콘덴서 방전 점화

Capacitor discharge ignition
CDI 모듈

콘덴서 방전 점화(CDI) 또는 사이리스터 점화(syristor ignition)는 선외기, 오토바이, 잔디 깎기, 전기톱, 소형 엔진, 터빈 구동 항공기 및 일부 자동차에 널리 사용되는 자동차용 전자 점화 시스템의 한 종류입니다.원래 이 시스템은 유도 방전 점화(IDI) 시스템에 사용되는 높은 인덕턴스 코일과 관련된 긴 충전 시간을 극복하기 위해 개발되었으며, 점화 시스템이 고속 엔진 속도(소형 엔진, 레이싱 엔진 및 로터리 엔진)에 더 적합합니다.정전식 방전 점화 장치는 코일에 대한 콘덴서 방전 전류를 사용하여 스파크 플러그를 점화합니다.

역사

니콜라 테슬라

콘덴서 방전 점화 시스템의 역사는 니콜라 테슬라가 이러한 점화 시스템을 최초로 제안했다고 믿어진 1890년대까지 거슬러 올라갈 수 있다.1897년 2월 17일 첫 출원된 미국 특허 609,250에서 테슬라는 '장치의 적절한 이동 부분은 방전이 발생하는 단자로 이어지는 2차 회로에 대해 유도적으로 회로를 통해 콘덴서의 충전과 방전을 기계적으로 제어하게 되어 있다'고 쓰고 있다.콘덴서는 회로를 통해 방전될 수 있으며 다른 회로에서는 원하는 방전을 생성하는 고전위 전류를 유도할 수 있습니다.'특허는 또한 그 목적을 달성하기 위한 기계적 수단인 도면을 사용하여 매우 일반적으로 기술한다.

포드 모델 K

이것은 1906년부터 포드 모델 K에서 시행되었다.모델 K는 Holley Brothers Company가 제조한 Holley-Huff Magneto 또는 Huff System을 포함한 이중 점화 시스템을 가지고 있었다.그것은 에드워드 S에 의해 디자인되었다.Huff with US partent #882003은 1905년 7월 1일에 출원하여 Henry Ford에게 할당되었습니다.이 시스템은 엔진 구동 DC 제너레이터를 사용하여 캐패시터를 충전한 다음 점화 코일 1차 권선을 통해 캐패시터를 방전했습니다.1906년 1월 11일 '모터웨이'에서 발췌한 내용은 포드 6기통 차량에 대한 그것의 사용을 설명하고 있다: '포드 마그네토의 효율성은 차 안에서 스위치를 켜는 순간 속도가 빨라지고 점화 제어 레버의 위치를 바꾸지 않고도 최소한 1시간에 10마일은 더 빨리 달릴 수 있다는 사실에서 알 수 있다.

로버트 보쉬

최초의 전자 CD 점화의 선구자였던 로버트 보쉬(Robert Bosch) 회사였다. (또한 보쉬는 고압 마그네토의 발명에 책임이 있다.)2차 세계대전 중 Bosch는 일부 피스톤 엔진 전투기에 티라트론(튜브형) CD 점화장치를 장착했다.CD 점화에서는 항공기 엔진이 안정적인 점화를 위해 예열 기간을 필요로 하지 않았고 그 결과 전투기는 더 빨리 비행할 수 있었다.이 초기 독일 시스템은 연약한 튜브 회로와 함께 회전식 DC 컨버터를 사용했고, 전투기에서의 생활에 적합하지 않았다.불과 몇 시간 만에 장애가 발생했습니다.CD 점화를 위한 신뢰할 수 있는 전자 수단을 찾는 일은 1950년대에 본격적으로 시작되었다.1950년대 중반, 미시간 대학의 공학 연구소는 미국의 크라이슬러 사와 협력하여 실행 가능한 해결책을 도출하는 방법을 찾기 위해 노력했습니다.

티라트론

그들은 성공하지 못했지만, 그러한 시스템이 구축될 경우 이점에 대한 많은 데이터를 제공했습니다.즉, 오염되거나 젖은 스파크 플러그를 점화하기 위한 빠른 전압 상승 시간, RPM 범위 전체에 걸쳐 높은 에너지로 인해 시동 상태가 개선되고 전력 및 경제성이 향상되며 배기 가스 배출이 감소합니다.소수의 엔지니어, 과학자, 그리고 취미 생활자들은 1950년대 내내 티라트론을 사용하여 CD 점화장치를 만들었다.그러나 티라트론은 두 가지 이유로 자동차에서 사용하기에 적합하지 않았다.그들은 성가신 준비 기간을 필요로 했고 진동에 취약하여 수명을 대폭 단축시켰다.자동차 애플리케이션의 경우 티라트론 CD 점화 장치가 몇 주 또는 몇 달 안에 작동하지 않습니다.초기 티라트론 CD 점화 장치의 신뢰성은 단기적인 이점을 제공함에도 불구하고 대량 생산에 적합하지 않게 만들었습니다.적어도 한 회사는 1962년에 Tung-Sol(진공관 제조업체)이 티라트론 CD 점화, Tung-Sol EI-4 모델을 출시했지만 가격이 비쌌다.티라트론 CD 점화 장치의 실패에도 불구하고, 개선된 점화 장치는 일부 운전자에게 가치 있는 추가 기능을 제공했습니다.1964년 Wankel로 구동된 NSU Spider의 경우, Bosch는 CD 점화 시 티라트론 방식을 부활시켜 최소 1966년까지 이를 사용하였습니다.Tung-Sol EI-4와 같은 신뢰성 문제가 있었습니다.

사이리스터

1950년대 후반에 발명된 실리콘 제어 정류기 또는 사이리스터는 문제가 되는 티라트론을 대체하여 신뢰할 수 있는 고체 CD 점화 장치의 기반을 닦았습니다.이것은 제너럴 일렉트릭의 빌 구츠윌러와 그의 팀 덕분이었다.SCR은 수명이 길어서 견고했지만 원치 않는 트리거 임펄스가 발생하여 SCR이 'ON' 상태가 되기 쉽습니다.CD 점화용으로 SCR을 사용하려는 초기 시도에서 원치 않는 트리거 임펄스는 전기적 간섭에 의해 발생했지만, 주범은 '포인트 바운스'인 것으로 판명되었습니다.포인트 바운스는 포인트 트리거 시스템의 기능입니다.포인트가 있는 표준 시스템에서는 분배기, 점화 코일, 점화(케터링 시스템) 포인트 바운스가 RPM이 증가함에 따라 코일이 완전히 포화되는 것을 방지하여 스파크가 약해지므로 고속 전위가 제한됩니다.CD 점화에서는 적어도 초기 시도에서는 점들이 바운스로 인해 SCR(사이리스터)에 원치 않는 트리거 펄스가 생성되어 일련의 약한 타이밍에 불꽃이 발생하여 극단적인 오발화를 야기했습니다.그 문제에 대한 두 가지 가능한 해결책이 있었다.첫 번째 방법은 포인트를 다른 것으로 대체함으로써 캐패시터의 방전을 파워 스트로크당 1회까지 트리거하는 방법을 개발하는 것입니다.이것은 자기 또는 광학적으로 할 수 있지만, 더 많은 전자제품과 값비싼 유통업체가 필요합니다.다른 옵션은 포인트를 이미 사용 중이고 신뢰할 수 있는 상태로 유지하고 '포인트 바운스' 문제를 극복할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다.이것은 1962년 4월 캐나다 RCAF 장교 F.L. 윈터번이 온타리오 오타와에 있는 자신의 지하실에서 일하면서 이루어졌다.설계에서는 점의 첫 번째 개구부만 인식하고 점이 튕겨나올 때 후속 개구부는 무시하는 저렴한 방법을 사용했습니다.

하이랜드 일렉트로닉스

F.L. 윈터번

1963년 초 오타와에서 하이랜드 일렉트로닉스라는 회사가 윈터번 디자인을 사용하여 CD 점화 장치를 제작했습니다.CD 점화 내부의 방전 캐패시터는 케터링 시스템과 달리 스파크 에너지를 높은 rpm으로 유지할 수 있다는 점을 제외하고는 동일한 코일을 사용하여 케터링 시스템의 4배 이상의 스파크 출력을 제공할 수 있는 강력한 스파크를 제공합니다.Hyland 유닛은 5000rpm(8cyl) 또는 10,000rpm(4cyl)에서 4암페어만 소비했습니다.1963년과 1964년의 동력계 테스트에서는 시스템의 마력이 최소 5% 증가했으며, 표준 마력은 10% 증가했습니다.예를 들어 포드 팔콘은 마력이 17% 증가했습니다.스파크 플러그의 수명은 최소 50,000마일로 증가했고 포인트 수명은 8,000마일에서 최소 60,000마일로 크게 연장되었습니다.포인트 수명은 마찰 블록(캠 팔로워) 마모와 스프링의 수명 주기의 요인이 되었으며, 일부는 거의 100,000마일까지 지속되었습니다.

Hyland 부대는 다양한 점수 차이에 대해 관대했다.두 와이어를 교체하여 시스템을 표준 유도 방전 점화 스위치로 다시 전환할 수 있습니다.하이랜드 CD 이그니션은 상업적으로 제작된 최초의 솔리드 스테이트 CD 이그니션으로 소매가는 39.95달러였다.이 특허는 1963년 9월 23일 윈터번에 의해 출원되었다(미국 특허번호는 3,564,581).1963년 여름 하이랜드가 판매를 확대하기 위해 디자인을 미국 회사에 공개하면서 미국으로 유출되었다.그 후, 1960년대와 1970년대 내내 많은 회사들이 무면허로 그들만의 건물을 짓기 시작했다.일부는 윈터번 서킷을 직접 복사한 것입니다.1971년 Bosch는 Winterburn으로부터 유럽 특허권(독일, 프랑스, 영국)을 샀다.

무선 세계

1970년 1월의 UK Wireless World 잡지는 R.M. Marston의 전자 취미 개발 프로젝트로서 상세한 캐패시터 방전 점화 시스템을 발표했습니다.이 시스템의 회로는 저장 방전 캐패시터로 에너지를 전달하기 위한 푸시 풀 변환 스위치 모드 발진기와 기존의 접점 차단기를 사용하여 충전된 CD 캐패시터의 방전을 트리거하는 사이리스터를 사용했다는 점에서 Winterburn 특허와 유사했습니다.그것은 기존의 점화 장치보다 몇 가지 이점을 제공한다고 언급되었다.그 중 연소 개선, 영하의 조건에서도 시동 용이, 접촉기(포인트) 바운스에 대한 내성, 연비 2%~5%.이후 Wireless World에 보낸 서한(1970년 3월 및 5월)에는 Marston씨의 답변과 함께 설계와 구축에 대해 더 자세히 설명했습니다.1971년 7월, 런던 시립 대학의 학부생인 A.P. Harris씨는 연비를 검증하기 위한 자동차 엔진 측정 시험뿐만 아니라 Marston 설계의 상세한 전기 공학 분석을 실시했습니다.이를 통해 CD 점화 시스템의 장점을 확인할 수 있었습니다.그러나 CD 설계의 핵심 요소는 스위치 모드 변압기의 신중한 손 감기, 발진기 트랜지스터의 적절한 선택 및 발진기 주파수 선택에 있다는 것을 발견했습니다.

현재의 애프터마켓 시스템

1970년대와 1980년대에는 다양한 용량성 방전 장치를 쉽게 구할 수 있었지만, 다양한 이유로, 아마도 대부분 비용이 들겠지만, 현재 사용 가능한 애프터마켓 점화 시스템의 대부분은 유도 방전 유형으로 보인다. 일부는 포인트를 유지하는 반면 다른 일부는 대체 유형의 타이밍 센서를 제공했다.

기본원칙

차량에 사용되는 대부분의 점화 시스템은 유도 방전 점화(IDI) 시스템으로, 1차 코일 권선의 전류가 차단(중단 방전)될 때 자기장이 붕괴됨에 따라 코일의 전기 인덕턴스에만 의존하여 스파크 플러그에 고전압 전기를 생성합니다.CDI 시스템에서 충전회로는 고전압 캐패시터를 충전하고, 일반적으로 크랭크 위치 센서에 의해 결정되는 점화 순간 시스템은 캐패시터의 충전을 중지하여 캐패시터가 스파크 플러그에 도달하기 전에 점화 코일에 출력을 방전할 수 있도록 한다.

일반적인 CDI 모듈

일반적인 CDI 모듈은 소형 변압기, 충전 회로, 트리거 회로 및 메인 캐패시터로 구성됩니다.먼저 CDI 모듈 내부의 전원 공급 장치에 의해 시스템 전압이 250~600V로 상승합니다.그러면 전류가 충전 회로로 흘러 캐패시터를 충전합니다.충전 회로 내부의 정류기는 점화 순간 전에 콘덴서가 방전되는 것을 방지합니다.트리거 회로가 트리거 신호를 수신하면 트리거 회로가 충전 회로의 작동을 중지하여 캐패시터가 출력을 낮은 인덕턴스 점화 코일로 빠르게 방전할 수 있습니다.CD 점화에서 점화 코일은 유도 시스템에서처럼 에너지 저장 매체가 아닌 펄스 변압기로 작동합니다.스파크 플러그에 대한 전압 출력은 CD 점화 설계에 따라 크게 달라집니다.기존 점화 구성 요소의 절연 능력을 초과하는 전압은 해당 구성 요소의 조기 고장으로 이어질 수 있습니다.대부분의 CD 점화 스위치는 매우 높은 출력 전압을 제공하도록 제작되지만, 이것이 항상 유리한 것은 아닙니다.트리거 신호가 없으면 충전 회로가 다시 연결되어 캐패시터를 충전합니다.

저장된 에너지

CDI 시스템이 스파크를 발생시키기 위해 저장할 수 있는 에너지의 양은 사용되는 콘덴서의 전압과 캐패시턴스에 따라 다르지만 일반적으로 약 50mJ 이상입니다.유도 방전 점화 시스템 또는 케터링 점화 시스템으로 더 적절하게 불리는 표준 지점/코일/디스트리뷰터 점화 시스템은 저속에서는 25mJ를 생성하고 속도가 증가할수록 빠르게 감소합니다.

CDI 스파크 에너지에 대해 설명할 때 고려되지 않는 한 가지 요인은 스파크 갭에 공급되는 실제 에너지와 코일의 1차 측에 공급되는 에너지입니다.간단한 예로, 일반적인 점화 코일의 2차 권선 저항은 4000Ω이고 2차 전류는 400밀리암페어입니다.스파크가 발생하면 작동 중인 엔진에서 스파크 갭 전체의 전압이 1500~2000V 정도로 비교적 낮은 값으로 떨어집니다.이는 400밀리암페어의 코일 2차 전류가 4000Ω 2차 저항을 통해 약 1600V 손실된다는 사실과 결합하면 코일 2차 가열 시 에너지의 50%가 완전히 손실된다는 것을 의미합니다.실제 측정 결과 코일 1차 권선 손실을 포함하면 실제 효율은 35 ~ 38%에 불과한 것으로 나타났습니다.

종류들

대부분의 CDI 모듈은 일반적으로 다음 두 가지 유형이 있습니다.

AC-CDI

AC-CDI 모듈은 교류 발전기에 의해 생성된 교류만을 통해 전력을 공급받습니다.AC-CDI 시스템은 소형 엔진에 널리 사용되는 가장 기본적인 CDI 시스템입니다.

모든 소형 엔진 점화 시스템이 CDI인 것은 아닙니다.오래된 Briggs나 Stratton과 같은 몇몇 엔진은 마그네토 점화장치를 사용한다.전체 점화 시스템, 코일 및 지점이 자화된 플라이휠 아래에 있습니다.

1960년대와 1970년대에 소형 오프로드 오토바이에 흔히 사용된 또 다른 종류의 점화 시스템은 에너지 전달이라고 불렸다.플라이휠 아래의 코일은 플라이휠 자석이 움직이면서 강한 DC 전류 펄스를 생성했습니다.이 DC 전류는 와이어를 통해 엔진 외부에 장착된 점화 코일로 흐릅니다.포인트는 2행정 엔진의 경우 플라이휠 아래, 4행정 엔진의 경우 캠축 아래에 있는 경우가 있었습니다.이 시스템은 모든 케터링(점/코일) 점화 시스템처럼 작동했습니다...개방점은 점화 코일의 자기장 붕괴를 트리거하여 스파크 플러그 와이어를 통해 스파크 플러그로 흐르는 고전압 펄스를 생성합니다.

오실로스코프로 코일의 파형 출력을 검사하는 동안 엔진이 회전한 경우 AC로 나타납니다.코일의 충전 시간은 크랭크의 전체 회전보다 훨씬 작기 때문에 코일은 외부 점화 코일의 충전을 위해 DC 전류만 '확인'합니다.

CDI가 아닌 일부 전자 점화 시스템이 존재합니다.이러한 시스템은 트랜지스터를 사용하여 적절한 시점에 코일의 충전 전류를 껐다가 켭니다.이를 통해 연소 및 마모 지점의 문제가 제거되고 점화 코일의 전압 상승 및 수축 시간이 빨라지기 때문에 더 뜨거운 스파크가 발생하였습니다.

DC-CDI

DC-CDI 모듈은 배터리로 구동되므로 CDI 모듈에 추가 DC/AC 인버터 회로가 포함되어 12V DC를 400~600V DC로 상승시켜 CDI 모듈을 약간 더 크게 만듭니다.그러나 DC-CDI 시스템을 사용하는 차량은 점화 타이밍이 더 정확하고 차가울 때 엔진을 더 쉽게 시동할 수 있습니다.

CDI의 장점과 단점

CDI 시스템은 충전시간이 짧고 일반적인 유도계(300~500V/μs)에 비해 전압이 빠르게 상승(3~10kV/μs)하며 스파크 지속시간이 약 50~[citation needed]600μs로 제한된다.전압 상승이 빠르기 때문에 CDI 시스템은 분로 저항에 둔감하지만, 일부 용도에서는 스파크 지속 시간이 너무 짧아 안정적인 점화 기능을 제공할 수 없습니다.분로 저항에 대한 둔감함과 여러 개의 스파크를 발사할 수 있는 능력은 냉간 시동 [citation needed]능력을 향상시킬 수 있습니다.

CDI 시스템은 스파크 지속 시간을 줄여주기 때문에 이 점화 시스템을 이온화 측정과 결합할 수도 있습니다.이는 점화되는 경우를 제외하고 스파크 플러그에 저전압(약 80V)을 연결함으로써 이루어집니다.그런 다음 스파크 플러그 위로 흐르는 전류를 사용하여 [citation needed]실린더 내부의 온도 및 압력을 계산할 수 있습니다.

레퍼런스

  • Bosch Automotive 핸드북, 5판
  • 미국 특허청 - 3,564,581
  • Wireless World, 1970년 1월: 콘덴서 방전 점화 시스템, R.M. Marston
  • Wireless World, 1970년 3월: 편집자에게 보내는 편지
  • Wireless World, 1970년 5월: 편집자에게 보내는 편지
  • 런던시립대학교, 14-07-1999 B.sc.우등 학위 - 특별 보고서 - 자동차 전자 점화 시스템A.P. 해리스