KR20010020286A

KR20010020286A - 스파크 점화시스템용 자기 코어-코일 어셈블리

Info

Publication number: KR20010020286A
Application number: KR1019997009888A
Authority: KR
Inventors: 라포포르트윌리암알.; 파파네스토르파울에이.; 그림스도날드알렌; 반부스키르크브루스
Original assignee: 크리스 로저 에이치; 알라이드시그날 인코포레이티드
Priority date: 1997-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 2001-03-15
Also published as: BR9808687A; AU7271998A; JP4326598B2; CA2287447A1; JP2001522535A; CN1256007A; EP0979522A1; AR012612A1; WO1998049697A1; US5923236A

Abstract

자기 코어-코어 어셈블리가 최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연시스템에서 점화를 일으킨다.

상기 어셈블리는 저전압 여기를 위한 1차 코일과 스프크 플러그로 보내지는 고전압 출력을 위한 2차 코일을 갖는 비정질금속으로 된 자기코어를 포함한다.

그 여기후 짧은 시간내에 2차 코일내에는 고전압이 발생된다. 상기 어셈블리는 점화를 제어하기 위해 연소실내의 스파크 점화상태를 검출한다. 상기 어셈블리는 현존하는 장치로 값싸게 제조될 수 있는 서브-어셈블리로 구성된다.

그 후, 상기 어셈블리는 고온 폴리머로 된 하우징에 주입된다.

Description

스파크 점화시스템용 자기 코어-코일 어셈블리{MAGNETIC CORE-COIL ASSEMBLY FOR SPARK IGNITION SYSTEMS}

스파크-점화 내연기관에서는, 연료와 공기혼합물을 점화하는 스파크 플러그의 간격을 가로지르는 아크(arc)를 만드는데 필요한 고전압을 발생시키기 위해, 플라이백 변압기(flyback transformer)를 주로 사용한다. 이 점화 스파크의 타이밍(timing)은 최적연료소모와 환경적으로 유해한 배기가스의 방출을 저하하기 위해 아주 중요한 것이다. 스파크 이벤트(spark event)가 너무 늦으면 엔진출력의 손실 및 효율손실이 야기된다. 반면, 스파크 이벤트가 너무 빠르면 종종 소위 "핑(ping)" 또는 "노크(knock)"라 하는 폭발을 일으켜 유해한 조기-점화(pre-ignition) 및 엔진손상을 차례로 야기시킬 수 있다. 정확한 스파크 타이밍은 엔진속도와 부하에 달렸있다. 각각의 엔진원통는 최적수행을 위해 종종 다른 타이밍을 필요로 한다. 각각의 스파크 플러그에 대한 스파크 점화 변압기를 제공함으로써, 각 원통에 대하여 다른 스파크 타이밍을 얻을 수 있다.

엔진효율을 증대시키고 부적절한 점화스파크 타이밍에 관련된 문제점을 감소시키기 위해, 몇몇 엔진에 엔진속도, 주입공기온도와 압력, 엔진온도, 배기가스 산소함량을 검출하는 센서(sensor)와, "핑" 또는 "노크"를 검출하는 센서들을 포함하는 마이크로 프로세서-제어시스템(microprocessor-controlled systems)을 장착시킨 것이 있었다. 노크센서(knock sensor)는 본질적으로, 전체 엔진속도 및 하중범위에 걸쳐 노크를 검출하기에는 그 감응도(sensitivity)가 충분하지 않은 전자-기계식 변환기(electro-mechanical transducer)이다. 상기 마이크로 프로세서의 적절한 점화 스파크 타이밍 측정이 항상 최적엔진성능을 제공하지는 않는다. 따라서 보다 나은 "노크" 검출(sensing)이 필요한 것이다.

찬 엔진(cold engine)의 초기작동 동안과, 아이들(idle) 및 오프-아이들 (off-idle)작동 동안에는 불균형적으로 많은 량의 유독 배기가스가 발생된다. 연구결과, 이들 2가지 엔진작동기간 동안 각 점화 이벤트에 있어서 스파크 플러그를 신속히 다중 스파크 시키면, 유해한 배기가스 배출을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 아주 신속히 대전 및 방전될 수 있는 스파크점화 변압기가 요구되는 것이다.

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

상기 스파크 점화 변압기의 물리적 직경은 스파크 플러그가 탑재되는 동일한 엔진 튜브에 부합되어야 한다. 노블특허에서 기대한 엔진진단 목적을 이루기 위해, 특허권자들은 페라이트 코어를 이용한 간접방법을 개시한다. 이상적으로, 상기 스파크점화 변압기의 자기성능은 연소실내의 스파크조건을 검출하는데 엔진작동을 통해 충분한 것이다. 분명히, 정확한 엔진진단을 위해서는 새로운 형태의 점화 변압기가 필요한 것이다.

엔진점화오류는 유해배기가스 방출을 증대시킨다. 연소실내의 스파크 플러그 절연체에 정확한 가열없이 여러번 냉온가동(cold start)시키면 절연체상에 검댕이가 부착하여 점화오류를 일으킨다. 전기적으로 도전성인 검댕이는 스파크 이벤트(spark event)에 필요한 전압증가를 감소시킨다. 전압의 급격한 상승을 제공하는 스파크 점화 변압기는 검댕이 오염(soot fouling)으로 인한 이같은 점화오류를 최소화시킬 수 있다.

노블이 개시한 점화 및 엔진진단 시스템의 성공적인 작동에 필요한 스파크 점화성능을 얻고 동시에 스파크 플러그 검댕이 오염에 기인한 엔진점화오류 발생을 감소시키기 위해서는, 스파크점화 변압기의 코어재료가 특정 자기투자율을 가져야 하고, 작동동안 자기적으로 포화되어서는 안되며 자기손실이 낮아야 한다.

이들 필요한 성질을 조합하면 적절한 코어재료를 얻는 범위가 좁아진다. 자동차 스파크 점화 시스템의 목표단가를 고려할 때, 코어재료로 고려할 수 있는 것은 규소강, 페라이트 및 철-기초 비정질금속을 포함할 수 있다. 실용적인 변압기 코어에 통상 사용되는 종래 규소강은 값은 경제적이나 자기손실이 너무 높다. 보다 자기손실이 낮은 보다 얇은 게이지의 규소강은 값이 너무 비싸다.

페라이트는 값싸나 포화유도값이 통상 0.5T 미만이며 코어의 자기유도가 0에 가깝게 되는 큐리온도는 거의 200℃이다. 이 온도는 스파크점화 변압기의 상부 조작온도가 약 180℃인 것을 고려하면 너무 낮다.

철-기초 비정질금속은 낮은 자기 철손 및 1.5T가 넘는 높은 포화유도값을 가지나 투자율이 비교적 높다. 스파크 점화 변압기에 적합한 자기투자율 수준을 얻을 수 있는 철-기초 비정질 금속이 요구된다. 이 물질을 이용하면 요구되는 출력사양 및 물리적 치수 기준에 부합하는 환형코일을 구성하는 것이 가능하다. 스파크 플러그의 치수요구는 사용될 수 있는 디자인의 형태를 잘 제한시킨다.

절연코일 어셈블리에 대한 전형적인 치수요구는 직경 25mm미만이고 길이 150mm미만이다.

이들 코일 어셈블리는 고전압단자와 외부접지 모두에서 스파크플러그에 또한 부착되고, 아크오버를 막기 위해 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 상세하게는 엔진시스템의 성능을 개선시키고 스파크점화 변압기에서 자성성분의 크기를 상업적으로 생산가능한 방법으로 감소시키는 스파크 점화시스템에 관한 것이다.

다음 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명과 수반되는 도면을 참고하면, 본 발명을 보다 충분히 이해할 것이며, 나아가 장점들도 더욱 명확해질 것이다.

도1은 본 발명의 코어코일, 그 스택배열(stack arrangement)을 형성하는데 이용되는 어셈블리 방법 및 연결을 보여주는 어셈블리 절차 개략도면(guideline drawing).

도2a는 스택배열의 측면과 상면을 도시한 어셈블리 도면

도2b는 캡슐에 넣어진 스택배열의 측면과 상면을 도시한 어셈블리 도면

도3은 도1에 도시된 어셈블리 1차 코일상의 Ampere-turn에 대한 2차 코일을 가로지르는 출력전압을 도시한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10……자기코어 34……자기 코어-코일 어셈블리

20,36…코일 32……서브어셈블리(환형유니트)

본 발명은 급속 전압상승과 점화 이벤트(ignition event)의 전압 프로파일(profile)을 정확히 그리는 신호를 일으키는 코일-퍼-플러그(coil-per-plug, CPP) 스파크 점화 변압기용 자기 코어-코일 어셈블리를 제공한다.

일반적으로, 상기 자기 코어-코일은 강자성 비정질 금속합금으로 된 자기코어를 포함한다. 상기 자기 코어-코일 어셈블리는 저전압 여기(exitation)용 단일 1차코일과 고전압출력용 2차코일을 갖는다.

상기 어셈블리는 또한, 공통 1차코일(common primary coil)을 통해 동시에 전압이 가해지는 복수의 코어 서브-어셈블리를 포함하는 2차코일을 갖는다.

상기 코일 서브-어셈블리들은 전압을 가했을 때 부가되어 스파크 플러그로 보내지는 2차전압을 생성하게 되어 있다.

이같이 구성되었기 때문에 상기 코어-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 단시간내에 2차 코일에 고압을 발생시키고, (ⅱ) 점화를 제어하기 위한 연소실내의 스파크 점화상태를 검출할 수 있다.

보다 상세히 설명하면, 상기 코어(core)는 낮은 철손 및 투자율(약 100~700)을 보이는 비정질의 강자성 물질로 구성된다. 이같은 자기적 성질들은 연소사이클 동안 플러그를 급속점호(rapid firing)시키는데 특히 적합하다. 검댕이 오염(soot fouling)으로 인한 엔진의 점화오류가 최소화 된다. 더욱이, 코일로부터 플러그로의 에너지 전달이 아주 효율적으로 이루어지기 때문에 방전후 코어내에는 거의 에너지가 남아있지 않게 된다.

환형디자인의 낮은 2차 저항(＜100Ω)은 에너지의 태반의(bulk)을 2차 와이어가 아닌 스파크에 흩어지게 한다. 이같은 고효율의 에너지 전달은 코어으로 하여금 점화 이벤트의 전압 프로파일을 정확히 감시할 수 있게 한다. 환형 변압기를 형성하기 위해, 자기 코어재료가 1차 및 2차 와이어 권선이 놓이는 원통에 감기면, 발생된 신호가 보다 높은 자기손실을 보이는 코어로 생성되는 것 보다 훨씬 많은 정확한 점화 전압 프로파일의 그림을 제공한다.

다수의 환형 어셈블리 생성은, 서브-어셈블리의 인덕턴스와 그 자기적 성질에 의해 지배되는 공통 1차 권선을 통해 서브-어셈블리내에 에너지가 저장될 수 있도록 한다.

1차 전류가 급속히 감소될 때 급속히 상승하는 2차 전압이 유도된다. 상기 서브-어셈블리 환형체를 가로지르는 각각의 2차 전압은 급속히 증가하며 시스템전체의 자속변화에 따라 서브-어셈블리에 서브-어셈블리를 추가한다. 이것은, 우수한 성능의 단일 어셈블리 생산을 위해 현재 이용하는 환형 코일 권취기술을 통해 권취된 여러개의 서브-어셈블리 유니트를 자유자재로 결합할 수 있도록 한다. 하나의 보다 긴 환형으로 구성된 상기 단일 어셈블리(single assembly)는 통상의 환형권취기로 쉽고 그리고 경제적으로 제조될 수 없다.

코어-코일 어셈블리의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 유니트는 고전압 전호(high voltage arcing)를 방지하기 위해 하우징(housing)내에 주입된다. 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℃범위인 상당한 연도에 걸쳐 작동동안 차단되어야 한다. 뿐만 아니라 상기 유니트는 자동차에 적용시 흔히 발견되는 화학품에 대해서도 비교적 저항성이 있어야 한다.

과거 자동차 업체들이 사용해온 여러가지 포팅 및 하우징(housing)재료가 있다. 자동차용으로, 포팅(potting)화합물, 하우징물질 및 둘러싸여지는 물체는, 유리섬유 및/혹은 광물질과 같은 충진재(filler)를 포팅 및 하우징물질에 첨가함으로써 열적으로 일체화되었다(대략 동일한 열팽창계수 CTE).

그 목적은, 작동온도에 걸쳐 격게되는 시스템내 여러가지 물질사이의 응력과 변형의 극치을 감소시키기 위한 것이었다. 유리섬유 및/또는 광물질의 첨가는 전형적으로 재료의 유전상수를 증대시켰다. 전형적인 포팅화합물은 하우징과 그 내부성분에 대한 우수한 접착력, 우수한 고온전기성능 및 양호한 열충격 저항성을 나타내는 2성분 무수 에폭시 배합물(formulation)이다.

폭넓은 온도범위에 걸쳐 재료의 CTE를 일치시키기 위하여, 상기 에폭시는 최대작동온도에서 실용성이 있을 정도로 높은 유리전이온도(Tg)를 갖도록 배합한다. 이같은 에폭시의 예로는 열경화성수지로 제조되는 EP-697을 들 수 있다. 상기 하우징물질은 전형적으로 유리섬유가 충진되고 높은 Tg 및 에폭시에 맞는 CTE를 갖는 껄껄한(rugged) 열가소성 폴리에스테르로 만들어진다. 적절한 것으로 밝혀진 한가지 하우징 물질은 Hoescht Celanese에서 Vandar라는 상표로 판매하는 것이다. 이같은 열가소성 폴리에스테르에서 상기 유리 및/또는 광물질 충진은 재료를 보다 단단하고 뻣뻣하게 한다.

"연필(pencil)형" 코일 기하학은 대게 납작한(squat) 코어-코일과 비교해 볼 때 직경이 작고 길이는 길다는 점에서 현재의 코일 기하학과 다르다. 이같은 큰 치수비(직경에 대한 길이의 비)는, 전온도범위에 걸쳐 CTE일치가 거의 완벽하지 않으면 코일 내부에 큰 내부응력이 쌓이게 할 수 있다. 이 일치는 거의 200℃ 조작온도에 걸쳐 다른 물질로는 얻기가 어렵다. 전형적인 설계에 있어서, 활성성분(환형컵)의 외부는 하우징의 내벽에 아주 근접하게 위치한다.

상기 포팅 화합물은, 컵과 하우징 내벽의 큰 표면적으로 인해, 성분들의 외부면적을 벽에 꽂는 부위를 효과적으로 함께 고화시킨다. 환형으로 권취된 유니트에 있어서는, 코어-코일 어셈블리의 중앙을 통해 코어-코어 어셈블리의 저면과 상단사이의 공극(void)을 채우는 긴 섹션의 포팅 화합물이 있다.

이 칼럼(column)의 직경은 환형체와 권취장치의 설계에 관련된다. 이 칼럼의 긴 길이와 코어-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 전단응력은 1차 및 2차를 연결할 수 있는 균열을 형성하면서, 하우징 물질 외표면을 그 물질의 본체로부터 박리시킬 수 있다. 이것은 표면이 수지가 많고 유리섬유 혹은 광물질 함량을 갖는 하부층을 갖기 때문에 발생한다.

양성분들은 아주 견고하나 하우징 물질로 구성된 환형 컵들이 보다 낮은 항복강도를 보여서 이들이 먼저 박리되는 것이다. 이것은, 코어-코일로부터 유용한 전압을 얻기 전에 1차 및 2차를 쇼트시키는 내부전압 아크가 생기는 결과를 가져올 수 있다. 이 문제를 일으키는 응력은 전형적으로 코어코일의 아주 큰 열작동범위(-40℃ ~ +150℃) 및 열충격로부터 생길 수 있는 큰 열구배에 기인한다.

이 문제에 대한 해결책은 보다 탄성적인 대체 포팅 및 하우징 물질을 사용하는 것이다. 이같은 종류의 물질은 휘어져 변형하기 때문에, 훨씬 적은 전단응력을 만든다. 이 기준을 만족하는 포팅 화합물은 Epic S7207과 같은 2부분 탄성 폴리우레탄 시스템이다. 이것은 포팅 전기성분용으로 설계된 2성분 탄성 폴리우레탄 시스템이다. 이는 높은 절연내력과 중간 쇼어(Shore) A범위의 경도를 갖고 낮은 유전상수를 갖는 특징이 있다. 이 물질에 대한 Tg는 약 -25℃이고 CTE는 209×10^-6㎝/㎝/℃이다. 이 물질은 연하고, 탄성이며 탄성적으로 변형한다. 이 종류의 물질은 전형적으로 2성분 에폭시와 비교해 볼 때 낮은 Tg를 보이며 이들은 Tg점 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 미쓰비시 엔지니어링 플라스틱(Mitsubishi Engineering Plastic)에서 생산되는 Lemalloy PX603Y이다.

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 폴리실코올레필/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 코어-코일 어셈블리는 성분사이에 아주 큰 CTE부정합이 있음에도 불구하고 연필 코일배열에서 많은 열충격 사이클 형태가 -40℃ ~ +150℃ 사이에 존재하였다.

도1을 참조하면, 자기-코어 코일 어셈블리(34)는 강자성 비정질 금속합금으로 만들어진 자기코어(10)을 포함한다. 상기 코어-코일 어셈블리(34)는 저전압여기용 단일 1차 코일(36)과 고전압출력용 2차 코일(20)을 구비한다. 또한, 상기 코어코일 어셈블리(34)는 상기 공통의 1차 코일(36)을 통해서 동시에 전류가 흐르는 다수의 코어 서브-어셈블리(환형유니트)(32)를 포함하여 이루어진 2차 코일(20)을 구비한다. 상기 코어-코일 서브-어셈블리(32)는 전압인가시 부가되어 스파크 플러그로 보내지는 2차 전압을 형성하게 되어 있다. 이와 같은 디자인에 의하면, 상기 코어-코일 어셈블리(34)는 (ⅰ) 여기후 짧은 시간내에 상기 2차 코일(20)에서 고전압을 발생시키고, (ⅱ) 점화를 제어하도록 연소실에서의 스파크 점화상태를 감지할 수 있다.

상기 자기코어(10)은 철계(iron-base) 합금을 포함하고 높은 자기유도를 갖는 비정질 금속에 바탕을 둔다. 코어(10)의 두가지 기본형태가 주목된다. 이들은 간격이 있는 것과, 간격이 없는 것이며, 이들 모두 코어(10)이라고 한다. 상기 간격을 갖는 코어는 자기적으로 연속적인 경로에 불연속 자기 섹션을 갖는다. 이와 같은 코어(10)의 예를 들면, 일반적으로 공기간격으로 알려진 작은 슬릿이 있는 환형 자기코어를 들 수 있다. 상기 간격을 갖는 디자인은 필요한 투자율이 권취된 상태로 코어자신의 투자율보다 상당히 낮을 때 채택된다. 상기 자기 경로의 공기-간격부는 전체적인 투자율을 감소시킨다. 상기 무간격 코어는 공기-간격을 갖는 코어과 비슷한 투자율을 갖지만, 전형적인 환형 자기 코어에 있는 것과 비슷한 디자인을 갖는 것으로 물리적으로 연속적이다. 무간격 코어(10)에 균일하게 분포된 공기-간격의 명백한 존재는 "분배-간격-코어(distributed-gap-core)"라는 용어로 주어진다. 유효 투자율이 요구된 범위내에 있는 한, 간격부가 있거나 간격부가 없는 디자인 모두 이러한 코어-코일 어셈블리(34)디자인에서 작용가능하고 대체할 수 있다. 무간격 코어(10)은 이 디자인설계의 원리를 증명하기 위해 선택되었지만, 그 디자인은 무간격 코어재료의 이용에 한정된 것은 아니다.

상기 무간격 코어(10)은 철합금에 기초한 비정질 금속으로 만들어지고, 상기 코어의 투자율이 약 1kHz의 주파수에서 측정할 때 100에서 500사이가 되도록 처리된다. 분배-간격-코어으로부터의 누설자속은 간격을 갖는 코어보다 훨씬 적으며, 바람직하지 않은 라디오주파수간섭을 주변으로 보다 덜 방사한다. 더욱이, 무간격코어과 연관된 자기폐경로때문에, 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio)는 간격-코어보다 더 커지고, 이에 의하여 무간격 코어는 엔진연소과정을 진단하기 위한 신호변환기로서 사용되기에 특히 적합하게 된다. 스파크점화를 위해 10kV보다 더 큰 2차 권선(20)에서의 출력전압(output voltage)은 약 110~160횟수 권선된 2차 권선(20)과 60Ampere-turns보다 적은 무간격 코어(10)에 의해서 달성된다.

25kV를 초과하는 개방회로 출력은 180Ampere-turns 미만에서 얻어질 수 있다. 앞서 설명된 코일은 거의 80mm인 유효 원통(cylinder)높이를 형성하기 위해서 쌓여진 12mm의 ID와 17mm의 OD 및 15.6mm의 높이를 지닌 직각원통상에 권선된 리본 비정질 금속재료를 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 디자인공간의 큰 변수가 존재한다. 최종적으로 구축된 직각 원통은 신장된 환형코어를 형성하였다. 코어과 와이어사이의 절연은 환형 권선을 용이하게 하는 권선형태로서 배가된 내고온성 성형 플라스틱을 사용함으로써 달성되었다. 요구되는 110~160횟수의 2차 권선을 위해 미세 게이지 와이어를 사용하였다. 200볼트 범위내의 권선전압으로 권선을 나타내는 코일의 출력전압이 25kV를 초과할 수 있기 때문에, 와이어는 충분히 겹쳐질 수 없다. 최적의 성능을 보이는 코일은 환형의 약 300。에 걸쳐 균일하게 간격을 두고 배치된 와이어를 가졌다. 남은 60。는 1차 권선에 사용되었다. 이러한 디자인형태의 결점 중 하나는 일반적인 작동을 위해 요구되는 환형의 가로세로비와 2차 권선수이다. 이러한 코일들을 감기 위한 지그(jig)는 매우 미세한 와이어를 다루어야 했으며(전형적으로 39게이지 이상), 이러한 와이어들을 충분히 겹쳐지지 않고 권선작업 중에 파괴되지 않아야 한다. 전형적인 환형권취기(보편적인)는 그들 고유의 디자인으로 인해 이 가로세로비에 가깝게 코일을 권선할 수 없다. 코어를 통하여 밀어 넣어지고 그리고 나서 바깥 주위를 둘러싸는 셔틀에 기초한 대체 디자인가 요구되었으며 생산되어졌어야만 했다. 전형적으로 이러한 코일들을 감는 시간은 매우 길었다. 그러나 길어진 환형 디자인는 충분히 낮은 비용으로 대량생산하기 어려워 상업적인 측면에서의 매력은 없었다.

대체 디자인는 원래의 디자인를 작은 구성요소 수준의 구조로 나누어 놓는데, 이들 구성요소들은 기존의 권취기를 사용하여 권취할 수 있다. 이 개념은 취급가능한 크기의 동일계 비정질 금속 코어재료로 된 코어부(core section)를 취해서 그것을 결합하고자 하는 것이다. 이것은 코어(10)이 삽입될 수 있는 절연컵(12)를 형성하고 서브-어셈블리(30)을 환형(32)로서 권취되는 코어와 같이 처리함으로써 달성된다. 이차 권선(14)의 수는 원래의 디자인만큼 요구된다. 최종 어셈블리(34)는 하나의 큰 변화에 따라 요구되는 출력특성들을 달성하기 위해 충분한 수(1보다 큰)의 상기 구조(32)로 된 더미로서 구성될 수 있다. 다른 모든 환형유니트(32)는 반대로 감겨야 한다. 이것은 출력전압을 더하게 한다. 전형적인 구조(34)는 최종 코일 어셈블리(34) 출력으로서 동작하는 하나의 출력와이어(24)로 반시계방향으로 감겨지는 1차 환형유니트(16)으로 구성된다. 2차 환형 유니트(18)은 시계방향으로 감겨지며 적당한 절연체를 제공하기 위해서 스페이서(28)과 함께 1차 환형유니트(16)의 상부에 쌓아올려진다. 2차 환형유니트(18)의 저부 리드(bottom lead)(42)는 1차 환형유니트(16)의 상부리드(40)(잔존 리드)에 접촉된다. 다음 환형유니트(32)는 반시계방향(CCW)으로 감겨지고 절연을 위해 스페이서(28)과 함께 앞서의 두 환형유니트(16),(18) 상부에 쌓아 올려진다. 3차 환형유니트의 하부리드(46)은 2차 환형유니트의 상부리드(44)에 연결된다. 환형유니트(32)의 전체 수는 디자인 기준과 물리적인 크기 요구조건에 따라 설정된다. 최종 상부리드(24)는 코어-코일 어셈블리(34)의 다른 출력을 형성한다. 이들 환형유니트(32)의 2차 권선(14)들은 환형의 360°중 대략 300°를 커버하도록 개별적으로 감겨진다. 환형유니트(32)는, 각 환형유니트(32)의 개방된 60°가 수직적으로 배열되도록 쌓아올려진다. 공통 1차권선(36)은 상기 코어-코일 어셈블리(34)를 통해 감겨진다. 이를 스택커개념(stacker concept)이라고 부르기로 한다.

원래 코일 디자인 주위의 전압분배는 첫번째 권선이 0볼트로 되고, 마지막 권선은 최대전압으로 되는 배리악(variac)과 유사하다. 이것은 코일 구조의 전체 높이에 걸쳐 효과적이다. 일차권선(primary winding)은 이차권선(secondary winding)과 절연을 유지하며 감겨진 환형의 권선되지 않은 60°의 중심에 위치하게 된다. 이들 선들(lines)은 본질적으로 일차 권선에 사용되는 저전압구동상태에서 기인한 저전위에 있다. 최대전압 응력은 고전압출력과 일차, 이차에서 이차권선에, 이차에서 코어에 가장 가까운 점에서 발생한다. 가장 높은 전기장 응력점은 환형의 내부 길이 아래에 존재하고 코일의 내부상부와 바닥에서 증대되어진다. 상기 스택커 개념 전압분배는 약간 다르다. 각각의 개별적인 코어-코일 환형유니트(32)는 같은 배리악 타입의 분배를 가지나, 코어-코일 어셈블리(34)의 스택된 분배는 개별적인 환형유니트(32)의 수로 나뉘어진다. 코어-코일 어셈블리(34) 스택내의 세개의 환형유니트(32)가 있다면, 하부의 환형유니트(16)은 V에서 2/3V까지의 범위를 가질 것이고, 2차 환형유니트(18)은 2/3V에서부터 1/3V까지 범위를 차지할 것이고, 상부의 환형유니트(22)는 1/3V에서부터 0V까지 범위를 차지할 것이다. 이러한 배열은 고전압 응력부위를 감소시킨다.

원래의 코일디자인에 대한 또 다른 논점은 절연체 케이스를 통한 외부로의 출력에 대한 용량적인 결합(capacitive coupling)이다. 출력 전압파형은 짧은 펄스성분(전형적으로 500ns상승시간을 갖는 지속시간 1~3μsec)과 훨씬 더 긴 저수준 출력성분(전형적으로 100~150μsec 지속시간)을 지닌다. 몇몇 빠른 펄스출력성분은 절연벽들을 통해 외부와 용량적으로 결합된다. 배리악효과는 외부쉘상에서 코로나(corona)를 관찰함에 의해 기술될 수 있다. 용량적인 결합은 케이스를 통해 접지로 그것을 부분적으로 차단함에 의해 상기 출력을 스파크플러그로 뺏을 수 있다. 이 효과는 단지 코로나 방전에 의해 장치의 개회로전압을 감소시킬 수 있는 매우 높은 전압 범위에서만 문제가 된다. 스택커 배열전압분배는 상이하며 접지 구조에 따라 코어-코일 어셈블리(34)의 상부 또는 하부에 최대전압부가 위치할 수 있게 한다. 이러한 디자인의 장점은, 최대 전압부가 스파크 플러그 웰(well)내의 스파크 플러그 심부(deep)에 바로 놓일 수 있다는 것이다. 코어-코일 어셈블리(34)의 상부에서의 전압은 3개의 스택유니트에 대하여 단지 1/3V에서 최대이다.

주조(as-cast)상태에서 1.5T를 초과하는 포화유도(saturation induction)를 갖는 철계(iron-based) 비정질 금속으로 이루어진 자기코어를 제조하였다. 상기 코어는 각각 17mm 및 12mm의 외경 및 내경과 약 15.6mm의 원통높이로 된 원통형태였다. 이들 코어들은 외부의 인가자장없이 열처리되었다. 도1은 세개의 스택 코어-코일 어셈블리(34)유니트의 구성에 대한 절차 개략도면(guideline drawing)이다. 이들 코어(10)은 고온플라스틱 절연컵(12)내에 삽입되었다. 이러한 유니트(30) 중 몇몇은 환형권취기(winding machine)상에 2차(14)를 형성하는 구리와이어가 110에서 160회 시계방향(CW)으로 권선되고, 나머지는 반시계방향(CCW)을 권선되었다. 1차 환형유니트(16)(저부)는 시스템의 출력리드로서 동작하는 하부리드(24)를 갖고 반시계방향(CCW)으로 감겨진다. 2차 환형유니트(18)은 시계방향으로 감겨지고, 그것의 저부리드(42)는 저부 환형유니트(16)의 상부리드(40)에 연결된다. 상기 3차 환형유니트(22)는 시계방향으로 감겨지고 그것의 저부리드(46)은 2차 환형유니트(18)의 상부리드(44)에 연결된다. 3차 환형유니트(22)의 상부리드(26)은 접지리드로서 동작한다. 상기 환형유니트(16),(18),(22)사이의 플라스틱 스페이서(28)은 전압 격리애자(standoffs)로서 동작한다. 환형유니트(32)의 비-권선지역은 수직정렬된다. 공통 1차코일(36)은 상기 클리어부에서 코어-코일 어셈블리(34) 스택을 통해 권선된다. 이 코어-코일 어셈블리(34)는 상기 리드를 위한 홀(holes)을 가진 고온 플라스틱 하우징안에 넣어진다. 이 어셈블리는 그 후 고전압 유전체보전을 위하여 수용가능한 포팅 화합물내로 진공-주조된다. 상기 포팅(주입)물질로는 종류가 많이 있다. 포팅화합물의 기본적인 요건으로는 그것이 충분한 절연내력을 가지며, 그 구조물의 내부 모든 물질에 잘 부착되어야 하고, 그리고, 엄격한 환경요건들, 즉 순환, 온도, 충격, 그리고 진동등에서도 견딜 수 있어야 하는 것이다. 또한, 상기 포팅화합물(potting compound)은 낮은 유전상수와 낮은 손실각(loss tangent)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 하우징 물질(housing material)은 사출성형가능하고, 비용이 적게 들고, 낮은 유전상수와 손실각을 가져야 하며, 포팅 화합물과 같은 환경상태에서 견뎌야 한다.

도2a는 캡슐에 넣기전 스택커 어셈블리(34)의 측면과 평면을 도시한 것이다. 도2b는 최종 어셈블리(100)내에 캡슐화된 스택커 어셈블리(34)의 측면과 평면을 보여준다. 상기 스택커 어셈블리(34)는 앞서 기술된 바와 같이 고온에서 이용할 수 있는 특성을 갖는 중합물로 만들어지는 중공튜브 하우징(hollow tubing housing) (50) 내부에 위치한다. 저부(55)는 스파크 플러그에 접속되고 하우징(50)에 밀폐되는 커넥터(70)을 갖는다. 출력리드(24)는 스파크플러그로 가는 전기적인 경로를 형성하기 위해 커넥터(70)에 연결된다. 출력리드(26)은 어셈블리(100)외부로 인출할 수 있고, 스파크 간격을 통한 2차방전을 위해 폐쇄전기적 통로를 형성하기 위한 엔진접지 또는 스파크플러그의 리턴 또는 유사한 포인트에 연결된다. 포팅 화합물(60)은 제조업자의 요구하에 하우징(50)에 부어진다. 이같은 포팅화합물의 성질들은 앞서 기술되었다. 1차 리드(36)은 코어-코일의 1차로 사용될 수 있도록 하기 위해 하우징 및 포팅 본체를 넘어서 연장된다. 환형컵(12), 하우징(50) 그리고 저부(55)는 상술된 하우징물질로 이루어져 있다. 포팅화합물(60)과 하우징(50), 환형컵(12), 저부(55) 그리고 다른 내부성분의 부착력을 향상시키기 위하여, 상기 부분들은 포팅에 앞서 플라즈마 세척기 제조업자에 의해 규정된 대로 플라즈마 세척된다.

전류는, 25~100μsec수준 내에서 신속하게 상기 전류를 60amps까지 증대시키면서 공급되었다. 도3은 1차전류가 주어진 피크 Amprer-turn에서 빠르게 차단될 때 얻어지는 출력을 나타낸다. 상기 충전시간은 전형적으로 1차 스위칭 시스템상에서 12볼트 전압으로 120 μsec 미만이었다. 상기 출력전압은 약1.5μsec FWHM의 전형적인 짧은 출력펄스 유지기간 및 대략 100μsec 지속되는 긴 저수준 꼬리를 갖았다. 그래서, 상기 자기 코어-코일 어셈블리(34)에 있어서, 10kV를 초과하는 고전압은 150μsec미만의 시간간격으로 반복하여 발생될 수 있다. 이런 특징은 앞서 언급된 신속한 다중 스파킹동작을 달성하기 위하여 요구된다. 더욱이, 2차 권선에서 생기는 상기 신속한 전압상승은 검댕이 오염으로 인한 엔진점화오류를 감소시킨다.

상기한 스파크점화와 관련된 잇점 이외에도, 본 발명에 의한 상기 코어-코일 어셈블리(34)는 엔진진단장치로서의 역할을 한다. 본 발명의 상기 자기 코어(10)의 낮은 자기손실때문에, 상기 1차전압 구배는 상기 축적적인 2차 권선에서 발생하는 일을 충실하게 반영한다. 2차 권선에 고전압을 야기하는 각각의 빠른 자속변화동안, 상기 1차 전압리드는 적절한 점화특성을 위해 점화기간 동안 분석된다. 그 후, 그 결과 자료는 점화시스템제어부로 제공된다. 그러므로, 본 코어-코일 어셈블리(34)는 코어가 페라이트물질로 이루어지는 노블특허에 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 기술조건, 물질, 비율 및 제시된 데이터는 단지 예시일 뿐이며, 결코 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

(실시예)

약 15.6mm의 폭과 약 20㎛의 두께를 갖는 비정질 철계 리본을 허용오차(tolerance)를 유지하기 위하여 가공된 스테인레스 스틸 맨드릴(stainless steel mandrel)과 ID 및 OD상에 용접된 지점에 권선하였다. 12mm의 내경은 맨드릴에 의해 설정되고, 외경은 17mm가 되도록 선택되었다. 완료된 원통형 코어의 무게는 약 10g이었다. 상기 코어는 2내지 16시간의 침지시간을 가지고 430~450℃로 질소분위기에서 소둔되었다. 상기 소둔된 코어는 절연컵안에 놓여졌으며, 환형권취기상에서 2차 권선으로서 얇은 게이지 절연된 구리선으로 140회 권선하였다. 반시계방향(CCW) 및 시계방향(CW)유니트 모두가 권선되었다. 반시계 방향 유니트는 베이스 및 상부 유니트로 사용된 반면, 시계방향 유니트는 중간유니트로 사용되었다. 절연 스페이서를 상기 유니트 사이에 추가하였다. 1차 권선을 형성하면서 낮은 게이지 와이어의 4회 권선을, 2차권선이 존재하지 않는 지역에서 상기 환형 서브-어셈블리상에 행하였다. 상기 중간 및 하부유니트의 리드는 중간유니트 뿐만 아니라 상부 유니트리드에 접속시켰다. 상기 어셈블리는 고온플라스틱 하우징안에 넣어 주입된다. 이런 구조에서, 2차전압을 1차 전류와 1차 권선수의 함수로 측정하고, 도3에 나타내었다.

보다 상세한 설명에서 본 발명을 기재함으로써, 이러한 상세한 설명은 반드시 고정된 것은 아니고, 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범주내로 하면서 보다 많은 변화와 수정이 이 기술분야의 숙련된 자들에 의해 제시될 수 있다는 것을 알게될 것이다.

본 발명은 내연기관용 스파크 점화시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 엔진시스템의 성능을 개선시키고 스파크점화 변압기에서 자성성분의 크기를 상업적으로 생산가능한 방법으로 감소시킬 수 있다.

Claims

최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연시스템내의 점화(ignition event)를 일으키는 자기 코어-코일 어셈블리에 있어서,

상기 어셈블리는,

a. 강자성 비정질 금속합금으로 이루어지고, 저전압 여기용 1차 코일과 고전압 출력용 2차 코일을 갖는 자기코어(magnetic core)을 포함하고,

b. 상기 2차 코일은 상기 공통의 1차 코일(common primary coil)을 통해 동시에 전압이 가해지는 복수의 코어 서브-어셈블리를 포함하여 구성되며,

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

d. 상기 코어-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 짧은 시간내에 2차 코일내에 고전압을 발생시키고 그리고 (ⅱ) 점화를 제어하기 위한 연소실내의 스파크 점화상태를 검출할 수 있으며,

e. 상기 코어-코일 어셈블리는 상기 코어-코일 어셈블리에 대한 강한 접착력, 고온 전기적 성능 및 양호한 열충격 저항성을 갖는 무수 2성분 에폭시로 이루어진 포팅 화합물을 이용하여 하우징 내부에 주입되어 있으며,

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

을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 자기 코어는 상기 강자성 비정질 금속합금을 열처리하여 제조됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 자기 코어가 세그멘트된 코어들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 2차 코일내의 출력전압은 25~150μsec내에 약 70Ampere-turn 미만의 1차전류에서 10kV 이상 도달하며, 75~200Ampere-turn의 1차 전류에서 20kV 이상 도달함을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제2항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속합금은 철에 기초된 것이며, 나아가 니켈과 코발트를 포함하는 금속원소, 보론과 카본을 포함하는 유리형성원소 및 실리콘을 포함하는 반-금속 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제2항에 있어서, 상기 자기 코어는 간격이 형성되어 있지 않음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제2항에 있어서, 상기 자기 코어는 간격이 형성되어 있음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제6항에 있어서, 상기 자기코어가 상기 함금의 결정화온도 및 부분적으로 결정화되는 온도 근처의 온도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제7항에 있어서, 상기 자기 코어는 합금의 결정화온도 이하에서 열처리되고, 상기 열처리 완료시 본질적으로 비정질 상태로 남아 있음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 어셈블리는 복수의 개별적인 서브-어셈블리로 구성되어 있으며, 이들 각각은 2차 권선을 갖는 환형으로 권취된 부분으로 구성되고, 상기 서브-어셈블리는 결과 산출되는 어셈블리 출력이 상기 공통의 1차 권선에 의해 작동시 개별적인 서브-어셈블리로부터 나온 전압의 합이 되도록 배열됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 어셈블리는 저면에서 상단까지 세그멘트 단차를 이룬 내부 전압분포를 가지며, 세그멘트의 수는 서브-어셈블리의 수에 따라 결정됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
최소 하나의 연소실을 갖는 스파크 점화 내연시스템에서 점화를 일으키는 자기 코어-코일 어셈블리에 있어서,

a. 강자성 비정질 금속합금으로 이루어지고, 저전압 여기용 1차 코일과 고전압 출력용 2차 코일을 갖는 자기 코어를 포함하고,

b. 상기 2차코일은 상기 공통의 1차 코일을 통해 동시에 전압이 가해지는 복수의 코어 서브-어셈블리를 포함하며,

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

d. 상기 코어-코일 어셈블리는 (ⅰ) 그 여기후 짧은 시간내에 2차 코일에 고전압을 발생시키고, (ⅱ) 점화를 제어하기 위한 연소실내의 스파크 점화상태를 검출할 수 있으며,

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

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

을 특징으로 하는 자기 코어-코어 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 자기 코어는 상기 강자성 비정질 금속합금을 열처리하여 제조됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 자기 코어는 세그멘트된 코어를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 2차 코일내의 출력전압은 25~150μsec내에 약 70Ampere-turn 미만의 1차전류에서 10kV 이상 도달하며, 75~200Ampere-turn의 1차 전류에서 20kV 이상 도달함을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 강자성 비정질 금속합금은 철에 기초된 것이며, 나아가 니켈과 코발트를 포함하는 금속원소, 보론과 카본을 포함하는 유리형성원소 및 실리콘을 포함하는 반-금속 원소를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 자기 코어는 간격이 형성되어 있지 않음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 자기 코어는 간격이 형성되어 있음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제17항에 있어서, 상기 자기코어가 상기 함금의 결정화온도 및 부분적으로 결정화되는 온도 근처의 온도에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제18항에 있어서, 상기 자기 코어는 합금의 결정화 온도 이하에서 열처리되며, 또한 완료후 본질적으로 비정질 상태로 남아 있음을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 어셈블리는 복수의 개별적인 서브-어셈블리로 구성되어 있으며, 이들 각각은 2차 권선을 갖는 환형으로 권취된 부분으로 구성되며, 상기 서브-어셈블리는 결과 산출되는 어셈블리 출력이 상기 1차 권선에 의해 작동시 개별적인 서브-어셈블리로부터 나온 전압의 합이 되도록 배열됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 어셈블리는 저면에서 상단까지 세그멘트 단차를 이룬 내부 전압분포를 가지며, 세그멘트의 수는 서브-어셈블리의 수에 따라 결정됨을 특징으로 하는 자기 코어-코일 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 하우징물질은 폴리페닐렌 에테르/폴리프로필렌 혼합물, 폴리메틸펜텐/폴리올레핀 혼합물 및 폴리실코올레핀/폴리올레핀 혼합물로 구성되는 그룹중 하나인 것을 특징으로 하는 자기 코어-코어 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 포팅물질은 실리콘 고무계 포팅화합물임을 특징으로 하는 자기 코어-코어 어셈블리.