KR20060032626A - 플라스마-제트 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

플라스마 스트림에서, 중심 전극, 절연체 재료로 형성된 쇼트 채널 및 접지 전극을 가진 내연기관용 스파크 플러그에 있어서, 쇼트 채널은 중심과 일치하여 형성되며, 배출 개구부가 형성되고, 중심 전극은 원뿔형의 형상이다. 상기 쇼트 채널은 테이퍼 구조를 위하여 접지 전극을 향하는 경로에서 플라스마를 생성하는 가속 존을 가진다.

Description

플라스마-제트 스파크 플러그{PLASMA-JET SPARK PLUG}

본 발명은 배출 개구부(outlet opening)가 형성되고, 쇼트 채널(short channel)과 중심을 공유하는(concentric) 접지 전극(ground electrode)과 절연체 재료로 형성된 쇼트 채널과 중심 전극을 가지는 내연기관용 플라스마 스트림(plasma stream)을 이용하는 스파크 플러그에 관한 것이다.

내연 기관에 의하여 연료 손실과 배출 오염을 감소시키기 위한 노력으로, 리니어 연료-공기(leaner fuel-air mixture)의 혼합물(좀더 큰 공기 비율의 연료-공기 혼합물) 사용이 요구되어 진다. 이로 인하여 리니어 혼합물(leaner mixture)의 효과적인 연소를 위하여 좀더 효과적인 스파크 플라스마의 발생이 요구된다.

상기 언급된 형태의 스파크 플러그는 인터넷 홈페이지 http://www.rwth-aachen.de/sfb_224/kapitel/pdf/kap3_2.pdf 에 도시된 도 3.2-8, 페이지 114에 접속가능하며, RWTH Aachen에 의하여 공표로부터 공개되었다.

상기 스파크 플러그는 스파크 플러그의 외측에서 플라스마를 발생시킬 수 있다. 그러나 스파크 에너지의 대부분은 가스로 전달되지않는다. 가스로 플라스마의 침투 깊이는 낮다. 따라서 상기 스파크 플러그는 린 연료-공기 혼합물(lean fuel-air mixture)을 연소하기 위한 제한된 능력을 가진다.

본 발명의 목적은 연료-공기 혼합물에 대부분의 스파크 에너지를 전달 가능한 상기 언급된 스파크 플러그를 생성하는데 있다.

본 발명의 목적은 특허 청구항 제 1 항을 통하여 본 발명에 따라 성취되어 짐에 있다.

중심 전극의 원뿔형 형태는 플라스마의 개선에 도움을 준다. 접지 전극을 향하는 경로 내에서 쇼트 채널과 가속 존의 형상은 플라스마가 연료-공기 혼합물로 깊이 침투할 수 있도록 보장하며, 결론적으로 극단적인 린 혼합물에 최적의 점화를 야기한다.

본 발명의 실시예는 도면에 기초하여 좀더 상세히 기술되어 진다.

도 1은 스파크 플러그를 통하여 길이방향 단면도.

도 2는 도 1의 상세도.

도 1 및 도 2에 상세히 도시된 스파크 플러그(spark plug, 1)는 중심 전극(central electrode, 2)과 접지 전극(ground electrode, 3)과 세라믹 몸체(ceramic body, 4)를 가진다. 중앙 전극(2)은 원뿔형의 형상을 가진다. 접지 전극(3)은 외측을 향하는 깔때기(funnel)의 형태로 확장된 배출 개구부(outlet opening, 5)를 가진다.

중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이의 숏 채널(shot channel, 6)은 세라믹 몸체(4)에 형성되어 진다. 접지 전극을 향하는 경로 내에서, 채널(6)은 플라스마를 위한 가속 존(acceleration zone)으로 작동하는 테이퍼 영역(tapered area, 7)을 가진다. 좀 더 상세히 이하에서 기술하면, 플라스마는 중심 전극(2)의 팁(tip, 2′) 영역에 형성되어 진다.

배출 개구부(outlet opening)의 영역에서 세라믹 몸체는 접지 전극(3)과 직접 접촉한다.(즉, 공간 없이) 접지 전극(3)은 중심 전극에 걸쳐 수축되어 지며(retract), 스파크 플러그가 실린더 헤드로 나사 고정되어짐에 따라 외측 표면상에서 스레드(thread, 8)를 가진다. 내연 기관의 연소실 내에서 스파크 플러그(1)는 대체로 동일면을 이루며 구성이 종료된다.

접지 전극(3)과 세라믹 몸체(4) 사이에서 중심 전극(2)의 가장 큰 레벨을 가진 토로이달 에어 공간(toroidal air space, 9)이 형성된다.

스파크 플러그의 내부에서 플라스마는 공동 챔버(hollow chamber, 10) 내에서 발생 된다. 상기 공동 챔버는 도 2에서 확대된 크기로 도시되어 진다.

원리에 기초하여, 공동 챔버(10)는 공동 음극 장치(hollow cathode arrangement)와 일치한다. 원뿔형으로 가늘어지는(conically tapering) 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에 외측을 향하는 스파크 플러그의 단부가 형성되며, 전기장은 전기 방전을 발생시키며, 공동 챔버 내에서 가스를 이온화시키도록 형성되어 진다.

특히 공동 챔버(10)는 기하학적 형상을 가진다. 실린더 형상(C)으로 개방된 원뿔형으로 가늘어지는 부분(B)에 따라 형성된 원통형 영역 (A)으로 구성된다. 영역(C)을 따르는 접지 전극(3)은 형성된 숏 채널(6)의 밀폐부(closure)를 나타내며, 원뿔형으로 불리는 (D)의 횡단부(cross section)를 개방한다.

상기 형상(shaping)은 전기공학과 유체 역학의 논거(reason)를 가진다. 첫 째, 목표 된 방법으로 전기장을 안내하기 위하여 제공되며, 둘째, 라발 노즐(Laval nozzle)에 따르는 영역(C)에서 압축부(constriction)를 통하여 초음파의 흐름(ultrasonic flow)은 플라스마의 모멘트를 좀 더 제거하도록 형성되어 진다.

예를 들어 플라스마 온도가 대략 6000 K로 급상승하여, 중심 전극의 바람직한 와이어링(wiring)이 발생 되며, 동시에 엔진의 연소실 내에서 점화되는 순간 압력과 공동 챔버(10) 내에서 정압(static pressure) 사이의 임계 압력 비율을 이끄는 압력 파(pressure wave)를 형성한다. 그 결과 원통형의 부품 내에서 가장 좁은 단면을 나타내는 유동(flow)은 마하=1(mach=1)과 확대 부분에서 마하>1(mach>1)로 가속되어 진다.

강력한 플라스마를 형성하기 위하여 강한 전기장 강도와 가능한 넓은 공간의 영역에서 형성하는 것이 요구된다. 세라믹 절연체에 의하여 열 손실을 방지하여 열 플라스마(hot plasma)를 약화시키지 않고, 상기 세라믹 절연체는 성능이 좋은 열 전도체이며, 이는 원뿔형으로 가늘어지는 중심 전극(2)의 상부 영역에서 전기장을 집중시키기에 알맞다. 상기 언급된 필드 라인 집중은 세라믹 절연체 몸체(4)의 형태로 인하여 결정적으로 형성된다. 유전적 특성(dielectric property)으로 인하여 로베 형태(lobe shape)는 전기력선을 전극 팁(2′)으로 유도한다(conduct). 세라믹에 분할된 전기장 강도의 비율은 에어 공간(9) 내에서 간격을 극복하기 위하여 사용된 전기장 강도와 비교하여 낮다. 전극 사이에 해당하는 높은 전압에서, 공동 챔 버(10) 내에서의 공간을 이온화 가능한 전기장 강도는 전극 팁(2′)의 영역에 분포되어 진다(prevail). 전기장의 형태는 접지 전극(3)의 원형 형태에 의하여 형성되어 진다. 부가하여, 상기 형상은 연소실의 형태에 효력을 미치는 공기 역학적인 장점을 가진다.

세라믹 몸체(4) 내에서 운동하는 원뿔형의 중심 전극(2)으로부터 원통형의 형태까지 변이 영역에서, 방전으로 인하여 열에너지가 세라믹 절연체로 전환되기 때문에 이온화는 바람직하지 않다. 이와 같은 이유로 인하여, 세라믹 절연체는 가늘어지며(11), 즉 중심 전극(2)의 영역에서 전기장의 강도가 감소 되며, 이온화가 방지되어 지는 것과 같이 가해진 전압은 분할되어 진다.

상기 기술된 전기장으로 인하여 배출 개구부(5)를 향하는 최적의 지향적 효과가 도출된다. 전하 운반자들은 해당 가속이 가해져 발생되어지며, 이로 인하여 부가된 원자들 및/또는 분자들은 이온화되어지며, 쇄도 효과(avalanche effect)가 형성된다.

스파크 플러그의 다른 장점:

상기와 같은 이유로 수소 및/또는 휘발유 엔진에서 백열(incandescence)에 의하여 점화의 위험이 제거된다. 이러한 결과 보다 나은 혼합물의 점화, 즉 불 연 소 탄화수소의 방출을 감소시키는 직접 분사 엔진의 장점을 가진다.

연소실 내부로 돌출된 전극이 없기 때문에, 연소실의 형상에서 자유(freedom)가 증가되며, 예를 들면 열효율과 관련된 증가와 압축비의 증가 가능성을 통해 개선되어 질 수 있다.

HC 방출(HC emission)에서 “프레임 섀도우(flame shadow)"를 형성하는 돌출된 전극이 존재하지 않기 때문에 감소(reduction)될 수 있다.

Claims (7)

1. 배출 개구부(outlet opening)가 형성되고, 쇼트 채널(short channel)과 중심을 공유하는(concentric) 접지 전극(ground electrode)과 절연체 재료로 형성된 쇼트 채널과 중심 전극을 가지는 내연기관용 플라스마 스트림(plasma stream)을 이용하는 스파크 플러그(spark plug)에 있어서,

   중심 전극은 원뿔형의 형상이며, 쇼트 채널은 접지 전극을 향한 경로(path) 내에서 플라스마를 위한 가속 존(acceleration zone)으로 작동하는 테이퍼 구조(taper)를 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
2. 제 1 항에 있어서, 절연체 재료(insulation material)는 접지 전극의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 접지 전극은 중심 전극을 초과하여(beyond) 수축되어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
4. 제 3 항에 있어서, 토로이달 공기 공간(toroidal air space)은 접지 전극과 절연체 재료 사이에서 제공되어 지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
5. 제 4 항에 있어서, 공기 공간은 중심 전극의 레벨에서 최고의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 개구부는 깔때기 형상(funnel shape)으로 외부를 향하여 연장되어 진 접지 전극 내에서 형상화되어 지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관의 연소실과 적어도 대략적으로 동일면을 이루며 구성이 종료되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

Images