KR102588000B1

KR102588000B1 - 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그

Info

Publication number: KR102588000B1
Application number: KR1020197019467A
Authority: KR
Inventors: 비아니 라비
Original assignee: 비아니 라비
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2023-10-11
Also published as: JP2020501323A; FR3060222B1; EP3560049B1; AU2017371533B2; JP7132923B2; WO2018104681A1; CA3046393A1; CN110168825A; AU2017371533A1; KR20190091332A; FR3060222A1; ES2858457T3; EP3560049A1; CN110168825B

Abstract

셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 중성 가스로 희석된 주 충전물(12)이 점화되는 연소 챔버(11)를 포함하는 내연 엔진용으로 의도되고, 상기 스파크 플러그(1)는 중심 전극(6)이 돌출되는 성층 공동(15)을 포함하고, 성층 분사기(17)는 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성된 파일럿 충전물(18)을 압력 하에 상기 성층 공동 내로 분사할 수 있고, 상기 성층 공동(15)은 성층 덕트(16)에 의해 상기 연소 챔버(11)에 연결되는 반면, 셔틀 전극(20)은 상기 중심 전극(6)과 접지 전극(7) 사이에 위치되어 상기 성층 덕트(16) 내에서 병진 운동할 수 있다.

Description

셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그

본 발명의 주제는 내연 엔진의 연소 챔버 내로 도입된 주 충전물(main charge)을 스파크 단독에 의해 점화시키거나 또는 잘 알려진 파일럿 충전물(pilot charge)을 스파크에 의해 점화시키는 것에 의해 점화시킬 수 있는 셔틀 전극(shuttle electrode)을 갖는 스파크 플러그(spark plug)로서, 상기 스파크 플러그는 상기 주 충전물을 점화시키기 위해 상기 파일럿 충전물의 효율을 최적화시키도록 설계되는, 상기 스파크 플러그에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 왕복 내연 엔진의 최대 및 평균 효율은 비교적 낮다. 자동차에서 최대 효율은 오토-사이클 포지티브 점화 엔진(Otto-cycle positive-ignition engine)의 경우 35% 정도이고 디젤 사이클 엔진의 경우 40% 정도이다. 자동차 엔진의 현재 평균 효율과 관련해서 매우 자주 포지티브 점화 엔진의 경우 20% 미만이고 디젤 엔진의 경우 25% 미만이다.

상기 엔진에서, 연료의 연소에 의해 방출되고 유용한 일로 변환되지 않는 에너지 분율(fraction)은 주로 냉각 시스템에서 그리고 상기 엔진의 배기 가스에서 열의 형태로 소산된다.

열악한 효율에 더하여, 자동차에 사용되는 왕복 내연 엔진은 환경과 건강에 해로운 입자와 오염 가스를 생성한다.

이러한 불리한 특성에도 불구하고, 더 나은 에너지, 환경, 기능 및 경제적 절충을 제공하는 다른 해결책이 없기 때문에 오토 사이클 또는 디젤 사이클 내연 엔진은 세계의 거의 모든 자동차에 설치되고 있다.

이러한 상황은 내연 엔진의 에너지와 환경 균형을 향상시키기 위해 엔진 제조사에 의해 연구 개발에 상당한 노력이 이루어지고 있다는 것을 설명한다. 이러한 노력은 특히 이러한 엔진을 구축하는 데 사용된 기술을 완벽하게 하고 이 엔진에 새로운 전략을 구현할 수 있는 새로운 기능을 보충하기 위해 의도된다.

이러한 전략 중에는 왕복 내연 엔진에서 공기와 연료 충전물을 중성 가스 또는 산소가 풍부한 신선한 공기로 희석시키는 것이 있다.

본 발명은 이러한 희석에 초점을 두고, 특히 가솔린 또는 천연 가스를 매우 자주 소비하는 포지티브 점화를 갖는 왕복 내연 엔진용으로 의도된다.

포지티브 점화 엔진의 충전물을 신선한 공기 또는 이전에 냉각된 배기 가스로 희석시키면 상기 엔진의 평균 및/또는 최대 열역학적 효율을 증가시킬 수 있다. 그 결과 동일한 양의 일을 생산하는데 감소된 연료를 소비한다.

포지티브 점화 엔진이 일부 토크로 작동할 때, 희석된 충전물을 실린더(들)에 도입하면 희석되지 않은 충전물을 도입하는 것보다 더 적은 펌핑 손실을 야기한다. 상기 손실의 감소는 희석된 충전물이 동일한 에너지 함량에서 더 큰 체적을 갖는다는 사실에 기인한다. 따라서, 동일한 양의 에너지를 상기 실린더(들)에 도입하기 위해, 일반적으로 스로틀 밸브에 의해 이루어지는 상기 엔진의 흡기에서의 스로틀링이 덜 두드러지고, 상기 흡기에서 발생하는 가스 압력이 더 높아진다.

또한, 포지티브 점화 엔진의 실린더(들)에 동일한 에너지가 도입되는 경우, 충전물을 희석시키면 충전물의 질량 및 총 열용량이 증가한다. 따라서, 모든 것이 동일하면, 상기 충전물의 연소는 더 낮은 온도에서 일어난다. 연소에 의해 생성된 질소 산화물의 양을 감소시키는 것에 더하여, 상기 낮은 온도에 의해 실린더(들)의 벽에서의 열 손실이 감소되는데, 이는 상기 열의 일부를 상기 충전물에 의해 상기 벽으로 전이시키는 것에 기인한다.

마지막으로, 충전물이, 특히 산소가 적거나 심지어 산소가 없는 중성 가스로 희석되는 경우, 상기 충전물은 공기-연료 혼합물의 제어되지 않은 자가 점화에 덜 민감하다. 이 자가 점화는, 포지티브 점화 엔진의 효율을 저하시키고 기계적 구성 요소를 손상시키는 격렬한 연소를 일으키는 바람직하지 않은 덜거덕거리는 현상을 야기한다. 충전물을 희석하는 것에 의해 덜거덕거림을 둔화시키면 상기 엔진이 더 높은 압축비로 작동하거나 또는 상기 엔진이 효율을 향상시킬 수 있는 가장 유리한 시간에 트리거링되는 점화로 작동하거나 또는 이들 둘 모두의 조건에서 작동할 수 있다.

희석 공기 및 연료 충전물의 이러한 특정 상황에서, 화학양론적인 혼합물에서 작동하는 포지티브 점화 엔진이 있고, 상기 엔진은 "희박 혼합물"이라고도 불리는 과잉의 공기에서 작동한다.

화학량론적인 혼합물로 작동하는 엔진은 연소에 기인한 오염물을 후처리하는 잘 알려진 장치인 삼원 촉매 변환기와만 호환된다. 상기 촉매 변환기는 열 엔진의 연소 챔버에서 연소되지 않은 탄화수소를 연소시키는 역할을 한다. 이 연소 생성물은 이미 대기 중에 존재하는 수증기와 이산화탄소이다. 상기 삼원 촉매 변환기는 또한 악명 높은 오염물인 일산화탄소를 산화시켜 이를 이산화탄소로 전환시키는 것을 완료하지만, 질소 산화물을, 지구 대기의 약 78%를 구성하고 본질적으로 오염물이 아닌 대기 중의 이질소(dinitrogen)로 환원시킨다.

삼원 촉매에 의해 질소 산화물을 환원시키려면, 엔진에 도입된 충전물이 화학량론적이어야 하고, 즉, 상기 충전물이 상기 충전물에 포함된 탄화수소를 연소시키는데 필요한 적절한 양의 산소를 포함할 것을 요구한다.

과잉의 산소는 삼원 촉매 변환기에 의해 질소 산화물을 환원시키는 것을 불가능하게 한다. 그리하여, 삼원 촉매 변환기에 의해 과잉의 공기에서 작동하는 엔진의 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 후처리하는 것이 불가능해진다.

이것은 - 점점 더 엄격한 환경 규제를 충족시키기 위해 - 질소 산화물을 저감하도록 특별히 설계된 장치, 예를 들어, 질소 산화물 트랩, 또는 질소 산화물을 우레아(urea)로 선택적으로 환원시키는 일부 유형의 촉매 장치를 이제 과잉 공기에서 작동하는 엔진에 장착하는 이유를 설명한다. 이러한 장치는 일반적으로 연소되지 않은 탄화수소를 이전에 연소시켜 일산화탄소의 산화를 완료하는 이원 산화 촉매 변환기의 출구에 배치되고 그리고 점점 더 자주 미립자 필터의 출구에 배치된다.

디젤 엔진은 자연적으로 과잉 공기에서 작동한다는 것을 감안할 때, 유럽의 유료 VI 표준(Euro VI standard)의 시행 이후, 거의 모든 유럽 디젤 자동차에는 질소 산화물을 후처리하여 이질소로 변환하는 장치가 장착된다.

이들 장치의 문제점은, 이들 장치가 비싸고 복잡하며, 상기 장치가, 실제로 과잉 공기에서만 작동할 수 있는 디젤 엔진에 거의 독점적으로 사용된다는 점에서 그 크기 및 유지 관리 상의 제약이 높다는 것이다.

포지티브 점화 엔진에 관해서는, 엔진 제조사는 이들 엔진이 기본적으로 간단하고 저렴한 삼원 촉매 변환기와 호환이 가능하도록 이들 엔진이 화학양론적인 혼합물에서 작동 가능하도록 노력한다.

그리하여, 질소 산화물을 우레아로 선택적으로 환원시키기 위한 촉매 장치 또는 질소 산화물 트랩의 특정 경제적 단점을 받지 않으면서 포지티브 점화 엔진의 충전물을 희석시키는 것에 의해 연료 소비를 감소시키는 것으로부터 이익을 얻기 위해, 상기 엔진의 상기 충전물을 산소가 풍부한 공기가 아니라 산소가 없는 중성 가스로 희석시키는 것이 필요하다.

이 후자의 가스는 일반적으로 엔진 자체의 배기 가스를 재순환시키는 것에 의해 공급되며, 상기 가스는 더 이상 산소를 포함하지 않고 이용 가능하며 풍부하다. 이러한 전략은 "배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation)", 보다 정확하게는 "EGR"이라는 약어로 알려져 있다.

상기 가스는 포지티브 점화 엔진의 배기에서 높은 온도로 배출되고, 상기 가스가 상기 엔진에 도입된 충전물을 과열시키는 것을 방지하기 위해 상기 가스를 신선한 가스와 혼합하기 전에 그 온도를 감소시킬 필요가 있다.

이러한 전략은 재순환된 배기 가스가 상기 엔진에 의해 수용된 신선한 가스와 혼합되기 전에 냉각되는 것을 수반하는 "냉각된 EGR"로 알려져 있다. 이 용어는 프랑스 자동차 운전자에 의해 "EGR refroidi"의 "Franglais" 형태로 사용된다.

EGR 가스를 미리 냉각시키는 것은 적어도 2가지 목적을 위해 필요하다.

첫째, 포지티브 점화 엔진에 의해 소비되는 EGR-가스/신선한-가스 혼합물은 최대 토크에서 작동할 때 상기 엔진의 체적 효율을 높게 유지하기 위하여 낮은 온도에 유지되어야 한다. 실제로, 주어진 흡기 압력에서, 상기 엔진의 실린더(들)에 도입된 상기 혼합물의 질량은 상기 혼합물이 차가운 것이 더욱 중요하다. 상기 엔진이 터보 과급기 또는 임의의 다른 수단에 의해 수퍼 과급되는 경우, EGR 가스를 미리 냉각시키는 것이 훨씬 더 필수적이다.

둘째, EGR-가스/신선한-가스 혼합물이 더 뜨거울수록, 상기 엔진의 효율에 해로운 덜거덕거리는 현상이 더 촉진된다.

문제는 냉각된 EGR로 희석된 충전물에 산소가 적다는 것이다. 이것은 또한 특히 충전물이 화학양론적이라는 것과 덜거덕거림에 견디는 것을 추구하는 것이 목표이라는 것 때문에 역설적이다. 이러한 산소 결핍은 상기 충전물이 냉각된 EGR로 희석되지 않을 때보다 연소 개시를 수행하기 더 어렵게 하고 상기 연소의 진행을 더 느리게 한다.

포지티브 점화 엔진에서, 연소의 개시는 서로 수 십 밀리미터 거리에 위치된 2개의 전극 사이에 고온 전기 아크를 생성함으로써 발생한다.

공기-연료 충전물이 냉각된 EGR로 크게 희석될 때, 전기 아크는 산소와 연료가 전체적으로 부족한 혼합물을 통과한다. 우연히, 스파크 플러그의 애노드로부터 캐소드를 분리하는 10분의 수 밀리미터의 공간에 충분히 연소될 수 있는 EGR-가스/신선한-가스 혼합물이 포함되지 않은 경우, 실제로, 연소 챔버의 3차원 공간에 다른 것보다 산소 및/또는 연료가 풍부한 포켓을 갖는 불균일함이 불가피하게 생성되기 때문에 실화(misfire)의 위험이 증가한다.

연소가 원하는 대로 개시되면, 충전물에 포함된 연료 에너지가 열로 방출되기 시작하고 화염이 발생하기 시작한다. 이를 위해, 상기 화염은 연속적인 접근에 의해, 즉, 연소 가능한 층 이후에 연소 가능한 층이 있는 것에 의해 주위의 EGR-가스/신선한-가스 혼합물로 열을 전달한다. 각각의 층은 이전 층에 의해 점화 온도로 올라가서, 연소되어 열을 방출하고 열은 다음 층으로 전달되며 이와 같이 계속된다. 연쇄 반응의 원리에 따라, 화염은 포지티브 점화 엔진의 연소 챔버의 3차원 공간에서 전파된다.

냉각된 EGR의 주된 문제점은, 이것이 연소의 개시를 어렵게 하고, 그리고 그 온도가 전체적으로 감소된 것 때문에 그리고 연소 챔버의 체적 내에서 및 그리하여 화염의 경로 상에서 발견되는 산화제 및/또는 연료의 내용물에 불균일성이 있는 것 때문에 연소의 진행을 상당히 늦추게 한다는 것이다.

더욱이, 실험에 따르면, 냉각된 EGR 충전물 함량이 높을수록 엔진이 더 불안정해지는 것을 보여준다. 특정 함량으로부터 실화가 발생하고, 지금까지 충전물의 냉각된 EGR의 함량에 따라 증가하는 경향이 있던 효율이 감소한다. 상기 EGR이 특정 함량을 넘으면, 포지티브 점화 모터가 정지하고, 연소가 스스로 개시될 수 없게 된다.

또한, 배기 가스의 연소되지 않은 탄화수소 및 일산화탄소 함량은 충전물의 냉각된 EGR 함량과 함께 증가한다는 것이 관찰된다. 이것은, 혼합물의 포켓이 경로 상의 화염과 적절히 마주쳐서 연소하기에는 너무 불량하고, 엔진의 연소 챔버의 차가운 내부 벽 부근에 화염을 포획하는 경계층이 두껍게 형성되기 때문이다.

실험에 따르면, 점화 능력이 높을수록 엔진의 안정성에 큰 영향을 주지 않고 충전물의 냉각된 EGR 함량을 증가시킬 수 있다는 것을 더 보여준다.

그리하여 미국의 "사우쓰웨스트 리서치 인스티튜트(Southwest Research Institute)"와 같은 많은 연구실에서는 충전물의 냉각된 EGR 함량의 접근 한계를 확장시키기 위해 점점 더 강력한 전기 점화 장치를 개발했다. 물론 이 전략의 목적은 포지티브 점화 엔진의 효율을 향상시키는 것이다.

이 연구에서 전기 점화 능력을 도약시키는데 있어 문제는 그 성능이 그 능력에 따라 급속히 감소한다는 것이다. 점점 더 많은 전기 전력을 제공해도 점점 더 적은 추가적인 점화 능력이 얻어진다.

또한, 전극이 스파크 플러그로부터 멀리 이동하여 스파크가 연소 가능한 포켓을 횡단할 기회를 더 많이 제공하는 경우에만, 또는 스파크의 지속 시간이 증가하는 경우, 또는 스파크가 다시 발생하는 경우 높은 전기 전력이 중요하다. 이것은 점점 더 높은 전압 및 전기 전력을 야기하여, 스파크 플러그의 수명을 현저히 감소시키면서 스파크 플러그의 전기적 절연을 달성하는 것을 더욱 복잡하게 만든다.

또한 충전물을 점화하는데 있어 어려움은 덜거덕거림에 대한 감도를 줄이려고 의도된 수퍼 과급된 포지티브 점화 엔진에 냉각된 EGR이 더욱 중요하다는 사실에서 기인한다. 그러나, 수퍼 과급 압력이 높을수록, 스파크 유도 순간에 스파크 플러그의 전극들 사이에서 EGR-가스/신선한-가스 혼합물의 밀도가 더 중요하고, 상기 스파크를 유도하는데 필요한 전압이 더 높아진다.

이러한 관점에서, 엔진의 실린더 내로 동일한 에너지가 도입되는 경우, 전극들 사이에 있는 가스의 질량이 상기 가스의 자가 발화의 저항성만큼 증가하기 때문에, 냉각된 EGR은 올바른 방향으로 진행하지 않는다.

본 출원인에 속하는 특허 FR 2 986 564는 이러한 문제점에 대한 확실한 응답임을 주목해야 한다. 상기 특허 문헌에 언급된 내연 엔진용의 스파크 점화 및 고압 성층 장치(stratification device)는, 냉각된 EGR로 희석되지 않아서 연료가 약간 풍부할 수 있는 것으로 인해, 스파크 플러그의 중심에, 그리고 스파크가 트리거링되기 직전에, 고도로 연소성이 있는 대략 화학량론적인 파일럿 충전물을 고압 하에서 분사할 것을 제안한다.

일단 상기 장치에 의해 분사되면, 상기 파일럿 충전물은, 상기 전극들 사이에 전기 아크가 형성되자마자, 스파크 플러그의 전극을 입욕(bathing)시키고, 상기 충전물은 즉시 점화되어 충전물이 포함하는 에너지를 방출한다. 따라서, 상기 충전물은 그 자체가 충전물을 점화할 수 있는 전기 아크의 능력보다 수백 내지 수천 배 더 큰 능력을 갖는 점화 수단을 구성한다. 전기적 수단만으로 이러한 점화 능력을 얻는 것은 사실상 불가능하다.

경험에 따르면, 이용 가능한 가장 강력한 단일 전기 점화 장치만으로는 30% 정도의 율(rate)이 가능한데 비해 이러한 장치로는 50% 정도의 냉각된 EGR 율이 가능하다는 것을 보여주었다.

특허 번호 FR 2 986 564에서 채택된 접근법은 발명자 프레드 엔. 사우어(Fred N. Sauer) 및 제이. 브리안 배리(J. Brian Barry)의 미국 특허 번호 4,319,552 또는 보쉬 컴퍼니(Bosch Company)에 속하는 특허 번호 DE 41 40 962 A1에 관련 형태로 발견됨을 주목해야 한다.

어쨌든, 오비탈 컴퍼니(Orbital Company)의 미국 특허 번호 6,564,770은, 그 목적이, 설명에 따르면, 상대적으로 낮은 압력에서, 주 충전물의 구성이 가능한 한 균일한 것을 보장하는 것일 뿐, EGR로 매우 희석된 주 충전물을 점화하기 위한 파일럿 충전물을 제공하기 위한 것이 아니기 때문에 이러한 범주에 속하지 않는다.

방금 설명한 특허 번호 FR 2 986 564 및 관련 특허 문헌에서 설명된 장치의 문제점은 매우 효율적으로 연소를 개시하는 것에 있는 것이 아니라 상기 연소를 진행시키는 데에 있다. 특히, 주 충전물에 포함된 연료의 연소된 분율이 약 50%에 도달할 때에는, 연소가 거의 진행되지 않아서 전체 주 충전물을 연소시키는 데 필요한 총 시간은 냉각된 EGR로 희석되지 않은 전체 주 충전물을 연소시키는 데 필요한 시간보다 더 길다.

그 결과, 냉각된 EGR의 잠재적 에너지 이득의 일부는 너무 느리게 진행하는 연소로 인해 손실된다.

그러나, 한편으로는 냉각된 EGR 함량이 50% 정도이고, 다른 한편으로는, 엔진이 희석되지 않은 충전물을 연소시킬 때 동일한 엔진에서 발견되는 것과 동등한 안정성 및 전체 연소 지속 시간을 동시에 갖는 포지티브 점화 엔진을 작동시키는 것이 가능하다면 냉각된 EGR의 최대 장점을 발견할 수 있다.

해결책은 파일럿 충전물이 도입되는 프리챔버(prechamber)를 사용하는 것으로 비롯될 수 있고, 상기 프리챔버는, 미국 특허 번호 4,319,552에 제안된 바와 같이 스파크 플러그의 전극을 수용할 수 있고 심지어 상기 스파크 플러그의 일체 부분을 형성할 수 있다.

이러한 프리챔버의 제1 장점은 프리챔버가 스파크 플러그의 전극에 가능한 한 가깝게 파일럿 충전물을 유지하여, 상기 충전물의 점화 전에 포지티브 점화 모터의 주 연소 챔버에서 상기 충전물이 분산되는 것을 제한할 수 있다는 것이다.

상기 프리챔버의 제2 장점은, 일단 점화되면, 파일럿 충전물이 상기 프리챔버를 가압하여 상기 프리챔버에 포함된 오리피스를 통해 포지티브 점화 엔진의 주 연소 챔버로 고속으로 화염 가스 토치를 보낸다는 것이다.

이렇게 토치에 의해 주 충전물을 점화시키면, 통상적인 스파크 플러그의 경우와 같이 화염이 연소 챔버의 중심에서부터 출발하는 것이 아니라 화염이 연소 챔버의 다수의 장소에서 개시되고 나서 챔버의 외주로부터 챔버의 중심 쪽으로 반경 방향으로 그리고 각 토치 사이에 접선 방향으로 전개되기 때문에 매우 효과적이다.

따라서 연료의 에너지가 매우 짧은 시간에 방출되어서, 트리거링이 일의 관점에서 보다 생산적인 것뿐만 아니라, 신속한 연소에 의해 덜거덕거림에 대한 감도가 감소되어, 현저히 높은 체적비로 상기 엔진을 작동시키는 것을 허용하는 것으로 인해 포지티브 점화 엔진의 열역학적 효율 면에서 유리하다.

어쨌든, 미국 특허 번호 4,319,552 또는 본 출원인에 속하는 특허 FR 2,986,564에 또는 이미 언급된 관련 특허 문헌에서 제안된 해결책은, 공기와 연료의 혼합물이 아니라 연료만을 프리챔버로 분사하거나 분사하지 않는 것을 포함하는 다수의 특허 문헌에 비교될 수 없다.

이들 특허 문헌은 예를 들어, 플루이드 리서치 리미티드(Fluid Research Limited)사에 속하는 특허 번호 GB 2 311 327A, 타이스 테크놀로지사(Tice Technology Corp.)에 속하는 미국 특허 번호 4,864,989, 제너럴 모터스(General Motors)사에 속하는 미국 특허 번호 4,124,000, 포드 모터 컴퍼니(Ford Motor Company)사에 속하는 미국 특허 번호 4,239,023, 발명자 디에터 쿠네르트(Dieter Kuhnert)에 속하는 미국 특허 번호 4,892,070, 발명자 라두 오프레아(Radu Oprea) 및 에드워드 라코시(Edward Rakosi)에 속하는 미국 특허 번호 2001/0050069 A1, 또는 발명자 윌리엄 아타드(William Attard)에 속하는 미국 특허 번호 2012/0103302 A1을 포함하고, 이 문헌의 원리에 기초하여 포뮬러 1의 엔진을 위해 독일 회사인 "말레(Mahle)"에 의해 개발된 "난류 제트 점화(Turbulent Jet Ignition)"라고 불리는 점화 시스템이 형성된다.

충전물에서 전체적으로 연료 함량은 낮지만 산소는 풍부하기 때문에 점화 지점 부근에서 연료 충전물을 풍부하게 하는 것을 유일한 목적으로 하는, 소위 "희박 연소" 포지티브 점화 엔진을 위해 의도된 전술된 특허 문헌에 제시된 해결책과, 냉각된 EGR로 크게 희석된 충전물로 작동되는 포지티브 점화 엔진용으로 주로 의도되고, 충전물에서 연료 및 산소가 전체적으로 낮기 때문에 점화 지점 부근에서 연료 및 산소가 풍부한 혼합물을 제공하도록 의도된 특허 FR 2 986 564 및 관련 특허 문헌에 제시된 해결책 사이에는 실제로 근본적인 차이가 있다.

이 점에서, 상기 충전물로 스파크 플러그의 전극을 포위하기 위해, 특허 번호 FR 2,986,564에 제안된 바와 같이, 공기와 연료로 구성된 매우 인화성인 파일럿 충전물을 분사하면, EGR로 강하게 희석된 주 충전물을 효과적으로 점화시킬 수 있다는 것이 주목된다.

또한 일단 상기 주 충전물이 점화되었다면, 상기 충전물에 포함된 연료의 총량의 약 50%가 연소될 때까지 연소가 신속히 진행한다는 것이 주목된다. 상기 50%를 넘으면 연소는 더 느리게 진행되어, 주 충전물의 특정 EGR 함량에서부터, 포지티브 점화 엔진의 열역학적 효율은 예상보다 증가하는 것이 아니라 감소한다.

미국 특허 번호 4,319,552에 제안된 바와 같이, 파일럿 충전물이 스파크 플러그의 전극이 수용되는 프리챔버로 분사되면, 50%를 넘어 연소가 진행하는데 있어서 후자의 문제는 완전히 또는 부분적으로 해결될 수 있는 것으로 가정된다.

실제로, 상기 프리챔버는 고속으로 이동하는 화염 가스의 토치를 오리피스를 통해 토출할 수 있어서, 점화 지점 주위에서 큰 반경 방향 길이에 걸쳐 연소를 개시할 수 있지만, 상기 토치에 수직으로 화염이 진행하는 것을 향상시킬 수 있는 화염 면을 형성할 수도 있다.

그러나, 후자의 해결책은 여러 가지 이유로 충분히 만족스럽지 못하며, 이들 이유 중 일부는 특히 포지티브 점화 엔진과 관련하여 프리챔버에 기초한 점화 장치를 포기하게 만들었다.

실제로 효과가 있기 위해서는 프리챔버는 화염 가스를 토출하여 토치를 형성하는 오리피스가 엔진의 차가운 내부 벽에 닿지 않도록 충분히 돌출된 돔(protruding dome)을 가져야 한다. 상기 오리피스를 고속으로 통과함으로써, 상기 가스는 상기 돔을 가열하고, 이 돔은 - 특정 온도에서부터 - 스튜어트 허버트-아크로이드(Stuart Herbert-Akroyd)에 의해 발명되고 1891년 12월 4일자 특허 CHD4226에 설명된 내연 엔진의 점화 시스템과 동일한 방식으로 "화염 볼(flaming ball)"처럼 거동한다. 이러한 핫 스폿(hot spot)은 스파크에 의해 제어되지 않는 주 충전물의 의도치 않는 점화를 야기할 수 있다. 뒤따라올 수 있는 덜거덕거림은 포지티브 점화 엔진을 손상시키거나 심지어 파괴할 가능성이 있다.

하나의 해결책은 상기 돔을 집중적으로 냉각시켜서 상기 돔이 핫 스폿이 되는 것을 방지하는 것일 수 있다. 그러나 그 결과 열 배출은 한편으로는 상기 돔 내의 오리피스를 통과하는 동안 온도 및 속도가 감소되는 화염 가스 토치의 효율에 악영향을 미칠 수 있고, 다른 한편으로는 포지티브 점화 엔진의 열역학적 효율에 악영향을 미칠 수 있다.

다시 말해, 돔이 너무 뜨거워지거나 너무 차가워지고, 그리고 가장 중요한 것으로, 주 충전물을 점화시키는 것이 프리챔버와 파일럿 충전물에 매우 의존하게 된다. 이러한 의존성은, 포지티브 점화 엔진이, 많은 경우에 발생하는, EGR로 주 충전물을 거의 희석하지 않거나 또는 전혀 희석할 것을 요구하지 않을 때 불리하게 된다.

실제로, 고압으로 올라간 공기 연료 파일럿 충전물을 형성하는 것은 에너지 면에서 자유로운 것은 아니다. 먼저 포지티브 점화 엔진 자체에 의해 구동되는 압축기를 필요로 하는, 공기를 압축하고 나서, 상기 공기에 연료를 분사하는 것을 필요로 한다. 또 다른 전략은 이전에 형성된 공기-연료 혼합물을 직접 압축하는 것일 수 있다.

무시할 수 없는 에너지 비용 때문에, 동일한 점화 효율에서 주 충전물의 질량에 비해 파일럿 충전물의 질량이 작을수록, 엔진이 높은 EGR 율에서 작동할 때 포지티브 점화 엔진의 최종 에너지 출력이 더 좋아진다. 그리하여, 파일럿 충전물의 질량에 비해 가능한 최대 주 충전물을 점화하기 위해 특정 효율을 파일럿 충전물에 제공하기 위해 가능한 모든 것을 행할 필요가 있다.

다시 말해, 동일한 점화 효율에서, 파일럿 충전물은 가능한 최저 압력 하에서 가능한 한 최소량의 공기-연료 혼합물을 압축해야 한다.

그러나 파일럿 충전물을 압축하는 것과 관련된 에너지 소비는 특히 주 충전물이 EGR로 거의 희석되지 않거나 전혀 희석되지 않을 때 항상 정당화되는 것은 아니다. 그러나 - 대부분의 작동 시간 동안 차량 엔진의 작동을 특징짓는 - 부분 충전량에서, 펌핑 손실은 흡기 밸브의 유연한 제어를 통해 감소될 수 있다.

부분 충전량에서, "가변 밸브 작동(Variable Valve Actuation)"으로 알려진 이 전략은 유리하게는 EGR을 대체하고, 에너지가 많이 소모되는 파일럿 충전물에 의지하지 않고 상기 EGR에 의해 허용되는 것과 유사한 포지티브 점화 엔진 수율을 초래한다.

강한 터보 과급 하에서 높은 충전물은 파일럿 충전이 필요치 않는 또 다른 경우일 수도 있다.

실제로 EGR은 동일한 에너지가 포지티브 점화 엔진의 실린더(들)에 도입된 상태에서 요구되는 부스트 압력을 증가시킨다. 매우 높은 충전량에서 및 상기 엔진의 충전물이 EGR로 희석된 동안, 포지티브 점화 엔진에 원하는 동력을 얻기 위해, 수퍼 과급기 압축기는 충전물이 희석되지 않는 경우보다 더 열심히 일해야 한다. 특정 EGR 율을 넘으면, 엔진의 배기에 배치된 터빈은 더 이상 상기 압축기를 구동하기에 충분한 동력을 갖지 않는다. 접근 가능한 EGR의 율은 파일럿 충전물이 연소를 개시 및 진행하는 것을 보장하는데 더 이상 필요치 않은 점으로 제한된다.

요컨대, 이상적인 상황은, 주 충전물이 EGR로 거의 희석되지 않거나 또는 전혀 희석되지 않을 때 종래의 스파크 플러그에 의해 주 충전물을 점화시키고, 상기 주 충전물이 EGR로 매우 희석될 때에는 가능하면 프리챔버를 통해 파일럿 충전물로 파일럿 점화 장치에 의해 주 충전물을 점화시키는 것일 수 있다.

제2 스파크 플러그는 종국적으로 이러한 요구를 보상할 수 있다. 그러나, 실린더당 4개의 밸브 및 연소 챔버 내로 직접 개방되는 분사기를 구비한 현대의 자동차 엔진의 실린더 헤드에 상기 제2 스파크 플러그를 수용하는 것은 사실상 불가능하다.

그래서, 한편으로는, 특허 FR 2 986 564에 기술된 원리에 따른 파일럿 충전물 분사에 의존할 때, 예를 들어, 미국 특허 번호 4,319,552에 설명된 바와 같이 프리챔버를 사용하는 장점으로부터, 및 다른 한편으로는, 종래의 스파크 플러그로 종래 방식으로 점화하는 장점으로부터, 동시에 이익을 얻기를 원한다면, 종래의 스파크 플러그가 동작할 때 상기 프리챔버를 후퇴시킬 수 있고 그 반대로 구현할 수도 있다.

또한, 프리챔버가 사용될 때, 상기 프리챔버는 전술한 바와 같이 "화염-볼" 점화 장치와 같이 거동하지 않고, 또는 적어도 주 충전물의 연소 개시가 선택된 시간에 효과적으로 트리거링될 수 있고, 제어되지 않은 시간에 발생하지 않는 것을 필요로 할 수 있다.

이것은 주 충전물을 포함하는 엔진의 연소 챔버의 3차원 공간에서 화염 가스 토치를 확산시킬 때 상기 프리챔버의 효과를 감소시키지 않으면서 자가 점화를 트리거링할 수 있는 프리챔버의 화염 구획을 냉각시키는 것을 수반한다.

그러나 현대의 수퍼 과급 엔진이 거의 항상 직접 가솔린 분사를 받는 한, 동일한 수단으로 파일럿 충전물에 의지하지 않고 주 충전물을 점화할 수 있기를 원한다면 파일럿 충전물을 점화하기 위한 목적으로 스파크 플러그의 전극을 수용하는 프리챔버를 채택하는 것은 거의 불가능하다.

실제로, EGR로 냉각된 충전물을 크게 희석하는 것은 이러한 유형의 엔진에 매우 유리하다. 그러나, 연료 분사기에 의해 형성된 매우 인화성인 연료 혼합물이 상기 전극을 입욕하도록, 직접 분사를 하는 수퍼 과급된 엔진의 스파크 플러그의 전극은 돌출되어야 한다. 이제, 상기 전극이 오리피스가 제공된 프리챔버 내에 있는 경우, 이 조건은 충족되지 않아서 연소의 개시는 더 이상 보장될 수 없다. 이 문제를 피하기 위해 에너지 비용이 적지 않은 파일럿 충전물에 의해 점화하는 것에 항상 의지하는 것이 필요할 수 있다.

상기 전극이 프리챔버에 수용되는 경우, 연료 혼합물로 스파크 플러그의 전극에 도달하는데 있어서 어려움은 특히, 예를 들어, 푸조 시트뢴 오토모빌(Peugeot Citron Automobile)의 특허 번호 EP 1 464 804 A1에서 다루어지는데, 이 문헌은 상기 프리챔버의 벽에 있는 오리피스를 통해 프리챔버 내로 공기-연료 혼합물의 일부가 관입(penetration)하는 것을 용이하게 하는 상당한 직접 분사 압력을 요구한다.

더욱이, 후자의 특허 문헌은, 프리챔버에 의해 생성될 수 있고 덜거덕거림을 트리거링하는 것에 자동차 운전자가 염려하는 "화염 볼" 효과를 이 문헌에서 암시적으로 다루는, 동일한 출원인의 특허 번호 EP 1 411 221 A2의 원리를 물려받고 있다.

실제로, 상기 특허 문헌의 청구항 10에, 20℃에서의 열 전도율이 적어도 10W/K/m, 바람직하게는 적어도 30W/K/m인, 합금으로 된 프리챔버의 벽을 형성하는 것이 제안된다. "화염 볼" 효과를 피하기 위해 프리챔버의 벽을 가능한 한 빨리 냉각시킬 수 있도록 하기 위해 이 기능이 요구되는 것으로 이해된다.

동일한 특허 문헌의 청구항 13에, 프리챔버의 벽 및 오리피스는 내화성 재료로 코팅될 수 있는데, 이것은 화염 가스 토치의 온도를 과도하게 감소시키지 않기 위해 그리고 또한 열 엔진의 차가운 부분으로 너무 많은 열이 배출되는 것을 피하기 위해 재료를 충분히 높은 온도에 유지할 필요가 있는 것으로 또한 밝혀졌다. 그러나 이러한 내화성 재료는 "화염 볼" 효과를 촉진하지 못하여, 이 문제를 극복할 수 없다.

또한, 상기 특허 EP 1 464 804 A1 및 EP 1 411 221 A2에 개시된 잠재적인 문제점은 프리챔버가 배열된 스파크 플러그를 기술하는 많은 특허 문헌에서 다른 형태로 발견된다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 이 특허 문헌은 DE 0 675 272 A1 및 그 변형 WO 03/071644 A1 하에 알려진 것, 및 EP 1 143 126 A2 또는 EP 1 701 419 A1 하에 공개된 것을 포함한다.

통합된 프리챔버를 갖는 스파크 플러그를 생산한다는 아이디어는 1936년 7월 14일자 미국 특허 번호 2,047,575에 의해 입증된 바와 같이 오래된 것임이 주목된다.

더욱이, 이 특허 문헌에 개시된 스파크 플러그는 오리피스를 갖는 단순한 캡(cap)으로 구성된 "수동" 프리챔버를 포함한다. 이러한 유형의 프리챔버는 일정한 속도로 작동하는 엔진에서 주로 사용된다. 실제로, 상기 프리챔버의 오리피스 구획은, 화염 가스 토치가 상기 오리피스를 통해 충분한 토출 속도에 도달하게 하기에 충분한 차동 압력이 프리챔버에 포함된 충전물 분율을 점화할 때 얻어지도록 제공된다.

문제는, 이 프리챔버가 상기 오리피스를 통해 비워지면, 이 프리챔버는 또한 동일한 오리피스를 통해 채워진다는 것이다. 그 결과, 이러한 스파크 플러그를 사용하는 것은 오리피스 구획과 엔진의 회전 속도 간의 정확한 균형에 기인한다. 이것은 포지티브 점화 엔진의 속도가 끊임없이 변하는 자동차에서 이러한 유형의 스파크 플러그가 사용되지 않는 이유를 설명하는 것을 도와준다.

프리챔버의 높은 온도와 프리챔버의 충전 및 배출에 의해 야기되는 문제에 더하여, 특허 번호 FR 2 986 564에 제안된 바와 같이, 공기와 연료의 혼합물로 구성된 파일럿 충전물을 분사하는 특정 상황에서, 상기 파일럿 충전물을 점화하기 이전에 주 충전물에서 상기 파일럿 충전물이 분산되는 문제가 또한 발생한다는 것이 주목된다. 이러한 분산은 주 충전물을 점화시키는 파일럿 충전물의 특정 효율을 감소시킨다. 이것은 상기 파일럿 충전물의 질량을 증가시킴으로써만 보상될 수 있는데, 이 경우 포지티브 점화 엔진의 최종 에너지 효율이 희생된다.

문제는 주 충전물에 파일럿 충전물을 도입하는 분사기가 주 충전물의 압력을 필연적으로 초과하는 압력 하에서 상기 파일럿 충전물을 분사하는데 시간을 필요로 한다는 사실에 기인한다.

또한, 파일럿 충전물의 분사 압력은 대략 일정하게 유지되는 반면, 주 충전물의 압력은 포지티브 점화 엔진의 피스톤이 상사점(top dead center)을 향해 상승함에 따라 압축하는 효과 하에서 증가한다는 것이 주목된다. 그리하여 파일럿 충전물의 분사 시작은 상기 분사 종료 시보다 더 큰 차동 압력 하에서 발생한다. 파일럿 충전물의 구성 가스를 토출하는 속도는 분사 종료 시보다 분사 시작 시에 더 크다는 것이 따른다.

가능하지 않은 큰 체적의 프리챔버가 있는 경우를 제외하고는 파일럿 충전물의 일부는 프리챔버의 오리피스를 통해 무정하게 빠져 나가 EGR 함량이 많은 주 충전물과 혼합된다. 파일럿 충전물과 주 충전물 간의 혼합은 분사 시작 시에 특히 두드러진다. 그리하여 공기, 연료 및 EGR로 구성된 혼합물의 인화성은 프리챔버의 체적 내에서 및 프리챔버 밖에서 필연적으로 불균일할 수 있다. 파일럿 충전물이 가능한 한 빨리 점화되면 효율이 감소될 뿐만 아니라 주 충전물을 점화시키는 연소 가스 토치의 효율이 감소될 수 있다. 이러한 효율 감소는 포지티브 점화 엔진의 전체적인 에너지 효율을 희생시키면서 파일럿 충전물의 공기 및 연료 질량을 증가시키는 것에 의해서만 상쇄될 수 있다.

그리하여, 이상적으로는, 상기 파일럿 충전물을 점화하기 전에 파일럿 충전물이 주 충전물로 분산되는 것은 모든 수단을 사용하여 회피되어야 한다.

또한 이상적으로는, 그리고 이전에 본 바와 같이, 포지티브 점화 엔진이 높은 EGR 레벨 하에서 작동할 때에만 프리챔버로 공기-연료 파일럿 충전물을 분사할 필요가 있는 반면, 상기 엔진이 낮은 EGR 하에 있는 상태에서만 또는 심지어 EGR이 없는 상태에서 작동할 때에는, 주 충전물을 점화하는데 종래의 스파크 플러그가 사용되어야 한다.

엔진이 높은 율의 냉각된 EGR 하에서 작동할 때에는, 압축 에너지 비용을 최소화하기 위해 파일럿 충전물의 중량을 최소로 제한하고, 주 충전물을 점화하는 상기 파일럿 충전물의 효율을 가능한 한 증가시키는 것이 항상 목표의 일부가 되어야 한다.

주 충전물을 점화시키는데 종래의 스파크 플러그만이 사용되는 경우, 프리챔버가 어쨌든 "화염 볼"과 같은 거동하지 않도록 하기 위해서는 프리챔버를 제거하는 것이 최상일 - 가장 이상적일 - 수 있다.

궁극적으로, 매우 높은 레벨의 냉각된 EGR 하에서 연소를 개시하고 주 충전물에 포함된 연료의 약 50%가 연소될 때까지 상기 연소를 진행시키는데 효과적인 것으로 판명된 특허 FR 2 986 564에 기술된 장치에, 상기 연료의 적어도 90% 또는 100%가 연소될 때까지 상기 연소를 매우 빠르게 진행시키는 능력을 제공하는 것이 매우 유리할 것이다.

이것은 상기 프리챔버의 통상적인 장애 결함(crippling defect)을 우회하여 그 효율을 현저하게 향상시키는 유일한 조건을 갖는 미국 특허 번호 4,319,552에 의해 제안된 프리챔버에 의해 달성될 수 있다.

상기 모든 목적은, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그로서, - 특정한 실시예에 따르면 -

파일럿 충전물이 분사되고 나서 화염 가스 토치에 의해 주 충전물을 점화시키기 위해 점화되는 프리챔버를 사용하는 장점, 및 가솔린을 직접 분사하는 것과 호환 가능해서, 상기 전극들 사이에 형성된 전기 아크에 의해 주 충전물을 직접 점화시킬 수 있는, 프리챔버에 둘러싸이지 않은 돌출된 전극의 장점으로부터 단일 스파크 플러그를 통해 이익을 얻을 수 있고;

주 충전물의 시기적절치 않은 자가 점화를 일으킬 수 있는 임의의 화염 스폿을 프리챔버가 생성하는 것을 방지할 수 있고;

EGR로 고도로 희석된 주 충전물의 연소를 개시할 뿐만 아니라 상기 주 충전물이 모두 연소될 때까지 상기 연소의 신속한 진행을 보장하는데 필요한 파일럿 충전물의 질량을 최소화할 수 있고;

후자의 목적에서, 상기 파일럿 충전물을 상기 주 충전물에 분사하는 동안 파일럿 충전물이 주 충전물에서 분산되는 것을 피할 수 있는, 상기 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그에 의해 해결된다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는,

프리챔버를 사용하지 않을 때 프리챔버를 후퇴시키고 나서, 상기 프리챔버를 돌출된 전극으로 교체할 수 있고;

일단 프리챔버가 후퇴되면, 2개의 연소 사이클 사이에서 화염 가스에 노출된 상기 프리챔버의 표면을 능동적으로 냉각시킬 수 있고;

파일럿 충전물의 가스가 주 충전물의 가스와 섞이지 않는 둘러싸인 공간에서 파일럿 충전물을 분사하는 시간의 대부분 동안 프리챔버를 폐쇄시킬 수 있다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는 점화 스파크를 야기하기 위해 상기 스파크 플러그의 단자에서 전기 전압을 크게 증가시키는 것을 수반하지 않고, 상기 전압은 통상적인 스파크 플러그에 통상적으로 사용되는 전압 부근에 유지된다는 것이 주목된다.

상기 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는 자동차를 포함하여 의도된 대부분의 응용 분야의 경제적 제약과 호환성을 유지하기 위해 대량 생산하기에 저렴할 것으로 기대된다. 또한, 상기 스파크 플러그의 수명은 종래의 스파크 플러그의 수명과 유사하다고 가정된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는 내연 엔진의 유형에 관계 없이, 내연 엔진이 소비하는 연료에 관계 없이, 연료가 기체이든, 액체이든 또는 고체이든 관계 없이, 주 충전물이 냉각된 EGR로 희석되든 관계 없이, 임의의 종류의 중성 가스로 희석되든 관계 없이, 또는 산소 또는 임의의 다른 산화제가 풍부한 가스로 희석되든 관계 없이 임의의 포지티브 점화 내연 엔진에 적용될 수 있는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 프리챔버에 의해 수용된 파일럿 충전물은 포지티브 점화 엔진의 주 충전물을 구성하는 연료 및/또는 산화제와 상이한 연료 및/또는 산화제를 포함할 수 있는 것으로 더 이해된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 적어도 하나의 실린더를 포함하는 내연 엔진으로서, 상기 실린더 내에서는 피스톤이 병진 운동하며 - 상기 실린더 헤드와 함께 - 주 충전물이 점화될 수 있는 연소 챔버를 형성하고, 주 충전물은 한편으로는 산화제-연료 혼합물로 구성되고, 다른 한편으로는 산소가 풍부한 공기 또는 중성 가스로 다소 희석되고, 상기 챔버 내로 개방되는 흡기 덕트 및 배기 덕트를 더 포함하는 상기 내연 엔진용으로 제공된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는 적어도 전극, 및 베이스 나사산을 갖는 금속 베이스에 수용된 세라믹 절연체, 및 적어도 하나의 중심 전극, 및 적어도 하나의 접지 전극을 포함하고, 상기 스파크 플러그는 성층 덕트(stratification duct)에 의해 내연 엔진에 포함된 연소 챔버에 연결된 성층 공동(stratification cavity)을 더 포함하고, 성층 분사기(stratification injector)는 이전에 가압된 파일럿 충전물을 직접 또는 간접 상기 성층 공동 내로 분사할 수 있고, 상기 충전물은 스파크에 의해 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성되고, 상기 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 본 발명에 따르면,

상기 성층 공동으로 개방되는 적어도 하나의 중심 전극;

완전히 또는 부분적으로 전기 전도성 재료로 만들어지고 상기 성층 덕트 내에 작은 간극을 갖고 부분적으로 또는 완전히 수용된 적어도 하나의 셔틀 전극으로서, 상기 셔틀 전극은 상기 중심 전극과 접지 전극 사이에 배치되어 있고, 첫째 상기 접지 전극을 향하고 상기 연소 챔버에 나타나는 압력에 노출되는 챔버측 단부, 및 둘째, 상기 중심 전극을 향하고 상기 성층 공동에서 나타나는 압력에 노출되는 공동측 단부를 구비하고, 상기 셔틀 전극은, 가스 압력의 영향 하에 상기 성층 덕트 내에서, 상기 성층 공동 내에 나타나는 압력이 상기 연소 챔버에 나타나는 압력보다 더 낮을 때 상기 성층 공동을 향하여 병진 운동할 수 있고, 또는 상기 연소 챔버에 나타나는 압력이 상기 성층 공동에 나타나는 압력보다 더 낮을 때 상기 연소 챔버를 향하여 병진 운동할 수 있는, 상기 적어도 하나의 셔틀 전극;

상기 성층 공동에 가장 가까운 상기 셔틀 전극의 위치를 결정하는 적어도 하나의 공동측 셔틀 전극 지지부(abutment); 및

상기 연소 챔버에 가장 가까운 상기 셔틀 전극의 위치를 결정하는 적어도 하나의 챔버측 셔틀 전극 지지부를 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 상기 셔틀 전극이 상기 성층 공동에 가장 근접할 때 상기 셔틀 전극은 상기 성층 덕트의 전부 또는 일부를 폐쇄하는 반면, 상기 셔틀 전극이 상기 연소 챔버에 가장 근접하게 위치될 때 상기 셔틀 전극은 더 넓은 구획에 걸쳐 상기 성층 덕트를 개방하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 상기 성층 덕트의 전부 또는 일부는 전기 절연성 및/또는 열 절연성 및/또는 내화성 재료로 구성된 절연 슬리브를 갖고, 상기 절연 슬리브는 상기 성층 덕트와 일체형이고 상기 셔틀 전극과 상기 성층 덕트 사이에 반경 방향 및/또는 축 방향으로 배치되고, 상기 셔틀 전극은 상기 절연 슬리브 내에서 병진 이동할 수 있는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 절연 슬리브는 가스가 상기 성층 공동으로부터 상기 연소 챔버로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이방향 채널을 포함하고, 상기 채널은 상기 절연 슬리브의 내측에 및/또는 내부 또는 외부 표면 상에 배열될 수 있는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극은 전기 절연 재료로 제조된 절연성 셔틀 몸체로 구성되고, 상기 몸체는 일체형 전도성 코어에 의해 일측으로부터 타측으로 길이 방향으로 가로지르고, 상기 코어는 전기 전도성 재료로 만들어지고, 상기 코어의 제1 단부는 상기 접지 전극을 향하는 반면, 상기 코어의 제2 단부는 상기 중심 전극을 향하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 공동측 셔틀 전극 지지부는 상기 성층 덕트 또는 상기 성층 덕트의 일단에 배열된 셔틀 전극 폐쇄 안착부(shuttle electrode closing seat)로 구성되고, 상기 안착부는 상기 셔틀 전극의 외주(periphery) 및/또는 단부에 설치된 셔틀 전극 폐쇄 플랜지와 협력하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극 폐쇄 안착부와 셔틀 전극 폐쇄 플랜지는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하고, 상기 밀봉은 상기 연소 챔버에 나타나는 압력이 상기 성층 공동에 나타나는 압력을 초과할 때 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 챔버측 셔틀 전극 지지부는 상기 성층 덕트에 배열되거나 또는 상기 성층 덕트의 일단에 배열되거나 또는 상기 금속 베이스 내에 배열된 셔틀 전극 개방 안착부(shuttle electrode opening seat)로 구성되고, 상기 안착부는 상기 셔틀 전극의 외주 및/또는 단부에 설치된 셔틀 전극 개방 플랜지와 협력하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극 개방 안착부와 셔틀 전극 개방 플랜지는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하여 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극은, 상기 성층 덕트에 대한 상기 셔틀 전극의 축 방향 위치와 관계 없이, 상기 성층 덕트의 대략 중심에 및 상기 성층 덕트와 대략 동일한 길이 방향 배향으로 상기 셔틀 전극을 유지하는 안내 수단을 그 외주에 포함하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극은 가스가 상기 성층 공동으로부터 상기 연소 챔버로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이 방향 채널을 포함하고, 상기 채널은 상기 셔틀 전극의 내측 및/또는 표면 상에 배열될 수 있고, 상기 셔틀 전극의 전체 길이에 걸쳐 제공될 수 있는 반면, 상기 채널의 2개의 단부는 각각 상기 챔버측의 단부와 상기 공동측의 단부에서 또는 상기 길이의 일부만을 따라 개방되는 반면, 상기 채널의 상기 2개의 단부 중 적어도 하나는 상기 셔틀 전극의 외부 표면으로부터 반경 방향으로 개방되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극 폐쇄 플랜지와 셔틀 전극 개방 플랜지는 함께 단일 폐쇄-개방 플랜지를 형성하고, 상기 단일 폐쇄-개방 플랜지는 - 상기 폐쇄-개방 플랜지가 상기 셔틀 전극 개방 안착부와 접촉할 때 - 상기 성층 덕트와 함께 토치 점화 프리챔버를 획정하고, 상기 토치 점화 프리챔버는 한편으로는 상기 성층 공동과 연통함과 동시에, 다른 한편으로는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스를 통해 상기 연소 챔버와 연통하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 토치 점화 프리챔버는 상기 절연 슬리브 내에 배열되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 절연 슬리브는 상기 가스 토출 오리피스가 개방되는 돌출된 토출 돔을 제공하도록 상기 금속 베이스로부터 돌출되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 돌출된 토출 돔은 상기 절연 슬리브 상의 삽입물(insert)인 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 셔틀 전극 개방 안착부는 상기 돌출된 토출 돔 내에 배열되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 상기 토치 점화 프리챔버의 내주 벽은 원통형인 반면, 상기 폐쇄-개방 플랜지는 상기 프리챔버 내에 낮은 반경 방향 간극을 두고 수용되는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 상기 셔틀 전극이 상기 연소 챔버에 근접하여 위치될 때, 즉, 협력하는 상기 챔버측 셔틀 전극 지지부 부근에 위치되거나 또는 접촉하여 위치될 때, 상기 셔틀 전극 폐쇄 플랜지는 상기 성층 공동을 상기 연소 챔버에 연결시키는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스를 노출시키는 것을 제공한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 분사기는 상기 금속 베이스가 상기 베이스 나사산에 의해 나사 결합되는 나사산 형성된 플러그 웰(threaded plug well) 내에 배열되거나 또는 상기 금속 베이스의 외주에 배열되거나 또는 상기 웰 내 및 상기 베이스의 상기 외주 둘 모두에 배열된 환형 파일럿 충전물 분사 챔버를 통해 파일럿 충전물을 상기 성층 공동 내로 직접 또는 간접 분사기 출구 덕트를 통해 분사할 수 있고, 상기 환형 파일럿 충전물 분사 챔버는 상기 금속 베이스에 대략 반경 방향으로 배열된 적어도 하나의 가스 분사 채널을 통해 상기 성층 공동과 연통하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그는, 성층 공동은 상기 세라믹 절연체 내에 배열되는 것을 포함한다.

비-제한적인 예로서 주어지고 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 설명을 통해, 본 발명, 본 발명이 포함하는 특징, 및 본 발명이 제공할 수 있는 장점을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 내연 엔진의 실린더 헤드에 설치될 수 있는, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 개략적인 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 개략적인 단면도로서, 이 셔틀 전극은 성층 덕트 내에 포함된 절연 슬리브 내에서 병진 운동할 수 있는 전기 전도성 재료로 만들어진 단일 부재로 만들어지고, 셔틀 전극 폐쇄 안착부는 공동 측에 셔틀 전극 지지부를 형성하는 반면, 셔틀 전극 개방 안착부는 챔버 측에 셔틀 전극 지지부를 형성하고, 상기 지지부들 모두는 셔틀 전극에 포함된 폐쇄-개방 플랜지와 협력하는 것을 도시하는 도면;
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 그리고 도 2에 도시된 특정 구성에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 개략적인 부분 확대 단면도로서, 상기 스파크 플러그의 다양한 작동 단계를 도시하는 확대 도면;
도 9는 본 발명에 따른 및 도 2에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 도면;
도 10은 본 발명에 따른 그리고 도 2에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 길이방향 파단 단면도;
도 11은 본 발명에 따른 및 도 2에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 분해도;
도 12는 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 개략 단면도로서, 이 셔틀 전극은 일체인 전도체 코어에 의해 길이를 따라 일측으로부터 타측으로 가로지르는 절연성 셔틀 몸체로 구성되고, 상기 공동측 셔틀 전극 지지부는 상기 성층 덕트의 단부에 배열된 셔틀 전극 폐쇄 안착부로 구성되고, 상기 안착부는 셔틀 전극의 단부에 제공된 셔틀 전극 폐쇄 플랜지와 협력하는 것을 도시하는 도면;
도 13 내지 도 18은 본 발명에 따른 그리고 도 12에 도시된 특정 구성에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 개략적인 부분 확대 단면도로서, 상기 스파크 플러그의 다양한 작동 단계를 도시하는 확대 도면;
도 19는 본 발명에 따른 그리고 도 12에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 도면;
도 20은 본 발명에 따른 그리고 도 12에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 길이방향 파단 단면도; 및
도 21은 본 발명에 따른 및 도 12에 도시된 변형 실시예에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그의 3차원 분해도.

도 1 내지 도 21은 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1), 그 구성 요소의 다양한 상세, 변형예, 및 그 부속품을 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는, 적어도 하나의 실린더(8)를 포함하는 내연 엔진(2)으로서, 상기 실린더 내에서는 피스톤(9)이 병진 운동하며 - 실린더 헤드(10)와 함께 - 주 충전물(12)이 점화될 수 있는 연소 챔버(11)를 형성할 수 있고, 주 충전물은 한편으로는 산화제-연료 혼합물로 구성되고, 다른 한편으로는 산소가 풍부한 공기 또는 중성 가스로 다소 희석된, 상기 내연 엔진용으로 제공된다.

셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)가 제공된 내연 엔진(2)은 연소 챔버(11) 내로 개방되는 흡기 덕트(13) 및 배기 덕트(14)를 더 포함하는 반면, 상기 스파크 플러그(1)는 베이스 나사산(5)을 갖는 금속 베이스(4) 내에 수용된 세라믹 절연체(3)를 포함한다.

셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 적어도 하나의 중심 전극(6) 및 적어도 하나의 접지 전극(7)을 더 포함하는 한편, 스파크 플러그는 성층 덕트(16)에 의해 연소 챔버(11)에 연결된 성층 공동(15)을 더 포함하는 반면, 성층 분사기(17)는 성층 압축기(19)에 의해 이전에 가압된 파일럿 충전물(18)을 상기 성층 공동(15) 내로 직접 또는 간접 분사할 수 있고, 상기 충전물(18)은 스파크에 의해 쉽게 인화될 수 있는 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성된다.

도 1 내지 도 21은 중심 전극(6)이 성층 공동(15) 내로 개방된다는 점에서 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 종래 기술과 다른 것을 도시한다.

더욱이, 도 1 내지 도 21은 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)가, 완전히 또는 부분적으로 전기 전도성 재료로 제조되고 성층 덕트(16) 내에 작은 간극을 갖고 부분적으로 또는 완전히 수용되는 셔틀 전극(20)을 포함하는 것을 도시한다.

도 1 내지 도 21에서, 셔틀 전극(20)은 중심 전극(6)과 접지 전극(7) 사이에 배치되고, 한편으로는 접지 전극(7)을 향하고 연소 챔버(11)에 나타나는 압력에 노출되는 챔버측 단부(21), 및 다른 한편으로는 중심 전극(6)을 향하고 성층 공동(15)에 나타나는 압력에 노출되는 공동측 단부(22)를 갖는다는 것이 주목된다.

본 발명의 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)에 따르면, 셔틀 전극(20)은, 가스 압력의 영향 하에서 성층 덕트(16) 내에서, 성층 공동에 나타나는 압력이 연소 챔버(11)의 압력보다 더 낮으면 성층 공동(15)을 향해 병진 이동될 수 있고, 또는 연소 챔버에 나타나는 압력이 성층 공동(15)의 압력보다 더 낮으면 연소 챔버(11)를 향해 병진 이동될 수 있다는 것이 주목된다.

셔틀 전극(20)은 임의의 장점 또는 바람직한 작동 모드로 해석될 수 없는 중력 또는 가속도의 영향 하에서 성층 덕트(16) 내에서 이동할 수도 있다는 것이 주목된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 성층 공동(15)에 가장 가까운 셔틀 전극(20)의 위치를 결정하는 적어도 하나의 공동측 셔틀 전극 지지부(23)를 더 포함한다.

마지막으로, 본 발명에 따른 상기 스파크 플러그(1)는 연소 챔버(11)에 가장 가까운 셔틀 전극(20)의 위치를 결정하는 적어도 하나의 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)를 포함한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 실시예에 따르면, 공동측 셔틀 전극 지지부(23) 및/또는 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)는 각각 중심 전극(6) 및/또는 접지 전극(7)으로 구성될 수 있다는 것이 주목된다.

대안적으로, 셔틀 전극(20)은 길이 방향 축을 따라 회전하는 인덱싱 수단(indexing means)을 포함할 수 있고, 상기 인덱싱 수단은 셔틀 전극이 성층 덕트(16) 내에서 병진 운동하는 것을 방지하지 않고 상기 축을 따라 회전 운동하는 것을 방지한다.

유리하게는, 셔틀 전극(20) 및/또는 셔틀 전극이 내부에서 병진 이동하는 성층 덕트(16)는 알려진 마찰 방지 및/또는 비-점착성 및/또는 내화성 재료로 코팅될 수 있다는 것이 주목된다.

또한, 셔틀 전극(20)은 중공형이고 또는 조명 수단을 가질 수 있는 한편, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 모든 유형의 전극이 중심 전극(6), 접지 전극(7), 챔버측 단부(21) 또는 공동측 단부(22)에 적용될 수 있다.

특히 도 2 내지 도 21에서 볼 수 있는, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 실시예에 따르면, 셔틀 전극(20)은 성층 공동(15)에 가장 근접할 때 성층 덕트(16)의 전부 또는 일부를 폐쇄할 수 있는 반면에, 셔틀 전극은 연소 챔버(11)에 가장 근접하게 위치될 때 더 넓은 구획에 걸쳐 상기 성층 덕트(16)를 개방할 수 있다.

도 2 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 성층 덕트(16)의 전부 또는 일부는 전기 절연성 및/또는 열 절연성 및/또는 내화성 재료로 제조된 절연 슬리브(25)를 포함할 수 있고, 이 절연 슬리브는 성층 덕트(16)와 일체형이고 및/또는 셔틀 전극(20)과 성층 덕트(16) 사이에 반경 방향으로 및/또는 축 방향으로 배치되고, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 절연 슬리브(25) 내에서 병진 이동할 수 있다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 실시예에 따르면, 절연 슬리브(25)는 세라믹 절연체(3)와 일체형일 수 있고 세라믹 절연체와 동일한 재료로 배열될 수 있다는 것이 주목된다. 대안적으로, 절연 슬리브(25)와 성층 덕트(16) 사이의 열 교환을 제한하기 위해, 절연 슬리브(25)의 적어도 일부와 성층 덕트(16) 사이에 에어 갭(air gap)이 남아 있을 수 있다.

도 3 내지 도 8 및 도 11은, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 변형 실시예로서, 절연 슬리브(25)는 가스가 성층 공동(15)으로부터 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이 방향 채널(35)을 포함할 수 있고, 상기 길이 방향 채널(35)은 상기 절연 슬리브(25)의 내측에 배열되거나 또는 내부 및/또는 외부 표면 상에 배열될 수 있는 것을 도시한다.

도 12 내지 도 21은 특히, 셔틀 전극(20)이 전기 절연 재료로 만들어진 절연성 셔틀 몸체(26)로 구성될 수 있고, 상기 절연성 셔틀 몸체(26)는 일체인 전도성 코어(27)에 의해 일 단부로부터 길이 방향으로 타 단부로 가로지르고, 상기 코어(27)는 전기 전도성 재료로 만들어지고, 상기 코어(27)의 제1 단부(28)는 접지 전극(7)을 향하는 반면, 상기 코어(27)의 제2 단부(29)는 중심 전극(6)을 향하는 것을 도시한다.

도 3 내지 도 8, 도 11, 도 13 내지 도 18 및 도 20 및 도 21은 공동측 셔틀 전극 지지부(23)가 성층 덕트(16)에 또는 상기 단부(16)의 일단에 제공되는 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)로 구성될 수 있고, 상기 안착부(30)는 셔틀 전극(20)의 외주에 및/또는 단부에 제공되는 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 협력하는 것을 명확히 도시한다.

성층 덕트(16)가 절연 슬리브(25)를 수용하는 경우, 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)는 상기 절연 슬리브(25) 내에 또는 상기 절연 슬리브(25)의 일단에 배열될 수 있다는 것이 주목된다.

또한 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 전기 전도성 재료로 제조된 셔틀 전극(20)에 부착되는 열 절연 및/또는 내화성 재료로 만들어질 수 있다는 것이 주목된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 실시예로서, 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성할 수 있고, 상기 밀봉은 연소 챔버(11)에 나타나는 압력이 성층 공동(15)에 나타나는 압력보다 더 클 때 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지한다.

도 2 내지 도 8은 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)가 성층 덕트(16)에 배열되거나 또는 상기 성층 덕트(16)의 임의의 하나의 단부에 배열되거나 또는 금속 베이스(4) 내에 배열된 셔틀 전극 개방 안착부(32)로 구성될 수 있고, 상기 안착부(32)는 셔틀 전극(20)의 외주 및/또는 단부에 제공된 셔틀 전극 개방 플랜지(33)와 협력하는 것을 명확히 도시한다.

성층 덕트(16)가 절연 슬리브(25)를 수용하는 경우, 셔틀 전극 개방 안착부(32)는 상기 절연 슬리브(25) 내에 또는 상기 절연 슬리브(25)의 일단에 배열될 수 있다는 것이 주목된다.

또한 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 열 절연 및/또는 내화성 재료로 제조될 수 있고, 셔틀 전극(20)에 부착될 수 있고, 이 셔틀 전극은 전기 전도성 재료로 제조된다는 것이 주목된다.

또한 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 서로 접촉할 때 밀봉을 제공하여 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하도록 할 수 있는 것으로 이해된다.

도 21은 셔틀 전극(20)이 성층 도관(16)에 대해 셔틀 전극(20)의 축방향 위치에 관계 없이 성층 덕트(16)의 대략 중심에 그리고 상기 성층 덕트(16)와 대략 동일한 길이 방향 배향으로 상기 셔틀 전극(20)을 유지할 수 있는 안내 수단(34)을 그 외주에 포함할 수 있다는 것을 명확히 도시한다.

도 9 및 도 19를 제외하고 도 2 내지 도 21은, 셔틀 전극(20)이 가스가 성층 공동(15)으로부터 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이 방향 채널(35)을 포함할 수 있고, 상기 채널(35)은 상기 셔틀 전극(20)의 내측 및/또는 표면 상에 배열될 수 있고 상기 셔틀 전극(20)의 전체 길이에 걸쳐 위치될 수 있는 반면, 상기 채널(35)의 2개의 단부는 각각 챔버측 단부(21)와 공동측 단부(22)에서 개방되거나, 또는 상기 길이의 일부분에서만 개방되는 반면, 상기 채널(35)의 상기 2개의 단부 중 적어도 하나는 셔틀 전극(20)의 외부 표면으로부터 반경 방향으로 개방되는 것을 도시한다.

도 2 내지 도 8 및 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 함께 단일 폐쇄-개방 플랜지(36)를 형성하고, - 상기 단일 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때 - 단일 폐쇄-개방 플랜지는 성층 덕트(16)와 함께 토치 점화 프리챔버(37)를 획정할 수 있다.

이 경우, 토치 점화 프리챔버(37)는 한편으로는 성층 공동(15)과 연통함과 동시에, 다른 한편으로는 예를 들어 금속 베이스(4) 또는 절연 슬리브(25) 내에 대략 반경 방향으로 배열될 수 있는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스(38)를 통해 연소 챔버(11)와 연통한다는 것이 주목된다.

가스 토출 오리피스(38)는 연소 챔버(11)를 향하여 다소 배향될 수 있고 금속 베이스(4)의 원주(circumference)에 대해 다소 접선 방향으로 빠져나갈 수 있다는 것이 주목된다. 또한, 가스 토출 오리피스(38)의 기하학적 형상은 상기 오리피스(38)로부터 나오는 가스의 제트가 오히려 지향성으로 제공되는지 또는 오히려 확산성으로 제공되는지 여부에 따라 변할 수 있다.

예를 들어, 가스 토출 오리피스(38)는 원통형, 원추형이거나 또는 수렴형 또는 발산형을 형성할 수 있다. 또한, 폐쇄-개방 플랜지(36)는 전기 전도성 재료로 제조된 셔틀 전극(20) 상에 위치되도록 열 절연 및/또는 내화성 재료로 제조될 수 있다.

도 3 내지 도 8 및 도 10 및 도 11은 토치 점화 프리챔버(37)가 절연 슬리브(25) 내에 배열될 수 있는 것을 도시한다.

이 경우, 절연 슬리브(25)는 가스 토출 오리피스(38)가 개방되는 돌출된 토출 돔(47)을 제공하도록 금속 베이스(4)로부터 돌출될 수 있고, 상기 돌출된 토출 돔(47)은 예를 들어 클램프(clamp) 또는 크림핑(crimping) 플랜지에 의해 베이스(4) 내 제 위치에 유지될 수 있다.

더욱이, 도 2 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 돌출된 토출 돔(47)은 또한 절기 절연 및/또는 열 절연 및/또는 내화성 재료로 만들어진 절연 슬리브(25) 상의 삽입물일 수 있다.

이러한 특정 구성은 특히 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)를 조립할 수 있게 하고, 특히 셔틀 전극(20)을 구성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)를 토치 점화 프리챔버(37)에 설치할 수 있게 한다.

도 3 내지 도 8은 셔틀 전극 개방 안착부(32)가 돌출된 토출 돔(47) 내에 배열될 수 있는 것을 도시한다.

특히 도 10 및 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 토치 점화 프리챔버(37)의 내주 벽은 원통형일 수 있는 반면, 폐쇄-개방 플랜지(36)는 성층 덕트(16)에 대한 셔틀 전극(20)의 위치에 관계 없이 상기 플랜지(36)와 상기 벽 사이에 작은 반경 방향 간극을 남기도록 상기 프리챔버(37) 내에 작은 반경 방향 간극을 두고 수용될 수 있고, 상기 작은 반경 방향 간극은 성층 공동(15)과 연소 챔버(11) 사이에 가스가 통과하는 것을 늦추는 제한된 통로를 구성한다.

더욱이, 도 13, 도 16, 도 17 및 도 18은, 셔틀 전극(20)이 연소 챔버(11)에 근접하여 위치될 때, 즉, 셔틀 전극이 협력하는 챔버측(24) 상의 셔틀 전극 지지부 부근에 또는 접촉하여 위치될 때 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 성층 공동(15)을 연소 챔버(11)에 연결시키는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스(38)를 노출시킬 수 있고, 상기 오리피스(38)는 예를 들어 금속 베이스(4) 내에 대략 반경 방향으로 배열되고, 연소 챔버(11)를 향해 다소 배향되고 금속 베이스(4)의 원주에 대해 다소 접선 방향으로 빠져나가는 것을 도시한다.

또한, 가스 토출 오리피스(38)의 기하학적 형상은 상기 오리피스(38)를 떠나는 가스 제트가 오히려 지향성으로 제공되는지 또는 오히려 확산성으로 제공되는지 여부에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 가스 토출 오리피스(38)는 원통형, 원추형이거나 또는 수렴형 또는 발산형을 형성할 수 있다.

특히 도 2 및 도 12에 도시된 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 변형예에 따르면, 성층 분사기(17)는 파일럿 충전물(18)을 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)를 통해 성층 공동(15) 내로 직접 또는 간접 분사기 출구 덕트(42)를 통해 분사할 수 있다.

이 경우, 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)는 금속 베이스(4)가 베이스 나사산부(5)에 의해 나사 결합되는 나사산 형성된 스파크 플러그 웰(40) 내에 배열되거나, 또는 상기 금속 베이스(4)의 외주에 배열되거나, 또는 상기 웰(40) 내 및 상기 베이스(4)의 상기 외주 둘 모두에 배열되고, 상기 환형 챔버(39)는 금속 베이스(4) 내에 대략 반경 방향으로 또는 아마도 금속 베이스에 접선 방향으로 배열된 적어도 하나의 가스 분사 채널(41)을 통해 성층 공동(15)과 연통한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 다른 변형예로서, 성층 공동(15)은 세라믹 절연체(3) 내측에 배열된다는 것이 주목된다. 대안적으로, 상기 성층 공동(15)은 열 절연 및/또는 내화성 재료로 코팅될 수 있다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 주 혁신적인 구성 요소, 예를 들어, 셔틀 전극(20), 공동측 셔틀 전극 지지부(23) 또는 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)는, 중심 전극을 향하는 접지 전극이 없는 종래의 스파크 플러그의 금속 베이스와 나사 결합되는 실린더 헤드(10)에 부가된 베이스 내에 수용될 수 있다는 것이 주목된다.

발명의 작동:

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 작동은 도 1 내지 도 21의 도면으로부터 용이하게 이해할 수 있다.

도 1은, 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)가 여기서는 내연 엔진(2) 상에 장착되고, 금속 베이스(4)가 엔진(2)의 실린더 헤드(10)에 나사 결합되는 것을 도시한다.

상기 작동을 상세히 설명하기 위해, 여기서는 셔틀 전극(20)이 이 경우 금속인 전기 전도성 재료만으로 만들어진 것으로 볼 수 있는 도 2 내지 도 11에 도시된 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 예시적인 실시예를 제시한다. 이 예에 따르면, 셔틀 전극(20)은 성층 덕트(16)에 포함된 절연 슬리브(25) 내에서 병진 운동할 수 있고, 상기 절연 슬리브는 셔틀 전극(20)과 성층 덕트(16) 사이에 반경 방향으로 배치되고, 세라믹 등과 같은 전기적 및 열적으로 절연성 재료로 구성된다.

절연 슬리브(25)는 가스가 성층 공동(15)으로부터 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 3개의 길이 방향 큰 구획 채널(35)을 갖는다는 것이 주목된다. 상기 채널(35)은 상기 절연 슬리브(25) 내측에 배열된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 비-제한적인 실시예에 따르면, 공동측 셔틀 전극 지지부(23)는 절연 슬리브(25)의 단부에 배열된 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)로 구성되고, 상기 안착부(30)는 셔틀 전극(20)이 그 외주에 제공하는 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 협력한다는 것이 주목된다.

셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하여, 연소 챔버(11) 내의 압력이 성층 공동(15)에 나타나는 압력을 초과할 때 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하도록 하는 것으로 이해된다.

이 예시적인 실시예에 더 따르면, 또한 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)는 절연 슬리브(25)에도 제공된 셔틀 전극 개방 안착부(32)로 구성되고, 상기 안착부(32)는 셔틀 전극(20)에 의해 그 외주 및/또는 단부에 제공된 셔틀 전극 개방 플랜지(33)와 협력한다는 것이 더 주목된다.

셔틀 전극 개방 안착부(32)와 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하여, 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하도록 한다는 것이 주목된다.

또한 작동을 설명하기 위해 여기서 고려된 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 실시예에 따르면, 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 함께 하나의 단일 폐쇄-개방 플랜지(36)를 형성하도록 결합된다는 것이 더 주목된다. 이것은 특히 도 2 내지 도 8 및 도 10 및 도 11에서 볼 수 있다.

또한, 도 3, 도 6 내지 도 8 및 도 10에서, 폐쇄-개방 플랜지(36)가 협력하는 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때, 이 폐쇄-개방 플랜지는 절연 슬리브(25)와 함께 토치 점화 프리챔버(37)를 획정하고, 이 토치 점화 프리챔버는 한편으로는 성층 공동(15)과 연통함과 동시에, 다른 한편으로는 8개의 가스 토출 오리피스(38)를 통해 연소 챔버(11)와 연통한다는 것이 주목된다.

이 특정 예에 따르면, 상기 오리피스(38)의 직경은 100분의 15 밀리미터인 것으로 가정된다.

도 2 내지 도 11에 특히 도시된 바와 같이, 토치 점화 프리챔버(37)를 수용하기 위해, 절연 슬리브(25)는 상기 프리챔버(37)가 내부에 배열된 돌출된 토출 돔(47)에 의해 연장된다. 도시된 바와 같이, 상기 돔(47)은 금속 베이스(4)로부터 돌출하고, 상기 가스 토출 오리피스(38)는 상기 돔(47) 밖으로 개방된다.

도 2 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 돌출된 토출 돔(47)은 열 절연 및 내화성 재료로 또한 제조된 절연 슬리브(25)에 추가되는 요소인 반면, 셔틀 전극 개방 안착부(32)는 실제로 상기 돔(47) 내에 배열된다.

토치 점화 프리챔버(37)의 내주 벽은 원통형인 반면, 폐쇄-개방 플랜지(36)는 성층 덕트(16)에 대한 셔틀 전극(20)의 위치에 관계 없이 상기 플랜지(36)와 상기 벽 사이에 작은 반경 방향 간극을 남기도록 상기 프리챔버(37) 내에 낮은 반경 방향 간극 - 예를 들어, 100분의 5 밀리미터 - 을 두고 수용된다는 것이 주목된다.

상기 낮은 반경 방향 간극은 연소 챔버(11)로부터 성층 공동(15)으로 또는 그 반대로 전달되는 가스의 대부분을 토치 점화 프리챔버(37)의 내주 벽과 폐쇄-개방 플랜지(36) 사이가 아니라 가스 토출 오리피스(38)를 통과하게 한다.

성층 공동(15) 내의 압력이 연소 챔버(11)에 나타나는 압력보다 더 낮거나 더 높은지에 따라 셔틀 전극(20)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 그 공동측 셔틀 전극 지지부(23) 상에 위치하거나, 또는 도 2 및 도 3, 도 6 내지 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이 그 챔버측 셔틀 전극 지지부(24) 상에 위치하도록 이루어질 수 있다는 것이 주목된다.

이 경우, 방금 설명한 바와 같이, 공동측 셔틀 전극 지지부(23)는 바로 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)인 반면, 챔버측 셔틀 전극 접촉부(24)는 셔틀 전극 개방 안착부(32)로 구성된다.

셔틀 전극(20)이 공동측 셔틀 전극 지지부(23)와 접촉하면, 챔버측 단부(21)와 접지 전극(7) 사이에 남아 있는 공간은, 이 예시적인 실시예에서, 10분의 7 밀리미터인 반면, 그 공동측 단부(22)와 중심 전극(6) 사이에 남아 있는 공간은 10분의 1 밀리미터이다.

반대로, 용이하게 생각할 수 있는 바와 같이, 셔틀 전극(20)은 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)와 접촉할 때, 챔버측 단부(21)와 접지 전극(7) 사이에 남아 있는 공간은 10분의 1 밀리미터인 반면, 공동측 단부(22)와 중심 전극(6) 사이에 남아 있는 공간은 10분의 7 밀리미터이다.

따라서, 접지 전극(7)과 중심 전극(6) 사이에서 발생되는 전기 아크 - 또는 다른 명칭으로 스파크 - 의 총 길이는 일정하고, 10분의 8 밀리미터인 반면, 셔틀 전극(20)이 하나의 지지부(23, 24)로부터 다른 지지부로 이동해야 하는 거리는 10분의 6 밀리미터이다.

따라서, 유리하게는, 상기 전기 아크를 생성하기 위해 생성되는 전기 전압은 일정하고, 포지티브 점화 엔진의 스파크 플러그와 관련하여 통상적으로 사용되는 값에 가까운 반면, 상기 아크의 최대 길이는, 셔틀 전극(20)이 공동측 셔틀 전극 지지부(23)와 접촉할 때 연소 챔버(11)에서 발생하고, 셔틀 전극(20)이 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)와 접촉할 때 성층 공동(15)에서 발생한다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 작동을 이해하기 위해, 작동을 내연 엔진(2)의 4 단계로 분해하는 것이 유용하다.

제1 단계에서, 상기 엔진(2)은 사실상 희석되지 않은 주 충전물(12)을 연소시켜서 그리하여 매우 연소성이 높은 것으로 고려할 수 있다. 파일럿 충전물(18)을 사용하는 것이 필요치 않아서, 파일럿 충전물(18)을 압축하는 것을 회피하고 이러한 맥락에서 상기 엔진(2)에 최대 효율을 제공한다.

내연 엔진(2)의 흡기 단계 동안, 셔틀 전극(20)이 공동측 셔틀 전극 접촉부(23)와 접촉하면, 피스톤(9)은 실린더(8) 내에서 아래로 내려간다. 연소 챔버(11)의 체적이 증가하고 상기 챔버(11) 내에 나타나는 압력은 감소한다. 주 충전물(12)은 흡기 밸브(45)를 통해 내연 엔진(2)의 흡기 덕트(13)를 통해 실린더(8) 내로 도입된다.

따라서, 연소 챔버(11)에서 나타나는 압력은 성층 공동(15)에서 나타나는 압력보다 순간적으로 더 낮아지게 된다. 그 결과, 성층 공동(15)에 포함된 가스는, 지금까지 협력하는 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 폐쇄된 접촉을 형성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘을 가한다. 이러한 상황은 도 6에 도시되어 있다.

상기 힘에 의해, 폐쇄-개방 플랜지(36)와 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30) 사이의 접촉이 끊어지고, 셔틀 전극(20)은, 폐쇄-개방 플랜지(36)가 도 6에도 도시된 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때까지 연소 챔버(11)를 향해 이동한다.

이렇게 할 때, 성층 공동(15)에 여전히 포함된 선행 사이클의 연소된 또는 연소되지 않은 가스가 성층 공동으로부터 빠져나가, 절연 슬리브(25), 토치 점화 프리챔버(37) 및 가스 노출 오리피스(38)에 포함된 가스 통로를 위한 3개의 길이 방향 채널(35)을 통해 주로 그리고 각각 연소 챔버(11)를 향해 진행한다.

또한 그 과정 동안, 폐쇄-개방 플랜지(36)는 셔틀 전극 개방 안착부(32)를 향해 이동함에 따라 처음에는 부분적으로 가스 토출 오리피스(38)를 개방하고 이후 점차적으로 및 최종적으로 완전히 개방함으로써 가스 통로를 위한 길이 방향 채널(35)을 통해 가스 통로를 점진적으로 개방한다는 것이 주목된다.

방금 설명된 순서에 의해, 도 3에 도시된 상황에서 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)를 발견할 수 있다.

피스톤(9)은 그 최하점에 도달하고, 입구 밸브(45)는 폐쇄되면, 상기 피스톤(9)은 실린더(8)에서 상승하여 주 충전물(12)을 압축하기 시작한다. 연소 챔버(11)의 체적은 감소하고 상기 챔버(11)에서 나타나는 압력은 성층 공동(15)에서 나타나는 압력보다 더 높아지는 점까지 증가한다.

그 결과, 연소 챔버(11)에 포함된 가스는 지금까지 협력하는 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 폐쇄된 접촉을 형성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘을 가한다. 그 결과, 셔틀 전극(20)은 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)에 접하여 폐쇄된 접촉을 다시 형성할 때까지 이동한다. 이것은 도 4에 도시된 상황을 초래한다.

폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 폐쇄된 접촉을 형성하는 짧은 순간을 제외한 모든 경우에, 성층 공동(15)으로부터 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 셔틀 전극 폐쇄 안착부의 움직임과 관련된 동적 가스 압력이 주로 존재하고 이 동적 가스 압력은 상기 플랜지(36)에 작용하여 셔틀 전극(20)을 병진 구동한다는 것이 주목된다.

폐쇄-개방 플랜지(36)를 통과하여 연소 챔버(11)로부터 성층 공동(15)으로 가거나 또는 그 반대 방향으로 가는 가스의 양은 피스톤(9)의 움직임에 의존하지만, 또한 한편으로는 실린더(8)에 포함된 상기 가스의 총 체적과 연소 챔버(11) 사이의 비율과, 다른 한편으로는 토치 점화 프리챔버(37)에 포함된 상기 가스의 총 체적, 가스 통로를 위한 길이 방향 채널(35), 성층 공동(15), 가스 분사 채널(41), 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39) 및 분사기 출구 덕트(42)에 의존하는 것으로 이해된다.

또한 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 폐쇄 접촉을 형성할 때 그리고 연소 챔버(11) 내의 압력이 상승하는 동안, 상기 플랜지(36)에 의해 상기 챔버(11) 내에 포함된 가스의 압력에 노출되는 전체 구획은 가스 토출 오리피스(38)의 전체 구획보다 상당히 더 크다는 것이 주목된다. 이것은 충분히 높은 속도로 실린더(8) 내에서 피스톤(9)이 상승하는 동안 셔틀 전극(20)을 성층 공동(15) 쪽으로 밀어낼 만큼 충분한 힘을 셔틀 전극에 생성할 수 있다.

실린더(8) 내에서 상승을 계속하는 피스톤(9)은 주 충전물(12)을 압축하고 이 주 충전물은 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30) 상의 폐쇄-개방 플랜지(36)를 점점 더 가압한다.

주 충전물(12)이 점화되어야 할 때, 중심 전극(6)에 높은 전압 전류를 인가하여, 상기 중심 전극(6)과 셔틀 전극(20)의 공동측 단부(22) 사이에 10분의 1 밀리미터의 전기 아크를 발생하는 반면, 접지 전극(7)과 셔틀 전극(20)의 챔버측 단부(21) 사이에 10분의 7 밀리미터의 제2 전기 아크를 생성하도록 한다. 이러한 상황은 도 5에 도시된다.

성층 공동(15)에 존재할 수 있는 연소 가능한 가스는 중심 전극(6)과 셔틀 전극(20)의 공동측 단부(22) 사이의 거리가 불충분하기 때문에 점화되지 않는다. 실제로, 상기 거리는 성층 공동(15)의 내부 표면을 라이닝하는 알려진 화염-폐쇄 층의 두께보다 작다.

주 충전물(12) 자체는, 사실상 희석되지 않고 매우 연소성이 높은 주 충전물(12)로 작동하는 임의의 포지티브 점화 엔진에서 찾아볼 수 있는 것과 유사한 조건 하에서 점화된다.

피스톤(9)이 상사점을 횡단하면, 피스톤은 실린더(8) 내에서 아래로 내려가서, 이제 연소하는 주 충전물(12)의 구성 가스가 느슨하게 된다. 상기 피스톤(9)은, 크랭크샤프트(43)가 협력하는 커넥팅 로드(44)에 의해 내연 엔진(2)에 포함된 크랭크샤프트(43)에 일을 생산하면서 이 하강을 작동시킨다.

피스톤(9)이 그 하사점 부근에 도달함에 따라, 내연 엔진(2)의 배기 밸브(46)가 개방되고, 연소된 가스가 배기 덕트(14)를 통해 연소 챔버(11)로부터 빠져 나가기 시작한다. 상기 챔버(11)에서 나타나는 압력은 성층 공동(15)에서 나타나는 압력보다 신속히 더 낮아지는 점까지 급격히 저하한다.

성층 공동(15)에 포함된 가스는 지금까지 협력하는 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 폐쇄 접촉을 형성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘을 가한다.

이러한 힘에 의해, 도 6에 도시된 바와 같이, 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때까지, 또는 실제로, 피스톤(9)이 하사점을 넘어갈 때 피스톤이 연소 챔버(11)로부터 배기 덕트(14)를 통해 연소된 가스를 배출하기 시작하기 때문에, 이러한 움직임에 남아 있는 시간이 너무 짧으면, 접촉하지 않을 때까지 셔틀 전극(20)이 연소 챔버(11) 쪽으로 이동한다.

피스톤(9)의 배기 행정 동안 셔틀 전극(20)이 성층 공동(15)을 향해 다시 이동할 수 있는 점까지 가스 압력이 연소 챔버(11) 내에서 실질적으로 상승하고, 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 접촉하거나 접촉하지 않을 때까지 상승할 수 있는 것으로 이해된다. 완전히 또는 부분적으로 발생할 수 있는 이러한 상황은 도 4에 도시되어 있다.

일단 피스톤(9)이 배기 행정의 끝에서 상사점에 도달하면, 내연 엔진(2)은 새로운 4-행정 열역학 사이클을 수행할 수 있고 그 점화는 종래의 스파크 플러그가 장착되고 거의 희석되지 않거나 또는 전혀 희석되지 않아서 매우 인화성이 높은 주 충전물(12)에서 작동하는 모든 상기 포지티브 점화 엔진(2)에서 발견되는 것과 유사한 조건 하에서 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)에 의해 생성되는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 장점은 주 충전물(12)이 예를 들어 "냉각된 EGR"이라고 불리는 냉각된 재순환 배기 가스로 고도로 희석되는 경우에만 현저하다. 실제로, 생성된 가스 혼합물은 점화에 더 저항성이 있어서, 연소 챔버(11)의 3차원 공간에서 연소를 급속히 진행시키는데 전혀 도움이 되지 않는다.

이러한 조건 하에서, 연소를 개시하는데 효과적일 뿐만 아니라, 가능한 최단 시간에 상기 연소를 진행시키는데 파일럿 충전물(18)이 효과적인 것으로 주어진다면 파일럿 충전물(18)을 사용하는 것이 권고되고, 이들 2개의 목적은 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)에 의해 직접 제공된다.

작동을 설명하기 위해 여기서 고려된 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 실시예의 비-제한적인 예에 따르면, 파일럿 충전물(18)이 주 충전물(12)에 포함된 연료의 1 퍼센트를 포함한다고 가정된다.

전술한 바와 같이, 셔틀 전극(20)은 공동측 셔틀 전극 접촉부(23)와 접촉하면, 상기 엔진(2)의 흡기 단계 동안 피스톤(9)은 실린더(8) 내에서 아래로 내려간다.

연소 챔버(11)의 체적이 증가하고 상기 연소 챔버(11)에서 나타나는 압력이 감소한다. 냉각된 EGR로 크게 희석된 주 충전물(12)은 내연 엔진(2)의 흡기 덕트(13)를 통해 흡기 밸브(45)를 통해 실린더(8) 내로 도입된다.

전술한 바와 같이, 연소 챔버(11) 내의 압력은 성층 공동(15)에서 나타나는 압력보다 순간적으로 더 낮아진다. 그 결과, 성층 공동(15)에 포함된 가스는 지금까지 협력하는 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 폐쇄된 접촉을 형성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘을 가한다.

이러한 일 후에, 도 6에 도시된 바와 같이, 폐쇄-개방 플랜지(36)와 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30) 사이의 접촉은 끊어지고, 셔틀 전극(20)은 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때까지 연소 챔버(11)를 향해 이동한다.

이렇게 할 때, 성층 공동(15)에 여전히 포함된 선행 사이클의 연소된 또는 연소되지 않은 가스가 성층 공동(15)으로부터 빠져나가, 절연 슬리브(25), 토치 점화 프리챔버(37) 및 8개의 가스 토출 오리피스(38)에 포함된 가스 통로를 위한 3개의 길이 방향 채널(35)을 통해 각각 연소 챔버(11)를 향해 진행한다.

피스톤(9)이 하사점에 도달하고 입구 밸브(45)가 폐쇄되면, 상기 피스톤(9)은 실린더(8) 내에서 다시 상승하고 냉각된 EGR로 크게 희석된 주 충전물(12)을 압축하기 시작한다. 연소 챔버(11)의 체적은 감소하고 상기 챔버(11) 내의 압력은 성층 공동(15)에서 나타나는 압력보다 더 높아지는 점까지 상승한다.

그 결과, 연소 챔버(11)에 포함된 가스는 이제까지 협력하는 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 폐쇄된 접촉을 형성하는 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘을 가한다. 그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 셔틀 전극(20)은 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 접하여 셔틀 전극 폐쇄 안착부와 새로운 폐쇄된 접촉을 형성할 때까지 빠르게 이동한다.

피스톤(9)이 실린더(8) 내에서 계속 상승함에 따라, 연소 챔버(11)에서 나타나는 압력이 계속 상승하는 반면, 성층 공동(15)에 나타나는 압력은 더 이상 상승하지 않고, 폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 접하여 셔틀 전극 폐쇄 안착부와 긴밀한 접촉을 형성할 때 밸브를 유지한다.

성층 공동(15)은 연소 챔버(11)에 포함된 가스가 더 이상 관입할 수 없는 보호된 체적을 이제 형성한다.

이 시점으로부터 성층 분사기(17)는 매우 인화성이 있는 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성되는 파일럿 충전물(18)을 분사기 출구 덕트(42)를 통해 그리고 나사산 형성된 스파크 플러그 웰(40)에 배열된 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)를 통해 성층 공동(15) 내로 분사하기 시작한다.

도 2 내지 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 이것은, 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)가 - 이 비-제한적인 예에 따르면 - 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)의 레벨에서 금속 베이스(4) 내에 반경 방향으로 배열된 8개의 가스 분사 채널(41)에 의해 성층 공동(15)과 연통되는 것에 의해 가능하게 된다.

성층 공동(15)이 초기에 폐쇄되어 보호된 체적을 형성하므로, 파일럿 충전물(18)을 구성하는 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물은 주 충전물(12)을 구성하는 냉각된 EGR로 크게 희석되기 때문에 낮은 인화성 기체로 희석되지 않는다.

폐쇄-개방 플랜지(36)가 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)에 접하기 전에는 성층 공동(15) 내로 도입된 잔류 EGR로-희석된 가스만이 남아 있고, 상기 희석된 가스는 파일럿 충전물(18)의 수 %만을 나타낸다.

성층 분사기(17)에 의해 파일럿 충전물(18)을 성층 공동(15) 내로 분사하기 시작하는 것은, 상기 분사기(17)의 동역학 및 흐름률을 고려하고 상기 성층 공동(15) 내의 압력이 연소 챔버(11)에 나타나는 압력보다 더 크도록 하기 위해, 주 충전물(12)의 점화 전에 크랭크샤프트(43)가 단지 몇 도 정도만 회전하는 것을 고려하여, 내연 엔진(2)의 관리 컴퓨터(도시되지 않음)의 명령에 의해 트리거링된다는 것이 주목된다.

성층 공동(15)에 나타내는 압력이 실제로 연소 챔버(11)에 나타내는 압력보다 더 커질 때, 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물로 주로 구성된 가스에 의해 폐쇄-개방 플랜지(36)에 힘이 가해진다.

그 결과, 상기 플랜지(36)는 연소 챔버(11)를 향해 신속하게 이동하여 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접하여 셔틀 전극 개방 안착부와 폐쇄된 접촉을 형성한다. 이러한 상황은 도 7에 명확하게 도시되어 있다.

그 변위 동안, 폐쇄-개방 플랜지(36)는 주로 가스 토출 오리피스(38)를 통해 파일럿 충전물(18)을 구성하는 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물의 작은 부분을 배출시킨다.

일단 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉하면, 상기 플랜지(36)는 셔틀 전극(20)의 공동측 단부(22)를 중심 전극(6)으로부터 10분의 7 밀리미터만큼 효과적으로 이동시키고, 이제 중심 전극(6)에 고전압 전류를 인가하여, 10분의 7 밀리미터의 전기 아크를 상기 중심 전극(6)과 상기 셔틀 전극(20)의 공동측 단부(22) 사이에 생성하는 한편, 접지 전극(7)과 셔틀 전극(20)의 챔버측 단부(21) 사이에 10분의 1 밀리미터의 제2 전기 아크를 생성하도록 할 수 있다. 이러한 상황은 도 8에 도시되어 있다.

파일럿 충전물(18)이 이렇게 생성된 스파크의 열을 국부적으로 받는다고 가정하면, 그리고 파일럿 충전물이 주로 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성되기 때문에, 성층 공동(15) 내 및 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39) 내 압력이 연소 챔버(11)에 동시에 나타나는 압력에서 수 바(bar)를 넘어 격렬하게 상승하면서 파일럿 충전물이 빠르게 점화된다.

그 결과, 파일럿 충전물(18)의 추가적인 연소되지 않은 분율은 8개의 가스 토출 오리피스(38)를 통해 연소 챔버(11) 내로 토출되고, 상기 분율은 이 가스를 점화시키는 화염 가스 토치에 의해 즉시 후속하고, 상기 토치는 또한 도 7에 도시된 바와 같이 스파크가 트리거링되기 전에 가스 토출 오리피스(38)를 통해 토출된 파일럿 충전물(18)의 구성 가스의 일부를 점화시킨다.

이러한 특정 구성은, 특히 성층 압축기(19)에 의해 에너지 압축 비용을 최소화하기 위해 가능한 최소의 파일럿 충전물(18)로 주 충전물(12)을 가장 효과적으로 점화하는 것으로부터 모두 이익으로 얻는 몇 가지 장점을 제공한다.

먼저, 위에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 파일럿 충전물(18)의 분사 동안 및 파일럿 충전물(18)의 점화 이전에 주 충전물(12)에서 파일럿 충전물(18)이 과도하게 분산되는 것을 피할 수 있게 한다.

이어서, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는, 수 마이크로초 동안, 화염 가스 토치에 의해 파일럿 충전물의 일부를 점화하기 전에 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물에서 파일럿 충전물이 매우 국부적으로 풍부하게 하기 위해 파일럿 충전물(18)의 일부를 주 충전물(12) 내로 관입하게 할 수 있다. 이러한 특징은 너무 많은 열이 성층 공동(15)의 내부 벽, 특히, 가스 통로를 위한 길이 방향 채널(35), 즉, 토치 점화 프리챔버(37) 및 가스 토출 오리피스(38)의 벽으로 연소 가스에 의해 헛되이 전달되는 것을 회피할 수 있게 한다.

또한, 도 8에 명확히 도시된 바와 같이, 돌출된 토출 돔(47)에서 반경 방향으로 배열된 8개의 가스 토출 오리피스(38)를 통해 배출된 화염 가스는 연소 챔버(11)의 다수의 위치에서 주 충전물(12)을 점화시키는 화염 가스 토치를 형성하고, 상기 주 충전물(12)의 연소는 상기 챔버(11)의 외주로부터 반경 방향으로 상기 챔버(11)의 중심으로, 그리고 각각의 상기 토치 사이에 접선 방향으로 전개된다.

상기 토치가 연소 챔버(11)의 체적 내로 관입함으로써 야기되는 강한 국부적인 난류는 또한 각각의 상기 토치에 의해 생성된 화염 면을 접는데(folding) 유리하고, 이는 주 충전물(12)의 급속한 연소를 촉진시키는 데 있어서 그 효과를 더욱 증가시킨다.

통과 시, 성층 분사기(17)의 출구와 중심 전극(6) 사이의 가스 체적에 대한 상기 중심 전극(6)과 가스 토출 오리피스(38) 사이의 가스 체적이 클수록, 토치가 형성되기 전에 가스 토출 오리피스(38)에 의해 배출되는 연소되지 않은 산화제-연료(AF) 혼합물(AF)의 질량이 더 커진다는 것이 주목된다. 따라서, 자동차 공학기술자는 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 다양한 구성 요소의 상대적인 위치 및 체적을 적절하게 적응시킴으로써 이 비율을 선택할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 내연 엔진(2)이 파일럿 충전물(18)에 의지하지 않고, 희석되지 않은 주 충전물(12)로 장시간 작동할 때에도 돌출된 토출 돔(47)이 청결한 것을 보장하는 것을 용이하게 한다는 것이 주목된다.

실제로, 포지티브 점화 엔진의 연소 챔버(11) 내로 도입되는 스파크 플러그의 세라믹 절연체 헤드는 모든 탄소 퇴적물 또는 탄화된 오일을 연소시킬 수 있는 약 섭씨 400도와, 주 충전물(12)에 제어되지 않는 자가 점화가 일어날 심각한 위험이 있는 섭씨 800도 사이의 온도를 이상적으로 유지해야 하는 것으로 잘 알려져 있다.

그리하여, 작동을 설명하기 위해 단지 예시로서 취해진 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 특정 구성에 따르면, 돌출된 토출 돔(47)은 낮은 온도로 인해 파울링(fouled)될 수 있고 또는 과도한 온도로 인한 주 충전물(12)의 제어되지 않은 자가 점화를 야기할 수 있는 것으로 관찰된다.

성층 공동(15)으로부터 빠져나가거나 또는 성층 공동(15)으로 들어가는 화염 가스가 폐쇄-개방 플랜지를 스칠 때 상기 폐쇄-개방 플랜지(36)가 고온으로 가열되고, 협력하는 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30) 상에 수차례 쉬게 되는 것에 의해 주 충전물(12)의 연소가 완료되면 상기 폐쇄-개방 플랜지는 냉각된다는 점에서 폐쇄-개방 플랜지(36)의 파울링은 어떤 특정 문제도 야기하지 않는다.

주 충전물(12)의 연소가 파일럿 충전물(18)을 필요로 하지 않을 때, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 오히려 "차가운" 스파크 플러그와 같이 거동하고, 돌출된 토출 돔(47)은 내연 엔진(2)이 그 공칭 작동 온도에 도달할 때 통상 섭씨 약 110도에서 유지되는 실린더 헤드(10)와 접촉하는 금속 베이스(4)와 직접 접촉한다.

절연 슬리브(25)와 성층 덕트(16) 사이의 열 교환을 제한하기 위해 공기 갭이 절연 슬리브(25)의 일부와 성층 덕트(16) 사이에 남아 있을 수 있다는 것이 주목된다. 이것은 돌출된 토출 돔(47)의 평균 온도를 조절할 수 있게 한다.

대안적으로, 성층 분사기(17)에 의해 파일럿 충전물(18)을 정기적으로 분사하는 것에 의해 돌출된 토출 돔(47)을 열적으로 세정(clean)할 수 있고, 이에 의해 세정이 달성될 때까지 상기 돔(47)의 온도는 증가된다.

대조적으로, 이것이 정당화된다면, 예를 들어, 내연 엔진(2)의 흡기 또는 배기 단계 동안, 예를 들어, 성층 공동(15)에서 공기만의 분사를 수행함으로써, 돌출된 토출 돔(47)의 온도를 감소시키는 것이 또한 가능하다.

점화 전압을 제한하는데 있어 셔틀 전극(20)의 결정적인 역할이 중요하다. 실제로, 점화 전압이 높으면 특히 스파크 플러그가 포함하는 전극이 부식하는 것에 의해 스파크 플러그의 수명이 크게 감소한다. 또한 이러한 전압은 온도의 영향 하에 파괴되기 쉽고 수용하기 어려운 대형 절연체를 필요로 한다.

이제, 다른 모든 것들이 동일한 상태에서, 필요한 점화 전압은 전극 간 공간의 길이에 대략 비례하는 반면, 상기 전극들 사이의 가스의 밀도가 높을수록 상기 전압은 높아야 한다.

그리하여, 예를 들어, 터보 과급기에 의해, 수퍼 과급된 포지티브 점화 엔진 특히 권고되고, 점화 시간에 주 충전물(12)의 압력을 증가시키는 대응하는 부분으로 상기 엔진의 체적비 및 그리하여 평균 효율을 유리하게 증가시킬 수 있는, 냉각된 EGR의 전략과 관련된 어려움은 쉽게 이해할 수 있다.

이것은 전극들 사이에 높은 가스 밀도를 초래하고 이는 너무 높은 점화 전압을 사용하는 것을 피하기 위해 전극들 사이의 거리를 좁힐 것을 요구한다.

그러나, 대안적으로 성층 공동(15) 또는 연소 챔버(11)에서 스파크의 길이를 최대로 하기 위하여 셔틀 전극(20)이 이동하기 때문에, 상기 스파크의 전체 길이는 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 작동을 설명하기 위해 여기에 사용된 예에 따라 언제나 10분의 8 밀리미터로 제한된다.

엔진이 냉각된 EGR로 크게 희석된 주 충전물(12)을 작동시키면, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성된 파일럿 충전물(18)을 사용하는 반면, 주 충전물(12)이 희석되지 않으면, 전극 간 공간은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상 유지되는 기술적 규칙에 따라 유지되기 때문에 생성된 전극 간 공간은 항상 충분하다.

따라서, 셔틀 전극(20)은 수용하는 것이 어려울 수 있는 코일과 전도성 와이어를 각각 갖는 듀얼 점화 시스템, 또는 높은 점화 전압을 필요로 하는 전체 전극 간 공간 증가를 제공할 필요 없이 2개의 별개의 점화 위치 - 이 경우, 성층 공동(15) 및 연소 챔버(11) - 를 제공한다.

한쪽 또는 다른 쪽을 선택하는 것은 성층 분사기(17)가 파일럿 충전물(18)을 성층 공동(15) 내로 분사할지 여부에 따라 자동적으로 발생한다.

또한 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)는, 모든 상기 엔진(2)이 성층 압축기(19), 성층 분사기(17), 또는 성층 공동(15)에 매우 인화성인 산화제-연료(AF) 혼합물을 공급할 수 있는 임의의 요소의 고장 시에 냉각된 EGR로 희석되지 않은 주 충전물(12)을 작동시키기 때문에 내연 엔진(2)이 정상적으로 작동할 수 있게 한다는 것이 주목된다.

이 경우, 주 충전물(12)은 임의의"수동" 프리챔버 - 이러한 유형의 프리챔버는 무한 가변 속도 및 충전물로 작동하는 자동차 엔진에는 적합하지 않음 - 를 통해서는 더 이상 점화되지 않고, 가솔린의 직접 분사와 호환 가능하고 자동차 업계에서 일반 대량 생산 및 대량 판매 스파크 플러그의 작동과 유사한 작동을 하는 돌출된 전극을 통해서 점화된다.

도 2 내지 도 11에 도시된, 본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 변형 실시예는 그 동작을 예시하기 위해 일례로서 선택되었다. 도 12 내지 도 21에 도시된 상기 스파크 플러그(1)의 또 다른 실시예는 유사한 원리에 기초하고, 방금 주어진 설명은 상기 동작과 관련하여 동일한 상대적 순서로 분류된 상기 도 12 내지 도 21에 용이하게 적용될 수 있다는 것이 주목된다.

본 발명에 따른 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그(1)의 가능성은 방금 기술된 응용으로만 제한되는 것은 아니다. 또한, 전술한 설명은 단지 예시로서 주어진 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않고 임의의 다른 등가 요소로 본 설명의 임의의 요소를 대체하는 것은 본 발명의 범위를 초과하는 것으로 해석되어서는 안 되는 것으로 이해된다.

Claims

내연 엔진(2)용 셔틀 전극(shuttle electrode)을 갖는 스파크 플러그(spark plug)(1)로서, 상기 스파크 플러그(1)는 적어도 전극(6, 7), 및 베이스 나사산부(5)를 갖는 금속 베이스(4) 내에 수용된 세라믹 절연체(3)를 포함하되, 상기 스파크 플러그(1)는 성층 덕트(stratification duct)(16)를 통해 상기 내연 엔진(2)에 포함된 연소 챔버(11)에 연결된 성층 공동(stratification cavity)(15)을 더 포함하고, 성층 분사기(stratification injector)(17)는 이전에 가압된 파일럿 충전물(pilot charge)(18)을 상기 성층 공동(15) 내로 직접 또는 간접 분사할 수 있으며, 상기 충전물(18)은 스파크에 의해 쉽게 점화되는 산화제-연료(AF) 혼합물로 구성되되, 상기 스파크 플러그는,
상기 성층 공동(15)으로 개방되는 적어도 하나의 중심 전극(6);
완전히 또는 부분적으로 전기 전도성 재료로 제조되고 상기 성층 덕트(16) 내에 작은 간극을 갖고 부분적으로 또는 완전히 수용되는 적어도 하나의 셔틀 전극(20)으로서, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 중심 전극(6)과 접지 전극(7) 사이에 배치되고, 한편으로는, 상기 접지 전극(7)을 향하고 상기 연소 챔버(11)에 나타나는 압력에 노출되는 챔버측 단부(21), 및 다른 한편으로는, 상기 중심 전극(6)을 향하고 상기 성층 공동(15)에 나타나는 압력에 노출되는 공동측 단부(22)를 구비하고, 상기 셔틀 전극(20)은, 상기 성층 덕트(16) 내에서 가스 압력의 영향 하에서, 상기 성층 공동(15) 내의 압력이 상기 연소 챔버(11) 내의 압력보다 더 낮을 때 상기 성층 공동(15)을 향해 병진 이동할 수 있고, 또는 상기 연소 챔버 내의 압력이 상기 성층 공동(15) 내의 압력보다 더 낮을 때 상기 연소 챔버(11)를 향해 병진 이동할 수 있는, 상기 적어도 하나의 셔틀 전극;
상기 성층 공동(15)에 가장 가까운 상기 셔틀 전극(20)의 위치를 결정하는 적어도 하나의 공동측 셔틀 전극 지지부(23); 및
상기 연소 챔버(11)에 가장 가까운 상기 셔틀 전극(20)의 위치를 결정하는 적어도 하나의 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 성층 공동(15)에 가장 근접할 때 상기 성층 덕트(16)의 전부 또는 일부를 폐쇄하는 반면, 상기 연소 챔버(11)에 가장 가까이 위치될 때 더 넓은 구획에 걸쳐 상기 성층 덕트(16)를 개방하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 성층 덕트(16)의 전부 또는 일부는 전기 절연 및/또는 열 절연 및/또는 내화성 재료로 제조된 절연 슬리브(25)를 포함하되, 상기 절연 슬리브는 상기 성층 덕트(16)와 일체형이고, 상기 셔틀 전극(20)과 상기 성층 덕트(16) 사이에 반경 방향 또는 축 방향으로 배치되며, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 절연 슬리브(25) 내에서 병진 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제3항에 있어서, 상기 절연 슬리브(25)는 상기 가스가 상기 성층 공동(15)으로부터 상기 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이 방향 채널(35)을 포함하고, 상기 채널(35)은 상기 절연 슬리브(25)의 내측 또는 상기 절연 슬리브(25)의 내부 표면 또는 상기 절연 슬리브(25)의 외부 표면 상에 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 셔틀 전극(20)은 전기 절연 재료로 제조된 절연 셔틀 몸체(26)로 구성되되, 상기 몸체(26)는 일체형인 전도성 코어(27)에 의해 그 길이에 걸쳐 횡단되고, 상기 코어(27)는 전기 전도성 재료로 만들어지고, 상기 코어(27)의 제1 단부(28)는 상기 접지 전극(7)을 향하는 반면, 상기 코어(27)의 제2 단부(29)는 상기 중심 전극(6)을 향하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 공동측 셔틀 전극 지지부(23)는 상기 성층 덕트(16)에 배열된 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)로 구성되되, 상기 안착부(30)는 상기 셔틀 전극(20)의 외주 또는 단부에 포함된 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 협력하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제6항에 있어서, 상기 셔틀 전극 폐쇄 안착부(30)와 상기 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하되, 상기 밀봉은 상기 연소 챔버(11)에 나타나는 압력이 상기 성층 공동(15)에 나타나는 압력을 초과할 때 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)는 상기 성층 덕트(16)에 배열되거나 또는 상기 금속 베이스(4) 내에 배열된 셔틀 전극 개방 안착부(32)로 구성되되, 상기 안착부(32)는 상기 셔틀 전극(20)의 외주 또는 단부에 포함된 셔틀 전극 개방 플랜지(33)와 협력하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제8항에 있어서, 상기 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 상기 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 서로 접촉할 때 밀봉을 형성하여 임의의 가스가 상기 접촉하는 지점을 통과하는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 성층 덕트(16)에 대한 상기 셔틀 전극(20)의 축 방향 위치에 관계 없이 상기 성층 덕트(16)의 중심에 및 상기 성층 덕트(16)와 동일한 길이 방향 배향으로 상기 셔틀 전극(20)을 유지하는 안내 수단(34)을 그 외주에 포함하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 가스가 상기 성층 공동(15)으로부터 상기 연소 챔버(11)로 또는 그 반대로 통과할 수 있게 하는 가스 통로를 위한 적어도 하나의 길이 방향 채널(35)을 포함하되, 상기 채널(35)은 상기 셔틀 전극(20)의 내측 또는 표면 상에 배열되고, 상기 셔틀 전극(20)의 전체 길이에 걸쳐 위치될 수 있는 반면, 상기 채널(35)의 2개의 단부는 각각 상기 챔버측 단부(21)와 상기 공동측 단부(22)에서 또는 상기 길이의 일부만에 걸쳐 개방되는 반면, 상기 채널(35)의 상기 단부들 중 적어도 하나는 상기 셔틀 전극(20)의 외부 표면으로부터 반경 방향으로 개방되는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제6항에 있어서, 상기 챔버측 셔틀 전극 지지부(24)는 상기 성층 덕트(16)에 배열되거나 또는 상기 금속 베이스(4) 내에 배열된 셔틀 전극 개방 안착부(32)로 구성되되, 상기 안착부(32)는 상기 셔틀 전극(20)의 외주 또는 단부에 포함된 셔틀 전극 개방 플랜지(33)와 협력하고,
상기 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)와 상기 셔틀 전극 개방 플랜지(33)는 함께 단일 폐쇄-개방 플랜지(36)를 형성하되, 상기 단일 폐쇄-개방 플랜지는 - 상기 폐쇄-개방 플랜지(36)가 상기 셔틀 전극 개방 안착부(32)와 접촉할 때 - 상기 성층 덕트(16)와 함께 토치 점화 프리챔버(37)를 획정하고, 상기 토치 점화 프리챔버는 한편으로는 상기 성층 공동(15)과 연통함과 동시에, 다른 한편으로는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스(38)를 통해 상기 연소 챔버(11)와 연통하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제12항에 있어서, 상기 성층 덕트(16)의 전부 또는 일부는 전기 절연 및/또는 열 절연 및/또는 내화성 재료로 제조된 절연 슬리브(25)를 포함하되, 상기 절연 슬리브는 상기 성층 덕트(16)와 일체형이고, 상기 셔틀 전극(20)과 상기 성층 덕트(16) 사이에 반경 방향 또는 축 방향으로 배치되며, 상기 셔틀 전극(20)은 상기 절연 슬리브(25) 내에서 병진 이동할 수 있고,
상기 토치 점화 프리챔버(37)는 상기 절연 슬리브(25) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제13항에 있어서, 상기 절연 슬리브(25)는 상기 가스 토출 오리피스(38)가 개방되는 돌출된 토출 돔(47)을 제공하도록 상기 금속 베이스(4)로부터 돌출하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제14항에 있어서, 상기 돌출된 토출 돔(47)은 상기 절연 슬리브(25) 상의 삽입물인 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제14항에 있어서, 상기 셔틀 전극 개방 안착부(32)는 상기 돌출된 토출 돔(47) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제12항에 있어서, 상기 토치 점화 프리챔버(37)의 내주 벽은 원통형인 반면, 상기 폐쇄-개방 플랜지(36)는 상기 프리챔버(37) 내에 낮은 반경 방향 간극을 두고 수용되는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제6항에 있어서, 상기 셔틀 전극(20)이 상기 연소 챔버(11)에 근접하여 위치될 때, 즉, 협력하는 상기 챔버측 셔틀 전극 지지부(24) 부근에 또는 접촉하여 위치될 때, 상기 셔틀 전극 폐쇄 플랜지(31)는 상기 성층 공동(15)을 상기 연소 챔버(11)에 연결시키는 적어도 하나의 가스 토출 오리피스(38)를 노출시키는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 성층 분사기(17)는, 상기 금속 베이스(4)가 상기 베이스 나사산부(5)에 의해 나사 결합되는 나사산 형성된 스파크 플러그 웰(spark plug well)(40) 내에 배열되거나 또는 상기 금속 베이스(4)의 외주에 배열되거나, 또는 상기 웰(40) 내 및 상기 베이스(4)의 상기 외주 둘 모두에 배열된 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)를 통해 상기 파일럿 충전물(18)을 상기 성층 공동(15) 내로 직접 또는 간접 분사기 출구 덕트(42)를 통해 분사할 수 있고, 상기 환형 파일럿 충전물 분사 챔버(39)는 상기 금속 베이스(4)에 반경 방향으로 배열된 적어도 하나의 가스 분사 채널(41)을 통해 상기 성층 공동(15)과 연통하는 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 성층 공동(15)은 상기 세라믹 절연체(3) 내에 배열된 것을 특징으로 하는 셔틀 전극을 갖는 스파크 플러그.