KR20000016131A - 이동 스파크 점화 시스템 및 이를 위한 점화 장치: - Google Patents

이동 스파크 점화 시스템 및 이를 위한 점화 장치:

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KR20000016131A KR1019980709699A KR19980709699A KR20000016131A KR 20000016131 A KR20000016131 A KR 20000016131A KR 1019980709699 A KR1019980709699 A KR 1019980709699A KR 19980709699 A KR19980709699 A KR 19980709699A KR 20000016131 A KR20000016131 A KR 20000016131A
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나이트, 인크.
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Abstract

본 발명은 내연 기관에서 연소 가능한 혼합물을 점화시키기 위한 플라즈마 점화 장치, 또는 플라즈마 발생원에 관한 것이다. 점화 장치는 전압이 전극을 가로질러 인가되는 경우에 외향 이동되는 플라즈마가 형성되도록 하는 치수를 갖고 배열된 적어도 두 개의 이격된 전극을 포함한다. 본 발명은 플라즈마 점화 장치를 구동시키기 위한 입력 전기 에너지의 효율적인 사용과, 종래 스파크 플러그에 의해 발생되는 크기를 여러배 초과하는 점화 플라즈마 핵을 특징으로 한다. 플라즈마 핵의 외향 운동 및 팽창은 혼합물에서의 초기 플라즈마 발생 후에 혼합물을 통해 전극 사이에 인가된 전압 및 전류 사이의 상호 작용으로부터 상부에 발생되는 로렌츠힘에 의해 발생된다. 혼합물의 희석이 배기 가스 재순환의 사용에 의해 성취되는 매우 희박한 상태의 연소 가능한 혼합물의 사용은 본 발명의 점화 시스템에 의해 가능해진다. 엔진 효율의 개선 및 NOx가스 오염의 대폭 감소가 얻어진다.

Description

이동 스파크 점화 시스템 및 이를 위한 점화 장치
자동차는 19세기 말에 초기 개발된 이래로 많은 변화를 겪었다. 이러한 발전적인 변화의 대부분은 기술의 성숙화로서 간주될 수 있지만, 그 기본 원리는 여전히 동일하다. 점화 시스템의 경우가 그러하다. 점화 시스템의 발전 중 일부는 전자 배전기(distributors)에 의한 기계 배전기의 교체를 포함하며, 이러한 교체는 신뢰성을 증가시키고 다른 엔진 동작 조건하에서 스파크 타이밍(spark timing)의 용이한 조정을 가능케 한다. 방전을 위해 필요한 고전압의 발생을 담당하는 전자 장치는 변하였으며, 오늘날에는 트랜지스터 코일 점화(TCI, transistorized coil ignition) 및 커패시터 방전 점화(CDI, capacitive discharge ignition) 시스템이 흔히 사용된다. 그러나, 기초적인 스파크 플러그 구조는 변하지 않았다. 오늘날의 스파크 플러그는 개선된 재료의 사용이라는 면에서 초기의 스파크 플러그와 다르지만, 기초적인 지점간 방전(point-to-point discharge)은 여전히 동일하다.
스파크 전류에 의해 발생되는 자기장과 스파크 전류 자체의 상호 작용으로부터 발생되는 힘에 의해 구동되는 스파크는, 소정의 점화 시스템 입력 에너지를 위한 점화 핵(ignition kernel)을 확대시키기 위해, 매우 매력적인 개념이다.
향상된 점화 발생원에 대한 필요성은 오래 전부터 인식되고 있었다. 확대된 점화 핵을 제공하는 많은 발명이 이루어졌다. 플라즈마 제트 및 로렌츠힘 플라즈마 가속기(Lorentz force plasma accelerators)의 사용은 많은 연구 및 특허의 주제였다. 그러나, 이러한 종래 발명 중 어느 것도 실제 상용으로 수용 가능한 해결책을 제시하지 못했다. 종래 발명의 제1 취약점은 과도한 점화 에너지의 필요성이었으며, 이러한 필요성은 종래 발명이 채용된 엔진에서의 소정의 효율 향상을 기대할 수 없게 하였다. 이러한 보다 높은 점화 에너지 요구 조건은 점화 전극의 고속 부식을 유발시켰으며, 이러한 부식은 점화 동작 수명을 수용 불가능한 수준까지 감소시킨다.
스파크 개시 플라즈마 점화 핵의 부피 및 표면적을 팽창시키는 개념은 연소 기관의 연소 가능한 혼합물에 대한 실제 희박 한계(practical lean limit)를 확장시키기 위한 매력적인 생각이다. 목적은 엔진이 희박 혼합물에 의해 동작되는 경우에 전형적인 연소 지연의 변화를 감소시키는 것이다. 구체적으로, 스파크 부피를 증가시킴으로써, 점화 지연을 제거시키려는 필요성을 오래 전부터 느껴왔다. 이하에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 플라즈마가 방전 전극 사이의 작은 부피에 제한되면(종래 기술의 경우에서와 같이), 그 초기 부피는 매우 작고, 60,000。K의 온도를 갖는 전형적으로 약 1㎣의 플라즈마가 형성된다는 것을 주목하여야 한다. 이러한 핵은 약 25 ㎣의 부피 및 2,500。K의 온도까지 팽창 및 냉각되며, 이러한 상태에서 연소 가능한 혼합물을 점화시킬 수 있다. 이러한 부피는 8:1의 압축비로 0.5ℓ 실린더에서 연소를 완료시키기 위해 연소되어야 하는 혼합물 중 약 0.04%를 나타낸다. 이하의 논의로부터, 점화 핵이 100배 증가될 수 있다면, 연소 가능한 혼합물 중 4%가 점화되어 점화 지연은 상당히 감소될 것이라는 것을 알게 될 것이다. 그러나, 이러한 매력적인 점화 목표는 지금까지 실제 시스템에서 성취되지 못했다.
이러한 초기 시스템에 필요한 전기 에너지는, 예컨대 피츠제랄드(Fitzgerald) 등의 미국 특허 제4,122,816호, 점화당(per firing) 2J을 초과할 것을 요구한다(2열 55내지 63행). 이러한 에너지는 종래 점화 스파크 플러그에 사용되는 에너지보다 약 40배 크다.
이하의 매튜(Matthews) 등은 점화당 5.5J의 전기 에너지, 또는 종래 점화 시스템에 사용되는 에너지의 100배를 초과하는 전기 에너지의 사용을 기재하고 있다.
3600RPM으로 동작하는 6개 실린더 엔진을 고려하기로 하며, 이러한 엔진은 엔진 회전마다 3개 실린더를 점화시키거나 초당 180회의 점화를 요한다. 점화당 2J에서, 360J/sec가 된다. 이러한 에너지는, 약 7.2%의 효율로 엔진 연료의 정미 사용(net use)을 위해, 약 18%의 전형적인 효율로 연소 기관에 의해 제공되어 약 40%의 전형적인 효율을 갖는 전력 변환 장치에 의해 적절한 고전압으로 변환된다.
약 80 km/hr(약 50 mph)로 1250 ㎏의 차량을 평탄한 도로 상에서 이동시키는 것은 약 9000J/sec의 연료 에너지를 요한다. 18%의 동력 변환 효율을 발생시키는 엔진 연료에서, 약 50,000 J/sec의 연료가 소비될 것이다. 이와 같이, 이하의 피츠제랄드 등에 의해 채용된 시스템은 점화 시스템을 가동하기 위해 차량의 주행에 소비되는 연료 에너지 중 약 10%를 소비할 것이다. 이는 피츠제랄드 등의 점화 시스템의 사용에 의해 예상되는 효율 이득을 초과한다.
반면에, 종래 점화 시스템은 점화 시스템을 가동하기 위해 연료 에너지 중 약 0.25%를 사용한다. 또한, 이러한 시스템에 채용된 높은 에너지는 스파크 플러그의 전극에서 발생되는 높은 수준의 부식을 유발시켜, 유용한 동작 수명을 상당히 감소시킨다. 이렇게 단축된 수명은 이하의 매튜 등에 의한 연구에 나타나 있으며, 그 연구에서는 해결책이 제공되지는 않았지만 점화 에너지를 감소시켜야 하는 필요성이 확인되어 있다.
이러한 문제점을 해결하려는 추가 시도로서, 챠오 및 더빈에 의한 연구(Tsao, L. and Durbin, E.J., "다중 전극 스파크 점화 시스템을 구비한 연소 기관의 주기적인 변화 및 희박 동작의 평가(Evaluation of Cyclic Variation and Lean Operation in a Combustion Engine with a Multi-Electrode Spark Ignition System",프린스턴 대학 MAE 보고서(1984년 1월))를 고려하기로 하며, 그 연구에서는 다중 전극 스파크 플러그에 의해 통상의 점화 핵보다 큰 핵이 발생되어, 연소의 주기적인 가변성의 감소, 점화 진각(spark advance)의 감소, 및 출력의 증가를 나타낸다.
브래들리 및 크리츨리(Bradley, D., Critchley, I.L.,"스파크 점화 핵의 전자기 유도 운동(Electomagnetically Induced Motion of Spark Ignition Kernels)",Combust. Flame 22, 페이지 143 내지 152(1974))는, 12J의 점화 에너지에 의해 스파크의 운동을 유도하기 위해 전자기력의 사용을 고려한 최초의 사람이었다. 피츠제랄드(Fitzgerald, D.J., "내연 기관용 펄스형 플라즈마 점화 장치(Pulsed Plasma Ignitor for Internal Combustion Engines)",SAE paper 760764(1976)와; Fitzgerald, D.J., Breshears, R.R., "내연 기관용 플라즈마 점화 장치(Plasma Ignitor for Internal Combustion Engine)", 미국 특허 제4,122,816호(1978))는 훨씬 작지만 상당한 점화 에너지(대략 1.6J)에 의한 자동차 엔진의 점화를 위해 펄스형 플라즈마 추진 장치(thrusters)를 사용할 것을 제안하였다. 그는 희박 한계를 확장시킬 수 있었지만, 점화 시스템용으로 사용되는 그러한 플라즈마 추진 장치의 전체적인 성능은 통상적인 스파크 플러그 및 상기 스파크 플러그가 발생시키는 스파크의 성능보다 상당히 좋은 것은 아니다. 이러한 시스템에서, 훨씬 큰 점화 에너지가 플라즈마 핵 크기의 상당한 증가없이 사용된다(Clements, R.M., Smy, P.R., Dale, J.D., "전형적인 플라즈마 제트 점화 장치용 방출 기구의 실험학적 연구(An Experimental Study of the Ejection Mechanism for Typical Plasma Jet Ignitors)",Combust. Flame 42, 페이지 287 내지 295(1981)). 보다 최근의 홀 등(Hall, M.J., Tajiman, H., Matthews, R.D.,Koeroghlian, M.M., Weldon, W.F., Nicholas, S.P., "새로운 형태의 점화 장치에 대한 초기 연구: 레일 플러그(Initial Studies of a New Type of Ignitor: The Railplug)",SAE paper 912319(1991))과, 매튜 등(Mattews, R.D., Hall, M.J., Faidley, R.W., Chiu, J.P., Zhao, X.W., Annezer, I., Koening, M.H., Harber, J.F., Darden, M.H., Weldon, W.F., Nichols, S.P., "새로운 형태의 점화 장치로서의 레일 플러그의 추가 분석(Further Analysis of Railplugs as a New Type of Ignitor",SAE paper 922167(1992))는, 6J(2.4㎝ 길이)을 초과하는 에너지로 동작되는 "레일 플러그(rail plug)"가 연소 봄베 실험(combustion bomb experiments)에서 매우 상당한 개선을 나타낸다는 것을 밝혔다. 또한, 그들은 5.5J의 점화 에너지로 그들의 스파크 플러그에 의해 엔진을 가동한 경우에 희박 동작의 개선을 관찰하였다. 그들은 이러한 과도한 양의 에너지에 대한 필요성을 전기 회로와 스파크 플러그 사이의 열악한 정합(poor matching)에 기인한 것이라고 하였다. 스파크 플러그에서 소비되는 이러한 수준의 에너지는 평탄한 길에서 80 km/hr로 1250 ㎏의 차량을 추진하기 위해 소비되는 에너지 중 약 25%이다. 엔진 성능의 소정의 효율 이득은 점화 시스템에서 증가된 에너지에 의해 소비되는 에너지를 초과할 것이다.
본 발명은 대체로 관련 점화 회로(firing circuitry)와 스파크 플러그(spark plugs) 등의 점화 장치(ignitors)를 포함하는 내연 기관 점화 시스템에 관한 것이다.
이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 각종 실시예를 도시하고 설명하기로 하며, 도면에서 동일한 부품은 동일한 참조 부호로 나타나 있다.
도1은 본 발명을 이해하기에 유용한 원통형 마샬 건(Marshall gun)의 동작을 도시하는 단면도이다.
도2는 두 개의 전극을 포함하는 실린더의 축을 관통하여 취한 본 발명의 하나의 실시예를 위한 원통형 이동 스파크 점화 장치의 단면도이며, 생성된 플라즈마는 축방향으로 팽창되면서 이동된다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 대한 이동 스파크 점화 장치의 단면도이며, 생성된 플라즈마는 반경 방향으로 팽창되면서 이동된다.
도4는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 점화 장치를 동작시키는 예시적인 전기 점화 회로의 개략도와 결부된 도2의 점화 장시 실시예의 도면이다.
도5는 엔진의 실린더에 설치된 상태의 본 발명의 하나의 실시예를 위한 이동 스파크 점화 장치의 절결도이다.
도6은 엔진의 실린더에 설치된 상태의 본 발명의 제2 실시예를 위한 이동 스파크 점화 장치의 절결도이다.
도7은 본 발명에 따른 다른 점화 회로 실시예의 회로 개략도이다.
도8은 본 발명의 하나의 실시예를 위한 다른 이동 스파크 점화 장치의 단면도이다.
도9A는 본 발명의 다른 실시예를 위한 다른 이동 스파크 점화 장치의 종방향 단면도이다.
도9B는 대향 전극의 자유 단부를 도시하는 도9A의 이동 스파크 점화 장치의 단부면도이다.
도9C는 도9B의 일부분의 확대도이다.
본 발명의 제1 주요 태양은 적어도 제1 및 제2 전극과, 소정의 이격된 관계로 전극을 유지시키기 위한 수단과, 전극의 작용부(active portions)가 연소 기관의 연소 실린더에 설치되는 상태로 내연 기관에 장착하기 위한 수단을 포함하는 내연 기관용 플라즈마 분사기 또는 점화 장치이다. 전극은 소정의 치수 및 구성을 갖고 소정의 간격으로 배열되어, 점화 장치가 내연 기관에 설치된 상태에서 충분한 고전압이 전극을 가로질러 인가되는 경우에, 공기 및 연료의 가스 혼합물의 중간에서, 플라즈마가 전극 사이의 혼합물에 형성되어 로렌츠힘하에 전극 사이로부터 실린더의 팽창된 부피 내로 외향 이동된다. 전극 사이의 이격 관계는 전압이 전극에 인가됨에 따라 플라즈마가 유전체의 표면 상에 또는 그 근방에 형성되도록 전극의 상당 부분을 유전 재료로 둘러쌈으로써 유지될 수도 있다. 플라즈마의 초기 형성 후에 플라즈마를 유지시키기 위해, 전압이 감소되고 증가된 전류가 공급될 수도 있다.
특히 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다른 태양은 내연 기관용 플라즈마 분사기 또는 점화 장치이며, 그 중 하나의 실시예는 전극을 가로질러 인가되는 전압을 통해 연료-공기 혼합물에 반경 방향으로 외향 이동되는 플라즈마가 형성되는 대체로 평행한 원형 대향면(facing surfaces)을 갖는 이격된 두 개의 전극을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 내연 기관용 플라즈마 분사기 또는 점화 장치는 두 개의 이격되고 대체로 평행한 종방향 전극을 포함하며, 전극 사이에서 종방향으로 외향 이동되는 플라즈마는 전극을 가로질러 인가되는 고전압을 통해 형성된다.
본 발명의 두 개의 상기 태양과 함께 사용 가능한 본 발명의 다른 태양은, 플라즈마로 형성된 채널을 전극 사이에 생성시키기 위한 충분히 높은 제1 전압과 전극 사이의 채널에서 플라즈마를 관통하는 전류를 지속시키기 위한 제1 전압보다 낮은 전위의 제2 전압을 제공함으로써 점화 플라즈마 핵을 제공하여, 전극 사이의 전위차로부터 발생되는 전기장과 상기 전류와 관련된 자기장은 플라즈마를 최초 구역으로부터 이동시켜 부피를 팽창시키기 위해 플라즈마 상에 힘을 발생시키도록 상호 작용하게 하는 점화 발생원이다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 점화 장치를 포함하며, 상기 점화 장치는, 전극의 길이에 대한 전극의 반경의 합의 비는 약 4 이상인 반면에, 전극의 길이에 대한 전극의 상기 두 개의 반경의 차이의 비는 약 1/3을 초과하며, 방전 간극을 사이에서 형성하는 적어도 제1 및 제2 전극을 구비한 대체로 평행하게 이격된 전극과; 전극의 상당 부분 및 전극 사이의 공간을 둘러싸는 유전 재료와; 상기 유전 재료가 없고 서로 대향 관계인 각각의 전극의 비절연 단부와; 제1 및 제2 전극의 자유 단부가 연소 기관의 연소 실린더에 설치되는 상태로 점화 장치를 장착하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 방전 간극을 사이에서 형성하도록 된 적어도 2개의 이격된 평행 전극을 포함하는 점화 장치가 제공되는데, 전극 사이에 끼울 수 있는 최대 실린더의 반경은 전극의 길이를 초과하며, 전극의 상당 부분 및 전극 사이의 공간을 유전 재료가 둘러싸고, 각각의 전극의 비절연 단부는 유전 재료가 없고 서로 대향 관계에 있으며, 비절연 단부는 전극의 길이로 나타나고, 점화 장치는 전극의 자유 단부가 연소 기관의 연소 실린더 내에 있는 상태로 점화 장치를 장착하기 위한 수단을 추가로 포함한다.
본 발명의 추가 태양은, 점화 장치와, 전위차를 상기 점화 장치의 전극 사이에 제공하기 위한 전기 수단을 점화 장치와 함께 또는 점화 장치와 별도로 포함하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템이다. 점화 장치는, 전극의 길이에 대한 전극의 반경의 합의 비는 약 4 이상인 반면에, 전극의 길이에 대한 상기 두 개의 반경의 차이의 비가 약 1/3을 초과하며, 방전 간극을 사이에서 형성하는 적어도 제1 및 제2 전극을 구비한 대체로 평행하게 이격된 전극을 포함한다. 분극 가능한 세라믹 등의 유전 재료는 전극의 상당 부분 및 전극 사이의 공간을 둘러싸며, 각각의 전극의 비절연 단부는 유전 재료가 없고 서로 대향 관계이다. 제1 및 제2 전극의 자유 단부가 연소 기관의 연소 실린더에 설치되는 상태로 점화 장치를 장착하기 위한 수단이 포함된다. 그러한 수단은 전극 중 하나 상에 나사부를 포함할 수도 있다. 전위차를 전극 사이에 제공하기 위한 전기 수단은 초기에 플라즈마로 형성된 채널을 전극 사이의 연료-공기 혼합물에 생성시키기 위한 충분히 높은 제1 전압을 제공한 다음에, 전극 사이의 채널에서 플라즈마를 관통하는 전류를 지속시키기 위한 제1 전압보다 낮은 전위의 제2 전압을 제공한다. 결국, 전극 사이의 전위차로부터 발생되는 전기장은 상기 전류로부터 발생되는 자기장과 상호 작용하며, 이러한 방식으로 최초 구역으로부터 이동시키기 위해 플라즈마에 힘을 생성시켜 플라즈마의 부피를 팽창시킨다.
본 발명의 추가 태양에 따르면, 점화 장치와, 두 개의 전위차를 상기 점화 장치의 전극 사이에 순차적으로 제공하기 위한 전기 수단을 포함하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템이 제공된다. 점화 장치는 방전 간극을 사이에서 형성하도록 된 적어도 두 개의 평행하게 이격된 전극을 포함하며, 전극 사이에 끼울 수 있는 최대 실린더의 반경은 전극의 길이를 초과하며, 유전 재료는 예컨대 분극 가능한 세라믹일 수도 있고 전극의 상당 부분 및 전극 사이의 공간을 둘러싸며, 각각의 전극의 비절연 단부는 상기 전극의 길이이며 상기 유전 재료가 없고 서로 대향 관계에 있으며, 상기 점화 장치는 예컨대 전극 중 하나 상에 제공되는 나사부이며, 전극의 자유 단부가 연소 기관의 연소 실린더 내에 있는 상태로 점화 장치를 장착하기 위한 수단을 포함한다. 전위차를 전극 사이에 순차적으로 제공하기 위한 전기 수단은 플라즈마로 형성된 채널을 전극 사이에 생성시키기 위한 충분히 높은 제1 전압을 제공한 다음에, 전위차는 플라즈마를 관통하는 전류를 전극 사이의 채널에서 지속시키기 위한 제1 전압보다 낮은 전위의 제2 전압까지 감소된다. 전극 사이의 전위차에 의해 유발되는 전기장은 플라즈마를 최초 구역으로부터 이동시키기 위해 플라즈마 상에 힘을 발생시키는 방식으로 전류로부터 발생되는 자기장과 상호 작용하여, 플라즈마의 휩쓸고 지나간 부피(swept volume)를 증가시킨다.
본 발명은 플라즈마 부피 생성부 내로의 전기 에너지의 높은 전달 효율을 갖는 소형 마샬 건(동축 방향 건) 형태의 이동 스파크 착화 장치(initiator) 또는 점화 장치(TSI)이다. 도2의 실시예에서, 전극의 길이(l)에 대한 외부 전극 및 내부 전극 각각의 반경(r1및 r2)의 합의 비는 4이상이어야 하며, 반면에 전극의 길이(l)에 대한 상기 두 개의 반경의 차이의 비는 1/3(양호하게는 1/2)을 초과하여야 한다. 즉,
및
이고 g1은 전극 사이의 간극 간격이다.
유사한 관계가 도3의 실시예에 대해 요구되며, 여기에서 도2의 r2및 r1은 도시된 바와 같이 R1및 R2로 교체되고, 전극 사이의 간극은 g2이고, 전극의 길이는 L이다. 따라서, 식은 다음과 같다.
그리고
연소 가능한 혼합물로의 열전달은 플라즈마로부터 이온 또는 라디칼의 확산의 형태로 발생된다. 플라즈마 부피의 대폭 증가는 연소 가능한 혼합물로의 열전달의 속도를 극적으로 증가시킨다.
먼저 마샬 건의 원리에 대해 논의하기로 한다. 그 다음에는 보다 큰 스파크 부피에 의해 제공되는 환경 측면의 이득에 대해 논의하기로 한다. 그 다음에는 그러한 시스템의 상세한 구성을 본 발명의 각종 실시예에 대해 논의하기로 한다.
마샬 건의 원리는 큰 부피의 플라즈마를 생성시키는 효과적인 방법을 제공한다. 도1의 개략적인 도면은 도시된 동축 방향 플라즈마 건의 전기장(2) 및 자기장(4)을 도시하고 있으며, 여기에서B T는 자계선(4)을 따른 방향의 기둥형(poloidal) 자기장이다. 플라즈마(16)는 로렌츠힘 벡터(F)의 작용 및 열팽창에 의해 방향(6)으로 이동되며, 새로운 플라즈마는 방전이 계속됨에 따라 새로운 가스의 분해(breakdown)에 의해 계속 생성된다.V Z는 플라즈마 핵 속도 벡터이고, 또한 화살표(6)에 의해 나타낸 z 방향으로 유도된다. 이와 같이, 플라즈마(16)는 전극(10, 12)(이는 절연체 또는 유전체(14)에 의해 이격 관계로 유지됨) 사이의 공간을 따라서 그리고 공간을 관통하여 이동함에 따라 성장된다. 플라즈마(16)가 전극(10, 12)에 남으면, 플라즈마의 부피는 팽창된 다음에 냉각된다. 플라즈마는 점화 온도까지 냉각된 후에 연소 가능한 혼합물을 점화시킨다.
다행히도, 플라즈마 부피를 증가시키는 것은 방출을 감소시키고 연료 경제성을 개선시키기 위한 확인된 전략과 일치된다. 두 개의 그러한 전략은 실린더 내부의 가스 혼합물의 희석을 증가시키고 주기마다의 변화를 감소시킨다.
가스 혼합물의 희석(이는 과도한 공기(엔진을 희박 상태로 가동함) 또는 배기 가스 재순환(EGR) 중 하나의 사용에 의해 가장 흔히 성취됨)은 연소 온도를 저하시킴으로써 질소 산화물의 형성을 감소시킨다. 질소 산화물은 스모그의 형성에 중요한 역할을 하며, 그 감소는 자동차 산업의 계속적인 도전 과제 중 하나이다. 또한, 가스 혼합물의 희석은 온도를 저하시켜 연소 챔버벽을 통한 열손실을 감소시키고, 비열의 비를 개선시키고, 부분적인 하중시에 펌핑 손실을 저하시킴으로써 연료 효율을 증가시킨다.
차이링게르는 세 개의 다른 스파크 타이밍에 대해 공연비의 함수로서 수행된 일의 마력-시간당 질소 산화물 형성을 결정하였다(Zeilinger, K., Ph.D. thesis, Technical University of Munich(1974)). 그는 공연비 및 스파크 타이밍이 모두 연소 온도와 그에 따른 질소 산화물 형성에 영향을 준다는 것을 알았다. 연소 가능한 혼합물 또는 공연비(A/F)가 과도한 공기에 의해 희석됨에 따라(즉, 화학양론값을 초과하는 A/F), 온도는 강하한다. 우선, 이러한 효과는 산소량의 증가에 의해 감소된다. NOx형성은 증가된다. 혼합물이 추가로 희석되는 경우에, NOx형성은 연소 온도 감소가 O2의 증가를 압도하기 때문에 화학양론적 혼합물보다 훨씬 낮은 값까지 감소된다.
보다 진보된 스파크 타이밍(즉, 상사점 훨씬 이전의 점화 개시)은, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달되기 전에 연소 가능한 혼합물의 다수 부분이 연소되고 혼합물이 보다 높은 온도에 대해 압축되기 때문에, 최대 온도(peak temperature)를 상승시키고 엔진 효율을 감소시키므로, NOx수준 및 열손실을 훨씬 상승시킨다. 혼합물이 희박 상태가 됨에 따라, 최대 제동 토오크를 제공하는 스파크 타이밍(MBT 타이밍)은 증가된다.
혼합물의 희석은 에너지 밀도 및 화염 전파 속도를 감소시키며, 이는 점화 및 연소에 영향을 준다. 보다 낮은 에너지 밀도는 소정의 부피 내의 화학 반응으로부터 방출되는 열을 감소시키므로, 화학적인 방출열과 주변 가스로 잃어버린 손실열 사이의 열수지를 변화시킨다. 방출열이 손실열보다 작으면, 화염은 전파되지 않을 것이다. 연소 가능한 혼합물의 에너지 밀도가 감소됨에 따라 화염 전파가 느려지지 않는 것을 보장하도록 점화 부피의 증가가 필요하다.
화염 전파 속도를 감소시키는 것은 연소 지속 시간을 증가시킨다. 점화되는 연료-공기 혼합물의 양이 표면적에 비례하기 때문에, 화염 전방부가 시작시에 매우 작다는 사실로 인해 점화가 지연되며, 이는 점화를 매우 느리게 한다. 점화 지연 및 연소 지속 시간의 증가는 최대 토오크를 성취하기 위해 필요한 점화 진각을 증가시키고, 이용 가능한 출력일의 양을 감소시킨다. 보다 큰 점화 핵은 필요한 스파크 타이밍의 진각을 감소시킬 것이므로, 그러한 진각과 관련된 역효과를 감소시킨다(이러한 역효과는 스파크시에 보다 낮은 밀도 및 온도로 인해 연소 가능한 혼합물을 연소시키는 어려움의 증가, 및 점화 지연의 변화의 증가이며, 이는 구동 능력을 열화시킨다).
주기적인 변화는 국부적인 공연비, 온도, 잔류 가스량, 및 난류의 불가피한 변화에 의해 유발된다. 실린더 압력의 이러한 변화의 결과는 주로 화염의 초기 확대 속도에 대한 영향에 기인한다. 이러한 영향은 불균질물의 평균 크기를 상당히 초과하는 스파크 부피를 제공함으로써 상당히 감소될 수 있다.
엔진 상태의 주기적인 변화의 감소는, 열악한 연소 주기의 횟수를 감소시키고, 엔진의 동작 공연비 범위를 확장시킴으로써, 방출을 감소시켜 효율을 증가시킬 것이다.
퀘이더는 두 개의 다른 시작 타이밍에 대해 크랭크 각도의 함수로서 연소되는 연소 가능한 혼합물의 질량 분율을 결정하였다(Quader, A., "스파크 점화 엔진-화염 개시 또는 전파의 희박 동작을 제한하는 것은 무엇인가?(What Limits Lean Operation in Spark Ignition Engines-Flame Initiation or Propagation?)", SAE Paper 760760(1976)). 그의 엔진은 1200 rpm 및 60% 드로틀에로 매우 희박한 상태로(즉, 약 0.7의 당량비) 가동되고 있었다. 연소되는 질량 분율은 스파크가 발생된 직후에(소정의 연소가 거의 검출될 수 없는 간격이 있음, 흔히 점화 지연이라고 알려짐) 현저한 방식으로 변하지 않았다. 이는 매우 작은 부피의 스파크에 기인하며, 느린 연소 지속 시간은 작은 표면적 및 비교적 낮은 온도에 기인한다. 작은 퍼센트의 연소 가능한 혼합물이 연소되면, 연소 속도는 처음에 느리게 증가되다가, 화염 전방부가 성장됨에 따라 보다 급속하게 증가된다. 이러한 스파크 타이밍 모두에서 엔진의 성능은 열악하다. 60°B.T.D.C(상사점 이전의 스파크 타이밍)의 경우에, 피스톤이 혼합물을 압축하고 있는 동안에 지나치게 많은 혼합물이 연소되므로, 음의 일이 된다. 압력의 상승은 엔진의 압축 행정을 방해한다. 40°B.T.D.C 타이밍의 경우에, 팽창 행정이 시작된 후에 상당한 분율의 혼합물이 연소되어, 이용 가능한 출력일을 감소시킨다.
퀘이더, 이드.(Quader, Id.)에 의해 결정되는 곡선과 4% 연소된 선의 상호 교차는 가능하다면 큰 스파크 부피가 점화 지연을 제거시키는 역할을 할 것이라는 잠재적인 장점을 나타낸다. 60°B.T.D.C 스파크 곡선에 대해, 스파크 타이밍이 60°로부터 22°B.T.D.C로 거의 40°만큼 변화되면, 연소되는 질량 분율의 변화 속도는 연소 가능한 혼합물 밀도가 점화시에 보다 높을 것이기 때문에 보다 높을 것이다. 40°B.T.D.C 스파크 시간 곡선에 대해, 타이밍이 40°로부터 14°B.T.D.C로 약 25°만큼 변화되면, 연소 가능한 혼합물은 TDC에 보다 근접한 지점에서 완전 연소되어, 효율을 증가시킬 것이다.
상기 논의는 감소된 방출 및 개선된 연료 경제성을 위한 스파크 부피의 증가의 중요성을 명백하게 설명하고 있다. 본 발명의 TSI 시스템에 따라, 최대 효율을 위해 필요한 점화 진각은 20°내지 30°, 또는 그 이상만큼 감소될 수 있다.
스파크 부피를 증가시키는 것과 동시에, TSI 시스템도 연소 지속 시간을 감소시키는 효과에 따라 스파크를 연소 가능한 혼합물 내로 보다 깊이 이동시키기 위해 제공한다.
이제부터는 본 발명의 각종 예시적인 실시예에 대한 실제 TSI 시스템의 구성을 논의하기로 한다.
본 발명에 따르면, (a) 종래 스파크 플러그를 대체하는 작은 플라즈마 건 또는 이동 스파크 점화 장치(TSI로도 알려져 있음)와, (b) 특별히 정합된 전자 트리거(즉, 점화 장치) 회로가 제공된다. 플라즈마 건의 변수(전극의 길이, 동축 실린더의 직경, 방전의 지속 시간)에 대한 전자 회로의 정합은 소정의 전기 에너지 저장을 위해 건을 출발하는 경우에 플라즈마의 부피를 최대화시킨다. 전자 회로의 변수를 적절하게 선택함으로써, 대체적으로 최대 전기 에너지가 플라즈마로 전달되도록 전류 및 전압 시간 프로파일을 얻는 것이 가능하다.
양호하게는, 본 발명의 TSI 점화 시스템은 점화당 약 300 mJ 이하를 사용한다. 반면에, 초기의 플라즈마 및 마샬 건 점화 장치는 훨씬 큰 점화 에너지(예컨대, 점화당 2 내지 10J)를 채용하였기 때문에 실제적인 활용성을 성취하지 못했으며, 이는 점화 장치의 급속한 부식 및 짧은 수명을 유발시켰다. 엔진 성능의 추가 효율 이득은 증가된 점화 시스템 에너지 소비에 의해 포기되었다.
이제까지, 적절한 설계 원리는 매우 빠른 속도를 갖는 이동 플라즈마를 생성시키는 것이라고 생각하였으며, 이는 높은 수준의 난류를 발생시켜 큰 부피의 혼합물을 점화시키기 위해 연소 가능한 혼합물을 관통할 것이다. 이는 사이에 비교적 작은 간극을 갖는 비교적 긴 길이의 전극을 사용함으로써 달성되었다. 예컨대, 3을 초과하고 양호하게는 6 내지 10인 방전 간극에 대한 전극 길이의 종횡비가 상기 매튜 등에 의해 제안되었다. 반면에, 본 발명은 전극 사이의 비교적 큰 간극을 갖는 비교적 짧은 길이의 전극을 사용한다.
플라즈마의 운동 에너지는 플라즈마 질량(Mp), 및 그 속도 (vp)의 제곱의 곱에 비례한다는 것을 고려하면 다음과 같은 식이 성립될 것이다.
K.E ∝ Mpvp 2
플라즈마의 속도를 2배로 하면 운동에너지는 4배가 된다. 플라즈마의 질량은 ρp×Volp이며, 여기에서 ρp및 Volp는 각각 플라즈마 밀도 및 플라즈마 부피이다. 이와 같이, 플라즈마의 부피가 동일한 속도에서 2배가 되면, 필요한 운동 에너지는 단지 2배가 된다.
본 발명은 플라즈마를 형성하기 위해 필요한 에너지에 대한 플라즈마 부피의 비를 증가시킨다. 이는 적절한 플라즈마 속도를 신속하게 성취함으로써 이루어진다.
점화 플라즈마 부피가 구형 형상이라고 가정하면, 부피의 표면적은 부피의 반경의 제곱에 따라 증가된다. 연소 가능한 혼합물의 점화는 플라즈마가 팽창되어 연소 가능한 혼합물 점화 온도까지 냉각된 후에 플라즈마 부피의 표면에서 발생된다. 이와 같이, 연소 가능한 혼합물이 연소되는 초기 속도는 플라즈마의 초기 속도가 아니라 플라즈마 온도에 주로 좌우된다. 결국, 플라즈마 입력 에너지에 대한 플라즈마 부피 및 온도의 비를 최대화시키는 것은 연소 가능한 혼합물의 연소 속도를 높이기 위해 전기 에너지 효율을 최대화시킨다.
플라즈마의 팽창되는 부피에 대한 제동(D)은 연소 가능한 혼합물의 밀도(ρc) 및 팽창된 플라즈마의 속도(vp)의 제곱에 비례하며, 그 식은 다음과 같다.
D∼ρcvp 2
플라즈마를 팽창시키는 전기력(F)의 크기는 방전 전류(I)의 제곱에 비례한다. 상기 두 개의 힘에 대해 풀면 다음과 같이 된다.
F∼I2=D∼ρcvp 2
플라즈마의 부피(Volp)의 반경(r)은 에 비례하며, 여기에서 tD는 방전의 지속 시간이다. 플라즈마의 부피는 반경(r)의 세제곱에 비례하며, 플라즈마 부피의 반경은 전하량이 플라즈마 내에 삽입된 전하량 에 비례한다. 이와 같이, 플라즈마의 부피는 Q3에 비례한다.
전기 에너지의 전원이 커패시터에 저장되는 전원이면, Q=CV이며, 여기에서 V는 전하량(Q)이 저장되는 전압이고 C는 커패시턴스이며, 커패시터에 저장된 에너지는 E=1/2 CV2이다.
소정의 에너지에 대한 플라즈마 부피를 최대화시키기 위해, 전기 에너지(E)에 대한 플라즈마 부피(Volp)의 비는 최대화되어야 한다. Volp/E는 C3V3/CV2, 즉 C2V에 비례한다. 소정의 일정한 에너지 E=1/2 CV2에 대해, C는 V-2에 비례할 것이다. 따라서, Volp/E는 V-3에 비례한다.
따라서, 최적 회로 설계는 소정의 전기 에너지를 낮은 전압의 대용량 커패시터에 저장하는 설계이다.
따라서, 효율을 향상시키기 위해, 방전은 가능하면 최저 전압으로 발생되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 전기 에너지의 초기 방전은 절연체의 표면 상에서 발생되며, 전원은 절연체의 표면 근방의 간극 전도도를 상승시키도록 사용되며, 방전 에너지의 주 발생원은 플라즈마를 신뢰성있게 효과적으로 생성시키는 가능하면 최저 전압으로 저장되고 제공된다.
본 발명의 추가 목적은, 양호하게는, 전극벽 상에서 이동 스파크(플라즈마)의 대량의 이온 및 전자의 재결합을 피하는 것이다. 이온 및 전자의 재결합에 기인한 에너지 손실은 시스템의 효율을 감소시킨다. 재결합 과정은 시간에 따라 증가되므로, 이온 형성은 벽과 이온의 상호 작용의 가능성을 최소화시키기 위해 신속하게 일어나야 한다. 따라서, 재결합을 감소시키기 위해, 방전 시간은 짧아야 한다. 이는 짧은 이동 거리 상에 소정의 속도를 성취함으로써 달성될 수 있다.
제2 손실 기구, 즉 플라즈마가 그 경로에 진입되기 전에 연소 가능한 혼합물에 충돌하는 경우에 플라즈마에 작용하는 제동력이 존재한다. 이러한 손실은 속도의 제곱에 따라 변한다. 이와 같이, 배출 속도는 그러한 손실을 감소시키거나 최소화시키기 위해 가능하면 낮아야 한다.
신속하게 방전되어야 할 필요성과 결합되어 바람직하게 큰 부피는 전극 사이의 비교적 넓은 간극과 함께 플라즈마 이동을 위한 짧은 길이(l)를 특징으로 하는 구조를 가능케 한다. 이러한 요구 조건은 상기 도2 및 도3에 대해 설명되는 두 개의 비율 쌍에 의해 기하학적으로 구체화된다.
이는 물리적 치수 관점에서 무엇을 의미하는가? 종래 스파크 플러그의 지점간 방전에서의 플라즈마의 부피가 약 1㎣이면, 양호하게는 플라즈마 부피를 적어도 100배, 즉 Volp=100㎣ 크게 생성시키는 것이 바람직할 것이다. 이와 같이, 도2의 구성을 사용하면, 상기 조건을 만족시키는 예가 가능할 것이다. 즉, 길이(l)=2.5 ㎜, 보다 큰 직경의 원통형 전극의 반경(내경)(r2)은 5.8 ㎜이고(이는 14 ㎜의 나사부 직경을 갖는 종래 스파크 간극을 사용하는 원통형 전극의 전형적인 반경일 것임) 보다 작은 직경의 원통형 전극의 반경(r1)은 4.6 ㎜이다.
도2 및 도3에 도시된 바와 같이, TSI(17, 27)는 표준 장착 수단 또는 나사부(19), 표준 수형 스파크 플러그 커넥터(21), 및 절연체(23) 등의 표준 스파크 플러그로서 대부분의 동일한 물리적 속성을 각각 공유하고 있다. 그러나, TSI의 팁 또는 플라즈마 형성부는 각각 종래 스파크 플러그와 상당히 다르다. 도2에 도시된 바와 같은 본 발명의 하나의 실시예에 대한 이동 스파크 점화 장치(TSI)에서, 내부 전극(18)은 말단 부트 커넥터(21)에서 외부 전극(20)의 내부 개방 부피 내로 동축 방향으로 연장되는 하부에 배치된다. 전극 사이의 공간에는 점화 장치(17)의 단부에서 본 예에서 마지막 2 내지 3 ㎜을 제외하고 절연재(22)(예컨대, 세라믹)가 충전되며, 이러한 거리는 l로서 나타내져 있다. 전극 사이의 공간 또는 방전 간극(g1)은 본 예에서 약 1.2 내지 약 1.5 ㎜의 반경 방향 거리를 가질 수도 있다. l 및 g1에 대한 이러한 거리는 TSI가 최대 효율을 얻기 위해 정합 전자 장치(이하에서 논의됨)를 구비한 시스템으로서 양호하게 작용한다는 점에서 중요하다. 전극(18 내지 20) 사이의 방전은 절연체로부터 약간 떨어져 있는 가스에서보다 절연체의 표면을 따라 방전을 개시시키기 위해 낮은 전압이 필요하므로 절연체(23)의 노출된 내면을 따라 시작된다. 전압이 인가되는 경우에, 가스(공기/연료 혼합물)는 그에 따라 생긴 전기장에 의해 이온화되어, 양호한 도체가 되고 보다 낮은 전압으로 전극 사이에 전류를 유지시키는 플라즈마(24)를 생성시킨다. 이러한 전류는 보다 많은 가스(공기/연료 혼합물)를 이온화시키고 플라즈마(24)의 부피를 증가시키는 로렌츠힘을 발생시킨다. 도2의 TSI에서, 플라즈마는 "점화 장치 플러그"(17)로부터 축방향으로 가속된다.
도3은 외부 전극(28)에 동축 방향으로 배치되는 내부 전극(25)을 구비한 TSI(27)을 도시하고 있다. 전극(26 및 28) 사이의 공간에는 절연재(30)(예컨대, 세라믹)이 충전된다. 도2에 대해 도3의 실시예가 차별화되는 주요 특징은 전극(28)에 대향하는 중심 전극(25)의 자유 단부와 일체형이거나 상기 자유 단부에 부착되는 평탄한 디스크 형상(원형)의 전극 표면(26)이 있다는 것이며, 이러한 전극 표면(26)은 전극(25)의 종방향 축을 가로질러 연장된다. 디스크(26)의 수평면은 플라즈마 점화 장치(27)가 피스톤 실린더에 설치되는 경우에 관련 피스톤 헤드(도시되지 않음)에 평행하다는 것을 추가로 주목하여야 한다. 또한, 전극(26)에 대향하는 전극(28)의 단부 표면은 전극(26)의 대향하는 표면에 평행하게 연장되는 대체로 평탄한 원형 형상이다. 결국, 환형 공동(29)은 전극(26 및 28)의 대향 표면 사이에 형성된다. 보다 정확하게, 전극이 사용시에 관련 피스톤 헤드에 수직하게 연장되는 도2의 실시예와는 반대로, 관련 피스톤 헤드의 상부에 평행하게 이격된 방향을 갖는 두 개의 대체적으로 평행한 표면의 전극이 있다. 공기/연료 혼합물이 점화되는 경우에, 관련 피스톤은 "상승되고" 스파크 플러그 또는 점화 장치(27)에 근접하여, 양호하게는 점화 장치(27)의 간극(29)으로부터 피스톤 헤드보다 관련 실린더벽에 더 멀리 있게 된다는 것을 고려하여야 한다. 따라서, 플라즈마가 혼합물과의 최대 상호 작용을 얻는 양호한 이동 방향은 간극(29)과 실린더벽 사이이다. 필수적으로 평행한 전극(26 및 28)은 도2의 실시예 및 종래 기술에서와 같이 가장 긴 치수에 수직하게 피스톤 헤드를 향하는 대신에 점화시에 연소 가능한 혼합물의 부피의 가장 긴 치수에 대체로 평행하다. 점화 장치(17, 27)에 전력을 공급하기 위해 동일한 전기 조건이 사용되는 경우에, 플라즈마 가속 길이(l 및 L)는 최적 플라즈마 생성을 얻기 위해 각각 대체로 동일하다는 것을 깨닫게 되었다. 또한, TSI(27)에 대해, 상기 조건하에서는 다음 치수가 양호하게 작용한다. 즉, 디스크 전극(26)의 반경(R2)=6.8 ㎜이고, 절연 세라믹의 반경(R1)=4.3 ㎜이고, 전극 사이의 간극(g2)=1.2 ㎜이고 길이(L)=2.5 ㎜이다.
도3의 실시예에서, 플라즈마(32)는 절연체(25)의 노출면의 방전 간극(29)에서 개시되어, 화살표(29A)의 반경 방향으로 외향 성장 및 팽창된다. 이는 도2의 TSI 실시예 이상의 여러개의 추가 장점을 제공한다. 첫째로, 플라즈마(32)에 노출된 디스크 전극(26)의 표면적은 플라즈마(32)에 노출된 외부 전극(28)의 단부의 표면적과 대체로 동일하다. 이는 디스크 전극(26)의 내부의 부식이 도2의 TSI(17)의 내부 전극(18)의 노출부의 부식보다 상당히 작다는 것을 의미하며, 후자는 플라즈마에 노출되는 훨씬 작은 표면적을 갖는다. 둘째로, 도3의 TSI(27)의 절연체 재료(30)는 전극(26)을 위한 추가 열전도 경로를 제공한다. 추가된 절연체 재료(30)는 도2의 전극(18)보다 저온으로 내부 전극 금속(25, 26)을 유지시켜, TSI(17)에 비해 TSI(27)의 신뢰성을 향상시킬 것이다. 마지막으로, TSI(27)를 사용하면, 플라즈마는 관련 피스톤 헤드에 충돌되지 않아 피스톤 헤드를 부식시키지 않을 수도 있을 것이다.
도5 및 도6은 엔진에 설치된 경우에 도2의 TSI(17)와 도3의 TSI(27) 사이의 플라즈마 궤도의 차이를 도식적으로 나타내고 있다 도5에서, TSI(17)은 실린더(92) 및 상기 실린더(92)에서 왕복, 즉 상하로 이동하고 있는 피스톤(94)과 결합되어 실린더 헤드(90)에 장착된다. 소정의 종래 내연 기관에서와 같이, 피스톤 헤드(96)가 상사점에 근접하면, TSI(17)에는 전력이 공급될 것이다. 이는 플라즈마를 생성시킬 것이며, 피스톤 헤드(96)를 향해 또는 피스톤 헤드(96)까지 짧은 거리만큼만 화살표(98) 방향으로 이동될 것이다. 이러한 이동 동안에, 플라즈마(24)는 실린더(92)의 공기/연료 혼합물(도시되지 않음)을 점화시킬 것이다. 점화는 플라즈마(24)의 근방에서 시작된다. 플라즈마의 그러한 이동에 비해, 도6에 도시된 바와 같은 TSI(27)는 화살표(100) 방향으로 이동되도록 플라즈마(32)를 제공하여, 전술한 바와 같이 TSI(17)에 의해 제공되는 것보다 대량의 공기/연료 혼합물을 점화시킨다.
전극 재료는 강과, 도금 금속과, 플라티늄 도금강(내식성 또는 "고성능 엔진(performance engines)" 목적)과, 구리와, 예컨대 몰리브듐 또는 텅스텐 등의 고온 전극 금속 등의 소정의 적절한 도체를 포함할 수도 있다. 금속은 코바(Kovar, 카펜터 테크놀로지 코포레이션(Carpenter Technology Corp.)의 상표명 및 제품명)와 같이 열팽창이 제어되거나 유리 또는 세라믹에 대한 양호한 후속 밀봉을 제공하기 위해 산화 제1 구리(cuprous oxide) 등의 재료에 의해 피복될 수도 있다. 또한, 전극 재료는 전력 소비를 감소시키기 위해 선택될 수도 있다. 예컨대, 토륨 처리된 텅스텐은 그의 약간의 방사성이 전극 사이의 공기를 예비 이온화시키도록 도울 수도 있기 때문에 사용될 수 있어, 필요한 점화 전압을 감소시킬 수도 있다. 또한, 전극은 플라즈마를 밀어내기 위해 로렌츠힘을 돕도록 편극된 높은 큐리 온도(high-Curie temperature) 영구 자석 재료로부터 제조될 수도 있다.
단부에서 수 ㎜을 제외하고, 전극은 고온 편극 가능한 전기 유전체인 절연체 또는 절연체 재료에 의해 분리된다. 이러한 재료는, 예컨대 종래 스파크 플러그에 사용되는 것처럼 자기(porcelain) 또는 광택을 갖는 내화 세라믹(fired ceramic)일 수 있다. 대안으로서, 전극은, 내화 시멘트; 매코르(Macor, 코닝 글래스 컴퍼니(Corning Glass Company)의 상표명 및 제품명) 등의 기계 가공 가능한 유리-세라믹; 또는 예컨대 납땜 유리 프릿(frit)에 의해 금속 전극에 내화 처리 및 밀봉 처리된 성형 알루미나 또는 안정화 처리된 지르코니아 등으로 형성될 수 있다. 상기와 같이, 또한, 세라믹은 바륨 페라이트 등의 영구 자석 재료를 포함할 수 있다.
도2 및 도3의 실시예의 동작 관점에서, 전극(18, 20 및 25, 26)이 각각 TSI 시스템의 나머지 부분에 연결되는 경우에, 전극은 각각의 전극쌍 사이의 간극에 스파크를 발생시킬 정도로 충분하게 높은 전위차를 제공하기 위한 전기 회로도 포함하는 전기 시스템의 일부가 된다. 전극 및 스파크 채널의 전류를 둘러싸는 최종 자기장은, 본 발명의 각각의 실시예에 대해, 스파크 채널의 재료 상에 로렌츠힘을 발생시키기 위해 전기장과 상호 작용하며, 전술된 바와 같이 이러한 효과는 스파크 채널의 최초 지점을 이동시켜 소정의 위치에 고정되지 않게 하여, 스파크 채널의 단면적을 증가시킨다. 이러한 점에서 스파크의 최초 위치가 고정되는 전통적인 스파크 점화 시스템과 대비된다. TSI(17 및 27)와 정합되는 전자 회로는 각각의 실시예에 대한 TSI 시스템을 완성시키며, 이는 다음 예에서 논의하기로 한다.
예 1
도4는 TSI 플러그 또는 점화 장치(17)를 나타내고 그에 접속된 전기 또는 전자 점화 회로의 개략적인 기본 소자를 가지며, TSI 플러그 또는 점화 장치(17)는 방전(플라즈마)을 위한 전압 및 전류를 공급한다(동일한 회로 및 회로 요소는 TSI(27)를 구동시키기 위해 사용될 수도 있다). 두 개의 전극(18, 20) 사이의 방전은 절연재(22)의 표면(56)을 따라 시작된다. 가스(공기/연료 혼합물)는, 방전에 의해 이온화되어 전류의 양호한 도체가 되고, 플라즈마를 초기 생성시켰던 전압보다 낮은 전압에서 전극 사이에 전류를 허용하는 플라즈마(24)를 생성시킨다. 이러한 전류는 보다 많은 가스(공기/연료 혼합물)를 이온화시켜 플라즈마(24)의 부피를 증가시킨다.
도4에 도시된 전기 회로는 종래 점화 시스템(42)(예컨대, 커패시터 방전 점화, CDI, 또는 트랜지스터 코일 점화, TCI), 저전압(Vs) 전원(44), 커패시터(46, 48), 다이오우드(50, 52), 및 저항(54)을 포함한다. 종래 점화 시스템(42)은 TSI(17)의 표면(56)을 따라 간극의 공기/연료 혼합물을 분해 또는 이온화시키기 위해 필요한 고전압을 제공한다. 전도 경로가 이루어졌다면, 커패시터(46)는 다이오우드(50)를 통해 신속히 방전되어 플라즈마(24) 내로 높은 전력 입력 또는 전류를 제공한다. 다이오우드(50, 52)는 종래 점화 시스템(42)의 점화 코일(도시되지 않음)을 비교적 대용량 커패시터(46)(1 내지 4 ㎌)로부터 전기적으로 절연시키기 위해 필요하다. 다이오우드(50, 52)가 존재하지 않으면, 코일은 커패시터(46)에 의해 제공되는 낮은 임피던스로 인해 고전압을 발생시킬 수 없을 것이다. 대신에, 코일은 커패시터(46)를 충전시킬 것이다. 저항(54), 커패시터(48), 및 전원(44)의 기능은 방전 주기 후에 커패시터(46)를 재충전시키는 것이다. 저항(54)은 전원(54)과 TSI(17)의 점화 간극 사이의 저저항 전류 경로를 방지시키는 한가지 방법이다.
도4의 회로는 도시 목적을 위해 간략화된 것을 주목하여야 한다. 상용에서, 제목 "예2"로 이하에서 설명되는 도7의 회로는 공진 회로를 사용하여 보다 에너지 효율적인 방식으로 커패시터(46)를 재충전시키기 위해 양호하다. 또한, 종래 점화 시스템(42)(유일한 목적은 초기 분해 유발시키는 것임)은 보다 적은 에너지를 사용하여 종래 기술보다 신속하게 방전시키도록 변형된다. 거의 모든 점화 에너지는 커패시터(46)에 의해 공급된다. 우선, 변형은 보다 적은 제2 권선(turns)의 사용에 의해 고압 코일 인덕턴스를 감소시키고자 하는 것이다. 이는 초기 방전이 절연재 표면에 걸쳐 발생되는 경우에 훨씬 낮은 전압일 수 있기 때문에 가능하다. 필요한 전압은 공기 중에서 가스 분해를 유발시키기 위해 필요한 전압의 약 1/3일 수 있다.
중심 전극(18) 및 플라즈마(24)를 통한 외부 전극(20)으로의 전류는 기둥형(고리형) 자기장(B T(I, r))을 중심 전극(18) 주위에 생성시키며, 자기장은 전류와 전극(18)의 축으로부터의 거리(반경(r0), 도1 참조)에 좌우된다. 따라서, 기둥형 자기장(B)에 수직한 플라즈마(24)를 통해 유동하는 전류(I)는 실린더(18, 20)의 축방향(z)을 따라 플라즈마(24) 상에 로렌츠힘(F)을 발생시킨다. 힘은 다음과 같은 식(6)으로 계산된다.
F∼IxB→Fz∼Ir·Bθ
이러한 힘은 대전된 입자를 가속시키며, 대전된 입자는 대전되지 않은 입자와의 충돌로 인해 모든 플라즈마를 가속시킬 것이다. 플라즈마는 대전된 입자(전자 및 이온) 및 중성 원자로 구성된다는 것을 주목하여야 한다. 방전 온도는 모든 원자를 완전히 이온화시킬 정도로 충분히 높지는 않다.
용융 장치(fusion devices)용 플라즈마 발생원으로서의 최초의 마샬 건은 전극 사이에서 짧은 펄스의 가스 분사로 진공에서 동작된다. 커패시터의 방전에 의해 전극 사이에서 생성된 플라즈마는 약 107㎝/sec의 최종 속도까지 12 ㎝의 거리에서 가속된다. 본 발명에서 엔진 점화 장치로서 사용되는 플라즈마 건은 비교적 높은 가스(공기/연료) 압력에서 동작한다. 그러한 가스의 제동력(drag force)은 이하에 나타낸 바와 같이 대략 플라즈마 속도의 제곱에 비례한다.
Fv∼Vp 2
플라즈마가 가속되는 거리는 짧다(2 내지 3 ㎜). 실제로, 실험은, 커패시터(46)에 저장된 전기 에너지가 상당히 증가되어야 하지만, 2 내지 3 ㎜을 넘는 플라즈마 가속 거리의 길이를 증가시키면 플라즈마 배출 속도가 상당히 증가된다는 것을 나타내었다. 대기압에서와 약 300 mJ의 전기 입력 에너지에 대해, 엔진에서의 평균 속도는 5×104㎝/sec에 근접하고 고압에서 보다 낮을 것이다. 8:1의 압축비에서, 이러한 평균 속도는 대략 3×104㎝/sec일 것이다.
반면, 보다 많은 에너지가 종래 스파크의 단일 방전부 내로 입력되면, 그 강도는 어느 정도 증가되지만, 생성되는 플라즈마의 부피가 상당히 증가되지는 않을 것이다. 종래 스파크에서, 입력되는 에너지의 훨씬 큰 분율은 방출 경로의 전도도가 증가되는 경우에 전극을 가열시키는 상태가 된다.
예 2
도2 및 도3의 TSI 점화 장치(17, 27)는 각각 도7에 도시된 점화 전자 장치와 결합될 수 있다. 점화 전자 장치는 도시된 바와 같이 각각 제1 및 제2 회로(77, 79)와 각각 그와 관련된 대전 회로(75, 81)의 네 부분으로 분할될 수 있다. 제2 회로(79)는 고전압부(83) 및 저전압부(85)로 분할될 수 있다.
제1 및 제2 회로(77, 79)는 각각 점화 코일(62)의 제1 권취부(58) 및 제2 권취부(60)에 대응한다. SCR(64)이 그 게이트(65)로의 트리거 신호의 인가를 통해 턴온되면, 커패시터(66)는 SCR(64)을 통해 방전되며, 코일 제1 권취부(58)에 전류를 유도시킨다. 유도된 전류는 차례로 관련된 제2 권취부(60)를 가로질러 고전압을 부여하며, 고전압은 스파크 간극(68)의 가스를 분해시켜 전도 경로, 즉 플라즈마를 형성한다. 플라즈마가 생성되면, 다이오우드(86)는 턴온되고 제2 커패시터(70)는 방전된다. 스파크 간극 기호(68)는 예컨대, 각각 도2 및 도3의 TSI 소자(17 및 27) 등의 본 발명에 따른 점화 장치를 나타낸다.
제1 및 제2 커패시터(66, 70)가 방전되면, 이들은 각각의 대전 회로(75, 81)에 의해 재충전된다. 충전 회로(75, 81)는 모두 전원(80, 82)(각각)과 함께 인덕터(72, 74)(각각) 및 다이오우드(76, 78)(각각)를 포함한다. 인덕터(72, 74)의 기능은 전원이 점화 장치를 통해 단락되는 것을 방지하는 것이다. 다이오우드(76, 78)의 기능은 진동을 피하는 것이다. 커패시터(84)는 전원(82)의 전압(V2)이 크게 변동하는 것을 방지하는 것이다.
전원(80, 82)은 모두 각각 전압(V1및 V2)에 500 볼트 이하 정도를 공급한다(본 발명자에 의해 수행된 실험에서, 이러한 전원은 두 개의 전압을 독립적으로 변하게 하기 용이하도록 분리 유지됨). 전원(80, 82)은 CDI(커패시터 방전 점화) 시스템으로부터의 DC-DC 변환기일 수도 있으며, 예컨대, 12 볼트 자동차 배터리에 의해 공급될 수 있다.
도7의 점화 회로의 필수 부분은 하나 이상의 고전류 다이오우드(86)이며, 모든 엔진 동작 조건에 대해 TSI(17) 또는 TSI(27) 중 하나의 최대 스파크 간극 항복 전압보다 큰 높은 역방향 항복 전압을 갖는다. 다이오우드(86)의 기능은 제2 권취부(60)로부터 제2 커패시터(70)로의 전류를 차단시킴으로써 제2 커패시터(70)를 점화 코일(62)로부터 절연시키는 것이다. 이러한 절연부가 존재하지 않았다면, 점화 코일(62)의 제2 전압은 제2 커패시터(70)를 충전시켰을 것이고, 대형의 커패시턴스가 주어졌다면, 점화 코일(62)은 스파크 간극(68)에서 공기/연료 혼합물을 분해시킬 정도로 충분히 높은 전압을 결코 나타내지 못했을 것이다.
다이오우드(88)는 스파크 또는 플라즈마가 없는 경우에 커패시터(70)가 제2 권취부(60)를 통해 방전되는 것을 방지한다. 마지막으로, 선택적인 저항(90)은 제2 권취부(60)를 통한 전류를 감소시키도록 사용될 수도 있어, 회로에 의해 방출된 전자기 방사(무선 노이즈)를 감소시킨다.
본 TSI 시스템에서, 트리거 전극은 도7에서 커패시터(70)의 전압을 저하시키도록 도2 내지 도4의 내외부 전극 사이에 추가될 수 있다. 그러한 세 개의 전극 점화 장치는 도8에 도시되어 있으며, 다음 문단에 설명되어 있다.
도8에서, 세 개의 전극 플라즈마 점화 장치(100)는 개략적으로 도시되어 있다. 내부 전극(104)은 외부 전극(106) 내에 동축 방향으로 배치되며, 두 개의 전극은 모두 수 ㎜의 직경을 갖는다. 내부 전극(104)과 외부 전극(106) 사이에 반경 방향으로 제3 전극(108)이 있다. 이러한 제3 전극(108)은 고전압(HV) 코일(110)에 연결된다. 제3 전극(108)은 절연체(112)의 노출면(114)을 대전시킴으로써 두 개의 주 전극(104 및 106) 사이의 방전을 개시시킨다. 모든 세 개의 전극(104, 106, 108) 사이의 공간에는 점화 장치(100)의 연소 단부에서 전극(104 및 106) 사이의 마지막 2 내지 3 ㎜의 공간을 제외하고 절연재(112)(예컨대, 세라믹)가 충전된다. 두 개의 주 전극(104 및 106) 사이의 방전은, 제3 전극(108)에 의해 개시된 후에, 절연체(112)의 표면(114)을 따라 시작된다. 가스(공기-연료 혼합물)는 방전에 의해 이온화된다. 이러한 방전은 플라즈마를 생성시키며, 플라즈마는 양호한 전기 도체가 되어 전류 크기가 증가될 수 있다. 증가된 전류는, 상기 설명된 바와 같이, 보다 많은 가스(공기-연료 혼합물)를 이온화시켜 플라즈마의 부피를 증가시킨다.
제3 전극(108)의 팁과 외부 전극(106) 사이의 고압은 매우 낮은 전류 방전을 제공하며, 이러한 전류는 주 커패시터가 유전체 또는 절연체(112)의 표면(104)을 따라 전극(104 및 106) 사이에서 방전되도록 절연체(112)의 표면(114) 상의 충분히 대전된 입자를 생성시키기 위해 충분하다.
도9A, 도9B 및 도9C에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 평행한 로드 형상의 전극(122 및 124)을 갖는 이동 스파크 점화 장치(120)를 포함한다. 평행한 전극(122, 124)은, 도시된 바와 같이, 그 각각의 길이의 상당 부분이 유전성 절연재(126)에 의해 둘러싸인다. 도시된 바와 같이, 유전체(126)의 상단부는 전극(122)의 상단부에 기계적 및 전기적 방법 모두에 의해 고정되는 스파크 플러그 부트 커넥터(21)를 보유한다. 유전 재료(126)는 전극(122 및 124)을 견고하게 보유하며, 일부분은 하부 주위에 장착 나사부(19)를 갖는 외부 금속체(128)를 보유한다. 전극(124)은, 본 예에서, 도시된 바와 같이, 견고한 장착부(130)를 통해 금속체(128)의 내벽에 기계적 및 전기적 방법 모두에 의해 고정된다. 도9A에 도시된 바와 같이, 각각의 전극(122 및 124)은 유전체(126)의 저단부의 표면으로부터 외향으로 거리(l)만큼 연장된다.
도9B 및 도9C에 대해, 전극(122 및 124)은 거리(r)만큼 이격되어 있으며, r은 전극(122, 124)(도9C 참조) 사이에 끼울 수 있는 최대 실린더의 반경이다.
본 명세서에는 본 발명의 각종 실시예가 도시되고 설명되어 있지만, 이들은 예시만을 위해 도시된 것일 뿐 한정하려는 것은 아니다. 예컨대, TSI(17)의 전극(18 및 20)과 TSI(27)의 전극(25)은 원통형이 아닐 수 있다. 또한, 디스크 형상의 전극(26)은, 예컨대, 직선 로드 등 원형이 아닐 수도 있다. TSI(17)에 대해서도, 전극(18 및 20)은 평행한 로드 또는 평행한 긴 직사각형 구성 등 동축 방향이 아닐 수도 있다. 전극이 동일한 길이로 제공되는 것으로 도시되어 있지만, 전극의 길이도 변할 수도 있으며, 그러한 경우에 청구범위에서 사용되고 있는 용어 "길이(length)"는 점화 장치로부터 플라즈마 방출의 방향을 따른 전극 중첩의 치수를 말한다. 당업자라면 상기 실시예에 대한 추가 변형이 가능하다는 것을 인지할 수 있을 것이며, 그러한 변형은 첨부된 청구범위의 요지 및 범주에 의해 포함되도록 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 연소 기관용 이동 스파크 점화(TSI) 시스템에 있어서,
    상기 이동 스파크 점화 시스템은 점화 장치를 포함하며,
    상기 점화 장치는,
    방전 간극을 사이에서 형성하는 적어도 제1 및 제2 전극을 구비하는 대체로 평행하게 이격된 전극-전극의 길이에 대한 상기 전극의 반경의 합의 비는 약 4 이상인 반면에, 상기 전극의 길이에 대한 상기 두 개의 반경의 차이의 비는 약 1/3을 초과함-과,
    상기 전극의 상당 부분 및 상기 전극 사이의 공간을 둘러싸는 유전 재료와,
    상기 유전 재료가 없고 서로 대향 관계인 각각의 상기 전극의 비절연 단부와,
    상기 제1 및 제2 전극의 상기 자유 단부가 상기 연소 기관의 연소 실린더에 설치되는 상태로 상기 점화 장치를 장착하기 위한 수단과,
    플라즈마로 형성된 채널을 상기 전극 사이에 생성시키기 위한 충분히 높은 제1 전압을 초기에 전극에 제공한 다음에, 상기 전극 사이의 상기 채널에서 플라즈마를 관통하는 전류를 지속시키기 위한 제1 전압보다 낮은 전위의 제2 전압을 플라즈마에 제공함으로써, 플라즈마를 최초 구역으로부터 이동시키기 위해 상기 플라즈마 상에 힘을 발생시키는 방식으로 상기 전극 사이의 전위차로부터 발생되는 전기장과 상기 전류로부터 발생되는 자기장이 상호 작용하여, 상기 플라즈마의 부피를 증가시키기 위해, 전위차를 상기 전극 사이에 제공하기 위한 전기 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 수단은,
    비교적 큰 진폭이지만 작은 크기의 전류를 갖는 상기 제1 전압을 제공하기 위한 제1 전압원과,
    상기 제1 전압보다 상당히 작은 진폭이지만 상기 제1 전압원으로부터 발생되는 전류에 비해 큰 크기의 전류를 갖는 상기 제2 전압을 제공하기 위한 제2 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 점화 장치는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 위치되는 제3 전극을 추가로 포함하며,
    상기 제1 전압은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 인가되고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 평행한 제1 및 제2 전극은 평행한 평면 표면인 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 평행한 실린더인 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극의 비절연부의 축방향 길이는 약 3 ㎜이하이고, 상기 전극들의 반경 방향 분리 거리는 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜인 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 평행한 제1 및 제2 전극은 상기 점화 장치의 종방향 축에 평행한 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 서로 대향하는 상기 평행한 제1 및 제2 전극의 비절연 표면은 상기 점화 장치의 종방향 축에 수직한 평면 내에 위치된 환형 디스크 단면 형태인 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 환형 디스크의 비절연부의 반경 방향 폭은 약 3 ㎜이하이고, 상기 전극들의 분리 거리는 약 1 ㎜ 내지 약 3 ㎜인 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  10. 연소 기관용 이동 스파크 점화(TSI) 시스템에 있어서,
    상기 이동 스파크 점화 시스템은 점화 장치를 포함하며,
    상기 점화 장치는,
    방전 간극을 전극 사이에서 형성하도록 된 적어도 두 개의 평행하게 이격된 전극-전극 사이에 끼울 수 있는 최대 실린더의 반경은 상기 전극의 길이를 초과함-과,
    상기 전극의 상당 부분 및 상기 전극 사이의 공간을 둘러싸는 유전 재료와,
    각각 상기 전극의 길이로 나타나고 상기 유전 재료가 없으며 서로 대향 관계인 각각의 상기 전극의 비절연 단부와,
    상기 전극의 자유 단부가 연소 기관의 연소 실린더 내에 있는 상태로 상기 점화 장치를 장착하기 위한 수단과,
    제1 전압은 플라즈마로 형성되는 채널을 상기 전극 사이에 생성시키기 위해 충분히 높게 인가되며, 다음에 제2 전압은 상기 전극 사이의 상기 채널에서 플라즈마를 관통하는 전류를 지속시키기 위해 제1 전압보다 낮은 진폭으로 인가됨으로써, 상기 전극 사이의 전압에 의해 유발되는 전기장과 상기 전류로부터 발생되는 자기장은 플라즈마를 최초 구역으로부터 이동시키기 위해 상기 플라즈마 상에 힘을 발생시키는 방식으로 상호 작용하여, 상기 플라즈마가 휩쓸고 지나간 부피를 증가시키도록, 두 개의 전압을 상기 전극 사이에 순차적으로 제공하기 위한 전기 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 기관용 이동 스파크 점화 시스템.
  11. 내연 기관용 플라즈마 점화 장치에 있어서,
    적어도 제1 및 제2 전극과,
    상기 전극을 소정의 이격된 관계로 유지시키기 위한 수단과,
    제1 및 제2 전극의 작용부가 연소 기관의 연소 실린더에 설치되는 상태로 점화 장치를 장착하기 위한 수단을 포함하며,
    전극은, 점화 장치가 연소 기관의 연소 실린더에 설치된 상태에서 충분한 고전압이 전극을 가로질러 인가되는 경우에, 공기 및 연료의 가스 혼합물의 중간에서, 플라즈마가 전극 사이의 혼합물에 형성되어 로렌츠힘하에 전극 사이로부터 실린더 내의 팽창된 부피 내로 외향 이동되도록, 소정의 치수 및 구성을 갖고 소정의 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전극은 플라즈마의 형성을 위해 적절한 반경 및 분리 거리에 의해 평행하게 이격된 관계로 서로 대향하는 대체로 원형인 표면을 가지며, 상기 플라즈마는 고전압이 인가되는 경우에 반경 방향으로 외향 이동되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전극은 이격된 평행한 종방향 전극이며, 플라즈마는 고전압이 인가되는 경우에 전극 사이로부터 종방향을 따라 외향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전극의 상당 부분 및 상기 전극 사이의 공간을 둘러싸는 유전 재료와; 전극의 길이로 나타나고 상기 유전 재료가 없으며 서로 대향 관계인 각각의 전극의 비절연 단부를 추가로 포함하며,
    상기 전극 사이에 이론적으로 끼울 수 있는 최대 실린더의 반경은 전극의 길이를 초과하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극의 길이에 대한 전극의 반경의 합의 비는 약 4 이상인 반면에, 전극의 길이에 대한 상기 두 개의 반경의 차이의 비는 약 1/3을 초과하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  16. 제13항에 있어서, 유전 재료는 상기 전극의 상당 부분 및 상기 전극 사이의 공간을 둘러싸며,
    각각의 전극의 비절연 단부는 상기 유전 재료가 없고 서로 대향 관계에 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
  17. 제11항에 있어서, 유전 재료는 상기 전극의 상당 부분 및 상기 전극 사이의 공간을 둘러싸며, 각각의 전극의 비절연 단부는 상기 유전 재료가 없고 서로 대향 관계에 있어서, 상기 전압이 인가됨에 따라 플라즈마가 유전 재료 상에 또는 그 근방에 먼저 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 플라즈마 점화 장치.
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