KR100589222B1 - 글로 플러그를 가열하기 위한 방법 및 회로 - Google Patents

Abstract

내연 기관 내의 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 방법 및 회로가 제공된다. 전원 전압은 측정용 저항기(12)와 스위치(11)를 통해 글로 플러그에 인가된다. 제어 및 평가 유니트(16)는 측정용 저항기(12)를 통해 전압 강하를 변화시키고 이로부터 그리고 글로 플러그에서 마찬가지로 변화된 전압으로부터 글로 플러그에 공급되는 가열 에너지를 결정한다. 상기 유니트(16)의 출력 신호(15)는 스위치(11)를 제어한다. 스위치(11)를 닫은 후, 상기 유니트(16)는 상기 유니트(16)에서 합산된 가열 에너지를 글로 플러그에 공급한다. 소정 온도까지 가열하는 데 필요하고, 또한 이미 알고 있는 글로 플러그의 파라미터들과 초기 온도로부터 미리 결정된 가열 에너지에 도달하면, 상기 스위치는 출력 신호(15)를 통해 다시 개방된다.

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Description

글로 플러그를 가열하기 위한 방법 및 회로{Process and circuit for heating up a glow plug}

도 1은 디젤 기관에서 연료 혼합물을 점화하기 위한 종래의 스틸 글로 플러그의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 디젤 기관에서 이온 전류 획득을 위한 측정용 전극으로서 사용된 종래의 스틸 글로 플러그를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 글로 플러그를 가열하기 위한 본 발명에 의한 회로의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 내연 기관 내의 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 방법 및 회로에 관한 것이다.

예를 들어, 디젤 기관에서는, 기동시 연료를 점화하기 위해서나 또는 상기 디젤 기관의 연소실에서의 이온 전류 획득을 위해 글로 플러그가 사용된다.

이러한 글로 플러그가 본연의 기능을 수행할 수 있게 하기 위해서는, 가열 단계에서 글로 플러그가 소정 온도까지 가열되어야 한다.

가열 특성을 자동 제어할 수 있는 글로 플러그가 공지되어 있다. 글로 플러그는 전원 전압과의 접속에 대하여 시간-제어가 행해지고 그의 자동 제어 동작의 결과로서 소정 온도까지 가열되도록 구성되어 있다.

글로 플러그의 가열을 전자적으로 제어하는 것 또한 공지되어 있다. 이 경우에는, 글로 플러그가 규정된 온도에 가능한 한 빨리 도달하고, 이후로는 그 온도를 초과하지 않도록 전자 제어 회로를 통해 글로 플러그에의 공급 전력이 제어된다.

그러나, 1000℃와 같은 높은 온도에 매우 급속하게, 예컨대 2초 내로 도달하도록 가열되어야 하는 글로 플러그의 경우, 공지된 자동 제어 방식과 전자 제어 방식에는 차질이 생긴다. 예를 들면, 전자 제어 방식에 있어서, 어떤 조건하에서도 글로 플로그를 단시간일지라도 과열시키는 것이 허용되어서는 안되기 때문에, 가열 공정의 변동폭이 클 때 제조상의 공차를 고려하면 큰 문제가 된다.

그러므로, 본 발명의 목적은 매우 짧은 시간 간격 내로 비교적 높은 온도에 도달하도록 가열되게 하는 글로 플러그의 가열 방법 및 회로를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가, 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그 형태의 파라미터들과 초기 온도로부터 결정되고, 상기 결정된 가열 에너지가 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 공급되는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 가열 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 글로 플러그의 가열 방법의 바람직한 일 실시예는 청구항 제2항의 주제이다.

본 발명에 의한 글로 플러그의 가열 회로는 청구항 제4항의 주제이다.

다시 말하면, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 내연 기관 내의 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 회로에 있어서, 상기 글로 플러그에 전원 전압을 인가하기 위한 직렬로 연결된 스위치와 측정용 저항기, 및 상기 측정용 저항기에 걸린 전압과 글로 플러그에 걸린 전압이 인가되고, 상기 측정용 저항기에 걸린 전압 및 상기 글로 플러그에 걸린 전압으로부터 상기 글로 플러그에 공급되는 가열 에너지를 결정하며, 출력 신호를 통해 상기 스위치를 제어하여, 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그 형태의 파라미터들과 초기 온도로부터 결정된, 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 공급되게 하는 전자 제어/평가 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 가열 회로를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 사용하여 특정한 본 발명의 바람직한 실시예가 설명될 것이다.

도 1에 도시된 종래의 스틸 글로 플러그(1)에는, 전열 수단(4)이 글로 튜브(glow tube; 3)에 내장되어 있다. 상기 글로 튜브(3)는 상기 글로 플러그(1)가 기관 블록 내에 나사로 체결되게 하는 글로 플러그 본체(5)에 부착되어 있다. 상기 전열 수단(4)에의 급전을 위한 전기 단자(7)는 상기 전열 수단(4)에 연결되어 있다. 상기 전열 수단(4)의 제2 전기 단자가 상기 글로 튜브(3)에 연결되어 있음으로써, 결과적으로는 상기 글로 튜브(3)와 상기 글로 플러그 본체(5)를 거쳐 접지(8)에 이르는 폐회로가 형성된다.

상기 글로 플러그(1)는 또한, 상기 글로 튜브(3)와 상기 전열 수단(4)이 세라믹 가열 요소로서 하나의 유니트 형태로 이루어진 세라믹 글로 플러그로서 이루어질 수도 있다.

도 2에 도시된 다른 유형의 글로 플러그(2)는 내연 기관의 연소실에서의 이온 전류 획득을 위하여 사용되는 전기적으로 절연된 구조의 스틸 글로 플러그이다. 글로 튜브(3)가 플러그 본체(5)와는 전기적으로 절연되어 있고 이온 전류를 획득하는 측정용 전극으로서 사용되고 있다. 상기 글로 플러그(2)에는, 반도체 스위치(9)와 전압 평가 회로(10)가 배치되어 있고, 상기 전압 평가 회로(10)는 상기 글로 플러그(2)에 걸린 전압에 따라, 상기 반도체 스위치(9)가 도통 상태로 되게 하거나, 또는 이온 전류 획득을 위해 비도통 상태로 되게 한다.

자동 제어 가열 특성을 갖는 글로 플러그에 있어서는, 일반적으로 전원 전압에 대하여 시간-제어 방식으로 배치된 글로 플러그에 의해 가열이 종래 방식대로 일어난다. 그러한 자동 제어 동작의 결과로, 상기 글로 플러그의 선단부(tip)는 기계 및 전기적인 차원에 의해 규정된 온도까지 가열된다. 상기 자동 제어 가열 특성은, 예를 들어, 가열 나선과 제어 나선으로 이루어진 전열 수단에 의해 달성될 수 있다. 상기 나선들은 직렬로 연결되어 있다. 상기 가열 나선은 온도 계수가 무시할 수 있을 정도로 낮은 재료로 이루어지는 반면에, 상기 제어 나선은 온도 계수가 현저한 재료로 이루어진다. 상기 가열 나선과 상기 제어 나선을 통해 전류를 흐르게 하면 상기 두 나선이 가열된다. 이 경우에는, 상기 제어 나선의 저항이 증가하여, 상기 가열 나선과 상기 제어 나선을 통해 흐르는 전류가 감소된다. 그리고 상기 글로 플러그가 규정된 일정 온도에 이르게 되는 경우에 평형 상태가 이루어진다.

상기 글로 플러그의 가열은 또한 전자 제어 방식으로 이루어질 수 있는 데, 이 경우에는 규정 온도에 가능한 한 빨리 도달하고 이후로는 그 온도를 초과하지 않도록 전자 제어 회로를 통해 글로 플러그에의 공급 전력이 제어된다. 전열 수단이 저항 온도 특성을 이미 알고 있는 재료로 이루어질 경우에는 전류와 전압을 측정하면 저항을 알 수 있으며, 결과적으로는 상기 전열 수단의 온도를 측정할 수 있다.

그러나, 글로 플러그가 1000℃와 같은 고온에 매우 급속하게, 예를 들어 2초 내로 도달하도록 가열되어야 할 경우에는, 공지된 자동 제어 방식이나 전자 제어 방식이 사용될 수 없다.

그러므로, 본 발명에 의한 방법에서는, 전력 제어가 사용되지는 않지만, 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그의 파라미터들과 상기 글로 플러그의 초기 온도로부터 결정되게 하고, 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 상기 가열 에너지를 공급함으로써 상기 글로 플러그의 가열시에 에너지 제어가 이루어진다.

여기에서 동일한 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 원하는 최종 온도, 즉, 소정 온도까지 가열하는 데에는 이미 알고 있는 초기 조건들하에서 동일한 가열 에너지가 항상 필요하다고 가정된다. 이같은 초기 조건들로는, 글로 플러그 가열 대상 구역의 초기 온도, 냉각 조건들 및 열 용량이 있는 데, 상기 글로 플러그 가열 대상 구역은 글로 플러그의 한정된 구역, 즉, 글로 튜브와 주로 글로 플러그의 선단부일 수 있다. 이러한 구역은 규정된 열 용량을 갖는다. 상기 냉각 조건들은 배치 상태, 즉, 기관 내의 글로 플러그의 설치에 의해 결정되고, 계산 또는 측정에 의해 결정될 수 있다. 글로 플러그의 열 용량, 즉 글로 플러그의 선단부 가열 대상 구역은 이 부분의 형상과 재료 특성에 의해 결정되고 마찬가지로 계산 또는 측정에 의해 결정될 수 있다. 여기에서, 글로 플러그를 대량으로 생산하는 경우에는 동일한 글로 플러그 형태의 글로 플러그의 냉각 조건들과 열 용량이 단지 작은 변동만의 적용을 받는다고 가정될 수 있다.

그 결과, 초기 온도로부터 원하는 최종 온도, 즉, 소정 온도까지 글로 플러그를 가열하는 데 필요한 에너지가 측정 및/또는 계산에 의해 결정될 수 있으며, 동일한 위치에 배치된 동일한 글로 플러그 형태의 글로 플러그에 있어서는, 가열 단계에서, 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 소정의 가열 에너지가 측정 또는 계산에 의해 결정되고 이러한 에너지가 항상 공급되게 할 정도로 가열이 제어될 수 있다. 초기 온도 또는 최종 온도가 다른 경우에는 필요한 가열 에너지도 달라질 수 있다. 공급 가열 에너지가 전자적으로 제어될 때, 시간 경과에 따른 공급 가열 에너지, 즉, 소비 전력이 임의로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 소비 전력이 일정하게 유지될 수도 있고, 처음에는 많게 이후로는 적게, 또는 처음에는 적게 이후로는 많게 전력이 공급될 수도 있다.

도 3은 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 본 발명에 의한 회로의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1 또는 도 2에 도시된 형태의 글로 플러그(1,2)가 스위치(S; 11)와 전류 측정용 저항기(R_M; 12)를 거쳐 전원 전압(U_B)에 연결된다. 따라서, 글로 플러그 전류(I_GK)에 비례하는 전압(U_M)이 탭(13,14)들에 설치된 저항기(R_M; 12)를 통해 변화될 수 있다. 더욱이, 글로 플러그에 걸린 전압(U_GK)은 탭(14)을 통해 측정될 수 있다. 상기 변화된 전압들은 제어 및 평가 유니트(16)에 인가되는 데, 상기 제어 및 평가 유니트(16)는, 예를 들어, 집적된 아날로그/디지털 변환기를 지닌 마이크로프로세서의 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 제어 및 평가 유니트(16)의 출력 신호(15)를 통해 스위치(11)가 제어된다. 스위치(11)와 전류 측정용 저항기(12)의 결합은 부하 전류 신호를 출력하는 완전 집적화된 전력용 반도체로서 이루어지는 것이 바람직하다.

위에서 언급된 회로는 다음과 같이 동작한다.

글로 플러그를 가열하기 위해, 제어 및 평가 유니트(16)를 통해 스위치(11)를 닫기 위한 신호가 인가된다. 이리하여, 전원 전압(U_B)이 글로 플러그에 걸린다. 전체 가열 시간 간격은, 예를 들어, 세분화된 개개의 시간 간격(T₀)으로 분할되고 탭(13,14)을 통해 글로 플러그에 걸린 전압(U_A)과 이를 통해 흐르는 전류(I_GK)가 결정된다. 세분화된 시간 간격(T₀)은, 예를 들어 1㎳ 미만일 정도로 작을 수 있다. 이같은 짧은 시간 간격(T₀)에서는 글로 플러그에 의해 소비되는 전류(I_GK)가 일정하게 유지되는 것으로 가정된다. 세분화된 시간 간격(T₀) 내로 공급되는 에너지(E_T0)는 E_T0 = U_GK x I_GK x T₀와 같이 결정될 수 있다.

다음으로는, 이와 같은 짧은 시간 간격(T₀) 내로 공급된 개개의 가열 에너지를 합산함으로써 총체적으로 공급된 가열 에너지가 획득된다.

이같은 공급 가열 에너지는 다음과 같이 제어될 수 있는 데, 예를 들어, 전체 가열 시간 간격을, 10등분의 시간 간격(T₀)으로 분할하고, 스위치(11)를, 10등분 모두의 시간 간격(T₀)에 걸쳐서 라기 보다는 10등분의 시간 간격 중 단지 3등분만의 시간 간격에 걸쳐서 닫히게 하여, 시간 간격 당 공급 에너지가 일정할 때 글로 플러그에 최대 허용 공급 에너지 중 단지 30%만이 공급되게 함으로써 공급 가열 에너지가 제어될 수 있다. 즉, 바꾸어 말하면, 글로 플러그를 가열하기 위하여는, 세분화된 시간 간격 내에서 공급되는 단위 가열 에너지가 결정 및 합산되며, 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 소정의 총 가열 에너지에 도달할 때까지 스위치(11)가 닫힌 상태로 놓아둔다.

본 발명에 의한 방법과 회로에서는, 예를 들어, 가열 에너지의 공급시에 생기는 열 출력으로 글로 플러그가 손상되지 않도록 가열 시간 및/또는 가열 에너지의 공급 형태가 선택될 수 있다.

이러한 목적을 이루기 위해서는, 글로 플러그의 글로 튜브 내의 가열 요소의 최대 온도의 한계값이 규정되는 데, 예를 들어, 가열 나선 및 제어 나선이 용융되지 않는 범위를 초과하지 않는 값으로 규정된다. 글로 튜브 내의 가열 요소의 배치와 글로 튜브 내의 가열 요소의 내장은, 급속 가열 동안 가열 요소의 온도가 글로 튜브의 온도에 비해 더욱 더 급속하게 상승하는 열적 로패스(thermal lowpass) 특성을 나타내는 하나의 가능한 실시예이다. 급속 가열시의 공급 에너지는, 가열 요소의 온도가 규정된 한계값을 절대로 초과하지 않도록 제어된다. 이같은 글로 플러그의 로패스 특성은 그 구조에 의해 결정된다. 이리 하여, 급속 가열시의 가열 요소의 과열을 방지하는 에너지-시간 또는 전력-시간 관계가 확립될 수 있다.

본 발명은 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가, 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그 형태의 파라미터들과 초기 온도로부터 결정되고, 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 공급됨으로써, 글로 플러그가 매우 짧은 시간 간격 내로 비교적 높은 온도에 도달하도록 가열될 수 있게 한다.

Claims (4)

1. 내연 기관 내의 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 방법에 있어서, 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가, 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그 형태의 파라미터들과 초기 온도로부터 결정되고, 상기 결정된 가열 에너지가 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 공급되는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 가열 방법.
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3. 제1항에 있어서, 상기 가열 시간 간격은 세분화된 시간 간격으로 분할되고 상기 개개의 시간 간격 내로 글로 플러그에 전달되는 가열 에너지가 결정 및 합산되는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 가열 방법.
4. 내연 기관 내의 소정 위치에 배치된 소정의 글로 플러그 형태의 글로 플러그를 소정 온도까지 가열하기 위한 회로에 있어서, 상기 글로 플러그에 전원 전압을 인가하기 위한 직렬로 연결된 스위치(11)와 측정용 저항기(12), 및 상기 측정용 저항기(12)에 걸린 전압과 글로 플러그에 걸린 전압이 인가되고, 상기 측정용 저항기(12)에 걸린 전압 및 상기 글로 플러그에 걸린 전압으로부터 상기 글로 플러그에 공급되는 가열 에너지를 결정하며, 출력 신호(15)를 통해 상기 스위치(11)를 제어하여, 소정 위치에 배치된 개개의 글로 플러그 형태의 파라미터들과 초기 온도로부터 결정된, 소정 온도까지 가열하는 데 필요한 가열 에너지가 선택된 가열 시간 간격 내로 상기 글로 플러그에 공급되게 하는 전자 제어/평가 유니트(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 가열 회로.

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