KR101342915B1 - 인젝터와 점화플러그의 일체형 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료를 분사하는 인젝터와, 스파크를 발생시켜 점화가 되도록 하되, 영역에 걸쳐 점화가 가능토록 저온 플라즈마를 이용한 점화 플러그를 일체형으로 하여 부연소실을 형성함으로써 희박조건에서도 연소 안정성 확보가 가능토록 하며, 초희박조건인 경우에는 우선적으로 설정량의 연료를 분사한 다음, 점화순간에 나머지 잔여 연료를 분사함으로써, 부연소실의 공연비가 전체 연소실의 공연비보다 상대적으로 농후토록 하여 점화가 가능토록 한 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리에 관한 것이다.

Description

인젝터와 점화플러그의 일체형 어셈블리{INTEGRATED ASSEMBLY OF INJECTOR AND SPARK PLUG}

본 발명은 인젝터와 점화플러그가 일체를 이루는 부연소실을 더 형성하여, 희박조건에서도 용이한 점화가 가능토록 하는 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 가솔린엔진은 혼합기를 피스톤으로 압축하여 점화 플러그에서 스파크를 발생시켜 폭발행정에서 동력을 얻는다.

이러한 점화 플러그는 운전자가 시동스위치를 작동하면 밧데리에서 전원을 인가하여 점화코일에서 고전압으로 승압시킨 후 고압케이블을 타고 배전기를 통해 배분된 고전압으로 스파크를 발생시킨다.

즉, 점화 플러그는 중심전극과 접지전극 사이에서 불꽃을 방전시키는 것으로서, 전류의 열에너지에 의한 점화를 하는 것이다.

하지만, 이러한 기존 점화 플러그의 경우, Point Igniton(점 형태의 점화) 방식이기 때문에, 이론 공연비(Air-fuel ratio for complete combustion, 理論空然比, 혼합기가 완전연소하는 공기와 가솔린의 비율)보다 연료가 부족한 희박 조건이나, 또는 과도의 EGR(배기가스 재순환)을 적용한 경우, 연소실 내부 혼합기의 불균일성으로 인하여, 점화 플러그로 점화를 일으켰을시, 점화 플러그 주위(point)의 혼합기가 점화를 일으킬 수 없는 조건인 경우 실화가 발생할 가능성이 높아, 연소 안정성 확보가 힘들다는 문제점이 있었다.

더불어, 점화를 하기 위한 스파크를 발생시키는 점화 플러그 및 연료를 분사하는 연료분사 인젝터가 각각 개별적으로 관내에 설치되는 구조를 가짐으로써, 연료량이 이론공연비보다 적은 희박연소의 조건에서 연소 안정성 확보에 어려움이 있다는 문제점 또한 발생했다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료를 분사하는 인젝터와, 분사되는 연료를 점화하는 점화 플러그를 일체형으로 하면서, 내부에 점화공간을 형성하는 부연소실을 별도로 형성하고, 이러한 부연소실을 엔진의 연소실과는 별도로 엔진헤드에 장착하는 구조를 가지도록 함으로써, 상기의 일체형 구조와 저온 플라즈마를 이용한 점화 플러그를 통해 연소 안정성이 확보되도록 함과 동시에, 초희박 조건에서는 연료가 분할되어 두번에 걸쳐 분사되는 2단 분사 로직으로 작동되도록 하여, 연료량이 이론공연비보다 적은 희박연소의 상황에서도 안정된 연소가 가능토록 한 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 엔진헤드에 설치되는 보조챔버(10); 상기 보조챔버(10) 내 부연소실(11)로 연료를 분사하는 인젝터(20); 상기 인젝터(20)와 함께 보조챔버(10)에 일체로 설치되며, 저온 플라즈마를 발생시켜 자유전자가 연료 및 공기와 충돌하며 점화를 발생시키고, 점화발생시 생성되는 화염이 엔진헤드의 연소실(12) 내부에 전파되도록 하는 점화 플러그(30); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 인젝터와 점화 플러그를 일체형으로 하는 부연소실을 별도로 형성하여 사용함으로써, 희박연소 조건에서도 안정적인 연소가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 연료의 대부분을 우선적으로 분사한 후, 점화 플러그를 통한 점화순간에 나머지 연료를 분사하여, 부연소실이 전체 연소실의 공연비보다 농후토록 하여, 초희박조건에서도 점화가 용이해지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 점화 플러그를 사용함으로써, 점 영역으로 이루어지는 점화영역이 아닌, 공간(area)으로 이루어지는 점화영역을 가지도록 함으로써, 점화가 더욱 용이해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인젝터와 점화플러그의 일체형 어셈블리가 장착된 모습을 나타낸 일실시예의 정면 단면도.
도 2는 도 1의 A부분 확대도.
도 3은 도 2의 B-B'선도.
도 4는 본 발명에 따른 점화플러그의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이러한 본 발명에 따른 일실시예를 살펴보면,

엔진헤드에 설치되는 보조챔버(10); 상기 보조챔버(10) 내 부연소실(11)로 연료를 분사하는 인젝터(20); 상기 인젝터(20)와 함께 보조챔버(10)에 일체로 설치되며, 저온 플라즈마를 발생시켜 자유전자가 연료 및 공기와 충돌하며 점화를 발생시키고, 점화발생시 생성되는 화염이 엔진헤드의 연소실(12) 내부에 전파되도록 하는 점화 플러그(30); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인젝터(20)는 전체 연료분사량 중 사전설정량의 연료를 분사하여, 연소실(12)과 부연소실(11) 상호간의 연료와 공기가 혼합되도록 한 후, 상기 점화 플러그(30)를 통한 점화시 잔여연료가 분사되도록 하는 2단 분사 로직이 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 사전설정량은 전체 연료분사량의 95%이며, 잔여연료량은 5%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인젝터(20)는 부연소실(11)의 공연비가 전체 연소실의 공연비보다 상대적으로 높은 농후함을 가지도록 하여, 희박 조건에서 점화가 가능토록 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 점화 플러그(30)는 접지전극 역할을 하는 보조챔버(10)의 내주연에 대응되는 형상으로 돌출되는 유전체(31); 상기 유전체(31)에 내설되는 중심전극(32); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 점화 플러그(30)는 접지전극 역할을 하는 보조챔버(10)에 내설되되, 일단이 보조챔버(10)의 내주연으로 돌출되는 유전체(31); 상기 유전체(31)에 내설되는 중심전극(32); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 이론 공연비보다 연료가 부족한 희박조건 또는 과도한 EGR을 적용한 경우의 가연 혼합기 점화에도 사용이 가능한 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리를 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리(100)는 보조챔버(10), 인젝터(20), 점화 플러그(30)를 포함한다.

상기 보조챔버(10)는 후술될 인젝터(20)와 점화 플러그(30)가 설치되어 일체형을 이루도록 하기 위한 것으로, 상기 보조챔버(10)는 점화가 이루어지는 엔진(E)의 헤드에 장착되도록 한다.

이러한, 상기 보조챔버(10)는 사용자의 실시예에 따라, 원형, 사각, 다각형 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있음이되, 양단은 개구되되 길이방향을 향해 중심이 상, 하로 관통되어 내부에 부연소실(11)이 형성될 수 있도록 한다.

또한, 개구된 일단이 엔진헤드(H)의 내부에 연통되도록 함으로써, 보조챔버(10)에 형성되는 부연소실(11)이 피스톤이 상, 하 왕복운동하는 엔진(E) 내 연소실(12) 내부와 연통되는 형태가 되도록 한다.

상기 인젝터(20)는 전술된 보조챔버(10)의 상단(엔진헤드(H)와 연통된 일단의 반대편)에 직립설치되는 것으로, 일단이 보조챔버(10)의 내부에 형성된 부연소실(11)을 향하도록 설치된다.

이러한, 상기 인젝터(20)는 공지되어 있는 통상의 인젝터로써, 연료를 분사하는 역을 하는 것으로, 본 발명에서의 인젝터(20)는 엔진의 연소실(12)로 연료를 분사하는 것이되, 우선적으로 인젝터(20)가 보조챔버(10)의 상단에 설치되어 있음으로 하여, 상기 인젝터(20)가 연료를 분사시 보조챔버(10) 내 부연소실(11) 내부로 먼저 분사가 되면서 연통된 엔진의 연소실(12)까지 분사되는 형태가 되는 것이다.

또한, 본 발명에서는 이러한 인젝터(20)를 통한 연료 분사가 2차에 걸친, 이단 분사 로직을 적용할 수 있도록 구성하는데,

연료량이 이론공연비(Air-fuel ratio for complete combustion, 理論空然比, 혼합기가 완전연소하는 공기와 연료(ex: 가솔린)의 비율))경우의 연료량보다 많이 적은 초희박 조건인 경우(사용자에 따라서는 희박조건, 또는 초희박 조건 및 희박조건이 아닌 경우에도 가능할 수 있음이다.), 연료를 두번에 걸쳐 나눠 분사하는 것이다.

다시 말해, 우선적으로 전체 연료분사량이 100%라 하였을 경우, 사전설정량(본 발명에서는 95%라 함)만큼 연료를 분사하여, 부연소실(11)을 통해 전체 연소실(부연소실(11)과 엔진의 연소실(12)) 공기와 연료가 혼합되도록 유발한다. 이것이 첫번째 분사에 해당된다. 상기와 같은 첫번째 분사 이후, 점화 플러그(30)를 통한 점화 직전에 남아있는 잔여 연료량(5%)를 마저 분사하는 것이다. 이것이 두번째 분사에 해당된다.

즉, 두번째 분사의 경우, 부연소실(11)의 공연비가 전체 연소실의 공연비보다 약간 농후토록 조성토록 하기 위한 것으로, 첫번째 분사를 통해 연소실 전체의 공연비가 동일한 상태에서, 남아있는 잔여 연료를 분사하게 되면, 인젝터(20)에 의해 연료가 분사되는 부분이 부연소실(11)이기 때문에 부연소실(11)의 공연비가 엔진의 연소실(12) 공연비보다 농후하게 되어, 좀 더 용이한 점화가 가능해지는 것이다. (물론, 과도한 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 적용한 경우의 가연 혼합기 점화에도 사용이 가능할 것이다.)

상기 점화 플러그(30)는 전술된 보조챔버(10)의 내주연에 설치되는 것으로서, 상기 인젝터(20)와는 이격되어 보조챔버(10)의 내주연 타단에 설치되도록 한다.

이로써, 상기 인젝터(20)에서 부연소실(11)에서 연료를 분사하면 보조챔버(10)의 타단부 내주연에 설치되어 있는 점화 플러그(30)를 통해 점화가 되도록 하는 것으로, 희박조건에서도 부연소실(11)에서 내부에서 점화가 발생되고, 이때 부연소실(11)에서 생성된 화염은 토치와 같은 형태로 연소실(12) 내부로 화염이 전파되면서 빠른 연소를 유발할 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 발명에서는 저온 플라즈마가 발생되는 점화 플러그(30)를 사용토록 하는데, 기존 점화 플러그(30)가 전류의 열에너지에 의한 점화를 하는 것에 반해, 본 발명의 점화 플러그(30)는 저온 플라즈마를 발생시키고, 저온 플라즈마 내 자유전자가 이동(운동에너지)하면서 연료 및 공기와 충돌하여(전자충돌에너지) 점화를 일으키도록 한 것이다.

이를 위해, 상기 점화 플러그(30)는 중심전극(+, 32)과, 상기 중심전극(32) 외주연을 감싸는 유전체(ex: 세라믹 등, 31)로 이루어지며, 접지전극(-)으로는 전술된 보조챔버(10)를 도전체 종류의 금속재질로 형성하도록 한 후, 이러한 중심전극(32)과 접지전극으로 전원을 인가하는 것이다. 이로써 상기 중심전극(32)을 감싸고 있는 유전체(31)에 의해 저온 플라즈마가 발생하게 되고, 이러한 저온 플라즈마 내 자유전자가 중심전극(32)과 접지전극(보조챔버(10)) 상호간의 이격공간(부연소실(11) 내) 부분에서 연료 및 공기와 전자충돌하면서 반응이 되고, 이러한 전자에너지는 온도에너지가 되어 점화가 되도록 하는 것으로, 본 발명은 기존과 같이 열이 아닌 전자에너지를 사용하는 것이다.

더불어, 이러한 상기 유전체(31) 및 유전체(31)가 감싸고 있는 중심전극(32)의 경우, 전술된 보조챔버(10)의 내주연에 일체로 부착형성되되, 보조챔버(10) 내주연에 대응되는 형상으로 보조챔버(10) 내주연에 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 보조챔버(10)가 원통형이라 가정할 경우, 상기 중심전극(32)을 감싸고 있는 유전체(31)의 형상은 완만하게 굴곡진 호 형상으로 가짐으로써 원통형의 보조챔버(10) 내주연에 일체로 형성되는 것이다.

또한, 상기 보조챔버(10) 내에 유전체(31)가 내설되어 있는 형태이되, 일단이 보조챔버(10)의 내주연으로 돌출되는 형태를 가지도록 하고, 이러한 유전체(31) 내부에 중심전극(32) 또한 유전체(31)에 형상에 대응되는 형상으로 내설되어, 유전체(31)의 일단 또한 보조챔버(10)의 내주연으로 돌출되는 형태가 되도록 하는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 보조 챔버 11: 부연소실
12: 연소실 20: 인젝터
30: 점화 플러그 31: 유전체
32: 중심전극

Claims (7)

1. 엔진헤드에 설치되는 보조챔버(10);
   상기 보조챔버(10) 내 부연소실(11)로 연료를 분사하는 인젝터(20);
   상기 인젝터(20)와 함께 보조챔버(10)에 일체로 설치되며, 저온 플라즈마를 발생시켜 자유전자가 연료 및 공기와 충돌하며 점화를 발생시키고, 점화발생시 생성되는 화염이 엔진헤드의 연소실(12) 내부에 전파되도록 하는 점화 플러그(30);로 이루어지며,
   상기 인젝터(20)는 전체 연료분사량 중 사전설정량의 연료를 분사하여, 연소실(12)과 부연소실(11) 상호간의 연료와 공기가 혼합되도록 한 후, 상기 점화 플러그(30)를 통한 점화시 잔여연료가 분사되도록 하는 2단 분사 로직이 사용되고,
   상기 사전설정량은 전체 연료분사량의 95%이며, 잔여연료량은 5%이며,
   상기 인젝터(20)는 부연소실(11)의 공연비가 전체 연소실의 공연비보다 상대적으로 높은 농후함을 가지도록 하여, 희박 조건에서 점화가 가능토록 하고,
   상기 점화 플러그(30)는 접지전극 역할을 하는 보조챔버(10)의 내주연에 대응되는 형상으로 돌출되는 유전체(31)와, 상기 유전체(31)에 내설되는 중심전극(32)로 이루어지거나, 또는 접지전극 역할을 하는 보조챔버(10)에 내설되되, 일단이 보조챔버(10)의 내주연으로 돌출되는 유전체(31)와, 상기 유전체(31)에 내설되는 중심전극(32)으로 이루어지며,
   잔여연료가 분사되는두번째 분사의 경우, 부연소실(11)의 공연비가 전체 연소실의 공연비보다 농후토록 조성토록 하기 위한 것으로, 첫번째 분사를 통해 연소실 전체의 공연비가 동일한 상태에서, 남아있는 잔여 연료를 분사하게 되면, 인젝터(20)에 의해 연료가 분사되는 부분이 부연소실(11)이기 때문에 부연소실(11)의 공연비가 엔진의 연소실(12) 공연비보다 농후하게 되어, 더 용이한 점화가 가능해져, 이론 공연비보다 연료가 부족한 희박조건 또는 과도한 EGR을 적용한 경우의 가연 혼합기 점화에도 사용이 가능하며,
   상기 중심전극(32)의 외주연을 감싸는 유전체(31)는 세라믹이 사용되며, 보조챔버(10)는 도전체 종류의 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 일체형 인젝터와 점화 플러그의 일체형 어셈블리.
   
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