KR102600304B1 - 점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

점화 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일단에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일단을 제어하도록 된 점화 플러그 제어 유닛을 포함하는 다충전 점화 시스템에 관한 것으로, 상기 2개의 단은 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 및 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하고, 상기 제1 1차 권선의 하이 엔드 측과 상기 제2 1차 권선의 하이 엔드 측 사이에 위치된 제1 스위치 수단(M2), 및 상기 제1 1차 권선의 로우 측과 상기 제2 1차 권선의 하이 측 사이에 위치된 제2 스위치 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치
본 발명은 점화 시스템, 및 점화 플러그들을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이는 다점화 플러그 점화 시스템과 같이 연속 불꽃을 제공하도록 된 시스템에 특별히 적용되지만 독점적이지는 않다.
매우 희박한 공기-연료 혼합물, 즉 연료 소비 및 배출물을 줄이기 위해 더욱 높은 공기 조성을 가진 혼합물을 사용하는 점화 엔진이 개발되어 있다. 안전한 점화를 제공하기 위해, 고에너지 점화원을 갖는 것이 필요하다. 종래 기술의 시스템은 일반적으로, 제한된 불꽃 지속 시간 및 에너지 출력을 갖고서 크기가 큰 고에너지의 단일한 불꽃 점화 코일을 사용한다. 이러한 제한을 극복하고 점화 시스템의 크기를 줄이기 위해 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)이 개발되었다. 다충전 시스템은 고속이면서 일련의 개별적인 불꽃들을 생성하여, 길고 준-연속인 불꽃이 출력된다. 다충전 점화 방법은, 재충전 기간 동안 불꽃이 중단되는 단점이 있는데, 이는 특히 연소실에 높은 난류가 존재할 때 현저하게 되는 부정적인 영향들을 끼친다. 예를 들어, 이는 실화(misfire)로 이어져, 연료 소비가 증가하고 배출물이 증가될 수 있다.
개선된 다충전 시스템이 유럽 특허 EP 2325476호에 기재되어 있는데, 이는 전술한 부정적인 효과가 없으며, 적어도 부분적으로 광범위한 연소 전압에 걸쳐 연속 점화 불꽃을 생성하고, 점화 플러그에 조절 가능한 에너지를 전달하며, 자유롭게 선택될 수 있는 점화의 연소 시간을 제공하는 다충전 점화 시스템을 개시한다.
이러한 시스템의 단점은 초기 충전시 높은 1차 전류 피크이다. 전류 피크는 바람직하지 않은데, 이는 높은 구리 손실과 높은 EMC 방출을 발생시키며 차량의 온보드(onboard) 발전(발전기 또는 배터리)에 높은 부하로 작용한다. 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 하나의 선택 사항으로는 점화 코일(예컨대 48V) 앞에 DC/DC 변환기(converter)를 두는 것이다. 그러나 이로 인해 추가 비용이 발생한다.
본 발명의 목적은 DC/DC 변환기를 사용하지 않고 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 것이다.
일 양상에서, 점화 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일단(coil stage)에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일단을 제어하도록 된 점화 플러그 제어 유닛을 포함하는 다충전 점화 시스템이 제공되며, 상기 2개의 단은 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 및 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하고, 상기 제1 1차 권선의 하이 엔드 측(high end side)과 상기 제2 1차 권선의 하이 엔드 측 사이에 위치된 제1 스위치 수단(M2), 및 상기 제1 1차 권선의 로우 측(low side)과 상기 제2 1차 권선의 하이 측(high side) 사이에 위치된 제2 스위치 수단(M3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은, 상기 제어 유닛과 코일단(들) 사이에 위치한 강압 변환기 단(step-down converter stage)을 포함할 수 있으며, 상기 강압 변환기는 제3 스위치(M1) 및 다이오드(D3)를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 코일단들에 선택적으로 전력을 공급하도록 상기 제3 스위치를 제어할 수 있다.
상기 시스템은, 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 포함할 수 있으며, 상기 제4 및 제5 스위치는 상기 제1 및 1차 권선의 로우 측을 각각 접지에 연결한다.
상기 제어 유닛은, 연속 발화를 유지하기 위해 양쪽 대응하는 스위치(Q1, Q2)를 순차적으로 스위칭 온 및 오프시킴으로써 1차 권선들(L1, L3)에 순차적으로 전원을 넣고 끊도록 2개의 상기 대응하는 제4 및 제5 스위치들(Q1, Q2)을 동시에 스위칭 온 및 오프시킴으로써, 1차 권선들(L1, L3)에 동시에 전원을 넣고 끊을 수 있다.
다충전 점화 사이클에서, 상기 제1 단의 상기 1차 코일의 초기 통전 또는 상승 단계 동안, 상기 제어 유닛은 양쪽 단의 1차 코일을 직렬로 연결하도록 상기 제2 스위치(M3)를 닫고 상기 제1 스위치(M2)를 열도록 될 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치는 상기 제어 유닛으로부터 나온 제어 라인을 구비할 수 있다.
또한, 전술한 시스템을 제어하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 다충전 점화 사이클에서 상기 제1 단의 상기 1차 코일의 초기 통전 또는 상승 단계 동안, 양쪽 단의 1차 코일을 직렬로 연결하도록 상기 제2 스위치(M3)를 닫고 상기 제1 스위치(M2)를 여는 공정을 포함한다.
이제, 본 발명은 첨부 도면들을 참조로 하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술의 결합형 다충전 점화 시스템의 회로도이다.
도 2는 1차 및 2차 전류, EST 신호, 및 코일 1과 코일 2의 스위칭 "온(On)" 시간에 대한, 도 1에 도시된 시스템의 타임 라인을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 결합형 다충전 시스템의 회로도이다.
도 4는 도 2와 동일한 파라미터에 대한, 도 3에 도시된 시스템의 타임 라인을 도시한 도면이다.
종래 기술
도 1은, 내연 기관(도시하지 않음)의 단일 연소 실린더와 관련될 수 있는 점화 플러그(11)의 단일 세트의 갭이 있는 전극에 작용하는 광범위한 연소 전압에 걸쳐 연속 점화 불꽃을 생성하기 위한 종래 기술의 결합형 다충전(coupled-multi-charge) 점화 시스템의 회로도이다. CMC 시스템은 1차 권선(L1, L2)을 포함하는 고속 충전 점화 코일(L1 - L4)을 사용하여 필요한 높은 직류 전압을 생성한다. L1 및 L2는 제1 변압기(코일단)를 형성하는 공통 코어(K1)에 권취되고, 다른 공통 코어(K2)에 권취된 2차 권선(L3, L4)은 제2 변압기(코일단)를 형성한다. 제1 및 제2의 1차 권선(L1, L3)의 2개의 코일 단부는 전기 스위치(Q1, Q2)에 의해 자동차의 섀시 접지와 같은 공통 접지에 교대로 스위칭될 수 있다. 이들 스위치(Q1, Q2)는 바람직하기로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터이다. 저항(R1)은, 1차 측으로부터 흐르고 스위치들(Q1, Q2)과 접지 사이에 접속되는 1차 전류(Ip)를 측정하기 위해 선택적으로 존재할 수 있는 한편, 2차 측으로부터 흐르는 2차 전류(Is)를 측정하기 위한 선택적 저항(R2)이 다이오드들(D1, D2)과 접지 사이에 접속된다.
2차 권선(L2, L4)의 저전압 단부는 고전압 다이오드들(D1, D2)을 통해 자동차의 공통 접지 또는 섀시 접지에 연결될 수 있다. 2차 점화 권선(L2, L4)의 고전압 단부는 종래의 수단을 통해 점화 플러그(11)의 갭이 있는 한 쌍의 전극 중 하나의 전극에 연결된다. 점화 플러그(11)의 다른 전극도, 종래대로 점화 플러그를 엔진 블록에 나사 결합함으로써 공통 접지에 연결된다. 1차 권선(L1, L3)은, 공칭 12V인 자동차 전기 시스템의 통상의 자동차 시스템 전압에 상응할 수 있고 도면에서 배터리의 양의 전압인 공통 전원 전위에 접속된다. 충전 전류는 스위치들(Q1, Q2)의 상태를 제어하는 전자 제어 회로(13)에 의해 관리될 수 있다. 제어 회로(13)는 예를 들어 ECU에 의해 공급되는 엔진 불꽃 타이밍(engine spark timing; EST) 신호에 응답하여 1차 권선(L1 및 L2)을 각각, 신호들(Igbt1 및 Igbt2)에 의해 각각 제어되는 스위치들(Q1 및 Q2)을 통해 시스템 접지에 선택적으로 연결한다. 측정된 1차 전류(Ip) 및 2차 전류(Is)는 제어 유닛(13)에 전송될 수 있다. 바람직하게는, 배터리(15)의 공통 전원 전위는 점화 스위치(M1)를 통해, 접지된 것의 반대쪽 단부에서 1차 권선(L1, L3)에 연결된다. 스위치(M1)는 바람직하기로 MOSFET 트랜지스터이다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치(예컨대, MOSFET)가 트랜지스터(M1)에 연결되어 강압 변환기를 형성한다. 제어 유닛(13)은 신호 FET에 의해 스위치(M1)를 스위칭 오프할 수 있다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치는 M1이 오프일 때 스위칭 온되고, 그 반대도 동일하게 된다.
종래 기술의 작동에서, 제어 회로(13)는 갭이 있는 전극을 가로질러 확장된 연속의 고에너지 아크를 제공하도록 작동한다. 제1 단계 동안, 스위치들(M1, Q1 및 Q2)은 모두 스위칭 온되어, 전원 공급 장치(15)의 전달된 에너지가 두 변압기(T1, T2)의 자기 회로에 저장된다. 제2 단계 동안, 양쪽 1차 권선이 스위치들(Q1 및 Q2)에 의해 동시에 스위칭 오프된다. 변압기의 2차측에 고전압이 유도되고, 점화 불꽃이 점화 플러그(11)의 갭이 있는 전극을 통해 발생한다. 제3 단계 동안, 양쪽 변압기(T1, T2)가 에너지를 전달하고 있는 최소 연소 시간 후에, 스위치(Q1)는 스위칭 온되고 스위치(Q2)는 스위칭 오프된다(또는 그 반대도 동일하다). 즉, 제1 변압기(L1, L2)는 그 자기 회로에 에너지를 저장하는 한편, 제2 변압기(L3, L4)는 점화 플러그에 에너지를 전달한다(또는 그 반대도 동일하다). 제4 단계 동안, 1차 전류(Ip)가 한도(Ipmax) 이상으로 증가할 때, 제어 유닛은 이를 검출하고 트랜지스터(M1)를 오프로 스위칭시킨다. 스위칭 온(Q1 또는 Q2)된 변압기(L1, L2 또는 L3, L4)에 저장된 에너지는 다이오드(D3; 강압 토폴로지(step-down topology))를 넘어 전류를 밀어내므로, 변압기는 자기 포화 상태로 될 수 없고, 그 에너지는 제한된다. 바람직하기로, 변압기(M1)는 영구적으로 스위칭 온 및 오프되어, 변압기 내 에너지를 일정한 레벨로 유지하게 된다. 제5 단계 동안, 2차 전류(Is)가 2차 전류 임계 레벨(Ismin)에 미치지 못한 직후에, 스위치(Q1)는 스위칭 오프되고 스위치(Q2)는 스위칭 온된다(또는 그 반대도 동일하다). 그 후에, 제어 유닛이 양쪽 스위치(Q1 및 Q2)를 오프로 스위칭하는 한, 스위치(Q1 및 Q2)를 순차적으로 스위칭 온 및 오프시킴으로써 제3 ~ 제5 단계가 반복되게 된다.
도 2는 점화 시스템 전류의 타임 라인을 도시한다. 도 2의 (a)는 시간에 따른 1차 전류(Ip)를 나타내는 트레이스(trace)를 도시한다. 도 2의 (b)는 2차 전류(Is)를 나타낸다. 도 2의 (c)는 ECU로부터 점화 시스템 제어 유닛으로 보내지고 점화 시간을 나타내는 EST 라인의 신호를 도시한다. 제1 단계, 즉 M1, Q1 및 Q2가 스위칭 온되는 동안, 1차 전류(Ip)는 변압기 내 에너지 저장에 의해 급속히 증가한다. 제2 단계, 즉 Q1 및 Q2가 스위칭 오프되는 동안, 2차 전류(Is)는 증가하고 고전압이 유도되어 점화 플러그의 갭이 있는 전극을 통해 점화 불꽃을 발생시킨다. 제3 단계 동안, Q1 및 Q2는 순차적으로 스위칭 온 및 오프되어, 변압기에 저장된 에너지뿐 아니라 불꽃을 유지한다. 제4 단계 동안, 1차 전류(Ip)와 한도(Ipth) 사이의 비교가 이루어진다. Ip가 Ipth를 초과할 때 M1은 스위칭 오프로 되어, "스위칭 온된" 변압기는 그 저장된 에너지를 제한함으로써 자기 포화 상태로 될 수 없다. 스위치(M1)는 이렇게 하여 스위칭 온 및 오프되는데, 1차 전류(Ip)가 제어 범위 내에서 안정하다. 제5 단계 동안, 2차 전류(Is)와 2차 전류 임계 레벨(Isth) 사이의 비교가 이루어진다. Is < Isth 이면, Q1은 스위칭 오프되고 Q2는 스위칭 온된다(또는 그 반대도 동일하다). 그 후에, 제3 ~ 제5 단계는, 제어 유닛이 양쪽 Q1 및 Q2를 오프로 스위칭하는 한, Q1과 Q2를 순차적으로 스위칭 온 및 오프시킴으로써 반복되게 된다. 2개의 변압기를 교대로 충전 및 방전하기 때문에 점화 시스템은 연속 점화를 전달한다. 전술한 내용은 본 발명의 배경을 제공하기 위해 종래 기술의 점화 시스템의 회로 및 작동을 설명한다. 본 발명의 일부 양상에서는, 전술한 회로가 사용될 수 있다. 본 발명은 성능을 향상시키고 점화 플러그의 마모를 감소시키는 다양한 해결 방안을 제공한다. 도 2의 (d) 및 (e)는 스위칭 온 및 오프 시간에 대한 각 코일의 작동 상태를 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명
실시예 1
도 3은 일 실시예에 따른 회로도로서, 도 1의 회로도와 유사하다. 이 회로는 고전압인 HV-다이오드(D1 및 D2)에서 전압을 측정하는 수단을 포함할 수 있지만, 이는 선택 사항이다. 공급 전압(Ubat)은 부가적으로 그리고 선택적으로 측정될 수 있다.
이 실시예에서는, 2개의 추가 스위치를 제공하는데, 제1 코일단의 1차 권선의 하이 측과 제2 코일단의 1차 권선의 하이 측의 연결부 사이에 위치된 스위치(M2); 및 제1 단의 1차 권선의 로우 측과 제2 단의 1차 권선의 하이 측 사이에 위치된 스위치(M3)를 포함한다. 이들은 ECU 및/또는 점화 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 스위치(M3)가 닫히고 스위치(M2)가 열릴 때, 코일(L1 및 L3; 즉, 1차 코일)은 실질적으로 병렬이 아닌 직렬로 연결된다.
도 4는 도 2와 유사하며, 다중 불꽃 점화 사이클 동안 하나의 방법에 따라 도 3에 도시된 회로의 작동 중에 1차 및 2차 전류, EST 신호, 및 각 코일의 작동 상태의 플롯(plot)을 나타낸다.
다충전 (불꽃) 점화 사이클의 초기 단계(예를 들어, EST 펄스가 점화를 활성화시키도록 하이(high)로 나아갈 때)에서, 그리고 1차 전류가 상승되는 경우에, 스위치(M3)는 닫히고 스위치(M2)는 열린다. M1은 스위칭 온되어 양쪽 권선(L1 및 L2)에 전류를 공급한다. 그 결과, 1차 전류는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 도 2의 (a)와 비교하여 더 얕은 구배로 상승하게 된다(비교를 위해 종래 기술의 상승 피크가 도 4의 (a)에 중첩되어 있다).
스위치(M2, M3)는, 도면에 부분적으로 도시된, 스위치를 제어하는 각각의 제어 라인을 포함할 수 있는 점화 코일 제어기에 의해 제어될 수 있다.
필요한 충전을 달성하기 위해, 초기 상승 충전 기간에 관련된 EST 펄스는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 (도 2의 (c)에 비해) 연장될 수 있다. 점화 플러그에 에너지가 방출된 후, 종래의 다중 불꽃 시스템에서와 같이, 코일 1과 2는 교대로 스위칭되어 제1 및 제2 단을 교대로 충전 및 방전시킨다.

Claims (7)

  1. 점화 플러그에 전류를 제공하기 위해 코일단에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 적어도 2개의 코일단을 제어하도록 된 점화 플러그 제어 유닛을 포함하고, 상기 2개의 단은, 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 및 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하는 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)에 있어서,
    상기 제1 1차 권선의 하이 엔드 측(high end side)과 상기 제2 1차 권선의 하이 엔드 측 사이에 전기적으로 연결된 제1 스위치 수단(M2), 및 상기 제1 1차 권선의 로우 측(low side)과 상기 제2 1차 권선의 하이 측(high side) 사이에 전기적으로 연결된 제2 스위치 수단(M3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다충전 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛과 코일단(들) 사이에 전기적으로 연결된 강압 변환기 단(step-down converter stage)을 포함하며, 상기 강압 변환기는 제3 스위치(M1) 및 다이오드(D3)를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 코일단에 선택적으로 전력을 공급하도록 상기 제3 스위치를 제어하는 것이 가능한,
    다충전 점화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛에 의해 제어되는 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 포함하고, 상기 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)는 상기 제1 및 제2 1차 권선들 각각의 로우 측과 접지 사이에 전기적으로 연결되는,
    다충전 점화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 연속 발화를 유지하기 위해 양쪽 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 순차적으로 스위칭 온 및 오프시킴으로써 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)에 순차적으로 전원을 넣고 끊도록 2개의 상기 제4 및 제5 스위치(Q1, Q2)를 동시에 스위칭 온 및 오프시킴으로써, 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)에 동시에 전원을 넣고 끊을 수 있는,
    다충전 점화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    다충전 점화 사이클에서, 상기 제1 1차 권선(L1)의 초기 통전 또는 상승 단계 동안, 상기 제어 유닛은 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)을 직렬로 연결하도록 상기 제2 스위치 수단(M3)을 닫고 상기 제1 스위치 수단(M2)을 열도록 된,
    다충전 점화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 수단(M2) 및 상기 제2 스위치 수단(M3)은 상기 제어 유닛으로부터 나온 제어 라인을 구비한,
    다충전 점화 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 다충전 점화 시스템을 제어하는 방법으로서,
    상기 방법은, 다충전 점화 사이클에서 상기 제1 1차 권선(L1)의 초기 통전 또는 상승 단계 동안, 상기 제1 1차 권선(L1) 및 상기 제2 1차 권선(L3)을 직렬로 연결하도록 상기 제2 스위치 수단(M3)을 닫고 상기 제1 스위치 수단(M2)을 여는 공정을 포함하는 방법.
KR1020187016099A 2015-11-09 2016-11-08 점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치 KR102600304B1 (ko)

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