KR101470779B1 - 플라즈마 점화장치 및 플라즈마 점화방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 점화장치(20)는 스파크 플러그(100), 직류전원(210), 교류전원(220) 및 결합부(300)를 구비하며, 결합부(300)는 스파크 플러그(100)에 대해서 교류전원(220)을 전기적으로 접속하는 콘덴서(320)를 포함하고, 스파크 플러그(100)에 교류전력의 전송을 실시하는 제 1 점화모드보다도 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드에 있어서 콘덴서(320)의 정전용량을 감소시킨다.

Description

플라즈마 점화장치 및 플라즈마 점화방법{PLASMA IGNITION DEVICE AND PLASMA IGNITION METHOD}
본 발명은 스파크 플러그(점화 플러그)의 전극 사이에 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시킴으로써 점화하는 플라즈마 점화장치에 관한 것이다.
종래에 있어서, 플라즈마 점화장치로서는 불꽃방전을 발생시키는 직류전력을 생성하는 직류전원과, 교류 플라즈마를 발생시키는 교류전력을 생성하는 교류전원을 구비하고, 이들 직류전원 및 교류전원을 상호 결합하여서 스파크 플러그에 전송하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1,2 참조). 이와 같은 플라즈마 점화장치에서는 교류전원측으로의 직류전력의 유입을 억제하기 위하여, 교류전원은 직류전원 및 스파크 플러그에 대해 콘덴서를 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 소51-77719호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2009-36198호 공보
그러나 교류전원측으로의 직류전력을 차단하는 콘덴서는 불꽃방전을 발생시킬 때에 전하를 축적하고 방전 초기의 돌입전류를 증가시키기 때문에 불꽃방전에 의한 전극 소모를 촉진시키는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 과제를 감안하여, 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그의 수명을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현할 수 있다.
《적용예 1》
적용예 1의 플라즈마 점화장치는 스파크 플러그와; 상기 스파크 플러그의 전극간에 불꽃방전을 발생시키는 직류전력을 생성하는 직류전원과; 상기 불꽃방전을 발생시킨 상기 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키는 교류전력을 생성하는 교류전원과; 상기 직류전력 및 상기 교류전력을 상호 결합하여서 상기 스파크 플러그에 전송하는 결합부로써, 상기 직류전원 및 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전원을 전기적으로 접속하는 콘덴서를 포함하는 결합부;를 구비하는 플라즈마 점화장치로서,
상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 실시하는 제 1 점화모드와, 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드를 전환하며 상기 직류전원 및 상기 교류전원을 제어하는 전원 제어부와; 상기 제 2 점화모드인 경우, 상기 제 1 점화모드보다도 상기 콘덴서의 정전용량을 감소시키는 정전용량 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
적용예 1의 플라즈마 점화장치에 의하면, 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드에 있어서 방전 초기의 돌입전류가 제 1 점화모드보다도 저하되므로 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그의 수명을 향상시킬 수 있다.
《적용예 2》
적용예 1의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 제 2 점화모드에 있어서의 상기 콘덴서의 정전용량은 35㎊(피코 패럿) 이하여도 좋다.
적용예 2의 플라즈마 점화장치에 의하면, 불꽃방전에 의한 전극 소모를 더욱 억제할 수 있다.
《적용예 3》
적용예 1 또는 적용예 2의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 교류전원의 주파수(f)는 50㎑≤f≤100㎒를 만족하고, 상기 제 1 점화모드에 있어서의 상기 콘덴서의 정전용량은 0.0005{F·㎐(패럿·헤르츠)}/f 이상으로 하여도 좋다.
적용예 3의 플라즈마 점화장치에 의하면 제 1 점화모드에 있어서 교류전력의 전송효율을 충분히 확보할 수 있다.
《적용예 4》
적용예 1 내지 적용예 3 중 어느 하나의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 콘덴서는 정전용량을 증감시키는 것이 가능한 가변용량 콘덴서로서, 상기 콘덴서는 상기 교류전원과 전기적으로 접속된 제 1 전극과; 상기 스파크 플러그와 전기적으로 접속된 제 2 전극과; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과의 사이에 형성된 유전체와; 상기 정전용량 제어부에서의 제어신호에 의거하여, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 일방을 이동시키는 전자기 액츄에이터;를 포함하여도 좋다.
적용예 4의 플라즈마 점화장치에 의하면, 제 1 점화모드와 제 2 점화모드의 전환에 따라 콘덴서에 있어서의 정전용량의 증감을 충분히 추종할 수 있다.
《적용예 5》
적용예 4의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과, 상기 유전체가 상호에 대향하는 대향면의 각각은 평면이어도 좋다.
적용예 5의 플라즈마 점화장치에 의하면, 콘덴서의 소형화를 도모할 수 있다.
《적용예 6》
적용예 4의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 제 1 전극은 원기둥 형상이며, 상기 유전체는 상기 제 1 전극의 외주를 포위하는 원통 형상이며, 상기 제 2 전극은 상기 유전체의 외주를 포위하는 원통 형상으로 하여도 좋다.
적용예 6의 플라즈마 점화장치에 의하면, 내연기관에 있어서 스파크 플러그를 수용하는 플러그 홀에 맞춘 원기둥 형상으로 콘덴서를 구성함으로써 플러그 홀에 대해 콘덴서를 용이하게 장착할 수 있다.
《적용예 7》
적용예 4의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 제 2 전극은 원기둥 형상이며, 상기 유전체는 상기 제 2 전극의 외주를 포위하는 원통 형상이며, 상기 제 1 전극은 상기 유전체의 외주를 포위하는 원통 형상으로 하여도 좋다.
적용예 7의 플라즈마 점화장치에 의하면, 내연기관에 있어서 스파크 플러그를 수용하는 플러그 홀에 맞춘 원기둥 형상으로 콘덴서를 구성함으로써 플러그 홀에 대해 콘덴서를 용이하게 장착할 수 있다.
《적용예 8》
적용예 4 내지 적용예 7 중 어느 하나의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 전자기 액추에이터에 의해 이동하는 전극은 상기 제 1 점화모드인 경우, 상기 유전체에 근접하고, 상기 제 2 점화모드인 경우, 상기 유전체와의 사이에 공극을 형성하여도 좋다.
적용예 8의 플라즈마 점화장치에 의하면, 제 1 전극과 제 2 전극과의 사이의 전극간 거리에 대한 정전용량 변화량을 증가시킬 수 있다.
《적용예 9》
적용예 4 내지 적용예 8 중 어느 하나의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 일방과 상기 유전체와의 사이의 공극에 절연유를 채워도 좋다.
적용예 9 플라즈마 점화장치에 의하면, 콘덴서의 내전압을 향상시킬 수 있다.
《적용예 10》
적용예 4 내지 적용예 9 중 어느 하나의 플라즈마 점화장치에 있어서, 상기 콘덴서를 절연재료로 밀봉하여도 좋다.
적용예 10의 플라즈마 점화장치에 의하면, 콘덴서의 내전압을 향상시킬 수 있다.
《적용예 11》
적용예 11의 플라즈마 점화방법은 직류전원에서 생성된 직류전력에 의해 스파크 플러그의 전극간에 불꽃방전을 발생시킴과 아울러, 교류전원에서 생성된 교류전원에 의해 상기 불꽃방전을 발생시킨 상기 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 점화방법로서,
상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 실시하는 제 1 점화모드와 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드를 전환하고, 상기 직류전원 및 상기 교류전원을 제어하고, 상기 제 2 점화모드인 경우 상기 직류전원 및 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전원을 전기적으로 접속하는 콘덴서의 정전용량을 상기 제 1 점화모드보다도 감소시키는 것을 특징으로 한다.
적용예 11의 플라즈마 점화방법에 의하면, 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드에 있어서, 방전 초기의 돌입전류가 제 1 점화모드보다도 저하되므로 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 형태는 플라즈마 점화장치 및 플라즈마 점화방법의 형태에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 플라즈마 점화장치를 구비하는 내연기관, 플라즈마 점화장치를 제어하는 기능을 컴퓨터에 실현시키기 위한 프로그램 등의 다양한 형태에 적용하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명은 상기한 형태에 아무런 한정도 되지 않으며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 다양한 형태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
도 1은 플라즈마 점화장치를 나타내는 설명도이다.
도 2는 정전용량 제어부가 실시하는 정전용량 제어처리를 나타내는 플로우 차트다.
도 3은 실시예에 있어서의 콘덴서의 상세구성을 나타내는 설명도이다.
도 4는 콘덴서의 정전용량과 스파크 플러그의 수명과의 관계를 조사한 평가시험의 결과를 나타내는 설명도이다.
도 5는 변형예 1에 있어서의 콘덴서의 상세구성을 나타내는 설명도이다.
도 6은 변형예 2에 있어서의 콘덴서의 상세구성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 변형예 2에 있어서의 콘덴서의 상세구성을 나타내는 설명도이다.
도 8은 변형예 3에 있어서의 콘덴서의 상세구성을 나타내는 설명도이다.
이상에서 설명한 본 발명의 구성 및 작용을 한층 명확하게 하기 위하여, 이하에 본 발명을 적용한 플라즈마 점화장치에 대해 설명한다.
A. 실시예 :
도 1은 플라즈마 점화장치(20)를 나타내는 설명도이다. 플라즈마 점화장치(20)는 스파크 플러그(100), 직류전원(210), 교류전원(220), 결합부(300) 및 점화 제어부(500)를 구비한다.
플라즈마 점화장치(20)의 스파크 플러그(100)는 중심전극(110) 및 접지전극(120)을 구비하며, 내연기관(도시하지 않음)에 장착된다. 스파크 플러그(100)의 중심전극(110)은 결합부(300)를 통해 직류전원(210) 및 교류전원(220)에 전기적으로 접속되어 있다. 스파크 플러그(100)의 접지전극(120)은 전기적으로 접지되어 있다.
플라즈마 점화장치(20)는 스파크 플러그(100)에 있어서의 중심전극(110)과 접지전극(120)과의 전극간에 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시킴으로써 혼합기에 점화한다. 본 실시예에서는 플라즈마 점화장치(20)는 내연기관의 운전을 제어하는 운전 제어부(10)에 전기적으로 접속되며, 운전 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 의거하여, 내연기관의 운전 상태에 따른 점화제어를 실현한다. 본 실시예에서는 플라즈마 점화장치(20)는 비교적 높은 착화 에너지가 필요한 운전 상태에서는 불꽃방전을 발생시킨 후 교류 플라즈마를 발생시키는 제 1 점화모드에 의한 점화제어를 실현하고, 비교적 낮은 착화 에너지로 충분한 운전 상태에서는 교류 플라즈마를 발생시키지 않고 불꽃방전만을 발생시키는 제 2 점화모드에 의한 점화제어를 실현한다.
플라즈마 점화장치(20)의 직류전원(210)은 스파크 플러그(100)의 전극간에 불꽃방전을 발생시키는 직류전력을 생성한다. 본 실시예에서는 직류전원(210)에 의해 생성된 직류전력은 수만 볼트의 고전압 펄스이다. 직류전원(210)에 의해 생성된 직류전력은 엄밀한 직류전력에 한하는 것이 아니라, 교류전원(220)에 의해 생성되는 교류전력과 비교하여 주파수가 100분의 1 이하의 저주파 전력이면 좋고, 본 실시예에서는 직류전원(210)은 점화 코일(이그니션 코일)를 이용한 전원이다.
플라즈마 점화장치(20)의 교류전원(220)은 불꽃방전을 발생시킨 스파크 플러그(100)의 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키는 교류전력을 생성한다. 본 실시예에서는 교류전원(220)에 의해 생성되는 교류전력의 주파수(f)는 교류 플라즈마를 발생시키기 위해 “50㎑(킬로헤르츠)≤f≤100㎒(메가헤르츠)”를 만족하는 것이 바람직하다.
플라즈마 점화장치(20)의 결합부(300)는 직류전원(210)에서 생성된 직류전력과 교류전원(220)에서 생성된 교류전력을 상호 결합하여서 스파크 플러그(100)로 전송한다. 결합부(300)는 인덕터(코일)(310) 및 콘덴서(320)를 구비한다.
결합부(300)의 인덕터(310)는 스파크 플러그(100)의 중심전극(110) 및 교류전원(220)에 대해서 직류전원(210)을 전기적으로 접속하고, 교류전원(220)에서 생성된 교류전력의 직류전원(210)측으로의 유입을 억제한다.
결합부(300)의 콘덴서(320)는 스파크 플러그(100)의 중심전극(110) 및 직류전원(210)에 대해서 교류전원(220)을 전기적으로 접속하고, 직류전원(210)에서 생성된 직류전력의 교류전원(220)측으로의 유입을 억제한다. 콘덴서(320)는 정전(靜電)용량을 증감시키는 것이 가능한 가변용량 콘덴서이다. 콘덴서(320)의 상세구성에 대해서는 후술한다.
플라즈마 점화장치(20)의 점화 제어부(500)는 운전 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 의거하여, 내연기관의 운전상태에 따른 점화제어를 실행한다. 점화 제어부(500)는 전원 제어부(510) 및 정전(靜電)용량 제어부(520)를 구비한다. 본 실시예에서는 점화 제어부(500)에 있어서의 전원 제어부(510) 및 정전용량 제어부(520)의 각 기능은 점화 제어부(500)의 CPU(Central Processing Unit)가 프로그램에 의거하여 작동함으로써 실현되지만, 다른 실시형태에 있어서 점화 제어부(500)의 적어도 일부의 기능은 점화 제어부(500)의 물리적인 회로 구성에 의거하여 실현되어도 좋다.
점화 제어부(500)의 전원 제어부(510)는 운전 제어부(10)에서 출력되는 제어신호에 의거하여, 제 1 점화모드와 제 2 점화모드와의 사이에서 점화모드를 전환하여서 직류전원(210) 및 교류전원(220)을 제어한다. 제 1 점화모드에서 전원 제어부(510)는 스파크 플러그(100)의 전극간에 불꽃방전을 발생시킨 후에 교류 플라즈마를 발생시키기 위하여 직류전원(210)에 대해서 직류전력의 생성을 지시함과 아울러, 교류전원(220)에 대해서 교류전력의 생성을 지시한다. 제 2 점화모드에서 전원 제어부(510)는 스파크 플러그(100)의 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키지 않고 불꽃방전만을 발생시키기 위하여 직류전원(210)에 대해서 직류전력의 생성을 지시하고 교류전원(220)에 대해서 교류전력의 생성을 정지시킨다.
점화 제어부(500)의 정전용량 제어부(520)는 전원 제어부(510)에 의한 점화모드의 전환에 따라 결합부(300)의 콘덴서(320)의 정전용량을 증감한다. 제 2 점화모드인 경우, 정전용량 제어부(520)는 제 1 점화모드보다도 콘덴서(320)의 정전용량을 감소시킨다. 환언하면, 제 1 점화모드인 경우, 정전용량 제어부(520)는 제 2 점화모드보다도 콘덴서(320)의 정전용량을 증가시킨다.
도 2는 정전용량 제어부(520)가 실시하는 정전용량 제어처리(스텝 S100)를 나타내는 플로우 차트다. 정전용량 제어처리(스텝 S100)는 전원 제어부(510)에 의한 점화모드의 전환에 따라 결합부(300)에 있어서의 콘덴서(320)의 정전용량을 증감하는 처리이다. 본 실시예에서는 정전용량 제어부(520)는 점화모드의 전환에 따라 정전용량 제어처리(스텝 S100)를 실행하지만, 다른 실시예에 있어서 정전용량 제어처리(스텝 S100)를 정기적으로 실행하여도 좋다.
정전용량 제어부(520)는 정전용량 제어처리(스텝 S100)를 개시하면 전원 제어부(510)의 작동 상태에 의거하여 점화모드를 판단한다(스텝 S110). 정전용량 제어부(520)는 점화모드가 제 1 점화모드인 경우(스텝 S110:”제 1 점화모드”) 콘덴서(320)의 정전용량을 “C1”으로 설정하고(스텝 S120), 점화모드가 제 2 점화모드인 경우(스텝 S110:”제 2 점화모드”) 콘덴서(320)의 정전용량을 “C2”로 설정한다(스텝 S130). 정전용량(C1)과 정전용량(C2)의 관계는 “C1>C2”를 만족시킨다.
제 1 점화모드에 있어서의 콘덴서(320)의 정전용량(C1)은 직류전원(210)으로의 교류전력의 유입을 억제하기 위하여, 교류전원(220)에 의해 생성되는 교류전력의 주파수(f)와의 관계에서 “C1≥0.0005(F·㎐)/f”를 만족하는 것이 바람직하다. 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(320)의 정전용량(C2)은 스파크 플러그(100)에 있어서의 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제하기 위하여 35㎊ 이하인 것이 바람직하다. 정전용량(C2)의 평가치에 대한 자세한 내용은 후술한다.
도 3은 실시예에 있어서의 콘덴서(320)의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 도 3의 상단인 도 3(a)에는 제 1 점화모드에 있어서의 콘덴서(320) 단면형상을 도시하고, 도 3의 하단인 도 3(b)에는 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(320)의 단면형상을 도시하였다.
결합부(300)의 콘덴서(320)는 제 1 전극(321), 제 2 전극(322), 유전체(323) 및 전자기 액츄에이터(330)를 구비한다. 콘덴서(320)의 제 1 전극(321)은 교류전원(220)과 전기적으로 접속되고, 콘덴서(320)의 제 2 전극(322)은 스파크 플러그(100)와 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 전극(321)과 제 2 전극(322)과의 사이에는 유전체(323)가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 제 1 전극(321) 및 제 2 전극(322)과, 유전체(323)가 상호에 대향하는 대향면의 각각은 평면이다. 이로 인해, 콘덴서(320)의 소형화를 도모할 수 있다.
콘덴서(320)의 전자기 액츄에이터(330)는 정전용량 제어부(520)에서의 제어신호에 의거하여 제 2 전극(322)을 이동시킴으로써 제 1 전극(321)과 제 2 전극(322)과의 사이의 전극간의 거리를 제 2 점화모드에 있어서 제 1 점화모드보다도 증가시킨다. 이로 인해, 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(320)의 정전용량은 제 1 점화모드보다도 감소한다. 본 실시예에서는 전자기 액츄에이터(330)는 제 2 전극(322)만을 이동시키지만, 다른 실시형태에 있어서 제 1 전극(321)만을 이동시켜도 좋고, 제 1 전극(321) 및 제 2 전극(322)의 양방을 이동시켜도 좋다.
본 실시예에서는 전자기 액츄에이터(330)는 전극홀더(331), 전자석(332), 영구자석(333) 및 스프링(334)을 구비한다. 전자기 액츄에이터(330)의 전극홀더(331)는 제 2 전극(322)을 지지한다. 전자기 액츄에이터(330)의 전자석(332)은 정전용량 제어부(520)로부터의 제어신호에 의거하여, 제 1 점화모드에서는 비통전 상태가 되어서 자력을 잃고, 제 2 점화모드에서는 통전 상태가 되어서 자력을 발생시킨다. 전자기 액츄에이터(330)의 영구자석(333)은 전자석(332)에 대향하는 전극홀더(331)의 부위에 형성되어있다. 전자기 액츄에이터(330)의 스프링(334)은 전극홀더(331)와 유전체(323)와의 사이에 형성되며, 전극홀더(331)를 유전체(323)측으로 끌어당긴다.
제 1 점화모드에서는 스프링(334)의 장력에 의해 전극홀더(331)가 유전체(323)측으로 끌어당겨짐으로써 제 2 전극(322)은 유전체(323)에 근접한다. 제 2 점화모드에서는 전자석(332)과 영구자석(333)과의 사이에서 서로 끌어당기는 자력이 스프링(334)의 장력을 극복함으로써 전극홀더(331)가 유전체(323)에서 멀어짐으로써 제 2 전극(322)은 제 1 전극(321) 및 유전체(323)에서 멀어지고, 유전체(323)와의 사이에 공극을 형성한다. 제 2 전극(322)과 유전체(323)와의 사이의 공극에 의해 제 1 전극(321)과 제 2 전극(322)과의 사이의 전극간 거리에 대한 정전용량의 변화량을 증가시킬 수 있다.
B. 제 2 점화모드에 있어서의 정전용량(C2)에 관한 평가치 :
도 4는 콘덴서(320)의 정전용량(C)과 스파크 플러그(100)의 수명과의 관계를 조사한 평가시험의 결과를 나타내는 설명도이다. 도 4는 콘덴서(320)의 정전용량(C)을 대수 눈금의 가로축에 플롯하고, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)을 대수 눈금의 세로축에 플롯하여서, 콘덴서(320)의 정전용량(C)과 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)과의 관계를 도시하였다.
도 4의 평가시험에서는 정전용량(C)이 다른 콘덴서(320)를 각각 조합한 복수의 플라즈마 점화장치(20)를 준비하고, 각 플라즈마 점화장치(20)에 있어서 스파크 플러그(100)의 전극간에 불꽃방전을 발생시켜서 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)을 계측하였다. 구체적으로는 스파크 플러그(100)의 중심전극(110) 및 접지전극(120)을 0.4㎫(메가파스칼)의 분위기에 노출한 상태에서 직류전원(210)에 있어서 100㎐(헤르츠) 주기로 50mJ(밀리 줄)의 직류전력을 생성함으로써 스파크 플러그(100)의 전극간에 불꽃방전을 연속적으로 발생시켰다. 상기 상황에서 중심전극(110)과 접지전극(120)과의 사이에서 불꽃방전을 발생시키는 간극이 1.1㎜(밀리미터)에서 1.3㎜까지 확대되기까지의 시간을 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)으로서 계측하였다.
도 4에서 나타내는 바와 같이, 정전용량(C)이 10㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 850시간~950시간이며, 정전용량(C)의 증가에 따라서 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 저하하였다. 정전용량(C)이 20㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 750시간~950시간이며, 정전용량(C)이 30㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 700시간~850시간이며, 정전용량(C)이 35㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 650시간~820시간이었다. 정전용량(C)이 35㎊을 초과하면 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)이 저하하는 정도는 증가하고, 정전용량(C)이 40㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 450시간~550시간까지 저하하였다. 정전용량(C)이 100㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 75시간~100시간이 되고, 정전용량(C)이 200㎊인 경우, 스파크 플러그(100)의 수명(Lt)은 20시간~30시간이 되었다.
이상에서 설명한 도 4의 평가시험의 결과에 의하면, 콘덴서(320)의 정전용량(C)는 35㎊ 이하가 바람직하고, 30㎊ 이하가 더욱 바람직하고, 20㎊ 이하가 보다 더 바람직하고, 10㎊ 이하가 가장 바람직하다.
C.효과:
이상 설명한 플라즈마 점화장치(20)에 의하면 정전용량 제어부(520)의 정전용량 제어처리(스텝 S100)에 의해서, 스파크 플러그(100)에 대해서 교류전력을 정지하는 제 2 점화모드인 경우, 스파크 플러그(100)에 대해서 교류전력을 전송하는 제 1 점화모드보다도 콘덴서(320)의 정전용량을 감소시킴으로써 불꽃방전에 의한 전극소모를 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그(100)의 수명을 향상시킬 수 있다.
또, 전자기 액츄에이터(330)에 의해 제 1 전극(321)과 제 2 전극(322)과의 사이의 전극간 거리를 변화시킴으로써 제 1 점화모드와 제 2 점화모드와의 전환에 맞춰서 콘덴서(320)에 있어서의 정전용량의 증감을 충분히 추종할 수 있다.
D.변형예 1:
도 5는 변형예 1에 있어서의 콘덴서(340)의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 변형예 1의 플라즈마 점화장치(20)는 상기한 실시예에 있어서의 콘덴서(320)에 대신에 도 5의 콘덴서(340)를 구비하는 점을 제외하고 상기한 실시예와 동일하다. 도 5의 상단인 도 5(a)에는 제 1 점화모드에 있어서의 콘덴서(340)의 단면형상을 도시하고, 도 5의 하단인 도 5(b)에는 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(340)의 단면형상을 도시하였다.
변형예 1에 있어서의 콘덴서(340)는 제 1 전극(341), 제 2 전극(342), 유전체(343) 및 전자기 액츄에이터(350)를 구비한다. 콘덴서(340)의 제 1 전극(341)은 원기둥 형상의 도체이며, 교류전원(220)과 전기적으로 접속되어 있다. 콘덴서(340)의 유전체(343)는 원기둥 형상의 제 1 전극(341)의 외주를 포위하는 원통 형상이다. 콘덴서(340)의 제 2 전극(342)은 원통 형상의 유전체(343)의 외주를 포위하는 원통 형상을 중심축을 따라서 분할한 2개의 반원 통형상의 부재를 포함하며, 이들 부재는 스파크 플러그(100)와 각각 전기적으로 접속되어 있다.
콘덴서(340)의 전자기 액츄에이터(350)는 정전용량 제어부(520)에서의 제어신호에 의거하여, 제 2 전극(342)을 반경방향으로 이동시킴으로써 제 1 전극(341)과 제 2 전극(342)과의 사이의 전극간 거리를 제 2 점화모드에 있어서 제 1 점화모드보다도 증가시킨다. 이로 인해, 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(340)의 정전용량은 제 1 점화모드보다도 감소한다.
전자기 액츄에이터(350)는 2개의 전자석(352), 2개의 영구자석(353) 및 스프링(354)을 구비한다. 전자기 액츄에이터(350)에 있어서의 2개의 전자석(352)의 각각은 정전용량 제어부(520)에서의 제어신호에 의거하여, 제 1 점화모드에서는 비통전 상태가 되어 자력을 잃고, 제 2 점화모드에서는 통전 상태가 되어 자력을 발생시킨다. 전자기 액츄에이터(350)에 있어서의 2개의 영구자석(353)의 각각은 제 2 전극(342)의 각 부재에 있어서의 각 전자석(352)에 대향하는 부위에 형성되어 있다. 전자기 액츄에이터(350)의 스프링(354)은 제 2 전극(342)을 구성하는 2개의 부재의 사이에 형성되며, 제 2 전극(342)을 유전체(343)측으로 끌어당긴다.
제 1 점화모드에서는 스프링(354)의 장력에 의해 제 2 전극(342)의 각 부재가 유전체(343)측으로 끌어당겨짐으로써, 제 2 전극(342)은 유전체(343)에 근접한다. 제 2 점화모드에서는 전자석(352)과 영구자석(353)과의 사이에서 서로 끌어당기는 자력이 스프링(354)의 장력을 극복함으로써 제 2 전극(342)의 각 부재가 유전체(343)에서 멀어짐으로써, 제 2 전극(342)은 제 1 전극(341) 및 유전체(343)에서 멀어지고, 유전체(343)와의 사이에 공극을 형성한다. 제 2 전극(342)과 유전체(343)와의 사이의 공극에 의해, 제 1 전극(341)과 제 2 전극(342)과의 사이의 전극간 거리에 대한 정전용량의 변화량을 증가시킬 수 있다.
이상, 설명한 변형예 1의 플라즈마 점화장치(20)에 의하면, 상기한 실시예와 마찬가지로, 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제할 수 있으며, 그 결과 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그(100)의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자기 액츄에이터(350)에 의해 제 1 전극(341)과 제 2 전극(342)과의 사이의 전극간 거리를 변화시킴으로써, 제 1 점화모드와 제 2 점화모드의 전환에 맞춰서, 콘덴서(340)에 있어서의 정전용량의 증감을 충분히 추종할 수 있다.
E. 변형예 2:
도 6 및 도 7은 변형예 2에 있어서의 콘덴서(360)의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 변형예 2의 플라즈마 점화장치(20)는 상기한 실시예에 있어서의 콘덴서(320) 대신에 도 6 및 도 7의 콘덴서(360)를 구비하는 점을 제외하고 상기한 실시예와 동일하다. 도 6은 제 1 점화모드에 있어서의 콘덴서(360)의 단면형상을 도시하고, 도 7에는 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(360)의 단면형상을 도시하였다.
변형예 2에 있어서의 콘덴서(360)는 스파크 플러그(100)를 수용하는 플러그 홀(30)에 스파크 플러그(100)와 아울러 수용된다. 콘덴서(360)는 제 1 전극(361), 제 2 전극(362), 유전체(363), 송전선(364) 및 전자기 액츄에이터(370)를 구비한다.
콘덴서(360)의 제 1 전극(361)은 원기둥 형상의 도체이며, 송전선(364)을 통해 교류전원(220)과 전기적으로 접속되어 있다. 콘덴서(360)의 유전체(363)는 원기둥 형상의 제 1 전극(361)의 외주를 포위하는 원통 형상이다. 콘덴서(360)에 있어서의 제 2 전극(362)은 원통 형상 유전체(363)의 외주를 포위하는 원통 형상이며, 스파크 플러그(100) 및 직류전원(210)과 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 전극(361), 제 2 전극(362) 및 유전체(363)는 이들의 각 중심축이 스파크 플러그(100)의 축선을 따르도록 배치된다.
콘덴서(360)의 전자기 액츄에이터(370)는 정전용량 제어부(520)로부터의 제어신호에 의거하여, 제 1 전극(361)을 중심축 방향으로 이동시킴으로써 제 1 전극(361)이 유전체(363)에 근접하는 면적을, 제 2 점화모드에 있어서 제 1 점화모드보다도 감소시킨다. 이로 인해, 제 2 점화모드에 있어서의 콘덴서(360)의 정전용량은 제 1 점화모드보다도 감소한다.
전자기 액츄에이터(370)는 전극홀더(371), 전자석(372), 영구자석(373) 및 스프링(374)을 구비한다. 전자기 액츄에이터(370)의 전극홀더(371)는 제 1 전극(361)을 지지한다. 전자기 액츄에이터(370)의 전자석(372)은 정전용량 제어부(520)에서의 제어신호에 의거하여, 제 1 점화모드에서는 비통전 상태가 되어 자력을 잃고, 제 2 점화모드에서는 통전 상태가 되어 자력을 발생시킨다. 전자기 액츄에이터(370)의 영구자석(373)은 전극홀더(371)에 있어서의 전자석(372)에 대향하는 부위에 형성되어 있다. 전자기 액츄에이터(370)의 스프링(374)은 전극홀더(371)와 제 2 전극(362)과의 사이에 형성되며, 전극홀더(371)를 제 2 전극(362)측으로 끌어당긴다.
제 1 점화모드에서는 스프링(374)의 장력에 의해 전극홀더(371)가 유전체(363)측으로 끌어당겨짐으로써 제 1 전극(361)은 유전체(363)의 내측까지 삽입된다. 제 2 점화모드에서는 전자석(372)과 영구자석(373)과의 사이에서 서로 끌어당기는 자력이 스프링(374)의 장력을 극복함으로써 전극홀더(371)가 제 2 전극(362)에서 멀어짐으로써 제 1 전극(361)의 일부는 유전체(363)로부터 빠져 나간다. 제 2 점화모드에 있어서, 제 1 전극(361)에 접속되는 송전선(364)은 제 1 전극(361)의 축선 방향으로 휘며, 제 1 전극(361)의 이동을 추종한다.
이상 설명한 변형예 2의 플라즈마 점화장치(20)에 의하면, 상기한 실시예와 마찬가지로, 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제할 수 있으며, 그 결과 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그(100)의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자기 액츄에이터(370)에 의해 제 1 전극(361)이 유전체(363)에 근접하는 면적을 변화시킴으로써 제 1 점화모드와 제 2 점화모드와의 전환에 맞춰서 콘덴서(360)에 있어서의 정전용량의 증감을 충분히 추종시킬 수 있다. 또한, 플러그 홀(30)에 맞춘 원기둥 형상으로 콘덴서(360)를 구성함으로써 플러그 홀(30)에 대해서 콘덴서(360)를 용이하게 장착할 수 있다.
F. 변형예 3 :
도 8은 변형예 3에 있어서의 콘덴서(320)의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 변형예 3의 플라즈마 점화장치(20)는 콘덴서(320)의 구성이 다른 점을 제외하면 상기한 실시예와 동일하다. 변형예 3의 콘덴서(320)는 절연 몰드(325) 및 절연유(326)를 더욱 구비하는 점을 제외하면 상기한 실시예와 동일하다.
콘덴서(320)의 절연 몰드(325)는 절연재료로 성형되며, 제 1 전극(321), 제 2 전극(322), 유전체(323) 및 전자기 액츄에이터(330)를 내부에 밀봉한 부재이다. 절연 몰드(325)의 절연재료는 절연 고무이지만, 다른 실시형태에 있어서, 절연수지여도 좋다.
콘덴서(320)의 절연유(326)는 절연 몰드(325)의 내부에 충전되어서, 제 2 전극(322)과 유전체(323)와의 사이의 공극을 채우고 있다. 다른 실시예에 있어서, 제 1 전극(321)과 유전체(323)와의 사이에 공극이 형성되는 경우에 그 공극에 절연유(326)를 채워도 좋다.
이상 설명한 변형예 3의 플라즈마 점화장치(20)에 의하면, 상기한 실시예와 마찬가지로, 불꽃방전에 의한 전극 소모를 억제할 수 있으며, 그 결과 불꽃방전 및 교류 플라즈마를 발생시키는 스파크 플러그(100)의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연 몰드(325) 및 절연유(326)에 의해 콘덴서(320)의 내전압을 향상시킬 수 있다.
G. 다른 실시예:
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시의 형태에 어떠한 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 다양한 형태로 실시할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들면, 결합부(300)의 콘덴서는 전자기 액츄에이터를 이용한 것뿐만 아니라 축을 회전시킴으로써 전극의 대향 면적이나 전극간 거리를 변화시키는 것이어도 좋다. 또한, 변형예 1의 콘덴서(340)나 변형예 2의 콘덴서(360)에 변형예 3의 절연 몰드(325) 및 절연유(326)를 적용하여도 좋다. 또한, 변형예 3에서는 절연 몰드(325) 및 절연유(326)의 양방을 채용하였지만, 절연 몰드(325) 및 절연유(326)에 있어서 일방만을 채용하여도 내전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 실시예 및 변형예 1~3에 있어서 콘덴서(320)의 전극을 역으로 접속하여 제 1 전극을 스파크 플러그(100)측에, 제 2 전극을 교류전원(220)측에 접속하여도 좋다.
10 - 운전 제어부 20 - 플라즈마 점화장치
30 - 플러그 홀 100 - 스파크 플러그
110 - 중심전극 120 - 접지전극
210 - 직류전원 220 - 교류전원
300 - 결합부 310 - 인덕터
320 - 콘덴서 321 - 제 1 전극
322 - 제 2 전극 323 - 유전체
325 - 절연 몰드 326 - 절연유
330 - 전자기 액츄에이터 331 - 전극홀더
332 - 전자석 333 - 영구자석
334 - 스프링 340 - 콘덴서
341 - 제 1 전극 342 - 제 2 전극
343 - 유전체 350 - 전자기 액츄에이터
352 - 전자석 353 - 영구자석
354 - 스프링 360 - 콘덴서
361 - 제 1 전극 362 - 제 2 전극
363 - 유전체 364 - 송전선
370 - 전자기 액츄에이터 371 - 전극홀더
372 - 전자석 373 - 영구자석
374 - 스프링 500 - 점화 제어부
510 - 전원 제어부 520 - 정전용량 제어부

Claims (11)

  1. 스파크 플러그의 전극간에 불꽃방전을 발생시키는 직류전력을 생성하는 직류전원과;
    상기 불꽃방전을 발생시킨 상기 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키는 교류전력을 생성하는 교류전원과;
    상기 직류전력 및 상기 교류전력을 상호 결합하여서 상기 스파크 플러그에 전송하는 결합부로써, 상기 직류전원 및 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전원을 전기적으로 접속하는 콘덴서를 포함하는 결합부;를 구비하는 플라즈마 점화장치로서,
    상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 실시하는 제 1 점화모드와, 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드를 전환하며 상기 직류전원 및 상기 교류전원을 제어하는 전원 제어부와;
    상기 제 2 점화모드인 경우, 상기 제 1 점화모드보다도 상기 콘덴서의 정전용량을 감소시키는 정전용량 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 점화모드에 있어서의 상기 콘덴서의 정전용량은 35㎊ 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류전원의 주파수(f)는 50㎑≤f≤100㎒를 만족하고,
    상기 제 1 점화모드에 있어서의 상기 콘덴서의 정전용량은 0.0005(F·㎐)/f 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 콘덴서는 정전용량을 증감시키는 것이 가능한 가변용량 콘덴서로서,
    상기 콘덴서는
    상기 교류전원과 전기적으로 접속된 제 1 전극과;
    상기 스파크 플러그와 전기적으로 접속된 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과의 사이에 형성된 유전체와;
    상기 정전용량 제어부에서의 제어신호에 의거하여, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 일방을 이동시키는 전자기 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과, 상기 유전체가 상호에 대향하는 대향면의 각각은 평면인 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 전극은 원기둥 형상이며,
    상기 유전체는 상기 제 1 전극의 외주를 포위하는 원통 형상이며,
    상기 제 2 전극은 상기 유전체의 외주를 포위하는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 전극은 원기둥 형상이며,
    상기 유전체는 상기 제 2 전극의 외주를 포위하는 원통 형상이며,
    상기 제 1 전극은 상기 유전체의 외주를 포위하는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 전자기 액추에이터에 의해 이동하는 전극은 상기 제 1 점화모드인 경우, 상기 유전체에 근접하고, 상기 제 2 점화모드인 경우, 상기 유전체와의 사이에 공극을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  9. 청구항 4 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 일방과 상기 유전체와의 사이의 공극에 절연유를 채우는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 콘덴서를 절연재료로 밀봉한 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화장치.
  11. 직류전원에서 생성된 직류전력에 의해 스파크 플러그의 전극간에 불꽃방전을 발생시킴과 아울러, 교류전원에서 생성된 교류전력에 의해 상기 불꽃방전을 발생시킨 상기 전극간에 교류 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 점화방법로서,
    상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 실시하는 제 1 점화모드와 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전력의 전송을 정지하는 제 2 점화모드를 전환하고, 상기 직류전원 및 상기 교류전원을 제어하고,
    상기 제 2 점화모드인 경우 상기 직류전원 및 상기 스파크 플러그에 대해 상기 교류전원을 전기적으로 접속하는 콘덴서의 정전용량을 상기 제 1 점화모드보다도 감소시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화방법.
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