KR100498797B1 - 이온 전류 측정 장치를 구비한 점화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 실린더의 점화 플러그에서 이온 전류를 측정하기 위한 측정 장치 및 점화 플러그 마다 점화 코일 장치를 구비하고, 상기 점화 코일 장치는 점화 전압을 형성하며 변압기 원리에 따라 작동하고 1차 권선과 2차 권선을 가지며, 상기 점화 코일 장치의 2차 권선을 통해 상기 이온 전류가 흐르는, 내연 기관용 유도 점화 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 이온 전류의 측정 지속 시간 동안 1차 권선(L1)을 단락시키는 스위치(S1)가 제공된다.

Description

이온 전류 측정 장치를 구비한 점화 장치{Igniting system with a device for measuring the ion current}

본 발명은 각 실린더의 점화 플러그에서 이온 전류를 측정하기 위한 측정 장치 및 점화 플러그 마다 점화 코일 장치를 구비하고, 상기 점화 코일 장치는 점화 고전압을 형성하며 변압기 원리에 따라 작동하고 1차 권선과 2차 권선을 가지며, 상기 점화 코일 장치의 2차 권선을 통해 이온 전류가 흐르는, 내연 기관용 유도 점화 장치에 관한 것이다.

높은 효율로 내연 기관을 작동시키고 온 보드 진단(On-Board-Diagnose) 영역의 엄격한 요구를 충족시키기 위하여, 연소 과정에 대한 정보를 제공할 수 있는 정확한 진단 시스템이 필요하다. 이 진단 시스템은 또한 경제적이어야 한다. 연소과정에 대한 중요한 정보를 내연 기관의 연소실로부터 직접 얻는 것은 공지되어 있다. 이를 위하여 소위 이온 전류 측정이 실시되는데, 이 측정시 점화 플러그는 연소 사이클 동안 먼저 그 본래의 과제를 실시하며, 즉 연소 혼합기를 점화하고, 그후 이온 전류를 측정하는 센서로서 사용됨으로써 추가 기능을 한다. 이것은 연소실에서 추가 센서를 위한 공간이 필요없다는 장점을 가진다. 이온 전류 측정은 연료 공기 혼합기의 연소동안 이온이 생성된다는 원리에 기초한다. 이 이온화는, 이온 전류의 전형적 프로파일에 영향을 미침으로써 연소과정의 특정 파라미터에 대한 정보를 제공하는 상이한 메카니즘에 기초한다. 이온 전류 측정을 위해서 점화 플러그의 전극에 전압이 인가되면, 연소실에 존재하는 전자와 이온이 전기장의 상응하는 방향으로 움직이므로, 전하 캐리어를 통하여 운반되는 전류가 형성된다. 이 전류는 앞서 언급한 이온 전류이다. 공지된 이온 전류 측정 방법이, 변압기 원리에 따라 작동하며 1차 권선과 2차 권선을 가지는 점화 코일 장치를 포함하는 유도 점화 장치에서 사용되면, 비교적 큰 2차 인덕턴스로 인해, 점화 플러그의 스파크 지속 시간이 양호하게 제어되지 않는다는 단점이 있다. 이러한 양호하게 제어되지 않는 지속 시간은 측정을 방해할 수 있다. 또한 비교적 큰 2차 인덕턴스에 의해 이온 전류 신호 통로에 비교적 낮은 주파수만이 전달될 수 있으며, 이러한 낮은 주파수는 예컨대 확실한 노킹 검출을 위해 충분하지 않다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 이온 전류 측정 장치를 가지는 유도 점화 장치의 회로도.

도 2는 이온 전류를 측정하기 위한 측정 장치를 가지는 유도 점화 장치의 제 2 실시예.

독립항에 언급된 특징을 가지는 본 발명에 따른 점화 장치는, 이온 전류 측정 의 지속 시간 동안 점화 코일 장치의 1차 권선을 단락시키는 스위치를 통하여, 점화코일의 자기 회로 내의 잔류 에너지가 1차측에서 소실되어, 즉, 열에너지로 변환되어 점화 스파크를 더 이상 발생시키지 않기 때문에, 점화 스파크가 매우 신속하게 그리고 재현가능하게 원하는 시점에서 소멸되는 장점을 가진다. 또한 점화 코일 장치의 1차측의 단락을 통하여 점화 코일의 2차측의 차단 주파수가 현저히 위로 이동되므로, 노킹 진동이 유의적 이온 전류 프로파일을 가져오기 때문에, 원치않는 작동 상태인 내연 기관의 노킹 진동이 감쇠되지 않은 채로 관찰될 수 있다.

스위치의 스위칭 경로가 폐쇄 상태에서 매우 낮은 임피던스를 갖는 것이 매우 바람직하다. 이로써 점화 코일 장치의 1차 회로는 2차 회로보다 현저히 더 낮은 임피던스를 가지며, 그 결과 점화 스파크가 신속하게 소멸된다.

특히 스위치는, 낮은 임피던스의 스위칭 경로를 가지는 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 형성될 수 있다.

끝으로, 측정 장치가 스위치를 바람직하게는 주기적으로 소정의 스파크 종료시점에서, 적어도 전체 이온 전류 측정의 지속 시간동안 폐쇄하는 제어 장치를 가지는 것이 매우 바람직하다. 이것은 전계 효과 트랜지스터의 경우 그것의 상응하는 활성화를 통하여 이뤄진다.

도 1은 도시하지 않은 내연 기관에 사용되는 유도 점화 장치를 나타낸다. 점화 장치는 자기적으로 서로 접속된 1차 권선(L1)과 2차 권선(L2)을 포함하는 점화 코일 장치(1)를 가진다. 1차 권선(L1)의 권선 단부(2)는 작동전압 즉, 내연 기관이 설치된, 도시되지 않은 차량의 배터리 전압(U_b)에 접속된다. 1차 권선(L1)의 다른 권선 단부(3)는 트랜지스터(T1)의 스위칭 경로로 안내되며, 상기 트랜지스터는 -소정의 점화 시점에 상응하게- 도시되지 않은 제어 장치에 의해 활성화된다. 따라서 권선 단부(3)는 트랜지스터(T1)의 도전 상태에서 트랜지스터(T1)의 콜렉터 이미터 구간을 통해 접지(M)에 접속된다(전압(U_b)을 공급하는 배터리의 음극). 도시되지 않은 내연 기관에 속하는 점화 플러그(ZK)의 한 전극(4)은 접지(M)에 접속된다. 점화 플러그(ZK)의 다른 전극(5)은 점화 코일 장치(1)의 2차 권선(L2)의 권선 단부(6)에 접속된다. 점화 코일 장치(1)의 다른 권선 단부(7)는 이온 전류(I)의 측정에 이용되는 측정 장치(8)에 안내된다. 또한 측정 장치(8)는 접지(M)에 접속된다. 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)의 한 권선 단부(2)는 스위치(S1)의 한쪽 극에 접속된다. 스위치(S1)의 다른 극은 1차 권선(L1)의 다른 권선 단부(3)에 안내된다. 따라서, 스위치(S1)가 폐쇄되면, 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)이 단락될 수 있다. 스위치(S1)는 바람직하게 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 구성되며, 소정의 시간 간격동안 상기 1차 권선의 단락을 실행할 수 있기 위해, 상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트(9)는 도시되지 않은, 화살표(10)로 표시된 제어 장치에 의해서만 활성화될 수 있다. 따라서, 스위치(S1)가 상응하게 활성화됨으로써 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)을 단락할 수 있다.

다음에 상기 장치의 작동 방식을 설명한다: 트랜지스터(T1)의 베이스의 선택된 활성화를 통하여 점화 코일 장치의 1차 권선(L1)에서 전류흐름이 트리거링되고, 이 전류 흐름은 2차측, 즉 2차 권선(L2)에서 고전압을 형성하고, 이 고전압은 점화 플러그(ZK)에서 점화 스파크를 트리거링한다. 연소 과정이 시작되면, 소정 파라미터에 대한 추론이 가능하도록 후속해서, 센서로서 작용하는 점화 플러그(ZK)에 의해 내연 기관의 연소실에서 이온 전류가 측정되어야 한다. 이를 위하여 스위치(S1)는 폐쇄되며, 이로써 점화 코일 장치의 1차 권선은 전기적으로 단락된다. 그 결과, 자기 회로에 존재하는 잔류 에너지는 소실된다. 즉, 열에너지로 변환된다. 따라서 점화 스파크는 매우 신속하게 규정된 방식으로 소멸된다. 동시에 1차 권선의 단락을 통하여 점화 코일 장치의 2차측의 차단주파수가 현저히 위로 이동되고, 그 결과 측정은 노킹진동에 관련된 범위에서 매우 정확하게 실시될 수 있다. 즉, 이온 전류의 측정을 통하여 내연 기관의 특히 임계적인 원치않는 작동상태가 감지될 수 있다. 본 발명에 따른 조치로 인해, 즉 이온 전류 측정의 전체 지속 시간 동안 1차 권선의 단락으로 인해, 정확하고 짧은 스파크 지속 시간이이 점화 플러그에서 실현되므로, 점화 스파크 작용은 어떠한 경우에도 후속하는 측정 평가를 방해하거나 또는 측정 주기를 "마스크(mask)"하지 않는다. 본 발명에 따른 단락을 통하여 또한 점화 시스템의 감쇠(decay)가 방지된다. 다시 말해서, 이온 전류의 측정은 잘못된 해석을 이끌어 낼 수 있는 감쇠 효과(decay effect)의 영향을 받지 않을 수 있다. 상술한 바와 같이 1차 권선의 단락으로 인한 차단 주파수의 상승을 통하여 종래 시스템에 존재하는 명백한 대역 제한(band limiting)이 극복되는데, 이러한 대역 제한은 지금까지 원치않는 작동상태, 예컨대 노킹 진동(3 내지 20 kHz)의 검출시 매우 방해되었다. 본 발명을 통하여, 이온 전류가 흐르는 2차 권선의 종래의 불량한 신호 전달 특성이 개선된다.

도 2는 이온 전류를 측정하기 위한 측정 장치를 가지는 유도 점화 장치의 다른 실시예를 나타내며, 도 1과 같은 부품은 같은 도면부호를 가진다. 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 기본적으로 동일하므로, 이하에서 이들 양 실시예들의 차이만 설명될 것이다.

도 1의 실시예에서 이온 전류를 측정하기 위한 평가 장치(8)는 점화 코일 장치(1)의 2차 회로 내에 배치되는 반면, 도 2의 실시예에서는 1차 회로 내에 배치되고, 더 정확하게 말하자면 배터리(U_b)의 양극이 측정 장치(8)에 접속되며, 거기서부터 1차 권선(L1)의 한 권선 단부(2)에 안내된다. 1차 권선(L1)의 다른 권선 단부(3)는 트랜지스터(T1)의 콜렉터에 접속되며, 상기 트랜지스터의 이미터는 접지(M)(배터리 전압(U_b)의 음극)에 안내된다. 또한 점화 플러그(ZK)의 전극(4)은 접지(M)와 접속된다. 점화 플러그(ZK)의 다른 전극(5)은 점화 코일 장치(1)의 2차 권선(L2)의 권선 단부(7)에 접속되며 2차 권선(L2)의 다른 권선 단부(6)는 1차 권선(L1)의 권선 단부(2)에 접속된다. 그러한 점에 있어서 점화 코일 장치(1)는 단권 변압기로 구성된다. 마찬가지로 바람직하게 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 형성된 스위치(S1)가 1차 권선(L1)에 병렬로 접속된다. 즉, 스위치(S1)의 스위칭 경로의 한 극이 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)의 권선 단부(2)에, 그리고 스위치(S1)의 다른 극이 권선 단부(3)에 접속된다.

다음에 상기 장치의 작동 방식을 설명한다: 트랜지스터(T1)를 도전 상태로 활성화시킴으로써 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)을 통해 전류가 흐르며, 상기 전류는 2차측, 즉 2차 권선(L2)에서 고전압을 발생시키며, 상기 고전압은 점화 플러그를 트리거링한다. 도시되지 않은 내연 기관의 연소실에서 연료 공기 혼합기의 점화후에 스위치(S1)가 제어 장치(화살표 10)에 의해 폐쇄된다. 즉, 점화 코일 장치(1)의 1차 권선(L1)이 단락된다. 이 때문에 도 1의 실시예에서 이미 언급된 장점이 나타나며, 그 결과 측정 장치(8)에 의해 최적의 이온 전류 측정이 실시될 수 있다.

Claims (4)

1. 각 실린더의 점화 플러그에서 이온 전류를 측정하기 위한 측정 장치 및 점화 플러그 마다 점화 코일 장치를 구비하고, 상기 점화 코일 장치는 점화 전압을 형성하며 변압기 원리에 따라 작동하고 1차 권선과 2차 권선을 가지며, 상기 점화 코일 장치의 2차 권선을 통해 상기 이온 전류가 흐르는, 내연 기관용 유도 점화 장치에 있어서,

   상기 이온 전류 측정 지속 시간 동안 상기 1차 권선(L1)을 단락시키는 스위치(S1)가 제공되는 것을 특징으로 하는 점화 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치(S1)의 스위칭 경로는 폐쇄 상태에서 매우 낮은 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 점화 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치(S1)는 전계 효과 트랜지스터(FET)인 것을 특징으로 하는 점화 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 측정 장치(8)는 상기 스위치(S1)를 주기적으로, 적어도 상기 이온 전류 측정의 지속시간 동안 폐쇄하는 제어 장치(화살표 10)를 가지는 것을 특징으로 하는 점화 장치.