KR20230035606A - 최적화된 캡을 구비한 프리챔버 스파크 플러그 및 내연 기관 - Google Patents

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슈테판 카스케
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Abstract

본 발명은 하우징(6) 및 캡(3)을 포함하는 프리챔버 스파크 플러그에 관한 것이고, 상기 캡은 프리챔버(2)를 적어도 부분적으로 정의하며, 프리챔버( 2) 및 내연 기관의 연소실(11) 사이의 연결을 형성하도록 설계된 다수의 관통 구멍들(30)을 갖고, 상기 관통 구멍들(30)은 각각 구멍 중심축(31)을 갖고, 상기 캡(3)은 하우징(6)을 향하는 영역에, 하우징(6)의 연소실측 단부(60)에서 하우징(6)에 접하는 홈(32)을 갖고, 구멍 중심축(31)에 놓인 관통 구멍(30)의 출구점(33)으로부터 상기 홈(32)까지의 거리(A)는 2mm 내지 7mm의 범위이고, 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)과 구멍 중심축(31) 사이의 제 1 각도(α)는 30°내지 70°범위이다. 또한, 본 발명은 이러한 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.

Description

최적화된 캡을 구비한 프리챔버 스파크 플러그 및 내연 기관
본 발명은 최적화된 캡을 구비한 프리챔버 스파크 플러그 및 이러한 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연기관에 관한 것이다.
프리챔버 스파크 플러그는 종래 기술로부터 다양한 구성으로 알려져 있다. 프리챔버 스파크 플러그의 프리챔버는 통상 내연기관의 연소실로부터 캡으로 차폐된다. 다수의 관통 구멍들이 캡에 제공되어 한편으로는 프리챔버의 플러싱이 가능하고 다른 한편으로는 프리챔버에서 점화가 발생한 후 플레어 제트가 관통 구멍들을 통해 내연 기관의 연소실에 도달하여 거기에 있는 연료-공기 혼합물을 점화시킨다. 따라서 한편으로는 점화 시 프리챔버에 가연성 혼합물이 있어야 하며, 다른 한편으로는 연소실에 있는 연료가 가능한 한 완전하게 연소되어 배기 가스 규제를 충족하고 내연 기관의 연료 소비를 최적화해야 한다.
청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 프리챔버 스파크 플러그는 한편으로는 캡 내의 프리챔버 스파크 플러그의 프리챔버의 매우 양호한 플러싱이 가능하고 다른 한편으로는 프리챔버 스파크 플러그의 점화 시 프리챔버에 가연성 혼합물이 존재하는 것이 보장된다는 장점을 갖는다. 이것은 본 발명에 따라 프리챔버 스파크 플러그가 하우징, 및 구멍 중심축을 갖는 적어도 하나의 관통 구멍을 갖는 캡을 포함한다는 점에서 달성된다. 캡은 하우징을 향한 영역에 홈을 갖는다. 여기서, 관통 구멍의 구멍 중심축에서 관통 구멍의 외측을 향하는 구멍 중심축 상의 출구점으로부터 홈까지의 거리(A)는 A = 2mm 내지 7mm의 범위이다. 또한, 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)과 구멍 중심축 사이의 제 1 각도(α)는 30°내지 70°범위이다. 구멍 중심축 상의 출구점과 캡 상의 홈 사이의 거리는 실린더 헤드에 조립된 상태에서 관통 구멍이 내연 기관의 연소실을 한정하는 실린더 헤드 벽으로부터 너무 가깝거나 너무 멀지 않은 것을 보장한다. 각도(α)와 결합하여, 관통 구멍이 캡 내의 프리챔버를 플러싱하는데 매우 적합하다는 것도 보장된다. 그 이유는 각도(α)가 프리챔버를 플러싱하는데 필요한 플러싱 가스의 가스 입구가 최적화되도록 설계되기 때문이다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선들을 제시한다.
바람직하게는, 상기 거리(A)가 4mm 내지 7mm의 범위이고 상기 각도(α)는 30°내지 50°의 범위이다.
더 바람직하게는, 상기 거리(A)는 5mm 내지 7mm의 범위이고 상기 각도(α)는 30°내지 40°의 범위이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 캡 내의 모든 관통 구멍들의 구멍 중심축 상의 출구점들은 공통 평면(E)에 놓인다. 이로 인해 프리챔버의 우수한 플러싱이 달성되고, 특히 프리챔버 스파크 플러그가 다양한 내연 기관 제조업체의 다양한 형상에도 적합한 것이 보장된다. 상기 평면(E)은 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)에 수직이다.
프리챔버 스파크 플러그가 가스 교환 중에 텀블 흐름이 발생하는 내연 기관에 사용되도록 설계되는 경우, 캡의 관통 구멍들 중 하나는 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그의 조립 상태에서 텀블 흐름의 일부가 상기 관통 구멍 내로 직접 흐르도록 설계된다.
더 바람직하게는, 관통 구멍의 구멍 중심축과 프리챔버 스파크 플러그의 하우징에 배치된 수나사산의 나사산 시작부와 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)은 공통 평면에 배치된다. 이것은 관통 구멍이 나사산의 나사산 시작부 및 프리챔버 스파크 플러그의 중심 축에 대한 올바른 위치에 위치하도록 보장할 수 있으므로, 프리챔버 스파크 플러그가 실린더 헤드에 나사 결합될 때, 주로 가스 교환 동안 프리챔버용 플러싱 가스의 유입을 위해 제공되는 관통 구멍의 최종 위치는 최적의 플러싱 공정을 가능하게 한다.
본 발명은 또한 연소실, 왕복 운동 가능한 피스톤, 연료를 연소실로 도입하기 위한, 특히 연소실로 직접 도입하기 위한 인젝터, 및 본 발명에 따른 프리챔버 스파크 플러그를 포함하는 내연 기관에 관한 것이다. 본 발명에 따른 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관은 프리챔버 스파크 플러그의 상응하는 이점들을 가지며, 특히 프리챔버 스파크 플러그의 플러싱이 최적으로 가능하기 때문에 감소된 배기 가스를 갖는 그리고 소비-최적화된 작동을 가능하게 한다.
내연 기관은 특히 바람직하게는 연소실 내로 분사하는 인젝터의 스프레이 콘의 중심축이 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)에 대해 30°내지 70°범위의 제 2 각도(β)로 놓이도록 설계된 인젝터를 갖는다. 스프레이 콘의 중심축은 특히 바람직하게는 각도 β=60°로 놓인다.
더 바람직하게는, 연소실에서 가스 교환 동안 텀블 흐름은, 텀블 흐름의 적어도 일부가 거리(A)로 그리고 본 발명에 따른 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)에 대한 각도(α)로 배치된 프리챔버 스파크 플러그의 관통 구멍을 직접 향하도록 생성된다.
더 바람직하게는, 프리챔버 스파크 플러그는 내연 기관의 연소실의 실질적으로 중앙에, 특히 정확히 중앙에 배치되고, 연료를 도입하기 위한 인젝터는 프리챔버 스파크 플러그의 측면에 배치된다. 인젝터는 특히 바람직하게는 출구 밸브와 프리챔버 스파크 플러그 사이의 실린더 헤드에 배치된다. 더 바람직하게는, 텀블 흐름을 생성하기 위한 피스톤은 하나 이상의 오목부 또는 돌출 돔 등을 가질 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 이하에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 프리챔버 스파크 플러그의 캡의 부분 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 프리챔버 스파크 플러그(1)는 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에서 상세히 설명된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 프리챔버 스파크 플러그(1)는 단면이 U자형인 캡(3)에 의해 정의되는 프리챔버(2)를 포함한다. 캡(3)은 예를 들어 용접 연결에 의해 프리챔버 스파크 플러그의 하우징(6)에 고정된다.
또한, 프리챔버 스파크 플러그(1)는 전극(5)과 절연체(7)를 포함한다. 하우징(6)의 외주에서 연소실(11)을 향하는 단부(60)에는 수나사산이 제공된다. 수나사산(4)은 조립된 캡(3)까지 형성되어 프리챔버 스파크 플러그(1)를 실린더 헤드(10)에 고정하는 역할을 한다.
캡(3)은 프리챔버 스파크 플러그(1)의 중심축(X-X)에 대해 각각 제 1 각도(α)로 배치되는 다수의 관통 구멍들(30)을 갖는다. 관통 구멍들(30)은 한편으로는 프리챔버(2)의 플러싱을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 전극(5)에 의한 점화 후에 먼저 프리챔버(2) 내에서 그리고 그런 다음 소위 플레어 제트에 의해 관통 구멍(30)을 통해 연소실(11)에서 연료-공기 혼합물의 점화를 가능하게 하는 역할을 한다. 도 1은 연소실(11)에서 연료의 원추형 스프레이(80)를 생성하는 인젝터(8)를 개략적으로 도시한다.
관통 구멍(30)은 연속적인 직경의 관통 구멍이다.
도 1은 또한 이중 화살표 B로 표시된 바와 같이 실린더(13) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(12)을 갖는 실린더(13)를 개략적으로 도시한다. 또한, 입구 밸브(14) 및 출구 밸브(15)가 제공된다. 인젝터(8)는 출구 밸브(15)와 프리챔버 스파크 플러그(1) 사이에 배치된다.
프리챔버 스파크 플러그(1)의 캡(3)을 상세하게 도시하는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 캡(3)은 반경방향 내측으로 향하는 홈(32)을 갖는다. 캡(3)의 홈(32)은 하우징(6)의 전방 단부(60)에 접한다. 고정은 예를 들어 용접 연결에 의해 이루어질 수 있다.
도 2에는 또한 관통 구멍(30)의 구멍 중심축(31)이 도시되어 있다. 도시된 관통 구멍(30)은 캡(3) 내의 여러 관통 구멍들(30) 중 하나이며 인젝터(8)로부터 최단 거리에 배치된다. 그 결과, 이 관통 구멍(30)은 가연성 혼합물을 프리챔버(2) 내로 도입하기 위해 피스톤의 스트로크 동안 프리챔버(2)의 플러싱을 가능하게 하는데 사용된다.
또한 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 연소실(11)를 향하는 관통 구멍(30)의 측면에 배치된, 구멍 중심축(31) 상의 출구점(33)이 정의된다. 위에서 이미 설명한 바와 같이, 구멍 중심축(31)은 제 1 각도(α)를 정의한다. 각도(α)는 바람직하게는 30°내지 50°의 범위이고, 이 실시예에서는 35°이다.
도 1에서 추가로 알 수 있는 바와 같이, 출구점(33)과 홈(32) 사이의 중심축(X-X)의 축방향으로의 거리(A)가 정의된다. 상기 거리(A)는 2㎜ 내지 7㎜의 범위이고, 이 실시예에서는 6㎜이다.
또한, 연소실(11)은 피스톤(12)이 움직일 때 텀블 흐름(tumble flow)(16)이 생성되는 방식으로 기하학적으로 설계된다. 이 텀블 흐름(16)은 특히 점화가 발생한 후에 가연성 혼합물을 프리챔버(2) 내로 재도입하기 위해, 연소실(11)과 프리챔버(2) 사이의 가스 교환이 가능한 것을 보장한다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 텀블 흐름(16)은 텀블 흐름(16)의 일부가 캡(3)의 관통 구멍(30)으로 직접 향하는 방식으로 생성된다. 따라서, 연소실(11)로부터의 가스 혼합물은 관통 구멍(30)을 통해 프리챔버(2) 내로 직접 도입될 수 있다.
프리챔버 스파크 플러그(1)는 연소실(11)의 중앙에 배치되고 특히 바람직하게는 정확히 피스톤(12)의 중심축에 배치된다.
또한, 인젝터(8)에 가장 가깝게 배치된 관통 구멍(30)의 구멍 중심축(31), 프리챔버 스파크 플러그(1)의 중심축(X-X) 및 수나사산(4)의 나사산 시작부(40)는 공통 평면에 놓인다. 이 평면은 도 2의 절단 평면이다.
인젝터(8)에 의해 생성된 원추형 스프레이(80)는 중심축(81)을 갖는다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 원추형 스프레이(80)의 중심축(81)은 프리챔버 스파크 플러그(1)의 중심축에 대해 제 2 각도(β)로 배치된다. 또한 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 인젝터의 중심축과 원추형 스프레이(80)의 중심축(81)은 서로 떨어져 있다. 이 실시예에서 제 2 각도(β)는 60°이다.
또한, 각각의 출구점(33)을 갖는 캡(3)의 모든 관통 구멍들(30)의 구멍 중심축들(31)은 프리챔버 스파크 플러그의 축방향(X-X)에 수직인 공통 평면(E)에 놓인다.
따라서, 프리챔버 스파크 플러그(1)의 프리챔버(2)는 종래 기술보다 더 양호하게 플러싱될 수 있고, 가연성 연료-공기 혼합물은 캡(3) 내의 프리챔버(2) 내로 더 양호하게 도입될 수 있다.
그 결과 프리챔버(2) 내에서 점화가 개선되어 프리챔버(2)에서 연료-공기 혼합물이 더 빠르게 연소된다. 프리챔버(2)에서 훨씬 더 빠른 연소로 인해, 플레어 제트는 내연 기관(100)의 연소실(11) 내로 더 일찍 그리고 더 멀리 도달할 수 있다. 이것은 연소실(11)에서 연료-공기 혼합물의 더 빠르고 더 효과적인 점화를 유도하고 결과적으로 연소실(11)에서 더 빠르고 더 완전한 연소를 가져온다. 이로 인해, 연소실(11)에서의 연료 이용 및 내연 기관의 배기 가스 거동이 상당히 개선된다.
또한, 상기 관통 구멍(30)의 정확한 포지셔닝은 프리챔버 스파크 플러그(1)의 수나사산(4)의 나사산 시작부(40)와 관련하여 인젝터(8)에 가장 가깝게 놓인 관통 구멍(30)의 배향에 의해 달성될 수 있다. 관통 구멍들(30)에서 출구점들(33)의 정확한 포지셔닝은 프리챔버 스파크 플러그(1)를 실린더 헤드(10)에 완전히 나사 결합함으로써 달성된다.
1: 프리챔버 스파크 플러그
2: 프리챔버
3: 캡
6: 하우징
8: 인젝터
11: 연소실
12: 피스톤
16: 텀블 흐름
30: 관통 구멍
31: 구멍 중심축
32: 홈
80: 스프레이

Claims (10)

  1. 프리챔버 스파크 플러그로서,
    - 하우징(6), 및
    - 프리챔버(2)를 적어도 부분적으로 정의하고, 상기 프리챔버(2)와 내연기관의 연소실(11) 사이의 연결을 형성하도록 설계된 다수의 관통 구멍들(30)을 갖는 캡(3)을 포함하고, 상기 관통 구멍들(30) 각각은 구멍 중심축(31)을 갖고,
    - 상기 캡(3)은 상기 하우징(6)을 향하는 영역에 홈(32)을 가지며, 상기 홈(32)은 상기 하우징(6)의 연소실측 단부(60)에서 상기 하우징(6)에 접하고,
    - 상기 구멍 중심축(31)에 놓인, 관통 구멍(30)의 출구점(33)으로부터 상기 홈(32)까지의 거리(A)는 2mm 내지 7mm의 범위이고,
    - 상기 프리챔버 스파크 플러그의 중심축(X-X)과 상기 구멍 중심축(31) 사이의 제 1 각도(α)는 30°내지 70°의 범위인, 프리챔버 스파크 플러그.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 거리(A)는 4mm 내지 7mm의 범위이고 상기 제 1 각도(α)는 30°내지 50°의 범위이거나, 또는
    - 상기 거리(A)는 5mm 내지 7mm의 범위이고 상기 제 1 각도(α)는 30°내지 40°의 범위인, 프리챔버 스파크 플러그.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 거리(A)는, 조립된 상태에서 연소실( 11) 내의 연료의 원추형 스프레이(80)에 가장 가깝게 배치된 관통 구멍(30)에서 결정되는, 프리챔버 스파크 플러그.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 관통 구멍들(30)의 구멍 중심축(31)에 놓이는 출구점들은 공통 평면(E)에 놓이는, 프리챔버 스파크 플러그.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 관통 구멍(30)은 조립된 상태에서 상기 연소실(11) 내의 텀블 흐름(16)과 정렬되도록 설계되어 텀블 흐름(16)의 일부가 상기 관통 구멍(30) 내로 직접 흐르는, 프리챔버 스파크 플러그.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통 구멍(30)의 상기 구멍 중심축(31), 상기 하우징(6) 상의 수나사산(4)의 나사산 시작부(40) 및 상기 중심축(X-X)은 공통 평면에 놓이는, 프리챔버 스파크 플러그.
  7. 내연 기관으로서,
    - 연소실(11),
    - 왕복 피스톤(12),
    - 상기 연소실(11) 내로 연료를 도입하기 위한 인젝터(8), 및
    - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 프리챔버 스파크 플러그(1)를 포함하는, 내연 기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 인젝터(8)의 원추형 스프레이(80)의 중심축(81)은 상기 프리챔버 스파크 플러그(1)의 중심축(X-X)에 대해 30°내지 70°의 범위인, 특히 대략 60°인 제 2 각도(β)로 놓이는, 내연 기관.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 연소실(11)에서 텀블 흐름은, 상기 텀블 흐름(16)의 적어도 일부가 상기 연소실(11) 내의 원추형 스프레이에 가장 가깝게 배치된, 상기 프리챔버 스파크 플러그(1)의 관통 구멍으로 직접 향하도록, 생성되는, 내연 기관.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리챔버 스파크 플러그(1)는 상기 연소실(11)의 실질적으로 중앙에 배치되고, 상기 인젝터(8)는 상기 프리챔버 스파크 플러그(1)에 대해 측면으로 상기 연소실(11)에 배치되는, 내연 기관.
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