KR20040032874A

KR20040032874A - 코일 온 플러그 용량성 신호 증폭 및 연소시간을 결정하는방법

Info

Publication number: KR20040032874A
Application number: KR10-2004-7001425A
Authority: KR
Inventors: 케네스 에이 매퀴니; 로버트 알 브라이언트
Original assignee: 스냅-온 테크놀로지즈, 아이엔씨.
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-04-17
Also published as: US20030052687A1; US6850069B2; BR0211793A; JP2004537674A; EP1412637A1; CN1511230A; TW555935B; CA2448267A1; WO2003012285A1

Abstract

쉴드 코일 온 플러그 점화에 의해 발생하는 약한 전자기장을 탐지하여 점화 신호를 나타내는 출력 신호를 생성하는 코일 온 플러그 테스트 장치로서, 코일 온 플러그 장치에 부착가능하고 연소시 상기 쉴드 코일 온 플러그 장치에 의해 생성되는 전기장을 탐지하고 그에 상응하는 전압을 출력하는 용량성 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 용량성 센서에 전기적으로 결합된 신호 처리 회로는, 감지된 전기장에 따라 용량성 센서에 의해 출력된 전압 출력의 변화에 상응하여 출력 신호를 생성하는 구조를 갖는다. 상기 신호 처리 회로는 상기 용량성 센서의 출력 전압을 증폭하는 증폭기를 포함한다.

Description

코일 온 플러그 용량성 신호 증폭 및 연소시간을 결정하는 방법{Coil-on plug capacitive signal amplification and method of determining burn-time}

엔진 분석기는 전반적인 엔진 성능 척도로서 점화 시스템의 성능을 정확하게 점검하기 위한 도구를 제공한다. 신호 감지기("검사 프로브")는 내연 기관의 결함과 이상을 진단하는데 널리 사용된다. 예를 들면, 검사 프로브는 점화 코일이나 점화 와이어와 같은 검사 지점에 인접되게 위치하여 상기 신호를 모터 차량 진단 장치로 전달한다. 상기 검사 프로브로부터 얻어진 정보, 예를 들면 스파크 플러그 발화 전압과 지속시간과 같은 정보는 상기 점화 코일과 관련된 스파크 플러그가 적절하게 작동하는지 여부를 결정하는데 도움을 준다.

도 1a 는 용량성 신호 감지 시스템(capacitive signal detection system)을나타내는 도면이다. 점화코일(110)은 매우 큰 권수비(turn ratio), 전형적으로 1차 권선과 2차 권선간 1:50 내지 1:100의 권수비를 갖는 변압기로서, 1차 전류의 갑작스론 개방에 의해 1차 권선의 저전압을 2차 권선의 고전압으로 변환시키는 작용을 한다. 점화코일(110)은 절연선(112)에 의해 배전기 캡(114)의 중심, 즉 코일 단자(도면 미도시)에 접속되어 있다. 점화 코일(110)로부터 발생된 고전압은 당해 기술분야의 기술자에게 널리 알려져 있고 표준 기술 매뉴얼이 제공하는 방법으로, 소정의 시기에, 상기 스파크를 각 스파크 플러그 터미널로 배분하는 로터(rotor)에 의해, 상기 코일 터미널로부터 배전기 캡(114)의 사이드(side) 또는 스파크 플러그 터미널로 배분되어진다. 상기 스파크 플러그 터미널로 제공된 스파크 전압은 차례로 절연선(118)을 통해 해당 스파크 플러그(122)로 제공된다.

각 실린더에서는, 결과적으로 상기 스파크 플러그 전극간에 발생되는 전기 방전이 스파크를 발생시키고, 상기 스파크는 실린더로 유입되어 폭발 상태로 압축된 연료-공기 혼합물을 점화하며, 이에 따라 상기 실린더 내의 피스톤을 구동시켜 이와 연결된 크랭크 샤프트에 동력을 제공한다.

엔진 성능을 평가하기 위한 점화 파형의 분석은 용량성 신호 픽업(capacitive signal pickup)(124)을 상기 스파크 플러그 와이어(118)에 용량성으로(capacitively) 연결함으로써 수행된다. 상기 용량성 신호 픽업(124)은, 통상적으로 와이어 또는 동축 케이블(126)을 통해 일단부가 와이어(118)에 둘러싸여 있거나 고정되어 있으며 타단부는 측정 장치(128)에 연결되어 있다. 상기 픽업(124)에 의해 측정된 전체 캐패시티는, 통상의 캐패시티 분할 회로(capacity dividercircuit)와 더불어 당업자에 잘 알려진 방법으로 와이어(118) 전압을 결정하는데 사용된다.

더 최근에, 점화 시스템은 실린더당 하나의 코일 또는 한쌍의 실린더당 하나의 코일(직접 점화 시스템 또는 하이브리드)로 발전하였으며, 스파크 플러그 와이어(spark plug wire)를 전혀 사용하지 않는 경우도 있다. 그러한 스파크 점화 시스템은 예를 들면, 도 1b 에 도시된 바와 같이, 각 플러그 상부 또는 각 플러그에 인접되게 위치하는 점화 코일을 구비하고 있다. 1차 코일(162)과 자성 철 코어(magnetic iron core)(160)에 의해 2차 코일(164)에서 생성된 고전압은 2차 코일의 출력을 거쳐 그리고 다양한 전도성 요소를 통해 스프링(169)과 같은 전도성 출력과, 스파크 플러그 캡(spark plug cap)(160) 내에 위치한 스파크 플러그(도면 미도시)에 도달한다. 점화기(168)는 스위치이며, 상기 스위치는 상기 코일 내에 전류가 흐른 다음 열리도록 되어 있다. 이러한 과도 현상은 상기 1차 코일에 대량의 전압을 발전시키고, 상기 전압은 2차 코일을 통해 변환되어 증가된다.

도 1c 는 점화 코일(140), 스파크 플러그(150) 그리고 스파크 플러그 갭(spark plug gap)(151)을 갖는 코일 오버 플러그(coil-over-plug, COP) 조합을 도시하고 있다. 이러한 구성에는 도 1a에 적용된 종래 기술이 더 이상 적용되지 않는다. 왜냐하면, 높은 2차 전압 전도체는 도 1a 의 와이어(118)과 달리 쉽게 접근되지 않기 때문이다. 이러한 COP의 구성에 대해서는, 코일 온 플러그 신호 감지기 어셈블리 또는 센서(141)가 사용될 수 있다. 이에 대한 내용은 2002년 5월 28일자로 본 출원인에게 등록된 미국 특허 제6,396,277호에 개시되어 있으며, 본 출원에서 인용되고 있다. 상기 COP 센서(141)는 기판(144)에 부착되어 분리된 상부 및 하부 전도층(도면 미도시)을 포함하고 있다. 일면으로는 상기 상부 및 하부 전도층은 신호 감지기와 접지면으로서 기능한다. 상기 상부 전도층은 와이어(152)를 매개로 하여 외부 신호 분석기 장치에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 접지면은 상기 코일에서 생성된 전자기 에너지의 일부를 반사하여 종래 분석기에 의해 쉽게 처리될 수 있을 정도로 상기 신호 감지기 층에서 검출된 신호의 강도를 낮춘다. 상기 센서(141)는 센서 하우징(sensor housing)(148)에 부착된 클립(clip)(147)에 의해 점화 코일(140)의 하우징에 결합된다.

이러한 구성에 따르면, 상기 코일이 스파크 플러그에 의해 1차 전압을 사용전압인 고전압으로 변환시킬 때, 센서(141)가 코일(140)에 의해 방출되는 전자 복사 필드 내에 위치하게 된다. 그리고, 작동시 저전압과 고전류가 소정의 시간동안 점화 코일(140)의 1차 권선에 인가되고, 상기 1차 권선은 주로 자기장(H)으로 구성되는 전자기장을 생성한다. 상기 2차 권선은 고전압과 저전류가 흐르는 관계로 주로 전기장(E)으로 구성되는 전자기장을 생성한다. 상기 하부 전도층은 상기 코일(140)의 하우징에 인접되게 위치하고 있으며, 그와 같은 접촉에 의해 실질적인 접지 전위가 된다. 전압 전위는, 양전위 또는 음전위가 될 수 있으며(일반적으로 COP 시스템에서는 음전위), 상부 및 하부 전도층(148)을 통해 유도 혹은 전개되고, 상기 상부 전도층 또는 신호 감지층의 표면에서 측정되고 상기 상부 전도층 또는 신호 감지층으로부터 수신된다. 상기 신호 감지층에서 측정된 전압은 상기 코일(140)의 2차 코일 단자 단부의 전압에 비례한다. 따라서, 상기 신호 감지층으로부터 감지된 신호는, 당업자에 잘 알려진 기술에 의해, 스파크 전압 또는 연소시간과 같은 점화 스파크 전압 특성을 진단하거나, 개방된 와이어 또는 플러그, 오염 또는 단락된 플러그와 같은 기타 문제들을 진단하는데 사용될 수 있다.

그러나, 현재의 코일 온 플러그 신호 감지 장치에 의해 실현된 기술적 진보에도 불구하고, 극히 다양해진 점화 코일의 구성들에 의해 어떠한 센서도 범용으로 사용되기가 어려워졌다. 예를 들면, 상기 센서(141)는, 상기 코일 하우징이 변형된 또는 극히 적어진 신호를 출력하기 위해 보호되거나 또는 상기 출력을 위한 구조를 갖는 경우에는, 최적의 경우보다 적을 수 있다. 이와 같은 일례는, 철을 함유하는 쉴드 박스(shielded box) 내에 점화기를 갖는 코일 온 플러그/ 코일 오버 플러그 어셈블리(coil-on plug/coil-over plug assemblies)는, 코어로부터 방사되는 전기장 및 자기장 모두에 대해 쉴드(shield)로 작용한다. 상기 코일 온 플러그/ 코일 오버 플러그 어셈블리는 다른 장치의 간섭을 최소화하기 위해 적극적으로 쉴드작용을 하지만, 쉴드는 그 자체가 설계상 고려되지 않았다 하더라도 코일 온 플러그 어셈블리로부터 발생된 출력장(field output)을 현저하게 감소시키는 매개체 또는 매개체 조합을 포함하는 것으로 널리 인식되고 있다. 따라서, 쉴드 또는 저출력 점화 코일 구조에 사용되기에 적합한 코일 온 플러그/ 코일 오버 플러그 신호 감지 장치의 필요성이 대두되었다.

개시된 발명은 코일 온 플러그(coil-on plug) 혹은 코일 오버 플러그(coil-over plug) 점화를 포함하는 내연기관의 직접 점화 시스템에 대한 엔진 분석기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 점화 신호 픽업(ignition signal pickup)을 사용하여 직접 점화 시스템에서 점화 파형을 감지하기 위한 엔진 분석기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 2차 점화 파형 및 기술 평가를 위해 상기 파형의 세그멘트(segment)의 수치가 디스플레이 되어지는 자동차 엔진 분석에 적용된다.

도 1a 는 배전기 기반의 점화 시스템의 2차 점화 전압을 감지하기 위한 종래의 용량성 센서 및 회로를 나타내는 도면,

도 1b 는 집적된 점화기를 구비한 COP 점화 코일을 나타내는 도면,

도 2a 및 도 2b 는 각각 전형적인 1차 점화 파형 및 2차 점화 파형을 시간함수로 표시한 도면,

도 3a 및 도 3b 는 개시된 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로의 일 실시예를 나타내는 도면,

도 4a 및 도 4b 는 각각 개시된 발명에 따른 증폭 회로의 일 실시예 및 전압 변환기의 일 실시예를 나타내는 도면,

도 5 는 개시된 발명에 따른 쉴드 코일 온 플러그(shielded coil-on plug) 측정 및 증폭 회로의 테스트 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 점화 신호를 나타내는 출력 신호를 생성하기 위한 코일 온 플러그 테스트 장치(coil-on plug testing apparatus)가 제공된다.상기 테스트 장치는 발화 시기 동안 코일 온 플러그 장치에 의해 생성된 전기장을 감지하고, 그에 따른 전압을 생성 및 출력하기 위한 용량성 센서(capacitive sensor)를 포함한다. 상기 용량성 센서는 상기 코일 온 플러그 장치에 인접하여 위치하거나 혹은 이에 부착되어 있다. 상기 용량성 센서에 전기적으로 접속된 신호 처리 회로는 상기 용량성 센서에 의해 발생된 전압 출력의 변화에 대응하는 출력 신호를 생성한다. 그리고 나서, 상기 용량성 센서의 출력은 증폭된다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 코일 온 플러그 점화 하우징(coil-on plug ignition housing)에 인접되게 용량성 센서를 배치하는 단계, 상기 용량성센서를 사용하여 적어도 하나의 발화구간을 포함하는 기간동안 상기 코일 온 플러그 점화에 의한 전기장 출력을 감지하고 연소시간을 결정하는 단계를 포함하는 코일 온 플러그 점화에 대한 연소시간을 결정하는 방법이 제공된다. 상기 연소시간은 발화선(firing line)의 발생을 나타내는 발화선 등가를 인식하는 단계, 스파크선(spark line)의 끝점을 인식하는 단계, 그리고 상기 발화선과 상기 스파크선의 끝점 간의 시간을 결정하는 단계로 이루어진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제 1 코일 온 플러그 하우징(first coil-on plug housing)에 인접되게 용량성 센서를 배치하는 단계, 용량성 센서를 사용하여 적어도 하나의 발화구간을 포함하는 기간동안 상기 코일 온 플러그 점화에 의한 전기장 출력을 감지하는 단계, 발화선, 스파크선, 그리고 연소시간 중 적어도 하나를 인식하는 단계를 포함하는 코일 온 플러그 점화와 관련된 문제를 감지하는 방법이 제공된다. 상기 단계들은 제 2 코일 온 플러그(second coil-on plug)에 대해 반복되고, 상기 제 1 및 제 2 코일 온 플러그와 관련하여 인식된 해당 발화선, 스파크선, 그리고 연소시간 중 적어도 하나의 비교가 행해지며, 상기 비교에 의해 이들간의 상대적 차이가 결정된다.

도 2a 및 도 2b 에는 각각 시간함수로 나타낸 전형적인 제 1 점화 파형 및 제 2 점화 파형이 도시되어 있다. 상기 파형은 발화구간, 중간구간, 그리고 휴지구간(dwell section)으로 명명된 세 개의 기본 구간을 갖고 있다.

도 2a 와 도 2b 에는 상기 제 1 파형 및 제 2 파형에 발생하는 공통 현상을나타내기 위해 서로 공통되는 부호를 사용한다. 상기 파형의 시작점(S)에서는 상기 제 1 점화 회로에 전류가 흐르지 않는다. 이 시점에서 필요한 배터리 또는 충전 시스템 전압은 일반적으로 대략 12~15 볼트, 특히 12~14 볼트 범위 내에 존재한다. 210 지점에서, 제 1 스위칭 장치는 제 1 전류를 작동시켜 "휴지" 즉 "충전" 구간이 시작하도록 한다. 220 지점에서, 전류는 상기 제 1 회로를 통해 흐르며, 상기 점화 코일 권선(ignition coil winding)에 자기장을 설정한다. 전압의 상승이 230 지점을 따라 발생하여 코일 포화가 발생함을 나타내며, 코일 전류를 제어하기 위해 코일 포화를 사용하는 점화 시스템에서는 전류 험프(current hump) 또는 전압 리플(voltage ripple)이 이 시점에서 나타난다. 제 1 회로 온-타임(on-time)을 나타내는 파형 부분은 210 지점과 240 지점 사이에 존재한다. 따라서, 210 지점과 240 지점 사이의 신호 부분은 점화 코일 제 1 전류의 휴지 구간, 즉 "온-타임"을 나타낸다.

상기 제 1 스위칭 장치는 상기 제 1 전류의 흐름을 240 지점에서 차단시킴으로써, 이미 형성된 상기 자기장을 갑작스럽게 붕괴시켜, 상기 붕괴된 자기장으로 하여금 자가 유도에 의해 상기 제 1 권선 내에 고전압을 유도한다. 그리고, 이보다 훨씬 높은 전압이 상호 유도에 의해 상기 제 2 권선으로 유도되는데, 이는 상기 제 1 및 제 2 권수비가 1:50 내지 1:100 이기 때문이다. 상기 제 2 전압은 상기 스파크 플러그 갭(spark plug gap)에 전달되고, 상기 스파크 플러그 갭은 이온화되며, 전류에 의해 상기 전극간 아크가 발생하여 스파크(250, 즉 상기 "발화선")를 발생시킨다. 상기 스파크(250)에 의해 연소가 시작되며, 상기 스파크(250)는 "발화구간" 또는 "번 타임"(260)으로 불리는 기간동안 계속된다.

발화선(250)은 kV로 측정되며, 상기 스파크 플러그 갭 간 스파크를 발생시키기 위해 필요한 전압의 양을 나타낸다. 상기 발화선(250) 값은 일반적으로 3~8kV에 해당한다. 상기 연소시간(260)은 상기 스파크 발생의 지속시간을 나타내며, 일반적으로 약 1~3 밀리세컨드(ms) 내의 값을 갖고 상기 연소 kV와는 반비례 관계에 있다. 상기 연소 kV가 증가하면, 연소시간은 반대로 감소한다.

상기 연소시간(260) 동안, 스파크 플러그 전극 간 에어 갭(air gap)을 통해 방전된 전압은 상기 코일 에너지가 상기 전극(270 참조)간 스파크를 지탱할 수 없을 때까지 감소한다. 280 지점에서는, 발진(oscillating) 또는 "울림(ringing)"전압이 상기 코일의 방전으로부터 발생하고, 상기 발진 또는 "울림"은 290 지점에서 상기 코일 에너지가 사라져 상기 제 1 회로에 더 이상의 전류 흐름이 없어질 때까지 계속된다.

도 3a 는, 특히 상기 연소시간을 포함하는 기간 동안, 약한 전자기장 출력을 코일 온 플러그(305)에 의해 유리하게 조절 및 조정하도록 하는 구조를 갖는 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로(300)의 일 실시예를 나타내는 그림이다. 여기서, 상기 기간은 발화선 즉, 예를 들면, 스파크 플러그(310)에의 스파크(250)와 "울림"의 시작(290)까지로 일시적으로 경계지어진다.

대개 코일 온 플러그의 테스트 동안에는 용량성 센서는 코일 온 플러그(COP)에 인접되게 위치한다. 토요타(Toyota) 코일 온 플러그(P/N 90919-02230HT)는, 도 1b 에 상세하게 도시된 바와 같이, 코일 온 플러그의 상부에 배치된 쉴드구성요소(shielding element)(112)를 갖는 점화기를 구비하고 있다. 쉴드 구성요소(112)는 코일 온 플러그(110)의 코어(118)로부터 방출되는 전기장을 감소시킨다. 여기서, 출력장이 감소하므로, 상기 용량성 센서(315 참조)와 상기 코일 온 플러그(305 참조)의 상단부 간에 밀접한 접촉을 확보하는 것이 유리하다.

따라서, 용량성 센서는, 코일 온 플러그 하우징에 부착되거나 엔진 구성요소 또는 기술자의 수공을 줄이고 정렬불량을 최소화할 수 있는 구성요소에 인접하도록 하우징 내에 배치되는 것이 유리하다.

상기 부착은 코일 온 플러그 하우징의 일부분에 결합된 클램프(clamp) 내지 타이(tie), 마그네틱 클립(magnetic clip) 또는 나사결합부 등의 고정구(securement device)에 의해 이루어지며, 필요하다면 코일 온 플러그 하우징의 외부표면에 부착할 수도 있다. 일례로, 하나 이상의 스프링 또는 발포제와 같은 바이어스 요소(biasing member)가 용량성 센서(310)를 코일 온 플러그 하우징에 부착하는데 이용될 수 있다.

더욱이, 상기 용량성 센서 하우징은 특정 코일 온 플러그 하우징과 결합될 수 있는 구조를 가지도록 할 수도 있다. 나아가, 상기 미국 특허 제6,396,277호에 교시된 바와 같이, 상기 용량성 센서 하우징은 다수의 개별 용량성 센서가 동시에 복수의 해당 코일 온 플러그 하우징에 결합될 수 있는 구조를 가지도록 할 수도 있다. 또한, 용량성 센서는 COP 하우징 내에 집적되어 차량 와이어링 하니스(vehicle wiring harness)와 데이터 링크(data link)를 통해 차량에 탑재된 분석용 데이터 컴퓨터 및/또는 데이터 저장 장치에 접속되도록 함으로써, 추후 기술자가 이러한자료를 이용하도록 하거나, 또는 차량 사용자에게 적절한 메시지 내지 신호를 디스플레이 하도록 할 수도 있다.

상기 용량성 센서는 상기 미국 특허 제 6,396,277호에 교시된 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이 용량성 장치는, 측정의 용이성을 위해 코일 온 플러그에 인접하게 부착하거나 배치하는데 적절한 기하구조를 갖는 케이싱(casing) 또는 하우징(housing)에 구비된다. 그러나, 종래 타입의 용량성 센싱 요소 또한 본 발명의 개시 범주에 포함되는 것으로 고려된다.

상기에서 언급한 바와 같이, 상기 제 2 권선은 주로 전기장(E)으로 이루어진 전자기장을 생성한다. 몇몇 코일 온 플러그 구조에서는, 이에 의해 발생하는 전기장의 감소로 인해, 상기 발화선 및/또는 상기 울림을 확인할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 상기 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로(300)는, 도시된 바와 같이 쉴드될 수 있는 와이어(320)를 통해 용량성 센서(315)에 의해 출력되는 전압 신호를 증폭시키는 증폭기(330)를 포함한다.

증폭기(330)의 일 실시예는 도 4a 에 도시된 바와 같다. 저출력 임피던스 증폭기(330)는 후술할 kV 모듈 직접 입력 회로의 고입력 용량성 리엑턴스를 구동하는데 유리하게 이용된다. 이러한 증폭기 종류 중에는 메사추세츠주의 Analog Devices of Norwood사가 제작한 OP282 2중 연산 증폭기가 있다. 이러한 증폭기는 예외적으로 낮은 공급 전류로 우수한 속도를 나타내고, 넓은 출력 스윙, 낮은 전력소비, 높은 회전률로 인해 배터리 전원 시스템 또는 전력공급이 제한되는 장치에 적합하다. 상기 회로는, 옵션사양으로서, 표시된 신호의 극성을 정상화하기 위해 상기 OP282증폭기의 전방 또는 후방에 절대값 증폭기(도면 미도시)를 사용할 수 있다. 증폭기(330)의 작동은 종래 기술의 범위에 속하는 것으로 인식되는바, 그에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

첫번째 단계는 비반전(non-inverting) 전압 이득이다(즉, 1 + 50K/10K = 6). 150 저항기와 82pF의 캐패시터는 서로 협력하여 로우-패스 노이즈 필터(low-pass noise filter)로서 작용하고, 100K 저항은 DC 리턴이다. 두번째 단계는 100% 네거티브 피드백을 갖는 전압 팔로우어(voltage follower)이다(즉, Vout = Vin). 이러한 적용예에서, 상기 증폭기는 첫번째 단계동안 높은 부하 저항을 제공하고 매우 낮은 소스 임피던스로부터 출력 전압을 제공한다. 이리하여, 증폭기(330)의 출력은, 도 3a 및 도 3b 에 도시된 바와 같이, 쉴드 와이어(shielded wire)(335)와 kV 모듈 커넥터(J1)를 통해, 스냅-온 테크놀로지에서 제조된 Vantage kV 모듈(340, 이하 "kV 모듈"이라고 한다)에 주입된다.

상기 kV 모듈(340)은, 도 3a 및 도 3b 에 도시된 바와 같이, 세갈래의 "T" 또는 "Y" 커넥터(355)와 같은 적정 스플릿 커넥터(split connector)를 통해 차례로 Vantage Power Graphing Meter(MT2400, 350)(이하 "밴티지"라고 한다)에 접속되어 있다. 도 3b 는, 도면에서 점선으로 표시된 바와 같이, 전력 공급 포트(332)를 통해 증폭기(330)로 5V 전력을 공급하는 3방향 커넥터(355) 뿐 아니라 밴티지 채널 3/4kV 모듈 커넥터(360)와 상기 kV 모듈 미니-DIN 커넥터(365) 및 증폭기 출력 포트(331) 간의 접속을 도시하고 있다.

도 4b 는 전압 변환기를 나타내고 있다. 일실시예에서, 상기 전압 변환기는상기 증폭기(330)에 전력을 공급하는 충전 펌프 컨버터(charge pump converter)로서 기능하는 프리 패키지 IC(pre-packaged IC)를 포함하고 있다. Maxim Integrated Products사의 MAX 680 칩은 그러한 IC 칩 중 하나로서, 상기 칩은 약 [±2 Vin]을 제공하고, 이를 위해 단지 10㎌ 외부 전해 캐패시터 5개가 필요할 뿐이다. 따라서, 상기 kV 모듈로부터 5V 입력을 받아 증폭기(330)에 필요한 ±9V DC를 공급할 수 있게 된다. 상기 증폭기는, 당업자에게 잘 알려져 있는 구조상의 적절한 제한을 구비한 경우에는, AC 또는 DC 전원, 그러나 이에 국한되지 않은 전원에 의해 전력공급을 받을 수 있게 됨에 따라 별도의 3방향 커넥터를 구비할 필요가 없다. 사실, 상기 전압 변환기는 하나 이상의 9V 배터리를 통해 상기 증폭기(330)로 전력을 공급하는 경우에는 생략할 수도 있다. 도시된 상기 회로의 작동은 평균적인 당업자 기술수준의 범위내에 있다고 인정되므로 보다 상세한 논의는 생략하기로 한다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 회로는 당업자에게 잘 알려진 범위 내에서 상당한 변화가 가해질 수 있으며, 그러한 변화는 본 발명의 범위에 속한다.

도 5 는 상기에서 설명한 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로(300)의 다른 실시예를 적용한 테스트 결과를 나타내고 있다. 상기 결과는 벤치 테스트 구성을 사용하여 측정된 용량성 센서(315)에서의 전압을 나타내고 있다. 상기 테스트 장치에서, 0.375인치(3/8인치) 금속 디스크가 코일 온 플러그(P/N 90919-02230HT) 상단부의 극대 출력점에 위치하고 있으며, 적절한 로딩 및 데이터 처리를 제공하기 위해 상기 kV 모듈(340) 입력단자에 접속되어 있다. 그리고, 연소시간을 측정하기 위해 랩(lab) 오실로스코프가 상기 접속선상에 놓여져 있다. 트리거 소스(triggersource)로서는 밴티지 RPM 프로브가 사용되었다. 상기 RPM 프로브는 발화선의 양극 및 음극 모두에 응답하는 반면, 상기 kV 모듈 인터널 트리거(internal trigger)는 음극에만 응답한다. 따라서, 상기 용량성 센서(315)로부터의 전압 출력은 2개의 장치를 사용하여 측정된다. 첫번째 장치는 스냅-온 밴티지 kV 모듈 휴대용 테스터(Snap-On Vantage kV Module handheld tester)이고, 두번째 장치는 상기 휴대용 테스터보다 큰 대역폭과 정밀도를 갖는 오실로스코프(예를 들면, Tek TDS 220 오실로스코프)이다. 대안적으로, 상기 용량성 센서(315)로부터의 전압 출력은, 상기 연소시간을 결정하기 위해, 오실로스코프 또는 데이터 처리 시스템과 같은 하나의 측정 장치만으로도 선택하여 측정될 수 있다.

2.00V의 스케일을 갖는 궤적 또는 채널(1)은 상기 용량성 센서(315)에 의해 측정된 증폭된 전압이다. 도 5 의 하부에 도시된 바와 같이, 각 블록은 500.0㎲의 간격을 갖고 있다. 차트의 왼편에 있는 궤적 1(-0.5Vp)의 작은 네거티브 스파이크(negative spike)(604)는 코일 충전의 시작을 나타내고, 궤적 2에 도시된 휴지구간의 시작점에 해당한다. 차트(+5Vp)의 중심부에 위치한 궤적 1 의 포지티브 스파이크(positive spike)(605)는 발화선으로서, 연소시간의 시작점이자 휴지구간의 끝점임을 나타낸다. 궤적 1 (+0.4 Vp)의 오른쪽의 작은 포지티브 스파이크(606)는 연소시간의 끝점을 나타낸다. 상기 연소시간은, 당업자에게 잘 알려진 데이터 프로세스 시스템 또는 기술자에 의해 일반적으로 도 2a 및 도 2b 와 관련하여 기술된 바와 같이, 상기 코일 온 플러그 시스템의 이미 알려진 움직임 측정에 근거한 파형으로부터 추출될 수 있다. 여기서, 상기 연소시간은, 상기 용량성 센서(310)에부착된 표시 또는 인쇄 장치에서 명확히 관찰 가능한 상기 발화선(605)으로부터 대략 1 또는 수 밀리세컨드(ms) 후에 발생하는 진동 즉 울림(606)의 시작점까지의 시간을 측정함으로써 결정된다. 궤적 1 상에서의 연소시간은 대략 1.65 ms이다. 이에 비하여 상기 Tek HV 프로브(도면 미도시)에 의해 측정된 값은 2.25ms이다.

궤적 2 는 5V의 눈금을 가지고 있으며, 휴지구간 동안 제 1 단자의 낮은 측을 접지단자에 접속함으로써 COP 내연 점화기를 구동시키는 자동 컴퓨터를 시뮬레이션 한다. 상기 점화기는 상기 코일 코어를 플럭스 포화(flux saturation) 상태로 충전하기 위해 2ms 동안의 +5 Vp 펄스(610)를 요한다. 상기 자동 컴퓨터는 정확한 엔진 타이밍을 설정하기 위해 다양한 엔진 센서로부터 정보를 수집하여 이를 축적한다. 상기 타이밍 신호는 궤적 2 에 도시된 바와 같은 펄스(610)를 제공함으로써 2ms인 휴지구간이 시작한다. 따라서, 상기 컴퓨터는 휴지구간 시작의 2ms 후에 발화선이 생성되고 적절한 스파크 플러그가 발화할 것을 알고 있다.

그러나, 이와 같이 상기 스코프(scope)와 밴티지(350) 사이의 데이터 일치가 최적이 아닌 경우(즉, 1.65ms 대 2.25ms)라 하더라도, 분석의 이점을 제공하는 것은 주로 실린더와 실린더간의 측정이다. 즉, 상기 분석값은 연소시간의 정확한 값을 제공하는데 그 목적이 있는 것만은 아니다. 분석값은, 예를 들면, 상대 연소 라인 크기 또는 각각의 코일 온 플러그 간의 연소시간에 존재하는 차이 등에도 존재한다. 그 예로서, 한 기술자가, 상기 개시된 증폭 기술을 사용하여, 다수의 코일 온 플러그 상부에 용량성 샘플링 센서를 위치시키고 그 중 하나를 제외한 나머지 모든 코일 온 플러그가 실질적으로 동등한 연소시간을 갖도록 하고 하나의 코일 온플러그만 다른 값을 갖도록 한다면, 추후 평가시 상기 다른 값에 의해 실질적인 문제가 발생하게 될 것이다.

상기 개시된 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로(300)가 특정 쉴드 코일 온 플러그와 관련하여 설명되고 있으나, 이에 포함된 주요 개념은 다른 차량, 엔진 그리고 코일 온 플러그 구조에 널리 적용될 수 있을 것이다. 그리고, 상기 개시된 개념을 다른 차량, 엔진, 또는 코일 온 플러그 구조에 적용하기 위해 요구되는 어떠한 작은 부분의 수정이라도 본 발명의 기술범위 내에 속한다고 할 것이다.

나아가, 개시된 코일 온 플러그 측정 및 증폭 회로(300)는 스위칭 가능한 구조로도 유리하게 적용될 수 있다. 여기서, 용량성 센서는, 사용자로 하여금 하나의 센서 또는 센서 유닛을 넓은 범위의 일 군의 차량, 예를 들면 토요타 차량, 또는 넓은 범위의 엔진 타입 또는 쉴드 코일 온 플러그 구조에 사용할 수 있도록 하는 복수의 선택가능하거나 다양한 회로로 이루어진 단일 측정 장치(도면 미도시)에 결합되어질 수 있다. 예를 들면, 단일 측정 장치는 제 1 쉴드 코일 온 플러그(또는 코일 온 플러그 계열)를 위한 제 1 증폭 회로, 제 2 쉴드 코일 온 플러그(또는 코일 온 플러그 계열)를 위한 제 2 증폭 회로, 그리고 제 3 쉴드 코일 온 플러그(또는 코일 온 플러그 계열)를 위한 제 3 증폭 회로를 포함한다. 상기 제 1 , 제 2 그리고 제 3 쉴드 코일 온 플러그 또는 그 계열은, 같은 제조자의 차량에 설치될 수도 있고, 다른 제조자의 차량에 설치될 수도 있다. 적합한 코일 또는 그 계열의 선택은, 당해 기술분야에 주지된 바와 같이, 스위칭 수단에 의해 결정된다. 어떠한 갯수의 분리된 회로라도 그러한 측정 장치에 적용될 수 있다. 또한, 다수의 회로는다수의 용량성 센서에 다중전송됨으로써 패키지화하여 보다 넓은 범위에 적용될 수도 있다.

상기 회로들은 특정 제조자 및 자동차 모델에 관련되어 설명되었으나, 실제 회로는 특정 코일 타입 및 구조에 특히 관련되어 있다. 따라서, 본 출원에 개시된 발명은 특정 제조사 및 모델, 심지어 특정 차종에 대한 분석 정보를 제공하는데 한정된 것이 아니라, 코일 온 플러그 시스템을 사용하는 것이라면 어떠한 종류의 엔진 또는 차종에라도 유용한 분석 정보를 제공하고 있다.

상기 적용은 어떠한 경우에도 상기한 회로에 국한되는 것이 아니라, 널리 상기에서 설명한 바와 같이 기술자에 의하든 처리 장치(즉, 컴퓨터)에 의하든 점화 표시기의 인식에 적당한 형식의 쉴드 코일 온 플러그 상부에 배치된 용량성 센서(315 참조)에 의해 생산되는 전압을 증폭할 수 있는 모든 회로를 포함한다. 특히, 기술자 또는 컴퓨터로 하여금 발화선과 스파크선의 끝점의 발생을 인식하도록 하고, 상기 발화선과 스파크선의 끝점 간의 시간을 비교하거나 총합적 처리를 함으로써 연소시간을 결정할 수 있도록 하는 구조를 갖는 회로 및 장치가 유리한 작용을 한다. 다양한 형식에서, 상기 적용은, 단일 회로가 많은 수(예를 들면 100개 이상)의 서로 다른 코일 온 플러그에 적용될 수 있도록 하는 "만능(universal)"의 구성요소를 갖는 회로를 포함한다. 예를 들면, 상기 회로는, 각각 또는 상호조합에 의해, 바람직한 수의 서로 다른 코일 온 플러그 설계를 포함하는 바람직한 범위의 성능을 나타낼 수 있는 스케일이 가능하고 선택가능한 구성요소로 유리하게 이루어질 수 있다. 대안적으로 바람직하게는, 개시된 발명과 일치하는 회로는 적절한 선택 수단을 갖는 복수의 "반-만능(semi-universal)"의 회로를 포함한다. 여기서, 다수의 다양한 회로에는 코일 온 플러그 설계의 전체 범위에 걸치는 다수의 범위를 포함하도록 되어 있다.

본 발명에 개시된 내용은, 배터리와 같은 적절한 전원, 교류전원 기타 적절한 전압, 예를 들면 12 볼트, 42 볼트 등을 제공하는 것이라면 어떠한 것이라도 포함하고, 이와 함께 사용되어질 수 있다.

본 발명에 개시된 내용은, 바람직한 점화 시스템 또는 엔진과 함께 사용되어질 수 있다. 그러한 시스템 또는 엔진은 유기물로부터 추출된 연료 즉, 가솔린, 천연가스, 프로판 기타 그 혼합물과 같은 화석 연료와 그 유도체를 사용하는 구성요소를 가질 수 있다. 그러한 시스템 또는 엔진은 다른 시스템, 예를 들면 자동차, 트럭, 보트 또는 선박, 오토바이, 발전기, 항공기 등에 사용되거나 구비되어질 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예가 다방면으로 설명되고, 상기 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에 사용될 수 있으며 상기 개시된 설명에 나타난 창작 개념의 범위 내에서 발명의 변형 및 수정이 가능한 것으로 이해된다. 나아가, 예시된 장치 및 방법이 논의되었으나, 상기 발명은 본 명세서에 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 발명의 추가적인 변형은 후술하는 청구범위에 속한다.

Claims

쉴드 코일 온 플러그 점화에 의해 발생된 약한 출력을 감지하여 점화 신호를 나타내는 출력 신호를 생성하는 코일 온 플러그 테스트 장치로서,

발화기간 동안 상기 쉴드 코일 온 플러그 장치에 의해 생성된 전기장을 감지하고, 이에 상응하는 전압을 생성, 출력시키는 용량성 센서와,

감지된 전기장에 대응하여 상기 용량성 센서에 의해 출력된 상기 전압의 변화량에 대응하는 출력 신호를 생성하기 위해 상기 용량성 센서와 전기적으로 결합된 신호 처리 회로를 포함하여 구성되되,

상기 신호 처리 회로는 상기 용량성 센서의 출력 전압을 증폭시키도록 하는 구조를 갖는 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 증폭기는,

2중 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 2중 연산 증폭기는,

저 출력 임피던스 증폭기인 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 신호 처리 회로는,

전압 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 전압 변환기는,

충전 펌프 컨버터로서 기능하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 코일 온 플러그 테스트 장치는,

적어도 하나 이상의 스위치 또는 다중화기와

상기 스위치 또는 다중화기를 통해 상기 용량성 센서와 선택적으로 전기적으로 연결되는 구조를 갖는 다수의 신호 처리 회로를 더 포함하여 구성되되,

상기 신호 처리 회로는 각각 감지된 전기장에 대응하는 상기 용량성 센서에 의한 상기 전압 출력의 변화량에 대응하여 출력 신호를 생성하고,

상기 각 신호 처리 회로는 상기 용량성 센서의 출력 전압을 증폭하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 코일 온 플러그 테스트 장치는,

적어도 하나 이상의 스위치 또는 다중화기와

상기 스위치 또는 다중화기를 통해 상기 용량성 센서와 선택적으로 전기적으로 연결되는 구조를 갖는 다수의 신호 처리 회로를 더 포함하여 구성되되,

상기 신호 처리 회로는 각각 감지된 전기장에 대응하는 상기 용량성 센서에 의한 상기 전압 출력의 변화량에 대응하여 출력 신호를 생성하고,

상기 각 신호처리 회로는 상기 용량성 센서의 출력 전압을 증폭하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용량성 센서는,

상기 코일 온 플러그 장치에 인접하여 부착되는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용량성 센서는,

코일 온 플러그 장치 하우징에 부착되는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용량성 센서는,

발화기간 동안 상기 쉴드 코일 온 플러그 장치에 의해 생성된 전기장을 감지하고 이에 대응하는 전압을 출력하기 위해 다수의 코일 온 플러그 장치에 동시에 부착이 가능한 다수의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 테스트 장치.
쉴드 코일 온 플러그 점화 하우징에 인접되게 용량성 센서를 배치하는 단계와,

상기 용량성 센서를 이용하여 적어도 하나의 발화구간을 포함하는 기간동안 상기 쉴드 코일 온 플러그 점화에 의한 전기장을 감지하는 단계와,

상기 감지된 전기장을 증폭하는 단계와,

출력 장치에 상기 증폭된 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화로부터 출력을 측정하는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 용량성 센서를 배치하는 단계는,

상기 쉴드 코일 온 플러그 점화 하우징의 상부에 인접되게 상기 용량성 센서를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화로부터 출력을 측정하는 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 배치 단계는,

상기 쉴드 코일 온 플러그 점화 하우징의 외면에 상기 용량성 센서를 착탈가능하도록 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화로부터 출력을 측정하는 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 방법은,

발화선 등가를 인식함으로써 연소시간을 결정하는 단계와,

스파크선의 끝점을 인식하는 단계와,

상기 발화선과 상기 스파크선의 끝점 사이의 시간을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화로부터 출력을 측정하는 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 출력 단계는,

상기 증폭된 신호를 적어도 하나의 디스플레이 장치, 인쇄 장치 또는 표시 장치에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화로부터 출력을 측정하는 방법.
a) 용량성 센서를 제 1 쉴드 코일 온 플러그 하우징에 인접하여 배치하는 단계와,

b) 상기 용량성 센서를 사용하여 적어도 하나의 발화구간을 포함하는 기간동안 상기 쉴드 코일 온 플러그 점화에 의해 전기장을 감지하는 단계와,

c) 적어도 하나의 발화선 또는 연소시간을 인식하는 단계와,

d) 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 대하여 상기 a) 내지 c) 의 과정을 반복하는 단계

e) 상기 제 1 및 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 관하여 인식된 적어도 하나의 해당 발화선 등가 또는 연소시간을 비교하여 양자간의 상대적인 차이를 결정하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 점화와 관련된 문제를 감지하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 e) 단계는,

상기 제 1 및 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 관하여 인식된 연소시간을 비교하여 양자간의 상대적인 차이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 온 플러그 점화와 관련된 문제를 감지하는 방법.
a) 제 1 쉴드 코일 온 플러그 하우징에 인접되게 센서를 배치하는 단계와,

b) 상기 센서를 사용하여 적어도 하나의 발화구간을 포함하는 기간동안 상기 쉴드 코일 온 플러그 점화에 의해 방출되는 전자 복사를 감지하는 단계와,

c) 적어도 하나의 발화선 등가 또는 연소시간을 인식하는 단계와,

d) 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 대해 상기 a) 내지 c) 의 단계를 반복하는 단계와,

e) 상기 제 1 및 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 관하여 인식된 적어도 하나의 해당 발화선 등가 또는 연소시간을 비교하여 양자간의 상대적인 차이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화와 관련된 문제를 감지하는 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 e) 단계는,

상기 제 1 및 제 2 쉴드 코일 온 플러그에 관하여 인식된 연소시간을 비교하여 양자간의 상대적인 차이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 코일 온 플러그 점화와 관련된 문제를 감지하는 방법.