KR101439801B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

스파크 플러그(10)는 중앙 전극(12) 및 복수의 주변 전극(14)들을 포함한다. 각각의 주변 전극(14)은 하부(25)와 상부(26)를 구비한다. 각각의 상부(26)는 최말단점(28)을 가진다. 각각의 최말단점(28)은 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(20)이 완전히 배치되는 중앙면(30) 내에 배치된다. 중앙면(30)을 따라 얻어지는 각각의 상부(26)의 횡단면은 볼록한 외면(32)과 볼록하지 않은 내면(34)을 한정한다. 각각의 볼록한 외면(33)은 복수의 접평면(38)들과 접하는 곡면(36)을 가지고, 이들 모두는 중앙 전극(12)의 말단점의 말단(22)에 있거나 그 위에 있는 점들에서 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(30)과 교차한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 전반적으로 내연기관용 스파크 플러그에 관한 것이다.

내연기관용 스파크 플러그는 100년 전부터 알려져 있다. 스파크 플러그의 설계가 그 시간 동안 현저히 개선되었지만, 엔진 성능을 추가로 증진하고, 바라건대 연료 소비율을 저감하는 스파크 플러그에 대한 지속적인 필요성이 존재한다.

엔진 성능의 작은 증가 및/또는 엔진 연료 소비의 작은 감소조차 승패를 가를 수 있는 레이싱 업계에서, 엔진 성능을 개선하는 스파크 플러그에 대한 필요성이 특히 절실하다.

본 발명은 이러한 필요성을 충족시킨다. 즉, 본 발명은 종래 기술에서 충족시키지 못하는 필요성을 충족하는 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 (a) 기단부와 말단부를 구비한 중앙 전극으로서, 말단부는 종축을 가진 원형 횡단면을 가지며 말단에서 끝나는 중앙 전극; 및 (b) 각각 하부와 상부를 구비하며, 형상과 치수가 실질적으로 동일한 복수의 주변 전극들로서, 각각의 상부는 최말단점을 가지며, 각각의 최말단점은 중앙 전극의 말단부의 종축이 완전히 배치되는 중앙면 내에 배치되고, 중앙면을 따라 얻어지는 각각의 상부의 횡단면은 볼록한 외면과 볼록하지 않은 내면을 한정하며, 각각의 볼록한 외면은 복수의 접평면들과 접하는 곡면을 가지고, 모든 접평면들은 중앙 전극의 말단부의 말단 자체에 있거나 말단에서 떨어져 위에 있는 점에서 중앙 전극의 말단부의 종축과 교차하는 복수의 주변 전극들을 포함하는 스파크 플러그이다.

본 발명의 이러한 및 다른 특징들, 양상들, 및 이점들은 후술하는 설명, 첨부된 청구범위, 및 첨부 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 특징들을 가진 스파크 플러그의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스파크 플러그의 일 단의 평면도이다.
도 3a는 3-3 라인을 따른 도 2에 도시된 스파크 플러그의 횡단면도이다.
도 3b는 3-3 라인을 따른 도 2에 도시된 스파크 플러그의 대안적인 횡단면도이다.
도 4a는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제1 하부의 개략도이다.
도 4b는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제2 하부의 개략도이다.
도 4c는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제3 하부의 개략도이다.
도 4d는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제4 하부의 개략도이다.
도 4e는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제5 하부의 개략도이다.
도 4f는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제6 하부의 개략도이다.
도 4g는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제7 하부의 개략도이다.
도 4h는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제8 하부의 개략도이다.
도 4i는 도 4h에 도시된 주변 전극의 하부의 측면도이다.
도 4j는 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제9 하부의 개략도이다.
도 4k는 도 4j에 도시된 주변 전극의 하부의 측면도이다.
도 4l은 본 발명에 사용 가능한 주변 전극의 제10 하부의 개략도이다.
도 4m은 도 4l에 도시된 주변 전극의 하부의 측면도이다.
도 4n은 도 4l에 도시된 주변 전극의 하부의 대안적인 측면도이다.

후술하는 논의는 본 발명의 일 실시예 및 상기 실시예의 여러 변형례들을 상세히 설명한다. 그러나, 이러한 논의는 본 발명을 이러한 특정한 실시예들에 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 당해 기술분야의 숙련자들은 또한 다수의 다른 실시예들을 인식할 것이다.

본원에 사용되는 바와 같이, 문맥상 달리 요구되는 경우를 제외하고, “포함(comprise)”이라는 용어와, “포함하는”, “포함한다”, “포함된”과 같은 이 용어의 변형들은 다른 첨가물들, 구성요소들, 정수들, 또는 단계들을 배제하도록 의도된 것이 아니다. 그러므로, 본 명세서 전체에 걸쳐, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, “포함한다”, “포함하는” 등의 단어들은 배타적 의미가 아닌 포괄적 의미로, 다시 말하면 “포함하지만 제한되지 않은”의 의미로 해석되어야 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 개시에 명시된 모든 치수들은 오직 예를 위한 것으로, 제한을 의도한 것이 아니다. 게다가, 이들 도면에 도시된 비율들은 반드시 일정한 비율일 필요는 없다. 이러한 개시를 참조하여 당해 기술분야의 숙련자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 본 개시에 기재된 임의의 장치 또는 장치의 일부의 실제 치수들은 목표한 용도에 의해 결정될 것이다.

본 발명은 우수한 성능을 제공할 수 있는 내연기관용 스파크 플러그(10)이다. 스파크 플러그(10)는 중앙 전극(12) 및 복수의 주변 전극(14)들을 포함한다. 본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.

중앙 전극(12)은 기단부(16)와 말단부(18)를 구비한다. 말단부(18)는 종축(20)을 가진 원형 횡단면을 가진다. 말단부(18)는 말단(22)에서 끝난다. 일 실시예에서, 중앙 전극(12)의 말단(22)은 적절한 무딘 형상을 위해 돔 형상으로 이루어진다. 제조의 용이함을 위해, 중앙 전극(12)은 통상적인 스파크 플러그에서와 같이 원통형이다.

바람직한 실시예에서, 말단부(18)의 직경은 약 0.125인치 내지 약 0.265인치이다. 말단부(18)의 이러한 직경은 통상적인 스파크 플러그에서보다 약 두세배 더 크다. 중앙 전극(12)은 몇 가지 이유로 확대된다. 첫 번째 목적은 스파크 안정화를 위한 것이다. 확대된 전극은 더 많은 에너지를 저장하여, 스파크 이벤트 시에 더 많은 양의 전기를 방출한다. 두 번째 목적은 레이싱 엔진에서와 같이, 극도의 연소 압력 하에서도 중단되지 않을 연속적인 급속 이온 이동을 점화 사이클 동안 야기하는 것이다.

복수의 주변 전극(14)들이 중앙 전극(12)의 주위에서 서로로부터 등거리로 배치되어, 중앙 전극(12)이 중심에 배치된 원을 한정한다. 주변 전극(14)들은 통상적으로 나사산 베이스 실린더(24)와 일체형으로 이루어진다. 도면에 도시된 실시예에서, 복수의 주변 전극(14)들은 8개의 주변 전극(14)들을 구성한다. 어떤 경우이든, 주변 전극(14)들의 개수가 약 3 내지 약 12라는 것이 중요하다. 주변 전극(14)들의 개수가 3보다 작거나 12보다 크면, 내연기관의 성능이 현저히 감소한다.

각각의 주변 전극(14)은 형상과 치수가 실질적으로 동일하다. 각각의 주변 전극(14)은 하부(25)와 상부(26)를 구비한다. 상부(26)는 최말단점(28)을 가진다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 주변 전극(14)의 최말단점(28)은 비교적 날카로울 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 각각의 주변 전극(14)의 최말단점(28)은 더 둥글거나 편평할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 최말단점(28)은 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(20)이 완전히 배치되는 중앙면(30) 내에 배치된다. 중앙면(30)을 따라 얻어진, 각각의 주변 전극(14)의 각각의 상부(26)의 횡단면은 볼록한 외면(32)과 볼록하지 않은 내면(34)을 한정한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 볼록한 외면(32)은 복수의 접평면(38)들과 접하는 곡면(36)을 가지고, 모든 접평면(38)들은 중앙 전극(12)의 말단점의 말단(22)에 있거나 그 위에 있는 점들에서 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(20)과 교차한다. 통상적인 실시예에서, 볼록한 외면(32)의 곡면(36)은 바람직하게는 불연속 부분 없이 매끄럽다.

도 3b는 내면(34)이 최말단점(28) 인근에서 작고 편평한 영역(37)을 한정한다는 점을 제외하면, 도 3a에 도시된 바와 동일한 대안적인 횡단면도를 도시한다.

전술한 설계에 의해, 복수의 주변 전극(14)들은 루프를 형성하도록 구부러진 포크와 유사하며, 포크 갈래들이 중앙 전극(12)을 가리키도록 내부를 향해 호를 이루고 있다.

도 3에서도 도시된 바와 같이, 주변 전극(14)들은 베이클라이트층(40) 또는 다른 적절한 절연체에 의해 중앙 전극(12)으로부터 전기적으로 절연된다.

도 4a 내지 도 4m에 도시된 바와 같이, 주변 전극(14)들은 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 도 4a는 대략 정사각형의 횡단면을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)의 횡단면 형상을 도시한다. 도 4b는 대략 직사각형의 횡단면을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다. 도 4c는 대략 타원형 형상을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다. 도 4d는 대략 원형 형상을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다. 도 4e는 둥근 모서리들을 가진 대략 정사각형 형상을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다. 도 4f는 둥근 모서리들을 가진 대략 직사각형의 횡단면을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다. 도 4g는 대략 삼각형의 횡단면을 가진 주변 전극(14)의 하부(25)를 도시한다.

도 4h 및 도 4i는 편심 원뿔 형상을 가진 주변 전극(14)의 상부(26)를 도시한다. 마찬가지로, 도 4j 및 도 4k는 대안적인 편심 원뿔 형상을 가진 주변 전극(14)의 상부(26)를 도시한다.

도 4l 및 도 4m은 대략 편평한 내면(34)과 외면(32)을 가진 주변 전극(14)의 상부(26)를 도시하는데, 중앙면(30)을 따라 얻어진 횡단면에 있어서, 내면(34)은 대략 편평한 면을 가지며, 외면(32)은 원호 형상의 면을 가진다.

도 4n은 도 4l에 도시된 주변 전극(14)의 대안적인 상부(26)의 횡단면을 도시하는데, 여기서 내면(34)은 약간 오목하다.

통상적으로, 각각의 주변 전극(14)의 최말단점(28)은 약 0.04인치 내지 약 0.095인치, 가장 일반적으로는 약 0.05인치 내지 약 0.07인치의 거리만큼 중앙 전극(12)으로부터 이격되어 있다.

본 발명의 스파크 플러그(10)의 전술한 고유의 설계에 의해, 스파크 플러그(10)는 연소실에서 유입 공기/연료와 혼합되는 급속 이온 이동을 야기하기 위해 점화 소스로부터의 초과 에너지를 활용함으로써, 마력과 토크의 증가를 포함하는 개선된 엔진 성능을 제공할 수 있다. 송풍된 음이온들(a blast of negative ions)은 점화 바로 전에, 스파크 이벤트 동안, 그리고 연소 동안 연소실에서 공기 연료 내로 혼합된다. 이러한 송풍된 이온들은, 더 많은 포텐셜 에너지를 방출하고 실제 연소 이벤트를 늦춤으로써, 연료의 연소 특성을 변화시킨다. 이러한 현상은 연료의 옥탄 레벨을 높이는 것과 유사하다. 연소 이벤트 동안, 이온들은 선단부들을 냉각시킨다. 이러한 이벤트는 종종 중앙 전극 주위에 급속 원형 유동을 초래한다.

이러한 현상은 본 발명의 스파크 플러그가 다수의 특정한 열범위들 중 하나의 열범위를 위해 설계될 필요가 없다는 추가적인 이점이 있다. 대부분의 응용들을 위해, 오직 하나의 열범위가 요구된다. 대조적으로, 종래의 스파크 플러그로는, 상이한 열범위마다 하나씩, 20개나 되는 상이한 설계가 요구된다.

본 발명의 주변 전극들의 설계에 의해, 음이온들은 코일로부터 흐르는 전하로부터 분리된다. 이온들은 음극들의 주변을 따라 진행되는데, 말단부에서 끝나는 주변 전극들의 곡선들을 따라 모멘텀을 생성하고, 이후 스파크 플라즈마가 진행되도록 중앙 전극을 향해 통로를 형성한다. 피스톤이 압축/연소 행정의 상사점에 접근함에 따라, 연소실은 굉장히 가압된다. 이러한 분위기에서, 스파크 플라즈마는 증폭 및 분할되어, 복수의 스파크들이 다양한 접지 전극들로부터 방출된다. 3개나 되는 상이한 고에너지(highly-energized) 스파크 핵들이 고압 시험 동안 관찰되었다.

급속 이온 이동은 중앙 전극에 부딪치고, 공기/연료 전하 내로 분사되어, 스파크 이벤트 전에, 스파크 이벤트 동안, 그리고 스파크 이벤트 직후에 상기 전하를 상당히 이온화시키고, 그에 따라 코일에 의해 제공된 전하를 완전히 활용한다.

본 발명의 사용 시에 일어나는 다른 현상은 이동하는 이온들이 중앙 전극 아래에, 그리고 베이스 쉘의 내벽과 절연체 사이의 공동에 압력 실드를 생성한다는 것이다. 이러한 압력 실드는 부분적으로 연소된 연료와 오일로부터의 탄소가 베이스 쉘의 내벽과 절연체를 오염시키지 않게 하여, 스파크의 포텐셜 쇼트를 방지한다.

점화 후에, 급속 이온 이동은 불꽃 전면을 냉각시켜서 연소 이벤트를 늦춘다. 이러한 급속 이온 이동 과정은 하강하는 피스톤 상부의 압력의 지속시간을 증가시킨다. 이러한 급속 이온 이동 연소 과정은 더 완전한 연소를 보장하여, 연소되지 않은 탄화수소의 비율을 낮춘다.

방출에 관한 다른 유리한 이점은 급속 이온 이동의 냉각 양상이 NOx의 상승을 방지한다는 것이다. 이는 더 많은 탄화수소를 연소하기 위해 더 높은 열범위를 사용해야 하는 (그리고 이러한 더 높은 열이 더 많은 NOx를 필연적으로 생성하는) 종래의 스파크 플러그와 대조적이다.

최종적으로, 본 발명의 설계는 또한, 극도의 연소 압력 하에서 큰 스파크 갭들을 뛰어 넘어 불점화(misfire)를 현저히 감소시킬 수 있는 매우 강하고 안정된 스파크를 생성한다.

[실시예들]

고성능 V-8 시험 엔진을 활용하여 다이노미터 차트(Dynometer chart)들을 재생성한다. 이러한 시험들은 독립적인 설비에 의해 수행되었다. 스파크 플러그들의 변화 외에는, 엔진에 어떠한 변화 또는 변경도 없었다.

이러한 차트들은 종래 기술의 통상적인 레이싱 스파크 플러그와 비교하여, 본 발명의 스파크 플러그에 의해 증가된 마력과 토크를 보여준다.

본 실시예에서, 시험용 엔진은 38도의 타이밍과 850cfm Holly 기화기를 구비한 420입방인치 Ford FE 엔진이었다. 스톡 스파크 플러그는 0.040인치의 갭으로 설정된 Autolite 3924 스톡 플러그였다. 본 발명의 스파크 플러그는 0.058인치의 갭을 가진, 도 1에 도시된 바와 같이 수정된 Autolite 3924 스톡 플러그였다.

시험용 엔진은 38도의 타이밍과 850cfm Holly 기화기를 구비한 812입방인치 Ford 엔진이었다. 스톡 스파크 플러그는 0.45인치의 갭으로 설정된 Autolite 3924 스톡 플러그였다. 본 발명의 스파크 플러그는 0.062인치의 갭을 가진, 도 1에 도시된 바와 같이 수정된 Autolite 3924 스톡 플러그였다. 실시예 2에서는, 본 발명의 스파크 플러그로 2가지 시험을 수행하였다.

본 발명을 설명하였지만, 전술한 바와 같이 그리고 청구범위에 의해 후술하는 바와 같이, 본 발명의 범주 및 공정한 의미를 벗어남 없이, 많은 구조적 수정들과 개조들에 의존할 수 있음은 물론이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2009년 5월 4일에 “내연 기관용 이온건 스파크 플러그(ION GUN SPARK PLUG FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES)”라는 명칭으로 출원된 가출원 일련번호 제61/215,329호의 이점을 주장하며, 2010년 2001년 5월 3일에 “스파크 플러그(SPARK PLUG)”라는 명칭으로 출원된 미국 특허출원 제12/772,680호로부터 우선권을 주장하고, 이들 내용 전체가 이에 참조로서 포함된다.

Claims (15)

1. 중앙전극(12)과 복수의 주변 전극(14)을 포함하는 스파크 플러그로서,
   (a) 상기 중앙전극(12)은 기단부(16)와 말단부(18)를 가지고, 상기 말단부는 종축을 가진 원형 횡단면을 가지고 말단(22)에서 끝나며;
   (b) 상기 복수의 주변 전극(14) 각각은 하부(25)와 상부(26)를 가지며, 형상과 치수가 동일하고, 각각의 상부(26)는 최말단점(28)을 가지며, 각각의 최말단점(28)은 상기 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(20)이 완전히 배치되는 중앙면(30) 내에 배치되고, 상기 중앙면을 따라 얻어지는 각각의 상부(26)의 횡단면은 볼록한 외면과 볼록하지 않은 내면을 형성하며, 각각의 볼록한 외면은 복수의 접평면(38)들과 접하는 곡면(36)을 가지는; 스파크 플러그에 있어서,
   상기 접평면(38)들 모두가 상기 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 말단(22) 자체에 위치하는 점(point) 또는 말단(22)에서 떨어져 위에 위치하는 점(point)에서 상기 중앙 전극(12)의 말단부(18)의 종축(20)과 교차하고, 각 주변 전극(14)의 내면(34)이 각 최말단점(28) 부근에서 편평한 영역(37)을 형성하도록, 각 주변 전극(14)의 상기 상부(26)에서 상기 볼록한 외면의 곡면(36) 형상이 형성되는, 스파크 플러그.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 전극(12)의 말단부(18)는 0.125인치 내지 0.265인치의 직경을 가진, 스파크 플러그.
3. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 전극(12)은 돔 형상의 말단(22)을 가진, 스파크 플러그.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 주변 전극(14)들의 개수는 3개 내지 12개의 주변 전극들인, 스파크 플러그.
5. 제1항에 있어서,
   각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 정사각형 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
6. 제1항에 있어서,
   각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 직사각형 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
7. 제1항에 있어서,
   각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 타원형의 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
8. 제1항에 있어서,
   각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 원형 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
9. 제1항에 있어서,
   각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 둥근 모서리들을 가진 정사각형의 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
10. 제1항에 있어서,
    각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 둥근 모서리들을 가진 직사각형의 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
11. 제1항에 있어서,
    각각의 주변 전극(14)의 하부(25)는 둥근 모서리들을 가진 삼각형의 횡단면을 가진, 스파크 플러그.
12. 제1항에 있어서,
    각각의 주변 전극(14)의 상부(26)는 편심 원뿔 형상을 가진, 스파크 플러그.
13. 제1항에 있어서,
    상기 볼록한 외면(32)은 매끄러운, 스파크 플러그.
14. 제13항에 있어서,
    상기 볼록한 외면(32)은 원호를 형성하는, 스파크 플러그.
15. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 전극(12)은 절연체(40)로 둘러싸이고, 상기 중앙 전극(12)의 말단(22)은 상기 절연체(40)의 최말단의 종단면폭과 필수적으로 같은 종단면폭을 가지는, 스파크 플러그.

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