KR102425358B1 - 왕복 펌프를 작동하기 위한 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 유압 시스템 내에서의 압력 발생을 위해 왕복 피스톤 또는 다이어프램을 구비한 펌프를 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 왕복 피스톤 또는 다이어프램은 솔레노이드의 자기장에 의해 구동되는 액추에이터에 의해 가동되고, 이때 유압 시스템 내 시스템 압력이 결정된다.
또한, 본 발명은, 상기 방법을 수행하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 솔레노이드는 시스템 압력 및/또는 적어도 시간 필터링된 시스템 압력에 따라 프리휠에 의해 차단되도록 또는 신속 소거에 의해 차단되도록 구동된다.
프리휠에 의한 차단 또는 신속 소거에 의한 차단을 필요에 맞게 활용함으로써, 펌프의 소음 방출 및 출력 손실을 줄일 수 있다. 그럼에도 필요한 경우 높은 이송 용량이 제공된다.

Description

왕복 펌프를 작동하기 위한 방법 및 제어 장치{METHOD AND CONTROL DEVICE FOR OPERATING A RECIPROCATING PUMP}
본 발명은, 유압 시스템 내에서의 압력 발생을 위해 왕복 피스톤 또는 다이어프램을 구비한 펌프를 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 왕복 피스톤 또는 다이어프램은 솔레노이드의 자기장에 의해 구동되는 액추에이터에 의해 가동되고, 이때 유압 시스템 내 시스템 압력이 결정된다.
또한, 본 발명은, 유압 시스템 내에서의 압력 발생을 위해 왕복 피스톤 또는 다이어프램을 구비한 펌프를 제어하기 위한 제어 장치에 관한 것으로, 상기 왕복 피스톤 또는 다이어프램의 가동을 위해 솔레노이드의 자기장에 의해 구동되는 액추에이터가 제공되고, 이때 유압 시스템 내 시스템 압력의 결정을 위해 압력 센서 또는 솔레노이드를 통하는 전류 거동의 분석이 제공된다.
복귀 유동(return flow)이 없는 유압 시스템에서는 통상 왕복 펌프 또는 다이어프램 펌프를 이용하여 압력이 발생한다. 필요한 경우, 투입(dosing) 장치를 통해 원하는 액체량이 배출된다. 펌프 내에는 이송 행정을 위해 피스톤 또는 다이어프램을 가동하기 위한 자기 구동식 액추에이터가 제공된다. 흡입 행정 중에 피스톤 또는 다이어프램의 재순환을 위해 스프링이 제공된다. 원하는 목표 압력 범위의 설정은 파일럿 제어를 이용해서 혹은 폐쇄 제어 회로에서 수행될 수 있다. 제어 회로의 실현을 위해 일반적으로 유량 제어 밸브 또는 압력 제어 밸브 내지는 계량 장치들이 사용된다. 자기 구동식 액추에이터를 구동하는 솔레노이드가 구동되면, 액추에이터가 전행정(full stroke)을 실시하고, 펌프가 이송 챔버의 크기에 의해 사전 설정된 액체량을 이송한다. 액추에이터의 재순환을 위해서는, 솔레노이드의 구동 신호가 차단되고 프리휠 다이오드를 통해 자기장이 소거되거나("프리휠"), 솔레노이드를 통한 자기장의 소거 가속화("신속 소거")를 위해 추가로 서지 방지 다이오드(anti-surge diode) 또는 옴 저항이 제공된다.
프리휠에 의한 차단은 신속 소거에 비해, 솔레노이드를 통하는 전류가 더 서서히 소멸되고, 제어 장치의 전기 부하 및 손실열이 감소한다는 장점이 있다. 이 경우 더 작은 전류 구배가 발생함에 따라 전자기 적합성(EMC)이 더 유리하다. 귀환 시 액추에이터의 더 낮은 속도 및 액추에이터가 끝 위치에 충돌 시 감소하는 속도 때문에, 펌프의 소음 방출이 더 적어진다. 이처럼 더 느린 흡기 행정은 당연히 단위 시긴당 가능한 펌프 주파수 및 그와 더불어 가능한 최대 이송 용적을 감소시킨다.
신속 소거에 의한 차단을 통해 더 높은 펌프 주파수 및 그와 더불어 더 높은 유량 흐름을 실현할 수 있다. 이러한 작동 모드에서는 당연히 제어 장치가 더 높은 온도 하중을 받으며, 액추에이터가 한계점에 충돌하는 속도가 더 높기 때문에 펌프의 소음 방출이 커진다.
공보 DE 10 2008 042 987 A1호는 방출 챔버 내로 액체를 주입하기 위한 투입 장치를 기술하고 있다. 이 투입 장치는 방출 챔버 내로 통하는 노즐을 포함하고, 그 외에 계량 밸브를 구비한 계량 유닛도 더 포함한다. 계량 밸브는, 계량 유닛의 밸브 몸체 내에서 중간 챔버의 형성 하에 안내되는 밸브 샤프트를 포함한다. 밸브 샤프트는 상기 중감 챔저 내로의 액체 방출을 가능케 하는 하나 이상의 개구를 포함하며, 상기 중감 챔버는 연성 벽부에 의해 제한된다. 계량 유닛에 의해, 압력 제어식 노즐을 통해 환원제가 방출 챔버 내로 분사될 수 있다. DE 10 2008 042 987 A1호가 기술적 환경을 기술하고는 있지만, 본 명세서에서 제안하는 것과 같은 제어 전략은 개시하고 있지 않다.
DE 10 2012 009 729 A1호로부터 공지된, 변위 용적형 유압 기계의 조정 유닛을 조정하기 위한 압력 이송 흐름 제어기에서는 조정 유닛의 제어를 위한 제어 밸브들이 제공된다. 조정 유닛의 제어 밸브들은 청구항 7에 따라 전자 제어 유닛을 이용하여 특히 압력 라인 내 압력 및/또는 조정 실린더의 피스톤의 변위 경로에 기초해서 제어될 수 있다. 청구항 8에 따라, 제어 유닛은 3점 제어식 제어 밸브들을 압력에 따라 제어할 수 있다. 도 2 및 단락 [0044]에 3점 제어에 대해 기술되어 있다. 여기서, 3점 제어는 스위치-온 위상, 스위치-오프 위상, 및 정지 위상을 실행하는 개별 액추에이터에 의해 작동되지 않는다. 오히려 조정 시스템은 3개의 액추에이터 및 용적형 기계의 조정 기구로 구성된 전체로서 상기 거동을 보인다.
본 발명의 과제는, 왕복 펌프 또는 다이어프램 펌프를 구비한 투입 시스템 내에서 제어 밸브 없이 시스템 압력의 원하는 제어 정확성을 구현하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 투입 장치의 손실 출력 및 소음 방출을 줄이는 것이다.
또한, 상기 방법을 수행하기에 적합한 제어 장치를 제공하는 것이다.
방법과 관련한 본 발명의 과제는, 솔레노이드가 시스템 압력 및/또는 적어도 시간 필터링된 시스템 압력에 따라 프리휠에 의해 차단되거나 또는 신속 소거에 의한 차단되도록 구동됨으로써 해결된다. 프리휠에 의한 차단 또는 신속 소거에 의한 차단을 필요에 맞게 사용함으로써, 신속 소거를 수반하는 연속 작동에 비해 펌프의 소음 방출 및 열 발생이 감소할 수 있다. 유량 흐름의 증가 시에는 신속 소거에 의한 차단이 사용됨에 따라, 필요한 이송 용량이 제공된다. 시스템 압력은 압력 센서를 이용해서 측정되거나, 솔레노이드를 통하는 전류의 거동을 토대로 결정될 수 있다.
소음 방출이 적은 본원 방법의 한 실시예에서는, 제1 압력 곡선이 제1 압력 임계치를 하회하고, 제1 압력 곡선 또는 제2 압력 곡선이 제2 압력 임계치를 상회하며, 상기 제2 압력 임계치가 제1 압력 임계치보다 작은 경우, 솔레노이드는 프리휠에 의해 차단되도록 구동된다. 이때, 제1 압력 곡선은 압력 센서에 의해 측정된 시스템 압력에 상응하거나, 상기 시스템 압력으로부터 제1 저역 통과 필터링을 통해 유도될 수 있다. 마찬가지로, 제2 압력 곡선은 시스템 압력 또는 제1 압력 곡선으로부터 제2 저역 통과 필터링을 통해 유도될 수 있다. 제2 저역 통과 필터링이 제1 저역 통과 필터링보다 더 긴 시간 상수로 수행되는 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
소음 방출이 적은 본원 방법의 또 다른 한 실시예에서는, 제1 압력 곡선이 제1 압력 임계치를 하회하고; 제1 압력 곡선 또는 제2 압력 곡선이 제2 압력 임계치를 하회하고 제3 압력 임계치를 상회하며; 직전에 신속 소거에 의한 차단이 실시되었고 제3 압력 임계치가 제2 압력 임계치보다 작은 경우; 솔레노이드는 프리휠에 의해 차단되도록 구동된다.
이송 용적이 증가되는 본원 방법의 한 실시예에서는, 제1 압력 곡선이 제1 압력 임계치를 하회하고, 제1 압력 곡선 또는 제2 압력 곡선이 제3 압력 임계치를 하회하는 경우, 솔레노이드는 신속 소거에 의해 차단되도록 구동된다.
이송 용적이 증가되는 본원 방법의 또 다른 한 실시예에서는, 제1 압력 곡선이 제1 압력 임계치를 하회하고; 제2 압력 곡선이 제2 압력 임계치를 하회하고 제3 압력 임계치를 상회하며; 직전에 프리휠에 의한 차단이 수행된 경우; 솔레노이드는 신속 소거에 의해 차단되도록 구동된다.
본원 방법의 한 실시예에서, 솔레노이드를 프리휠을 이용하여 차단할지 아니면 신속 소거를 이용하여 차단할지에 대한 판단은, 단독으로 또는 추가로 제1 및/또는 제2 압력 곡선의 시간에 따른 변화도의 분석에 기반하여 수행된다. 이 경우, 제1 압력 곡선이 제1 압력 임계치에 미달하면, 펌프 주기가 제어된다.
장치와 관련한 본 발명의 과제는, 제어 장치 내에 전술한 실시예들 중 하나에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 시퀀스 또는 회로가 제공됨으로써 해결된다.
본 발명은 하기에서 도면에 도시된 실시예를 토대로 더 상세히 설명된다.
도 1은 유압 시스템 내 압력 거동들을 나타낸 그래프이다.
도 1은 압력축(11) 및 시간축(17)을 가진 압력 그래프(10)를 보여준다.
압력 그래프(10) 내에는, 솔레노이드의 자기장에 의해 가동되는 자기 액추에이터에 의해 구동되는 왕복 펌프 또는 다이어프램 펌프를 구비한 유압 시스템 내 시스템 압력의 시간에 따른 거동 또는 그로부터 유도된 값을 나타내는 제1 압력 곡선(12) 및 제2 압력 곡선(13)이 기입되어 있다. 왕복 펌프 또는 다이어프램 펌프는 예컨대, 내연기관의 배기가스 덕트 내 탈질화 장치에서 요소 수용액("Ad-Blue")용 투입 장치 내에 시스템 압력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 제1 압력 곡선(12)은 한 실시예에서 시스템 압력으로부터 저역 통과 필터링을 통해 생성된다. 제2 압력 곡선(13)은 시스템 압력 또는 제1 압력 곡선(12)으로부터, 제1 압력 곡선(12)의 생성 시보다 더 큰 시간 상수를 이용한 저역 통과 필터링을 통해 획득된다. 본 발명에 따라, 제1 압력 곡선(12) 및 제2 압력 곡선(13)은, 제1 압력 임계치(14), 그 아래에 위치한 제2 압력 임계치(15), 및 제2 압력 임계치(15) 아래에 놓인 제3 압력 임계치(16)와 비교된다. 상기 비교 및 추가 논리 연산들을 토대로, 솔레노이드가 후속하는 펌프 주기 내에서 프리휠에 의해 차단되도록 구동될 지 아니면 신속 소거에 의해 차단되도록 구동될 지가 유도된다.
하나의 펌프 주기에서, 솔레노이드에는 사전 설정된 지속시간 동안 전압이 인가된다. 프리휠에 의한 차단 시, 전압원이 솔레노이드와 분리되고, 자력은 솔레노이드에 대해 병렬로 배치된 프리휠 다이오드에 의해 소멸된다. 신속 소거에 의한 차단 시, 자력의 소멸은 솔레노이드에 연결된 서지 방지 다이오드(제너 다이오드) 또는 옴 저항에 의해 지원되고 가속화된다. 신속 소거에 의한 차단은, 펌프 주기가 전체적으로 축소됨으로써 단위 시간 당 더 많은 펌프 주기가 실행될 수 있다는 장점이 있다. 그로 인해 단위 시간 당 펌프 이송량이 증가할 수 있다. 다른 측면에서는 자기 액추에이터의 한계점에서의 더 높은 속도가 더 많은 소음 방출을 야기한다. 시스템 내 손실열이 증가하여, 펌프 및 관련 제어부의 온도 상승을 야기한다. 프리휠에 의한 차단은 솔레노이드를 통하는 전류가 서서히 소멸된다는 장점이 있다. 그럼으로써 제어부의 전기 부하가 감소하고, 시스템의 전자기 적합성(EMC)이 개선된다. 또한, 자기 액추에이터의 한계점에서의 속도 감소에 의해 소음 방출이 저감된다. 이러한 실시예는, 각각의 작동 모드에서 더 긴 펌프 주기 및 그로 인해 감소한 이송 용량으로 충분한 경우에 적합하다.
본 발명에 따라, 현재 작동 조건 하에서 필요한 이송 용량을 토대로 프리휠에 의한 차단과 신속 소거에 의한 차단을 선택할 수 있다. 압력 강하 시, 시스템으로부터의 액체 방출이 초래된다. 따라서 시스템 압력은 차단 유형을 판단하는 데 이용된다. 이 경우, 본 실시예에서처럼, 시스템 압력은 평가를 위해 하나 이상의 저역 통과 필터를 이용하여 필터링될 수 있다.
여기 도시된 실시예에는, 차단 유형에 대한 판단을 위한 하기의 제어가 적용된다:
1. 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 상회하면, 펌프가 제어되지 않음.
2. 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회할 경우, 그리고
- 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 상회하거나,
- 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 하회하고 제3 압력 임계치(16)를 상회하며, 마지막 차단이 신속 소거에 의한 차단이었던 경우에,
펌프의 제어 및 프리휠에 의한 차단이 수행됨.
3. 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회할 경우, 그리고
- 제2 압력 곡선(13)이 제4 압력 임계치(16)를 하회하거나,
- 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 하회하고 제3 압력 임계치(16)를 상회하며, 마지막 차단이 프리휠에 의해 수행된 경우에,
펌프의 제어 및 신속 소거에 의한 차단이 수행됨.
압력 그래프(10) 내에는 제1 및 제2 압력 곡선(12, 13) 외에 이들로부터 유도된 펌프 주기 차단들도 도시되어 있다. 압력 그래프(10)의 좌측 시작부에서는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 위에 놓여 있고, 펌프 주기가 실시되지 않는다. 제1 시점(21)에서 제1 압력 곡선(12)은 제1 압력 임계치(14)를 하회하고, 제1 펌프 주기(31)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 상회하기 때문에, 제1 펌프 주기(31)는 프리휠에 의해 차단되도록 제어되어 제2 시점(22)까지 지속된다. 제1 압력 곡선(12)은 처음에는 상승하지만, 추가의 액체 방출 때문에 전체적으로는 계속 하강한다.
제2 시점(22)에는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 아래에 놓임으로써, 곧바로 제2 펌프 주기(32)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 상회하기 때문에, 제2 펌프 주기(32)는 프리휠에 의해 차단되도록 제어되어 제3 시점(23)까지 지속된다.
제3 시점(23)에는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 아래에 놓임으로써, 곧바로 제3 펌프 주기(33)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)에는 못미치지만 제3 압력 임계치(16)를 상회하고, 선행 펌프 주기가 프리휠에 의해 차단되었기 때문에, 제3 펌프 주기(33)는 신속 소거에 의해 차단되도록 제어되어 제4 시점(24)까지 지속된다.
제4 시점(24)에는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 아래에 놓임으로써, 곧바로 제4 펌프 주기(34)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)에는 못미치지만 제3 압력 임계치(16)를 상회하고, 선행 펌프 주기가 신속 소거에 의해 차단되었기 때문에, 제4 펌프 주기(34)는 프리휠에 의해 차단되도록 제어되어 제5 시점(25)까지 지속된다.
제5 시점(25)에는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 아래에 놓임으로써, 곧바로 제5 펌프 주기(35)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)에는 못미치지만 제3 압력 임계치(16)를 상회하고, 선행 펌프 주기가 프리휠에 의해 차단되었기 때문에, 제5 펌프 주기(35)는 신속 소거에 의해 차단되도록 제어되어 제6 시점(26)까지 지속된다. 제6 시점(26)에 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14) 위에 놓임으로써, 처음에는 추가의 펌프 주기가 제어되지 않는다.
제7 시점(27)에는 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)에 미딜함에 따라, 제6 펌프 주기(36)가 시작된다. 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15) 위에 놓이므로, 제6 펌프 주기(36)는 프리휠에 의해 차단되도록 제어되어 제8 시점(28)까지 지속된다.

Claims (7)

  1. 유압 시스템 내에서의 압력 발생을 위해 왕복 피스톤 또는 다이어프램을 구비한 펌프를 제어하는 방법으로서, 상기 왕복 피스톤 또는 다이어프램은 솔레노이드의 자기장에 의해 구동되는 액추에이터에 의해 가동되고, 이때 유압 시스템 내 시스템 압력이 결정되는, 펌프 제어 방법에 있어서,
    상기 솔레노이드는 시스템 압력 및/또는 적어도 시간 필터링된 시스템 압력에 따라 프리휠에 의해 차단되도록 구동되거나, 신속 소거에 의해 차단되도록 구동되고,
    제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회하고, 제1 압력 곡선(12) 또는 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 상회하며, 상기 제2 압력 임계치(15)가 제1 압력 임계치(14)보다 작은 경우, 솔레노이드는 프리휠에 의해 차단되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회하며, 제1 압력 곡선(12) 또는 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 하회하고 제3 압력 임계치(16)를 상회하며, 직전에 신속 소거에 의한 차단이 실시되었고 제3 압력 임계치(16)가 제2 압력 임계치(15)보다 작은 경우, 솔레노이드는 프리휠에 의해 차단되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회하고, 제1 압력 곡선(12) 또는 제2 압력 곡선(13)이 제3 압력 임계치(16)를 하회하는 경우, 솔레노이드는 신속 소거에 의해 차단되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제1 압력 곡선(12)이 제1 압력 임계치(14)를 하회하며, 제2 압력 곡선(13)이 제2 압력 임계치(15)를 하회하고 제3 압력 임계치(16)를 상회하며, 직전에 프리휠에 의한 차단이 수행된 경우, 솔레노이드는 신속 소거에 의해 차단되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 솔레노이드를 프리휠을 이용하여 차단할지 아니면 신속 소거를 이용하여 차단할지에 대한 판단은, 단독으로 또는 추가로 제1 및/또는 제2 압력 곡선(12, 13)의 시간에 따른 변화도의 분석에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 방법.
  7. 유압 시스템 내에서의 압력 발생을 위해 왕복 피스톤 또는 다이어프램을 구비한 펌프를 제어하기 위한 제어 장치로서, 상기 왕복 피스톤 또는 다이어프램의 가동을 위해 솔레노이드의 자기장에 의해 구동되는 액추에이터가 제공되고, 이때 유압 시스템 내 시스템 압력의 결정을 위해 압력 센서 또는 솔레노이드를 통하는 전류 거동의 분석이 제공되는, 펌프 제어 장치에 있어서,
    제어 장치 내에 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 시퀀스 또는 회로가 제공되는 것을 특징으로 하는, 펌프 제어 장치.
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