기술개요
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커먼레일(Common Rail) 시스템에는 솔레노이드 인젝터가 주로 사용되어 왔으나 점점 피에조 인젝터(piezo injector)의 사용이 증가 하고 있다. 피에조 구동기는 수 백개의 얇은 세라믹소자 들이 적층되어 하나의 피에조 스택을 구성하며, 세라믹 판 사이에는 양극과 음 극의 금속전극이 연결되어 전기적으로는 병렬회로로 구성된다. 피에조 스택에 전압이 가해지면 각각의 세라믹 소자는 팽창하거나 수축하게 되어 힘을 발생시킨다. 피에조는 압전기인데, 물체에 압을 가하면 전기가 발생하고 이를 역으로 이용하면 전기를 가하면 물체의 부피가 줄어드는 원리이다. 피에조 결정체에 전기를 가하면 결정체의 크기가 변하면서 통로와 니들 사이에 틈이 생기며, 이 틈 사이로 분무기처럼 연료가 통로 끝으로 분사되어져 나가게 된다. 전기를 결정체에 가하는 시간을 조절하면 연료가 분사되는 시간과 양을 조절할 수 있는데, 결정체의 반응속도가 워낙 빠르기 때문에 피에조 인젝터는 기계식이나 전자석의 원리를 이용한 인젝터보다 훨씬 정확하게 필요한 만큼의 엔진에 공급할 수 있게 된다. 피에조 인젝터의 최적 사용을 위해서는 피에조 스택의 전원 공급 방식을 보다 목적에 맞게 구성할 필요가 있다. 특히 커먼레일용 연료분사기인 경우에는 응답성의 최적화가 중요한데, 이는 피에조 스택의 전원 공급 방식에 따라 좌우된다. 차량용 인젝터는 연소실 또는 흡기 시스템에 설치되기 때문에, 실제 설치할 때 제한적이다. 따라서 피에조 인젝터의 경우 제한된 크기에 따른 손실을 보답하기 위해서는 피에조 인젝터를 구성하는 핵심 부품인 피에조 스택의 설계가 무엇보다 중요하다. 기존 피에조 인젝터의 작동원리는 엔진의 ECU가 인젝터에 전류를 공급하여 인젝터 상단의 챔버의 압력을 해제시켜 노즐챔버의 압력에 의하여 노즐의 니들을 개방하여 연료를 분사하는 구동방식이다. 하지만 인젝터에서 실제 노즐이 개방되어 연료가 분사되었는지를 알 수 없기 때문에 구동전류를 공급과 동시에 역압전효과에 의하여 인젝터의 구동여부를 피드백을 해야 한다. 이러한 역압전효과를 극대화하기 위해서는 직접니들제어를 해야 한다. 하지만 제어를 위해 생기는 오차나 노이즈를 해결한다면 초기상태와 역압전효과와의 관계에 있어 많은 영향을 미친다. 또한 2개의 피에조 스택을 이용하여 하나의 피에조 스택에 인가해서 니들을 내려 분사를 종료하고 나머지 피에조 스택에 방전하여 분사를 시작한다. 종래의 피에조 스택 구동방식과 다르게 응답성능을 크게 끌어올려 전반적인 제어성과 성능향상이 기대된다. 본 발명은 피에조 스택에 인가되는 구동전류가 방전시 스택이 수축을 하게 되고, 수축된 피에조 스택은 인젝터의 니들을 들어올리게 되면서 분사를 하게 되는 것이다. 종래의 피에조 인젝터는 전류 충전 시 연료를 분사한다. 피에조 인젝터의 구동방식을 다양화하며, 커먼레일용 연료분사기의 응답성을 최적화 할 수 있는 피에조 스택의 목적에 맞게 구성할 수 있는 효과 기대된다.
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