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KR-20260060609-A - SPARK PLUG AND ENGINE INCLUDING THE SAME

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Abstract

점화 플러그 및 이를 포함하는 엔진이 개시된다. 일실시예에 따른 점화 플러그는 전력을 공급받는 터미널; 상기 터미널과 전기적으로 연결되고, 연소실 내부로 돌출되는 중심 전극; 상기 중심 전극을 절연시키는 절연 몸체; 자력을 발생시키는 자성 몸체; 및 상기 중심 전극의 단부와의 사이에서 불꽃 방전을 발생시키고, 상기 자성 몸체에서 발생한 자력을 상기 발생된 불꽃 방전으로 전달하는 접지 몸체를 포함하고, 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체와의 사이에는 불꽃 방전이 발생하는 제1 구간, 및 상기 제1 구간에서 발생한 불꽃 방전이 상기 자성 몸체에서 발생한 자력에 의해 설정된 방향을 따라 회전하면서 점차적으로 신장되는 제2 구간이 형성될 수 있다.

Inventors

  • 강현진
  • 이종혁
  • 한동희
  • 알라마단사덱압둘라
  • 박순호
  • 차민석

Assignees

  • 현대자동차주식회사
  • 기아 주식회사
  • 킹 압둘라 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
  • 사우디 아라비안 오일 컴퍼니

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (16)

  1. 전력을 공급받는 터미널; 상기 터미널과 전기적으로 연결되고, 연소실 내부로 돌출되는 중심 전극; 상기 중심 전극을 절연시키는 절연 몸체; 자력을 발생시키는 자성 몸체; 및 상기 중심 전극의 단부와의 사이에서 불꽃 방전을 발생시키고, 상기 자성 몸체에서 발생한 자력을 상기 발생된 불꽃 방전으로 전달하는 접지 몸체; 를 포함하고, 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체와의 사이에는 불꽃 방전이 발생하는 제1 구간, 및 상기 제1 구간에서 발생한 불꽃 방전이 상기 자성 몸체에서 발생한 자력에 의해 설정된 방향을 따라 회전하면서 점차적으로 신장되는 제2 구간이 형성되는 점화 플러그.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 구간은 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체의 최단 거리 구간에 형성되는 점화 플러그.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 구간은 상기 제1 구간으로부터 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체의 최장 거리 구간까지 상기 접지 몸체의 원주 방향을 따라 형성되는 점화 플러그.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접지 몸체는 원통 형상으로 형성되는 바디부; 및 상기 바디부의 축 방향에 대해 경사지도록 형성되는 경사부; 를 포함하는 점화 플러그.
  5. 제4항에 있어서, 상기 경사부는 상기 바디부의 반경 방향 일단으로부터 상기 일단과 마주하는 바디부의 반경 방향 타단까지 상기 접지 몸체의 축 방향에 대해 설정된 각도로 기울어져 형성되는 점화 플러그.
  6. 제5항에 있어서, 상기 경사부의 경사면에는 적어도 하나의 단차가 형성되는 점화 플러그.
  7. 제5항에 있어서, 상기 경사부는 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체의 최단 거리를 연장한 중심선에 대해 대칭으로 형성되는 점화 플러그.
  8. 제3항에 있어서, 상기 접지 몸체는 원통 형상으로 형성되는 바디부; 상기 바디부의 단부에서 상기 바디부의 축 방향에 대해 경사지도록 형성되는 경사부; 및 상기 경사부의 단부에서 상기 바디부의 축 방향에 대해 수직하게 형성되는 직선부; 를 포함하는 점화 플러그.
  9. 제8항에 있어서, 상기 경사부의 경사면에는 적어도 하나의 단차가 형성되는 점화 플러그.
  10. 제8항에 있어서, 상기 경사부는 상기 중심 전극의 단부와 상기 접지 몸체의 최단 거리를 연장한 중심선에 대해 대칭으로 형성되는 점화 플러그.
  11. 제1항에 있어서, 상기 절연 몸체는 상기 터미널의 하부에 배치되는 점화 플러그.
  12. 제1항에 있어서, 상기 접지 몸체는 상기 절연 몸체의 반경 방향 외측에 배치되고, 상기 자성 몸체의 하부에 배치되는 점화 플러그.
  13. 제1항에 있어서, 상기 자성 몸체는 상기 절연 몸체의 반경 방향 외측에 배치되는 점화 플러그.
  14. 제1항에 있어서, 상기 자성 몸체는 실린더의 외부에 배치되는 점화 플러그.
  15. 제1항에 있어서, 상기 접지 몸체는 금속 재질로 형성되는 점화 플러그.
  16. 제1항에 따른 점화 플러그를 포함하는 엔진.

Description

점화 플러그 및 이를 포함하는 엔진{SPARK PLUG AND ENGINE INCLUDING THE SAME} 개시 내용은 점화 플러그 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자기력에 의해 스파크의 길이를 신장시킬 수 있는 점화 플러그 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것이다. 기후 변화 문제를 해결하기 위해, 자동차 산업에서는 연소시에 발생하는 이산화탄소와 질소산화물의 배출에 대한 규제가 강화되고 있다. 이산화탄소 배출을 완화하는 화석 연료의 효율적인 사용은 탄소 중립 사회를 향한 일시적인 기술일 수 있다. 이와 관련하여, 희박 연소 기술(lean-burn combustion technology)은 이산화탄소 배출을 최소화하는 방법 중 하나로 고려되고 있다. 희박 연소 기술은 스파크 점화 엔진의 열 효율을 높이기 위해 널리 사용되고 있다. 높은 열 효율은 주로 펌핑 손실(pumping loss)과 열 손실을 줄임으로써 달성할 수 있다. 또한, 배기 가스 내의 산소 함량이 촉매 컨버터를 중화시키기 때문에, 과도한 공기량 증가로 연소 온도를 낮춰 질소산화물의 배출을 크게 줄여야 한다. 따라서, 가연성 한계에 가까운 극도로 희박한 혼합물(연료+공기)을 사용하는 린번 엔진(lean-burn engine)의 경우, 점화(ignition)가 매우 어려운 문제가 되었다. 점화 과정을 용이하게 하기 위해, 다양한 점화 방법이 연구되고 있다. 예를 들어, 텀블 유동(tumble flow)를 이용하여 불꽃 방전(spark discharge)의 길이를 연장하는 방법이나, 또는, 자기 부스트(magnetic boost)를 이용한 스파크 플러그 시스템 등이 연구되고 있다. 하지만, 텀블 유동에 의해 연장된 스파크는 점화 타이밍 및 연료 분사 타이밍과 같은 엔진의 작동 조건에 영향을 많이 받는 문제가 존재하였다. 또한, 자기 부스트를 이용한 스파크 플러그 시스템은 자기력에 의해 불꽃 방전이 회전할 때, 불꽃 방전이 충분히 연장되지 않는 문제가 존재하였다. 이 배경기술 부분에 기재된 사항은 개시의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다. 이 도면들은 본 개시의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 개시의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다. 도 1은 일실예에 따른 점화 플러그가 장착된 엔진의 구성을 도시한 단면도이다. 도 2는 일실예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 측면도이다. 도 3은 일실예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 단면도이다. 도 4는 다른 실시예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 측면도이다. 도 5는 또 다른 실시예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 측면도이다. 도 6은 일실시예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 저면도이다. 도 7은 일실시예에 따른 점화 플러그의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 일실시예에 따른 점화 플러그에서 단차의 유무에 기초한 중심 전극과 접지 몸체의 둘레를 따라 발생하는 자속 밀도를 도시한 그래프이다. 도 9는 일실시예에 따른 점화 플러그에서 경사면의 형성 각도에 기초한 중심 전극과 접지 몸체의 둘레를 따라 발생하는 자속 밀도를 도시한 다른 그래프이다. 도 10은 일실시예에 따른 점화 플러그의 스파크 채널이 최대 길이로 신장되는 시간을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 일실시예에 따른 점화 플러그의 희박 연소의 한계를 도시한 도면이다. 위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 개시의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 개시의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다. 여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시 예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. “포함하다” 및/또는 “포함하는”이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다. 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 본 개시를 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 개시가 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이하에서는 일실시예에 따른 점화 플러그에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 먼저, 일실시예에 따른 점화 플러그가 적용되는 엔진에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 일실예에 따른 점화 플러그가 장착된 엔진의 구성을 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 점화 플러그가 적용되는 엔진은 실린더 블록(110)과 실린더 헤드(100)를 포함할 수 있다. 실린더 블록(110)과 실린더 헤드(100)가 결합되어, 그 내부에 연소실(101)이 형성될 수 있다. 연소실(101)로 유입되는 공기와 연료의 혼합기는 점화 플러그(200)에서 발생하는 불꽃 방전에 의해 점화될 수 있다. 실린더 헤드(100)에는 점화 플러그(200)가 장착되는 장착홀(120)이 상하 방향으로 길게 형성된다. 장착홀(120)에 장착되는 점화 플러그(200)의 하부 단부는 연소실(101) 내부로 돌출될 수 있다. 장착홀(120)의 상부에는 점화 플러그(200)에 고전압의 전류를 공급하는 터미널(210)이 장착될 수 있다. 다음으로, 일실시예에 따른 점화 플러그의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 도 2는 일실예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 측면도이다. 그리고 도 3은 일실예에 따른 점화 플러그의 구성을 도시한 단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 점화 플러그는 전력을 공급받는 터미널(210), 터미널(210)과 전기적으로 연결되고 연소실(101) 내부로 돌출되는 중심 전극(220), 중심 전극(220)을 절연시키는 절연 몸체(230), 자력을 발생시키는 자성 몸체(240), 및 중심 전극(220)의 단부와의 사이에서 불꽃 방전을 발생시키고 상기 자성 몸체(240)에서 발생한 자력을 불꽃 방전으로 전달하는 접지 몸체(250)를 포함할 수 있다. 터미널(210)은 차량에 구비되는 고전압 시스템(201)으로부터 전력을 공급받아 중심 전극(220)으로 전달할 수 있다. 중심 전극(220)은 터미널(210)과 전기적으로 연결되고, 상하 방향으로 길게 형성될 수 있다. 절연 몸체(230)는 중심 전극(220)을 외부와 절연시키고, 중심 전극(220)을 둘러쌓도록 구비될 수 있다. 절연 몸체(230)는 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 절연 몸체(230)에 의해 중심 전극(220)의 측면에서 방전이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 자성 몸체(240)는 중심 전극(220)과 접지 몸체(250) 사이에서 발생하는 불꽃 방전을 회전시키는 자력을 발생시킬 수 있다. 자성 몸체(240)는 절연 몸체(230)의 반경 방향 외측에 구비될 수 있다. 자성 몸체(240)는 실린더에 형성되는 연소실(101)의 외부에 배치될 수 있다. 자성 몸체(240)가 퀴리 온도보다 높은 곳에 위치하면, 자기 특성을 잃게 되고, 자속 밀도가 거의 0에 가까워질 수 있다. 엔진이 작동하는 동안 점화 플러그의 표면 온도는 약 770K에 이르고, 이는 대부분 자석의 퀴리 온도보다 높다. 따라서, 일실시예에 따르면 자성 몸체(240)가 연소실(101)의 외부에 배치됨으로써, 자성 몸체(240)의 온도가 퀴리 온도 이하로 유지될 수 있다. 자성 몸체(240)는 583~673K의 퀴리 온도 범위를 갖는 네오디뮴(Neodymium)과 같은 영구 자석, 또는 전자석으로 구현될 수 있다. 접지 몸체(250)는 자성 몸체(240)에서 발생한 자력이 중심 전극(220)의 단부와 접지 몸체(250)와의 사이에서 발생한 불꽃 방전으로 전달되도록 금속 재질로 형성될 수