KR20190038615A - 플라즈마 헤더 가스켓 및 시스템 - Google Patents

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KR20190038615A
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서지 브이. 몬로스
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에스브이엠테크, 엘엘씨
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Abstract

내연 엔진과 함께 사용하기 위한 플라즈마 헤더 가스켓은 엔진의 피스톤 실린더에 대응하는 가스켓의 개구 둘레에 배치된 플라즈마 점화기를 포함한다. 플라즈마 점화기는 연소 효율을 높이기 위해 엔진과 함께 플라즈마 이온화 필드를 생성한다.

Description

플라즈마 헤더 가스켓 및 시스템
본 발명은 일반적으로 엔진 블록과 엔진 헤더 사이에 사용되는 가스켓에 관한 것이다. 가스켓은 피스톤 실린더에 대응하는 개구에 배치된 전극을 포함한다. 전극은 다른 점화 파라미터, 즉 스파크 플러그 또는 압축과 시간에 맞춰 점화되어 연소 효율을 증가시킨다.
표준 내연(IC) 엔진의 기본 작동은 연료 또는 연소 과정의 유형, 실린더의 수량 및 원하는 용도 / 기능에 따라 다소 상이하다. 가솔린과 같은 특정 유형의 연료는 연소를 시작하기 위해 스파크 플러그에서 스파크를 필요로 한다. 디젤과 같은 다른 유형의 연료는 공기의 온도를 높이기 위해 압축만 하면 되고, 도입시 디젤의 자발적 연소를 초래한다. 디젤 엔진에는 열을 추가하고 차가운 디젤 엔진에서 연소를 시작하기 위한 글로 플러그(glow-plug)가 포함된다. 엔진은 또한 바이오 디젤, 액체 천연 가스, 액화 석유 가스, 압축 천연 가스 및 에탄올 등과 같은 대체 연료를 사용하도록 설계될 수 있다. 이러한 모든 유형의 연료를 연소시키면 일반적으로 연소 후 일부 잔류물, 연소되지 않은 연료 및 기타 구성물이 남는다.
전통적인 2 스트로크 엔진에서, 오일은 크랭크 케이스에 들어가기 전에 연료 및 공기와 미리 혼합된다. 오일 / 연료 / 공기 혼합물은 흡기 중에 피스톤에 의해 생성된 진공에 의해 크랭크 케이스 내로 흡입된다. 오일 / 연료 혼합물은 크랭크 케이스 내의 실린더 벽, 크랭크 샤프트 및 커넥팅 로드 베어링에 윤활을 제공한다. 그러면 연료가 압축되고 스파크 플러그에 의해 점화되어 연료가 연소된다. 그런 다음 피스톤이 아래쪽으로 밀리고 피스톤이 배기 포트를 노출시키면, 배기 가스가 실린더에서 나올 수 있다. 피스톤의 움직임은 크랭크 케이스 내의 나머지 오일 / 연료를 가압하고 추가적인 신선한 오일 / 연료 / 공기가 실린더 내로 흘러들어 가도록 함으로써, 동시에 나머지 배기를 배출 포트 밖으로 밀어낸다. 프로세스가 반복될 때 모멘텀은 피스톤을 압축 스트로크로 되돌린다. 4 스트로크 엔진의 경우, 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드 베어링의 오일 윤활은 연료 / 공기 혼합물로부터 분리된다. 여기서, 크랭크 케이스는 주로 공기와 오일로 채워진다. 별도의 소스에서 연료와 공기를 받아들이고 혼합하는 것이 흡기 매니폴드이다. 흡기 매니폴드 내의 연료 / 공기 혼합물은 스파크 플러그에 의해 점화되고 연소되는 연소 챔버 내로 흡입된다. 두 가지 유형의 엔진은 연료를 연소시키기 위해 스파크를 사용하고, 잔류물, 연소되지 않은 연료 및 다른 구성물을 연소 챔버에 남긴다.
따라서, 대부분의 유형의 연료를 연소시키는 대부분의 유형의 엔진에서, 연소의 효율을 증가시키기 위해 개선된 점화 시스템에 대한 상당한 필요성이 존재한다. 이러한 점화 시스템은 개장(retrofit) 설계를 위한 기존의 종래 기술의 점화 시스템과 함께 이상적으로 작동할 뿐만 아니라, 독립형 시스템으로서 원래의 장비 제조업체에 제공될 수도 있다. 개선된 점화 시스템은, 내연 기관의 엔진과 헤더 블록 사이에 배치될 수 있고 가스켓의 피스톤 실린더 개구에 배치된 전극을 제공하는 점화기를 갖는 플라즈마 헤더 가스켓을 포함해야 한다. 마이크로 프로세서 제어 유닛 및 플라즈마 증폭기는 방전 당 200 암페어를 초과하는 플라즈마 이온화 필드(plasma ionization field)를 생성하기 위해, 종래 기술의 점화 시스템에 의해 전형적으로 생성되는 점화를 증폭시킨다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시키고 추가의 관련 이점을 제공한다.
본 발명은 종래의 헤더 가스켓과 유사하게 내연 엔진의 엔진 블록과 헤더 블록 사이에 배치되도록 구성된 플라즈마 헤더 가스켓에 관한 것이다.
플라즈마 헤더 가스켓은 종래 기술의 헤더 가스켓과 유사하게, 내연 엔진의 엔진 블록 내의 피스톤 실린더에 대응하는 개구를 갖는 적층 기판을 포함한다. 한 쌍의 토륨 합금 전도체가 기판에 배치되어 있으며, 또한 스위치형(switched) 플라즈마 점화기에 전기적으로 연결되어 있다. 스위치형 플라즈마 점화기는 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 포함하며, 플라즈마 증폭기 전극은 이들 사이에 플라즈마 갭을 규정하는 전기적으로 절연된 토로이드형 플라즈마 이미터 링(emitter ring)에 의해 둘러싸인 반구형 전도체를 포함한다. 백금, 스테인리스 강, 다른 귀금속 및 이들의 합금과 같은 다른 유형의 전도성 코팅이 반구형 전도체 및 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 적용될 수 있다. 기판은 유전체층들을 포함하고, 한 쌍의 토륨 합금 전도체는 유전체층들 사이에 배치된 전기 전도성 토륨 합금 회로 트레이스(trace)들을 갖는다. 토륨 합금 전도체는 일반 전도체보다 자유롭게 자유 전자를 연결 회로에 제공한다. 스위칭 블록은 바람직하게는 기판 상에 배치되고 한 쌍의 토륨 합금 전도체에 전기적으로 연결된다. 토륨 합금 회로 트레이스는 스위치형 플라즈마 점화기를 스위칭 블록에 전기적으로 연결한다. 플라즈마 헤더 가스켓은 또한 개구에 배치되고, 기판에 배치된 제2 전도체에 의해 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 플라즈마 필드 센서를 포함한다.
플라즈마 헤더 가스켓은 기판과 배치되고 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 복수의 토륨 합금 전도체 쌍을 포함할 수 있다. 플라즈마 헤더 가스켓은 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 각각 전기적으로 연결된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 포함할 수 있다.
복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 포함하고, 플라즈마 증폭기 전극은 이들 사이에 플라즈마 갭을 규정하는 전기적으로 절연된 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸인 반구형 전도체를 포함한다.
적층 기판은 엔진 블록 내의 복수의 피스톤 실린더 중 하나에 각각 대응하는 복수의 개구를 가질 수 있다. 복수의 개구 및 복수의 스위치형 플라즈마 점화기에 의해, 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 복수의 개구 중 하나에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 포함하며, 플라즈마 증폭기 전극은 이들 사이에 플라즈마 갭을 규정하는 전기적으로 절연된 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸인 반구형 전도체를 포함한다. 이러한 경우에, 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 공동으로 전기적으로 연결된다.
본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓 시스템은 전술한 바와 같은 플라즈마 헤더 가스켓을 포함할 수 있고, 또한 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 완전히 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 마이크로 프로세서 제어 유닛은 피스톤 실린더의 피스톤과 시간에 맞춰 스위치형 플라즈마 점화기를 점화하도록 완전히 프로그래밍 가능하다. 스위치형 플라즈마 점화기는 플라즈마 증폭기 전극을 포함하며, 이 전극은 마이크로프로세서 제어 유닛에 의해 제어 가능하다. 플라즈마 증폭기 전극은 마이크로프로세서 제어 유닛이 스위치형 플라즈마 점화기를 점화할 때, 상기 스위치형 플라즈마 점화기를 통해 플라즈마 이온화 필드를 생성한다. 마이크로프로세서 제어 유닛은, 대응하는 피스톤 실린더 내에 연소 보어텍스(vortex)를 생성하도록, 특정 개구 둘레에서 순차적으로 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 점화하도록 프로그래밍될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 예로서 본 발명의 원리를 설명하는 첨부된 도면과 관련하여 기재된 다음의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부된 도면은 본 발명을 설명한다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓을 포함하는 내연 엔진의 환경적인, 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 원(3)으로 표시된 부분의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓의 회로 트레이스를 갖는 적층체들 중 하나의 사시도이다.
도 5는 도 4의 원(4)으로 표시된 영역의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓 시스템의 개략도이다.
예시의 목적으로 도면에 도시된 바와 같이, 플라즈마 헤더 가스켓에 대한 본 발명은 일반적으로 참조 번호 10으로 참조된다. 도 1에서, 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 엔진 블록(12)과 엔진 헤더(14) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 엔진 블록(12) 내의 4개의 피스톤 실린더(18)에 대응하는 4개의 개구(16)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 당업자에게 이해되는 바와 같이, 엔진 헤더(14)에는 대응하는 헤더 실린더가 있다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 또한 엔진 헤더(14)를 엔진 블록(12)에 고정하는 커넥터(도시되지 않음)를 수용하기 위한 복수의 볼트 개구(20)를 포함한다.
또한, 도 1은 차량의 엔진 실과 승객 실 사이에 존재하는 방화벽(22)을 도시한다. 마이크로프로세서 제어 유닛(24)은 방화벽(22) 상에 장착되고 플라즈마 헤더 가스켓(10)에 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 점화 코일(26)은 또한 엔진 실에 포함되고 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)에 전기적으로 연결된다. 이러한 구성 요소의 상호 연결에 대해서는 아래에서 자세히 설명된다.
도 1에 도시된 엔진은 전형적인 디젤 엔진을 도시하기 위한 것이다. 그러나, 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 다른 유형의 내연 엔진, 2 스트로크 엔진 또는 4 스트로크 엔진, 또는 몇 가지를 지명하자면, 가솔린, 디젤, 바이오 디젤, 액체 천연 가스, 액화 석유 가스, 압축 천연 가스 또는 에탄올과 같은 대체 연료를 태우는 엔진과 호환 가능할 수 있다. 플라즈마 점화와 관련된 이온화는 이와 관련된 파워의 증가의 크기 때문에 스파크 점화와 관련된 스파크보다 바람직하다.
또한, 도 2 및 도 3은 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓(10)을 도시한다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 적어도 상부 적층체(28) 및 하부 적층체(30)를 포함하는 적층 구조이다. 한 쌍의 전도체(32)는 상부 적층체(28) 또는 하부 적층체(30) 상에 배치된다. 이러한 한 쌍의 전도체(32)는 통상적인 전기 접속에서 발견되는 바와 같이 양 및 음의 전기 통신 경로를 제공하도록 구성된다. 한 쌍의 전도체(32)는 적층체(28, 30) 상에 배치된 토륨 합금 회로 트레이스를 포함한다. 토륨 합금은 토륨의 임의의 공지된 합금을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 토륨 텅스텐 합금 또는 토륨에 코팅된 텅스텐 전도체이다. 토륨 합금 전도체(32)는 통상적인 전도체보다 자유롭게 자유 전자를 연결 회로에 제공한다.
토륨의 232 동위 원소가 핵 붕괴와 관련된 임의의 다른 방출 물질을 내보내지 않고 자유 전자(6.02 x 1017 cm3/sec)를 연속적으로 방출하기 때문에, 토륨은 미세하게 제어된 전자 시스템을 전파하는 장치에서 합금으로 유용하다. 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓에서, 토륨 합금에 의해 공급된 자유 전자는 장치에 의한 실제 전자 출력의 양을 상당히 증가시킨다. 이러한 증폭 특징은 본 발명을 유사한 구조 또는 적용을 가진 임의의 공지된 장치보다 기능적으로 우수하게 한다. 토륨 합금 전도체는 매우 낮은 저항으로 초고속 스위칭을 가능하게 한다. 이 물질은 잔류 전하 지속성(residual charge persistence)이 거의 없는 자유 전자 필드 포화(free electron field saturation)를 가능하게 한다.
토륨 합금 전도체 쌍(32)의 일 단부(32a)는 개구(16)에 배치된 스위치형 플라즈마 점화기(34)에 연결된다. 도 3의 클로즈업에 도시된 바와 같이, 스위치형 플라즈마 점화기(34)는 개구16)의 둘레로부터 연장되어 배치된 플라즈마 증폭기 전극(36)을 포함한다. 플라즈마 증폭기 전극(36)은 그들 사이에 플라즈마 갭(38)을 규정하는 전기적으로 절연된 토로이드형 플라즈마 이미터 링(36b)에 의해 둘러싸인 반구형 전도체(36a)를 포함한다. 토륨 합금 전도체 쌍(32)의 타 단부(32b)는 적층체(30)의 모서리 부(30a)까지 연장되어, 스위칭 블록(40)에 결합된다. 스위칭 블록(40)은 플라즈마 헤더 가스켓(10)을 하기에서 더욱 충분히 설명되는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템의 다른 부품에 연결하는 것을 용이하게 한다. 스위치형 플라즈마 점화기(34)의 구조는 미국 특허 제9,236,714호에 기술된 것과 유사하며, 그 개시 내용 전체는 본 명세서에 포함된다.
반구형 전도체(36a) 및 플라즈마 이미터 링(36b)에 의해 규정된 플라즈마 갭(38)의 배치는 기하학적 구성 요소와 표면적 구성 요소 사이의 관계를 최적화한다. 플라즈마 갭(38)은 약 0.030 인치(in) 정도인 것이 바람직하다. 반구형 전도체(36a)의 말단부는 바람직하게는 플라즈마 이미터 링(36b)의 단부를 약 0.020 인치만큼 넘어서 돌출한다. 반구형 전도체(36a)와 플라즈마 이미터 링(36b) 사이의 절연체는 플라즈마 이미터 링(36b)의 노출된 표면의 0.030 인치 내에 위치한다. 곡면 기하학적 섹션 및 밀접하게 고정된 절연체 플로어와 함께 이러한 물질의 조합은, NASCAR 엔진에서 볼 수 있는 바와 같은 종래의 고성능 경주형 스파크 점화기보다 적어도 25배 큰 전도성 표면적을 제공한다. 또한, 플라즈마 증폭기 전극(36)의 이러한 구성은 플라즈마 이온화 필드를 피스톤의 헤드쪽으로 향하는 피스톤 챔버 내로 가압한다. 이러한 플라즈마 장치의 증가된 표면적의 조합은, 통상적인 4 사이클 가솔린 연소 내연 엔진 시스템 하에서 동일한 시험 적용에서 종래 기술의 고성능 스파크 플러그와 비교할 때 연소 효율성 및 효율을 68% 이상 향상시키는 것으로 나타났다.
조합으로, 스위칭 블록(40) 및 마이크로프로세서 제어 유닛(22)은 플라즈마 증폭기 전극(36)에 전기의 디지털 제어식 고속 스위칭을 제공하도록 구성된다. 전기는 변압기(도시되지 않음) 또는 다른 유사한 공지된 공급원에 의해 제공될 수 있다. 스위칭 블록(40)은 초기에 전류량이 많고 고전압으로 스위칭되는 전기 펄스를 출력한다( "펄스 스위칭"). 바람직하게는, 스위칭 블록(40)은 마이크로 프로세서 제어 유닛(22)에 의해 제어 가능하다. 펄스 스위칭은 분배기 모듈(도시되지 않음)로부터의 출력을 고 암페어 펄스, 즉 30 암페어에서 약 13.5 볼트 DC로 변환 한 다음, 고압 펄스, 즉 0.0036 암페어에서 약 50,000-75,000 볼트 DC로 변환하며, 총 펄스 지속 시간은 약 200 n-sec이다. 펄스 스위칭의 목적은 플라즈마 증폭기 전극(36)을 최대한 활용하는 것이다.
플라즈마 증폭기 전극(36)이 매우 빠르고(약 50 n-sec) 높은 암페어의 버스트(burst, 약 200 n-sec 지속 시간의 구형파(sqare wave))로 펄스화될 때, 공기 연료 혼합물은 생성된 플라즈마 이온화 필드의 개별 래디컬 및 이온으로 분자적으로 해리된다. 플라즈마 이온화 필드는 소스전하가 종결되더라도 지속된다. 소스 전하(source charge)가 완전히 종결되는 속도는 분자 해리의 효율성에 중요하며, 따라서 스위칭 블록(40)은 플라즈마 이온화 필드를 점화 필드로 매우 빨리(약 50-100 n-sec) 변환해야 한다. 구성 라디칼 및 개별 이온은 여전히 해리된 플라즈마 상태에 있지만, 고전압 점화소스의 도입은 매우 높은 효율로 산화 반응을 자극하는 역할을 한다. 전체 필드가 이제 플라즈마에서 단일 발화점으로 작동하기 때문에, 이것은 화염면(flame front) 없이 작동한다. 따라서, 스위치형 플라즈마 점화기(34)의 작동은, 플라즈마 이온화 필드를 생성 한 다음, 약 200 n-sec의 기간 내에 점화 필드를 생성한다.
도 4 및 도 5는 플라즈마 헤더 가스켓(10)의 하부 적층체(30)의 다른 실시 예를 예시한다. 이 실시 예에서, 플라즈마 헤더 가스켓은 6개의 개구(16)를 포함한다. 이전의 실시 예에서, 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 4개의 개구(16)를 포함한다. 하나의 엔진 블록(12) 내에 복수의 피스톤 실린더(18)가 존재할 수 있기 때문에, 당업자는 플라즈마 헤더 가스켓(10)이 임의의 수의 개구(16)로 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 1, 2, 3, 4, 6, 8 또는 임의의 수의 개구(16)를 갖는 플라즈마 헤더 가스켓(10)이 생성될 수 있다.
또한, 플라즈마 헤더 가스켓(10)의 각각의 개구(16) 내에 예를 들어 4개의 스위치형 플라즈마 점화기(34)가 있음을 알 수 있다. 당업자는 임의의 단일 개구(16)와 관련된 스위치형 플라즈마 점화기(34)의 수는 엔진의 크기 및 / 또는 구성이 허용할 수 있는 하나 이상의 스위치형 플라즈마 점화기(34)를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하나의 개구(16)가 복수의 스위치형 플라즈마 점화기(34)를 포함하는 경우, 특정 개구(16)와 관련된 스위치형 플라즈마 점화기(34) 각각은, 바람직하게는 한 쌍의 토륨 합금 전도체(32) 또는 복수 쌍의 토륨 합금 전도체(32)에 의해, 스위칭 블록(40)의 단일 단자에 공동으로 연결된다. 대안적으로, 단일 개구(16)와 관련된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기(34)로부터 나오는 분리된 토륨 합금 전도체 쌍(32)은 각각 스위칭 블록(40) 내의 개별 단자에 연결될 수 있지만, 바람직하게는 엔진 피스톤과 거의 동시에 시간에 맞춰 이온화 플라즈마를 형성하도록 완전히 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서 제어 유닛(24)에 의해 조화된 방식으로 제어된다. 또한, 단일 개구(16)와 관련된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기(34)는 기 설정된 순서로 이온화 플라즈마를 형성하도록 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 단일 개구(16) 내의 복수의 스위치형 플라즈마 점화기(34)는 대응하는 피스톤 실린더(18) 내에 플라즈마 보어텍스(vortex)를 생성하도록 개구(16)의 둘레에 순차적으로 이온화 플라즈마를 형성하도록 프로그램될 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5는 각 스위치형 플라즈마 점화기(34)의 플라즈마 갭(38)에 근접하여 배치된 플라즈마 필드 센서(42)를 도시한다. 도 5는 스위치형 플라즈마 점화기(34), 반구형 전도체(36a), 전기적으로 절연된 토로이드형 플라즈마 이미터링(36b), 플라즈마 갭(38) 및 플라즈마 필드 센서(42)를 클로즈업하여 보여준다. 플라즈마 필드 센서(42)는 제2 전도체(44)에 의해 스위칭 블록(40)에 연결된다. 플라즈마 필드 센서(42)는 피스톤 실린더(18) 내의 플라즈마 이온화 필드의 존재를 검출하여 보고한다. 센서(42)는 전자 밀도 및 플라즈마 필드의 다른 특성을 검출할 수 있다. 이 정보를 수신하면, 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 이하에서 더 설명되는 바와 같이 각각의 플라즈마 증폭기 전극(36)에 의해 생성 된 플라즈마 이온화 필드를 과소(under) 또는 과대(over) 보상(compensating)함으로써 연소 특성을 조절하도록 프로그램될 수 있다. 바람직하게는, 개구(16) 당 적어도 하나의 플라즈마 필드 센서(42)가 있다. 특정 피스톤 실린더(18)의 온도 또는 압력을 측정하기 위한 온도 센서 및 / 또는 압력 센서와 같은 다른 센서가 또한 포함될 수있다. 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 이러한 환경 센서들 모두로부터 데이터를 픽업하도록 구성된다. 또한, 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 엔진의 RPM을 알 수 있도록 타코미터 센서에 연결될 수 있다.
도 6은 4개의 실린더 개구를 갖는 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓(10)을 포함하는 시스템(46)을 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(46)은 가변 개수의 피스톤 실린더를 갖는 엔진 용으로 설계될 수 있다. 도 7은 6개의 실린더 및 대응 엔진 헤더(14)를 갖는 엔진 블록(12)을 구비하는 시스템(46)을 교대로 도시한다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 엔진 블록(12)의 실린더(18)의 수에 따라 대응하는 개수의 개구(16)를 갖는다. 이들 대체 플라즈마 헤더 가스켓(10) 실시 예는 시스템(46)의 나머지 부분과 유사한 연결부를 갖는다.
시스템(46)은 엔진 실의 방화벽(22) 상에 또는 그 근처에 장착된 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)을 포함한다. 마이크로 프로세서 제어 유닛은 동적 엔진 제어 유닛(ECU) 모듈(48), 동적 점화(IGN) 모듈(50) 및 대체 연료 프로세서(52)를 포함하는 것이 바람직하다. 시스템(46)은 새로운 엔진에 점화 시스템으로서 설치되거나, 기존의 점화 시스템과 병렬로 작동하도록 개장(retrofit)되거나, 또는 기존의 점화 시스템의 완전한 교체로서 개장될 수 있다.
기존의 엔진에 개장하는 경우, 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 OEM ECU(54), 점화 코일(26), 배터리(56) 및 적절한 전기 접지(58)를 포함하는 기존의 점화 시스템에 배선된다. 이러한 개장 시스템에서, 플라즈마 헤더 가스켓(10) 상의 스위치형 플라즈마 점화기(34)를 기존의 점화소스, 예를 들어 스파크 플러그 또는 압축과 시간에 맞춰 점화하도록, 동적 ECU 모듈(48) 및 동적 IGN 모듈(50)은 기존의 OEM ECU(54) 및 점화 코일(26)과 함께 작동하도록 프로그램된다. 이 구성의 의도는 피스톤 실린더(18)에서 발생하는 연소의 효율을 향상시키는 것이다.
마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 전기 접속부(60)를 통해 플라즈마 헤더 가스켓(10)으로부터 센서 데이터를 수신한다. 전기 연결부(60)는 데이터 연결부(62)를 포함하며, 이에 의해 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 플라즈마 헤더 가스켓(10) 및 그 다양한 센서에 의해 측정될 수 있는 플라즈마 필드, 온도, 압력 및 / 또는 다른 파라미터 데이터를 수신한다. RPM 접속부(64)는 엔진 내의 기존의 타코미터 센서로부터 데이터를 수신하여, 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)이 엔진 타이밍에 따른 스위치형 플라즈마 점화기(34)에 의한 이온화 플라즈마의 형성 시간을 맞추는 것을 돕는다.
플라즈마 연결부(66)는 스위칭 블록(40)에 전기 전도성을 제공하고, 차례로 토륨 합금 전도체 쌍(32)을 통해 스위치형 플라즈마 점화기(34)로 통과한다.
이 플라즈마 연결부(66)는 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)으로부터 고전압 전류를 통과시킨다. 고전압 전류는 스위치형 플라즈마 점화기(34)의 플라즈마 갭(38)에서 플라즈마 이온화 필드를 생성하도록 구성된다. 종래 기술의 점화 시스템은 통상적으로, 일반적인 점화 시스템의 경우 15 밀리 암페어, 또는 다중 스파크 방전 점화 시스템의 경우 30 밀리 암페어 정도의 스파크를 생성한다. 본 발명의 플라즈마 헤더 가스켓 시스템(46)은 종래 기술의 스파크 점화 시스템의 전류의 만배 이상인 방전 당 200 암페어 정도의 전류를 갖는 플라즈마 이온화 필드를 생성하도록 구성된다. 동적 IGN 모듈(50)은 점화 시스템(46)에 의해 공급된 전류를 단계적으로 증가시키고 더 큰 플라즈마 이온화 필드를 생성하여 연소 효율을 증가시키도록 설계된 플라즈마 회로를 포함하는, 플라즈마 전력 모듈(68)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 플라즈마 필드 센서(42)는 피스톤 실린더(18) 내의 플라즈마 갭(38) 앞에 있는 플라즈마 점화 필드의 존재를 검출한다. 플라즈마 필드 센서(42)는 신호를 제2 전도체(44) 및 데이터 연결부(62)를 통해 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)에 전송한다. 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)은 피스톤 실린더(18) 내의 플라즈마 점화 필드의 크기를 증가시키거나 감소시키도록 스위치형 플라즈마 점화기(34)에서의 방전 전류를 과대 보상하거나 과소 보상하기 위해, 플라즈마 전력 모듈(68)의 출력을 조정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 시스템(46)은 임의의 유형의 연료 연소 내연 엔진, 즉 가솔린 또는 디젤, 또는 연료의 연소를 필요로 하는 임의의 다른 엔진 상에 설치될 수 있다. 가솔린 엔진에 설치되면, 시스템(46)은 피스톤의 설정된 발화 순서에 대해 기존의 분배기 및 점화 코일(26)을 사용할 수 있다. 디젤 엔진에 설치되는 경우, 시스템(46)은 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)에 사전 프로그래밍함으로써 발화 순서를 시뮬레이션한다. 드웰 타이밍(dwell timing)과 같은 점화 파라미터는 마이크로 프로세서 제어 유닛(24)에 프로그램될 수 있다. 이러한 프로그래밍은 시스템(46)에 연결된 기존의 분배기 또는 회전자(rotor) 없이 시물레이션된 발화 순서를 허용한다.
플라즈마 헤더 가스켓 시스템(46)의 추가로, 디젤 엔진은 연소를 위한 압축과 비교하여 연소를 위한 점화를 필요로 하는 다른 유형의 연료를 연소하도록 구성될 수 있다. 대체 연료 프로세서(52)는 이들 다른 유형의 연료로 연소를 개시하는데 필요한 파라미터로 프로그램될 수 있다. 플라즈마 헤더 가스켓 시스템(46)은 또한 압축에 의해 개시된 연소의 상부에서 디젤 연료를 더욱 완전히 연소시키기에 충분한 온도를 갖는 플라즈마 이온화 필드를 생성할 수 있다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)의 두께는 다양한 엔진에서 압축비를 변경하도록 조정될 수 있다. 기존의 스파크 플러그가 있는 엔진의 경우, 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 기존의 스파크 플러그와 병렬로 또는 기존의 스파크 플러그 대신에 설치될 수 있다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)은 또한 엔진 실에서 엔진을 제거하지 않고 기존의 엔진 상에 설치될 수 있다. 플라즈마 헤더 가스켓(10)의 설치 중에 엔진 헤더(14)를 제거 및 / 또는 교체하는 것만이 필요할 수 있다.
플라즈마 헤더 가스켓(10) 상에 스위치형 플라즈마 점화기(34)를 추가함으로써 피스톤 실린더(18) 내에 클리너 연소를 생성하는 추가적인 점화소스가 도입된다. 이러한 클리너 연소는 연소로 인한 유해한 배출물을 크게 줄인다. 이러한 개선은 잔디 깍는 기계, 나뭇잎 송풍기(leaf blower), 선외 모터(outboard motor) 및 오토바이와 같은 2 스트로크 엔진에 특히 중요하다. 클리너 연소는 또한 배기 시스템을 통과하는 미립자가 연소되는 것을 현저히 감소시킨다.
여러 실시 예가 예시의 목적으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 엔진 블록 내의 피스톤 실린더에 대응하는 개구를 갖는 기판;
    상기 기판에 배치된 복수의 토륨 합금 전도체; 및
    상기 토륨 합금 전도체에 전기적으로 연결된 스위치형(switched) 플라즈마 점화기를 포함하고,
    상기 스위치형 플라즈마 점화기는 상기 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며,
    상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링(emitter ring)에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함하는,
    플라즈마 헤더 가스켓.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유전체층들을 포함하고, 상기 토륨 합금 전도체는 상기 유전체층들 사이에 배치된 전기 전도성 토륨 합금 회로 트레이스(trace)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토륨 합금 전도체와 전기적으로 연결된 스위칭 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토륨 합금 회로 트레이스는 상기 스위치형 플라즈마 점화기를 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 개구에 배치되고, 상기 기판에 배치된 제2 전도체에 의해 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 플라즈마 필드 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기판에 배치되고 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 복수의 토륨 합금 전도체 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 각각 전기적으로 연결된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 포함하고,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 개구 내에 또는 인접하여 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며,
    각각의 상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함하는,
    플라즈마 헤더 가스켓.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 상기 엔진 블록 내의 복수의 피스톤 실린더에 대응하는 복수의 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 각각 전기적으로 연결된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 포함하고,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며,
    각각의 상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함하는,
    플라즈마 헤더 가스켓.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 공동으로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓.
  11. 엔진 블록 내의 피스톤 실린더에 대응하는 개구를 갖는 기판;
    상기 기판에 배치된 토륨 합금 전도체;
    상기 토륨 합금 전도체에 전기적으로 연결된 스위치형 플라즈마 점화기 - 상기 스위치형 플라즈마 점화기는 상기 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며, 상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함한다;
    상기 기판 상에 배치되고 상기 토륨 합금 전도체와 전기적으로 연결된 스위칭 블록;
    상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결되고, 상기 피스톤 실린더 내의 피스톤과 시간에 맞춰 상기 스위치형 플라즈마 점화기를 점화하도록 프로그래밍 된 마이크로프로세서 제어 유닛; 및
    상기 스위치형 플라즈마 점화기에 전기적으로 연결되고 상기 마이크로프로세서 제어 유닛에 의해 제어 가능한 플라즈마 증폭기 - 상기 마이크로프로세서 제어 유닛이 상기 스위치형 플라즈마 점화기에 스파크를 가할 때, 상기 플라즈마 증폭기는 상기 스위치형 플라즈마 점화기를 통해 플라즈마 이온화 필드를 생성한다;
    를 포함하는
    플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 유전체층들을 포함하고, 상기 토륨 합금 전도체는 상기 유전체층들 사이에 적층된 전기 전도성 토륨 합금 회로 트레이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 토륨 합금 회로 트레이스는 상기 스위치형 플라즈마 점화기를 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 개구에 배치되고, 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 플라즈마 필드 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 기판에 배치되고 상기 스위칭 블록에 전기적으로 연결된 복수의 토륨 합금 전도체 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 각각 전기적으로 연결된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 포함하고,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 개구 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며,
    각각의 상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함하는,
    플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기판은 복수의 개구를 갖고, 각각의 개구는 상기 엔진 블록 내의 복수의 피스톤 실린더 중 하나에 대응하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 각각 전기적으로 연결된 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 포함하고,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 복수의 개구 중 하나 내에 배치된 플라즈마 증폭기 전극을 가지며,
    각각의 상기 플라즈마 증폭기 전극은, 플라즈마 갭을 규정하는 토로이드형 플라즈마 이미터 링에 의해 둘러싸이고 상기 토로이드형 플라즈마 이미터 링으로부터 전기적으로 절연된 반구형 전도체를 포함하는,
    플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기 각각은 상기 복수의 토륨 합금 전도체 쌍 중 각각의 하나에 공동으로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서 제어 유닛은,
    대응하는 피스톤 실린더 내에 플라즈마 보어텍스(vortex)를 생성하도록, 특정 개구 둘레에서 순차적으로 상기 복수의 스위치형 플라즈마 점화기를 점화하도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 헤더 가스켓 시스템.
KR1020197006644A 2016-08-15 2017-03-03 플라즈마 헤더 가스켓 및 시스템 KR20190038615A (ko)

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