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KR20130139893A - 성형된 절연체를 가진 코로나 점화기 - Google Patents

성형된 절연체를 가진 코로나 점화기 Download PDF

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KR20130139893A
KR20130139893A KR1020137008114A KR20137008114A KR20130139893A KR 20130139893 A KR20130139893 A KR 20130139893A KR 1020137008114 A KR1020137008114 A KR 1020137008114A KR 20137008114 A KR20137008114 A KR 20137008114A KR 20130139893 A KR20130139893 A KR 20130139893A
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South Korea
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insulator
shell
center electrode
nose
sudden change
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Inventor
존 에이. 버로우스
제임스 디. 리코우스키
Original Assignee
페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
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Abstract

무선주파수 전기장을 방출하고 코로나 방전(24)을 제공하는 코로나 점화기(20)는 양의 전압의 중심 전극(22), 접지된 금속 쉘(30), 중심 전극(22)에 대하여 방사상 바깥쪽으로 뻗은 급변부(34)를 가진 절연체(28)를 포함한다. 급변부(34)는 전형적으로 절연체 노즈 부(74)의 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 절연체(28)의 적어도 15%의 국부 두께(t) 증가부이다. 급변부(34)는 전형적으로 돌출부 또는 노치의 하나의 측면(82)이고, 이 측면(82)은 쉘(30)과 대향한다. 급변부(34)는 절연체 외측면(32)을 따른 전기장 및 전압 전위 경사를 역전시키고, 절연체(28)로부터의 전하를 띤 이온을 밀어내어, 중심 전극(22)과 중심 전극(22) 사이에 도전 경로의 형성을 방지한다.

Description

성형된 절연체를 가진 코로나 점화기{CORONA IGNITER HAVING SHAPED INSULATOR}
본 발명은 일반적으로 혼합기(fuel-air mixture)를 이온화하고 코로나 방전을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 코로나 점화기 및 이러한 점화기를 형성하는 방법에 관한 것이다.
코로나 방전 점화 시스템은 높은 무선주파수 전압 전위로 차징되고(charged) 연소실 내에 강한 무선주파수 전기장을 만드는 중심 전극을 구비한 점화기를 포함한다. 이 전기장은 연소실 내의 혼합기의 일부를 이온화하고 유전 파괴를 일으켜, 혼합기의 연소를 용이하게 한다. 이 전기장은 혼합기가 유전 특성을 유지하고, 코로나 방전이 일어나도록 제어되는 것이 바람직한데, 이는 비열적 플라즈마라고도 불린다. 혼합기의 이온화된 부분은 먼저 불꽃을 형성하고, 이는 혼합기의 나머지 부분을 자동으로 계속 연소시키게(self-sustaining and combust) 된다. 바람직하게는, 전기장은 또한 혼합기가 전극과 접지된 실린더 벽, 피스톤, 또는 점화기의 다른 부분 사이에, 열적 플라즈마 및 파워 아킹이라고도 불리는, 전기적 아크를 만들 수 있는 모든 유전 특성의 손실이 없도록 제어된다. 코로나 방전 점화 시스템의 한 예는 프린의 미국특허번호 제6,883,507호에 개시되어 있다.
코로나 점화기는 전형적으로 무선주파수 전압을 수신하여 혼합기를 이온화하고 코로나 방전을 제공하는 무선주파수 전기장을 방출하는 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극을 포함한다. 점화기는 또한 중심 전극을 수용하고 상부 쉘에서 하부 쉘까지 세로방향으로 뻗은 금속 재료로 이루어진 쉘을 포함한다. 쉘 내에 그리고 중심 전극 둘레에 전기 절연 재료로 이루어진 절연체가 배치된다. 코로나 방전 점화 시스템의 점화기는 중심 전극의 방전 단부와 근접하게 의도적으로 배치된 임의의 접지된 전극 부재를 포함하지 않는다. 그보다는, 접지는 점화 시스템의 실린더 벽 또는 피스톤에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 코로나 점화기의 예는 리코우스키 및 햄프턴의 미국 특허출원 공개번호 제2010/0083942호에 개시되어 있다.
코로나 점화기의 작동 동안, 중심 전극이 100% 전압과 같은 최대 가능한 양 전압이고 쉘이 0% 전압과 같은 최소 가능한 전압으로 접지된 때, 절연체와 쉘 사이의 갭 내에 이온화된 가스가 형성된다. 특정한 조건 하에서, 이 갭 내에 매우 높은 전계 강도가 존재한다. 이온화된 가스의 음이온은 전형적으로 절연체 표면상에서 중심 전극까지 전압 전위 경사(gradient) 및 전기장을 따르고, 쉘에서 중심 전극까지 도전 경로를 형성한다. 이온화된 가스는 또한 중심 전극과 절연체 사이에도 형성되고, 전하, 전압, 및 전류가 역전되는 것을 제외하면 동일한 상황이 일어난다. 중심 전극과 쉘 사이의 도전 경로는 바람직하지 않은 파워 아킹을 만들고 남은 코로나 방전을 고갈시킬 수 있는데, 이는 점화의 품질을 악화시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 형태는 혼합기를 이온화하고 코로나 방전을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 코로나 점화기를 제공한다. 이 코로나 점화기는 높은 무선주파수 전압을 수신하여 혼합기를 이온화하고 코로나 방전을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극을 포함한다. 금속 재료로 이루어진 쉘은 중심 전극을 따라 상부 쉘 단부에서 하부 쉘 단부까지 세로방향으로 뻗는다. 전기 절연 재료로 이루어진 절연체는 중심 전극과 쉘 사이에 배치된다. 절연체는 중심 전극 반대쪽을 향하고 절연체 상단부에서 절연체 노즈 단부까지 세로방향으로 뻗은 절연체 외측면을 포함한다. 절연체 외측면은 중심 전극에 대하여 방사상 바깥쪽으로 뻗은 급변부(abruption)를 가진다.
본 발명의 다른 형태는 코로나 점화기를 형성하는 방법을 제공한다. 본 방법은 전기 절연 재료로 이루어진 절연체를 제공하는 단계를 포함하는데, 절연체는 절연체 보어가 있는 절연체 내측면 및 반대 방향의 절연체 외측면을 포함하고, 이들은 각각 절연체 상단부에서 절연체 노즈 단부까지 세로방향으로 뻗는다. 절연체는 또한 절연체 노즈 단부와 인접한 절연체 노즈부를 포함하고, 절연체 노즈부의 절연체 외측면은 절연체 보어에 대하여 방사상 바깥쪽으로 뻗은 급변부를 가진다. 그 다음, 본 방법은 절연체 보어 내에 전기 도전성 재료로 형성된 중심 전극을 배치하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 금속 재료로 이루어지고 하부 쉘 단부에서 상부 쉘 단부까지 세로로 뻗은 쉘 보어를 가진 내부 쉘 표면을 포함하는 쉘을 제공하는 단계, 및 쉘 보어 내에 절연체를 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 코로나 점화기의 작동 동안, 높은 전기장 강도를 가진 이온화된 가스가 절연체와 쉘 사이의 갭에 형성되고, 음이온은 절연체를 향해 이동하기 시작한다. 그러나, 음이온이 중심 전극에 도달하기 전에, 급변부가 절연체 외측면을 따른 전기장 및 전압 전위 경사를 역전시키고, 음이온을 밀어낸다. 음이온은 급변부를 따르고 급변부를 지나는, 감소하는 전압을 가진 절연체를 따른 부분으로 진행하지 못한다. 그보다는, 밀려난 음이온들은 절연체 주변 공기 내의 양이온들과 결합할 수 있다. 그러므로, 급변부는 전형적으로 바람직하지 않은 파워 아킹을 만들고 전극에서부터 연소실로 방출되는 코로나 방전을 고갈시키는 원인인, 음이온이 중심 전극에 도달하는 것 및 쉘에서 중심 전극까지 도전 경로를 형성하는 것을 방지한다. 급변부는 또한 쉘과 중심 전극 사이에 절연체 외측면을 따른 전기 경로를 차단한다. 급변부는 음이온과 동일한 방식으로 중심 전극에서 쉘로 절연체를 따라 이동하는 양이온을 밀어냄으로써 파워 아킹을 방지할 수 있다. 절연체의 급변부는 급변부가 없는 점화기와 비교하여, 견고한 코로나 방전을 유지하고 더 높은 품질의 점화를 제공한다.
본 발명의 다른 이점은 쉽게 아래에 첨부한 도면과 연관지어 고려한 때 아래의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 형태에 따른 연소실 내에 배치된 코로나 점화기의 단면도이다.
도 1a는 도 1의 코로나 점화기의 방전 단부의 확대된 단면도이다.
도 1b는 전기 전위의 전형적인 패턴을 보여주는 도 1의 코로나 점화기의 절연체의 확대된 단면도이다.
도 2는 도 1의 절연체의 전기장 및 전압 전위 경사의 도면이다.
도 3은 전기 전위의 전형적인 패턴을 보여주는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연체의 확대된 단면도이다.
도 4는 도 3의 절연체의 전기장 및 전압 전위 경사의 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예시적인 절연체들의 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 급변부에 의해 제공되는 측면 및 플랭크 각을 도시한다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급변부에 의해 제공되는 측면 및 플랭크 각을 도시한다.
도 7은 전기 전위의 전형적인 패턴을 보여주는 종래기술의 절연체의 확대된 단면도이다.
도 8은 도 7의 종래기술의 절연체의 전기장 및 전압 전위 경사의 도면이다.
본 발명의 하나의 형태는 코로나 방전 점화 시스템용 코로나 점화기(20)를 제공한다. 코로나 점화기(20)는 높은 무선주파수 전압을 수신하고 혼합기의 일부를 이온화하고 내연기관의 연소실(26) 내에 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 중심 전극(22)을 포함한다. 코로나 점화기(20)는 중심 전극(22)을 수용하고 금속 쉘(30)에 둘러싸인 절연체(28)를 포함한다. 절연체(28)는 중심 전극(22)에 대하여 바깥쪽으로 방사상으로 뻗은 급변부(34)를 구비한 절연체 외측면(32)을 포함한다. 급변부(34)는 쉘(30)로부터 절연체 노즈 단부(54)를 향해 이동하는 방향으로 절연체(28)의 국부 두께(t)의 증가부이고, 이는 전형적으로 노치(notch) 또는 돌출부에 의해 제공된다. 급변부(34)는 쉘(30)과 중심 전극(22) 사이에서 절연체(28)로부터의 양이온 및 음이온을 밀어낸다. 급변부(34)는 또한 코로나 방전(24)을 유지하고 쉘(30)과 중심 전극(22) 사이에 파워 아킹을 방지하기 위해 쉘(30)과 중심 전극(22) 사이에 절연체 외측면(32)을 따른 전기적 경로를 차단한다.
하나의 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 코로나 점화기(20)는 실린더 헤드(36) 내에, 내연기관의 피스톤(38)으로부터 이격 배치된다. 실린더 헤드(36), 실린더 블록(40), 및 피스톤(38)은 함께 혼합기를 담기 위한 연소실(26)을 제공하고, 코로나 점화기(20)가 연소실(26) 내로 뻗는다.
코로나 점화기(20)의 중심 전극(22)은 높은 무선주파수 전압을 수신하기 위한 전극 터미널 단부(42)에서부터 전극 방전 단부(44)까지 세로방향으로 뻗은 전극 중심 축(ae)을 가진다. 중심 전극(22)은 니켈 또는 니켈 합금과 같은 제1 전기 도전성 재료로 이루어지고, 전극 터미널 단부(42)에서부터 전극 중심 축을 따라 전극 방전 단부(44)까지 세로방향으로 뻗은 전극 몸체부(46)를 포함한다. 코로나 점화기(20)의 작동 동안, 중심 전극(22)이 높은 무선주파수 전압을 수신한 때, 중심 전극(22)은 전형적으로 1,000 내지 100,000 볼트의 높은 전압을 가진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 중심 전극(22)은 연소실(26) 내의 혼합기의 일부를 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하기 위해, 전극 방전 단부(44)에 접화 팁(50)을 포함한다. 접화 팁(50)은 제2 전기 도전성 재료로 이루어지고, 이 또한 고전압을 가진다. 하나의 바람직한 실시예에서, 제2 전기 도전성 재료는 원소주기율표의 4-12족으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 접화 팁(50)은 팁 직경(Dt)을 가지고 전극 몸체부(46)는 각각 전극 중심축(ae)에 수직인 전극 직경(De)을 가진다. 팁 직경(Dt)은 전형적으로 도 1 및 1a에 도시된 바와 같이 전극 몸체부(46)의 전극 직경(De)보다 크다.
코로나 점화기(20)의 절연체(28)는 전극 몸체부(46) 둘레에 고리형상으로 그리고 전극 몸체부(46)를 따라 세로방향으로 배치되고, 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 뻗어 있다. 절연체 노즈 단부(54)는 전극 방전 단부(44)와 인접하고, 접화 팁(50)과 접한다(abut). 절연체(28)는 전극 중심축(ae)을 따라 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗은 절연체 보어(bore)를 구비한 절연체 내측면(56)을 포함한다. 절연체 내측면(56)은 중심 전극(22)과 마주하고, 절연체 보어는 중심 전극(22)을 수용한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 절연체 내측면(56) 및 중심 전극(22)은 그 사이에 전극 갭(60)을 가진다. 절연체(28)는 또한 전극 중심축(ae)을 따라 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗어 있고, 중심 전극(22)으로부터 멀리 그리고 쉘(30)을 향해 바깥을 향하는 절연체 내측면(56) 반대편의 절연체 외측면(32)을 포함한다.
절연체(28)는 절연체 내측면(56)에서 절연체 외측면(32)까지 연속적으로 뻗은 전기 절연성 재료의 매트릭스(matrix)(62)를 포함한다. 전기 절연 재료는 공기의 비유전율, 즉 1보다 큰 비유전율을 가진다. 하나의 실시예에서, 전기 절연 재료는 알루미나이고, 대략 0의 비유전율을 가진다. 다른 실시예에서, 전기 절연 재료는 질화 붕소(boron nitride)이고, 대략 3.5의 비유전율을 가진다. 또 다른 실시예에서, 절연 재료는 질화 규소이고 대략 6.0의 비유전율을 가진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 절연체(28)는 전극 몸체부(46)를 따라 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 뻗은 절연체 제1 부분(64)을 포함한다. 절연체 제1 부분(64)은 세로방향의 전극 몸체부(46) 및 절연체 노즈 단부(54)를 향해 뻗은 절연체 제1 부분(64)과 인접한 절연체 중간 부분(66)과 대체로 수직으로 뻗은 절연체 제1 직경(D1)을 가진다. 절연체 상부 숄더(68)는 절연체 제1 부분(64)에서 절연체 중간 부분(66)까지 방사상 바깥쪽으로 뻗는다. 절연체 중간 부분(66)은 절연체 제1 직경(D1)보다 큰, 세로방향의 전극 몸체부(46)에 대체로 수직으로 뻗은, 절연체 중앙 직경(dm)을 가진다.
절연체(28)는 또한 절연체 노즈 단부(54)를 향해 뻗은 절연체 중간 부분(66)과 인접한 절연체 제2 부분(70)을 포함한다. 절연체(28)는 절연체 중간 부분(66)에서 절연체 제2 부분(70)까지 방사상 안쪽으로 뻗은 절연체 하부 숄더(72)를 포함한다. 절연체 제2 부분(70)은 전형적으로 절연체 제1 직경(D1)과 같고 절연체 중앙 직경(Dm)보다 작은, 세로방향의 전극 몸체부(46)와 대체로 수직으로 뻗은 절연체 제2 직경(D2)을 가진다.
절연체(28)는 절연체 제2 부분(70)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 뻗은 절연체 노즈 부(74)를 포함한다. 절연체 노즈 부(74)는 세로방향의 전극 몸체부(46)와 대체로 수직으로 뻗어 있고 절연체 노즈 단부(54)까지 점점 가늘어지는 절연체 노즈 직경(Dn)을 가진다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 절연체 노즈 직경(Dn)은 전형적으로 절연체 제2 직경(D2) 보다 작고, 또한 절연체 노즈 단부(54)에서의 접화 팁(50)의 팁 직경(Dt) 보다 작다. 그러나, 대안의 실시예에서, 절연체 노즈 직경(Dn)은 절연체 제2 직경(D2) 보다 크거나 같다. 절연체 노즈 부(74)는 하부 쉘 단부(76)와 인접한 절연체 제2 부분(70)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗은 노즈 길이(l)를 가진다.
절연체 노즈 부(74)의 절연체 외측면(32)은 바람직하지 않은 아크 방전을 방지하고 견고한 코로나 방전(24)을 유지하는 급변부(34)를 포함한다. 급변부(34)는 중심 전극(22)으로부터 멀어지도록 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있고, 쉘(30)로부터 절연체 노즈 단부(54)를 향해 이동하는 방향으로 절연체(28)의 국부 두께(t)의 증가부이다. 절연체(28)의 국부 두께(t)는 절연체(28)를 따른 한 지점에서 절연체 내측면(56)과 절연체 외측면(32) 사이의 거리와 동일하다. 급변부(34)는 전형적으로 측면(82), 면, 또는 쉘(30)을 향하는 면에 의해 제공된다. 도 1, 3, 및 5에 도시된 바와 같이, 급변부(34)는 하부 쉘 단부(76)와 절연체 노즈 단부(54) 사이에 세로 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 급변부(34)는 전체 절연체 노즈 부(74)를 둘러싸는 원주방향으로 뻗는다. 다른 실시예에서, 급변부(34)는 절연체(28)의 원둘레의 일부분을 둘러싸고 뻗는다. 절연체(28)는 전형적으로 하나의 급변부(34)를 포함하지만, 복수의 급변부(34)를 포함할 수도 있다. 하나의 실시예에서, 절연체(28)는 각각 절연체(28)의 각각의 맞은편 측에 하나씩 2개의 급변부(34)를 포함한다.
급변부(34)는 절연체의 국부 두께(t)의 증가에 의해 제공되는데, 이는 전형적으로 쉘(30)에서부터 절연체 노즈 단부(54)를 향해 이동하는 방향으로 절연체(28)의 노즈 길이(l)에 걸쳐 절연체 노즈 직경(Dn)의 증가이다. 하나의 실시예에서, 급변부(34)는 절연체의 국부 두께(t)의 적어도 15%의 증가에 의해 제공되는데, 이러한 증가는 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 발생한다. 절연체(28)의 국부 두께(t)의 증가의 예는 도 1a에 도시되어 있는데, 여기서 절연체(28)는 제1 두께(t1)에서 제2 두께(t2)로 증가하고, 국부 두께(t1)는 국부 두께(t2)보다 적어도 15% 더 크다. 다른 실시예에서, 급변부(34)는 적어도 25% 또는 적어도 30%, 또는 적어도 35%의 국부 두께(t)의 증가에 의해 제공되는데, 이러한 증가는 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 발생한다.
급변부(34)는 도 1에 도시된 바와 같이, 노치의 하나의 면 또는 측면(82)에 의해 제공될 수 있다. 노치는 중심 전극(22)을 향해 방사상 안쪽으로 뻗는다. 노치는 하부 쉘 단부(76)로부터 이격되어 있고, 적어도 15% 만큼의 절연체(28)의 국부 두께(t)의 감소에 이은 절연체(28)의 국부 두께(t)의 증가에 의해 제공된다. 국부 두께(t)의 증가는 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 발생한다. 이러한 실시예에서, 절연체 노즈 직경(Dn)은 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 급변부(34)까지 감소하고, 급변부(34) 부근에서 감소하고, 급변부(34)에서 증가하고, 급변부(34)에서부터 절연체 노즈 단부(54)까지 다시 점진적으로 감소한다.
다른 실시예에서, 급변부(34)는 도 3에 도시된 바와 같이 중심 전극(22)에서부터 연소실(26) 내로 방사상 바깥쪽으로 뻗은 돌출부의 하나의 페이스 또는 측면(82)에 의해 제공된다. 돌출부는 또한 하부 쉘 단부(76)로부터 이격되어 있고, 적어도 15%의 국부 두께 증가에 이은 국부 두께(t) 감소에 의해 제공된다. 국부 두께(t)의 증가는 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 발생한다. 이러한 실시예에서, 절연체 노즈 직경(Dn)은 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 급변부(34)까지 감소하고, 급변부(34)에서 증가하고, 급변부(34)에서부터 절연체 노즈 단부(54)까지 다시 점진적으로 감소한다.
급변부(34)는 다양한 디자인, 예컨대, 1, 3, 및 5에 도시된 디자인을 포함할 수 있다. 도 1 및 3의 실시예와 같은 몇몇 실시예에서, 절연체 외측면(32)은 급변부(34)를 제공하는 매끄러운 또는 곡선형 트랜지션(transition)(78)을 포함한다. 예를 들어, 매끄러운 트랜지션(78)은 급변부(34)와 인접해 있거나, 급변부(34)를 따라 있거나, 또는 급변부(34)와 절연체 외측면(32)의 인접 부분 사이에 있을 수 있다. 도 1의 노치는 노치와 인접한 부분부터의 볼록한 트랜지션(78) 및 노치를 따른 오목한 트랜지션(78)에 의해 제공된다. 도 3의 돌출부는 돌출부와 인접한 부분부터의 오목한 트랜지션(78) 및 돌출부를 따른 볼록한 트랜지션(78)에 의해 제공된다.
다른 실시예에서, 절연체 외측면(32)은 급변부(34)를 제공하는 날카로운 에지(80)를 포함한다. 예를 들어, 날카로운 에지(80)는 급변부(34)와 인접해 있거나, 급변부(34)를 따라 있거나, 또는 급변부(34)와 절연체 외측면(32)의 인접한 부분 사이에 있을 수 있다. 도 5a-5l의 실시예에서, 절연체 외측면(32)은 급변부(34)와 절연체 외측면(32)의 인접한 부분 사이에 적어도 하나의 날카로운 에지(80)를 포함한다. 도 5a-5l에 도시된 바와 같이, 급변부(34)를 제공하는 노치 또는 돌출부는 사각형 프로파일, 또는 삼각형 프로파일, 또는 절연체 외측면(32)을 따른 오목한 프로파일을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 급변부(34)는 절연체 외측면(32)을 따른 측면(82)이다. 측면(82)는 대체로 하부 쉘 단부(76)를 향해 있고, 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 절연체(28)의 국부 두께(t)의 적어도 15%의 증가이다. 측면(82)은 측면(82)에서의 등전위선(a line of equipotential)보다 더 큰 것이 바람직한 플랭크 각을 가진다. 플랭크 각(α)을 가진 각각의 측면(82)은 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 플랭크 각(α)은 측면(82)이 이루는 가장 깊은 각도이다. 이는 측면(82)이라면 최대 국부 두께(t)에서의 측면(82)와 나란한 가상선과 전극 중심 축(ae)과 평행한 가상선 사이의 각도이다. 하나의 실시예에서, 플랭크 각(α)은 적어도 30도 또는 적어도 45도이다.
하나의 실시예에서, 급변부(34)는 절연체 노즈 단부(54)보다 쉘(30)에 더 가깝게 배치된다. 다른 실시예에서, 급변부(34)는 쉘(30) 보다 절연체 노즈 단부(54)에 더 가깝게 배치된다. 또 다른 실시예에서, 급변부(34)는 쉘(30)과 절연체 노즈 단부(54)와 동일한 간격이다. 절연체 노즈 부(74)는 전형적으로 급변부(34)에서부터 절연체 노즈 단부(54)까지 점진적으로 감소한다.
하나의 실시예에서, 급변부(34)를 포함한 절연체 노즈 직경(Dn)은 쉘(30)의 쉘 보어 직경(Ds)보다 작다. 이는 쉘(30)을 통해 절연체 노즈 단부(54)를 삽입하고 절연체 숄더(68, 72)에 대하여 쉘(30)을 클램핑(clamping)함으로써 점화기(20)가 형성될 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 급변부(34)를 포함한 절연체 노즈 직경(Dn)은 쉘(30)의 쉘 보어 직경(Ds)보다 크거나 같고, 점화기(20)는 쉘 보어 직경(Ds)을 통해 절연체 상단부(52)를 삽입함으로써 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 코로나 점화기(20)는 제1 터미널 단부(86)에 있는 (도시되지 않은) 터미널 와이어에 전기적으로 연결하고, (도시되지 않은) 전원에 전기적으로 연결하기 위해 절연체(28) 내에 수용된 터미널(84)을 포함한다. 터미널(84)은 전기 도전성 재료로 이루어지고, 제1 터미널 단부(86)에 있는 전원으로부터 높은 무선주파수 전압을 수신하고, 하부 쉘 단부(88)에서 중심 전극(22)으로 높은 무선주파수 전압을 전송한다. 제2 터미널 단부(88)는 전극 터미널 단부(42)와 전기적으로 연결된다. 전기 도전성 재료로 이루어진 시일링(sealing) 층(90)은터미널(84)로부터의 에너지를 중심 전극(22)에 제공하기 위해 제2 터미널 단부(88)와 전극 터미널 단부(42) 사이에 배치되어 전기적으로 연결한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 쉘(30)은 실린더 헤드(36) 내에, 절연체(28) 둘레에 환형으로 배치된다. 쉘(30)은 내측 쉘 표면(92) 및 절연체(28)로부터 멀어지게 바깥쪽을 향하는 반대 반향의 외부 쉘 표면(94)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 외부 쉘 표면(94)은 실린더 헤드(36)의 점화기 슬롯(98)과 맞물리고 실린더 헤드(36)에 점화기(20)를 고정시키는 복수의 나사산(96)을 포함한다.
쉘(30)은 철과 같은 금속 재료로 이루어진다. 쉘(30)은 절연체(28)를 따라 상부 쉘 단부(100)에서 하부 쉘 단부(76)까지 세로방향으로 뻗는다. 하부 쉘 단부(76)는 절연체 노즈 부(74)가 하부 쉘 단부(76)의 외부로 돌출되도록 절연체 노즈 부(74) 및 절연체 제2 부분(70)의 경계에 배치된다. 내측 쉘 표면(92)은 절연체(28)를 향하고, 절연체(28)를 수용하기 위해 상부 쉘 단부(100)에서 하부 쉘 단부(76)까지 전극 중심축(ae)을 따라 세로방향으로 뻗은 쉘 보어를 가진다. 쉘 보어는 세로 방향의 전극 몸체부(46)와 대체로 수직으로 뻗은 쉘 보어 직경(Ds)을 가진다. 하나의 바람직한 실시예에서, 쉘 보어 직경(Ds)은 도 1a에 도시된 바와 같이 절연체 노즈 직경(Dn)보다 크다. 내측 쉘 표면(92) 및 절연체 외측면(32)은 그 사이에 쉘 갭(104)을 가진다. 쉘은 전형적으로 쉘(30)과 절연체(28)를 함께 고정시키기 위해 절연체 숄더(68, 72) 둘레로 구부러진다.
내연기관 애플리케이션에서 점화기(20)의 작동 동안, 높은 무선주파수 전압이 중심 전극(22)에 제공되어, 중심 전극(22)은 전형적으로 100 내지 100,000 볼트의 제1 전압을 가진다. 금속 쉘(30)은 접지되고, 제1 전압보다 낮은 전형적으로 0볼트인 제2 전압을 가진다. 그러므로, 쉘 갭(104)은 양전하 및 음전하를 가진 이온을 포함한 이온화된 가스로 채워진다. 전극 갭(60) 또한 작동 동안 이온화된 가스로 채워진다. 그러므로, 전기장 및 전압 전위 경사는 절연체 외측면(32)을 따라, 매트릭스(62)를 통해, 중심 전극(22)까지 형성된다. 도 1b 및 3은 본 발명의 두 실시예에 따른 절연체(28)의 단면에서의 전형적인 전위 패턴을 도시한다. 도 2는 도 1b의 절연체(28)의 전기장 및 전압 전위 경사의 도면이고, 도 4는 도 3의 절연체(28)의 전기장 및 전압 전위의 도면이다. 전기장 및 전압 전위 경사는 중심 전극(22) 및 쉘(30)의 형상 및 위치 및 절연체(28)의 유전율 및 형상 에 의존한다.
작동 동안, 예컨대, 전기적 사이클 중 한 순간 동안 중심 전극(22)은 100% 전압과 같은 최대 가능한 양 전압이고, 쉘(30)은 0% 전압과 같은 가장 낮은 가능한 전압으로 접지되어, 쉘 갭(104) 내의 양이온은 접지된 쉘(30)로 쉽게 통과할 수 있다. 쉘 갭(104)의 음이온 중 일부는 연소실(26)의 주변 공기의 양이온과 결합할 수 있다. 그러나, 쉘 갭(104)의 음이온 중 다른 일부는 절연체 외측면(32) 위로 중심 전극(22)의 전극 방전 단부(44)를 향해 전압 전위 경사를 따른다. 임이온이 중심 전극(22)에 도달하기 전에, 급변부(34)는 음이온을 절연체(28)로부터 멀리 밀어내고, 음이온들이 절연체(28)를 둘러싼 공기 내의 양이온과 결합하게 한다. 음이온은 감소하는 전압을 가진 절연체 노즈 부(74)를 따른 부분까지 이동하지 않고, 급변부(34)를 따라 급변부(34)를 지나간다. 그러므로, 급변부(34)는 음이온이 중심 전극(22)에 도달하고 쉘(30)에서 중심 전극(22)까지 도전 경로를 형성하여 전형적으로 전극 방전 단부(44)에서의 코로나 방전(24)을 고갈시키고 바람직하지 않은 파워 아킹을 만드는 것을 방지한다. 절연체(28)의 급변부(34)는 견고한 코로나 방전(24)을 유지하고, 급변부(34)가 없는 점화기와 비교하여 높은 품질의 점화를 제공한다.
도 2 및 4는 급변부(34)에 도달할 때까지, 절연체 외측면(32) 상으로 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 절연체 노즈 단부(54)를 향한 세로방향인 제1 방향으로 지속적으로 그리고 연속적으로 증가하는 전압을 가진 본 발명의 절연체(28)를 도시하는 도면을 포함한다. 그 다음, 절연체(28)의 전압은 급변부(34)에서 제1 방향으로 감소한다.
절연체(28)의 전압은 급변부(34)에 도달할 때까지, 절연체 외측면(32) 상으로 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 절연체 노즈 단부(54)를 향한 세로방향인 제1 방향으로 정렬된 전압 전위 경사를 가진다. 절연체 외측면(32)은 전압 전위 경사를 역전시킨다. 전압 전위 경사는 급변부(34)에서 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 정렬된다.
높은 무선주파수 전압이 중심 전극(22)에 제공되고, 절연체(28)는 또한 전기장을 가진다. 이 전기장은 절연체 외측면(32)에서부터 매트릭스(62)를 통해 중심 전극(22)을 향하는 방사상 제1 방향으로, 그리고 절연체 외측면(32) 상에서 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 절연체 노즈 단부(54)를 향해 세로방향으로 정렬된다. 절연체 외측면(32)의 전기장이 급변부(34)에 도달한 때 급변부(34)는 전기장을 역전시킨다. 그 다음, 이 전기장은 급변부(34)에서 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 정렬된다.
이와 유사하게, 전극 갭(60) 내의 양이온은 전하, 전압, 및 전류가 역전된 채 절연체 외측면(32) 상으로, 매트릭스(62)를 통해 쉘(30)을 향하는 전압 전위 경사를 따른다. 급변부(34)는 또한 이러한 양이온을 절연체(28)로부터 멀리 밀어내고, 양이온들을 절연체(28) 주변의 공기 내의 음이온과 결합하게 한다. 양이온은 더 높은 전압을 가진 절연체 노즈 부(74)를 따른 부분으로 이동하지 못하고, 급변부(34)를 따라 급변부(34)를 지나갈 것이다. 급변부(34)는 양이온이 쉘(30)에 도달하는 것 및 중심 전극(22)에서 쉘(30) 까지 도전 경로를 형성하는 것을 방지하여, 전형적으로 바람직한 파워 아킹을 만들고 전극 방전 단부(44)에서의 코로나 방전(24)을 고갈시키는 것을 방지한다. 그러므로, 절연체(28)의 급변부(34)는 견고한 코로나 방전(24)을 유지하고, 급변부(34) 없는 점화기와 비교하여 더 높은 품질의 점화를 제공한다.
비교를 위해, 도 7은 급변부가 없는 종래기술의 절연체, 및 그 절연체의 전형적인 전위를 보여준다. 도 8은 도 7의 절연체의 전기장 및 전압 전위 경사의 도면이다. 절연체의 전압은 절연체 외측면에서 중심 전극까지 방사상 제1 방향으로, 그리고 절연체 외측면(32) 상으로 하부 쉘 단부 부근에서부터 노즈 단부까지 세로방향으로 지속적으로 그리고 연속적으로 증가한다. 전압 전위 경사는 또한 중심 전극을 향해 증가하고, 전기장은 중심 전극을 향해 이동한다.
본 발명과 달리, 쉘 갭의 음이온 중 적어도 일부는 절연체 외측면 상의 전압 전위 경사 및 전기장을 따라서 중심 전극에 도달한다. 음이온은 쉘에서 중심 전극까지 도전 경로를 형성하고, 바람직하지 않은 파워 아킹을 만들고 전극 접화 팁에서의 코로나 방전을 고갈시킨다. 그러므로, 종래기술의 절연체는 견고한 코로나 방전을 유지하지 못하고, 본 발명에 의해 제공되는 정도의 품질의 점화를 제공하지 않는다.
본 발명의 다른 형태는 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은 전기 절연 재료로 이루어진 절연체(28)를 제공하는 단계를 포함한다. 절연체(28)는 절연체 보어 및 각각 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗은, 반대 방향의 절연체 외측면(32)을 가진 절연체 내측면(56)을 포함한다. 본 방법은 또한 절연체 노즈 부(74) 내에 절연체 보어에 대하여 방사상으로 뻗은 급변부(34)를 제공하는 단계, 또는 절연체 노즈 부(74)를 따라 급변부(34)를 형성하는 단계를 포함한다.
본 방법은 또한 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극(22) 및 금속 재료로 이루어진 쉘(30)을 제공하는 단계, 및 하부 쉘 단부(76)에서 상부 쉘 단부(100)까지 세로방향으로 뻗은 쉘 보어를 가진 내측 쉘 표면(92)을 포함시키는 단계를 포함한다.
그 다음, 본 방법은 절연체 내측면(56)을 따라 절연체 보어 내에 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극(22)을 배치하는 단계를 포함한다. 그 다음, 절연체(28)가 쉘 보어 내에 배치된다. 하나의 실시예에서, 절연체(28)를 쉘 보어 내에 배치하는 단계는 절연체(28)를 상부 쉘 단부(100)에 있는 쉘 보어를 통해 삽입하는 단계, 및 절연체 노즈 부(74)가 하부 쉘 단부(76)를 지나 하부 쉘 단부(76) 외부에 배치될 때까지 쉘 보어를 통해 절연체(28)를 밀어넣는 단계를 포함한다. 그 다음, 본 방법은 쉘 보어 내에 절연체(28)를 배치한 후, 절연체 숄더(68, 72)에 대하여 쉘(30)을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 형성 단계는 전형적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 쉘(30)이 절연체 상부 숄더(68)에 놓이도록, 절연체 상부 숄더(68)에 대하여 상부 쉘 단부(100)를 변형시키고 클램핑하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 쉘 보어 내에 절연체(28)를 배치하는 단계는 하부 쉘 단부(76)에 있는 쉘 보어를 통해 절연체(28)를 삽입하는 단계 및 쉘 보어를 통해 절연체(28)를 밀어넣는 단계를 포함한다. 대안으로서, 점화기(20) 형성하기 위한 다른 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 수정 및 변형이 상기 교시를 통해 가능하며, 청구된 청구항의 범위 내에서 구체적으로 서술된 것과 달리 실시될 수도 있음이 명백하다. 또한, 청구항에서의 참조번호는 단지 편의를 위한 것일 뿐이며, 임의의 제한하는 방법으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 혼합기(fuel-air mixture)를 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 코로나 점화기(20)로서,
    높은 무선주파수 전압을 수신하여 혼합기를 이온화하고 상기 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 무선주파수 전기장을 방출하는 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극(22),
    상기 중심 전극(22)을 따라 뻗은 금속 재료로 이루어진 쉘(30), 및
    상기 중심 전극(22)과 상기 쉘(30) 사이에 배치된 전기 절연 재료로 이루어진 절연체(28)를 포함하고,
    상기 쉘(30)은 상부 쉘 단부(100)로부터 하부 쉘 단부(76)까지 세로방향으로 뻗어 있고,
    상기 절연체(28)는 상기 중심 전극(22)으로부터 먼쪽을 향하는 절연체 외측면(32)을 포함하고, 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗어 있고, 상기 중심 전극(22)에 대하여 방사상 바깥쪽으로 뻗은 급변부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 중심 전극(22)과 대향하는 절연체 내측면(56)을 포함하고 상기 절연체 내측면(56)에서 상기 절연체 외측면(32)까지 뻗은 국부 두께(t)를 가지고, 상기 급변부(34)는 상기 쉘(30)로부터 상기 절연체 노즈 단부(54)를 향해 이동하는 방향으로의 상기 국부 두께(t)의 증가부인 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서 상기 절연체 노즈 단부(54)까지 뻗은 절연체 노즈 부(74)를 포함하고, 상기 절연체 노즈 부(74)에는 상기 급변부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 절연체 노즈 부(74)는 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서 상기 절연체 노즈 단부(54)까지 뻗은 노즈 길이(l)를 가지고, 상기 급변부(34)는 상기 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 상기 국부 두께(t)의 적어도 15% 증가부인 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 급변부(34)는 상기 노즈 길이(l)의 25% 미만에 걸쳐 상기 국부 두께(t)의 적어도 25% 증가부인 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 중심 전극(22)을 향해 방사상으로 뻗은 노치를 포함하고, 상기 급변부(34)는 상기 쉘(30)과 대향하는 상기 노치의 측면(82)인 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 측면(82)은 30도 초과의 플랭크 각(α)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 중심 전극(22)으로부터 멀어지도록 방사상으로 뻗은 돌출부를 포함하고, 상기 급변부(34)는 상기 쉘(30)과 대향하는 상기 돌출부의 측면(82)인 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 측면(82)은 30도 이상의 플랭크 각(α)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체 외측면(32)은 상기 급변부(34)를 제공하는 적어도 하나의 매끄러운 트랜지션(78)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체 외측면(32)은 상기 급변부(34)를 제공하는 적어도 하나의 날카로운 에지(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 중심 전극(22)에 수직으로 뻗은 절연체 노즈 직경(Dn)을 가지고, 상기 절연체 노즈 직경(Dn)은 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 상기 급변부(34)를 향해 점점 감소하고, 상기 급변부(34)에서 증가하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 절연체 외측면(32)에서부터 상기 중심 전극(22)을 향해 방사상 방향이고 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서 상기 절연체 노즈 단부(54)를 향해 상기 급변부(34)까지 상기 절연체 외측면(32) 상에서 세로방향인 제1 방향으로 증가하는 전압, 및 상기 급변부(34)에서 상기 제1 방향으로 감소하는 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 절연체 외측면(32)에서부터 상기 중심 전극(22)을 향해 방사상 방향이고 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 상기 절연체 노즈 단부(54)를 향해 상기 절연체 외측면(32) 상에서 세로방향인 제1 방향으로 정렬된 양(positive)의 전기장을 가지고, 상기 급변부(34)는 상기 전기장이 상기 급변부(34)에서 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 정렬되도록 전기장을 역전시키는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체(28)는 상기 절연체 외측면(32)에서부터 상기 중심 전극(22)을 향해 방사상 방향이고 상기 하부 쉘 단부(76) 부근에서부터 상기 절연체 노즈 단부(54)를 향해 상기 절연체 외측면(32) 상에서 세로방향인 제1 방향으로 정렬된 전압 전위 경사를 가지고, 상기 급변부(34)는 상기 전압 전위 경사가 상기 급변부(34)에서 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 정렬되도록 상기 전압 전위 경사를 역전시키는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 쉘(30) 및 상기 절연체(28)는 그 사이가 양이온 및 음이온을 포함하는 이온화된 가스로 채워진 쉘 갭(104)을 포함하고, 복수의 상기 음이온은 상기 전기 절연 재료를 통해 상기 절연체 외측면(32)을 따라 상기 급변부(34)까지 이동하고, 상기 급변부(34)는 상기 음이온을 밀어내는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 전극(22) 및 상기 절연체(28)는 그 사이가 양이온 및 음이온을 포함하는 이온화된 가스로 채워진 전극 갭(60)을 포함하고, 복수의 상기 양이온은 상기 전기 절연 재료를 통해 상기 절연체 외측면(32)을 따라 상기 급변부(34)까지 이동하고, 상기 급변부(34)는 상기 양이온을 밀어내는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20).
  18. 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법으로서,
    각각 절연체 상단부(52)에서 절연체 노즈 단부(54)까지 세로방향으로 뻗은, 절연체 보어(bore)를 구비한 절연체 내측면(56), 및 반대 방향의 절연체 외측면(32)을 포함하는 전기 절연 재료로 이루어진 절연체(28)를 제공하는 단계,
    상기 절연체 보어 내에 전기 도전성 재료로 이루어진 중심 전극(22)을 배치하는 단계,
    하부 쉘 단부(76)에서 상부 쉘 단부(100)까지 세로방향으로 뻗은 쉘 보어를 포함하는 내측 쉘 표면(92)을 가진 금속 재료로 이루어진 쉘(30)을 제공하는 단계,
    상기 셀 보어 내에 상기 절연체(28)를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 절연체(28)는 상기 절연체 노즈 단부(54) 부근에 절연체 노즈 부(74)를 포함하고, 상기 절연체 노즈 부(74)의 상기 절연체 외측면(32)은 상기 절연체 보어에 대하여 방사상으로 뻗은 급변부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 쉘 보어 내에 상기 절연체(28)를 배치하는 단계는 상기 급변부(34)를 포함하는 절연체 노즈 부(74)를 상기 상부 쉘 단부(100)에 있는 상기 쉘 보어를 통해 하부 쉘 단부(76)를 지나도록 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 쉘 보어 내에 상기 절연체(28)를 배치하는 단계 후에 상기 절연체(28) 둘레에 상기 쉘(30)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 점화기(20)를 형성하는 방법.
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