KR20010023222A - 용량성 엑추에이터를 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용량성 엑추에이터를 트리거링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 용량성 엑추에이터에는 에너지(E)가 제공되고 엑추에이터에 인가되는 엑추에이터 전압(Up)이 측정된다. 에너지(E) 및 엑추에이터 전압(Up)과 기준 전압(Bo; Bu)의 비교로부터 기능 상태, 예를 들어 에러 또는 엑추에이터 또는 분사 밸브의 올바른 기능이 유추된다. 또한, 엑추에이터 전압(Up)으로부터 엑추에이터 행정(ds)이 유추된다. 본 방법은 엑추에이터 특성 곡선(KL I; KL Ⅱ)을 갖는 다이어그램에 나타난 규칙성을 토대로 한다.
Description
이러한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치는 아직 공개되지 않은 독일 특허 출원서 196 44 521.3에 설명된다. 상기 방법에서는 용량성 엑추에이터에 주어진 에너지가 제공된다. 이것은, 엑추에이터에 대한 충전 커패시터의 정해진 재충전에 의해 이루어지며, 충전 커패시터는 스타트 전압값에서 종결 전압값으로 방전된다. 대안적으로 엑추에이터에 흐르는 또는 인가되는 전류 및 전압값의 측정에 의해 엑추에이터에 제공된 에너지가 검출된다.
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른, 용량성 엑추에이터, 특히 연료 분사 밸브용 압전 엑추에이터를 제어하기 위한 방법 및 청구항 제 9항의 전제부에 따른, 상기 방법의 실행을 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 엑추에이터 특성 곡선에 대한 다이어그램이고,
도 2는 실시예의 배치도이며,
도 3은 도 2에 따른 장치의 작동 방식과 관련된 흐름도이다.
본 발명의 목적은, 엑추에이터 또는 연료 밸브의 기능 상태의 진단이 이루어지도록 용량성 엑추에이터를 제어하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은 청구항 제 1항 및 제 9항에 언급된 특징에 의해 달성된다.
본 발명의 장점은 간단한 수단으로 기능 상태를 빠르고 확실하게 검출하는 것이다. 본 발명에 따른 방법은 상이한 에러 타입, 예를 들어 더이상 개방되지 않거나 더이상 닫히지 않는 연료 분사 밸브를 구분하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은, 엑추에이터에 제공된 에너지값 및 엑추에이터에서 측정된 엑추에이터 전압으로부터 엑추에이터의 편위(excursion) 및 이에 따른 엑추에이터 또는 연료 분사 밸브의 기능 상태를 추론하는 것으로부터 출발한다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예 및 개선예는 종속항에서 다루어진다.
첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 자세히 살펴보면 하기와 같다.
도 1에는 엑추에이터 특성 곡선 및 부하 곡선을 갖는 다이어그램이 도시된다. 세로 좌표는 엑추에이터(P)에 의해 형성된 엑추에이터힘(Fp) 및 부하 바디에 작용하는 부하(F1)를 나타낸다. 부하 바디의 실시예는 예를 들어 엑추에이터(P)에 의해 트리거링되는 연료 분사 밸브의 분사 니들(injector needle)이다. 횡좌표는 엑추에이터(P)의 행정(ds) 및 부하 편위(excursion)(x)이며, 상기 부하 편위(x)만큼 부하 바디가 상기 부하 바디에 작용하는 부하(F1)에 의해 편위된다.
0점으로부터 시작되는 도시된 각각의 부하 곡선, 예를 들어 Lmin 및 Lmax는 부하(F1)에 대한 부하 편위(x)의 선형 종속성을 도시하며, 각각의 부하 바디는 그것의 바디 형태 및 스프링 특성, 예를 들어 주어진 탄성 계수를 갖는 중공 실린더 형태의 금속 바디에 의해 특징지워진다. 부하 바디의 다른 실시예, 예를 들어, 상이한 탄성 계수를 가지며, 상이한 스프링 상수를 갖는 직렬 연결 스프링과 같이 작용하고 위아래로 층을 이루는 다수의 바디로 이루어진, 부하 바디 또는 다이나믹하게 움직이는 부하 바디에서는 비선형 종속성이 발생한다.
엑추에이터(P) 및 부하 바디는 기계적으로 서로 커플링되며, 따라서 부하 곡선의 절단점은 엑추에이터 특성 곡선과 함께 엑추에이터(P)의 작동점을 규정한다.
각각의 엑추에이터 특성 곡선(KL I, KL Ⅱ)은 엑추에이터(P)에 제공된 주어진 에너지(E)에서 압전 엑추에이터(P)에 있어서 전형적인, 엑추에이터 행정(ds)에 대한 엑추에이터힘(Fp)의 종속성을 도시한다. 특성 곡선 KL I은 실시예에서 63 mJ를 가지며, 특성 곡선 KL Ⅱ는 51 mJ를 갖는다. 엑추에이터(P)에서 측정된 엑추에이터 전압(Up)은 엑추에이터 행정(ds) 및 엑추에이터힘(Fp)에 따라 달라진다. 엑추에이터(P)는 예를 들어 엑추에이터에 제공된 에너지가 E = 63 mJ이고 측정 엑추에이터 전압이 Up = 0일때, ds = 20㎛의 엑추에이터 행정 및 Fp = 0 N인 엑추에이터힘을 갖는다.
도 1에 예시적으로 도시된 규칙성이 본 발명에 사용된다. 엑추에이터 행정(ds)이 주어진 범위(B)의 하부 및 하부 에지로서 하부 기준값(Bu) 및 상부 기준값(Bo)을 갖는 주어진 범위(B)에 있으면, 엑추에이터 또는 연료 분사 밸브의 올바른 작동 상태가 유추된다. 상기 범위의 에지는 예를 들어 연료 분사 밸브에서 허용된 최소 행정(dsmin) 또는 허용된 최대 행정(dsmax)에 상응한다. 엑추에이터 행정(ds)이 범위(B) 밖에 위치하면 제 1 에러 타입(F1)(ds > dsmax) 또는 제 2 에러 타입(ds < dsmin)의 에러가 유추된다. 엑추에이터 행정(ds)은 주어진 엑추에이터 특성 곡선 중 하나로부터의 측정 엑추에이터 전압(Up)으로 검출된다.
기준값(Bu, Bo)은 엑추에이터(P)의 작동점을 의미하며, 에러 타입에 있어서 전형적으로 발생하는 부하(F1)가 이론적으로 또는 실험적으로 모방되고 이렇게 검출된 엑추에이터(P)의 작동점에 기준값이 할당됨으로써, 상기 기준값(Bu, Bo)이 검출된다.
상기 범위(B)의 에지 영역은 기능 상태가 확실히 검출되지 않는 허용 오차 범위(T)를 갖는다. 기능 상태에 대한 확실한 진단을 보장하기 위해, 범위(B)내에서 올바른 기능 상태가 보장되도록, 범위(B)의 에지가 선택된다. 범위(B) 밖의 허용 오차 범위(T)에 있는 엑추에이터 행정(ds)이 검출되면, 작동 상태, 예를 들어 엑추에이터 행정(ds)와 함께 기능 상태의 확실한 검출을 가능하게 하는 엔진 소음에 대한 추가 측정값(M)이 수용된다.
제 1 에러 타입(F1), 제 2 에러 타입(F2) 및 추가 에러 타입으로의 분류는 연료 분사 밸브에서 발생하는 에러 타입의 개략적인 분류를 가능하게 한다. 실시예에서 제 1 에러 타입(F1)은 엑추에이터 스프링의 파손을 가리키며, 제 2 에러 타입(F2)은 엑추에이터(P)에 연결된 기계의 잼(jam)을 나타낸다. 추가 에러 타입으로의 분류는 추가 에러 타입을 상기 에러 타입을 특징화하는 하나 또는 다수의 기준값에 할당함으로써 얻어진다.
본 발명에 따른 방법에 필요한 엑추에이터 특성 곡선, 기준값 및 이에 상응하는 에러 타입이 실험적으로, 예를 들어 엔진 테스트 상태에서 검출되며 제어 장치(ST)(도 2)에서 특성 다이어그램(KF)으로 설정된다.
대안적으로 압전 엑추에이터의 특성이 샘플에 의해 나타날 수 있다. 하기의 식이 적용된다:
ds = f(k,E,Up)
상기 식에서,
ds는 엑추에이터(P)의 엑추에이터 행정,
E는 엑추에이터(P)에 제공된 에너지,
Up는 엑추에이터에서 측정된 엑추에이터 전압,
k는 엑추에이터의 기계적 및 전기적 특성을 설명하는 엑추에이터 상수.
추가적으로 도 2에 따른 엑추에이터를 제어하기 위한 장치에서 발생하는 손실이 소자에서 측정되고 손실을 보상하기 위한 이에 상응하는 보정 펙터가 검출되고 특성 다이어그램(KF)에 저장된다.
압전 엑추에이터(P)가 온도에 따른 특성을 가지기 때문에, 엑추에이터 특성 곡선에 나타난 엑추에이터(P)의 특성이 엑추에이터 온도(Tp) 변화시 변하게 된다. 온도 보상은 특성 다이어그램(KF)에 저장된 보정 펙터에 의한 기준값의 매칭에 의해 이루어진다.
특성 다이어그램(KF)은 도 3에 따른 제어 과정에서 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 데이터 베이스로 사용된다.
도 2에는 제어 장치(ST) 및 상기 제어 장치(ST)에 접속된 트리거링 회로(As)에 의해, 도 3에 따른 방법에 따라 용량는 엑추에이터(P)를 제어하기 위한 장치가 도시되며, 상기 제어 장치(ST)는 추가로 도시되지 않은, 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 엔진 제어 장치의 부분일 수 있다.
트리거링 장치(As)는 충전 커패시터(C)를 가지며, 상기 충전 커패시터(C)는 플러스극(+)에 위치하는 메인 스위치(X1)를 통해 에너지원(V)과 접속되고, 상기 메인 스위치(X1)와 접속된 진동 코일(L) 및 마이너스극(GND)과 접속된 보조 스위치(X2)로 이루어진 직렬 회로가 상기 충전 커패시터(C)에 평행하게 위치한다. 보조 스위치(X2)에 대해 평행하게
- 진동 코일(L)쪽으로 전류가 흐르는 방전 스위치(X4) 및 진동 코일(L)로부터 전류가 흐르는 충전 스위치(X3)의 병렬 회로 및
- 마이너스극(GND) 방향으로 전류가 흐르는 다이오드(D)를 갖는 엑추에이터(P)의 병렬 회로로 이루어진 직렬 회로가 위치한다.
제어 장치(ST)는 엑추에이터 특성 곡선 및 온도에 따른 엑추에이터 특성 변화를 보상하고 트리거링 회로(As)에서의 손실을 보상하기 위한 보정 펙터를 갖는 특성 다이어그램(KF)을 갖는다. 제어 장치(ST)는 도 3에 설명된 작동 단계로 입력 신호에 따른, 내부에서 진행되는 프로그램에 따라 스위치(X1 내지 X4)를 제어하며, 상기 제어 장치(ST)에는 입력 신호로서 엑추에이터 전압(Up), 트리거링 신호(sta), 측정값(M) 및 온도 센서에 의해 검출된 엑추에이터 온도(Tp)가 제공된다.
도 3에 도시된 흐름도에 의해, 전체 스위치(X1 내지 X4)가 비도전적이고(흐름도에서 X1 내지 X4=0에 의해 표시됨) 진동 코일(L)이 전류가 없는 상태인 스타트 상태(상태 I)로부터 출발하는, 도 2에 따른 장치에서 진행되는 트리거링 과정이 설명된다.
제어 신호 sta=1(상태 Ⅱ)의 스타트로 트리거링 과정이 릴리스되고, 상기 트리거링 과정은 주어진 에너지(E)를 엑추에이터(P)에 충전한다(상태 Ⅲ). 이를 위해 예를 들어 최대 전압으로 충전된 충전 커패시터(C)가 최소 전압에 도달할 때 까지 엑추에이터(P)상의 진동 코일(L)을 통해 재충전된다. 그런 다음, 재충전 과정이 종결되고(상태 Ⅳ) 및 엑추에이터 전압(Up)이 측정되며, 기준값(Upmin, Upmax)과 상기 측정 전압(Up)의 차이로부터 엑추에이터(P) 또는 연료 분사 밸브의 기능 상태가 유추된다. 작동 전압(Up)이 최소 기준값(Upmin)에 미달하거나 최대 기준값(Upmax)을 초과할 경우, 제 1 에러 타입(F1)(상태 Ⅴ) 또는 제 2 에러 타입(F2)(상태 Ⅵ)이 유추된다. 제어 신호 sta = 0의 끝(상태 Ⅶ)으로 엑추에이터(P)가 방전되고(상태 Ⅷ), 그 다음 상기 엑추에이터는 이미 새로운 트리거링 과정을 위한 것이 된다(상태 Ⅸ).
본 발명의 추가 실시예에서는 재충전 및/또는 방전 과정 동안 연속적으로 또는 적어도 몇몇 시점에서 실제 에너지(E) 및 이에 상응하는 엑추에이터 전압(Up)이 측정된다. 에너지(E)는 예를 들어, 커패시터 전압(Uc)의 측정에 의해 또는 엑추에이터(P)를 통해 흐르는 전류값과 엑추에이터 전압(Up)값의 곱셈에 의해 그리고 상기 전류값과 상기 곱셈 결과의 적분값과의 곱셈에 의해 충전 또는 방전 과정의 시간에 걸쳐 검출될 수 있다. 에너지(E) 및 엑추에이터 전압(Up)의 다수의 측정에 의해 바람직하게 기능 상태의 빠르고 정확한 검출이 가능하다.
추가적으로, 엑추에이터 전압(Up)을 엑추에이터(P)의 방전 과정(상태 Ⅷ) 후 측정할 수 있다. 엑추에이터 전압(Up)이 추가 기준값을 초과할 경우, 추가 에러 타입, 예를 들어 편위된 상태에서 엑추에이터(P)의 잼이 유추될 수 있다. 즉, 편위된 상태의, 옴 저항이 높은 엑추에이터(P)에서 내부 재충전 과정이 완전히 실행되기 위해, 방전 과정이 짧고, 따라서 엑추에이터(P)에 나머지 전압이 잔류한다.
엑추에이터(P)의 온도 종속성은, 하부 기준값(Bu) 및 상부 기준값(Bo) 또는 다른 기준값이 제어 장치(ST)의 특성 다이어그램(KF)에서 설정된 보정 펙터에 따라 변동됨으로써, 보상된다.
엑추에이터(P)는 연료 분사 밸브에서 내연 기관의 연소실에 대한 연료 공급을 제어한다. 따라서, 전술한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치는 바람직하게 내연 기관의 작동 동안 분사 과정시 진단 기능을 수행하며, 이것에 의해 에러 발생의 경우 신속하게 적합한 대응 조치가 취해질 수 있다. 예를 들어 제 1 에러 발생(F1)의 경우, 밸브가 더이상 닫히지 않고 연료가 연소실로 연속적으로 흐른다. 에러가 있는 연료 분사 밸브를 갖는 실리더의 연료 공급을 차단함으로써, 또는 진동(vibration)이 없는 엔진 동작을 유지하기 위해 다수의 실린더를 차단함으로써, 엔진의 손상을 피할 수 있으며, 차량이 자체 에너지로 다음 작업장에 도달할 수 있다.
연료 분사 밸브에서 분사 과정을 최적화하기 위해, 예를 들어 개발 단계 또는 테스트 단계에서 본 발명에 따른 방법이 사용되며, 이것에 의해 바람직하게 트리거링 과정 동안 내부 진행에 대한 추론이 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명은 제조시 종결 제어를 위해 생산 라인 종결부에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다른 사용 영역, 예를 들어 압전 엔진 오퍼레이터(motor operator)에서 기능 상태의 진단에 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 용량성 엑추에이터(P), 특히 내연 기관의 압전으로 작동하는 연료 분사 밸브를 제어하기 위한 방법에 있어서,엑추에이터(P)에 제공된 에너지(E)를 검출하고, 상기 에너지(E)에 속하는, 엑추에이터(P)에 인가된 엑추에이터 전압(Up)을 측정하며,상기 에너지(E) 및 엑추에이터 전압(Up)으로부터 기능 상태를 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서,에너지(E) 및 적어도 하나의 기준값(Bu; Bo)과 엑추에이터 전압(Up)의 차이로부터 기능 상태를 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,- 하부 기준값(Bu)과 상부 기준값(Bo) 사이에 있는 엑추에이터 전압(Up)에서는 올바른 기능 상태를 유추하고,- 하부 기준값(Bu)에 미달하는 엑추에이터 전압(Up)에서는 제 1 에러 타입(F1)을 유추하며,- 상부 기준값(Bo)을 초과하는 엑추에이터 전압(Up)에서는 제 2 에러 타입(F2)을 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,에너지(E) 및 상기 에너지(E)에 속하는 엑추에이터 전압(Up)의 다수의 값을 검출하고, 상기 값으로부터 기능 상태를 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,기준값(Bu, Bo)이 엑추에이터 온도(Tp)에 따라 변동하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,에러 타입에 할당된 엑추에이터(P)의 작동점을 검출하고, 이것으로부터 기준값(Bu; Bo)을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,추가 측정값(M), 특히 내연 기관의 자체 소음으로부터 기능 상태를 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,에너지(E) 및 엑추에이터 전압(Up)으로부터 엑추에이터 행정(ds)을 유추하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치에 있어서,트리거링 회로(As)가 충전 커패시터(C)를 가지며, 상기 충전 커패시터(C)는 메인 스위치(X1)를 통해 에너지원(V)과 접속되고, 상기 충전 커패시터(C)에 메인 스위치(X1)와 접속된 진동 코일(L) 및 보조 스위치(X2)로 이루어진 직렬 회로가 병렬로 위치하고, 보조 스위치(X2)에 평행하게- 방전 스위치(X4) 및 충전 스위치(X3)의 병렬 회로 및- 마이너스극(GND)쪽으로 전류가 흐르는 다이오드(D)를 갖는 엑추에이터(P)의 병렬 회로로 이루어진 직렬 회로가 위치하고,제어 장치(ST)가 트리거링 회로(As)를 트리거링하고 엑추에이터 특성 곡선(KL I; KL Ⅱ), 기준값(Bu; Bo) 및 바람직하게 온도 보상 및 트리거링 회로(As) 소자의 손실 보상을 위한 보정값을 포함하는 특성 다이어그램을 가지며,제어 장치(ST)가 입력 신호 및 특성 다이어그램(KF)의 특성 곡선에 따른, 내부에서 진행되는 프로그램에 따라 스위치(X1 내지 X4)를 제어하고, 상기 제어 장치(ST)에 입력 신호로서 엑추에이터 전압(Up), 엑추에이터 온도(Tp), 추가 측정값(M) 및 트리거링 신호(sta)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
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