KR100937469B1

KR100937469B1 - 내연기관의 플라즈마 점화장치

Info

Publication number: KR100937469B1
Application number: KR1020080049189A
Authority: KR
Inventors: 최정규
Original assignee: 최정규
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2010-01-19
Also published as: KR20080068603A

Abstract

본 발명은 내연기관의 플라즈마(plasma) 점화장치에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 점화 플러그가 외부 배터리를 사용하는 DC/AC(직류/교류) 인버터의 고출력과 점화코일의 고출력을 사용해서 만든 플라즈마 아크(Plasma arc)를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키도록 한다.

따라서 플라즈마를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키기 때문에, 그 휘발유가 거의 완전 연소됨으로써 연비가 개선되고 매연이 발생하지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 내연기관의 플라즈마 점화장치에 도 3과 같은 장치를 통해 제공되는 스팀(steam)을 적용시켜 내연기관에서 휘발유와 병행시킬 경우 즉, 하이브리드 자동차를 구현할 경우 휘발유를 대폭적으로 절감할 수 있다.

Description

내연기관의 플라즈마 점화장치{Apparatus for Plasma ignition system}

본 발명은 내연기관의 플라즈마(plasma) 점화장치에 관한 것으로, 특히, 점화 플러그(spark plug)가 고압을 사용해서 만든 플라즈마를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키도록 하는 점화장치에 관한 것이다.

종래의 내연기관에 있어 점화 플러그는 내연기관에 설치된 해당 실린더 내에 설치되고, 디스트리뷰터(distributor)로부터 임펄스(impulse)를 점화코일을 통해 제공받아 해당 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시킨다.

이와 같은 연소에 의해 해당 실린더의 피스톤이 왕복운동을 하게 되고, 그 왕복운동은 회전운동으로 바뀌어 자동차 등을 운전하기 위한 동력으로 사용된다.

그러나 이와 같은 종래의 기술에 있어서는 점화 플러그를 사용하여 휘발유를 연소시킬 때 불완전 연소에 의해 NOx 매연이 발생하고, 이에 따라 연비가 떨어진다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 점화 플러그가 고압을 사용해서 만든 플라즈마를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키도록 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 형태에 따르면, 외부 축전지를 사용하는 DC/AC 인버터(inverter)로부터 제공되는 교류 및 디스트리뷰터로부터 순차적으로 제공되는 임펄스를 순차적으로 사용해서 플라즈마를 각각 발생시켜 특정 내연기관에 설치된 복수의 실린더 내의 각기 분사된 휘발유를 각각 연소시키는 복수의 플라즈마 점화장치로서, 상기 복수의 플라즈마 점화장치 중 적어도 어느 하나의 플라즈마 점화장치는 상기 DC/AC 인버터로부터 제공되는 교류를 직류로 변환하는 교류/직류 변환부; 음극(cathode)이 상기 교류/직류 변환부의 직류 출력단에 접속된 제 1 고압 다이오드(diode); 상기 디스트리뷰터로부터 제공되는 임펄스를 제공받는 점화코일; 양극(anode)이 상기 제 1 고압 다이오드의 양극에 접속되고, 음극이 상기 점화코일에 접속된 제 2 고압 다이오드; 음극이 상기 제 1, 제 2 고압 다이오드의 양극에 접속되고, 양극이 상기 교류/직류 변환부의 접지에 접속되며, 양극이 캐패시터(capacitor)를 통해 상기 점화코일에 접속되고, 간극을 통해 플라즈마를 발생시켜 해당 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키는 점화 플러그를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 교류/직류 변환부는 상기 DC/AC 인버터로부터 제공되는 교류를 전파 정류하는 브리지 다이오드; 상기 브리지 다이오드로부터 제공되는 전파 정류된 신호를 인덕터를 통해 받아 평활하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 외부 축전지를 사용하는 DC/AC 인버터는 1차 측에 형성되고, 펄스폭변조 신호에 의해 변조된 전류 펄스를 영전류 스위칭과 함께 발생시키는 전류형 풀-브릿지 인버터; 능동 고주파 필터; 고주파 링크 변압기; 두 개의 양방향 스위치와 출력 필터 캐패시터를 구비하고, 분리형 단상 50[Hz] 내지 200[KHz]의 구형파 50[V] 내지 400[V]를 출력하는 사이클로 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 점화코일은 유도 코일(induction coil)로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 스팀 발생장치를 더 포함하고, 상기 스팀 발생장치는 물을 담고 있는 하우징의 바닥에 형성되고, 상기 물을 초음파 진동시켜 스팀을 발생시키는 초음파 진동자; 상기 초음파 진동자 상부에 형성되고, 상기 스팀을 40℃ 내지 100℃로 가열하여 상기 가열된 스팀이 물의 표면 위로 방출되도록 하는 열선; 상기 물의 표면 위에 형성되고, 상기 물의 표면 위로 방출되는 스팀을 바람을 이용해서 상기 특정 내연기관에 설치된 캬브레이터로 제공하여, 상기 가열된 스팀이 상기 캬브레 이터를 통해 상기 특정 내연기관 내의 실린더로 제공되도록 하는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 점화 플러그(M1)가 도 2의 A와 같은 고전류 및 C와 같은 고전류를 사용해서 만든 플라즈마를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 플라즈마 상태는 고체, 액체, 및 기체 이외 제 4의 상태라고 불린다. 이와 같은 플라즈마는 분자, 원자, 이온, 전자, 및 양자들로 이루어지며, 전체적으로 준 중성으로 알려진 전기적 중성상태에 있다.

도 1은 점화 플러그의 사진 및 그 사진의 특징적인 부분을 개략적으로 나타낸 개략도로, 점화 플러그의 중앙 전극(center electrode) 중심지가 음극이고, 측면 전극(side electrode)이 양극이며, 나머지 명칭은 도 1의 사진 및 개략도를 참조하기로 한다.

한편, 물에 접촉하는 두 전극에 직류전류를 흘려 전기분해를 일으키면, 음극에서는 수소가 발생되고, 양극에서는 산소가 발생된다.

플라즈마는 높은 전기 용량을 방전할 때 발생되며, 전압 크기에 따라 파란 밝은 빛과 화염이 생성된다.

내연기관에 설치된 실린더 내에서 플라즈마 아크(plasma ARC)와 고온의 스팀 형태의 물(H₂O)이 접촉될 경우 물은 산소와 수소(oxygen and hydrogen)로 분해되고, 수소는 플라즈마 아크에 의해 1000~1350[m/s, meters per second]로 발화된다. 이와 같은 발화에 의해 공기 충격파가 발생되어 피스톤이 밀려난다. 즉, 이와 같이 실린더 내에서 수소가 폭발함에 따라 피스톤이 밀려나는 것은 실린더 내에서 분사된 휘발유가 폭발함에 따라 피스톤이 밀려나는 것과 유사하다.

예로, 도 2에서 110V DC/AC 인버터 사용 시, A와 같은 전류루프가 형성하는 인버터는 '110V x 7amps = 770watt'를 형성하고, C와 같은 전류루프가 형성하는 점화장치는 '점화코일 30,000V x 0.0008= 24 watt'를 형성한다. 따라서 '합계 A+C = 794 watt'가 점화플러그(M1)로 전달된다. 이때, A와 같은 전류루프가 형성하는 인버터 및 점화플러그(M1)는 자동차 본체와 절연되고, 그 인버터는 점화플러그(M1)로 그라운드 된다. 이때, 점화플러그(M1)는 무저항 점화플러그를 사용한다.

플라즈마가 형성되면 이를 바탕으로 점화 플러그의 간극에 글로우(glow) 방전이 시작되고 전류가 증가하면서 전극으로 사용되는 팁의 표면으로부터 열전자가 방출되면서 방전은 더 활발하게 일어난다.

점화 플러그 간극이 넓어질수록 플라즈마가 더 크게 형성되고 간극이 작을수록 작은 플라즈마가 형성된다. 이때, 간극이 넓어지면 그만큼 더 전력소모가 크다.

탄산 칼륨(Potassium Carbonate)을 물과 조금 같이 희석해주면 물의 폭발력이 더 가해지는 반면, 탄산 칼륨은 금속을 부식할 수 있기 때문에 자동차 엔진에 사용하기에는 부적합하다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 도 3과 같은 스팀 발생장치를 사용할 수 있다.

먼저 초음파 진동자(72)는 하우징(68)의 바닥에 형성되고, 하우징(68)에 담긴 물(70)을 초음파 진동시켜 스팀을 발생시킨다. 이때, 물(70)의 표면과 송풍기(76) 사이의 하우징(68) 측면에 공기 흡입구(78)가 구비되어 있다.

열선(74)은 초음파 진동자(72) 상부에 형성되고, 초음파 진동자(72)가 발생시킨 스팀을 40℃ 내지 100℃로 가열하여, 가열된 스팀이 물(70)의 표면 위로 방출되도록 한다.

송풍기(76)는 물(70)의 표면 위에 형성되고, 물(70)의 표면 위로 방출되는 가열된 스팀을 바람을 이용해서 내연기관 즉, 엔진(80)에 설치된 캬브레이터로 제공하여, 그 가열된 스팀이 캬브레이터를 통해 엔진(80) 내의 실린더로 제공되도록 한다. 상기 캬브레이터가 엔진에 설치되는 것은 일반적인 것으로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 가열된 스팀을 엔진(80) 내의 실린더로 제공함에 따라 그 실린더에 설치된 플라즈마 점화 플러그의 실화(miss fire)율이 낮아지기 때문에, 그 점화 플러그가 발생하는 플라즈마에 의해 스팀 형태의 물을 산소와 수소로 쉽게 분해할 수 있다.

본 발명에 따른 자동차의 점화장치에 있어 디스트리뷰터는 각 점화 플러그에 임펄스를 각 점화코일을 통해 제공한다. 이와 같이 점화 플러그마다 각 점화코일을 각기 연결하는 이유는 고압 전류가 점화코일을 녹일 수 있기 때문에, 점화코일이 교대로 사용되어 최대한 열을 받지 않도록 하기 위한 것이다. 점화코일은 구식 유도 코일을 사용하여 엔진 타이밍(engine timing)이 정확하도록 한다.

도 4와 같이 고체/액체/기체의 세 가지 상태에서 물 분자의 간격을 알 수 있으며, 특히, 액체 상태에서 물 분자는 특별한 규칙에 의하지 않고 서로의 빈 공간을 채우며 존재하는데 반해, 물의 온도가 낮아질수록 물의 분자배열은 규칙적으로 된다.

도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 플라즈마 점화장치의 일 실시 예를 나타낸 회로도로, 신호 접속부(60), 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 플라즈마 점화장치(10, 20, 30, 40), 디스트리뷰터(50), 및 배터리(BT1)로 구성된다.

동 도면에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 플라즈마 점화장치(10, 20, 30, 40)는 인버터로부터 신호 접속부(60)를 통해 제공되는 교류 및 디스트리뷰터(50)로부터 순차적으로 제공되는 임펄스를 순차적으로 사용해서 플라즈마를 각각 발생시켜 특정 내연기관에 설치된 복수의 실린더 내의 각기 분사된 휘발유를 각각 연소시킨다. 이때 디스트리뷰터(50)는 자동차에 설치된 배터리(BT1)를 사용하고, 인버터는 배터리(BT1) 외 다른 배터리 등의 별도 전원을 사용한다.

이와 같은 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 플라즈마 점화장치(10, 20, 30, 40)는 내부 구성 및 동작이 서로 동일한 것으로, 제 1 플라즈마 점화장치(10)에 대해서만 동작설명을 상세히 설명하고, 나머지 제 2, 제 3, 제 4 플라즈마 점화장치(20, 30, 40)에 대해서는 상세한 동작설명을 생략하기로 한다.

즉, 제 1 플라즈마 점화장치(10) 내의 브리지 다이오드는 인버터로부터 신호 접속부(60)를 통해 제공되는 교류를 전파 정류한다.

캐패시터(C1)는 브리지 다이오드로부터 제공되는 전파 정류된 신호를 인덕터(L10)를 통해 받아 평활하여 직류를 발생한다.

제 1 고압 다이오드(D2)는 음극이 캐패시터(C1)의 직류 출력단에 접속된다.

점화코일(유도 코일)(L1)은 디스트리뷰터(50)로부터 순차적으로 제공되는 임펄스를 제공받는다.

제 2 고압 다이오드(D3)는 양극이 제 1 고압 다이오드(D2)의 양극에 접속되고, 음극이 점화코일(L1)에 접속된다.

점화 플러그(M1)는 음극이 제 1, 제 2 고압 다이오드(D2, D3)의 양극에 접속되고, 양극이 캐패시터(C1)의 접지에 접속되는 동시에 캐패시터(C2)를 통해 점화코일(L1)에 접속되고, 디스트리뷰터(50)로부터 순차적으로 제공되는 임펄스에 대응하여 간극을 통해 플라즈마를 발생해서 해당 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시킨다. 상기 제 1, 제 2 고압 다이오드(D2, D3)는 역류 방지용으로 사용된다.

여기서 제 1 플라즈마 점화장치(10) 내에는 대략적으로 A, B, C와 같은 세 가지 전류루프가 형성된다.

도 1은 점화 플러그의 사진 및 그 사진의 특징적인 부분을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 플라즈마 점화장치의 일 실시 예를 나타낸 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 고온의 스팀을 엔진에 제공하기 위한 개략도,

도 4는 고체, 액체, 및 기체의 세 가지 상태에서 물 분자의 간격을 나타낸 도면이다.

Claims

외부 축전지를 사용하는 DC/AC 인버터로부터 제공되는 교류 및 디스트리뷰터로부터 순차적으로 제공되는 임펄스를 순차적으로 사용해서 플라즈마를 각각 발생시켜 특정 내연기관에 설치된 복수의 실린더 내의 각기 분사된 휘발유와 스팀을 각각 연소시키는 복수의 플라즈마 점화장치로서,

상기 복수의 플라즈마 점화장치 중 적어도 어느 하나의 플라즈마 점화장치는 상기 DC/AC 인버터로부터 제공되는 교류를 직류로 변환하는 교류/직류 변환부;

음극이 상기 교류/직류 변환부의 직류 출력단에 접속된 제 1 고압 다이오드;

상기 디스트리뷰터로부터 제공되는 임펄스를 제공받는 점화코일;

양극이 상기 제 1 고압 다이오드의 양극에 접속되고, 음극이 상기 점화코일에 접속된 제 2 고압 다이오드;

음극이 상기 제 1, 제 2 고압 다이오드의 양극에 접속되고, 양극이 상기 교류/직류 변환부의 접지에 접속되며, 양극이 캐패시터를 통해 상기 점화코일에 접속되고, 간극을 통해 플라즈마를 발생시켜 해당 실린더 내의 분사된 휘발유와 스팀을 연소시키는 점화 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 교류/직류 변환부는 상기 DC/AC 인버터로부터 제공되는 교류를 전파 정류하는 브리지 다이오드;

상기 브리지 다이오드로부터 제공되는 전파 정류된 신호를 인덕터를 통해 받아 평활하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 외부 축전지를 사용하는 DC/AC 인버터는 50[Hz] 내지 200[KHz]의 구형파 전압 50[V] 내지 400[V]를 출력하는 사이클로 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 DC/AC 인버터와 각각의 점화 플러그가 자동차의 본체와 절연되어야 하며 무저항 점화플러그를 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제 2 고압 다이오드는 각각의 점화 플러그 역류방지 겸 고압상승 도움역할로 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 2에 있어서,

상기 인덕터는 고압발생을 더욱 높여줌과 동시에 상기 브리지 다이오드와 상기 DC/AC 인버터를 보호해주는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 점화코일은 각각의 실린더 마다 유도 코일로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.
청구항 1에 있어서,

스팀 발생장치를 더 포함하고,

상기 스팀 발생장치는 물을 담고 있는 하우징의 바닥에 형성되고, 상기 물을 초음파 진동시켜 스팀을 발생시키는 초음파 진동자;

상기 초음파 진동자 상부에 형성되고, 상기 스팀을 40℃ 내지 100℃로 가열하여 상기 가열된 스팀이 물의 표면 위로 방출되도록 하는 열선;

상기 물의 표면 위에 형성되고, 상기 물의 표면 위로 방출되는 스팀을 바람 을 이용해서 상기 특정 내연기관에 설치된 캬브레이터로 제공하여, 상기 가열된 스팀이 상기 캬브레이터를 통해 상기 특정 내연기관 내의 실린더로 제공되도록 하는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 플라즈마 점화장치.