KR101524017B1 - 세라믹 예열 플러그 가열 방법 및 예열 플러그 제어 유닛 - Google Patents

Abstract

세라믹 예열 플러그에 가변 전압을 인가하여 상기 예열 플러그를 가열하는 방법이 개시된다. 본 발명에 따라, 상기 전압은 기본 값으로부터 시작하여 시간-평균화된 방식으로 경과된 가열 시간에 대해 초비례적으로 증가한다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행하기 위한 예열 플러그 제어 유닛에 관한 것이다.

세라믹 예열 플러그

Description

세라믹 예열 플러그 가열 방법 및 예열 플러그 제어 유닛{Method for Heating Up of a Ceramic Glow Plug and Glow Plug Control Unit}

본 발명은 세라믹 예열 플러그(ceramic glow plug)를 가열하는 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 예열 플러그 제어 유닛에 관한 것이다.

엔진을 시동하기 위하여, 예열 플러그는 1000 ℃ 내지 1300 ℃의 전형적인 동작 온도까지 가능한 한 신속하게 가열(heat up)되어야만 한다. 만약 가열 과정 중에 동작 온도가 오버슈팅(overshooting)되는 경우에는 예열 플러그의 마모가 증가되며, 극단적인 경우에는 심지어 손상될 수도 있다. 오버슈팅을 방지하기 위하여, 가열 과정 동안 예열 플러그에 인가되는 전압을 단계적으로 감소시키는 방식이 알려져 있다(MTZ 61,200,10).

매우 전도유망한 잠재력이 있음에도 불구하고, 현재의 세라믹 예열 플러그는 희망하는 장기간의 유효 수명을 성취하지 못하고 있다.

본 발명의 목적은, 세라믹 예열 플러그가 가열되는 것에 의해서는 그 유효 수명이 가능한 한 적게 손상되도록 하기 위하여 가능한 한 가장 적은 부하 하에서, 그 동작 온도까지 가능한 한 신속하게 가열될 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 상기 목적은 청구항 1에 기재된 특징을 포함하는 방법에 의하여 성취된다. 또한 상기 목적은 동작시 예열 플러그를 가열하는 상기 방법을 수행하도록 하는 방식으로 설계된 청구항 19에 따른 예열 플러그 제어 유닛에 의하여 성취된다.

상기와 같은 본 발명은, 세라믹 예열 플러그가 가열되는 것에 의해서는 그 유효 수명이 가능한 한 적게 손상되도록 하기 위하여 가능한 한 가장 적은 부하 하에서, 그 동작 온도까지 가능한 한 신속하게 가열될 수 있는 기술을 제공하는 등의 효과를 제공한다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 세라믹 예열 플러그 가열 방법 및 예열 플러그 제어 유닛의 구체적인 예를 상세히 설명한다.

종래 기술에 있어서 가열 과정(heating-up process)은, 예열 플러그의 온도가 오버슈팅되는 것을 방지하기 위하여, 인가 전압이 가열 과정 동안에 단계적인 방식으로 감소되며, 이에 따라 전압은 가열 과정 동안에 시간-평균화된 방식으로 감소된다. 놀랍게도, 세라믹 예열 플러그, 특히 외부의 가열 예열 플러그의 유효 수명(service life)은, 이와는 정반대로 행함으로써 증가될 수 있다. 왜냐하면 본 발명에 따르면, 가열 과정의 초기에, 전압의 러닝 평균(running mean)이 경과된 가열 시간에 대해 비례적인 방식보다는 빠르게 증가 즉, 직선비례 증가보다 빠르게 증가한다.

바람직하게, 최대 0.3초, 바람직하게는 최대 0.2초, 특히 바람직하게는 최대 0.1초의 러닝 시간 간격에 걸쳐 전압의 러닝 평균는 경과된 가열 시간에 대하여 직선비례 증가보다 빠르게 증가하여야 한다.

예를 들면, 전압은 가열 과정의 초기에 연속적으로 증가될 수 있다. 바람직하게, 전압은 여러 단계들에 걸쳐 증가될 수 있는 바, 이 경우 단계들의 높이는 시간이 증가함에 따라 증가되고 및/또는 단계들의 폭은 시간이 증가함에 따라 감소된다. 이에 의해, 전압의 궤적은. 시간-평균화된 방식으로, 가열 시기 동안 직선비례 증가보다 빠르게 증가한다.

종래 기술에 있어서는, 가열 과정의 시작시에, 전형적으로 차량의 전기 시스템의 풀 전압(full voltage)이 예열 플러그에 인가되는 반면에, 본 발명에 따르면 처음에는 기본 값으로서 예컨대 6 볼트의 매우 낮은 시작 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 이런 기본 값으로부터 시작하여, 이후 전압은 최대 값까지 증가되는 바, 이 최대 값은 상기 차량의 전기 시스템의 공칭 값(nominal value)일 수 있다. 기본 값은 바람직하게는 적어도 4 볼트, 특히 바람직하게는 적어도 5 볼트이다. 바람직하게, 가열 과정의 시작시, 기본 값은 예컨대 시동 사이클을 사용하여 구동되어 제로(0)로부터 단일 점프에 의하여 도달된다.

세라믹 예열 플러그의 유효 수명에 대한 본 발명에 따른 방법의 놀라운 긍정적 효과는, 세라믹 예열 플러그의 세라믹 도전체 내에서 로컬 전류 경로가 생성되 고, 이것은 과도한 전압이 인가될 때 로컬 과열을 발생시키며 이에 따라 예열 플러그의 손상으로 귀결된다는 사실 때문이라고 할 수 있다. 온도에 의해 야기되어, 전기 저항은 가열 과정 동안에 증가하는데, 이에 따라, 가능한 한 신속하게 가열하기 위하여 전압도 또한 재료를 손상시키지 않으면서 증가될 수 있다. 특히 가열 과정의 시작은 예열 플러그의 유효 수명에 대해 중요한 것으로 생각된다. 가장 신속하게 가능한 가열을 성취하기 위하여, 전압은 가열 시기 동안에 최대 값까지 점진적으로 증가될 수 있고, 이 최대 값에 도달된 후, 전압은 최종적으로 동작 온도를 유지하기에 충분한 더 낮은 값으로 지연된 방식으로 감소될 수 있다.

언급된 바와 같이, 전압은 가열 과정의 시작시에 단계적으로 증가될 수 있다. 바람직하게는, 전압은 최대 0.4초의 시간 기간 동안, 바람직하게는 최대 0.2초 동안, 특히 바람직하게는 0.1초의 시간 기간 동안 일정하게 유지된 후, 이어지는 시간 기간 동안 증가된다.

차량 배터리의 전압은 바람직하게는 짧은 시간 슬라이스 동안에 펄스폭변조 방식으로 인가되고, 이에 따라 유효 전압이 발생될 수 있고, 이 유효 전압의 시간에 따른 궤적은 단계 함수(step function), 다변형(polygonal) 궤적, 또는 예컨대 포물선 형태일 수 있으며, 또한 시간-평균화된 방식으로 경과된 가열 시간에 대해 직선비례 증가보다 빠르게 증가한다. 종종, 펄스폭변조 방식에 의해 제공되는 유효 전압은 단순히 전압이라고 불리운다.

유효 전압의 연속적인 증가는 시간 슬라이스들의 폭, 즉 전압이 인가되는 시 간 기간의 길이 ∇t₁를 증가시킴으로써, 및/또는 이들 시간 슬라이스들 사이의 시간 기간의 길이 ∇t₂ 를 감소시킴으로써 펄스 폭 변조 방식에 의하여 달성될 수 있다. 시간 t에서의 유효 전압은 ∇t₁ + ∇t₂의 길이를 가지며 t에서 중심을 가지는 시간 기간 동안에 인가된 전압에 대한 러닝 평균(running mean)으로서 계산될 수 있다.

특히 양호한 결과는 유효 전압을 시작 전압으로부터 시작하여 연속 또는 반-연속(semi-continuous) 방식으로 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 예를 들면, 시간에 대한 전압의 궤적은 근사적으로 다변형 궤적일 수 있다. 이 다변형 궤적이 더 많은 중간 포인트를 가질수록 전압은 더욱 균일하게 증가한다. 다변형 궤적은 바람직하게는 적어도 5개의 중간 포인트를 가지며, 특히 적어도 8개의 중간 포인트를 가지며, 특히 바람직하게는 12개의 중간 포인트를 가진다. 만약 전압의 궤적이 연속적으로 미분 가능한 함수로 근사되고 전압의 궤적의 시간 도함수가 엄격한 단조 방식으로 증가한다면 특히 유리하다. 예를 들면, 유효 전압은 포물선적인 증가를 보여줄 수 있다.

본 발명에 따른 예열 플러그 제어 유닛은 예열 플러그를 가열하기 위하여 본 발명에 따른 상술한 방법을 수행하도록 설계된다. 바람직하게, 예열 플러그 제어 유닛은, 가열 과정 동안 전압의 궤적에 대하여 프로그램된 곡선의 적어도 5개의 중간 포인트가 저장된 메모리를 구비한다. 특히 바람직하게는 상기 프로그램된 곡선의 적어도 8개의 중간 포인트가 저장된다.

도 1은 초 단위의 시간 t에 대하여 볼트 단위의 유효 전압 U_eff의 궤적을 도 시한다. 모터를 시동시키기 위하여 세라믹 예열 플러그를 동작 온도까지 가열하기 위하여 전압이 세라믹 예열 플러그에 인가된다. 가열 과정의 시작시, 유효 전압은 오늘날 통상적으로 약 12V인 차량의 전기 시스템의 전압보다 더 작은 시동 전압으로서 인가된다. 시동 전압은 0보다는 크고 기본 값으로서 선택되며, 바람직하게는 한번의 점프 동작에 의하여 도달된다.

이에 따라 모터를 시동하기 위하여 동작 온도까지 세라믹 예열 플러그를 가열하기 위한 방식이 구현된다. 이 방식이 적용되는 동안, 예열 플러그에 가변 전압이 인가된다. 기본 값으로부터 시작하여 최대 값에 도달될 때까지 전압은 경과된 가열 시간에 직선비례 증가보다 빠르게 증가한다.

도 1에서, 유효 전압 U_eff은 6 볼트의 기본 값으로부터 약 11 볼트의 최대 값까지 포물선 형으로 증가한다. 전압 궤적은 프로그램된 곡선 U_eff(t) = 4.6 (V/s²) x t² + 2.6 (V/s) x t + 6 V를 따른다. 상기 공식에서 시간(t)은 초 단위로 입력되어야 하며 초는 s로 나타나 있다. U_eff(t)는 시간의 함수로서 예열 플러그에 인가되는 유효 전압이다.

주어진 유효 전압 U_eff은 펄스 폭 변조 방식을 통하여 예열 플러그 제어 유닛에 의하여 예열 플러그에 인가된다.

펄스 폭 변조 방식에 있어서, 차량의 전원 공급기는 짧은 시간 기간들 동안 전압 펄스의 형태를 예열 플러그에 인가되도록 한다. 전압 펄스의 지속기간 및 펄 스들 사이의 중단시기들의 지속기간은 유효 전압을 결정한다. 예를 들면, 유효 전압은 인가된 전압의 러닝 평균으로서 계산될 수 있다. 이 평균은 전압 펄스의 지속기간 길이 ∇t₁와 예열 플러그가 전원공급기로부터 차단되는 이어지는 시간 기간 ∇t₂ 의 합인 시간 기간에 걸쳐서 계산된다. 전원 공급기의 전압이 근사적으로 일정하다고 가정하면, ∇t₁ + ∇t₂의 시간 기간 내의 유효 전압은 다음과 같다.

U_eff = (U_B ·∇t₁):(∇t₁ + ∇t₂)

도 2는 펄스 폭 변조 방식에 의하여 인가되는 전압 펄스 뿐만 아니라 도 1에 도시된 유효 전압의 최종 궤적을 도시한다. 전압 펄스의 지속기간 ∇t₁은 시간이 증가함에 따라 직선비례 증가보다 빠르게 증가한다. 이에 따라 전압 펄스들 사이의 중단시기의 지속기간 ∇t₂는 합 ∇t₁ + ∇t₂이 일정하게 되는 방식으로 감소된다.

도시된 예에서 하나의 전압 펄스의 지속기간 길이와 예열 플러그가 전원공급기로부터 차단되는 이어지는 시간 기간의 합은 0.1초이다. 전압 펄스의 시작은 도 2에서 도면의 상부 가장자리에 점선으로 표시되어 있다. 시간 기간 ∇t₁ + ∇t₂에 걸치는 평균으로 인가되는 전압은, 도 2의 시간축 상의 점 0.5초, 1.5초, 2.5초, 4.5초 및 5.5초에 대하여 수평 라인으로 표시되어 있다. 따라서 수평 라인들은 시간 0.5초, 1.5초, 2.5초, 3.5초, 4.5초 및 5.5초 이후 유효 전압을 표시한다.

상술한 바와 같은 전압 궤적은 유효 수명에 대한 피해없이 예열 플러그의 신 속한 가열을 용이하게 한다. 최대 유효 전압이 예열 플러그에 인가된 직후, 예열 플러그는 동작 온도에 도달한다. 최대 유효 전압은 일반적으로 차량의 전원 공급기의 공칭 전압과 같지만 더 낮을 수도 있다. 동작 온도에 도달된 후, 유효 전압은 이 동작 온도를 유지하기에 충분한 값으로 낮추어질 수 있다. 유효 전압을 낮추는 과정은 단계적으로 또는 연속적으로 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 방법에 의하여 예열 플러그가 가열된 이후 유효 전압의 궤적의 예를 개략적으로 도시한다. 도 3의 좌측 절반은 도 1에 도시된 것과 동일한 유효 전압의 궤적을 도시하고 있다. 도 3의 우측 절반은 유효 전압이 동작 온도를 유지하기에 충분한 값으로 단계적으로 낮추어지는 방식을 도시한다. 도 3의 우측 절반에서 횡좌표축의 눈금은 도 3의 좌측 절반에서 횡좌표축의 눈금보다 더 큰다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따라, 가열 과정 동안 세라믹 예열 플러그의 유효 전압의 궤적의 예를 보여주는 그래프.

도 2는 본 발명에 따라, 도 1에 도시된 유효 전압의 최종 궤적에 대해 펄스 폭 변조 방식에 의해 인가된 전압 펄스를 도시하는 그래프.

도 3은 동작 온도까지 예열 플러그가 가열되는 동안 유효 전압의 궤적과 동작 온도에 도달한 이후의 유효 전압의 궤적을 예시하는 그래프.

Claims (18)

1. 세라믹 예열 플러그(ceramic glow plug)에 가변 전압을 인가함으로써 상기 예열 플러그를 가열하는 방법으로서,

   상기 전압의 러닝 평균(running mean)은 경과된 가열 시간에 대해 직선비례 증가보다 빠르게 증가하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전압의 증가는 기본 값으로부터 시작하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압은 펄스 폭 변조 방식에 의하여 제공되는 유효 전압인 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 가열 과정 중에 상기 전압은 최대 0.4초의 시간 주기 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압은 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 전압은 여러 단계들에 걸쳐 증가되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 단계들의 높이는 시간이 증가함에 따라 증가되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 단계들의 폭은 시간이 증가함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압은 최대 값까지 증가하고 상기 최대 값에 도달한 후 감소하여, 최종적으로 지연된 기초 상에서 더 낮은 값으로 감소하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 최대 0.3초의 러닝 시간 간격에 걸치는 상기 전압의 러닝 평균는, 상기 경과된 가열 시간에 대해 직선비례 증가보다 빠르게 증가하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
11. 청구항 2에 있어서, 상기 기본 값은 적어도 4 볼트인 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 방법의 시작시 상기 기본 값은 제로(0)로부터 상기 기본 값까지 단일 점프 방식으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압은 포물선 형태로 증가하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압의 궤적은 엄격하게 단조 증가를 나타내는 시간 도함수를 가지는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압의 증가 궤적은 다변형적인 궤적인 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전압의 증가 궤적은 다변형적인 궤적이며, 상기 다변형적인 궤적은 적어도 5개의 중간 포인트를 가지는 것을 특징으로 하는, 세라믹 예열 플러그 가열 방법.
17. 예열 플러그를 가열하기 위하여 청구항 1에 기재된 방법을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 예열 플러그 제어 유닛.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 예열 플러그의 메모리에 상기 가열 과정 동안 상기 전압 궤적의 프로그램된 곡선의 적어도 5개의 중간 포인트가 저장되는 것을 특징으로 하는, 예열 플러그 제어 유닛.

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