KR20110070954A

KR20110070954A - 고주파 점화 장치

Info

Publication number: KR20110070954A
Application number: KR1020100124070A
Authority: KR
Inventors: 톰 아흐슈테터; 게르트 브로흘레; 한스 데레스키; 토마스 기펠스; 펠리지타스 하일만
Original assignee: 보그와르너 베루 시스템스 게엠바흐
Priority date: 2009-12-19
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2011-06-27
Also published as: DE102009059649B4; JP2011129511A; US8863730B2; DE102009059649A1; CN102122796A; EP2337173A2; RU2010151499A; KR101694685B1; US20110146640A1; EP2337173A3; JP5677810B2

Abstract

본 발명은 내연기관 내에서 연소성 가스 혼합물을 점화시키기 위한 고주파 점화 장치(HF ignition device)에 관한 것으로서, 이는 중앙 전극(2)과; 상기 중앙 전극(2)을 관통하여 연장하는 절연 바디(3)와; 상기 절연 바디(3)의 적어도 일부를 둘러싸는 금속성 하우징 바디(5)를 그 일 단부에 구비하고 또한 내연기관에 나사결합되도록 하는 외부 나사부(5a)를 구비하는 하우징(4)과; 상기 중앙 전극(2)을 고주파 여기시키기 위한 회로를 구비한다. 본 발명에 따라, 상기 절연 바디(3) 중에서 상기 하우징 바디(5)를 둘러싸는 부분은 전기 전도성 코팅(6)을 포함한다.

Description

고주파 점화 장치 {HF Ignition Device}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 기재된 특징을 가지는 고주파(HF, high-frequency) 점화 장치에 관한 것이다. 이런 타입의 HF 점화장치는 EP 1 515 594 A2로부터 알려져 있다.

엔진 내에서 연소가능한 가스 혼합물을 점화시키기 위하여, 이러한 HF 점화 장치의 중앙 전극은 적절한 회로, 즉 예를 들어 HF 공진회로를 이용하여 여기된다. 이후 중앙 전극은 엔진의 연소 챔버 안으로 고-주파수의 전자기파를 방사하고, 이에 의하여 점화를 야기시키는 플라즈마를 생성한다.

코로나 방전을 이용하여 점화를 야기시키는 HF 점화 장치는 전통적인 스파크 플러그(spark plug)의 대체물인데, 이 전통적인 스파크 플러그는 아크 방전을 이용하며, 전극이 타버리기 때문에 상당한 마모 작용을 받는다. HF 점화 장치는, 비록 아직까지는 이루어지지 않았으나, 긴 유효수명을 성취할 수 있다는 잠재력을 가지고 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 HF 점화 장치의 유효 수명을 향상시키는 방법을 구현하는 것이다.

이 과제는 청구범위 제1항에 기재되어 있는 특징들을 가지는 HF 점화 장치에 의하여 해결된다. 본 발명의 유리한 개선점들은 종속항들의 주제이다.

중앙 전극을 여기시켜 고주파수의 전자기파를 방사하도록 하기 위하여, HF 점화 장치는 회로, 통상적으로는 공진 회로 또는 예를 들어 압전 고주파 발생기를 포함한다. 이런 회로의 일 요소는 커패시터이며, 이 커패시터의 유전체는 절연 바디(insulating body)에 의하여 형성된다.

통상적으로 1 MHz 이상의 주파수와 수 kV의 전압에 대하여, 동작시 그 절연내력(dielectric strength)에 문제가 있다는 것이 확증되어 있다. 전압 과부하와 부분적인 방전은 종종 HF 점화 장치가 유효 수명이 지나기 전에 고장나게 하는 원인이 되고 있다.

놀랍게도, 절연내력은 하우징 바디를 감싸고 있는 절연 바디 부분에 전기 전도성 코팅을 제공함으로써 현저하게 향상될 수 있다. 본 발명에 따른 점화 장치의 경우에, 절연 바디의 전기 전도성 코팅은, 중앙 전극과 조합하여, 커패시터를 형성하는데, 이 커패시터의 유전체가 절연 바디다. 대조적으로 EP 1 515 594 A2에서 알려져 있는 기존 점화 장치의 경우, 금속 하우징 바디가 중앙 전극과 조합하여 커패시터를 형성하고, 이에 의하여 덜 균일한 전기장을 야기하며, 이에 따라 절연내력을 감소시킨다.

전기 전도성 코팅은 예를 들어 금속성 코팅으로 이루어질 수 있다. 그렇지만 전기 전도성 코팅은 바람직하게는 세라믹 코팅으로 이루어진다. 세라믹 코팅은 높은 경도라는 장점을 가지고 있다. 단단한 코팅은 절연 바디가 하우징 바디 내부에 삽입될 때 발생하는 파손의 위험을 크게 감소시킨다. 이것은 중요한 장점인데 왜냐하면 코팅이 파손되면 전기장의 누출이 발생될 수 있는 약한 지점이 생성되고, 이는 부분적인 방전을 야기하기 때문이다.

적합한 코팅은 예를 들어 붕소화물(boride), 구체적으로 예를 들어 티타늄 보라이드 또는 지르코늄 보라이드와 같은 디보라이드(diboride), 구체적으로 티타늄 카바이드 또는 실리콘 카바이드와 같은 탄화물(carbide), 및 질화물(nitride)과 같은 비-산화물 세라믹의 코팅을 포함한다. 질화물의 세라믹 코팅은 특히 바람직한데 왜냐하면 질화물은 양호한 전기 전도성과 큰 경도(hardness) 및 높은 화학적 저항성을 함께 가지고 있기 때문이다. 구체적으로 질화티타늄 및/또는 질화크롬에 기초한 세라믹 물질을 사용하면 양호한 결과를 성취할 수 있다. 다른 실시예에서는 예를 들어 산화인듐주석과 같은 산화물, 구체적으로는 예를 들어 (IN₂O₃)_1-x(SnO₂)_x (여기서 x≤0.2, 특히 x≤0.1 이다)와 같은 산화인듐에 의하여 주로 구성된 산화인듐주석에 기초한 세라믹 코팅도 가능하다.

전기 전도성 코팅은 바람직하게 100 ㎛ 보다 작고, 특히 바람직하게는 50 ㎛ 보다 더 작으며, 특별히는 20 ㎛ 보다 크지 않은 두께를 가진다. 매우 얇은 코팅이라 하더라도 유효 수명을 향상시키기 위하여 충분하다. 그렇지만 바람직하게는 코팅은 적어도 1 ㎛의 두께를 가진다.

본 발명에 따라 점화 장치의 절연 바디에는 예를 들어 기상 증착법에 의하여, 구체적으로 PVD 또는 CVD에 의하여 전기 전도성 코팅이 제공될 수 있다.

전기적인 코팅은 단일층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그렇지만, 예를 들어 질화크롬으로 된 층과 질화티타늄크롬에 기초한 또 다른 층을 가진 다층구조의 코팅도 역시 사용될 수 있다.

전기 전도성 코팅은 바람직하게는 바람직하게 50 Ω 보다 작고, 특히 바람직하게는 20 Ω 보다 더 작으며, 특별히는 10 Ω 보다 크지 않은 막저항(sheet resistance)를 가진다. 일반적으로 코팅의 전도성이 크면 클수록, 전압 과부하와 부분 방전을 촉진시킬 수 있는 전기장 누설을 방지하는 것이 더 쉽다.

절연 바디의 전기 전도층은 금속성 하우징 바디와 전기적 접촉을 하고 있다. 따라서 동작시, 전기 전도층은 통상적으로 접지되는데, 이는 금속성 하우징 바디가 접지(ground)이기 때문이다. 절연 바디는 하우징 바디에 예를 들어 납땜되거나 또는 접착될 수 있다. 그렇지만 바람직하게는 절연 바디는 조여지는 방식으로 하우징 바디 내에 속박된다. 이것은 절연체를 하우징 바디 내에 압입 맞춤하거나 또는 열수축 맞춤함으로써 달성될 수 있다. 유리하게도 세라믹 코팅은 이런 타입의 결합 공정에 대해 충분히 단단하다.

바람직하게, 전기 전도성 코팅은 적어도 1500 HV 0.05 의 경도를 가지며, 특히 바람직하게는 적어도 2000 HV 0.05의 경도를 가진다. 이들 값은 0.05 kilopond 의 테스트력을 사용한 비커스 경도 테스트(Vickers hardness test)에 기초하고 있다.

본 발명의 유리한 개선에 따라 코일이 하우징 내에 배치되는데, 이 코일은 전도성 코팅에 의하여 형성되는 커패시터 및 중앙 전극과 조합하여, HF 여기를 위한 회로를 형성한다. 이런 타입의 회로는 공진 회로이다. 이 회로는 바람직하게는 직렬 공진 회로이다. 그렇지만 기본적으로 병렬 공진 회로도 역시 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 유리한 개선에 따라, 절연 바디의 무코팅부(uncoated section)가 하우징 바디의 외측으로 연장된다.

본 발명의 또 다른 유리한 개선에 따라, 연소 챔버에 가가운 절연 바디의 단부가 하우징 바디의 외측으로 연장되며 그 지점에서 하우징 바디를 덥는다. 이런 방식으로, 절연 바디는 하우징 바디가 접촉하여 정지되는 멈추개(stop)를 형성할 수 있다. 유리하게, 이것은 절연 바디와 하우징 바디를 예를 들어 압입 맞춤에 의하여 결합하는 것을 더 용이하게 한다. 덧붙여서, 이런 타입의 멈추개는 절연 바디에 대해 작용하는 연소 챔버 압력을 흡수할 수 있으며, 이에 의하여 특히 엔진 동작 동안에 발생하는 압력 피크에 의하여 하우징 바디 내 절연 바디의 시트(seat)가 영향을 받지 않도록 보장할 수 있다.

본 발명의 다른 세부 사항과 장점은 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명된다. 동일하거나 유사한 부품들은 동일한 참조 번호를 사용하여 표시된다.

도 1은 본 발명에 따른 HF 점화 장치의 일 실시예를 보여주는 개략도.
도 2는 도 1의 세부(A)를 보여주는 단면도.
도 3은 절연 바디를 하우징 바디에 연결시키는 것에 대한 다른 실시예를 보여주는 개략도.

도 1은 내연기관 내에서 연소성 가스 혼합물을 점화시키기 위한 고주파수 점화 장치를 보여준다. 도 1에서 이점쇄선으로 그려진 원의 세부 A는 단면도로 도 2에 도시되어 있다.

HF 점화 장치는 중앙 전극(2)를 포함하는데, 이 중앙 전극(2)의 단부는 점화팁(2a)이고, 중앙 전극(2)은 세라믹 절연 바디(3)를 통과하여 연장된다. 또한 HF 점화 장치는 하우징(4)을 포함하며, 이 하우징(4)은 그 일 단부 상에 절연 바디(3)의 적어도 일 부분을 감싸는 금속성 하우징 바디(5)를 구비하며 또한 내연기관 내부에 나사결합되어질 외부 나사부(5a)를 포함한다.

절연 바디(3) 중에서 하우징 바디(5)에 의하여 둘러 싸여 있는 부분은 하우징 바디(5)에 인접하고 전기적으로 접촉하여 있는 전기 전도성 코팅(6)을 포함한다. 전기 전도성 코팅(6)과 중앙 전극(2)은 하나의 커패시터를 형성하며, 이 커패시터의 유전체는 절연 바디(3) 중에서 코팅(6)에 의하여 덥혀 있는 부분이다.

이 커패시터는 중앙 전극(2)의 고주파 여기를 위한 회로의 일부이다. 도시된 실시예에서, 이 회로는 또한 중앙 전극(2)에 접촉하고 있는 코일(7)을 포함한다. 코일(7)은, 이 커패시터와 조합하여, 전기 공진 회로를 형성하는데, 이 공진 회로는 중앙 전극(2)을 여기시켜 절연 바디(3) 외측으로 연장되어 있는 점화팁(2a)을 인에이블시킴으로써 연소 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 고주파수의 전자기파를 발산하도록 하고 이에 따라 점화를 유도하게 한다.

공진 회로는 1 MHz 보다 큰, 바람직하게는 10 MHz보다 큰, 특히 바람직하게는 100 MHz보다 큰 공진 주파수를 가진다. 따라서 동작 동안에, 중앙 전극(2)의 점화팁은 1 MHz 보다 큰 주파수를 가지는 전자기파를 발산한다. 10 MHz 내지 10 GHz의 주파수 범위가 특히 적합하다.

전기 전도성 코팅(6)은 도시된 실시예에서 세라믹 코팅이다. 예를 들어 질화티타늄에 기초하는 질화물 세라믹 코팅은 특히 적합하다. 도시된 실시예에서, 코팅은 1 ㎛와 10 ㎛ 사이의 두께를 가지며 1 Ω 미만의 막저항을 가진다. 전기 전도성 코팅은 예를 들어 PVD (physical vapor deposition: 물리적 기상 증착) 또는 CVD (chemical vapor deposition: 화학적 기상 증착)을 이용하여 기상 증착될 수 있다.

절연 바디(3)는 조여지는 방식으로 하우징 바디(5) 내에 속박된다. 절연 바디는 예를 들어 하우징 바디(5) 안으로 압입될 수 있다. 다른 가능한 구체적인 방식으로, 하우징 바디(5)를 가열한 후 냉각되는 동안에 하우징 바디(5)가 절연 바디(3)에 대해 수축하도록 하는 방법이 있다. 이런 타입의 열수축 맞춤은, 압입-맞춤 연결의 경우와 마찬가지로, 절연 바디(3)와 하우징 바디(5) 사이의 바람직한 가스-밀봉성(gas-tight) 결합을 생성할 수 있게 한다. 절연 바디(3)의 연소 챔버 근처의 단부 중 무코팅부는 하우징 바디(5) 외측으로 연장한다. 이 무코팅부는 더 큰 직경을 가지며 하우징 바디(5)를 덥는다. 도시된 실시예에서, 하우징 바디(5)의 연소 챔버와 가까운 쪽의 단부는 완전히 덥혀 있다. 중앙 전극(2)과 하우징 바디(5) 사이의 전기 저항을 증가시키기 위하여, 절연 바디(3)가 하우징 바디를 부분적으로 덥는 것으로 충분하다. 더 큰 거리는 분로(shunt)가 형성될 위험을 감소시킨다.

도 2에 도시된 실시예에서, 절연 바디(3)와 하우징 바디(5)는 원통형 압력 조립체를 형성한다. 도 3은 변형된 실시예를 보여주는 개략도이며, 여기서 세라믹 절연 바디(3)는, 금속성 하우징 바디(5)와 조합하여, 테이퍼진(tapered) 압력 어셈블리를 형성한다. 하우징 바디(5)는 예컨대 강철(steel)로 제조될 수 있고, 절연 바디는 예를 들어 산화알루미늄으로 제조될 수 있다.

2 : 중앙 전극
2a : 점화팁
3 : 절연 바디
4 : 하우징
5 : 하우징 바디
5a : 외부 나사부
6 : 코팅
7 : 코일

Claims

내연기관 내에서 연소성 가스 혼합물을 점화시키기 위한 고주파 점화 장치(HF ignition device)으로서,
중앙 전극(2)과;
상기 중앙 전극(2)을 관통하여 연장하는 절연 바디(3)와;
상기 절연 바디(3)의 적어도 일부를 둘러싸는 금속성 하우징 바디(5)를 그 일 단부에 구비하는 하우징(4)과;
상기 중앙 전극(2)을 고주파 여기시키기 위한 회로를
구비하는 고주파 점화 장치에 있어서,
상기 절연 바디(3) 중에서 상기 하우징 바디(5)를 둘러싸는 부분은 전기 전도성 코팅(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전기 전도성 코팅(6)은 세라믹 코팅(6)인 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 코팅(6)은 질화물 세라믹으로 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 전도성 코팅(6)은 100 ㎛보다 작은, 바람직하게는 10 ㎛보다 작은, 특별히는 20 ㎛보다는 크지 않는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅(6)은 적어도 1 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅(6)은 50 Ω보다 작은, 바람직하게는 20 Ω보다 작은, 특별히 바람직하게는 10 Ω보다 크지 않은 막저항을 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 바디(3)는 상기 하우징 바디(5) 내에 조여지는 방식으로 속박되는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 바디(3) 중에서 상기 연소 챔버와 가까운 쪽의 단부는 상기 하우징 바디(5)의 외측으로 연장하고 또한 그 지점에서 적어도 부분적으로 상기 하우징 바디(5)를 덥는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 바디(3) 중에서 무코팅부가 상기 하우징 바디(5)의 외측으로 연장하는 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅(6)은 기상 증착법에 의하여 생성된 것을 특징으로 하는 고주파 점화 장치.