KR20100038526A - 연료 분사기 결합형 스파크 플럭 및 이를 포함하는 엔진블럭 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체와, 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 포함하는 스파크 플럭과, 상기 절연 몸체의 일측에 결합되며, 연료 분사구가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기를 포함하는 스파크 플럭을 제공한다. 본 발명에 따르면, 각종 내연 기관의 연료 연소 효율을 높여 연비를 향상시킬 수 있고 오염 물질의 배출을 감소시킬 수 있다.

엔진, 스파크 플럭, 연소

Description

연료 분사기 결합형 스파크 플럭 및 이를 포함하는 엔진 블럭{SPARK PLUG WITH BUILT-IN INJECTOR AND ENGINE BLOCK HAVING THE SAME}

본 발명은 내연 기관의 스파크 플럭에 관한 것으로, 상세하게는 연료 분사기 결합형 스파크 플럭을 제안한다.

21세기는 에너지 고갈 및 환경 오염 등의 국제적인 문제로 인하여 여러가지 산업에 많은 제약이 따르고 있다.

특히, 자동차 배기 가스로 인한 환경 오염은 심각한 문제로서 자동차 업계에서 대체 방안을 강구하고 있는 화두가 되고 있다. 저공해 자동차를 구현하는 방법으로는 가솔린직접분사(GDI) 방식의 엔진 개량, 전기 에너지를 조합한 하이브리드 자동차, 연료전지를 이용한 자동차 등이 대안으로 떠오르고 있다.

직접분사방식은 디젤기관에서 사용되는 기술로서 연료를 흡기 포트가 아닌 실린더 내로 직접 분사해 연소시키는 엔진 방식을 의미한다. 가솔린직접분사 엔진은 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 장점만을 모은 것으로 가솔린을 연료로 사용하면서 이를 직접 연소실에 분사해 초희박 연소를 실현함으로써 연비와 출력을 동시에 향상시킨다.

도 1은 기존의 직접분사 방식의 엔진 구조를 모식적으로 보인 것으로, 실린더(10) 내로 외부 공기를 공급하는 흡기구(30)와 별도로 연료 분사기(injector)(50)가 배치되어 실린더에 연료가 직접 분사된다. 흡기 밸브(32)의 개폐를 통해 공급된 공기와 연료 분사기를 통해 공급된 연료는 실린더 내에서 혼합되며, 스파크 플럭(40)에 의하여 점화되어 폭발이 이루어진다. 연료의 연소후 배기 가스는 배기 밸브(22)의 개폐를 통해 배기구(20)로 배출된다.

이와 같이 직접분사 방식의 엔진은 실린더 내에서 연료와 공기의 혼합이 이루어지기 때문에 실린더 내에서 혼합 가스(연료 + 공기)의 흐름이 매우 중요하다. 도 2의 모식도에서와 같이 실린더 내에서의 혼합 가스의 흐름(화살표)을 제어하기 위해서는 피스톤(12)의 구조를 변형하거나 실린더 내부 구조를 개선할 필요가 있다.

직분사로 엔진이 설계되면 적은 기름을 넣어도 높은 압력으로 쉽게 발화하기 때문에 연료 효율이 향상된다. 반면 높은 압력에서 연료의 폭발이 이루어지기 때문에 소음이 커지는 단점이 있고, 엔진 내구성이 우수해야 하기 때문에 엔진 제조 비용도 상당하다.

한편, 실린더 내에서 점화를 일으키는 스파크 플럭(40)(도 3 참조)은 절연 몸체(42)의 끝단에 형성된 전극쌍(44a, 44b)이 실린더 내부에 노출되어 실린더 내로 공급되는 연료에 전기적 에너지를 가한다. 그런데, 점화 지점과 실린더 내에 공급된 연료 혼합 가스의 흐름이 매칭되지 않으면 불완전 연소되는 가스량이 증가할 수 있으며, 그 결과 오염 가스의 배출이 심각하게 된다.

이와 같이 GDI 방식의 엔진은 여전히 실효성에 문제점을 안고 있으며, 하이브리드 자동차 또는 연료전지 자동차는 상용화를 위하여 개발하여야 할 기술적 요소가 산재해 있다. 한편, 주로 바이크에 적용되는 2 행정 엔진의 경우 간단한 구조이면서 추진력은 큰 반면, 소음이 크고 특히 오염 물질의 배출이 과다하여 환경 문제를 심각하게 하는 문제가 있다.

각종 내연 기관의 연료 효율을 향상시키면서 환경 문제를 개선하기 위해서는 새로운 엔진 구조 내지 부품 개선이 지속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 효율이 향상된 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 오염 물질의 배출이 저감된 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 각종 내연 기관의 다양한 엔진 구조에 적용할 수 있는 새로운 연료 분사 시스템 및 스파크 플럭을 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체와, 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 포함하는 스파크 플럭과, 상기 절연 몸체의 일측에 결합되며, 연료 분사구가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기를 포함하는 스파크 플럭을 제공한다.

상기 연료 분사구는 절연 몸체의 내부 중앙과 동심원상에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 절연 몸체의 외주면에 결합되는 어댑터를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 어댑터의 일단 내측에 스파크 플럭이 결합되고 상기 어댑터의 타단 내측에 연료 분사기가 결합될 수 있다.

상기 스파크 플럭은 절연 몸체 표면으로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연 장부를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 연장부의 표면에 전극쌍을 형성할 수 있다. 상기 연장부는 절연 몸체의 표면에 탄성적으로 회동 가능하도록 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 절연 몸체와, 상기 절연 몸체 일단으로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연장부를 포함하며, 상기 연장부의 표면에 전극쌍이 형성되어 있는 스파크 플럭을 제공한다.

본 발명은 또한, 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진 블럭과, 상기 엔진 블럭에 장착되는 스파크 플럭을 포함하며, 상기 스파크 플럭은 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체와 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 포함하며, 상기 절연 몸체의 일측에 연료 분사구가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기가 결합되는 엔진 블럭을 제공한다.

상기 스파크 플럭은 상기 절연 몸체의 외주면에 결합되는 어댑터를 통해 엔진 블럭에 결합되는 것이 바람직하다. 상기 스파크 플럭은 엔진 블럭의 실린더 헤드에 수직 또는 경사진 방향으로 결합될 수 있다.

상기 엔진 블럭은 2 행정 사이클의 실린더를 포함할 수 있다. 또한, 상기 엔진 블럭은 복수의 실린더를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 연료 분사기가 결합된 스파크 플럭은 각각의 실린더에 개별적으로 장착된다.

본 발명에 따르면, 각종 내연 기관의 연료 연소 효율을 높여 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 연료의 충분한 연소를 통하여 오염 물질의 배출을 감소시킴으로 써 환경 문제의 해결에 일조할 수 있다. 또한, 변형된 스파크 플럭을 적용하기 위하여 엔진 블럭을 재설계하는 불편을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 연료직접분사 방식의 엔진 성능 향상에 효과적이다.

본 발명은 스파크 플럭과 연료 분사기를 결합시켜 분사된 연료의 연소 효율을 증진시키는데 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료 분사기는 스파크 플럭에 내장된(built-in) 형태로 결합되며, 스파크 플럭과 연료 분사기의 분사구가 동심원상으로 배치되어 실린더 내에서 연료의 연소 내지 폭발이 보다 효율적으로 개선된다. 또한, 변형된 실시예에서는 스파크 플럭을 실린더에 삽입한 후 점화부가 방사상으로 펼쳐지는 구조로 설계되어 스파크 반경을 확대시킬 수 있어 실린더 내에서 연료의 완전 연소를 가능하게 한다.

이하, 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

도 4를 참조하면 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료 분사기 결합형 스파크 플럭이 도시되어 있다. 이 스파크 플럭 결합체(100)는 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체(110)와, 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍(112)을 포함한다. 절연 몸체의 형태는 내부가 비어 있는 디스크 형태가 바람직하며, 절연 몸체의 직경이나 길이는 적용되는 엔진 블럭 또는 실린더 크기에 따라 달라질 수 있다.

상기 절연 몸체의 일측에는 연료 분사구(132)가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기(130)가 결합된다. 절연 몸체와 연료분사기의 결합 방식으로는 연료 분사기의 끝단을 절연 몸체 내부에 나사결합되도록 하거나 이와 반대로 절연 몸체 일단이 연료 분사기 끝단에 나사결합되도록 할 수 있을 것이다. 이와 달리, 후술하는 바와 같이 별도의 어댑터를 사용하여 절연 몸체와 연료 분사기를 결합시킬 수도 있다.

상기 연료 분사구(132)는 절연 몸체(110)의 내부 중앙과 동심원상에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 절연 몸체(110)의 표면에 형성되는 전극쌍(112)은 연료 분사구로부터 분출되는 연료(또는 연료와 공기 혼합기체)에 대하여 전기적인 스파크를 발생시킬 수 있도록 연료 분사구와 이격되어 배치하는 것이 바람직하다.

상기 전극쌍(112)은 연료 분사구로부터 배출되는 연료의 분출 방향에 대하여 경사지도록 형성함으로써 실린더 내에서 연료의 연소 효율을 더욱 높일 수 있을 것이다. 한편, 절연 몸체에 형성되는 전극쌍의 배치 형태는 다양하게 변할 수 있다. 도 5 내지 7에서와 같이 절연 몸체(110) 표면에 복수의 전극쌍(112)이 상호 동일한 간격으로 이격되어 배치되도록 할 수 있다. 전극쌍의 수는 인접 전극 간의 간섭이 일어나지 않는 범위 내에서 실린더 내에서 연료의 완전 연소를 위하여 많을수록 바람직하다. 각각의 전극쌍은 실린더 내에서 서로 다른 위치에서 연료에 전기적 스파크를 가하여 연료의 완전한 연소에 기여한다.

또한, 후술하는 바와 같이 복수의 전극쌍이 실린더 내에서 서로 다른 수직적 위치를 갖도록 배치함으로써 연료 연소 효율을 더욱 증가시킬 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 분사기 결합형 스파크 플럭에 별도의 어댑터를 더 포함하여 형태가 다른 각종 실린더의 연료 분사기 삽입공 등에 스파크 플럭을 고정시킬 수 있다. 도 4에서 연료 분사기(130)와 절연 몸체(110) 사이에는 별도의 어댑터(120)가 개재되어 있다. 이 어댑터(120)는 내부가 비어 있고 일단에는 절연 몸체의 외부면이 삽입되어 일체적으로 결합되며, 다른 일단에는 연료 분사기가 (나사 결합 등의 방식으로) 결합되어 있다. 절연 몸체(110)와 어댑터(120)는 최초에 일체화시켜 형성할 수도 있으며 각각을 별도로 제조한 후 조립시켜 일체화시킬 수도 있을 것이다. 어댑터(120)의 외주면에는 나사산(122)이 형성되어 실린더 헤드의 각종 삽입공, 예를 들어 연료 분사기 삽입공, 스파크 플럭 삽입공 등에 어댑터를 결합시킬 수 있을 것이다.

어댑터의 모양은 실린더의 형태에 따라 변형될 수 있으며, 연료 분사기와 절연 몸체의 전극쌍 간의 거리를 변화시키기 위하여 어댑터의 길이도 달라질 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 연료 분사기 결합형 스파크 플럭 (또는 스파크 플럭 결합형 연료 분사기)을 실린더(100)에 결합한 모습을 모식적으로 보인 것이다. 연료 분사기로부터 연료(또는 연료와 공기 혼합 기체)가 분출되면서 스파크 플럭의 전극쌍으로부터 발생되는 전기적 스파크로 인하여 연료의 연소가 발생되어 실린더 내에 연료의 완전 연소가 가능하게 된다.

따라서, 연료의 연소 효율 증가로 인하여 내연 기관의 성능이 향상되며, 연 료의 불완전 연소로 인한 오염 물질의 배출도 최소화시킬 수 있다. 이와 같은 연료 분사기 결합형 스파크 플럭은 가솔린 엔진의 연비 개선에 효과적이며, 연료 직접 분사 방식(direct fuel injection)의 엔진에도 용이하게 적용될 수 있다. 또한, 기존의 엔진 구조, 예를 들어 실린더 헤드 형태를 변화시키지 않고도 어댑터 형태만을 변화시킴으로써 모든 엔진 구조에 적용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 2 행정 엔진을 사용하는 소형 바이크 등에 적용될 경우 환경 개선 효과가 매우 뛰어날 것이다.

또한, 본 발명의 연료 분사기 결합형 스파크 플럭은 연료 탱크로부터 연장되는 공통 연료 라인을 통해 다중 인젝터가 연료를 공급받는 커먼레일직접분사기(common rail direct injector)에도 효과적으로 적용될 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서 어댑터에 결합되는 연료 분사기는 어댑터 내측이 아닌 외측에 결합되도록 변형시킬 수도 있을 것이다. 뿐만 아니라, 연료 분사기 형태를 변화시켜 어댑터 기능을 수행하도록 할 수도 있을 것이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 스파크 플럭의 구조를 변형시켜 연료 분사구와 전극쌍 간의 간격을 변화시킬 수 있다. 도 9를 참조하면, 스파크 플럭(200)의 절연 몸체(210)의 길이가 앞선 실시예에서 보다 상대적으로 길게 형성되어 어댑터(220)의 후방에 결합된 연료 분사기(230)의 분사구(232)와 전극쌍(212) 간의 거리가 더욱 이격되어 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 연료 분사구와 전극쌍의 거리는 사용되는 연료의 특성, 실린더의 구조, 및 엔진 방식 등에 따라 다양하게 변형시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 스파크 플럭은 절연 몸체와, 상기 절연 몸체 표면으로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연장부를 포함하며, 상기 연장부의 표면에 전극쌍이 형성된다. 상기 절연 몸체는 내부 중앙이 비어있는 환형 몸체일 수 있고, 이 경우에는 환형 몸체에 연료 분사기가 결합될 수 있다.

도 10 및 도 11을 참조하면 스파크 플럭(300)의 절연 몸체는 제1몸체(310a)와 이 제1몸체의 끝단에 회동 가능하도록 결합된 제2몸체(310b)로 구성된다. 제1몸체 외주면에는 어댑터(320)가 더 결합될 수 있다. 이와 달리 제1몸체 외주면에 나사산을 형성하여 제1몸체가 실린더 헤드에 결합되도록 할 수도 있다.

제2몸체(310b)는 제1몸체와 제2몸체의 회동 중심(314)에 장착된 탄성 수단 등에 의하여 최초 위치(A)로부터 최종 위치(B)로 변화 가능하다. 따라서, 본 발명의 스파크 플럭을 엔진 블럭, 구체적으로는 실린더 헤드의 각종 삽입공에 삽입한 이후에 제2몸체가 제1위치(A)에서 제2위치(B)로 변화시킬 수 있다.

복수의 제2몸체(310b)는 제1몸체(310a)의 표면으로부터 연장되어 방사상으로 배치되어 있고, 제2몸체의 끝단에는 각각 전극쌍(312a)이 형성되어 있다. 제2몸체의 전극쌍(312a)은 실린더 내부의 여러 영역에서 스파크를 발생시킨다. 따라서, 실린더 내부를 커버하는 넓은 영역에서 연료의 연소가 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.

또한, 제1몸체(310a)에도 전극쌍(312b)을 더 부가할 수 있다. 이 경우, 제1몸체의 전극쌍(312b)과 제2몸체에 형성된 전극쌍(312a)이 연료 분사구로부터 실린더 내에 분출되는 연료를 다중 연소시켜 연료의 불완전 연소를 방지할 수 있다.

이와 같이 스파크 플럭의 구조를 변화시킴으로써 실린더 내에서 스파크를 발생시키는 전극쌍의 위치를 다양하게 변화시킬 수 있다. 그 결과, 실린더 내에 분출되는 연료의 연소 작용을 더욱 완벽하게 제어할 수 있다.

도 10의 실시예에서와 달리, 스파크 플럭의 절연 몸체가 원통형이고 그 일단에 방사상으로 연장된 복수의 연장부를 포함할 수 있다. 이 경우에는 연료 분사기가 실린더 내부에 스파크 플럭과는 별도로 장착될 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진 블럭, 내지 실린더 블럭에 적용될 수 있으며, 2행정 기관 뿐만 아니라 4행정 기관에도 효과적으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 엔진 블럭에 복수의 실린더를 포함하는 경우, 연료 분사기가 결합된 스파크 플럭은 각각의 실린더에 개별적으로 장착된다. 본 발명은 절연 몸체에 결합되는 어댑터의 형태 변화를 통해 기존 엔진의 실린더 블럭 구조를 변화시키지 않고도 적용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명은 연료 분사기로부터 실린더에 연료를 직접 분사하는 엔진에 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 엔진 블럭의 실린더 내부를 보인 단면도.

도 3은 종래의 스파크 플럭을 보인 정면도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스파크 플럭을 보인 단면도.

도 5 내지 7은 본 발명의 스파크 플럭의 전극쌍의 다양한 실시예를 보인 평면도.

도 8은 본 발명에 따른 엔진 블럭의 실린더 내부를 보인 단면도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스파크 플럭을 보인 단면도.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스파크 플럭을 보인 단면도.

도 11은 도 10의 스파크 플럭의 평면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 연료 분사기 결합형 스파크 플럭 110:절연 몸체

112:전극쌍 120:어댑터

130:연료 분사기 132:연료 분사구

Claims (20)

1. 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체와, 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 포함하는 스파크 플럭과,

   상기 절연 몸체의 일측에 결합되며, 연료 분사구가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기를 포함하는

   스파크 플럭.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료 분사구는 절연 몸체의 내부 중앙과 동심원상에 배치되는 스파크 플럭.
3. 제1항에 있어서, 상기 절연 몸체의 외주면에 결합되는 어댑터를 더 포함하는 스파크 플럭.
4. 제3항에 있어서, 상기 어댑터의 일단 내측에 스파크 플럭이 결합되며, 상기 어댑터의 타단 내측에 연료 분사기가 결합되는 스파크 플럭.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전극쌍은 절연 몸체 표면에 동일한 간격으로 배치되는 스파크 플럭.
6. 제1항에 있어서, 상기 스파크 플럭은 절연 몸체 표면으로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연장부를 더 포함하는 스파크 플럭.
7. 제6항에 있어서, 상기 연장부의 표면에 전극쌍이 형성되어 있는 스파크 플럭.
8. 제6항에 있어서, 상기 연장부는 절연 몸체의 표면에 탄성적으로 회동 가능하도록 결합되어 있는 스파크 플럭.
9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전극쌍은 연료 분사기로부터 분사되는 연료의 배출 방향에 대하여 경사진 채로 형성되어 있는 스파크 플럭.
10. 절연 몸체와,

    상기 절연 몸체 일단으로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연장부를 포함하며,

    상기 연장부의 표면에 전극쌍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는

    스파크 플럭.
11. 제10항에 있어서, 상기 연장부는 절연 몸체의 표면에 탄성적으로 회동 가능하도록 결합되어 있는 연료 분사기 결합형 스파크 플럭.
12. 제10항에 있어서, 상기 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 더 포함하는 스파크 플럭.
13. 적어도 하나의 실린더를 포함하는 엔진 블럭과,

    상기 엔진 블럭에 장착되는 스파크 플럭을 포함하며,

    상기 스파크 플럭은 내부 중앙이 비어 있는 환형의 절연 몸체와 이 절연 몸체의 표면에 형성된 복수의 전극쌍을 포함하며, 상기 절연 몸체의 일측에 연료 분사구가 상기 절연 몸체의 내부 중앙을 향하도록 배치되는 연료 분사기가 결합되는

    엔진 블럭.
14. 제13항에 있어서, 상기 스파크 플럭은 상기 절연 몸체의 외주면에 결합되는 어댑터를 통해 엔진 블럭에 결합되는 엔진 블럭.
15. 제14항에 있어서, 상기 어댑터의 일단 내측에 스파크 플럭이 결합되며, 상기 어댑터의 타단 내측에 연료 분사기가 결합되는 엔진 블럭.
16. 제14항에 있어서, 상기 스파크 플럭은 엔진 블럭의 실린더 헤드에 수직 또는 경사진 방향으로 결합되는 엔진 블럭.
17. 제13항에 있어서, 상기 엔진 블럭은 2 행정 사이클의 실린더를 포함하는 엔진 블럭.
18. 제13항에 있어서, 상기 엔진 블럭은 복수의 실린더를 포함하며, 상기 연료 분사기가 결합된 스파크 플럭은 각각의 실린더에 개별적으로 장착되는 엔진 블럭.
19. 제13항에 있어서, 상기 복수의 전극쌍은 절연 몸체 표면에 동일한 간격으로 배치되는 엔진 블럭.
20. 제13항에 있어서, 상기 연료 분사기는 실린더에 연료를 직접 분사하는 엔진 블럭.

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