KR101926920B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중심 전극, 상기 중심 전극을 감싸는 절연체, 상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀 및 상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며, 상기 갭부는 둘레가 최대가 되는 볼록 지점 및 상기 볼록 지점과 상기 셀과 접하는 지점 사이에 둘레가 최소가 되는 오목 지점을 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그로서, 본 발명은 스파크 플러그에 발생하는 카본 파울링을 개선하여 점화불량이 발생하지 않을 수 있도록 한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관의 연소실 내에서 연료를 점화시키기 위한 스파크 플러그에 관한 것이다.

스파크 플러그는 내연기관의 실린더헤드에 장착되어, 배터리를 접속한 1차 코일을 단속하여 2차 코일에서 발생한 고압 전류를 스파크 플러그의 중심 전극으로 유도해서 실린더에 맞춤된 접지 전극 사이에 스파크를 일으켜 연소실 내에서 압축된 혼합가스를 점화하는 부품이다.

스파크 플러그는 중심 전극과 접지 전극으로 이루어진 전극과, 중심 전극을 감싸는 절연체 및 절연체를 보호하고 스파크 플러그의 결합을 위한 셀로 구성되며, 중심 전극과 접지 전극 사이에는 일정한 간격의 스파크 갭이 형성되어 있다.

이러한 스파크 플러그의 이상 현상 중 파울링(fouling) 현상이 있다.

스파크 플러그의 파울링 현상은 전도성의 카본 퇴적물들이 스파크 플러그의 절연체 표면에 형성되어 발생된다.

일단 퇴적된 카본들이 충분한 막을 형성하게 되면, 새로운 점화에너지 흐름의 통로를 만들어 방전의 경로를 바꾸어 놓게 된다.

이로 인하여 스파크 플러그의 팁(tip)에서 불꽃을 발생하는 조건 등에 심각한 영향을 줌으로써 연소 효율을 감소시키거나 점화불량(misfire)를 일으키게 된다.

스파크 플러그의 파울링 현상은 가솔린 차량의 개발과 생산에 있어서 어느 정도 잠재되어 있는 문제점으로, 언제든지 조건만 만족되면 표면화될 수 있는 성격을 가지고 있다.

그러므로, 정상적인 조건에서는 거의 발생하지 않으나, 어느 특정 엔진 및 차종에서 발생될 수 있으며, 특히 자동차 생산공장이 위치한 기후적 특성과 관련되고 수출 차량 및 겨울철 생산 차량에서 발생이 된다.

즉, 저온 조건에서 매번 시동시, 연소과정에서 생기는 카본 및 그을음 등이 연소실 내의 모든 표면에 퇴적되게 된다.

정상적인 운전 패턴이라면 시동을 걸고 일정 시간을 주행하게 되며, 이 ??어에서는 스파크 플러그가 자기청정 온도(self-cleaning temperature)에 도달하게 되고, 그 이상의 온도에서는 카본 퇴적물들이 연소되어 자연 소멸되는 것이다.

그러나, 조립 라인에서 완성된 차량이 각 지역을 딜러 및 최종 소비자에게 인도되기까지의 과정 중 아이들(idle) 상태에서만 가능한 차량의 품질 검사 및 수정 작업시 차량을 운송하기 위하여 운송용 차량 및 선박에 상, 하역하는 과정 중 시동과 짧은 거리의 주행을 반복하는 과정에서, 위에서 기술한 것처럼 자기청정온도에 도달하지 못한 상태로 차량의 잦은 시동 및 짧은 주행을 반복하게 되면, 카본이 연소되어 자연 소멸되지 않고 퇴적하게 되는 것이다.

이러한 문제들은 저온 시동시의 리치(rich)한 A/F(공기연료비) 및 저온 상태에서 지속적으로 반복되는 아이들(idle) 방치 뿐만 아니라 스파크 플러그의 잘못된 열가 선정에서 그 원인을 찾을 수 있다.

결과적으로, 스파크 플러그의 카본 파울링 현상은 차량의 시동성 및 주행성에 악영향을 미치게 되고, 결국에는 시동불량 현상을 초래하게 되며, 이로 인하여 발생된 점화불량 현상으로 배기 시스템의 후처리계 촉매에 심각한 손상을 입히게 됨으로써 관련 부품의 교체 및 관리에 소요되는 비용의 추가 및 기회손실 비용의 증가로 작용하게 된다.

도 1을 참조하면, 일반적인 카본 오손(carbon fouling)은 a 영역을 말한다.

이 영역은 공연비가 상당히 농후하고, 부하도 비교적 낮은 영역으로서 여기에서는 연료의 무화가 나쁘고 액상 연료가 직접 타므로 카본의 발생이 많다.

한편, 스파크 플러그는 액상의 연료가 덮힌 상태가 되어서 점화불량을 수반하는 경우가 많게 된다. 이러한 상태는 일반적으로 저온시 또는 난기가 완료되지 않은 상태로 발진 및 정지를 반복하는 경우에 발생하기 쉽단.

b 영역에서는 카본은 발생하나 액상연료의 침해가 적기 때문에 스파크 플러그에는 비교적 건조한 상태로 카본이 부착되고 오손의 진행속도도 느리다.

또한, 장시간 아이들(idle)로 방치한 경우에 이러한 오손이 진행되기 쉽다.

c 영역은 스파크 플러그의 팁 온도가 450℃ 이하로 되어도 카본이 발생하지 않는다. 따라서, 오손도 진행되지 않는 영역으로서, 신품의 스파크 플러그를 적용하여 이 영역에서만 운전하게 되면 카본 오손은 발생하지 않는다.

또한, 급속 오손 영역(b) 및 단순 오손 영역(c)에서 오손된 스파크 플러그를 이 영역에서 운전해도 오손의 과정에 변화를 주지 않는다.

d 영역은 부착된 카본이 태워지게 되어 없어지게 되고, 스파크 플러그의 발화가 깨끗하게 되어 절연저항이 회복되는 영역이다.

자기청정영역은 일반적으로 정상 공연비 상태로서, 가속시 및 정속주행시(차속 40~60 Km/h 이상)에 나타난다.

도 2에서 보는 바와 같이, 스파크 플러그의 절연체 표면을 따라 주위에 카본이 쌓이게 되어 넓은 막을 형성하게 되면, IG COIL에서 발생된 2차 전압이 연소실 내부로 향해 있는 스파크 플러그의 팁 부위에서 정상적인 방전을 통한 스파크가 발생되지 못하고, 전기전도성을 띤 카본을 통하여 플러그의 측면으로 흐르게 되어 연소에 필요한 에너지를 얻지 못하게 되어 점화불량이 발생하게 된다.

도 3, 도 4에서 보는 바와 같이, IG COIL에서 발생된 2차 전압은 절연저항이 떨어진 스파크 플러그의 갭을 통하여 방전되지 못하여 실린더 내부로 유입된 연료와 공기의 혼합가스가 폭발하지 못하고, 점화불량을 발생하게 된다.

특히, 스파크 플러그의 절연저항이 10MΩ 이하로 떨어지게 되면, 스파크 플러그에 불꽃이 튀지 않아 시동시간 지연 및 시동불가 현상이 발생하게 된다.

이러한 내부 플래쉬 오버(flashover)가 발생되는 메커니즘이 도 5와 같다.

즉, 정상 방전 전압(Vs)이 플래쉬 오버 전압(Vc)보다 낮으면 도 5(a)와 같이 정상 방전이 일어나나, 도 5(b)와 같이 스파크 플러그 절연체에 카본 등의 퇴적물이 쌓이면, 정상 방전 전압(Vs) 보다 플래쉬 오버 전압(Vc)이 낮아져서 내부 플래쉬 오버가 발생하게 되는 것이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허 제10-2009-0060813호 한국공개특허 제10-2010-0064080호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 스파크 플러그에 발생하는 카본 파울링을 개선하여 점화불량이 발생하지 않을 수 있도록 하기 위한 스파크 플러그를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 스파크 플러그는, 중심 전극, 상기 중심 전극을 감싸는 절연체, 상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀 및 상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며, 상기 갭부는 둘레가 최대가 되는 볼록 지점 및 상기 볼록 지점과 상기 셀과 접하는 지점 사이에 둘레가 최소가 되는 오목 지점을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 볼록 지점의 둘레는 상기 셀과 접하는 지점의 둘레보다 작은 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 볼록 지점으로부터 상기 중심 전극의 팁부 방향으로의 상기 절연체의 둘레는 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오목 지점의 둘레는 상기 절연체의 둘레가 최소가 되는 지점보다 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 절연체의 형상은 상기 중심 전극을 축으로 선대칭인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 볼록 지점과 상기 셀 간의 갭은 최소 1.3mm 인 것을 특징으로 한다.

그래서, 상기 볼록 지점에서의 상기 갭의 크기와 상기 중심 전극의 직경의 크기의 비는 0.68 내지 0.85인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 관점에 의한 스파크 플러그는, 중심 전극, 상기 중심 전극을 감싸는 절연체, 상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀 및 상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며, 상기 갭부는 상기 셀과의 갭이 최소가 되는 최소 갭 지점 및 상기 최소 갭 지점과 상기 셀과 접하는 지점 사이에 상기 셀과의 갭이 최대가 되는 최대 갭 지점을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 최소 갭 지점의 둘레는 상기 셀과 접하는 지점의 둘레보다 작은 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 최대 갭 지점의 둘레는 상기 절연체의 둘레가 최소가 되는 지점보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 최소 갭 지점과 상기 셀 간의 갭은 최소 1.3mm 인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 최소 갭 지점에서의 상기 갭의 크기와 상기 중심 전극의 직경의 크기의 비는 0.68 내지 0.85인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 관점에 의한 스파크 플러그는, 중심 전극, 상기 중심 전극을 감싸는 절연체, 상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀 및 상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며, 상기 갭부는 인접한 지점보다 둘레가 작은 오목 지점을 가지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 갭부는 둘레가 최대가 되는 볼록 지점을 가지고, 상기 오목 지점은 상기 볼록 지점과 상기 셀과 접하는 지점 사이에 존재하며, 상기 볼록 지점과 상기 오목 지점 사이 구간의 카본 퇴적량은 상기 갭부 내에 동일한 길이의 구간 중 최소인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 볼록 지점의 둘레는 상기 셀과 접하는 지점의 둘레보다 작은 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 오목 지점의 둘레는 상기 절연체의 둘레가 최소가 되는 지점보다 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 볼록 지점과 상기 셀 간의 갭은 최소 1.3 mm 인 것을 특징으로 한다.

그래서, 상기 볼록 지점에서의 상기 갭의 크기와 상기 중심 전극의 직경의 크기의 비는 0.68 내지 0.85인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 관점에 의한 스파크 플러그는, 중심 전극, 상기 중심 전극을 감싸는 절연체, 상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀 및 상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며, 상기 절연체 갭부의 종단면의 외곽선은 두 변곡점을 가지는 곡선이 선대칭을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 절연체 갭부의 두 변곡점 사이 구간은 카본 퇴적량이 상기 갭부의 다른 구간보다 작은 카본 퇴적량 축소공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 절연체 갭부의 두 변곡점 중 상기 중심 전극의 팁부에 가까운 변곡점 이하의 구간은 카본 퇴적량 과다공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카본 퇴적량 과다공간의 카본 퇴적량은 상기 팁부 측에 인접할수록 많은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스파크 플러그에 의하면, 절연체에 퇴적 축소 구역을 확보하여 연소 퇴적물이 과다하게 퇴적되지 않는 구역으로 인해서 파울링 현상이 개선되어 점화불량을 초래하지 않게 한다.

도 1은 스파크 플러그의 팁 온도와 A/F에 따른 카본 파울링 양상을 도시한 것이다.
도 2는 스파크 플러그의 파울링 현상을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 파울링에 의한 점화불량에 대해 도시한 것이다.
도 5는 플래쉬 오버를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 일 부분을 확대 도시한 것이다.
도 8은 도 7을 기준으로 절연체의 구역에 따라 퇴적되는 양을 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 도시한 것이고, 도 7은 도 6의 일 부분을 확대 도시한 것이며, 도 8은 도 7을 기준으로 절연체의 구역에 따라 퇴적되는 양을 도시한 것이다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그는 중심 전극(1)과 접지 전극(3)을 포함하고, 코일에서 발생한 고압 전류가 중심전극으로 유도되어 점화가 일어나게 한다.

접지 전극(3)은 셀(4)에 결합되어, 중심 전극(1) 측으로 꺾어진 형태로 중심 전극(1)과 간격을 이루어 마련된다.

스파크 플러그는 중심 전극(1)을 감싸는 형태로 절연체(2)가 형성되고, 절연체(2)를 둘러싸며, 외면에 나사부를 가져서 실린더헤드에 결합되는 셀(4)이 외곽을 형성한다.

절연체(2)는 셀(4)과 접하여 마련되는 몸체부와 함께, 중심전극(1)의 팁부 측에는 셀(4)과 이격되어 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성된다.

종래에 절연체(2)의 갭부는 챔퍼(chamfer) 타입으로서 셀(4)과 접하는 몸체부로부터 중심전극(1)의 팁부 측으로 점차 직경이 줄어드는 형태로 마련되었다.

그 결과, 절연체(2)의 갭부에는 카본 등의 퇴적물이 쌓이게 되고, 이렇게 퇴적된 카본들에 의해서 셀(4)과 절연체(2) 사이의 갭을 통해서 불꽃 리크(leak)가 발생하는 파울링(fouling) 현상에 의해 점화불량(misfire)에까지 이를 수가 있었다.

본 발명은 이를 해소하고자 절연체(2)의 갭부에 카본 퇴적량 최소 구간을 마련하기 위해, 종래의 챔퍼 형상의 절연체 형상과 달리 굴곡이 있는 소위 S 자 형상의 절연체를 구성한다.

즉, 갭부의 둘레는 몸체부의 둘레보다는 작은 둘레를 가지되, 갭부 구간 중 둘레가 최대가 되는 볼록 지점 및 둘레가 최소가 되는 오목 지점이 형성되고, 오목 지점이 몸체부와 볼록 지점 사이에 형성되게 한다.

도 7에는 둘레를 대신하여 직경을 비교하여 나타내었으며, 몸체부의 반직경이 D1, 오목 지점의 반직경이 D2, 볼록 지점의 반직경이 D3로 나타내었다.

설명한 바와 같이, D1이 가장 크며, D3가 갭부 구간에서는 가장 큰 값을 가지며, 두 지점 사이의 D2는 최소값을 갖는다.

갭부가 이와 같은 둘레를 가짐으로써 몸체부와 볼록 지점 사이는 오목한 형태를 가져서 갭부가 대략적인 S 자 형을 이룬다.

절연체(2)는 팁부 방향 끝단으로 향할수록 둘레가 줄어들게 되므로, 오목 지점의 둘레는 절연체(2)의 팁부 방향 끝단에 비해 작은 것은 아니다.

그리고, 볼록 지점으로부터 팁부 방향으로 점진적으로 둘레가 줄어든다.

대신, 셀(4)과 절연체(2)가 접하는 몸체부로부터 갭부 구간에서 가장 큰 둘레를 가지는 볼록 지점까지의 구간 중에서 최소의 둘레를 가지는 것이다.

반면, 절연체(2)의 갭부에 대응되는 셀(4)은 절연체(2)의 중심으로부터 일정한 간격으로 형성되기 때문에, 결과적으로, 갭부 구간에서 볼록 지점에서의 셀(4)과의 갭이 최소가 되어 볼록 지점은 최소 갭 지점이 되고, 오목 지점에서의 셀(4)과의 갭이 몸체부와 볼록 지점 간에서 최대가 되어 최대 갭 지점이 되는 것이다.

최소 갭 지점에서의 최소 갭 d는 절연체(2)의 강성을 위해서 최소 1.3mm 인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 스파크 플러그는 오목 지점으로 인해서 종래의 챔퍼 형에 비해 절연체 강성이 약해질 수 있는 문제가 있으므로, 중심 전극(1)의 외경 또한 성능에 지장이 없는 선에서 줄이는 것이 바람직하다.

종래 대략 2.3mm의 직경을 1.9mm 내지 2.1mm로 줄이는 것이 바람직하다.

도 8은 절연체(2)에 카본 퇴적물이 쌓이는 양을 도시한 것이다.

앞서 살펴본 볼록 지점과 오목 지점의 형성에 의해서, 도시와 같이, 볼록 지점과 몸체부 간에 퇴적 최소 구간(A)이 형성되게 된다. 그리고, 볼록 지점으로부터 중심 전극의 팁부 측 일단까지는 퇴적 과다 구간(B)이 형성되게 된다.

본 발명의 스파크 플러그는 이와 같은 결과를 위해 제안된 것으로서, 카본 퇴적물에 의해서 방전 경로는 퇴적 과다 구간(B)에서만 발생되고, 퇴적 최소 구간(A)에서는 불꽃 리크(leak) 발생률을 줄일 수 있다.

그에 따라 점화 불량을 감소시킬 수 있고, 연소 효율 저하를 저지할 수가 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의한 스파크 플러그는 절연체의 구조 변경에 의해서 스파크 플러그의 파울링 현상을 줄임으로써 연소 효율을 유지시키고 점화불량을 줄일 수 있게 한다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

1 : 중심 전극
2 : 절연체
3 : 접지 전극
4 : 셀

Claims (22)

1. 중심 전극;
   상기 중심 전극을 감싸는 절연체;
   상기 절연체를 둘러싸며 실린더헤드에 결합되는 셀; 및
   상기 셀에 장착되는 접지 전극을 포함하고,
   상기 절연체에는 상기 셀과 접하는 지점보다 작은 둘레를 가져서 상기 셀과 사이에 갭(gap)을 형성하는 갭부가 형성되며,
   상기 갭부는 둘레가 최대가 되는 볼록 지점 및 상기 볼록 지점과 상기 셀과 접하는 지점 사이에 둘레가 최소가 되는 오목 지점을 가지는 것을 특징으로 하고,
   상기 중심 전극의 직경은 1.9mm 내지 2.1mm인 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 볼록 지점의 둘레는 상기 셀과 접하는 지점의 둘레보다 작은 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 볼록 지점으로부터 상기 중심 전극의 팁부 방향으로의 상기 절연체의 둘레는 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 오목 지점의 둘레는 상기 절연체의 둘레가 최소가 되는 지점보다 큰 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 절연체의 형상은 상기 중심 전극을 축으로 선대칭인 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 볼록 지점과 상기 셀 간의 갭은 최소 1.3mm 인 것을 특징으로 하는,
   스파크 플러그.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
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17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
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21. 삭제
22. 삭제

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