KR20180095581A - 분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20180095581A
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토마스 피셔
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 테스트용 유체(4)를 측정 챔버(2) 내로 분사하는 동안 측정 챔버(2)를 제한하는 피스톤(3)의 행정(x)을 포함하는 측정값들을 토대로 하는 수학적 모델을 이용하여 분사 밸브(1)의 분사율을 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 경우 분사율의 보정은 추가의 측정값을 토대로 해서 실행된다. 본 발명에 따라, 측정 챔버(2)와 분사 밸브(1)를 연결하는 어댑터 용적(5) 내의 압력(pa)은 분사율을 보정하기 위한 추가의 측정값으로서 사용된다. 또한, 본 발명은, 분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 장치와도 관련이 있다.

Description

분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 방법 및 장치
본 발명은, 청구항 1의 전제부의 특징들을 갖는, 분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 실행하기에 적합한, 분사율을 결정하기 위한 장치가 명시된다.
분사 밸브, 특히 연료를 내연 기관의 연소실 내로 분사하기 위한 분사 밸브의 개발 및 기능 테스트에서는, 예를 들어 공개 공보 DE 101 07 032 A1호에 기술되어 있는 방법이 분사량을 고도로 정확하게 측정하기에 적합한 것으로 입증되었다. 이 방법에서는, 테스트용 유체가 분사 밸브에 의해서, 적어도 국부적으로 피스톤에 의해 제한된 측정 챔버 내로 분사된다. 분사에 의해서 야기되는 피스톤의 행정이 수집되어 분사량의 계산에 토대가 된다. 계산의 정확도를 높이기 위하여, 또한 측정 챔버 내의 테스트용 유체의 압력이 수집되어 계산시 고려된다. 이와 동일한 내용이 측정 챔버 내의 온도에 대해서도 적용되는데, 그 이유는 측정 챔버 내의 온도가 측정 챔버 내의 압력과 마찬가지로 테스트용 유체의 체적 밀도에 영향을 미치기 때문이다.
분사량은 다음의 방정식을 토대로 해서 계산된다:
Figure pct00001
상기 방정식에서 "ρ"는 테스트용 유체의 가변적인 온도 "T" 및 측정 챔버 내의 압력 "p"에 의존하는 테스트용 유체의 체적 밀도이고, "x"는 측정된 피스톤 행정이며, "A피스톤"은 피스톤의 횡단면이다.
분사량의 시간 도함수에 의해서 - 원칙적으로는 - 다음의 방정식에 따라 분사율이 결정된다:
Figure pct00002
하지만, 측정 챔버를 제한하는 피스톤의 동적인 특성들 때문에, 분사 동안 수집된 측정 신호에 스프링-질량-시스템의 방해가 되는 진동이 중첩됨으로써, 결과적으로 분사율의 결정을 위한 이와 같은 접근 방식은, 분사 밸브의 최적화를 위해서 필요한, 고도의 시간 분해능을 갖는 분사 파형의 분석을 위해서는 제한적으로만 적용 가능하다.
그렇기 때문에, 공개 공보 DE 10 2013 212 419 A1호에서는 이미, - 전술된 방법의 토대 위에서 구성되는 - 피스톤의 검출된 진동을 토대로 해서 분사율의 보정이 추가로 실행되는, 분사 밸브 또는 인젝터의 분사율을 결정하기 위한 방법이 제안된다. 보정은, 하나 이상의 감쇠된 진동 주파수를 갖는 감쇠된 진동을 고려하는 수학적 모델을 토대로 해서 이루어진다. 이 목적을 위해, 피스톤의 동작은 진동 동작 및 잔여 동작으로 세분되며, 이 경우에는 잔여 동작의 동작 데이터를 결정하기 위하여, 진동 동작이 수학적 모델을 이용해서 기술되고, 진동 동작을 토대로 한 계산된 동작 데이터가 피스톤 동작의 동작 데이터로부터 감산된다. 그 다음에, 잔여 동작의 동작 데이터로부터 또는 잔여 동작의 분사율 비율로부터 분사율이 결정된다.
분사 밸브의 개발 및 기능 테스트에서는, 점점 더 많은 특징들이 예를 들어 분사 개시, 분사율 최대값 및/또는 분사 종료와 같은 분사율 파형을 참조해서 결정되기 때문에, 신뢰할만한 결과에 도달하기 위해서는 보다 정확한 측정값이 필요하다.
전술된 종래 기술로부터 출발하는 본 발명의 과제는, 분사 밸브의 분사율의 가급적 정확한 결정을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 특징들을 갖는 방법 및 청구항 5의 특징들을 갖는 장치가 제공된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 개별 종속 청구항들로부터 인용할 수 있다.
제안된 방법에서는, 분사 밸브의 분사율이 마찬가지로 수학적 모델을 이용해서 결정된다. 이 수학적 모델은, 테스트용 유체를 측정 챔버 내로 분사하는 동안 측정 챔버를 제한하는 피스톤의 행정을 포함하는 측정값을 토대로 한다. 또한, 분사율의 보정은 추가의 측정값을 토대로 해서 실행된다. 본 발명에 따라, 측정 챔버와 분사 밸브를 연결하는 어댑터 용적 내의 압력은 추가의 측정값으로서 사용된다.
본 발명에 따르면, 테스트용 유체를 측정 챔버 내로 분사하는 것은 직접적으로 이루어지지 않으며, 오히려 분사 밸브를 수용하기 위한 어댑터 내에 형성되어 있는 어댑터 용적을 통해서 간접적으로 이루어진다. 어댑터는 측정 장치와 분사 밸브의 연결을 용이하게 하며, 특히 분사 밸브는 어댑터를 통해서 측정 장치와 유체 밀봉 방식으로 연결될 수 있다. 이와 같은 내용은 특히 상응하는 밀봉부가 제공된 경우에 적용된다.
분사 밸브의 수용을 위해 어댑터를 사용하는 것은 종래 기술에 기본적으로 공지되어 있다. 하지만, 계산시 피스톤 행정 파형만 고려되면, 어댑터 용적이 분사의 시간적인 지연 및/또는 감쇠를 야기하고, 이로써 시간 변위된 그리고/또는 라운딩된 분사율 파형을 야기한다는 사실은 지금까지 무시되었다. 부연하자면, 어댑터 밀봉부도 자신의 점탄성 특성으로 인해, 피스톤 행정에 중첩되는 진동을 야기할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 방법에 상응하게, 어댑터 용적 내의 압력이 추가로 수집되어 분사율 계산시 고려되면, 진동으로부터 기인하는 외란 뿐만 아니라 분사율 파형의 시간 지연 또는 라운딩까지도 제거될 수 있다.
그 경우, 분사율은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00003
상기 식에서, "Va"는 어댑터 용적을 나타내고, "ρa"는 어댑터 용적 내의 테스트용 유체의 체적 밀도를 나타내며, "pa"는 어댑터 용적 내의 압력을 나타낸다.
이로써, 어댑터 용적 내의 압력 파형은, 피스톤 행정 파형 그리고 측정 챔버 내의 온도 및 압력 외에, 본 발명에 따른 방법에 따라 분사율을 계산할 때 토대가 되는 추가의 측정 변수가 된다. 어댑터 용적 및 피스톤의 횡단면은 공지된 변수이다. 계산은 바람직하게 실시간으로 이루어진다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 추가의 장치 복잡성은 적다. 분사 동안 어댑터 용적 내의 압력을 수집하기 위해서는, 어댑터 용적에 할당된 추가의 압력 센서만 필요하다. 다시 말하자면, 기존의 측정 장치가 상응하는 압력 센서만큼 확장되는 한, 기존의 측정 장치도 사용될 수 있다.
측정 챔버 내의 온도 및 압력은 바람직하게, 각각 측정 챔버에 할당된 온도 센서 및 압력 센서를 이용해서 수집된다. 측정 챔버 내의 온도 및 압력의 수집은 테스트용 유체의 체적 밀도를 결정하기 위해서 필요하다.
더욱 바람직하게는, 분사 동안 수집된 측정값이 측정 신호로서 제어 유닛으로 전달된다. 측정 신호를 토대로 해서 분사율을 계산하기 위하여, 바람직하게는 분사율을 계산하기 위한 수학적 모델이 제어 유닛 내에 저장되어 있다.
또한 서문에 언급된 과제를 해결하기 위해 제안된, 분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 장치가, 분사 밸브의 수용을 위해 어댑터 내에 형성되어 있는 어댑터 용적을 통해서 분사 밸브와 연결될 수 있고 피스톤에 의해 제한된 측정 챔버를 포함함으로써, 결과적으로는 분사 밸브에 의해서 테스트용 유체가 측정 챔버 내로 분사될 수 있다. 또한, 이와 같은 장치는, 분사 동안 피스톤의 행정을 수집하기 위한 거리 측정 장치를 포함한다. 본 발명에 따라, 어댑터 용적에는 분사 동안 어댑터 용적 내의 압력이 수집될 수 있도록 하는 압력 센서가 할당되어 있다.
제안된 장치는, 어댑터 용적에 할당된 압력 센서에 의해서, 전술된 본 발명에 따른 방법을 실행하기에 적합하다. 피스톤 행정 파형 외에 어댑터 용적 내의 압력 파형도 수집될 수 있기 때문에, 이와 같은 어댑터 용적 내의 압력 파형을 참조해서 분사율 파형의 보정이 실시된다. 이와 같은 방식에 의해서는, 진동으로부터 기인하는 외란 그리고 중간 접속된 어댑터 용적으로 인한 분사율 파형의 시간 지연 또는 감쇠가 제거될 수 있다.
바람직하게, 어댑터 용적과 측정 챔버 사이에는 분사 댐퍼가 배열되어 있다. 분사 댐퍼는, 어댑터 용적을 통해서 측정 챔버 내로 분사된 테스트용 유체의 분사 젯이 피스톤의 표면에 직접 충돌하여 피스톤을 진동시키는 상황을 방지해준다.
분사 댐퍼는, 어댑터 용적 내에서 동적 압력을 유도하고, 이로써 분사의 추가적인 지연 또는 감쇠를 유도한다. 하지만, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치에 의해서는, 분사 동안 어댑터 용적 내의 동적 압력도 수집됨으로써, 결과적으로 분사 댐퍼에 의한 동적 압력 파형은 분사율을 계산할 때 고려된다. 따라서, 계산은 매우 정확한 결과로 이어진다.
또한, 측정 챔버에 온도 센서 및 압력 센서가 할당되어 있는 것도 제안된다. 이들 센서를 이용해서, 분사 동안 측정 챔버 내의 온도 및 압력이 수집될 수 있다. 이들 측정값은 테스트용 유체의 체적 밀도의 정확한 결정을 가능하게 한다.
바람직한 방식으로, 분사 밸브의 분사율을 결정하기 위한 장치는 제어 유닛을 포함한다. 이 제어 유닛은, 자신에게 제공되는 측정값을 참조하여 분사율의 정확한 계산을 가능하게 한다. 측정값을 제어 유닛으로 전달하기 위하여, 제어 유닛은 바람직하게 제어 라인을 통해서 거리 측정 장치, 측정 챔버 내의 압력 센서 및 온도 센서, 그리고 어댑터 용적 내의 압력 센서와 연결되어 있다. 그에 따라, 측정값은 측정 신호로서 개별 측정 장치로부터 제어 유닛으로 발송된다. 분사율의 계산이 수학적 모델을 이용해서 이루어지기 때문에, 이 수학적 모델은 더욱 바람직하게 제어 유닛 내에 컴퓨터 프로그램으로서 저장되어 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 장치의 측정 챔버는 배기 밸브와 연결되어 있다. 측정 챔버 내의 압력은 역압력에 의해서 제어 가능하다. 측정 챔버 내에 존재하는 압력이, 측정 챔버를 제한하는 피스톤에 압력을 행사하기 때문에, 피스톤은 바람직하게 측정 챔버로부터 떨어져서 마주하는 자신의 측에서도, 압력이 제공되는 추가의 용적, 특히 가스 용적에 의해서 그리고/또는 스프링에 의해서 발생하는 역압력의 작용을 받게 된다.
더욱 바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 본 발명에 따른 방법을 실행하기에 적합하다.
본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치는, 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도를 도시하며, 그리고
도 2는 보정된 분사율 파형을 보여주기 위한 다이어그램을 도시한다.
도 1에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 장치는, 실린더(15) 내에 행정 동작 가능하게 수용된 피스톤(3)을 포함하며, 이 피스톤은 실린더(15) 내부에서 측정 챔버(2)를 제한한다. 측정 챔버(2)는 스로틀(16)을 통해서 배기 밸브(14)와 연결되어 있다. 측정 챔버(2)로부터 떨어져서 마주하는 피스톤(3)의 측에, 피스톤(3)을 측정 챔버(2)의 방향으로 가압하는 압력(F)을 야기하는 역압이 인가됨으로써, 결과적으로 피스톤(3)에서는 힘 균형이 우세하게 되고, 측정 챔버(2) 내의 압력이 제어 가능해진다.
분사 밸브(1)의 분사율을 결정하기 위하여, 테스트용 유체(4)가 분사 밸브(1)에 의해서 측정 챔버(2) 내로 분사될 수 있다. 분사는, 거리 측정 장치(11)에 의해서 수집 가능한 압력(F)에 대항하는 피스톤(3)의 행정을 야기한다. 본원에서는 거리 측정이 유도적으로 이루어지며, 이 경우 측정값은 측정 신호로서 제어 라인(13)을 통해 제어 유닛(9)으로 전달된다. 제어 유닛(9)은 제어 라인(13)을 통해서 또한 온도 센서(7) 및 압력 센서(8)와도 연결되어 있으며, 이들 센서는 측정 챔버(2) 내의 온도 및 압력의 수집을 위해서 이용된다. 이들 측정값은 테스트용 유체(4)의 체적 밀도에 영향을 미치고, 그에 따라 분사율의 계산에도 관련된다.
본원에서, 테스트용 유체(4)를 측정 챔버(2) 내로 분사하는 것은 어댑터 용적(5)을 통해서 간접적으로 이루어지며, 이 어댑터 용적은 분사 댐퍼(12)를 통해 측정 챔버(2)와 연결되어 있다. 어댑터 용적(5)은, 분사 밸브(1)를 수용하기 위해서 이용되는 어댑터(10) 내에 형성되어 있다. 어댑터 용적(5)과 측정 챔버(2) 사이에 형성된 분사 댐퍼(12)는, 측정 챔버(2)를 제한하는 피스톤(3)에 테스트용 유체(4)의 분사 젯이 직접 충돌하는 것을 방지해주고, 이로써 피스톤(3)의 원치 않는 진동 여기를 방지해준다.
다만 간접적으로 어댑터 용적(5) 및 분사 댐퍼(12)를 통해서 야기되는, 측정 챔버(2) 내로 테스트용 유체(4)를 분사하는 것은 분사의 지연 또는 감쇠를 결과로서 야기한다. 이와 같은 상황은 재차 시간 변위 된 그리고 라운딩 된 분사율 파형을 유도한다. 그에 따라, 결정된 분사율의 보정이 필요하게 된다.
상기 목적을 위해, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치가, 어댑터 용적(5)에 할당되어 있는 추가의 압력 센서(6)를 구비함으로써, 결과적으로 이 압력 센서를 통해서는 어댑터 용적(5) 내의 압력이 수집될 수 있다. 제어 라인(13)이 압력 센서(6)를 제어 유닛(9)과 연결함으로써, 결과적으로 압력 센서(6)에 의해 수집된 측정값은, 분사율을 계산할 때 고려되기 위하여 측정 신호로서 제어 유닛(9)으로 전달된다. 그 다음에, 이하의 방정식에 따라 분사율이 계산될 수 있다:
Figure pct00004
하기 식에 따라 현재의 온도에 따른 밀도 변경이 특성 맵으로서 저장된다.
Figure pct00005
추가의 압력 센서(6)에 의해서 수집된 어댑터 용적(5) 내의 압력은 방해가 되는 진동 성분의 제거를 가능하게 할 뿐만 아니라, 예를 들어 도 2의 다이어그램에 도시되어 있는 바와 같이, 시간적인 변위와 관련된 분사율의 보정 및/또는 감쇠 또는 라운딩까지도 허용한다.
상부 그림 a)에 도시된 곡선은, 분사율 결정과 관련된 분사 밸브(1)의 액추에이터(도시되지 않음)에 전류가 공급되는 기간을 보여준다. 액추에이터에 전류가 공급되는지의 여부에 따라, 분사 밸브(1)가 개방 및 폐쇄되며, 그 결과로 분사가 실행된다. 이때, 테스트용 유체(4)가 어댑터 용적(5)을 통해서 측정 챔버(2) 내로 분사된다. 분사는 측정 챔버(2)를 제한하는 피스톤(3)의 행정(x)을 결과로서 야기하고, 이 피스톤 행정의 파형이 중간부 그림 b)에 곡선(18)으로서 도시되어 있다. 곡선(19)은 어댑터 용적(5) 내에서의 압력(pa)의 파형을 재현한다.
하부 그림 c)에는 분사율 파형이 도시되어 있으며, 이 경우 곡선(20)은 전술된 방정식을 토대로 해서 보정된 분사율 파형을 나타낸다. 그림 부분 c)에도 도시되어 있는 바와 같이, 오로지 피스톤 행정 파형만을 토대로 해서 계산된 분사율 파형[곡선(21)]은 곡선(20)에 대한 시간적인 이동 그리고 방해가 되는 진동 성분을 갖는다. 이들은, 어댑터 용적(5) 내의 압력(pa)이 추가로 수집되어 분사율의 보정을 위해 사용됨으로써 제거될 수 있다. 곡선(22)은, 압력(pa)으로부터 계산된 분사율의 파형을 보여준다.

Claims (12)

  1. 테스트용 유체(4)를 측정 챔버(2) 내로 분사하는 동안 측정 챔버(2)를 제한하는 피스톤(3)의 행정(x)을 포함하는 측정값들을 토대로 하는 수학적 모델을 이용하여 분사 밸브(1)의 분사율을 결정하기 위한 방법이며, 분사율의 보정이 추가의 측정값을 토대로 해서 실행되는, 분사 밸브의 분사율 결정 방법에 있어서,
    측정 챔버(2)와 분사 밸브(1)를 연결하는 어댑터 용적(5) 내의 압력(pa)은 분사율을 보정하기 위한 추가의 측정값으로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    분사 동안, 어댑터 용적(5) 내의 압력(pa)은 어댑터 용적(5)에 할당된 압력 센서(6)에 의해서 수집되는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    분사 동안, 측정 챔버(2) 내의 온도(T) 및 압력(p)은 측정 챔버(2)에 할당된 온도 센서(7) 및 압력 센서(8)에 의해서 수집되는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사 동안 수집된 측정값들은 측정 신호로서 제어 유닛(9)으로 전달되며, 상기 제어 유닛 내에는 바람직하게는 분사율을 계산하기 위한 수학적 모델이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 방법.
  5. 분사 밸브(1)의 분사율을 결정하기 위한 장치이며, 상기 분사 밸브의 분사율 결정 장치는
    피스톤(3)에 의해 제한된 측정 챔버(2)이며, 이 측정 챔버가 분사 밸브(1)의 수용을 위해 어댑터(10) 내에 형성되어 있는 어댑터 용적(5)을 통해서 분사 밸브(1)와 연결될 수 있음으로써, 분사 밸브(1)에 의해서 테스트용 유체가 측정 챔버(2) 내로 분사될 수 있는, 상기 측정 챔버와;
    또한, 분사 동안 피스톤(3)의 행정(x)을 수집하기 위한 거리 측정 장치(11);를 포함하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치에 있어서,
    어댑터 용적(5)에는 분사 동안 어댑터 용적(5) 내의 압력(pa)이 수집될 수 있도록 하는 압력 센서(6)가 할당되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    어댑터 용적(5)과 측정 챔버(2) 사이에는 분사 댐퍼(12)가 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    측정 챔버(2)에는 분사 동안 측정 챔버(2) 내의 온도(T) 및 압력(p)이 수집될 수 있도록 하는 온도 센서(7) 및 압력 센서(8)가 할당되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사율을 계산하기 위한 제어 유닛(9)이 제공되어 있으며, 바람직하게 제어 유닛(9)은 제어 라인(13)을 통해서 거리 측정 장치(11), 압력 센서(6), 온도 센서(7) 및 압력 센서(8)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정 챔버(2)는 배기 밸브(14)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정 챔버(2) 내의 압력은 피스톤(3)의 대항력을 통해서 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(9) 내에는 보정된 분사율에서의 압력 비율을 계산하기 위하여,
    Figure pct00006
    에 대한 특성 맵이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
  12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 분사 밸브의 분사율 결정 장치.
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