KR100948282B1 - 초희박 혼합기용 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 희박연소 엔진(린번 엔진)에서 희박연료의 착화성과 연소성을 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 전극틈새의 혼합기의 유동을 적게 하여 화염핵 생성을 쉽게 하고 큰 화염으로 성장시켜 연소실로 분출시킴으로써 완전 연소를 가능케 한 초희박 혼합기용 스파크 플러그를 제공하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 나사산이 형성된 리이드(1)의 중심에 설치된 중심전극(2)과 리이드(1)의 단부에 부착된 "ㄴ"자 형상의 접지전극(3)으로 구성된 통상의 스파크 플러그에 있어서; 접지전극봉(6)이 입설된 바닥(5)과, 상기 바닥(5)의 외주연에 일정 간격으로 입설된 다수개의 보호벽(7)과, 상기 바닥(5)과 보호벽(7)에 의해 형성된 화염보호실(9)과, 이웃한 두개의 보호벽(7)에 의해 형성된 통기 슬릿(8)으로 구성된 화염보호용 캡(4)을 상기 접지전극(3) 대신에 설치한 것을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그가 제공된다.

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Description

초희박 혼합기용 스파크 플러그{spark plug for ultra lean mixture}

본 발명은 초희박 혼합기용 스파크 플러그에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 희박연소 엔진(린번 엔진)에서 희박연료의 착화성과 연소성을 향상시킨 초희박 혼합기용 스파크 플러그에 관한 것이다.

일반적으로, 스파크 플러그는 기본적으로 엔진 연소실에 흡입되는 연료와 공기의 혼합기에 불을 붙여주는 기능을 하게 되며, 두 번째로는 바로 연소실내의 불필요한 열을 방출시키는 기능을 하게 된다.

도 1은 종래의 스파크 플러그를 나타낸 것으로서, 종래의 스파크 플러그는 다양하게 개량되는데, 출원번호 제20-1996-0029755호에는 중심전극과 접지전극의 형상을 개조하여 전극에서 발생하는 소염작용을 감소시켜 보다 큰 화염핵을 얻어 실화를 줄이고자 하는 목적으로 개발된 고안이 게재되어 있고, 등록번호 제10-0249564호에서는 희박한 혼합기는 통상의 점화방법으로 잘 점화되지 않으므로 스파크 플러그의 중심전극에 가이드 공을 내어 접지전극 쪽으로 연료를 분사할 수 있도록 하고, 전극 사이에 연료가 과농한 부분을 만들어 통상의 점화 에너지로도 화염핵을 쉽게 형성시키는 방법이 게재되어 있으며, 그 외에도 보다 양호한 연소결과를 얻기 위하여 화염핵이 형성되는 부분을 개선한 많은 종류들의 스파크 플러그가 개발되고 있는데, 등록번호 제20-0193476호에서는 리이드의 단부에 접지전극의 역할을 하고 다수의 통기공이 뚫린 캡을 부착하여 캡 내부에서 착화된 화염이 통기공을 통하여 연소실로 화염빔을 방사하여 완전 연소를 유도하는 고안이 게재되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 스파크 플러그는 어느 것이든 일장 일단을 지니고 있고 각고의 노력 끝에 개발된 것들이지만, 린번 엔진의 착화성 저하와 연소의 불안정과 토크 변동이 심한 단점을 효과적으로 개선하지 못하여 저공해 및 고효율 엔진을 구현하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안정된 화염핵의 생성을 가능하게 하고, 발생된 화염핵이 자생력을 가진 화염으로 성장하기가 쉽도록 화염핵을 보호하며, 화염이 연소실 전체로 방사되면서 혼합기에 전파되기가 쉽게 하기 위하여 통기 슬릿이 다수 형성된 화염보호용 캡을 스파크 플러그의 리이드의 단부에 접지전극 대신에 부착하여 통기 슬릿으로 유입되는 혼합기의 속도와 연소실로 방사되는 화염의 속도를 조절하여 초희박한 혼합기가 보다 잘 연소될 수 있도록 통상의 스파크 플러그를 개량한 초희박 혼합기용 스파크 플러그를 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 희박연소 엔진(린번 엔진)에서 희박연료의 착화성과 연소성을 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 전극틈새의 혼합기의 유동을 적게 하여 화염핵 생성을 쉽게 하고 큰 화염으로 성장시켜 연소실로 분출시킴으로써 완전 연소를 가능케 한 초희박 혼합기용 스파크 플러그를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 나사산이 형성된 리이드의 중심에 설치된 중심전극과 리이드의 단부에 부착된 "ㄴ"자 형상의 접지전극으로 구성된 통상의 스파크 플러그에 있어서; 상기 접지전극 대신에,

접지전극봉이 입설된 바닥과, 상기 바닥의 외주연에 일정 간격으로 입설되는 다수개의 보호벽과, 상기 바닥과 보호벽에 의해 형성된 화염보호실과, 이웃한 두개 의 보호벽에 의해 형성된 통기 슬릿으로 구성된 화염보호용 캡을 설치한 것을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그가 제공된다.

이때, 상기 보호벽은 그 단면이 부채꼴인 것을 특징으로 한다.

상기 통기 슬릿은 보호벽의 단면 형상에 의해 화염보호실의 내부쪽은 넓고 외부쪽은 좁게 형성됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 바닥은 각 보호벽 중심 위치와 접지전극봉 중심을 잇는 선을 기준으로 양측으로 경사진 형태를 이루도록 형성됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 바닥은 통기 슬릿 내측으로 일부 요입된 형태를 이루게 됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 통기 슬릿이 다수 형성된 화염보호용 캡을 스파크 플러그의 리이드의 단부에 기존 접지전극 대신에 설치함으로써, 통기 슬릿으로 유입되는 혼합기의 속도와 연소실로 방사되는 화염의 속도를 조절하여 초희박 혼합기를 안정되게 화염핵으로 형성시키고 이를 연소실로 분출시켜 희박 연소의 완전 연소를 가능케 함으로써, 고출력 및 연비의 향상을 기할 수 있으며, 유해가스를 저감시킬 수 있는 등 여러 가지 면에서 매우 유익한 효과가 있다.

이하 본 발명의 구성 및 과제해결을 위한 수단을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 스파크 플러그 구조를 나타낸 요부 절개 사시도이고, 도 3 은 본 발명의 화염보호실로 혼합기가 유입되는 상태도이며, 도 4는 본 발명의 화염보호실에서 성장된 화염이 연소실로 유출되는 상태도이고, 도 5는 혼합기의 유속과 점화한계스파크에너지와의 관계도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명은 나사산이 형성된 리이드(1)의 중심에 설치된 중심전극(2)과 리이드(1)의 단부에 부착된 "ㄴ"자 형상의 접지전극(3)으로 구성된 통상의 스파크 플러그(100)에 있어서, 상기 접지전극(3) 대신에 희박연료의 착화성과 연소성을 향상시킬 수 있도록 구성된 화염보호용 캡(4)을 상기 리이드(1)의 단부에 설치함을 특징으로 한다.

본 발명의 화염보호용 캡(4)은 바닥(5)의 중심에 접지전극봉(6)이 입설되고, 바닥(5)의 외주연에 일정 간격으로 다수개의 보호벽(7)이 입설되어 통기 슬릿(8)이 형성되며, 상기 바닥(5)과 보호벽(7)에 의해 화염보호실(9)이 형성되고, 통기 슬릿(8)은 보호벽(7)의 단면 형상에 의해 화염보호실(9)의 내부쪽은 넓고 외부쪽은 좁게 형성되도록 구성된다.

이때, 상기 보호벽(7)은 그 단면이 부채꼴을 이룸이 바람직하다. 즉, 반드시 부채꼴로 한정될 필요는 없으나, 보호벽(7)의 단면 형상에 의해 화염보호실(9)의 내부쪽은 넓고 외부쪽은 좁은 형태로 통기 슬릿(8)이 형성되기에는 부채꼴 형상이 가장 유리하다.

그리고, 상기 바닥(5)은 각 보호벽(7) 중심 위치와 접지전극봉(6) 중심을 잇는 선을 기준으로 양측으로 경사진 형태를 이루도록 형성됨과 아울러, 통기 슬릿(8) 내측으로 일부 요입된 형태를 이루도록 구성된다. 즉, 상기 접지전극봉(6)은 바닥(5)을 이루는 경사진 면들의 중심에 형성되어, 접지전극의 역할과 더불어 화염보호실(9)의 체적을 적당한 크기로 유지하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 스파크 플러그(100a)는 화염보호용 캡(4)의 구조적 특징으로 통기 슬릿(8)으로 유입되는 혼합기의 속도가 화염핵의 생성에 안정적인 느린 속도가 되고, 연소실로 방사되는 화염의 속도가 짧은 시간에 연소실 전체로 방사되기에 충분히 빠른 속도가 되어, 초희박한 혼합기가 보다 잘 연소되어 완전 연소를 가능케 함으로써 질소산화물(NOx) 등의 유해성분의 생성이 저감되고, 연비가 향상되는 효과를 달성하게 된다.

현재, 스파크 점화기관은 일산화탄소, 질소산화물 등의 공해성 물질들을 어떠한 방법으로 저감시키고, 어떻게 하여 열효율을 높일 것인가 하는 두 가지 문제에 직면하고 있다. 이들은 인체뿐 아니라 지구 온난화와 밀접한 관련이 있는 것으로서, 스파크 점화기관에서는 위에서 언급한 저배기와 고효율을 동시에 만족하기 위한 연소법으로 희박연소법을 취하고 있으며, 린번 엔진도 이와 맥을 같이한다.

그러나, 스파크 점화기관의 연소에서는 혼합기가 희박할수록 연소하기가 쉽지 않을뿐더러, 연소에 걸리는 시간이 많아 엔진의 출력이 낮으며, 탄화수소가 다량 배출되는 등의 많은 문제 들을 안고 있다.

이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 그동안 많은 개발연구들이 수행되었는데, 결국 연소실내의 혼합기의 유동을 강화하는 것이 희박연소의 첩경임을 알게 되었다. 그러나, 어떠한 방법이든 완벽하지는 않고 장점이 있으면 단점도 있다. 즉, 혼합기의 유동을 강화함에 따라 연소속도가 빨라져 엔진의 출력이 증가될 뿐 아니 라, 탄화수소가 저감되는 결과를 얻고 있으나, 연소실내의 혼합기의 유동을 강화하면 화염핵이 생성되더라도 냉각작용 등에 의해 소염될 가능성이 커서 이를 해결하기 위하여 또 다른 연구를 필요로 한다. 즉, 기존에는 혼합기에 유동을 강화하면 스파크 플러그(100)의 중심전극(2)과 접지전극(3)간의 전극 틈새에서 스파크 점화로써 생긴 화염핵이 유동으로 말미암아 성장되지 못하고 소멸되고 말아, 유동의 강화는 필요악의 소지를 가지고 있다.

이와 관련하여 전극 부근의 혼합기의 유속에 따른 점화 성공 여부의 관계를 설명하는 그래프가 도 5에 도시되어 있는데, 이를 살펴보면 유속이 증가할수록 점화가 어려워짐을 알 수 있다. 이는 유속이 증가하여 난류상태로 되면 난류에 의하여 화염핵이 확산되고 또한 열전달에 의한 냉각작용에 의하여 화염핵의 성장이 어렵게 되기 때문이다.

따라서, 위에서 언급한 초희박 혼합기를 실화없이 완전히 연소를 시키기 위해서는 스파크 플러그(100)의 전극 틈새 주위에는 혼합기를 고온으로 하고 유동을 가급적 적게 하여 화염핵의 생성을 쉽게 하여야 하며, 또한 화염핵을 화염전파가 가능하도록 큰 화염으로 성장시켜야 한다.

즉, 통상 스파크 점화기관에서 초희박 혼합기는 연소속도가 느리기 때문에 열효율이 낮고 불완전연소나 실화에 의하여 탄화수소의 배출이 증가할 수 있으나, 초희박 혼합기는 적은 양의 연료를 포함하므로 유해배출가스의 양을 줄일 수가 있고, 노킹발생 확률이 적어지므로 압축비를 증가시킬 수 있으며, 난류강도를 크게 하면 연소속도가 빨라져 열효율을 높일 수 있다. 그러나, 유동이 너무 크면, 스파 크 플러그의 전극틈새에서 생긴 화염핵이 자생력을 가진 화염으로 성장하기 전에 소멸될 소지가 많으므로, 초희박 혼합기의 연소용 스파크 플러그는 종래의 것과 달라야 한다. 따라서, 스파크 방전으로 생기는 화염핵이 소멸하지 않고 자생력을 가진 화염으로 성장하여 한 사이클의 연소를 종료하기 위해서는, 전극주위의 혼합기를 고온으로 하고 가스유동을 가급적 막을 수 있는 보호장치가 필요하다.

이와 같은 이유로, 본 발명에서는 초희박한 혼합기를 안정되게 완전 연소시키는 스파크 플러그(100a)를 도 2와 같이 구성하였으며, 본 발명의 구조적 특징을 이루는 통기 슬릿(8)은 화염보호실(9)을 이루는 보호벽(7)이 일정 간격으로 이격 설치되어 바닥(5)면에 연접되면서 이루어져 화염보호실(9)로 혼합기가 유입되거나 혼합기가 점화되어 화염이 외부로 유출하기 위한 구멍의 역할을 한다. 그리고, 접지전극봉(6)은 접지전극의 역할을 하고 화염보호실(9)의 체적을 적당한 크기로 유지하기 위하여 화염보호실(9)의 바닥(5)의 중심에서 적당한 높이로 돌출되게 형성시킨 것으로 접지전극봉(6)과 중심전극(2)이 이루는 전극 틈새는 화염보호실(9)의 중앙부에 위치하게 된다.

이하에서는, 내연기관의 거동에 의한 본 발명의 기능 및 작용을 살펴보기로 한다.

스파크 점화기관의 흡입과정과 압축과정을 거치면서 연소실에 형성되는 혼합기는 강한 유동을 가지고, 압축과정 중에 통기 슬릿(8)을 통하여 화염보호실(9)로 유입되는데, 보호벽(7)이 혼합기의 유동을 직접 막아 주는 역할을 하게 된다.

도 3을 참조하면, 도시된 바와 같이 보호벽(7)의 단면이 부채꼴을 하고 있어 보호벽(7)에 의해 형성된 통기 슬릿(8)이 화염보호실(9)로 갈수록 혼합기의 유로가 확장되므로 전극 틈새의 유동은 충분히 적어진다. 즉, 통기 슬릿(8)의 통로가 화염보호실(9)의 내부로 갈수록 넓어지므로 유체의 운동에 있어 유량이 일정할 때 통로가 좁으면 유속이 빨라지는 것과 같은 것이다. 따라서, 종래의 스파크 플러그(100)를 린번 엔진에 적용하기 위하여 개량된 경우도 화염핵의 생성이 빠르게 유입되는 혼합기에 의해 안정되게 생성되지 못하거나 생성된 화염핵이 바로 소실되는 문제점을 본 발명의 스파크 플러그(100a)는 해결하게 되는 것이다. 그리고, 화염보호실(9)에 들어온 혼합기는 유동이 적어 정체되는 시간이 길고 비교적 고온으로 유지되는 보호벽(7)으로부터 열을 받아 고온이 되므로, 통상의 스파크 플러그(100)에 비하여 화염핵의 생성이 쉽고 화염으로 성장하기 쉬워진다.

이때, 화염보호실(9)은 스파크 방전으로 생긴 화염핵이 자생력을 가진 화염으로 성장하기 쉽도록 중심전극(2)과 접지전극봉(6)의 틈새 부근의 혼합기를 가열하고, 연소실 유동이 전극 틈새에 미치는 영향을 가급적 막는 작용을 하며, 이의 체적도 자생력을 가질 수 있는 화염의 크기와 관련을 갖는다. 그리고, 화염보호실(9)을 이루는 보호벽(7)은 부채꼴의 단면을 갖도록 하여 화염보호실(9)로 유입되는 혼합기의 속도를 늦추도록 하였다. 이 단면은 또한, 화염보호실(9) 안에서 성장된 화염이 연소실로 유출될 때는 속도를 빠르게 하므로, 보호벽(7) 외부에 와류를 발생하게 하여 화염과 혼합기의 혼합을 도우므로 초희박 혼합기의 연소를 쉽게 할 수 있다.

스파크 방전에 의하여 전극 틈새에서 화염핵이 형성되면 화염보호실(9)의 체 적만큼 화염이 커질 때까지 보호벽(7)이 연소실의 혼합기 유동이 화염핵의 성장을 방해하는 것을 막아 준다.

그 후, 화염이 화염보호실(9)을 벗어나 외부로 유출될 때, 연소가스는 좁은 통기 슬릿(8)을 통과하므로 속도가 빨라지게 되고, 도 4에 도시된 바와 같이 보호벽(7)의 외벽에는 화염과 혼합기가 와류를 형성하게 된다. 따라서, 화염이 고속으로 분출되고 유출되는 화염 속으로 주위 혼합기가 유입되기 쉬우므로 초희박 혼합기일지라도 화염의 전파가 쉬워지게 된다.

더우기, 본 발명은 종래의 "ㄴ"자형 접지전극(3; 도 1 참조) 대신, 본 발명에서 제안된 화염보호용 캡(4)으로 형성하여 그 체적이 종래에 비하여 크기 때문에 열적으로 안정되게 된다. 즉, 종래의 접지전극(3)은 리이드(1)에 부착되는데, 이 리이드(1)는 내연기관의 실린더 헤드에 직접 접촉되는 부분이므로 냉각수나 공기에 의해 쉽게 냉각되는 부분이다. 그리고, 이 리이드(1)를 통하여 스파크 플러그(100)가 연소가스에서 받은 열을 방출시키게 되는데, 종래의 경우는 접지전극(3)이 직접적으로 리이드(1)에 부착되어 있어 쉽게 열을 방출하는 구조를 가지게 되어 스파크 플러그(100) 온도가 너무 낮아져서 높은 열가가 가지는 단점인 발화부에 카본이 부착하여 전기가 누전되어 불꽃이 튀지 않게 되어 결국 착화가 되지 않는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명의 스파크 플러그(100a)는 접지전극(3)의 역할을 하는 접지전극봉(6)이 실린더 헤드에 직접 접촉되는 리이드(1)에서 종래보다 먼 거리에 있고 체적도 크기 때문에 쉽게 열을 빼앗기지 않게 된다. 따라서 양호한 착화를 유도하 게 되고, 혼합기가 착화되기 쉽도록 적절한 온도를 유지시켜주게 된다.

상기와 같이 본 발명의 스파크 플러그(100a)는 리이드(1)에 화염보호용 캡(4)을 부착하여 그 내부에 형성된 화염보호실(9)과 통기 슬릿(8)의 작용으로 실화의 문제점이 해소되고, 나아가 고출력과 저연비 및 저공해용 린번 엔진이 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명은 린번 엔진의 착화성 저하와 연소의 불안정과 토크 변동이 심한 단점을 효과적으로 개선하여 저공해 및 고효율 린번 엔진을 구현할 수 있으므로 차세대자동차 기술개발사업 등에 유용하게 적용하는 등 산업상 이용가능성이 매우 높다.

도 1은 종래의 스파크 플러그를 나타낸 정면도

도 2는 본 발명의 스파크 플러그 구조를 보여주는 요부 절개 사시도

도 3은 본 발명의 화염보호실로 혼합기가 유입되는 상태도

도 4는 본 발명의 화염보호실에서 성장된 화염이 연소실로 유출되는 상태도로서, 우측 반쪽만 나타낸 상태도

도 5는 혼합기의 유속과 점화한계스파크에너지와의 관계를 나타낸 그래프

Claims (5)

1. 나사산이 형성된 리이드(1)의 중심에 설치된 중심전극(2)과 리이드(1)의 단부에 부착된 "ㄴ"자 형상의 접지전극(3)으로 구성된 통상의 스파크 플러그에 있어서;

   상기 접지전극(3) 대신에,

   접지전극봉(6)이 입설된 바닥(5)과, 상기 바닥(5)의 외주연에 일정 간격으로 입설된 다수개의 보호벽(7)과, 상기 바닥(5)과 보호벽(7)에 의해 형성된 화염보호실(9)과, 이웃한 두개의 보호벽(7)에 의해 형성된 통기 슬릿(8)으로 구성된 화염보호용 캡(4)을 설치하고,

   상기 바닥(5)은 각 보호벽(7) 중심 위치와 접지전극봉 중심을 잇는 선을 기준으로 양측으로 경사진 형태를 이루도록 형성한 것을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호벽(7)은 그 단면이 부채꼴인 것을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 통기 슬릿(8)은 보호벽(7)의 단면 형상에 의해 화염보호실(9)의 내부쪽은 넓고 외부쪽은 좁게 형성됨을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 바닥(5)은 통기 슬릿(8) 내측으로 일부 요입된 형태를 이루게 됨을 특징으로 하는 초희박 혼합기용 스파크 플러그.

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