KR20000065128A - 스파크점화시스템용자기코어-코일어셈블리 - Google Patents

Abstract

자기 철심-코어 어셈블 리가 최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연시스템에서 점화를 일으킨다.

상기 어셈블리는 저전압 여기를 위한 1차 코일과 스파크 플러그로 보내지는 고전압 출력을 위한 2차 코일을 갖는 비정질금속으로된 자기철심을 포함하여 구성된다.

그 여기후 짧은 시간내에 2차 코일내에는 고압이 발생된다. 상기 어셈블리는 점화를 제어하기 위해 연소실내의 스파크 점화상태를 검출한다. 상기 어셈블리는 현존하는 장치로 값싸게 제조될 수 있는 서브-어셈블리로 구성된다. 이 어셈블리는 그후 고온중합체로 구성된 하우징내에 넣어진다.

Description

스파크 점화 시스템용 자기 코어-코일 어셈블리

스파크-점화 내연기관에 있어서는 연료와 공기혼합물을 점화하는 스파크플러그의 간극을 가로지르는 아크를 만드는데 필요한 고압을 발생시키기 위해 플라이백 트랜스포머(flyback transformer, FBT)를 주로 사용한다. 이 점화 스파크의 타이밍은 최적연료소모와 환경적으로 유해한 배기가스 방출의 저하를 위해 아주 중요한 것이다. 스파크 타이밍이 너무 늦으면 엔진출력 손실 및 효율손실이 야기된다. 반면 스파크 타이밍이 너무 빠르면 소위 "핑(ping)" 또는 "노킹(knocking)"이라고 하는 폭발을 일으켜 유해한 조기-점화 및 엔진 손상을 야기시킨다.

정확한 스파크 타이밍은 엔진속도와 부하에 달려있다. 각각의 엔진실린더는 최적 수행을 위해 종종 다른 타이밍을 필요로 한다. 각각의 스파크 플러그에 스파크 점화플러그를 제공하여 각각의 실린더에 대하여 각각 다른 스파크 타이밍을 얻을 수 있다.

엔진 효율을 증대시키고 적절하지 않은 점화스파크 타이밍에 관련된 몇몇 문제점을 감소시키기 위해, 엔진에 엔진속도, 주입공기온도와 압력, 엔진온도, 배기가스 산소함량을 검출하는 센서와, "핑" 또는 "노킹"을 검출하는 센서들을 포함하는 마이크로프로세서-제어 시스템을 장착시킨 것이 있었다.

노크센서(knock sensor)는 본질적으로 전체 엔진속도 및 하중 범위에 걸쳐 노크를 검출하기에는 그 감응도가 충분하지 않은 전자-기계식 변환기이다.

상기 마이크로 프로세서의 적절한 점화스파크 타이밍 측정이 항상 최적엔진 성능을 제공하지는 않는다. 따라서 보다 나은 "노크" 검출이 필요한 것이다.

찬 엔진의 초기작동 동안 및 아이들(idle)과 오프-아이들(off-idle) 작동 동안에는 불균형적으로 많은 량의 유독 배기가스가 발생된다. 연구결과 이들 2가지 엔진작동기간 동안 각 점화에 대하여 스파크 플러그를 신속히 다중 스파크 시킴으로서 유해한 배기가스 배출을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 아주 신속히 대전 및 방전될 수 있는 스파크 점화 트랜스포머가 요구되는 것이다.

고압와이어를 사용하지 않으면서 스파크점화 트랜스포머를 스파크 플러그 단자에 직접탑재한 코일-퍼-스파크 플러그(coil-per-spark plug, CPP) 점화배열은 내연기관의 스파크 점화 타이밍을 개선시키는 방법으로서 사용될 수 있다. CPP 점화 배열의 한가지 예가 미국 특허번호 4,846,129 (이하 '노블특허(Noble Patent)' 라 한다)에 개시되어 있다.

상기 스파크 점화 트랜스포머의 물리적 직경은 스파크 플러그가 탑재되는 동일한 엔진 튜브에 부합되어야 한다. 노블특허에서 기대한 엔진진단 목적을 이루기위해, 특허권자들은 페라이트 코어를 이용한 간접방법을 개시한다. 이상적으로, 상기 스파크점화 트랜스포머의 자기성능은 연소실내의 스파크조건을 검출하는데 엔진작동을 통해 충분한 것이다.

분명히, 정확한 엔진진단을 위하여는 새로운 형태의 점화트랜스포머가 필요한 것이다.

엔진점화오류는 유해배기가스 방출을 증대시킨다. 연소실내의 스파크 플러그 절연체에 정확한 가열없이 여러번 냉온기동(cold start) 시키면 절연체상에 겅댐이가 부착하여 점화오류를 일으킨다.

전기적으로 도전성인 검댕이는 점화에 필요한 전압증가를 감소시킨다. 전압의 급격한 상승을 제공하는 스파크 점화 트랜스포머는 검댕이로 인한 이같은 점화오류를 최소화시킬 수 있다.

Noble이 개시한 점화 및 엔진진단 시스템의 성공적인 작동에 필요한 스파크 점화 성능을 얻고 동시에 스파크 플러그 검댕이에 기인된 엔진 점화 오류발생을 감소시키기 위하여는 스파크점화 트랜스포머의 철심재료가 특정 투자율을 가져야 하고, 작동동안 자기적으로 포화되어서는 안되며 자기손실이 낮아야 한다.

이들 필요한 성질을 조합하면 적절한 철심재료를 얻는 범위가 좁아진다. 자동차 스파크 점화 시스템의 목표단가를 고려할 때, 철심재료로 고려할 수 있는 것은 규소강, 페라이트 및 철기초 비정질금속을 포함할 수 있다. 실용적인 트랜스포머 철심에 통상 사용되는 규소강은 값은 경제적이나 자기손실이 너무 높다. 보다 자기 손실이 낮은 보다 얇은 게이지의 규소강은 값이 너무 비싸다.

페라이트는 값싸나 포화유도값이 통상 0.5T 미만이며 철심의 자기유도가 0에 가깝게되는 큐리온도는 거의 200℃ 이다. 이 온도는 스파크점화 트랜스포머의 상부조작온도가 약 180℃인 것을 고려하면 너무 낮다.

철-기초 비정질금속은 낮은 철손 및 1.5T 가 넘는 높은 포화유도값을 가지나 튜자율이 비교적 높다. 따라서 스파크 점화 트랜스포머에 적합한 투자율 수준을 얻을 수 있는 철-기초 비정질 금속이 요구된다.

이 물질을 이용하면 요구되는 출력사양 및 물리적 칫수 기준에 부합하는 환형코일을 구성하는 것이 가능하다. 스파크 플러그의 칫수요구는 사용될 수 있는 구조의 형태를 잘 제한시킨다.

절연코일 어셈블리에 대한 전형적인 칫수 요구는 직경 25㎜ 미만이고 길이 150㎜ 미만이다.

이들 코일 어셈블리는 고압단자와 외부접지 모두에서 스파크플러그에 또한 부착되고, 아크 오버를 막기위해 충분한 절연을 제공해야 한다. 또한 전형적으로 코일의 상단에 위치한 1차 코일에 높은 전류연결을 이룰 수 있어야 한다.

본 발명은 내연기관용 스파크 점화시스템에 관한 것이며, 보다 상세히는 엔진시스템의 성능을 개선시키고 스파크점화 트랜스포머에서의 자기성분의 크기를 상업적으로 생산가능한 방법으로 감소시키는 스파크 점화 시스템에 관한 것이다.

이하 본 발명을 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 철심코일, 그 스택배열을 형성하는데 이용되는 어셈블리 방법과 연결을 보여주는 도면,

도2a는 스택배열의 측면과 평면을 예시하는 어셈블리 도면

도2b는 캡슐에 넣어진 스택배열의 측면과 평면을 도시한 어셈블리 도면

도3은 도1에 도시된 어셈블리의 1차코일상에 Ampere-turn에 대한 2차코일을 가로지르는 출력전압을 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ..... 자기철심 34 ..... 자기철심 코일 어셈블리

20,36 .. 코일 32 ..... 서브어셈블리(환영유니트)

본 발명은 급속 전압상승과 점화의 전압구배를 정확히 그리는 신호를 일으키는 코일-퍼-플러그(coil-per-plug, CPP) 스파크 점화 트랜스포머용 자기 철심-코일 어셈블리를 제공한다.

상기 자기 철심-코일은 강자성 비정질 금속 합금으로된 자기철심을 포함한다. 상기 철심-코일 어셈블리는 저압여기를 위한 하나의 1차코일과 고압출력용 2차 코일을 갖는다.

상기 어셈블리는 또는 공통 1차 코일을 통해 동시에 전압이 가해지는 복수의 철심 서브-어셈블리를 포함하는 제 2 코일을 갖는다.

상기 코일 서브-어셈블리들은 전압을 가했을 때 부가적인 그리고 스파크 플러그로 보내지는 제 2 전압을 생성하게 되어 있다.

이같이 구성되었기 때문에 상기 철심-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 단시간내에 2차 코일에 고압을 발생시키고, (ⅱ) 점화를 제어하기 위해 연소실내의 스파크점화 상태를 검출할 수 있다.

보다 상세히 설명하면, 상기 철심(core)은 낮은 철손과 투자율(약 100-700)을 나타내는 비정질의 강자성 물질로 구성된다. 이같은 자성은 연소사이클 동안 플러그를 급속점호(rapid firing) 시키는데 특히 적합하다. 검댕이 오염으로 인한 엔진의 점화오류가 최소화 된다. 더욱이 코일로부터 플러그로의 에너지 전달이 아주 효율적으로 이루어지기 때문에 방전후 철심내에는 거의 에너지가 남아있지 않게 된다.

환형구조의 낮은 2차 저항(< 100 오옴)은 에너지가 2차 와이어가 아닌 스파크에 흩어지게 한다. 이같은 고효율의 에너지 전달은 철심으로 하여금 점화시의 전압구배를 정확히 감시할 수 있게 한다. 환형트랜스포머를 형성하기 위해 자기 철심재료가 1차 및 2차 와이어 권선이 형성되는 실린더에 감기면, 발생된 신호가 보다 높은 자기손실을 보이는 코어가 생성하는 것 보다 훨씬 많은 정확한 점화 전압구배 그림을 제공한다.

여러개의 환형 어셈블리가 생성됨으로써 서브-어셈블리의 인덕턴스와 그 자성에 의해 지배되는 공통 1차 권선을 통해 서브-어셈블리내에 에너지가 저장될 수 있게 된다.

1차 전류가 급속히 감소될 때 급속히 상승하는 2차 전압이 유도된다. 상기 서브-어셈블리를 가로지르는 각각의 2차 전압은 급속히 증대하며 시스템의 전체 자속변화에 따라 서브-어셈블리에 서브-어셈블리를 추가한다.

이에따라 성능이 우수한 단일 어셈블리를 생산하기 위해 현존하는 환형코일 권취기술을 이용하여 권취된 여러개의 서브-어셈블리를 자유자재로 결합할 수 있다. 하나의 보다 긴 환형으로 구성된 상기 하나의 어셈블리는 통상의 환형권취기로서는 쉽고 그리고 경제적으로 제조될 수 없는 것이다.

철심-코일 어셈블리의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 유니트는 고압전호(high voltage arcing)를 방지하기 위해 하우징내에 재치되어 있다. 작동에 있어서, 상기 어셈블리는 광범위하게 변하는 주위조건에 걸쳐 연장된 기간동안 개방회로 전압을 내부적으로 차단시키는 것이 필요하다. 상기 개방회로전압은 시스템이 겪는 가장 높은 전압이다. 이같은 전압은 온도변화가 -40℃ - 150℃인 상당한 연도에 걸쳐 작동동안 차단되어야 한다. 뿐만 아니라 상기 유니트는 자동차에 적용시 흔히 접촉되게 되는 화학품에 대하여도 비교적 저항성이 있어야 한다.

과거에 자동차 업체들이 사용하여온 여러 가지 하우징재료가 있다. 자동차용으로는, 포팅(potting)화합물, 하우징물질 및 둘러싸여지는 물체를 유리섬유 및/혹은 광물질과 같은 충진재를 포팅 및 하우징물질에 첨가함으로써 열적으로 일체화 되었다(대략 동일한 열팽창계수 CTE).

그 목적은 작동동안 시스템이 겪게되는 작동온도로 인한 여러 가지 재질사이의 응력과 변형력을 감소시키기 위한 것이었다. 유리섬유 및/또는 광물질의 첨가는 전형적으로 재료의 유전상수를 증대시켰다. 전형적인 포팅화합물은 하우징과 그 내부성분에 대한 우수한 접착력, 우수한 고온전기성능 및 양호한 열쇼크 저항성이다.

여러 가지 온도범위에 걸쳐 재료의 CTE를 일치시키기 위하여, 에폭시를 유리전이온도(Tg)가 최대작동온도에 대하여 실용성이 있을 만큼 되도록 배합한다.

이같은 에폭시의 예로서는 Thermoset에 의해 제조되는 EP-697을 들 수 있다. 하우징물질은 전형적으로 유리섬유가 충진되고 높은 Tg 및 에폭시에 맞는 CTE를 갖는 열가소성 폴리에스테르로 만들어진다.

적절한 것으로 밝혀진 한가지 하우징 물질은 Hoescht Celanese에서 Vandar라는 상표로 판매하는 것이다. 이같은 열가소성 폴리에스테르에서 유리 및/또는 광물질 충진은 재료를 보다 단단하게 한다.

"연필(pencil)형" 코일 기하학은 일반적으로 납작한 철심-코일과 비교해 볼 때 직경이 작고 길이는 길다는 점에서 현재의 코일 기하학과 다르다. 이같은 큰 칫수비(직경에 대한 길이의 비)는 전온도범위에 걸쳐 CTE 일치가 거의 완벽하지 않으면 코일 내부에 큰 내부응력이 쌓이게 할 수 있다.

이 일치는 거의 200℃ 조작온도에 걸쳐 다른 물질에는 얻기가 어렵다. 전형적인 설계에 있어서, 활성성분(환형컵)의 외부는 하우징의 내벽에 아주 근접하게 위치한다.

포팅화합물은 컵과 하우징의 내벽의 큰 표면적으로 인해 성분들의 외부부위를 벽에 꽂는 부위를 효과적으로 고화시킨다. 환형으로 권취된 유니트에 있어서는, 철심-코일 어셈블리의 중앙 센터를 통해 철심-코어 어셈블리의 저면과 상단사이의 공간을 채우는 긴 섹션의 포팅 화합물이 있다.

이 칼럼의 직경은 환형체와 권취장치의 설계에 관련된다. 이 칼럼의 긴 길이와 철심-코일 어셈블리의 밀폐저면으로 인해, 이 포팅화합물 칼럼과 환형컵 사이에는 큰 전단력이 존재할 수 있다.

전형적인 2부분 에폭시 포팅 화합물은 아주 단단하며 비탄력적이며 하우징 플라스틱에 아주 잘 부착된다. 이 상황에서, 큰 전단응력이 하우징 물질 외표면을 그 물질의 본체로부터 박리시켜 균열을 형성하고 이는 1차 및 2차를 연결시킨다. 이는 표면이 수지가 많고 유리섬유 혹은 광물질 함량을 갖는 하부층을 갖기 때문에 일어난다.

양성분들은 아주 견고하나 하우징 물질로 구성된 환형 컵들이 보다 낮은 항복강도를 보이며, 그래서 이들이 먼저 박리되는 것이다.

이로인해 철심-코일로부터 유용한 전압을 얻기전에 1차 및 2차를 쇼트시키는 내부전압 아크가 생긴다. 이 문제를 일으키는 응력은 전형적으로 아주 큰 철심코일의 열작동범위(-40℃ - +150℃) 및 열쇼크로부터 생길수 있는 큰 열구배에 기인한다.

이 문제에 대한 해결책은 보다 탄성적인 대체 포팅 및 하우징 물질을 사용하는 것이다. 이같은 종류의 물질은 훨씬 적은 전단응력을 만든다. 이기준을 만족하는 포팅 화합물은 Epic S7207과 같은 2부분 탄성 폴리우레탄 시스템이다.

이는 전기성분들을 담기위해 설계된 2성분 탄성 폴리우레탄 시스템이다. 이는 높은 절연내력과 중간 Shore A 범위의 경도를 갖고 낮은 유전상수를 갖는다. 이 물질에 대한 Tg는 약 -25℃이고 CTE는 209 x 10^-6㎝/㎝/℃이다. 이 물질은 연성, 탄성이며 탄성적으로 변형한다. 이 종류의 물질은 전형적으로 2성분 에폭시와 비교해 볼 때 낮은 Tg을 보이며 이들은 Tg 점 이상에서 사용되기 때문에 훨씬 큰 CTE를 갖는다.

다른 포팅 물질은 Castall에서 판매되는 S-1284와 같은 2부분 실리콘 고무 화합물이다. 양호한 열특성을 갖고 탄성적인 한가지 하우징 물질은 Mitsubishi Engineering Plastic에서 생산되는 Lemalloy PX603Y 이다.

Lemalloy는 유연하고, 낮은 유전상수, 양호한 전기적 성질, 양호한 내약품성을 갖고 사출성형 가능한 PPE/PP (폴리페닐렌 에테르/폴리프로필렌) 혼합물이다. 이 물질은 오직 아주 약간 결정질이나 양호하고 안정된 기계적 성질을 나타낸다. 이같은 물질과 폴리메틸펜텐/폴리올레핀 혼합물과 폴리실코올레핀/폴리올레핀 혼합물과 같이 이들과 유사한 물질은 높은 사용온도 중합체이다.

상기 Lemalloy 물질과 포팅 화합물은 표면이 적절히 제조되었고 포팅전 플라즈마 세정된 조건하에서는 서로 아주 잘 결합한다. 이들 물질로 제조된 철심-코일 어셈블리는 성분사이에 아주 큰 CTE 부정합이 있음에도 불구하고 연필 코일배열에서 많은 열쇼크 사이클 형태가 -40℃ - +150℃ 동안 존재하였다.

도1을 참조하면, 자기 철심 코일 어셈블리34는 강자성 비정질 금속 합금으로 만들어진 자기철심 10을 포함한다. 상기 철심 코일 어셈블리34는 저전압여기를 위한 단일 1차코일36과 고전압출력을 위한 2차코일20을 구비한다. 또한, 상기 철심코일 어셈블리34는 상기 공통의 1차코일36을 통해서 동시에 전류가 흐르는 다수의 서브어셈블리(환형유니트)32를 포함하여 이루어진 2차코일20을 구비한다. 상기 철심코일 서브어셈블리32는 전류가 흐를 때 부차적이고, 스파크플러그에 제공되는 2차전압을 형성하게 되어있다. 이와같은 구조에 의하면, 상기 철심코일 어셈블리34는 (i)여기후 짧은 시간내에 상기 2차코일20에서 고전압을 발생시키고, (ⅱ)점화를 제어하도록 연소실에서의 스파크 점화상태를 감지할 수 있다.

상기 자기철심 10는 철계(iron-base)합금을 포함하고 높은 자성유도성을 갖는 비정질금속에 바탕을 둔다. 철심10의 두가지 기본형태가 주목된다. 이들은 간극이 있는 것과, 간극이 없는 것이며, 이들 모두 코어 10 이라고 한다. 상기 간극을 갖는 철심은 자기적으로 연속적인 경로에 불연속 자기 섹션을 갖는다. 이와같은 철심10의 예를 들면, 일반적으로 공기간극으로 알려진 작은 슬릿이 있는 환형 자기철심을 들 수 있다. 상기 간극을 갖는 구조는 필요한 투자율이 권취된 상태로 철심 자신의 투자율보다 상당히 낮을 때 채택된다. 상기 자기 경로의 공기간극부는 전체적인 투자율을 감소시킨다. 상기 무간극 철심은 공기간극을 갖는 철심과 비슷한 투자율을 갖지만, 전형적인 환형 자기 철심에 있는 것과 비슷한 구조를 갖는 것으로 물리적으로 연속적이다. 무간극 철심10에 균일하게 분포된 공기 간극의 명백한 존재는 "간극 분포-철심"이라는 용어로 주어진다. 철심 코일 어셈블리 34에서 간극부가 있거나 간극부가 없는 구조 모두 이 철심-코일 어셈블리 34에서 기능하며 유효한 투과성이 요구된 범위내에 있는 한 대체 가능하다. 무간극 철심10은 이 구조설계의 원리를 증명하기 위해 선택되었지만, 그 디자인은 무간극 철심 재료의 이용에 한정된 것은 아니다.

상기 무간극철심10은 철합금에 기초한 비정질 금속으로 만들어지고, 상기 철심의 투자율이 약 1kHz의 주파수에서 측정할 때 100에서 500사이가 되도록 처리된다. 간극-분배-철심으로부터의 누설자속은 간극을 갖는 철심보다 훨씬 적으며, 따라서 상기 간극-분배-철심은 주변으로 바람직하지 않은 라디오주파수간섭을 보다 덜 방사한다. 더욱이 무간극철심과 연관된 자기폐경로때문에, 신호대잡음비(signal-to-noise ratio)는 간극철심보다 더 커지고, 이에 의하여 무간극 철심은 엔진연소과정을 진단하기 위한 신호변환기로서 사용되기에 특히 적합하게 된다. 스파크 점화를 위해 10kV보다 더 큰 2차권선 20에서의 출력전압은 약 110-160횟수 권선된 2차권선20과 60 Ampere-turn 보다 적은 무간극 철심10에 의해서 달성된다. 25kV를 초과하는 개방회로 출력은 180 Ampere-turn 미만에서 얻어질 수 있다. 앞서 설명된 코일은 거의 80mm인 유효 실린더 높이를 형성하기 위해서 쌓여진 12mm의 ID와 17mm의 OD 및 15.6mm의 높이를 지닌 직각원통상에 권선된 리본 비정질 금속물 재료를 포함하여 구성된다. 각각의 원통 높이들은 전체 길이가 시스템 요구조건에 부합되는 한 거의 80mm에서 10mm까지의 개개의 높이로 다양하게 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 사용된 치수가 직접적으로 요구되는 조건은 아니다. 입력과 출력의 요구조건에 따라 큰 변수가 존재한다. 최종적으로 구축된 직각 실린더는 신장된 환형의 철심을 형성하였다. 철심과 와이어사이의 절연은 환형 권선을 용이하게 하는 권선형태로서 배가된 내고온성 성형 플라스틱을 사용함으로써 달성되었다. 요구되는 110-160횟수의 2차권선을 위해 미세 게이지 와이어를 사용하였다. 200 볼트 범위내의 권선전압으로 권선을 나타내는 코일의 출력 전압이 25kV를 초과할 수 있기 때문에, 와이어는 충분히 겹쳐질 수 없다. 최적의 성능을 보이는 코일은 환형과 약 300도에 걸쳐 균일하게 간격을 두고 배치된 와이어를 가졌다. 남은 60도는 1차 권선에 사용되었다. 이러한 디자인 형태의 결점 중 하나는 일반적인 실시를 위해 요구되는 환형의 가로세로비와 2차 권선수이다. 이러한 코일들을 감기 위한 지그는 매우 미세한 와이어를 다루어야 했으며(전형적으로 39게이지 이상), 이러한 와이어들을 충분히 겹쳐지지 않고 권선작업 중에 파괴되지 않아야 한다. 전형적인 환형 권취기(유니버설)는 그들 고유의 디자인으로 인해 이 가로세로비에 가깝게 코일을 권선할 수 없다. 철심을 통하여 밀어넣어지고 그리고나서 바깥 주위를 둘러싸는 셔틀에 기초한 대체 디자인이 요구되었으며 생산되어졌어야만 했다. 전형적으로 이러한 코일들을 감는 시간은 매우 길었다. 그러나 길어진 환형 모양은 충분히 낮은 비용으로 대량생산하기 어려워 상업적인 측면에서의 매력은 없었다.

대체 디자인은 원래의 디자인을 작은 구성요소 수준의 구조로 나주어 놓는다. 이들 구성요소들은 기존의 권취기를 사용하여 권취할 수 있다. 이 개념은 취급하기 가능한 크기의 동일계 비정질 금속 철심재료로된 철심을 취해서 그것을 통일화하고자 하는 것이다. 이 개념은 철심10이 삽입될 수 있는 절연컵12를 형성하고 서브-어셈블리 30을 환형32로서 권취되는 코어와 같이 처리함으로서 달성된다. 원디자인같이 같은 수의 이차 권선14이 요구된다. 최종 어셈블리34는 하나의 큰 변화에 따라 요구되는 출력특성들을 달성하기 위해 충분한 수(1보다 큰)의 상기 구조32로된 더미로서 구성될 수 있다. 모든 다른 환형유니트32는 반대로 감겨져야만 한다. 이에따라 출력전압이 추가될 수 있다. 전형적인 구조 34는 최종 코일 어셈블리 34의 출력으로 동작하는 하나의 출력와이어24로서 시계반대방향으로 감겨지는 제1환형유니트16으로 구성된다. 제2환형유니트18은 시계방향으로 감겨지며 적당한 절연체를 제공하기 위해서 스페이서28과 함께 제1환형유니트16의 상부에 쌓아올려질 것이다. 제2환형유니트18의 저부리드42는 제1환형유니트16의 상부리드40(잔존리드)에 접촉된다. 다음 환형유니트22는 시계반대방향(CCW)으로 감겨지고 절연을 위해 스페이서28과 함께 앞서의 두 환형유니트16,18의 상부에 쌓아올려진다. 제3환형유니트의 하부리드46은 제2환형유니트의 상부리드44에 연결된다. 환형유니트32의 전체 수는 디자인 요구사항과 물리적인 크기 요구조건에 따라 설정된다. 마지막 상부리드24는 철심 코일 어셈블리34의 다른 출력을 형성한다. 이들 환형유니트32의 2차권선14들은 환형의 360도중 대략 300도을 커버하도록 개별적으로 감겨진다. 환형유니트32는 각 환형유니트32의 남은 개방된 60도가 수직적으로 배열되도록 쌓아올려진다. 공통의 1차권선 36은 상기 철심 코일 어셈블리 34를 통해 감겨진다. 이를 스택커개념이라고 부르기로 한다.

원래 코일 여자인 주위의 전압 분배는 첫 번째 권선이 0볼트로되고, 마지막권선은 최대전압으로되는 배리악(variac)과 유사하다. 이것은 코일 구조의 전체 높이에 걸쳐 효과적이다. 일차권선은 이차권선과 절연을 유지하며 감겨진 환형의 권선되지않은 60도의 중심에 위치하게 된다. 이들 선들은 본질적으로 일차 권선에 사용되는 저전압구동상태에서 기인한 저전위에 있다. 최대전압 응력은 고전압출력과 일차, 이차에서 이차권선에, 이차에서 철심에 가장 가까운 점에서 발생한다. 가장 높은 전기장 응력점은 환형의 내부의 길이 아래에 존재하고 코일의 내부 상부와 바닥에서 증대되어진다. 상기 스택커 개념 전압 분배는 약간 다르다. 각각의 개별적인 철심 코일 환형유니트32는 같은 배리악(variac) 타입의 분배를 가지나, 철심 코일 어셈블리 34의 스택된 분배는 개별적인 환형유니트32의 수로 나뉘어진다. 철심 코일 어셈블리 34 스택 내의 세개의 환형유니트32가 있다면 하부의 환형유니트16은 V에서 2/3V 까지의 범위를 가질 것이고, 제2환형유니트18은 2/3 V에서부터 1/3 V 까지 범위를 차지할 것이고, 상부의 환형유니트22는 1/3 V에서 부터 0 V 까지 범위를 차지할 것이다. 이러한 배열은 고전압응력 부위를 감소시킨다.

원래의 코일설계에 대한 또 다른 논점은 절연체 케이스를 통해 외부로 출력성 결합이다. 출력 전압파형은 짧은 펄스 성분 (전형적으로 500 ns 상승시간을 갖는 지속시간 1-3 마이크로세컨드)과 훨씬 더 긴 저수준 출력성분 (전형적으로 100-150 마이크로초 지속시간)을 지닌다. 몇몇 빠른 펄스출력성분은 절연벽들을 통해 외부와 용량적으로 결합된다. 배리악 효과는 외부쉘상에서 코로나를 관찰함에 의해 기술될 수 있다. 용량적인 결합은 케이스를 통해 접지로 그것을 부분적으로 차단함에 의해 상기 출력을 스파크플러그로 뺏을 수 있다. 이 효과는 단지 코로나방전에 의해 장치의 개회로전압을 감소시킬 수 있는 매우 높은 전압 범위에서만 문제가 된다. 스택커 배열 전압 분배는 상이하며 접지 구조에 따라 철심 코일 어셈블리 34의 상부 또는 하부에 최대전압부가 위치할 수 있게 한다. 이러한 설계의 장점은 최대 전압부가 무간극 플러그 공간 내의 무간극 플러그 심부(DEEP)에 바로 놓일 수 있다는 것이다. 철심 코일 어셈블리 34의 상부에서의 전압은 3개의 스택유니트에 대하여 단지 1/3 V에서 최대이다.

주조(AS-CAST) 상태에서 1.5T를 초과하는 포화유도성을 갖는 철계 비정질 금속으로 이루어진 자기철심을 제조하였다. 상기 철심은 각각 17 및 12mm의 외경 및 내경과 약 15.6mm의 원통높이로 된 원통형태였다. 이들 철심들은 외부적으로 인가된 자장없이 열처리되었다. 도1은 세 개의 스택 철심코일 어셈블리 34유니트의 구성을 나타낸다. 철심10은 고온플라스틱절연컵12내에 삽입되었다. 유니트30 여러개는 환형권취기(winding machin)상에 2차14를 형성하는 구리와이어가 110에서 160회 시계방향(cw)으로 권선되고, 나머지는 반시계방향(ccw)을 권선되었다. 제1환형유니트16(저부)는 시스템의 출력리드로서 동작하는 하부리드 24를 갖고 반시계방향(ccw)로 감겨진다. 제2환형유니트18는 시계방향으로 권선되고, 하부리드42는 상기 낮은 환형유니트16의 상부리드40에 접속된다. 제3환형유니트22는 반시계방향으로 권선되고, 그 하부리드46은 상기 제2환형유니트18의 상부리드44에 접속된다. 상기 제3환형유니트22의 상부리드26는 접지리드로서 동작한다. 상기 환형유니트16,18,22 사이의 플라스틱 스페이서28는 전압 격리애자(standoffs)로서 동작한다. 환형유니트32의 비권선지역은 수직정렬된다. 공통1차코일36은 상기 클리어부에서 철심코일어셈브리34 스택을 통해 권선된다. 이 철심코일 어셈블리34는 상기 리드를 위한 관통공을 가진 고온 플라스틱하우징안에 넣어진다. 이 어셈블리는 그후 고전압 유전체의 보전을 위하여 수용가능한 포팅 화합물내로 진공주조된다. 상기 포팅(주입) 물질로는 종류가 많이 있다. 포팅화합물의 기본적인 요건으로서는 그것이 충분한 절연내력을 가지며, 그 구조물의 내부 모든 물질에 잘 부착되어야 하고, 그리고, 엄격한 환경요건들, 즉 순환, 온도, 쇼크, 그리고 진동등에서도 견뎌야 한다. 또한 상기 포팅(주입)물은 낮은 유전상수과 낮은 손실각(loss tangent)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 하우징 물질은 사출성형가능하고, 비용이 적게들고, 낮은 유전상수과 손실각을 가져야하며, 주입물과 같은 환경상태에서 견뎌야 한다.

도2A는 먼저 캡슐에 넣기 전 스택커 어셈블리34의 측면과 평면을 도시한 것이다. 도2B는 최종 어셈블리100내에 캡슐화된 스택커 어셈블리34의 측면과 평면을 보여준다. 상기 스택커 어셈블리34는 앞서 기술된 바와 같이 고온에서 이용할 수 있는 특성을 갖는 중합물로 만들어지는 중공 튜브 하우징 50의 내부에 위치한다. 저부55는 스파크 플러그에 접속되고 하우징50에 밀폐되는 컨넥터70를 갖는다. 출력리드24는 스파크플러그로 가는 전기적인 경로를 형성하기 위하여 상기 컨넥터70에 연결된다. 출력리드26는 어셈블리100 외부로 인출할 수 있고, 스파크 간극을 통한 2차방전을 위하여 폐쇄전기적통로를 형성하기 위하여 엔진접지 또는 스파크플러그의 리턴 또는 유사한 포인트에 연결된다. 주입물60은 제조업자의 요구하에 하우징50에 부어진다. 이같은 주입화합물 특성은 앞서 기술되었다. 1차리드36는 철심코일의 1차권선으로서 사용될 수 있도록 하우징 및 주입체를 넘어서 연장된다. 환형컵12, 하우징50 그리고 저부55는 상술된 하우징물질로 이루어져있다. 주입물60과 하우징50, 환형컵12, 저부55 그리고, 다른 내부 성분의 부착력을 향상시키기 위하여, 상기 부분들은 주입에 앞서 플라스마 세척기 제조업자에 의해 규정된대로 플라스마 세척된다.

전류가 1차코일36에 공급되고, 상기 1차코일36은 25∼100μsec내에 신속하게 상기 전류를 예를들어 60amps 까지 증대시킨다. 도3은 1차전류가 주어진 피크 Ampere-turn에서 빠르게 차단될 때 얻어지는 출력을 나타낸다. 상기 충전시간은 전형적으로 1차스위칭시스템상에서 12볼트 전압으로 120 마이크로세컨드 이하였다. 상기 출력전압은 약 1.5 μsec FWHM의 짧은 출력펄스 유지시간 및 거의 100μsec 까지 지속되는 긴 로우레벨 꼬리를 갖는다. 그래서, 상기 자성철심코일 어셈블리34에 있어서, 10kV를 초과하는 고전압은 150μsec미만의 시간간격으로 반복하여 발생될 수 있다. 이런 특징은 앞서 언급된 신속한 다중 스파킹동작을 달성하기 위하여 요구된다. 더욱이, 2차권선에서 생기는 상기 신속한 전압상승은 검댕이에 의한 엔진점화부조를 감소시킨다.

상기 언급한 스파크점화와 관련된 잇점 이외에도, 본 발명에 의한 상기 철심코일 어셈블리34는 엔진진단장치로서의 역할을 한다. 본 발명에 의한 상기 자성 철심10의 낮은 자기손실 때문에, 상기 1차전압 프로파일은 상기 축적적인 2차권선상에서 무슨일이 일어나는지를 충실하게 반영한다. 2차 권선에 고전압을 야기하는 각 빠른 자속변화동안, 상기 1차전압리드는 적절한 점화특성을 위하여 점화 동안 분석된다. 그 결과 데이타는 점화시스템제어부로 제공된다. 본 철심코일 어셈블리34는 철심이 페라이트물질로 이루어진 Noble 특허에 개시된 시스템에 의해 요구되는 추가적인 자기요소를 제거한다.

이하 실시예는 본 발명에 대한 더 완벽한 이해를 제공하기 위해서 제시한다. 본 발명의 원리 및 실례를 설명하기 위하여 개시한 구체적인 기술 조건, 물질, 비율 그리고 제시된 데이터는 단지 예시일 뿐이며, 결코 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아닌 것이다.

실시예

약 15.6mm의 폭과 약 20㎛의 두께를 갖는 비정질 철계 리본을 공차를 유지하기위하여 가공된 스테인레스 스틸 맨드릴과 ID 및 OD상에 용접된 지점에 권선하였다. 12mm의 내경은 맨드릴에 의해 설정되고, 외경은 17mm가 되도록 선택되었다. 완료된 원통형 철심의 무게는 약 10 그램이었다. 상기 철심은 2내지 16시간의 침지시간을 가지고 430에서 450℃로 질소분위기에서 소둔되었다. 상기 소둔된 철심은 절연컵안에 놓여졌으며, 환형권취기상에서 2차 권선으로서 얇은 게이지 절연된 구리선으로 140회 권선하였다. 반시계방향(CCW)유니트와 시계방향(CW)유니트 모두를 권선된다. 상기 반시계 방향유니트는 베이스 및 상부유니트로 사용되고 시계방향유니트는 중간유니트로 사용되었다. 차폐 스페이서를 상기 유니트 사이에 추가하였다. 1차 권선을 형성하는 낮은 게이지 와이어의 4회권선은 2차권선이 존재하지 않는 지역에서 상기 환형 서브어셈블리상에 권선하였다. 상기 중간 및 하부유니트의 리드는 중간유니트 뿐만아니라 상부유니트리드에 접속시켰다. 상기 어셈블리는 고온플라스틱하우징안에 놓고 주입된다. 이런 구조에서, 2차전압을 1차전류와 1차권선수의 함수로 측정되고, 이는 도3에 나타내었다.

상기한 바에 따라 그 기술분야에서 숙련된 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 변형이나 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연 시스템에서 점화를 일으키는 자기 철심-코일 어셈블리에 있어서,

   상기 어셈블리는,

   a. 강자성 비정질금속합금으로 이루어지고, 저전압 여기용 1차코일과 고전압 출력용 2차코일을 갖는, 자기철심(magnetic core);을 포함하여 구성되고,

   b. 상기 2차 코일은 상기 1차 코일을 통해 동시에 전압이 걸리는 복수의 철심 서브-어셈블리를 포함하여 구성되며,

   c. 상기 코일 서브-어셈블리는 전압인가시 부가적이고 스파크 플러그에 보내지는 2차 전압을 생성하게 되어 있으며,

   d. 상기 철심-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 짧은시간내에 2차 코일내에 고전압을 발생시키고 그리고 (ⅱ) 점화를 제어하기 위해 연소실내의 스파크 점화상태를 검출할 수 있으며,

   e. 상기 철손-코일 어셈블리는 철손-코일어셈블리에 대한 강한 접착력, 고온 전기적 성능 및 양호한 열 쇼크 저항성을 갖는 무수 2성분 에폭시로 이루어진 포팅화합물을 이용하여 하우징 내부에 내장되어 있으며,

   f. 상기 포팅화합물에 의해 접착 고정될 수 있는 열가소성 폴리에스테르로 구성된 상기 하우징은 유리섬유로 충전되고, 상기 어셈블리의 최대 조작온도 가까운 Tg 및 상기 에폭시의 열팽창계수에 부합되는 열팽창 계수를 갖고 사출성형 가능함,

   을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
2. 1항에 있어서, 상기 자기 철심은 상기 강자성 비정질 금속합금을 열처리하여 제조됨을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
3. 1항에 있어서, 상기 자기 철심은 세그멘트된 철심을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
4. 1항에 있어서, 상기 2차코일내의 출력전압은 25-150μsec내에 약 70 Ampere-turns 미만의 1차전류에서 10㎸ 이상 도달하며, 75-200 Ampere-truns의 1차 전류에서 20㎸이상 도달함을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
5. 2항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속합금은 철에 기초된 것이며, 나아가 니켈과 코발트를 포함하는 금속 원소, 붕소와 탄소를 포함하는 유리형성 원소 및 실리콘 같은 반-금속 원소를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
6. 1항에 있어서, 상기 어셈블리는 복수의 개별적인 서브-어셈블리로 구성되어 있으며, 이들 각각은 2차 권선을 갖는 환형으로 권취된 섹션으로 구성되며, 상기 서브-어셈블리는 결과산출되는 어셈블리 출력이 상기 1차 권선에 의해 작동시 각각의 개별적인 서브 어셈블리로부터 나온 전압의 합이 되도록 배열됨을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
7. 1항에 있어서, 상기 어셈블리는 저면에서 상단까지 세그멘트 단차를 이룬 내부 전압분포를 가지며, 세그멘트의 수는 서브-어셈블리의 수에 따라 결정됨을 특징으로 하는 자기 철심-코일 어셈블리.
8. 최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연 시스템에서 점화를 일으키는 자기 철심-코일 어셈블리에 있어서,

   a. 강자성 비정질 금속합금으로 이루어지고, 저전압 여기용 1차 코일과 고전압 출력용 2차코일을 갖는 자기 철심,을 포함하여 이루어지고,

   b. 상기 2차코일은 상기 1차코일을 통해 동시에 전압이 걸리는 복수의 철심 서브-어셈블리를 포함하여 구성되며,

   c. 상기 코일 서브-어셈블리는 전압인가시 부가적이며 스파크 플러그로 보내어지는 2차전압을 생성하게 되어 있으며,

   d. 상기 철심-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 짧은 시간내에 2차 코일에 고전압을 발생시키고, (ⅱ) 점화를 제어하기 위해 연소실내의 스파크 점화상태를 검출 할 수 있으며,

   e. 상기 철심-코어 어셈블리는 상기 철심-코일 어셈블리에 대한 강한 접착력, 높은 절연내력, 중간 Shore A 범위내의 경도 및 낮은 유전상수를 갖는 2부분 탄성 폴리우레탄 시스템으로 구성된 포팅(주입)화합물을 이용하여 하우징내부에 주입되며,

   f. 상기 하우징은 상기 주입 화합물에 의해 접착적으로 고정될 수 있으며 높은 절연내력, 낮은 유전상수, 양호한 전기적 성질 및 내약품성을 갖는 유연하고 높은 사용온도의 플라스틱으로 구성됨,

   을 특징으로 하는 자기 철심-코어 어셈블리.
9. 8항에 있어서, 상기 하우징물질은 폴리페닐렌 에테르/폴리프로필렌 혼합물, 폴리메틸펜텐/폴리올레핀 혼합물 및 폴리실코올레핀/폴리올레핀 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 자기 철심-코어 어셈블리.
10. 8항에 있어서, 상기 주입(포팅)물질은 실리콘 고무계 주입(포팅)화합물임을 특징으로 하는 자기 철심-코어 어셈블리.