KR20210155934A

KR20210155934A - 듀얼 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20210155934A
Application number: KR1020200073458A
Authority: KR
Inventors: 우수형
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-12-24
Also published as: DE102020134429A1; US20210399531A1; US11509120B2

Abstract

듀얼 스파크 플러그가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그는 금속 재질의 금속 몸체; 상기 금속 몸체의 내부에 구비되고 절연 재질로 형성되는 절연 몸체; 상기 절연 몸체의 내부에 구비되고, 이그니션 코일과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 중심 전극; 및 상기 몸체의 양측 단부에서 연장되고, 상기 한 쌍의 중심 전극의 단부와 일정 거리 이격되는 한 쌍의 접지 전극;을 포함할 수 있다.

Description

듀얼 스파크 플러그 {DUAL SPRRK PLUG}

본 발명은 본 발명은 듀얼 스파크 플러그에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가솔린 차량의 엔진에서 희박한 혼합기를 효율적으로 점화시킬 수 있는 듀얼 스파크 플러그에 관한 것이다.

가솔린 차량은 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 스파크 플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 점화되어 연소가 이루어진다. 즉, 압축 행정시에 연소실 내부로 분사된 혼합기는 스파크 플러그의 방전 현상에 의해 점화되고, 고온 고압의 팽창 과정을 거치면서 차량의 주행에 필요한 에너지가 발생한다.

가솔린 차량에 구비되는 스파크 플러그는 이그니션 코일(ignition coil)에서 발생한 고전압의 전류에 의한 불꽃 방전에 의해 압축된 혼합기를 점화시키는 역할을 수행한다.

일반적인 가솔린 엔진의 경우, 주로 이론 공연비(14.7:1, λ=1)로 연소되도록 운전된다.

그러나 희박 연소(lean burn combustion)를 구현하기 위한 엔진의 경우, 공연비가 대략 30:1(λ=2)이다. 이러한 경우, 연소실 내의 혼합기는 공기의 양에 비해 분사된 연료가 매우 적기 때문에, 스파크 플러그에 의해 불꽃 방전이 발생하더라도 혼합기에 점화가 되지 않거나(misfire), 또는 불완전 연소가 발생하는 문제가 발생하고 있다.

따라서, 희박 연소를 구현하기 위한 스파크 플러그에 대한 연구 및 개발이 요구되고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연소실 내에 공급되는 희박 연료를 효율적으로 연소시키기 위한 듀얼 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그는 금속 재질의 금속 몸체; 상기 금속 몸체의 내부에 구비되고 절연 재질로 형성되는 절연 몸체; 상기 절연 몸체의 내부에 구비되고, 이그니션 코일과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 중심 전극; 및 상기 몸체의 양측 단부에서 연장되고, 상기 한 쌍의 중심 전극의 단부와 일정 거리 이격되는 한 쌍의 접지 전극;을 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 중심 전극은 상기 이그니션 코일과 전기적으로 연결되는 터미널부; 상기 터미털부에서 연장되는 노이즈 필터부; 및 상기 노이즈 필터부에서 연장되고 상기 접지 전극과 일정 간격 이격되는 전극부;를 각각 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 중심 전극은 제1 중심 전극과 제2 중심 전극을 포함하고, 상기 제1 중심 전극의 터미널부는 상기 절연 몸체의 중앙 상부로 연장되고, 상기 제2 중심 전극의 터미널부는 상기 절연 몸체의 상부 측면으로 연장되어, 상기 이그니션 코일과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 금속 몸체의 외측 하부에는 나사산이 형성될 수 있다.

상기 한 쌍의 접지 전극은 상기 한 쌍의 중심 전극의 전극부의 단부를 향하여 구부러져 형성될 수 있다.

상기 노이즈 필터부는 유리 재질로 형성될 수 있다.

상기 절연 몸체는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 듀얼 스파크 플러그는 몸체의 내부에 한 쌍의 중심 전극과 한 쌍의 접지 전극을 구비하여 연소실 내의 혼합기 점화시키는 점화 에너지를 높여 희박한 연료의 연소 효율을 높일 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 대한 저면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 연비를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 노킹 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 듀어 스파크 플러그의 배기 가스 재순환류(EGR ratio)를 설명하기 위한 그래프이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 대한 단면도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 대한 저면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 스파크 플러그는 금속 재질의 금속 몸체(10), 금속 몸체(10)의 내부에 구비되는 절연 재질의 절연 몸체(20), 절연 몸체(20)의 내부에 구비되는 한 쌍의 중심 전극(30, 30'), 및 금속 몸체(10)에서 연장되고 중심 전극(30, 30')과의 사이에서 불꽃 방전을 발생시키는 한 쌍의 접지 전극(11, 12)을 포함할 수 있다.

금속 몸체(10)는 엔진의 실린더(50)에 장착되는 부분으로 대략 원통 형상으로 형성되고, 금속 몸체(10)의 하부 외측에는 실린더(50)와의 결합을 위해 나사산이 형성되는 나사부(13)를 포함한다. 엔진의 실린더(50)에는 금속 몸체(10)의 나사산과 대응하는 또 다른 나사산이 형성된다. 즉, 듀얼 스파크 플러그와 엔진의 실린더(50)는 서로 나사 결합된다. 금속 몸체(10)와 엔진의 실린더(50)가 서로 나사 결합되어, 금속 몸체(10)와 접지 전극(11, 12)은 접지단(또는, (-) 전극)을 형성하게 된다.

절연 몸체(20)는 세라믹 재질로 형성될 수 있고, 금속 몸체(10)의 내부에 구비될 수 있다. 절연 몸체(20)는 한 쌍의 금속 재질이 서로 전기적으로 합선되는 것을 방지할 수 있다.

한 쌍의 중심 전극(30, 30')은 절연 몸체(20)의 내부에 구비되고, 서로 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.

한 쌍의 중심 전극(30, 30')은 제1 중심 전극(30, 30')과 제2 중심 전극(30, 30')을 포함하고, 각각의 중심 전극(30, 30')은 터미널부(31, 31'), 노이즈 필터부(33, 33'), 및 전극부(35, 35')를 포함할 수 있다.

중심 전극(30, 30')의 터미널부(31, 31')는 이그니션 코일과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제1 중심 전극(30)의 터미널부(31)는 절연 몸체(20)의 중앙 상부로 연장되어 이그니션 코일과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 중심 전극(30')의 터미널부(31')는 절연 몸체(20)의 상부 측면으로 연장되어 이그니션 코일과 전기적으로 연결될 수 있다.

이와 같이, 제1 중심 전극(30)의 터미널부(31)는 절연 몸체(20)의 중앙 상부로 연장되어 이그니션 코일과 전기적으로 연결되고, 제2 중심 전극(30')의 터미널부(31')는 절연 몸체(20)의 상부 측면으로 연장되어 이그니션 코일과 전기적으로 연결됨으로써, 이그니션 코일에서 각각의 중심 전극(30, 30')의 터미널부(31, 31')로 고전압(또는, 고전류)가 인가될 때, 각각의 중심 전극(30, 30')의 터미널부(31, 31') 사이에서 전기적 간섭 또는 노이즈가 발생하는 것으로 최소화할 수 있다.

중심 전극(30, 30')의 노이즈 필터부(33, 33')는 이그니션 코일로부터 중심 전극(30, 30')의 전극부(35, 35')로 전류(또는, 전압)이 인가될 때 발생할 수 있는 노이즈를 제거하기 위한 것으로, 금속 전극의 중앙 부분을 감싸 형성될 수 있다. 노이즈 필터부(33, 33')는 유리 재질로 형성될 수 있다.

중심 전극(30, 30')의 전극부(35, 35')는 접지 전극(11, 12)과의 사이에서 불꽃 방전이 발생되는 부분이다. 중심 전극(30, 30')은 절연 몸체(20)의 하부로 연장될 수 있다.

한 쌍의 접지 전극(11, 12)은 제1 접지 전극(11, 12)과 제2 접지 전극(11, 12)을 포함하고, 금속 몸체(10)의 하부에서 서로 마주보는 방향으로 구부러져 형성될 수 있다. 그리고 한 쌍의 접지 전극(11, 12)과 한 쌍의 중심 전극(30, 30')의 전극부(35, 35')의 단부는 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 따라서, 이그니션 코일로부터 중심 전극(30, 30')으로 고전류가 인가되면, 중심 전극(30, 30')의 전극부(35, 35')와 접지 전극(11, 12) 사이에서 발생하는 방전 현상에 의해 엔진의 실린더(50) 내로 유입되는 혼합기가 점화된다.

이상에서는 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 동작과 효과에 대해 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 엔진의 실린더(50)의 중앙 부분에 듀얼 스파크 플러그가 설치될 수 있다. 이그니션 코일로부터 듀얼 스파크 플러그의 중심 전극(30, 30')에 고전류가 인가되면, 중심 전극(30, 30')의 전극부(35, 35')와 접지 전극(11, 12)의 사이에서 방전 현상이 발생하고, 이로 인해 혼합기가 점화된다.

한 쌍의 중심 전극(30, 30')과 한 쌍의 접지 전극(11, 12) 사이에서 발생하는 불꽃에 의해 화염의 크기가 연소 초기에는 작지만, 시간이 경과함에 따라 화염이 점차적으로 전파되면서, 연소실 내의 혼합기가 연소되는 것을 볼 수 있다.

이때, 한 쌍의 중심 전극(30, 30')과 한 쌍의 접지 전극(11, 12)에서 불꽃이 발생하여 연소실 내부로 화염이 전파되기 때문에, 종래의 하나의 중심 전극(30, 30')과 하나의 접지 전극(11, 12)을 갖는 단일 스파크 플러그에서 불꽃이 발생하여 화염이 전파되는 것과 비교하여 화염 전파 속도가 빠르게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 연비를 설명하기 위한 그래프이다. 도 4는 BMEP(brake mean effective pressure)에 따른 BSFC(Brake Specific Fuel Consumption)를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 단일 스파크 플러그를 사용한 경우와 비교하여 듀얼 스파크 플러그를 사용하면 BSFC가 약 0.4~1.3% 향상되는 것을 볼 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 스파크 플러그의 노킹 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5는 BMEP(brake mean effective pressure)에 따른 MFB 50% (50% mass fraction burned)을 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이 BMEP 대부분의 영역에서 듀얼 스파크 플러그를 사용한 경우 MFB가 MBT(maximum brake torque) 타이밍 근처에 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 듀얼 스파크 플러그를 사용하면 단일 스파크를 사용한 것과 비교하여 노킹이 발생할 가능성이 현저히 감소한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 듀어 스파크 플러그의 배기 가스 재순환류(EGR ratio)를 설명하기 위한 그래프이다. 도 6은 BMEP(brake mean effective pressure)에 따른 EGR율(exhaust gas recirculation ratio)을 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 단일 스파크 플러그를 사용한 경우와 비교하여 듀얼 스파크 플러그를 사용하면 BMEP 전 영역에서 EGR율이 증가하는 것을 볼 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 스파크 플러그에 의하면, 절연 몸체(20) 내부에 한 쌍의 중심 전극(30, 30')을 배치하고, 한 쌍의 중심 전극(30, 30')에 대응하는 한 쌍의 접지 전극(11, 12)을 구비함으로써, 점화 에너지를 높여 희박 혼합기의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 금속 몸체
11, 12: 접지 전극
13: 나사부
20: 절연 몸체
30, 30': 중심 전극
31, 31': 터미널부
33, 33': 노이즈 필터부
35, 35': 전극부
50: 실린더

Claims

금속 재질의 금속 몸체;
상기 금속 몸체의 내부에 구비되고 절연 재질로 형성되는 절연 몸체;
상기 절연 몸체의 내부에 구비되고, 이그니션 코일과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 중심 전극; 및
상기 몸체의 양측 단부에서 연장되고, 상기 한 쌍의 중심 전극의 단부와 일정 거리 이격되는 한 쌍의 접지 전극;
을 포함하는 듀얼 스파크 플러그.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 중심 전극은
상기 이그니션 코일과 전기적으로 연결되는 터미널부;
상기 터미털부에서 연장되는 노이즈 필터부; 및
상기 노이즈 필터부에서 연장되고 상기 접지 전극(11, 12)과 일정 간격 이격되는 전극부;
를 각각 포함하는 듀얼 스파크 플러그.
제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 중심 전극은 제1 중심 전극과 제2 중심 전극을 포함하고,
상기 제1 중심 전극의 터미널부는 상기 절연 몸체의 중앙 상부로 연장되고,
상기 제2 중심 전극의 터미널부는 상기 절연 몸체의 상부 측면으로 연장되어,
상기 이그니션 코일과 각각 전기적으로 연결되는 듀얼 스파크 플러그.
제1항에 있어서,
상기 금속 몸체의 외측 하부에는 나사산이 형성되는 듀얼 스파크 플러그.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 접지 전극은 상기 한 쌍의 중심 전극의 전극부의 단부를 향하여 구부러져 형성되는 듀얼 스파크 플러그.
제1항에 있어서,
상기 노이즈 필터부는 유리 재질로 형성되는 듀얼 스파크 플러그.
제1항에 있어서,
상기 절연 몸체는 세라믹 재질로 형성되는 듀얼 스파크 플러그.