KR101990730B1 - 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법으로서, - 상기 압전 분사기의 작동 전류 및 작동 전압을 측정하는 단계; - 상기 작동 전류 및 상기 작동 전압을 주파수 영역으로 변환하는 단계; - 상기 주파수 영역으로 변환된 상기 작동 전류와 상기 주파수 영역으로 변환된 상기 작동 전압으로부터 복소 컨덕턴스 값을 생성하는 단계; - 상기 복소 컨덕턴스 값으로부터 상기 압전 분사기의 하나 이상의 특성 변수를 결정하는 단계; 및 - 상기 하나 이상의 특성 변수를 사용하여 상기 압전 분사기의 결함 거동을 검출하는 단계를 포함하는, 상기 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.

Description

압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법
본 발명은 압전 분사기(piezo injector)의 작업 동작(working operation)을 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
연료 분사 시스템의 분사 밸브를 작동시켜, 상기 분사 밸브가 지정된 양의 연료를 압력 하에 연소 엔진의 실린더 내로 매우 정확히 분사하기 위해 지정된 시점에서 매우 정확히 다시 개폐되도록 하는 것이 이미 알려져 있다. 이러한 방식으로, 또한 가능하게는 분사 사이클 내의 주 분사에 더하여 추가적인 사전 분사 및/또는 사후 분사를 사용함으로써, 연소 엔진의 효율이 증가될 수 있고, 동시에 배기 가스 및 소음 배출이 감소될 수 있다.
흔히 분사기라고도 지칭되는 분사 밸브는 분사기를 개폐하기 위해 구동부에 의해 이동될 수 있는 폐쇄 부재를 포함한다. 분사가 수행되지 않는 분사기의 폐쇄된 상태에서, 폐쇄 부재는 분사기의 모든 분사 개구를 폐쇄하는 폐쇄된 위치에 위치된다. 구동부에 의해, 폐쇄 부재는 그 폐쇄된 위치로부터 시작하여 상승되는 것에 의해 적어도 일부의 분사 개구를 개방하고 분사를 생성할 수 있다.
폐쇄 부재는 흔히 노즐 니들(nozzle needle)을 포함하거나 또는 노즐 니들로 설계된다. 그 폐쇄된 위치에서, 상기 노즐 니들은 통상적으로 분사기의 소위 니들 안착부(needle seat)에 놓인다. 분사기의 구동부는 폐쇄 부재를 이동시키기 위해 액추에이터를 포함하고, 이 액추에이터는 통상적으로, 폐쇄 부재의 제어 신호에 따라 폐쇄 부재를 폐쇄된 위치로부터 상승된 높이로 상승시키고, 폐쇄 부재를 상기 상승된 높이에 유지하고, 및/또는 폐쇄 부재를 폐쇄된 위치로 다시 이동시키도록 설계된다. 예를 들어, 상기 액추에이터는 전기 충전 또는 방전 공정의 결과 팽창 또는 수축하여 이러한 방식으로 폐쇄 부재의 상승 또는 폐쇄 운동을 생성하는 압전 소자(piezo element)일 수 있다. 압전 액추에이터라고도 지칭되는 이러한 액추에이터는 폐쇄 부재를 정확하고 지연 없이 변위시키는데 특히 적합하다. 이것은 특히 압전 액추에이터와 폐쇄 부재 사이에 힘을 직접 및 지연 없이 전달할 수 있는 소위 직접 구동 압전 분사기의 경우이다.
압전 분사기는 작업 사이클(working cycle)을 갖는다. 상기 작업 사이클은 자동차의 전체 동작 수명 동안 재현가능하고 정확히 유지되어야 한다. 관련 요구 조건은 국내 법규에 의해 및 또한 분사 시스템의 제조사의 고객에 의해 규정된다. 적용 가능한 표준은 예를 들어 유럽의 경우 UN/ECE R83이고, 캘리포니아 시장의 경우 캘리포니아 법규(Code of Regulations), 타이틀(title) 13, 1968.2이다.
해당 기존의 요구 조건으로부터 자동차의 분사 시스템의 데이터의 임시 편차 및 영구 편차가 신속하고 신뢰성 있게 검출될 수 있어야 한다. 그렇지 않으면 유해한 배출이 크게 증가될 수 있다. 또한 각 차동차가 엔진 손상으로 정지할 수도 있다.
그럼에도 불구하고, 자동차의 동작 동안 압전 분사기를 작동시키기 위해 상기 압전 분사기의 파라미터에 대해 매우 정확한 지식이 요구된다. 상기 파라미터는 보통 특성 필드(characteristic field) 등의 형태이고, 자동차의 제어 유닛의 메모리에 저장되며, 상이한 동작 조건들이 존재하는 경우 자동차의 동작 동안 매우 정확히 추종되어야 한다.
압전 분사기를 진단하기 위해 이전에 알려진 방법은 존재하는 각 제어 유닛의 입력 변수들 및 제어기들의 데이터를 모니터링한다. 직접 구동식 압전 분사기의 경우 액추에이터는 또한 센서로도 동작한다. 압전 분사기의 개폐 시점은 측정된 전압 프로파일로부터 결정된다. 이를 위해 이와 관련하여 사용된 알고리즘은 압전 분사기의 특정 데이터에 대한 지식을 요구한다. 예를 들어, 압전 분사기에서 발생하는 단락 또는 압전 분사기의 접점들이 느슨해져서 압전 분사기의 커패시턴스가 변하면, 거짓 폐쇄 시점이 검출될 수 있고 이 거짓 폐쇄 시점은 이전에 알려진 진단 방법에 의해 유효한 것으로 인식된다.
본 발명의 목적은 앞서 언급된 단점을 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 1에 제시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 설계 및 개선은 종속 청구항에 제시된다.
본 발명의 장점은 특히, 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 것이 본 발명에 따른 방법에 의해 개선된다는 것이다. 예를 들어, 상기 압전 분사기의 고장이 신뢰성 있고 신속하게 검출된다. 또한, 상기 압전 분사기의 이전에 없던 파라미터들이 상기 압전 분사기의 임의의 작업 사이클에 대해 본 발명에 따른 방법에 의해 결정될 수 있고, 상기 압전 분사기의 저장된 모델 파라미터들을 조정하거나 또는 제어하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 압전 분사기의 작동 전류 및 작동 전압을 필요에 따라 조정하는 것이 결정된 파라미터들을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 추가적인 유리한 특성은 도면을 사용하여 이하 예시적인 상세한 설명으로부터 드러날 것이다.
도 1은 압전 분사기의 개략도를 도시하고,
도 2는 압전 분사기의 모델의 블록도를 도시하며,
도 3은 스프링-질량 시스템으로 모델링된 도 2의 기구의 개략도를 도시하고,
도 4는 본 발명에 사용된 압전 분사기의 모델의 블록도를 도시하며,
도 5는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법을 설명하는 흐름도를 도시한다.
도 1은 연료 분사 시스템의 압전 분사기의 개략도를 도시한다. 도시된 압전 분사기(10)는 분사기 몸체(14)를 포함한다. 분사기 몸체(14)는 바람직하게는 다중 부재로 구성된 형태로 구현되며, 제1 공동(16)을 포함한다. 제1 공동(16)은 도시되지 않은 고압 유체 회로에 결합될 수 있다. 압전 분사기(10)가 설치될 때 제1 공동은 고압 회로에 결합된다.
압전 분사기(10)는 액추에이터(22)를 포함하는 구동 기구(50), 레버 기구(26), 안내 부재(54) 및 태핏(tappet)(52)을 포함한다.
액추에이터(22)는 예를 들어 분사기 몸체(14)의 제2 공동(20) 내에 배치된다. 액추에이터(22)는 상승 액추에이터로서 구현되고, 압전 소자의 스택을 포함하는 압전 액추에이터이다. 압전 액추에이터는 인가된 전압 신호에 따라 그 축방향 크기를 변화시킨다.
액추에이터(22)는 피스톤(24)을 포함한다. 액추에이터(22)는 피스톤(24)을 통해 레버 기구(26)에 작용한다. 레버 기구(26)는 예를 들어 벨 형상의 몸체(bell-shaped body)(28) 및 레버 부재(30)를 포함한다. 벨 형상의 몸체(28) 및 레버 부재(30)는 제1 공동(16) 내에 배치된다. 벨 형상의 몸체(28)는 레버 부재(30)에 결합된다. 나아가 밸브 니들(32)은 제1 공동(16) 내에 배치된다. 밸브 니들(32)은 니들 헤드(34)를 포함한다. 레버 부재(30)들은 밸브 니들(32)을 축방향으로 변위시키기 위해 니들 헤드(34)와 함께 작용한다.
노즐 스프링(36)은 분사기 몸체(14)를 위한 지지부(42)와 밸브 니들(32)의 돌출부(44) 사이에 배치된다. 밸브 니들(32)은 노즐 스프링(36)에 의해 편향(biased)되어 있어서, 폐쇄된 위치에 있을 때 밸브 니들은 노즐 니들(32)에 추가적인 힘이 작용하지 않는 경우 분사기 몸체(14) 내에 배치된 적어도 하나의 분사 개구(40)를 통해 유체가 흐르는 것을 방지한다. 액추에이터(22)를 작동시킬 때, 노즐 니들(32)은 그 폐쇄된 위치로부터 개방된 위치로 변위되며, 이 개방된 위치에서 노즐 니들은 적어도 하나의 분사 개구(40)를 통해 유체가 흐르는 것을 허용한다.
태핏(52)은 구동 기구(50)의 길이방향 축(L)의 축방향으로 이동 가능하도록 액추에이터(22)와 레버 기구(26) 사이에 배치된다. 태핏(52)은 그 표면의 지정된 서브 구역(sub region)에 리세스(recess)를 포함하고, 제1 접촉 구역에서 액추에이터(22)에 결합되고, 제2 접촉 구역에서 레버 기구(26)의 벨 형상의 몸체(28)에 결합된다. 태핏(52)은 원형으로 원통형인 단면 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 태핏(52)은 또한 추가적인 실시예에서 다른 적절한 형태를 포함할 수 있다.
안내 부재(54)는 액추에이터(22)와 레버 기구 사이에 배치된다. 안내 부재(54)는 예를 들어 분사기 몸체(14)의 일부이다. 안내 부재(54)는 서브 구역에서 태핏(52)을 축방향으로 안내하도록 구현되고 배치된다. 이를 위해, 안내 부재(54)는 예를 들어 안내 보어홀(guide borehole)을 포함한다.
도 1에 도시된 압전 분사기의 간단한 모델의 블록도가 도 2에 도시되어 있다. 이 모델은 병렬로 배치된 기구와 전기적 커패시턴스(C1)를 포함하고, 여기서 커패시턴스(C1)를 통해 흐르는 전류는 i1로 지시되고, 기구를 통해 흐르는 전류는 ip로 지시된다. 커패시턴스(C1) 및 기구의 병렬 회로는 상기 병렬 회로에 전류(i)를 제공하는 전압 소스(u0)에 연결된다.
도 2에 도시된 기구는 질량(m), 스프링, 마찰(r), 힘(F) 및 신장(elongation)(x)을 갖는 스프링-질량 시스템으로 단순화된 형태로 모델링될 수 있다. 도 3은 이러한 스프링-질량 시스템의 개략도를 도시한다.
다음 관계가 성립된다:
F = m
Figure 112017128590951-pct00001
d2x/dt2 + r
Figure 112017128590951-pct00002
dx/dt + D
Figure 112017128590951-pct00003
x,
여기서,
F는 힘이고,
m은 질량이며,
t는 시간이고,
r은 마찰이며,
D는 압전 탄성률이고,
x는 신장이다.
기계적 부분에 대해 전기적 등가 성분이 도출될 수 있다.
상기 기계적 부분의 임피던스에 대해 다음이 성립된다:
Zp(jω) = jω
Figure 112017128590951-pct00004
Lm + 1/(jω
Figure 112017128590951-pct00005
Cm) + Rm.
여기서 Lm은 기계적 인덕턴스이며, 이에 대해 다음이 성립된다:
Lm = m/(kg
Figure 112017128590951-pct00006
km),
여기서, kg은 발진기 상수(generator constant)이고, km는 모터 상수(motor constant)이다.
또한, Cm은 기계적 커패시턴스이고, 이에 대해 다음이 성립된다:
Cm = kg
Figure 112017128590951-pct00007
km/D.
또한, Rm은 기계적 저항이고, 이에 대해 다음이 성립된다:
Rm = r/(kg
Figure 112017128590951-pct00008
km).
도 4는 본 발명에 사용된 압전 분사기의 모델의 블록도를 도시한다. 전술한 성분(C1, Lm, Cm 및 Rm)에 더하여, 상기 모델은 Lm, Cm 및 Rm의 직렬 회로와 병렬로 배치된 저항(RSC)을 포함한다. 상기 저항(RSC)은 결함 저항(fault resistance)이다. 상기 결함 저항의 값을 사용하여, 예를 들어 파괴된 개별 압전 층이 있는 경우에 발생하는 것과 같은, 압전 소자에 원치 않는 전기적 단락이 존재하는지 여부를 검출할 수 있다.
도 4에 따른 표현으로부터, 복소 컨덕턴스(complex conductance)에 대해 다음의 관계가 도출될 수 있다:
Figure 112017128590951-pct00009
.
상기 컨덕턴스를 사용하여, 다음 파라미터들이 결정될 수 있다:
주파수 ω = 0에 대해 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00010
.
최대 컨덕턴스(Y)의 경우 성분(Lm, C1 및 Cm)의 공진 회로 주파수(ω1)에 대해 다음이 성립된다:
ω1 =(Cm/Lm)1/2.
최소 컨덕턴스(Y)의 경우 성분(Lm, C1 및 Cm)의 공진 회로 주파수(ω2)에 대해 다음이 성립된다:
ω2 = [(1/C1 + 1/Cm)/Lm]1/2.
또한, 커패시턴스 비는 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure 112017128590951-pct00011
.
커패시턴스(Cm)의 경우, 낮은 주파수 ω → 0에 대해 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00012
.
저항(Rm)의 경우, RSC → ∞이면 실제 컨덕턴스에 대해 고주파수 ω → ∞에 대해 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00013
.
인덕턴스(Lm)의 경우 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00014
.
샘플에 조사를 수행하여 다음의 값들을 산출했다:
f1 = 12 KHz; f2 = 13 KHz; Cm/C1 = 017; Cm = 7.4 μF;
C1 = 1.3 μF; Rm = 2 Ω; Lm = 24 μH; Cges = 8.7 μF; RSC → ∞.
여기서, f1 및 f2는 압전 고유 주파수이다.
전술한 파라미터(f1, f2, Cm 및 Lm)는 압전 분사기의 동작 동안 모니터 링될 수 있고, 압전 모델의 파라미터를 식별하는데 사용될 수 있다. 저항(RSC)은 결함 발생시에만 존재한다.
도 5는 전술한 모델을 사용하여 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법을 설명하는 흐름도를 도시한다.
단계(S1)에서, 압전 분사기의 작동 전류(i(t)) 및 작동 전압(u(t))을 측정하는 것이 수행된다. 이후, 단계(S2)에서, 작동 전류 및 작동 전압을 주파수 영역으로 변환하는 것이 수행된다:
I(jω) = FFT {i(t)}
U(jω) = FFT {u(t)}.
그 다음, 단계(S3)에서, 주파수 영역으로 변환된 작동 전류 및 주파수 영역으로 변환된 작동 전압으로부터 복소 컨덕턴스를 형성하는 것이 수행된다:
Figure 112017128590951-pct00015
.
이어서, 단계(S4)에서, 복소 컨덕턴스로부터 결함 저항을 결정하는 것이 수행된다:
RSC = Y-1(ω=0).
그 다음에, 단계(S5)에서, 결함 저항(RSC)이 무한대(infinity)로 가는 경향이 있는지 여부에 관해 질문이 수행된다:
RSC → ∞?
만약 무한대로 가지 않은 경우, 공정은 단계(S6)로 이동하고, 여기서 결함 항목이 결함 레지스터에 배치된다. 그 다음, 공정은 단계(S7)로 이동하고, 여기서 예를 들어 자동차의 디스플레이에서 결함 표시가 수행되거나 다른 조치가 개시된다.
한편, 단계(S5)에서 결함 저항(RSC)이 무한대로 가는 경향이 있는 것으로 검출되면, 공정은 단계(S8)로 이동한다. 상기 단계(S8)에서, 전술한 공진 회로 주파수(ω1 및 ω2)를 결정하는 것이 수행되고, 여기서 제1 공진 회로 주파수(ω1)는 복소 컨덕턴스의 최대값에 대해 결정되고, 제2 공진 회로 주파수(ω2)는 복소 컨덕턴스의 최소값에 대해 결정된다.
그 다음에, 단계(S9)에서, 커패시턴스의 비(Cm/C1)를 결정하고 전기적 커패시턴스(C1) 및 기계적 커패시턴스(Cm)를 결정하는 것이 수행된다.
이 동안, 먼저 커패시턴스의 비를 결정하는 것이 스펙트럼을 분석하는 것에 의해 수행된다. 기계적 커패시턴스(Cm)는 극한인 경우 ω → 0을 고려하여 결정된다. 주파수 비와 기계적 커패시턴스(Cm)로부터 C1이 다음 수식에 의해 계산된다:
Figure 112017128590951-pct00016
.
이 경우, 낮은 주파수 ω → 0에 대해 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00017
.
그 다음, 단계(Sl0)에서 기계적 저항(Rm)을 결정하는 것이 수행된다. 고주파수 ω → ∞ 및 실제 컨덕턴스에 대해, RSC → ∞인 경우 다음이 성립된다:
Figure 112017128590951-pct00018
.
마지막으로, 단계(S11)에서 기계적 인덕턴스(Lm)를 결정하는 것이 다음과 같이 수행된다:
Figure 112017128590951-pct00019
.
그 다음, 공정은 단계(S7)로 이동하고, 여기서 전술한 파라미터들 중 하나 이상의 파라미터를 사용하여 결함 거동을 검출하고 또한 가능하게는 압전 분사기의 상기 결함 거동을 보정한다.
예를 들어, 이미 전술한 바와 같이 결정된 결함 저항으로부터 결함 있는 압전 분사기가 존재하는지에 관한 결론이 도출되고 대응하는 지시가 개시된다. 또한, 결정된 파라미터들은 압전 분사기의 모델 표현에 대응하는 데이터를 갖는 저장된 특성 필드를 조정하는데 사용될 수 있다. 또한, 결정된 파라미터는 예를 들어 압전 분사기의 작동 전류, 작동 전압 및/또는 작동 기간(actuation period)을 조정하기 위해 엔진 제어 유닛에서 더 처리될 수 있다. 연료 분사 시스템의 강인성(robustness)은 전술한 바와 같이 파라미터들을 결정하고 이 파라미터들을 엔진 제어 유닛에서 추가적으로 처리하는 것에 의해 유리한 방식으로 증가된다.
본 발명에 따른 방법은 압전 분사기의 노화(ageing) 공정을 검출할 수 있고, 지정된 시스템 공차가 위반된 것을 시기 적절히 신뢰성 있게 검출할 수 있다.
또한, 전술한 방법은 결함 저항(RSC), 기계적 커패시턴스(Cm), 전기적 커패시턴스(C1), 기계적 인덕턴스(Lm) 및 기계적 저항(Rm)을 변수로서 제공한다. 상기 개별 변수들 각각은 진단 목적에 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 압전 분사기의 작업 동작(working operation)을 모니터링하는 방법으로서,
    - 상기 압전 분사기의 작동 전류 및 작동 전압을 측정하는 단계;
    - 상기 작동 전류 및 상기 작동 전압을 주파수 영역으로 변환하는 단계;
    - 상기 주파수 영역으로 변환된 상기 작동 전류와 상기 주파수 영역으로 변환된 상기 작동 전압으로부터 복소 컨덕턴스[Y(jω)]를 형성하는 단계;
    - 상기 복소 컨덕턴스로부터 상기 압전 분사기의 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계; 및
    - 상기 하나 이상의 파라미터를 사용하여 상기 압전 분사기의 결함 거동을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 복소 컨덕턴스로부터 결함 저항(RSC)이 결정되며, 상기 결함 저항은 상기 압전 분사기의 기구의 모델과 병렬로 배치되고, 상기 압전 분사기의 압전 소자에서의 전기적 단락을 검출하는데 사용되는, 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 복소 컨덕턴스로부터 공진 회로 주파수가 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복소 컨덕턴스의 최대값에 대해 제1 공진 회로 주파수(ω1)가 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복소 컨덕턴스의 최소값에 대해 제2 공진 회로 주파수(ω2)가 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 공진 회로 주파수는 커패시턴스들의 비(Cm/C1)를 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복소 컨덕턴스 및 상기 커패시턴스 비로부터 기계적 커패시턴스(Cm)가 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기계적 커패시턴스 및 상기 제1 공진 회로 주파수(ω1)로부터 기계적 인덕턴스(Lm)가 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복소 컨덕턴스로부터 기계적 저항(Rm)이 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 결정된 상기 결함 저항으로부터, 결함 있는 압전 분사기가 존재하는지에 관한 결론이 도출되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 결정된 상기 파라미터들은 상기 압전 분사기의 모델 표현에 대응하는 데이터를 갖는 저장된 특성 필드를 조정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 결정된 상기 파라미터들은 엔진 제어 유닛에서 더 처리되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 결정된 상기 파라미터들은 상기 압전 분사기의 상기 작동 전류, 상기 작동 전압 및/또는 작동 기간을 조정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 분사기의 작업 동작을 모니터링하는 방법.
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