KR20180029196A - 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템을 위한 제어 방법 - Google Patents

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파스쿠알레 포르테
스테파노 실바
유제니오 카루가티
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엘도르 코포레이션 에쎄.피.아.
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Abstract

내연 기관용 전자 점화 시스템으로서, 적어도 하나의 1차 권선(3) 및 2차 권선(4)을 구비한 점화 코일(2), 1차 권선(3)에 연결되고 그리고 구동 신호의 값에 따라 개방 또는 폐쇄 위치로 구동가능한 스위치(6), 스위치(6)와 관련되고 구동 신호(G)의 값에 따라 스위치(6)를 개방 및/또는 폐쇄 위치로 구동하도록 구성된 제어 유닛(7)을 포함한다. 이러한 시스템은 또한, 상기 2차 권선(4)과 관련된 전류 검출 수단(10)을 포함하고, 상기 제어 유닛(7)은 상기 2차 권선(4)에서의 적어도 전류값(III)을 나타내는 신호를 수신하기 위해 상기 전류 검출 수단(10)과 관련되며, 그리고 상기 신호에 따라 상기 스위치(6)를 제어하도록 구성된다.

Description

내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템을 위한 제어 방법
본 발명은 내연 기관(internal combustion engine)을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
내연 기관은 거시적으로(macroscopically) 자연 점화(spontaneous ignition) 엔진과 제어 점화(controlled ignition) 엔진으로 나누어 지는데, 후자는 공기와 연료의 혼합물의 압축 및 스파크의 상황별 생성(contextual generation)에 의해 작동하는바, 스파크는 상기 혼합물을 점화시킴으로써 엔진 내부의 하나 이상의 내부 연소 챔버들 내에서 제어된 폭발을 생성하여, 상기 엔진에 동력을 제공한다. 스파크는 전형적으로 방전 갭(gap)으로 알려진 전극 사이의 특정 거리를 제공하는 스파크 플러그에 고전압 전력을 공급함으로써 발생된다. 후속 방전은 혼합물의 연소를 유발한다.
최근, 엔진의 상태에 따라 스파크 플러그의 작동을 조절하고 따라서 미연소 물질(unburnt matter)의 존재를 감소시키도록 스파크의 생성을 전자적으로 제어함으로써, 이러한 연소의 효율을 극대화하기 위한 여러 가지 솔루션들이 연구되어 왔다.
이러한 접근법들은 주로 연소 챔버 내부의 가스 혼합물에 플라즈마 상태를 유도하는 것, 즉 혼합물/가스를 이온화하여, 이를 전자기장에 강하게 반응하는 양호한 전기 전도체로 만드는 것을 수반한다.
따라서, 내연 기관의 연소 챔버 내에서의 플라즈마 생성은, 정확하게는 본 명세서에 언급된 특징들의 경우, 혼합물의 연소가 개선되는 것을 보장한다. 사실, 연소 챔버 내에서의 전파 동안에 플라즈마에 의해 생성된 화염(flame face)은 가스 혼합물의 온도를 크게 상승시키며 따라서 화염이 진행하는데 필요한 시간을 감소시킴으로서 이러한 화염이 빠르게 확산되게 하고, 성능을 크게 향상시키며 그리고 미연소 가스의 존재를 감소시킬 수 있다.
일례로서, 특허문헌 WO2012/106807은 최신 기술에 의해 알려진 점화 디바이스를 예시한다.
이러한 디바이스는 2 개의 권선들을 갖는 코일을 포함하며, 1차 권선은 발전기에 연결되고 접지에 폐쇄되고, 2차 권선은 스파크 플러그에, 즉, 2 개의 전극들에 연결된다.
또한, 1차 권선에는 제어 유닛에 의해 전자적으로 제어가능한 스위치가 제공되는데, 이는 엔진 제어 유닛(ECU)에 의해 수신되는 제어 신호에 따라 그 개폐를 구동한다.
WO2012/106807에 예시된 발명의 동작은 실질적으로 4개의 단계들을 포함한다.
제 1 단계에서, 스위치는 제어 유닛에 의해 폐쇄되고, 발전기에 의해 생성 된 전류는 1차 권선으로 흐르기 시작하여, 1차 권선을 원하는 전류 값으로 충전한다.
플라이 백(fly-back) 단계로 알려진 제 2 단계에서, 스위치는 제어 유닛에 의해 오픈되고 실행을 멈추며; 전자기 유도에 의해, 1차 권선은 2차 권선측으로 방전하고, 2개의 전극들 사이의 "갭(gap)"에서 유전체를 파괴할만큼 충분히 높은 전압으로 2차 권선을 충전하여 스파크를 발생시킨다.
포워드 단계로 알려진 제 3 단계에서, 스위치는 제어 유닛에 의해 다시 폐쇄되고, 1차 권선을 "충전"함과 동시에 코일을 통해 전력을 2차 권선으로 전달함으로써 다시 수행하여, 이전 것과는 반대 극성인 고전압을 다시 생성하여 상기 "갭" 내의 스파크가 살아있도록 유지한다.
이 경우, 2차 권선 상의 고전압은 2 개의 권선들 사이의 권선비에 의존하는 것으로 알려져 있다.
제 4 단계 동안, 상기 스위치는 다시 폐쇄되어(새로운 플라이-백), 1차 권선을 가열하고 그리고 전자기 유도에 의해, 스파크를 유지하는 상기 "갭"의 단부들에서 반대 극성의 전압을 재-설정한다(re-establish).
다음과 같은 점이 알려져 있는바, 일반적으로 "플라즈마 단계"로 알려진 것은 주로 제 3 단계 및 제 4 단계를 반복함으로써 정의되며, 반복 횟수는 스파크의 지속 시간, 따라서 연소 완료를 결정한다.
바꾸어 말하면, 전압 교류 명령(voltage alternating command)은 방전 "갭(gap)"을 통한 전자들의 흐름을 보장하며, 따라서 애발랜치 이온화(avalanche ionization)의 효과가 발생하게 한다.
하지만, 앞서 기술된 문서를 포함하여, 공지된 디바이스는 성능 및 신뢰성 분야와 관련하여 많은 단점을 가지고 있다.
이러한 기술의 첫 번째 단점은 상기 포워드 단계의 효율성을 가능하게 하기 위하여, 2개의 권선들 사이의 권선비를(2 차측에 유리하게) 증가시킬 필요가 있다는 점과 관련이 있다.
이러한 필요성은, 스위치의 개방 및 폐쇄 설정 사이의 스위칭 속도와 함께, 2차 권선에서, 따라서 스파크 플러그의 단부들에서 스위치의 각 폐쇄 마다 고전압 피크를 발생시키는데 기여한다.
이러한 피크는, 제한되지 않는다면, 갭의 유전체를 파괴하기에 충분할 수 있으며, 결과적으로 실린더의 위험한 어드밴스 스파크(dangerous advance spark)를 야기할 수 있다.
공지된 디바이스들의 또 다른 위험성은, "플라즈마" 단계 동안 스위치를 제어하기 어렵다는 점과 관련된다. 이러한 어려움은, 실린더에서 발생하는 실제 조건들, 즉 2차 권선을 고려함이 없이, 기정의된 로직에 의해 종종 제어되는 스위치의 개폐 관리에 있어 열악한 정확도를 초래할 수 있다.
다시 말하면, 공지된 디바이스들에서 보다 많이 발견되는 문제점들 중 하나는 전력 손실로 인해 2차 권선을 교류로 제어함으로써 높은 주파수에서 연속적인 스위치 개방 및 폐쇄를 수행하여 결과적으로 이에 의해 흡수 및 소산이 발생한다는 점이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 결점을 회피할 수 있는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 고성능이지만 동시에 간단하면서도 비용-효율적으로 구현될 수 있는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 어드밴스 스파크 문제를 제거할 수 있는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 플라이 백(fly-back) 단계 및 포워드 단계 모두에서 용이하게 구동될 수 있는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템을 제공하는 것이다.
다시 말하면, 본 발명의 목적은 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템을 제공하는 것이며, 이는 증가된 신뢰성으로 내연 기관의 열-전력 손실(thermal-power dissipations)을 최대한으로 제한한다.
이러한 목적들은 첨부된 청구항 제1항 내지 제11항의 하나 이상의 특징들을 갖는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템 뿐만 아니라 첨부된 청구항 제12항 내지 제17항의 하나 이상의 특징들을 갖는 구동 방법에 의해 달성된다.
특히, 이러한 목적들은 기결정된 지속 기간의 스파크를 엔진 실린더 내에 발생시키도록 구성된 내연 기관용 전자 점화 시스템에 의해 달성되며, 상기 전자 점화 시스템은, 적어도 하나의 1차 권선 및 2차 권선을 구비한 점화 코일, 상기 1차 권선은 전기 연결부에 의해 전압 발생 디바이스에 연결가능하고 그리고 상기 2차 권선은 스파크 플러그에 연결될 수 있으며, 상기 1차 권선에 연결되고 그리고 상기 1차 권선을 통한 전류의 흐름을 차단 또는 허용하기 위해 커맨드 신호의 값에 따라 개방 또는 폐쇄 위치에서 구동가능한 스위치, 상기 1차 권선과 관련되고 상기 제어 신호의 값에 따라 스위치를 개방 및/또는 폐쇄 위치로 구동하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 상기 시스템은 전기 연결부에 연결되고, 상기 전기 연결부와 1차 권선 사이에 동작가능하게 배치되며, 그리고 제어 신호의 값에 따라 상기 1차 권선의 전압값을 변경시키도록 구성된 전압 변경 전자 소자(voltage changing electronic element)를 포함하고, 상기 제어 유닛은 변경 소자와 관련되고 그리고 상기 1차 권선의 제 1 전압값과 제 2 전압값을 각각 나타내는 적어도 제 1 값과 제 2 값 사이에 있는 가변 제어 신호를 생성하도록 구성되며, 상기 값은 제 1 값보다 크다.
제어 유닛은 또한, 1차 권선의 적어도 제 1 충전 구간 동안 상기 제 1 값을 갖는 제어 신호를 상기 변경 전자 소자로 전송하도록 구성되며, 여기서 상기 스위치는 닫히고, 상기 2차 권선에서 전류 값은 실질적으로 널 평균값(substantially null mean value)을 갖는다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 1차 권선을 충전하는 제 1 단계 동안, 2차 권선 상의, 2개의 권선들 사이의 권선비에 따른 증배 효과(multiplying effect)를 최소화할 수 있다.
달리 말하면, 본 해결책 덕분에, 제 1 플라이-백(fly-back) 단계 동안에 스파크의 개시가 보장될 수 있으며 임의의 경우에서 효율적인 "플라즈마" 제어(제 3 단계 및 제 4 단계)를 유지하여 권선비를 최대화하는 변경 모듈에 의해 파워 전원 전압이 다시 증가된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 시스템은 2차 권선과 관련된 전류 검출 수단을 포함하며; 제어 유닛은 2차 권선에서의 적어도 전류값을 나타내는 신호를 수신하기 위해 검출 수단과 관련되고, 그리고 상기 신호에 따라 상기 스위치를 구동하도록 구성된다.
보다 상세하게는, 제어 유닛은 2차 권선에서 검출된 상기 전류 신호에 따라 스위치 구동 신호를 조절하도록 구성된다.
바람직하게는, 제어 유닛은 적어도 미리 설정된 시간에 2차 권선에서의 적어도 하나의 전류값을 나타내는 신호를 수신하기 위해 검출 수단과 관련되며, 스위치 제어의 하나 이상의 파라미터들과 상기 신호를 상관시킴으로써 상기 신호를 프로세싱하도록 프로그램되며, 상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 미리 설정된 하나 이상의 기준값들 각각과 비교하고 그리고 상기 비교에 따라 결정된 하나 이상의 동작 신호들의 값을 상기 제어 모듈로 전송하도록 구성된다.
따라서, 유리하게도, 스위치 구동(바람직하게는 PWM 변조에서)은 이전 사이클에서의 2차 권선 상의 전류에 대한 폐쇄-링(closed ring) 제어에 따라 수행되어, 응답을 최적화하고 제어 정확도를 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 시스템은 스위치에 병렬로 연결되고 상기 스위치의 개방의 결과로서 상기 1차 권선에 남아있는 잔여 전력을 축적하도록 구성된 축적 회로를 포함한다.
다음을 유의해야 하는바, 본 명세서에 사용된 바와 같은, "잔여 전력(residual power)" 이라는 표현은 1차 권선의 분산된 인덕턴스(dispersed inductance)에 저장된 전력으로 정의되고, 따라서 전자기 유도에 의해 2차 권선으로 전달되지 않는다.
바람직하게는, 상기 축적 회로는 1차 권선 자체의 충전 조건에 따라 상기 1차 권선으로부터의 전류를 흡수하거나 또는 상기 1차 권선 상의 전류를 방전하도록 구성된다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 스위치의 각각의 개방에 대해, 1차 권선으로부터 흐르는 잔류 전류는 축적 회로에 축적되고, 그리고 열 소산없이 1차 권선 상으로 연속적으로 방전되며 그리고 스위치는 이들 전하들을 관리하는 부담으로부터 완전히 자유롭게된다.
이들 및 다른 특징들은 다음에 설명된 도면들에 도시된 바와 같은, 내연 기관용 전자 점화 시스템 및 상기 전자 점화 시스템을 위한 제어 방법의 바람직한, 따라서 배타적이지 않은 실시예의 다음과 같은 예시적인, 따라서 비제한적인 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템의 개략적인 기능도를 도시한다.
도 2는 도 1의 시스템의 구성 요소의 개략적 기능도를 도시한다.
도 3은 도 1의 시스템의 부가적인 기능 컴포넌트의 개략적인 기능도를 도시한다.
도 4는 도 1의 시스템의 제어 유닛의 개략적 기능도를 도시한다.
도 5a-5f는 도 1의 시스템의 구성 요소들의 전류, 전압 및 제어 신호 등을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 2차 권선 상의 전류와 도 1의 시스템의 스위치의 제어 파라미터들 간의 상관관계를 도시한다.
도 7a-7f는 스위치 개방 단계 동안 스위치 및 축적 모듈의 다양한 브랜치들에서의 전류 및 전압 신호들을 도시한다.
첨부 도면을 참조하면, 도면 번호 1은 본 발명에 따른 내연 기관용 점화 시스템을 나타낸다.
따라서, 점화 시스템(1)은 내연 기관의 각 실린더 내에 스파크를 발생시키도록 구성되는 디바이스 또는 디바이스 어셈블리이며, 스파크 플러그(100)의 2 개의 전극들(100a)에 유전체를 파괴시키는데 필요한 전압을 제공하여, 전류 흐름이 생성되게 한다.
따라서, 시스템(1)은 전압(또는 전류) 발생 디바이스(50), 바람직하게는 차량의 배터리에 관련된다(또는 포함한다).
따라서, 바람직한 실시예에서, 발전기(50)는 시스템(1)에 직류를 제공하도록 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 발전기는 배터리이며, 보다 바람직하게는 자동차용 배터리, 더욱 바람직하게는 납 축전지(lead-acid batteries)이다.
또한, 시스템은 적어도 하나의 1차 권선(3) 및 하나의 2차 권선(3)을 갖는 적어도 하나의 점화 코일(2)을 포함한다.
보다 상세하게는, 시스템은 엔진의 실린더와 각각 관련되는 다수의 코일들(2)을 포함한다.
제 1 단자(3a) 및 제 2 단자(3b)가 제공되는 1차 권선(3)은 전기 연결부(5)에 의해 전압 발생 디바이스(50)에 연결될 수 있다.
대신에, 2차 권선(4)은 점화 플러그(100)에 연결가능하다.
1차 권선(3)은 제 1 권선수(first number of turns)(NI)를 포함하고, 2차 권선(4)은 제 2 권선수(NII)를 포함한다.
바람직하게는, 2차 권선(4)(이것은 정확하게는 고전압 회로의 일부이다)은 2차 권선(4) 상의 전압을 높이기 위해 1차 권선(3)보다 높은 권선수를 갖는다.
바람직한 실시예에서, 제 2 권선수(NII)를 제 1 권선수(NI)로 나눈 값인 권선수 비율은, 120과 220 사이의 값을 가지며, 바람직하게는 약 150 이다.
또한, 시스템(1)은 스위치(6)를 포함하는데, 스위치(6)는 1차 권선(3)에 접속되고, 1차 권선(3)을 통해 전류가 흐르는 것을 방지하거나 허용하기 위해 개방 및/또는 폐쇄 위치에서 구동가능하다.
바람직한 실시예에서, 1차 권선(3)은 전기 연결부(5)와 스위치(6) 사이에 배치된다.
따라서, 스위치(6)는 1차 권선(3)의 제 2 단자(3b)에 접속되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 스위치(6)는 정적 유형(static type)이다. 더 바람직하게는, 관련된 전하들의 효율적이고 신뢰성 있는 관리가 가능하도록, 상기 스위치(6)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(isolated gate bipolar transistor)(일반적으로 IGBT로서 공지되어 있다)이다.
따라서,이러한 스위치(6)는,
- 1차 권선(3)에 연결된 제 1 노드 또는 커넥터,
- 접지에 연결된 제 2 노드 또는 이미터, 및
- 스위치(6) 자체의 개방 또는 폐쇄를 허용하도록 제어가능한 제 3 노드 또는 게이트를 포함한다.
상기 도면에서, 상기 시스템은 상기 스위치(6)와 관련된 제어 유닛(7)을 포함하며, 상기 제어 유닛(7)은 미리 설정된 구동 신호의 값에 따라 상기 스위치를 개방 및/또는 폐쇄 위치로 구동하도록 구성된다.
따라서, 제어 유닛(7)은 스위치(6)의 구동 신호를 조절(또는 생성)하도록 구성된다.
보다 상세하게는, 제어 유닛(7)은 스위치(6)의 구동 모듈(11)에 대한 구동 신호를 생성하도록 구성된다.
따라서, 제 3 노드(또는 게이트)는 동작가능하게 그리고 바람직하게는 전기적으로 제어 유닛(7)에 접속된다.
제어 유닛(7) 또는 주변부 전력 유닛은 또한 차량의 전자 제어 유닛 "ECU"에 연결되거나 연결가능하다.
보다 상세하게는, 제어 유닛(7)은 엔진의 동작 상태들(operating conditions)을 나타내는 하나 이상의 신호들을 ECU로부터 수신하고, 상기 하나 이상의 신호들에 따라 스위치(6)(스위치 6는 구동 유닛 11을 제어할 것임)를 구동하도록 구성된다.
제어 유닛(7)과 ECU 사이의 상관 관계는 그 자체가 알려져 있고 차량 모델 및 구성에 따라 가변적이므로 상세히 논의되지 않을 것이다.
임의의 경우에서, 본 발명에 따른 시스템(1)은 "플라즈마" 타입이며, 즉 각각의 작업 사이클(work cycle), 즉 각각의 실린더의 각각의 연소가 다수의 후속 및 부분적으로 정의된 시간 구간들로 분할되도록 코일(2)을 구동한다.
보다 상세하게는, 작업 사이클은 서로 연속하는 적어도 하나의 제 1, 제 2 및 제 3 갭을 포함하며, 이들 각각은 제어 유닛(7)의 제 1, 제 2 및 제 3 모드에 각각 대응한다.
다시 말하면, 제어 유닛(7)은 서로 연속적인 제 1, 제 2 및 제 3 구간(interval) 동안 상기 제 1, 제 2 및 제 3 모드로 각각 스위칭하도록 구성된다.
따라서, 제어 유닛(7)은 다수의 모드들로 스위칭할 수 있으며, 이들 모드들 각각은 작업 사이클의 구간에 각각 대응한다.
바람직하게는, 제어 유닛(7)은 적어도 다음의 모드들 사이에서 스위칭하도록 프로그래밍되는바,
- 제 1 모드, 제 1 모드는 제 1 권선(3)의 제 1 충전을 수행하도록 미리 설정된 제 1 시간 동안 상기 스위치(6)를 폐쇄 위치에서 구동한다(구동 모듈(11)을 통해).
- 제 2 모드, 제 2 모드는 제 1 플라이 백 단계를 정의하며, 제 2 모드는 미리 설정된 제 2 시간 동안 상기 스위치(6)를 개방 위치에서 구동하여(구동 모듈(11)을 통해), 1차 권선(3)의 방전 및 결과적으로 2차 권선(4) 상에 고전압이 생성되게 한다(이는 스파크 플러그(100)의 단부들에서 유전체를 파괴한다).
- 제 3 모드 또는 "플라즈마 설정", 제 3 모드는 스위치(6)의 적어도 하나의 개방 및 적어도 하나의 폐쇄의 교번하는 시퀀스에서 구동한다.
보다 상세하게는, 이러한 제 3 모드에서, 제어 유닛(7)은 스위치(6)의 개폐 기간들의 지속 시간(duration)을 결정하고 및/또는 스파크의(즉, 플라즈마의 단계의) 바람직한 지속 기간 동안의 개방들 및 후속 폐쇄들의 횟수를 결정한다.
달리 말하면, 제어 유닛(7)은 제 3 모드에서 스위치(6)의 개폐 횟수(또는 각각의 지속 시간들)를 조절함으로써, 엔진의 하나 이상의 동작 파라미터들에 따라 스파크의 미리결정된 지속 시간을 결정하도록 구성된다.
따라서, 앞서 간략하게 논의된 바에 따르면, 제어 유닛(7)은 엔진의 하나 이상의 동작 파라미터들에 따라 스위치 구동 신호를 조절하도록(구동 모듈(11)에 의해) 구성된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 시스템(1)은 전기 연결부(5)에 연결되고 그리고 전기 연결부(5)와 1차 권선(3) 사이에 동작가능하게 접속된 전압 변경 전자 소자(voltage changing electronic element)(8)를 포함한다.
바꾸어 말하면, 전압 변경 전자 소자(8)는 1차 권선(3)의 업스트림에 배치되어 그것과 전기적으로 연결되어 있다.
이러한 전압 변경 전자 소자(8)는 적어도 제 1 전압값 V1 및 제 2 전압값 V2의 제어 신호 "C"의 값에 따라, 1차 권선(3)의 전압 값(특히, 제 1 단자 3a에서)을 변화시키도록 구성된다.
참고로, 제 2 전압 값(V2)은 제 1 전압 값(V1)보다 크다.
이러한 변경 모듈(8)은 1차 권선(3) 상의 전압 값, 즉 스위치(6)가 폐쇄된 경우의 1차 권선의 전압 서플라이를 정의하기 위한 것이다.
따라서, 전압 변경 전자 소자(8)는 제어 유닛(7)에 의해 수신된 제어 신호에 따라 1차 권선(3)의 전력 전압(power voltage), 즉 발생 디바이스(50)에 의해 생성된 전압을 분압하도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 전압 변경 전자 소자는 전력 전압을 감소시키거나 증가시키도록 구성되는지에 따라, 바람직하게는 벅 타입 또는 부스트 타입(buck or boost type)의 D/D 전압 변환기이다.
대안적으로, 전압 변경 전자 소자(8)는 벅/부스트 컨버터, 즉 제 1 충전 단계에서 전압을 감소시키고 플라즈마 단계에서는 전압을 증가시킬 수 있는 컨버터일 수 있다.
다음을 유의해야 하는바, 이러한 컨버터는 그 유형에 상관없이 절연되거나(변압기를 포함하여) 또는 절연되지 않을 수 있다. 따라서, 제어 유닛(7)은 전압 변경 전자 소자(8)를 구동하기 위하여 전압 변경 전자 소자(8)와 연관되는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 제어 유닛(7)은 1차 권선(3)의 제 1 전압 값 "V1" 및 제 2 전압 값 "V2" 를 각각 나타내는, 제 1 값과 제 2 값 사이에서 가변인 제어 신호 "C"를 생성하도록 구성된다.
또한, 제어 유닛(7)은 적어도 1차 권선(3)의 제 1 충전 구간 동안 상기 제 1 값을 갖는 상기 제어 신호 "C"를 상기 전압 변경 전자 소자(8)에 전송하도록 구성되며, 여기서 상기 스위치(6)는 폐쇄되고 그리고 상기 제 2 권선(4)에서 전류 값은 실질적으로 널 평균값(null mean value)을 갖는다.
달리 말하면, 제어 유닛(7)은 그것이 제 1 모드에 있을 때 제어 신호 "C"의 제 1 값을 전압 변경 전자 소자(8)에 전송하도록 프로그래밍된다.
또한, 제어 유닛(7)은 상기 2차 권선(4) 상의 전압이 0과 다른 값을 갖는 시간 구간에서 상기 제 2 값을 갖는 제어 신호 "C"를 전압 변경 전자 소자(8)로 전송하도록 구성된다.
따라서, 제어 유닛(8)은 그것이 제 2 및/또는 제 3 모드에 있을 때 제어 신호 "C"의 제 2 값을 전압 변경 전자 소자(8)로 전송하도록 프로그램된다.
결과적으로, 제어 유닛(7)은 적어도 다음의 것들 사이에서 스위칭하도록 프로그래밍되는바,
- 제 1 모드, 제 1 모드에서 제어 유닛은 전압 변경 전자 소자(8)로 제 1 신호(S1)를 전송하고 그리고 폐쇄 위치에서 스위치(6)를 구동한다(구동 모듈(11)을 통해).
- 제 2 모드, 제 2 모드에서 제어 유닛은 개방 위치에서 상기 스위치(6)를 구동하고(구동 모듈(11)을 통해) 그리고 전압 변경 전자 소자(8)에 제 2 신호(S2)를 전송한다.
- 제 3 설정, 제 3 설정에서 제어 유닛은 구동 모듈(11)을 통해 스위치(6)의 적어도 하나의 폐쇄 및 적어도 하나의 개방의 교번하는 시퀀스에서 구동한다.
바람직하게는, 이러한 방식으로, 작업 사이클의 제 1 기간 동안, 즉 1차 권선(3)의 제 1 충전 동안 2차 권선(4) 상의 전압을 감소시킬 수 있어, 스파크 발생에서의 위험한 어드밴스들을 방지할 수 있다.
다음을 유의해야 하는바, 제 3 모드에서, 제어 유닛(7)은 전기 연결부(5)의 전압 값을 제 2 값과 동일하게 유지하도록 구성된다.
바람직하게는, 이러한 방식으로, 1차 권선(3) 상의 최고 전압은 2 개의 권선들 사이의 양호한 권선비와 함께 제 3 구간 동안 또는 플라즈마 단계 동안 2차 권선(4) 상의 그러한 전압을 스파크가 "살아있도록" 유지할 수 있다.
이와 관련하여, 바람직하게는, 1차 및 2차 권선(3, 4)의 전압 변경 전자 소자(8)는 다음과 같도록 구성된다.
Vbatt * (1-μvar) * (NII/NI) < 1000 V
여기서,
- Vbatt 는 전압 발생기(50)의 전압, 즉 전기 연결부(5)에 대응하는 전압이고,
- μvar 는 전압 변경 전자 소자(8)에 의해 부여되는 전압 백분율 변화(voltage percentage variation), 즉 제 1 값과 제 2 값 사이의 백분율 또는 상대적인 차이이며.
- NI는 1차 권선(3)의 권선수이며,
- NII는 2차 권선(4)의 권선수이다.
바람직하게는, 다음을 유의해야 하는바, 제어 유닛(7)은 또한 제 4의 방전 설정을 갖는다.
이러한 제 4 설정은 작업 사이클의 네 번째 및 마지막 구간에 해당하며, 제 4 설정에서 시스템은 방전되고 스파크는 급냉된다(quenched).
이러한 제 4 모드에서, 제어 유닛(7)은 전압을 상기 제 1 값 V1로 감소시키도록 전압 변경 전자 소자(8)에 제어 신호 "C"의 제 1 값을 동시에 전송함으로써, 적어도 하나의 개방 및 적어도 하나의 폐쇄의 연속적인 교번으로 스위치(6)를 계속 구동한다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 예를 들어, 바람직하게 사용되는 벅 또는 부스트 컨버터에 존재하는 전압 변경 전자 소자(8)의 내부 커패시터를 또한 방전시키는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 시스템은 각각의 코일(2)에 동작가능하게 연결된 하나의 전압 변경 전자 소자(8)를 포함한다.
하지만, 대안적으로, "독립형" 시스템이 제공될 수 있으며, 독립형 시스템에서 각각의 코일(2)은 그것의 전용 전압 변경 전자 소자(8)와 연관된다.
바람직하게는, 제 1 구간의 시동시에(start-up time), 즉 제어 유닛(7)이 제 1 모드로 전환할 때, 2차 권선 상의 전압 피크를 감소시키기 위해, 시스템(1)은 스위치(6)와 관련된 제한 디바이스(9)를 포함하며, 제한 디바이스(9)는 1차 권선(4) 상의 동일한 스위치(6)의 폐쇄 효과를 늦추도록 구성된다.
보다 상세하게는, 바람직한 실시예에서, 제한 디바이스(9)는 커패시터(9a) 및 다이오드(9b)를 포함한다.
초기에, 스위치(6)가 개방될 때, 커패시터(9a)는 전력 전압으로 충전되고, 다이오드(9b)는 IGBT의 콜렉터 단자에 커패시터(9a) 상의 동일한 전압(9a)이 인가되기 때문에 컷 오프된다(cut off).
스위치(6)가 폐쇄되면, 구동 블럭으로부터의 신호는 약 0V인 낮은 전압에서 약 4V 이상인 높은 전압으로 변한다.
이러한 전압(예를 들어, 4V인 고전압)은 저항을 통해 스위치(6)의 게이트 단자(또는 제 3 노드)에 인가되고, 이는 컷-오프에서 전도로 과도 진행(transitional passage)을 시작한다.
IGBT 컷 오프 단계에서 IGBT 전도 단계로 변경하기 위하여, 이러한 단계에서, 스위치(6)(IGBT)의 컬렉터 상의 전압이 떨어지기 시작하여, 다이오드(9b)를 도통시킨다.
이러한 방식으로, 커패시터(9a)를 통해, 스위치(6)의 제 1 노드 상의 전압의 램프-다운에 비례하는 방식으로 스위치(6)의 제 3 노드로부터 전류가 취해진다.
이것은 제 3 노드의 전압을 순간적으로 감소시키며, 또한 제 1 노드 전압의 램프-다운 경사도에 비례한다.
제 1 노드 전압의 램프-다운 경사도는 제 3 노드의 전압과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 시스템은 균형을 찾는다.
커패시터(9a)의 용량 값을 증가시키면 램프 경사도가 더 감소된다.
낮은 경사도 값은 트랜스포머 상에서 발진이 시작되는 것을 방지하는바, 이러한 발진은 상기 과도 상태 동안 2차 권선 상에 과전압을 야기할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 앞서 설명한 것과 상보적으로, 시스템(1)은 2차 권선(4)과 관련된 전류의 검출 수단(10)을 포함한다.
제어 유닛(7)은 2차 권선(4)에서의 적어도 하나의 전류 값을 나타내는 신호를 수신하기 위해 검출 수단(10)과 관련되고 그리고 상기 신호에 따라(구동 모듈(11)을 통해) 스위치(6)를 구동하도록 구성된다.
제 3 갭은 다수의 플라즈마 사이클들(이후 간단히 "사이클들" 이라 함)에 의해 정의되는 것으로 알려져 있으며, 각각의 플라즈마 사이클은 제 1 구간 또는 스위치(6)의 개방 구간, 및 제 2 구간 또는 스위치(6)의 폐쇄 구간으로 각각 분할된다.
따라서, 제어 유닛(7)은 이전 사이클에서 2차 권선(4)의 적어도 하나의 전류 값을 나타내는 신호를 검출하고 다음 사이클의 검출을 위해 스위치(6)를 구동하도록 구성된다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 플라즈마 단계(제 3 간격)의 조절은 특히 정확하고 정밀하며, 제거하지는 못하더라도 미연소 물질의 존재를 최대한 제한할 수 있다.
제어 유닛(7)은 제 3 모드에 있을 때 검출 수단(10)에 의해 2차 권선(4) 상에서 검출된 전류 신호 "III"에 따라 구동 모듈(11)을 통해 스위치(6)를 제어하도록 구성된다.
다시 말해서, 작업 사이클의 제 3 구간(즉, 플라즈마 단계)에서, 제어 유닛(7)은 2차 권선(4) 상에 흐르는 전류에 따라 스위치(6), 따라서 1차 권선(3)을 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 제어 유닛(7)은 적어도 하나의 미리설정된 시간에서 2차 권선(4)의 적어도 하나의 전류 값을 나타내는 신호 "III"를 수신하도록 상기 검출 수단(10)과 관련된다.
따라서, 제어 유닛(7)은 검출된 신호 "III"를 나타내는 적어도 하나의 값과 하나 이상의 미리 설정된 기준값을 비교하여, 상기 비교에 따른 미리설정된 값을 갖는 하나 이상의 동작 신호들을 구동 모듈(11)에 전송하도록 프로그램된다.
바람직하게는, 제어 유닛(7)은 스위치(6)의 하나 이상의 구동 파라미터와 상관시킴으로써, 상기 검출된 전류 신호 "III" 또는 상기 비교 결과를 프로세싱하도록 프로그램된다.
"구동 파라미터"라는 표현은 본 명세서에서 스위치(6)를 구동하도록 제어될 수 있는 변수들을 의미한다.
구동 유형에 따라, 파라미터들이 달라질 수 있다.
예를 들어, 바람직한 실시예에서, 구동 모듈(11)은 적어도 PWM 신호 생성기를 포함한다.
바람직하게는 구동 파라미터는 구동 모듈(11)에 의해서 스위치(6)로 전송되는 PWM 구동 신호의 듀티 사이클 및/또는 주파수를 적어도 포함하며,
바람직하게는 구동 모듈(11)에서 연속적인 작업 사이클을 구동하도록 구성되며, 각각은 스위치(6)의 개방 구간 및 폐쇄 구간으로 분할된다.
보다 상세하게는, 제어 유닛(7)은 적어도 제 3 모드에서 발견될 때(즉, 작업 사이클의 제 3 간격 동안) 상기 검출 및 비교를 수행하도록 구성된다.
달리 말하면, 제어 유닛(7)은, 제 3 모드에 있을 때 검출 수단(10)에 의해 2차 권선(4)에서 검출된 전류 신호(Ⅲ)에 따라, 구동 모듈(11)을 통해 스위치(6)를 제어하도록 구성된다.
또한, 제어 유닛(7)은 제어기 모듈(13)을 포함하는바, 제어기 모듈(13)은,
- 이전 사이클(또는 플라즈마 사이클) 동안의 평균 전류 값을 대표하는 적어도 전류 값을 검출 및/또는 계산하고;
- 상기 대표 값과 상기 평균값의 미리설정된 기준값을 비교하고;
- 상기 비교에 따라, 상기 구동 신호의 듀티 사이클에서의 변화를 계산하고;
- 상기 듀티 사이클에서의 변화와 관련된 신호를 구동 모듈(11)로 송신하도록 구성된다.
다음을 유의해야 하는바, 듀티 사이클의 계산은 이전 사이클과 다음 사이클 사이의 듀티 사이클의 변화로서 또는 절대 지속 시간(absolute duration)(퍼센티지)의 관점에서 제어 유닛(7)에 의해 행해질 수 있다.
다음을 유의해야 하는바, 바람직한 실시예에서, 평균값의 사전설정된 기준값은 실질적으로 0과 같다.
바람직하게는, 제어 유닛(7)은 검출 수단(10)과 제어기 모듈(13) 사이에 작동가능하게 삽입된 적어도 하나의 샘플링 모듈(12)을 포함한다.
이러한 샘플링 모듈(12)은 검출 수단(10)과 관련되며 그리고 각각의 사이클 또는 플라즈마 사이클에서 스위치(6)의 각각의 개방 및 폐쇄 구간에 대한 식별 전류 값을 샘플링하도록 구성된다.
따라서, 각 사이클에 대해, 샘플링 모듈(12)은 2개의 전류 값들, 즉 폐쇄 구간을 식별하는 제 1 전류 값 및 개방 구간을 식별하는 제 2 전류 값을 샘플링, 즉 검출하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 제 1 값 및 제 2 값은 각각의 구간에서의 전류의 평균값이다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 및 제 2 값은, 시간 및/또는 양(qunaty)의 관점에서의, 포지티브(제 1 구간) 반-파장 및 네가티브(제 2 구간) 반-파장의 평균 값들이며, 이는 무시할 수 있는 오차를 갖는 평균값을 나타낸다.
따라서, 바람직하게는, 제어기 모듈(13)은 컴퓨터(13a)를 포함하는바, 컴퓨터(13a)는 적어도 제 1 및 제 2 전류 값을 수신하고 그리고 상기 제 1 값과 제 2 값을 합산하여 이전 사이클의 평균 전류 값의 대표값을 획득하도록 프로그래밍된다.
또한, 제어기 모듈(13)은 평균값의 대표값과 기설정된 기준값 간의 비교에 따라 듀티 사이클의 값을 결정하도록 프로그램된 조정기(13b)(바람직하게는 비례 적분)를 포함한다.
보다 상세하게는, 제어기(13b)는 비례 및 적분 계수에 따라 계산된 오차를 "곱셈" 하도록 구성된다; 조정기의 동작가능한 다운스트림 위치에는 조정기의 출력값을 듀티 사이클 값으로 변환하도록 구성된 트랜스포머 모듈(13c)이 또한 존재한다.
선택적으로, 바람직하게는, 공동으로, 제어 유닛은 추가 제어기 모듈(14)을 포함한다.
이러한 추가 제어기 모듈(14)은 샘플링 모듈(12)의 다운스트림에 동작가능하게 배치되어, 제 1 및 제 2 전류 값을 수신한다.
이러한 추가 제어기 모듈(14)은 각각의 사이클 동안,
- 이전 사이클 동안의 전류 진폭을 나타내는 적어도 하나의 전류 값을 검출 및/또는 계산하고;
- 상기 대표 값과 미리설정된 상기 진폭의 기준값과 비교하고;
- 상기 비교에 따라, 구동 신호의 주파수에서의 변화를 계산하고;
- 주파수에서의 변화와 관련된 신호를 상기 구동 모듈(11)로 송신하도록 구성된다.
다음을 유의해야 하는바, 주파수의 계산은 이전 사이클과 다음 사이클 사이의 신호 주파수의 변화로서 또는 절대적으로(absolute terms) 제어 유닛(7)에 의해 수행될 수 있다.
진폭의 사전설정된 기준값은 10 mA와 200 mA 사이, 바람직하게는 20 mA와 150 mA 사이에 포함되는 것이 바람직하다.
추가 제어기 모듈(14)은 바람직하게는 적어도 제 1 및 제 2 전류 값을 수신하고 그리고 이전 사이클에서 전류 지폭의 상기 대표값을 획득하기 위하여 상기 제 1 값과 상기 제 2 값 사이의 차이를 계산하도록 프로그래밍된 컴퓨터(14a)를 포함한다.
또한, 추가 제어기 모듈(14)은 진폭의 대표 값과 미리설정된 기준값 사이의 비교에 따라 주파수의 값을 결정하도록 프로그램된 조정기(14b)(바람직하게는 비례 적분)를 포함한다.
보다 상세하게, 조정기(14b)는 비례 및 적분 계수에 따라 계산된 오차를 "곱하기"위해 구성된다; 조정기의 작동 하류의 위치에는 조정기의 출력값을 주파수 값으로 변환하도록 구성된 변압기 모듈(14c)이 또한있다.
조정기(14b)는 비례 및 적분 계수에 따라 계산된 오차를 "곱셈" 하도록 구성된다; 조정기의 동작가능한 다운스트림 위치에는 조정기의 출력값을 주파수 값으로 변환하도록 구성된 트랜스포머 모듈(14c)이 또한 존재한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 바람직하게는 앞서 논의된 2개의 양태들에 상보적으로, 시스템(1)은 상기 스위치(6)에 병렬로 연결되고 그리고 상기 스위치(6)의 개방의 결과로 1차 권선(3) 내에 남아있는 잔여 전력을 축적하도록 구성된 축적 회로(15)를 포함한다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 전력 손실의 감소를 최대화하는 것이 가능하며 따라서 스위치(6)의 과열을 회피할 수있다.
바람직하게는, 축적 회로(15)는 1차 권선(3)으로부터의 전류를 흡수하고 및/또는 1차 권선(3) 자체의 충전 상태에 따라 상기 1차 권선(3) 상의 전류를 방전하도록 구성된다.
보다 상세하게는, 축적 회로(15)는 축적 상태를 갖는바, 상기 축적 상태에서는 스위치(6)의 개방에 따라 1차 권선(3)으로 흐르는 잔류 전류(즉, 1차 권선(3)으로부터의)로 최대 값까지 충전된다.
또한, 축적 회로(15)는 방전 상태를 가지는바, 방전 상태에서는, 축적된 잔류 전류는 충전 상태에 대해 반대인 방향으로 1차 권선(3) 상에 방전된다.
따라서, 이러한 축적 회로(15)는 1차 권선(3)의 충전 상태에 따라 2 개의 설정들 사이에서 스위칭하도록 구성된다.
이 도면에서, 축적 회로(15)는 동작가능하게 서로 평행하게 배치된 적어도 하나의 축적 절반부(accumulation half-part)(16) 및 방출 절반부(discharging half-part)(17)를 포함한다.
개략적으로 도시된 실시예를 참조하면, 축적 회로(15)는 제 1 노드(15a) 및 제 2 노드(15b) 둘다로부터 전개되며 서로 평행하게 배치된 제 1 브랜치(18) 및 제 2 브랜치(19)를 포함한다.
스위치(6)는 상기 제 1 노드(15a) 및 제 2 노드(15b)에 대응하여 축적 회로(15)에 병렬로 접속된다.
제 1 브랜치(18)는 커패시터(16a)를 포함하는 것이 바람직하다.
따라서, 축적 절반부(16)는 스위치(6)와 병렬로 배치된 적어도 하나의 캐패시터(16a)에 의해 형성된다.
상세하게는, 커패시터(16)는 1차 권선에 분산된 인덕턴스 전력을 저장하는 용량을 가져야 하며, 바람직하게는 40 nF와 100 nF 사이를 포함한다.
또한, 이러한 캐패시터(16)는 스위치(6)의 클램프 전압보다 높은 전압, 바람직하게는 300V와 600V 사이의 전압을 견딜 수 있도록 구성되어야 한다.
한편, 제 2 브랜치(19)는 제 2 노드(15b)에서 제 1 노드(15a)로의 단방향으로 전류가 흐를 수 있도록 배치된 다이오드(17a)를 포함한다.
구체적으로, 다이오드(17a)는 스위치 클램프 전압(300V와 600V 사이의 전압) 보다 높은 역 전압을 견딜 수 있도록 구성된다.
또한, 다이오드(17a)는 1차 권선(3)의 최대 전류(즉, 적어도 50A)에 대응하는 전류 피크를 지원하도록 구성된다.
달리 말하면, 제 1 브랜치(18)는 축적 절반부(16)를 정의하고, 제 2 브랜치(19)는 축적 디바이스(15)의 방전 절반부(17)를 정의한다.
전술한 바와 같이, 시스템(1)의 구동 방법도 또한 본 발명의 목적이다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 적어도 하나의 1차 권선(3)과 하나의 2차 권선(4)이 제공된 점화 코일(2)을 포함하는 내연 기관을 위한 전자 점화 시스템의 구동에 초점을 맞추고 있으며, 상기 2차 권선(4)은 스파크 플러그(100)에 연결된다.
앞서 서술된 바와 같은 시스템(1)은 스위치(6)를 포함하며, 스위치(6)는 1차 권선(3)에 연결되고 그리고 스위치(6)를 통한 전류의 흐름을 각각 차단하거나 허용하기 위해 개방 및/또는 폐쇄 상태에서 구동가능하다.
구동 방법은 코일(2)의 "플라즈마" 구동을 제공하도록, 즉 각각의 작업 사이클에 대해 제 1, 제 2 및 제 3 단계의 시퀀스를 결정하도록 구성된다.
제 1 단계에서, 1차 권선(3)은 제 1 시간 구간 동안 스위치(6)를 닫음으로써 충전된다.
제 2 단계에서, 2차 권선(4)은 스위치(6)의 적어도 제 2 시간 구간(연장된)의 개방 후에 전자기적 유도에 의해 전력이 공급되고; 이러한 개방은 1차 권선(3)상의 전류가 0이 될 수 있도록 충분히 길다.
다음을 유의해야 하는바, 제 2 단계에서, 2차 권선 전압은 스파크 플러그(100)의 2개의 전극들 사이의 유전체를 파괴하여 스파크를 발생시키는 값에 도달한다.
제 3 단계, 즉 플라즈마 사이클 또는 플라즈마 단계는, 스파크 지속 시간을 조절하도록, 상기 스위치(6)의 개방 및 폐쇄가 연속적으로 교번하는 것(이전 것들 보다 짧음)을 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 1차 권선(3)에 대한 전력 전압의 미리설정된 제 1 값이, 각 사이클에서 초기에 설정된다.
작업 사이클의 제 1 기간 동안, 즉 1차 권선(3)의 제 1 충전 동안, 2차 권선(4) 상의 전압을 감소시키도록, 이러한 값은 상기 제 1 단계 동안 유지되며, 따라서, 스파크 발생에서의 위험한 어드밴스들을 회피할 수 있다.
또한, 이러한 방법은 2차 권선(4)에 대한 상기 전력 단계 동안, 즉 제 2 단계 또는 제 3 단계 동안, 1차 권선(3)의 전력 전압을 제 1 값보다 큰 제 2 값으로 증가시키는 단계를 포함한다.
다음을 유의해야 하는바, 상기 제 2 전압 값은 제 3 단계 동안 유지된다.
달리 말하면, 바꾸어 말하면, 상기 스위치(6)의 개방 및 폐쇄들이 교번하는 시퀀스의 적어도 제 1 부분에 대해, 1차 권선(3)의 전력 전압은 상기 제 2 값과 동일하게 유지된다.
유리하게는, 이러한 방식으로, 플라즈마 단계 동안 2 개의 권선들 사이의 권선비를 최대로 하는 것이 가능하다.
상기 방법은 각각의 사이클에서, 1차 권선(3)에 대한 상기 제 1 사전설정 전압 값의 새로운 설정이 존재하는 제 4 단계를 또한 포함할 수 있다.
이러한 제 4 단계는 바람직하게는, 스위치(6)의 개방 및 폐쇄들이 연속적으로 교번하는 시퀀스의 마지막 부분(즉, 제 3 단계의 말미) 동안 혹은 그 이후에 시작된다.
바람직하게는, 시스템(1)과 관련하여 앞서 설명된 것과 일치되게, 세팅 및 증가 단계들은 적절한 변경 모듈(8)에 의해 수행된다.
바람직한 실시예에서, 전술한 새로운 세팅 단계는, 파워 단계 및 이에 후속하는 스위치(6)의 개방 및 폐쇄들이 연속하는 교번 동안에 상기 변경 모듈(8)에 축적된 전력을 방전시키도록, 스위치(6)의 개방 및 폐쇄들의 연속적인 교번의 마지막 부분 동안 수행된다(즉, 제 2 및 제 3 단계 동안).
더욱 바람직하게는, 1차 권선(3)을 충전하는 단계는, 1차 권선에 대한 전압(및/또는 스위치 6로부터의 전류 흐름)을 감소시키는 적어도 하나의 서브-단계를 포함하는데, 이는 상기 충전 단계(즉, 제 1 단계) 동안에 2차 권선 상의 전압 서지(voltage surge)를 감소시키기 위함이다.
보다 상세하게는, 이러한 서브-단계는 1차 권선의 단부들에서 전압을 감소시킬 것으로 예상되는바, 따라서 (전류 흐름의) 전류 증가를 늦출 수 있다.
다음을 유의해야 하는바, 제 3 단계 동안, 즉 플라즈마 단계 동안, 사전설정된 시간 구간 동안 스위치(6)의 적어도 하나의 폐쇄 및 이에 후속하여 사전설정된 제 2 시간 구간 동안 상기 스위치(6)의 개방이 발생한다.
이러한 제 1 및 제 2 시간 구간들은, 앞서 언급한 바와 같이, 플라즈마 사이클을 정의한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 방법은 제 1 및 제 2 구간 동안 2차 권선(4)에서 적어도 하나의 전류 값을 검출하는 단계와, 2차 권선(4)에서 검출된 상기 전류에 따라, 다음 사이클에서의 스위치(6)의 하나 이상의 구동 파라미터들을 계산하는 단계를 포함한다.
달리 말하면, 본 방법은 이전 사이클, 바람직하게는 직전 사이클에서 2차 권선(4)에서 검출된 전류에 따라, 플라즈마 단계의 각 사이클에서 스위치를 구동하는 것을 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 전류 값을 프로세싱하는 단계 및 상기 프로세싱된 값과 각각의 기준 값을 비교하는 단계를 포함한다.
이러한 비교의 결과에 따라 스위치(6)를 구동하는 단계도 또한 제공된다.
전술한 바와 같이, 스위치(6)의 구동은 PWM 변조로 수행되는 것이 바람직하다.
구동 파라미터들은, 바람직하게는 듀티 사이클 및 구동 신호 주파수에 의해 정의된다.
바람직하게는, 2차 권선(4) 상의 전류 신호를 검출하는 것은, 제 1 구간을 식별하는 제 1 전류값 및 제 2 구간을 식별하는 제 2 전류값을 샘플링하는 단계를 적어도 포함한다.
보다 바람직하게는, 이러한 식별값들은 각 구간에서의 전류의 평균값에 대응하고, 더욱 바람직하게는 각 구간의 대략 절반에서의 전류값에 대응한다.
상기 계산 단계는 바람직하게는, 상기 작업 사이클에서의 전류의 평균값을 나타내는 값을 얻기 위해 상기 제 1 값과 상기 제 2 값의 합계를 적어도 포함한다.
실제로, 플라즈마 사이클은 교류 구동으로 수행되며, 2개의 개방 및 폐쇄 구간들은 반대 부호의 전류이고, 2개의 식별값들의 합계는 사이클의 평균값과 상관된다(또는 비례한다).
이러한 합계 이후에, 듀티 사이클의 평균 전류 값을 나타내는 상기 값과 바람직하게는 0과 같은 평균값의 기준값과 비교하는 단계가 후속된다.
상기 비교의 결과에 따라, 스위치(6)의 구동 신호의 듀티 사이클 값이 상대적으로(즉, 이전 사이클과 비교하는 변동량) 또는 절대적으로 결정된다.
이는 2차 권선(4)의 평균 전류 값과 구동 신호의 듀티 사이클 간의 현존하는 상관 관계를 적절한 조정기를 통해 처리함으로써 가능하며; 이러한 상관 관계의 일례가 도 6a에 도시된다.
듀티 사이클 결정에 후속하여, 스위치(6)는 PWM 변조 및 상기 결정된 값에 대응하는 듀티 사이클로 구동된다.
바람직하게는, 듀티 사이클의 결정에 대안으로 또는 결합되어, 상기 방법은 상기 작업 사이클에서 전류의 진폭을 나타내는 값을 얻기 위해, 상기 제 1 값과 상기 제 2 값 사이의 차이값을 계산하는 단계를 포함한다.
실제로, 플라즈마 사이클은 교류 구동으로 수행되며, 2개의 개방 및 폐쇄 구간들은 반대 부호의 전류이고, 2개의 식별값들 간의 차이값은 사이클의 전류의 진폭과 상관되는바(또는 비례한다), 즉, 피크-투-피크(peak-to-peak) 값이다.
이러한 감산 동작에 후속하여, 상기 작업 사이클의 전류 진폭을 나타내는 상기 값(즉, 이전 작업 사이클의 값)과 동일한 진폭의 베이스라인 값과 비교하는 단계가 수행된다.
바람직하게는, 진폭의 상기 기준값은 10 mA와 200 mA 사이, 더욱 바람직하게는 20 mA와 150 mA 사이에 포함된다.
상기 비교의 결과에 따라, 스위치(6)의 구동 신호의 주파수 값이, 상대적으로(즉, 이전 사이클과 비교된 변동량) 또는 절대적으로 결정된다.
이는 2차 권선(4)의 평균 전류 값과 구동 신호의 주파수 간의 현존하는 상관 관계를 적절한 조정기를 통해 처리함으로써 가능하며; 이러한 상관 관계의 일례가 도 6b에 도시된다.
주파수를 결정한 결과로서, 스위치(6)는 PWM 변조 및 상기 결정된 값에 대응하는 주파수로 구동된다.
바람직한 실시예에서, 스위치(6)는 전술한 단계들에서 결정된 것들에 대응하는 듀티 사이클 및 주파수를 갖는 PWM 변조의 구동 신호로 구동된다.
이러한 본 발명은 의도된 목적들을 달성하고 중요한 장점들을 획득한다.
실제로, 전자 변동 소자(electronic variation element), 특히 D/D 전압 컨버터의 사용은, 스파크 어드밴스의 문제점을 극복할 수 있으며, 또한 플라즈마 단계에서 권선비를 최대로 이용할 수 있게 한다.
또한, 2차 권선 상의 실제로 측정된 전류의 함수로서, 적어도 플라즈마 단계들 동안 스위치 구동을 제어할 수 있는 가능성은, 시스템의 정확성 및 신뢰성을 증가시킬 수 있게 하며, 따라서 미연소 물질의 존재를 최소화시킨다.
더욱이 스위치와 병렬로 존재하는 축적 회로는, 열 전력 소모를 제한할 수 있어, 특히 스위치의 구성 요소들에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있으며, 이에 의해서 시스템의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 기결정된 지속 기간의 스파크를 엔진 실린더 내에 발생시키도록 구성된 내연 기관용 전자 점화 시스템으로서,
    - 적어도 하나의 1차 권선(3) 및 2차 권선(4)을 구비한 점화 코일(2), 상기 1차 권선(3)은 전기 연결부(5)에 의해 전압 발생 디바이스(50)에 연결가능하고 그리고 상기 2차 권선(4)은 스파크 플러그(100)에 연결가능하며;
    - 스위치(6), 상기 스위치(6)는 상기 1차 권선(3)에 연결되고 그리고 상기 1차 권선(3)을 통한 전류의 흐름을 차단 또는 허용하기 위해 구동 신호의 값에 따라 개방 또는 폐쇄되도록 구동가능하며;
    - 상기 스위치(6)와 관련되고 상기 구동 신호(G)의 값에 따라 상기 스위치(6)를 개방 및/또는 폐쇄 위치로 구동하도록 구성된 제어 유닛(7)을 포함하며,
    상기 전자 점화 시스템은,
    상기 2차 권선(4)과 관련된 전류 검출 수단(10)을 포함하고,
    상기 제어 유닛(7)은 상기 2차 권선(4)에서의 적어도 전류값(III)을 나타내는 신호를 수신하기 위해 상기 전류 검출 수단(10)과 관련되며, 그리고 상기 신호에 따라 상기 스위치(6)를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛(7)은,
    - 적어도 미리설정된 시간에서 상기 2차 권선(4)에서의 적어도 전류값(III)을 나타내는 신호를 수신하기 위해 상기 전류 검출 수단(10)과 관련되고;
    - 미리설정된 하나 이상의 기준값들과 상기 신호를 비교하도록 프로그램되며; 그리고
    상기 비교에 따른 미리설정된 값을 갖는 하나 이상의 동작 신호들을 상기 구동 모듈(11)로 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구동 모듈(11)은 적어도 하나의 PWM 신호 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터들은 상기 구동 모듈(11)에 의해서 상기 스위치(6)로 전송된 구동 신호의 듀티 사이클 및/또는 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(7)은 상기 스위치(6)의 개방 구간 및 폐쇄 구간에 각각 대응하는 제 1 구간 및 제 2 구간으로 각각 나뉘어지는 연속적인 듀티 사이클들을 수행하도록 상기 구동 모듈(11)을 제어하도록 구성되고;
    상기 제어 유닛(7)은, 상기 검출 수단(10)과 관련되며 그리고 각 사이클에서 상기 스위치(6)의 개방 구간 및 폐쇄 구간 각각에 대한 식별 전류 값을 샘플링하는, 샘플링 모듈(12)을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(7)은 상기 스위치(6)의 개방 구간 및 폐쇄 구간에 각각 대응하는 제 1 구간 및 제 2 구간으로 각각 나뉘어지는 연속적인 듀티 사이클들을 수행하도록 상기 구동 모듈(11)을 제어하도록 구성되고;
    상기 제어 유닛(7)은 제어기 모듈(13)을 포함하고, 상기 제어기 모듈(13)은 각각의 사이클에서,
    - 이전 사이클 동안의 평균 전류값을 나타내는 적어도 전류값을 검출 및/또는 계산하고;
    - 상기 전류값과 평균 미리설정된 값(mean preset value)을 나타내는 기준값을 비교하고;
    - 상기 비교에 따라 상기 구동 신호(G)의 듀티 사이클에서의 변화를 계산하고;
    - 상기 듀티 사이클의 변화에 관한 신호를 상기 구동 모듈(11)로 전송하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기 모듈(13)은 적어도 컴퓨터(13a)를 포함하고, 상기 컴퓨터(13a)는,
    - 상기 이전 사이클의 폐쇄 구간을 식별하는 값에 대응하는 적어도 제 1 전류값을 수신하고;
    - 상기 이전 사이클의 개방 구간을 식별하는 값에 대응하는 적어도 제 2 전류값을 수신하고;
    - 상기 이전 사이클의 평균 전류값을 나타내는 값을 획득하도록 상기 제 1 값과 상기 제 2 값을 합산하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 평균값에 대한 상기 미리설정된 기준값은 실질적으로 0 인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(7)은 상기 스위치(6)의 개방 구간 및 폐쇄 구간에 각각 대응하는 제 1 구간 및 제 2 구간으로 각각 나뉘어지는 연속적인 듀티 사이클들을 수행하도록 상기 구동 모듈(11)을 제어하도록 구성되고;
    상기 제어 유닛(7)은 제어기 모듈(14)을 포함하고, 상기 제어기 모듈(14)은 각각의 사이클에서,
    - 이전 사이클 동안의 전류 진폭을 나타내는 적어도 전류값을 검출 및/또는 계산하고;
    - 상기 전류값과 상기 진폭의 미리설정된 기준값을 비교하고;
    - 상기 비교에 따라 상기 구동 신호(G)의 주파수에서의 변화를 계산하고;
    - 상기 주파수의 변화에 관한 신호를 상기 구동 모듈(11)로 전송하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기 모듈(14)은 적어도 컴퓨터(14a)를 포함하며, 상기 컴퓨터(14a)는,
    - 상기 이전 사이클의 폐쇄 구간을 식별하는 값에 대응하는 적어도 제 1 전류값을 수신하고;
    - 상기 이전 사이클의 개방 구간을 식별하는 값에 대응하는 적어도 제 2 전류값을 수신하고;
    - 상기 이전 사이클의 전류 진폭을 나타내는 상기 값을 획득하도록 상기 제 1 값과 상기 제 2 값 사이의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 진폭의 미리설정된 기준값은 10 mA와 200 mA 사이, 바람직하게는 20 mA와 150 mA 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템.
  12. 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법으로서,
    상기 전자 점화 시스템은 적어도 1차 권선(3) 및 2차 권선(4)을 구비한 점화 코일(2), 상기 2차 권선(4)은 스파크 플러그(100)에 연결가능하며, 그리고 상기 1차 권선(3)에 연결되고 상기 1차 권선(3)을 통한 전류의 흐름을 차단 또는 허용하기 위해 개방 또는 폐쇄 위치로 구동가능한 스위치(6)를 포함하며, 상기 방법은,
    - 기결정된 제 1 시간 구간 동안 상기 스위치(6)를 폐쇄하는 단계;
    - 후속으로 상기 스위치(6)를 기결정된 제 2 시간 구간 동안 개방하는 단계, 상기 제 1 및 제 2 시간 구간들은 사이클을 정의하며;
    - 상기 제 1 및 제 2 시간 구간들 동안 상기 2차 권선(4)에서의 적어도 전류값을 검출하는 단계;
    - 상기 2차 권선(4)에 검출된 상기 전류값에 따라, 후속 사이클에서의 상기 스위치의 하나 이상의 구동 파라미터들을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    - 상기 적어도 하나의 전류값을 프로세싱하고 그리고 프로세싱된 상기 전류값과 각각의 기준값을 비교하는 단계;
    - 상기 비교의 결과에 따라 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는 PWM 변조에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    상기 제 1 시간 구간을 식별하는 제 1 전류값 및 상기 제 2 시간 구간을 식별하는 제 2 전류값을 샘플링하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    - 상기 사이클에서 평균 전류값을 나타내는 값을 획득하기 위해서 상기 제 1 값과 상기 제 2 값을 합산하는 단계;
    - 상기 듀티 사이클의 평균 전류값을 나타내는 상기 값과 바람직하게는 0인 상기 평균값의 기준값을 비교하는 단계;
    - 상기 비교의 결과에 따라 상기 스위치(6)의 구동 신호(G)에 대한 듀티 사이클의 값을 결정하는 단계;
    - 상기 결정된 값에 대응하는 듀티 사이클 및 PWM 변조에 의해, 다음 듀티 사이클에서, 상기 스위치(6)를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    - 상기 듀티 사이클에서 전류 진폭을 나타내는 상기 값을 획득하기 위해서 상기 제 1 값과 상기 제 2 값 사이의 차이를 계산하는 단계;
    - 상기 전류 진폭을 나타내는 값과 상기 듀티 사이클의 전류 진폭의 기준값을 비교하는 단계;
    - 상기 비교의 결과에 따라 상기 스위치(6)의 구동 신호(G)에 대한 주파수 값을 결정하는 단계;
    - 상기 결정된 값에 대응하는 주파수 및 PWM 변조에 의해, 다음 듀티 사이클에서, 상기 스위치(6)를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 전자 점화 시스템을 구동하는 방법.
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