KR102430490B1 - 글로우 플러그 및 그 제어 방법 - Google Patents

글로우 플러그 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그는 내연 기관의 연소실을 예열시키는 발열체; 및 상기 발열체의 발열온도 및 발열시간을 제어하는 제어시스템;을 포함하고, 상기 제어시스템은 배터리로부터 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플러그로 출력시키는 스위칭부; 상기 글로우 플러그로 인가되는 전압을 측정하는 전압측정부; 및 전달된 차량 외부의 측정온도 정보를 기준으로 상기 스위치부를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정온도가 제한범위 내에 해당하는 경우, 상기 측정온도와 상기 글로우 플러그의 발열온도가 반비례하도록 상기 스위칭부의 스위칭 듀티 값을 제어하는 것을 특징으로 하여, 제품의 수명을 현저히 연장시키는 동시에 차량의 연비를 향상시킨다.

Description

글로우 플러그 및 그 제어 방법{Glow Plug Control System And Method For Controlling The Same}
본 발명은 글로우 플러그 및 그 제어 방법에 관한 것으로 구체적으로는 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 글로우 플러그는 차량의 디젤 엔진의 실린더에 설치되는 것으로, 실린더 내의 압축 공기를 예열시켜 엔진 점화 성능을 향상시키는 예열 장치로, 연료 연소를 위해 적정 온도로 발열되어야 한다.
따라서 글로우 플러그에 인가되는 전압을 제어하기 위하여 제어시스템을 필요로하며, 제어시스템은 차량에 시동이 켜지면 글로우 플러그로 소정 시간을 간격으로 전원을 온/오프한다.
이때 종래의 글로루 플러그의 제어시스템은 차량이 운행되는 환경의 온도를 일정 범위로 제한하고, 그 범위에서 가장 낮은 온도에서 운행이 되는 조건을 기준으로 글로우 플러그의 발열온도를 산정하고, 이에 따라 예열 1회당 최장 예열시간을 설정하여 글로우 플러그로 공급되는 전원을 제어하여 극한의 상황에서도 차량 운행이 가능하도록 하였다.
다만, 차량의 외부 온도와 무관하게 글로우 프러그를 최고온도까지 발열시켜 사용함으로써, 방열 유지시간이 한정되어 일정 이상 배기 저감이 어렵다는 문제점이 있었으며, 제품의 수명이 제한되는 문제점이 있었다
본 발명의 실시 예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량 외부의 측정온도에 맞춰 발열온도를 제어하여 제품의 수명을 향상시키는 동시에 에너지 손실을 절감할 수 있는 글로우 플러그 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 예의 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그는내연 기관의 연소실을 예열시키는 발열체; 및 상기 발열체의 발열온도 및 발열시간을 제어하는 제어시스템;을 포함하고, 상기 제어시스템은 배터리로부터 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플러그로 출력시키는 스위칭부; 상기 글로우 플러그로 인가되는 전압을 측정하는 전압측정부; 및 전달된 차량 외부의 측정온도 정보를 기준으로 상기 스위치부를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정온도가 제한범위 내에 해당하는 경우, 상기 측정온도와 상기 글로우 플러그의 발열온도가 반비례하도록 상기 스위칭부의 스위칭 듀티 값을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 미리 설정된 설정주기마다 상기 글로우 플러그를 상기 발열온도로 유지하기 위해 소요된 단위전력을 합산하여 산출된 누적전력이 최대전력 이하인 경우에만, 상기 배터리로부터 전달받은 전원을 상기 글로우 플러그로 출력시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 전압측정부로부터 전달받은 상기 글로우 플러그의 출력전압 값과, 상기 스위칭부에서 측정되는 측정전류 값으로부터 상기 단위전력을 연산할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 배터리로부터 공급된 전원을 PWM 방식으로 상기 글로우 플러그로 출력시키는 것이 바람직하며, 상기 제어부는 상기 출력전압 값과 상기 측정전류 값의 실효값을 먼저 연산한 후, 연산된 출력전압 실효값과 측정전류 실효값과 상기 스위칭 듀티 값으로부터 상기 단위전력을 연산할 수 있다.
본 발명의 일실시 예의 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그의 제어 방법은 외부 장치로부터 차량 외부의 측정온도 정보를 전달받아 상기 글로우 플러그의 발열온도를 선정하는 선정단계; 배터리에서 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플로그로 출력시키는 스위칭부에 상기 발열온도에 대응되는 스위칭 듀티 값을 발생시키는 예열단계; 상기 글로우 플러그를 상기 발열온도로 유지하기 위해 소요된 누적전력을 연산하는 연산단계; 및 상기 누적전력이 최대전력을 초과하는 경우 상기 스위칭부를 오프하여 예열을 중지시키는 중지단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연산단계는 전압측정부에서 측정된 상기 글로우 플러그의 출력전압 값과, 상기 스위칭부에서 측정된 측정전류 값의 실효 값을 연산하는 제1 연산단계; 연산된 상기 실효 값과 상기 스위칭 듀티 값으로부터 미리 설정된 설정시간동안 상기 글로우 플러그가 상기 발열온도 유지를 위해 소요된 단위전력을 연산하는 제2 연산단계; 및 연산된 상기 단위전력을 합산하여 상기 누적전력을 연산하는 제3 연산단계;로 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시 예의 글로우 플러그 및 제어 방법은 차량 외부 온도 변화에 따라 글로우 플러그의 발열온도를 선정하므로, 에너지 손실을 최소화하는 동시에 내구성을 향상시켜 제품 수명을 현저히 연장시키는 효과를 갖는다.
이때 발열온도를 낮춤에 따라 글로우 플러그의 1회 발열시간이 증가되어 냉간시 발생되는 백연을 방지하는 효과를 가지며, 누적전력을 연산하여 최대전력을 초과하는 경우 예열을 중지하므로써 글로우 플러그의 일정 이상의 내구성을 보장한다.
또한 MCU의 인터럽트 서비스 기능을 사용하여 미리 설정된 설정시간마다 단위전력을 산출하도록 하여, 별도의 추가 구성을 필요로 하지 않으므로 초기 투자 비용을 절감할 수 있는 동시에 제품의 활용도를 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일실시 예의 글로우 플러그의 사시도.
도 2는 도 1의 제어부의 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시 예의 글로우 플러그 제어 방법의 흐름도.
도 4는 도 3의 순서도.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예의 글로우 플러그의 사시도이고, 도 2는 도 1의 제어부의 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시 예의 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그(10)는 내연 기관의 연소실을 예열시키는 발열체(11) 및 상기 발열체(11)의 발열온도 및 발열시간을 제어하는 제어시스템(100)을 포함하고, 상기 제어시스템(100)배터리(300)로부터 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플러그(10)로 출력시키는 스위칭부(110), 상기 글로우 플러그(10)로 인가되는 전압을 측정하는 전압측정부(120), 및 전달된 차량 외부의 측정온도 정보를 기준으로 상기 스위치부를 제어하는 제어부(130)를 포함하고, 상기 제어부(130)는 상기 측정온도가 제한범위 내에 해당하는 경우, 상기 측정온도와 상기 글로우 플러그(10)의 발열온도가 반비례하도록 상기 스위칭부(110)의 스위칭 듀티 값을 제어하는 것을 특징으로 한다.
글로우 플러그(10)는 연소실 내부에 배치되는 발열체(11), 발열체(11)로 전원을 공급하는 중심전극이 배치되는 하우징(12) 및 스위칭부(110)와 전기적으로 연결되는 접속단자(13)로 형성되어 스위칭부(110)의 온/오프에 따라 실린더 내부를 예열하거나 예열이 중지된다.
이때 제어시스템(100)은 차량의 배터리(300)로부터 전원을 공급받아 엔진의 실린더 내부에 설치된 글로우 플러그(10)로 전원을 공급하여 실린더 내부를 예열을 제어한다.
스위칭부(110)는 배터리(300)의 출력단과 글로우 플러그(10)의 접속단자(13) 사이에 연결된 것으로 제어부(130)의 제어하에 배터리(300)로부터 공급받은 전원을 스위칭하여 글로우 플러그(10)로 출력하거나 전원의 공급을 차단하는 기능을 수행한다.
따라서 스위칭부(110)는 GCU(Glow Control Unit)으로 형성되어 제어부(130)의 제어에 맞는 스위칭 듀티 값으로 동작하며, 이에 따라 출력되는 전압은 전압측정부(120)를 거쳐 와이어링 하네스를 통해 글로우 플러그(10)로 인가된다.
전압측정부(120)는 전압 센서로 형성되어 스위칭부(110)에서 글로우 플러그(10)로 출력되는 인가 전압을 측정하기 위한 것으로, 측정된 출력전압 값은 단위전력을 산출하기 위해 제어부(130)로 전달된다.
따라서 전압측정부(120)는 글로우 플러그(10)의 접속단자(13)에 연결되거나, 스위칭부(110)의 출력단과 글로우 플러그(10)의 접속단자(13) 사이에 연결되어 스위칭부(110)의 출력단의 출력 전압을 측정하는 것이 아니라 글로우 플로그로 인가되는 인가 전압을 측정하여 글로우의 누적전력이 최대전력을 초과하지 않도록 하여 과열에 따른 글로우 플러그(10)의 내구성을 일정 이상으로 보장한다.
제어부(130)는 스위칭부(110)를 제어하기 위한 것으로, 전압측정부(120)에서 측정된 출력전압 값을 기준으로 스위칭부(110)의 스위칭 듀티 값을 제어하여 글로우 플러그(10)로 인가되는 전압 값 및 스위칭부(110)의 온/오프를 제어하여 글로우 플러그(10)로 출력시키는 전압의 인가시간을 제어한다.
구체적으로 제어부(130)는 차량이 시동이 켜지면, 차량에 탑재된 ECU(200)로부터 PWM 제어신호를 입력받아 스위칭부(110)를 소정을 스위칭 듀티 값으로 동작시키고, 전압측정부(120)에서 측정되는 출력전압 값을 정격전압 값과 비교하여 출력전압 값이 전격전압 값보다 낮으면 스위칭 듀티 값을 증가시키고, 높으면 스위칭 듀티 값을 감소시킨다.
이때 본 발명의 글로우 플러그(10) 제어시스템(100)의 제어부(130)는 ECU(200)로부터 차량 외부의 측정온도에 대한 정보를 전달받아 측정온도가 제한범위 내에 해당하는 경우, 측정온도와 글로우 플러그(10)의 발열체(11)의 발열온도가 반비례하도록 스위칭부(110)의 스위칭 듀티 값을 제어한다.
예를 들어 차량의 운행 온도는 영하 30도에서 40도의 제한범위로 설정한 경우, 제한범위 내의 온도에서는 스위칭부(110)의 스위칭 듀티 값을 제어하여 발열온도를 0도에서 최대온도 1200도 사이에서 제어하지만, 측정온도가 제한범위의 최저온도보다 낮은 경우 글로우 플러그(10)는 최대온도로만 발열하고, 최고온도보다 높은 경우 글로우 플러그(10)는 연소실 내부가 연료가 연소되기 위한 최저온도로 유지될 수 있는 정도의 온도로 발열한다.
또한 제어부(130)는 스위칭부(110)의 온/오프를 제어하여 글로우 플러그(10)의 발열시간을 제어한다. 글로우 플러그(10)의 발열기간을 장시간 유지될수록 백연 배출 및 불완전 연소에 따라 발생되는 배출가스를 감소시킨다.
다만, 장시간 발열에 의해 글로우 플러그(10)의 1회 최대전력을 초과하는 경우, 발열체(11)의 열피로가 축척되어 수명이 감소되고, 연소실 내부가 과열되어 내구성 및 안정성이 저하되는 문제점이 발생된다.
따라서 본 발명의 제어부(130)는 미리 설정된 설정시간마다 스위칭부(110)에서 측정된 측정젼류의 값과 전압측정부(120)로부터 전달받은 출력전압 값으로부터 글로우 플러그(10)의 단위전력을 연산하고, 단위전력을 합산하여 누적전력을 연산하여, 누적전력이 최대전력을 초과하는 경우 스위칭부(110)를 오프하고 글로우 플러그(10)의 예열을 중지한다.
이때 글로우 플러그(10)는 PWM방식에 의해 제어되므로, 하기의 [수학식1]을 사용하여 측정전류 값과 출력전압 값의 실효값을 산출하고, 하기의 [수학식2]를 사용하여 산출된 실효값과, 스위칭 듀티 값을 통해 단위전력을 연산한다.
Figure 112020031334190-pat00001
(Vrms : 출력전압의 실효 값, V : 출력전압 값)
Figure 112020031334190-pat00002
(Irms : 측정전류의 실효 값, I : 측정전류 값)
Figure 112020031334190-pat00003
(Prms : 단위전력, Vrms : 출력전압의 실효 값, Irms : 측정전류의 실효 값)
다시 말해 본 발명의 글로우 플러그(10) 제어시스템(100)은 챠량 외부 온도에 맞춰 글로우 플러그(10)의 발열온도를 선정하고, 설정시간마다 소요되는 단위전력을 통해 발열시간을 제어함으로써, 연소실의 예열 시간을 효율적으로 제어하여 에너지 손실을 최소화하는 동시에 차량의 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
이하에서는 글로우 플러그(10)의 제어시스템(100)에 의한 제어 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예의 글로우 플러그 제어 방법의 흐름도이고, 도 4는 도 3의 순서도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예의 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그(10)의 제어 방법은 외부 장치로부터 차량 외부의 측정온도 정보를 전달받아 상기 글로우 플러그(10)의 발열온도를 선정하는 선정단계(S10), 배터리(300)에서 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플로그로 출력시키는 스위칭부(110)에 상기 발열온도에 대응되는 스위칭 듀티 값을 발생시키는 예열단계(S20), 상기 글로우 플러그(10)를 상기 발열온도로 유지하기 위해 소요된 누적전력을 연산하는 연산단계(S30) 및 상기 누적전력이 최대전력을 초과하는 경우 상기 스위칭부(110)를 오프하여 예열을 중지시키는 중지단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
선정단계(S10)는 ECU(200)부터 차량 외부의 측정온도의 정보를 전달받아 글로우 플러그(10)의 발열온도를 선정하는 단계로, 차량이 운행되는 온도의 제한범위 및 차량의 제원에 따라 적정 발열온도를 달리하므로 시험을 통한 데이터를 통해 발열온도는 선정된다.
이때, 측정온도가 제한범위 내에 있는 경우에는 이에 반비례하게 발열온도가 선정되나, 제한범위 외에 해당하는 경우에는 최대발열온도 또는 최저발열온도로 선정된다.
예연단계(S20)는 스위칭부(110)에 발열온도에 해당하는 스위칭 듀티 값을 발생시키는 단계로, 스위칭부(110)를 온(On)하여 글로우 플러그(10)로 전압을 출력시켜 발열체(11)가 선정된 발열온도도 발열되도록 한다. 이때 발열온도는 차량 외부의 측정온도에 맞춰 선정된 것으로 에너지 손실을 최소화한다.
연산단계(S30)는 글로우 플러그(10)의 누적전력을 연산하는 단계로 전압측정부(120)에서 측정된 글로우 플러그(10)로 출력되는 출력전압 값과 스위칭부(110) 내의 전류측정부(111)에서 측정된 측정전류 값을 기초로 연산한다.
구체적으로 연산단계(S30)는 전압측정부(120)에서 측정된 글로우 플러그(10)의 출력전압 값과 스위칭부(110)의 측정전류 값의 설정시간마다의 실효값을 연산하는 제1 연산단계(S31)와, 제1 연산단계(S31)에서 연산된 실효 값과 스위칭 듀티 값으로부터 미리 설정된 설정시간동안 글로우 플러그(10)가 선정된 발열온도로 유지되기 위해 소요된 단위전력을 연산하는 제2 연산단계(S32) 및 연산된 단위전력을 합산하여 누적전력을 연산하는 제3 연산단계(S33)로 형성된다.
다시 말해 연산단계(S30)는 전압측정부(120)와 전류측정부(111)를 통해 글로우 플러그(10)에서 소비되는 전력을 연산하는 단계로, 종래 최대온도로만 발열되어 발열시간이 시간이 정해져 있던 것과 달리 본 발명의 글로우 플러그(10)가 차량 외부 측정온도에 맞춰 발열온도가 달라지는 것에 대응하여 발열시간을 제어하기 위한 사전 단계이다.
중지단계(S40)는 연산단계(S30)에서 연산된 누적전력이 최대전력을 초과하는 경우 스위칭부(110)를 오프(Off)하여 예열을 중지하는 단계로, 구체적으로는 누적전력이 설정된 글로우 플러그(10)의 1회 최대전력을 초과하지 않도록 하여 발열체(11)의 과열을 방지하여 내구성 및 안정성을 확보한다.
따라서 본 발명의 글로우 플러그(10) 제어 방법은 차량 외부의 측정온도에 맞춰 글로우 플러그(10)의 최적화된 발열온도를 선정하여 에너지 손실을 최소화하고, 연산에 따라 1회 최대 발열시간을 증가시켜 불완전 연소에 따른 배출가스를 감소시킨다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것은 본 발명의 보호범위에 속한다.
10 글로우 플러그
11 발열체 12 하우징
13 접속단자
100 제어시스템
110 스위칭부 111 전류측정부
120 전압측정부 130 제어부(MCU)
200 외부장치(ECU) 300 배터리

Claims (6)

  1. 내연 기관의 연소실을 예열시키는 발열체; 및
    상기 발열체의 발열온도 및 발열시간을 제어하는 제어시스템;을 포함하고,
    상기 제어시스템은
    배터리로부터 공급된 전원을 스위칭하여 글로우 플러그로 출력시키는 스위칭부;
    상기 글로우 플러그로 인가되는 전압을 측정하는 전압측정부; 및
    전달된 차량 외부의 측정온도 정보를 기준으로 상기 스위칭부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 측정온도가 제한범위 내에 해당하는 경우, 상기 측정온도와 상기 글로우 플러그의 발열온도가 반비례하도록 상기 스위칭부의 스위칭 듀티 값을 제어하고, 미리 설정된 설정주기마다 상기 글로우 플러그를 상기 발열온도로 유지하기 위해 소요된 단위전력을 합산하여 산출된 누적전력이 최대전력 이하인 경우에만, 상기 배터리로부터 전달받은 전원을 상기 글로우 플러그로 출력시키는 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서
    상기 제어부는
    상기 전압측정부로부터 전달받은 상기 글로우 플러그의 출력전압 값과, 상기 스위칭부에서 측정되는 측정전류 값으로부터 상기 단위전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭부는
    상기 배터리로부터 공급된 전원을 PWM 방식으로 상기 글로우 플러그로 출력시키고,
    상기 제어부는
    상기 출력전압 값과 상기 측정전류 값의 실효값을 먼저 연산한 후, 연산된 출력전압 실효값과 측정전류 실효값과 상기 스위칭 듀티 값으로부터 상기 단위전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 글로우 플러그.
  5. 내연 기관의 연소실을 예열시키는 글로우 플러그의 제어 방법에 있어서,
    외부 장치로부터 차량 외부의 측정온도 정보를 전달받아 상기 글로우 플러그의 발열온도를 선정하는 선정단계;
    배터리에서 공급된 전원을 스위칭하여 상기 글로우 플러그로 출력시키는 스위칭부에 상기 발열온도에 대응되는 스위칭 듀티 값을 발생시키는 예열단계;
    상기 글로우 플러그를 상기 발열온도로 유지하기 위해 소요된 누적전력을 연산하는 연산단계; 및
    상기 누적전력이 최대전력을 초과하는 경우 상기 스위칭부를 오프하여 예열을 중지시키는 중지단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연산단계는
    전압측정부에서 측정된 상기 글로우 플러그의 출력전압 값과, 상기 스위칭부에서 측정된 측정전류 값의 실효 값을 연산하는 제1 연산단계;
    연산된 상기 실효 값과 상기 스위칭 듀티 값으로부터 미리 설정된 설정시간동안 상기 글로우 플러그가 상기 발열온도 유지를 위해 소요된 단위전력을 연산하는 제2 연산단계; 및
    연산된 상기 단위전력을 합산하여 상기 누적전력을 연산하는 제3 연산단계;로 형성되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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