KR19990006589A - 다중 스파크 점화시스템 - Google Patents

Abstract

스파크점화 내연기관을 위한 점화시스템이 점화코일과, 2차권선과 연결된 스파크 플러그 및, 코일의 1차권선과 연결된 전기공급회로로 구성되고, 여기서 상기 회로는 최소값에서 최대값으로 점진적으로 증가하고 급격하게 최소값으로 돌아가는 1차권선에서의 순간전류흐름동안 충전사이클을 생성하도록 프로그램된 전자제어유닛에 의해 제어되는 반도체 장치를 포함한다. 전자제어유닛은 하나 및 동일한 엔진사이클동안 충전사이클의 연속을 생성하도록 프로그램된다. 상기 각 충전사이클은 방전사이클의 지속기간(DA)보다 크거나 동일한 지속기간의 시간간격(W)에 의해 이전 사이클과 분리된다.

Description

다중 스파크 점화시스템

본 발명은 중요 청구항의 전문에서 설명된 스파크 점화 내연기관을 위한 점화시스템에 관한 것이다.

자동차산업에 일반적으로 사용되는 점화시스템은 2차코일권선의 단자에서의 전압이 미리 설정된 문턱값, 예컨대 20-35kV 급을 초과할 때 스파크를 발생시키는 스파크 플러그와 연결되는 점화코일을 포함한다. 1차권선은 1차권선내에서 순간전류흐름의 주기적인 변화를 생성해내는 방법으로 전자제어유닛에 의해 조종되는 반도체장치를 포함하는 공급회로의 일부를 형성한다. 이하, 사용되는 용어 충전사이클(charging cycle)은 최소값에서 최대값으로 점진적으로 증가한 다음 최소값으로 급격히 돌아가는 1차권선 내에서 흐르는 순간전류( 더욱 상세하게는 1차전류로 언급된다)의 사이클을 나타내는 것이다. 스파크가 발생될 때, 2차권선에서 발생되는 방전사이클은 2차전류가 제로로부터 2차피크전압에 대응하는 최고값으로 급격히 통과한 다음 점진적으로 제로로 되돌아오는 것과 같이 된다. 방전사이클의 지속기간은 스파크의 지속기간과 실질적으로 동일하다.

통상의 점화시스템에 있어서, 스파크의 지속기간은 공기-연료 혼합물의 정확하고 완전한 연소를 위한 기본적으로 중요한 임계요소를 나타낸다. 스파크의 지속기간은 정상적으로 가장 바람직하지 않은 상태 예컨대, 낮은 주변온도에서의 차가운 엔진의 점화시에도 공기-연료 혼합물의 점화를 보장하는 방법으로 결정된다. 자동차 산업에서 일반적으로 사용되는 점화시스템에서 코일의 충전사이클의 지속기간은 항상 2ms 보다 길어야 하는 바, 통상적으로는 2-4ms 사이의 범위에 놓여져야 한다. 실험적 테스트는 스파크의 지속기간이 코일의 인덕턴스에 의존하는 충전사이클의 지속기간보다 늘 짧다는 것을 보여준다.

그러므로, 기술적인 관점에서, 긴 지속기간의 스파크가 얻어지려면 기본적으로 높은 인덕턴스(inductance)의 점화코일을 가져야 하고, 이것이 의미하는 것은 많이 감긴 코일을 가져야 하며, 이에 따라 또한 상대적으로 큰 중량과 크기를 갖는다는 것이다. 최근에는 각 스파크 플러그가 스파크 플러그의 상부에 직접적으로 위치한 실린더 헤드의 작음 홈 내에 배열된 자체의 점화코일을 각각 구비하는 해결책을 추구하는 경향의 엔진 설계를 볼 수 있다. 결과적으로는, 한편으로 충분히 높은 인덕턴스 및 이 인덕턴스에 따라 결정되는 스파크 지속기간을 보장하기 위해 큰 코일을 실현할 필요가 있고, 다른 한편으로는 플러그 상부에서 즉각적으로 이용할 수 있는 작은 공간에 수용될 수 있는 작고 간결한 코일을 갖는 것이 요구된다. 더욱이, 상대적으로 큰 인덕턴스를 갖는 선행기술의 코일은 신뢰성의 관점에서 임계적인 특성을 나타내는 매우 높은 동작온도를 갖는 부가적인 단점과 관련되어있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 이제까지의 단점을 극복하는 점화시스템을 제공하는 것에 있다.

도 1과 도 2는 각각 유도 용량적인 방전을 갖는 일반적인 두 점화시스템의 전자회로 레이아웃(layout)을 나타낸 도면,

도 3은 일반적인 형태 점화시스템의 점화코일 내에서의 1차전류와 2차전압 및 2차전류의 시간유형을 설명하는 그래프,

도 4는 도 3과 유사한 그래프로서, 본 발명에 따른 점화시스템에 관한 그래프이고,

도 5와 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 점화시스템의 각기 다른 동작상태를 나타낸 것으로, 도 4와 유사한 그래프이다.

본 발명에 따라 이러한 목적은 이하, 설명된 중요 청구항의 특징을 갖는 점화시스템에 의해 얻어진다.

본 발명은 기본적으로 하나 및 동일한 엔진사이클동안 매우 짧은 지속기간의 다수의 충전사이클을 생성하는 원리에 기초한 것으로, 여기서 상기 짧은 지속기간은 예컨대, 대략 5000 -6000r.p.m 급의 최대회전속도를 갖는 4-행정 자동차 엔진을 위해 400㎲보다 짧고, 대략 50-250㎲가 적당하다. 더욱이, 본 발명에 따른 시스템에 의하면 상기 충전사이클 각각은 방전사이클(스파크 지속기간)의 지속기간보다 크거나 동일한 타임 시프트(time shift)에 의해 이전 사이클에서 분리된다.

실험적 테스트는 연소의 질이란 관점에서의 최상의 결과가 실제적으로 충전사이클과 스파크의 중복 없이 가능한 가장 빠른 연속으로 서로를 따르는 다중 충전사이클로 얻어진다는 것을 확인하였다.

각 엔진사이클에서의 다수의 충전 및 방전사이클은 고정되거나 예컨대, 각 엔진사이클동안 흡기된 공기의 양을 결정하는 스로틀 벨브의 구경각과 같은 하나 또는 그 이상의 엔진의 동작 매개변수들 중에서의 함수로 변화한다.

또한, 단일 엔진사이클내에 다수의 충전사이클을 배열시키는 것은 연소실에서 효과적인 연소가 이루어지고 있는지를 검사할 수 있도록 한다. 1차전류의 증가율은 연소가 연소실에서 이루어졌는지 아닌지에 의존한다는 것이 공지되어 있다. 그러므로, 1차전류의 증가율을 제어하는 것은 연소가 효과적으로 이루어졌는지 아닌지를 보여주는 전기신호를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이러한 정보는 예컨대, 엔진사이클의 전체 또는 부분에서 점화의 부족, 순간점화, 노킹(knocking)의 존재 등을 진단하는 목적을 위해 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 스파크 점화 내연기관을 위한 유도적인(inductive) 방전 형태의 점화시스템의 전형적인 배열을 보여준다. 도 1의 시스템은 1차권선(12)과 2차권선(14)을 갖는 점화코일(10)을 포함한다. 1차권선(12)은 양극(positive pole)에 연결된다. 1차권선(12)내에 흐르는 전류( 이하 1차전류라 함)는 전자제어유닛(18)에 의해 조종되는 제어트랜지스터(16)에 의해 제어된다. 제어트랜지스터(16)는 1차권선(12)의 접지와의 연결을 개방 및 단락시키는 두 동작위치 사이에서 절환된다. 전자제어유닛(18)이 공지된 형태의 센서로부터 엔진의 회전속도 및 위상에 관한 정보를 받고, 피스톤이 상부 완전 중앙위치에 도달하는 점에 대한 미리 결정된 리드 타임(lead time)에서 2차권선(14)과 연결된 스파크 플러그 상에서 스파크가 발생하도록 제어트랜지스터(16)의 개방 및 단락을 제어한다.

도 2의 변형된 도면에서, 코일(10)의 1차권선(12)은 12V에서 400V로 밧데리 전압을 승압하는 변압기(22)로부터 전원을 공급받는 콘덴서(20)와 연결된다. 이 경우, 제어된 다이오드(24)는 도 1의 점화시스템의 제어트랜지스터의 기능을 수행한다. 다이오드(24)는 전자제어유닛(18)에 의해 제어되고, 개방위치에서 단락위치로 절환될때마다 콘덴서(20)에 의해 축적된 에너지는 순간적으로 1차코일(12)로 방전되며, 이에 따라 1차전류의 충전사이클이 결정된다.

도 3을 참조하면, 일반적인 형태의 점화시스템에 있어서는 엔진축의 720。 회전에 대응하는 모든 엔진사이클 동안 단지 하나의 1차전류(I₁)의 충전사이클(C)이 정상적으로 생성된다. 도 3의 그래프의 상부는 시간의 함수로서 1차전류(I₁)의 변화를 도시한다. 각 충전사이클(C)은 제로에서 최대값(I_1max)으로 점차적으로 증가하고 급격하게 제로로 회귀하는 1차전류의 삼각파 형태로 나타난다. 일반적인 형태의 시스템에서, 각 충전사이클(C)의 지속기간(Tc)은 일반적으로 2ms보다 크고 정상적으로는 2-5ms 사이의 범위에서 변화한다. 예로서, 공지된 형태의 시스템에서는 1차전류의 최대강도(I_1max)가 대략 5-8A 에 이른다. 2차전압(V₂)이 1차전류의 갑작스런 변화에 대응하여 피크에 도달하고, 20-35kV 사이에서 변화하는 최대값(V_2max)을 갖는다. 2차전압 피크는 스파크가 2차전압 피크에 대응하는 피크의 최대값에서 시작되어 스파크 지속기간을 나타내는 시간(DA)에서 제로로 감소하는 삼각파 형상을 갖는 2차전류(I₂)에 의해 스파크가 시작되고 유지되는 동안 방전사이클(K)을 발생시킨다. 2차전류 (I_2max)의 최대강도는 1-3ms 사이의 방전사이클(K)의 지속기간(DA)과 함께, 대략 60-100mA로 될 수 있다.

본 발명에 따른 점화시스템에 있어서, 1차전류(I₁)와 2차전압(V₂) 및 2차전류(I₂)의 시간유형이 도식적인 방법으로 도 4에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 특징적인 면은 충전사이클(C_{1 ,}C_{2 ,}C_{3 ,}C₄... C_n)의 연속이 단일 엔진사이클의 과정동안 적용된다는 사실로 이루어지는 바, 상기 각 사이클(C₁, C₂...C_n)은 400㎲보다 작고 적당하게는 50-250㎲ 사이의 지속기간(Tc)을 갖는다. 이 값은 특히, 대략 5000-6000 r.p.m의 최대엔진회전 규격을 갖는 자동차 형태의 4-행정엔진에 대해 유효하다. 1차전류의 최대강도(I_max)는 특별한 응용에 따라 8 내지 20A 사이에서 변할 수 있다. 각 충전사이클은 대략 20-30kV의 강도를 갖고 예컨대, 5 ~ 30㎲ 사이에서 변할 수 있는 지속기간을 갖는 개개의 2차전압 피크를 생성한다. 각 2차전압 피크는 차례로, 예컨대 대략 60-120㎲의 지속기간(DA) 및 약 80-200mA의 전류강도(I_2max)를 갖는 방전사이클(K₁,K₂,...K_n)을 생성해낸다. 충전사이클(C₁, C₂...C_n)은 시간간격(W)에 의해 각각 다른 것으로부터 분리되고, 각 방전사이클의 지속기간(DA)보다 크거나 동일한 폭을 갖는다. 출원인에 의해 행해진 실험적 테스트는 연소의 질의 관점에서, 최상의 결과가 충전사이클의 소정 부분이 이전의 스파크와 중복됨이 없이 가능한 가장 빠른 연속으로 서로를 따르는 충전사이클로 얻어지는 것을 보여준다. 결과적으로, 하나 및 동일한 엔진사이클에서 두 개의 연속적인 충전사이클 사이의 간격(W)의 지속기간이 간격(R 및 DA)의 지속기간의 합과 바람직하게 동일하다.

각 엔진사이클의 지속기간 및 엔진사이클 동안의 충전사이클의 숫자와 관계된 충전사이클 그룹의 전체 지속기간이 엔진의 형태 및 적용하기 위해 제안된 점화전략의 형태의 함수로서 결정될 수 있다. 특히, 충전사이클의 전체 수는 전자제어유닛에 의해 특정 엔진조작 매개변수의 함수로서 고정되거나 변화될 수 있다. 예컨대, 제어유닛은 각 엔진사이클동안 엔진회전속도의 함수로 또는 흡기의 양을 결정하는 스로틀 밸브의 구경각의 함수로 적용되어질 다수의 충전사이클을 제공하는 메모리를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 가장 중요한 장점 중 하나는 그들의 종래 것에 비하여 매우 작은 인덕턴스를 갖는 점화코일을 사용하는 가능성에 있고, 결과적으로 크기 및 중량이 제한된다는 것이다. 본 발명에 의한 점화시스템의 사용은 점화시스템이 예컨대, 필요에 따라 강도 및 다수의 충전사이클의 수를 변화시키는 형태를 취할 수 있는 전자제어유닛의 프로그램을 작용시킴으로써 특정 엔진특성에 항상 적용될 수 있기 때문에, 점화코일을 표준화할 수 있다.

동작적인 관점에서, 본 발명에 따른 점화시스템의 달성은 트랜지스터(16) 또는 제어다이오드(24)의 절환동작을 제어하는 전자제어유닛(18)에 의한 조종신호의 주파수를 변조하는 것을 필요로 한다. 한편, 존재하는 제어유닛을 수정하는 것을 피하기 원하면, 주파수 멀티플라이어 스테이지(frequency multiplier stage)를 조종신호의 주파수를 조정하기 위해 종래 형태의 제어유닛과 반도체 디바이스(16,24) 사이에 배열한다. 주파수 멀티플라이어 스테이지는 다수의 엔진실린더의 숫자와 동일한 다수의 점화코일을 수용하는 지지구조에 장착될 수 있다.

도 5를 보면, 출원인에 의해 수행된 실험적 테스트는 각 충전사이클동안 1차전류(I₁)의 증가율이 연소가 효과적으로 일어나는지에 의존한다는 것을 보여준다. 좀더 정확하게는 연소가 일어나지 않을 때 1차전류는 그 최대값(충전사이클 C₁)을 얻을 때까지 경사(α₁)를 갖는 라인을 따라 실질적으로 선형으로 증가한다. 그러나, 충전사이클이 연소실 내에서 연소사이클(H)동안 일어날 때, 1차전류(I₁)는 도식적으로 도시된 바와 같이 연소의 부재에 비하여 훨신 빠른 비율로 증가하는 바, 도식적으로 도시된 바와 같이, 충전사이클 (C₂)의 경우에는 1차전류의 초기 증가 라인이 수평성분과 각(α₂)을 이루는데, 여기서, α₂는 α₁보다 뚜렸히 크다. 그 다음, 전류의 증가율은 약화되고, 전류는 제1 보다 훨신 작은 제2의 실질적인 직선트랙(rectilinear track)을 따라 결국 최대값에 도달한다. 본 발명의 특별한 면에 의하면, 이러한 사실은 엔진사이클의 어떤 위상에서 연소가 효과적으로 발생되는지 아닌지를 보여주는 정보를 만들기 위해 이용될 수 있다. 이러한 정보는 점화코일의 공급회로에 1차회로의 증가율을 인지할 수 있는 적당한 수단을 포함함으로써 얻어질 수 있다. 이것은 예컨대, 전류가 그 최대값과 동일하거나 1/2 또는 1/3인 소정 문턱값을 초과하는 시간을 감지함으로써 얻어질 수 있다.

연소가 엔진사이클의 어떤 위상동안 발생되는지 아닌지에 관한 정보는, 예컨대 점화의 부족과 바람직하지 않은 순간점화 및 노킹 등을 감지하는 진단목적을 위해 이용될 수 있다. 이 정보는 또한 충전사이클의 수를 n에서 n'까지 변화시키기 위해 사용될 수 있는 바, 여기서 n은 예컨대 엔진속도 또는 스로틀 밸브의 구경각의 함수로서 제어유닛에 의해 세트되는 다수의 사이클이고, n'은 양의 정수 또는 음의 정수 dn에 의해 n으로부터 구별되는 다수의 사이클이다.

완전한 엔진사이클동안 상기와 같은 진단을 얻기 위한 견해와 함께, 엔진사이클의 완전한 지속기간동안 또는 그것에 있어서의 중요한 부분동안 발생되는 충전사이클을 위해 배열될 수 있다. 각 엔진사이클동안 다수의 충전사이클을 생성하도록 제안될 때, 연소가 효과적으로 일어났는지 시스템을 확인한 후 충전사이클의 폭을 바람직하게 감소시킬 수 있다. 도 6의 그래프를 참조하면, 연소가 발생된 사실을 알리는 1차전류의 급속한 증가를 시스템이 감지하자마자, 특별한 엔진사이클동안 문제되는 사이클의 폭과 모든 연속적인 충전사이클이 적절히 감소될 수 있다. 도 6의 예에서, 제1충전사이클(C₁)은 스파크를 발생시키지 못하고, 그러므로 제1충전사이클(C₁)에 대응되는 2차전류의 유형이 쇄선으로 도시되어 있다. 제2충전사이클(C₂)은 연소실에서 정규 스파크를 발생시키고 연소를 시작시킨다. 제3충전사이클(C₃)동안 시스템은 1차전류(I₁)의 급격한 증가를 감지하고, 그러므로 최대전류가 정상 충전사이클동안 최대값보다 매우 작게 감소될 수 있다. 감소된 폭의 충전사이클의 에너지는 스파크를 발생시키기에 충분하지 않으나, 1차전류의 증가율이 연소가 효과적으로 일어났는지 아닌지에 아직 의존하므로, 이러한 사이클은 그럼에도 불구하고 진단목적으로 사용될 수 있다. 도 7의 예에서 보여지는 바와 같이, 시스템이 실제로 충전사이클(C₂)동안 일어날 수 있는 연소의 발생 사실을 감지하면, 모든 수반된 충전사이클은 엔진사이클을 감시하는 것 이외의 다른 목적을 가질 수 없고, 그러므로 그들의 전류강도가 감소될 수 있다. 충전사이클의 파형은 연소가 일어났는지 아닌지에 따라 변경되고, 이러한 특성은 연소사이클(H)의 지속기간(DH) 및 도 7의 그래프에서 H₁에 의해 나타난 것과 같은 어떤 비정규 연소현상의 존재를 엔진제어유닛에 신호로 알리기 위해 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 이제까지의 단점을 극복하는 점화시스템을 제공하는 것이다.

Claims (13)

1차권선(12) 및 2차권선(14)을 갖는 점화코일(10)과,

2차권선(14)에 연결되어 그 2차권선(14)의 단자에서의 전압이 소정의 문턱값을 초과할 때마다 스파크를 생성할 수 있는 스파크 플러그,

최소값에서 최대값으로 점진적으로 증가하고 최소값으로 급격하게 돌아가는 1차권선에서의 순간전류흐름동안 충전사이클(C₁,C₂...C_n)을 발생시키고, 최대값에서 최소값으로 점진적으로 감소하는 2차권선에서의 순간전류흐름동안 방전사이클(K₁,K₂...K_n)을 발생시키는 방법으로 제1에서 제2 동작위치로 그리고 역으로 주기적으로 절환되는 반도체 디바이스(16,24)를 포함하는 1차권선(12)과 결합된 전기공급회로 및,

상기 반도체 디바이스(16,24)의 절환동작을 적당한 엔진 동작 매개변수의 함수로 제어할 수 있는 전자제어유닛(18)으로 구성된 스파크 점화 내연기관을 위한 점화시스템에 있어서,

전자제어유닛(18)이 하나 및 동일 엔진사이클동안 충전 및 방전사이클의 연속(C₁,C₂...C_n;K₁,K₂...K_n)을 생성하도록 프로그램되고, 더욱이 상기 각 충전사이클이 방전사이클(K₁,K₂...K_n)의 지속기간(DA)과 동일하거나 큰 시간간격(W)에 의해 이전 충전사이클과 분리되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제1항에 있어서, 전자제어유닛(18)이 각 엔진사이클동안 일정하고 미리 결정된 수의 충전사이클을 생성하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제1항에 있어서, 전자제어유닛(18)이 각 엔진사이클에서 2보다 크거나 동일하고 적어도 하나의 엔진 동작 매개변수의 함수로서 결정되는 다수의 충전사이클 n을 생성하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 점화시스템

제3항에 있어서, 다수의 충전사이클 n이 각 엔진사이클동안 흡기의 양을 결정하는 스로틀 밸브의 구경각의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제3항에 있어서, 다수의 충전사이클 n이 엔진의 회전속도의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제3항에 있어서, 전자제어유닛(18)이 각 엔진사이클동안 다수의 충전사이클 n'=n+dn을 생성하도록 프로그램되고, dn이 적어도 하나의 다른 엔진동작 매개변수의 함수로서 결정되는 정수인 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제6항에 있어서, dn은 엔진의 연소실에서 연소가 일어났는지 아닌지에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제2항 또는 제3항에 있어서, 전자제어유닛(18)이 적어도 하나의 엔진 동작 매개변수의 함수로서 상기 충전사이클의 하나 또는 그 이상의 1차전류의 최대강도를 변화시키기 위해 프로그램되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제8항에 있어서, 1차전류의 최대강도가 연소실에서 연소가 일어났는지 아닌지에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각 엔진사이클동안 연소실에서 연소가 일어났는지 아닌지를 가리키고 1차전류의 증가율의 함수로서 얻어지는 전기신호를 제공할 수 있는 연소제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제10항에 있어서, 전자제어유닛(18)이 연소가 일어났는지 아닌지를 가리키는 상기 신호를 받고, 특정 엔진사이클에서 연소가 효과적으로 일어난 것을 상기 신호가 가리킨 후 최대 1차전류의 감소값으로 하나 또는 그 이상의 충전사이클을 발생시키기 위해 프로그램되는 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제1항에 있어서, 상기 각 충전사이클의 지속기간이 400㎲보다 작은 것을 특징으로 하는 점화시스템.

제1항에 있어서, 상기 각 충전사이클이 50 내지 250㎲ 사이의 지속기간을 갖는 것을 특징으로 하는 점화시스템.