KR20120120218A

KR20120120218A - 내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관용 점화 장치

Info

Publication number: KR20120120218A
Application number: KR1020127018037A
Authority: KR
Inventors: 스벤 아이젠; 마르틴 괴첸베르거; 아힘 로이터; 하랄트 슈마우스; 슈테판 볼츠
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-11-01
Also published as: CN102741544B; KR101778010B1; DE102009057925B4; CN102741544A; DE102009057925A1; RU2012129185A; US20120312285A1; BR112012014053A2; IN2012DN05108A; WO2011070089A1; US8985090B2

Abstract

본 발명은 내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법으로서, 상기 점화 장치가 트랜스포머로서 구현된 점화 코일(ZS), 상기 점화 코일의 2차 권선에 연결된 스파크 플러그(ZK) , 상기 점화 코일(ZS)의 1차 권선과 직렬로 연결된 구동 가능한 스위칭 소자(IGBT), 및 점화 코일(ZS)의 1차 권선 및 스위칭 소자(IGBT)의 제어 입력에 연결된 제어 유닛(SE)에 의해 형성되고, 상기 제어 유닛(SE)이 점화 코일(ZS)에 조절가능한 공급 전압(V_supply) 및 점화 코일(ZS)의 1차 및 2차 권선들을 통하는 전류들(I_Prim, I_Sec)에 의존하는 스위칭 소자(IGBT)를 위한 구동 신호(IGBT_Control) 및 상기 점화 코일(ZS)의 스위칭 소자(IGBT)로의 1차 권선의 접속점과 공급 전압의 네거티브 단자(GND) 사이의 전압을 제공하고, 이러한 방법의 결과로서 먼저 교류에 의한 스파크 플러그(ZK)의 작동이 가능하고 둘째로 상기 전류의 조절이 가능하고, 이는 스파크 플러드들의 더 낮은 마모에 의해 더 신뢰성 있는 점화를 가져온다.

Description

내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관용 점화 장치{METHOD FOR OPERATING AN IGNITION DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND IGNITION DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR CARRYING OUT THE METHOD}

본 발명은 내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 내연기관용 점화 장치에 관한 것이다.

수십년 동안, 스파크 점화 엔진들로서 구현된 현재의 내연기관에서 직렬 점화 시스템들은 간단하고 신뢰성 있는 원리인 코일 방전(coil discharge)에 따라, 즉 트랜스포머(transformer)로서 상응하게 설계된 점화 코일이 온보드 공급 시스템 전압으로부터 부분적으로 그 포화 영역 내로의 인덕턴스에 따라 1차 측 상에 충전되는 원리에 따라 작동되어 왔다. 점화 시점에, 충전은 전자 회로, 예를 들어 점화 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의해 인터럽팅된다. 그렇게 함으로써, 2차 측 상에서, 예를 들어 5kV 내지 35kV의 전압이 구축(build up)되고 이는 내연기관의 연소 챔버 내 스파크 플러그의 스파크 갭에서의 스파크오버를 초래한다. 코일에 저장된 에너지는 후속적으로 점화 플라즈마 내에서 감소된다.

엔진 개발을 발전시키는 과정에서, 소모 및 배출의 관점에서 절감이 실현되어야 하는데 이것은 최근 몇년 간 지속적으로 점화 시스템 상에서의 증가하는 추가 부하로 이어져 왔고 미래에도 그렇게 계속될 것이다. 이것의 예시들은 예를 들어 충전 성층화(charge stratification)이며, 이러한 충전 성층화에서 높은 유동 속도들을 가진 액체 연료 성분들이 스파크 방전을 방해하고 새로운 스파크 형성의 여러 인스턴스들을 구속한다. 엔진 효율성을 개선하기 위해 연료 챔버 압력들을 증가시키는 것은 또한 스파크 갭에서의 파괴 저항(breakdown resistance)을 증가시키고 또한 스파크 플러그 마모에 영향을 미치는 파괴 전압에서의 상승을 구속한다. 미래 세대의 고충전식(high-charged) 엔진들에서 이것은 마침내 35kV보다 훨씬 높은 2차 측 전압 상승들을 초래할 것이다. 증가하는 파괴 전압들 및 스파크 플러그에서 더 강해지는 유동 상태들 모두는 코일에 저장된 에너지의 점점 더 높은 비율들이 스파크의 구축 및 유지를 위해 제공되어야 하기 때문에 스파크의 버닝 지속기간(burning duration)을 단축시키는 경향이 있다. 새로운 연소 방법들의 개발에서 하나의 매우 유망한 트렌드는 다중 스파크들의 사용이고, 여기서 코일 에너지는 짧은 간격들을 두고 혼합물에 효율적으로 전달되고 이것은 연소의 신뢰성을 증가시킨다.

현재 사용 중인 점화 장치들의 경우에서, 자성 저장 용량을 가진 트랜스포머로서 구현된 점화 코일은 12V 온보드 시스템 공급으로부터 최대 약 8A의 전류까지 1차 측 상에 먼저 충전된다. 이러한 경우에, 2차 측 상에 피팅된 차단 다이오드는 충전 단계 동안 바람직하지 않은 스파크 형성을 방지한다. 점화 시점에, 전류 유동은 전자 스위치 - 예를 들어 IGBT - 에 의해 인터럽팅된다.

점화 코일의 자기장의 붕괴는 이후 1차 및 2차 측들 상에 전압 상승을 유도한다. 사용되는 IGBT 반도체 기술로 인해, 1차 전압은 이러한 경우에서 전형적으로 400V까지로 제한된다. 그러나, 2차 측상에서, 전압은 상당히 더 높은 값을 달성하며, 이러한 값은 트랜스포머의 권선비에 의해 초기에 결정된다. 따라서 1:80의 종래의 권선비의 경우에서, 이것은 32kV의 최대 2차 전압을 가져온다. 그러나, 후속 아크를 갖는 스파크 플러그의 전극들 사이에서 전압 파괴가 이미 앞서 발생하여서 2차 전압이 갑자기 아크 버닝 전압의 값으로 떨어지기 때문에 이러한 전압은 실제로 달성되지 않는다. 파괴 전압에 대한 전형적인 값은 5kV 내지 35kV이며 전극 이격, 연소 챔버 압력 및 가스 온도에 크게 의존한다. 아크의 버닝 전압은 수 kV(a few kV)의 범위이다.

파괴 전압을 얻기 위해, 먼저 2 차-측 커패시턴스들이 - 2차 권선의 구축 및 스파크 플러그에 의해 야기됨 - 충전되어야 한다. 주어진 파괴 전압(Uz)에 대해, 이러한 경우에 다음이 유효하다.

{1} Ec　=　Csec* Uz²/2

Ec는 파괴 전압을 달성하는데 필요한 에너지이고,

Csec는 2차적인 유효 커패시턴스(secondarily effective capacitance)이다.

종래의 점화 시스템의 경우에서, 이러한 에너지는 점화 트랜스포머(ignition transformer)의 주 인덕턴스(Lh)에 의해 공급되고, 이러한 주 인덕턴스는 상응하게 사전에 충전된다.

{2} El　= Lh*　I²/2

El는 저장된 에너지

Lh은 트랜스포머의 주 인덕턴스

I는 충전 전류

점화 트랜스포머들로서 구현되는 종래의 점화 코일들의 경우에서, 최대 저장 에너지는 50mJ 내지 130mJ이다. 파괴 후에 사용할 수 있는 잔류 에너지는 아크에서의 후속적 아크 단계에서 변환되고, 2차 전류가 연속적으로 떨어진다. 전형적으로 0.5ms 내지 1.5ms인 아크의 버닝 지속 기간은 이러한 잔류 에너지에 의해 실질적으로 결정된다.

어려운 연소 상황들에서의 더 긴 버닝 지속 기간 - 및 이에 따른 증가된 점화 에너지 - 에 대한 요구사항은 최대 저장 에너지를 증가시킴으로써 충족될 수 있다. 그러나, 이것은 필연적으로 자기 코어를 확대시키고, 이러한 확대된 자기 코어는 점화 코일의 바람직하지 않은 확대를 초래한다. 특히 스파크 플러그 샤프트에 직접 통합되는 소위 "펜슬형 코일"의 경우에서, 확대가 불가능하다. 점화 에너지를 단순히 증가시키는 다른 단점은 그와 관련된 비례를 넘어서는 스파크 플러그 마모이고, 이러한 마모 때문에 목표된 수명이 더이상 달성되지 않을 수 있다. 현재의 점화 시스템들은 몇몇 경우들에서 이미 이러한 한계에 도달하여서, 점화 에너지를 단순히 증가시키는 것은 기술적으로 적절한 접근이 아니다.

그러나, 교류에 의해 스파크 플러그를 작동하는 것이 수명을 2 내지 3배 더 길게 만들 수 있다는 것이 발견되었다. AC 전압 점화 시스템은 따라서 자동차용으로 개발되어 왔다. 이 경우에서, 점화 코일은 오직 낮은 저장 용량을 가진 순수 트랜스포머로서 구현된다. 예를 들어 1:100인 기술적으로 적절한 권선비들의 경우에서, 200V의 1차 전압이 예를 들어 20kV의 파괴 전압을 달성하도록 요구되고, 이는 차례로 복잡하고 값비싼 전압 변환기를 필요로 한다. 높은 변환 비 - 12V 온-보드 공급 시스템 전압으로부터 200V 점화 공급까지 - 는 또한 전압 변환기의 효율을 감소시키고, 이는 차례로 점화 시스템의 총 효율을 감소시킨다.

이러한 AC 전압 점화의 사용이 연소에 관계되는 공학적인 문제를 해결할 수 있을지라도, 비용상의 이유로 그것은 단지 최상급 차량에 대해서만 적절하다. 따라서, 지금까지는 증가하는 스파크 에너지와 관련된 스파크 플러그 마모를 수용하는 것이 필요하거나 또는 연소-중요 작동 상태들(combustion-critical operating states)이 직렬 엔진 상에서 실현될 수 없었다.

본 발명이 기초로 하는 목적은 스파크 플러그의 크게 증가된 수명과 관련하여 점화 동작을 크게 개선하는 것이다. 또한, 종래의 점화 시스템의 부품들(component)이 추가적인 지출없이 최대한 활용될 수 있는 것이 의도된다.

내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법에 의해 청구항 제1항에 따라 상기 목적이 달성되는데, 상기 점화 장치는 트랜스포머로서 구현된 점화 코일, 상기 점화 코일의 2차 권선에 연결된 스파크 플러그, 상기 점화 코일의 1차 권선과 직렬로 연결된 구동 가능한 스위칭 소자, 및 점화 코일의 1차 권선 및 스위칭 소자의 제어 입력에 연결된 제어 유닛을 구비하여 형성된다. 본 발명에 따라 상기 제어 유닛은 점화 코일에 조절가능한 공급 전압 및 점화 코일의 1차 및 2차 권선들을 통하는 전류들에 의존하는 스위칭 소자를 위한 구동 신호 및 점화 코일의 스위칭 소자로의 1차 권선의 접속점과 공급 전압의 네거티브 단자 사이의 전압을 제공한다.

이 경우에 상기 방법은 제 1 단계(충전)에서, 스위칭 소자가 제 1 스위칭-온 시점에서 통전(conducting)되도록 그리고 미리 정해진 점화 시점에서 다시 비-통전(non-conducting)되도록 상기 구동 신호에 의해 스위칭되고,

후속하는 제 2 단계(파괴)에서, 1차 전압 또는 이로부터 유도되는 전압이 제 1 임계 값과 비교되고, 그리고, 상기 전압이 상기 제 1 임계 값 아래로 떨어지는 경우에, 상기 스위칭 소자가 제 2 스위칭-온 시점에서 다시 통전되도록 스위칭되고,

후속하는 제 3 단계(아크)에서, 상기 공급 전압이 상기 점화 코일의 2차 권선을 통하는 전류가 미리 정해진 전류에 대략 상응하도록 조절되며 상기 점화 코일의 1차 권선을 통하는 전류가 미리 정해진 제 2 임계값과 비교되고 그리고, 상기 전류가 상기 제 2 임계값을 초과하는 경우에, 상기 스위칭 소자가 제 1 스위칭-오프 시점에서 다시 비-통전되도록 스위칭되고,

후속하는 제 4 단계(파괴)에서, 상기 점화 코일의 2차 권선을 통하는 전류가 제 3 임계값과 비교되고 그리고, 상기 전류가 상기 제 3 임계값 아래로 떨어지는 경우에, 상기 스위칭 소자가 제 3 스위칭-온 시점에서 다시 통전되도록 스위칭되고,

후속적으로 적절한 경우에, 상기 제 3 및 제 4 단계들이 미리 정해진 버닝 지속기간이 상기 스위칭 소자가 비-통전되도록 마지막으로 스위칭되는 시점에 도달될 때까지 반복된다.

본 발명의 목적은 특허 청구항 제5항에 따른 내연기관용 점화 장치에 의해 추가적으로 달성된다. 바람직한 실시예들이 종속항들에 특정된다.

본 발명에 따른 방법에서, 종래의 점화 시스템의 경우에 스파크 플러그 마모가 아크의 버닝 단계 동안 최대 전류 값의 크기에 의해 매우 크게 영향을 받는다는 통찰이 이용된다. 동일한 제곱 평균 제곱근(RMS)에 대해, 대략 일정한 직류 전류가 높은 피크값을 가진 종래의 삼각파형 2차 전류보다 상당히 적은 마모를 야기한다. 버닝 단계 동안, 만약 전류 흐름의 극성이 한번 또는 반복적으로 역전(reversed)된다면, 이후 마모는 추가로 감소한다.

이 경우에서, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 점화 장치가 다음의 특별한 특징들을 가진다:

트랜스포머로서 구현된 점화 코일이 통상적으로 스파크의 제 1 파괴까지 작동된다. 상기 파괴 이후, 점화 스파크가 트랜스포머의 1차 측에 의해 실질적으로 공급된다. 이 경우에서, 2차-측 전류가 목표된 시간 프로파일을 갖는 방식으로 가변 공급 전압이 사용된다. 스파크가 소멸할 때 주 인덕턴스가 점화에 새롭게 급속히 영향을 미칠 수 있도록 재충전된다. 가변 공급 전압에 의한 트랜스포머의 작동으로 인해 너무이른 스파크 변형(스위칭-온 스파크)가 피해진다. 트랜스포머의 충전 상태는 버닝 지속기간 동안 설정될 수 있다. 충전 시간 및 충전 에너지의 디커플링은 목표 전류가 달성될 경우 공급 전압이 일정한 전류로 조절되는 것에 의해 생성될 수 있다. 파괴를 위해 필요한 전압/에너지만을 생성할 수 있는 비용 최적화된 점화 코일(트랜스포머)를 사용하는 것이 가능하다. AC 전압 작동 모드는 스파크가 1차-측 공급 전압 및 점화 트랜스포머에 저장된 에너지로부터 교번하여 공급됨으로써 발생된다. 결과적으로, 스파크 플러그에서 전류 및 전압의 극성은 매번 역전된다. 스파크의 버닝 지속기간은 사실상 자유롭게 구성될 수 있다. 코일의 잔류 에너지를 고려하여 사용가능한 고전압에 의한 급속한 충전의 결과로서 다중 스파크들이 가능하다. 스파크가 IGBT가 동시에 스위칭 온된 채로 공급 전압을 반전-변형된(inverse-transformed) 아크 전압 아래로 감소시킴으로써 능동적으로 스위칭 오프될 수 있다. 감소된 2차 피크 전류와 극성의 변화의 결합은 이제 스파크 플러그의 수명을 제한하지 아니하면서 아크를 상당히 더 길게 유지하는 것을 가능하게 만든다. 아크의 더 긴 버닝 지속기간은 매우 상당하게 연소 거동을 개선한다.

또한, 하나의 바람직한 개선에 따른 선택된 실시예는 아크가 블론(blown)되고 극도로 높은 난기류의 결과로서 소멸되었을 때의 자연적인 재점화를 허용한다. 이것은 차례로 점화 신뢰성을 매우 크게 증가시킨다.

복수의 급속한 연속 점화 스파크들을 발생시키는 것이 또한 가능하다.

본 발명에 따른 개념은 기존의 점화 시스템의 구성요소들을 완전히 활용하여서, 점화 코일에서의 차단 다이오드가 본 발명에 따른 구동으로 인해 바람직하게 제거된다.

본 발명에 따른 개념은 또한 점화 코일의 크기를 상당히 감소시키는 것을 가능하게 만들고, 이는 스파크 플러그 샤프트에서의 한정된 구조적 공간으로 인해 "펜슬형 코일들"에 대해 특히 바람직하다. 점화 코일의 크기를 감소시키는 것은 그 생산 비용을 매우 크게 감소시킨다.

본 발명에 따른 방식으로 조절에 의해 스파크 에너지를 형성하는 것은 실질적으로 자유롭게 선택가능한 스파크 지속기간 및 자유롭게 선택가능한 스파크 전류 프로파일을 허용한다. 동시에, 점화 코일에 저장될 에너지는 각각의 최대 파괴 전압의 신뢰성 있는 구축이 기대되는 것을 여전히 보장하는 값으로 감소된다.

본 발명은 다음의 도면들을 참조하여 예시적인 실시예를 근거로 하기에서 더 자세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 점화 장치의 블록도이고,
도 2는 제어 유닛의 세부 회로도이고, 그리고
도 3은 시간적 관계를 보여주는 순서도이다.

도 1에 따른 본 발명의 따른 점화 장치는 하나 또는 복수의 점화 코일(ZS)에 가변 공급 전압(V_supply)을 공급하기 위해 전압 변환기로서 구현된 제어가능 공급 전압원(DC/DC)을 포함한다. 상기 가변 공급 전압은 현재 약 12V의 전압인 온보드 공급 시스템 전압(V_bat)으로부터 공급된다. 가변 공급 전압은 하나 또는 복수의 점화 코일(ZS)에 공급되고, 이는 차단 다이오드가 더이상 필요 없다는 장점을 가진다. 점화 코일(ZS)의 2차 권선에 연결된 종래의 스파크 플러그들(ZK)을 사용하는 것이 가능하다. 점화 코일(ZS)의 1차 권선은 점화 코일(ZS)을 스위칭하기 위해 IGBT로 일반적으로 구현되는 스위칭 소자에 직렬로 연결된다. 1차 전압 및 1차 전류 및 2차 전류를 검출하기 위한 장치들이 제공된다.

제어 유닛(SE)은 전압 변환기(DC/DC)에 의해 검출 작동 변수들에 따라 스위칭 소자(IGBT)를 위한 구동 신호(IGBT_　Control) 및 가변 공급 전압(V_supply)을 발생시킨다.

제어 유닛(SE)은 개별적인 타이밍 입력들을 통해 실시간으로 각 점화 코일에 대한 점화 시점을 미리 정하는 마이크로제어기(미도시)에 의해 차례로 제어된다. 추가적인 인터페이스 - 예를 들어 종래의 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스) - 를 통해 마이크로제어기와 제어 유닛(SE) 사이에서 데이터를 교환하는 것이 가능하다.

전압 변환기(DC/DC)는 12V 온보드 시스템 공급 전압(V_bat)으로부터 공급 전압(V_supply)를 발생시킨다. 상기 공급 전압(V_supply)의 값은 예를 들어 2 내지 30V 범위의 전압 변환기(DC/DC)의 제어 입력(Ctrl)에서 제어 신호(V_Control)에 의해 매우 동적으로 제어가능하다. 이러한 경우에서, 전압 변환기(DC/DC)가 각각의 작동 점화 코일(ZS)에 대해 요구되는 충전 전류를 공급할 수 있다.

점화 코일(ZS)로서, 예를 들어 1:80의 권선비를 갖는 종래의 타입이 사용될 수 있지만, 현재의 기존 코일에서 요구되는 차단 다이오드가 불필요해질 수 있다. 사용된 스파크 점화 엔진의 실린더들의 수에 따라, 예를 들어 3 내지 8개의 점화 코일들이 필요하다. 본 발명에 따른 방법 덕분에, 상당히 낮은 최대 저장 에너지를 갖는 점화 코일을 사용하는 것이 가능하다.

스파크 플러그(ZK)로서, 종래 타입이 사용될 수 있다. 엔진에서 사용에 의해 그 정확한 구성이 결정된다.

스위칭 소자(IGBT)로서, 예를 들어 400V인 내부 전압 제한치를 갖는 종래 타입이 마찬가지로 사용될 수 있다. 그러나, 요구되는 충전 전류에 따라, 이러한 요구 전류-수용 용량은 감소될 수 있다.

신호(V_Prim)는 저항들(R1 및 R2)로 구성된 전압 분배기에 의해 감압되는(step down) 최대 400V까지의 점화 코일(ZS)의 제어 유닛(SE)을 위해 사용될 수 있는 예를 들어 5V의 값 범위로 1차 전압을 맵핑한다. 전압 분배의 값은 설명된 예시에서 1:80이다. 전압 분배기(R1, R2)는 점화 코일(ZS)의 1차 권선의 접속점과 스위칭 소자(IGBT) 및 접지 단자(0) 사이에 배열된다. 접지 단자(0)는 공급 전압(V_supply)의 음 전위(GND)에 연결된다.

점화 코일(ZS)의 1차 권선을 통하는 전류를 측정하기 위해, 저항(R3)은 1차 권선 및 스위칭 소자(IGBT)와 직렬로 연결된다. 저항(R3)를 통해 흐르는 충전 전류는 전류를 나타내는 전압(I_Prim)을 발생시킨다.

동일한 방식으로, 저항(R4)은 점화 코일(ZS)의 2차 권선과 직렬로 연결된다. 상기 저항(R4)를 통해 흐르는 2차 전류는 저항(R4)에 걸쳐 강하되는 전압(I_Sec)을 발생시킨다.

제어 유닛(SE)은 전압 변환기(DC/DC) 및 제어 회로(Control)를 포함한다. 제어 회로는 신호들(V_Prim, I_　Prim 및 I_Sec)을 검출하고 이들을 도 2에 따른 전압 비교기들(Comp1 ... Comp4)에 의해 임계 또는 목표 값들(V1...V5)과 비교한다.

마이크로제어기로부터의 입력 신호(Timing)에 의해 미리 정해진 시점에서, 제어 유닛(SE)은 점화 작동을 트리거링하고, 여기서 버닝 지속기간 및 아크 전류가 조절된다. 이를 위해, 본 발명에 따라, 공급 전압(V_supply)이 제어 신호(V_Control)에 의해 제어되거나, 스위칭 소자(IGBT)가 구동 신호(IGBT_Control)에 의해 스위칭 온 및 오프된다. 제어 신호(V_Control)가 스위칭 수단(SM)의 출력에 존재하는데, 상기 스위칭 수단(SM)은 시퀀스 제어기(ALS)에 의해 조절될 수 있고 그리고 구동에 따라서 조절기 회로(Regulator1) 또는 시퀀스 제어기(ALS)에 의해 형성된다.

복수의 실린더들을 갖는 스파크 점화 엔진들의 경우에서, 복수의 타이밍 입력들 및 복수의 IGBT_Control 출력들은 상응하게 제공되어야 한다.

또한, 제어 회로(Control)는 SPI 인터페이스를 통해 마이크로제어기에 연결된다. 마이크로제어기는 이후 전류 충전, 버닝 지속기간, 버닝 전류(burning current)에 대한 사전 정의를 전송할 수 있고; 그러나 또한 다중 스파크 점화의 구성에 대한 사전규정을 전송할 수 있다. 반대 방향으로, 제어기는 마이크로제어기에 진행상황(status) 및 진단 정보를 전송할 수 있다.

제어 회로(Control)에 형성된 시퀀스 제어기(ALS)는 그 내부에 소프트웨어가 포함된 마이크로제어기에 의해, 또는 하드웨어 시퀀스 제어기(상태 머신) - 표준 로직 부품들로 구성됨 - 에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 도 3을 참조하여 하기에 더 상세하게 설명될 것이다. 이 경우에서, 상기 방법은 복수의 연속 단계들을 포함한다.

1. 코일 인덕턴스 충전하기

점화의 시작에서 - 또한 통례적으로 지금까지와 같이 - 점화 코일(ZS)의 주 인덕턴스가 충전된다. 이를 위해, 제어 유닛(SE)으로부터 구동 신호(IGBT_Control)에 의해, 스위칭 소자(IGBT)는 시점(t1)에서 스위칭 온된다. 충전 전류는 이러한 경우에서 신호(I_Prim)로서 검출된다. 어떠한 2차-측 차단 다이오드도 사용되지 않기 때문에, 충전 작동 동안 공급 전압(V_supply)은 이러한 경우에서 2차 측에 유도된 전압이 순시 파괴 전압(instantaneous breakdown voltage) 아래에서 신뢰성 있게 남을 수 있도록 일시적으로 변경되어야 한다. 이 값은 압축 사이클 동안 연속적으로 변하는 순간적인 연소 챔버 압력에 의해 실질적으로 주어진다. 이러한 경우에서 중요한 것은 목표된 저장 에너지에 대응하는 충전 전류 값이 늦어도 점화 시점(t2)에서 달성된다는 것이다. 공급 전압(V_supply)를 낮춤으로써 전류가 일정하게 유지될 수 있기 때문에 충전 전류 값을 약간 더 일찍 달성하는 것은 이러한 경우에서 중요하지 않다. 이 경우에서, 공급 전압(V_supply)은 1차 권선의 내부 저항 및 충전 전류에 의해 주어진 값까지 조절된다. 덧붙여, 스위칭 소자(IGBT) 및 전류 측정 저항(R3)에서 전압 손실이 또한 고려된다. 저장될 에너지 값은 - SPI를 통해 미리 정해지거나 선행 점화 작동의 관측에 기초하여 - 각각의 충전 단계 동안 상이할 수 있고 이에 따라 적응될 수 있다.

2. 파괴(Breakdown)

미리 정해진 점화 시점(t2)에서 - 또한 통례상 지금까지와 같이 - 스위칭 소자(IGBT)는 구동 신호(IGBT_Control)에 의해 스위칭 오프된다. 자기장의 붕괴에 의해 구동되는 방식으로, 점화 코일(ZS)의 1차 및 2차 전압들이 이후 빠르게 상승한다. 세부적으로, 약 400V에서의 스위칭 소자(IGBT)에 의한 전압 제한의 개시까지 1차 전압 - 신호(V_Prim)로서 식별됨 - 은 먼저 매우 빠른 상승을 보인다. 이것의 원인은 1차 누설 인턱던스의 방전이다. 이후, 1차-측 전압은 정현 전압 프로파일 형태로 이후 다시 한번 증가할 때까지 다시 감소한다. 이러한 전압 프로파일은 반전-변형된 2차 전압으로부터 시작된다. 이러한 경우에서, 2차 권선 및 스파크 플러그(ZK)의 전극들에 의해 형성된 2차 캐패시턴스가 점화 코일(ZS)의 주 인덕턴스 및 2차-측 누설 인덕턴스로부터의 공진 극성 역전 작동에 의해 충전된다. (삽입된 이상적인 트랜스포머가역전되어야 한다.) 파괴 전압(breakdown voltage)이 달성될 때, 정현파 극성 역전 작동이 갑자기 종료되고 1차 전압이 10V 내지 50V의 값으로 떨어진다. 이러한 값은 차례로 공급 전압(V_supply) 및 반전-변형된 2차-측 아크 전압으로 구성된다. 이들의 세부사항들은 도 3에 도시되지 않는다.

공급 전압(V_supply)은 제어 신호(V_Control)에 의해 파괴 단계의 시작에서 예를 들어 30V인 최대 값으로 급속하게 설정되고, 이것은 마찬가지로 도 3에서는 상세하게 알 수 없다.

3. 버닝 단계 (아크)

버닝 단계의 시작은 1차 전압이 시점 (t3)에서 예를 들어 40V인 미리 정해진 값 아래로 떨어지자 마자 식별된다. 전압 분배기(R1, R2)에 의해 유도된 신호(V_Prim)는 이후 예를 들어 0.5V의 값을 가지며 제 1 전압 비교기(Comp1)에 의해 제 1 임계값(V1)과 비교될 수 있다. 제 1 전압 비교기(Comp1)의 출력은 목표된 값(V1)이 언더슈트되는 경우에 그 로직 상태를 변화시킨다. 이러한 변화는 시점(t3)에서 스위칭 소자(IGBT)가 다시 한번 스위칭 온되도록 작용한다. 공급 전압(V_supply)이 이제 다시 높게(30V) 설정되기 때문에, 2차 측 상에 예를 들어 -2.4kV인 높은, 네거티브 전압으로서 점화 코일(ZS)을 통해 전달된다. 아크로 인해, 이 시점에서, 스파크 플러그(ZK)의 전극들 사이에 이온화된 가스가 존재하고, 약 -1kV의 아크 전압에서 대략 새로운 파괴가 초래된다.

버닝 전압과 변형된 1차 전압 사이의 전압 차이의 결과로서, 네거티브 아크 전류가 매우 빨리 구축된다. 이러한 경우에서, 상승이 1차 및 2차 누설 인덕턴스들에 의해 실질적으로 결정되고 전압이 권선 저항들에 걸쳐 강하된다. 이러한 경우에서, 아크 전류가 저항(R4)에 의해 신호(ISec)에 의해 검출된다.

아크 전류가 이후 일정하게 유지되도록 의도된다면, 조절기 회로(Regulator1)에서 제 1 목표값(V2)과 비교된다. 조절기 회로(Regulator1)의 출력 신호가 시퀀스 제어기에 의해 상응하게 구동되는 스위칭 수단(SM)을 통해, 제어 신호(V_Control)로서 전압 변환기(DC/DC)에 공급되고, 그리고 이후 2차 전류(I_Sec)가 목표 값(V2)에 대응하는 방식으로 공급 전압(V_supply)을 제어한다. 이러한 경우에서, 공급 전압(V_supply)은 예를 들어 20V의 값을 처음에 취할 것이고, 이러한 값은 버닝 지속 기간이 진행됨에 따라서 연속해서 상승한다.

동시에 2차 측에 대한 전류 전달로서, 점화 코일(ZS)의 주 인덕턴스는 또한 충전되기 때문에, 그 전류 흐름은 연속해서 상승한다. 이는 신호(I_Prim)에 의해 저항(R3)에서 검출되고 그리고 제2 전압 비교기(Comp2)에 의해 2차 목표 값(V3)과 비교된다. 신호(I_Prim)가 전류 상승으로 인해 2차 목표 값(V3) 위로 상승하면, 스위칭 요소(IGBT)는 구동 신호(IGBT_Control)에 의해 시점(t4)에서 다시 스위칭 오프된다.

공급 전압(V_supply)은 제어 신호(V_Control)에 의해 예를 들어 30V인 그 최대 값까지 빠르게 차례로 설정된다.

2. 파괴에서 기술된 바와 같이, - 약 +1kV의 전압에서 - 후속하는 아크 단계에 의해 새로 시작된 파괴가 발생할 때까지 자기장의 붕괴는 이후 포지티브 방향으로 2차 전압을 구동한다. 이러한 새로 시작된 아크 단계는 이후 주 인턴턱스에 이전에 저장된 에너지에 의해 공급되고, (이제 포지티브인) 2차-측 아크 전류가 연속하여 감소한다. 새로 시작된 파괴가 상당히 더 낮은 전압에서 발생되기 때문에, 이러한 경우에서 상당히 더 작은 에너지가 또한 2차 커패시턴스를 충전하기 위해 요구되며 남아 있는 잔류 에너지가 이전에 저장된 에너지에 실질적으로 대응한다.

신호(I_Sec)에 의해, 이어서 2차-측 아크 전류는 제3 전압 비교기(Comp3)에 의해 제3 임계값(V4)과 비교된다. I_Sec의 값이 제3 임계값(V4) 아래로 떨어지면, 제3 전압 비교기(Comp3)의 출력 상태가 변하며 스위칭 소자(IGBT)가 시점(t5)에서 다시 한번 스위칭 온된다. 전술한 바와 같이 결과적으로, 네거티브 아크 전류를 갖는 새로 시작된 아크 단계가 발생된다.

본 발명의 하나의 바람직한 구성에서, 제1 임계 값(V1)은 동적으로 형성될 수 있고, 그 결과로서 가변 버닝 전류 프로파일이 생성될 수 있다. 예시적으로, 버닝 지속 기간이 증가함에 따라, 아크 전류가 상승할 수 있고, 이는 스파크 플러그 마모에 악영향을 미치지 아니하여서 연소의 신뢰성을 증가시킨다.

4. 버닝 단계의 종료

네거티브 및 포지티브 버닝 전류의 이러한 주기적 변화는 목표된 바와 같이 자주 반복될 수 있으며 단지 예를 들어 1ms의 미리 정해진 버닝 지속기간에 의해 종료된다. 스위칭 소자(IGBT)는 이후 마지막으로 스위칭 오프된다. 이러한 시점(t6)에서 점화 코일(ZS)에 저장된 에너지는 여전히 아크에서 소산되고, 그래서 아크가 소멸된다. 점화 작동이 종료된다.

5. 점화불발의 경우에 재점화(Reignition in the case of Misfires)

버닝 단계 동안, 예를 들어 전극 지역에서 증가된 난기류으로 인해 블로잉에 의해 야기되는 방식으로 또는 전극들이 연료 액적들에 의해 젖는 것의 결과로서 아크가 소멸될 수 있다. 이것이 스위칭 소자(IGBT)가 스위칭 온된 채 아크 단계에서 발생한다면, 2차 전류는 자연적으로 0으로 떨어지고 신호(I_Sec)를 관측함으로써 식별될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 신호(I_Sec)는 제4 전압 비교기(Comp4)에 의해 제4 임계값(V5)과 비교되며, 상기 임계값(V5)을 초과하는 신호(I_Sec)의 경우에서, 스위칭 소자(IGBT)는 스위칭 오프되고, 그래서 다시 시작하는 파괴가 발생된다. 전술된 아크 단계의 시퀀스가 후속하여 발생된다.

이것이 스위칭 소자(IGBT)가 스위칭 오프된 채로 주 인덕턴스의 방전 단계 동안 발생한다면, 이것은 새로 시작된 파괴가 발생할 때까지 2차 전압을 구동한다. 아크 전류가 에너지 손실로 인해 제 3 임계값(V4) 아래로 떨어진다면, 스위칭 소자(IGBT)는 다시 한번 스위칭 온되며 아크 단계의 시퀀스가 - 전술된 바와 같이 - 새롭게 개시된다.

따라서 아크가 소멸되는 경우에 즉각적인 재점화가 발생하는 것이 보장된다. 높은 확률로, 점화 불발은 더 이상 발생하지 않는다.

6. 다중 스파크 점화

다중 점화의 시퀀스는 실질적으로 전술된 작동 단계들에 대응한다. 그러나, 이와 대조적으로, 버닝 단계는 일반적인 0.5ms 내지 1.5ms와 비교하여 약 0.1ms로 크게 짧아진다. 그러나, 점화 작동은 빠르게 연속적으로 여러번 반복된다.

충전이 발생되고 플래쉬오버가 발생된 이후에, (스위칭 소자(IGBT)가 스위칭 온된 채로) 후속하는 버닝 단계가 공급 전압(V_supply)을 낮춤으로써 시간적으로 목표된 시점에서 인터럽팅된다. 공급 전압은 이러한 경우에 충전 전류를 유지하기 위해 필요한 값까지 급속히 낮추어지며 신뢰성 있게 아크의 반전-변형된 버닝 전압 아래에 있게 된다. 따라서 스파크는 자연적으로 소멸되고 코일은 충전된 채로 유지된다. 미리 정해진 시점에서, 스위칭 소자(IGBT)는 이후 다시 스위칭 오프되고 후속하는 아크 단계에 의해 새로 시작된 파괴가 발생된다. 이러한 작동은 이후 사전 세팅에 따라 여러 번 반복될 수 있다.

여기에 기재된 방법 및 점화 장치는 처음에 만들어진 요구사항들 모두를 완전히 충족한다. 비교적 간단하게 유지되는 추가적인 전자장치 및 종래의 점화 부품들의 계속적인 사용으로 인해, 단지 낮은 추가적인 비용이 발생하며, 이러한 비용은 이제 가능한 점화 코일들의 크기에서의 감소에 의해 확실히 상쇄된다. 본 발명에 따른 방법은 예를 들어 에탄올에 의해 작동되는 엔진의 콜드 스타트(cold start) 동안과 같은 어려운 연소 상황에서 특히 바람직하다.

Claims

내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법으로서,
상기 점화 장치가 트랜스포머로서 구현된 점화 코일(ZS), 상기 점화 코일의 2차 권선에 연결된 스파크 플러그(ZK) , 상기 점화 코일(ZS)의 1차 권선과 직렬로 연결된 구동 가능한 스위칭 소자(IGBT), 및 점화 코일(ZS)의 1차 권선 및 스위칭 소자(IGBT)의 제어 입력에 연결된 제어 유닛(SE)을 구비하여 형성되고,
상기 제어 유닛(SE)이 점화 코일(ZS)을 위한 조절가능한 공급 전압(V_supply) 및 점화 코일(ZS)의 1차 및 2차 권선들을 통하는 전류들(I_Prim, I_Sec)에 의존하는 스위칭 소자(IGBT)를 위한 구동 신호(IGBT_Control) 및 상기 점화 코일(ZS)의 스위칭 소자(IGBT)로의 1차 권선의 접속점과 공급 전압의 네거티브 단자(GND) 사이의 전압을 제공하고,
상기 방법은:

제 1 단계(충전)에서, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 제 1 스위칭-온 시점(t1)에서 통전되도록 그리고 미리 정해진 점화 시점(t2)에서 다시 비-통전되도록 상기 구동 신호(IGBT_Control)에 의해 스위칭되고,

후속하는 제 2 단계(파괴)에서, 상기 1차 전압 또는 이로부터 유도되는 전압(V_prim)이 제 1 임계 값(V1)과 비교되며, 그리고, 상기 전압(V_prim)이 상기 제 1 임계 값(V1) 아래로 떨어지는 경우에, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 제 2 스위칭-온 시점(t3)에서 다시 통전되도록 스위칭되고,

후속하는 제 3 단계(아크)에서, 상기 공급 전압(V_supply)이 상기 점화 코일(ZS)의 2차 권선을 통하는 전류(I_sec)가 미리 정해진 전류(V2)에 대략 상응하도록 조절되며 상기 점화 코일(ZS)의 1차 권선을 통하는 전류(I_prim)가 미리 정해진 제 2 임계값(V3)과 비교되고 그리고, 상기 전류(I_prim)가 상기 제 2 임계값(V3)을 초과하는 경우에, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 제 1 스위칭-오프 시점(t4)에서 다시 비-통전되도록 스위칭되고,

후속하는 제 4 단계(파괴)에서, 상기 점화 코일(ZS)의 2차 권선을 통하는 전류(I_sec)가 제 3 임계값(V4)과 비교되며 그리고, 상기 전류(I_sec)가 상기 제 3 임계값(V4) 아래로 떨어지는 경우에, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 제 3 스위칭-온 시점(t5)에서 다시 통전되도록 스위칭되고,

후속적으로 적절한 경우에, 상기 제 3 및 제 4 단계들은 미리 정해진 버닝 지속기간이 상기 스위칭 소자(IGBT)가 비-통전되도록 마지막으로 스위칭되는 시점(t6)에 도달될 때까지 반복되는,
시퀀스를 포함하는,
내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법.
제 1항에 있어서,
상기 스위칭 소자(IGBT)가 비-통전되도록 스위칭된 채로 상기 공급 전압(V_supply)이 최대값으로 설정되는
내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 3 단계에서 미리 정해진 전류(V2)가 가변적이고, 보다 바람직하게는 상승하는,
내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법.
제 1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 소자(IGBT)가 통전되도록 스위칭되는 단계들(아크) 동안, 2차 권선을 통하는 전류(I_sec)가 제 4 임계값(V5)과 비교되며 상기 전류가 상기 제 4 임계값(V5)을 초과하면 상기 스위칭 소자(IGBT)가 비통전되도록 스위칭되고, 그리고 이후 1차 전압 또는 이로부터 유도된 전압(V_prim)이 상기 제 1 임계값(V1)과 비교되며, 상기 전압(V_prim)이 상기 제 1 임계값 아래로 떨어지면, 상기 스위칭 소자가 다시 통전되도록 스위칭되는,
내연기관용 점화 장치를 작동시키기 위한 방법.
트랜스포머로서 구현된 점화 코일(ZS), 상기 점화 코일의 2차 권선이 스파크 플러그(ZK)로의 연결을 위해 설계되는 2차 권선, 상기 점화 코일(ZS)의 1차 권선과 직렬로 연결된 구동가능한 스위칭 소자(IGBT), 및 점화 코일(ZS)의 1차 권선 및 스위칭 소자(IGBT)의 제어 입력에 연결된 제어 유닛(SE)을 구비하여 형성되는
내연기관용 점화 장치로서,
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 제어 유닛(SE)은:
상기 점화 코일(ZS)을 위한 공급 전압(V_supply)을 출력(Vout)에 제공하는 제어 가능한 전압 변환기(DC/DC)를 구비하여 형성되고, 상기 공급 전압이 상기 전압 변환기의 제어 입력(Ctrl)에 존재하는 제어 신호(V_Control)에 따라 조절가능하며, 상기 제어 가능한 전압 변환기(DC/DC)는 자동차 온-보드 공급 시스템 전압(V_bat)에 연결될 수 있고,
그리고 상기 전압 변환기(DC/DC)를 위한 상기 제어 신호(V_Control) 및 상기 점화 코일(ZS)의 상기 1차 및 2차 권선들을 통하는 전류들에 의존하는 상기 스위칭 소자(IGBT)를 위한 구동 신호(IGBT_Control) 및 상기 1차 권선의 상기 스위칭 소자(IGBT)로의 접속점과 상기 공급 전압(V_supply)의 네거티브 단자(GND) 사이의 전압을 제공하는 제어 회로(Control)를 구비하여 형성되는,
내연기관용 점화 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제어 회로(Control)가 전압 비교기들(Comp1, ... Comp4)을 가지고, 상기 전압 비교기들의 기준 입력들에 기준 신호들(V1, V3, V4, V5)이 인가될 수 있으며 상기 전압 비교기들의 비교 입력들에 상기 점화 코일의 1차 권선을 통하는 전류 및 상기 점화 코일의 2차 권선을 통하는 전류 및 상기 1차 권선의 상기 스위칭 소자(IGBT)로의 접속점과 상기 공급 전압(V_supply)의 네거티브 단자(GND) 사이의 전압으로부터 유도되는 전압(V_Prim)을 나타내는 신호들이 인가될 수 있고 그리고 상기 전압 비교기들의 출력들이 시퀀스 제어기(ALS)의 입력들에 연결되고, 상기 시퀀스 제어기의 제 1 출력이 상기 스위칭 소자(IGBT)의 제어 입력에 연결되고, 상기 시퀀스 제어기의 제 2 출력이,상기 시퀀스 제어기(ALS)에 의해 전환될(changed over) 수 있는 스위칭 수단(SM)을 통해, 전압 변환기(DC/DC)의 제어 입력(Ctrl)에 연결되고, 그리고

상기 제어회로(Control)가 조절기 회로(Regulator1)를 가지고, 상기 조절기 회로의 기준 입력에 목표 값을 나타내는 기준 신호(V5)가 인가될 수 있고 그리고 상기 조절기 회로의 비교 입력에 상기 점화 코일의 2차 권선을 통하는 전류(I_sec)를 나타내는 신호가 인가될 수 있으며 상기 조절기의 출력이, 전환될 수 있는 스위칭 수단(SM)을 통해, 상기 전압 변환기(DC/DC)의 제어 입력(Ctrl)에 연결되는,
내연기관용 점화 장치.