KR20010022780A - 내연 엔진의 점화 시스템을 위한 조치 및 분석 장치 - Google Patents

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Abstract

점화 전압 Upr의 일차측 전압 프로파일이 첫번째 조절 회로 4에 의해 아날로그 전류 I1으로 변환되며, 첫번째 조절 회로 4의 출력 전압 Vo이 첫번째 비교기 5에서 첫번째 비교 전압 V1과 비교된다. 출력 전압 Vo는 두번째 비교기 6의 두번째 비교 전압 V2와 비교된다. 점화 스위치 3용 분석 신호 IGBT-Diag가 첫번째 비교기 5의 출력에서 인출될 수 있으며, 연소 지속시간에 대한 조치 신호 IGN-Diag가 두번째 비교기 6의 출력에서 인출될 수 있다.

Description

내연 엔진의 점화 시스템을 위한 조치 및 분석 장치{MEASURING AND DIAGNOSTIC DEVICE FOR AN IGNITION SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
DE 4039356 C1은 에미터 팔로워(follower)로 접속된 전압 변환기에 의해 점화 코일의 일차측으로 변압된 스파크 플러그 연소 전압을 산출하는 내연 엔진의 점화 시스템의 연소 전압을 결정하기 위한 회로 배치에 대하여 개시하고 있다.
DE 2759155 C2는 트랜지스터-제어 점화 코일의 소정의 응답시간을 갖는 일차측 점화 전압 프로파일이 집적 장치와 이에 접속된 발진 장치에 의해 스파크 연소 지속시간에 대응하는 지속시간을 갖는 구형파 펄스로 변형되는 내연 엔지용 점화 장치의 스파크 연소 지속시간을 감지하기 위한 회로 배치에 대해 개시하고 있다.
US 4,331,922호는 일차전압과 서로 다른 기준 전압을 비교하기 위한 복수개의 비교기를 가지며 비교기 출력이 최고값 저장기에 의해 오작동 조건을 지적하기 위해 장치들을 제어하는 논리 유닛에 접속되는, 배터리 전압, 점화 스위치 및 스파크 헤드 전압을 모니터링하기 위한 내연 엔진의 점화 시스템용 분석 장치에 대해 개시하고 있다.
본 발명은 청구항1항의 서문에 따른 내연 엔진의 점화 시스템을 위한 조치 및 분석 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 내연 엔진의 점화 시스템의 조치 및 분석 장치의 기본 회로도를 나타낸다.
점화 스위치를 통한 일차측 점화 전압이 표준 동작 증폭기의 입력 전압 범위보다 비교적 높은 전압 레벨을 갖기 때문에, 매우 복잡한 클램핑 회로가 필요하게 된다. 또한, 위의 요구는 비교기 단독으로는 달성할 수 없으며, 오히려 복수개의 최고값 저장기와 또한 산출 로직 유닛이 필요하게 된다.
내연 엔진의 점화 시스템의 연구에서, 예를들어 점화 코일의 일차 권선이 베터리 전압 소스의 양극과 단락 회로를 이루는 경우에, 점화 스위치(파워 출력단 트랜지스터)를 파괴로부터 보호하는 것이 필요하다는 것이 알려져 있다. 또한, 분석 목적으로, 스파크 점화 지속시간을 측정하여 이 지속시간이 소정의 목적하는 값 범위 외에 놓이는 경우에 적절한 조치를 취하는 것이 바람직하다.
위에서 언급한 두개의 현상을 측정하고 산출할 수 있는 특성 산출 신호는 점화 전압의 일차측 프로파일을 이룬다.
파워 출력단 스위치가 켜진 상태에서, 일차측 점화 전압은 약 2V 크기의 낮은 전압을 가지며, 일차측 권선의 전류는 점화 순간 스위치가 오프되는 경우에, 순간적으로 약 300 내지 400V(스파크 헤드)로 상승하여 2차측 상의 스파크 플러그에 불꽃이 발생하게 된다. 다음 일차측 점화 전압이 베터리 전압, 스파크 갭의 연소 전압과 연소 코일의 변압비에 의존하는 베터리 전압 Vbat 이상의 값으로 자신을 수정한다. 다음, 점화 코일에 저장된 에너지가 방출되면, 일차측 점화 전압이 베터리 전압 Vbat에 대응되는 값으로 돌아온다.
이와 같이, 일차측 점화 전압 Upr은 집적 회로의 입력 전압 범위 이상인 비교적 높은 전압을 가지며 이는 특별한 클램핑 회로를 요구한다.
본 발명의 목적은 비교적 큰 레벨 차의 일차측 점화 전압이 단일 기준 전압을 갖는 넓은 온도 범위에서 단순한 회로 측정에 의해 신뢰성있게 감지되고 산출될 수 있을 뿐만 아니라, 동시에, 스파크 연소 지속시간을 측정하기 위한 신호를 발생시키고 점화 스위치를 모니터하며, 오동작이 발생한 경우에, 스위치를 오프시킴에 의해 점화 스위치 또는 내연 엔진을 파괴로부터 보호할 수 있는 특히 집적 회로에 적절한 조치 및 분석 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항1항에 따른 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 조치 및 분석 장치의 회로는 용이하게 집적될 수 있는 비교적 적은 갯수의 구성요소로 이루어진다는 장점을 갖는다.
본 발명의 다른 개선점들은 종속항들에 나타난다.
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명하고자 한다.
기판 전압 소스(미도시)의 베터리 전압 Vbat(예를 들어 +12V)가 점화 코일 1과 점화 스위치 3로 이루어진 직렬 회로에 인가된다. 점화 스위치 3는 이에 제공되는 제어 신호에 의해 점화 코일 1의 일치측 권선 2을 통한 일차 전류 Ipr을 온(on)과 오프(off)로 주기적으로 스위칭하며, 이에 의해 점화 스위치 3를 통한 점화 전압 Upr의 측정과 분석을 위해 산출되는 위에서 설명한 프로파일을 발생시킨다.
일차측 코일 2과 점화 스위치 3 사이의 접합점에서, 보호 저항 R1과 첫번째 트랜지스터 T1로 이루어진 직렬 회로가 접지(기판 전압 소스의 음극)에 접속되며, 여기서 트랜지스터 T1의 에미터는 접지에 접속되고 콜렉터는 보호 저항 R1에 접속된다.
트랜지스터 T1는 첫번째 선형 증폭기 8로 접속된 동작 증폭기로 이루어진 첫번째 조절 회로 4의 일부이다. 상기 증폭기의 비반전 입력 "+"은 콜렉터 T1과 보호 저항 R1 사이의 조절 회로의 - 입력인 접합점 K1에 접속된다. 본 실시예에서 전압 분배기 R4, R5에 의해 보조 전압 Vcc(예를들어 +5V)으로부터 얻어지는 기준 전압 Uref(예를들어 3V)이 반전 입력 "-"에 인가된다. 커패시터 C1이 발생가능한 인터피어런스 전압을 제거하기 위해서 저항 R5에 병렬로 접속된다. 첫번째 선형 증폭기 8의 출력이 첫번째 트랜지스터 T1의 베이스에 접속된다.
첫번째 조절 회로 4의 출력은 또한 예를들어 전압 분배기 R8, R9에 의해 보조 전압 Vcc(+5V)으로부터 얻어지는 첫번째 비교 전압 V1(예를들어 +0.3V)이 인가되는 첫번째 비교기 5의 비반전 입력 "+"에 접속된다. 분석 신호 IGBT-Diag는 첫번째 비교기 5의 출력에서 인출될 수 있다.
또한, 첫번째 조절 회로 4의 구조와 동일한 구조를 가지며 두번째 트랜지스터 T2와 두번째 선형 증폭기 9를 갖는 두번째 조절 회로 7가 제공된다. 여기서, 또한 기준 전압 Uref (+3V)이 반전 입력 "-"에 인가되며, 두번째 트랜지스의 콜렉터와 두번째 선형 증폭기 9의 비반전 입력 "+"이 저항 R2를 경유하여 베터리 전압 Vbat에 접속되며, 또한 저항 R3를 경유하여 보조 전압 Vcc에 접속된다. 저항 R1, R2, 및 R3는 회로가 서로 다른 요구들에 따라 보다 잘 적용될 수 있도록 외부의 비집적 저항일 수 있다.
두번째 조절 회로 7의 출력이 두번째 비교기 6의 비반전 입력 "+"에 접속되며, 이 비교기 6의 반전 입력 "-"은 첫번째 조절 회로 4의 출력에 접속된다. 조치 신호 IGN-Diag는 두번째 비교기 6의 출력에서 인출될 수 있다.
위에서 설명한 회로는 다음과 같이 동작한다. 일차 전압 Upr이 보호 저항 R1을 경유하여 조절 회로 4에 공급된다. 조절 회로는 입력 K1에서 항상 기준 전압 Uref와 동일한 전압을 설정하도록 동작하며, 기준 전압 Uref는 점화 스위치의 최대 포화 전압보다 다소 큰 값으로 선택되는 것이 바람직하다.
일차 전압 Upr이 기준 전압 Uref 보다 적은 경우에는, 트랜지스터 T1가 선형 증폭기 8의 출력 신호 Vo(Vo = 0V)에 의해 턴오프되며 보호 저항 R1에서 전압 강하가 발생하지 않는다. 이것은 본 실시예에서 IGBT로 표시되는 손상되지 않은 점화 스위치 3의 온(on) 상태의 제어 신호 Ust의 존재에 의해 발생되는 경우이다(Upr2.3V〈 Uref = 3V).
한편, 손상되지 않은 스위치 3의 오프(off) 상태 또는 베터리 전압에 대해 단락 회로인 경우인 일차 전압 Upr이 기준 전압 Uref 보다 큰 경우에, 전압 차 Upr-Uref가 출력 신호 Vo 〉 0.7V로 증가됨에 의해 선형 증폭기의 보호 저항 R1을 통해 강하되어 전압 Uref가 입력 K1에 존재하는 정도로 트랜지스터 T1을 턴온시킨다. 즉, 전압 Upr-Uref는 보호 저항 R1에서 강하된다. 첫번째 전류
I1 = (Upr - Uref)/R1
가 보호 저항 R1을 흐르고 트랜지스터 T1을 흐르게 된다.
첫번째 선형 증폭기 4의 출력 신호 Vo가 첫번째 비교기 5의 첫번째 비교 전압 V1 = 0.3V와 비교된다. 첫번째 비교기 5의 출력 신호, 분석 신호 IGBT-Diag는
IGBT-Diag = L(로우), Upr〈 Uref 경우,
IGBT-Diag = H(하이), Upr 〉Uref 경우, 이다.
분석 신호 IGBT-Diag는 이산 로직 회로에 의해 점화 스위치 3의 구동 신호 Ust와 결합될 수 있다. 이것을 대체하여 마이크로제어기에서 분석 신호 IGBT-Diag를 갖는 구동 신호 Ust를 프로세싱하는 것이 가능하다. 이것은 예를들어 일차측 권선 2가 베터리 전압 Vbat에 대해 단락 회로가 되는 경우에, 디지털 오류 신호 F가 점화 스위치 3의 스위치가 떨어지고 이에 의해 파괴 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다:
F = H, Ust = H 및 동시에 IGBT-Diag = H;
F = H, Ust = L 및 동시에 IGBT-Diag = L.
이 경우 점화 시스템은 즉시 스위치가 떨어진다.
두번째 조절 회로 9에는 보호 저항 R1과 동일한 저항을 갖는 저항 R2를 경유하여 기판 전압 소스로부터 전류 IR2가 제공되며, 이 전류는 기준 전압 Uref가 입력 K2에 존재하는 경우에 전류값 IR2 = (Vbat-Uref)/R2를 갖는다. 이와 동시에, 전류 IR3가 저항 R3를 경유하여 보조 전압 소스 Vcc로부터 두번째 조절 회로 9로 제공되며, 이 전류는 동일한 조건하에서 전류값 IR3 = (Vcc-Uref)/R3를 갖는다.
또한, 두번째 전류 I2 = IR2 + IR3가 두번째 트랜지스터 T2를 따라 흐르며, 이 두번째 전류는 일차 전압 Upr이 베터리 전압 Vbat와 같으면 첫번째 트랜지스터 T1를 따라 흐르는 첫번째 전류 I1보다 크다:
(Vbat - Uref)/R2 ≡(Vbat - Uref)/R1, R1 = R2이기 때문임.
보다 큰 2차 전류가 트랜지스터 T2를 따라 흐를수 있도록, 트랜지스터 T2가 트랜지스터 T1보다 큰 값으로 두번째 선형 증폭기 9에 의해 턴온되어야 한다. 즉, 두번째 조절 회로 7의 출력 신호 V2가 Upr = Vbat인 경우에 첫번째 조절 회로 4의 출력 신호 Vo 보다 크다.
두개의 두번째 조절회로 4 및 7의 출력 신호 Vo 및 V2가 두번째 비교기 6에서 서로 비교되며, 여기서 Upr = Vbat인 경우에 두번째 비교기 6의 출력 신호인 조치 신호 IGN-Diag는 하이 신호인 IGN-Diag = H이다.
예를들어 Upr = Vbat + 3V인 때에(이 때가 점화 스위치 3가 스파크 플러그의 점화 스파크의 연소 지속 중에 스위치가 떨어진 후인 손상되지 않은 점화 시스템에서 신뢰성 있게 초과할 수 있는 때가 된다), 단지 I1 〉I2인 경우에, Vo〉V2가 되고 조치 신호 IGN-Diag = L이 된다. 이 조치 신호 IGN-Diag의 로우 상태의 지속시간은 각각의 스파크 플러그의 연소 지속시간과 대응한다. 이 지속시간은 디지털로 측정될 수 있으며 문턱값과 비교될 수 있다.
저항 R2 및 R3가 아래와 같은 값으로 정해진다:
I1〈 I2 또는 Vo〈 V2, Upr = Vbat인 경우,
I1 〉I2 또는 Vo 〉V2, Upr = 연소 전압인 경우.
다음 상태가 조치 신호 IGN-Diag를 이용하여 확정될 수 있다:
a) 조치 신호 IGN-Diag = L의 지속시간을 측정함에 의한 연소 지속시간;
b) 일차측 회로의 베터리 전압에 대한 인터럽션(interruption) 또는 단락 회로: 이 경우, 조치 신호 IGN-Diag = H가 제어 신호 Ust 말미 다음에 남게 된다;
c) 떨어진 점화 케이블 커넥터 또는 점화 케이블의 인터럽션: 이 경우, 매우 짧은 연소 지속시간(IGN-Diag = L)이 제어 신호 Ust의 말미 다음에 남게 된다; 이것은 첫번째 소정의 지속시간 D1보다 짧다;
d) 점화 케이블 또는 스파크 플러그 또는 오염된 스파크 플러그에서의 두번째 단락 회로: 이 경우, 연소 지속시간(IGN-Diag = L)은 제어 신호 Ust의 말미 후의 두번째 소정의 지속시간 D2보다 길다.
위의 b, c, 및 d의 경우에, 점화 시스템을 보호하기 위해서 적절한 조치(점화 스위치를 스위치 오프함)를 취하는 것이 가능하다.
조치 및 분석 장치를 모노리식(monolithic) 집적하는 경우에, 전류 I1 및 I2는 (아날로그) 기준 전류로서 작용할 수 있으며, 이 경우, 비교기 6는 전류 I1 및 I2가 전류 미러(mirror) 회로에 의해 공급되는 전류 비교기로서 설계될 수 있다.

Claims (9)

  1. 일차측 권선(2)이 베터리 전압(Vbat)에 접속된 점화 코일(1)과, 상기 점화 코일(1)의 상기 일차측 권선(2)을 흐르는 전류를 주기적으로 중단시키는 점화 스위치(3)를 갖는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치로서,
    첫번째 조절 회로(4)가 제공되며, 상기 조절 회로(4)의 입력(K1)이 보호 저항(R1)을 경유하여 상기 일차측 권선(2)과 상기 점화 스위치(3)의 접합점에 접속되며,
    상기 첫번째 조절 회로(4)는 선형 증폭기(8)를 가지며, 상기 선형 증폭기(8)의 비반전 입력(+)이 상기 입력(K1)에 접속되며, 상기 선형 증폭기(8)의 반전 입력(-)에 기준 전압(Uref)이 존재하고, 상기 선형 증폭기(8)의 출력이 첫번째 트랜지스터(T1)의 베이스에 접속되며, 이 트랜지스터(T1)의 콜렉터가 상기 입력(K1)에 접속되며 이 트랜지스터(T1)의 에미터가 접지에 접속되며,
    상기 첫번째 선형 증폭기(8)의 출력이기도한 상기 첫번째 조절 회로(4)의 출력이 첫번째 비교기(5)의 비반전 입력(+)에 접속되며, 상기 첫번째 비교기(5)의 반전 입력에 첫번째 비교 전압(V1)이 존재하고, 상기 첫번째 비교기(5)의 출력에서 분석 신호(IGBT-Diag)가 인출될 수 있으며,
    두번째 트랜지스터(T2)와 두번째 선형 증폭기(9)를 가지며 상기 첫번째 조절 회로(4)와 동일한 두번째 조절 회로(7)가 제공되며, 상기 두번째 조절 회로(7)의 입력(K2)가 첫번째 저항(R2)을 경유하여 베터리 전압(Vbat)에 접속되고 두번째 저항(R3)을 경유하여 보조 전압(Vcc)에 접속되며,
    상기 두번째 선형 증폭기(8)의 출력이기도한 상기 두번째 조절 회로(4)의 출력이 두번째 비교기(6)의 반전 입력(-)에 접속되며, 상기 두번째 비교기(6)의 비반전 입력(+)이 상기 첫번째 조절 회로(4)의 출력에 접속되며, 이의 출력에서 조치 신호(IGBT-Diag)가 인출될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 저항(R1)과 상기 첫번째 저항(R2)이 동일한 저항치를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 전압(Uref)이 상기 점화 스위치(3)의 최대 포화 전압 보다 큰 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 첫번째 선형 증폭기(8)가,
    상기 일차측 전압(Upr)이 상기 기준 전압(Uref) 보다 작은 경우에 상기 첫번째 트랜지스터(T1)를 턴오프(Vo = 0V)하며,
    상기 일차측 전압(Upr)이 상기 기준 전압(Uref) 보다 큰 경우에 상기 첫번째 트랜지스터(T1)를 턴온(Vo 〉0.7V)하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, Upr 〉Uref 인 경우에 첫번째 전류 I1 = (Upr - Uref)/R1가 상기 보호 저항(R1)에 흐르도록 상기 첫번째 증폭기(8)가 상기 첫번째 트랜지스터(T1)를 턴온하며, 이것이 상기 보호 저항(R1)의 전압 강하 Upr - Uref에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 첫번째 비교 전압(V1)이 0V〈 V1〈 0.7V의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 첫번째 및 상기 두번째 저항(R2, R3)이, 이들을 흐르는 전류 합에 대응되는 두번째 전류(I2)가 상기 일차측 전압(Upr)이 상기 베터리 전압(Vbat)에 대응되는 경우에 상기 보호 저항(R1)을 흐르는 상기 첫번째 전류(I1)보다 크고, 상기 일차측 전압(Upr)이 상기 일차측에서 변압된 연소 전압에 대응되는 경우에 상기 보호 저항(R1)을 흐르는 상기 첫번째 전류(I1)보다 작도록 하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 스위치(3)의 상기 제어 신호(Ust), 상기 분석 신호(IGBT-Diag) 및 상기 조치 신호(IGN-Diag)가,
    Ust = H 및 동시에 IGBT-Diag = H,
    Ust = L 및 동시에 IGBT-Diag = L,
    Ust = L 및 동시에 IGN-Diag = H,
    IGN-Diag의 지속시간〈 D1,
    IGN-Diag의 지속시간 〉D2인 경우에,
    오류 신호(F)가 출력되도록 서로 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 두번째 비교기(6)가, 전류 미러(mirror) 회로에 의해 상기 비교기(6)의 입력에 상기 첫번째 및 두번째 전류(I1, I2)가 공급되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 내연 엔진의 점화 시스템용 조치 및 분석 장치.
KR1020007001380A 1997-08-12 1998-08-12 내연 엔진의 점화 시스템을 위한 조치 및 분석 장치 KR100564083B1 (ko)

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