KR100424214B1 - 내연기관의점화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 내연기관의 점화 장치의 점화 플러그에 있어서 병렬 점화와 같은 점화 코일의 2차측에서 장해를 불화점(misfire)이 발생하기 전에 이미 검출할 수 있게 하는 것으로서, 그 해결 수단으로는 점화 코일(10)의 1차측(11)에 전달되는 2차 전압을 포착하는 수단(M1, M2)이 설치된다. 상기 수단에 의해 포착된 신호(U11, U12)는 평가 장치(16)로 안내된다. 평가 장치(16)에 의해서 스파크 종료 시점(t₂) 후의 전압 신호(U11, U12)에서 감쇠가 검출되고, 그 때 상기 감쇠가 2차측에서의 병렬 저항의 크기에 대한 기준 척도를 형성한다.

Description

내연기관의 점화 장치

<발명이 속하는 기술 분야>

본 발명은 센서에 의해 검출된 내연기관의 동작 매개 변수에 기초하여 제어량을 정하는 제어 유니트와, 점화 코일의 1차측(primary side)에 전달되는 2차 전압을 포착하는 적어도 하나의 수단과, 상기 적어도 하나의 수단에 의해 포착된 1차 전압이 공급되는 평가 장치가 설치되어 있는 내연기관의 점화 장치에 관한 것이다.

<종래의 기술>

스파크 기간의 1차측(primary side)에서의 감시에 기초하여 점화 장치의 감시가 수행되는 형식의 점화 장치는 미국 특허 4,918,389호 명세서 또는 유럽 특허 출원 제 0 344 349호 명세서로에서 이미 공지된 바 있다. 그 결과, 1차측에 전달된 불꽃 전압(spark voltage)이 포착되며, 그에 따라 소정의 한계값과 비교되며, 이것에 의해 한계값에서의 편차가 생겼을 경우 장해가 있는 연소(faulty combustion)라고 판정된다.

점화 장치의 기능을 감시하기 위한 또한 다른 공지의 방식은, 예를 들어, 촉매 장치의 온도의 감시, 주행 불안정 특성의 검출 및 예를 들어 랜덤 센서 신호의 출력이다.

<발명이 해결하려는 과제>

본 발명의 과제는 점화 플러그에 있어서의 병렬 점화(shunt firing)와 같은 점화 코일의 2차측(secondary side)에 있어서의 장해를 불화점(ignition misfiring)이 발생하기 전에 미리 검출할 수 있게 하는 데 있다.

<과제를 해결하기 위한 수단 및 이점>

본 발명에 의하면 상기 과제는 평가 장치에 의해 점화 장치의 동작에 대한 기준 척도로서 스파크 종료 후의 2차 전압의 감쇠를 포착함으로써 해결된다.

상기와 같은 구성을 구비한 점화 장치가 갖는 이점은 점화 플러그에 있어서의 병렬 점화와 같은 점화 코일의 2차측에 있어서의 장해를 불화점이 발생하기 전에 미리 검출할 수 있다는 것이다.

이 경우, 스파크 소멸 후, 점화 코일에서의 잔류 에너지(residual energy)의 과도 현상(transient phenomena)이 포착되어서 평가된다. 점화 코일에 있어서의 잔류 에너지의 과도 현상에 의해 점화 코일의 1차측과 2차측에 불안정한 요동이 발생하고, 이것은 점화 플러그에 발생할 가능성이 있는 병렬 저항(shunt resistance)에 의해 여러 정도의 세기로 감쇠된다. 따라서 이와 같은 감쇠는 2차 회로 중에 존재하고 있는 병렬 저항에 대한 기준 척도를 형성한다. 이것으로 예를 들어, 점화 코일 자체를 제거할 필요 없이, 점화 플러그의 상태에 관한 정확한 정보를 형성할 수 있다. 즉, 스파크 종료 후에 있어서의 상기 지연-처리(post-process)의 해석에 의해, 가스 방전과는 관계없이, 따라서 다른 영향을 미치는 요소들과는 관계없이 평가가 행해진다. 이 경우, 점화 장치에 있어서의 전기적인 매개 변수만이 영향을 미친다.

종속 청구항에 기재된 구성에 의하면, 제 1 항에 기재인 점화 장치에 대한 여러 가지 적합한 실시예가 가능하다. 따라서 예를 들어 스파크 종료 후의 감쇠 특성의 포착을 여러 가지 상이한 형태로 수행할 수 있다. 즉, 감쇠 특성을 포착하기 위한 평가 장치를 제어 장치 자체에 통합해서 제어량을 구할 경우 즉시 고려할 수 있다. 예를 들어, 병렬 저항에 의한 큰 감쇠로 인해 점화 에너지가 높아질 수 있으며, 경우에 따라서 점화 플러그의 자유 연소가 발생하게 된다.

다음에 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.

<발명의 실시예>

제 1 도에는 점화 장치의 기본 회로가 도시되어 있다. 여기서, 점화 코일(10)은 1차 권선(11)과 2차 권선(12)으로 구성된다. 1차 권선(11)의 한쪽 단부는 공급 전압원(U_B), 예를 들어, 도시되지 않은 내연기관의 배터리와 접속되어 있다. 1차 권선(11)의 다른쪽의 단부는 점화단(13)을 통해 접지되어 있다. 도시되지 않은 내연기관의 센서에 의해 회전수(n), 크랭크 샤프트 각도(KW), 온도(T)와 같은 동작 매개 변수가 포착된다. 센서에 의해 포착된 신호는 입력량(15)으로서 제어 유니트(14)로 공급된다. 포착된 동작 매개 변수와 저장된 특성 맵(characteristics map)에 기초하여, 상기 제어 유니트(14)는 여러 가지의 제어량을 결정한다. 따라서 점화 장치를 위한 폐쇄 시간 및 점화 시점이 정해지며, 따라서, 출력 신호로서 점화단(13)의 제어 입력측으로 송출된다. 또한, 1차측에는 상기 1차측에 전달된 2차 전압을 포착하기 위한 수단이 제공된다. 1차 전압을 포착하기 위한 회로 장치는 예를 들어 미국 특허 제 4,918,389호 명세서에 이미 공지되어 있으며, 따라서 여기에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하였다.

그러나, 기본적으로는 수단(M1)을 사용하여 1차 권선(11)의 전압 강하(U_L)를 통해 1차측에 전달된 2차 전압을 포착할 수 있고, 또는 1차 권선의 출력측과 접지사이의 전압 강하 수단(M2)을 갖는 점화단(13)을 통해 포착할 수도 있다. 1차측에 전달된 2차 전압을 포착하는 이들 수단(M1, M2)의 출력 신호는 평가 장치(16)로 공급되며, 상기 평가 장치(16)는 제 1 도에서는 제어 유니트(14) 내에 통합되어 있다. 물론, 상기 평가 장치(16)를 별개로 배치시킬 수도 있으며, 그 경우에는 상기 평가 장치(16)의 출력 신호를 제어 유니트(14)로 인도할 필요가 있다. 상기 점화 코일(10)의 2차 권선(12)은 점화 플러그(17)와 접속되고 있으며, 따라서 점화 코일에 상응하는 고전압이 가해지면 불꽃 방전이 발생한다. 상기 점화 코일(10)의 2차 권선(12)의 한쪽 단부와 점화 플러그(17) 사이에는 다이오드(18)가 설치되고 있으며, 이것에 의해서 스위치 온 시의 스파크 억제가 실현된다. 그러나 상기 다이오드(18)를 생략할 수도 있다. 2차측에는, 등가 소자(equivalent element)로서, 커패시터(19), 2차 커패시터(20) 및 저항(21)이 형성되며, 상기 커패시터(19)는 점화 코일 내부의 2차 커패시턴스를 나타내며, 2차 커패시터(20)는 점화 코일 외부의 2차 커패시턴스, 예를 들어, 점화 용기의 선로 용량 이외의 2차 커패시턴스를 나타내며, 또한 저항(21)은 병렬 저항을 나타내는 것이다. 등가 회로(equivalent circuit)로서 표시되는 상기 인덕턴스 코일, 커패시터 및 저항은 진동 회로(resonant circuit)를 형성하며, 여기서 진동 회로의 감쇠는 병렬 저항(21)의 크기에 의존한다. 그 까닭은 병렬 저항은 내연기관의 작동 중에, 예를 들어, 소손이나 더러움에 의해서 변화하는 유일한 양이기 때문이다.

제 2 도에는 스위치 온 시의 스파크 억제용 다이오드(18)를 구비한 제 1 도에 의한 점화 장치에서 발생하는 1차 전압과 2차 전압이 도시되어 있다. 여기에서는 도시되지 않은 시점에서 점화 코일(10)의 1차 권선(11)에 충전 전류가 흐르기 시작하여, 예를 들어, 산출된 점화 시점인 시점(t₁)에서 차단된다. 그에 따라, 2차측에는 고전압이 유지되며, 그 전압에 의해 점화 플러그에서 스파크 방전이 발생하며, 스파크 종료를 나타내는 시점(t₂)에서 도시된 대표적인 불꽃 전압 특성으로 완전히 연소된다. 그 때, 특성 곡선(22)은 2차측 전압 특성{U₂(t)}을 나타낸다. 특성 곡선(23)은 상기 1차측으로 전달되는 전압 특성을 나타내며, 이것은 예를 들어 포착 수단(M2)에 의해 포착된 평가 장치(16)로 안내된다. 스위치 온 시의 스파크 억제용 다이오드(18)를 구비한 제 1 도에 의한 회로의 경우, 2차 전압이 떨어지면 설치된 다이오드에 의해 2차 회로가 분리된다. 잔류 2차 커패시터(20)는 무시할 수있을 정도의 이온 전류와 병렬 저항(21)을 흐르는 전류에 의해서만 방전될 수 있다. 이 경우, 전형적인 시상수(time constant)는 τ = 4.1ms이다. 특성 곡선(23)은 1차측에 전달되는 2차 전압을 도시하며, 즉, 잔류 진동 회로의 동작 특성을 도시한다. 제 2 도의 전압 특성은 병렬 저항(R_N)이 무시할 수 있을 정도로 작은 사례에 대해 예상되는 이상적인 형태이다.

이 시점에서, 점화 플러그(17)에서의 병렬 저항이 변화되면, 2차 회로의 진동 특성 및 감쇠 특성도 변화하게 된다. 이 때문에 스파크 종료 후, 즉 시점(t₂)후의 진동 특성의 평가로서 2차 회로의 상태를 명시할 수 있다. 즉, 가능한 병렬 저항은, 예를 들어, 불화점(ignition misfiring)이 처음 장소에서 발생하도록, 후속 점화 사이클에서 점화 전압이 상승함으로써 발생할 수 있다. 따라서, 전기적인 특성 평가에 의해 매우 신속하게 점화 장치의 동작에 대한 제어 조작을 가할 수 있다.

제 3 도 및 제 4 도에는 스위치 온 시의 스파크 억제용 다이오드와 병렬 저항이 있는 경우의 점화 회로에 있어서 전압 특성이 2차측{U₂(t)}과 1차측{U₁₂(t)}으로 도시되어 있다. 여기에서, 제 3 도의 전압 특성에 있어서의 병렬 저항은 1MΩ이며, 제 4 도의 전압 특성에 있어서의 병렬 저항은 10MΩ이다. 특성 곡선(24a, 24b)은 2차측 전압 특성을 설명한다. 2차 회로가 병렬 저항을 동반하고 있는 경우, 감쇠 특성은 대체로 작은 시상수(τ)를 갖게 된다. 제 3 도의 경우, 시상수(τ)=0.06ms 이며, 제 4 도의 경우, 시상수(τ)=0.45ms이다. 특성 곡선(25a또는 25b)은 1차측에 전달된 2차 전압에 있어서 스파크 종료 시점(t₂) 후의 전압 특성을 나타낸다. 작은 병렬 저항을 거쳐 점화 용기에서의 캐패시턴스가 방전할 때, 2차 권선에 유도된 전압 피크(voltage peak)가 잔류 전압보다 크면 다이오드가 도전(conductive) 상태로 되어 진동 회로에서 에너지가 제거된다. 이것은 1차측에서 진동 피크의 감쇠가 강화되고 있을 때 특성 곡선(25a)으로 식별된다. 병렬 저항이 10MΩ일 때, 1차 전압은 제 1 전압 피크 외에 또 다른 4개의 전압 최대값을 갖는다. 제 3 도와 같이 병렬 저항이 1MΩ까지 저감되면 강하게 감쇠되고, 오직 하나의 다른 전압 최대값만을 식별할 수 있게 된다. 병렬 저항이 커질수록, 진동 특성이 강화된다.

제 5 도 및 제 6 도에도 제 1 도에 도시되어 있는 점화 장치의 전압 특성이 도시되어 있는데, 여기에서는 스위치 온 시의 스파크 억제용 다이오드(18)는 설치되어 있지 않다. 이 경우, 제 5 도의 측정에서의 병렬 저항은 1MΩ이며, 제 6 도의 측정에서의 병렬 저항은 10MΩ이다. 스위치 온 시의 스파크 억제가 수행되지 않는 제 1 도에 의한 회로의 경우, 점화 코일 외부에서의 2차 회로의 분리는 행해지지 않는다. 제 6 도의 경우와 같이 병렬 저항이 10MΩ이면, 1차 전압에서의 진동과 2차 전압에서의 진동은 서로 유사하게 된다. 제 6 도의 특성 곡선(26b)은 10MΩ의 병렬 저항에서의 2차 전압 특성{U₂(t)}을 나타내며, 특성 곡선(27b)은 1차측에 전달된 전압 특성{₁₂(t)}을 나타내고 있다. 제 5 도에는 1MΩ의 병렬 저항에서의 측정 곡선(measuring curve)(26a, 27a)이 도시되어 있으며, 이들 양쪽 전압은 서로 감쇠되고 있음을 알 수 있다.

스파크 종료 시점(t₂) 후에 1차측에서 포착되는 2차 전압을 평가하기 위한 이론적인 기초는 다음과 같다. 이 경우, 1차 전압 특성에 대한 모델은,

이며, 여기에서 (τ_P)는 시상수(time constant)이며, (ω)는 고유 진동수(natural frequency)이며, (U1X)는 (U11) 또는 (U12)와 같은 의미를 뜻한다. 상기 식은 힐벨트 변환(Hilbert transformation)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

U_1X(t) - 분석적 전압 신호

따라서 감쇠를 나타내는 특징은 양 (τ)이다. (τ)를 정확하게 구하기 위해서는 모델에 근거한 다양한 방법이 가능하다.

병렬 저항에 영향을 미치는 다른 특징은 제 1 정전압 피크(positive voltage peak)와 제 2 정전압 피크 사이의 비율로서 규정되며 이것은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

U^-12- U_1X의 제 1/제 2 정전압 피크

상술된 바와 같이 병렬 저항이 현저히 작은 경우, 2차측에서 구조 변화가 발생할 가능성이 있으며, 이 때문에 점화 코일에 있어서의 요동성 방전(oscillating discharging)은 비주기적인 진동으로 추이하게 된다{제 2 도의 U₂(t) 참조}. 이 경우 1차 전압의 제 2 최대값은 없어진다. 또한 피크값(U² _1X)이 제 1 최대값에 대해서 일정한 간격으로 형성된다. 상기 일정 간격(Tp)은 요동하는 진동의 주기 지속 시간이며 다음의 식으로 나타내어진다:

여기에서, t_max는 제 1 최대값의 시점이며, (T_μ)는 주기 지속 시간이다.

제 7 도에는 평가 장치(16)의 가능한 구성이 도시되어 있다. 상기 평가 장치(16)에는 수단(M1, M2)에 의해 포착된 1차 전압 신호(U11, U12)가 제공된다. 동시에 상기 신호는 장치(30)로도 공급되며, 상기 장치(30)는 스파크 종료 시점(t₂)을 판정하고 상응하는 트리거 신호를 평가 장치(16)로 전송한다. 이 경우, 평가 장치(16) 내에서는 장치(31)에 의해서 시간창(timing window)이 개방되며, 상기 시간창내에서 장치(32)에 의해서 신호(U11, U12)의 감쇠 특성이 구해진다. 감쇠에 대한 기준 척도는 값 τ이며, 이것은 다음에 가산기(33)에 있어서 특성 맵 내지 시간에 의존하는 일정한 기준값과 합치된다. 이 기준값은 예를 들어 적용시 결정되며 메모리(40)에 저장된다. 이 경우, 특성 맵에 의존하는 일정한 기준값은 부(negative)의 값으로서 설정되고 있으며, 따라서 다음에 비교기(34)에 있어서 이들 양쪽의 값의차가 평가되며, 이것에 기초하여 제어 유니트(14)에 대한 보정 신호가 구해진다.

제 8 도에는 평가 장치(16)의 제 2의 가능한 변형 실시예가 도시되어 있다. 수단(M1, M2)에 의해 포착된 1차 신호(U11, U12)가 상기 평가 장치(16)로 공급된다. 동시에 상기 신호는 장치(30)로도 공급되며, 상기 장치(30)는 스파크 종료 시점(t₂)을 판정하고, 상응하는 트리거 신호를 평가 장치(16)로 전송한다. 평가 장치(16)에는 장치(31)에 의해 제 1 시간창이 생성되며, 이 시간창 내에서 장치(35)에 의해 제 1 피크값(peak value)이 형성된다. 또한 평가 장치(16)에는 장치(31)에 의해 제 2 시간창이 형성되고, 이 시간창 내에서 장치(36)에 의해 제 2 신호 피크값이 형성된다. 다음에 장치(37)에서는 상기 피크값들을 나눔으로써 감쇠에 대한 기준 척도를 이루는 값이 산출된다. 이 값은 메모리(40)에서 공급되어 특성 맵 내지 시간에 의존하는 일정한 기준값과 비교되며, 비교기(39)에서 제어 유니트(14)에 대한 보정 신호가 구해진다.

제 9 도에는 평가 장치(16)의 구성에 대한 제 3의 변형 실시예가 도시되어 있으며, 여기에서는 디지털 시스템, 예를 들어 신호 프로세서에 의해 구성되고 있다. 상기 평가 장치(16)에는 제 7 도, 제 8 도의 경우와 마찬가지로 수단(M1, M2)에 의해 포착된 1차 전압 신호가 공급되는데, 이 경우에는 저역 통과 필터(41)에 의한 저감 통과 필터 처리 및 A/D 변환기(42)에 의한 아날로그/디지털 변환을 거쳐서 평가 장치(16)로 공급된다. 디지털화된 신호는 장치(30)로 공급되며, 상기 장치(30)에 의해서 스파크 종료 시점이 판정되어 스파크 종료와 더불어 시간창이개방된다. 시간창이 개방되고 있는 동안, 메모리(43)에는 디지털 신호가 저장된다. 장치(44)에는 저장된 디지털 신호로부터 신호(U11, U12)의 감쇠에 대한 기준 척도가 구해진다. 이 값은 특성 맵 또는 시간에 의존하는 일정한 기준값과 비교되고, 보정 신호가 제어 유니트(14)를 위한 구해진다.

제 1 도는 본 발명을 실시하기 위한 점화 장치의 기본 회로도.

제 2 도는 100MΩ의 병렬 저항을 갖는 점화 장치의 1차 전압 및 2차 전압 특성을 도시하는 도면.

제 3 도는 다이오드 및 1MΩ의 병렬 저항을 갖는 점화 장치의 1차 전압 및 2차 전압에 있어서의 과도 상태의 종료되어 가는 과정을 도시하는 도면.

제 4 도는 다이오드 및 10MΩ의 병렬 저항을 갖는 점화 장치의 1차 전압 및 2차 전압에 있어서의 과도 상태의 종료되어 가는 과정을 도시하는 도면.

제 5 도는 스위치 온 시의 스파크 저지용 다이오드가 없고, 1MΩ의 병렬 저항을 갖는 점화 장치의 1차 전압 및 2차 전압에 있어서의 과도 상태의 종료되어 가는 과정을 도시하는 도면.

제 6 도는 스위치 온 시의 스파크 저지용 다이오드가 없고, 10MΩ의 병렬 저항을 갖는 점화 장치의 1차 전압 및 2차 전압에 있어서의 과도 상태의 종료되는 과정을 도시하는 도면.

제 7 도는 신호의 감쇠 특성을 구하는 평가 장치의 제 1 실시예를 도시하는 도면.

제 8 도는 평가 장치의 제 2의 실시예를 도시하는 도면.

제 9 도는 평가 장치의 제 3의 실시예를 도시하는 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 점화 코일 11: 1차 권선

12 : 2차 권선 13 : 점화단(ignition power module)

14 : 제어 유니트 15 : 입력량

16 : 평가 장치

Claims (5)

1. 센서에 의해 검출된 내연기관의 동작 매개 변수에 기초하여 제어량을 정하는 제어 유니트와, 점화 코일의 1차측(primary side)에 전달되는 2차 전압을 포착하는 적어도 하나의 수단과, 상기 적어도 하나의 수단에 의해 포착된 1차 전압이 공급되는 평가 장치가 설치되어 있는 내연 기관의 점화 장치에 있어서,

   평가 장치(16)에 의해 점화 장치의 동작에 대한 기준 척도로서 스파크 종료후의 2차 전압의 감쇠가 포착되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 점화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 감쇠는 2차측(secondary side)에 있어서의 병렬 저항(shunt resistance)의 크기에 대한 기준 척도를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 점화 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 평가 장치(16)에서 평가 결과는 후속의 점화 사이클에 대한 제어량을 정하기 위해 제어 유니트(14)로 공급되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 점화 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   스파크 종료시에 활성화되는 측정창(measuring window) 내에서 2차 전압의 평가가 수행되는 것을 특징으로 하는 점화 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   감쇠에 대한 기준 척도로서 스파크 종료 후에, 2차 전압에 있어서의 제 1 피크값과 제 2 피크값의 상(quotient)이 구해지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 점화 장치.