KR101634094B1 - 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중앙전극인 축을 구비하며 고전압이 인가되는 금속 재질의 양전극(10)과, 상기 양전극(10)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되는 다수 개의 음전극(20)과, 상기 음전극(20)의 외주면을 감싸며 형성되며 상기 음전극(20)의 일단이 외부로 노출되도록 형성되는 비금속 재질의 유전체 장벽부(30)를 포함하는 점화 플러그의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 있어서, 상기 양전극(10)에 기설정된 전압을 인가시켜 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)을 유도하여 발생된 플라즈마 제트가 상기 유전체 장벽부(30)의 표면에 따라 이동하여 발산되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 관한 것이다.

Description

플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템 {Lean-burn method using plasma jet}

본 발명은 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체 장벽 구조나 전압 제어를 통해 전극으로부터 글로우(glow) 플라즈마 또는, 필라멘트(filamentary) 플라즈마 제트를 발생시켜 점화 가능성을 높이고 연소 속도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 관한 것이다.

희박 연소는 연비 향상이라는 장점을 가지지만, 높은 점화 에너지를 필요로 하며 화염 전파 특성이 나쁘므로 부분 연소(partial burn), 미연가스 중에서의 노킹(knocking) 발생, 이에 따른 냉각 손실(cooling loss) 등이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 혼합기가 모두 연소되더라도 당량비가 감소할수록 화염 전파 속도가 느려지고 경우에 따라서는 고 RPM으로 작동하는 엔진 속도에 비해 지나치게 화염 전파 속도가 늦어져 실제 적용성이 떨어지게 된다.

이에 따라, 희박 연소에서는 적은 전기 점화 에너지로 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마를 넓은 영역으로 전달하는 것이 매우 중요하다.

종래의 점화 플러그는 아크 방전(arc discharge)을 이용하여 연료-공기 혼합기를 점화하는데, 이 경우, 플라즈마 영역이 굉장히 좁아서 점화원으로부터 연소실까지 화염이 전파되는데 비교적 많은 시간이 소요되는 단점이 있으며,

특히, 혼합기의 당량비가 낮을수록 화염 전파 속도가 낮아져 높은 속도(고 RPM)로 작동하는 자동차 엔진에서 희박 연소 구현이 어려운 문제점이 있다.

이에 따라, 본 발명의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 전체 장벽 구조나 전압 제어를 통해 전극으로부터 글로우(glow) 플라즈마 또는, 필라멘트(filamentary) 플라즈마 제트를 발생시켜 점화 가능성을 높이고 연소 속도를 향상시킬 수 있다.

국내 등록 특허 제10-0937469호("내연기관의 플라즈마 점화 장치", 이하 선행문헌 1)에서는 점화 플러그가 외부 배터리를 사용하는 DC/AC 인버터의 고출력과 점화코일의 고출력을 사용해서 만든 플라즈마 아크를 이용하여 내연기관에 설치된 실린더 내의 분사된 휘발유를 연소시키도록 하는 점화장치를 개시하고 있다.

국내 등록 특허 제10-0937469호 (등록일자 2010.01.11.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유전체 장벽 구조나 전압 제어를 통해 전극으로부터 글로우(glow) 플라즈마 또는, 필라멘트(filamentary) 플라즈마 제트를 발생시켜 점화 가능성을 높이고 연소 속도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은, 중앙전극인 축을 구비하며 고전압이 인가되는 금속 재질의 양전극(10)과, 상기 양전극(10)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되는 다수 개의 음전극(20)과, 상기 음전극(20)의 외주면을 감싸며 형성되며 상기 음전극(20)의 일단이 외부로 노출되도록 형성되는 비금속 재질의 유전체 장벽부(30)를 포함하는 점화 플러그의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 있어서, 상기 양전극(10)에 기설정된 전압을 인가시켜 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)을 유도하여 발생된 플라즈마 제트가 상기 유전체 장벽부(30)의 표면에 따라 이동하여 발산되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 상기 음전극(20)의 노출된 일단을 통해 아크 방전(Arc discharge)을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 교류 전압으로 작동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은, 중앙전극인 축을 구비하며 금속 재질의 제 1 전극(100)과, 상기 제 1 전극(100)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되며 고전압이 인가되는 금속 재질의 다수 개의 제 2 전극(200)을 포함하는 점화 플러그의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 있어서, 상기 제 2 전극(200)에 기설정된 전압을 인가시켜 상기 제 1 전극(100)과 제 2 전극(200) 간의 통전에 의해, 상기 제 1 전극(100)과 제 2 전극(200) 간의 전위차가 감소할 경우, 상기 제 2 전극(200)의 전위를 음(-)극으로 제어하여 발생된 플라즈마 제트가 상기 제 2 전극(200)의 표면에 따라 이동하여 발산되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 직류 전압 또는 교류 전압으로 작동하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 점화 플러그의 유전체 장벽 구조나 전압 제어를 통해 전극으로부터 글로우(glow) 플라즈마 또는, 필라멘트(filamentary) 플라즈마 제트를 발생시켜 점화 가능성을 높이고 연소 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이를 통해서 발생된 플라즈마 제트는 그 자체가 점화원의 역할을 수행하고, 난류를 일으켜 화염 전파를 돕고 다수의 화염핵(flame kernel)을 형성하여 부분 연소(partial burn)의 가능성을 낮추는 효과가 있다.

다시 말하자면, 발생된 전자가 전극에 흡수되지 않고 유전체 장벽 구조에 의해 유전체 장벽의 표면을 타고 흐르거나, 전압 제어에 따라 전극의 표면을 타고 흐르도록 제어함으로써, 연소실 내에 존재하는 혼합기의 연소를 유발하거나, 화염의 전파를 유도 및 라디칼(radical) 발생으로 화염 전파 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그를 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들을 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.

기존의 점화 플러그는 아크(Arc)를 이용하여 연료-공기 혼합기를 점화하며, 이 경우, 플라즈마 영역이 굉장히 좁아서 점화원으로부터 연소실까지 화염이 전파되는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 특히, 혼합기의 당량비가 낮을수록 화염 전파 속도가 낮아져 높은 속도로 작동하는 자동차 엔진에서 희박 연소 구현이 어렵게 된다.

이에 따라 본 발명의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 점화 플러그의 적은 에너지로 플라즈마를 발생시키고 발생된 플라즈마를 넓은 영역에 걸쳐 발산시킴으로써, 화염 전파 속도를 증가시킬 수 있다.

플라즈마 제트는 그 자체가 점화원의 역할을 수행할 뿐 아니라, 난류를 일으켜 화염 전파를 돕고, 다수의 화염핵(flame kernel)을 형성하여 부분 연소(partial burn)의 가능성을 낮추게 된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그를 나타낸 도면이며,

도 3은 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조로 하여 본 발명의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 상세히 설명한다.

제 1 실시예

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그는 중앙전극인 축을 구비하여 고전압이 인가되는 금속 재질의 양전극(10)과, 상기 양전극(10)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되는 다수 개의 음전극(20)과, 상기 음전극(20)의 외주면을 감싸며 형성되며 상기 음전극(20)의 일단이 외부로 노출되도록 형성되는 비전극 재질의 유전체 장벽부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 양전극(10)으로 인가되는 고전압은 교류 전압으로 작동하게 된다. 이를 통해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템의 점화 플러그는 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키게 된다.

이러한 유전체 장벽은 대기압에서 고출력 방전을 발생시킬 수 있으며, 또한 복합한 펄스 전력 공급기가 없어도 되기 때문에 널리 이용되며,

다수 개의 외곽 전극 간의 간격은 수 mm로 제한되며 생성된 플라즈마 제트는 이 간격을 통해 흘러나와 연소실로 퍼지게 된다.

유전체 장벽 방전은 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 방전이 존재하지 않기 때문에 조용한 방전(silence discharge)이라고 불리기도 하며, 작동 가스의 조성, 전압 및 주파수에 따라 방전은 필라멘트 형태 또는 글로우 형태가 된다.

필라멘트 형태의 방전은 유전체 장벽의 표면에서 발달하는 마이크로 방전 또는 스트리머(streamer)에 의해 만들어지며, 이 때, 유전체 장벽의 역할은 반전 전류를 차단하고 아크로의 전이를 피할 수 있게 하여 연속되는 펄스 모드에서 작업을 가능하게 하고 유전체 장벽의 표면에 전자가 축적되어 표면에 무작위로 스트리머를 배분하여 균일한 방전을 유도하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 상기 양전극(10)에 미리 설정된 전압을 인가시켜 상술한 유전체 장벽 방전을 유도하여 발생된 플라즈마 제트가 상기 유전체 장벽부(30)의 표면에 따라 이동하여 연소실로 발산되도록 할 수 있다.

상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 약 5 ~ 13 kV의 전압을 인가시켜 낮은 전위차에서 유전체 장벽 방전을 유도하게 되며, 도 1에 도시된 ① 영역에서의 화살표 방향으로 플라즈마 제트가 발생하게 된다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 상기 유전체 장벽부(30)가 동일한 두께로 상기 음전극(20)의 외주면을 감싸도록 형성되나, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 음전극(20)의 길이 방향으로 두께가 얇아지도록 상기 유전체 장벽부(30)를 형성할 수도 있으며 이 경우, 상기 유전체 장벽부(30)의 두께에 따라 전극의 항복 전압(Breakdown voltage)이 높아지도록 할 수 있다.

이를 통해서, 도 1에 도시된 ② 영역에서는 약 12 ~ 14 kV의 전압에서 유전체 장벽 방전이 발생된다.

또한, 도 1에 도시된 ③ 영역의 상기 유전체 장벽부(30)는 상기 음전극(20)의 일단이 노출되도록 형성됨으로써, 15 kV 이상에서 금속 전극 간 실제 아크 방전(arc discharge)이 발생하게 된다.

다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템(제 1 실시예)은 한 쪽 전극이 교류 전압에 연결되어 있는 경우, 전자가 전극에 흡수되지 않고 전극 형상을 그리며 유전체 장벽부의 표면을 타고 흐르며 다수 개의 전극 간의 틈새로 플라즈마 제트가 빠져나가며, 이를 통해서 점화 가능성을 높이고, 연소 속도를 향상시킬 수 있다.

제 2 실시예

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템을 적용한 점화 플러그는 중앙전극인 축을 구비하며 금석 재질의 제 1 전극(100)과, 상기 제 1 전극(100)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되며 고전압이 인가되는 금속 재질의 다수 개의 제 2 전극(200)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 전극(200)으로 인가되는 고전압은 직류 전압 또는, 교류 전압으로 작동하게 된다.

본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은 전압(주파수) 제어를 통해서 플라즈마 제트를 연소실로 발산시킬 수 있다.

상세하게는, 상기 제 2 전극(200)에 미리 설정된 전압을 양(+)극으로 인가시켜 상기 제 1 전극(100)과 상기 제 2 전극(200) 간의 통전에 의해, 상기 제 1 전극(100)과 상기 제 2 전극(200) 간의 전위차가 감소할 경우,

상기 제 2 전극(200)의 전위를 음(-)극으로 제어하여 발생된 플라즈마 제트를 상기 제 2 전극(200)의 표면에 따라 이동하여 연소실로 발산시킬 수 있다.

다시 말하자면, 상기 제 2 전극(200)이 유전체로 감싸지 않은 경우, 상기 제 2 전극(200)의 전위를 내부 전극보다 높게 만들어 전자가 상기 제 2 전극(200)으로 이동하게 제어하게 된다.

전자의 흐름에 의해 전극 간 통전이 되어, 전위차가 감소하는 순간, 상기 제 2 전극(200)의 전위를 음(-)극으로 제어함으로써, 전자가 전극에 흡수되지 않고 전극을 피해 이동하게 된다. 이러한 전자의 흐름은 관성에 의해 전극 안쪽으로부터 바깥쪽으로 발생하고 이 때, 다수 개의 상기 제 2 전극(200) 간의 형성된 틈을 통해 발생된 플라즈마 제트가 이동하게 된다.

즉, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템(제 2 실시예)은 전압(주파수) 제어를 통해 전극으로부터 플라즈마를 발생시켜, 다수 개의 전극 간의 틈새로 플라즈마 제트가 빠져나가며, 이를 통해서 점화 가능성을 높이고, 연소 속도를 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 양전극
20 : 음전극
30 : 유전체 장벽부
100 : 제 1 전극
200 : 제 2 전극

Claims (3)

1. 중앙전극인 축을 구비하며 고전압이 인가되는 금속 재질의 양전극(10)과, 상기 양전극(10)과 방사 방향으로 일정 간격 이격되어 형성되는 다수 개의 음전극(20)과, 상기 음전극(20)의 외주면을 감싸며 형성되며 상기 음전극(20)의 일단이 외부로 노출되도록 형성되는 비금속 재질의 유전체 장벽부(30)를 포함하는 점화 플러그의 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템에 있어서,
   상기 양전극(10)에 기설정된 전압을 인가시켜 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)을 유도하여 발생된 플라즈마 제트가 상기 유전체 장벽부(30)의 표면에 따라 이동하여 발산되며,
   상기 양전극(10)에 상기 기설정된 전압보다 높은 전압을 인가시켜 상기 음전극(20)의 노출된 일단을 통해 아크 방전(Arc discharge)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템은
   교류 전압으로 작동하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제트를 이용한 희박 연소 시스템.

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