KR20160107106A - 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그 - Google Patents

마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그 Download PDF

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KR20160107106A
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housing
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KR1020160023841A
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아르민 갈라츠
폴커 갈라츠
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엠더블유아이 마이크로 웨이브 이그니션 아게
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Abstract

엔진의 연소 챔버(18)속으로 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그(1)로서, 기다란 하우징(2)을 포함하고, 상기 하우징은 상기 하우징의 내부에서 중공 전도체를 형성하는 기다란 공동(10)을 포함하며, 상기 하우징(2)내에서 상기 공동(10)의 제1 단부에 배열된 마이크로파 창(8)을 포함하고, 상기 마이크로파 창은 상기 연소 챔버(18)에 대해 상기 중공 전도체(10)를 밀폐하며, 상기 공동(10)은 상기 마이크로파 창(8)과 마주보게 배열된 제2 단부에서 고주파수 공급 전도체를 위한 연결 요소(4)를 포함하고, 상기 연결 요소(4)는, 상기 마이크로파 창에 형성된 고주파수 유출 횡단면 형상과 서로 다른 고주파수 유입 횡단면 형상부(7)를 포함하며, 상기 중공 전도체의 제1 단부에서 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부로부터 상기 중공 전도체의 제2 단부에서 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부까지 전이부는 연속적으로 형성된다. 상기 마이크로파 스파크 플러그는 스파크 플러그를 위한 전형적인 보어 구멍들속으로 나사체결되도록 형성되고 상기 내연기관의 연소 챔버속에 마이크로파 에너지를 안전하게 주입한다.

Description

마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그{MICROWAVE SPARK PLUG FOR INJECTING MICROWAVE ENERGY}
본 발명은, 내연기관의 연소 공동(combustion cavity)내부로 마이크로파 에너지(microwave energy)를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그(spark plug) 및 적어도 한 개의 스파크 플러그를 가진 내연기관에 관한 것이다.
문헌 제DE 10 2009 016 665호에 공개된 내연기관내에서, 연료 공기의 혼합물이 마이크로파 복사(radiation)에 의해 능동적으로 점화되어 피스톤을 구동한다. 마이크로파 전도체가 실린더 헤드내에 배열되어 마이크로파 복사가 마이크로파 전도체에 의해 세라믹 렌즈(ceramic lens)를 통하여 연소실 내부로 안내되며 상기 세라믹 렌즈는 연소 공동을 향해 마이크로파 전도체를 폐쇄한다.
연소실내에서 마이크로파 점화를 발생시킬 때, 상기 연소 공동내부로 마이크로파 에너지를 안내하여 제어하는 것이 중요하다. 따라서, 마이크로파 에너지는 적합한 중공 전도체를 이용하여 엔진 하우징과 근접하게 배열하고 다음에 상기 연소 공동속으로 주입되어야 한다. 그러므로, 마이크로파가 전도되는 동안 고주파 기술에 관한 조건들이 고려되어야 하고 마이크로파 에너지는 가능한 파 모드(wave modes)의 도약(leaps) 또는 불필요한 반사(reflection) 없이 전달되고 제어되는 것이 보장되어야 한다. 동시에, 현존하는 엔진이 고도로 복잡한 구조없이 마이크로파 에너지 공급원에 결합될 수 있어야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 현재 존재하는 엔진속에 마이크로파 에너지를 주입하는 방법을 제안하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 가진 마이크로파 스파크 플러그에 의해 달성된다. 또 다른 유리한 실시예들이 종속항으로부터 제시될 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명을 따르는 마이크로파 스파크 플러그를 가진 내연기관에 의해 달성된다.
특히, 상기 스파크 플러그는 상기 엔진의 하우징내에 형성된 보어 구멍 예를 들어, 왕복운동하는 피스톤을 가진 내연기관의 실린더 헤드내에 용이하게 삽입될 수 있다. 따라서, 상기 마이크로파 스파크 플러그는 중공 전도체를 형성하고 기다랗게 형성된 내부의 원추형 공동을 포함한 기다란 하우징을 포함하고 상기 하우징은 중공 전도체의 한쪽 단부에서 마이크로파 창을 포함하며, 상기 마이크로파 창은 상기 연소 공동을 향하는 중공 전도체를 밀폐한다. 상기 마이크로파 창은 온도 안정성(temperatue stable)을 가지고 마이크로파 침투성을 가진 고형 재료로 제조된다. 상기 재료는 예를 들어, 99%보다 큰 순도를 가진 세라믹 재료이거나 마이크로파 침투성을 가진 다른 고형 재료일 수 있다. 상기 형태의 마이크로파 스파크 플러그가 엔진 하우징의 각 보어 구멍속에 삽입될 수 있고, 상기 보어 구멍은 연소 공동과 연결되며, 상기 마이크로파 스파크 플러그는 예를 들어, 나사산속에 나사체결된다. 또한, 상기 마이크로파 스파크 플러그의 중공 전도체는 상기 마이크로파 창과 마주보게 배열된 또 다른 단부에서 고주파수 공급 전도체의 연결 요소를 포함하고, 상기 마이크로파 에너지는 상업적으로 바로 구입할 수 있거나 특수한 고주파수 연결기 요소를 가진 연결 요소를 통해 공급될 수 있다. 따라서, 상기 연결기 요소는, 마이크로파 창의 측 단부에서 효과적인 고주파수 유출구 횡단면 형상부와 서로 다른 고주파수 유입구 횡단면 형상부를 포함한다. 이와 관련하여 횡단면 형상부에 의하면 상기 형상부는 삼각형, 직사각형, 원형 또는 타원형 또는 다른 형상을 가지고, 상기 유출구 횡단면 형상부는 상기 유입구 횡단면 형상부와 다르다. 이와 관련하여, 상기 횡단면 형상부는 상기 마이크로파 에너지의 유출구를 위한 개구부의 각 위치를 나타낸다. 이러한 관점에서, 상기 마이크로파 에너지에 대해 효과적인 횡단면 형상부는 상기 마이크로파 스파크 플러그의 단부에서 상기 횡단면 형상부와 차이를 가져서 예를 들어, 하우징은 원형이고 다각형 마이크로파 창이 삽입되지만 원형의 횡단면 형상부은 아직까지 마이크로파 에너지에 대해 효과적인 데, 상기 마이크로파 창에 의해 형성되는 공동이 원형이기 때문이다. 상기 중공 전도체의 한쪽 단부에서 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부로부터 상기 중공 전도체의 다른 한쪼 단부에서 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부까지 전이부는 연속적으로 연장된다. 상기 구성은, 모드 도약(mode leaps)이 발생하지 않고 상기 연소 챔버속으로 마이크로파 에너지를 주입할 때 상기 구성에 의해 원하는 횡단면 형상부가 제공될 수 있기 때문에 마이크로파 에너지를 전달하기 위해 특히 유리하고, 상기 횡단면 형상부는 상기 연소 공동에 대해 용이하게 밀봉될 수 있고 또한 상기 연소 챔버속으로 마이크로파 에너지가 유입되는 작용이 용이하게 최적화된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부로부터 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부까지 전이부는 선형으로 형성된다. 따라서, 상기 마이크로파 스파크 플러그가 상대적으로 용이하게 조립된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부는 직사각형 구조를 가지고, 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부는 원형 또는 타원형 구조를 가져서, 상기 연소 공동속으로 마이크로파 에너지가 대칭적으로 주입된다.
상기 하우징의 외측 원주부는, 상기 연소 챔버를 형성하는 엔진 하우징속에 마이크로파 스파크 플러그를 나사 체결하기 위한 나사산을 포함하는 것이 특히 유리하다. 따라서, 상기 마이크로파 스파크 플러그가 특히 유리하게 교체되고 종래 기술의 스파크 플러그의 현존하는 개구부속으로 상기 마이크로파 스파크 플러그가 용이하게 나사체결된다.
중공 전도체의 직경에 대한 상기 나사산의 외경의 비율은 상기 나사산의 길이에 대하여 1.15 내지 1.45 범위를 가지는 것이 특히 유리하다.
상기 마이크로파 에너지가 반사 및 굴절을 가능한 적게 발생시키며 연소 챔버속으로 주입하기 위해, 상기 마이크로파 창은 사파이어 예를 들어, 유리 또는 수정 유리와 같이 99%보다 높은 순도를 가진 고순도 세라믹 재료로 제조된다.
상기 마이크로파 창은 디스크 형상을 가지고, 상기 중공 전도체를 향하는 측부가 평평하게 형성되며, 상기 연소 챔버를 향하는 측부가 평면(flat) 또는 비평면 구조로 형성되는 것이 유리하다. 상기 연소 공동을 향하는 측부는 볼록 구조 또는 오목 구조를 가질 수 있거나 뾰족한 형상의 원추형상 각뿔(pyramid)형상을 가질 수 있다.
상기 중공 전도체의 단부에서 상기 마이크로파 창은 접착되거나 압축되거나 수축되어 안전하게 밀봉되고 간단하게 생산되는 것이 유리하다.
상기 마이크로파 창의 두께는, 마이크로파의 파장의 절반이고 즉 3mm 내지 약 7mm이며 4.5mm인 것이 유리하다.
본 발명의 유리한 실시예에 의하면, 상기 마이크로파 창의 두께는, 상기 중공 전도체에 의해 전달되는 전자기파의 파장의 절반이거나 절반의 정수배이다. 따라서 반사 특성이 개선되고 반사가 감소된다. 상기 중공 전도체의 내부 표면은 가능한 평평하게 형성되어야 하는 것이 확실하다. 따라서, 상기 내부 표면은 귀금속을 코팅되거나 동으로 제조되어 전도성을 개선시킬 수 있다.
본 발명을 따르는 마이크로파 스파크 플러그는 왕복 운동식 피스톤 엔진 또는 회전운동식 피스톤 엔진과 같은 모든 내연기관에서 이용될 수 있다. 적용예에 따라, 상기 형태를 가진 한 개 또는 복수 개의 스파크 플러그가 적합한 위치에서 각 연소공동내에 배열될 수 있다. 또한, 국소 영역 부스팅(local field boosting) 또는 트리거링(triggering) 점화를 위해 상기 연소 공동내에 돌출구조의 팁(tip)들이 배열될 수 있다. 본 발명을 따르는 마이크로파 스파크 플러그의 구조에 의하면, 엔진 하우징을 이상적인 형태로 변경할 필요없이 마이크로파 에너지가 연소챔버속으로 용이하게 주입된다.
본 발명의 또 다른 특징들이 도면들 및 청구범위와 함께 하기 상세한 설명으로부터 이해된다. 각각의 특징은 본 발명의 실시예들과 조합하거나 자체적으로 구현될 수 있다.
도 1은 (도 1A의) 플랜지 및 (도 1B의) 마이크로파 창을 도시한 사시도이다.
도 2는 마이크로파 스파크 플러그의 정면도(도 2A) 및 선 A-A를 따라 본 종 방향 단면도(도 2B)를 도시한다.
도 3은 도 2의 도면에 대해 90°회전되고 마이크로파 스파크 플러그의 정면도(도 3A) 및 선 A-A를 따라 본 종 방향 단면도(도 2B)를 도시한다.
도 4는 마이크로파 스파크 플러그를 가진 왕복운동식 피스톤 엔진의 실린더 헤드를 도시한다.
도 1A 및 도 1B의 사시도에 도시된 마이크로파 스파크 플러그(1)는 기다란 하우징(2)을 가지고, 엔진 내부에서 각각의 구멍속으로 나사 체결되기 위한 나사산(3)이 상기 하우징에 배열된다. 상기 나사산(3)을 가진 마이크로파 스파크 플러그(1)의 직경은, 종래 기술의 스파크 플러그들을 위한 전형적인 직경과 일치한다. 도면에 도시되지 않은 밀봉 링(9)을 수용하기 위한 그루브(groove)(5) 및 보어 구멍(bore hole)(6)을 가진 플랜지(4)가 상기 하우징(2)의 한쪽 단부에 배열되고, 마이크로파를 전달하기 위한 중공구조를 가진 연결 전도체가 상기 밀봉 링(9)에 부착된다. 상기 부착을 위해 기계적으로 연결/플랜지 이음되는 상기 중공 전도체의 내부 구조(interior geometry) 및 MW- 스파크 플러그의 내부 구조는 정밀하게 일치되어야 한다. 따라서, 형상 코드화(form coded) 플러그 커넥터 또는 적합한 신속 커넥터와 같은 모든 형태의 부착(attachment)요소가 이용될 수 있다. 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 직사각형 개구부가 상기 플랜지내에 형성된다. 도 1B에서 명확하게 알 수 있듯이 마이크로파 창(window)으로서 형성된 세라믹 디스크(8)가 종 방향 하우징의 다른 한쪽 단부에 배열되고 내부에 가압되고 접착(glued in)되거나 수축(shrunk in)될 수 있다.
플랜지(4)의 정면도가 도 2A에 도시되고, 마이크로파 스파크 플러그(1)의 선 A-A를 따라 본 단면이 도 2에 도시된다. 선 A-A를 따라 본 마이크로파 스파크 플러그(1)의 단면도를 참고할 때, 상기 플랜지(4)의 그루브(5)내에 밀봉 링(9)이 삽입되고 하우징(2)의 다른 한쪽 단부에 세라믹 디스크(8)가 삽입된다. 도 2A 및 도 2B는, 나사산(3) 및 하우징내부에 위치하고 마이크로파 에너지를 위한 중공 전도체로서 이용되는 공동(10)을 도시하고, 상기 공동은 개구부(7)의 높이로부터 상기 세라믹 디스크(8)의 직경과 대략 일치하는 높이까지 선형으로 연장된다. 상기 세라믹 디스크(8)의 직경은 약간 더 커서 상기 세라믹 디스크(8)는 하우징(2)내에서 정지부(stop)를 형성한다.
도 3은 도 2와 유사하고, 도 2의 밀봉링(9)이 제거된 플랜지의 정면도가 도 3A에 도시되고, 도 3A의 선 B-B를 따라 본 단면이 도시된다. 도 3B는 마이크로파 스파크 플러그(1)의 종 방향 단면을 도시하고, 도 3에서 세라믹 디스크(8)가 제거되어 상기 세라믹 디스크(8)를 수용하고 정지부(11)를 가진 정면 개구부(12)가 하우징(2)내에 형성된다. 상기 실시예에서 상기 공동(10)은 상기 개구부(7)의 폭으로부터 상기 정지부(11)까지 선형으로 연장되어 도 2 및 도 3을 참고할 때 중공 전도체(10)는 마이크로파 창에 위치한 정지부(11)에서 원형 구조를 가진다.
상기 세라믹 디스크(8)는 정지부(11)를 가진 요홈내에 배열되기 때문에, 요홈은 중공 전도체(10) 내에서 상기 정지부(11)의 바로 앞에 위치하는 배출구 형상이 가지는 유효 단면(effective cross section)보다 더 크다. 이론적으로 상기 세라믹 디스크(8)는 상기 실시예에서 원형을 가지는 중공 전도체(10)의 배출구 단면과 완전히 다른 형상을 가질 수도 있다.
도 4는, 실린더 헤드(14), 피스톤(19) 및 복수 개의 개구부들에 의해 형성된 유입구 부분(15)으로 구성되는 피스톤 엔진의 실린더(13)를 개략적으로 도시한다. 피스톤에 대한 배기구가 도시되지 않지만 공지된 모든 전형적인 형태로 제공될 수 있다. 실린더 헤드내에 두 개의 보어 구멍(17)들이 제공되고, 각각의 마이크로파 스파크 플러그(1)가 각각의 보어 구멍속으로 나사 체결되어 마이크로파 에너지는 상기 마이크로파 창(8)을 통해 연소 공동(18)속으로 주입된다. 특히, 엔진 작동 범위내에서 동일한 주파수 및 동일한 위상을 가진 마이크로파 에너지를 주입하는 것이 선호된다. 같은 이유에서, 다른 엔진 작동 범위에서 주파수 편차(frequency deviation) 및 위상 전이(phase shift)가 요구된다. 이에 따라 마이크로파 스파크 플러그들은 다른 내부 형상을 가져야 한다. 실시예에서, 왕복 운동하는 피스톤 엔진이 예로서 도시되고, 스파크 플러그는 회전운동하는 피스톤 엔진을 위해 이용될 수도 있다. 따라서, 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그는, 마이크로파 에너지에 의해 발생되는 점화가 연소실에서 이루어지는 모든 엔진 형태에 대해 이용될 수 있다.
1......마이크로파 스파크 플러그,
2......하우징,
4......연결 요소,
8......마이크로파 창,
10......중공 전도체,(10).

Claims (11)

  1. 엔진의 연소 챔버(18)속으로 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 마이크로파 스파크 플러그(1)에 있어서,
    기다란 하우징(2)을 포함하고, 상기 하우징은
    상기 하우징의 내부에서 중공 전도체를 형성하는 기다란 공동(10)을 포함하며,
    상기 하우징(2)내에서 상기 공동(10)의 제1 단부에 배열된 마이크로파 창(8)을 포함하고, 상기 마이크로파 창은 상기 연소 챔버(18)에 대해 상기 중공 전도체(10)를 밀폐하며,
    상기 공동(10)은 상기 마이크로파 창(8)과 마주보게 배열된 제2 단부에서 고주파수 공급 전도체를 위한 연결 요소(4)를 포함하고,
    상기 연결 요소(4)는, 상기 마이크로파 창에 형성된 고주파수 유출 횡단면 형상과 서로 다른 고주파수 유입 횡단면 형상부(7)를 포함하며
    상기 중공 전도체의 제1 단부에서 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부로부터 상기 중공 전도체의 제2 단부에서 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부까지 전이부는 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부로부터 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부까지 전이부는 선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고주파수 유입구 횡단면 형상부는 직사각형 구조를 가지고, 상기 고주파수 유출구 횡단면 형상부는 원형 또는 타원형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버(18)를 형성하는 엔진 하우징속에 나사 체결하기 위한 나사산(3)이 상기 하우징(2)의 외측 원주부에 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  5. 제4항에 있어서, 중공 전도체(10)의 직경에 대한 상기 나사산(3)의 외경의 비율은 상기 나사산(3)의 길이에 대하여 1.15 내지 1.45 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 전도체(10)의 내벽 표면은 동 또는 귀금속과 같이 양호한 전기 전도성을 가진 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 창은 사파이어 유리 또는 수정 유리인 것이 유리한 99%보다 높은 순도를 가진 고순도 세라믹 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  8. 제7항에 있어서, 상기 마이크로파 창은 디스크 형상을 가지고, 상기 중공 전도체(10)를 향하는 측부가 평평하게 형성되며, 상기 연소 챔버를 향하는 측부가 평면(flat) 또는 비평면 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마이크로파 창은 상기 중공 전도체(10)의 제2 단부에서 상기 하우징(2)속으로 접착되거나 압축되거나 수축되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 창(8)의 두께는, 상기 중공 전도체에 의해 전달되는 전자기파의 파장의 절반이거나 절반의 정수배인 것을 특징으로 하는 마이크로파 스파크 플러그.
  11. 적어도 한 개의 스파크 플러그내에 나사체결을 위해 형성된 적어도 한 개의 보어 구멍(17) 및,
    적어도 한 개의 유입구 밸브(15) 및 적어도 한 개의 유출구 밸브(16)를 포함한 적어도 한 개의 연소 챔버(18)를 포함하는 내연기관에 있어서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항을 따르는 마이크로파 스파크 플러그(1)가 상기 보어 구멍(17)내에 배열되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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