KR20010075417A - 내연기관용 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 중앙 개구 내에 귀금속제 중앙 전극을 그 연소실 단부쪽에 포함하는 세라믹 절연체를 갖는 스파크 플러그에 대한 것이다. 연소실로부터 먼쪽의 절연체 단부쪽 방향에서, 원통형 개구 내에 귀금속제 중앙 전극 뒤쪽에 접촉 핀이 위치된다. 접촉 핀의 표면에는 그 부식을 감소시키기 위해 하나 이상의 금속 알루미나이드로 구성된 층이 구비된다.

Description

내연 기관용 스파크 플러그{Spark plug for an internal combustion engine}

독일 공개 공보 제 196 23 989 호에는, 연소실측 단부에 있는 절연체 내에 원통형 중앙 홀(central hole) 내에는 중앙 전극이 설치되어 있는 스파크 플러그가 기재되어 있다. 그 아래로는 절연체의 연소실에서 먼쪽 단부 방향으로 상기 홀 내에 금속제 접촉 핀이 배치되어 있고, 그 접촉 핀에는 니켈 또는 니켈-은-합금으로 된 층이 성층되어 있다. 그리고 이 접촉 핀은 중앙 전극과 전기적으로 접속되어 있다.

본 발명은 독립 청구항의 유개념에 의한 내연 기관용 스파크 플러그에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 스파크 플러그의 개략 종단면도.

도 2는 본 발명의 접촉 핀의 개략 종단면도.

도 3은 본 발명의 접촉 핀 및 귀금속제 전극의 개략 종단면도.

도 4는 다른 실시예의 본 발명의 접촉 핀의 개략 종단면도.

도 5 내지 도 8은 다른 실시예의 본 발명의 접촉 핀 형태의 개략 종단면도.

도 9는 본 발명의 접촉 핀의 연소실측 팁(tip)의 개략 종단면도.

도 10은 코팅되지 않은 접촉 핀, 니켈코팅된 접촉 핀, 알루미늄코팅된 접촉 핀의 직경 대 공기중 900℃에서 시효경화(aging)한 시간에 대한 도표.

청구범위 독립항의 특징을 가진 스파크 플러그는 접촉 핀의 내식성이 효과적으로 또한 간단한 방식으로 개선된다는 이점을 갖고 있다. 그럼으로써 스파크 플러그의 작동 확실성이 개선된다. 또한 중앙 전극의 장소- 및 형태 안정성이 보장될 수 있고, 그렇기 때문에 높은 점화 응력이 요구되지 않게 된다.

종속항에 기재된 조치에 의해 유리하게는 독립항에 표시된 스파크 플러그의 추가형태 및 개선형태가 가능해진다. 접촉 핀의 전체 표면을 성층하는 것이 제조기술적으로 유리하다. 그 위에 용사(thermal spraying)에 의해 또는 가스 상으로부터 퇴적(precipitation)하여, 특히 알리타이징(alitizing)에 의해 성층을 수행하는 것이 유리한데, 그러면 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제작이 대량 생산화될 수 있다. 또한 접촉 핀의 설치 전에 성층된 접점 핀을 먼저 산화시키는 것이 유리한 것으로 밝혀졌는데, 왜냐하면 그렇게 하면 Al₂O₃-보호층이 형성되기 때문이다. 접점핀을 Fe-Co-Ni-합금으로 형성하면 유리한데, 그 이유는 그런 접점 핀은 절연체의 평균 열팽창 계수에 적합해지기 때문이다. 접점 핀의 형태를, 연소실로부터 먼쪽 끝에서 직경이 보다 큰 원통형, 특히 계단 형태 또는 원추 형태로 절곡된 형상으로 만드는 것이 유리한데, 그 이유는 그런 핀은 제작시 아주 유리하게 옮겨질 수 있기 때문이다. 단순한 원통형 또는 원추형으로 접점 핀을 제작하는 것이 또한 유리한데, 그 이유는 그러면 제작 단계가 절약될 수 있기 때문이다.

접점 핀이 연소실 쪽으로 원추형으로 계속 뾰죽해지는 형상을 갖는 것이 유리한데, 그 이유는 제작시 연소실쪽 단부에 보다 큰 작용 압력이 걸릴 수 있기 때문이다.

발명의 실시예들은 도면에 표시되어 있는데 이하의 기재에서 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 스파크 플러그(1)의 개략 종단면도를 보여준다. 금속관 형태의 하우징(5) 내에는 세라믹 절연체(10)가 배치되어 있고, 이 절연체의 연소실 측 단부는 외경이 축소되어 소위 절연체 푸트(12; isolator foot)를 형성한다. 스파크 플러그 하우징(5) 및 절연체(10)의 회전대칭축은 서로 일치하는 위치에 있다. 또한 절연체(10)의 연소실 원단에 있는 원통형 개구에 매립된 연결 볼트(15)의 축도 일치하는 위치에 있다. 또한 절연체의 원통형 개구 내에는 연결 볼트(15) 뒤로 연소실 방향으로 차례로 하나 이상의 박판속(17), 접점 핀(20) 및 귀금속 전극(25)이 배치되어 있다. 귀금속 전극(25)은 보통 중심 전극으로 지칭된다. 중심 전극(25)과 접점 핀(20)의 회전대칭 축은 절연체 푸트(12)의 축과 일치하고 있다. 스파크 플러그 하우징에는 중심축 방향으로 절곡된 접지 전극(30)이 형성되어 있다. 중심 전극과 측정 전극 사이의 공간은 스파크 갭(35)으로 지칭된다.

귀금속 중심 전극(25)은 접점 핀(20) 위에 있고 하나 이상의 박판속(17)은 연결 볼트(15)와 전기적으로 접촉되어 있는데, 박판속(17)은 얇은 금속층들이 내부로 지나가는 유리 물질 묶음을 나타내고, 이 묶음은 일정한 전기 저항을 유지하고그와 동시에 연결 볼트(15)와 접점 핀(20)이 절연체 개구 내에 확실히 고정되어 있게 한다. 절연체(10)는 절연 물질로 구성되어 있는데, 이 재료는 전기 절연 작용을 하고 내부를 주위 및 자동차 공간 영향으로부터 차단한다.

접점 핀(20)은 금속, 바람직하게는 철계 합금, 예컨대 철-니켈-코발트(Fe-Ni-Co) 합금으로 구성된다. 그러나 이 합금의 내식성은 낮다. 접점 핀(20)은, 중심 전극(25)과 박판속(17) 사이를 확실히 공간적으로 분리하여 온도 저항(내열성)(약 600℃까지)이 낮은 박판속(17)이 단열체의 첨단부에서의 고온에 노출되지 않게 하는 기능 역할을 갖고 있다.

스파크 플러그는, 도시되지 않은 내연기관의 연소실에서의 연료-공기-혼합물의 점화를 위한 전기 에너지를 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 연결 볼트(15), 박판속(17), 접점 핀(20)을 경유하여 중심 전극(25)에 고전압이 공급되고 그러면 그 고압은 중심 전극(25)과 접지 전극(30) 사이에 스파크 플래시 오버를 야기한다. 스파크에 포함된 에너지에 의해 연소실에 포함된 연료-공기-혼합물은 점화되고, 이로 인해 여러 반응에 의해 고활성 가스가 발생된다.

스파크 플러그의 작동에 있어서의 문제점은, 절연체와 중심 전극 사이의 좁은 틈을 따라 침투하는 고활성 가스에 기인하는 접점 핀(20)의 부식이다. 중심 전극과 절연체 사이의 틈은, 절연체 재료와 전극 재료가 상이한 열 팽창 계수를 갖고 있고 심한 온도 변동에 노출되기 때문에, 생긴다. 본 발명에 따라서 부식을 저감시키기 위해 하나 이상의 종류의 금속-알루미늄화물의 층을 접점 핀(20)의 표면 위에 성층한다. 바람직하게는 금속-알루미늄화물 층은 100 ㎛ 까지의 두께를 갖지만, 바람직하게는 금속-알루미늄화물 층은 더 두꺼운 두께를 가질 수도 있다. 그래서 부식으로 인해 요구되는 점화 응력이 높아지는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 에너지 요구량이 저감되고 점화 확실성은 개선된다.

도 2에는 본 발명에 의한 접점 핀은 별도로 종단면도로 표시되어 있다. 접점 핀(20)은 원통 형태를 갖고 있는데, 접점 핀(20)의 연소실 원단부의 직경은 보다 크고, 작은 직경의 영역으로부터 원추 형태로 층져 있다. 접점 핀(20)의 연소실측 단부는 원추형으로 뻗은 첨단부를 갖고 있고, 그 첨단부는 원형으로 평탄화되어 있음으로써 연소실측 지붕 면(37)이 형성되어 있다. 가스 상으로부터 알루미늄을 퇴적시킴에 의해 접점 핀(20)의 표면에는 일종 이상의 금속-알루미늄화물 층이 형성되고, 이 층이 도 2에서는 굵은 선으로 표시되어 있다. 금속-알루미늄화물은 금속과 알루미늄으로 구성된 금속간 화합물이다. 바람직하게는 Fe-Ni-Co-합금으로 된 접점 핀(20)을 사용할 경우에는 상응하여 일종 이상의 Fe-Ni-Co-알루미늄화물이 생성된다. 층 두께 20 내지 70 ㎛를 목표로 하는 것이 바람직하다. 금속-알루미늄화물 층(40)은, 적어도 접점 핀(20)의 연소실측 지붕면(37)에 대해 또한 접점 핀(20)의 연소실측 지붕면(37)에서 측정하여 적어도 1 mm의 길이에 걸쳐 형성된다.

금속-알루미늄화물 층은 접점 핀(20)의 내식성을 현저하게 상승시킨다. 원소 알루미늄이 접점 핀 내로 확산됨에 의해 형성되는 금속-알루미늄화물 층(40)의 보호 작용은, 대단히 느린 성장에 기초하여 하부에 위치하는 알루미늄화물 및 기저 재료를 침식 공격으로부터 보호하는, 외표면에 형성되는, 폐쇄되어 있고 강고하게 부착되어 있고 대단히 얇은 Al₂O₃층과 관계가 있다. 예컨대 박리되어 Al₂O₃층이 국부적으로 손상되면 알루미늄화물 내에 존재하는 알루미늄에 기초하여 새로운 Al₂O₃층이 형성된다. 그래서 접점 핀(20)의 성층 표면의 자동 치유적 불활성화(부동태화)가 보장된다.

도 3에는 도 2로부터 본 발명에 의한 접점 핀(20)이 다시 한번 중심 전극(25)과 함께 개략적 종단면도로 표시되어 있다. 접점 핀은 연소실측 지붕면(37)에서 금속 알루미늄화물 층(40)으로 성층되어 있기 때문에, 작동 조건 하에서는, 즉 1000℃에 이르는 온도에서는, 접점 핀(20)의 중심 전극(25) 측의 이 지붕면(37)에서 귀금속 중심 전극(25)과 접촉할 때에 취약한 일종 또는 수종의 귀금속-알루미늄 합금이 형성된다. 바람직하게는 중심 전극(25)은 백금 또는 백금 합금으로 구성되기 때문에 이 접점 핀 지붕 표면(37)에는 일종 이상의 취약한 백금-알루미늄-합금이 형성된다. 접점 핀(37)의 지붕 표면에 취약한 화합물이 형성되는 것은 유리한데, 그 이유는 열 사이클 시에 일어나는, 중심 전극(25)과 접점 핀(20)의 상이한 열팽창 계수에 의한 과도한 길이 변화의 경우에는, 중심 전극(25)과 접점 핀(20) 사이의 이행 범위에 갭이 형성될 수 있기 때문이다. 그런 갭은 도 3에서는 기호 42로 표시되어 있다. 중심 전극(25)과 접점 핀(20) 사이의 마찰 결합은 갭(42)에 의해 방지되고 있다. 중심 전극의 장소 및 형태 안정성이 보장될 수 있기 때문에 점화시의 응력 발생량(응력 요구량)이 높아지는 것이 방지된다. 그 층에 기초하여 귀금속-알루미늄-화합물이 형성되는 금속-알루미늄화물-화합물의 두께가 100 ㎛ 이상이 될 그 때에는 특히 갭 형성이 현저해진다. 중심 전극(25)과 접점 핀(20) 사이의 전기적 접촉은 스파크 플러그에서 일어나는 특정된 전압에서는 항상존재한다.

추가 실시예가 도 4에 표시되어 있다. 도 2와 유사하게 비슷한 형태를 가진 접점 핀(20)의 개략적 종단면도가 도시되어 있는데 이제는 접점 핀(20)의 전체 표면이 금속-알루미늄화물 층(40)으로 성층되어 있다. 도 2와 유사하게 굵은 선이 금속-알루미늄화물 층(40)을 표시한다. 도면부호 37은 접점 핀(20)의 연소실측 지붕 면을 지시한다.

본 발명에 의한 접점 핀은 미끄럼 스파크 접점 핀, 공기 스파크 접점 핀 및 공기 미끄럼 스파크 접점 핀에 사용될 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 접점 핀은 도 2 및 도 4에 표시된 것과 다른 형태를 가질 수 있다. 예컨대 도 2 및 도 4에 있는 접점 핀의 두 직경이 임의로 채택될 수 있다. 양 영역의 길이 및 양 영역들 사이 원추형 이행부의 길이는 고정되어 있는 것이 아니다. 원추형으로 되어 있는 접점 핀의 연소실측 첨단부의 길이는 임의로 선정될 수 있다. 마찬가지로 연소실측 지붕 면(37)의 직경도 임의로 선정 가능하다. 따라서 접점 핀은 스파크 플러그의 치수 및 제조 조건에 최적하게 적응될 수 있다.

추가 실시예가 도 5에 표시되어 있다. 종단면도로 표시된 접점 핀(20)은 도 2의 실시예에 반하여 원추형 첨단부를 갖지 않고 연소실측 원통 영역에 대해 직경이 감소하지 않는 지붕 면(37)을 갖고 있다. 그래서 연소실측 지붕 면(37)은 연소실측의 원통형 영역과 같은 직경을 갖고 있다. 또한 도 6에 도시된 것과 같은 실시예를 생각해 볼 수도 있다. 여기서는 연소실에서 가까운 원통형 영역과 연소실에서 먼 큰 직경의 원통형 영역 사이의 이행부가 계단형으로 형성되어 있다. 추가의 실시예에서는 도 7에 도시된 것과 같이 접점 핀을 따라 직경 변화가 일어나지 않고 있다.

또한 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 접점 핀의 원추대형 실시예도 가능하다. 도 6 내지 도 8에서의 실시예들은 도 2에 표시되었고 또한 도 9에 있어 다시 한번 종단면도로 표시되어 있는 것과 같은 연소실측 첨단부를 가질 수도 있다. 도 9에 있어서는 접점 핀의 연소실측 첨단부가 원추형으로 뻗을 수 있고 이어져 있는 영역에서 보다 작은 직경을 가진 연소실측 지붕 면을 가질 수 있다.

접점 핀(20)의 알루미늄 함유 표면 층, 금속-알루미늄화물에 필요한 알루미늄의 분리 퇴적은, 열 분사법, 가스 상으로부터 물리적 퇴적(물리 증착(PVD)) 또는 화학적 퇴적(화학 증착(CVD))에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 퇴적은 CVD 방법, 특히 알리타이징에 의해 행해질 수 있다.

알리타이징은 피가공물의 가장자리 층을 열화학적 처리에 의해 알루미늄을 풍부화시키는(농축시키는) 공정을 말한다. 이때에는 예컨대 높은 분량의 Al₂O₃, 알루미늄-함유 공여체 합금 및 할로겐 함유 활성제로 구성되어 있는 분말 베드(분말상) 내에 피가공물을 매립한다. 원소 알루미늄의 퇴적은 0.01 내지 10 MPa의 압력과 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 10 시간까지의 기간 동안에 수소 함유 분위기에서 여러 단계의 화학 반응을 통해 행해진다. 분말 베드 내로는 많은 개수의 접점 핀이 매립될 수 있기 때문에 알리타이징은 저렴하게 행해질 수 있다. 그러나 알리타이징은 분말 베드 없이도 수행될 수 있는데, 그 경우에는 수송 가능한 가스상 알루미늄 화합물인 알루미늄-할로겐화물이 접점 핀의 성층이 행해지는 장소와는 다른장소에서 생성되어 수소 함유 가스류에 의해 성층 장소로 수송된다. 수송 가능한 알루미늄-화합물은 알루미늄 함유 공여체 합금과 할로겐 함유 활성제로 구성된다.

그런데 수송 가능한 알루미늄 화합물의 발생 장소와 접점 핀의 성층 장소는 이들이 상이한 용기에 배치되도록 분리시키는 것이 가능하다. 그러나 그것들은 같은 용기 내에 존재할 수도 있다.

접점 핀의 설치 전에 추가로 성층된 접점 핀의 산화 단계가 행해질 수 있다. 이 사전 산화로 인해 이미 접점 핀의 설치 전에 상기 부동태화 Al₂O₃-층이 형성된다. 산화는 500℃ 내지 1200℃의 온도에서 100 시간까지의 기간동안 산소함유 분위기에서 행해진다.

도 10에는 금속-알루미늄화물 층(40)의 상기 작용이 도표로 표시되어 있다. 도표에서는 온도 900℃의 접점 핀이 공기에 노출되었을 때 접점 핀의 직경 증가가 표시되어 있다. 시험된 접점 핀의 ㎛로 된 직경 증가가 시간으로 된 노출 시간에 대해 작도되어 있다. 여기에서 원으로 된 기호는 (보호층이) 성층되지 않은 Fe-Ni-Co-접점 핀을, 사각형 기호는 20-30 ㎛ 두께의 니켈 층이 배치된 Fe-Ni-Co-접점 핀에 대한 측정치를, 마름모 기호는 알리타이징에 의해 형성되고 두께 25-60 ㎛의 Fe-Ni-Co-알루미늄화물 층이 있는 Fe-Ni-Co-접점 핀에 대한 것을 나타낸다. 각각 층은 접점 핀의 전체 표면에 대해 형성되었다. 비 성층된 및 니켈 성층된 접점 핀의 경우에는 현저한 직경 증가를 명백히 알 수 있는 반면 알리타이징된 접점 핀은 근소하다. 그 위에 알리타이징이 행해진 접점 핀의 경우에는 약 300 시간의 경과 후에도 추가의 직경 증가는 관찰되지 않았다. 직경 증가는 그때그때 접점 핀의 부식에 기인한다. 알리타이징이 행해진 접점 핀의 경우에는 Al₂O₃-층의 형성에 의해 약간의 직경 증가가 있게 된다.

본 발명에 의한 접점 핀을 구비한 스파크 플러그에서는 부식의 감소 및 중앙 전극의 장소 및 형태 안정성이 관찰될 수 있었다.

Claims (15)

1. 귀금속 전극(25)과 금속 접점 핀(20)이 개구 안에 배치되어 있는 원통형 개구를 갖고 있으며, 귀금속 전극(25)은 특정적 작동시에는 내연 기관의 연소실 내로 돌출하고 접점 핀(20)은 귀금속 전극(25)의 연소실 원단에 이어져 배치되어 있고 전기 접점을 형성하는, 원통형 개구를 가진 절연체(10)를 구비한 스파크 플러그에 있어서, 접점 핀(20)의 표면에는 하나 이상의 금속-알루미늄화물 층(40)이 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
2. 제 1 항에 있어서, 열적 사이클링(주기적 반복)에 의해 접점 핀(20)과 귀금속 전극(25) 사이에는 갭(42)이 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 접점 핀(20)이 그 전체 표면 위에 금속-알루미늄화물 층(40)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은 Fe-Ni-Co-합금으로 또한 금속-알루미늄화물 층은 하나 이상의 (Fe, Ni, Co)-알루미늄화물로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)과 귀금속 전극(25) 사이의 이행 영역에서는 하나 이상의 귀금속-알루미늄-화합물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
6. 제 5 항에 있어서, 접점 핀(20)과 귀금속 전극(25) 사이의 이행 영역에서는 하나 또는 그 이상의 백금-알루미늄-화합물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)의 알루미늄 성층은 용사(thermal spaying)에 의해 또는 가스상으로부터의 물리 또는 화학적 퇴적에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 성층은 열처리에 의해 접점 핀(20)의 가장자리 층에 있어서의 알리타이징(얼라이트(alite)화)을 뜻하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
9. 제 8 항에 있어서, 알리타이징이 분말 베드(powder bed)에서 행해지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서, 성층된 접점 핀(20)은 스파크 플러그 내에 설치하기 전에 산화단계를 받는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은 원통 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은, 상이한 직경을 가진, 원추형으로 이행하는 두 영역을 가진 원통형태를 갖고 있는데, 작은 직경을 가진 영역이 접점 핀의 연소실측 단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
13. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은, 계단형으로 서로 단이 진, 상이한 직경을 가진 두 영역을 가진 원통형태를 갖고 있는데, 작은 직경을 가진 영역이 접점 핀의 연소실측 단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
14. 제 11 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은 원추형으로 뻗는 첨단부를 갖고 있는데, 연소실측 단부는 원형 지붕 면(deck surface)을 형성하고, 그 지붕 면은 연소실측의 원통형 영역 보다 작은 직경을 가진 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
15. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 접점 핀(20)은 절두원추(truncated cone) 형태를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.