*** 정회원 : 주식회사 키엔솔루션
*** 준회원 : 조선대학교 컴퓨터공학과
*** 정회원 : 조선대학교 컴퓨터공학부 (교신저자, [email protected])
접수일자 : 2012. 11. 26 심사완료일자 : 2012. 12. 02
이금분* · 최석원* · 김두현** · 조범준***
Design and Implementation of Electric Current Control Device for Ignition Coil in Spark Ignition Engine
Geum-Boon Lee* · Seok-Won Choi* · Doo-Hyun Kim** · Beom-oon Cho***
이 논문은 2012년도 조선대학교 연구비의 지원을 받아 연구되었음
요 약
본 논문은 스파크 점화방식의 엔진에서 차량의 주행상태에 따른 점화코일의 전류량을 측정하여 추가적인 전류 를 공급하는 충전 전류제어장치를 설계 및 구현하였다. 1차 점화코일의 전류를 실시간 측정하여 차량 상태에 따른 안정적 전원 공급 및 과전류를 방지함으로써 차량 엔진의 출력증대 및 효율적인 연소가 가능하도록 점화에너지를 증가시켜 엔진 성능을 향상코자 하였다. 제안하는 장치의 유효성 실험을 위해 정상적으로 운행되는 차량에 장착 후 출력과 토크에 대한 성능평가를 하였으며, 다이나모 장비를 이용한 장치 실험결과는 장착전․후 출력과 토크 성능 대비 평균 10% 이상 증가함을 보여주었다.
ABSTRACT
In this paper, we design and implement a electric current controller for ignition coil to measure the amount of current and to supply the additional current under vehicle driving conditions in spark ignition engines. The proposed controller can provide the stable current and prevent the overcurrent by measuring the amperage of primary ignition in real time. Also it enhances the performance of vehicle engine by controling the amount of ignition energy that make power increase and fuel burn more completely. The power and torque of the normal vehicle is evaluated as performance index for the experimental validation of the control module. The experimental results using dynamometer equipment show that after control module-mounted elevates the average of 10% more in both power and torque compared with before module-mounted.
키워드
자동차 점화코일, 전류 제어, 스파크 점화기관
Key word
Automobile Ignition Coil; Electric Current Control; Spark Ignition Engines
Ⅰ. 서 론
현재 자동차 산업은 자동차 운행과 관련된 엔진 및 기 계장치의 정밀도를 높이는 단계를 넘어 디자인과 안정 성이 중요한 시기를 지나 새로운 가치가 창출되는 국면 을 맞고 있다. 환경 및 에너지 효율, 자동차 전기전자장 치를 통한 편의와 안전에 관한 서비스들이 강화되고 있 으며[1], 환경 및 에너지 효율과 관련하여 자동차용 엔진 개발에 있어 가장 중점을 두는 사항은 고출력, 저배기, 연비향상이라 할 수 있다[2].
자동차의 전기장치 중 엔진 전기장치는 점화장치, 충 전장치, 배터리, 기동장치 등으로 구분되며[3], 이 중 점 화장치는 엔진 작동에 매우 중요한 역할을 담당하는 자 동차의 핵심 장치로서 연소의 시작을 결정하는 중요한 역할을 담당할 뿐만 아니라 엔진 성능에 큰 영향을 끼치 며, 연비개선, 출력증대, 운전안전성 향상, 배기가스 규 제 등과 관련하여 그 중요성이 더욱 커지고 있다[4].
대부분의 스파크점화방식 엔진(가솔린, LPG) 차량은 전자제어 방식으로 자동차용 임베디드 소프트웨어 기 술의 발달과 더불어 공연비 제어, 점화 및 연료분사제어, 각종 전기신호처리 및 엔진의 최적 제어 수행에 초점을 맞춰 고도화 되고 있다[2].
차량 엔진 출력은 점화장치 및 점화에너지, 점화시기 에 따라 상당한 영향을 받으며, 점화 시기는 엔진 ECU가 각종 센서로부터 받은 데이터 신호를 바탕으로 이를 연 산하여 점화장치로 점화신호를 보내게 되고, 점화장치 는 신호에 따라 전류를 on-off하게 된다. 점화코일은 고 전압을 발생시켜 점화플러그로 하여금 차량 엔진 조건 의 최적 시기에 점화될 수 있도록 타이밍을 맞춰 스파크 방전을 일으키며 각 실린더에 공급된 혼합공기를 연소 시켜 엔진이 가동하도록 되어있다.
그러나 차량 엔진은 점화를 위한 점화코일 충전 시 전기적 과부하 또는 RPM 상승에 따른 충전시간 부족 등에 의해 충분치 못한 전류로 스파크를 만들고 적은 점 화에너지는 연소시간 지연으로 나타나며, 이에 따른 연 속적인 에너지 공급이 어렵게 되면 점화 폭발력이 떨어 지게 되어 충분한 파워를 얻지 못하므로 엔진출력이 저 하된다.
본 논문에서는 차의 고속주행 시의 추가 가속, 추월을 위한 급가속 및 언덕길 등판, 고속회전 시 고속 충․방전 을 해야 하는 엔진의 조건 상 충분치 못한 전류를 충전하
여 스파크를 만들게 됨에 따라 연소시간 지연 등 엔진의 출력과 효율의 저하를 가져 오는 문제를 해결하고자 점 화코일 전류제어장치를 설계 및 구현하였다.
Ⅱ. 점화코일 충전 제어 장치 설계
2.1. 장치의 필요성
연소실내 압축 혼합기의 점화는 점화 플러그의 스파 크 간극 사이에 전기 스파크를 튀게 하여 혼합기를 활성 화시켜 연소에 이르게 하는 것으로, 높은 전압이 필요하 게 된다. 점화는 연소의 시작 및 연소 발달과정을 주로 결정하며 연소율, 연소시간 및 사이클 변화 등에 중요한 영향을 미치게 된다[5, 6]. 따라서 점화장치와 점화 에너 지가 스파크 엔진의 성능에 미치는 영향은 연소속도 향 상, 실화 또는 부분연소의 발생 최소화, 연소상태의 개 선, 배기 가스 감소 등을 들 수 있다[2].
점화 에너지는 그림 1의 전류값과 전압값을 곱하고 방전 시간으로 시간 적분하는 것에 의해 얻을 수 있다 [5, 6].
그림 1. 방전 시의 전압, 전류값
Fig. 1 The Voltage/Current of Discharge Time
따라서 고점화 에너지 및 스파크 세기에 직접적으 로 영향을 미치는 요인 중 하나로 점화코일에 충전되 는 전압․전류의 양을 들 수 있으며[7], 본 논문은 차량 의 ECU에서 점화코일에 충전을 요구하는 신호를 실 시간으로 모니터링 한 후 코일에 충전신호가 오는 순 간마다 점화코일에 추가적으로 전류를 공급하여 점화 코일에 따른 전류량을 제어하고, 점화코일에 문제가 발생하였을 경우에도 과전류를 방지할 수 있도록 제 어 장치를 고안하여 추가적인 전류를 공급하는 장치 를 개발함으로써 엔진 출력증대 및 성능향상을 기하 고자 하였다.
그림 2. 점화코일 충전 전류제어 시스템 Fig. 2 The Electronic Current Control System of
Vehicle Ignition Coil
그림 2는 제안하는 점화코일 충전 전류제어 시스템을 보여준다. 점화코일은 차량 종류 및 엔진 종류에 따라 각 기 다르므로 점화코일의 특성을 실시간으로 체크하여 어떠한 코일이 쓰였는지 분석하고 해당 코일에 최적화 된 전류량을 판단하여 추가적으로 전류를 공급해 주며 또한 상태표시 장치를 통해 코일의 이상 유무를 확인할 수 있도록 고안하였다.
2.2. 장치 구현을 위한 회로 설계
ECU는 드웰 타임이라고 하는 코일 충전시간을 제어 하여 전압․전류의 양을 최대한 효율적으로 충전하여 스파크를 만들 수 있게 한다. 따라서 점화코일의 충전 전 류 제어를 위해 마이크로 프로세서를 이용한 제어장치 를 설계․제작하였으며, 점화 1차 코일에 연결되는 라인
에 전류제어장치를 만들어 차량의 ECU에서 코일에 충 전을 요구하는 신호를 실시간으로 모니터링하여 신호 요청이 있을 시, 점화코일에 추가적으로 전류를 공급하 여 출력증대 및 효율적인 연소가 가능하도록 설계하였 다. 그림 3은 본 논문에서 구현하는 장치의 기능을 16부 분으로 나누어 설계한 메인컨트롤 및 전류센서모듈 설 계도이다.
기능별 설계도
1 FND를 통한 제어상태의 출력 및 현재 출력 전류와 전 압 표시부
2 8개의 LED를 통한 공급전압의 실시간 표시부
3 점화코일에 지속적으로 유지되고 있는 전원의 전압 을 측정하여 실시간 보여주는 표시부
4
코일을 제어하기 위해 필요한 전원을 공급받기 위해 배터리의 전원을 공급하고 생성된 전원을 공급받는 단자
5 장치가 정상적인 동작을 하지 못할 때 기존 점화코일 라인에서 전원을 공급받는 단자
6 마이크로 컨트롤러에 제어용 프로그램을 넣기 위한 단자와 프로세서를 강제로 리셋 시키기 위한 스위치
7 점화코일의 출력부와 점화전원 공급라인의 전압상태 를 체크하기 위한 회로
8 배터리에서 동작 전원을 입력받는 단자
9 시동이 꺼졌을 경우 장치의 전체 전원을 강제로 차단 시키기 위한 제어 릴레이 회로
10 전원장치에 문제가 발생할 경우 기존의 전원라인을 통해 전원을 공급받기 위한 바이패스 회로
11 점화코일 전원라인에서의 입력과 점화코일에 전원을 공급하기 위한 출력 단자
12
제어를 통해 점화코일에 전류가 얼마나 흐르고 있고 어떻게 변화되는지 실시간으로 감시 및 제어가 가능 하게 만들어 주는 감지회로
13
제어용 전원을 통해 전원을 공급받고 실시간 전류감 지를 통해 필요한 만큼의 전류를 제어하여 점화코일 에 인가되는 전원을 제어하는 출력제어회로 14 정밀한 감지회로를 구동하기 위한 정전압 전원 회로
15 코일과 코일에 형성된 1차 전압을 측정하기 위한 전압 측정회로
16 장치의 전체적인 구동을 제어하는 마이크로 컨트롤 러 칩
그림 3. 메인컨트롤 및 전류 센서모듈 설계도
Fig. 3 The Architectural Drawing of Main Controller and Electronic Current Sensor Module
그림 4는 제어용 전원을 통해 전원을 공급받고 실시 간 전류감지를 통해 필요한 만큼의 전류를 점화코일에 인가하는 출력제어회로 설계이며, 그림 5는 점화코일의 출력부와 점화 전원 공급라인의 전압상태를 체크하기 위한 회로로 점화 1차 전압의 측정이 가능하도록 설계하 였다.
그림 4. 점화코일 전류 측정 회로 Fig. 4 Charging Current Measurement Circuit in
Ignition Coil
그림 5. 점화코일의 출력 상태 점검 회로
Fig. 5 Vehicle Ignition Coil-Out Check Circuit
Ⅲ. 실험 결과 및 분석
본 논문에서 제안한 점화코일 충전전류제어장치 설 계 및 구현을 위한 장치 구성의 구현 환경은 표 1과 같으 며, 구현된 장치는 배기량 2000CC, 4기통, 각 실린더별 연료분사방식, DLI 점화방식의 차량에 적용하였다.
표 1. 실험 구현 환경 Table. 1 The Experimental Environment
항 목 범 위
입력 전원 10~15V
코일 입력 전압 10~15V
배터리 입력 전압 10~15V
내부 사용 전압 5V / 24V
입력 전류 15A
출력 허용 전류 15A(MAX25A)
CPU 8bit 20Mhz
사용점화 타입 ECU 제어 코일 점화 방식
사용 코일 저항 0.2Ω~10Ω
표 1에 기반한 메인 컨트롤 모듈 및 전류 센서 모듈의 설계는 그림 3과 같으며, 설계도에 기반하여 칩셋으로 구현된 모듈은 그림 6과 같다.
엔진 출력의 성능 평가를 위해 다이나모 장비를 이용 하여 출력과 토크에 대한 실험을 하였으며, 출력과 토크 에 관계식은 다음과 같다[5].
엔진이 매분 회전하고 있다면, 엔진의 출력과 토크 의 관계는,
1 = 2 ( / )
60 nT Nm s 초당의 일 π
(1)
이것을 출력( )의 단위로 고치면 식(2)와 같다.
2 1.0472 10
460 1000
P = π nT = ×
−nT
× (2)
식(2)로부터 토크를 구한다.
9549.3 P
T n
= ×
(3)
여기서, 는 출력()이며, 는 토크()를 나타 내고, 은 엔진 회전 속도()이다.
그림 3의 메인컨트롤 및 전류 센서모듈 설계도를 기 반으로 구현된 점화코일 충전 전류제어 모듈은 그림 6과 같으며, 차량에 장착하여 성능 실험을 하였다.
그림 6. 점화코일 충전 전류제어 모듈 Fig. 6 The Electronic Current Control Module of
Vehicle Ignition Coil
장치 실험을 위해 K5 세타2 2.0 LPG 차량에 대해 다이 나모 장비를 이용하여 출력(kg/m)과 토크(PS)에 대해 실 험하였으며, 결과는 그림 7과 같다.
그림 7. 장치 장착전․후 출력 및 토크 Fig. 7 Vehicle Mounted Performance for Power
and Torque
그림 7에서 보여준 실험 결과를 살펴보면, 토크는 모
듈 4000rpm에서 장착 전․후 가장 큰 차이를 보이며, 장
착 전보다 21.4% 정도 향상된 결과를 가져왔으며, 출력
의 경우도 장착 전․후 비교한 결과 4000rpm에서 가장 큰 차이를 나타내며 21.8% 증가하였음을 알 수 있다.
표 2. 차량 장착 시험 분석 데이터 Table. 2 Vehicle Mounted Testing Data
결과 RPM
Torque(Kg/m) Power(PS) 장착 전 장착 후 장착 전 장착 후
1500 12.4 12.4 60 60
2000 12.1 12.9 65 70
2500 11.3 12.8 67 74
3000 12.4 13.5 80 88
3500 11.6 13.1 82 93
4000 10.3 12.5 78 95
표 2의 결과는 RPM에 따른 장치의 장착 전․후를 비 교한 데이터로 전 구간에 걸쳐 토크는 장착 전보다 평균 10% 이상 향상되었으며, 출력도 평균 11% 이상 향상된 결과를 보여주었다.
장치 실험의 결과는 점화 스파크의 세기 증대에 따른 연소속도 증가로 RPM 영역에서 출력 및 토크가 상승하 였으며, 이에 따른 엔진 반응 속도 증가로 인한 엑셀 응 답시간이 감소함으로써 점화코일 충전 전류제어장치의 유용성과 효과성을 보여주었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 점화코일 전류 제어장치를 설계 및 구현하여 스파크 점화 방식 엔진을 이용하는 차량에 장착하여 장착 전․후 차량의 전반적인 주행 상태에 따른 출력과 토크 변화를 실험하였다. 점화코일의 전 류량을 제어하여 1차 점화코일에 충전 전류를 공급함 으로써 점화에너지를 증가시켜 연소속도 증가 및 차 량의 전반적인 RPM 영역에서 출력 및 토크의 증가를 얻을 수 있었다. 또한 점화코일의 상태를 실시간으로 체크함으로서 과전류를 방지할 수 있으며, 실제 차량 주행에 있어서 엔진 출력증대 및 연비감소 등의 효과 를 기대할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 2012년도 조선대학교 연구비의 지원을 받아 연구되었습니다.
참고문헌
[1] 민재홍, 이현우, 김재영, “자동차용 임베디드 소프트 웨어 기술 동향,” 전자통신동향분석, 제26권, 2호, pp. 138-147, 2011.
[2] 송정훈, “SI 기관의 초기화염 생성 모델과 점화장치 가 기관성능에 미치는 영향,” 한양대학교 박사학위 논문, 2000.
[3] 신종열, 홍진웅, “자동차 점화코일용 절연유의 전기 적 특성,” 한국자동차공학회논문집, 제7권 5호, pp.172-177, 2003.
[4] 김치원, 한성현, 이준경, 이종진, 김대훈, “스파크점 화 가솔린기관의 전자제어기 설계 및 연소특성에 관 한 실험적 연구,” 한국자동차공학회 춘․추계학술 대회논문집, pp. 134-140, 2007.
[5] 한국자동차공학회, 자동차기술핸드북 (1) 이론편 , 유 연상사, pp.31-33, 1996.
[6] Bosh, Automotive Handbook, Robert Bosh GmbH, Stuttgart, West Germany, 1976.
[7] S. D. Walters and P. A. Howson, “Modeling of high voltage ignition sparks produced by I.C. engine ignition systems,” Proceedings of the Universities Power Engin.
Conf., vol. 3, pp. 716-719, 1996.
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