KR101508784B1 - 내연 엔진용 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

스파크 플러그는 그의 외주면 상에 평탄 영역 및 볼록 만곡 영역이 형성되는 접지 전극을 포함한다. 상기 평탄 영역은 상기 접지 전극의 선단면에 위치되고 상기 접지 전극의 길이 방향으로 상기 접지 전극의 선단면으로부터 0.2mm 이상의 길이를 갖는다. 상기 접지 전극은 상기 접지 전극의 길이 방향에 수직인 방향으로 상기 볼록 만곡 영역 및 상기 평탄 영역을 통하여 취해진 상기 접지 전극의 제 1 및 제 2 단면에 대하여 하기의 치수 조건(1)을 만족한다,

0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995 (1)

여기에서 S1은 상기 제 1 단면의 면적; L1은 상기 제 1 단면의 둘레 길이(perimeter); S2는 상기 제 2 단면의 영역; 그리고 L2는 상기 제 2 단면의 둘레 길이이다.

Description

내연 엔진용 스파크 플러그{SPARK PLUG FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 엔진에 사용하기 위한 스파크 플러그에 관한 것이다. 이하, “전방”이라는 용어는 스파크 플러그의 축 방향에 대하여 스파크 배출측을 칭하며, “후방”이라는 용어는 상기 전방측의 대향측을 칭한다.

내연 엔진용 스파크 플러그는 상기 스파크 플러그의 축방향으로 연장되는 중앙 전극, 상기 중앙 전극 주위에 배치되는 절연체, 상기 세라믹 절연체 주위에 배치되는 금속 쉘, 및 상기 금속 쉘의 전단측에 그의 후단측이 결합된 접지 전극을 포함한다. 일반적으로, 상기 접지 전극은 단면이 실질적으로 직사각형이며, 상기 중앙 전극의 전단부와 상기 접지 전극의 전단부 사이에 스파크 갭을 정의하기 위하여 상기 접지 전극의 전단부가 상기 중앙 전극의 전단부를 대향하도록 구부러져 있다. 경우에 따라, 스파크 마모 저항을 개선하기 위하여 상기 중앙 및 접지 전극의 전단부에 귀금속 합금 팁(귀금속 팁)이 결합된다.

상기 스파크 플러그가 엔진의 실린더 헤드 상에서 상기 접지 전극의 외부 (후)표면에 공기-연료 혼합물의 충돌을 유발하는 위치에 장착될 때에는, 상기 접지 전극이 상기 공기-연료 혼합물이 상기 스파크 갭으로 흐르는 것을 방해할 가능성이 있다. 이는 엔진 점화 성능의 변동을 초래한다.

이러한 점화 성능의 변동을 방지하기 위하여, 일본국 특허공개공보 평11-121142호는 2개 이상의 접지 전극을 갖는 스파크 플러그를 제안하는데, 이들 각각은 실질적으로 원형인 단면을 가짐으로써(즉, 실질적으로 원통형 형상), 상기 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극의 내주측으로 쉽게 흐르도록 하여 상기 공기-연료 혼합물로 하여금 상기 접지 전극의 외주면에 충돌되도록 하는 위치에 상기 스파크 플러그가 위치되는 경우에도 상기 공기-연료 혼합물이 상기 스파크 플러그에로 흐를 수 있도록 하기 위함이다.

최근 수년 동안, 과급기 및 가변 밸브 시스템의 조합을 다양화하면서 높은 압축비, 높은 출력 엔진이 개발되어 왔다. 또한, 상기 엔진 실린더에서 고압축 공기에 직접적으로 연료를 분사하는 인젝터가 마련된 소위 스프레이-가이드 직접-분사 엔진이 개발되어 왔다. 이들 엔진은 상당히 높은 실린더 온도에 달하는 경향이 있다. 이러한 높은 온도의 엔진 조건 하의 상기 직접 연료 분사에 의하면, 비교적 저온인 연료가 고온에 노출되는 상기 접지 전극에 직접 충돌되리라는 것을 예상할 수 있다. 이 경우, 상기 접지 전극은 상기 연료에 의하여 급격히 냉각되어 입자 결 함 형성 현상(소위 “웜홀현상(wormhole phenomenon)을 겪게 될 수 있고, 여기에서 일부 결정 입자는 그들의 결정 경계로부터 떨어져 나온다. 상기 입자 결함 형성 현상은 상기 원통형-형상 접지 전극의 경우 더 발생되기 쉽다.

그러므로, 본 발명의 목적은 직접 연료 분사 하에 결정 결함 형성으로부터 접지 전극을 보호하면서, 공기-연료 혼합물의 흐름 방향에 의하여 영향을 받지 않는, 엔진 점화 성능의 개선을 도모할 수 있는 내연 엔진용 스파크 플러그를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 특징에 의하면, 내연 엔진용 스파크 플러그는: 스파크 플러그의 축 방향으로 배열되는 원통형 금속 쉘; 상기 금속 쉘 내에 보유되는 원통형 절연체; 상기 절연체로부터 중앙 전극의 선단부가 돌출되도록 상기 절연체 내에 배치되는 컬럼-형상 중앙 전극. 및 상기 금속 쉘의 전단부에 후단부가 결합되는 접지 전극으로서, 상기 접지 전극의 선단부가 스파크 플러그의 축을 향하여 연장되어 상기 중앙 전극의 전단부와 상기 접지 전극의 선단부 사이에 스파크 갭을 구획하도록 구부러지며, 상기 절연체에 대향하는 내주면에 반대되게 외주면 상에 형성되며 상기 접지 전극의 길이 방향으로 상기 접지 전극의 선단면으로부터 0.2mm 이상의 길이를 갖는 평탄 영역과 상기 접지 전극의 외주면의 평탄 영역이 아닌 기타의 영역으로서 볼록하게 만곡된 영역을 포함하고, 상기 접지 전극의 길이 방향에 수직인 방향으로 상기 평탄 영역이 아닌 기타의 영역을 통하여 취해진 상기 접지 전극의 제 1 단면 및 상기 접지 전극의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 평탄 영역을 통하여 취해진 상기 접지 전극의 제 2 단면에 대하여 하기의 치수 조건(1)을 만족하는 접지 전극으로 이루어진다. 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995...(1) 여기에서 S1은 상기 제 1 단면의 면적; L1은 상기 제 1 단면의 둘레 길이; S2는 상기 제 2 단면의 영역; 그리고 L2는 상기 제 2 단면의 둘레 길이이다.

본 발명의 기타 목적 및 특징은 하기의 상세한 설명으로부터 명백하다.

본 발명은 하기의 실시예에 더욱 상세히 설명되며, 여기에서 동일한 부품 및 부분에 대해서는 반복되는 설명을 피하기 위하여 동일한 참조부호를 사용한다.

본 발명의 제 1 실시예에 의한 내연 엔진용 스파크 플러그(1)는 도 1 내지 도 10을 참조하여 아래에 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 스파크 플러그(1)는 세라믹 절연체(2), 금속 쉘(3), 귀금속 팁(31)이 마련되는 중앙 전극(5), 단자 전극(6), 귀금속 팁(32)이 마련되는 접지 전극(27) 및 저항 요소(7)를 포함한다.

상기 세라믹 절연체(2)는 실질적으로 원통형 형상으로 되며, 그의 관통홀(4)은 상기 스파크 플러그(1)의 축(CL1) 방향(이하, “축 방향”으로 칭함)으로 연장되고, 소결 알루미나와 같은 소결 세라믹재로 형성된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 세라믹 절연체(2)는 상기 세라믹 절연체(2)의 축 중심 위치 주위에서 방사상 외향 돌출되는 플랜지부(11)와, 상기 플랜지부(11)의 전단측에 위치되며 상기 플랜 지부(11)보다 작은 직경을 갖는 몸체부(12)와, 상기 몸체부(12)의 전단측에 위치되며 상기 몸체부(12)보다 작은 직경을 갖는 다리부(13)를 포함한다. 상기 세라믹 절연체(2)의 외주면에서 상기 몸체부(12)와 상기 다리부(13) 사이의 위치에는 스텝(14)이 형성된다.

상기 금속 쉘(3)은 철-기반재 또는 스테인레스강(예를 들면, S15C, S25C 등과 같은 저탄소강)과 같은 금속재로 원통형 형상으로 형성되고, 상기 세라믹 절연체(2)의 외주면 주위에 상기 스파크 플러그(1)의 축 방향으로 배열되어 상기 세라믹 절연체(2)의 상기 플랜지부(11), 상기 몸체부(12) 및 상기 다리부(13)를 그 내부에 보유하게 된다. 일반적으로, 상기 금속 쉘(3)은 도 1에 나타낸 바와 같이 수-나사부(15), 상기 나사부(15)이 후측에서 방사상 외향 돌출되는 플랜지부(16), 및 상기 플랜지부(16)의 후측에 위치되는 도구 맞물림부(19)를 포함한다. 상기 세라믹 절연체(2)의 다리부(13)가 상기 엔진의 연소실에 노출되도록 상기 엔진 실린더 헤드 상에 상기 스파크 플러그(1)를 장착하기 위하여 상기 나사부(15)는 상기 엔진의 실린더 헤드의 플러그 홀 내로 나사 결합된다. 상기 플랜지부(16)는 상기 엔진 실린더 헤드 상에 착좌된다. 개스킷(18)은 상기 나사부(15)의 나사 목 단부(17)에 끼워 맞춤되고 상기 플랜지부(16)와 상기 엔진 실린더 헤드 사이에 삽입된다. 상기 도구 맞물림부(19)는 상기 나사부(15)를 상기 엔진 실린더 헤드의 플러그 홀 내로 나사 결합하기 위하여 렌치와 같은 도구와 맞물림되기 위한 육각형 단면 형상으로 형성된다. 또한, 상기 금속 쉘(3)의 내주면 상에는 스텝(21)이 형성되어 상기 세라믹 절연체(2)의 스텝(14)이 상기 금속 쉘(3)의 스텝(21)에 맞물리게 된다. 상기 금 속 쉘(3)은 그의 후단부(20)가 상기 세라믹 절연체(2) 위로 기울어져 상기 세라믹 절연체(2)와 상기 금속 쉘(3) 사이에 한 쌍의 환형 링(23) 및 (24)이 삽입되고 이들 환형 링(23) 및 (24)의 사이에는 활석 분말(25)이 채워져서, 상기 세라믹 절연체(2)를 지지하고 상기 세라믹 절연체(2)와 상기 금속 쉘(3) 사이의 기밀성을 보장하게 된다. 연소실을 밀폐 밀봉하고 상기 세라믹 절연체(2)의 다리부(13)와 상기 금속 쉘(3)의 내주면 사이에서 연소 가스의 누출을 방지하기 위하여, 상기 세라믹 절연체(2)의 스텝(14)과 상기 금속 쉘(3)의 스텝(21) 사이에는 환형 판 패킹(22)가 삽입된다. 이러한 방식으로, 상기 세라믹 절연체(2)의 스텝(14)과 상기 금속 쉘(3)의 스텝(21)을 맞물리게 하고 상기 세라믹 절연체(2) 상에 상기 금속 쉘(3)의 후단부(20)를 기울게 함으로써, 상기 세라믹 절연체(2)는 상기 패킹(22), 상기 환형 링(23) 및 (24) 및 상기 활석 분말(25)을 통하여 상기 금속 쉘(3) 내에 고정된다.

상기 중앙 전극(5)은 대체로 원통형 컬럼(봉) 형상으로 형성되며, 상기 중앙 전극(5)의 전단측이 상기 세라믹 절연체(2)의 전단부로부터 돌출되도록 상기 세라믹 절연체(2)의 관통홀(4) 전단측 내에 끼워 맞춤되고, 그의 평편한 단부면을 향하여 직경이 점진적으로 감소된다. 상기 제 1 실시예에서, 상기 중앙 전극(5)은 순 동 또는 동 함금으로 되는 내층(5A) 및 효과적인 열 전달을 위하여 니켈 합금으로 되는 외층(5B)을 갖는 몸체부를 갖는다.

상기 귀금속 팁(31)은 귀금속 합금, 예를 들면, 이리듐 합금으로 원통형 컬럼 형상으로 형성되며, 스파크 저항을 개선하기 위하여 상기 중앙 전극(5)의 전단면에 용접으로 결합된다. 상기 용접은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 귀금 속 팁(31)과 상기 중앙 전극(5) 사이에 융합 조인트(41)를 형성하기 위하여 레이저 용접 또는 전자-빔 용접과 같은 임의의 용접 기술을 이용하여 수행가능하다.

상기 단자 전극(6)은 상기 접지 전극(27)의 후단부가 상기 세라믹 절연체(2)의 후단부로터 돌출되도록 상기 세라믹 절연체(2)의 관통홀(4)의 후측 내에 끼워 맞춤된다.

상기 저항 요소(7)는 상기 중앙 전극(5)과 상기 접지 전극(27)의 사이에서 상기 세라믹 절연체(2)의 축방향 관통홀(4) 내에 배치되고, 그의 전단부 및 후단부가 도전성 유리 밀봉층(8) 및 (9)를 통하여 상기 중앙 전극(5) 및 상기 접지 전극(27)에 각각 전기적으로 접속된다.

상기 접지 전극(27)은 그의 후단부가 상기 금속 쉘(3)의 전단면(26)에 결합되고, 상기 접지 전극(27)의 전단부가 상기 플러그 축(CL1)을 향하고 실질적으로 상기 중앙 전극(5)의 전단부(귀금속 팁(31))를 향하도록 대략 90도 각도로 구부러진다. 즉, 상기 접지 전극(27)의 전단부는 상기 스파크 플러그(1)의 방사 방향으로 연장되고 실질적으로 상기 중앙 전극(5)의 전단부를 향하는 반면, 상기 접지 전극(27)의 후단부는 상기 스파크 플러그(1)의 축 방향으로 연장된다 (즉, 상기 플러그 축(CL1)에 평행). 바람직하기로는, 상기 제 1 실시예에서, 상기 접지 전극(27)은 순 동 또는 동 합금으로 되는 내층(27A) 및 예를 들면, 상표명 Inconel 600 또는 Inconel 601로부터 가용한 니켈 합금으로 되는 외층(27B)으로 형성되는 몸체부를 갖는다. 상기 동 또는 동 합금은 니켈 합금보다 높은 열전도성을 보이므로, 내층(27A)의 형성은 상기 접지 전극(27) 내측으로부터의 효율적인 열 전달을 가능하 게 한다.

상기 귀금속 팁(32)은 예를 들면 20질량%의 로듐을 함유하는 플라티늄 합금과 같은 귀금속 합금으로 원통형 형상으로 형성되고 스파크 저항을 개선하기 위하여 상기 접지 전극(27)의 전단부에 용접으로 결합된다. 상기 용접은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 귀금속 팁(32)과 상기 접지 전극(27) 사이에 융합 조인트(42)를 형성하기 위하여 레이저 용접, 전자-빔 용접 또는 저항 용접과 같은 임의의 용접 기술을 이용하여 수행가능하다.

이러한 구조로써, 상기 중앙 전극(5)의 전단부와 상기 접지 전극(27)의 전단부 사이에, 더욱 구체적으로 말하자면, 상기 귀금속 팁(31) 및 (32)의 대향 단면 사이에는 스파크 갭(33)이 구획되어, 상기 스파크 플러그(1)는 상기 스파크 플러그(1)의 대략 축 방향으로 상기 스파크 갭(33) 내에 스파크 방전을 발생하게 된다.

비록 제 1 실시예에서는 상기 귀금속 팁(31) 및 (32)이 각각의 전극(5) 및 (27) 상에 제공되지만, 이들 귀금속 팁(31) 및 (32)이 반드시 제공되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 중앙 전극(5)에만 상기 귀금속 팁(31)을 제공하고 상기 접지 전극(27)에는 귀금속 팁을 제공하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 스파크 갭(33)은 상기 귀금속 팁(31)과 상기 접지 전극(27)의 전단부 사이에 구획된다. 양자택일적으로 상기 접지 전극(27)에만 상기 귀금속 팁(32)을 제공하고 상기 중앙 전극(5)에는 귀금속 팁을 제공하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 스파크 갭(33)은 상기 중앙 전극(5)의 전단부와 상기 귀금속 팁(32)의 사이에 구획된다. 상기 중앙 및 접지 전극(5) 및 (27)에 상기 귀금속 팁(31) 및 (32)를 모두 제공하지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 스파크 갭(33)은 상기 중앙 및 접지 전극(5) 및 (27)의 전단부들 사이에 구획된다.

상기 귀금속 팁(31) 및 (32)의 재료는 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 임의의 기타 귀금속 합금 또한 상기 귀금속 팁(31) 및 (32)의 재료로 사용할 수 있다. 상기 원통형 귀금속 팁(31) 및 (32) 각각은 예를 들면 귀금속 주괴(ingot)를 준비하고, 합금 금속으로 상기 귀금속 주괴를 합금하고, 결과 용해된 합금을 주괴로 형성하고, 상기 합금 주괴를 열간 단조 및/또는 열간 압연(홈 롤링;groove rolling)처리하고, 상기 합금 주괴를 봉 형상으로 신선처리한 후 소정 길이로 절단함으로써 얻을 수 있다.

여기에서, 상기 제 1 실시예의 스파크 플러그(1)는, 도 3, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 접지 전극(27)이 상기 중앙 전극(5)(세라믹 절연체(2))에 대향되는 접지 전극(27)의 내주면에 반대되고 외부로부터 상기 접지 전극(27)을 볼 때 시각적으로 동일한 상기 접지 전극(27)의 외주면 상에 형성된 평탄 영역(51)을 갖는 실질적으로 원형인 단면으로 된다는 것을 특징으로 한다. 상기 평탄 영역(51)이 아닌 상기 접지 전극(27)의 외주면의 기타 영역은 볼록 형상, 더욱 구체적으로는 0.5 내지 1.0mm의 곡률 반경으로 원형 호 형상으로 만곡 되어있다 (이하, “볼록 곡면 영역”으로 칭함).

상기 평탄 영역(51)은 상기 접지 전극(27)의 전단부 상에 위치되고 상기 접지 전극(27)의 길이 방향 축 방향으로 상기 접지 전극(27)의 전단면(27s)으로부터 0.2mm 이상의 길이(이하, “길이방향 길이”로 칭함) 및 상기 접지 전극(27)의 길 이 방향에 수직인 측방향으로, 예를 들면 0.4 내지 1.2mm, 바람직하기로는 0.5 내지 1.0mm, 더욱 바람직하기로는 0.6 내지 0.7mm의 소정 폭(이하, “측방향 폭”으로 칭함)을 갖는 직사각형 형상으로 된다. 상기 평탄 영역(51)의 형성 방법에는 특별한 제한이 없다. 상기 평탄 영역(51)은 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면의 소정 부분을 예를 들면, 절단 또는 프레스 작업함으로써 형성가능하다.

더욱이, 상기 접지 전극(27)은 상기 접지 전극(27)의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 볼록 만곡 영역을 통하여 취한(예를 들면, 상기 접지 전극(27)의 후단부를 가로지르는 도 6의 J-J선을 따라) 상기 접지 전극의 제 1 단면 및 상기 접지 전극(27)의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 평탄 영역(51)을 통하여 취한(예를 들면, 상기 접지 전극(27)의 선단부를 가로지르는 도 6의 K-K선을 따라) 상기 접지 전극(57)의 제 2 단면에 대하여 아래의 치수 조건을 만족한다:

0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995

여기에서 S1은 상기 제 1 단면의 면적; L1은 상기 제 1 단면의 둘레 길이; S2는 상기 제 2 단면의 영역; 그리고 L2는 상기 제 2 단면의 둘레 길이이다.

상기 접지 전극(27)의 형성 방법은 상술한 바에 제한되지 않는다. 상기 평탄 영역(51) 및 상기 볼록 만곡 영역이 상기 접지 전극(27)의 외주면 상에 형성되어 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 상기 치수 조건을 만족하는 한 상기 접지 전극(27)의 형성에 아무런 제한이 없다. 상기 접지 전극(27)에 다양한 수정을 가할 수 있다. 예를 들면, 도 9A, 도 9B 및 도 9C에 나타낸 바와 같이, 상기 평탄 영역(51)을 제외한 상기 접지 전극(27)의 외주면은 원형 호 단면 프로파일을 가지며, 상기 접지 전극(27)의 내주면은 상기 접지 전극(27)의 반대측 표면들 상에 평탄 영역이 형성되는 편평한(직선) 단면 프로파일을 갖는다. 그러나, 상기 접지 전극(27)을 둥글린 코너형 직사각형 단면으로 수정하는 것은 비실용적인데 그 이유는 이러한 둥글린 코너형 접지 전극의 외주면에서 외부 둥글린 코너가 아닌 임의의 영역은 편평하여 상기 볼록 만곡 영역으로 간주할 수 없기 때문이다.

상기 스파크 플러그(1)가 연료 및 공기가 상기 접지 전극(27)의 외주(후)면에 직접적으로 충돌되도록 유발하는 위치로 올 때, 상기 공기-연료 혼합물은 상기 접지 전극(27)의 볼록 만곡 영역 주위에서 상기 외주측으로부터 상기 내주측으로 쉽게 흐르게 된다. 그러므로, 엔진 점화 성능 및 화염 전파 특성의 개선을 위하여 상기 스파크 갭(33) 내로 상기 공기-연료 혼합물 흐르는 것을 보장할 수 있다.

그러나, 상기 접지 전극(27)의 선단부가 최고 온도로 되는 반면, 비교적 저온의 연료가 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면에 직접적으로 충돌될 것임을 예상할 수 있다. 이 경우, 상기 접지 전극(27)의 선단부는 연료와의 이러한 직접적인 충돌로 인하여 급격히 부분적으로 냉각되어 큰 열적 충격을 겪게 된다.

평탄 영역 없이 전체적으로 볼록하게 만곡되는 둘레면을 갖는 접지 전극(81)을 사용하는 경우, 연료의 열 충격 벡터는 도 8B에 나타낸 바와 같이 상기 접지 전극(81)의 만곡된 둘레면에 의하여 1개 점에서 집중되기 쉽다. 그 결과, 상기 접지 전극(81)은 입자 결함 형성 현상(“웜홀 현상”으로도 칭함)을 겪게 되어 지엽적이며 급격한 냉각으로 인하여 일부 결정 입자가 그의 입자 경계로부터 이탈된다.

반대로, 상기 제 1 실시예에서는 상술한 바와 같이 상기 접지 전극(27)의 선 단부의 외주면 상에 상기 평탄 영역(51)이 형성된다. 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주측에 연료가 직접적으로 충돌되는 경우에도, 도 8A에 나타낸 바와 같이 상기 평탄 영역(51)은 1개의 지점에 연료의 열 충격 벡터가 집중되는 것을 방지한다. 그러므로, 상기 접지 전극(27)이 연료에 의하여 지엽적이고 급격하게 냉각됨으로 인하여 상기 접지 전극(27)에 입자 결함(웜홀 현상)이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이가 0.2mm보다 작거나 또는 상기 (S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건이 만족되지 않는 경우, 상기 평탄 영역(51)은 충분한 입자 결함 방지 효과를 낼 수 없게 되어 직접적인 연료 충돌에 따라 상기 접지 전극(27)에 입자 결함이 발생하기 쉽게 된다. 상기 평탄 영역(51)의 입자 결함 방지 효과는 상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이가 0.2mm 이상이고, 동시에, 상기 (S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건이 만족되는 경우에 충분하고 확실하게 보장될 수 있다.

또한, 상기 접지 전극(27)의 외주면의 볼록 만곡 영역은 상술한 바와 같이 0.5 내지 1.0mm의 곡률 반경으로 원형 호 형상으로 형성된다. 이는 상기 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극(27)의 볼록 만곡 영역 주위에서 상기 외주측으로부터 상기 내주측으로 보다 쉽고 효율적으로 흐를 수 있게 하고 상기 스파크 갭(33)이 엔진 점화 성능 및 화염 전파 특성에 있어서 더욱 개선되도록 한다. 상기 볼록 만곡 영역의 곡률 반경이 0.5mm 미만일 때에는, 상기 접지 전극(27)의 상기 길이 방향 축 및 둘레면 사이의 거리가 너무 작아서 상기 둘레면으로부터의 열 방사로 인하여 상기 접지 전극(27)의 선단부 온도가 높아지지 않게 된다. 상기 볼록 만곡 영역의 곡률 반경이 1.0mm 초과일 때에는, 상기 볼록 만곡 영역과 상기 평탄 영역(51) 사이의 차이가 너무 크지 않으므로, 상기 볼록 만곡 영역에서도 연료의 열 충격 벡터의 집중이 발생되기 어렵게 된다. 이러한 이유로, 상기 볼록 만곡 영역의 곡률 반경이 0.5mm 미만일 때 및 상기 볼록 만곡 영역의 곡률 반경이 1.0mm 초과일 때, 상기 직접적인 연료 충돌로 인한 상기 입자 결함 형성 현상은 처음에는 발생되기 어렵다. 달리 말하면, 상기 볼록 만곡 영역의 곡률 반경이 0.5mm 내지 1.0mm 일 때, 상기 평탄 영역(51)의 입자 결함 방지 효과가 명백하게 드러난다.

상술한 바의 스파크 플러그(1)는 아래의 과정에 의하여 제조가능하다.

상기 금속 쉘(3)은 원통형 금속편을 준비하고, 냉간 단조로 상기 금속편을 관통하여 축방향 홀을 형성한 후 상기 금속편의 외부 형상을 절단함으로써 반정도 완성된 형태로 우선 제조한다.

한편, 상기 접지 전극(27)은 코어 금속재 및 바닥이 있는 원통형 금속재를 준비하고, 그 결과물인 2-층 컵재를 예를 들면 다이 등을 이용하는 신선과 같은 냉간 형성, 또는 몰드를 사용하고 선택적으로 형철 등을 사용하는 압출에 의하여 얇은 봉 형상으로 형성한 후, 상기 봉-형상 전극재를 소정 길이로 절단함으로써 직선적인 원통형 컬럼 형상으로 제조한다.

이렇게 제조된 직선형 접지 전극(27)을 예를 들면 저항 용접에 의하여 상기 금속 쉘(3)의 전단면(26)에 접합한다. 상기 용접 이후, 상기 금속 쉘(3)과 상기 접지 전극(27) 사이의 접합부로부터 용접 처짐(weld shear drop)을 제거한다. 양자택일적으로, 상기 접지 전극(27)을 얇은 봉 형상으로 냉간 형성한 후, 상기 접지 전 극(27)을 상기 금속 쉘(3)에 용접하고, 상기 접지 전극(27)을 스웨이징(swaging)하여 상기 접지 전극(27)을 소정 길이로 절단하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 스웨이징 단계는 상기 금속 쉘(3)을 지지하면서 상기 전단측으로부터 상기 접지 전극(27)을 스웨이저(스웨이징 다이) 내로 삽입함으로써 수행할 수 있다. 이는 상기 접지 전극(27)의 일부분이 상기 스웨이징 단계에 지지될 수 있도록 상기 접지 전극(27)의 길이를 길게 설정하는 데에 있어서의 문제점을 제거해준다.

상기 나사부(15)는 전조(component rolling)에 의하여 상기 금속 쉘(3) 상의 소정 위치에 형성된다. 이렇게 얻어진 상기 금속 쉘(3) 및 접지 전극(27)의 하위 부품 단위(이하, “금속 쉘 하위 부품 단위”로 칭함)를 소정의 아연 도금 또는 니켈 도금한다. 상기 금속 쉘 하위 부품 단위는 부식 저항의 개선을 위하여 크롬 후처리(chromating)로 더욱 처리할 수 있다.

상기 접지 전극(27)의 전단부를 절단 또는 프레스 형성 처리함으로써, 상기 접지 전극(27)의 전단부의 외주면 상에 상기 평탄 영역(51)을 형성하게 된다. 이러한 절단 또는 프레스 형성 단계는 양자택일적으로 상기 나사부(15)의 전조 이전에 및 상기 접지 전극(27)을 상기 금속 쉘(3)에 용접하기 이전 또는 이후에 수행할 수 있다.

다음으로, 상기 귀금속 팁(32)을 상기 접지 전극(27)의 전단부에 가압한 상태에서, 레이저 용접, 전자-빔 용접 또는 저항 용접에 의하여 상기 귀금속 팁(31)을 상기 접지 전극의 전단부에 접합한다. 신뢰성있는 용접을 위해서는, 상기 용접 단계 이전에 상기 접지 전극(27)의 전단부의 도금을 제거하거나 또는 상기 도금 단 계에서 상기 접지 전극(27)의 전단부를 마스킹할 수도 있다. 상기 귀금속 팁(32) 및 상기 접지 전극(27)의 접합면 중 어느 하나에 임의의 적당한 처리를 행함으로써 이들 접합면이 서로 일치되도록 할 수도 있다. 상기 귀금속 팁(32)은 다음의 조립(구부림) 단계 이후 상기 접지 전극(27)의 전단부에 용접할 수도 있다.

또한, 상기 세라믹 절연체(2)는 예를 들면, 알루미나와 결합제 등의 입자화된 분말 혼합물을 준비하고, 상기 세라믹 분말 혼합물을 고무 프레스를 이용하여 원통형 형상으로 성형하고, 분쇄(grinding)에 의하여 상기 세라믹 주물을 형상화하고 노에서 상기 세라믹 주물을 소결함으로써 별도로 제조한다.

상기 중앙 전극(5)은 니켈 합금층(5B)을 단조하고 상기 니켈 합금층(5B)의 중아에 동 또는 동 합금층(5A)을 형성함으로써 별도로 제조한다.

상기 귀금속 팁(31)은 레이저 용접 등에 의하여 상기 중앙 전극(5)의 선단부에 접합한다.

상기 세라믹 절연체(2), 상기 귀금속 팁(31)이 마련되는 상기 중앙 전극(5), 상기 저항 요소(7) 및 상기 단자 전극(6)을 하나의 단위(이하, “절연체 하위 부품 단위”로 칭함)로 함께 조립한다. 상기 저항 요소(7)는 상기 세라믹 절연체(2)의 관통홀(4) 내로 삽입되며, 이어서 보로실리카게이트 유리 및 금속 분말로부터 유리 밀봉재를 준비하고, 상기 유리 밀봉재를 상기 관통홀(4) 내에 채워서 상기 유리 밀봉재들 사이에 상기 저항 요소(7)가 샌드위치되도록 한다. 그 후, 상기 중앙 전극(5) 및 상기 단자 전극(6)을 상기 관통홀(4)의 전방 및 후방측에 끼워 맞춘다. 상기 유리 밀봉층(8) 및 (9)은 압력 하에 상기 중앙 및 단자 전극(5) 및 (6)과 함 께 노에서 상기 유리 밀봉재를 베이킹(baking)함으로써 형성한다. 이 때에, 상기 세라믹 절연체(2)의 후단부에 글레이즈 층을 동시에 도포할 수 있다. 양자택일적으로, 상기 글레이즈 층을 상기 세라믹 절연체(2)의 후단부에 미리 도포할 수도 있다.

상기 금속 쉘 및 절연체 하위 부품 단위는 상기 금속 쉘(3)의 비교적 얇은 후단부를 상기 세라믹 절연체(2) 상에 냉간 크림핑 또는 열간 크림핑으로 함께 조립 및 고정되어 상기 금속 쉘(3)이 상기 세라믹 절연체(2)를 에워싸서 그 내부에 이를 보유하게 된다.

마지막으로, 상기 접지 전극(27)을 상기 귀금속 팁(31) 및 (32) 사이에 상기 스파크 갭(33)을 구획하도록 구부린다.

이상에서 설명한 바와 같이, 상기 스파크 플러그(1)는 공기-연료 혼합물의 유입 방향에 영향을 받지 않으면서 엔진 점화 성능 및 화염 전파 특성을 개선하기 위하여 상기 스파크 갭(33) 내로 공기-연료 혼합물이 흐르는 것을 보장할 수 있고, 상기 접지 전극(27)의 외주면에 상기 평탄 영역(51) 및 볼록 만곡 영역을 형성함으로써 상기 접지 전극(27)의 전단부의 외주면에 연료가 직접적으로 부딪힐 때에도 상기 접지 전극(27)에 입자 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그(100)는 도 11 내지 도 18을 참조하여 아래에 상세히 설명한다. 상기 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그(100)는 상기 중앙 전극(5), 상기 접지 전극(27) 및 상기 귀금속 팁(31) 및 (32)의 위치 관계를 제외하고는 상기 제 1 실시예의 스파크 플러그(1)와 구조적으로 유사하다.

도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 접지 전극(27)은 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)이 상기 귀금속 팁(31)의 외주면을 향하도록 구부러진다. 도 11 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 상기 귀금속 팁(32)은 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)보다 직경이 작게 형성되고, 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)으로부터 상기 스파크 플러그(100)의 축(CL1)을 향하여 돌출되도록 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s) 중앙에 용접된다. 이러한 구조로, 상기 스파크 갭(33)은 상기 귀금속 팁(31)의 외주면과 상기 귀금속 팁(32)의 단면 사이에 구획되고, 상기 스파크 플러그(100)는 엔진 점화 성능 및 화염 전파 특성을 개선하기 위하여 대략 상기 스파크 플러그(100)의 방사 방향(측방향)으로 상기 스파크 갭(33)에 스파크 방출을 발생한다. 비록 상기 제 2 실시예에서는 상기 귀금속 팁(31)이 상기 중앙 전극(5)의 선단부에 접합되지만, 상기 귀금속 팁(31)을 반드시 마련해야 하는 것은 아니다. 이 경우, 상기 스파크 갭(33)은 상기 중앙 전극(5)의 선단부의 외주면과 상기 귀금속 팁(32)의 단부면 사이에 구획된다.

그러나, 도 16B에 나타낸 바와 같이, 평탄 영역이 없는 원통형 접지 전극(81')을 사용하는 경우에는, 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극(81')의 선단부의 외주면에 대각선으로 충돌할 때, 상기 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극(81')의 내주면으로 흐르게 되고 상기 스파크 갭(33) 내의 적당한 방출 지점(z)에 이르지 못하게 될 가능성이 있다. 이는 엔진 점화 성능의 열화를 초래한다.

상기 제 2 실시예에서, 상기 평탄 영역(51) 및 볼록 만곡 영역은 모두 상기 접지 전극(27)의 외주면 상에 형성된다. 상기 볼록 만곡 영역은 상기 공기-연료 혼 합물로 하여금 상기 외주측으로부터 상기 내주측으로 쉽게 흘러서 상기 스파크 갭(33) 내로 쉽게 흐를 수 있도록 해준다. 또한, 상기 평탄 영역(51)은 연료의 열 충격 벡터의 집중을 방지할 뿐만 아니라, 상기 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면에 대각선으로 충돌할 때에도 도 16a에 나타낸 바와 같이 상기 공기-연료 혼합물이 상기 내주측으로 흐르게 됨을 유발하지 않으면서 상기 스파크 갭(33) 내의 적당한 방출 지점(α)으로 상기 공기-연료 혼합물을 인도할 수 있는 효과를 발생한다. 따라서, 상기 제 2 실시예에서는 상기 스파크 갭(33) 내로 공기-연료 혼합물이 흐르게 되는 것을 보장할 수 있고, 또한, 상기 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 상기 접지 전극(27)의 외주면 상에 상기 평탄 영역(51) 및 상기 볼록 만곡 영역을 형성함으로써, 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면에 연료가 직접적으로 충돌할 때 상기 접지 전극(27)에 입자 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 평탄 영역(51)으로 하여금 상기 공기-연료 혼합물을 상기 스파크 갭(33)으로 보다 안정적으로 그리고 보다 효과적으로 안내하도록 하여 개선된 점화 성능을 보장하기 위해서는, 상기 평탄 영역(51)과 상기 선단면(27s)에 의하여 구획되는 상기 접지 전극(27)의 전방 가장자리의 각도(θ)를 상기 공기-연료 혼합물의 유입 방향을 고려하여 적당하게 조절하는 것이 바람직하다. 상기 평탄 영역(51)이 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)을 형성하는 각도(θ)를 70 내지 100도의 범위로 하는 것이 특히 바람직하다. 상기 제 2 실시예에서, 상기 스파크 플러그(100)의 방사 방향으로 배향된 평탄 영역(51) 및 상기 스파크 플러그(100)의 축방향으로 배향 된 접지 전극(27)의 선단면(27s)로써, 상기 평탄 영역(51)이 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)에 실질적으로 직교(수직)되어, 상기 접지 전극(27)의 상기 평탄 영역(51)과 선단면(27s) 사이의 가장자리 각도(θ)가 약 90도로 된다.

상기 평탄 영역(51)으로 하여금 상기 공기-연료 혼합물을 상기 스파크 갭(33)으로 보다 안정적으로 그리고 보다 효과적으로 안내하도록 하여 개선된 점화 성능을 보장하기 위해서는, 상기 평탄 영역(51)이 아래의 치수 조건을 만족하는 것이 바람직하다:

A×B≥0.2; 및

B≥0.2

여기에서, 도 14A 및 도 14B에 나타낸 바와 같이, A(mm)는 상기 접지 전극(27)의 길이 방향으로 상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이이며, B(mm)는 상기 평탄 영역(51)의 측방향 폭이다.

점화 성능을 더욱 개선하고 상기 귀금속 팁(32)의 내구성을 더욱 개선하기 위해서, 상기 스파크 프러그(100)는 아래의 치수 조건을 만족하는 것이 더욱 바람직하다:

0.3≤D≤C/4+0.8일 때 E≥2×D;

D<0.3일 때 E≥0.6; 및

F≤1.6

여기에서, C(mm)는 상기 스파크 플러그(100)의 방사 방향으로 상기 스파크 갭(33)의 최소 거리; D(mm)는 상기 귀금속 팁(31)의 단부면의 선단 가장자리와 상 기 귀금속 팁(32)의 단부면의 선단 가장자리를 연결하기 위한 최단선의 중심점(α)(상기 중앙 전극(5)에 귀금속 팁이 없는 경우, 상기 중앙 전극(5)의 선단면의 가장자리 및 상기 귀금속 팁(32)의 선단면의 선단 가장자리를 연결하는 최단선의 중심점)으로부터 상기 스파크 플러그(100)의 축 방향으로 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면까지의 거리; E(mm)는 상기 중심점(α)으로부터 상기 스파크 플러그(100)의 방사 방향으로 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)까지의 거리; 그리고 F(mm)는 도 15에 나타낸 바와 같이 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)로부터 상기 귀금속 팁(32)의 돌출 길이이다. 상기 귀금속 팁(32)의 돌출 길이(F)를 1.6mm 또는 그 이하로 조정함으로써, 상기 귀금속 팁(32)을 열 전달 성능의 열화로부터 효과적으로 방지할 수 있다. D<0.3(mm)인 경우, E≥2×D의 조건을 만족시킴으로써 상기 평탄 영역(51)의 상술한 바의 효과는 더욱 확실히 얻을 수 있다. D≥0.3(mm)인 경우에도, E≥2×D의 조건을 만족시킴으로써 상기 평탄 영역(51)의 상술한 바의 효과는 더욱 확실히 얻을 수 있다. 이 경우, 방정식 2D-C/2≤1.6(mm)이 방정식 F≥1.6 및 F=C/2에 기초하여 유지되므로, 상기 거리(D)의 상한선은 C/4+0.8(mm)로 설정된다.

상기 접지 전극(27)의 형태는 상기 제 2 실시예에서와 같이 적절히 수정할 수 있다. 예를 들면, 상기 공기-연료 혼합물이 상기 접지 전극(27)에 대각선으로 흐를 때 상기 공기-연료 혼합물을 상기 스파크 갭(33)으로 보다 안정적으로 안내하기 위하여 상기 평탄 영역(52) 및 (53)을 도 17A에 나타낸 바와 같이 상기 접지 전극(27)의 선단부의 대향측면들에 형성할 수도 있다. 도 17B에 나타낸 바와 같이, 상기 접지 전극(27)은 평편한 내부면(27f)이 마련된 실질적인 반원통형 형상으로 형성할 수도 있다. 상기 접지 전극(27)이 평편한 내부면(27f)이 마련된 실질적인 반원통형 형상으로 형성되는 경우, 도 18에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 귀금속 팁(321)이 부분적으로 그 상부에 배치되거나, 내부에 내장되거나, 상기 접지 전극(27)의 평편한 내면(27f)에 예를 들면 저항 용접과 같은 방법으로 접합되어, 상기 접지 전극(27)의 선단면으로부터 상기 스파크 플러그 축을 향하여 돌출될 수 있다.

본 발명을 아래의 예를 참조로 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 아래의 예는 도시를 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

(실험예 1)

상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이(A), 상기 접지 전극(27)의 제 1 단면의 면적(S1) 및 둘레 길이(L1), 및 상기 접지 전극(27)의 제 2 단면의 면적(S2) 및 둘레 길이(L2)를 변경하여 스파크 플러그(1)의 테스트 표본(예로써)을 제작하였다.

각각의 테스트 표본들에 대하여 내구성 테스트를 수행하였다. 여기에서 수행된 내구성 테스트는 2.0-L 직접 분사 엔진에 상기 테스트 표본을 장착하고, 모의 고속도로 주행 패턴(약 100,000km 주행에 해당)에 따라 상기 엔진을 920시간 동안 연속적으로 구동하여 수행하였다. 내구성 테스트 이전 및 이후에, 상기 접지 전극(27)의 단면 면적을 측정하기 위하여 상기 접지 전극(27)의 단면(상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)으로부터 2mm까지의 길이)을 CT 스캐닝으로 모니터하였다. 최소 단면 영역 비율을 평가하기 위하여, 상기 내구성 테스트 이후의 상기 접지 전 극(27)의 단면 영역 대 상기 내구성 테스트 이전의 상기 접지 전극(27)의 단면 영역에 대한 비율을 계산하였다. 상기 접지 전극(27)에서는 작은 단면 영역 비율, 높은 마모율, 즉 입자 결함 형성 현상(웜홀 현상)이 발생하기 쉽다고 말할 수 있다. 이 테스트 결과를 도 20에 나타내었다.

도 20에 나타낸 바와 같이, A<0.2mm(예를 들면 A=0.1mm)일 때, 상기 단면 면적 비율은 크게 작았다. 상기 단면 면적 비율은 A≥0.2mm(예를 들면 A=0.1mm)일 때 컸고, 특히 A≥0.2mm 이고 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995일 때에는 매우 컸다. (S2/L2)/(S1/L1)<0.995 또는 (S2/L2)/(S1/L1)>0.995일 때에는, A≥0.2mm에 관계없이 상기 단면 면적 비율이 다소 감소하였다. 그러므로, 본 실험예로써 상기 접지 전극(27)에 입자 결함 형성 현상이 발생되는 것은 A≥0.2mm 및 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건 하에서 상기 접지 전극(27)에 상기 평탄 영역(51)을 형성함으로써 효과적으로 방지될 수 있음을 알 수 있었다.

또한, 상기 표본 각각에 대하여 상기 단면 면적의 감소로 인한 조기 점화의 발생 가능성을 테스트하였다. 상기 테스트는 상기 테스트 표본을 2.0L-6-실린더 엔진에 장착하고, 상기 엔진을 풀-스로틀(full throttle)로 연속 구동하여 조기 점화가 발생되는 점화 타이밍(°CA)을 감지하여 수행하였다. 상기 입자 결함 형성 현상이 발생될 때(즉, 상기 단면 면적이 감소될 때), 입자 검출의 가장자리를 표시하였다. 이렇게 표시된 가장자리는 열이 축적되기 쉽고 따라서 온도가 높아져서 소정의 점화 타이밍 이전에 이들 표시 가장자리로부터 시작되는 점화 연소가 발생한다. 그러므로, 상기 단면 면적 비율이 커질수록 상기 조기 점화 저항이 감소된다고 말할 수 있다. 이 테스트 결과를 도 21에 나타내었다.

도 21에 나타낸 바와 같이, 조기 점화가 발생되는 점화 타이밍은 상기 단면 면적 비율이 0.995보다 크거나 이와 같을 때 약 BTDC33도로 남았다(풀-스로틀 부하에 상응). 그러나, 상기 단면 면적 비율이 0.995보다 작을 때에는, 상기 조기 점화가 발생되는 점화 타이밍이 지연되었다. 즉, 상기 단면 면적 비율이 0.995보다 작을 때에는 보다 완화된 조건 하에서도 조기 점화가 일어났다. 상기 접지 전극(27)의 상기 단면 면적 비율이 0.995로 되거나 이보다 커질 때 A≥0.2mm 및 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건을 만족시킴으로써 조기 점화 저항이 열화되는 것을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

(실험예 2)

상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이(A)는 0.3mm로 고정하고 상기 접지 전극(27)의 반경(R)(상기 접지 전극(27)의 외주면의 곡률 반경)을 0.4mm, 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm 및 1.1mm로 변경함으로써, 상기 스파크 플러그(1)의 테스트 표본들(예로써)에 대하여 상기 실험예 1에서와 마찬가지로 내구성 테스트를 수행하였다. 비교 스파크 플러그의 테스트 표본들(비교예) 또한 제작하여 상기 접지 전극의 제 1 및 제 2 단면의 면적 및 둘레 길이 조건을 제외하고는 동일한 방식으로 내구성 테스트를 수행하였다. 이 테스트 결과를 도 22에 나타내었다.

도 22에 나타낸 바와 같이, 0.5mm≤R≤1.0mm 및 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995일 때, 상기 단면 면적 비율은 감소됨이 방지되었다. 0.5mm≤R≤1.0mm 및 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건을 만족함으로써 상기 접지 전극(27)의 입자 결함 형성(웜홀 현상)의 발생이 효과적으로 방지됨을 확인하였다. 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995와 관계없이, R<0.5mm일 때 및 R>1.0mm일 때, 상기 단면 면적 비율에는 감소가 전혀 또는 거의 없었다. 이는: R<0.5mm일 때, 상기 접지 전극(27)의 길이 방향 축 및 둘레면 사이의 거리가 너무 작으므로 상기 둘레면으로부터의 열 방사로 인하여 상기 접지 전극(27)의 선단부에서 온도가 그리 높아지지 않게 되며; 그리고 R>1.0mm일 때, 연료의 열 충격 벡터의 집중이 상기 볼록 만곡 영역에서도 유발되지 않을 만큼 상기 볼록 만곡 영역과 상기 평탄 영역(51) 사이의 거리가 그리 크지 않다는 가설에 이르게 된다. 입자 결함이 초기에 발생되기 쉽지 않으므로, R<0.5mm이고 R>1.0mm일 때, 0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995의 조건을 만족시키기 위하여 상기 평탄 영역(51)을 형성하는 것의 중요성은 작다고 결론지을 수 있다.

(실험예 3)

스파크 플러그(100) 테스트 표본(예로써)을 제작하였다. 상기 테스트 표본에서, 상기 접지 전극(27)은 1.6mm의 직경으로 원형 단면으로 하였다. 상기 평탄 영역(51)은 1.0mm의 길이 방향 길이(A) 및 0.4mm의 측방향 폭(B)으로 상기 접지 전극(27)의 선단부의 외주면 상에 형성하였다. 또한, 상기 테스트 표본의 치수를 C=0.9mm, D=0.425mm 및 E=1.45mm로 조정하였다.

상기 테스트 표본에 대하여 점화 성능 테스트를 수행하였다. 압력 센서가 마련된 압축실 내에 상기 테스트 표본을 위치시키고, 다양한 각도로 상기 테스트 표본에 가솔린(연료로서)을 분사하여, 1MPa의 압축실의 초기 압력, 20MPa의 연료 분 사 압력, 및 25의 공기-연료 비율(A/F)의 조건 하에서 점화 발생을 점검하면서 상기 점화 성능 테스트를 수행하였다. 도 23A, 도 23B 및 도 23C는 각각 -15도, 0도 및 20도의 분사 각도로 연료 분사 모델을 나타낸다. 점화 발생은 상기 압축 센서의 파형에 기초하여 판단하였다. 점화율은 이 테스트를 30회 반복할 때 발생되는 점화 횟수로서 결정하였다. 이 테스트 결과를 도 24에 나타내었다.

비교 스파크 플러그의 테스트 표본(비교예)를 제작하였고, 이 비교예 테스트 표본이 접지 전극에 평탄 영역이 없고 D=0.45mm의 치수를 갖는다는 점을 제외하고는 동일한 방식으로 점화 성능을 수행하였다. 이 테스트 결과를 도 24에 나타내었다.

도 24에 나타낸 바와 같이, 연료 분사 각도가 -20 내지 10도 일 때 비교예 점화율이 열화되었다. 한 편, 상기 연료 분사 각도가 -20 내지 10도 일 때에도 상기 예에는 큰 점화율 열화가 없었다. 상기 예의 점화율은 상기 비교예에서보다 훨씬 컸다. 상기 연료 분사 각도가 -10도일 때, 상기 예와 비교예 사이의 최대 점화율 차이가 관찰되었다. 그러므로, 접지 전극(27)에 평탄 영역(51)을 형성함으로써 연료 분사 각도가 -20 내지 10일 때에도 엔진 점화 성능이 크게 개선될 수 있음을 알 수 있었다.

(실험예 4)

상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이(A) 및 측방향 폭(B)을 변경함으로써 상기 스파크 플러그(100)의 테스트 표본을 제작하였다. 상기 테스트 표본 각각에 대하여 실험예 3에서와 마찬가지의 방식으로 -10도의 연료 분사 각도에서 점화율을 테스트하였다. 그 결과를 도 25에 나타내었다.

도 25에 나타낸 바와 같이, A≥0.2mm에 관계없이, B<0.2mm일 때, 점화율이 상당히 낮았다. 상기 평탄 영역(51)의 표면 면적(A×B)이 0.2㎟보다 작을 때, 점화율이 비교적 낮았다. 이 실험에 의하면, A×B≥0.2㎟ 및 B≥0.2mm의 조건을 만족시킴으로써 상기 평탄 영역(51)의 효과를 확실히 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

(실험예 5)

귀금속 팁(32)의 돌출 길이(F)를 변경하여 상기 스파크 플러그(100)의 테스트 표본을 제작하였다. 상기 귀금속 팁(32)의 마모로 인하여 상기 스파크 갭(33)의 증가량을 평가하기 위하여 상기 테스트 표본 각각에 대하여 내구성 테스트를 수행하였다. 상기 테스트 표본을 2.0L-6-실린더 엔진에 장착하고, 상기 엔진을 5000rpm(풀 부하)로 100시간 동안 연속 구동하여, 테스트 동안 상기 스파크 갭(33)의 증가량을 측정함으로써 상기 내구성 테스트를 수행하였다. 상기 테스트 결과를 도 26에 나타내었다.

도 26에 나타낸 바와 같이, 상기 귀금속 팁(32)의 마모량이 상당히 증가하여 F>1.6mm일 때 상기 갭 증가량이 2.0mm의 소비한계(consumption limit)를 초과하였다.

(실험예 6)

상기 접지 전극(27)의 치수 D 및 E를 변경하여 상기 스파크 플러그(100)의 테스트 표본을 제작하였다. 이 테스트 표본에서, 상기 평탄 영역(51)의 길이 방향 길이(A) 및 측방향 폭(B)을 1.0mm 및 0.4mm로 각각 조정하였다. 실험예 3에서와 마 찬가지의 방식으로 -10도의 연료 분사 각도에서 상기 테스트 표본 각각에 대하여 점화율을 테스트하였다. 이 테스트 결과를 도 27에 나타내었다.

도 27에 나타낸 바와 같이, D<0.3mm 또는 E≥0.6mm일 때 및 D≥0.3mm 또는 E≥2×Dmm일 때, 점화율이 높았다. 상기 방정식 2D-C/2≤1.6, 즉 D≤C/4+0.8이 방정식 F≥1.6 및 F=E-C/2에 기초하여 유지된다는 사실에 기초하여 볼 때, 상기 거리(D)의 상한선은 C/4+0.8로 설정된다. D<0.3mm 및 E≥0.6mm의 조건을 만족하거나 또는 0.3≤D≤C/4+0.8mm 및 E≥2×Dmm의 조건을 만족시킴으로써 상기 평탄 영역(51)의 효과를 확실히 얻을 수 있음을 확인하였다.

일본국 특허 출원 제 2007-327314 호(2007년 12월 9일 출원) 및 제 2007-336219 호(2007년 12월 27일 출원)의 전체 내용은 이에 참증으로 결합된다.

비록 본 발명은 상술된 바의 구체적인 실시예를 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 이러한 예시적인 실시예에 한정되지 않는다. 당업자는 상술된 바에 비추어 상술된 바의 실시예에 대하여 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

예를 들면, 상기 실시예에서는 상기 스파크 플러그(1),(100)가 단일의 접지 전극(27)을 갖는 것으로 되어 있으나, 양자택일적으로 상기 스파크 플러그(1),(100)에 2개 이상의 접지 전극(27)을 마련할 수도 있다.

상기 중앙 전극(5) 및 상기 접지 전극(27)은 상기 2-층 구조에만 제한되지 않는다. 상기 중앙 전극(5) 및 상기 접지 전극(27) 각각은 3개 이상의 층으로 되는 복층 구조를 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 내부 전극층의 금속재는 효과적인 열 전달을 위하여 상기 외부 전극층의 금속재보다 열전도율이 높은 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 중앙 전극(5) 및 상기 접지 전극(27)은 순 니켈의 내층, 순동 또는 동 합금의 중간층 및 니켈 등의 외층을 갖는 3-층 구조로 형성될 수 있다. 양자택일적으로, 상기 중앙 전극(5) 및 상기 접지 전극(27) 각각은 예를 들면 니켈의 단일-층 구조로 될 수 있다.

연료의 열 충격 벡터의 집중을 유발하지 않으면서 상기 평탄 영역(51)이 상기 공기-연료 혼합물이 상기 스파크 갭(33)으로 흐르도록 안내할 수 있는 한 상기 평탄 영역(51)은 정확히 평편하지 않아도 되고 거의 평편하면서 다소 오목하게 형성될 수도 있다. 또한, 상기 평탄 영역(51)의 형성은 직사각형에 제한되지 않는다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 상기 접지 전극(27)은 사각형이 아닌 임의의 형상의 평탄 영역(151)을 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 평탄 영역(151)의 길이 방향 길이(A)는 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)로부터 상기 접지 전극(27)의 길이 방향으로 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)으로부터 가장 멀리 떨어진 상기 평탄 영역(151)의 일 지점까지의 거리로 정의되며; 그리고, 상기 평탄 영역(151)의 측방향 폭(B)은 상기 접지 전극(27)의 선단면(27s)을 따라 이어지는 폭으로 정의된다.

본 발명의 범위는 아래의 특허청구의 범위를 참조하여 정의된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 부분 절단도

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 전단부를 나타낸 확대 단면도

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 상기 전단부를 나타낸 측면도

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 상기 전단부를 나타낸 평면도

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 접지 전극을 나타낸 사시도

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 접지 전극을 나타낸 측면도

도 7A는 도 6의 J-J 선을 따라 취한 접지 전극의 단면도

도 7B는 도 6의 K-K 선을 따라 취한 접지 전극의 단면도

도 8A는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 상기 접지 전극에 연료가 직접 충돌되는 메카니즘을 나타낸 개략도

도 8B는 선행 기술에 의한 접지 전극에 연료가 직접 충돌되는 메카니즘을 나타낸 개략도

도 9A, 9B 및 9C는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 상기 접지 전극의 단면 프로파일 수정예를 도시하는 개략도

도 9D는 본 발명의 요지로부터 접지 전극의 단면 프로파일을 도시하는 개략도

도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 스파크 플러그의 전단부의 수정예를 나타낸 확대 단면도

도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 부분 절단도

도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 전단부를 나타낸 확대 단면도

도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 접지 전극을 나타낸 사시도

도 14A는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 접지 전극을 나타낸 평면도

도 14B는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 접지 전극을 나타낸 단부도

도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 스파크 플러그의 상기 전단부의 치수 구조를 나타낸 개략도

도 16A는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 상기 접지 전극 주위로 및 상기 접지 전극 주위에서 흐르는 공기-연료 혼합물의 흐름을 나타낸 개략도

도 16B는 선행 기술에 의한 상기 접지 전극 주위로 및 상기 접지 전극 주위에서 흐르는 공기-연료 혼합물의 흐름을 나타낸 개략도

도 17A는 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 의한 상기 접지 전극의 단면 프로파일 수정예를 나타낸 단부도

도 17B는 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 의한 상기 접지 전극의 또 다른 일 실시예를 나타낸 사시도

도 18은 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 의한 상기 접지 전극의 또 다른 일 실시예를 나타낸 사시도

도 19는 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 의한 상기 접지 전극의 또 다른 일 실시예를 나타낸 평면도

도 20은 실험예 1에서의 내구성 테스트 결과를 나타낸 그래프

도 21은 실험예 1에서 점화 타이밍과 단면 면적 비율 사이의 관계를 나타낸 그래프

도 22는 실험예 2에서의 내구성 테스트 결과를 나타낸 그래프

도 23A, 23B, 및 23C는 실험예 3에서의 연료 분사 각도를 나타낸 개략도

도 24는 실험예 3에서의 점화 성능 평가 결과를 나타낸 그래프

도 25는 실험예 4에서의 점화 성능 평가 결과를 나타낸 그래프

도 26은 실험예 5에서의 내구성 테스트 결과를 나타낸 그래프

도 27은 실험예 6에서의 점화 성능 평가 결과를 나타낸 그래프

Claims (5)

1. 스파크 플러그의 축 방향으로 배열되는 원통형 금속 쉘;

   상기 금속 쉘 내에 보유되는 원통형 절연체;

   상기 절연체로부터 중앙 전극의 선단부가 돌출되도록 상기 절연체 내에 배치되는 컬럼-형상 중앙 전극; 및

   상기 금속 쉘의 전단부에 후단부가 결합되는 접지 전극으로서, 상기 접지 전극의 선단부가 스파크 플러그의 축을 향하여 연장되어 상기 중앙 전극의 전단부와 상기 접지 전극의 선단부 사이에 스파크 갭을 구획하도록 구부러지는 접지 전극;으로 이루어지며,

   상기 접지 전극은 상기 절연체에 대향하는 내주면에 반대되게 그의 외주면 상에 형성되는 평탄 영역을 포함하며,

   상기 평탄 영역은 상기 접지 전극의 선단면에 위치되고 상기 접지 전극의 길이 방향으로 상기 접지 전극의 선단면으로부터 0.2mm 이상의 길이를 가지며,

   상기 접지 전극의 외주면의 평탄 영역이 아닌 기타의 영역은 볼록하게 만곡되고,

   상기 접지 전극은 상기 접지 전극의 길이 방향에 수직인 방향으로 상기 평탄 영역이 아닌 기타의 영역을 통하여 취해진 상기 접지 전극의 제 1 단면 및 상기 접지 전극의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 상기 평탄 영역을 통하여 취해진 상기 접지 전극의 제 2 단면에 대하여 하기의 치수 조건(1)을 만족함,

   0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995 (1)

   여기에서 S1은 상기 제 1 단면의 면적; L1은 상기 제 1 단면의 둘레 길이; S2는 상기 제 2 단면의 영역; 그리고 L2는 상기 제 2 단면의 둘레 길이임을 특징으로 하는 내연 엔진용 스파크 플러그.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 평탄 영역이 아닌 기타의 영역은 0.5mm 내지 1.0mm의 곡률 반경으로 원형 호 형상으로 형성됨을 특징으로 하는 내연 엔진용 스파크 플러그.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 접지 전극의 선단면 상에 배치되고 상기 스파크 플러그의 축을 향하여 돌출되어 귀금속 팁의 단부면과 상기 중앙 전극의 선단부의 외주면 사이에 스파크 갭을 구획하기 위한 귀금속 팁을 더욱 포함하며,

   상기 평탄 영역은 상기 접지 전극의 선단면에 대하여 70 내지 100도의 각도를 형성함을 특징으로 하는 내연 엔진용 스파크 플러그.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 평탄 영역은 아래의 치수 조건(2) 및 (3)을 만족함을 특징으로 하는 내연 엔진용 스파크 플러그:

   A×B≥0.2 (2); 및

   B≥0.2 (3)

   여기에서, A(mm)는 상기 접지 전극의 길이 방향으로 상기 평탄 영역의 길이 방향 길이이며; 그리고 B(mm)는 상기 접지 전극의 길이 방향에 수직인 방향으로 상기 평탄 영역의 폭임.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 스파크 프러그는 아래의 치수 조건(4), (5) 및 (6)을 만족함을 특징으로 하는 내연 엔진용 스파크 플러그:

   0.3≤D≤C/4+0.8일 때 E≥2×D (4);

   D<0.3일 때 E≥0.6 (5); 및

   F≤1.6 (6)

   여기에서, C(mm)는 상기 스파크 갭의 최소 방사상 거리; D(mm)는 상기 귀금속 팁의 단부면의 선단 가장자리와 상기 중앙 전극의 선단면의 가장자리를 연결하는 최단선의 중심점으로부터 상기 접지 전극의 선단부의 외주면까지의 축 방향 거리; E(mm)는 상기 중심점으로부터 상기 접지 전극의 선단면까지의 방사상 거리; 그리고 F(mm)는 상기 접지 전극의 선단면로부터 상기 귀금속 팁의 돌출 길이임.

Images