KR20130124479A - 저온 플라즈마 점화 아크 억제 - Google Patents

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Abstract

코로나 점화 시스템의 점화기(20)는 연료 혼합물을 이온화하고 점화하기 위해 코로나(30)의 형태로 저온 플라즈마를 방출한다. 점화기(20)는 전극(320 및 이러한 전극(32)을 둘러싸는 세라믹 절연체(22)를 포함한다. 절연체(22)는 전극(32)의 점화 단부(38)를 둘러싸고 있고 전극(32)이 연소실(28)에 노출되는 것을 차단한다. 절연체(22)는 연소실(28)에 노출되어 있고 저온 플라즈마를 방출하는 점화면(56)을 제공한다. 세라믹 재료 내의 구멍 또는 세라믹 재료에 매립된 금속 입자와 같은, 복수의 도전성 엘리먼트(24)는 절연체(22)의 점화면(56)을 따라 그리고 세라믹 재료의 매트릭스(26)에 배치되어 있다. 전기 도전성 엘리먼트(24)는 점화기(20)의 동작 동안 아크 방전을 감소시켜 점화의 품질을 향상시킨다.

Description

저온 플라즈마 점화 아크 억제{NON-THERMAL PLASMA IGNITION ARC SUPPRESSION}
본 발명은 일반적으로 연소실의 연료 및 공기의 혼합물을 점화하기 위해 저온(non-thermal) 플라즈마를 방출하기 위한 코로나 방전 점화기에 관한 것이다.
코로나 방전 점화 시스템의 예가 프린의 미국 특허 번호 6,883,507에 개시되어 있다. 코로나 방전 점화 시스템에서, 점화기의 전극은 연소실에 강한 RF 전계를 생성하는 높은 무선("RF") 전위로 충전된다. 이러한 전계에 의해 연소실 내의 연료-공기 혼합물의 일부는 이온화되고 절연파괴가 시작되어 연료-공기 혼합물의 연소를 촉진시킨다. 그러나, 전계는 저온 플라즈마로도 불리는, 연료-공기 혼합물이 유전 특성을 유지하고 코로나 방전이 일어나도록 제어된다. 전계는 모든 유전 특성을 잃지 않도록 제어되는데, 이것은 전극과 접지된 실린더 벽 또는 피스톤 사이에 열 플라즈마 및 전기 아크를 생성한다. 코로나 방전의 전류는 아크 방전과 비교하여 적고 전극에서의 전위는 높은 상태로 남는다. 연료-공기 혼합물의 이온화된 부분은 자체 지속되고 연료-공기 혼합물의 나머지 부분을 연소시키는 불꽃면을 형성한다.
코로나 방전 점화 시스템의 전극은 전극 터미널 단부로부터 전극 점화 단부로 뻗은 전기 도전성 재료로 보통 형성되고, 전기 절연선 재료의 매트릭스를 포함하는 절연체는 전극을 따라 뻗어 있다. 코로나 방전 점화 시스템의 점화기는 전극에 근접하여 어떤 접지된 전극 엘리먼트도 포함하지 않는다. 오히려, 상술된 바와 같이, 접지는 내연기관의 실린더 벽 또는 피스톤에 의해 제공된다. 점화기의 예는 라이코우스키 및 햄프톤의 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0083942에 개시되어 있다.
내연기관 적용을 위해, 보통, 형성된 저온 플라즈마는 코로나 방전의 형태로 다수의 스트림의 이온을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 스트림은 연소실에 걸쳐, 스트림의 전체 길이를 따라 연료-공기 혼합물을 점화시켜서 정교한 점화를 제공한다. 프린의 특허에 설명된 바와 같이, 전계는 코로나 방전이 전극으로부터 접지된 실린더 벽 또는 피스톤으로 아크 방전을 초래하는 전자 증가로 진행하지 않도록 제어되는 것이 바람직하다. 특정 임계값 위의 전압이 점화기에 인가되는 경우와 같은 특정 조건에서, 이온의 밀도는 증가하고 아크 방전이 형성될 수 있다. 아크 방전은 요구되는 복수의 스트림 보다는 단일 스트림의 이온을 포함한다. 아크 방전은 연소실에서 코로나 방전 보다 훨씬 더 작은 공간을 차지하여서 점화의 품질을 떨어뜨릴 수 있다.
본 발명의 하나의 특징은 전극 및 이러한 전극을 따라 뻗은 절연체를 포함하는 코로나 점화 시스템의 점화기를 제공한다. 이러한 전극은 전기 도전성 재료로 형성되어 있고 전극 터미널 단부로부터 전극 점화 단부로 뻗어 있다. 절연체는 전극 점화 단부 주변의 전기 절연성 재료의 매트릭스 및, 이러한 전기 절연성 재료의 매트릭스에 배치된 복수의 전기 도전성 엘리먼트를 포함하고 있다.
본 발명의 다른 특징은 점화 형성 방법을 제공한다. 이러한 방법은 복수의 전기 도전성 엘리먼트가 안에 배치된 전기 절연성 재료의 매트릭스로 형성된 절연체를 제공하는 단계, 및 전극 터미널 단부로부터 전극 점화 단부로 뻗은 전기 도전성 재료로 형성된 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명은 전극 점화 단부 주변에 절연체를 배치하는 단계를 더 포함한다.
전기 도전성 엘리먼트를 갖는 절연체를 포함하는 본 발명의 점화기는 전기 도전성 엘리먼트가 없는 다른 점화기와 비교하여, 코로나 점화 시스템의 동작 동안 아킹(arcing)을 감소시키거나 제거한다. 이러한 점화기는 코로나의 형태로 다수의 스트림의 이온을 포함하는 제어되고 반복가능한 저온 플라즈마를 생성한다. 점화기로부터 방출된 코로나 방전에 의해 연료 혼합물은 신속하게 점화되고 연소되어 내연기관에 적용될 때 향상된 연료 절감 및 감소된 CO2 방출과 같은 다수의 장점을 얻을 수 있다.
본 발명의 여러 특징 및 장점은 바람직한 실시예 및 최상 모드 첨부된 청구범위 및 첨부된 도면의 상세한 설명과 함께 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 내연기관의 연소실내에 배치된 본 발명의 하나의 특징에 따른 점화기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 특징에 따른 점화기의 단면도이다.
도 2a는 도 2의 점화기의 절연체 노즈 영역의 확대도이다.
도 2b는 도 2a의 절연체 노즈 영역의 점화면의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 특징에 따른 점화기의 단면도이다.
도 3a는 도 3의 점화기의 절연체 노즈 영역의 확대도이다.
도 3b는 도 3a의 절연체 노즈 영역의 점화면의 확대도이다.
본 발명의 하나의 특징은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 코로나 점화 시스템용 점화기(20)를 제공한다. 점화기(20)는 매트릭스(26)내의 구멍 또는, 매트릭스(26)에 매립된 금속 입자와 같은, 전기 절연 재료의 매트릭스(26)에 배치된 복수의 전기 도전성 엘리먼트(24)를 가진 절연체(22)를 포함하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 절연체(20)는 내연기관의 연소실(28)에 배치되어 있고 전원(도시되지 않음)으로부터 전압을 받는다. 점화기(20)의 전극(32)는 연소실내에 강한 RF 전계를 생성하는, 높은 RF 전위로 충전된다. 이러한 전계는 연소실내의 연료 및 공기의 혼합물이 유전 특성을 유지하도록 제어된다. 전극(32)은 연소실(28)내의 연료 및 공기의 일부를 이온화하기 위해 코로나(30)를 형성하는 다수의 스트림의 이온을 포함하는 저온 플라즈마를 방출한다.
점화기(20)의 전극(32)은 전극 터미널 단부(36)로부터 전극 점화 단부(38)로 길이방향으로 뻗은 전극 본체부(34)를 포함하고 있다. 전극(32)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극(32)를 가로질러 뻗어 있고 길이방향 전극 본체부(34)에 수직인 전극 직경(De)을 갖고 있다. 전극(32)은 니켈, 구리, 또는 이들의 합금과 같은 전기 도전성 재료로 형성되어 있다. 하나의 실시예에서, 도 2 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 전극(32)은 니켈 클래드에 의해 둘러싸인 구리 코어를 포함하고 있다.
점화기(20)의 절연체(22)는 전극 본체부(34) 둘레에 환형상으로 그리고 전극 본체부(34)를 따라 길이방향으로 배치되어 있다. 절연체(22)는 절연체 상단부(40)로부터 전극 점화 단부(38)에 인접한 절연체 점화 단부(42)로 뻗어 있다. 도 2 및 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 절연체(22)는 전극 점화 단부(38)를 지나 절연체 점화 단부(42)로 뻗어 있다. 절연체(22)는 소결된 알루미나 또는 다른 세라믹 또는 유리 재료와 같은 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)를 포함하고 있다. 전기 절연 재료는 전하를 유지할 수 있는 유전율을 갖고 있다. 전기 절연성 재료는 전극(32)의 전기 도전성 보다 상당히 적은 전기 도전성을 갖고 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 절연체(22)는 절연체 상단부(40)로부터 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체 제1 영역(44)을 포함하고 있다. 절연체 제1 영역(44)은 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗은 절연체 제1 직경 D1을 제공한다. 절연체(22)는 또한 절연체 제1 영역(44)에 인접하여 있고 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체 중간 영역(46)을 포함하고 있다. 절연체 중간 영역(46)은 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗은 절연체 중간 직경 Dm을 제공한다. 이러한 실시예의 절연체 중간 직경 Dm은 절연체 제1 직경 D1보다 크다. 절연체 상부 어깨부(48)은 절연체 제1 영역(44)로부터 절연체 중간 영역(46)으로 외측으로 방사형으로 뻗어 있다. 절연체(22)는 절연체 중간 영역(46)에 인접하여 있고 절연체 제1 단부(42)로 뻗은 절연체 제2 영역(50)을 더 포함하고 있다. 절연체 제2 영역(50)은 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗은 절연체 제2 직경 D2를 제공한다. 절연체 제2 직경 D2는 보통 절연체 제1 직경 D1와 동일하다. 절연체 하부 어깨부(52)는 절연체 중간 영역(46)으로부터 절연체 제2 영역(50)로 내측으로 방사형으로 뻗어 있다.
점화기(20)의 절연체(22)는 절연체 제2 영역(50)으로부터 절연체 제1 단부(42)로 뻗은 절연체 노즈 영역(54)을 더 포함하고 있다. 절연체 노즈 영역(54)은 연소실(28)내에 보통 배치되어 있다. 코로나 점화 시스템의 동작 동안, 절연체 노즈 영역(54)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연소실(28)내의 연료 및 공기의 혼합물에 노출된 반면에, 절연체 제1 영역(44), 절연체 중간 영역(46) 및 절연체 제2 영역(50)이 연소실(28)에 노출되지 않은 상태로 엔진 블록내에 남아 있다. 절연체 노즈 영역(54)은 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직인 절연체 노즈 직경 Dn을 제공한다. 절연체 노즈 직경 Dn은 절연체 제2 영역(50)으로부터 절연체 점화 단부(42)로 테이퍼되어 절연체 노즈 직경 Dn은 절연체 제2 직경 D2 보다 작다.
절연체 노즈 영역(54)은 절연체 점화 단부(42)를 가로질러 그리고 둘레에 뻗은 점화면(56)을 제공한다. 코로나 점화 시스템에서 점화기(20)를 사용하는 동안, 점화면(56)은 연소실(28)에 노출되어 있고, 코로나(30)를 형성하는 저온 플라즈마를 방출한다. 하나의 실시예에서, 점화면(56)은 날카로운 에지가 없는 원형의 볼록한 프로파일을 제공한다. 점화면(56)의 원형 특징은 연소실(28)내로 하방향으로 대면하는 구형 반경으로서 표현될 수 있다.
절연체 노즈 영역(54) 및 다른 영역(44, 46, 50)의 절연 재료를 포함하는 절연체(22)의 절연 재료는 전극(32)을 연소실(28)로부터 이격시킨다. 도 2a 및 도 3a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전극 점화 단부(38)는 절연체 노즈 영역(54)에 배치되어 있고 절연 점화 단부(42)로부터 절연 재료의 매트릭스(26)에 의해 이격되어 있다. 하나의 실시예에서, 전극 점화 단부(38)은 절연체 점화 단부(42)로부터 약 0.06 내지 0.07 cm의 거리 d만큼 이격되어 있다.
상술된 바와 같이, 복수의 전기 도전성 엘리먼트(24)는 전기 절연체 재료의 매트릭스(26)의 일부에 배치되어 있고 절연 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있다. 전기 도전성 엘리먼트(24)는 전기 도전성 엘리먼트(24)가 연소실(28)에 직접 노출되도록 점화면(56)에 인접하여 그리고 절연체 노즈 영역(54)의 점화면(56)을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 엘리먼트(24)는 전극 점화 단부(38)와 절연체 점화 단부(42) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
코로나 점화 시스템에서 점화기(20)를 사용하는 동안, 전극(32)은 전원으로부터 에너지를 받고 전극 점화 단부(38) 둘레에서 전계를 방출한다. 전기 도전성 엘리먼트(24)는 전극(32)으로부터 방출되는 전계를 수용한 후에 주변 에어리어에 전계를 방출한다. 전기 도전성 엘리먼트(24) 둘레의 에어리어의 전계는 도 1 내지 도 3에 도시된 코로나(30)를 형성하는 절연체 노즈 영역(54)의 점화면(56)으로부터 저온 플라즈마 방출을 유도한다.
절연체 제1 영역(44), 절연체 중간 영역(46), 및 절연체 제2 영역(50)에는 보통 전기 도전성 엘리먼트가 없다. 또한, 절연체 노즈 영역(54)의 일부 역시 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없다. 하나의 실시예에서, 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 절연체 노즈 영역(54)은 절연체 제2 영역(50)으로부터 사전결정된 길이 l만큰 절연체 점화 단부(42)쪽으로 뻗은 부분에서 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없다. 이러한 절연체 노즈 영역(54)의 부분은 보통 절연체 점화면(56)으로부터 이격되어 있다. 대안의 실시예(도시되지 않음)에서, 절연체(22)는 절연체 노즈 영역(54) 전체에 또는 절연체(22)의 다른 영역 또는 일부에서 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하고 있다.
하나의 실시예에서, 절연체 노즈 영역(54)의 일부와 같은, 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하는 절연체(22)의 부분은 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없는 절연체(22)의 부분과 균일하다. 예를 들어, 상술된 사전결정된 l을 따라 뻗은 부분과 같은, 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하는 절연체 노즈 영역(54)은 절연체 노즈 영역(54)의 나머지와 균일하다. 이러한 실시예에서, 절연체 노즈 영역(54)은 또한, 절연체 제2 영역(50), 절연체 중간 영역(46), 및 절연체 제1 영역(44)와 균일하다. 도 2의 실시예와 같은 다른 실시예에서, 절연체 노즈 영역(54)의 부분과 같은, 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하는 절연체(22)의 부분은 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없는, 절연체(22)의 다른 부분으로부터 떨어져 형성된 다음, 이러한 부분들과 영역들은 함께 부착된다.
절연체(22)는 다양한 타입의 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 전기 도전성 엘리먼트(24)는 도 1 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 절연 재료의 매트릭스(26)에 매립된 입자를 포함하고 있다. 이러한 입자는 보통 금속을 포함하고, 이리듐과 같은, 원소 주기율표의 3족 내지 12족으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 입자는 0.5 내지 250 미크론의 입자 크기를 갖고 있다. 이러한 입자는 점화면(56)을 따라 그리고 인접하여 절연체 노즈 영역(54)의 부분 전체에 걸쳐 분산되어 있어서, 일부 입자는 연소실(28)에 직접 노출되어 있다. 도 2b는 절연체(22)의 점화면(56)을 따른 노출된 입자의 확대도를 보여준다. 이러한 입자는 절연 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있다. 이러한 실시예에서, 절연체 노즈 영역(54)은 절연체 제2 영역(50)과 절연체 점화 단부(42) 사이에 연속으로 뻗어 있고 전극(32)의 전극 점화 단부(38)를 둘러싸고 있다. 절연체 노즈 영역(54)의 점화면(56)은 닫혀있고 전극(32)이 연소실(28)과 유체 통신되는 것을 차단한다. 따라서, 전극(32)은 절연 재료의 매트릭스(26)에 의해 연소실(28)로부터 온전히 이격되어 있다.
도 2 내지 도 2b의 실시예에서, 입자는 전극(32)으로부터 방출된 전계를 수용한 다음, 절연체 노즈 영역(54)으로부터 저온 플라즈마 방출을 유도하고 코로나(30)를 형성하는, 주변 에어리어에 전계를 방출한다. 이러한 실시예의 절연체(22)는 금속 입자와 전극 점화 단부(38) 사이에 높은 임피던스를 제공한다. 따라서, 절연체(22)는 전기 도전성 엘리먼트(24) 없이 코로나 점화 시스템에서 사용되는 다른 절연체(22)와 비교하여, 고밀도 플라즈마가 생성될 때 아킹의 가능성을 감소시키거나 제거한다.
다른 실시예에서, 전기 도전성 엘리먼트(24)는 도 3 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 전극(32)을 연소실(28)에 연결하는 절연 재료의 매트릭스(26)내의 구멍을 포함하고 있다. 각 구멍은 전극(32)으로부터 절연체(22)의 점화면(56)으로 연속하여 뻗어 있고, 구멍들은 절연 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있다. 각 구멍은 또한 내표면(58)을 갖고 있고 점화면(56)에서 개방되어 있다. 따라서, 구멍들의 내표면(58)은 연소실(28)과 유체 통신하고 있고 직접 노출되어 있다. 도 3b는 점화면(56)에서의 구멍들의 개구의 확대도를 보여주고 있다. 구멍들에 제공된 내표면(58)은 또한, 입자들과 같이, 전극(32)으로부터 방출된 전계에 노출되어 있다. 따라서, 절연체 노즈 영역(54)의 구멍은 연소실(28)내의 높은 경사의 전계의 형성을 촉진한다. 이러한 구멍의 내표면(58)은 절연체 노즈 영역(54)으로부터 저온 플라즈마 방출을 유도하고 코로나(30)를 형성하는 전계를 주변 에어리어에서 방출한다. 이러한 실시예의 절연체(22)는 또한 전기 도전성 엘리먼트(24) 없이 코로나(30) 점화 시스템에서 사용되는 다른 절연체(22)와 비교하여, 고밀도의 플라즈마가 생성될 때 아킹의 가능성을 감소시키거나 제거한다.
하나의 실시예에서, 각 구멍의 내표면(58)은 전극 직경 De보다 작은 구멍 직경 Dh를 갖는 원통형 형상을 제공한다. 하나의 실시예에서, 각 구멍은 0.016 cm의 구멍 직경 Dh를 갖고 있다. 절연체 노즈 영역(54)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 사전 결정된 거리 d 만큼 서로 동일하게 이격된 6개의 구멍을 포함할 수 있다. 이러한 구멍들중 하나는 전극 점화 단부(38)로부터 절연체 점화 단부(42)로 횡방향으로 뻗어 있고 5개의 구멍은 중심 구멍을 둘러싸고 각각은 전극(32)으로부터 점화면(56)으로 뻗어 있다. 또한, 도시되지 않은 대안의 실시예에서, 절연체(22)는 금속 입자 및 구멍 모두를 포함하거나, 이러한 입자 및 구멍 대신에 또는 더하여 다른 타입의 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하고 있다.
코로나 점화기(20)는 보통 당업계에 알려진 다른 엘리먼트를 포함하고 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 재료로 형성된 터미널(60)은 제1 터미널 단부(62)로부터 제2 터미널 단부(64)로 뻗어 있고 절연체(22) 내에 수용된다. 제1 터미널 단부(62)는 코로나 점화 시스템의 전원에 전기적으로 접속되어 있고 제2 터미널 단부(64)는 전극 터미널 단부(36)에 전기적으로 접속되어 있다. 전기 도전성 재료로 형성된 저항층(66)은 제2 터미널 단부(64)와 전극 터미널 단부(36) 사이에 배치되어 있고 전기적으로 접속한다. 터미널(60)은 코로나 점화 시스템의 전원에 전기적으로 접속된 와이어에 전기적으로 접속되어 있다. 코로나 점화 시스템의 동작 동안, 터미널(60)은 전원으로부터 에너지를 받고 이러한 에너지를 저항층(66)을 통해 전극(32)에 전달한다. 점화기(20)는 또한 보통 절연체(22)의 둘레에 환형상으로 배치된 금속 재료로 형성된 셀(68)을 포함하고 있다. 셀(68)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 셀 단부(70)로부터 하부 셀 단부(72)로 절연체(22)를 따라 길이방향으로 뻗어 있어서 절연체 노즈 영역(54)은 하부 셀 단부(72) 밖으로 돌출되어 있다.
본 발명의 다른 특징은 코로나 점화 시스템에서 저온 플라즈마를 방출하기 위한 점화기(20)를 형성하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 상술된 바와 같이, 전기 도전성 엘리먼트(24)가 배치된 전기 절연성 재료로 형성된 절연체(22) 및 전극(32)을 제공하는 단계를 포함한다.
절연체(22)를 제공하는 단계는 다양한 프로세스 단계를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 방법은 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하도록 매트릭스(24)를 성형하는 단계와 같은, 단일 프로세스 단계에서 전기 도전성 엘리먼트(24)를 갖는 절연체(22)를 형성하는 단계를 포함한다. 대안으로, 이러한 방법은 다수의 프로세스 단계에서 절연체(22)를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연체 제1 영역(44), 절연체 중간 영역(46), 절연체 제2 영역(50), 및 절연체 노즈 영역(54)의 부분은 먼저, 각각 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없는 상태로 형성된 후에 전기 도전성 엘리먼트(24)를 가진 절연체 노즈 영역(54)의 부분을 다른 영역에 부착시킬 수 있다.
하나의 실시예에서, 전기 도전성 엘리먼트(24)가 금속 입자를 포함할 때, 절연체(22)를 제공하는 단계는 먼저 전기 절연 재료의 소결된 예비성형체를 제공하는 단계를 포함한다. 다음으로, 방법은 이러한 입자를 전기 절연 재료의 페이스트와 혼합하는 단계, 그다음, 이러한 혼합물을 소결된 예비성형체에 적용하는 단계를 포함한다. 그다음, 혼합물 및 소결된 예비성형체는 가열되고, 바람직하게는 소결되어 혼합물 및 예비성형체를 함께 녹인다. 대안으로, 페이스트 혼합물은 예비성형체로부터 분리되어 소결된 다음, 2개의 소결된 파트는 기계적으로 또는 다른 방식으로 함께 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 절연체(22)를 제공하는 단계는 먼저 소결된 예비성형체를 제공하는 단계를 포함하고, 그다음, 이러한 소결된 예비성형체에 전기 도전성 재료의 입자를 기계적으로 매립하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 논-소결된 전기적으로 절연된 재료가 이러한 입자와 혼합되고, 이어서, 이러한 혼합물은 소결되어 절연체(22)를 제공한다.
다른 실시예에서, 전기 도전성 엘리먼트(24)가 절연성 재료의 혼합물(26)에 구멍을 포함할 때, 절연체(22)를 제공하는 단계는 먼저 전기 절연성 재료의 소결된 예비성형체를 제공한 후에 이러한 소결된 예비성형체에 구멍을 뚫는 단계를 포함할 수 있다. 대안으로, 이러한 구멍은 레이저 또는 다른 방법에 의해 이러한 소결된 예비성형체에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 구멍은 성형 장치내의 절연체(22)의 전기 절연 재료내에 성형된 후, 이러한 성형된 재료는 소결된다. 또 다른 실시예에서, 구멍을 갖는 절연체(22)의 부분은 절연체(22)의 다른 부분 및 영역으로부터 독립되어 형성된 후에 기계적으로 또는 다른 방식으로 함께 부착된다.
상술된 바와 같이, 코로나 점화 시스템의 동작 동안, 점화기(20)의 전극(32)은 전원으로부터 에너지를 받고 전계를 방출한다. 전극(32)으로부터의 이러한 전계는 전기 도전성 엘리먼트(24)의 각각 주변에 전계를 유도하고, 이것은 연소실(28)내에 저온 플라즈마를 유도한다. 저온 플라즈마는 코로나(30)를 형성하고 연소실(28)내의 연료 및 공기의 혼합물을 점화한다. 전기 도전성 엘리먼트(24)를 갖는 본 발명의 점화기(20)를 사용함으로써, 저온 플라즈마는 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없는 코로나 점화 시스템의 점화기(20)와 비교하여, 고밀도 플라즈마가 생성될 때조차도, 아킹할 가능성이 더 적다.
본 발명의 많은 수정 및 변형이 본원으로부터 가능하고, 상술된 것 달리 첨부된 청구범위내에서 실행될 수 있다는 것은 명백하다. 이러한 설명은 본 발명의 임의의 조합을 포함하는 것으로 해석되어져야 한다. 또한, 청구범위의 부재번호는 단지를 편의를 위한 것일 뿐 제한을 위한 것이 아니다.

Claims (23)

  1. 연소실(28) 내에서 저온 플라즈마를 방출하기 위한 점화기(20)로서,
    전기 도전성 재료로 형성되고 전극 터미널 단부(36)로부터 전극 점화 단부(38)로 뻗은 전극(32);
    상기 전극(32)을 따라 뻗어 있고, 상기 전극 점화 단부(38) 둘레에 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)를 포함하는 절연체(22); 및
    상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 배치된 복수의 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연체(22)는 상기 전극(32)를 지나서 절연체 점화 단부(38)로 뻗어서 상기 전극 점화 단부(38)는 상기 절연체 점화 단부(42)로부터 상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연체(22)는 상기 전극 점화 단부(38)에서 점화면(56)을 제공하고 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 연소실(28)에 노출된 상기 점화면(56)을 따라 배치된 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  4. 제3항에 있어서, 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 전극 점화 단부(38)와 상기 점화면(56) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  5. 제3항에 있어서, 상기 절연체(22)의 점화면(56)은 볼록한 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)는 상기 전극 점화 단부(38)를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격된 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  8. 제1항에 있어서, 상기 점화면(56)으로부터 이격되고 사전결정된 길이(l)를 따라 뻗은 상기 절연체(22)의 부분에는 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  9. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 매립된 전기 도전성 재료의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  10. 제9항에 있어서, 상기 입자는 원소 주기율표의 3족 내지 12족으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  11. 제9항에 있어서, 상기 입자는 0.5 내지 250 미크론의 입자 크기를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  12. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 전극(32)으로부터 상기 점화면(56)으로 연속으로 뻗은 상기 전기 절연성 재료의 매트릭스(26) 내의 구멍인 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  13. 제12항에 있어서, 상기 구멍의 각각은 상기 연소실(28)과 유체 통신하기 위해 상기 점화면(56)에서 개방된 내표면(58)을 제공하는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  14. 제12항에 있어서, 상기 전극(32)은 전극 직경(De)를 갖고 있고 상기 구멍의 각각은 상기 전극 직경(De)보다 작은 구멍 직경(Dh)를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  15. 제12항에 있어서, 상기 구멍의 각각은 사전결정된 거리(d) 만큼 서로 등간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  16. 전원으로부터 전압을 수신하고, 내연기관의 연소실(28) 내의 연료 및 공기의 혼합물을 이온화하기 위해 코로나를 형성하는 저온 플라즈마를 방출하기 위한 점화기(20)로서,
    상기 점화기(20)는 전극 터미널 단부(36)로부터 전극 점화 단부(38)로 길이방향으로 뻗은 전극 본체부(34)를 포함하고 있고, 상기 전원으로부터 에너지를 수용하고 상기 전극 점화 단부(38) 주변에 전계를 방출하기 위한 전극(32)을 포함하고,
    상기 전극(32)은 상기 전극(32)을 가로질러 뻗어 있고 길이방향 전극 본체부(34)에 수직인 전극 직경(De)을 갖고 있고,
    상기 전극(320은 전기 도전성 재료로 형성되고,
    상기 도전성 재료는 니켈을 포함하고;
    상기 점화기(20)는 상기 전극 본체부(34)를 따라 길이방향으로 둘레에 환형상으로 배치되어 있고 절연체 상단부(40)로부터 상기 전극 점화 단부(38)에 인접한 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체(22)를 포함하고,
    상기 절연체(22)는 상기 점화 단부(38)를 지나 상기 절연체 점화 단부(42)로 뻗어 있고,
    상기 절연체(22)는 전기 절연성 재료로 형성된 매트릭스(26)를 포함하고,
    상기 전기 절연성 재료는 알루미나를 포함하고,
    상기 절연성 재료는 전하를 유지할 수 있는 유전율을 갖고 있고,
    상기 절연성 재료는 상기 전극(32)의 상기 전기 도전성 재료의 전기전도도 보다 낮은 전기전도도를 갖고 있고,
    상기 절연체(22)는 상기 절연체 상단부(40)로부터 상기 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체 제1 영역(44)을 포함하고,
    상기 절연체 제1 영역(44)은 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗은 절연체 제1 직경(D1)을 제공하고,
    상기 절연체(22)는 상기 절연체 제1 영역(44)에 인접하고 상기 절연체 제1 단부(42)로 뻗은 절연체 중간 영역(46)을 포함하고,
    상기 절연체 중간 영역(46)은 상기 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗어 있고 상기 절연체 제1 직경(D1) 보다 큰 절연체 중간 직경(Dm)을 제공하고,
    상기 절연체(22)는 상기 절연체 제1 영역(44)으로부터 상기 절연체 중간 영역(46)으로 외측으로 방사형으로 뻗은 절연체 상부 어깨부(48)를 제공하고,
    상기 절연체(22)는 상기 절연체 중간 영역(46)에 인접하고 상기 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체 제2 영역(50)을 포함하고,
    상기 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직으로 뻗은 절연체 제2 직경(D2)를 제공하고,
    상기 절연체 제2 직경(D2)은 상기 절연체 제1 직경(D1)과 동일하고,
    상기 절연체(22)는 상기 절연체 중간 영역(46)으로부터 상기 절연체 제2 영역(50)으로 내측으로 방사형으로 뻗은 절연체 하부 어깨부(52)를 제공하고,
    상기 절연체(22)는 상기 연소실(28) 내에 노출되도록 배치되기 위해 상기 절연체 제2 영역(50)으로부터 상기 절연체 점화 단부(42)로 뻗은 절연체 노즈 영역(54)를 포함하고, 상기 절연체 제1 영역(44) 및 상기 절연체 중간 영역(46) 및 상기 절연체 제2 영역(50)은 상기 연소실(28)에 노출되지 않고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)은 상기 길이방향 전극 본체부(34)에 대략 수직인 절연체 노즈 직경(Dn)을 제공하고, 상기 절연체 점화 단부(42)로 테이퍼되고,
    상기 절연체 노즈 직경(Dn)은 상기 절연체 제2 직경(D2)보다 작고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)은 상기 연소실(28)에 노출되기 위한 상기 절연체 점화 단부(42) 둘레에 가로질러 뻗은 점화면(56)을 제공하고,
    상기 점화면(56)은 상기 연소실(28) 내로 하방으로 대면하기 위한 구형 반경을 갖는 원형의 볼록 프로파일을 제공하고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)의 절연 재료는 상기 전극(32)을 연소실(28)로부터 이격시키기 위한 것이고,
    상기 전극 점화 단부(38)는 상기 절연체 노즈 영역(54) 내에 배치되어 있고, 절연체 재료의 매트릭스(26)에 의해 상기 절연체 점화 단부(42)로부터 이격되어 있고,
    상기 전극 점화 단부(38)는 상기 절연체 점화 단부(42)로부터 0.065cm의 거리(d) 만큼 이격되어 있고;
    상기 점화기(20)는 상기 전극(32)으로부터 전계를 수용하고 복수의 전기 도전성 엘리먼트(24) 둘레의 에어리어에 전계를 방출하기 위한 상기 절연체 노즈 영역(54)의 상기 점화면(56)을 따라 그리고 상기 점화면(56)에 인접한 절연 재료의 매트릭스(26)의 부분에 걸쳐 배치된 복수의 전기 도전성 엘리먼트(24)를 포함하고,
    상기 전기 도전성 엘리먼트(24)를 둘러싸는 에어리어에서의 전계는 상기 절연체 노즈 영역(54)으로부터 저온 플라즈마의 방출을 유도하여 코로나(30)를 형성하고,
    상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 전극 점화 단부(38)와 상기 절연체 점화 단부(42) 사이의 절연성 재료의 매트릭스(26)에 배치되어 있고,
    상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 연소실(28)에 노출되기 위한 상기 점화면(56)을 따라 배치되어 있고,
    상기 절연체 제1 영역(44) 및 상기 절연체 중간 영역(46) 및 상기 절연체 제2 영역(50)에는 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)의 부분에는 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)은 상기 절연체 제2 영역(50)으로부터 상기 점화 단부로 소정결정된 길이(l) 만큼 뻗은 에어리어에서 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)가 없고,
    상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있고;
    상기 점화기(20)는 전원으로부터 에너지를 수용하고 상기 에너지를 상기 전극(32)에 전송하기 위하여 상기 전원에 전기 접속된 터미널 와이어에 전기 접속되고 상기 전극(32)과 전기 통신하기 위한, 상기 절연체(22)에 수용되어 있는 터미널(60)을 포함하고,
    상기 터미널(60)은 제1 터미널 단부(62)로부터, 상기 전극 터미널 단부(36)로 전기 접속된 제2 터미널 단부(64)로 뻗어 있고,
    상기 터미널(60)은 전기 도전성 재료로 형성되어 있고;
    상기 점화기(20)는 상기 터미널(60)로부터 상기 전극(32)으로 에너지를 제공하기 위해 상기 제2 터미널 단부(64)와 상기 전극 터미널 단부(36) 사이에 배치되어 전기 접속시키는 저항층(66)을 포함하고,
    상기 저항층(66)은 전기 도전성 재료로 형성되고,
    상기 점화기(20)는 상기 절연체(22)의 주변에 환형상으로 배치되어 있는 셀(68)을 포함하고,
    상기 셀(68)은 금속 재료로 형성되어 있고,
    상기 셀(68)은 상기 절연체 노즈 영역(54)이 상기 하부 셀 단부(72)의 밖으로 돌출하도록 상부 셀 단부(70)로부터 하부 셀 단부(72)로 상기 절연체(22)를 따라 길이방향으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  17. 제16항에 있어서, 상기 절연체 노즈 영역(54)의 부분은 상기 절연체 노즈 영역(54)의 타부분으로부터 독립되어 있고 상기 타부분에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  18. 제16항에 있어서, 상기 절연체 노즈 영역(54)은 상기 절연체 제2 영역(50)과 상기 절연체 점화 단부(42) 사이에 연속으로 뻗어 있고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)은 상기 전극(32)의 상기 전극 점화 단부(38)를 둘러싸고 있고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)의 상기 점화면(56)은 상기 전극(32)이 상기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 상기 연소실(28)로부터 온전히 분리되도록 상기 전극(32)이 상기 연소실(28)과 유체 통신하는 것을 차단하기 위하여 닫혀 있고,
    상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 매립되어 있고 상기 점화면(56)을 따라 인접하여 상기 절연체 노즈 영역(54)의 부분을 걸쳐 분산되어 있는 입자이고,
    상기 입자는 상기 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있고,
    상기 입자는 원소 주기율표의 3족 내지 12족으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하고,
    상기 입자는 이리듐을 포함하고,
    상기 입자는 0.5 내지 250 미크론의 입자 크기를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  19. 제16항에 있어서, 상기 전기 도전성 엘리먼트(24)는 상기 절연체 노즈 영역(54)의 절연성 재료의 매트릭스(26) 내의 구멍이고,
    상기 구멍의 각각은 절연성 재료의 매트릭스(26)에 의해 서로 이격되어 있고,
    상기 구멍의 각각은 상기 전극(32)으로부터 상기 절연체(22)의 점화면(56)으로 연속으로 뻗어 있고,
    상기 구멍의 각각은 연소실(28)과 유체 통신하기 위하여 상기 점화면(56)에서 원통형상의 개구를 제공하는 내표면(58)을 갖고 있고,
    상기 구멍의 각각의 내표면(58)은 상기 전극 직경(De) 보다 작은 구멍 직경(Dh)을 제공하고,
    상기 절연체 노즈 영역(54)은 사전결정된 거리(d) 만큼 서로 이격된 6개의 상기 구멍을 포함하고,
    상기 구멍중 하나는 상기 전극 점화 단부(38)로부터 상기 절연체 점화 단부(42)로 횡방향으로 뻗어 있고, 상기 구멍중 5개는 상기 중심 구멍을 둘러싸고 있고 각각 상기 전극(32)으로부터 상기 점화면(56)으로 뻗어 있고 사전결정된 거리(d) 만큼 서로 등간격으로 이격되어 있고,
    상기 구멍의 각각은 0.016cm의 구멍 직경(Dh)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 점화기(20).
  20. 저온 플라즈마를 방출하기 위한 점화기(20)를 형성하는 방법으로서,
    전극 터미널 단부(36)로부터 전극 점화 단부(38)로 뻗은 전기 도전성 재료로 형성된 전극(32)을 제공하는 단계;
    복수의 전기 도전성 엘리먼트(24)가 안에 배치된 전기 절연성 재료의 매트릭스(26)로 형성된 절연체(22)를 제공하는 단계; 및
    전극 점화 단부(38) 둘레에 절연체(22)를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20) 형성 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 절연체(22)를 제공하는 단계는 전기 절연성 재료의 소결된 예비성형체를 제공하는 단계; 전기 도전성 재료의 입자를 전기 절연선 재료의 페이스트와 혼합하는 단계; 이러한 혼합물을 상기 소결된 예비성형체에 적용하는 단계; 및 상기 혼합물 및 소결된 예비성형체를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20) 형성 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 절연체(22)를 제공하는 단계는 전기 절연성 재료의 소결된 예비성형체를 제공하는 단계; 및 상기 소결된 예비성형체에 전기 도전성 재료의 입자를 매립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20) 형성 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 절연체(22)를 제공하는 단계는 상기 전기 절연성 재료를 전기 도전성 재료의 입자와 혼합하는 단계; 및 이러한 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 점화기(20) 형성 방법.
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