KR20080104121A - 공진 구조 형태의 점화 플러그의 이온화 전류 측정 방법 및이의 장치 - Google Patents

공진 구조 형태의 점화 플러그의 이온화 전류 측정 방법 및이의 장치 Download PDF

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앙드레 앙너레
클레망 누벨
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명은 자동차의 점화 시스템에 장착되는, 공진기 구조 타입의 점화 플러그의 이온화 전류 측정용 장치에 관련된 것으로, 상기 점화 플러그(BR)는 조절 커패시터를 구비하는 제너레이터(GEN)에 연결된다. 상기 제너레이터는 상기 점화 플러그(BR)을 분극화하기 위한 것으로 상기 제너레이터(GEN)와 상기 점화 플러그(BR) 사이에 연결된 분극화 수단(MPOL) 및 상기 조절 커패시터(Cb) 및 접지 사이에 연결되어 상기 점화 플러그(BR)의 이온화 전류 측정용 수단(MMES)을 더 구비한다.

Description

공진 구조 형태의 점화 플러그의 이온화 전류 측정 방법 및 이의 장치{Method for measuring an ionization current of a spark plug of the type with resonant structure, and corresponding device}
본 발명은 일반적으로 자동차용 점화 시스템에 사용되는 점화 플러그(spark plug)의 이온화 전류의 측정에 관련된 것으로, 특히 공진기 타입 점화 플러그들에 관련된 것이다.
본 발명은 특히 복수의 스파크 타입 공진 구조 점화 플러그 또는 BME를 구비하는 소위 "무선 주파수" 점화 시스템에 적합하다.
교류 전류들을 사용하는 이들 점화 시스템들이, 예를 들어 본 출원인 이름으로 출원된 프랑스 특허 출원 FR 2 859 830, FR 2 589 869 및 FR 2 859 831 들에 설명되었다.
압축 주기의 마지막에 점화 플러그는 전기적 아크(electrical arc)를 형성하는 역할을 하며, 그 에너지는 엔진의 연소실 내에 포함되어 있는 혼합가스(gaseous mixture)의 점화 과정을 유발하는데 충분하다.
이 전기적 아크는 점화 플러그의 전극들 사이에 위치한 혼합가스의 이온화에 해당하며, 상기 점화 플러그의 전극들은 각각 양의 중심 전극(positive central electrode) 및 접지 전극이다.
그러나, 혼합가스의 연소에서, 점화 플러그에 의하여 스파크가 생성된 후, 화염엣지(flame edge)가 전달된다. 그 폭발은 피스톤의 상부 및 실린더의 벽들에 대하여 혼합가스의 일부를 뒤로 밀어낼 수 있다.
온도 및 압력의 상승이 매우 커서, 연료가 벽들에 들러붙은 채로 남아있을 수 있고, 연료의 자가 점화 지점까지 도달할 수 있으며, 그리고 몇몇 장소에서는 점화할 수 있다.
이것의 결과는 (약 5 내지 10kHz 사이의) 청각 영역(acoustic domain)에서 진동들을 발생시키는 미세폭발(microexplosions)이다. 이들 진동들은 매우 강력하며, 이 문제를 더욱 가속화시키는 핫 스팟들(hot spots)을 신속하게 생성한다. 미세폭발의 축적은 실린더의 벽들 및/또는 피스톤의 상부의 금속의 소량을 녹이거나 부수며, 이는, 이후 언젠가, 실린더의 벽들 및 피스톤을 파손시키는 결과를 초래한다.
이온화 전류, 즉 점화 플러그를 통하여 흐르는 전류를 측정함으로 인하여, 이들 녹킹(knock) 현상의 징조를 감지하는 것이 가능하다. 실제로, (제1 근사에 따라서) 마치 전극들의 단자들에 저항이 일시적으로 위치하고 있는 것처럼 이온화 전류가 점화 플러그를 통하여 나타난다.
이 때문에, 측정 수단들 또는 센서들이 매우 좁은 대역, 예를 들어 7kHz 근처에서 동작할 수 있어야 한다.
본 발명의 일 목적은 공진 구조 타입의 점화 플러그들의 경우에 있어서 분극 전류를 측정하는 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 요구되는 좁은 주파수 대역에서 작동할 수 있을 만큼 충분히 정확한 측정 수단을 제공하는 것이다.
이를 달성하기 위하여, 본 발명은 자동차용 점화 시스템에 사용되는 공진 구조 점화 플러그의 이온화 전류를 측정하는 방법을 제공하며, 점화 단계(ingnition phase) 동안 상기 점화 플러그는 사전에 충전된 제어 커패시터를 사용하여 생성되는 전압에 의하여 전원이 공급된다.
본 발명의 상기 측면의 일반적인 특성에 따르면, 점화 플러그를 분극시킨 후, 상기 제어 커패시터 및 접지 사이에서, 두 점화 단계들 사이에서, 상기 이온화 전류를 주기적으로 측정한다.
즉, 문제를 해결하는데 요구될 것인 점화 플러그에서의 이온화 전류를 측정하는 대신에, 방전되는 것에 의하여 점화 플러그에 전력을 공급하는 제어 커패시터에서 이온화 전류를 직접 측정한다.
결과적으로 측정 오차가 최소화된다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온화 전류는 상기 제어 커패시터 및 접지 사이에 연결되며, 점화 단계들 동안에는 단락(short circuit) 되는 측정 수단을 사용하여 측정된다.
즉, 측정 수단은 두 개의 점화 단계들 사이에서만 연결된다.
다른 실시예에 따르면, 이온화 전류는 점화 플러그를 통하여 통과하는 전류가 점진적으로 감소하는 제동(damping) 단계의 완료시에 이온화 전류가 측정된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자동차용 점화 시스템에 사용되는 공진 구조 점화 플러그의 이온화 전류 측정용 장치가 제공되며, 상기 점화 플러그는 제어 커패시터를 구비하는 제너레이터(generator)에 연결된다.
본 발명의 이러한 다른 측면의 일반적인 특성에 따르면, 상기 제너레이터는 또한 점화 플러그를 분극시킬 수 있으며 상기 제너레이터와 상기 점화 플러그 사이에 연결되는 분극화 수단 및 상기 제어 커패시터 및 접지 사이에 연결되는 상기 점화 플러그의 이온화 전류를 측정하는 수단을 구비할 수 있다.
따라서, 상기 측정 수단은 상기 제어 커패시터와 접지 사이에 연결되며 상기 점화 플러그에 직접 연결되지는 않기 때문에, 낮은 값을 갖으며 일반적으로 1mA보다 적은 이온화 전류의 강도(intensity of the ionization current) 및 특정 주파수 대역, 예를 들어 노킹 현상이 관측되는 주파수 대역에 적합한 점화 플러그용 분극화 저항을 선택하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 장치는 또한 상기 측정 수단을 단락시킬 수 있는 제어 가능한 단락 수단을 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 측정 수단은 측정 저항을 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단락 수단은 상기 제어 커패시터 및 접지 사이에 연결되며 단락 전압 제너레이터에 의하여 제어되는 단락 트랜지스터, 및 상기 측정 저항 및 접지 사이에 연결되며 상기 단락 트랜지스터를 분극할 수 있는 분극화 전력 공급기(power supply)를 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분극화 전력 공급기는 한편으로는 직렬로 연결된 전력 공급 저항 및 국부적(lacal) 전력 공급기를 구비할 수 있으며, 다른 한편으로는 상기 측정 저항 및 접지 사이에, 상기 전력 공급 저항 및 국부적 전력 공급기에 병렬로 연결되는 전력 공급 커패시터를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 특성들 및 이점들은 본 발명을 한정하는 수단이 아닌, 실시예의 상세한 설명들의 연구에 의하여 명백해질 것이며, 첨부된 도면들은,
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하며,
도 2는 본 발명의 일 실시예를 더욱 상세하게 도시하며,
도 3은 본 발명의 실시예의 모듈을 더욱 상세하게 나타내며,
도 4는 본 발명의 일 실시예의 다양한 단계들의 타이밍도를 나타내며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 블럭의 실시예들을 나타낸다.
도 1에서, 부호 SYS는 공진 구조 타입의 점화 플러그(BR)를 구비하는 자동차용 점화 시스템을 나타내며, 본 기술 분야에서 숙련된 사람에게 잘 알려진 것으로, 예를 들어 본 출원인 이름으로 출원된 프랑스 특허 출원 FR 2 859 830, FR 2 589 869 및 FR 2 859 831 들에 설명되었다.
이온화 전류(Ii)는 점화 플러그(BR)를 순환한다.
더 구체적으로, 도 1에 개략적으로 도시된 것처럼, 점화 플러그(BR)는 (점화 플러그 코일이라고 불리는) 공진 조립체(resonant assembly)(RS1)를 구비하는데, 상기 공진 조립체는 본 예시에서 덮개(shell)(1)-세라믹(2)-중앙 전극(3) 조립체를 구비하는 커패시터(C1)와 유도성 코일(L1)을 구비한다.
상기 점화 플러그(BR)는 "중간 전압"이라 불리는 고 전압을 생성할 수 있는 제너레이터(GEN)에 연결된다. 이 고전압은 상기 커패시터(C1)의 상기 중앙 전극(3)으로 유도된다. 상기 전류가 상기 중앙 전극(3) 및 접지 전극(4) 사이를 통과할 때 스파크(5)를 생성하면서 전기적 아크가 생성된다.
상기 점화 플러그(BR)는 분리 수단(decoupling means)(MDEC)과 직렬로 연결되며 "고 전압 파일럿(pilot)"이라고 불리는 DHT 단계를 통하여 상기 제너레이터(GEN)에 연결된다. 상기 점화 플러그의 분극화 수단(MPOL)이 상기 분리 수단(MDEC) 및 상기 고 전압 파일럿(DHT)에 병렬로 연결된다.
상기 제너레이터(GEN)는 상기 점화 플러그(BR)에 순환하는 상기 이온화 전류(Ii)를 측정할 수 있는 측정 수단(MMES)을 구비한다.
도 2를 참조하면, 이 도면은 본 발명에 따른 시스템(SYS)의 블럭들의 실시예들을 더욱 자세하게 도시한다.
상기 제너레이터(GEN)는 본 기술 분야에서의 숙련된 자들에 의하여 사용되는 표현에 따르면, "부스트(boost)" 타입의 전압 스텝-업(step-up) 조립체를 사용하여 생성될 수 있다.
상기 제너레이터(GEN)는 전력 공급기(Vbat)를 구비할 수 있으며, 이 경우에는 12볼트 전력 공급기로, 상기 전력 공급기(Vbat)에 제1단자(b1)에 의하여 연결되는 소위 "저장(reservoir)" 코일(BRES)을 충전할 수 있다. 상기 코일(BRES)에 부하 를 가하는 것은 접지와 상기 코일(BRES)의 다른 단자(b2) 사이에 연결되는 트랜지스터(M1)에 의하여 제어된다. 상기 트랜지스터(M1)는 전압 제너레이터(GM1)에 의하여 제어된다.
상기 저장 코일(BRES)은 상기 전압 공급기(Vbat)에 의하여 전달되는 12 볼트의 전압 이상의 전압에서, 정류 다이오드(rectifier diode)(DR)를 통하여 자신의 단자(b2)에 연결된 회로의 일부로 방전한다. 이 상대적으로 높은 전압은 "중간 전압(Vinit)"이라고 불린다. 그것은 100볼트 근처이다. 이 중간 전압(Vinit)을 더 또는 덜 일정하게 유지하기 위하여, 상기 제너레이터(GEN)는 상기 정류 다이오드(DR)의 출력단에 연결되는 소위 "안정(ballast)" 커패시터(Cb)를 구비한다.
상기 제너레이터(GEN)는 상기 중간 전압(Vinit)의 전력이 공급되고, 상기 제어 수단(MCOM)에 의한 제어 신호(Scom)에 의하여 제어되는 상기 고 전압 파일럿(DHT)에 연결된다.
상기 제어 신호(Scom)는 상기 점화 플러그(BR)에 의한 스파크들의 생성 및 발생을 직접적으로 일으킨다.
도 3은 상기 고 전압 파일럿(DHT)의 예시적인 실시예를 도시한다.
이것은 입력으로서 상기 중간 전압(Vinit)을 수신하고, 병렬로 연결된 커패시터(C2) 및 코일(L2)에 의하여 형성된 시스템을 구비한다.
상기 L2-C2 조립체는 그 출력단이 자신의 제어 전극에 상기 제어 신호(Scom)를 수신하는 제어 트랜지스터(M5)에 연결된다.
상기 제어 신호(Scom)는 주기적으로 생성되는 펄스 열(pulse train)에 해당 한다.
따라서, 매 펄스 열에서, 상기 트랜지스터(M5)는 상기 점화 플러그(BR)의 고유 주파수(natural frequency)에서 고 전압 펄스들을 생성하기 위하여, 상기 공진 조립체(RS1) 및 상기 커패시터(C2)와 공진하는 상기 코일(L2)을 충전한다.
상기 공진 조립체(RS1)가 자신의 고유 주파수에서 들뜬 상태가 되었을 때, 그리고 양호도(quality factor)가 (예를 들어, 40 이상으로) 높을 때, 그 결과 상기 커패시터(C1)의 단자들 사이가 매우 높은 전압이 된다. 상기 커패시터(C1)의 단자들 중 하나인 상기 점화 플러그(BR)의 상기 중앙 전극은 그러면 스파크들을 일으킬 수 있는 매우 높은 전압으로 상승된다.
도 2를 다시 참조한다.
상기 고 전압 파일럿(DHT)에 의하여 생성되는 들뜬 상태는 분리 수단(MDEC), 이 경우에는 분리 커패시터(Cd)를 통하여 상기 점화 플러그(BR)의 공진 구조(RS1)로 전달된다.
분리 커패시터(Cd)는 상기 점화 플러그의 상기 중앙 전극(3)과 상기 중간 전압(Vinit)이 계속적으로 연결되는 것을 방지한다. 이 연결의 끊음은 사람에 대한 감전사 또는 전기적 쇼크를 방지할 수 있게 한다.
더욱이, 만약 "전기적 아크" 타입의 방전이 시작된다면, 이는 상기 전극들, 특히 상기 중앙 전극(3)의 빠른 파괴를 초래한다. 사실, 만약 충분히 강한 도전성의 스파크가 상기 중앙 전극과 접지 사이에 생성된다면, 발생하는 전압 강하는 상기 중간 전압(Vinit) 이하로 떨어진다. 상기 커패시터(Cd)에 축적된 모든 전하들은 상기 스파크에 의하여 생성된 연결을 통하여 이동된다. 이 전하들의 이동이 상기 중앙 전극(3)을 손상시킬 수 있는 고 전류로 이루어진다.
상기 분리 커패시터(Cd)의 기능은 이러한 종류의 전하 이동을 방지하는 것이다.
변형예로써, 상기 제너레이터는 스텝-업 타입의 변압기일 수 있으며, 이는 직류의 이동을 방지한다. 이러한 경우, 분리 커패시터의 사용은 더 이상 필요하지 않다.
이온화 전류를 측정할 수 있기 위하여, 상기 점화 플러그(BR)의 상기 중앙 전극(3)에서, 상기 스파크의 발생 후 바람직한 양 분극화(positive polarization)를 유지하기 위하여 분극화 수단(MPOL)이 사용된다.
전통적으로, 분극화 수단(MPOL)은, 이 경우에 상기 커패시터(Cd)인 분리 수단(MDEC)의 출력단과 상기 중간 전압(Vinit)을 전달하는 정류 다이오드(DR)의 출력단 사이에 연결되는 저항(Rpol)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 이온화 전류를 측정하는 단순한 해결책은 상기 분극화 저항(Rpol)의 단자들을 전압 값을 분배하고 상기 적당하게 분배된 전압 값을 전류 값으로 변환하고, 그리고 그것을 측정할 수 있는 조립체에 연결하는 것이다.
본 기술분야의 숙련자들에게 잘 알려진 이들 전통적인 조립체는 개별 트랜지스터(discrete transistor)로 이루어진 차등 증폭기, 또는 OP 앰프를 사용하여 생성될 수 있으며, 또는 전류 미러를 사용한 조립체를 사용하여서도 생성될 수 있다. 그러나, 전압 분배기를 포함한 이들 조립체들은 매우 약한 이온화 전류의 측정에 요구되는 정확성을 감소시킨다.
이들 해결책들과 달리, 본 발명은 이온화 전류의 측정시 최대의 정확성을 유지하고, 상기 측정 수단을 분극화 저항(Rpol)의 단자들이 아니라 상기 제너레이터(GEN) 내에 있는 상기 커패시터(Cb) 및 접지 사이에 연결하기 위하여, 작은 값을 가지는 분극화 저항의 사용을 수반한다.
이들 측정 수단(MMES)은 상기 이온화 전류가 측정되는 측정 단자(Bm) 및 측정 저항(Rm)이 구비된다.
더욱이, 이들 측정 수단(MMES)은 상기 측정 저항(Rm)과 병렬로 연결되는 스위치(INT)를 구비하는 단락 수단(MCC)과 연결되며, 상기 스위치(INT)는 단락 생성기(GCC)에 의하여 제어된다.
상기 스위치는 빠르고 매우 낮은 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 주기 T동안, 본 발명의 동작 모드의 다양한 단계들을 도시한다.
t0 시점에서, 트랜지스터(M1)는 통과상태가 되고 커패시터(Cb)가 충전될 수 있도록 한다.
t1 시점에서, 제어 신호(Scom)는 점화 단계를 적절히 유발하고 (예를 들어, 5MHz의 주파수로 뛰는) 펄스의 제어 신호를 사용하여 트랜지스터(M5) 및 점화 플러그(BR)에 의한 스파크들의 생성을 제어한다. T2 시점에서, 상기 제어 신호는 다시 한번 비활성화가 된다.
제동 단계(t2 내지 t3) 동안, 스퓨리어스 저항(spurious resistance)의 존재로 인하여, 상기 점화 플러그(BR) 내에서 (높은 크기를 갖는) 점화 전류가 자연적 으로 그리고 점진적으로 감소한다.
t0 및 t3 시점 사이에서, 단락 수단은 활성화되고 측정 저항을 단락시킨다. 결과적으로, 커패시터(Cb)가 정류 다이오드(DR) 및 접지 사이에 연결된다.
t3 시점에서, 트랜지스터(M2)는 단락 수단을 비활성화가 되게 하고, 커패시터(Cb)는 그러면 측정 저항(Rm)을 통하여 방전된다. 커패시터(Cb)의 방전 전류는, 점화 플러그(BR)에서의, 그리고 연소 혼합가스에서의 저항(Rpol)을 순환하는 이온화 전류에 해당한다.
그러면 상기 이온화 전류의 값은 측정 단자(Bm)에서 측정된다.
측정 단계는 t4 시점에서 종료되며, t5 시점에 다른 충전, 점화 및 측정 주기가 반복된다.
도 5는 스위치(INT)의 일 실시예를 나타낸다. 이 예에서, 제어 가능한 스위치는 트랜지스터(M2)에 의하여 구현되며, 이 경우 MOS 타입이며, 그 제어 전극은 제너레이터(GCC)에 연결된다. MOS 트랜지스터(M2)의 구조적 다이오드의 효과를 중화시키기 위하여, 상기 측정 저항(Rm) 및 접지 사이에 연결된 분극화 전력 공급기(Apol)를 사용하는 분극화가 제시된다.
도 6에서, 이 분극화 전력 공급기(Apol)의 일 실시예가 나타내어진다.
본 예시에서, 상기 분극화 전력 공급기(Apol)는 전력 공급 저항(Ral)을 통하여 국부적 전력 공급기(Aloc)에 연결된 커패시터(Cal)를 구비한다. 상기 국부적 전력 공급기(Aloc)는 예를 들어, 배터리 전압 또는 5 볼트 전압 공급기일 수 있다.
이 기술분야에서 숙련된 자들은 상기 커패시터(Cal)의 단자들에서의 전 압(Val)을 알기 위하여, 상기 사용된 구성요소들을 측정하는 방법을 알 것이다. 이 전압 값(Val)으로부터 상기 이온화 전류(Ii)가 아래 관계에 의하여 유도될 수 있다:
Ii = (Voltage_Apol - Voltage_Bm) / Rm
본 발명은 따라서 잘 정의된 주파수 범위에서 이온화 전류를 매우 정확하게 측정할 수 있게 하며, 이는 예를 들어 노킹 현상을 감지하는데 적합하다.

Claims (8)

  1. 점화 단계(ingnition phase) 동안, 자동차용 점화 시스템에 사용되는 공진 구조 점화 플러그(spark plug)의 이온화 전류를 측정하는 방법으로서,
    상기 점화 플러그(BR)는 사전에 충전된 제어 커패시터(Cb)를 사용하여 생성되는 전압에 의하여 전원이 공급되며,
    점화 플러그(BR)를 분극시킨 후, 상기 제어 커패시터(Cb) 및 접지 사이에서, 두 점화 단계들 사이에서, 상기 이온화 전류(Ii)가 주기적으로 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 전류는 상기 제어 커패시터(Cb) 및 접지 사이에 연결되며, 점화 단계들 동안에는 단락(short circuit) 되는 측정 수단을 사용하여 측정되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이온화 전류는 점화 플러그를 통하여 통과하는 전류가 점진적으로 감소하는 제동(damping) 단계의 완료시에 이온화 전류가 측정되는 방법.
  4. 자동차용 점화 시스템에 사용되는 공진 구조 점화 플러그의 이온화 전류 측정용 장치로서,
    상기 점화 플러그(BR)는 제어 커패시터(Cb)를 구비하는 제너레이터(generator)(GEN)에 연결되며,
    상기 제너레이터는 또한 점화 플러그(BR)를 분극시킬 수 있으며 상기 제너레이터(GEN)와 상기 점화 플러그(BR) 사이에 연결되는 분극화 수단(MPOL), 및 상기 제어 커패시터(Cb)와 접지 사이에 연결되는 상기 점화 플러그(BR)의 이온화 전류를 측정하는 수단(MMES)을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장치는 또한 상기 측정 수단(MMES)을 단락시킬 수 있는 제어 가능한 단락 수단을 구비하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정 수단(MMES)은 측정 저항(Rm)을 구비하는 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 단락 수단(MMC)은 상기 제어 커패시터(Cb)와 접지 사이에 연결되며 단락 전압 제너레이터(GCC)에 의하여 제어되는 단락 트랜지스터(M2), 및 상기 측정 저항(Rm)과 접지 사이에 연결되며 상기 단락 트랜지스터를 분극시킬 수 있는 분극화 전력 공급기(power supply)를 구비하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분극화 전력 공급기는, 한편으로는 직렬로 연결된 국부적(lacal) 전력 공급기(Aloc) 및 전력 공급 저항(Ral)을 구비하며, 다른 한편으로는 상기 측정 저항(Rm)과 접지 사이에서, 국부적 전력 공급기(Aloc) 및 상기 전력 공급 저항(Ral)에 병렬로 연결되는 전력 공급 커패시터(Cal)를 구비하는 장치.
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