KR101446725B1 - 복합 스파크 플러그 - Google Patents

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KR101446725B1
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루이스 에스. 카밀리
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에너펄스 인코포레이티드
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Abstract

복합 점화 장치는 발화 콘 조립체를 형성하기 위하여 제1 절연체에 결합된 팁이 형성되어 있는 양극을 포함한다. 음의 용량성 요소가 내부에 매립된 제2 절연체는 발화 콘 조립체에 부착된다. 양의 용량성 요소는 제2 절연체에 배치되고 제2 절연체에 의해서 음의 용량성 요소로부터 분리된다. 양의 용량성 요소는 양극과 연결된다. 양 및 음의 용량성 요소들은 커패시터를 형성한다. 저항기는 양의 용량성 요소에 결합된다. 전기 커넥터는 저항기에 연결되고 제2 절연체에 부착된다. 팁을 구비한 음극을 포함하는 쉘은 제2 절연체와 발화 콘 조립체에 부착되고 음의 용량성 요소에 연결된다. 음극 팁은 양극 팁으로부터 이격되어 있다.
점화 장치, 내연 기관, 발화 콘 조립체, 절연체, 양극, 음극판, 팁, 커패시터, 저항기

Description

복합 스파크 플러그{COMPOSITE SPARK PLUG}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "복합 스파크 플러그(Composite Spark Plug)"란 명칭으로 2006년 5월 12일에 출원된 미국 가특허출원 제60/799,926호에 대한 우선권과 그 출원의 이익을 주장하며 그 명세서는 참고로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 내연 스파크 점화 엔진에서 연료에 점화하는 데 사용되는 스파크 플러그에 관한 것이다.
현재의 스파크 플러그 기술은 스파크 갭 전극들의 재료와 구성을 제외하고는 설계에 큰 변화 없이 1950년대 초반까지 거슬러 올라간다. 백금과 이리듐과 같은 비교적 새로운 이들 전극 재료들은 사용 연한을 연장시키려는 시도로서 모든 스파크 플러그들에 공통적인 부식을 완화하기 위하여 설계에 채용되어왔다. 이러한 재료들은 통상적으로 낮은 전력 방전(1 암페어 미만의 피크 방전 전류) 스파크 플러그들의 전극 부식을 감소시키고 109 사이클에 대한 요건을 충족시키지만, 높은 전력 방전(1 암페어 초과 피크 방전 전류)의 큰 쿨롱 전송을 견디지 못한다. 또한, 스파크 플러그에서 커패시턴스를 증가시키거나 또는 기존의 스파크 플러그들에 평행하게 커패시터를 부착하려는 여러 시도들이 있어왔다. 이것은 스파크의 방전 전력을 증가시키는 한편으로, 설계가 비효율이고 복잡하며 높은 전력 방전과 관련된 가속화된 부식을 해결하지 못한다. 모듈 조립체(modular assembly)에 상이한 재료들을 사용하여 스파크 플러그의 절연체를 생성하는 시도는 없었다.
미국 특허 제3,683,232호, 미국 특허 제1,148,106호 및 미국 특허 제4,751,430호는 스파크 전력을 증가시키기 위하여 커패시터 또는 콘덴서를 채용하는 것을 개시하고 있다. 방전 전력을 결정하는 커패시터의 전기적 크기에 관한 개시는 없다. 또한, 커패시터가 충분히 큰 커패시턴스를 가지고 있다면, 점화 트랜스포머 출력부와 스파크 갭과의 사이의 전압 강하는 갭 전리와 스파크 형성을 방지할 수 있다.
미국 특허 제4,549,114호는 보조 갭을 스파크 플러그의 몸체로 병합시킴으로써 주 스파크 갭의 에너지를 증가시키는 것을 청구하고 있다. 연료 전송과 스파크 타이밍을 제어하기 위하여 전자적 프로세싱을 사용하는 모든 내연 스파크 점화 엔진에서 연료에 점화하기 위하여 하나의 스파크 플러그에서 두 개의 스파크 갭들을 사용하는 것은, 두 개의 스파크 갭들에 의해 방출되는 EMI/RFI가 중앙 처리 장치의 오작동을 유발할 수 있기 때문에 엔진 작동에 위험할 수 있다.
미국 특허 제5,272,415호에서, 비저항기 스파크 플러그에 부착된 커패시터가 개시되어 있다. 커패시턴스는 개시되어 있지 않고, 비저항 스파크 플러그에 의해 생성된 전자기 및 무선 주파수 간섭에 대한 언급은 어디에도 없는데, 상기 주파수 간섭은 EMI/RFI 방출에 대해서 적절하게 차폐되지 않는다면 중앙 처리 장치가 셧다운되게 할 수 도 있고 또는 영구적 손상을 야기하기까지 할 수 있다.
미국 특허 제5,514,314호는 스파크 플러그의 양극과 음극 영역에서 자기장을 야기함으로써 스파크의 크기가 증가됨을 개시하고 있다. 또한 상기 발명은 모노리식 전극, 집적화된 코일 및 커패시터들을 형성하는 것을 청구하고 있지만 여러 전기적 구성 요소를 생성하는 모노리식 전도 경로들의 저항 값을 개시하지는 않는다. 전기적 구성 요소들의 전도 경로들은 적절한 작동을 보장하도록 1.5 - 1.9 Ω/meter의 저항 값에 대해서 설계된다. 서멧 잉크(cermet ink)에 고유한 세라믹 재료의 이동에 의한 경로의 모든 열화는 전기 장치의 효율성과 작동성을 저하시킨다. 또한, 모노리식 구성 요소들의 반대로 대전된 전도 경로들을 분리하는 절연 매개체의 전압 홀드-오프(hold-off)에 대한 언급도 없다. 알루미나 86 %와 같은 표준 세라믹 재료가 스파크 플러그 절연체를 위하여 사용된다면, 절연 내력(dielectric strength) 또는 전압 홀드 오프는 200 volts/mil이다. 내연 스파크 점화 엔진에서 스파크 플러그들에 대해 걸쳐 있는 표준 작동 전압은 5 Kv부터 20 Kv인데, 최신 모델의 자동차 점화에서는 40 Kv가 피크로 나타나며, 이것은 이러한 수준의 전압에 대하여 모노리식 전극, 집적 코일 및 커패시터를 절연하지 못할 수 있다.
미국 특허 제5,866,972호 및 미국 특허 제6,533,629호는 백금, 이리듐 또는 스파크 플러그 작업과 관련된 마모에 저항하기 위한 다른 귀금속(noble metal)들로 구성된 전극들 및/또는 전극 팁들을 다양한 방법과 수단에 의해서 적용하는 것에 대하여 기술하고 있다. 이와 같은 적용은 높은 전력 방전과 관련된 전극 마모에 저항하기에는 충분하지 않은 경향이 있다. 전극이 마모됨에 따라서, 스파크 갭을 이온화하고 스파크를 생성하는 데 필요한 전압은 증가한다. 점화 트랜스포머 또는 코일은 스파크 플러그에 전달되는 전압의 양에서 제한적이다. 가속화된 부식과 마모로 인한 스파크 갭의 증가는 트랜스포머로부터 이용 가능한 전압 이상이 될 수 있고, 이것은 결과적으로 발화가 되지 않고 촉매 변환기 손상을 야기할 수도 있다.
미국 특허 제6,771,009호는 스파크의 섬락(flashover)의 방지 방법을 개시하고 있으나 전극 마모 또는 증가하는 스파크 방전 전력과 관련된 문제를 해결하지는 못한다.
미국 특허 제6,798,125호는 귀금속이 용접에 의하여 부착되는 기부 전극 재료로서 높은 열 저항의 니켈 합금을 사용하는 것에 대하여 기술하고 있다. 주요 청구 사항은 용접의 완전성을 보장하는 니켈 기반 기부 전극 재료이다. 조합된 사항은 전극 부식을 감소시킨다고 볼 수 있지만 높은 전력 방전 환경에서 부식을 감소키거나 스파크 전력을 향상시키는 것에 대해서는 청구하고 있지 않다.
스파크 플러그에 대한 미국 특허 제6,819,030호는 접지 전극 온도를 감소시키는 것에 대해서는 청구하고 있지만 전극 부식을 감소시키거나 스파크 전력을 향상시키는 것에 대해서는 청구하고 있지 않다.
본 발명의 내연 기관용 복합 점화 장치는 발화 콘 조립체를 형성하기 위하여 제1 절연체에 결합되고 단부에 전극 팁이 형성된 양극(positive electrode)을 포함한다. 점화 장치는, 발화 콘 조립체에 부착되고 내부에 매립된 음의 용량성 요소를 포함하는 제2 절연체를 포함한다. 양의 용량성 요소는 제2 절연체 배치되고 제2 절연체에 의해서 음의 용량성 요소로부터 분리된다. 양의 용량성 요소는 양극과 연결된다. 양의 용량성 요소와 음의 용량성 요소는 커패시터를 형성한다. 저항기 절연체에 배열된 저항기는 저항기 커넥터에 의해서 양의 용량성 요소에 연결된다. 전기 커넥터는 저항기에 연결되고 제2 절연체에 부착되며, 쉘은 제2 절연체와 발화 콘 조립체(firing cone assembly)에 부착되고 음의 용량성 요소에 연결된다. 쉘은 양극 전극 팁으로부터 이격되어 있는 팁이 형성된 음극을 포함한다.
선택적으로, 사출 성형 또는 인서트 성형에 의해서 제2 절연체는 발화 콘 조립체에 부착되고 음의 용량성 요소는 제2 절연체에 매립된다. 선택적으로, 제2 절연체는 인공 중합체(engineered polymer)를 포함한다. 인공 중합체는 액정 중합체 또는 폴리에테르에테르케톤을 포함하고 약 5 내지 약 10 사이에 있는 유전 상수를 가질 수 있다.
선택적으로, 제1 절연체는 알루미나 재료를 포함한다. 알루미나 재료는 약 88 % 내지 약 99 % 순수 알루미나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 저항기 커넥터는 스프링 부재를 포함한다. 선택적으로, 양극 전극 팁 및 음극 팁은 소결 레늄과 텅스텐 재료를 포함한다. 그 재료는 약 50 % 레늄과 약 50 %의 텅스텐 또는 약 75% 레늄과 약 25 % 텅스텐으로 형성될 수 있다. 선택적으로, 양극은 외측면에 사전 결정된 두께를 가지는 전도 잉크(conductive ink)의 코팅을 추가적으로 포함한다. 전도 잉크는 귀금속 또는 귀금속 합금을 포함할 수 있다. 선택적으로, 커패시터는 약 30 내지 약 100 pf의 범위의 사전 결정된 커패시턴스를 가진다. 선택적으로 양의 용량성 요소는 억지 끼워 맞춤에 의해서 양극에 연결된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 내연 기관을 위한 점화 장치용 회로를 제공하는데, 본 회로는 회로를 간헐적으로 가동하도록 작동 가능한 전력원과, 단부에 전극 팁이 있는 양극과, 단부에 팁이 있고 접지부(ground)에 연결된 음극을 포함한다. 음극 팁은 사전 결정된 스파크 갭에 의해서 양극 전극 팁으로부터 이격되어 있다. 또한 회로는, 전력원 및 양극과 직렬로 연결된 적어도 하나의 저항기와, 양극 및 음극에 병렬로 연결되고 저항기에 직접 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함한다.
선택적으로, 적어도 하나의 저항기는 회로가 가동될 때 무선 주파수 간섭(RFI: radio frequency interference)을 감소시킨다. 선택적으로, 적어도 하나의 커패시터는 회로가 가동될 때 피크 전류(peak current)를 스파크 갭까지 증가시킨다. 선택적으로, 양극 전극 팁 및 음극 팁은 소결 레늄과 텅스텐 재료를 포함한다. 본 재료는 약 50 % 레늄과 약 50 % 텅스텐 또는 약 75 % 레늄과 약 25 % 텅스텐으로 형성될 수 있다. 선택적으로 저항기는 약 2 kΩ 내지 약 20 kΩ 범위의 사전 결정된 저항을 가진다. 선택적으로 커패시터는 약 30 내지 약 100 pf 범위의 사전 결정된 커패시턴스를 가진다.
다른 실시예에서, 본 발명은, 발화 콘 조립체를 형성하기 위하여 전극 팁이 형성되어 있는 양극을 제1 절연체와 결합하는 단계와, 제2 절연체에 음의 용량성 요소를 매립하고 제2 절연체를 발화 콘 조립체에 부착하는 단계, 및 양의 용량성 요소를 제2 절연체의 양극에 연결하는 단계를 포함하는 내연 기관용 복합 발화 장치를 형성하기 위한 방법을 제공한다. 양의 용량성 요소는 제2 절연체에 의하여 음의 용량성 요소로부터 분리되고 양의 용량성 요소와 음의 용량성 요소는 커패시터를 형성한다. 본 방법은 또한 저항기를 저항기 절연체에 배치하는 단계, 저항기 커넥터에 의하여 저항기를 양의 용량성 요소에 연결하는 단계, 전기 커넥터를 저항기에 연결하는 단계, 전기 커넥터를 제2 절연체에 부착하는 단계, 쉘을 제2 절연체 및 발화 콘 조립체에 부착하는 단계 및 쉘을 음의 용량성 요소에 연결하는 단계를 포함한다. 쉘은 양극 전극 팁으로부터 이격되어 있는 팁이 형성된 음극을 포함한다.
선택적으로, 본 방법은 절연체에 전극의 상부를 밀봉하는 단계를 추가적으로 포함한다. 선택적으로, 본 방법은 양극을 제1 절연체와 결합하기 전에 전도 잉크로 양극을 코팅하는 단계를 추가적으로 포함한다. 전도 잉크는 귀금속 또는 귀금속 합금을 포함할 수 있다. 선택적으로, 쉘을 제2 절연체 및 발화 콘 조립체에 부착하는 단계는 쉘을 제2 절연체와 발화 콘 조립체에 크림핑(crimping)하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 쉘을 음의 용량성 요소에 연결하는 단계는 쉘을 음의 용량성 요소에 크림핑하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 양극을 제1 절연체와 결합하는 단계는 양극과 제1 절연체를 사전 결정된 시간 동안 사전 결정된 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 사전 결정된 온도는 약 750 ℃ 내지 약 900 ℃일 수 있고 사전 결정된 시간은 약 10분 내지 약 60분일 수 있다.
선택적으로, 음의 용량성 요소를 제2 절연체에 매립하고 제2 절연체를 발화 콘 조립체에 부착하는 단계는 사출 성형 또는 인서트 성형을 포함한다. 선택적으로, 제2 절연체는 인공 중합체를 포함한다. 인공 중합체는 액정 중합체 또는 폴리에테르에테르케톤을 포함할 수 있고 약 5 내지 약 10의 유전 상수를 가질 수 있다.
선택적으로, 제1 절연체는 알루미나 재료를 포함한다. 알루미나 재료는 약 88 % 내지 약 99 % 순수 알루미나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 저항기 커넥터는 스프링 부재를 포함한다. 선택적으로, 본 방법은 소결 재료를 형성하기 위하여 레늄과 텅스텐을 소결함으로써 양극 전극 팁 및 음극 팁을 형성하는 단계를 추가적으로 포함한다. 본 재료는 약 50 % 레늄과 약 50 % 텅스텐 또는 약 75 % 레늄과 약 25 % 텅스텐으로 형성될 수 있다. 선택적으로, 커패시터는 약 30 내지 약 100 pf 범위의 사전 결정된 커패시턴스를 가진다. 선택적으로, 양의 용량성 요소를 양극에 연결하는 단계는 억지 끼워 맞춤에 의해서 수행된다.
본 발명은, 전류를 최대화해서 스파크 발생의 스트리머(streamer) 단계 중에 스파크의 전력을 최대에 이르게 하기 위하여 절연체와 함께 형성 또는 이와 일체가 된 용량성 요소 또는 커패시터를 포함하는 스파크 점화 내연 기관용 점화 장치 또는 스파크 플러그를 제공한다. 스파크 전력의 추가적 증가는 대형 화염 핵을 생성하고 사이클 간의 크랭크 각에 대한 일정한 점화가 가능하게 한다. 회로가 적절하게 채용되면, 스파크 갭의 파괴 전압의 변화가 없고 스파크 발생의 시점에 변화가 없으며 총 스파크 지속 기간에도 변화가 없다.
작동 시에, 커패시터가 회로에 병렬로 연결됨에 따라서 점화 펄스는 스파크 갭과 스파크 플러그의 커패시터에 동시에 노출된다. 코일이 스파크 갭의 저항을 극복하기 위하여 유도적으로 전압을 상승시킴에 따라서, 커패시터의 저항이 스파크 갭의 저항보다 작아지기 때문에 에너지가 커패시터에 저장된다. 일단 스파크 갭에서 저항이 이온화를 통해서 극복되면, 스파크 갭을 가로질러서 1 내지 10 나노초 사이에서 매우 신속하게 커패시터가 저장된 에너지를 방전하도록 유발하는 스파크 갭과 커패시터와의 사이의 저항의 역전이 일어나서 전류가 극대에 이르게 함으로써 스파크의 전력이 최대에 이르게 한다.
커패시터는 스파크 갭을 파괴하는 데 필요한 전압 수준까지 충전한다. 엔진 부하가 증가함에 따라서, 진공이 감소하고 스파크 갭의 공기압을 증가시킨다. 압력이 증가함에 따라서 스파크 갭을 파괴하는 데 필요한 전압이 증가해서 커패시터가 더 높은 전압으로 충전하게 한다. 결과적인 방전은 보다 높은 전력 값으로 최대에 도달된다. 커패시터가 코일의 전압 상승과 동시에 충전함에 따라서 타이밍 이벤트(timing event)에 지연은 없다.
바람직하게는 용량성 요소들은 두 개의 반대로 대전된 전기 전도성 실린더형 판을 포함하는데, 그 판의 접지판은 인서트 또는 오버 몰딩 공정 중에 인공 중합체에 완전하게 둘러싸인다. 음극판은 복합 절연체의 주 직경부의 작은 주변 영역에서 노출되어 스파크 플러그의 전도성 강재 쉘과 접촉한다. 이와 같은 노출에 의해서 물리적, 기계적 및 전기적 접촉이 가능하게 됨으로써 전기 시스템의 접지 회로에 판을 효율적으로 배치할 수 있다.
또한 용량성 요소의 양극판은 점화 코일 또는 코일로부터 고장력 리드까지 저항기 또는 인덕터를 통해서 직접 연결된 스파크 플러그의 중심 컨덕터이다. 컨덕터는 성형 공정 과정에서 형성된 복합 절연체의 중심 공동으로 억지 끼워 맞춤(interference fit)에 의해서 삽입된다. 바람직하게는 0.0005" 내지 0.001"의 억지 끼워 맞춤은 전도판들의 관계를 고정해서 일정한 커패시턴스 값을 얻기 위하여 필요하다. 또한 중심 컨덕터의 삽입에 의해서 스파크 갭의 중심 전극과의 전기적 및 기계적 접촉이 확고해진다.
성형 공정은 인공 중합체(engineered polymer)를 사용하여 스파크 갭의 중심 전극을 포함하는 세라믹 연소 콘을 스파크 플러그의 용량성 요소의 음극판에 정렬하고 고정한다. 바람직하게는 성형 공정은 당업자가 주지하고 있는 사출 성형 공정 또는 인서트 성형 공정이다. 중심 컨덕터를 삽입하면 커패시터가 완성되고 스파크 플러그와 점화 코일 사이를 연결한다. 커패시턴스는 판들의 기하 형태, 이들의 간격 및 절연 인공 중합체의 유전 상수에 따라서 10 피코패럿부터 100 피코패럿까지 변화될 수 있다.
바람직하게는 커패시터 판들의 단부들은 판들의 끝에서 전기장이 강화되는 것을 방지하기 위하여 오프셋 되며, 이것은 인공 중합체 절연체의 절연 내력을 저하시킬 수도 있고 스파크 플러그가 치명적으로 파손되게 할 수도 있다. 이 점에서 점화 전하는 펄스가 직접 접지부까지 가서는 스파크 갭을 우회하고 영구적인 스파크 플러그 파손을 유발함에 따라서 절연체를 파괴할 수 있다.
또한 본 발명은 주로 텅스텐과 함께 소결된 레늄으로 구성된 전극 재료를 제공하는 스파크 점화 내연 기관용 스파크 플러그를 제공한다. 소결된 화합물의 백분율은 50 % 레늄/50 % 텅스텐으로부터 75 % 레늄/25 % 텅스텐까지 변화될 수 있다. 순수 텅스텐은 그 전도성과 밀도로 인해서 아주 바람직한 전극 재료이지만 화석 연료의 연소 온도 아래의 온도에서 산화하기 때문에 내연 기관에 사용하기에는 좋은 선택은 아니다. 또한 새로운 엔진 설계는 더 높은 연소 온도를 가지는 고연비를 채용하고 있어서 텅스텐이 훨씬 바람직하지 못한 전극 재료가 된다. 산화 공정 중에, 텅스텐 전극은 산화 온도에서 그 휘발성 때문에 가속된 속도로 부식하기 때문에 사용 연한을 감소 시킨다. 텅스텐을 레늄과 소결함으로써 텅스텐의 산화를 방지하고 고전력 방전 적용 분야에서 부식을 감소시키는 바람직한 효과가 가능하게 한다.
미국 연방 기준을 충족하기 위하여 현재 업계에서 일반적으로 행해지는 것처럼 전극을 위하여 귀금속을 사용하는 것은 높은 스파크 전력 작동 하에서 필요한 마일리지 요건을 견디지 못한다. 방전의 증가된 전력은 귀금속 전극의 부식 속도를 증가시키게 되고 발화 실패를 야기한다. 발화에 실패한 모든 경우에 있어서, 촉매 변환기가 손상 또는 파괴되게 된다.
레늄/텅스텐 소결 화합물의 사용은 산화 부식 문제를 완화시키지만, 스파크 방전의 매우 높은 전력이 종래의 점화보다 훨씬 빠른 속도로 여전히 전극을 부식시키게 된다. 전극의 극단부와 전극면만을 노출되게 하고 절연체에 완전히 매립되게 전극을 절연체에 배치하는 것은 전자 크리프(electron creep)로 설명되는 스파크 현상을 이용한다. 절연체에 매립된 전극이 새로운 것일 때, 매립된 전극과 음극의 접지 스트랩(ground strap)에 부착된 레늄/텅스텐 팁 또는 버튼(button)과의 사이에 직접 스파크가 발생한다. 매립된 전극이 높은 전력 방전 하에서 사용에 의해 부식됨에 따라서, 전극은 절연체의 표면으로부터 수축 또는 부식하기 시작한다. 이러한 상황에서, 점화 펄스로부터의 전자들이 양극으로부터 방출되게 되고 노출된 전극 공동 부분 위로 크리핑되며 일단 이온화가 발생하고 스파크를 형성하고 나서 음극으로 점핑한다.
전자들이 전극 공동의 내부면을 따라서 크리핑 또는 이온화하는 데 필요한 전압은 매우 작다. 이러한 설계는 전극이 점화 시스템의 작동 한계를 넘어서 부식할 수 있게 하지만 전극들 사이에서 훨씬 작은 갭의 파괴 전압을 유지할 수 있게 한다. 이와 같은 방식에서, 높은 전력 방전 하에서 유지되는 작동으로부터 부식된 보다 큰 갭은, 전압 수준이 점화 시스템의 출력 전압을 넘어서 증가되지 않는 점에서 원래 갭과 같이 작동함으로써 필요한 마일리지를 위한 발화 불발을 방지한다.
또한 본 발명은 높은 전력 방전이 실시되고 일반적으로 높은 전력 방전과 연관된 무선 주파수 간섭이 억압되게 하는 메커니즘을 제공한다. 스파크 갭의 파괴 전압까지 충전하고나서 스파크의 스트리머 단계 중에 아주 신속하게 방전하도록 스파크 갭을 가로질러 병렬로 연결된 커패시터를 사용하면 종래 점화의 스파크 전력에 비교해서 점화 스파크의 전력을 급격히 증가시키게 된다. 이것의 주요 이유는 점화 2차 회로의 총 저항이다.
코일과 스파크 플러그 사이의 고전압 전송선을 제거하고 전기 전송 효율이 커지도록 실린더당 하나의 코일을 사용함으로써 점화 2차 회로가 개선되었다. 그러나 여전히 스파크 플러그에 상당한 저항이 존재하며, 이것은 통상의 자동차 점화의 전송 효율을 1 % 이하에 있게 한다. 저항기 스파크 플러그를 하나의 영점 저항(zero resistance)으로 대체함으로써 점화 에너지의 전기 전송 효율이 약 10 %까지 상승한다. 적절한 크기의 커패시터를 부가하면 전송 효율을 50 % 이상까지 추가적으로 상승시킨다. 전기 전송 효율이 높을수록 연료 차지에 연결되는 점화 에너지의 양이 많아지고 연소 효율이 커지는데, 이것은 마찬가지로 아주 높은 전송 효율이 가능하게 하기 위하여 비저항기 스파크 플러그를 사용하는 것을 필요로 한다. 그러나 비저항기 플러그의 사용은 커패시터의 아주 격렬한 방전에 의해 확대되는 무선 주파수와 전자기장 간섭(RFI)을 생성한다. 이와 같은 것은, 이러한 레벨과 주파수에서 RFI가 자동차 컴퓨터의 작동과 호환될 수 없기 때문에 허용될 수 없으며, 이것이 저항기 스파크 플러그가 기존 장비 제조자들에 의해서 일반적으로 사용되는 이유이다.
또한 본 발명은 높은 전력 방전에 영향을 미치지 않으면서 모든 고주파수 전기 노이즈를 억제하는 바람직하게는 5 kΩ인 저항기를 포함하는 회로를 제공한다. 점화 시스템의 2차 회로(secondary circuit) 내에 커패시터에 인접하게 저항기를 배치하는 것은 RFI 억제에 매우 중요하다. 저항기의 일 단부는 커패시터에 직접 연결되고 타 단부는 터미널에 직접 연결되고, 터미널은 코일-온-플러그 장치의 코일이나 또는 코일의 고전압 케이블에 연결된다. 이와 같은 방식에서 드라이버-로드 회로(driver-load circuit)는 모든 저항으로부터 격리되었고, 드라이버는 커패시터이며 로드는 스파크 갭이다. 일단 방전되면, 커패시터의 저항이 스파크 갭의 저항보다 크기 때문에 코일 펄스는 커패시터를 우회해서 스파크 갭으로 직접 간다. 이와 같은 배치는 고전압 펄스 전체가 스파크 지속 기간에 영향을 미치지 않고 스파크 갭을 관통할 수 있도록 한다.
또한 본 발명에 따르면 음의 커패시터 판이 접지 회로에 연결된다. 커패시터 연결부들의 모든 인덕턴스 또는 저항은 방전 효율성을 감소시키게 되고 결과적으로 연료 차지에 연결되는 에너지를 감소시킨다. 성형 공정 중에 실린더형 판의 주변 고리는 절연체의 주 직경에서 노출된 채로 있다. 고리는 스파크 플러그의 쉘과의 확실한 기계적/전기적 접촉을 형성한다. 금속 전도 쉘에는 내연 기관의 헤드로 설치가 가능하게 하는 적절한 나사부들이 제공된다. 헤드가 엔진 블록에 기계적으로 부착되고 엔진 블록이 접지 스트랩(grounding strap)에 의해서 배터리의 음극 터미널에 연결되기 때문에 커패시터의 음극판의 접지는 바람직하게는 스파크 플러그 쉘과의 확실한 기계적 접촉에 의해서 달성된다.
또한 본 발명에 따르면 점화 펄스로부터 무저항 경로를 제공하는 커패시터의 양극판을 스파크 갭의 중심의 양극에 연결하는 것이 제공된다. 이것은 스파크 플러그의 중심 컨덕터를 양극판으로 사용함으로써 달성된다. 바람직하게는 알루미늄 또는 구리와 같은 관형의 높은 전도성 재료로 구성된 중심 컨덕터는 억지 끼워 맞춤에 의해서 절연체의 중심 공동 내로 삽입되고 완전히 삽입되었을 때 양극의 연장부와 계합한다.
또한 본 발명은 스파크 플러그의 내부 구성 요소를 연소 공정으로부터 발생한 기체 및 압력에 대해서 확실히 기체 밀봉하는 것이 제공된다. 연소실에 노출된 절연체의 세라믹 콘에는 중심 콘(center cone)이 제공되고, 그 콘 내로 중심 전극이 배치된다. 전극에는 커패시터의 양극판과 중심 컨덕터와 계합하기 위하여 연소실에 노출된 단부 반대편에 연장부가 제공된다. 이러한 연장부의 기부에는, 세라믹 에폭시, 구리 유리 프릿(copper glass frit) 또는 다른 적절한 고온 밀봉제를 사용하여 연소 기체에 대해서 전극이 밀봉되도록 하는 세라믹 콘에 설치된 원형 보스(boss) 또는 플랜지가 있다.
도 1은 본 발명의 내연 스파크 점화 엔진들을 위한 점화 장치의 실시예의 횡단면도.
도 2a는 스파크 플러그의 절연체를 생성하기 위하여 인공 중합체로 오버몰드(overmold)된 개별 구성 요소들의 부분 분해 횡단면도.
도 2b는 도 2a에 도시된 용량성 요소의 상면도.
도 3은 본 발명의 복합 절연체의 횡단면도.
도 4는 중심 전극 조립체와 커패시터 요소의 양극판을 포함하는 개별 구성 요소들의 부분 분해 횡단면도.
도 5는 본 발명의 점화 장치의 절연체 조립체의 횡단면도.
도 6은 본 발명에 따른 점화 장치의 회로도.
본 발명의 목적과 특징은 첨부한 도면을 참고하여 설명된 이하의 바람직한 실시예들에 관한 기술을 통하여 보다 명확해질 것이다.
도면들, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스파크 점화 내연 기관을 위한 스파크 플러그 또는 점화 장치가 일반적으로 도면 부호 1로 도시되어 있다. 스파크 플러그 또는 점화 장치(1)는 실질적으로 실린더형인 기부(44)를 구비한 바람직하게는 금속인 케이싱 또는 쉘(15)로 구성되어 있으며, 상기 기부는 스파크 점화 내연 기관(도시되지 않음)의 실린더 헤드(도시되지 않음)와 계합하기 위하여 외측 나사산(18)이 형성될 수 있다. 스파크 플러그 쉘의 실린더형 기부(44)는, 바람직하게는 종래의 용접에 의해서 접지 전극(16)이 부착되는 스파크 플러그(1)의 종축에 수직인 대체적으로 평탄한 면을 구비한다. 본 발명의 실시예에서, 접지 전극(16)은 본 명세서에서 추가적으로 개시되는 바와 같이 높은 전력 방전으로 인한 전극(16)의 부식에 저항하는 레늄/텅스텐 소결 화합물의 바람직하게는 둥근 팁(45)을 구비하고 있다.
스파크 플러그 또는 점화 장치(1)는, 바람직하게는 세라믹 또는 이와 유사한 것으로 형성된 연소 콘(5)을 포함하는 쉘(15) 내에 동심으로 배치된 바람직하게는 중공인 복합 절연체(4)를 포함한다. 중심 또는 양의 전극(7)은 엔진(도시되지 않음)에 설치된 연소실에 배치된 세라믹 콘(5)에 동심으로 배치된다.
바람직하게는 중심 전극(7)은, 외측 코팅, 클래딩 또는 바람직하게는 니켈 합금의 도금이 구비되거나 또는 구비되지 않는, 구리 또는 구리 합금(단, 이와 같은 것으로 제한되지는 않음)과 같은 매우 낮은 저항 값들을 가진 열적 및 전기적 전도성 재료로 구성된다. 바람직하게는, 중심 전극(7)은 본 명세서에서 상세히 개시되는 바와 같이 높은 전력 방전 하에서 부식에 강력하게 저항하는 바람직하게는 레늄/텅스텐 합금(50 %-75 % 레늄)으로 형성된 전극 팁(17)이 중심 전극 상에 용접물 또는 다른 적절한 부착물에 의하여 형성되어 있다.
스파크 플러그(1)는 용량성 요소의 양극판(43)과 중심 컨덕터 조립체의 구성 요소인 높은 전도성의 스프링(10)을 포함한다. 스프링(10)은 바람직하게는 5 KΩ(또는 적절한 저항 값)인 저항기 또는 인덕터(11)의 일단에 연결되고 커패시터의 양극판(43)과 전기적 및 기계적으로 접촉하며, 스프링은 전극(7)의 스터드(9)를 양극판(43)으로 억지 끼워 맞춤(interference fit) 함으로써 중심 전극(7)에 연결된다. 바람직하게는, 저항기 또는 인덕터(11)는 본 명세서에서 추가적으로 설명하는 바와 같이, 고전압 터미널(13)에 연결되어서 고전압 터미널(13)의 관통 로드(14)에 의해서 점화 코일(도시되지 않음)에 추가적으로 연결된다.
스파크 플러그의 복합 절연체(4)는, 당해 업계에서 일반적으로 실행되는 것과 같이 쉘(15) 내로 삽입되고 바람직하게는 연소 기체에 대한 확실한 정렬과 밀봉을 위하여 크림핑(crimping)된다. 바람직하게는, 절연체(4)를 생성하는 오버 몰딩 공정 중에, 음극판(2)의 플랜지(20)는 노출된 채로 남겨진다. 커패시터의 음극판의 노출된 플랜지(20)는 전도 쉘(15)이 업계의 종래 방법을 사용하여 절연체(4)로 측방향 및 하향 가압해서 크림핑될 때 스파크 플러그의 전도 쉘(15)과 물리적 및 전기적 접촉을 한다. 엔진 점화 회로의 접지 회로(ground circuit)와 전기적으로 연결된 쉘(15)과 커패시터의 음극판(2) 사이의 기계적 접촉은 바람직하게는 음극판(2)이 점화 시스템의 접지 회로에 전기적으로 연결되는 것을 보장한다.
도 2를 참조하면, 음극판은 일반적으로 도면 부호 2로 도시되어 있고 이로 부터 연장하는 적어도 하나의 플랜지(20)를 포함한다. 성형 공정 중에, 음극판(2)은 절연체(4)의 인공 중합체에 둘러싸이고 플랜지(20)의 팁들은 노출된 채로 남겨져서는 이 팁들이 스파크 플러그의 쉘(도시되지 않음)과 기계적 및 전기적으로 접촉하게 되어서 음극판(2)이 점화 시스템의 접지부에 전기적으로 연결되게 된다. 플랜지(20)의 스캘럽(scallop)(21)은 음극판(2)을 둘러싸고 음극판(2)을 세라믹 콘(5)과 동심으로 배치하기 위하여 성형 공정 중에 절연체(4)의 인공 중합체가 판(19) 주위로 완전하게 흐르도록 한다.
바람직하게는 세라믹인 콘(5)은 일체식의 동심 고정 디텐트(locking detent)(27)를 구비하는데, 성형 공정 중에 절연체(4)의 인공 중합체가 디텐트로 흘러 들어가고, 디텐트는 음극판(2)으로부터 분리된 콘(5)을 음극판(2)에 대해서 위치시키고 고정한다. 세라믹 콘(5)의 동심 공동(26)은 중심 또는 양의 전극(7)을 안착시키기 위하여 형성된다.
중심 전극(7)에는 높은 전력 방전에 저항하는 전극 팁(17), 스터드(9) 및 보스(23)가 제공된다. 중심 전극(7)의 보스(23)는 세라믹 콘(5)에 제공된 공동(26)에 안착한다. 바람직하게는, 제조 공정 중에, 공동(26)은 설치된 중심 전극(7)과 그 보스(23)의 상부에 구리 유리, 세라믹 에폭시 또는 다른 적절한 영구 밀봉 재료로 충전되고, 이것은 연소 압력으로부터 스파크 플러그(1)의 내부를 보호하기 위한 기체 밀봉부(gas seal)를 제공한다. 전극(7)의 스터드(9)는 커패시터의 조립된 양극판(도 4에서 도면 부호 43으로 표시)을 억지 끼워 맞춤으로 계합하여 점화 회로의 양극 부분이 완성되도록 하기 위하여 제공된다.
도 3을 참조하면, 중심 전극(7)에는, 바람직하게는 약 50 % 내지 75 % 사이의 레늄의 레늄/텅스텐 합금으로 형성되는 부식 저항 전극 팁(17)이 제공된다. 바람직하게는 높은 부식 저항성의 전극 팁(17)의 단부는 세라믹 콘(5)의 단부(30)와 동일 높이다.
점화 또는 스파크 갭 펄스 전력 산업에 있어서, 스파크의 전력(와트)을 증가 시키면 전극들의 부식 속도가 증가하고, 스파크 방출 전극의 부식이 수용 전극보다 빠르다는 것이 잘 알려져 있다. 산업 표준은 공통 점화 전력의 전극 부식을 완화하기 위한 전극 금속의 선택예로서 금, 은, 백금 및 최근에 이리듐과 같은 값비싼 귀금속을 사용해왔다. 그러나 이러한 금속들은 본 발명의 높은 전력 방전의 상승된 전극 부식 속도를 감소시키는 데 충분하지 못하다. 직경이 0.025" 내지 0.060"이고 길이가 0.100"인 실린더형 형태인 것이 바람직한 텅스텐과 소결된 레늄 소결 화합물이 약 50 질량% 내지 75 질량%인 전극 팁(17)은 바람직하게는, 플라즈마 용접, 마찰 용접 또는 전자 용접 또는 낮은 저항 접합점을 가져오면서 영구성이 달성되게 하는 다른 적절한 방법에 의하여 중심 전극(7)에 부착된다.
스파크 갭 적용예에서 전극으로서 순수 텅스텐을 사용하는 것은 펄스 전력 산업 내에서 바람직한 부식 방지 재료로서 문헌에 잘 나타나 있다. 그러나 연소 온도가 텅스텐의 산화 온도를 넘어 도달하는 내연 기관에서 사용될 때, 전극은 불리하게도 귀금속보다 빠른 속도로 부식한다. 텅스텐은 연소실에 존재하는 산소에 대해서 텅스텐을 격리함으로써 자동차 분야에서 전극 재료로서 사용될 수 있다. 이것은 부분적으로는, 레늄과 텅스텐 보다 낮은 온도에서 용융하는 비산화 금속(단 이것으로 제한되지는 않음)과 같은 적절한 결합제와 레늄을 텅스텐과 소결함으로써 달성된다. 소결 공정은 두 개의 바람직하게는 분말형의 모재 금속(base metal)을 결합제(binding agent)와 혼합하고 내화 공정 중에 결합제(binder)를 녹이고 모재를 결합제에 의하여 고착된 형태로 소결한다. 그 형태는 바람직하게는 직사각형 형상이고, 전극 팁(17, 45)들을 형성하기 위하여 직경이 0.025" 내지 0.060"인 와이어로 압출된다. 결합제는 레늄과 접촉하지 않는 텅스텐 부분을 덮음으로써 텅스텐 요소의 산화를 방지한다.
이것은 일부 텅스텐을 산화로부터 보호하는 한편, 결합 금속은 고전력 방전 공정 중에 부식하고 전극 팁(17, 45)들의 맨 텅스텐을 연소실에서 주위 산소에 노출시킴으로써 텅스텐 부식을 가속화한다. 그러나 산소 노출로 인한 부식 속도는 결합제의 사용에 의해서 상당히 감소된다. 또한, 텅스텐이 부식함에 따라서 레늄은 이제 반대 또는 음의 전극에 가까워지고, 근접 및 장 효과가 스파크가 나온 곳을 알려주기 때문에, 또한 고전력 부식에 높은 저항성을 가진 레늄이 스파크 스트리머(spark streamer)의 소스가 된다.
또한, 세라믹 콘(5)에 대해서 전극 팁(17)을 배치함으로써 텅스텐이 자동차 적용 분야에서 전극 재료로서 사용될 수 있다. 이와 같은 배치에서, 전극 팁(17)의 극단부만이 연소실에서 요소들에 노출된다. 실린더형 전극 팁(17)의 나머지는 세라믹 콘(5)에 접합되고 전극 팁(17)을 산소를 포함한 모든 연소 가스들에 대해서 밀봉한다. 이러한 방식으로, 전극 팁(17)의 극단부만이 본 발명의 높은 전압 방전 하에서 그러한 것처럼 부식되게 된다.
전극 팁(17)이 점진적으로 마모됨에 따라서, 점화 펄스로부터의 전자들은 오목한 전극 팁(17)으로부터 방출되게 되고 세라믹 콘 벽(31)을 이온화하며, 스파크 갭(도시되지 않음)의 이온화와 접지 전극(16)으로 스파크(도시되지 않음)를 생성하기 전에 세라믹 콘(5)의 에지(30)까지 크리핑(creeping)한다. 부식하는 전극 팁(17) 바로 위의 세라믹 콘 벽(31)을 이온화하는 데 요구되는 전압은 매우 작아서 결과적으로 스파크 갭을 파괴하고 스파크를 생성하는 데 요구되는 총 전압은 최소한 본래의 비부식 스파크 갭을 파괴하는 데 요구되는 전압 이상이 된다.
이와 같은 방식으로, 전극 팁(17)은 접지 전극(16)으로부터 중심 또는 양의 전극 팁(17)까지의 거리가 두 배가 되는 지점까지 부식할 수 있으며, 한편 두 배가 된 갭을 파괴하는 데 요구되는 전압은 본래 스파크 갭의 파괴 전압 보다 약간 크며 본래 장치 제조자의 점화 시스템으로부터의 이용 가능한 전압보다 훨씬 아래에 있다. 이것은 바람직하게도 스파크 플러그의 최소 109 사이클 또는 100,000 마일에 상당하는 마일 동안에 엔진의 적절한 작동을 보장한다.
다시 도 3을 참조하면, 도면 부호 19로 일반적으로 표시된 성형된 복합 절연체 조립체, 그 조립체(19)를 형성하는 부식 방지 전극 팁(17)을 구비한 중심 전극(7), 세라믹 콘(5)과 결합 및 절연 인공 중합체(4)가 도시되어 있다. 도 3의 복합 절연체(19)와 중심 전극(7)과 도 4의 중심 컨덕터(43)를 보면, 중공 중심 컨덕터(43)가 복합 절연체(19)의 공동(32)으로 삽입될 때, 중심 전극(7)의 스터드(9)가 중심 컨덕터의 소형 구멍(46)과 계합하여 점화 코일 출력부(도시되지 않음)로부터 스파크 플러그 갭(도시되지 않음)까지 고전도 경로를 제공한다. 일단 중심 전극(7)에 연결되면, 중심 컨덕터(43)는 용량성 요소의 양극판이 되고, 도 5에서 도면 부호 28로 일반적으로 표시된 커패시터 또는 용량성 요소는 정의에 따라, 즉 커패시터는 인공 중합체(4)인 유전체에 의해 분리된 반대 전기 전하의 두 전도판(판(43)과 판(2))이라는 정의에 따라서 형성된다.
커패시턴스는 아래의 공식에 의해서 수학적으로 결정될 수 있다.
Figure 112008085777983-pct00001
여기에서 C는 실린더형 판들의 인치당 커패시턴스이고, Dc는 중합체(4)의 유전 상수, Ln은 자연 로그, D1은 음극판(2)의 내경, Do는 도 4의 양극판(43)의 외경이다. 커패시턴스는 반대로 대전된 판(43, 2)들의 간격을 감소시킴으로써 또는 판(43, 2)들의 표면 면적을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 또한 커패시턴스는 인공 중합체의 유전 상수에 의해 영향 받을 수 있다. 유전 상수들은 선택된 재료에 따라서 4로부터 12 이상까지 변화될 수 있다.
도 3의 중심 또는 양의 전극(7)과, 전극(7)이 동심으로 매립되는 세라믹 콘(5)의 공동(26)을 살펴본다. 일단 전극(7)이 세라믹 콘(5)으로 삽입되고 나면, 세라믹 에폭시, 구리 유리 또는 다른 적절한 고온 밀봉제로 공동(26)을 완전히 충전함으로써 압력 또는 기체 밀봉이 수행된다.
도 4를 참조하면, 중심 컨덕터 조립체는 일반적으로 도면 부호 33으로 표시되고 관형 양극판 또는 컨덕터(43), 저항기(11), 전도 스프링 커넥터(10), 터미널 인서트(12) 및 고장력 케이블 또는 코일 터미널(13)로 구성된다. 저항기(11)는 터미널 인서트(12)의 공동(41)으로 삽입되고 바람직하게는 고온 세라믹 에폭시 또는 엔진 작동 하에서 저항기(11)를 제 위치에 유지하기에 적합한 다른 고온 접착제에 의해서 유지된다. 고장력 케이블 또는 코일 터미널(13)은 터미널(13)의 나사부(48) 에 의해서 터미널 인서트(12)의 나사식 공동(40)에 부착됨으로써 터미널 인서트(12)에 부착된다. 일단 터미널(13)이 터미널 인서트(12)로 나사 박힘에 의해서 설치되면 터미널(13)의 뾰족한 샤프트(47)는 저항기(11)와 물리적 및 전기적 접촉을 한다. 터미널(13) 반대편의 저항기(11)의 단부는 전도 스프링(10)과 물리적 및 전기적 접촉을 하며, 상기 스프링은 중심 컨덕터 조립체가 도 3의 복합 절연체(19)로 삽입될 때 압축 상태에 있게 된다.
저항기(11) 반대편의 스프링(10) 단부는 관형 양극판 또는 컨덕터(43)와 기계적 및 전기적 접촉을 해서는 점화 펄스를 위한 양극 회로(positive circuit)를 완성한다. 양극 회로의 저항기(11)를 스파크 플러그(1)의 용량성 요소의 양극판(43) 앞에 배치함으로써 커패시터(28)가 아주 높은 전송 효율로 방전할 수 있고 저장된 에너지의 매우 높은 백분율, 즉 95 % 이상을 연료 차지(fuel charge)에 저장할 수 있다. 보통 이와 같은 강력한 에너지의 저장은 비정상적인 양의 무선 주파수 또는 전자기 간섭을 야기하고, 이것은 자동차 엔진 관리 컴퓨터의 작동과 호환되지 않는다. 저항기(11)를 회로에서 커패시터(28) 앞에 배치하는 것은 간섭을 제거하는 한편 상기와 같은 저장을 가능하게 한다.
도 6은 본 발명의 점화 장치(1)의 예시적 회로(30)를 도시하고 있으며 2차 회로(secondary circuit)(37)를 통해서 저항기(11)에 연결된 점화 코일 또는 이와 유사한 것과 같은 코일(35)을 보여주고 있다. 커패시터(28)는 저항기(11)에 연결되고 2차 회로(37)와 접지부(34)와 병렬로 연결된다. 저항기(11)는 바람직하게는 회로(30)에 의해 생성된 고주파 전기 노이즈를 억제하는 한편 커패시터(28)의 고전력 방전에 영향을 미치지 않는다.
상관된 결과를 나타내는 실험이 이전에 많이 행해졌으며, 점화 전기 전송 효율성을 증가시켜서 보다 많은 전기 에너지를 연료 차지에 연결하기 위한 점화 시스템의 회로(30, 37)들과 같은 고전압 회로에 병렬로 배선된 커패시터(28)와 같은 전류 피킹 커패시터(current peaking capacitor)의 사용에 관한 "자동차 점화 전송 효율(Automotive Ignition Transfer Efficiency)"이란 명칭의 자동차 엔지니어 협회(Society of Automotive Engineers) 논문 02FFFL-204를 참조한다. 보다 많은 에너지를 연료 차지에 연결함으로써, 크랭크 각에 대하여 일정한 점화가 달성되어 피크 연소 압력에서 사이클 대 사이클의 차이가 감소되고, 이것은 엔진 효율성을 증가시킨다. 전류 피킹 커패시터(28)를 병렬로 연결하는 것의 추가적인 이점은 커패시터(28)의 방전에서 생성되는 결과적으로 크고 강력한 화염 핵이다. 강력한 핵은 보다 일정한 점화와 보다 완전한 연소가 일어나게 하고, 또한 결과적으로 엔진 성능을 증대시킨다. 엔진 성능을 개선하기 위하여 피킹 커패시터(28)를 사용하는 이점 중의 하나는 극도로 열악한 상황에서 연료에 점화하는 능력이다. 오늘날, 현대의 엔진들은 점점 더 많은 배기 가스를 엔진의 흡입구로 도입해서는 배출을 감소시키고 연료의 경제성을 향상시킨다. 피킹 커패시터(28)를 사용함으로써 자동차 제조자들이 배기 가스의 추가 수준이 현재의 자동차 점화 성능 수준을 넘어서는 공기:연료 비율에 의지할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 도면 부호 6으로 일반적으로 표시되고, 부식 방지 전극 팁(17)이 있는 중심 전극(7)과 세라믹 콘(5)을 구비한 오버 몰딩된 절연체(19)와, 용량성 요소(28)의 음극판(2)과 절연 인공 중합체(4)로 구성된 완전히 조립된 복합 절연체 조립체가 도시되어 있다. 또한 커패시터 또는 용량성 요소(28)의 관형 양극판 또는 컨덕터(43), 저항기(11), 전도 스프링 커넥터(10), 터미널 인서트(12) 및 고장력 케이블 또는 코일 터미널(13)로 구성된 도 4에서 횡단면으로 도시된 중심 컨덕터 조립체(33)의 완전히 조립된 구성 요소 스트링이 도시되어 있다. 본 도면은 도 1의 스파크 플러그 쉘(44)로 삽입 및 크림핑하기 전의 복합 절연체 조립체(6)의 완성된 조립체를 도시하고 있다.
도 5의 기체 밀봉 및 접지부 접촉 와셔(washer)(22)는 도 1의 쉘(15)내로 배치되고 직경의 전이부에 놓이며, 음극판(2)이 쉘(15)과 접촉하게 하며 본 발명의 용량성 요소의 접지 회로를 완성한다.
본 발명의 스파크 플러그 또는 점화 장치(1)의 실시예는 상이한 재료들의 복합물인 절연체(4, 5)를 가지는 스파크 플러그를 제공한다. 스파크 플러그 또는 점화 장치(1)의 실시예는 높은 전력 방전의 스파크 갭 장치들에서 잘 나타나는 전극 팁(17, 45)들의 부식을 효과적으로 감소시키기 위한 재료와 설계의 매우 정밀한 횡단면의 전극 팁(17, 45)들을 포함한다. 스파크 플러그 또는 점화 장치(1)의 실시예는 점화 시스템의 고전압 회로(30)와 병렬로 커패시터(28)를 형성하도록 형성된 절연체(4)를 포함하고, 저항기 또는 인덕터(11)가 스파크의 높은 전력 방전을 저하시키지 않으면서 스파크 플러그(1)로부터의 모든 전자기장 또는 무선 주파수 방출을 적절하게 차단하도록 스파크 플러그의 전기 회로(30)에 인덕터 또는 저항기(11)를 배치한다. 또한 스파크 플러그 또는 점화 장치(1)의 실시예는 스파크 플러그(1)의 전극 팁(17)에 높은 전력 방전을 위한 경로를 제공하기 위하여 점화 시스템의 커패시터(28)와 고전압 회로(30)를 완성한다.
본 발명을 상기와 같은 바람직한 실시예들을 구체적으로 참조하여 상세히 설명하였지만, 다른 실시예들도 동일한 결과를 달성할 수 있다. 본 발명의 변경 및 수정은 당업자에게 명백하며 그와 같은 모든 수정 및 균등물을 포함한다. 앞서 언급되었거나 그리고/또는 첨부된 대응 출원(들)의 모든 인용문헌, 출원, 특허 및 공보들은 본 명세서에 참고로서 포함된다.

Claims (48)

  1. 발화 콘 조립체를 형성하기 위하여 제1 절연체에 결합되고 단부에 전극 팁(tip)이 형성되어 있는 양극(positive electrode)과, 상기 제1 절연체는 그 단부에 형성된 세라믹 콘을 구비하고,
    상기 발화 콘 조립체에 부착되고 내부에 음의 용량성 요소가 매립되어 있는 제2 절연체와,
    상기 제2 절연체에 배치되고, 상기 제2 절연체에 의하여 상기 음의 용량성 요소로부터 분리되고, 상기 양극과 연결되고, 상기 음의 용량성 요소와 함께 커패시터를 형성하는 양의 용량성 요소와,
    저항기 절연체에 배치되고 저항기 커넥터에 의해 상기 양의 용량성 요소에 연결된 저항기와,
    상기 저항기에 연결되고 상기 제2 절연체에 부착된 전기 커넥터와,
    상기 제2 절연체와 상기 발화 콘 조립체에 부착되고 상기 음의 용량성 요소에 연결되고, 양극 전극 팁으로부터 이격된 팁이 형성된 음극을 포함하는 쉘을 포함하고, 상기 양극 전극 팁의 단부는 상기 세라믹 콘의 단부와 동일 높이인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    사출 성형에 의해서, 상기 제2 절연체는 상기 발화 콘 조립체에 부착되고, 상기 음의 용량성 요소는 상기 제2 절연체에 매립되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    인서트 성형에 의해서, 상기 제2 절연체는 상기 발화 콘 조립체에 부착되고, 상기 음의 용량성 요소는 상기 제2 절연체에 매립되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절연체는 인공 중합체(engineered polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인공 중합체는 액정 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 인공 중합체는 폴리에테르에테르케톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 인공 중합체는 5 내지 10 사이의 유전 상수를 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연체는 알루미나 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 알루미나 재료는 88 % 내지 99 %의 순수 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저항기 커넥터는 스프링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전극 팁 및 음극 팁은 소결 레늄 및 텅스텐 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 재료는 50 % 범위의 레늄과 50 % 범위의 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 그 외부면에 전도 잉크(conductive ink) 코팅도 추가로 포함하고, 상기 코팅은 사전 결정된 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전도 잉크는 귀금속 또는 귀금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는 30 내지 100 pf 범위의 사전 결정된 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 양의 용량성 요소는 억지 끼워 맞춤에 의해서 상기 양극에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 복합 점화 장치.
  18. 내연 기관을 위한 점화 장치용 회로로서,
    상기 회로를 간헐적으로 가동시키도록 작동 가능한 전력원과;
    단부에 전극 팁이 있는 양극과, 상기 전극 팁은 세라믹 콘의 단부와 동일 높이에 있으며 그 안에 배치되어 있고, 접지부(ground)에 연결되고, 사전 결정된 거리에 의해 상기 양극 전극 팁으로부터 이격되어 있는 팁이 단부에 형성된 음극을 가지는 스파크 갭과;
    상기 전력원과 상기 양극과 직렬로 연결된 적어도 하나의 저항기와;
    상기 저항기에 직접 연결되고 상기 양극 및 음극에 병렬로 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저항기는 상기 회로가 가동될 때 무선 주파수 간섭(RFI: radio frequency interference)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는 상기 회로가 가동될 때 상기 스파크 갭까지 피크 전류(peak current)를 증가시키는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 양극 전극 팁과 음극 팁은 소결 레늄과 텅스텐 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 재료는 50 % 범위의 레늄과 50 % 범위의 텅스텐으로 형성되는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  23. 삭제
  24. 제18항에 있어서,
    상기 저항기는 2 kΩ 내지 20 kΩ 범위의 사전 결정된 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 커패시터는 30 내지 100 pf 범위의 사전 결정된 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 점화 장치용 회로.
  26. 삭제
  27. 삭제
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