KR20040103476A - 내연기관용 점화플러그 - Google Patents

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KR20040103476A
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Abstract

개시된 내용은 내연기관용 점화플러그에 관한 것으로,
특히,메인셀의 하단부에 한 쌍의 전극을 둘러싸게 오리피스밸브를 배치하여 상기 전극이 수용된 내부에 1차연소실을 형성하는 한편 중앙영역에 유체가 출입하는 원형상의 메인 분출공을 형성하고, 이 메인 분출공에 인접한 위치에 적어도 3개이상의 보조분출공을 형성함과 아울러 이러한 1차연소실을 형성하기 위하여 상기 메인셀과 결합하되 그 길이가 조절가능하게 하여 1차연소실의 면적을 조절가능하게 한 보조셀을 구비한 내연기관용 점화플러그이다.
이 점화플러그는 전체 기관의 연소속도가 빠르게 이루어질 수 있도록 함으로써 전체기관 속도를 크랭크축각상의 5° 내지 15° 전후까지 지각(Retard) 점화시키면서도 보다 확실한 연소성능의 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 연비를 향상함과 아울러 배출가스 특히,질소산화물의 감소효과를 동시에 얻을 수 있게 한 것이다.

Description

내연기관용 점화플러그{Ignition plugs for internal combustion engine}
본 발명은, 내연기관용 점화플러그에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전체 기관의 연소속도가 빠르게 이루어질 수 있도록 함으로써 저속시 크랭크축각상의 5° 내지 15° 전후에서 지각(Retard) 단축 점화시킬 수 있는 한편 기관배출가스중 특히, 질소산화물(Nitrogen Oxide, 이하 NOx라함)조성을 억제시켜 NOx 배출가스를 현격하게 감소시켜주고, 동시에 출력을 향상시켜 줄 수 있는 내연기관용 점화플러그에 관한 것이다.
종래의 내연기관용 점화플러그로 본 출원인이 선출원하여 특허된 대한민국 특허청 특허공보 제0328490호에 공지된 바와 같이, 전기점화식 내연기관의 압축된 연료혼합기의 일부를 기관점화시점에서 일차적으로 미리 착화, 연소시킨 후, 이로부터 발생되는 소규모 폭발화염을 메인 연소실로 배출시켜 연소실의 주 연료혼합이보다 빠르고 확실하게 착화되게 함은 물론, 상대적으로 훨씬 짧은 시간 내에 연소되게 함으로써 크랭크축각상의 연료혼합기 전체 연소시간이 최대한 단축될 수 있도록 하고 있다.
이러한 타입의 점화플러그(100)는 유체가 드나들 수 있도록 하는 원형상의 분출공이 한개 형성되어 있으나, 기존의 점화플러그에 비해서는 기관의 연소시간이단축될 수는 있으나, 소규모 폭발화염이 연소실로 전달되는 점에 문제점이 있었다.
한편, 고 옥탄가 휘발유를 사용하는 근년에 생산된 고속회전의 고성능 내연기관에서 요구되는 적정 출력의 연소효율을 얻기 위해서는 필히 기관의 각 회전속도에 따라서 저속일 경우 기관 상사점(TDC) 이전 (BTDC) -6°(±)각도에 점화를 주며, 각 기관속도의 증가에 따라서 진각점화 시점 역시 48°(±) 상사점 이전 (BTDC)각도로 진각점화(Advance Ignition)시켜 기관의 최대출력을 구하고 있다.
또한 연료공급장치도 노즐을 통한 기관 온도차등 기타 흡입공기량에 비례한 일정량의 연료보정기능을 갖고 매우 민감하게 공연비 조정(Stoichimatric)에 맞게 연료를 공급하여 주는 일명, 컴퓨터전자제어기(ECU, Electronic control unit)가 각 기관마다 장착되어 기관의 최대 연비향상과 동시에 미연소 탄화수소(HC), 일산화 탄산가스(CO)등의 배출억제를 위한 통제기능의 메카니즘 등이 갖추어져 기관성능을 최적화하고 있다.
그러나, 이와같은 엔진기관의 최대출력을 얻기 위한 첨단 메카니즘속에서도 질소산화물(NOx)의 배출은 거의 불가능한 실정이다.
그러므로 이러한 질소산화물(Nitrogen Oxides, NOx)의 적정 환경규제 이하로 통제(감소)하기 위해서는 고가의 삼원촉매(Emission control catalyst)를 기관 배기가스 적정부위에 부착하여 상시 배출감소를 표준규제치 이하의 규격에 적용시키고 있으며, 정밀하게 제조된 이러한 촉매물(장치)로 인해 미연소 탄화수소의 적체물로 인한 막힘 현상과 용해,마모,파괴등으로 인해 차량 출고후 교체부품등을 매입함에 따른 경제적 손실을 주고 있다.
이러한 질소산화물들의 배출감소를 위한 여러 대안으로 기 출원 등록된 여러 형태의 캡슐식(ENCAPSULATED),튜브식 혹은 기타 덮개를 고정시켜 여러형태의 1차연소실(Precombustion chamber)구조의 기능을 구성하여 연소실 연소촉진을 조성하고, 희박연비 조성으로 질소산화물들을 감소시켜 기관 성능향상과 연비 효율을 향상시키고 있다.
이러한 노력은 희박연소로 소정의 연비향상과 질소산화물들의 감소를 가져올 수 있겠으나 연비조성 감소율 혹은 상사점에서의 연소온도 감소로 인한 압력 감소로 출력감소가 동시에 이루어져 운전성능 저하의 또 다른 문제가 발생되고 있다.
이러한 문제점은 고성능 옥탄가 휘발유를 사용하는 내연기관에서는 기관의 회전속도를 중속(약 3,000RPM)이상 가속할시에는 1차연소실을 구성하고 있는 점화플러그의 캡슐식 돌출부(Encapsulated cover)의 금속등이 고열의 연소행정이 이루어지는 실린더 내부의 고열과 와류상의 열원가스로 인하여 플러그가 갖고 있는 열교환 능력의 한계(열가범주,Heat Range)를 초과하거나 기타 미발견등으로 인하여 다음 행정사이클에 과열로 인한 압축행정상에서의 사전발화 등의 이상연소(detonation)가 이루어져 급격히 엔진이 멈추어지는 현상으로 발전되고 있으며, 이러한 결과는 매우 중요하고도 민감한 결과로서 보다 확실한 새로운 개선방법이 요구되었다.
즉,실험적으로 한국전역에서 특수차와 택시에만 사용되고 있는 부탄+프로판 혼합가스가 사용된 2000년 이후 생산된 압축비율 1/10.3 이상의 실린더당 500cc급 이상의 고성능 기관은 물론 고옥탄가 휘발유 사용의 자동차엔진도 민감하게 작동하여 심각한 엔진 이상연소와 녹킹(Knocking)현상이 발생되었으므로 공시된 1차연소실 구조의 스파크 플러그의 여러 응용예들은 그 한계가 있음이 입증되었다.
단지, 저회전 저옥탄가 휘발유 사용의 저압축비율의 구형 내연기관에서는 중속(2000RPM)이하의 회전영역에서는 이상연소 감소를 확인할 수 있지만, 현재 통용되는 고성능 4행정 내연기관의 연소행정에서 최적화 출력을 구하기 위해서는 필연적으로 점화시점을 진각점화 착화시켜 연소시간을 축각상으로 길게 주어서 연소압력효율을 최고로 구할 수 밖에 없어 높은 질소산화물의 생성은 필연적인 결과로서 받아들여지고 있다.
따라서 본 발명은 이와같은 점화시점을 -1°의 진각점화 내지 25°지각점화를 주어 2행정,4행정 기관의 연소속도를 단축시킴은 물론 출력의 감소없는 일차연소화염에 의한 주 연소실의 2차 착화구조를 제공하고자 하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 점화플러그가 갖는 한계를 극복함과 아울러 상기한 필요성을 감안하여 개발된 것으로서, 전체 기관의 연소속도가 연소실끝단부 까지 빠르게 이루어질 수 있도록 함으로써 저속시 크랭크축각상에서 5°, 고속회전시 축각 15° 전후 축각까지 지각(Retard) 단축 점화시킬 수 있도록 하여 보다 확실한 연소성능의 향상을 기하고, 연소효율도 상승되게 하여 연비 향상효과와 배출가스의 감소를 동시에 얻을 수 있도록 한 내연기관용 점화플러그를 제공하는 데에 주된 목적을 갖는다.
본 발명의 다른 목적은, 연소성능향상으로 인한 희박한 연비 조성을 좀 더높일 수 있도록 하여 이로 인한 이산화탄소의 배출감소를 실현시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있도록 하며, 기관 압축비율을 현재의 1/10 전후에서 1/11비율로 상승시켜 월등한 기관효율을 구현할 수 있는 새로운 내연기관용 점화플러그를 제공하는 데에도 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 1차연소실을 통한 폭발화염이 메인연소실로 전달됨에 문제를 갖는 점화플러그의 단점을 개선하여 1차연소실에서의 폭발화염이 보다 빠르고도 신속하게 연소실내에 확산,분출하도록 하여 전체 기관의 연소속도가 메인연소실 끝까지 빠르게 이루어질 수 있도록 하는 데에도 그 목적이 있다.
본 발명은 이와같은 점화시점의 진각점화(진각- 1°내지 20°지각점화)를 주어 2행정,4행정 기관의 연소속도를 단축시킴은 물론 출력의 감소없는 일차연소화염 분사시의 2차 착화구조를 제공하고자 하는 데에도 그 목적이 있다.
본 발명은 점화 플러그의 오리피스밸브의 분출공은 적어도 1개 내지 5개의 분출공을 이루고, 오리피스밸브의 두께는 종래 플러그의 두께 보다 냉각성능이 앞서는 얇은 두께를 이룩하고, 분출공의 사이즈는 연소실체적에 따라 적절한 유효분출공을 구성하고자 하여 상기한 모든 목적에 맞는 오리피스밸브를 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
도 1은 종래 본 출원인에 의하여 선출원된 특허제328490호의 점화플러그 정면도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관용 점화플러그의 정면도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4a,도4b,도4c,도4d는 도 3의 오리피스밸브의 분출공의 여러가지 실시예를 나타내는 확대된 저면도이고,
도 5a,도5b,도5c는 본 발명의 오리피스밸브의 여러가지 형태를 나타내는 측단면도이며,
도 6은 본 발명 내연기관용 점화플러그의 다른 실시예의 결합도이고,
도 7a는 본 발명 내연기관용 점화플러그의 다른 실시예의 측면도이고,
도 7b는 본 발명 내연가관용 점화플러그의 다른 실시예의 단면도이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 점화플러그 110 : 메인셀
120 : 절연체 140 : 전극
150 : 오리피스밸브 151 : 1차연소실
160 : 메인 분출공 170 : 보조 분출공
180:보조셀 182:내접 나사부
184:외접 나사부 190:오리피스벨브
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 내연기관용 점화플러그는 메인셀과; 상기 메인셀 분출외에 장애를 받지않는 가장 가까운 위치하부에 마련되어 공급되는 전원에 의해 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극;및 상기 메인셀의 하단부에상기 한 쌍의 전극을 둘러싸게 배치하여 상기 전극이 수용된 내부에 1차연소실을 형성하는 한편 적어도 1개 이상의 분출공을 형성한 오리피스벨브를 포함하는 내연기관용 점화플러그로서 달성된다.
본 발명 내연기관용 점화플러그는 상기 오리피스밸브의 직경이 16mm 이하이고 그 높이는 3.6mm 이하로 함이 바람직하다.
본 발명 내연기관용 점화플러그의 오리피스밸브에 형성된 분출공은 오리피스밸브의 중심부에 메인 분출공을 형성하고, 이 메인 분출공의 반경방향 외측에 원주방향을 따라 소정간격을 두고 보조 분출공이 45°~50°의 분사각도로 배치하되 그 갯수는 1~5개로 함이 바람직하다.
한편, 본 발명 내연기관용 점화플러그는 하부 외측으로 소정길이 형성된 나사부를 이루는 메인셀과; 상기 메인셀의 중심부에서 수직방향을 따라 직선형태로 설치되는 중심전극과, 이 중심전극의 주위 중공부를 향해 인접배치되는 접지전극으로 이루어진 전극;및 원통형의 몸체로서 그 상단 개구부 내측으로 상기 나사부에 대응하는 내접 나사부를 형성하고, 그 외측으로 연소실 고정용 외접 나사부를 형성하는 한편, 하단부는 적어도 1개 이상의 분출공을 형성하여 상기 메인셀의 나사부에 나사맞춤/결합되어 상기 전극을 수용함과 아울러 1차연소실을 형성하는 보조셀을 포함함이 바람직하다.
상기한 본 발명 내연기관용 점화 플러그의 상기 보조셀의 하단부는 이 보조셀의 하단부에 레이저용접으로 결합되는 독립적인 오리피스밸브로 함이 바람직하다.
본 발명 점화플러그는 상기 보조셀의 나사로 맞추어지는 길이는 1차연소실의 면적을 결정함과 아울러 메인연소실의 면적에 비례하여 셋팅되도록 함으로써 1차연소실의 면적을 보조셀로서 조절할 수 있도록 함이 바람직하다.
본 발명 점화플러그의 상기 오리피스밸브는 그 두께가 0.1~0.7mmt로 함이 바람직하며,그 직경은 10mm ~ 14mm로, 그 높이는 3.5mm로 함이 바람직하다.
본 발명 상기 메인 분출공 및 보조 분출공의 합계면적은 3.2mm2-7.6mm2이내 로 함이 바람직하다.
이로써 본 발명 내연기괸용 점화플러그는 배출가스중에 질소산화물의 발생이 현저히 감소되는 특징으로 갖는다.
이하 본 발명의 바림직한 실시예를 첨부 도면에 의거 구체적으로 설명한다.
첨부 도면중 도 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관용 점화플러그의 정면도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다.
상기 도면에 따르는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관용 점화플러그(100)는,
상기 도면에 도시된 바와 같이, 중공의 메인셀(110)과, 메인셀(110)의 하부에 마련되어 공급되는 전원에 의해 서로 다른 극성을 형성하는 전극(140)과, 메인셀(110)의 중공 내에 장착되는 절연체(120)로 이루어지며, 이 절연체(120)는 전극(140) 중 중심전극(140a)을 절연피복한 상태에서 메인셀(110)의 중공부 내에 장착되는데, 상부의 단자(130)와 전극(140)에 연결된 축봉(135)을 일체로 피복하고 있다.
메인셀(110)의 하부 외측에는 나사부(110a)가 형성되어 있고, 전극(140)은 그 위치에 따라 중심 영역에 배치되는 중심전극(140a)과, 중심전극(140a)의 양측에 상호 대응하도록 형성된 한 쌍의 접지전극(140b)으로 이루어진다.
중심전극(140a)은 수직방향을 따라 직선형태로 이루어져 있는 반면, 한 쌍의 접지전극(140b)은 그 단부가 중심전극(140a)에 인접하게 배치된다. 접지전극(140b)이 메인셀(110)의 중공 하단부에 형성됨으로써, 접지전극(140b)은 냉각작용이 조기 실현되어 중심전극(140a)과의 통전작용이 보다 효과적으로 이루어진다.
또한, 본 발명은 메인셀(110)의 하단부에 상기 전극(140)을 둘러싸게 배치하는 반구형상의 오리피스밸브(150)가 마련된다.
이러한 오리피스밸브(150)로 인해 전극(140)이 수용된 전체 내부공간은 1차연소실(151)을 이루며, 오리피스밸브(150)의 저부 대략 중심 영역과 그 주변에는 유체가 출입할 수 있는 원형상의 메인 분출공(160)과, 소정직경의 보조 분출공(170)들이 소정의 배치각도와, 직경과, 높이를 갖고 형성된다.
첨부 도면중 도 4a,도4b,도4c,도4d는 도 3의 오리피스밸브의 여러가지 실시예를 나타내는 확대된 저면도이고, 도 5a, 도5b, 도5c는 본 발명의 오리피스밸브의 여러가지 형태를 나타내는 측단면도이다.
이 도면에 따르는 본 발명 내연기관용 점화플러그의 메인 분출공(160)과, 소정직경의 보조 분출공(170)들은 소정의 배치각도와, 직경과, 높이를 갖고 형성되어 있다.
또한, 오리피스밸브(150)는 내열내산화성의 강재로써 형성될 수 있으며, 원칙적으로 오리피스밸브의 열교환 능력은 자체 4행정기관의 팽창행정 이외의 행정에서 부분 냉각되도록 구성함이 바람직하며, 열흡수량이 적은 금속을 채택하고 체적내 극히 한계를 받지 않는 금속재질이 적당하다.
실험에 의하여 미국 ASTM-B168 혹은 Incoloy alloy 800 소재의 0.4∼0.6t 재질이 가장 이상적이며, 때로는 Nickel alloy가 채택되기도 하나 그중에서 Inconel 601 금속이 가장 바람직하고, 내마모 없이 50,000km 운전상태 이상에도 잘 적응되고 있다.
이러한 오리피스밸브(150)의 하단 높이는 3~7mm이하로 돌출되게 하며, 그 폭은 10mm~14mm로서 16mm가 가장 적당하고, 오리피스밸브(150)의 내부 공간면적을 고려할 때 16mm의 폭에, 그 깊이는 6mm일 때 가장 바람직하며, 상기 그 두께는 0.1~0.7mmt가 적당하다.
오리피스밸브(150)의 하방 돌출길이가 제한되는 것은 내연기관에 장착된 점화플러그(100)가 그 하부에 위치하여 상하 왕복운동하는 피스톤과 접촉하거나 충돌하는 것을 방지하기 위함이다.
오리피스밸브(150)는 메인셀(110)의 하단 둘레부를 반구 형상으로 연장시킴으로써 메인셀(110)과 일체로 형성될 수도 있거니와, 조립 및 분리가 가능하도록 메인셀(110)과는 별도로 제조되어 메인셀(110)에 결합될 수도 있다. 그러나, 오리피스밸브(150)를 별도로 제조하여 메인셀(110)에 결합시킬 경우에는, 연소실 내의높은 압력 등을 고려하여 메인셀(110)과의 기밀성 및 조립신뢰성이 확보되도록 해야한다.
오리피스밸브(150)의 분출공의 배치구조는 SOHC인 경우에는 상기 오리피스밸브(150)의 중점에서 상호 120°의 이격간격을 두고 3개 배치함이 적당하다.
DOHC 인 경우에는 오리피스밸브(150) 중심부에 하나의 메인 분출공(160)을 형성하고, 이 메인 분출공(160)의 외측에 적어도 3개 이상의 보조 분출공(170)을 형성함이 바람직하다.
오리피스밸브(150)에 형성된 메인 분출공(160)은 점화플러그(100)가 적용되는 내연기관 각 연소실의 체적에 따라 그 크기가 가변될 수 있다.
메인 분출공(160)의 둘레는 도 3에 도시된 바와 같이, 화염이 완만한 곡면을 타고 1차연소실(151)로 보다 원활하게 출입할 수 있도록 비교적 완만한 곡선을 형성한다. 이에, 1차연소실(151) 내부에서 발생되는 소규모 폭발화염이 메인 분출공(160)과 보조분출공(170)을 통과한 후, 오리피스밸브(150)의 바깥표면에서 평면상의 방사방향으로 넓게 퍼지면서 연소실 내로 분출되게 하여 연소실의 연료혼합기체가 빠르고 확실하게 착화되어 연소속도를 증속시킬 수 있다.
이러한 상기 오리피스밸브(150)는 독립의 캡형태로서 상기 전극(140)을 둘러싸도록 메인셀(110)의 하단부에서 결합되는 구조를 갖는다.
첨부 도면중 도 4a 내지 도 4d는 본 발명 내연기관용 점화플러그의 오리피스밸브(150)의 분출공의 실시예를 도시한다.
도 4a에서 도시되는 오리피스밸브(150)는 메인 분출공(160)없이 중심에서120°의 각도로 3개의 보조 분출공(170)을 형성하고 있다.
도 4b에서 도시하는 오리피스밸브(150)는 그 중심부에 메인 분출공(160)을 마련한 상태에서 120°의 각도로 3개의 보조 분출공(170)을 더 형성하여 4개의 분출공을 형성하게 된다.
도 4c에서 도시되는 오리피스밸브(150)는 메인 분출공(160)없이 중심에서 90°의 각도로 4개의 분출공(170)을 형성하고 있고, 도 4d에서 도시하는 오리피스밸브(150)는 그 중심부에 메인 분출공(160)을 마련한 상태에서 90°의 각도로 4개의 보조 분출공(170)을 더 형성하고 있다.
이러한 메인 분출공(160)이나 보조 분출공(170)은 SOHC와, DOHC등의 엔진종류에 따라 그 배치구조 및 분출공의 크기를 달리하되 1차연소실(151)의 공간면적을 고려하여 정해진다.
보조 분출공(170)은 메인 분출공(160)과 함께 착화후 화염이 1차연소실(151)에서 메인 연소실로 보다 원활하게 출입할 수 있도록 오리피스밸브(150)의 외측으로 보다 넓게 퍼지면서 연소실 내부로 배출되게 그 각도를 45°~50°로 이루어지게 한다.
이러한 구성에 의해 흡기행정에서 연소실에 흡입된 후 압축행정에서 압축됨과 동시에 피스톤에 밀려 상승하는 연료혼합기체의 일부를 1차연소실(151) 내에서 일부 수용하게 된다.
이어, 연소행정의 점화시점이 되면 전극(140)이 통전되어 전기적 불꽃을 발생하게 되고, 이 불꽃이 1차연소실(151)에 갇힌 연료혼합기체를 먼저 착화, 연소시킨다. 1차연소실(151)의 연료혼합기체가 연소되면 소규모 폭발화염이 발생하여 1차연소실(151) 내부에 채워지는데, 상승하는 피스톤에 의해 1차연소실(151) 내의 폭발화염은 극히 짧은 시간 안에 압력이 상당한 높이까지 상승한다.
1차연소실(151)의 압력이 연소실 압력보다 높아지는 시점에서 1차연소실(151) 내의 소규모 폭발화염은 메인 분출공(160) 및 보조 분출공(170)을 통하여 연소실 측으로 배출되는데, 폭발화염은 오리피스밸브(150)의 바깥으로 80°~100°내의 각도로 빠르고 고르게 퍼지면서 메인연소실 내 압축된 연료혼합기체를 착화, 연소시킨다.
이 때, 연소실의 연료혼합기체는 1차연소실(151)의 폭발화염에 의해 기존의 점화플러그에 비해 훨씬 빠르고 확실하게 착화되게 됨은 물론 기존의 것에 비해 훨씬 짧은 시간 안에 모두 연소되어진다.
이처럼 연소속도가 빠르게 이루어질 수 있게 되어 저속시 크랭크축각상의 5° 내지 15° 전후에서 지각(Retard) 단축 점화시킬 수 있으며, 보다 확실한 연소성능의 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 연소효율을 상승시켜 연비의 향상 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 유해가스인 질소산화물들의 감소 효과를 가져와 전체적인 기관 효율을 상승시킬 수 있는 것이다.
첨부 도면중 도 5a 내지 도 5c는 이러한 오리피스밸브의 여러가지 형태를 도시하고 있다.
즉, 오리피스밸브은 반구 형상, 사각 형상, ∪ 형상 및 사다리꼴 형상 중 어느 하나의 형상을 가져도 무방하다.
전술한 모든 실시예에서는 오리피스밸브(150)의 형상을 반구 형상으로 하여 설명하였다. 그러나, 오리피스밸브(150a,150b,150c)의 형상은 각각, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 사각형, ∪형 및 사다리꼴 등으로 실시할 수 있다. 이러한 모두의 경우에 오리피스밸브(150)에는 보조 분출공(170)이 형성되어 상기와 같은 우수한 결과를 얻게 되는 것이다.
본 발명 점화플러그의 상기한 메인 분출공과 분출공의 직경과, 그 갯수는 SOHC와 DOHC의 차이를 고려함은 물론 1차연소실의 내부 연소실면적을 고려하여 계산된다.
참고로 특정회사의 차량을 예로 들어 본 발명의 점화플로그의 실험결과를 살펴 보면 다음과 같다.
<실험예 1>
· 차총 EF 소나타 2000 CC급 DOCH 엔진
· RPM-1800, 2.0 Bar BMEP. Torgue - 3.24 kgf/m
· 공연비(AFR) : 14.5 : 1(λ=1)
· 점화시기 : 최대 토오크를 구하기 위한 최저 진각 점화시점(MBT Timing)
표 1
점화플러그종류 연료분사시간(msec) 점화시기(축각상사점이전)(BTDC) 기관 배출가스 측정치 Map(kpa)
탄화수소(HC)(PPM) 일산화탄소(CO%) 잔존산소(0₂%)
기존점화플러그 3.6 28 151 0.54 0.51 45
본발명플러그(1) 3.5 23 126 0.34 0.47 44.5
본발명플러그(2) 3.5 21 138 0.34 0.49 44.5
1차연소실을 갖는 본 발명의 점화플러그를 사용할 때 매우 안정된 엔진상태를 유지할 수 있었다. 본 발명 플러그(1)의 경우는 MBT 타이밍(BTDC)이 순정품을 사용한 기존 점화플러그보다 5°나 지연되어 연소속도가 빠르게 나타났고, 본 발명 플러그(2) 역시 7°나 지연되어 연소속도가 빠르게 나타났다.
<실험예 2>
· 차총 EF 소나타 2000 CC급 DOCH 엔진
· RPM-2400, 2.5 Bar BMEP. Torgue - 4.06 kgf/m
· 공연비(AFR) : 14.5 : 1(λ=1)
· 점화시기 : 최대 토오크를 구하기 위한 최저 진각 점화시점(MBT Timing)
표 2.
기존 점화플러그 4.1 35 110.5 0.54 0.51 52
본발명플러그(3) 4.1 26 103.5 0.44 0.49 52
본발명플러그(4) 4.1 35 108 0.53 0.52 52
1차연소실을 갖는 본 발명의 점화플러그를 사용할 때 매우 안정된 엔진상태를 유지할 수 있었다. 본 발명 플러그(4)의 경우는 점화플러그 메인셀의 하단부 화염공이 φ1.2mm로 가장 작은 경우에 나타난 결과로서 화염공의 크기가 지나치게 작아 연소 개선 효과를 보지 못하였다.
그러나 본 발명 점화플러그(3)의 경우 MBT 타이밍(BTDC)이 순정품을 사용한 기존 점화플러그 보다 9°나 지연되어 연소속도가 가장 빠르게 나타났다.
첨부 도면중 도 6은 본 발명 내연기관용 점화플러그의 다른 실시예의 결합도이고, 도 7a는 본 발명 내연기관용 점화플러그의 다른 실시예의 측면도이고, 도 7b는 본 발명 내연가관용 점화플러그의 다른 실시예의 단면도이다.
상기 도면에 따르는 본 발명의 다른 실시예의 내연기관용 점화플러그는 하부 외측으로 소정길이 형성된 나사부(110a)를 구비한 메인셀(110)과, 상기 메인셀(110)의 중심부에서 수직방향을 따라 직선형태로 설치되는 중심전극(140a)과, 이 중심전극(140a)의 주위에 원호형상으로 중공 하단부에 인접배치되는 접지전극(140b)으로 이루어진 전극(140),및 상단 개구부 내측으로 상기 나사부(110a)에 나사맞춤되는 내접 나사부(182)를 형성하고, 그 외측으로 연소실 고정용 외접 나사부(184)를 형성하는 한편, 하단부에는 적어도 1개 이상의 분출공(160)(170)을 형성하여 상기 메인셀(110)의 나사부(110a)에 나사맞춤/결합되어 전극(140)을 수용함과 아울러 1차연소실(151)을 형성하는 보조셀(180)을 포함한다.
본 발명 다른 실시예의 점화용 플러그는 그 보조셀(180)의 나사맞춤의 길이를 조절함으로써 1차연소실(151)의 면적을 조절할 수 있는 특징을 갖는다.
본 발명 다른 실시예 점화플러그의 상기 보조셀(180)은 그 하단부에 이 보조셀(180)과 결합되어 분출공(160)(170)을 형성하는 독립적인 오리피스밸브(150)를 이룬다.
상기 오리피스밸브(150)는 상기 전극(140)을 둘러싸도록 보조셀(180)의 하단부에서 레이저로 결합됨이 바람직하다.
상기 오리피스밸브(150)의 상기 오리피스밸브는 그 두께를 0.1mm~0.7mmt로 함이 바람직하며,그 직경은 직경이 10mm ~ 14mm이며, 그 높이는 3.5mm이내이고, 그 높이는 3mm~7mm이내로 돌출함이 바람직하다.
상기한 경우에 있어서, 메인 분출공(160) 및 보조 분출공(170)의 합계체적은 3.2mm2-7.6mm2이내로서 1~5개의 분출공(160)(170)을 적당한 체적으로 배분하여 실시한다.
본 발명 다른 실시예의 점화플러그를 적용한 상태에서 배출가스검사결과를 살펴보면 다음과 같다.(비교방법은 종래 일반적인 점화플러그를 적용한 경우와 본원발명 점화플러그가 적용된 경우의 질소산화물의 배출량을 비교한 결과임)
표 3
검사항목 허용기준 측정치 판정결과
일산화탄소(CO) 1.2 % 0 적합
탄화수소(H/C) 190 ppm 8 ppm 적합
질소산화물(NOx) 1440 ppm 250ppm 적합
※ 검사기관:노원자동차 검사소, 검사일시:2004년 1월 15일,
대상차량:소나타2.0(1996년식), 배기량:2000(1997)cc,
정격출력:115마력/5000회전, 연료:휘발유, 주행거리:93,926km,
기타 관능 및 기능검사 결과: 이산화탄소 14.7, 산소 3.5, 공기과잉율 1.16으로 적당하였음.
상기 표 3에서 보는 바와같이 본 발명을 적용한 상기 차량을 이용하여 질소산화물의 배출가스를 검사한 결과 허용기준에 훨씬 못미치는 매우 좋은 결과를 가져왔다.
한편, 본 발명에 의한 점화플러그를 적용한 배출가스 실험결과는 아래 표 4와 같다.
표 4
검사항목 종래 플러그(750rpm) 종래 플러그(2500rpm) 본원 플러그(750rpm) 본원 플러그(2500rpm)
CO 0.00 %vol 0.01 %vol 0.15 %vol 0.00 %vol
HC 1.1 ppm 14 ppm 36 ppm 9 ppm
CO2 23.26 % 23.08 % 23.26 % 23.08 %
NOx 14 ppm 21 ppm -7 ppm -17 ppm
검사기관:노원자동차 검사소, 검사일시:2004년 1월 15일,
대상차량:소나타2.0(1996년식), 배기량:2000(1997)cc,
정격출력:115마력/5000회전, 연료:휘발유, 주행거리:93,926km,
기타 관능 및 기능검사 결과: 이산화탄소 14.7, 산소 3.5, 공기과잉율 1.16으로 적당하였음.
표 5
검사항목 종래플러그(750rpm) 종래플러그(1600rpm) 종래플러그(2600rpm) 본원플러그(750rpm) 본원플러그(1600rpm) 본원플러그(2600rpm)
CO 1.77 % 2.39 % 1.54 % 1.07 % 1.19 % 1.12 %
HC 1582 ppm 252 ppm 73ppm 308 ppm 108 ppm 89 ppm
CO2 20.30 % 20.90 % 20.78 % 21.00 % 22.14 % 22.24 %
NOx 126 ppm 554 ppm 814 ppm 69 ppm 180 ppm 386 ppm
※적용차량:소나타뉴EF2003년식오토,연료: 휘발유, 주행거리:29,807km,
※종래 플러그는 배기가스정화기(삼원촉매)제거후 실험한 결과이고,본원 플러그 역시 배기가스정화기(삼원촉매)제거후 지각점화점 5°전회전 영역에서 실험.
표 6
검사항목 종래 플러그(750rpm) 종래 플러그(2500rpm) 본원 플러그(750rpm) 본원 플러그(2500rpm)
CO 0.00 %vol 0.01 %vol 0.00 %vol 0.08 %vol
HC 0 ppm -1 ppm -3 ppm -3 ppm
CO2 21.16 % 21.30 % 21.34 % 21.38 %
NOx 8 ppm 1 ppm -16 ppm -12 ppm
(※차종:소나타 뉴EF 2004년식 오토, 2000cc급 LPG, 주행거리: 2,316km
측정장소:정진자동차공업사)
상기 표 4,5,6에서 보는 바와같이 종래 일반적으로 장착되는 플러그를 적용한 차량과 본 발명 점화플러그를 적용한 차량의 질소산화물 배출량을 비교한 결과 본 발명은 어느 경우나 종래 점화플러그 적용차량에 비하여 우수함을 알 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르는 내연기관용 점화플러그는 하단부에 결합되는 비교적 얇은 오리피스밸브의 두께로 인해 냉각효율이 크게 개선되는 효과를 가지며, 이로 인해 전체 기관의 연소속도가 빠르게 이루어질 수 있도록 함으로써 저속으로 부터 고속회전까지 크랭크축각상의 5° 내지 15° 전후에서 지각(Retard) 단축 점화시킬 수 있는 한편 보다 확실한 연소성능의 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 연소효율을 상승시켜 연비의 향상 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 질소산화물(NOx)의 현저한 감축을 얻어낼 수 있음은 물론 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)등의 유해가스들의 감소 효과도 가져와 전체적인 기관 효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있으며, 희박연비조성에 따른 연료공급감소를 통한 일정량의 이산화탄소(CO2)의 감소효과를 동시에이룰 수 있어 대기공해유발 감소와 억제에 크게 기여할 것이다.

Claims (13)

  1. 내연기관용 점화플러그에 있어서,
    메인셀(110);
    상기 메인셀(110)의 중심부에서 수직방향을 따라 직선형태로 설치되는 중심전극(140a)과, 이 중심전극(140a)의 주위에 원호형상으로 중공 하단부에 인접배치되는 한 쌍의 접지전극(140b)으로 이루어진 전극(140);및
    상기 메인셀(110)의 하부에서 상기 한 쌍의 전극(140)을 둘러싸게 배치하여 상기 전극(140)이 수용되는 1차연소실(151)을 형성하는 한편 적어도 1개 이상의 분출공을 형성한 오리피스밸브(150)를 포함하는 내연기관용 점화플러그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분출공은 오리피스밸브(150) 중심부에 하나의 메인 분출공(160)을 형성하고, 이 메인 분출공(160)의 외측에 적어도 1개 이상의 보조 분출공(170)을 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분출공은 상기 오리피스밸브(150)의 중심공을 따라 사방 일정간격을 두고 5개이하로 형성함을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 독립의 캡형태로써 상기 전극(140)을 둘러싸도록 메인셀(110)의 하단부에서 결합되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 두께가 0.3mm~0.6mmt인것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 직경이 10mm ~ 14mm이며, 그 돌출높이가 3.6mm이내인 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  7. 내연기관용 점화플러그에 있어서,
    하부 외측으로 소정길이 형성된 나사부(110a)를 구비한 메인셀(110);
    상기 메인셀(110)의 중심부에서 수직방향을 따라 직선형태로 설치되는 중심전극(140a)과, 이 중심전극(140a)의 주위에 원호형상으로 중공 하단부에 인접배치되는 접지전극(140b)으로 이루어진 전극(140);및
    상단 개구부 내측으로 상기 나사부(110a)에 나사맞춤되는 내접 나사부(182)를 형성하고, 그 외측으로 연소실 고정용 외접 나사부(184)를 형성하는 한편, 하단부에는 적어도 1개 이상의 분출공(160)(170)을 형성하여 상기 메인셀(110)의 나사부(110a)에 나사맞춤/결합되어 전극(140)을 수용함과 아울러 1차연소실(151)을 형성하는 보조셀(180)을 포함하는 내연기관용 점화플러그.
  8. 제 7에 있어서,
    상기 1차연소실(151)을 형성하는 보조셀(180)의 하부는 이 보조셀(180)의 하단부에 결합되는 오리피스밸브(150)인 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 보조셀(180)은 상기 메인셀(110)과의 나사맞춤에 따라 그 깊이를 조절함으로써 1차연소실(151)의 체적을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 상기 전극(140)을 둘러싸도록 보조셀(180)의 하단부에서 레이저로 결합되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 두께가 0.3mm~0.6mmt인것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 오리피스밸브(150)는 직경이 10mm ~ 14mm이며, 그 돌출높이가 3.6mm이내인 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 메인 분출공(160) 및 보조 분출공(170)의 합계체적은 메인연소실 체적에 비례하여 3.2mm2~7.6mm2이내 인것을 특징으로 하는 내연기관용 점화플러그.
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