이동 불꽃 점화기를 고압에서 동작시키기 위한 방법 및장치 document_id A220623068437

다양한 이유로, 내연 기관 및 유사한 연소 환경에서 압력을 증가시키는 것이 최근 관심사가 되고 있으며, 여기에는 이들 환경에서 동작할 수 있는 점화원에 대한 수요가 동반된다. 예로서, 자동차 회사 및 내연 기관의 제조업자들은 종래의 내연 기관보다 매우 높은 압력에서 동작하는 IC 기관을 갖는 차량을 제공할 수 있게 되는 것을 선호한다. 그러나, 현재까지, 이런 기관을 위한 효율적이고 실용적인 점화 시스템은 존재하지 않는다. 무엇보다도, 관심사는 점화기(스파크 플러그)의 수명 및 점화기 발화의 신뢰성이다. 이동 불꽃 점화기(TSI)는 내연 기관을 위한 촉망되는 스파크 플러그 대체물로서 논의되어온 장치이지만, 고압 기관에 대해서는 종전에 고려된 바 없다. 예를 들어, TSI는, 예로서 양자 모두가 본 발명과 동일한 양수인에게 양도되어 있고 TSI 장치 및 점화 시스템에 대한 그 설명에 대해 그 전체가 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제6,321,733호 및 제6,474,321호를 포함하는 다수의 이전 특허들에 개시되어 있다. 간단히, TSI-기반 점화 시스템은 로렌쯔 힘에 의해 (열적 힘과 함께, 보다 적은 정도로) 점화기의 전극을 따라 전파되고, 연소실 내로 추진되는 대형 플라즈마 핵(large plasma kernel)을 제공한다. 점화 핵(즉, 플라즈마)상에 작용하는 로렌쯔 힘은 플라즈마 내의 방전 전류에 의해 생성되며, 플라즈마는 점화기의 전극에서 동일한 전류에 의해 유발되는 자기장과 상호작용한다. 로렌쯔 힘의 크기는 이 전류의 제곱에 비례한다. 정상 압력(즉, 약 120psi의 최대치)에서 동작하는 기관에서, 이동 불꽃 점화기는 비슷한 방전 에너지에 대하여, 이들이 생성하는, 종래의 스파크 플러그보다 약 100-200배 큰 대형 플라즈마 체적 때문에, 종래의 스파크 플러그에 비해 현저한 장점을 제공한다. 증가된 효율과 감소된 배기물이 달성될 수 있다. 그러나, 보다 높은 기관 동작 압력에 대하여, 점화기의 전극들 사이에 방전을 개시하기 위해 필요한 브레이크다운(breakdown) 전압은 종래의 압력에서 동작하는 기관보다 현저히 높다. 이는 임의의 스파크 플러그에 대해서와 같이, TSI에 대해 문제점을 유발한다. 종래의 스파크 플러그에서와 같이, TSI의 전극은 절연체라 지칭되는 부재에 의해 이격된 관계로 유지되며, 이 절연체는 세라믹 같은 절연 재료로 형성된다. 높은 브레이크 전압은 절연체와 전극 양자 모두에 문제점을 유발한다. 전극들 사이에서 연장하는 절연체의 표면을 따른 브레이크다운 전압은 TSI, 또는 전극들 사이에 유사한 간극을 갖는 임의의 종래의 스파크 플러그에서 전극을 더 따른 것보다 낮다. 사실, 브레이크다운 전압의 이러한 차이는 연소실 내의 증가하는 압력에 직결되어 변한다. 결과적으로, 절연체 표면을 따른 브레이크다운 전압이 압력과 함께 증가하더라도, 이러한 증가는 절연체 표면으로부터 떨어진 전극의 노출부 사이의 브레이크다운 전압의 증가보다 작다. 브레이크다운이 발생할 때 (그 결과로서, 플라즈마를 통한 저항이 급속히 강하함), 전류는 급속히 상승하고, 절연체 표면을 따라 플라즈마를 형성하는 데 매우 큰 전류가 전도되어, 플라즈마 상에 작용하는 로렌쯔 힘의 증가를 유발한다. 이러한 급속히 상승하는 전류는 매우 고온의 플라즈마를 생성하기도 하지만, 절연체의 표면 부근에 강력한 충격파도 생성한다. 이 전류가 크면 클수록, 플라즈마 팽창과 그에 따른 결과 충격파가 빨라진다. 이들의 조합된 효과는 절연체의 변형 및/또는 파괴를 유발할 수 있다. 부가적으로, 높은 전류는, 높은 전류, 가열 및 그로부터 초래되는 열이온 방출에 의해 영향을 받는 절연체 표면 부근에서 전극의 매우 급속한 침식을 발생시킨다. 유사한 문제점이 고 형상비 방전 간극(저 형상비 방전 간극을 갖는 TSI와는 대조적으로)을 따라 이동하는 플라즈마 내에 로렌쯔 힘을 발생시키는 텍사스 대학(University of Texas) "레일플러그(railplug)"에 기초한 점화기에서도 증명되었다. 레일플러그 및 TSI 양자 모두가 비교적 저압에서 현저한 플라즈마 이동을 발생시키지만, 연소실 압력이 고압으로 증가될 때, 플라즈마는 다르게 거동하며, 이는 불만스러운 결과를 초래하는 거동의 이러한 차이이다. 저압 환경에서, 압력에 의해 플라즈마 상에 작용되는 힘은 비교적 작다. 플라즈마는 로렌쯔 힘에 응답하여 쉽게 전극을 따라 이동한다. 그러나, 점화실 압력이 증가되면, 이 압력은 로렌쯔 힘에 저항하고, 그에 따라 플라즈마 이동에 저항하는 현저한 크기의 힘을 제공한다. 결과적으로, 플라즈마는 보다 집중되고 자체적으로 쇠약해지는 경향을 갖고, 특정 전류 임계치 미만에서, 분산된 플라즈마 구름을 갖는 대신, 매우 국지적인 플라즈마-아크-가 전극 사이에 형성된다. 이 아크는 비록, 저압의 경우 플라즈마 구름보다 매우 작은 체적을 점유하지만, 유사한 에너지를 수용한다. 결과적으로, 전류 밀도가 보다 높고, 아크가 존재하는 전극에서, 아크-전극 계면에 보다 높은 국지적 온도와 보다 많은 전력 밀도가 존재한다. 즉, 이들 계면에서 전류 밀도가 매우 높아 저압 환경보다 전극에 국지적 가열을 더 유발한다. 순차적으로, 전극의 국지적 가열은 전자 및 이온의 열이온 방출을 유발한다. 관찰되는 영향은 아크가 전극 상의 비교적 고정된 위치에서 자체적으로 "부착"하는 것으로 보여, "부착점"에 전체 방전 에너지가 누적될 때 전극의 침식을 유발하고, 이는 저밀도의 분산된 플라즈마 접촉 영역이 전극에 대한 현저한 훼손 없이 전극을 따라 이동하는 저압 환경과는 대조적이다. 동시에, 로렌쯔 힘 및 열적 힘에 의해 영향을 받는 플라즈마는 아크 부착점으로부터 물러난다(bow out). 이는 자기장 라인이 더 이상 전극들 사이의 전류에 직교하지 않게 하여 주어진 전류에 의해 발생되는 로렌쯔 힘의 크기를 감소시킨다. 따라서, 다른 문제점들에 부가하여, 플라즈마에 인가되는 기동력에 손실이 있다. 전체적으로, 저압 환경에 비해, 플라즈마 이동이 감소하며, 아크 부착점에서 전극 마모가 현저히 증가된다. 따라서, 일반적으로 플라즈마 발생기에 대한 수요, 개선된 점화 시스템에 대한 수요, 내연 기관에 사용하기 위한 점화 시스템에 대한 수요 및 고압 기관과 함께 사용할 수 있으면서 상업적으로 실용적인, 대형 점화 핵을 발생시키는 점화 시스템 및 방법에 대한 수요를 포함하는 다양한 수요가 존재한다. 이동 불꽃 점화기가 고압 연소 환경에서 사용되는 경우, 점화기의 전극과 절연체 재료에 대한 상술한 부정적 영향을 극복할 필요가 또한 존재한다. 예로서, 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,704,321호, 제6,131,542호, 제6,321,733호, 제6,474,321호, 제6,662,793호 및 제6,553,981호를 참조하기 바란다. 즉, 절연체와 전극이 방전에 의해 파괴되지 않고 상당한 (바람직하게는, 저압 기관에서 종래의 스파크 플러그에 비견할만한) 수명을 나타내는, 고압 연소 기관에 사용하기 위한 점화기 및 점화 시스템에 대한 수요가 존재한다. 바람직하게, 이런 이동 불꽃 점화기 및 점화 시스템은 고압 및 초고압(즉, 수백 psi)에서 뿐만 아니라, 보다 낮은 종래의 압력에서도 내연 기관 작동에 사용 가능하고 유용할 것이다.