KR20080054395A - 내연기관을 위한 마이크로파 연소 시스템 - Google Patents

내연기관을 위한 마이크로파 연소 시스템 Download PDF

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KR20080054395A
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데벤드라 쿠마르
도미니크 타쉬
라메쉬 필람메두
사트옌드라 쿠마르
데이비드 브로스키
미하엘 그리거센
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비티유 인터내셔날, 인코포레이티드
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Abstract

마이크로파 연소 시스템이 제공되고, 이는 내연기관에서 종래의 스파크 플러그를 대신할 수 있다. 하나 이상의 마이크로파 펄스가 실린더에 위치하는 플러그에서 마이크로파 주입기에 제공된다. 연료 혼합물 근처에서 플러그에 의해 생성된 마이크로파 생성 플라즈마는 연료-에어 혼합물의 매우 효과적인 연소를 제공할 수 있다.

Description

내연기관을 위한 마이크로파 연소 시스템 {MICROWAVE COMBUSTION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
관련 출원의 교차참조
본 출원은 2005년 9월 9일 출원된 미국 가출원 제 60/715,747호의 35 U.S.C. §119(e) 하에서 이익을 주장하고, 이 명세서는 여기서 참조로 인용된다.
내연기관에서, 엔진의 효율 및 오염 특징은 실린더에서 연료-에어 혼합물의 효율적인 연소에 매우 의존한다. 비효율적인 연소는 불완전 연료 사용에 의해 큰 오염 및 파워(즉, 효율)의 소실을 초래한다.
종래의 가스 엔진에서, 연료-에어 혼합물은 스파크 플러그에 의해 점화되고, 이 플러그는 고전압(즉, 10-30kV)이 스파크 플러그의 스파크 갭에 걸쳐 가해질 때 혼합물에 스파크를 제공한다. 실린더 부피(및 따라서 연료-에어 혼합물)가 가능한 작은 부피에 가까와질 때, 즉 상사점(TDC) 또는 TDC 바로 직전 또는 바로 이후, 고전압의 인가의 타이밍이 된다. 이 특징적인 위치에서, 연료-에어 혼합물은 가능한 많이 압축되고, 스파크 갭으로부터의 스파크는 실린더의 부피를 통해 전파하는 플 레임을 점화할 수 있다. 잘 알려진 것처럼, 다중 실린더 엔진은 각각의 실린더에서 적절하게 연료-에어 혼합물의 연소를 타이밍 함에 의해 작동한다.
종래의 디젤 엔진에서, 연료-에어 혼합물은 실린더에서 혼합물의 압축에 의해 점화되고 이에 의해 인화점에 도달한다. 적어도 엔진이 충분히 뜨거워져 연료가 압축 스트로크의 단부 또는 그 근처에서 점화할 때까지, 예열 플러그 또는 다른 소자는 연소를 돕는데 이용될 수 있다.
연소를 향상시키기 위해 RF 또는 마이크로파 에너지의 이용이 제안되었다.(워드(Ward) 에게 부여된 미국 특허 제 3,934,566호를 보라). 워드의 제안에서, RF 또는 마이크로파 에너지의 연속파(CW)는 스파크 플러그 또는 예열 플러그를 통해 공급될 수 있고, 연료-에어 혼합물의 점화가 종래 방식으로, 즉 스파크 플러그 갭에 걸쳐 고전압을 인가함에 의해 또는 점화점으로 연료-에어 혼합물을 압축함에 의해, 수행된다. 이러한 시스템은 매우 복잡하고, 이는 마이크로파 시스템 및 스파크 플러그로의 종래의 고전압 전달 시스템을 모두 필요로 한다.
따라서, 내연기관에서 연료-에어 혼합물의 연소를 향상시키는 시스템에 대한 추가적인 요구가 있다.
본 발명에 따라, 마이크로파 에너지의 펄스를 이용하여 실린더에서 연료 혼합물을 점화하는 마이크로파 연소 시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 마이크로파 에너지의 하나 이상의 펄스가 실린더로 삽입된 플러그에 공급된다. 일 실시예에서, 사전 처리 펄스 및/또는 후처리 펄스가 점화를 제공하는 펄스에 부가하여 플러그에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 연소 시스템은 마이크로파 소스; 이 마이크로파 소스 및 고전압 파워 서플라이 사이에 연결되고, 트리거 신호에 응답하여 마이크로파 소스로 고전압 펄스를 제공하는 고전압 펄스 생성기; 및 고전압 펄스가 마이크로파 소스로 공급될 때 마이크로파 소스로부터 마이크로파 에너지를 수신하도록 연결된 플러그를 포함한다. 트리거 신호는 스파크 플러그 와이어에 연결된 펄스 생성기에 의해 제공될 수 있다. 트리거 신호는 스파크 플러그 와이어 상에 제공된 고전압의 순간적인 스파크 신호(high voltage transient spark signal)의 하향 에지 상에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 트리거 신호는 엔진 제어 모듈에 의해 제공될 수 있다.
마이크로파 연소 시스템은 마이크로파 소스 및 플러그 사이에 연결된 순환장치를 포함할 수 있다. 또한, 마이크로파 연소 시스템은 마이크로파 소스 및 플러그 사이에 연결된 전방 및 후방으로 전파하는 마이크로파 에너지를 모니터하는 것을 돕는 이중 방향 커플러를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 마이크로파 연소 시스템은 마이크로파 소스 및 플러그 사이에 연결된 튜너를 추가로 포함할 수 있다.
마이크로파 에너지는 웨이브 도파관을 구비한 플러그 및 마이크로파 소스 사이에 연결될 수 있다. 또한, 마이크로파 연소 시스템은 플러그에 연결된 동축 케이블로 마이크로파 에너지를 연결시키기 위한 동축 변환기로의 웨이브 도파관(a waveguide to coaxial converter)을 포함할 수 있다. 동축 케이블 또는 동축 웨이브 도파관은 마이크로파 소스를 플러그로 연결시킬 수 있다. 또한, 마이크로파 소스는 플러그의 일부일 수도 있고 직접 연결될 수도 있다.
플러그는 마이크로파 주입기 및 그라운드 라인을 포함할 수 있다. 그라운드 라인은 금속 워셔로 형성될 수 있다. 금속 워셔는 중앙 홀 주위로 일련의 홀을 포함할 수 있다. 금속 워셔의 중앙 홀은 마이크로파 주입기 근처에서 비원형 형상의 개구를 가질 수 있다. 그라운드 라인은 와이어 메쉬로 형성될 수 있다. 그라운드 라인은 마이크로파 주입기 주위에 배열된 하나 이상의 팁일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 혼합물을 점화하는 방법은, 실린더에서 연소를 위한 시간과 관련된 트리거 신호를 수신하는 단계; 및 트리거 신호에 응답하여 실린더에 연결된 플러그의 마이크로파 주입기로 마이크로파 에너지의 하나 이상의 펄스를 제공하는 단계를 포함한다. 트리거 신호를 수신하는 단계는, 펄스 생성기로 스파크 플러그 와이어로부터의 신호를 수신하는 단계; 및 스파크 와이어로부터의 신호에 응답하여 트리거 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 트리거 신호를 수신하는 단계는, 엔진 제어 모듈로부터 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 마이크로파 에너지의 하나 이상의 펄스를 제공하는 단계는, 트리거 신호에 응답하여 고전압 펄스의 펄스열을 생성하는 단계; 마이크로파 에너지의 펄스열을 생성하도록 마이크로파 소스에서 고전압 펄스의 펄스열을 수신하는 단계; 및 마이크로파 주입기로 마이크로파 에너지의 펄스열을 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 펄스열은 하나의 펄스를 포함할 수 있다. 펄스열은 긴 지속시간의 펄스가 뒤따르는 짧은 지속시간의 하나 이상의 펄스를 포함할 수 있다. 펄스열은 높은 마이크로파 파워의 펄스가 뒤따르거나 또는 선행하는 낮은 마이크로파 파워의 하나 이상의 펄스를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 연소 시스템을 도시한다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 실린더 엔진에서의 마이크로파 연소 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 플러그를 도시한다.
도 3A 내지 3C는 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 플러그 팁 설계를 도시한다.
도 4A 내지 4C는 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 다른 플러그 팁 설계를 도시한다.
도 5A 내지 5C는 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 다른 플러그 팀 설계를 도시한다.
도 6A 내지 6C는 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 다른 플러그 팀 설계를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로 이용될 수 있는 다른 플러그 팁 설계를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진에서 이용될 수 있는 플러그 팁 설계를 도시한다.
도면에서, 동일한 표시를 갖는 성분은 동일하거나 또는 유사한 기능을 갖는다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 연소 시스템을 도시한다. 예를 들면, 도 1A에서 도시된 시스템의 실시예는 단일-실린더 잔디 깎는 기계 엔진을 성공적으로 작동시키도록 이용되었다.
도 1A에서 도시된 것처럼, 실린더(115)의 부피(116)에서 스파크를 생성하도록 필요한 10-30 kV의 높은 전압 펄스를 제공하고 스파크 플러그(113)로 직접 일반적으로 연결하는 스파크 플러그 와이어(101)가 펄스 생성기(102)에 대신 연결된다. 일 실시예에서, 펄스 생성기(102)는 스파크 플러그 와이어(101)에 연결되기 보다는 엔진의 회전과 동시에 일어나는 다른 픽업(pick-up) 또는 엔진 제어 유닛에 연결될 수 있다. 스파크 플러그 와이어(101) 상의 펄스의 하향 에지(downward edge)에 대응답하여 펄스 생성기(102)는 고전압 펄스 생성기(104)로 제어 펄스를 생성시킨다. 펄스 생성기(104)는 고전압 파워 서플라이(103)를 마이크로파 소스(105)로 연결시킬 수 있는 고전압 스위치 소자일 수 있다. 펄스 생성기(104)는 파워 서플라이(103)에 연결되고, 이에 의해 전압을 공급하여 마이크로파 소스(105)를 작동시킨다. 파워 서플라이(103)는 예를 들어 약 4000V DC 파워 서플라이일 수 있다. 마 이크로파 소스(105)는 마그네트론, 클리스트론(klystron), 이동하는 웨이브 튜브(traveling wave tube), 또는 마이크로파 에너지의 다른 소스일 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 고체 상태의 마이크로파 소스의 이용도 고려하는데, 이 소스는 마그네트론 또는 클리스트론과 같은 고전압을 필요로 하지 않는다. 또한, 둘 이상의 고체 상태 마이크로파 소스의 출력은 병합될 수 있고 이로써 큰 파워 출력을 얻는다.
본 발명의 일 실시예에서, 펄스 생성기(104)는 전압 펄스열(voltage pulse train)을 공급할 수 있다. 전압 펄스열은 서로 다른 전압을 갖는 펄스뿐만 아니라 서로 다른 지속시간을 갖는 펄스를 포함할 수 있다. 이후, 전압 펄스열에서의 펄스의 전압 및 지속시간에 따라, 에너지 및 펄스 지속시간을 변경시키는 마이크로파 펄스의 펄스열을 생성한다. 필라멘트 전압 서플라이(106)도 마이크로파 소스(105)에 연결되고 이에 의해 마이크로파 소스(105)의 필라멘트를 계속 뜨겁게 유지시킨다. 일 실시예에서, 펄스 생성기(104)는 유도 코일을 포함할 수 있다.
도 1A에서 도시된 시스템에서, 마이크로파 소스(105)로부터의 마이크로파 펄스는 웨이브 도파관(waveguide)으로 연결되고, 이 웨이브 도파관은 이후 순환장치(107)로 연결된다. 일반적으로, 순환 장치는 시스템의 나머지부로부터 반사되는 마이크로파 에너지로부터 마이크로파 소스(105)를 분리시키는데 이용된다. 이와 같이, 마이크로파 펄스는 순환장치(107)의 제 1 포트(107a)에서 다른 웨이브 도파관으로 연결되고, 순환장치(107)의 제 2 포트(107b)는 제 1 포트로 들어오는 반사된 에너지를 정합 부하(matched load)로 연결시킨다.
이후 순환장치(107)로부터의 마이크로파 펄스는 이중 방향 커플러(dual directional coupler, 108)로 연결될 수 있고, 이에 의해 마이크로파 파워는 전방 및 후방 방향 모두로 모니터될 수 있다. 이중 방향 커플러(108)로부터의 파워의 대부분은 튜너(tuner, 109)에 연결되고, 일정한 파워는 전방 파워를 모니터하기 위한 제 1 포트(108a)로 연결된다. 튜너(109)로부터 이중 방향 커플러(108)로 들어가는 반사 파워의 일부는 후방 파워를 모니터하기 위한 제 2 포트(108b)에 연결된다. 튜너(109)는 마이크로파 시스템을 조정하도록 이용될 수 있고, 이에 의해 전방 방향으로 연결된 마이크로파 파워가 최대화되고 반사 파워는 최소화된다. 도 1에서 도시된 시스템에서, 튜너(109)로부터의 마이크로파 파워는 웨이브 도파관(110)에 연결될 수 있다.
유연한 웨이브 도파관일 수 있는 웨이브 도파관(110)은 웨이브 도파관-대-콕스 변환기(waveguide-to-coax transition)를 통해 플러그(113)의 중앙 코어로 이후 연결될 수 있고, 이는 실린더(115)의 부피(116)의 상부로 삽입된다. 더 나은 차폐 및 동축 형태의 에너지 주입기를 제공하기 위해, 금속 쉴드(metallic shield, 114)가 스파크 플러그(113) 주위에 위치할 수 있다.
테스트에서, 100Hz에 이르는 속도로 50 내지 100μs의 지속시간의 마이크로파 펄스가 플러그(113)의 팁에서 신뢰성 있는 스파크를 제공하는데 유용하고, 이는 일례에서 엔진의 외부에 있을 때 종래의 스파크 플러그로부터 유도된다. 스파크 생산의 이러한 속도는 4-스트로크 엔진에 대해 약 12000rpm의 회전 속도에 상응한다.
도 1A에서 도시된 마이크로파 연소 시스템(100)의 작동 예에서, 파워 서플라이(103)는 약 4000V DC 파워 서플라이이다. 펄스 생성기(104)는 펄스 생성기(102)로부터 TTL 펄스로 트리거되는 시간에서 약 100μs에 이르는 시간 동안 마이크로파 소스(105)에 HV 파워 서플라이(103)를 결합할 수 있는 HV 스위치이다. 파워 서플라이(103)로부터 고전압이 공급될 때, 마이크로파 소스(105)는 약 100μs의 지속시간 동안 2.45GHz의 마이크로파 펄스를 만든다. 파워 서플라이(103)로부터 고전압이 공급될 때, 마이크로파 소스(105)는 약 100μs의 지속시간을 갖는 2.45GHz 마이크로파 펄스를 만든다. 펄스 생성기(102)는 스탠포드 리서치 시스템사에 의해 만들어진 모델 DG 535일 수 있다. HV 파워 서플라이(103)는 스펠맨 하이 볼티지 일렉트로닉사에 의해 만들어진 모델 SR6PN6일 수 있다. HV 펄스 생성기(104)는 디벌시파이드 테클놀로지사(Diversified Technologies, Inc.)에 의해 만들어진 펄스 제어 유닛을 구비한 모델 "파워 모드(Power Mod)" 고체 상태 조절장치일 수 있다. 마이크로파 소스(105)는 이탈리아 알터(Alter)에 의해 만들어진 모델 TM020일 수 있다. 필라멘트 서플라이(106)는 리차드슨 일렉트로닉스사에 의해 만들어진 스위칭 파워 생성기 PM740일 수 있다. 순환장치(107), 회전성 커플러(108), 및 튜너(109)는 표준 마이크로파 소자이다(예를 들어, 순환장치(107)는 반사 파워로부터 마이크로파 소스(105)를 보호하고, 이중 방향 커플러(108)는 신호를 제공하고 이 신호로부터 전방 및 반사 마이크로파 파워가 측정될 수 있으며, 튜너(109)는 3-스텁(3-stub) 튜너일 수 있고 이에 의해 이 라인 아래로 추가적인 임피던스의 미스매치(mismatch of impedence further down the line)에 의해 마이크로파의 반사를 최 소화한다). WR340으로부터 WR248로의 웨이브 도파관의 감소가 튜너(109)에서 수행될 수 있고, 이에 의해 작은 크기의 더욱 유연한 웨이브 도파관(110)이 이용될 수 있다. 웨이브 도파관/콕스 변환기(waveguide/coax transition, 111)는 웨이브 도파관의 측부 상에 장착된 동축 케이블(112)의 내부 전도체로 마이크로파 에너지를 주입한다.
플러그(113)는 종래의 스파크 플러그로부터 유도된다. 스파크 플러그의 상단부는 스파크 플러그 와이어(101)로 일반적으로 이용되는 것으로부터 변경되었다. 상단 커넥터 단부는 콕스 커넥터의 내부 전도체 상에 제공된 홀에서 빈틈없이 꼭 맞도록 그 크기가 감소될 수 있다. 이는 스파크 플러그 자체로 마이크로파 에너지를 쉽게 연결시키는 것을 가능하게 한다. 쉴드(114)는 얇은 구리 호일일 수 있고, 이는 플러그(113)의 6각형 금속 베이스의 단부에서 그리고 웨이브 도파관/콕스 변환기(111)의 동축 커넥터의 외부 전도체 주위로 빈틈없이 싸여 있다. 플러그(113)가 실린더(115)의 실린더 헤드와 연결될 때, 쉴드(114)의 구리 호일은 동축 웨이브 도파관의 외부 전도체를 형성할 수 있다. 또한, 플러그(113)에 대해 이용되는 스파크 플러그의 갭은 약간 감소되어 마이크로파 펄스로 더 뛰어난 스파크 일으킴을 촉진시킨다.
상기에서 설명된 작동 예는 잔디 깎는 기계 엔진을 작동시키는데에도 이용된다. 마이크로파 펄스 파워는 표준 펄스 모드에서 8kW로 제한된다. 또한, 최대 펄스 지속시간은 100마이크로초이다. 약 2마이크로초의 고유의 지연은 스파크 플러그(113)에서 마이크로파 펄스의 전달 및 스파크 플러그 와이어(101) 상에서의 스파 크 펄스의 도착 사이에서 측정된다.
도 1A에서 도시된 것처럼, 신호는 스파크 플러그 와이어(101)로부터 수신된다. 일 실시예에서, 픽업 코일은 스파크 플러그 와이어(101)의 외부 덮개 상에 감길 수 있고 이에 의해 마이크로파 소스의 결과적 파이어링(eventual firing)을 위한 트리거 펄스를 픽업한다. 트리거 펄스는 적절한 형상화를 위해 펄스 생성기(102)로 연결되고 이후 HV 펄스 생성기(104)로 주입된다. 표준 스파크 플러그에 대한 스파크 플러그 전압은 일반적으로 음이고, 따라서 펄스 생성기(102)는 스파크 플러그 와이어(101)로부터 픽업된 트리거 펄스의 하강 에지(falling edge) 상에 펄스를 만든다. 이는 스파크 플러그(113)가 스파크 플러그 와이어에 의해 직접 일반적으로 파이어될 때의 시간 및 하나 이상의 마이크로파 펄스의 펄스열이 스파크 플러그(113)로 공급될 때의 시간 사이에서 최소 지연을 보장한다. 특별한 예에서, 고유의 지연은 약 2마이크로초에서 측정되고, 이는 수천 RPMs으로 회전하는 엔진에 대해서는 무시할만하다.
일반적으로, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 연소 시스템은 도 1A의 테스트 예에서 도시된 요소의 다수가, 특히 마이크로파 요소가 필요하지는 않을 것이다. 도 2는 제안된 플러그(200)를 도시하고, 이 플러그는 도 1A에서 도시된 것과 같은 마이크로파 소스(105) 대신 직접 연결될 수 있다. 펄스 생성기(102), 파워 서플라이(103), 펄스 생성기(105), 및 필라멘트 서플라이(106)가 부가된 이러한 플러그는 종래의 엔진에서 스파크 플러그를 직접 대신할 수 있다. 도 2에서 도시된 것처럼, 플러그(200)는 마이크로파 소스(201), 가용성 링크(202), 마이크로파 주입 기(205), 및 그라운드 전극 또는 라인(206)을 포함한다. 베이스(203)가 실린더 헤드의 상부와 같은 높이가 될 때까지 플러그(200)는 스레드(thread)에 의해 엔진 블록으로 스크류된다. 이 필라멘트 파워 서플라이(106)는 마이크로파 소스(201)로 직접 공급될 수 있다. 또한, 펄스 생성기(104)로부터의 펄스는 마이크로파 소스(201)로 공급될 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로파 소스(201)가 제거될 수 있고, 이에 의해 스파크 플러그 와이어(101)로 직접 연결될 수 있는 가용성 링크(202)를 노출시킨다. 작동시, 마이크로파 에너지는 마이크로파 주입기(205) 및 그라운드 라인(206) 사이의 갭에서 복사된다. 펄스가 충분한 마이크로파 에너지를 함유한다면, 플라즈마는 갭에서 활성화될 수 있다. 작동의 일정한 모드에서, 플라즈마를 활성화시키지 않는 마이크로파 펄스는 연료 혼합물을 사전-활성화시키기 위해 이용될 수 있고, 이 혼합물은 플라즈마를 점화하는 펄스가 제공되기 이전에 부피(116)에 제공된 연료-에어 혼합물일 수 있다. 형상화된 마이크로파 펄스의 펄스열을 갖는 이러한 작동은 부피(116)에 제공된 연료 혼합물의 연소를 효과적으로 그리고 깨끗하게 제어하도록 최적화될 수 있다.
다중-실린더 엔진은 도 1A에서 도시된 마이크로파 연소 시스템(100)으로 각각의 실린더의 스파크 플러그를 대신함에 의해 구성될 수 있다. 도 1B는 단일 마이크로파 소스를 공유하는 다중-실린더 마이크로파 연소 시스템을 도시한다. 도 1B에서 도시된 것처럼, 마이크로파 소스(105)는 마이크로파 분배기(151)를 통해 N개의 플러그(113-1 내지 113-N)의 각각에 연결된다. 스파크 플러그 와이어(101-1 내지 101-N)는 펄스 및 신호 생성기(150)에 연결되고, 이는 모두 펄스 생성기(104) 를 구동하는 펄스를 생성하고 마이크로파 소스(105)로부터의 마이크로파 펄스열을 수신하는 플러그(113-1 내지 113-N)를 나타내는 분배기(151)로 선택 신호를 제공한다. 도 1B에서 도시된 것처럼, 펄스 생성기(104)는 실린더(115-1 내지 115-N)의 각각에서의 연료 혼합물이 점화될 때 트리거 신호를 수신한다. 분배기(151)로의 선택 신호는 실린더(115-1 내지 115-N) 중 적절한 하나로 마이크로파 소스(105)에 의해 생성된 마이크로파 펄스열의 루트를 정한다.
도 1A 및 1B는 모두 가스 내연기관을 도시한다. 디젤 엔진에서, 스파크 플러그 와이어(101)는 엔진 제어 모듈로부터 신호 와이어에 의해 대체된다. 또한, 플러그(113)는 스파크 플러그보다 예열 플러그와 더욱 공통점이 있다. 마이크로파 에너지는 갭을 공급하는 대신 마이크로파 주입기 및 엔진 블록 사이의 코일로부터 복사된다.
플라즈마를 점화하기 위해 또는 혼합물을 활성화하기 위해, 이 부피(116)에 공급된 연료 혼합물로 마이크로파 에너지를 연결시키는데 공헌할 수 있는 한가지 인자는 마이크로파 주입기(205)의 단부 주위의 플러그(200)의 형상, 특히 마이크로파 주입기(205) 및 그라운드 라인(206) 사이의 갭이다. 도 3A 내지 7은 이러한 갭 구역을 위한 구성의 다양한 예를 도시한다. 도 8은 디젤 엔진에서 이용될 수 있는 플러그(800)를 도시한다. 다른 소자 및 구성은 여기서 설명되고 도시된 것에 부가하여 스파크 갭으로 에너지를 전달하는데 이용될 수 있다.
도 3A 내지 6C는 본 발명의 일 실시예에서 이용될 수 있는 플러그의 일정한 실시예를 도시한다. 도 3A 내지 3C는 예시적 플러그(300)를 도시하고, 도 4A 내지 4C는 예시적 플러그(400)를 도시하며, 도 5A 내지 5C는 예시적 플러그(500)를 도시하고, 도 6A 내지 6C는 예시적 플러그(600)를 도시하며, 도 7은 예시적 플러그(700)를 도시한다. 예시적 플러그(300, 400, 500, 600, 및 700)는 마이크로파 주입기(205) 및 그라운드 라인(206) 사이의 갭 영역의 구성에서 서로 다르다. 일반적으로, 본 발명에 따른 플러그는 갭 영역으로 마이크로파 펄스 파워를 효과적으로 전송하는 소자일 수 있고, 이에 의해 연료 혼합물에서 플라즈마를 점화하거나 또는 연료 혼합물을 활성화시킨다. 연료-에어 혼합물에서 플라즈마의 점화는 연료 혼합물의 연소를 개시한다. 도 8은 디젤 엔진에서 이용될 수 있는 예시적 플러그(800)를 도시한다.
예를 들어 도 3A에서 도시된 것과 같은 플러그(300)는 팁(301)을 포함하고, 이 팁은 스파크 플러그(113) 상에서와 같은 전도성 팁 또는 마이크로파 소스(201)일 수 있다. 각각의 경우에, 마이크로파 에너지는 팁(301)에 의해 마이크로파 주입기(205)로 공급된다. 마이크로파 주입기(205)는 세라믹 절연체(302)에 의해 둘러싸인다. 플러그(300)는 스레드(thread, 304)를 구비한 실린더(115)의 실린더 헤드에서 장착될 수 있다. 6각형 베이스(303)가 실린더(115)의 실린더 헤드와 전기적 및 물리적 접촉할 때까지 플러그(300)가 실린더 헤드로 일반적으로 삽입된다.
도 3A 내지 3C 및 5A 내지 5C에서 도시된 것처럼, 그라운드 라인(206)은 다수의 홀을 가진 사전-드릴된 환형 금속 부재 또는 워셔(washer)로 형성된다. 도 3A 내지 3C의 플러그(300)에서, 그라운드 라인(206)은 4개의 홀(305)을 포함한다. 도 5A 내지 5C의 플러그(500)에서, 그라운드 라인(206)은 3개의 홀(501)을 포함한 다. 일반적으로, 어떠한 숫자의 홀도 이용 가능하다. 또한, 홀의 크기는 변경될 수 있다. 홀(305, 501)은 그라운드 라인(206) 및 마이크로파 주입기(205) 사이에서 마이크로파 펄스에 의해 만들어진 플라즈마와 더 뛰어난 접촉을 위해 환형 부재의 후방부로 연료 혼합물이 더 쉽게 가도록 한다. 1mm 또는 그 미만의 홀이 그라운드 라인(206) 및 마이크로파 주입기(205) 사이의 갭에서 마이크로파 에너지를 트랩하는데 이용될 수 있고, 이에 의해 이 영역에서 플라즈마를 만드는 것을 향상시킨다. 플러그(300 및 500)에서 그라운드 라인(206)을 형성하는데 이용되는 미리 설정된 홀을 가진 환형 부재는 스레드(304) 바로 아래에서 개별적으로 플러그(300 및 500)의 베이스로 용접될 수 있다.
도 4A 내지 4C의 플러그(400)에서, 그라운드 라인(206)은 스레드(304) 근처의 베이스로 용접된 얇은 금속 메쉬 또는 스크린으로 형성된다. 메쉬(또는 스크린)은 일반적으로 돔(볼록) 형상이고, 마이크로파 복사의 제어된 양이 스크린으로부터 복사되도록 할 수 있다. 메쉬(mesh)에서 홀의 크기는 복사 출력을 제어할 수 있다.
도 6A 내지 6C의 플러그(600)에서, 그라운드 라인(206)은 워셔에서 형성된 개구(601)를 구비한 워셔 또는 금속 환형 부재로 형성된다. 앞서와 같이, 금속 워셔는 스레드(304) 아래에서 플러그(600)의 베이스에 용접된다. 개구(601)의 형상은 연료 혼합물로 마이크로파 에너지의 누수를 최적화하도록 형성될 수 있고, 그라운드 라인(206) 및 마이크로파 주입기(205) 사이에 형성된 갭에서 플라즈마를 점화하도록 마이크로파 에너지를 보유한다.
도 3A 내지 6C에서 도시된 예시적 플러그의 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도 7의 플러그(700)에서 도시된 것처럼, 그라운드 라인(206)은 마이크로파 주입기(205) 주위로 이격된 다수의 팁(701)으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 그라운드 전극(206)은 마이크로파 주입기(205) 주위로 이격된 2, 3, 또는 4개의 그라운드 전극으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 개별적인 그라운드 전극은 마이크로파 주입기(205)(즉, 마이크로파 주입기(205) 주위로 떨어진 180, 120, 또는 90도로 배치된 2, 3, 또는 4개의 그라운드 전극) 주위로 대칭적으로 위치할 수 있다. 일반적으로, 그라운드 라인(ground line, 206)은 마이크로파 유도 플라즈마로 신뢰성 있는 방식으로 연료 혼합물을 점화할 수 있도록 형성될 수 있고, 또한 전체 점화 처리를 향상시키는 것을 돕도록 마이크로파 에너지의 제어된 양이 새어나가는 것을 가능하게 한다.
도 8은 디젤 엔진에서 이용될 수 있는 플러그(800)를 도시한다. 플러그(800)는 마이크로파 파워가 마이크로파 주입기(205)로 가해질 때 실린더로 마이크로파 에너지를 복사하는 안테나 또는 코일(801)을 포함한다. 이 플러그는 중앙 마이크로파 주입기 전도체(205) 및 외부 그라운드 바디 사이에 연결된 하나 이상의 와이어 또는 얇은 금속성 스트립을 포함할 수 있다. 또한, 플러그(800)는 표준 예열 플러그로서 작용할 수 있다.
이전에서 제시된 것처럼, 본 발명에 따른 마이크로파 시스템은 마이크로파 펄스의 펄스열을 이용할 수 있다. 플라즈마를 점화하지 않는 짧은 지속시간의 펄스 또는 낮은 에너지 펄스는 연료 혼합물을 사전처리 하는데 제공될 수 있고, 이에 의해 연소 공정을 향상시키는 것을 돕는다. 이후 플라즈마를 점화하는 더 높은 에너지, 더 긴 지속 시간의 펄스가 연료 혼합물의 더욱 효과적인 연소를 제공하는 것을 도울 수 있다.
또한, 본 발명의 연소 시스템은 전자기 스펙트럼의 더 넓은 범위에 걸쳐 작동 가능하다. 예를 들면, 스파크 및 그에 따른 점화는 UHF, VHF 등과 같은 마이크로파 주파수 범위보다 낮은 RF 주파수의 펄스에 의해 만들어질 수도 있다. 고체 상태 파워 소스는 이러한 RF 주파수에서 작동할 수 있고 이러한 응용에서 이용될 수 있다.
본 발명은 청구항에 의해 나타낸 것 외에 도시되고 설명된 것에 의해 제한되는 것은 아니다.

Claims (43)

  1. 마이크로파 연소 시스템으로서,
    마이크로파 소스;
    상기 마이크로파 소스 및 파워 서플라이 사이에 연결되고, 트리거 신호(trigger signal)에 응답하여 상기 마이크로파 소스로 충분한 전압의 펄스를 제공하는, 펄스 생성기; 및
    상기 펄스가 상기 마이크로파 소스에 공급될 때, 상기 마이크로파 소스로부터 마이크로파 에너지를 수신하도록 연결된 플러그를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리거 신호가 스파크 플러그 와이어(spark plug wire)에 연결된 펄스 생성기에 의해 제공되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 트리거 신호가 상기 스파크 플러그 와이어 상에 제공된 고전압의 순간 적인 스파크 신호(high voltage transient spark signal)의 하향 에지 상에 제공되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리거 펄스가 엔진 제어 모듈에 의해 제공되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 생성기가 고전압 펄스 생성기를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스 및 상기 플러그 사이에 연결된 순환장치를 추가로 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스 및 상기 플러그 사이에 연결된 전방 및 후방으로 전파하는 마이크로파 에너지를 모니터하는 이중 방향 커플러를 추가로 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스 및 상기 플러그 사이에 연결된 튜너(tuner)를 추가로 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    마이크로파 에너지가 웨이브 도파관을 구비한 상기 플러그 및 상기 마이크로파 소스 사이에 연결되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플러그에 연결된 동축 케이블에 마이크로파 에너지를 연결하는 동축 변환기로의 웨이브 도파관(a waveguide to coaxial transition)을 추가로 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 동축 케이블을 구비한 상기 플러그에 연결되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 동축 웨이브 도파관을 구비한 상기 플러그에 연결되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 상기 플러그의 부품(part)이고 상기 플러그에 직접 연결되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 펄스 생성기가 유도 코일을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 플러그가 마이크로파 주입기 및 그라운드 라인을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 그라운드 라인이 중앙 개구를 갖는 환형 금속 부재를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 환형 금속 부재가 상기 중앙 개구 주위로 분포된 일련의 홀을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 환형 금속 부재의 상기 중앙 개구가 상기 마이크로파 주입기에 인접한 비원형 개구를 형성하도록 형상화되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 그라운드 라인이 와이어 메쉬를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 그라운드 라인이 상기 마이크로파 주입기 주위로 분포된 하나 이상의 팁을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 팁이 상기 마이크로파 주입기 주위로 대칭적으로 분포되는,
    마이크로파 연소 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 플러그가 마이크로파 주입기 및 그라운드 사이에 연결된 마이크로파 안테나를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 마그네트론을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 클리스트론(klystron)을 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 이동하는 웨이브 튜브를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 고체 상태 소자를 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서,
    내연기관과 이 내연기관의 실린더에 연결된 상기 플러그를 추가로 포함하는,
    마이크로파 연소 시스템.
  28. 연료 혼합물을 점화하는 방법으로서,
    실린더에서 스파크를 제공하기 위한 시간에 관련된 트리거 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 트리거 신호에 응답하여, 상기 실린더에 연결된 플러그의 마이크로파 주입기로 마이크로파 에너지의 하나 이상의 펄스를 제공하는 단계를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 트리거 신호를 수신하는 단계가,
    스파크 플러그 와이어로부터 펄스 생성기로의 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 스파크 플러그 와이어로부터의 신호에 응답하여 상기 트리거 신호를 생성하는 단계를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 트리거 신호를 수신하는 단계가,
    엔진 제어 유닛으로부터 펄스 생성기로의 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 엔진 제어 유닛으로부터의 신호에 응답하여 상기 트리거 신호를 생성하는 단계를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지의 하나 이상의 펄스를 제공하는 단계가,
    상기 트리거 신호에 응답하여 고전압 펄스의 펄스열(pulse train)을 생성하는 단계;
    마이크로파 에너지의 펄스열을 생성하도록 마이크로파 소스에서 상기 고전압 펄스의 펄스열을 수신하는 단계; 및
    상기 마이크로파 주입기로 상기 마이크로파 에너지의 펄스열을 연결시키는 단계를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 펄스열이 하나의 펄스를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 펄스열이 긴 지속시간의 펄스가 뒤따르는 짧은 지속시간의 하나 이상의 펄스를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 펄스열이 높은 마이크로파 파워가 뒤따르는 낮은 마이크로파 파워의 하나 이상의 펄스를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 펄스열이 낮은 마이크로파 파워의 펄스가 뒤따르는 높은 마이크로파 파워의 하나 이상의 펄스를 포함하는,
    연료 혼합물을 점화하는 방법.
  36. 내연기관을 위한 연소 시스템으로서,
    전자기 복사 소스;
    상기 전자기 복사 소스 및 파워 서플라이 사이에 연결되고, 트리거 신호에 응답하여 상기 전자기 복사 소스로 충분한 전압의 펄스를 제공하는, 펄스 생성기; 및
    상기 펄스가 상기 전자기 소스로 공급될 때, 상기 전자기 소스로부터 에너지를 수신하도록 연결되고, 내연기관의 실린더에 추가로 연결된, 플러그를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스가 마이크로파 소스를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 마그네트론을 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 클리스트론을 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  40. 제 37 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 이동하는 웨이브 튜브를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  41. 제 37 항에 있어서,
    상기 마이크로파 소스가 고체 상태 소자를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  42. 제 36 항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스가 라디오 주파수 소스를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 라디오 주파수 소스가 고체 상태 소자를 포함하는,
    내연기관을 위한 연소 시스템.
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