KR100950690B1

KR100950690B1 - 점화플러그

Info

Publication number: KR100950690B1
Application number: KR1020087031276A
Authority: KR
Inventors: 엄대열; 김낙준; 배준호; 송석기; 김현중; 임종현
Original assignee: 주식회사 유라테크
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2010-03-31
Also published as: CN101622443A; JP4927955B2; EP2122156A4; EP2122156A1; US8217562B2; WO2008093922A1; JP2010517248A; KR20090029225A; US20100026159A1; CN101622443B; EP2122156B1

Abstract

내연기관용 점화 플러그에 사용되는 점화플러그가 개시된다. 점화플러그는 중심전극; 상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체; 상기 절연체의 외부에 배치된 금구; 일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및 상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함한다. 상기 전극팁은 Ir, Hf 및 Nb합금으로 형성된다. 따라서, 저가의 이리듐을 사용하면서도, 고속으로 지속적으로 달리는 조건에 있어서도 이리듐 성분의 산화와 증발에 의해 소모되는 것에 대한 충분한 저항성을 갖도록 한다.

Description

점화플러그{IGNITION PLUG}

본 발명은 내연기관용 점화 플러그에 관한 것이다.

자동차 엔진과 같은 종래의 내연기관용 점화 플러그는 스파크 소모에 대한 저항성을 높이기 위해 전극의 단부에 백금과 같은 귀금속 재질로 형성된 전극팁이 사용되었다. 그러나, 귀금속은 대부분 고가이어서 고급 차량에 많이 사용되며, 중저가의 차량에는 이리듐(Ir)이 주로 사용된다.

그러나 이리듐은 산화하기 쉽고 900도 내지 1000도의 고온에서 증발하기 쉽다는 단점이 있다. 따라서, 이리듐이 전극의 점화부에 직접적으로 사용된다면 산화 증발에 의해서 쉽게 소모된다. 따라서 전극의 점화부에 이리듐을 사용하는 점화 플러그는 도시의 도로에서 운전하는 경우와 같이 저온 조건에서는 내구성이 매우 높지만, 고속으로 지속적으로 달리는 동안은 내구성이 매우 떨어진다.

자세히 살펴보면, 전극팁의 주요성분인 이리듐은 산화시 산소와 결합하는 데, IrO₂의 경우 비휘발성을 갖기 때문에 내부식성을 갖고 있지만 온도가 높아지면(약 900도씨) 휘발성의 IrO₃가 생성된다. 실린더 내부의 온도는 보통 1000도씨 심할 경우에는 2000도씨 정도까지 올라가기 때문에 휘발성의 IrO₃가 주로 생성된다. 내부식 성이 약한 IrO₃를 막아주기 위해서 Rh이 많이 사용된다. Ir-Rh 합금은 고온에서 산화가 되면 합금의 표면으로 RhO ₂가 생성되어 전극팁 표면을 덮는 현상이 일어나는 데 이는 IrO₃의 휘발을 막아주는 역할을 한다. 따라서, 고온에서 작동을 하여도 전극팁이 쉽게 소모되는 것을 방지하여 준다.

그러나, Rh의 경우 고가에 속하므로 보다 저렴하고 동등한 효과를 발휘하는 합금이 요구되고 있다.

기술적 과제

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 저가의 이리듐을 사용하면서도, 도시의 도로에서 운전하는 경우와 같이 저온 조건하에서뿐만 아니라, 고속으로 지속적으로 달리는 조건에 있어서도 이리듐 성분의 산화와 증발에 의해 소모되는 것에 대한 충분한 저항성을 갖는 점화 플러그를 제공함을 그 목적으로 한다.

기술적 해결방법

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 중심전극; 상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체; 상기 절연체의 외부에 배치된 금구; 일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및 상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁; 을 포함하고, 상기 전극팁은 Ir, Hf 및 Nb합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 점화 플러그를 제공한다.

여기서, 상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Hf이 0.1wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.1wt％ 내지 7.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 효과적이다.

한편, 본 발명은 다른 실시예로서, 중심전극; 상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체; 상기 절연체의 외부에 배치된 금구; 일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및 상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁; 을 포함하고, 상기 전극팁은 Ir, Rh, Hf합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 점화 플러그를 제공한다.

여기서, 상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Hf이 0.01wt％ 내지 3.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 효과적이다.

또한, 상기 전극팁은 Nb이 더 추가되어 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.01wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 바람직하다.

한편 본 발명은 또 다른 실시예로서, 중심전극; 상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체; 상기 절연체의 외부에 배치된 금구; 일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및 상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함하고, 상기 전극팁은 Ir, Ru 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 점화 플러그를 제공한다.

여기서, 상기 전극팁 전체에 대해서 상기 Ru이 1.0wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전극팁은 Hf이 더 추가되어 형성된 것이 효과적이다.

그리고, 상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Hf이 0.01wt％ 내지 3.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전극팁은 Nb이 더 추가되어 형성된 것이 효과적이다.

여기서, 상기 전극팁은 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.01wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것이 바람직하다.

유리한 효과

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 점화 플러그는 저가의 이리듐을 사용하면서도, 도시의 도로에서 운전하는 경우와 같이 저온 조건하에서뿐만 아니라, 고속으로 지속적으로 달리는 조건에 있어서도 이리듐 성분의 산화와 증발에 의해 소모되는 것에 대한 충분한 저항성을 갖는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

도 1은 점화 플러그의 일부 파단 단면도

도 2는 도 1의 중심전극 및 접지전극의 일부 확대 단면도

도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 전극팁을 산화전에 성분분석한 그래프

도 4는 도 3의 전극팁을 산화 후에 성부분석한 그래프

발명의 실시를 위한 형태

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 점화 플러그의 일부 파단 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 점화 플러그는 중심전극(3)과, 중심전극(3)의 외부에 배치된 절연체(2)와, 절연체(2)의 외부에 배치된 금구(1)와, 일단은 금구(1)에 연접하고 타단은 중심전극(3)에 대항되는 접지전극(4)을 포함한다. 중심전극(3)과 접지전극(4)의 마주 보는 위치에는 전극팁(31, 32)이 형성된다.

도 2는 도 1의 중심전극 및 접지전극의 일부 확대 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 중심전극(3)의 주요본체(3a)는 그 단부에서 테이퍼지고, 그 단부면은 평평하게 형성된다. 전극팁(31)은 디스크형상으로 형성되며 평평한 단부면에 배치되고, 레이저접합, 전자빔 접합, 저항접합 또는 그밖의 적절한 접합기술이 접합선(W)을 형성하기 위해 연접면의 외면에 응용되고, 이로 인해 전극팁(31)은 중심전극(3)의 단부면에 단단히 고정된다. 대향 되는 전극팁(32)은 접지전극(4)에 배치되고, 접합선(W)은 유사하게 연접면의 외면에 형성되며, 이로 인해 전극팁(32)은 접지전극(4)에 단단히 고정된다.

상황에 따라 2개의 대향하는 전극팁(31, 32)중 하나를 생략할 수도 있다. 만약 그런 경우에는 스파크 방전 간극(g)은 전극팁(31, 32) 중 하나와 접지전극(4)(또는 중심전극(3)) 사이에서 형성된다.

전극팁(31, 32)은 필요 합금 성분을 혼합하고 그 혼합물을 녹여서 얻은 용해된 물질로부터 형성되거나, 조밀한 합금 분말형으로 만들거나 또는 기본적인 금속성분분말을 특정한 비율로 혼합하고 그 조밀한 합금분말을 소결하여 얻어진 소결체로부터 형성될 수 있다.

만약 전극팁(31, 32)이 용해된 합금으로 형성되면 용해된 합금의 생물질은 롤링작업, 불리는 작업, 잡아 늘리는 작업, 절단작업, 전단(剪斷)작업, 소거작업 중의 하나 이상을 포함하는 작업공정을 거칠 수 있고, 이로 인해 전극팁은 특정한 형상으로 생산된다.

이하에서는 전극팁의 합금 성분에 대해서 살펴본다.

전술한바와 같이, RhO₂가 전극팁의 표면을 덮어 IrO₃의 휘발을 막아주는 역할을 한다. Rh의 이러한 역할을 수행할 수 있는 첨가원소를 개발하는 것이 본 발명의 목적이다. 수많은 경도가 높은 원소를 포함한 합금을 가지고 실험한 결과, 아래의 실시예들과 같은 유효한 성능을 발휘하는 합금 원소들을 발견할 수 있었다.

실시예 1

도 3 및 도 4는 전극팁의 제 1 실시예의 성분에 대한 X-Ray 회절 분석 결과이다.

제 1 실시예의 전극팁은 Ir-Hf3.0wt％-Nb5.0wt％ 조성비로 이루어진 합금으로써, 도 3의 그래프는 산화 전의 성분 분석 결과이고, 도 4의 그래프는 산화 후의 성분 분석 결과이다.

산화 전의 그래프에서 가장 큰 피크값을 가지는 성분은 Ir₃Hf 였다. 산화 후의 그래프에서는 Ir₃Hf 성분은 없어지고 HfO₂가 가장 많이 생성되었다. 즉, 산화 후 그래프에서 가장 큰 피크값을 가지는 성분이 HfO₂이다. HfO₂는 RhO₂와 같이 Ir 팁의 표면에 형성되어 휘발성의 IrO₃의 휘발을 막아주는 역할을 한다.

이를 실험을 통해서 확인하기 위해서 Hf과 Nb의 성분비를 변화시키면서 간극(g)의 성장률을 측정하였다. 간극 성장률은 최초 간극에 대해서 더 발생한 간극의 비율이다. 실험조건은 엔진실험장치에서 6,000rpm으로 300시간 가동한 결과이다. 이후의 실시예에서도 동일한 조건으로 실험하였다.

그 결과는 아래의 [표1]과 같다.

표 1

실험결과를 살펴보면, Hf 만 추가 했을 때, Hf의 성분비가 0.1wt％∼5.0wt％에서 간극 성장률이 Ir 단독일 때에 비해서 현저히 적어져 있음을 파악할 수 있다. 또한, Hf 만 추가했을 때, 가장 작은 간극 성장률을 보인, Hf 3.0wt％를 기준으로 볼 때, Nb를 혼합한 경우, 한 경우를 제외하고는 간극 성장률이 줄어들었음을 알 수 있다. 특히 Nb 1.0wt％∼Nb 7.0wt％에서 간극 성장률이 현저히 줄어들었음을 알 수 있다.

실시예 2

실시예 2는 Ir-Rh 5.0wt％에 Hf 및 Nb의 비율을 달리하여 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표2]와 같다.

표 2

실험결과를 살펴보면, Rh과 Hf 을 추가했을 때, Ir 만 있을 때 보다 훨씬 적은 간극 성장률을 가지며, 가장 작은 간극 성장률을 가지는 Ir-Rh 5.0wt％-Hf 1.0wt％를 기준으로 볼 때, Nb 0.1wt％∼Nb 5.0wt％에서 간극 성장률이 줄어 들었음을 알 수 있다. 특히, Nb 3.0wt％ 부근에서 간극 성장률이 현저히 준 것을 확인할 수 있다.

실시예 3

실시예 3은 Ir-Rh 3.0wt％에 H의 비율을 달리하여 시험을 하였다. 또한, 실시예 2보다 Hf의 양이 미세한 경우도 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표3]과 같다.

표 3

실험결과를 살펴보면, Rh과 Hf 을 추가했을 때, Ir 만 있을 때 보다 훨씬 적은 간극 성장률을 가지는 것을 알 수 있다. 실질적으로 간극 성장률이 3.0 이내인 경우, Ir에 비해서 내구성이 월등하다고 했을 때, Hf이 0.01wt％ ∼ 3.0wt％ 일때 모든 향상된 내구성을 보여주고 있다. 다만, Hf이 3.0wt％를 초과했을 때에는 취성에 의해서 전극팁의 제조가 불가능하였다.

실시예 4

실시예 4는 Ir-Rh 3.0wt％-Hf 0.01wt％에 Nb의 비율을 달리하여 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표4]와 같다.

표 4

실험결과를 살펴보면, Nb 0.01wt％∼Nb 5.0wt％에서 간극 성장률이 0.3 이하임을 알 수 있다. 특히, Nb 1.0wt％ 부근에서 간극 성장률이 현저히 준 것을 확인할 수 있다.

실시예 5

실시예 5는 Ir-Ru(ruthenium) 합금을 비율을 달리하여 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표5]와 같다.

표 5

실험결과를 살펴보면, Ru으로 합금을 하였을 때, Ir 단독보다는 마모율이 많이 줄어 들었으며, 특히, Ru 0.5 wt％ ∼ Ru 5.0wt％에서 간극성장률 0.3 이하의 향상된 내마모성을 보여줬다.

실시예 6

실시예 6은 Ir-Ru 4.0wt％에 Hf의 비율을 달리하여 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표6]과 같다.

표 6

실험결과를 살펴보면, Ru과 Hf 을 추가했을 때, Ir 만 있을 때 보다 훨씬 적은 간극 성장률을 가지는 것을 알 수 있다. 실질적으로 간극 성장률이 3.0 이내인 경우, Ir에 비해서 내구성이 월등하다고 했을 때, Hf이 0.01wt％ ∼ 3.0wt％ 일때 모두 향상된 내구성을 보여주고 있다. 다만, Hf이 3.0wt％를 초과했을 때에는 취성에 의해서 전극팁의 제조가 불가능하였다.

실시예 7

실시예 7은 Ir-Ru 4.0wt％-Hf 0.01wt％에 Nb의 비율을 달리하여 시험을 하였다.

그 결과는 아래의 [표7]과 같다.

표 7

실험결과를 살펴보면, Nb 0.01wt％∼Nb 5.0wt％에서 간극 성장률이 0.3 이하임을 알 수 있다. 특히, Nb 2.0wt％ 부근에서 간극 성장률이 현저히 준 것을 확인할 수 있다.

점화 플러그(100)는 다음과 같은 동작방식에 따라 작동한다. 점화 플러그(100)는 나삿니부분(7)에 의해 엔진블럭에 끼워지고, 연소실로 공급되는 공기와 연 료의 혼합물이 점화플러그의 스파크 방전 간극(g) 사이에 위치한다. 2개의 전극팁(31,32)은 전술한 합금으로 만들어지기 때문에 이리듐의 산화와 증발로 인한 점화부의 소모는 충분히 억제되어 스파크 방전 간극(g)이 증가하는 것을 방지하고, 이로 인해 스파크 플러그(10)의 수명을 연장시킨다.

Claims

중심전극;

상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체;

상기 절연체의 외부에 배치된 금구;

일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및

상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함하고,

상기 전극팁은 Ir, Hf 및 Nb합금으로 형성되며,

상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Hf이 0.1wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
중심전극;

상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체;

상기 절연체의 외부에 배치된 금구;

일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및

상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함하고,

상기 전극팁은 Ir, Hf 및 Nb합금으로 형성되며,

상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.1wt％ 내지 7.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
제 1 항에 있어서,

상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.1wt％ 내지 7.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 3wt％ 내지 5wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
삭제
삭제
중심전극;

상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체;

상기 절연체의 외부에 배치된 금구;

일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및

상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함하고,

상기 전극팁은 Ir, Rh, Hf, Nb합금으로 형성되며,

상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.01wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
제 7 항에 있어서,

상기 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.1wt％ 내지 3.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
중심전극;

상기 중심전극의 외부에 배치된 절연체;

상기 절연체의 외부에 배치된 금구;

일단은 상기 금구에 연접하고, 타단은 상기 중심전극에 대항되는 접지전극; 및

상기 중심전극과 상기 접지전극 중 적어도 어느 하나에 고정되는 전극팁;을 포함하고,

상기 전극팁은 Ir, Ru, Hf 및 Nb 합금으로 형성되며,

상기 전극팁 전체에 대해서 상기 Ru이 1.0wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
삭제
제 9 항에 있어서,

상기 전극팁은 상기 전극팁 전체에 대해서 Hf이 0.01wt％ 내지 3.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.
삭제
제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 전극팁은 전극팁 전체에 대해서 Nb이 0.01wt％ 내지 5.0wt％ 범위만큼 함유된 것을 특징으로 하는 점화 플러그.