KR20170101902A - 내연 기관을 위한 점화 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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페트러스 폴러스 크루거
베렌드 비저
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노스-웨스트 유니버시티
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Abstract

점화 시스템(10)은 1차 권선(12.1) 및 2차 권선(12.2)을 포함하는 고전압 변압기(12)를 포함한다. 1차 공진 회로(26)는 상기 1차 권선(12.1) 및 1차 회로 커패시턴스(24)에 의해 형성된다. 2차 공진 회로(16)는 상기 2차 권선(12.2)의 부하로서, 점화 플러그(14)에 의해 형성되며, 상기 점화 플러그(14)는 2차 회로 커패시턴스(180) 및 병렬로 놓여진 2차 회로 부하 저항(Rp)에 의해 나타내어질 수 있다. 상기 부하 저항 값은 점화 주기 동안에 변화한다. 상기 1차 공진 회로(26) 및 상기 2차 공진 회로(16)는 공통 모드 공진 주파수(fc) 및 차동 모드 동진 주파수(fd)를 가진다. 컨트롤러(28)는 구동 회로(22)가 상기 1차 권선을, 상기 공통-모드 공진 주파수(fc) 또는 상기 차동-모드 공진 주파수(fd) 중 하나의 주파수에서 구동하도록 구성되며, 상기 1차 권선의 상기 주파수를 상기 가변 부하 저항에 맞추도록 피드-백 회로(50)에 연결된다.

Description

내연 기관을 위한 점화 시스템 및 그 제어 방법 {IGNITION SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND A CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 내연 기관(internal combustion engine) 점화 시스템 및 점화 시스템의 점화 플러그를 구동하는 방법에 관한 것이다.
배출 기준을 충족시키기 위한 휘발유 내연 기관의 배기 가스 개선을 목적으로, 엔진은 높은 배기 가스 재순환(exhaust gas recycling, EGR) 또는 희박한(lean) 공기 - 연료 혼합물로 동작될 필요가 있다.　이러한 조건 하에서 연소 안정성을 향상시키는 코로나 점화 플러그가 알려져 있다.　그러나, 이러한 플러그는 종래의 점화 코일에 의해 구동될 수 없으며, 코로나가 생성되고 그 후에 성장에 따라, 변화하는 부하 조건 하에서 고주파수 및 고전압에서 구동되어야 한다.　알려진 점화 시스템은 복잡하고 비싸다.　기존의 코로나 시스템을 고비용으로 만드는 요소 중 하나는 스파크를 방지하기 위해 코로나에 전달되는 전력을 조심스럽게 제어해야 한다는 요구 사항이다.
또한, 공지된 스파크 플러그 점화 시스템은 스파크로 전달되는 전력의 양을 제어하는 능력을 갖고 있지 않다.　공지된 시스템은 스파크 저항에 비례하여 전력을 전달한다.　스파크에 전달되는 전력의 양이 제어 가능하지 않고 점화 사이클들 사이에 스파크 저항이 다를 수 있기 때문에, 스파크로 전달되는 전력의 양은 사이클마다 다를 수 있다.　전달되는 전력의 차이는 사이클 사이의 점화 및 연소에 원하지 않는 차이를 유발할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 상술한 단점들이 적어도 완화될 수 있거나 공지된 시스템 및 방법을 위한 유용한 대안을 제공할 수 있다고 출원인이 믿는 점화 시스템 및 점화 플러그 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 다음을 포함하는 점화 시스템이 있다.
- 제1 인덕턴스(L1)를 갖는 1차 권선 및 제2 인덕턴스(L2)를 갖는 2차 권선을 포함하는 고전압 변압기;
- 상기 1차 권선 및 1차 회로 커패시턴스(C1)를 포함하며, 1차 공진 주파수(f1)를 갖는 1차 공진 회로;
- 상기 2차 권선에 부하로 연결되며, 사용에 있어서, 상기 2차 권선, 2차 회로 커패시턴스(C2) 및 2차 회로 부하 저항(Rp)을 포함하는 2차 공진 회로를 형성하는 - 상기 부하 저항은, 사용에 있어서 그리고 점화 주기 동안에, 높은 제1 값과 낮은 제2 값 사이에서 변화하며, 상기 2차 공진 회로는 제1 공진 주파수(f2)를 가짐 - 점화 플러그;
- 상기 1차 회로와 연결되며 구동 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 구동 회로;
- 상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로를 포함하는 공진 변압기가 전체적으로 공통-모드 공진 주파수(fc) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)를 갖도록 하는, 0.5 미만의 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 사이의 자기 결합(k);
- 상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로 중 적어도 하나로부터의 피드-백 회로에 연결되며, 상기 구동 회로로 하여금, 상기 부하 저항 - 이 부하 저항은 상기 피드-백 회로로부터의 컨트롤러에 의해 파생됨 - 에 종속되는, 가변 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하도록 구성되는 상기 컨트롤러;
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 점화 플러그는 오로지 점화 목적의 코로나를 생성하기 위한 코로나 플러그이며, 상기 컨트롤러는 상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 구동 회로가 상기 1차 권선을 상기 공통-모드 공진 주파수에서 구동하여 코로나를 생성하도록 하며, 작은 부하 저항을 초래하는 스파크가 형성되면, a) 상기 1차 권선을 구동하는 것을 중단하거나, b) 공진 주파수와 실질적으로 다른 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하도록 하여, 상기 스파크 플라즈마로의 전력 전달을 중단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 점화 플러그는 점화 목적의 스파크를 형성하기 위한 스파크 플러그이며, 상기 컨트롤러는 상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 구동 회로가 상기 공통-모드 공진 주파수 및 상기 차동-모드 공진 주파수 중 하나에서 상기 1차 권선을 구동하도록 하여 결과적으로 고전압을 생성하여 스파크를 형성하며 상기 부하 저항이 작은 경우에는, 그에 따라 상기 1차 권선을 상이한 주파수에서 구동하여 상기 부하로 기 설정된 양의 전력을 전달하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 구동 주파수는 공통-모드 주파수와 동일하며, C1의 값은 상기 공진 변압기의 실효 품질 인자를 향상시키는 C1<L2C2/(1+0.5k)L1일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 구동 주파수는 상기 차동-모드 주파수와 동일하며, C1의 값은 상기 공진 변압기의 실효 품질 인자를 향상시키는 C1>L2C2/(1- 0.5k)L1, 일 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따르면 점화 시스템을 구동하는 방법을 제공할 수 있다. 점화 시스템은 상기 1차 권선 및 1차 회로 커패시턴스(C1)를 포함하며 제1 공진 주파수(f1)를 갖는 제1차 공진 회로; 상기 2차 권선에 부하로서 연결되며, 사용에 있어서, 상기 2차 권선, 2차 회로 커패시턴스(C2) 및 2차 회로 부하 저항(Rp)을 포함하는 2차 공진 회로를 형성하는 - 상기 부하 저항은, 사용에 있어서 그리고 점화 주기 동안에, 높은 제1 값과 낮은 제2 값 사이에서 변화하며, 상기 2차 공진 회로는 제2 공진 주파수(f2)를 가짐 - 점화 플러그; 상기 1차 회로와 연결되어 구동 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 구동 회로; 부하 저항이 큰 경우에 상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로를 포함하는 공진 변압기가 전체적으로 공통-모드 공진 주파수(fc) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)를 가지도록 하는, 0.5 미만의 상기 1차 권선 및 2차 권선 사이의 자기 결합(k)을 포함하며, 상기 방법은, 상기 부하 저항에 종속되는 가변 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 다양한 형태에 있어서, 상기 점화 플러그는 오로지 점화 목적의 코로나를 생성하기 위한 코로나 플러그이며, 상기 방법은 상기 부하 저항이 큰 경우, 코로나를 생성하기 위하여 상기 1차 권선을 상기 공통-모드 공진 주파수에서 구동하는 단계, 작은 부하 저항을 초래하는 스파크가 형성되는 경우, 그에 따라 a) 상기 1차 권선을 구동하는 것을 중단하는 단계 또는, b) 상기 스파크 플라즈마로의 전력 전달을 중단하도록 공진 주파수와 실질적으로 다른 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 다른 형태에 있어서, 상기 점화 플러그는 점화 목적의 스파크를 생성하기 위한 스파크 플러그이며, 상기 방법은 상기 부하 저항이 큰 경우, 상기 1차 권선을 상기 공통-모드 공진 주파수 및 상기 차동-모드 공진 주파수 중 하나에서 구동하여 결과적으로 스파크를 형성하기 위한 고전압을 생성하는 단계 및 상기 부하 저항이 작은 경우에 상기 부하에 기 설정된 양의 전원을 전달하기 위하여 상기 1차 권선을 다른 주파수로 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예시로, 더 설명될 것이다.
도 1은 점화 플러그를 포함하는 점화 시스템의 일 실시예의 하이 레벨 회로도이다.
도 2는 코로나 플러그 형태의 점화 플러그를 포함하는 점화 시스템의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3은 스파크 플러그의 형태의 점화 플러그를 포함하는 점화 시스템의 다른 실시예의 유사한 도면이다.
도 4는 상이한 병렬 부하 저항(Rp)에 있어서, 구동 주파수에 대한 출력 전력의 그래프이다.
도 5는 점화 시스템의 일 실시예의 또 다른 하이 레벨 회로도이다.
도 6의 (a)는 상이한 구동 주파수에 있어서, 병렬 부하 저항에 대한 출력 전력의 그래프이다.
도 6의 (b)는 상이한 자기 결합 계수에 있어서, 병렬 부하 저항에 대한 공통 모드 및 차동 모드 주파수의 그래프이다.
도 7의 (a)는 도 6의 (a)와 유사하나, 부하 용량이 20% 증가한 경우의 그래프이다.
도 7의 (b)는 도 6의 (b)와 유사하나, 부하 용량이 20% 증가한 경우의 그래프이다.
도 8은 서로에 대해 제 1 및 제 2 공진 주파수가 서로 상대적으로 변화하는 동안, 공통 모드 공진 주파수(fc) 및 차동 모드 공진 주파수(fd)의　변화를 나타내는 정규화된 그래프이다.
도 9는 제 1 및 제 2 공진 주파수들의 비율에 대한 인자 g(ω)의 값을 나타내는 그래프이다.
점화 시스템의 실시예들은, 도 1 및 도 5에서 참조부호 '10', 도 2에서 참조부호 '10.1', 및 도 3에서 참조부호 '10.2'로 표시되어 있다.
도 1을 참조하면, 점화 시스템은 1 차 권선(12.1) 및 2 차 권선(12.2)을 포함하는 고전압 변압기(12)를 포함한다.　점화 플러그(14)는, 부하로서 2차 권선에 연결되며, 사용에 있어, 2차 권선(12.2), 및 2 차 권선(12.2)과 병렬인 부하 저항(20)과 2 차 회로 커패시턴스(18)를 포함하는 2 차 공진 회로(16)를 형성한다.　 부하 커패시턴스(18) 및 부하 저항(20)은 주로 점화 플러그의 전극(114.1 및 114.2) (도 2 및 도 3에 도시됨) 사이의 매질(가스 및 / 또는 플라즈마)의 커패시턴스 및 저항에 의해 제공된다.　사용 및 점화 중에, 부하 저항은 제1 의 높은 값에서 제2 의 낮은 값으로 변하고 부하 커패시턴스는 제1 의 낮은 값에서 제2 의 높은 값으로 변화하는 것으로 알려져 있다.　처음에는 코로나가 생성됨에 따라 커패시턴스가 증가하고 부하 저항이 감소한다.　스파크가 형성되면, 부하 저항이 갑자기 그리고 극적으로 감소한다.　커패시터(24)는 직렬 구성으로 1차 권선(12.1)과 직렬로 연결되거나(도 1 참조) 또는 병렬 구성으로 1차 권선(12.1)과 병렬로 연결되어(도 5 참조) 1차 공진 회로(26)를 형성한다. 구동 회로(22)는 1차 권선을 구동하기 위해 1차 회로에 연결된다. 구동 회로는 (직렬 구성용) 전압원 또는 (병렬 구성용) 전류원 중 하나일 수 있다.　1차 공진 회로(26)는 제1 각(angular) 공진 주파수(ω1)와 연계된 제1 공진 주파수(f1)를 가지며, 2차 공진 회로(16)는 부하 저항(20)이 큰 경우(그 제 1 값을 가짐)에는 제 2 공진 주파수(f2)를 가지며 부하 저항이 작은 경우(그 제2 값을 가짐)에는 제2 공진 주파수를 가지지 않는다.　제2 공진 주파수는 제2 각 공진 주파수(ω2)와 연계되며 제 1 공진 주파수(f1)와 동일하거나 상이할 수 있다.　1차 권선(12.1) 및 2차 권선(12.2) 사이의 자기 결합 계수(k)는 0.5 미만이며, 이에 따라 1차 공진 회로와 2차 공진 회로를 포함하는 공진 변압기는 부하 저항이 그 제1 값을 가지는 경우, 공통-모드 공진 주파수(fc) (도 4에 도시되며 이하에서 설명됨) 또는 각 주파수(ωC) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)(마찬가지로 도 4에 도시되고 이하에서 설명됨) 또는　각 주파수(ωd)를 가지며, 반면 부하 저항이 그 제2의 낮은 값에 가까워지는 경우에는 차동 모드 공진 주파수(fd)만을 가진다.
아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 1 차 공진 회로 또는 2 차 공진 회로 중 하나로부터 피드백 회로(50)에 연결된 컨트롤러(28)는 코로나 플러그(14.1)(도 2에 도시됨)의 경우에는 구동 회로(22)로 하여금, 1차 권선(12.1)을 공통-모드 공진 주파수(fc)에서 구동하여 코로나를 생성하고 부하 저항에 있어서 수반되는 하락과 함께 스파크가 형성되도록 하여, i) 1 차 권선의 구동을 중단하거나, ii) 공통 모드 공진 주파수(fc)와 실질적으로 상이한 주파수에서 1차 권선을 구동하여 스파크가 종료되도록 구성된다.　스파크가 종료되면 컨트롤러는 공통-모드 공진에서 발진을 재개하도록 구성될 수 있다.
스파크 플러그(14.2)의 경우(도 3에 도시됨), 컨트롤러는 구동 회로로 하여금 부하 저항이 작아지고 스파크가 형성될 때까지 공통-모드 공진 주파수(fc)와 차동-모드 공진 주파수(fd)중의 하나에서 1 차 권선(12.1)을 구동하도록 하고, 그 후에 다른 주파수에서 1 차 권선을 구동하여 기 설정된 양의 전력이 스파크에 전달되는 것이 보장되도록 구성된다.
여전히 도 1을 참조하면, 변압기(12)는 1차　인덕턴스(L1)와　2차 인덕턴스(L2)를 가진다. 직렬　커패시터(24)는 커패시턴스(C1)를 가지며, 2차 부하는 커패시턴스(C2)와 병렬 저항(Rp)을 가진다.　이것은 제1 공진 주파수(f1)(또는 연관된 각 공진 주파수(ω1))와 제2 공진 주파수(f2)(또는 연관된 각 공진 주파수)(ω2))가 동일한 경우(ω1 ,2=1/L1C1=1/L2C2)에 점화　회로는,
Figure pct00001
, 두 가지　공진 주파수 - 여기서 ωc는 (1차 권선(12.1)의 전류와 2차 권선(12.2)의 전류가 동일 위상에 있는 경우) 공통-모드 공진 주파수로 일컬어지고, ωd는 (상기 전류들이 180 도 다른 위상에 있는 경우(out-of-phase)) 차동-모드 공진 주파수로 일컬어짐- 를 가지는 것으로 볼 수 있다.　도 4에 도시된 바와 같이, 공통-모드 공진 주파수(fc)는 1차 및 2차 공진 주파수들 ω1=ω2 보다 작으나, 차동-모드 공진 주파수(fd)는　ω1=ω2　보다 크다. 도 4 및 위의 식을 참조하면　f1=f2=5MHz, k=0.2로 주어지면 fc=4.6MHz 이고 fd=5.6 MHz이다.
또한, 사용시, 점화 플러그에 의해 생성된 코로나가 성장함에 따라, 부하 저항(Rp)이 감소하고 ωc　및　ωd　모두 감소한다(도 6의 (b)에 나타낸 바와 같음).　Rp가 ω2L2에 가까워짐에 따라, 공통 모드 공진 주파수(ωc)는 영(零, zero)에 접근하고 ωd는　ω1에 접근한다.　Rp가 ω2L2보다 작은　경우에는, 공통　모드 공진 주파수 ωc는 없고,　ωd=ω1이다.　이것은 또한 도 4에 A로 표시된　파선(broken line)에 의해 나타나 있다.
2차 측의 최대 전압(V2)은 1차 및 2 차 측의 손실에 종속하며 자기 결합 계수(k)에는 거의 독립적임을 더 보여질 수 있다.　변압기　전압 비율(|V2|/|V1|)은　결합　계수(k)에 독립적이며,　공지의 식
Figure pct00002
에 의해　주어진다.　필요한　최소 결합은　1차 및 2차 측의 손실에 의해 결정되며, 1차 및 2차 회로들의 품질 계수(quality factors)가
Figure pct00003
및
Figure pct00004
인 경우에
Figure pct00005
되도록 해야 한다.　R1　및 R2는　아래에서 더욱 상세하게 언급될 것이다.
코로나를 생성하기 위한 점화 시스템(10.1)의 예가 도 1과 함께 읽히는 도 2에 나타나 있다. 시스템(10.1)은, 변압기(112)에 연결되는 (그 내용이 본 명세서에 포함되는 "점화 플러그(Ignition Plug)"라는 명칭의 본 출원인이 공동 계류중인 국제 출원에 설명된 바와 같은) 코로나 플러그(14.1)를 포함한다. 스파크를 생성하기 위한 점화 시스템(10.2)의 예가 도 1과 함께 읽히는 도 3에 나타나 있다. 시스템(10.2)은 변압기(112)에 연결된 스파크 플러그(14.2)를 포함한다.
변압기는 비자성체(non-magnetic material)의 몸체(32)로 채워진 약 20mm의 직경(D)을 갖는 금속 튜브(30) 내부에, 20mm의 길이에 걸쳐 약 10mm의 직경을 갖는 200개의 2차 권선 턴(turn)을 포함한다.　2차 권선(112.2)은 약 L2=130μH의 인덕턴스를 갖는다. 코로나　플러그(14.1)에　연결되면,　2차 부하　커패시턴스는　약 C2=7pF이고, 그 결과 2차 공진 주파수는 f2=ω2/2π=5.3MHz가 된다.　1차　권선(112.1)은, 약 530nH의 인턱턴스를 가지는 10개의 권선 턴을 가지며, 약 10mm 직경을 가지며 1.7nF의 커패시턴스(C1)를 갖는 직렬 커패시터(24)에 연결되어, 그 결과 1차 공진 주파수는 f1=ω1/2π=5.3MHz가 된다.　결합　계수(k)는 권선들(112.1 및 112.2) 사이의 오버랩에 의해 결정되며, 일반적으로 k=0.05 와 k=0.4 사이의 값을 가진다. 두 공진기들(1차 및 2차　회로)의　품질　인자는 대략 Q1=Q2=100이어서, k>0.05에 대해 곱한 값은 Q2Q1k2>25이다. 점화　회로는 200V 피크-투-피크 구형파를 출력하는 구동 회로에 의해 구동된다. 큰 부하에 대한 공진 주파수들 중 하나에서 구동될 때 1 차측 권선의 전압은 그 때에 대략 V1=3kV이고 출력 전압은 대략
Figure pct00006
이다.　부하가 1 MΩ인 경우에 도 4에 도시된 바와 같은 공진 시에 부하에 전달되는 전력은 P2=V2/R=2kW 이다.
일반 스파크 플러그가 스파크 플러그(14.2) 대신에 사용될 수도 있다.　그러나 스파크 플러그 세라믹에서 원치 않는 코로나를 방지하려면 더 낮은 구동 주파수를 활용해야 한다.　이러한 경우, 2차 권선(112.2)은 페라이트 자성 재료 주변에 10mm의 직경의 740 턴을 포함하여, 그 결과 L2=112.2mH의　2차 인덕턴스가 된다.　스파크 플러그 커패시턴스를 포함하는 2차 측　커패시턴스는, 대략　30pF이어서, 340kHz의　제2 공진 주파수(f2)를 제공한다.　1차 권선(112.1)은 동일한 자기 물질 주변에 12 턴을 포함하여, 그 결과 L1=4μH의 인덕턴스가 되며, 56nF의 직렬 커패시터(24)에 연결되는 경우에 340kHz의 동일한 공진 주파수(f1)를 가진다. 점화 회로는 200V 피크-투-피크 구형파를 출력하는 구동회로(22)에 의해 구동된다.　큰 부하를 위한 공진에서 구동되면, 1차 권선의 전압은 약 V1=1kV이고　출력 전압은 약 V2=43kV이다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 부하 저항(Rp)의 함수로서 부하(14)에 전달되는 전력 P2=V2 2/Rp은 구동 회로(22)의 주파수에 의해 결정된다. 도 1 및 도 5에 참조부호 '50'으로 나타낸 피드백을 이용하여, 1차 권선(12.1)은, 그들은 각각 사용 변경에 따라, 공통-모드 공진 주파수(fc) 대안적으로는 차동-모드 공진 주파수(fd)로 구동될 수 있다. 그렇지 않으면, 시스템(10)은 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 4.5MHz와 같은 상수 주파수(fconst)로 구동될 수 있다. 이들 세 가지 경우에 대하여 저항의 함수로서 전력을 도 6의 (a)에 나타내었다.
공통-모드 공진 주파수(fc)에서 시스템을 구동하는 것은 부하 저항이 작아지면, '62'로 나타낸 바와 같이 본질적으로 전력 전달을 중단하는 것을 도 6의 (a)로부터 볼 수 있다. 이런 이유로, 시스템 및 방법은 스파크가 형성되는 순간에 본질적으로 전력을 줄인다.　'64'로 나타낸 바와 같이 회로를 상수 주파수(fconst)로 구동하는 것은 일정한 값을 가지는 전류를 작은 부하로 전달할 것이고, '66'으로 나타낸 바와 같이 시스템을 차동-모드 공진 주파수(fd)로 구동하는 것은 결과적으로 아주 큰 전력을 작은 부하로 전달하게 될 것이다.
도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 20% 만큼 2차 커패시턴스를 증가시킴으로써 코로나가 성장함에 따라 부하 커패시턴스(C2)에 있어서 변화의 효과가 관찰될 수 있으며, 결과적으로 약 10%의 공통-모드 공진 주파수의 감소를 가져온다. 추가 커패시턴스 없이 구동 주파수가 공통-모드 공진 주파수로 고정되는 경우, 시스템은 추가 커패시턴스가 있어도 더 이상 공진 상태에서 구동되지 않을 것이다.　이것은 공통-모드 공진 주파수(fc)에서 시스템을 구동하는 것보다 훨씬 낮은 고전압(V2)을 야기할 것이다.
구동 회로(22)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 2차 전류를 감지하고, 2차 전류와 위상 동기(또는 180도 위상 차)를 이루도록 1차 회로(26)를 구동함으로써 공통-모드 (또는 차동-모드) 주파수에서 발진하도록 구성될 수 있다.
따라서, 점화 시스템에 있어서 고전압을 생성하는 데에 약하게 결합된 두 공진기가 사용될 수 있다.　컨트롤러(28)가 부하 변화에 따라 변화하는 공통-모드 또는 차동-모드 공진 주파수를 구동 회로(22)가 따르게(follow) 함으로써, 부하로 전달되는 전력의 양이 제어될 수 있다.　시스템이 공통-모드 공진 주파수에서 구동될 때 코로나 점화 시스템에 예기치 않은 결과가 있어, 도 6의 (a)에서 '62'에서 도시된 바와 같이, 전력 전달은 스파크가 형성되는 순간 본질적으로 감소된다.
상술한 바와 같이, 1차 권선(12.1)은 커패시터(C1)에 직렬로(도 1) 또는 병렬로(도 5), 그리고 구동 회로(22)에 연결된다. 커패시터(C1) 및 인덕턴스(L1)는 제1 각 공진 주파수(ω1 2=1/L1C1)를 갖는 제1 공진 회로를 형성한다. 제1 공진 회로에서의 손실로 인해, 회로는 제1 품질 인자(Q1)를 가져, 각(angular) 주파수(ω)에서의 손실은 Q1=ωL1/R1에 의해 주어지는 등가 직렬 저항(R1), 또는 등가 병렬 저항에 의해 표시될 수 있다.
2차 권선은 점화 플러그와 같은 부하(14)에 연결된다.　2차 권선 및 부하의 커패시턴스는 병렬 커패시터(C2)로 나타낼 수 있다.　2차 권선 및 부하의 저항의 손실은 병렬 저항(Rp)에 의해 나타낼 수 있다.　커패시턴스(C2) 및 인덕턴스(L2)는 2차 각 공진 주파수 ω2 2=1/L2C2를 갖는 공진 회로를 형성한다.　각 주파수(ω)에서의 2차 측의 품질 인자(Q2)는　Q2=Rp/ωL2에 의해 주어진다.　아래의 설명은 저항(Rp)이 클 때의 경우, 즉 점화 플러그의 전극들 사이에 스파크가 없는 경우에 관한 것이다.
1차 및 2차 권선들 사이의 자기 결합으로 인하여, 제1 및 제2 회로들은, 공진 변압기로 불리는, 연합(combined) 공진 회로를 형성한다.　이 공진 변압기는 (Rp>100kΩ에 대하여 도 4에 나타낸 바와 같이) 제1 각 주파수(ω1) 또는 2차 각 주파수(ω2) 중 어느 것에도 공진하지 않으나, 공통-모드 공진 주파수(fc) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)로 불리는, 두 개의 다른 공진 주파수를 가진다.
제1 및 2차 각 주파수들이 동일 ω1=ω2 (즉, L1C1=L2C2) 한 때의 특별한 케이스에 대해서, 공통-모드 각 공진 주파수는 ωc 2=w1 2/(1+k)로 주어지고 차동-모드 각 공진 주파수는 ωd 2=w1 2/(1-k) 로 주어진다.　그러나　ω1가　ω2　보다 커지게 되면 (ω1>ω2)　공통-모드 주파수는 제2 공진 주파수에 가까워지고 ωc→ω2, 차동-모드 주파수는 제1 공진 주파수에 가까워진다 ωd→ω1.　마찬가지로,　ω1이　ω2보다　작아지게 되면 (ω1<ω2),　ωc→ω1　및 ωd→ω2 .　이는 주파수들이　ω2에 대하여 정규화된 도 8에 도시된다.
공진 변압기가 두 개의 공진 주파수들 중 어느 하나에서 구동될 때, 일차 전류(I1)(도 1)는 공급 전압 V0과 동일 위상이며, 도 1에서와 같이 직렬로 연결된 경우의 푸쉬-풀 구동 회로(22)는 영 전류로 스위칭되거나, 도 5와 같이 병렬로 연결된 경우의 푸쉬-풀 구동 회로(22)는 영 전압으로 스위칭될 수 있다. 이것은 스위칭 손실이 작다는 첫 번째 장점을 가진다.
공진에서 구동되는 공진 변압기의 두 번째 장점은 각 발진(oscillation) 주기가 2차 회로에 에너지를 전달하여 2차 회로 내의 에너지(그리하여 고전압)가, 각 주기 동안 전달된 에너지가 손실된 에너지와 같아져 달성되는 정상 상태가 될 때까지, 각 추가적인 주기에 따라 점차로 증가한다. 그 결과, 각 주기 동안 구동 회로에 의해 공급되는 에너지보다 2차 회로 내의 에너지가 훨씬 더 많다.　이는, 등식 |V2||I2|=QeffV0I1에 의해 나타내어질 수 있으며, 여기서 2차 회로의 전력은 2차 전압의 크기 |V2|와 2차 전류의 크기 |I2|의 곱에 의해 나타내어질 수 있으며, 공급된 전력은 (동일한 위상의) V0 및 I1으로 주어지며 Qeff>1 는 공진 변압기의 실효 품질 인자이다.　스파크를 생성하거나 코로나를 성장시키기 위해서는 약 30kV의 2차 전압이 필요하다.　이것은 더 강력한 구동 회로보다 저렴하고, 간단하며 신뢰성이 있는, 더 작은 (강력하지 않은(less powerful)) 구동 회로, 더 큰 Qeff가 동일한 출력 전압을 생성하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
ω1=ω2를 갖는 공진 변압기가 소위 테슬라 코일에 일반적으로 사용된다. 그러나, ω1=ω2　(즉, L1C1=L2C2)인 경우,　공통- 및 차동-모드 공진 주파수들에서의 실효 품질 인자는 변압기의 1차 및 2차 회로 모두의 품질 인자, 즉
Figure pct00007
또는 Qeff -1=Q1 -1+Q2 -1에 의해 결정된다.　1차 권선은 보통 몇 턴만으로 이루어지며 1차 권선의 전류는 2차 권선에 있어서 보다 훨씬 더 크다.　그 결과 1차 회로는 2차 회로보다 더 많은 손실을 갖고, Q1<Q2, 이에 따라　원하지 않는, 실효 품질 인자 Qeff<Q1<Q2가 된다.
그러나 ω1 ≠ω2일 때, 우리는 실효 품질 인자(Qeff)가 공통- 및 차동 모드 공진 주파수 중 하나에서 증가하고, 다른 하나에서 감소하는 예상치 못한 효과를 갖는다.　공통 및 차동-모드 주파수에서 실효 품질 인자는 g(ω)=(-ω2 2/ω2+1)2/k2 의 함수와 함께
Figure pct00008
및
Figure pct00009
로 쓰여질 수 있다. g(ω)　함수는 2차 및 1차 공진 회로들에 저장된 에너지의 비율로 해석할 수 있다.　따라서 어느 공통- 또는 차동-모드 공진 주파수가 ω2에 가까워짐에 따라, 즉 ωc,d→ω2, 그 공진에서의 실효 품질 인자는 Q2에 가까워지는 것, 즉 Qeff(ωc,d)→Q2이 명백하다.
r의 인자로 ω1이 ω2보다　크거나 작다고 가정한다. 즉, ω1=rω2.　그러면 도 9로부터 ω1이 ω2보다 커짐에 따라 (ω1>ω2),　g(ωc)→0, Qeff(ωc)→Q2 그리고 공통-모드 공진이 보다 효율적이 되며, ω1이 ω2　보다 작아짐에 따라 (ω1<ω2), g(ωd)→0, Qeff(ωd)→Q2 그리고 차동-모드 공진이 보다 효율적인 것을 확인할 수 있다.
도면은 또한 g≤k/(4|1-ω1/ω2|)인 것을 나타낸다.　이는 ω1 2=1/L1C1　및 ω2 2=1/L2C2의 면에서 실효 품질 인자에 있어서의 향상을 추정하는 것을 가능하게 한다.
Q1의　효과는, k/4(1-r)<½ 즉, L2C2<(1-½k)L1C1에서의 차동-모드 공진의 경우에 적어도 2배 작을 (g<½) 것이고, Q1의　효과는 L2C2>(1+½k)L1C1에서의 공통-모드 공진에서 절반 미만이 될 것이다.
Q1의　효과는, k/4(1-r)<¼ 즉, L2C2<(1-k)L1C1에서의 차동-모드 공진의 경우에 적어도 4배 작을 (g<¼) 것이고, Q1의　효과는 L2C2>(1+k)L1C1에서의 공통-모드 공진에서 절반 미만이 될 것이다.
코로나 플러그 및 스파크 플러그의 실시예가 각각 도 3 및 도 2에 도시되어 있다.　이들 실시예들은 제1 단부 및 제1 단부와 대향하는 제2 단부를 갖는 전기적 절연 재료의 연장된 원통형 몸체를 포함할 수 있다. 제1 면(face)은 제1 단부에 제공된다. 제1 연장 전극(114.1)은 몸체 내에서 길이방향으로 연장된다.　제1 전극은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는다.　제1 전극은 몸체의 제1 단부로부터 몸체의 제2 단부를 향한 방향으로 제1 거리(d1)에서　그것의 제1 단부에서 종결된다.　따라서 몸체는 제1 전극의 제1 단부와 몸체의 제1 단부에서 어귀(mouth, 119) 사이에서 연장되는 블라인드 보어(blind bore, 118)를 형성한다.　제2 전극(114.2)은 몸체의 외측 표면 상에 제공되며, 제2 전극은 a) (도 3에 나타낸 것과 같은 스파크 플러그에 대한) 몸체의 제1 면과 같은 높이 및 b) (도 2에 나타낸 것과 같은 코로나 플러그에 대한) 몸체의 제1 단부로부터 몸체의 제2 단부를 향하는 방향에 있어서 제2 거리(d2) 중 하나에서 종결된다.
생성된 스파크는 어귀(119)를 통해 가연성 가스의 챔버 내로 제1 및 제2 전극 사이에서 연장되는데 여기서 연장된 스파크의 적어도 일부는 가스들에 의해 둘러싸인다.　코로나는 똑같은 방식으로 제1 전극으로부터 어귀(119)를 통해 챔버 내로 연장되며, 여기서 그 길이의 적어도 일부에서 가스에 의해 둘러싸여 있다.

Claims (8)

  1. 제1 인덕턴스(L1)를 갖는 1차 권선 및 제2 인덕턴스(L2)를 갖는 2차 권선을 포함하는 고전압 변압기;
    상기 1차 권선 및 1차 회로 커패시턴스(C1)를 포함하며, 제1 공진 주파수를(f1) 갖는 1차 공진 회로;
    상기 2차 권선에 부하로서 연결되며, 사용에 있어서, 상기 2차 권선, 2차 회로 커패시턴스(C2) 및 2차 회로 부하 저항(Rp)을 포함하는 2차 공진 회로를 형성하는 점화 플러그 - 상기 부하 저항은, 사용에 있어서 그리고 점화 주기 동안에, 높은 제1 값과 낮은 제2 값 사이에서 변화하며, 상기 2차 공진 회로는 제2 공진 주파수(f2)를 가짐 - ;
    상기 1차 회로와 연결되어 구동 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 구동 회로;
    상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로를 포함하는 공진 변압기가 전체적으로 공통-모드 공진 주파수(fc) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)를 갖도록 하는, 0.5 미만의 상기 1차 권선 및 2차 권선 사이의 상기 자기 결합(k); 및
    상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로 중 적어도 하나로부터의 피드-백 회로에 연결되며, 상기 구동 회로가, 상기 부하 저항 - 상기 부하 저항은 상기 피드-백 회로로부터의 컨트롤러에 의해 파생됨 - 에 종속되는, 가변 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하도록 하는 상기 컨트롤러를 포함하는 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 점화 플러그는 오로지 점화 목적의 코로나를 생성하기 위한 코로나 플러그이며, 상기 컨트롤러는 상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 구동 회로가 상기 1차 권선을 상기 공통-모드 공진 주파수에서 구동되어 코로나를 생성하도록 하며, 작은 부하 저항을 초래하는 스파크가 형성되는 경우에는 a) 상기 1차 권선을 구동하는 것을 중단하거나, b) 공진 주파수와 실질적으로 다른 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하도록 하여, 결과적으로 상기 스파크 플라즈마로의 전력 전달을 중단하도록 하는, 점화 시스템.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 점화 플러그는 점화 목적의 스파크를 생성하기 위한 스파크 플러그이며, 상기 컨트롤러는 상기 부하 저항이 큰 경우에 상기 구동 회로가 상기 공통-모드 공진 주파수 및 상기 차동-모드 공진 주파수 중 하나에서 상기 1차 권선을 구동하여 결과적으로 고전압을 생성하여 스파크를 형성하며 상기 부하 저항이 작은 경우에, 그에 따라 상기 1차 권선을 상이한 주파수에서 구동하여 상기 부하로 기 설정된 양의 전력을 전달하는, 점화 시스템.
  4. 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 주파수가 상기 공통-모드 주파수와 동일한 경우, 상기 C1의 값은 C1<L2C2/(1+0.5k)L1 이어서, 상기 공진 변압기의 실효 품질 인자를 향상시키는, 점화 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 구동 주파수는 상기 차동-모드 주파수와 동일하며, 상기 C1의 값은 C1>L2C2/(1-0.5k)L1 이어서, 상기 공진 변압기의 실효 품질 인자를 향상시키는, 점화 시스템.
  6. 제1 인덕턴스(L1)를 갖는 1차 권선 및 제2 인덕턴스(L2)를 갖는 2차 권선을 포함하는 고전압 변압기; 상기 1차 권선 및 1차 회로 커패시턴스(C1)를 포함하며 제1 공진 주파수(f1)를 갖는 제1차 공진 회로; 상기 2차 권선에 부하로서 연결되며, 사용에 있어서, 상기 2차 권선, 2차 회로 커패시턴스(C2) 및 2차 회로 부하 저항(Rp)을 포함하는 2차 공진 회로를 형성하는 점화 플러그 - 상기 부하 저항은, 사용에 있어서 그리고 점화 주기 동안에, 높은 제1 값과 낮은 제2 값 사이에서 변화하며, 상기 2차 공진 회로는 제2 공진 주파수(f2)를 가짐 - ; 상기 1차 회로와 연결되어 구동 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 구동 회로; 부하 저항이 큰 경우에 상기 1차 공진 회로 및 상기 2차 공진 회로를 포함하는 공진 변압기가 전체적으로 공통-모드 공진 주파수(fc) 및 차동-모드 공진 주파수(fd)를 가지도록 하는, 0.5 미만의 상기 1차 권선 및 2차 권선 사이의 자기 결합(k)을 포함하는 점화 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 부하 저항에 종속되는 가변 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 점화 플러그는 오로지 점화 목적의 코로나를 생성하기 위한 코로나 플러그이며, 상기 부하 저항이 큰 경우, 상기 1차 권선은 상기 공통-모드 공진 주파수에서 구동되어 코로나를 생성하도록 하고 작은 부하 저항을 초래하는 스파크가 발생하는 경우, 그에 따라 a) 상기 1차 권선을 구동하는 것을 중단하거나, b) 공진 주파수와 실질적으로 다른 주파수에서 상기 1차 권선을 구동하여, 결과적으로 상기 스파크 플라즈마로의 전력 전달을 중단하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 점화 플러그는 점화 목적의 스파크를 생성하기 위한 스파크 플러그이며, 상기 부하 저항이 큰 경우, 상기 1차 권선은 상기 공통-모드 공진 주파수 및 상기 차동-모드 공진 주파수 중 하나에서 구동되어 결과적으로 고전압을 생성하여 스파크를 형성하고, 상기 부하 저항이 작은 경우, 그에 따라 상기 1차 권선을 상이한 주파수에서 구동하여 기 설정된 양의 전력을 상기 부하로 전달하는, 방법.
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