KR20130001236A

KR20130001236A - 코로나 점화기의 의도적인 아크 발생 방법

Info

Publication number: KR20130001236A
Application number: KR1020127023448A
Authority: KR
Inventors: 키쓰 햄프턴
Original assignee: 페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2013-01-03
Also published as: JP2013520598A; WO2011100516A2; WO2011100516A3; CN102844562A; US20110197865A1; EP2534369A2

Abstract

가연성 가스 혼합물을 점화시키는 코로나 점화 시스템 및 방법은, 아크 발생시에, 아크 발생이 검출되고 일정 시간 동안 아크 발생이 유지되도록 보장하기 위해서 점화기에 대한 전압은 증가되고, 일정 시간 동안 불꽃 점화를 통하여 가연성 가스 혼합물의 연소가 발생하고, 그 후에 코로나 방전에 의해서만 점화를 회복하기 위해 전압이 감소되도록, 아크 발생을 검출하고 컨트롤하는 것을 포함하고 있다.

Description

코로나 점화기의 의도적인 아크 발생 방법{INTENTIONAL ARCING OF A CORONA IGNITER}

본 발명은 대체로 자동차 사용예 등에서 공기/연료 혼합물을 점화시키는데 사용되는 코로나 방전 점화기에 관한 것이며, 특히 코로나 방전 점화기에서의 아크 발생을 검출하고 의도적으로 코로나 방전 점화기에서 아크를 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

미국 특허 제6,883,507호는 코로나 방전 공기/연료 점화 시스템에 사용하기 위한 점화기를 개시하고 있다. 도 1은 대표적인 코로나 방전 점화 시스템의 구성요소들을 나타내고 있다. 이 점화 시스템은 무선 주파수 승압 변압기(20)를 가로질러서 고전압 회로(30)에 결합된 저전압 회로(10)를 포함하고 있고, 고전압 회로(30)는 연소실(50) 내부에 있는 전극(40)에 결합되어 있다.

코로나 점화 시스템에 있어서, 상기한 바와 같이, 무선 주파수 고전압 신호가 연소실(50) 내에 위치되어 있는 전극(40)에 가해진다. 이 신호가 가해지면, 연소실(50) 내에 전기장이 발생된다. 이 전기장은 연소실 내의 이온의 갯수를 크게 증가시킬 수 있는 정도로 충분히 강력하다. 특정 조건하에서 상기 이온은 전극으로부터 실린더 헤드 또는 피스톤까지 전도성 경로를 형성할 수 있다. 전압이 충분히 높으면, 상기 전도성 경로에 흐르는 전류가 더 많은 이온을 형성하도록 전도성 경로를 충분히 가열시킨다. 이것은 아크 발생을 초래하는 캐스케이딩 프로세스(cascading process)로 될 수 있다. 이러한 아크는 전극(40)을 가열시킨다. 동시에, 아크 방전은 코로나 방전보다 연소실 내의 연료를 점화시키는데 있어서 덜 효과적이다. 따라서, 아크의 억제가 요구된다. 아크를 억제하고 점화를 보장하는데 사용되는 몇 가지 종래의 방법이 있다. 아크의 형성을 억제하기 위해서는 회로의 접지에 대한 임피던스의 측정 및 이에 따른 전압의 조정을 필요로 한다.

도 2는 종래 기술에 따른 아크 형성을 억제하는 방법의 흐름도를 나타내고 있다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 코로나 발생이 시작되면(200), 시스템은 코로나의 상태를 모니터한다. 코로나가 유지되는 경우에는(202), DC 전압이 RF 변압기에 유지되고(204), 점화가 성공하기 쉽다(206). 한편, 코로나가 아크를 형성하기 시작하면(208), DC 전압이 RF 변압기에서 감소되어 아크가 더 이상 형성되는 것을 방지한다(210).

대체로, 본 발명은 자동차 노에서의 공기/연료 혼합물 그리고 다른 사용예에서의 점화될 가연성 혼합물을 점화시키는데 사용되는 코로나 방전 점화기 시스템 및 방법, 특히 코로나 방전 점화기에서 아크 발생이 검출될 때, 의도적으로 일정 시간 동안 아크 발생을 강화하도록 조정이 이루어지는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, (1) 인덕터로의 전류의 급격한 변화, (2) 인덕터로의 전압의 급격한 변화, (3) 인덕터의 공진 주파수의 급격한 변화, (4) 계산된 코로나 클라우드 저항(corona cloud resistance)의 급격한 변화, 그리고 (5) 이온화 검출에 의한 점화불발의 검출 및 크랭크축 속력 변화를 포함하는 몇 가지 방법 중의 하나에 의해서 아크 발생을 검출한다. 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이, 검출 방법은 개시된 방법으로만 제한되는 것은 아니며, 임의의 갯수의 검출 방법이 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 있어서, 코로나가 발생하는 동안 아크가 검출될 시에는, 아크가 발생되는 것을 보장하기 위해서 회로에 전압이 증가된다. 이러한 전압의 증가는 연소실과 연결된 점화기에 최대 전압을 제공한다. 차후의 점화를 위해 회로에 가해질 것으로 결정되어 있는 전압값은 소정의 양만큼 동시에 감소됨과 동시에 메모리에 저장된다. 소프트웨어 즉 아크 발생을 검출하기 위해 전자적 하드웨어와 함께 점화 컨트롤러 소프트웨어에서 작동하는 제어 프로그램(예를 들면, 알고리즘)은 나중에 수정된 저장값을 테스트한다.

본 발명의 상기 특징 및 장점과 다른 특징 및 장점은 바람직한 실시예의 상세한 설명에 의해 당해 기술 분야의 전문가에게 보다 명확하게 된다. 도면과 함께 상세한 설명이 아래에 기술되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 대표적인 코로나 방전 점화 시스템의 구성요소를 나타내고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 아크 형성을 억제하는 방법의 흐름도를 나타내고 있다.
도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 코로나 점화 회로의 예시적인 회로도를 나타내고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 의도적인 아크 발생 방법의 흐름도를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제어 프로그램의 하이 레벨의 예시적인 흐름도를 나타내고 있다.
도 8은 점화시 동안 감소된 전압을 산출하기 위해서 제어 프로그램에 의해 사용될 수 있는 일반적인 타입의 예시적인 순람표(look up table)를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명에 따른 제어 프로그램의 상세한 예시적인 흐름도이다.

코로나 점화 시스템에서, 무선 주파수 신호가 전자 회로에서 생성되어 동축 케이블을 통하여 점화기로 전송된다. 전압이 지나치게 높으면, 전극 팁으로부터 헤드까지 원치 않는 아크가 형성될 수 있다. 본 발명의 배경기술에서 설명한 한 가지 알려진 코로나 시스템에서는, 아크 발생과 점화의 실패를 방지하기 위해서 임피던스를 적극적으로 측정하고 모니터하기 위해 복잡한 컨트롤 시스템이 사용된다. 그러나, 코로나 발생을 개시하는 것을 시도하면서 아크 발생을 억제하는 것이 언제나 가능한 것이 아니라는 사실이 알려져 있으며, 이 경우에는 적절한 점화를 위해 일정 시간 동안 아크 에너지가 최대화되는 것을 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따른 코로나 점화 시스템은 코로나 발생을 모니터하고, 아크가 발생하면 주어진 시간 동안 아크 발생과 아크의 품질을 최대화하기 위해서 회로에 전압을 증가시키도록 조정이 이루어지고, 이것에 의해 성공적인 점화의 최대 가능성을 제공한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 예시적인 코로나 점화 회로의 회로도를 나타내고 있다. 상기 도면에 있어서, 유사한 참고 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 상기 회로는 접지부(105), 점화 발생 전자장치(100), 점화기 인덕터(110), 점화기 팁에서 연소실 가스(125)를 통하여 접지부까지의 저항, 점화기 병렬 커패시턴스(130) 및 점화기 팁(135)을 포함하고 있다. 점화기 팁(135)은 점화기의 일부분으로서 특히 단일 중심 전극에 결합되어 있고 내연 엔진의 엔진 블록에 연결되어 있는 실린더 헤드의 점화기 보어 내에 장착될 수 있다. 제2 전극 자체가 없으므로, 코로나는 점화기 팁에서 발생되며 몇가지 플라즈마 제트 타입의 점화 시스템에서와 같이 두 개의 전극 사이의 틈새에서 발생되지는 않는다. 엔진 블록은 피스톤이 왕복운동하는 연소 실린더를 포함하고 있다. 엔진은 복수의 상기 연소 실린더 및 이와 결합된 피스톤(도시되어 있지 않음)을 가질 수 있다.

상기 코로나 점화 회로는 외부 엔진 컴퓨터(도시되어 있지 않음)로부터 점화 신호를 수신하는 파워 증폭기와 같은 점화 발생 전자장치(100)에 의해 구동된다. 점화 발생 전자장치(100)는 고유 주파수로 점화기 인덕터(110)에 가해지는 전압을 출력한다. 점화기 인덕터(110)는 입력 전압을 점화기 팁에 가해지는 고전압으로 증대시킨다.

작동시에, 점화 발생 전자장치는 점화기 인덕터에 가해지는 교류 전압을 발생시킨다. 인덕턴스, 저항, 그리고 커패시턴스, 즉 LRC는 고유 주파수를 가지고 있고, 가해진 교류 전압이 LRC 고유 주파수의 성분을 포함하면, 점화기 팁에서의 인덕터 전압은 가해진 전압의 복수배가 된다. 도 3은 진공에서 작동하는 이러한 회로를 나타내고 있다. 도 4에서는, 코로나 발생 동안 연소실 내에 배치된 점화기 팀을 가지고 있는 상태의 도 3의 시스템을 나타내고 있고, 연소실 내부에 존재하는 가스, 특히 점화 시점의 가스는 전류에 대한 저항을 가지고 있다. 구동 전압이 점화기 인덕터에 가해지면, 점화기 팁에서 코로나가 형성된다. 이온화된 가스로 이루어진 이 구역은 더욱 감소된 저항을 가진다. 부가적으로 약간의 전류가 점화 단부로부터 접지부로 흐를 수 있다.

점화기 팁과 실린더 헤드 사이의 이온의 밀도가 특정 값을 초과하면, 이 구역의 저항은 점화기 팁으로부터 접지부로 전류가 직접 흐를 수 있는 수준으로 떨어진다. 이것이 캐스케이드 현상이며, 다시 말해서, 일단 전류가 특정 값을 초과하면, 이것이 가스를 가열시키고, 이온의 갯수를 증가시키며, 결과적으로 저항을 더욱 감소시킨다. 이러한 캐스케이드 현상 동안에는, 이온화된 구역의 온도가 상승하고 아크를 형성한다(도 5). 아크의 높은 온도는 점화기 팁을 손상시킬 수 있고, 가연성 혼합물을 점화시키는 일을 저하시킨다.

추운 날씨 또는 열악한 작동 조건 등과 같은 특정 사건은 코로나가 발생하지 않도록 하거나 아크가 억제되지 않도록 작동에 영향을 미친다. 이러한 일이 발생하면, 본 발명은 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 점화를 일으키기 위해 아크의 발생가능성 및 품질을 최대화하도록 시도한다. 도 6은 본 발명에 따른 의도적인 아크 발생 방법의 흐름도를 나타내고 있다. 도면에 나타나 있는 바와 같이, 코로나가 발생하기 시작하면(214), 시스템은 코로나의 상태를 모니터한다. 코로나가 유지되는 경우(216)에는, DC 전압이 시스템의 RF 변압기(218)에서 유지되고, 점화가 성공하기 쉽다(220). 한편, 코로나가 아크로 변환되면(222), RF 변압기에서의 DC 전압이 아크를 유지시키기 위해서 증가된다(224). 다시 말해서, 코로나 발생 동안 아크의 검출시에는, 아크 발생을 보장하기 위해서 점화의 가능성을 최대화시키는 수준으로 상기 회로에 전압이 증가된다(226). 차후의 점화 발생을 위해 상기 회로에 가해지도록 결정되어 있는 전압값은, 단지 메모리에 저장된 코로나 점화로 되돌아가기 위해서 소정의 양만큼 감소됨과 동시에, 플래그(flag)가 설정된다(228). 소프트웨어 즉 아크 발생을 검출하기 위해 전자적 하드웨어와 함께 점화 컨트롤러 소프트웨어에서 작동하는 제어 프로그램(예를 들면, 알고리즘)은 나중에 수정된 저장값을 테스트한다.

도 7은 본 발명에 따른 제어 프로그램의 하이 레벨의 예시적인 흐름도를 나타내고 있다. 제어 프로그램(또는 학습 알고리즘)은 초기에 메모리에 저장된 표로부터 코로나 지속 시간 및 DC 전압을 읽어낸다(250). 대표적인 표는 도 8에 나타내 있으며, 이 표는 전압, 코로나 지속 시간 및 실린더 정보를 저장하고 있다. 아래에 보다 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 시간 및 DC 전압은 α, β 및 ζ로 조정되고(252), 연소 상태는 결정되고, α, β 및 ζ는 수정된다(256).

도 9는 본 발명에 따른 제어 프로그램의 상세한 예시적인 흐름도이다. 차량의 점화장치가 켜지면(260), 컨트롤러(262)를 포함하는 전자 회로에 전력이 가해지고, 제어 프로그램이 작동 개시된다(264). 작동시에, 제어 프로그램은 채널 X를 X1로 설정할 것인지 여부를 결정한다(266). 채널 X가 X1로 설정되면, 제어 프로그램은 가해진 전압이 특정 한계값 사이에 있는지 여부와 증분 채널 X를 결정하도록 진행한다(272). 채널 X가 X1로 설정되지 않으면, 낮은 DC 전압(VDC)이 중심 탭 채널 X(268)에 가해지고, RF 변압기의 출력 채널 X의 전압이 측정된다(270). 그 다음에 제어 프로그램은 전압이 특정 한계값 사이에 있는지 여부와 증분 채널 X를 결정하도록 진행한다(272). 측정된 전압이 특정 한계값 사이에 있지 않으면, 점화 실패이고, 엔진 컨트롤 유닛(ECU)에 알려진다(274). 한편, 측정된 전압이 특정 한계값 사이에 있으면, 제어 프로그램은 액티브 에지(active edge)에 대한 ECU로부터 들어오는 신호를 모니터한다(276). 일단 액티브 에지가 검출되면, 제어 프로그램은 엔진 속력, 부하, 온도 및 채널 갯수(총괄하여, 엔진 정보)를 획득한다(278). 엔진 정보가 획득되면, 이 엔진 정보에 대응하는 지속시간 및 DC 전압을 얻기 위하여 도 8에 대체로 표시되어 있는 저장된 표를 이용한다(280). 지속시간 및 DC 전압은 α, β 및 ζ로 조정된다(282). 지속시간 및 DC 전압을 조정한 후, DC 전압은 중심 탭(tap) 채널 X에 가해지고(284), 제어 프로그램은 지속시간이 종료되었는지 여부를 결정한다(286). 지속시간이 종료되지 않은 경우에는, DC 전압이 다시 가해진다. 지속시간이 종료된 경우에는, 제어 프로그램은 ECU로부터 들어오는 신호에 대해 액티브 에지가 있는지 여부를 결정하기 위해서 다시 순환한다. 마찬가지로, 지속시간 및 DC 전압을 조정한 후, 제어 프로그램은 연소 상태를 결정하고(288), α, β 및 ζ를 수정한다(290). 수정된 계산값은 다음 싸이클 동안 사용된다.

상기한 발명은 관련된 법적 기준에 따라 설명되어 있으므로, 상기 설명은 본질적으로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이다. 개시된 실시예에 대한 여러가지 변형 및 수정은 당해 기술분야의 전문가에게 자명할 수 있으며 본 발명의 영역 내에 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명에 제공되는 법적 보호의 범위는 아래의 청구항들에 의해서 결정될 수 있다.

Claims

아크가 검출될 때, RF 변압기에 전압을 증가시킴으로써 의도적으로 아크를 강화시키는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 현 싸이클 동안에는 전압이 증가되고, 다음 싸이클 동안에는 전압이 감소되는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
제2항에 있어서, 전압의 증가 및 감소는 매핑 방법에 기초한 표에 기초하고 있는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 표는 아크 발생에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 일단 코로나 발생이 개시되면, RF 변압기로의 전압을 유지시키는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 표로부터 시간 및 전압을 읽어내는 단계;
파라미터를 이용하여 시간 및 전압을 조정하는 단계;
연소 상태를 결정하는 단계; 그리고
상기 파라미터를 수정하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 방법.
연소실 내의 가연성 가스 혼합물을 점화시키는 방법으로서,
아크의 형성없이 점화기로부터 코로나 방전을 발생시키기 위해서 점화기에 전압을 가하여 제1 기간 동안 코로나 방전으로 연소실 내의 가연성 가스 혼합물을 점화시키는 단계;
코로나의 절연 파괴가 발생하고 점화기로부터 아크가 발생하도록 조건을 변경시키는 단계;
아크 발생을 검출하는 단계; 그리고
점화 싸이클의 제2 기간 동안 부가적인 아크 발생을 일으켜서 상기 제2 기간 동안 불꽃 점화에 의해 가연성 가스 혼합물을 점화시키기 위해서 점화기에 가해진 전압을 증가시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 내의 가연성 가스 혼합물을 점화시키는 방법.
제7항에 있어서, 아크 발생에 의한 점화의 제2 기간 후에, 코로나 방전 점화에 의해서 가연성 가스 혼합물의 점화를 계속하기 위하여 아크 발생이 없는 코로나 방전을 회복하는 수준으로 가해진 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연소실 내의 가연성 가스 혼합물을 점화시키는 방법.
전자 제어 유닛을 가지고 있는 차량의 마이크로프로세서에서 실행될 수 있는, 유형의 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
아크가 검출될 때, RF 변압기로의 전압을 증가시킴으로써 아크를 의도적으로 강화시키도록 코로나 발생 동안 아크를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제9항에 있어서,
채널을 설정하고 저전압을 가하는 단계;
변압기의 전압을 측정하는 단계;
전압이 소정의 한계값 사이에 있는 경우에는, 채널을 증가시키고 액티브 에지가 전자 제어 유닛으로부터 검출되었는지 여부를 결정하는 단계; 그리고
엔진 파라미터를 수집하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제9항에 있어서,
표로부터 시간 및 전압을 읽어내는 단계;
파라미터를 이용하여 시간 및 전압을 조정하는 단계;
연소 상태를 결정하는 단계;
전압을 가하는 단계; 그리고
상기 파라미터를 수정하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
제7항에 있어서, 상기 엔진 파라미터는 속력, 부하, 온도 및 채널 갯수를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.