KR100328490B1

KR100328490B1 - 전기점화식 내연기관의 점화플러그

Info

Publication number: KR100328490B1
Application number: KR1019990066132A
Authority: KR
Inventors: 정인태; 윤정대
Original assignee: 정인태
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2002-03-28
Also published as: WO2001050017A1; DE10085370T1; KR200184909Y1; AU4148300A; KR20010058770A; JP2003519431A

Abstract

개시된 내용은 전기점화식 내연기관에 있어서, 중공관형의 메인셀(210)과, 상기 메인셀의 하단부 중공 내에 장착된 중심전극과, 이 중심전극에 대응하고 상기 메인셀의 하단부에 일체로 형성되는 접지전극으로 이루어진 한 쌍의 전극(230), 및 압축된 연료혼합기의 일부를 미리 착화,연소하여 발생되는 소규모 폭발화염으로 보다 짧은 시간 내에 연소실의 압축된 주 연료혼합기를 착화,연소시키기 위하여, 상기 메인셀의 하단부에 형성되어 상기 압축된 연료혼합기의 일부가 수용되어 연소되는 공간인 예연소실(250)을 포함하는 점화플러그에 관한 것이다. 이 점화플러그는 하단부에 일체 또는 조립,분리가능한 소형의 예연소실을 마련하여 기관의 압축행정시 예연소실로 흡입되어 수용된 소량의 압축 연료혼합기를 미리 착화,연소시켜 그 확장된 폭발화염으로 연소실의 주 연료혼합기를 착화시킨 뒤, 종래보다 훨씬 짧은 시간내에 모두 연소되게 함으로써 전기점화식 내연기관에 희박혼합기(稀薄混合氣,lean mixture)의 사용이 가능하여 연료를 절약할 수 있고, 기관의 연소효율을 향상함과 아울러 인체에 유해한 배기배출물을 줄여 복합대기공해를 감소시키는 잇점이 있도록 한다.

Description

전기점화식 내연기관의 점화플러그{Ignition spark plugs of internal combustion engine}

본 발명은 전기점화식 내연기관에 관한 것으로서, 특히, 압축된 연료혼합기(燃料混合氣)의 일부를 일차적으로 미리 착화,연소하여 그 확장된 화염으로 연소실의 나머지 연료혼합기 전체를 보다 빠르고 확실하게 착화시킴과 아울러, 보다 짧은 시간내에 연료혼합기 전체를 연속연소시켜 전체 연소시간을 현저히 단축시키는 점화플러그에 관한 것이다.

일반적으로 열기관은 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치이며, 열에너지를 기계적인 일로 바꾸기 위해 사용되는 작동물질(유체)에 열에너지를 공급하는 방식에 따라 내연기관(interal combustion engine)과 외연기관(external combustion engine)으로 크게 구별된다. 이 중 내연기관은 기관의 내부에서 연소가 이루어지며, 가솔린 등의 연료와 청정한 공기의 혼합체인 연료혼합기 자체가 보유한 화학적에너지를 연소에 의해 열에너지로 바꾸어 그 연소가스가 팽창할 때의 일을 직접 이용하는 기관이다. 이러한 내연기관은 작동방식에 따라 4사이클기관(4 stroke cycle engine)과 2사이클기관(2 stroke cycle engine)으로 대별되며, 4사이클기관의 경우 흡입, 압축, 연소, 배기의 1사이클을 크랭크샤프트의 2회전 즉, 피스턴의 4행정으로 이루어지는 기관이다.

상기 4사이클기관의 일례를 상기 첨부 도면 도 1에 개략적으로 도시하였다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 전기점화식 내연기관(10)은 원통형 실린더(11), 이실린더(11)의 중공내에 긴밀하게 수용되는 피스톤(12), 커넥팅로드(13)에 의해 상기 피스톤(12) 하단에 연결되는 크랭크축(14), 상기 실린더(11) 상부에 장착된 흡,배기밸브(17,18) 및 점화플러그(100) 등을 구비하여 형성된다. 또한, 상기 실린더(11)의 상부에는 흡,배기구(17,18)가 형성된다.

이 전기점화식 내연기관(10)이 4행정사이클인 경우 흡입, 압축, 연소, 배기행정으로 이루어진 작동메커니즘에 의해 구동되어 동력을 발생하게 된다. 이 때, 상기 흡입행정(intake stroke)은 흡기밸브(15)가 흡기구(17)를 개방한 상태에서 피스톤(12)이 상사점(TDC, top dead center) 즉, 상기 피스톤(12)이 맨 위로 올라가서 다시 내려오려고 하는 지점에서 하강하여 연료혼합기가 실린더(11) 안으로 흡입되게 하는 행정이고, 상기 압축행정(compression stroke)은 흡,배기밸브(15,16)가 상기 흡,배기구(17,18)를 폐쇄한 상태에서 피스톤(12)이 상승하여 연료혼합기를 압축함으로써 연료혼합기의 압력과 온도가 동시에 상승하여 완전히 기화(氣化)되게 하는 행정이다. 상기 연소행정(power stroke)은 압축행정이 끝나는 상사점의 조금 전에 상기 점화플러그(100)가 연료혼합기에 불꽃을 인가하여 연료혼합기가 연소되며 발생시킨 고압가스의 압력을 받아 피스톤(12)이 내려가면서 크랭크축(14)에 회전력을 가하는 행정이고, 상기 배기행정(exhaust stroke)은 배기밸브(16)가 배기구(18)를 개방한 상태에서 피스톤(12)이 상승하여 연소가스가 실린더(11) 바깥으로 배출되게 하는 행정이다. 피스톤(12)이 상사점에 도달하면 다시 상기 흡입행정으로부터 사이클이 반복수행되어지게 된다.

이 때, 전기점화식 내연기관의 상기 압축행정 후 연소행정에서 연료혼합기를전기적 불꽃(spark)으로 착화,연소시키기 위한 장치로써 점화플러그(ignition combustion plugs)가 이용되는데, 이 일례를 상기 첨부 도면 도 2에 도시하였다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 종래 점화플러그(100)는 셀(110), 절연체(120) 및 상호 대응하며 인가되는 전원에 의해 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극(130)으로 이루어진다. 상기 셀(110)은 하부 둘레면에 나사산(112)이 형성되고 내부가 중공으로 된 대략 원통형상으로 형성된다. 이 셀(110)의 중공내에는 봉형의 상기 절연체(120)가 기밀있게 장착된다. 이 절연체(120)는 상기 한 쌍의 전극(130) 중 중심전극(122)과, 이 중심전극(122) 상방으로 소정 간격 이격되어 있는 축봉(144), 및 이 축봉(144)의 상단에 연결된 단자(144)의 일부를 동시에 피복한 상태에서 상기 셀(110)에 장착된다. 이 때, 상기 중심전극(122)의 하단 일부는 절연체(120)의 하단 바깥으로 노출된다. 한편, 상기 셀(110)의 하단부에는 대략 L자형 돌기모양으로 된 접지전극(134)이 셀(110)과 일체로 형성된다.

이 점화플러그(100)는 미도시된 축전지, 점화코일, 배전기, 고압케이블 등과 더불어 전기점화식 내연기관 점화장치의 일부를 형성하며, 상기 사이클의 압축행정에서 실린더(11)의 연소실(20) 내부로 흡입되어 압축되는 휘발유(gasoline)와 공기의 혼합체인 연료혼합기에 상기 중심전극(132)과 접지전극(134)의 전기적 통전(arc)으로 불꽃을 튀겨 연료혼합기가 착화,연속연소되게 함으로써 기관(10)의 연소행정이 일어나게 하고, 그 팽창된 압력으로 기관(10)이 연속회전운동하게 한다.

이와 같은 전기점화식 내연기관에서는 상기 점화플러그(100)의 작동시점 즉,전기적 불꽃을 튀겨주는 점화시점(ignition timing)을 언제로 하느냐에 따라 기관의 효율과 성능이 크게 달라지게 된다. 이를 상기 첨부된 도면 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

이 도면의 그래프는 독일보쉬사의 전기점화식 내연기관에 대한 기술사양에서 크랭크축각도와 실린더 안의 압력과의 관계를 나타낸 기관출력의 연소압력곡선으로서, 상사점을 기준 0°로 하고 크랭크축각의 상사점 전후 약 75° 범위에서의 연소실압력변화를 나타낸 것이다.

또한, 이 도면의 그래프에서 압력선 1은 점화시점이 T1지점인 경우, 압력선 2는 점화시점이 T2인 경우, 압력선 3은 점화시점이 T3인 경우에 있어서 각각 크랭크축각에 대한 연소실의 압력변화를 보여준다.

이 도면의 그래프가 보여주는 바와 같이, 실린더 안의 압축 연료혼합기에 점화플러그로 불꽃을 튀겨 주면 착화하여 폭발을 일으키며, 압력이 최고값에 이르기까지는 어느 정도 시간이 필요하게 된다. 점①에서 점화한 다음, 점②까지는 연소로 인한 압력의 상승이 별로 없는 기간으로 이는 연소지연기간(또는 연소준비기간)에 해당된다. 이 연소지연기간은 연료 및 부하가 변하지 않으면 기관의 회전수와 상관없이 약 1/600초로서 일정하다. 따라서 기관의 회전이 빨라지면 ①∼②의 크랭크각도 a₁도 커지며 기관의 회전이 빠를수록 점화시기 ①을 빠르게 해야 한다. ②∼③은 연소로 인해 압력이 상승하는 기간이며 이 기간은 압력상승기간에 해당한다. 기관의 회전이 빨라지면 실린더 안의 연료혼합기의 난류(亂流)에 의해 압력의 상승도 빨라져 ②∼③에 소요되는 시간도 단축된다. 그런데 기관의 회전이 빨라지면 크랭크 회전 각속도(角速度)도 빨라지므로 ②∼③의 크랭크각도 a₂는 기관의 회전수와 상관없이 거의 일정하게 된다.

또한, 전기점화식 내연기관에 있어서, 가장 높은 기관출력을 발생하는 점화시점은 T2점이고, 가장 낮은 기관출력을 발생하는 점화시점은 T3이다. 이는 그래프의 압력선 2가 가장 높고, 압력선 3이 가장 낮게 나타나는 것으로부터 확인할 수 있다.

이와 같이 전기점화식 내연기관에 있어서, ①∼②의 크랭크축 변위각 a₁은 회전수에 비례하고, ②∼③의 크랭크축 변위각 a₂는 회전수에 관계없이 거의 일정하다. 그러므로, 회전수의 증가에 비례하여 점화시기를 빠르게 하여야 한다. 또 기관의 부하가 적을수록 기화기(carburetor)의 스로틀밸브(throttle valve)가 적게 열려 흡입효율이 저하되고 압축압력도 낮아진다. 이 때문에 연소시간이 길어지므로 이 경우에도 점화시기를 앞당겨야 한다.

이에 종래에는 전기점화식 내연기관의 점화시점이 대개 고속회전시에는 상사점 0°를 기준으로 한 크랭크축각상 -55°근방, 저속회전시에는 크랭크축각상 -5°근방이 되도록 점화장치의 배전기(distributor) 타이밍을 세팅하여 기관의 발생 토크(torque)와 효율이 극대화될 수 있도록 하여 왔다.

하지만, 기관효율의 극대화를 기하고자 하는 경우에 있어서, 기관의 고속회전시를 고려한 점화시점으로 세팅되어지는 상기 점화시점 T2의 경우, 상사점 전후에서 단일 피스톤 왕복운동 사이클에서 비정상적으로 또다른 연소행정이 동일 실린더 내부에서 일어나는 복합연소 즉, 이상연소(knocking tendency)가 일어날 위험이 크고, 이로부터 작동 중에 불규칙적 폭발소음이 빈발하며, 기관의 파손 또는 내구성 감소로 인해 기관의 수명이 단축될 우려가 있다. 또한, 기관이 고속회전시 공기와 연료의 혼합비율 1/16∼1/19정도에 이르는 희박혼합기(稀薄混合氣,lean mixture)가 흡입되는 경우 착화,연소불량의 문제가 자주 발생한다. 따라서, 기관출력을 높이기 위하여 점화시점을 크랭크축각상의 상사점 앞쪽(-각도)으로 앞당기는 데에는 일정한 한계가 있게 되는 것이다.

또한, 전기점화식 내연기관에서 대개 저속회전시의 점화시점으로 세팅되는 상기 점화시점 T3은 연소실의 압력변화가 상기 압력선 3과 같이 나타나 기관출력이 너무 낮고, 이 경우에도 전술한 바와 같은 이상연소가 발생할 우려가 있어 적합하지 못하다. 또한, 기관이 저속으로 회전하는 경우 연소실에는 공기와 연료의 혼합비율이 약 1/8 이상으로 된 높은 연비의 연료혼합기가 흡입되는 일이 많아 연료혼합기의 실화(失火)가 잦고, 연료혼합기의 전체 연소시간이 상당히 길어짐은 물론, 연료혼합기의 미연소분이 증가하는 단점이 있다. 이로부터 일산화탄소 등의 인체에 유해한 배기배출물이 증가하여 대기환경오염을 촉진하는 결과가 초래되기도 한다.

따라서, 가장 합리적인 점화시점은, 점화시점이 T2, T3인 경우에서 발생되는 전술한 문제들을 미연에 방지할 수 있는 지점 T1으로서, 피스톤의 상사점 도달 이전 크랭크축각상 -35°인 지점이 되는 것이다.

하지만, 이 경우에 있어서도 점화시점이 T2인 경우에 비하여 상기 그래프상의 상기 압력선 2가 차지하는 면적 중 상기 압력선 1이 차지하는 면적을 뺀 면적에 대응하는 크기만큼 기관효율의 상대적감소가 발생하게 되며, 연료혼합기의 전체 연소시간, 특히 상기 압력상승기간이 길어지는 단점이 있게 된다.

이로부터, 상기 점화시점의 조기설정방법이 갖는 전술한 단점들을 해소하면서도 기관의 효율을 극대화할 수 있는 기술적요구가 발생하게 되었다. 일례로, 상기 점화시점의 조기설정시에 나타나는 단점을 갖지 않으면서도 연료혼합기의 크랭크축각상의 전체 연소시간, 특히 압력상승기간을 단축시켜 기관의 효율을 극대화할 수 있는 기술을 구현할 필요가 있게 된 것이다.

하지만, 앞서 설명된 종래 점화플러그는 배전기에 세팅되어 있는 점화시점에 따라 인가되는 전원으로 통전됨으로써 전기적불꽃을 튀겨 연소실 연료혼합기를 착화,연속연소되게 하는 단순한 통전기능만을 갖는 기능상의 한계가 있었다.

따라서, 본발명은 전기점화식 내연기관의 압축된 연료혼합기의 일부를 기관점화시점에서 일차적으로 미리 착화,연소시킨 후 이로부터 발생되는 확대된 소규모 폭발화염을 연소실로 배출시켜 연소실의 주 연료혼합기가 보다 빠르고 확실하게 착화되게 함은 물론, 종래보다 훨씬 짧은 시간내에 연소되게 함으로써 크랭크축각상의 연료혼합기 전체 연소시간이 최대한 단축될 수 있도록 하는 점화플러그를 구현하고자 한다.

도 1은 종래 점화플러그가 장착된 전기점화식 내연기관의 작동메커니즘을 설명하기 위한 도면,

도 2는 종래 점화플러그를 보여주는 단면도,

도 3은 전기점화식 내연기관의 효율을 설명하기 위한 연소압력곡선도,

도 4a는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 점화플러그의 단면도,

도 4b는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 정면도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예가 적용된 기관의 효율을 설명하기 위한 연소압력곡선도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

200:점화플러그............................210:메인셀

212:나사산................................222:단자

224:축봉..................................230:전극

232:중심전극..............................234:접지전극

240:절연체................................250:예연소실

252:예연소실셀............................254:유출입공

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 점화플러그는, 내연기관 점화장치의점화플러그에 있어서, 중공관형의 메인셀(210)과, 상기 메인셀의 하단부 중공 내에 장착된 중심전극과, 이 중심전극에 대응하고 상기 메인셀의 하단부에 일체로 형성되는 접지전극으로 이루어진 한 쌍의 전극(230), 및 압축된 연료혼합기의 일부를 기관의 착화시점에서 미리 착화,연소하여 발생되는 소규모 폭발화염으로 연소실의 압축된 주 연료혼합기를 보다 짧은 시간안에 착화,연소시키기 위하여, 상기 메인셀의 하단부에 형성되어 상기 압축된 연료혼합기의 일부가 수용되어 연소되는 공간인 예연소실(250)을 포함하는 점화플러그로서 구현된다.

이 때 상기 예연소실은, 그 저부면에 유체가 드나드는 유출입공이 형성되고 상기 한 쌍의 전극을 바깥으로 에워싸며 상기 메인셀의 하단부에 연결된 대략 U자형용기모양의 예연소실셀에 의해 형성된 공간이며, 상기 예연소실셀은 상기 메인셀과 일체로 형성되거나 혹은, 상기 메인셀과 조립,분리 가능하게 독립형성시킴이 바람직하다.

상기 예연소실셀은 상기 메인셀의 하단으로부터 돌출된 길이가 최대 5∼7mm로 되게 함으로써 기관에 장착되어 사용되는 중에 상하왕복운동하는 피스톤이 부딪히지 않도록 한다.

상기 예연소실셀의 유출입공은 적용되는 내연기관 연소실 하나의 체적이 250cc∼450cc인 경우에는 3.4∼4mm의 직경을 갖는 원형으로, 내연기관 연소실 하나의 체적이 500cc 이상인 경우에는 3.8∼4.6mm의 직경을 갖는 원형으로 형성하되, 그 둘레단면을 완만한 곡선으로 라운딩처리하고, 이를 통해 일차 예연소를 통해 발생된 소규모 폭발화염이 연소실 내부로 빠르게 확산될 수 있게 한다. 물론, 이 예연소실의 유출입공은 상기한 크기를 갖는 다른 형상의 구명으로 구현하여도 무방하다.

상기 접지전극은 적어도 하나 이상 구비하여 상기 중심전극과 소정의 간극 이격시켜 상기 메인셀의 하단부 중공 내면에 연결하고, 필요에 따라서 예연소실 바깥에서 간극게이지를 상기 유출입공으로 넣어 상기 접지전극들과 중심전극 사이의 간극이 조정될 수 있게 한다.

상기 예연소실은 압축된 연료혼합기의 일부를 수용하고 착화,연소시켜 그 확장된 소규모 폭발화염이 연소실의 압축된 연료혼합기 전체를 보다 짧은 시간내에 연소시켜 연료혼합기의 전체 연소시간을 크랭크축각상으로 최대 25∼26° 단축시켜, 기관의 고속회전시의 점화시점을 종래보다 크랭크축각상으로 약 25∼26° 늦춘, 크랭크축각상 -25°근방에 세팅할 수 있게 하며, 이를 통해 기관이 고속회전하는 경우에서의 효율이 극대화되게 한다.

또한, 상기 예연소실은 압축된 연료혼합기의 일부를 수용하고 착화,연소시켜 그 확장된 소규모 폭발화염으로 연소실의 압축된 연료혼합기 전체가 보다 짧은 시간내에 연소되게 함으로써 기관의 저회전시 그 점화시점이 크랭크축각상 0°에 세팅되게 하고, 이를 통해 기관이 저속회전할 때의 기관효율이 극대화되게 한다.

이하, 상기 첨부된 도면들에 의거하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.

상기 첨부 도면 도 4a와 도 4b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 점화플러그(200)가 도시되어 있다. 이 점화플러그(200)는 중공의 메인셀(210)과, 공급되는 전원에 의해 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극(230), 및 상기 한 쌍의 전극 중 중심전극(232)을 피복한 상태에서 상기 메인셀(210)의 중공내에 장착되는 절연체(240)로 이루어진다. 이 때, 상기 절연체(240)는 상단에 단자(222)와, 이 단자(222)에 연결된 축봉(224)를 일체로 피복하고 있으며, 상기 메인셀(210)의 하단부 중공 내면에는 상기 중심전극(232)에 대응하는 접지전극(234)이 양측 각각 한 개씩 한 쌍 돌출형성된다. 이 접지전극(234)들과 상기 중심전극(232)은 소정의 간극을 갖고 서로의 일측면이 대면하도록 배치된다. 이와 같이 상기 접지전극(234)이 상기 메인셀(210)의 중공 하단부에 형성되면, 접지전극(234)은 냉각작용이 조기 실현되어 중심전극(232)과의 통전작용이 보다 효과적으로 이루어질 수 있게 된다.

상기 메인셀(210)의 하단부에는 예연소실(250)이 마련된다. 이 예연소실(250)은 대략 U자형 단면의 용기모양으로 된 예연소실셀(252)에 형성되는 소정의 공간이며, 상기 예연소실셀(252)의 저부면 대략 중심에는 상기 유체가 드나들 수 있도록 하는 원형의 유출입공(254)이 뚫려진다. 이 예연소실셀(252)은 내열강재로써 형성되고, 메인셀(210)의 하단으로부터 하방으로 최대 5∼7mm정도 돌출시켜 형성한다. 예연소실실셀(252)의 하방돌출길이가 제한됨으로써 내연기관에 장착된 점화플러그(200)가 그 하부에 위치하며 상하왕복운동하는 피스톤과 접촉하거나 충돌을 일으킬 우려가 없게 된다.

한편, 상기 예연소실셀(252)은 상기 메인셀(210)의 하단 둘레부가 연장되어 메인셀(210)과 일체로 형성되거나, 조립·분리 가능하게 독립형성되는 어느 경우에도 무방하다. 다만, 상기 메인셀(210)에 조립·분리 가능하게 구비되는 경우에 있어서는 연소실내의 높은 압력 등을 고려하여 기밀성과 조립신뢰성이 높도록 구현하여야 한다.

상기 예연소실셀(252)의 유출입공(254)은 이 점화플러그(200)가 적용되는 내연기관 각 연소실의 체적에 따라 그 크기를 달리하되, 하나의 연소실 체적이 250cc∼450cc인 경우 그 직경이 3.4∼4mm로 되게 하고, 연소실 체적이 450∼500cc 전후인 경우 그 직경이 3.8∼4.6mm가 되게 한다. 더불어 예연소실셀의 유출입공(254)의 둘레단면(256)은 소정의 반경R로 라운딩처리되어 완만한 곡면을 이루도록 하여, 연료혼합기나 화염이 이 완만한 곡면을 타고 예연소실로 보다 원활하게 드나들 수 있도록 한다. 특히 예연소실 내부에서 발생되는 소규모 폭발화염이 유출입공(254)의 상기 완만한 곡면을 타고 통과한 후 예연소실셀(252)의 바깥표면에서 평면상의 방사방향으로 넓게 퍼지면서 연소실 내부로 배출되게 하여 연소실의 연료혼합기가 보다 빠르고 확실하게 착화,연소되게 한다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명 바람직한 실시예의 점화플러그(200)는 전기점화식 내연기관의 흡기행정에서 연소실에 흡입된 후 압축행정에서 압축됨과 동시에 피스톤에 떠밀려 상승하는 연료혼합기의 일부를 상기 예연소실(250) 내에 수용한다. 이어 연소행정의 점화시점이 되면 상기 전극(230)이 통전되어 전기적불꽃을 발생하고, 이 불꽃이 상기 예연소실(250)에 갇힌 연료혼합기를 착화,연소시킨다. 예연소실(250)의 연료혼합기가 연소되면 소규모 폭발화염이 발생하여 예연소실(250) 내부에 채워지고, 상승하는 피스톤에 의해 예연소실(250) 내의 폭발화염은 극히 짧은 시간안에 압력이 상당한 높이까지 상승한다. 이어 예연소실(250)의 압력이 점화플러그(200) 하부 연소실 압력보다 높아지는 시점에서 상기 예연소실(250) 내의 소규모 폭발화염이 상기 유출입공(254)을 통하여 하부 연소실쪽으로 배출된다. 이 때, 상기 유출입공(254)은 그 둘레단면(256)이 라운딩처리되어 있어 상기 폭발화염이 방사상 바깥으로 고르게 퍼지면서 연소실로 유입되게 한다. 이로부터 연소실 내의 압축된 주 연료혼합기가 착화,연소되게 된다. 이 때, 상기 연소실의 연료혼합기는 상기 예연소실(250)로부터 방출되는 소규모 폭발화염에 의해 종래보다 훨씬 빠르고 확실하게 착화되게 됨은 물론, 종래보다 훨씬 짧은 시간안에 모두 연소되어진다. 특히, 기관이 고속회전하는 경우 크랭크축각상으로 종래보다 약 25∼26° 정도, 저속회전시를 기준으로 하면 크랭크축각상으로 약 5° 정도 연료혼합기의 전체 연소시간이 단축됨과 아울러 거의 완전연소에 가깝게 연소되어지게 된다. 이와 같은 본 발명 점화플러그(200)에 의한 연료혼합기의 전체 연소시간 단축과 연소성능의 향상은 기관효율에 커다란 영향을 미친다.

이를 상기 첨부 도면 도 5에 도시된 그래프를 참조하여 자세히 살펴보면 다음과 같다. 참고로, 이 도면의 그래프에 표기된 점화시점 T4는 본 발명의 점화플러그를 장착한 기관의 고속회전시에 세팅되는 점화시점을 나타내며, 압력선 4는 본 발명의 점화플러그를 장착한 내연기관에서 고속회전시 점화시점을 T4로 세팅하였을 때 크랭크축각상의 연소실압력변화를 나타낸 것이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 점화플러그(200)에 의하여 연료혼합기의 전체 연소시간이 단축됨과 아울러 연소성능이 향상되게 되면, 기관의 고속회전시를 고려한 점화시점은 종래의 상사점 이전약 -55° 근방, 지점 T2에서 상기 크랭크축각상의 상기 단축시간만큼 뒤로 물러선 상사점 이전 -25±10%의 지점 T4으로 변경,설정할 수 있게 된다. 뿐만아니라, 이 경우에 있어서도 연료혼합기가 거의 완전연소에 가깝게 연소되어 압력선 4가 나타내는 바와 같이 종래 점화플러그를 장착하고 그 점화시점을 T2로 세팅한 기관의 고속회전시와 맞먹는 기관효율을 발휘함은 물론, 이상연소 등 문제는 거의 갖지 않게 된다.

또한, 기관의 고속회전시에 공기와 연료의 혼합비율이 약 1/16∼1/19로 된 희박혼합기가 사용되는 경우에도 종래 점화플러그를 장착한 기관에 비해 착화성과 연소성능이 크게 향상되어 착화,연속연소가 원활히 이루어질 수 있게 한다. 이를 통해 연료를 크게 절감할 수 있게 된다. 또한, 연소성능의 향상으로 인체에 유해한 배기배출물을 크게 줄일 수 있다.

한편, 기관의 저속회전시를 고려하면, 본 발명의 점화플러그는 종래 점화플러그를 장착한 기관보다 상기 단축된 연소시간에 대응하는 시간만큼 크랭크축각상으로 약 5° 정도 후방위치 즉, 상사점인 크랭크축각상의 0°에 점화시점을 세팅할 수 있게 한다. 이는 기관의 흡입행정에서 연소실에 흡입된 연료혼합기가 압축행정에서 최대로 압축된 후 점화되는 것을 가능하게 한다. 이로부터 연료혼합기의 착화성과 연소성이 향상되어 실화발생과 미연소분이 현격히 줄어 들게 된다.

뿐만아니라, 기관의 저속회전시 종래 기관에서보다 상대적으로 더 높은 연비의 연료혼합기가 흡입되는 경우라도 착화,연소가 원활히 실현될 수 있어 기관효율이 극대화된다. 또한, 연료혼합기의 미연소분을 줄여 일산화탄소 등의 인체에 유해한 배기가스발생을 현저히 낮출 수 있게 된다.

전술한 구조를 갖는 본 발명의 점화플러그는 기존 점화플러그의 하단에 일체 또는 분리가능한 소형의 예연소실을 구비하여 내연기관 작동사이클의 압축행정시 예연소실 내부로 흡입되는 소량의 연료혼합기를 미리 착화,연소시키고, 그 폭발화염을 연소실로 배출시켜 연소실의 압축된 주 연료혼합기 전체를 보다 빠르고 확실하게 착화되게 함은 물론, 연료혼합기 전체가 연소되는데 드는 전체 연소시간이 현저히 단축되게 한다. 이로부터 종래에는 실화 또는 미연소분의 증가문제때문에 사용이 기피되었던 희박혼합기의 사용을 가능하게 하여 연료를 절감하게 함은 물론, 기관의 연소효율을 향상하는 잇점을 제공한다. 또한, 연료혼합기가 거의 완전연소에 가깝게 연소됨으로써 인체에 유해한 배기배출물을 현저히 감소시키고, 복합대기오염을 현저히 감소시키는 잇점을 제공한다. 뿐만아니라, 저속 및 고속회전 어느 경우에나 기관효율을 극대화할 수 있게 하고, 기관의 내구성을 향상하며 수명을 연장하는 잇점을 제공한다.

Claims

내연기관 점화장치의 점화플러그에 있어서,

중공관형의 메인셀(210);

상기 메인셀의 하단부 중공 내에 장착된 중심전극과, 이 중심전극에 대응하고 상기 메인셀의 하단부에 일체로 형성되는 접지전극으로 이루어진 한 쌍의 전극(230); 및

압축된 연료혼합기의 일부를 미리 착화,연소하여 발생되는 소규모 폭발화염으로 보다 짧은 시간 내에 연소실의 압축된 주 연료혼합기를 착화,연소시키기 위하여, 상기 메인셀의 하단부에 형성되어 상기 압축된 연료혼합기의 일부가 수용되어 연소되는 공간인 예연소실(250)을 포함하는 점화플러그.
제 1항에 있어서,

상기 예연소실은, 그 저부면에 유체가 드나드는 유출입공이 형성되고 상기 한 쌍의 전극을 바깥으로 에워싸며 상기 메인셀의 하단부에 연결된 대략 U자형용기모양의 예연소실셀에 의해 형성된 공간인 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀은 상기 메인셀과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀은 상기 메인셀과 조립,분리 가능한 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀은 상기 메인셀의 하단으로부터 돌출된 길이가 최대 5∼7mm인 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀의 유출입공은, 내연기관 연소실 하나의 체적이 250cc∼450cc인 경우 그 직경이 3.4∼4mm인 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀의 유출입공은, 내연기관 연소실 하나의 체적이 500cc 이상인 경우 그 직경이 3.8∼4.6mm인 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 2항에 있어서,

상기 예연소실셀은 유출입공의 둘레단면이 완만한 곡선을 이루도록 라운딩처리된 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 1항에 있어서,

상기 접지전극은 적어도 하나 이상 구비되어 상기 중심전극과 소정의 간극을 두고 상기 메인셀의 하단부 중공 내면에 연결되는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 1항에 있어서,

상기 예연소실은 압축된 연료혼합기의 일부를 수용하고 착화,연소시켜 그 확장된 소규모 폭발화염이 연소실의 압축된 연료혼합기 전체를 보다 짧은 시간내에 연소시켜 연료혼합기의 전체 연소시간이 크랭크축각상으로 최대 25∼26° 단축되게 하는 것을 특징으로 하는 점화플러그.
제 1항에 있어서,

상기 예연소실은, 압축된 연료혼합기의 일부를 수용하고 착화,연소시켜 그 확장된 소규모 폭발화염으로 연소실의 압축된 연료혼합기 전체가 보다 짧은 시간내에 연소되게 함으로써 기관의 저회전시 그 점화시점이 크랭크축각상 0°에 세팅되게 하는 것을 특징으로 하는 점화플러그.