 충전을 위한 신호로 변환하는 직접 니들 구동형 피에조 인젝터를 포함하는 차량.
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