KR102600299B1 - 점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일 단(coil stage(s))에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일 단을 제어하는 스파크 플러그 제어 유닛을 구비하는 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)으로서, 상기 2개의 코일 단은 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합되는 제1 1차 권선(L1)을 구비하는 제1 변압기(T1)와, 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합되는 제2 1차 권선(L3)을 구비하는 제2 변압기(T2)를 포함하고, 상기 1차 권선의 공통 하이 측(high side)으로부터 보조 2차 권선(L6)에 직렬로 연결된 보조의 1차 권선(L5)을 구비하며, 상기 보조 2차 권선(L6)의 다른 단부는 접지/로우 측에 전기적으로 연결되고, 상기 보조 권선들에 전류가 선택적으로 통하게 하는 스위치 수단(Q3)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 다충전 점화 시스템.

Description

점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치
본 발명은 점화 시스템, 및 스파크 플러그를 제어하는 방법에 관한 것이다. 이는 멀티-스파크 플러그 점화 시스템(multi-spark plug ignition system)과 같이 연속 스파크를 제공하도록 된 시스템에 특별히 적용되지만 독점적이지는 않다.
매우 희박한 공기-연료 혼합물, 즉 연료 소비 및 배출물을 저감하기 위해 더욱 높은 공기 조성물을 갖는 혼합물을 사용하는 점화 엔진이 개발되어 있다. 안전한 점화를 제공하기 위해, 고에너지 점화원을 갖는 것이 필요하다. 일반적으로, 종래 기술의 시스템은 제한된 스파크 지속시간 및 에너지 출력을 갖는 크기가 큰 고에너지의 단일한 스파크 점화 코일을 사용한다. 이러한 제한을 극복하고 점화 시스템의 크기를 줄이기 위해, 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition systems)이 개발되어 있다. 다충전 시스템은 신속한 시퀀스의 개별적인 스파크를 생성하여, 길고 준-연속적인 스파크가 출력된다. 다충전 점화 방법은, 재충전 기간 동안에 스파크가 중단되는 단점이 있는데, 이는 특히 연소실 내에 높은 난류가 존재할 때에 현저하게 되는 부정적인 영향을 끼친다. 예컨대, 이는 실화(misfire)로 이어져서, 연료 소비가 더 증가하고 배출물이 더 증가될 수 있다.
개선된 다충전 시스템이 유럽 특허 EP2325476호에 개시되어 있는바, 이는 전술한 부정적인 효과가 없으며, 적어도 부분적으로 광범위한 연소 전압에 걸쳐 연속 점화 스파크를 생성하고, 스파크 플러그에 조절가능한 에너지를 전달하며, 자유롭게 선택될 수 있는 점화의 연소 시간을 제공하는 다충전 점화 시스템을 개시한다.
현재의 시스템의 단점은 초기 충전시의 높은 1차 전류 피크이다. 그 전류 피크는 바람직하지 않은데, 이는 높은 구리-손실과, 높은 EMC 방출을 발생시키며, 차량의 온보드(onboard) 발전(제너레이터/배터리)에 높은 부하로 작용한다. 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 하나의 옵션으로는 점화 코일(예컨대, 48V) 앞에 DC/DC 변환기(converter)를 두는 것이다. 그러나, 이는 추가 비용을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 DC/DC 변환기를 사용하지 않고서 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 것이다.
일 관점에서, 스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일 단(coil stage(s))에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일 단을 제어하는 스파크 플러그 제어 유닛을 구비하는 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)으로서, 상기 2개의 단은 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 및 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하고, 상기 1차 권선의 공통 하이 측(common high side)으로부터 보조 2차 권선(L6)에 직렬로 연결된 보조의 1차 권선(L5)을 구비하며, 상기 보조 2차 권선(L6)의 다른 단부는 접지/로우 측(ground/low side)에 전기적으로 연결되고, 상기 보조 권선들에 전류가 선택적으로 통하게 하는 스위치 수단(Q3)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은, 상기 제어 유닛과 코일 단(들) 사이에 위치한 강압 변환기 단(step-down converter stage)을 포함할 수 있으며, 상기 강압 변환기는 제3 스위치(M1) 및 다이오드(D3)를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 코일 단들에 선택적으로 전력을 공급하도록 상기 제3 스위치를 제어할 수 있다.
상기 스위치(Q3)는 상기 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다.
상기 스위치 수단은 상기 보조 2차 권선의 로우 측 단부(low side end)와 접지 사이에 위치된다.
상기 제어 유닛은 2개의 대응하는 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 동시에 스위치 온/오프함으로써 1차 권선(L1, L3)에 동시에 전원을 넣고 끊는 것이 가능하여, 연속적인 발화를 유지하도록 양자의 대응하는 스위치(Q1, Q2)를 순차적으로 스위치 온/오프함으로써 1차 권선(L1, L3)을 동시에 전원을 넣고 끊을 수 있다.
다충전 점화 사이클에서, 상기 제1 단(stage)의 상기 1차 코일의 초기 통전(energization)/상승 상(ramp-up phase) 동안에, 상기 제어 유닛은 상기 보조 1차 권선을 통해 전류가 흐르도록 상기 스위치(Q3)를 닫을 수 있다.
또한, 전술한 시스템을 제어하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 다충전 점화 사이클에서 상기 제1 단의 상기 1차 코일의 초기 통전 또는 상승 상 동안에, 상기 보조 1차 권선을 통해 전류를 흐르게 하는 단계를 포함한다.
본 발명은 하기의 도면을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 종래기술의 결합형 다충전 점화 시스템의 회로를 도시한다.
도 2는 점화 시스템 전류의 타임라인을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일례를 도시한다.
도 1은 내연 기관(미도시)의 단일 연소 실린더와 관련될 수 있는 스파크 플러그(11)의 단일 세트의 갭이 있는 전극에 작용하는 광범위한 연소 전압에 걸쳐 연속 점화 스파크를 생성하기 위한 종래 기술의 결합형 다충전 점화 시스템의 회로도이다. CMC 시스템은 1차 권선(L1, L2)을 구비하는 고속 충전 점화 코일(L1-L4)을 사용하여 요구되는 높은 DC-전압을 생성한다. L1 및 L2는 제1 변압기(코일 단)를 형성하는 공통 코어(K1)에 권취되고, 또 다른 공통 코어(K2)에 권취된 2차 권선(L3, L4)은 제2 변압기(코일 단)를 형성한다. 제1 및 제2의 1차 권선(L1, L3)의 2개의 코일 단부는 전기 스위치(Q1, Q2)에 의해 자동차의 섀시 접지와 같은 공통 접지에 교대로 스위칭될 수 있다. 이들 스위치(Q1, Q2)는 바람직하게 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistors)이다. 저항기(R1)는, 1차 측으로부터 흘러 스위치(Q1, Q2)들과 접지 사이에 접속되는 1차 전류(Ip)를 측정하기 위해 선택적으로 존재할 수 있는 한편, 2차 측으로부터 흘러 2차 전류(Is)를 측정하기 위한 선택적 저항기(R2)가 다이오드(D1, D2)들과 접지 사이에 접속된다.
2차 권선(L2, L4)의 저전압 단부는 고전압 다이오드(D1, D2)들을 통해 자동차의 공통 접지 또는 섀시 접지에 결합될 수 있다. 2차 점화 권선(L2, L4)의 고전압 단부는 종래의 수단을 통해 스파크 플러그(11)의 갭이 있는 한 쌍의 전극 중 하나의 전극에 결합된다. 또한, 스파크 플러그(11)의 다른 전극은 종래대로 스파크 플러그를 엔진 블록에 나사 결합함으로써 공통 접지에 결합된다. 1차 권선(L1, L3)은, 공칭 12V인 자동차 전기 시스템의 종래의 자동차 시스템 전압에 상응할 수 있고, 도면에서 배터리의 양의 전압인 공통 전원 전위에 접속된다. 충전 전류는 스위치(Q1, Q2)들의 상태를 제어하는 전자 제어 회로(13)에 의해 관리될 수 있다. 제어 회로(13)는, 예컨대 ECU에 의해 공급되는 엔진 스파크 타이밍(engine spark timing: EST) 신호에 응답하여, 신호(Igbt1, Igbt2)들에 의해 각각 제어되는 스위치(Q1 및 Q2)들을 통해 1차 권선(L1, L2)을 시스템 접지에 선택적으로 결합한다. 측정된 1차 전류(Ip) 및 2차 전류(Is)는 제어 유닛(13)에 전송될 수 있다. 유리하게는, 배터리(15)의 공통 전원 전위는 점화 스위치(M1)에 의해, 접지된 것의 반대쪽 단부(20)에서 1차 권선(L1, L3)에 결합될 수 있다. 스위치(M1)는 바람직하게 MOSFET 트랜지스터이다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치(예컨대, MOSFET)가 트랜지스터(M1)에 결합되어 강압 변환기를 형성한다. 제어 유닛(13)은 신호(FET)에 의해 스위치(M1)를 스위치 오프할 수 있다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치는 M1이 오프일 때 스위치 온되고, 그 반대도 동일하게 된다.
종래 기술의 작동에서, 제어 회로(13)는 갭이 있는 전극을 가로질러 확장된 연속의 고에너지 아크를 제공하도록 작동한다. 제1 단계 동안, 스위치(M1, Q1 및 Q2)들은 모두 스위치 온되어, 전원 공급 장치(15)의 전달된 에너지가 양자의 변압기(T1, T2)들의 자기 회로에 저장된다. 제2 단계 동안, 양자의 1차 권선이 스위치(Q1 및 Q2)들에 의해 동시에 스위치 오프된다. 변압기의 2차측 상에는 고전압이 유도되고, 점화 스파크가 스파크 플러그(11)의 갭이 있는 전극을 통해 발생한다. 제3 단계 동안, 양자의 변압기(T1, T2)들이 에너지를 전달하고 있는 최소 연소 시간 후에, 스위치(Q1)는 스위치 온되고 스위치(Q2)는 스위치 오프된다(또는 그 반대도 동일하다). 이는, 제1 변압기(L1, L2)가 그 자기 회로에 에너지를 저장하는 한편, 제2 변압기(L3, L4)는 스파크 플러그에 에너지를 전달한다(또는 그 반대도 동일하다). 제4 단계 동안, 1차 전류(Ip)가 한도(Ipmax) 이상으로 증가할 때, 제어 유닛은 이를 검출하고 트랜지스터(M1)를 스위치 오프한다. 스위치 온(Q1 또는 Q2)된 변압기(L1, L2 또는 L3, L4)에 저장된 에너지는 다이오드(D3; 강압 토폴로지(step-down topology))를 넘어 전류를 밀어내므로, 변압기는 자기 포화 상태로 될 수 없고, 그 에너지는 제한된다. 바람직하게, 변압기(M1)는 영구적으로 스위치 온 및 오프되어, 변압기 내의 에너지를 일정한 레벨로 유지하게 된다. 제5 단계 동안, 2차 전류(Is)가 2차 전류 임계 레벨(Ismin)에 미치지 못한 직후에, 스위치(Q1)는 스위치 오프되고 스위치(Q2)는 스위치 온된다(또는 그 반대도 동일하다). 그 다음, 제어 유닛이 양자의 스위치(Q1 및 Q2)를 스위치 오프하는 한, 스위치(Q1 및 Q2)를 순차적으로 스위치 온 및 오프시킴으로써 단계 3 내지 5가 반복되게 된다.
도 2는 점화 시스템 전류의 타임라인을 도시하는데, 도 2의 (a)는 시간에 따른 1차 전류(Ip)를 나타내는 트레이스(trace)를 도시한다. 도 2의 (b)는 2차 전류(Is)를 나타낸다. 도 2의 (c)는 ECU로부터 점화 시스템 제어 유닛으로 보내지고 점화 시간을 나타내는 EST 라인의 신호를 도시한다. 제1 단계, 즉 M1, Q1 및 Q2가 스위치 온되는 동안, 1차 전류(Ip)는 변압기 내에 에너지 저장에 의해 급속히 증가한다. 제2 단계, 즉 Q1 및 Q2가 스위치 오프되는 동안, 2차 전류(Is)는 증가하고 있고 고전압이 유도되어 스파크 플러그의 갭이 있는 전극을 통해 점화 스파크를 발생시킨다. 제3 단계 동안, Q1 및 Q2는 순차적으로 스위치 온 및 오프되어, 변압기에 저장된 에너지뿐 아니라 스파크를 유지한다. 제4 단계 동안, 1차 전류(Ip)와 한도(Ipth) 사이의 비교가 이루어진다. Ip가 Ipth를 초과할 때, M1은 스위치 오프로 되어, "스위치 온된(switched on)" 변압기는 그 저장된 에너지를 제한함으로써 자기 포화 상태로 될 수 없다. 이로써 스위치(M1)는 스위치 온 및 오프되는데, 1차 전류(Ip)가 제어 범위 내에서 안정하다. 제5 단계 동안, 2차 전류(Is)와 2차 전류 임계 레벨(Isth) 사이의 비교가 이루어진다. Is < Isth이면, Q1은 스위치 오프되고 Q2는 스위치 온된다(또는 그 반대도 동일하다). 그 다음, 단계 3 내지 5는, 제어 유닛이 양자의 Q1 및 Q2를 스위치 오프하는 한, Q1과 Q2를 순차적으로 스위치 온 및 오프시킴으로써 반복되게 된다. 2개의 변압기를 교대로 충전 및 방전하기 때문에, 점화 시스템은 연속적인 점화를 전달한다. 상술한 내용은 본 발명의 배경기술을 제공하기 위해 종래 기술의 점화 시스템의 회로 및 작동을 설명한다. 본 발명의 일부 관점에서, 전술한 회로가 이용될 수 있다. 본 발명은 성능을 향상시키고 스파크 플러그의 마모를 감소시키는 각종 해결책을 제공한다. 도 2의 (d) 및 (e)는 각 코일의 작동 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일례를 도시한다. 이는 유도 결합을 제공하도록 각 변압기(코일 단) 상에 직렬로 접속된 추가적인(보조) 1차 권선(L5, L6)을 제공하는 점을 제외하고는 도 1과 유사하다. 또한, 추가적인 스위치(Q3)는 변압기(L6)의 로우 측(low side)과 접지 사이에 제공된다. 상기 스위치는 제어기로부터의 출력에 의해 제어될 수 있다. 엔진 ECU로의 접속은 도면에 도시되어 있다. 이에 따라, L1, L5 및 L6은 공통 코어(K1)를 공유하고, L3, L4 및 L6은 공통 코어(K2)를 공유한다.
작동시에, 다충전 점화 사이클의 초기 상 동안에, 권선들은 스위치(Q3)를 닫음으로써 직렬로 접속된다. 초기 작동 후에, 스위치(Q3)는 표준 CMC 작동 동안에 개방되고, 양자의 변압기 단의 토클링(toggling)은 스위치(Q1, Q3)에 의해 제어된다.

Claims (7)

  1. 스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일 단(coil stage(s))에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일 단을 제어하는 스파크 플러그 제어 유닛을 구비하는 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)에 있어서,
    상기 2개의 코일 단은 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합되는 제1 1차 권선(L1)을 구비하는 제1 변압기(T1)와, 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합되는 제2 1차 권선(L3)을 구비하는 제2 변압기(T2)를 포함하고,
    상기 제1 1차 권선(L1)의 공통 하이 측(common high side)으로부터 제2 보조 2차 권선(L6)에 직렬로 연결된 제1 보조 1차 권선(L5)을 구비하며, 상기 제2 보조 2차 권선(L6)의 다른 단부는 접지/로우 측(ground/low side)에 전기적으로 연결되고, 상기 보조 권선들에 전류가 선택적으로 통하게 하는 스위치 수단(Q3)을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    다충전 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛과 코일 단 사이에 위치된 강압 변환기 단(step-down converter stage)을 구비하며, 상기 강압 변환기는 제3 스위치(M1)와 다이오드(D3)를 구비하고, 상기 제어 유닛은 상기 코일 단에 파워를 선택적으로 제공하도록 상기 제3 스위치를 제어가능한,
    다충전 점화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 수단(Q3)은 상기 제어 유닛에 의해 제어되는,
    다충전 점화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 수단은 상기 보조 2차 권선의 로우 측 단부와 접지 사이에 전기적으로 접속되는,
    다충전 점화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 제4 스위치(Q1) 및 제5 스위치(Q2)를 동시에 스위치 온/오프함으로써 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)에 동시에 전원을 넣고 끊는 것이 가능하여, 연속적인 발화를 유지하도록 양자의 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 순차적으로 스위치 온/오프함으로써 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)을 동시에 전원을 인가하고 전원을 끊는,
    다충전 점화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    다충전 점화 사이클에서, 상기 제1 1차 권선(L1)의 초기 통전(energization)/상승 상(ramp-up phase) 동안에, 상기 제어 유닛은 상기 보조 1차 권선을 통해 전류가 흐르도록 상기 스위치 수단(Q3)을 닫는,
    다충전 점화 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 다충전 점화 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    다충전 점화 사이클에서, 상기 제1 1차 권선(L1)의 초기 통전/상승 상 동안에, 상기 보조 1차 권선을 통해 전류가 흐르게 하는 단계를 포함하는,
    제어 방법.
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