KR101507092B1 - 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것으로서, 점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하는 금속 재료의 하우징(100); 점화코일의 타단과 연결되어 전류가 흐르게 되는 중심전극(200); 상기 하우징(100)의 전단부에 구비되며 상기 중심전극(200)과 인접하여 스파크가 일어나도록 유도하는 접지전극(300); 및, 상기 중심전극(200)과 상기 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 절연체(400);로 구성되되, 상기 중심전극(200)은 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가는 것을 특징으로 한다.

Description

자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그{Magnetic Induction Coil Mounted Spark Plug}

본 발명은 내연기관의 점화 플러그에 관한 것으로서 고전압 전극과 그라운드 전극 사이의 방전이 국부적으로 발생되지 않도록 하여 반복적인 고전압 방전이 반복되더라도 전극의 마모 현상을 최소화하는 새로운 개념의 점화 플러그에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관은 연소시 사용되는 연료에 따라 디젤기관과 가솔린기관으로 구분되는데, 디젤기관은 압축 착화 기관으로서 연료를 고비율로 압축 착화시켜 연소시키는 바, 별도의 점화장치를 필요로 하지 않는다. 이에 반하여 가솔린기관은 연료와 공기가 혼합된 혼합연료에 스파크를 일으켜 연소를 유발하게 된다.

따라서 가솔린기관은 스파크 발생을 위한 점화장치를 필요로 하며, 이러한 점화장치는 점화 스위치, 점화코일, 고압케이블, 점화플러그, 및 배전기로 구성된다.

이러한 점화플러그는 크게 전극, 절연애자, 및 금구 등으로 구성되며, 점화코일로부터 발생된 고전압을 인가받아 엔진 실린더 내부에 스파크를 발생시키는 기능을 하며, 엔진의 각 실린더 상측에 설치된다.

점화플러그의 전극은 중심전극 및 중심전극과 일정간격을 유지하며 금구에 용접 등에 의해 고정되는 접지전극으로 구성되며, 중심전극과 접지전극은 열전도성이 뛰어난 구리 화합물 또는 고순도의 니켈 등으로 구성되며, 고온, 고압에서 내마모성을 고려하여 백금 화합물로 구성되기도 한다.

점화 플러그는 상기한 바와 같이 엔진 실린더 내에서 혼합기의 연소를 위한 스파크 발생시키는 기능을 하는 바, 높은 성능을 위해서는 전극의 형상이 중요하고, 실린더 내부의 고온, 고압의 환경에 지속적으로 노출되더라도 전극의 마모 및 부식이 방지되어야 한다.

이러한 점화 플러그의 성능을 개선하기 위하여 제안된 선행기술을 살펴보면 다음과 같다.

선행기술1(특허출원 제10-1997-048673호, 점화플러그)은 도1에 도시된 바와 같이 중심축의 하측에 설치된 중심전극(51); 중심전극과 소정의 간극을 갖도록 설치된 접지전극; 중심전극을 둘러싸도록 설치된 절연체(53); 절연체를 보호하는 셀(55);을 포함하여 구성되는 점화플러그에 관한 것으로서, 접지전극은 그 끝단이 중심전극의 하면과 대향되도록 설치된 정면전극(57) 및 그 끝단이 중심전극의 측면과 대향되도록 설치된 측면전극(59)으로 구성된 것을 특징으로 한다. 이러한 구조로 인하여 중심전극(51)과 접지전극 사이에서 발생된 불꽃 파형의 범위가 확대되고 파형의 도달거리도 길어져 연소실 내의 혼합기가 완전 연소되고, 그 결과 대기 중으로 방출되는 유해가스의 양이 감소되고 엔진의 출력이 증가되는 기술적 효과가 있다.

선행기술2(특허출원 제10-2005-0092239호, 내연기관용 점화 플러그의 전극 구조 및 전극 제조방법)는 도2에 도시된 바와 같이 중심전극(10); 중심전극(10)과 스파크 발생을 위해 이격 설치되는 접지전극(20);을 포함하는 점화 플러그(50)에 관한 것으로서, 중심전극(10)의 접지전극(20)과 대향된 면의 중앙에는 "V" 자 홈(11)이 형성되고, 접지전극(20)의 중심전극(10)과 대향된 면은 중심부위가 함몰되어 중심전극(10)과 접지전극(20) 사이의 스파크 발생시 "V" 자 홈(11)이 형성된 구간에서 화염핵이 증대된다. 또한 접지전극(20)에는 열전도성을 높일 수 있도록 동(25)을 삽입하여 구성하며, 동(25)은 그 끝지점이 접지전극(20)의 선단과 일정 간격 이격되도록 삽입되며, 접지전극(20)의 선단과 삽입된 동(25)의 선단 측 끝지점이 이루는 간격과 중심전극(10)의 폭의 비율은 6:5 가 되는 것을 특징으로 한다.

이러한 선행기술들은 중심전극과 접지전극 사이에 스파크가 국부적으로 발생하여 고온과 고전압에 지속적 노출될 경우 전극의 국부적인 마모가 진행되어 점화 플러그의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 고전압 스파크에 의하여 전극의 국부적인 마모 발생을 방지하여 점화 플러그의 성능을 유지함을 본 발명의 목적으로 한다.

둘째, 강한 전류나 고전압을 인가하여 점화방식을 개선할 수 있는 새로운 개념의 점화 플러그를 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

셋째, 별도의 전원 공급 라인을 추가 설치하지 않고 발생된 스파크를 회전시킬 수 있는 새로운 개념의 점화 플러그를 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것으로서, 점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하는 금속 재료의 하우징(100); 점화코일의 타단과 연결되어 전류가 흐르게 되는 중심전극(200); 상기 하우징(100)의 전단부에 구비되며 상기 중심전극(200)과 인접하여 스파크가 일어나도록 유도하는 접지전극(300); 및, 상기 중심전극(200)과 상기 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 절연체(400);로 구성되되, 상기 중심전극(200)은 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.

첫째, 고전압 스파크에 의하여 전극의 국부적인 마모 발생을 방지하여 점화 플러그의 성능을 유지할 수 있다.

다시 말하면, 중심전극(200)이 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가게 되면 코일(210) 부분에서 코일(210)이 감겨진 방향을 따라 고전압의 전류가 원형으로 회전하면서 중심전극(200)의 전단부에 도달하게 되는데, 원형의 코일을 통과하는 전류에 의하여 중심전극(200)의 주변에는 자기장이 발생하게 되고 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 전류의 방향, 자기장의 방향 및 힘의 방향은 서로 직교하게 된다. 이로 인하여 중심전극(200)의 전단부에는 코일(210)의 접선 방향으로 힘이 작용하게 되고, 이러한 힘에 의하여 중심전극(200)의 전단부와 접지전극(300) 사이에 발생되는 스파크가 원형의 접지전극(300)의 따라 회전을 하게 된다. 따라서 중심전극(200)과 접지전극(300) 사이에 스파크가 국부적으로 발생되지 않고 중심전극(200)의 전단부와 접지전극(300)을 따라 회전하면서 골고루 퍼지게 되어 전극의 국부적인 마모 및 점화 플러그의 성능 저하를 방지하게 된다.

둘째, 강한 전류나 고전압을 인가하여 점화방식을 개선할 수 있다.

왜냐하면, 접지전극(300)은 중심전극(200)을 회전축으로 금속의 원형링 구조이고, 중심전극(200)의 전단부 일정 영역은 원형의 코일(210) 형태로서 전류에 의하여 축방향 자장이 형성되어 유도 전자기력이 스파크에 힘을 미치고, 이로 인해 고전압의 중심전극과 원 형태로 이루어진 접지전극에 방전이 일어날 때, 유도 전자기력으로 인해 스파크 전류가 회전하여 중심전극(200) 및 접지전극(300)의 집중 열부하를 줄여 전극의 마모를 방지할 수 있는 바, 전극의 강한 전류나 고전압을 인가하더라도 전극의 내구성을 확보할 수 있기 때문이다.

셋째, 별도의 전원 공급 라인을 추가 설치하지 않고 발생된 스파크를 회전시킬 수 있다.

다시 말하면, 스파크의 회전에 필요한 자기장은 스파크용 중심전극(200)으로부터 발생되는 바 추가적인 제어장치나 전원공급라인이 전혀 필요 없는 수동소자 개념이 될 수 있다.

만약 스파크 회전에 필요한 자기장 발생을 위하여 별도의 소자를 사용하게 된다면 해당 소자에 별도의 전원을 공급해 주어야만 하고 이를 제어하기 위한 별도의 제어수단이 구비되어야 하는 바, 기존의 스파크 플러그 시스템에 적용하기 위해서는 일부 설계변경 등이 수반되어 비용을 증가시키고 호환성에 문제점이 발생하게 된다.

도1은 종래기술을 도시한다.
도2는 종래기술의 또 다른 실시예이다.
도3은 본 발명의 구체적 실시예의 단면 구조를 도시한다.
도4는 중심전극(200)의 전단부 및 접지전극(300)의 형상을 도시하는 사시도로서, 접지전극(350)과 하우징(100) 사이에 지지대(350)가 구비되어 접지전극(350)이 하우징(100) 단부에 브릿지 형태를 가지는 경우를 도시한다.
도5는 중심전극(200)에 구비된 코일(210)의 형상을 도시하는 사시도이다.
도6은 플레밍의 왼손 법칙에 따라 스파크가 회전하는 원리를 도시한다.
도7은 본 발명의 다른 구체적 실시예로서 코일(210)의 내부 공간에 투자율을 높이는 자성체(220)가 추가되는 경우를 도시한다.
도8은 본 발명의 다른 구체적 실시예의 외형을 도시한다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

본 발명은 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것이다.

하우징(100)은 금속 재료로 제작되며 점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하게 된다.

중심전극(200)은 점화코일(도시 생략)의 타단과 연결되어 고압의 전류가 흐르게 되며 도3에 도시된 바와 같이 하우징(100)의 중심부를 관통하도록 설치된다.

접지전극(300)은 하우징(100)의 전단부에 구비되며 중심전극(200)과 인접하도록 설치되어 스파크가 일어나도록 유도하는데, 이러한 접지전극(300)은 도4에 도시된 바와 같이 중심전극(200)의 전단부 주위를 원형으로 둘러싸는 구조가 된다.

아울러 접지전극(300)은 도4에 도시된 바와 같이 하우징(100)과 지지대(350) 통하여 연결되는 구조가 될 수도 있다. 이런 경우 접지전극(300)은 하우징(100)의 전단부에 지지대(350)에 의하여 브릿지 형태를 가지게 된다.

브릿지 형태의 지지대(350)의 갯수는 2개 또는 그 이상이 구비될 수 있는데, 이러한 지지대(350)는 접지전극(300)에서 발생되는 열부하를 하우징(100)을 통하여 엔진블록으로 전달하는 역할을 하는데, 열부하의 크기에 따라 지지대(350)의 갯수가 결정된다. 즉, 열부하가 크면 클수록 지지대(350)의 단면적과 갯수가 증가되는데, 열부하가 아주 클 경우에는 도8에 도시된 바와 같이 지지대(350)가 별도로 구비되지 않으며 접지전극(300)과 하우징(100)이 연속적으로 연결되는 구조가 된다.

이러한 접지전극(300)은 비자성체로 제작될 수도 있는데, 비자성체로 제작되면 코일(210)에서 형성된 자기장이 접지전극(300)에 흡수되지 않아 대기 중으로 자기장 분포를 강화시킬 수 있다.

중심전극(200)과 접지전극(300)은 전기 전도성과 열 전도성이 뛰어난 구리 화합물 또는 고순도의 니켈 등으로 제작된다.

종래의 중심전극은 일반적으로 후단부에서 전단부까지 직선 형태로 뻗어나가는 형태가 되는 것에 반하여 본 발명의 중심전극(200)은 도5에 도시된 바와 같이 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가는 구조이다.

이와 같이 중심전극(200)이 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가게 되면 코일(210) 부분에서 코일(210)이 감겨진 방향을 따라 고전압의 전류가 원형으로 회전하면서 중심전극(200)의 전단부에 도달하게 되는데, 원형의 코일을 통과하는 전류에 의하여 중심전극(200)의 주변에는 자기장이 발생하게 되는데 도6에 도시된 바와 같이 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 전류의 방향, 자기장의 방향 및 힘의 방향은 서로 직교하게 된다.

따라서 중심전극(200)의 전단부에는 코일(210)의 접선 방향으로 힘이 작용하게 되고, 이러한 힘에 의하여 중심전극(200)의 전단부와 접지전극(300) 사이에 발생되는 스파크가 원형의 접지전극(300)의 따라 회전을 하게 된다.

따라서 중심전극(200)과 접지전극(300) 사이에 스파크가 국부적으로 발생되지 않고 중심전극(200)의 전단부와 접지전극(300)을 따라 회전하면서 골고루 퍼지게 되어 전극의 국부적인 마모 및 점화 플러그의 성능 저하를 방지하게 된다.

아울러 중심전극(200)은 직선 부분의 굵기보다 코일(210) 부분의 굵기가 가늘어지도록 하여 주어진 공간에서 코일(210)의 감기는 횟수를 증가시킬 수 있도록 설계한다.

코일(210)이 감기는 횟수(권선수)를 증가시키면 자기장(B)의 세기가 증가하고 이로 인하여 발생되는 힘도 증가하게 된다.

B = μNi/l

여기서,

B:솔레노이드 코일의 자기장의 세기

μ:코일 내부의 투자율(permeability)

N: 권선수

i:전류

l:코일의 길이

여기서 자기장의 세기를 증가시키기 위하여 도5에 도시된 바와 같이 코일의 내부 공간에 투자율이 높은 자성체(220)를 삽입할 수도 있다.

삽입되는 자성체(220)의 형태는 도7에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 설계변경이 가능하다.

중심전극(200)의 코일(210)이 감겨진 형태는 전단부로 갈수록 반경이 감소하여 원뿔 형태를 가지게 되는데 코일(210)의 최소 반경은 중심전극(200) 전단부의 직경보다 크게 형성되어야 스파크의 원활한 회전을 유도할 수 있다.

이와 같이 중심전극(200)의 코일(210) 반경이 감소하는 이유는 기존 절연체(400)의 외형이 전단부로 갈수록 좁아지는 형태임을 반영한 것인데, 만약 절연체(400)의 외형이 확장된다면 코일(210)이 감겨지는 반경을 감소시키지 않고 그대로 유지할 수도 있다.

절연체(400)는 중심전극(200)과 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 역할을 한다.

이러한 절연체(400)는 스파크가 발생되는 중심전극(200)의 전단부 일부만 노출시키고 중심전극(200)의 나머지 영역은 모두 감싸는 구조로서 중심전극(200)의 전단부 이외의 부분으로 고전압이 방출되는 것을 방지하는 역할을 하는데, 통상적으로 내열성, 열전도성, 절연성, 및 기계적 강도 등이 우수한 세라믹으로 제작된다.

절연체(400)는 코일(210) 내부 공간에 자성체(220)가 설치될 경우 자성체(220)를 중심전극(200)이나 하우징(100)과 절연시키는 역할도 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

100:하우징
200:중심전극
210:코일
220:자성체
300:접지전극
350:지지대
400:절연체

Claims (6)

1. 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것으로서,
   점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하는 금속 재료의 하우징(100);
   점화코일의 타단과 연결되어 전류가 흐르게 되는 중심전극(200);
   상기 하우징(100)의 전단부에 구비되며 상기 중심전극(200)과 인접하여 스파크가 일어나도록 유도하는 접지전극(300); 및,
   상기 중심전극(200)과 상기 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 절연체(400);
   로 구성되되,
   상기 중심전극(200)은 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가고,
   상기 중심전극(200)의 코일(210) 내부 공간에 설치되는 자성체(220);
   가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그.
2. 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것으로서,
   점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하는 금속 재료의 하우징(100);
   점화코일의 타단과 연결되어 전류가 흐르게 되는 중심전극(200);
   상기 하우징(100)의 전단부에 구비되며 상기 중심전극(200)과 인접하여 스파크가 일어나도록 유도하는 접지전극(300); 및,
   상기 중심전극(200)과 상기 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 절연체(400);
   로 구성되되,
   상기 중심전극(200)은 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가고,
   상기 접지전극(300)은 비자성체인 것을 특징으로 하는 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그.
3. 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그에 관한 것으로서,
   점화코일 일단과 연결되어 접지 역할을 하는 금속 재료의 하우징(100);
   점화코일의 타단과 연결되어 전류가 흐르게 되는 중심전극(200);
   상기 하우징(100)의 전단부에 구비되며 상기 중심전극(200)과 인접하여 스파크가 일어나도록 유도하는 접지전극(300); 및,
   상기 중심전극(200)과 상기 접지전극(300) 사이에 설치되어 절연을 유지하는 절연체(400);
   로 구성되되,
   상기 중심전극(200)은 직선 형태로 뻗어나가다가 전단부에 도달하기 전에 원형의 코일(210)로 감겨진 후 다시 직선 형태로 뻗어나가고,
   상기 접지전극(300)은 다수 개의 지지대(350)에 의하여 상기 하우징(100)의 전단부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그.
4. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에서,
   상기 중심전극(200)은 직선 부분의 굵기보다 코일(210) 부분의 굵기가 가늘어지도록 하여 주어진 공간에서 코일(210)의 감기는 횟수를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그.
5. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에서,
   상기 중심전극(200)의 코일(210)이 감겨진 형태는 전단부로 갈수록 반경이 감소하여 원뿔 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 자기장 유도 코일이 구비된 점화 플러그.
   
6. 삭제

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