KR20080088515A - 플라즈마-젯 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

플라즈마-젯 스파크 플러그는 절연체의 손상을 방지하기 위하여 축 방향(O)에서 서로 떨어져서 배치되는 상기 절연체(10) 및 접지 전극(30)으로 이루어진다. 상기 스파크 플러그는 상기 절연체와 상기 접지 전극 사이의 유격의 치수를 정의함으로써 배출되는 플라즈마의 에너지 손실을 감소시킬 수 있으므로, 플라즈마-젯 스파크 플러그의 가연성 열화가 방지된다. 제 1 유격 치수 "a"를 갖는 유격은 상기 절연체(10)의 선단(16)과 상기 접지 전극(30)의 사이에 형성된다. 상기 절연체(10)의 선단면에 형성되는 공동(60)의 체적(S)은 10㎣ 또는 그 이하로 설정되므로, 상기 공동 내에 발생되는 플라즈마는 확산이 방지된다. 또한, 상기 제 1 유격 치수 "a"는 a≤0.5㎜을 만족하므로, 상기 공동(60)으로부터 배출되는 플라즈마는 충분한 에너지를 유지하면서 상기 스파크 플러그의 외부로 배출되어, 오리피스(31)로 이동하는 도중 상기 제 1 유격 내로 에너지가 누설되는 것은 발생되지 않는다.

Description

플라즈마-젯 스파크 플러그{Plasma-Jet Spark Plug}

본 발명은 내연 엔진의 공기-연료 혼합물을 점화하기 위한 플라즈마-젯 스파크 플러그를 발생하는 플라즈마에 관한 것이다.

스파크 플러그는 스파크 방전에 의하여 공기-연료 혼합물을 점화하기 위하여 자동차의 내연 엔진에 광범위하게 사용된다. 높은 엔진 출력 및 연료 효율에 대한 최근의 수요에 대응하여, 스파크 플러그는 더 높은 점화-제한 공기-연료 비율을 가지며 및 적당한 희박 혼합물 점화 및 빠른 연소를 달성하도록 증가된 가연성을 가질 것이 요구된다.

이러한 플라즈마-젯 스파크 플러그는 중앙 전극, 금속 쉘과의 사이에 방전 갭을 구획하면서 상기 금속 쉘에 연결되는 접지 전극(외부 전극), 및 세라믹 등으로 형성되며 공동(cavity)(챔버,chamber)으로 불리는 작은 방전 공간을 형성하기 위하여 상기 방전 갭을 에워싸는 절연체(하우징)를 포함한다. 스파크 방전은 상기 중앙 전극 및 상기 접지 전극 사이의 고전압 인가를 통하여 발생되며, 이 때 유발 되는 유전체 파손은 비교적 낮은 전압의 전류를 공급할 수 있게 한다. 그러므로, 추가의 에너지 공급은 공기-연료 혼합물의 점화를 위한 오리피스로 불리우는 개구부(외부 전극 홀)로부터 상기 공동 내에 형성되는 플라즈마를 배출하기 위하여 방전의 위상 전이를 유발한다(예를 들면, 특허문헌 1 또는 특허문헌 2 참조).

특허문헌 1 또는 특허문헌 2에 개시된 플라즈마-젯 스파크 플러그는 원통형 금속 쉘을 가지며, 이는 그의 선단부가 접지 전극의 역할을 하도록 폐쇄되고 중앙에 오리피스를 형성한다. 또한 상기 외부 전극 내에 수용되는 절연체의 선단 표면은 상기 접지 전극의 내표면과 접촉하게 되어 상기 오리피스 및 공동이 동축으로 형성된다. 또 다른 일 형태의 플라즈마-젯 스파크 플러그에서, 상기 금속 쉘의 선단부는 별도의 접지 전극에 결합되고 이 접지 전극의 중앙에 오리피스를 구획하는 한편, 상기 절연체의 선단 표면은 상기 접지 전극의 내표면(내부측 표면)과 접촉된다(특허문헌 1, 도 2 참조).

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 평2-72577호 공보

특허문헌 2 : 일본국 특허공개 제2006-294257호 공보

그러나, 특허문헌 1 또는 특허문헌 2에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그에서와 같이, 플라즈마-젯 스파크 플러그의 제조 시 절연체 및 금속 쉘이 엄격한 치수 제어로 형성되고 상기 절연체의 선단면이 상기 접지 전극의 내 표면에 접촉될 때, 사용 시 열-싸이클의 영향으로 상기 절연체는 상기 절연체, 금속 쉘 및 접지 전극을 구성하는 물질들 간의 열팽창 계수의 차이로 인하여 손상될 수 있다. 한 편, 제조 공차로 인하여 상기 절연체의 선단면과 상기 접지 전극의 내표면 사이에 큰 갭이 형성될 때, 상기 공동 내에 형성된 플라즈마가 상기 오리피스를 통하여 배출될 때, 상기 플라즈마의 에너지가 상기 갭 내로 새어나가게 되고, 그러므로, 상기 플라즈마는 의도하는 방향으로 배출되지 못하거나 플라즈마 배출양(배출 길이)이 감소되기 쉽다(짧아진다). 크림핑 방법에 의하여 상기 절연체를 상기 금속 쉘 내에 안전하게 수용하더라도, 상기 절연체와 접지 전극의 제조 공차로 인하여 상기 절연체의 선단면이 상기 접지 전극의 내표면에 강하게 가압되면서 상기 절연체의 선단면이 클림프될 때 내부 응력이 증가됨으로 인하여 상기 절연체가 손상될 수 있다.

본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점들을 고려하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 절연체의 손상을 방지하기 위하여 절연체 및 접지 전극이 축방향으로 서로 떨어져서 배치되는 플라즈마-젯 스파크 플러그를 제공하는 것이며, 상기 스파크 플러그는 상기 절연체와 상기 접지 전극 사이의 유극(clearance)의 치수를 구획함으로써 배출되는 플라즈마의 에너지 손실을 경감할 수 있고, 따라서 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그의 가연성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

상기한 바의 문제점들은 특허청구의 범위 중 청구항 1 및 청구항 4에 정의된 바의 플라즈마-젯 스파크 플러그에 의하여 적어도 부분적으로 해결된다. 추가의 장 점 및 수정 사항들은 그의 종속항들로부터 명백하다.

본 발명의 제 1 양상에 의하면, 중앙 전극 및 축 방향으로 연장되는 축 방향 보어를 갖는 절연체로 이루어지는 플라즈마-젯 스파크 플러그가 제공된다. 상기 절연체는 그 내부에 상기 중앙 전극의 선단면을 수용하며 상기 중앙 전극을 지지한다. 상기 절연체의 선단면 상에는 공동이 형성되며, 이 공동은 상기 축 방향 보어의 내측 원주면과 상기 중앙 전극의 선단면 또는 상기 선단면을 포함하는 평면 중 어느 하나에 의하여 구획되는 볼록 형상을 갖는다. 금속 쉘은 상기 절연체의 방사상 원주부를 둘러쌈으로써 상기 절연체를 지지한다. 상기 스파크 플러그는 상기 금속 쉘에 결합되어 이에 전기적으로 연결되는 접지 전극을 더욱 포함한다. 상기 접지 전극은 상기 절연체에 대하여 상기 선단측에 배치되고, 상기 공동과 상기 스파크 플러그의 외부 사이에 소통되는 개구부를 가지며, 여기에서 상기 중앙 전극과 상기 접지 전극 사이의 스파크 방전을 따라 상기 공동 내에서 플라즈마가 형성된다. 상기 절연체 및 상기 접지 전극은 축 방향으로 서로 떨어져서 배치되며, 다음의 관계식을 만족한다: 0<a≤0.5[㎜] 및 0.1≤S≤10[㎣], 여기에서 “a”는 축 방향에서 상기 절연체와 상기 접지 전극 사이의 유극의 치수이다; 그리고, “S”는 상기 공동의 체적이다.

상기 제 1 양상에 더하여, 제 2 양상에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그에서, 축 방향으로 상기 공동을 형성하기 위한 위치에서, 상기 절연체 및 상기 금속 쉘은 상기 축 방향에 수직인 방사상 방향으로 서로 떨어져서 배치된다. 또한, 다음의 관계식을 만족한다: b≤1.1[㎜], 여기에서 “b”는 상기 축 방향에 수직인 방사 상 방향에서의 상기 절연체와 상기 금속 쉘 사이의 유극의 치수이다.

상기 제 2 양상에 더하여 제 3 양상에 의하면, 치수 “b”는 관계식 0.1≤b≤1.1[㎜]을 만족한다.

더욱이, 제 4 양상에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그가 제공된다. 이 스파크 플러그는: 중앙 전극; 축 방향으로 연장되는 축 방향 보어를 가지며, 그 내부에 상기 중앙 전극의 선단면을 수용하고 상기 중앙 전극을 지지하는 절연체; 및 상기 절연체의 선단측에 형성되며 상기 축 방향 보어의 내측 원주면과 상기 중앙 전극의 선단면 또는 상기 선단면을 포함하는 평면 중 어느 하나에 의하여 구획되는 볼록 형상을 갖는 공동;으로 이루어진다. 상기 스파크 플러그는 또한 상기 절연체의 방사상 원주부를 둘러쌈으로써 상기 절연체를 지지하는 금속 쉘; 및 상기 금속 쉘에 전기적으로 연결되도록 상기 금속 쉘에 결합되는 접지 전극;으로 더욱 이루어진다. 상기 접지 전극은 상기 절연체에 대하여 상기 선단측 상에 배치되며 상기 공동과 상기 스파크 플러그의 외부 사이에 소통되는 개구부를 갖는다, 여기에서 플라즈마는 상기 중앙 전극과 상기 접지 전극 사이의 스파크 방전을 따라 상기 공동 내에 생성될 수 있다. 또한, 상기 접지 전극에 결합되는 금속 쉘의 결합부 또는 상기 접지 전극 중 적어도 어느 하나는 축 방향으로 상기 절연체와 떨어져서 배치된다. 여기에서, 상기 접지 전극에 결합되는 상기 금속 쉘의 결합부 또는 상기 접지 전극 중 최소한 어느 하나와 상기 절연체 사이의 유극 내에는 제 1 패킹이 배치되어 이에 접착된다.

제 4 양상의 구성에 더하여, 제 5 양상에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그는 후단부가 선단부보다 큰 직경을 갖도록 단차부가 형성된 절연체를 포함한다. 상기 절연체 단차부는 상기 금속 쉘의 선단측 상에 마련되는 끼움부의 방사상 내측에 수용되는 절연체의 외측 원주면의 일부분 내에 형성되며, 여기에서 금속 쉘의 상기 내측 원주면 내에는 상기 금속 쉘의 방사상 내측 방향으로 불룩한 금속 끼움 단차부가 형성되어 상기 절연체 단차부를 대향하게 되고, 상기 절연체 단차부와 상기 금속 끼움 단차부 사이에 제 2 패킹이 배치되어 이에 부착되며, 상기 제 2 패킹의 경도는 상기 제 1 패킹의 경도보다 높다.

상기 제 4 또는 제 5 양상의 구성에 더하여, 제 6 양상에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그는 다음의 관계식을 만족한다: 0<a≤0.8[㎜] 및 0.1≤S≤10[㎣], 여기에서 “a”는 상기 접지 전극에 결합되는 금속 쉘의 결합부 또는 상기 접지 전극 중 적어도 하나와 상기 절연체 사이의 축 방향 유극의 치수이다; 그리고 “S”는 상기 공동의 체적이다.

상기의 양상들 중 어느 하나의 구성에 더하여, 제 7 양상에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그는 다음의 관계식을 만족한다: 1.0≤G≤3.0[㎜], 여기에서 “G”는 축 방향에서 상기 중앙 전극과 상기 접지 전극 사이의 갭의 치수이다.

상기 제 1 양상의 플라즈마-젯 스파크 플러그에 의하면, 축 방향에서 상기 절연체와 상기 접지 전극 사이에 유극(제 1 유극)이 존재하기 때문에, 상기 절연체가 상기 접지 전극에 부착될 때 이들 사이에서 열 팽창 계수의 차이로 인한 손상은 발생되기 어렵다. 더욱이, 상기 스파크 플러그의 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 유극(축 방향에서 상기 유극의 치수는 a>0[㎜]임)은 상기 절연체 및 상기 접지 전 극의 제조 공차을 상쇄할 수 있으므로, 상기 절연체는 상기 접지 전극으로부터의 압력 하에 상기 금속 쉘 내부에 유지되기 어렵다.

상기 제 1 유극을 갖는 플라즈마-젯 스파크 플러그에서, 상기 공동의 체적(S)은 관계식 0.1≤S≤10[㎣]을 만족한다. 그러므로, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그는 상기 개구부로부터 플라즈마를 배출하기 위하여 요구되는 공동 내 에너지를 최소로 유지할 수 있고, 따라서 에너지 분산을 방지하며 플라즈마가 상기 공동으로부터 충분한 양의 에너지를 갖고 배출될 수 있도록 한다. 더욱이, 상기 제 1 유극 치수 또는 제 1 거리 “a”는 관계식 0<a≤0.5[㎜]을 만족하므로, 상기 플라즈마 에너지는 상기 공동으로부터 상기 개구부까지의 경로에서 상기 제 1 유극 내로 거의 누설되지 않는다. 그러므로, 상기 개구부로부터 상기 스파크 플러그 외부로 효과적인 양의 플라즈마를 배출할 수 있고, 따라서 우수한 가연성을 달성할 수 있다.

본 발명의 상기 제 2 양상에 의하면, 축 방향에 수직인 방사상 방향에서 상기 절연체와 상기 금속 쉘 사이의 유극(제 2 유극)의 치수 또는 거리 “b”는 관계식 b≤1.1[㎜]을 만족하며, 상기 제 1 유극 및 상기 제 2 유극 또는 거리 “b”를 포함하는 유극의 전체 체적은 증가하지 않는다. 그러므로, 상기 플라즈마 에너지가 상기 제 1 유극 내로 거의 누출되어 상기 제 2 유극 내로 흐르게 되는 일은 거의 발생하지 않으며, 따라서, 상기 공동의 개구부까지의 경로에서 상기 플라즈마 에너지의 실질적인 손실을 피할 수 있다. 그 결과, 효과적인 양의 플라즈마 에너지가 상기 개구부로부터 상기 스파크 플러그의 외부로 배출될 수 있고, 그 결과 우수한 가연성을 달성하게 된다.

개개의 플라즈마-젯 스파크 플러그를 살펴보면, 상기 치수 “b”는 바람직하기로는 가능한 한 0에 가깝다. 그러나, 상기 치수 “b”가 0에 가깝게 되면, 상기 절연체 및 상기 금속 쉘의 조립이 어렵게 된다. 더욱이, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그를 구성하는 각 구성 부품이 사용 시 열-싸이클로 인하여 팽창 또는 수축되는 경향이 있다. 이러한 이유로, 상기 제 3 양상에서와 같이, 상기 치수 “b”는 바람직하기로는 0.1[㎜] 또는 그 이상으로 된다. 상기 치수 “b”의 하한선을 0.1[㎜] 또는 그 이상으로 구체화함으로써, 사용 시, 구성 부품의 팽창 또는 수축으로 인한 플라즈마-젯 스파크 플러그의 손상은 경감될 수 있다.

본 발명의 상기 제 4 양상의 플라즈마-젯 스파크 플러그에 의하면, 상기 제 1 패킹은 상기 금속 쉘의 결합부 또는 상기 접지 전극 중 적어도 어느 하나와 상기 절연체 사이에 형성되는 유극(제 1 유극) 내에 배치되므로, 상기 제 1 유극은 상기 제 1 패킹에 의하여 밀봉가능하다. 따라서, 상기 공동으로부터 배출되는 플라즈마 에너지가 상기 개구부로 가는 과정에서 상기 제 1 유극 내로 누출될 가능성은 희박하며, 그러므로 효과적인 양의 플라즈마가 상기 개구부로부터 상기 스파크 플러그 외부로 배출될 수 있다. 그 결과, 우수한 가연성을 얻을 수 있다.

본 발명의 상기 제 5 양상에 의하면, 상기 금속 쉘 내에 상기 절연체를 지지하는 데에 사용되는 제 2 패킹의 경도는 상기 제 1 패킹보다 높게 되므로 상기 제 1 패킹은 상기 제 2 패킹의 변형(상기 밀봉 효과를 개선하는 제 2 패킹의 표면 변형)을 방해하지 못한다. 즉, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그의 제조 공정에 있어 서, 상기 금속 쉘이 상기 절연체를 지지하기 위하여 크림프될 때, 상기 제 1 패킹은 상기 크림핑 힘에 의하여 쉽게 변형되고 상기 제 2 패킹의 표면 변형을 방해하지 않으므로, 상기 제 2 패킹은 상기 금속 쉘 및 상기 절연체 모두에 부착될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 패킹은 상기 금속 쉘 및 상기 절연체를 통하여 내연 가스가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상기 금속 쉘이 내부에 상기 절연체를 지지하기 위하여 크림핑될 때, 상기 제 1 패킹은 상기 절연체와 상기 접지 전극 사이에서 충격 흡수기로서의 기능을 수행할 수 있다. 그러므로, 플라즈마-젯 스파크 플러그의 제조 과정에서 상기 절연체가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 상기 제 6 양상에 의하면, 상기 공동의 체적(S)이 관계식 0.1≤S≤10[㎣]을 만족할 때, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그는 플라즈마 에너지를 분산되지 않게 상기 공동 내에 유지할 수 있고, 또한 상기 공동으로부터 상기 플라즈마 에너지를 충분한 양의 에너지로 배출할 수 있다. 더욱이, 상기 제 1 유극의 치수 “a”는 관계식 0<a≤0.8[㎜]을 만족하므로, 상기 개구부로 가는 과정에서 플라즈마 에너지가 상기 공동으로부터 상기 제 1 유극 내로 유출되는 일의 거의 없다. 그러므로, 상기 개구부로부터 상기 플라즈마의 외부로 효과적인 양의 플라즈마를 배출할 수 있고, 따라서 우수한 가연성을 얻을 수 있다.

본 발명의 상기 제 7 양상에 의하면, 축 방향에서 상기 중앙 전극과 상기 접지 전극 사이의 갭(스파크 방전 갭)의 치수(G)가 관계식 G≤3.0[㎜]을 만족할 때 우수한 가연성을 얻을 수 있다. 그 이유는 실험 2에서 후술되나, 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 3.0㎜ 또는 그 이하일 경우에 비하여 상기 스파크 방전 갭의 치 수(G)가 3.0㎜을 초과할 때에는 상기 가연성이 철저히 떨어진다. 한 편, 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 관계식 1.0≤G[㎜]을 만족할 때, 상기 공동의 깊이는 충분히 유지될 수 있고 상기 공동으로부터 배출되는 플라즈마는 효과적인 화염의 형태로 될 수 있으며, 이는 상기 스파크 플러그의 가연성을 개선한다.

다양한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 이들 중 하나 또는 그 이상의 예는 도면에 도시된다. 각 예는 설명을 위한 것으로서 본 발명을 제한하지 않는다. 예를 들면, 일 실시예 부분으로서 도시 또는 설명되는 특징들은 또 다른 실시예를 제공하도록 다른 실시예에 대하여 또는 이와 연계하여 사용될 수 있다. 본 발명은 이러한 수정 또는 변경을 포함한다. 이러한 예들은 구체적인 용어를 사용하여 설명되며, 이는 첨부된 특허 청구의 범위를 제한하지 않는다. 도면은 치수화되지 않은 것으로서 도시를 목적으로 한다.

이하, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그를 도면을 참조하여 설명한다. 우선 도 1 및 도 2를 참조하여 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 구성에 대한 일 예를 설명한다. 도 1은 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 부분적인 단면도이다. 도 2는 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 선단부를 도시하는 확대 단면도이다. 다음의 설명에서, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 축 방향 “O”은 도 1의 상하 방향으로 간주된다. 도면의 하측은 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 선단측으로 칭하며, 도면의 상측은 상기 플 라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 후단측으로 칭한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 의한 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)는 절연체(10), 내부에 상기 절연체(10)를 지지하는 금속 쉘(50), 상기 축 방향 “O”으로 상기 절연체(10)를 지지하는 중앙 전극(20), 상기 금속 쉘(50)의 선단부(65)에 용접되는 접지 전극(30) 및 상기 절연체(10)의 후단부 내에 형성되는 금속 단자(40)로 구성된다.

상기 절연체(10)는 상기 축 방향 “O”으로 축 방향 보어(12)를 포함하는 튜브형 절연 부재이며, 이는 소결 알루미나 등으로 주지의 방법에 의하여 만들어진다. 상기 절연체(10)의 최대 외경을 갖는 플랜지부(19)는 상기 절연체(10)의 축 방향 연장부에 대하여 대체로 중심 위치에 형성되며, 후단측 몸체부(18)는 상기 플랜지부(19)로부터 상기 후단측에 형성된다. 상기 후단측 몸체부(18)는 그의 외측 원주면 상에 울퉁불퉁한 표면(소위, 주름부)을 가짐으로써 상기 절연체(10)의 표면을 증가시키고, 따라서 상기 금속 쉘(50)과 상기 금속 단자(40) 사이의 표면을 따라 이어지는 거리를 증가시킨다. 상기 후단측 몸체부(18)보다 작은 외경을 갖는 상기 절연체(10)의 선단측 몸체부(17)는 상기 플랜지부(19)에 대하여 상기 선단측에 형성된다. 상기 선단측 몸체부(17)보다 작은 외경을 갖는 길이가 긴 또는 타원형 다리부(13)는 상기 선단측 몸체부(17)에 대하여 선단측에 형성된다. 상기 길이가 긴 또는 타원형인 다리부(13)와 상기 선단측 몸체부(17) 사이에는 단차 형상의 단차부(14)가 마련된다. 일부 실시예에서 상기 단차부(14)는 “절연체 단차부”의 역할을 한다.

상기 긴 다리부(13) 영역 내에서 상기 축 방향 보어(12)의 내측 원주부는 상기 선단측 몸체부(17), 상기 플랜지부(19) 및 상기 후단측 몸체부(18)의 내경들 보다 작은 내경을 갖는 전극 지지 영역(15)의 역할을 한다. 상기 중앙 전극(20)은 상기 전극 지지 영역(15) 내에 지지된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 축 방향 보어(12)의 내측 원주부는 상기 전극 지지 영역(15)의 선단측에서 더욱 감소되는 직경을 가지며, 이 감소된 직경부는 그 곳에서 전방 홀 부(61)의 역할을 한다. 상기 선단 홀 부(61)는 상기 절연체(10)의 선단(16)에서 개구된다.

상기 중앙 전극(20)은 로드 형상 전극이며, INCONEL(상표명)600 또는 601과 같은 니켈-계 합금 등으로 이루어질 수 있고, 그 내부에는 우수한 열 전도성을 갖는 구리 등으로 이루어지는 금속 코어(23)가 마련된다. 노블 금속 또는 W(텅스텐)으로 이루어지는 디스크-형상 전극 팁(25)은 상기 중앙 전극(20)의 선단부(21)에 용접되어, 상기 중앙 전극(20)에 일체화된다. 제 1 실시예에서 상기 “중앙 전극”은 상기 중앙 전극(20)에 일체화된 상기 전극 팁(25)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 중앙 전극(20)의 후단측은 플랜지화 되어 있고(직경이 증가됨), 상기 전극 지지 영역(15) 내에 상기 중앙 전극(20)에 적당히 위치되도록 상기 축 방향 보어(12)의 전극 지지 영역(15)의 단차부 내에 장착된다. 더욱이, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 중앙 전극(20)의 선단부(21)의 선단면(26)의 둘레 가장자리 또는 둘레부(즉, 상기 선단부(21) 내에서 상기 중앙 전극(20)에 일체화되는 전극 팁(25)의 선단면(26))는직경이 서로 상이한 상기 전극 지지 영역(15)과 상기 선단 홀 부(61) 사이에 형성되는 단차부와 접촉되어 지지된다. 이러 한 구조로, 상기 축 방향 보어(12)의 선단 홀 부(61)의 내측 원주면과 상기 접지 전극(20)의 선단면(26) 또는 상기 선단면(26)을 포함하는 평면 중 어느 하나에 의하여 원통형 바닥을 갖는 소-체적 방전 갭이 구획된다. 이러한 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)에서, 상기 접지 전극(30)과 상기 중앙 전극(20) 사이에 형성되는 상기 스파크 방전 갭에서는 스파크 방전이 수행되며, 상기 스파크 방전은 상기 방전 갭의 내부를 통과한다. 이러한 방전 갭은 공동(60)으로 불리우며, 상기 공동(60) 내에서는 플라즈마가 형성되어 스파크 방전 시 상기 선단(16)의 개구부를 통하여 상기 스파크 플러그의 외부로 배출된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 금속 단자(40)는 상기 축 방향 보어(12) 내에 마련되는 금속-유리 조성의 도전성 밀봉 부재(4)를 통하여 상기 선단측 몸체부(17) 내에서 상기 중앙 전극(20)에 전기적으로 연결된다. 상기 밀봉 부재(4)는 상기 중앙 전극(20)과 상기 금속 단자(40) 사이에 전기적 전도를 일으킬 뿐만 아니라 상기 축 방향 보어(12) 내의 중앙 전극(20)을 고정하기도 한다. 상기 금속 단자(40)는 상기 축 방향 보어(12) 내에서 후측으로 연장되고, 상기 금속 단자(40)의 후단부(41)는 상기 스파크 플러그의 외부를 향하여 상기 절연체(10)의 후단으로부터 돌출된다. 상기 후단부(41)에는 플러그 캡(도시 생략)을 통하여 고-전압 케이블(도시 생략)이 연결되어, 전력 공급부(도시 생략)로부터 고전압을 공급한다.

다음으로, 상기 금속 쉘(50)을 설명한다. 상기 금속 쉘(50)은 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)를 내연 엔진의 엔진 헤드(도시 생략)에 고정하기 위한 원통형 금속 부품이다. 상기 금속 쉘(50)은 그의 원통형 홀(59) 내에 상기 절연 체(10)를 지지하며, 후단측 몸체부(18)로부터 상기 절연체(10)의 상기 긴 다리부(13)에 이르는 상기 절연체(10)의 둘레 영역을 둘러싼다. 상기 금속 쉘(50)은 저-카본-강으로 이루어지며, 그의 선단측에서 대체로 중간 영역에 큰 직경으로 되는 끼움부(52)를 갖는다. 수나사 형상의 나사산이 상기 끼움부(52)의 외측 원주면에 형성되어 상기 엔진 헤드의 장착 홀(도시 생략) 내에서 암나사와 맞물린다. 상기 금속 쉘(50)은 우수한 열 저항성을 갖는 INCONEL(상표명)과 같은 스테인레스강으로 만들어질 수 있다.

더욱이, 상기 끼움부(52)의 후단측 상에는 플랜지 형상의 밀봉부(54)가 형성되며, 상기 밀봉부(54)와 상기 끼움부(52) 사이에는 판 부재를 구부림으로써 형성되는 환형 개스킷(5)이 끼워진다. 상기 개스킷(5)은 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)가 엔진 헤드의 장착 홀에 장착될 때 상기 밀봉부(54)의 선단부에 대향하는 장착면(55)과 상기 끼움 홀(도시 생략)의 개구부의 둘레부 사이에서 변형된다. 그 결과, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)와 상기 끼움 홀 사이의 가스 밀봉이 확실하게 이루어져 상기 끼움 홀을 통한 연소 가스의 누출을 방지한다.

플러그 렌치(도시생략)와 맞물리게 되는 도구 결합부(51)는 상기 밀봉부(54)에 대하여 후단측에 형성된다. 박형 크림프부(53)는 상기 도구 결합부(51)에 대하여 후단측으로 형성되며, 박형 버클부(58)는 상기 도구 결합부(51)와 상기 밀봉부(54) 사이에 형성된다. 또한, 상기 도구 결합부(51)로부터 상기 크림프부(53)로 연장되는 내측 원주 영역과 상기 절연체(10)의 후단측 몸체부(18)의 외측 원주면 사이에는 환형 링(6,7)이 배치된다. 상기 환형 링(6,7) 사이에는 분말 활석(9)이 채워진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 끼움부(52)의 내측 원주면에는 단차부(56)가 형성됨으로써 제 2 환형 패킹(80)을 통하여 상기 절연체(10)의 단차부(14)를 지지한다. 상기 제 2 환형 패킹(80)은, 예를 들면, 니켈재로 만들어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 크림프부(53)의 일 단부가 내측으로 구부러져서 크림프될 때, 상기 절연체(10)는 상기 링 부재(6,7) 및 상기 활석(9)을 통하여 상기 전단측으로 가압된다. 동시에, 상기 버클부(58) 또한 압축력을 받아서 부푸는 형태로 변형되며, 이는 버클부(58)의 압축 스트로크 범위를 증가시키게 된다. 이러한 구조로, 상기 절연체(10)의 단차부(14) 및 플랜지부(19)는 상기 금속 쉘(50)의 크림프부(53) 및 단차부(56) 사이에서 신뢰성있게 샌드위치된다. 그 결과, 상기 절연체(10)는 상기 금속 쉘(50) 내에 안전하게 일체화된다. 상기 금속 쉘(50)의 원통형 홀(59)의 내측 원주면 및 상기 절연체(10)의 긴 다리부(13)의 외측 원주면은 도 2에 도시된 바와 같이 유극을 구획한다. 상기 금속 쉘(50)과 상기 절연체(10) 사이의 기밀성은 상기 제 2 패킹(80)에 의하여 달성되어 상기 원통형 홀(59)을 통하여 연소 가스가 누출되는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 상기 단차부(56)는 “금속 끼움 단차부”에 상응한다.

상기 접지 전극(30)은 상기 금속 쉘(50)의 선단부(65) 내에 마련된다. 일부 실시예에 의하면 상기 접지 전극(30)은 INCONEL 600 또는 601의 상호명을 갖는 니켈-계 합금과 같이 열 저항이 우수한 금속재로 만들어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 접지 전극(30)은 디스크 형상으로 될 수 있고, 오리피스(31)로 불리우는 개구부(두께 방향의 관통구)가 중앙에 마련된다. 상기 접지 전극(30)은 상기 절연체(10)의 선단(16)에 대하여 선단측에 배치된다. 상기 접지 전극(30)의 두께 방향은 상기 축 방향 “O”을 따라 연장된다. 상기 접지 전극(30)은 결합부(57)과 맞물리며, 이는 상기 금속 쉘(50)의 선단부(65)의 내측 원주면에 형성되고 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10) 사이에 유극을 구획하도록 상기 절연체(10)에 대하여 배치된다. 상기 접지 전극(30)의 외측 원주부 가장자리는 상기 결합부(57)에 레이저 용접되어, 상기 금속 쉘(50)과 일체화된다. 상기 접지 전극(30)의 오리피스(31)는 상기 축 방향 “O”에 대하여 대체로 동축으로 배열되어, 상기 절연체(10)의 공동(60)과 일직선으로 배열된다. 상기 오리피스(31)는 상기 공동(60)과 외부 공기 사이의 소통을 가능하게 한다. 일부 실시예에서 상기 오리피스(31)는 “개구부”에 상응한다.

이러한 방식으로 형성된 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)에서, 내연 엔진의 작동 중 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30) 사이에 형성된 스파크 방전 갭에 고전압이 인가될 때, 상기 접지 전극(30)과 상기 중앙 전극(20) 사이의 절연은 파괴되며 스파크 방전이 발생된다(트리거 방전 현상으로도 불리움). 이 상태에서, 상기 스파크 방전 갭에 추가의 에너지가 가해지면, 벽으로 둘러싸인 작은 공동(60) 내에는 고-에너지의 플라즈마가 형성된다. 이렇게 발생된 고-에너지 플라즈마는 상기 접지 전극(30)의 오리피스(31)를 통하여 상기 공동(60)으로부터 상기 스파크 플러그(즉, 연소실)의 외부로 화염 형태로 배출된다. 그 후, 공기-연료 혼합물은 상기 고-에너지 플라즈마 방전에 의하여 점화되어 연소실 내에서 화염 핵 성장(flame kernel growth)을 통하여 연소된다.

상기 이러한 구조의 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)는 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이에 유극(이하, “제 1 유극” 또는 “제 1 거리”로 칭함)을 갖는다. 상기 제 1 실시예는 후술되는 예 1에 기초한 관계식 0<a≤0.5㎜ 및 0.1≤S≤10㎣을 만족한다, 여기에서 “a”는 상기 제 1 유극의 치수, 예를 들면 두께이며, “S”는 상기 공동(60)의 체적이다. 상기 공동(60)의 체적(S)이 10㎣보다 클 때, 상기 플라즈마 에너지는 상기 공동(60) 내에서 확산되므로, 상기 개구측으로부터 배출되는 플라즈마 에너지의 양이 감소된다. 그 결과, 가연성은 열화된다(화염 길이는 짧아진다). 상기 제 1 유극 치수 또는 제 1 거리 “a"가 0.5㎜보다 클 때, 상기 공동(60) 내에 발생되는 플라즈마 에너지는 상기 오리피스(31)로 가는 도중 상기 제 1 유극 내로 누설되므로, 플라즈마 에너지의 양이 감소된다. 그 결과, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 가연성은 열화된다. 상술한 바와 같이, 상기 관계식 0<a≤0.5㎜ 및 0.1≤S≤10㎣이 만족되면, 예 1의 결과에 의하여 충분하고 우수한 가연성을 얻을 수 있다.

상기 접지 전극(30)은 상기 금속 쉘(50)의 결합부(57)에 결합되어 상기 금속 쉘(50)에 대하여 위치된다. 상기 절연체(10)의 선단(16)은 상기 절연체(10)의 단차부(14)가 상기 제 2 패킹(80)을 통하여 상기 금속 쉘(50)의 단차부(56)에 의하여 지지되도록 상기 금속 쉘(50)에 대하여 위치된다. 즉, 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이의 제 1 유극 치수 “a"는 상기 크림프부(53)가 크림프되는 정도로 조절되고, 상기 제 2 패킹(80)의 두께 및/또는 경도는 제조 허용 공차 를 포함한다.

상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)는 상기 제 1 유극에 연결되며 상기 절연체(10)의 긴 다리부(13)의 외측 원주면과 상기 금속 쉘(50)의 원통형 홀(59)의 내측 원주면에 의하여 구획되는 또 하나의 유극(이하, “제 2 유극”으로 칭함)을 갖는다. 상기 제 1 실시예는 후술되는 예 2에 기초하여 관계식 0.1≤b≤1.1㎜을 구체화한다, 여기에서 “b”는 상기 제 2 유극의 치수, 예를 들면 두께이다. 상기 제 2 유극 치수 “b"가 1.1㎜보다 클 때, 상기 제 1 유극 및 상기 제 2 유극의 전체 유극 체적은 증가된다. 그러므로, 상기 플라즈마 에너지는 상기 제 1 유극으로부터 누출되어 상기 제 2 유극 내로 쉽게 흐를 수 있게 되어, 플라즈마 에너지 밀도가 손실되고 배출되는 플라즈마의 양이 감소된다. 결과적으로, 가연성의 열화가 발생될 수 있다. 더욱이, 개개의 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그의 열 저항성을 고려하면, 상기 제 2 유극 치수 ”b"는 바람직하기로는 가능한 한 0에 가깝다. 그러나, 상기 제 2 유극 치수 “b"가 0에 가깝게 되면, 상기 절연체(10) 및 상기 금속 쉘(50)의 조립이 어려워진다. 더욱이, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)를 구성하는 각 구성 부품이 사용시 열-싸이클로 인하여 팽창 또는 수축될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제 2 유극 치수 “b”가 0에 도달하면, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그는 손상될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 제 2 유극이 관계식 0.1≤b≤1.1[㎜]을 만족할 때, 후술되는 예 2의 결과에 의하여 플라즈마-젯 스파크 플러그를 손상하지 않으면서 우수한 가연성을 얻게 된다.

또한 상기 제 1 실시예는 예 2에 기초한 관계식 1.0≤G≤3.0을 만족하며, 여 기에서 “G”는 상기 축 방향에서 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30) 사이에 형성되는 스파크 방전 갭의 치수 또는 길이이다. 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 3.0㎜보다 클 때, 가연성은 열화된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 바람직하기로는 고전압을 인가하여 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30) 사이에 스파크 방전을 발생시킨다. 그러나, 이 경우에도 초과의 전압 공급으로 인하여 상기 절연체(10)가 손상될 가능성이 있다. 더욱이, 보다 고가의 전력 시스템이 요구될 수 있다. 상술한 바의 문제점들을 고려하여, 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)는 바람직하기로는 3.0㎜ 또는 그 이하로 된다. 한 편, 상기 스파크 방전 갭 치수(G)가 1.0㎜ 미만일 때, 상기 축 방향 “O”에서 상기 공동(60)의 길이(상기 공동(60)의 깊이)는 충분히 유지되기 곤란하고, 배출되는 플라즈마는 화염의 형태로 되지 않을 수 있다. 그 결과, 가연성의 열화가 발생된다. 이상에서 언급한 바와 같이, 상기 스파크 방전 갭 치수(G)가 상기 관계식 1.0≤G≤3.0㎜을 만족할 때, 상기 스파크 방전은 신뢰성 있게 발생되고, 따라서 후술되는 예 2의 결과에 의하여 우수한 가연성을 얻게 된다.

상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 설명에서는 상기 절연체(10)가 열 크림핑에 의하여 상기 금속 쉘(50) 내에 지지되었으나, 반드시 이 방법을 이용할 필요는 없다. 예를 들면, 상기 크림핑 공정은 상온 가공(cold work)로 수행될 수 있고, 또는 상기 크림프부(53)의 일단부가 직접 또는 간접적(상기 패킹 등을 통하여)으로 가압될 수 있으므로 활석(9)을 사용함 없이 상기 절연체(10)를 지지할 수 있다. 상기 절연체(10)가 지지되는 한, 상기 절연체를 지지하기 위한 방법에는 제 한이 없다. 그러나, 상기 절연체(10)를 상기 축 방향 “O”에서 상기 선단을 향하여 가압하는 크림핑 공정 등이 상기 절연체(10)를 지지하는 데에 이용될 때, 상술한 바의 열 크림핑을 이용하는 공정은 상기 스파크 플러그의 제조 과정 동안 상기 절연체(10)의 손상을 효과적으로 방지한다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그를 설명한다. 도 3은 상기 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)의 부분적인 확대 단면도이다. 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)(도 3 참조)는 상기 제 1 실시예에 의한 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)(도 2 참조)의 접지 전극(30)과 절연체(10) 선단(16) 사이의 유극 내에 배치되는 제 1 패킹(270)을 갖는다. 상기 제 1 패킹(270)은, 예를 들면, 냉간 압연 강철판을 이용하여 환형으로 형성된다. 상기 제 1 패킹(270)의 내경(E)은 상기 공동(60)의 내경(D)보다 크고, 상기 제 1 패킹(270)의 내경(E)과 상기 공동(60)의 내경(D) 사이의 차의 적어도 절반은 상기 제 1 유극 치수 “a”보다 크다. 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30) 사이에 발생되는 표면 방전과 공중 방전의 유전체 파괴 전압은 상기 중앙 전극(20)과 상기 제 1 패킹(270) 사이에 발생되는 표면 방전의 그것 보다 크다. 상기 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(200) 및 상기 제 1 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 구조는 상기 제 1 패킹(270)의 존재 유무만이 다르다. 그러므로, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)에서와 동일한 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)의 기타 부분에 대한 설명은 생략한다.

상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 이러한 구조로 되는 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)는 상기 금속 쉘(50)을 포함하며, 제조 과정 중 상기 절연체(10)는 상기 금속 쉘(50)의 원통형 홀(59) 내에 수용되어 상기 크림프부(53)를 크림프함으로써 지지된다. 상기 제 1 유극 내에 배치되는 상기 제 1 패킹(270)은 상기 제 2 패킹(80)보다 낮은 경도를 가지므로, 상기 단차부(14) 및 (56) 사이에 삽입되는 상기 제 2 패킹(80)은 상기 제 1 패킹(270)에 의한 영향을 받지 않고 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 패킹(270)은 JIS G3141에 명시된 약 110HV의 비커스 경도를 갖는 냉간 압연 강철 판으로 만들어진다. 상기 제 2 패킹(80)에 대해서는, 전자 튜브에 사용되며 JIS H4501에 명시된 약 200HV의 비커스 경도를 갖는 니켈재를 이용할 수 있다.

또한, 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이를 밀봉하고 상기 제 1 유극을 통하여 플라즈마 에너지가 누출되는 것을 방지하기 위하여, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(200) 내에 조립되기 이전의 상기 제 1 패킹(270)의 두께는 상기 제 1 유극 치수 “a”와 같거나 이보다 다소 크다. 상기 제 2 패킹(80)은 상기 금속 쉘(50)의 원통형 홀(59)을 통하여 연소 가스가 분출되는 것을 방지한다. 그러므로, 상기 제 1 패킹(270)은 플라즈마 에너지의 누출을 방지하기 위하여 적절히 선택된다.

그러므로, 상기 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)에서, 상기 제 1 유극은 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이에 상기 제 1 패킹(270)을 형성함으로써 상기 접지 전극(30)과 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이에 신뢰성있게 형성될 수 있다. 상기 공동(60)의 체적(S)의 치수 및 상기 스파크 방전 갭 치수(G)에 대한 각각의 명세사항은 상기 제 1 실시예의 그것과 동일하지만, 상기 플라즈마 에너지는 상기 제 2 유극에로 유출되지 않으며 상기 제 1 유극 내로 유출되는 플라즈마 에너지의 양 또한 상기 제 1 유극 내에 상기 제 1 패킹(270)을 배치함으로써 감소된다. 그러므로, 상기 제 1 유극 치수 “a”가 더욱 확대되더라도, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)의 가연성은 충분히 유지된다. 특히, 상기 제 1 유극 치수 “a”가 0.8㎜ 또는 그 이하일 때, 후술되는 예 3의 결과에 의하여 우수한 가연성이 얻어진다.

상술된 바와 같이, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그에 제 1 유극을 마련함으로써(제 1 실시예), 또는 상기 제 1 유극 내에 상기 제 1 패킹(270)을 마련함으로써(제 2 실시예), 사용 시의 열 응력(heat stress)의 영향으로 또는 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그의 제조 과정 중 유발되는 응력의 영향으로 인하여 상기 절연체(10)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상술한 바의 각각의 치수를 구체화함으로써 우수한 가연성이 얻어지는 지의 여부를 확인하기 위하여 테스트를 수행하였다.

(예 1)

우선, 상기 제 1 유격의 치수 “a”, 상기 공동(60)의 체적(S) 및 가연성 사이의 관계를 연구하기 위하여, 테스트를 수행하였다. 여러 종류의 플라즈마-젯 스파크 플러그(테스트 표본)을 제조하였다. 각각의 테스트 표본은 0.1 내지 0.7㎜에 걸친 치수 “a”의 제 1 유격을 갖는 4가지 종류의 절연체(상이한 내경(D)을 가지 므로 상기 공동의 체적(S)이 5, 10, 15 또는 20㎣ 중 어느 한가지로 됨) 중 하나를 포함하였다. 상기 각각의 표본에서 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)는 3.0㎜로 하였고, 상기 제 2 유격의 치수 “b”는 1.0㎜로 하였다. 또한, 상기 제 1 유격 내에는 상기 제 1 패킹을 형성하지 않았다.

각각의 표본들을 압력실에 장착하여 상기 압력실을 0.05MPa의 압력으로 공기 및 C₃H₈ 가스의 혼합물(공기-연료 비율: 22)로 충전하면서(가스-충전 공정) 가연성 테스트를 수행하였다. 다음으로, 상기 각각의 표본에 고전압을 공급하기 위하여 150mJ의 에너지를 공급할 수 있는 전원을 상기 각각의 표본에 연결하였다. 그리고, 상기 공기-연료 혼합물의 점화 성공 또는 실패를 평가하였다 (점화 확인 공정). 상기 점화를 확인하기 윈한 검출 방법은 압력 센서를 갖는 상기 압력실 내의 압력을 측정하고 상기 압력실 내의 압력 변화를 감시하는 단계를 포함한다. 상기 테스트 표본의 점화 확률은 상술한 일련의 단계들을 100회 수행함으로써 결정하였다. 상기 테스트 결과를 도 4의 그래프로 나타내었다.

도 4의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 제 1 유격의 치수 “a”가 증가되면, 점화 확률이 감소되었다. 또한, 공동의 체적(S)이 0.1㎣, 5㎣ 또는 10㎣인 표본들은 상기 제 1 유격의 치수 “a”가 0.5㎜ 또는 그 이하일 때 100%의 점화 확률을 보였다. 이는 상기 제 1 유격의 치수 “a”가 0.5㎜보다 클 때 상기 점화 확률이 감소됨을 확인해준다. 그러나, 공동의 체적(S)이 0.05㎣, 15㎣ 또는 20㎣ 상기 표본들은 상기 제 1 유격의 치수 “a”가 0.1㎜이었을 경우에도 100%의 점화 확률을 갖지 못했다. 이는 상기 제 1 유격의 치수 “a”가 0보다 크고 0.5㎜ 또는 그 이하일 때 그리고 상기 공동의 체적(S)이 0.1 또는 그 이상으로부터 10㎣ 또는 그 이하일 때 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그를 손상시킴 없이 100%의 점화 확률을 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.

(예 2)

다음으로, 상기 스파크 방전 갭 치수(G), 상기 제 2 유격의 치수 “b” 및 가연성 사이의 관계를 연구하기 위하여 테스트를 수행하였다. 이 테스트에서, 다수개의 플라즈마-젯 스파크 플러그 표본을 제작하였다. 각각의 표본은 상기 제 2 유격의 치수 “b”가 0.5, 1.0, 1.1 또는 1.5㎜ 중 어느 하나가 되도록 상기 긴 다리부가 형성되는 여러 절연체 중 하나를 포함하였다. 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)는 1.0 내지 4.0㎜의 범위 내로 하였다. 각각의 표본은 상기 제 1 유격의 치수 “a”를 0.5㎜로 하였다. 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)는 상기 공동의 깊이를 변경함으로써 조정하였다. 이 때에, 각 표본의 내경(D)은 상기 공동의 체적(S)이 10㎣로 일정하게 유지되어 상기 공동의 깊이 변화를 상쇄시키도록 결정 및 조정하였다. 즉, 이 테스트는 예 1에서 100%의 가연성을 얻었던 것으로 확인된 극한값을 이용하여 수행하였다. 또한, 예 1에서와 유사하게, 상기 제 1 유격 내에는 상기 제 1 패킹을 배치하지 않았다.

예 1과 마찬가지로, 이 표본들을 압력실에 장착하여 상기 압력실을 0.05MPa 의 압력으로 공기 및 C₃H₈ 가스의 혼합물(공기-연료 비율 : 22)로 충전하면서 점화 확률 테스트를 수행하였다. 또한, 150mJ의 에너지를 공급할 수 있는 전원을 상기 각각의 표본에 연결하고, 상기 가스-충전 공정 및 상기 점화 확인 공정을 100회 수행함으로써 상기 표본들의 점화 확률을 결정하였다. 상기 테스트 결과를 도 5에 그래프로 나타내었다.

도 5에서 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 임의의 표본에 대한 점화 확률은 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 3.0㎜를 초과할 때 철저하게 감소되었다. 즉, 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 3.0㎜를 초과할 때, 스파크 방전 갭 내에서는 유전체 파괴가 발생되지 않는다. 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 1.0㎜ 미만이었을 때에는 상기 테스트를 수행하지 않았다. 그 이유는 상기 공동의 깊이가 충분히 유지될 수 없고 그래서 플라즈마가 화염 형태로 효과적으로 배출될 수 없기 때문이다. 이러한 테스트들은 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 바람직하기로는 1.0㎜ 또는 그 이상에서 3.0㎜ 또는 그 이하의 범위로 되어야함을 나타낸다.

도 5의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 스파크 방전 갭의 치수(G)가 3.0㎜ 또는 그 이하일 때, 1.0㎜ 또는 그 이하의 제 2 유격 치수 “b”를 갖는 표본들은 100%의 점화 확률에 도달할 수 있었다. 상기 표본의 제 2 유격 치수 “b”를 1.1㎜로 하였을 때 상기 점화 확률은 100% 보다 작았으나, 대체로 80% 또는 그 이상의 점화 확률을 얻었다. 또한, 상기 제 2 유격의 치수 “b”가 1.5㎜인 표본들은 점화 확률이 크게 감소되었다. 이는 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그의 상 기 제 2 유격의 치수 “b”가 1.1㎜ 또는 그 이하일 때 우수한 점화 확률을 얻을 수 있다는 것을 나타낸다. 더욱이, 100%의 점화 확률을 얻기 위해서 상기 제 2 유격의 치수 “b”는 바람직하기로는 1.0㎜ 또는 그 이하로 된다.

(예 3)

다음으로, 그의 제 1 유격 내에 상기 제 1 패킹을 갖는 플라즈마-젯 스파크 플러그의 가연성이 개선되는지를 확인하기 위한 테스트를 수행하였다. 이 테스트에서, 2가지 종류의 절연체(한 가지는 상기 제 1 유격 내에 위치되는 제 1 패킹을 가지며, 나머지 한 가지는 상기 제 1 패킹을 갖지 않음) 중 하나를 갖는 다수개의 플라즈마-젯 스파크 플러그를 제조하였다. 상기 제 1 유격 치수 “a”는 0.3 내지 0.9㎜의 범위로 하였다. 각각의 표본은 제 2 유격 치수 “b”를 1.0㎜로 하였다. 상기 방전 갭 치수(G)가 상기 제 1 유격 치수 “a”에 무관하게 3.0㎜로 설정되도록 각 표본의 공동의 깊이를 조정하였다. 또한, 상기 공동의 체적(S)이 10㎣로 유지되도록 각 표본의 내경(D)을 결정 및 조정하였다. 즉, 예 1 및 예 2에서 100%의 가연성을 얻은 것으로 확인되는 극한값을 이용하여 이 테스트를 수행하였다.

예 1 및 예 2와 마찬가지로, 이 표본들을 압력실에 장착하여 상기 압력실을 0.05MPa의 압력으로 공기 및 C₃H₈ 가스의 혼합물(공기-연료 비율: 22)로 충전하면서 점화 확률 테스트를 수행하였다. 또한, 150mJ의 에너지를 공급할 수 있는 전원을 상기 표본에 연결하고, 상기 가스-충전 공정 및 상기 점화 확인 공정을 100회 수행 함으로써 상기 표본들의 점화 확률을 결정하였다. 상기 테스트 결과를 도 6에 그래프로 나타내었다.

도 6에서 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 제 1 유격 내에 제 1 패킹이 없는 표본에서는, 상기 제 1 유격 치수 “a”가 0.5㎜ 또는 그 이하일 때 100%의 점화 확률을 얻었다. 또한, 상기 제 1 유격 치수 “a”가 0.5㎜를 초과할 때에는, 점화 확률이 감소되었고 이는 예 1과 동일한 결과였다. 한 편, 상기 제 1 유격 내에 상기 제 1 패킹을 갖는 표본에서는, 상기 제 1 유격 치수 “a”가 0.8㎜ 또는 그 이하인 한 100%의 점화 확률을 얻었다.

본 발명은 이들 예시적인 실시예에 제한되지 않는다. 당업자는 상술한 바의 실시예에 대하여 다양한 수정을 용이하게 가할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 실시예들은 상기 선단측에서 상기 금속 쉘(50)의 원통형 홀(59)의 개구가 상기 접지 전극(30)에 의하여 커버되는 구조로 된다. 그러나, 도 7의 플라즈마-젯 스파크 플러그(300)에서와 같이, 상기 선단에서 원통형 홀(359)의 개구 둘레 가장자리는 연장되어 결합부(365)를 형성하도록 방사상 내측으로 구부러지고, 오리피스(331)를 갖는 접지 전극(330)은 상기 결합부(365)의 중앙에 마련되는 개구부(357)에 결합될 수 있다. 또한, 제 1 패킹(370)은 상기 결합부(365)와 상기 절연체(10)의 선단(16) 사이의 유격 내에 배치될 수 있다. 물론, 상기 제 1 패킹(370)은 상기 접지 전극(330)과 접촉될 수 있다. 더욱이, 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(300)에서 접지 전극(330)이 없는 경우, 상기 금속 쉘(350)의 결합부(365)의 중앙 개구부(357)는 오리피스의 역할을 할 수 있다. 상기 플라즈마-젯 스파크 플러그(300)에서 각 유격의 치수와 같은 치수들은 상기 제 1 및 제 2 실시예의 치수에 맞게 되어야 한다.

상기 제 1 및 제 2 실시예에서, 상기 절연체(10)의 선단면(16)과 상기 선단면(16)에 대향하는 상기 접지 전극(30)의 후단면은 평면 형상으로 되며 평행하게 배열된다. 그러나, 상기 선단면(16) 및 상기 접지 전극(30)의 후단면의 형상 및 위치는 다양하게 수정될 수 있다. 예를 들면, 상기 선단면(16) 또는 상기 접지 전극(30)의 후단면 중 적어도 어느 하나는 곡면 또는 단차형태로 될 수 있다. 또한, 상기 선단면(16) 및 상기 접지 전극(30)의 후단면은 반드시 서로 평행하게 배열될 필요는 없다. 본 발명의 목적은 상기 절연체의 선단면과 상기 접지 전극 사이의 갭 내로 플라즈마가 누설되는 것을 방지하기 위한 것이므로, 이상의 수정이 가해질 경우, 상기 제 1 유격 치수 “a”는 상기 오리피스(31)측 (방사 방향에서 상기 절연체의 최내측부)에서 측정될 수 있다. 더욱이, 상기 제 2 유격 치수 “b”는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 선단측(C 챔퍼링 또는 R 챔퍼링부 제외) 상에서 측정될 수 있다.

본 발명의 효과를 확인하기 위한 테스트에서, 상기 체적(S)은 상기 공동(60)의 깊이 또는 상기 전방 홀 부(61)의 직경에 따라 변경된다. 그러나, 상기 체적(S)은 반드시 이러한 방식으로 구획될 필요는 없다. 상기 체적(S)은, 상기 제 1 및 제 2 실시예에서와 같이(도 2 및 도 3 참조), 상기 전방 홀 부(61)의 내측 원주면과 상기 중앙 전극(20)의 선단면(26)에 의하여 형성되는 공동(60)에 의하여 구획될 수 있다. 비록 명세서에 도시되지는 않았으나, 상기 공동(60)은 상기 전방 홀 부(61) 에 대하여 후단측 상에 위치되며 상기 전방 홀 부(61)의 내경보다 큰 직경을 갖는 전극 지지 영역(15)의 일부분을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전방 홀 부(61)의 내경은 적당하게 수정될 수 있다. 물론, 이 경우, 상기 접지 전극(30)의 오리피스(31)의 개구부 직경은 바람직하기로는 상기 전방 홀 부(61)의 내경 보다 크게 형성됨으로써 상기 제 1 유격 내로 플라즈마가 누출되는 것을 방지한다. 이상에서 기술된 바의 상세한 설명은 본 발명을 개시하기 위하여 또한 당업자로 하여금 본 발명의 제작 및 사용가능하도록 최선의 형태를 포함한 구체적인 실시예들을 사용한다. 본 발명은 다양한 구체적인 실시예들로써 설명된 것으로, 당업자는 특허 청구의 범위의 기본 요지 및 범위 내에서 수정하여 본 발명을 실행할 수 있다. 특히, 상기 실시예들의 상호 비-배타적인 특징들은 서로 조합될 수 있다. 특허 가능한 범위는 특허 청구의 범위에 의하여 정의되며, 당업자에게 가능한 기타의 예들을 포함한다. 이러한 기타의 예들은 특허 청구의 범위의 정확한 용어와 상이하지 않는 구조적 요소를 갖거나 또는 특허 청구의 범위의 정확한 용어로부터 실질적인 차이가 없는 구조적 요소의 등가물을 포함한다면 특허 청구의 범위의 요지 내에서 벗어나지 않는 것으로 간주한다.

도 1은 제 1 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 부분 단면도

도 2는 상기 제 1 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(100)의 선단부를 나타낸 확대 단면도

도 3은 제 2 실시예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(200)의 부분적인 확대 단면도

도 4는 점화 확률과 제 1 유극 치수 “a” 사이의 관계를 공동(S)의 함수로 나타낸 그래프

도 5는 점화 확률과 스파크 방전 갭의 치수(G) 사이의 관계를 제 2 유극“b"의 함수로 나타낸 그래프

도 6은 상기 점화 확률과 상기 제 1 유극 치수 “a" 사이의 관계를 제 1 유극 내 제 1 패킹의 존재 유무 함수로 나타낸 그래프

도 7은 수정예에 의한 플라즈마-젯 스파크 플러그(300)의 부분적인 확대 단면도

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 - 절연체 12 - 축방향 보어

14,56 - 단차부 20 - 중앙 전극

26 - 선단면 30,330 - 접지 전극

31,331 - 오리피스 50 - 금속 쉘

52 - 끼움부 60 - 공동

80 - 제 2 패킹

100,200,300 - 플라즈마-젯 스파크 플러그 270,370 - 제 1 패킹

331 - 오리피스 357 - 개구부

365 - 결합부

Claims (7)

1. 중앙 전극(20);

   축 방향으로 연장되는 축 방향 보어(12)를 가지며, 그 내부에 중앙 전극(20)의 선단면(26)을 수용하고 상기 중앙 전극(20)을 지지하는 절연체(10);

   상기 절연체(10)의 선단측에 형성되며, 상기 축 방향 보어(12)의 내측 원주면과 상기 중앙 전극(20)의 선단면(26) 또는 상기 선단면(26)을 포함하는 평면 중 어느 하나에 의하여 구획되는 볼록 형상의 공동(60);

   상기 절연체(10)의 방사상 원주부를 둘러쌈으로써 상기 절연체(10)를 지지하는 금속 쉘(50); 및

   상기 금속 쉘(50)에 전기적으로 접속되기 위하여 상기 금속 쉘(50)에 결합되고, 상기 절연체(10)에 대하여 상기 선단측에 배치되며 상기 공동(60)과 스파크 플러그(100)의 외부 사이에 소통을 제공하기 위한 개구부(31)를 갖는 접지 전극(30)으로 이루어지며,

   플라즈마는 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30) 사이의 스파크 방전을 따라 상기 공동(60) 내에서 발생되며,

   상기 절연체(10) 및 상기 접지 전극(30)은 상기 축 방향으로 서로 떨어져서 배치되고, 다음의 관계식을 만족하며:

   0<a≤0.5[㎜] 및 0.1≤S≤10[㎣]

   여기에서 “a”는 상기 축 방향에서 상기 절연체(10)와 상기 접지 전극(30) 사이의 유격의 치수이며; “S” 는 상기 공동(60)의 체적임을 특징으로 하는,

   플라즈마-젯 스파크 플러그(100).
2. 청구항 1에 있어서, 상기 축 방향으로 상기 공동(60)이 형성되는 영역에서, 상기 절연체(10) 및 상기 금속 쉘(50)은 상기 축 방향에 대하여 수직인 방사상 방향으로 서로 떨어져서 배치되며, 다음의 관계식을 만족하고:

   b≤1.1[㎜]

   여기에서 “b”는 상기 축 방향에 대하여 수직인 방사상 방향에서 상기 절연체(10)와 상기 금속 쉘(50) 사이의 유격의 치수임을 특징으로 하는 플라즈마-젯 스파크 플러그(100).
3. 청구항 2에 있어서, 상기 “b”는 다음의 관계식을 만족함을 특징을 하는 플라즈마-젯 스파크 플러그(100):

   0.1≤b≤1.1[㎜].
4. 중앙 전극(20);

   축 방향으로 연장되는 축 방향 보어(12)를 가지며, 그 내부에 중앙 전극(20) 의 선단면(26)을 수용하고 상기 중앙 전극(20)을 지지하는 절연체(10);

   상기 절연체(10)의 선단측에 형성되며, 상기 축 방향 보어(12)의 내측 원주면과 상기 중앙 전극(20)의 선단면(26) 또는 상기 선단면(26)을 포함하는 평면 중 어느 하나에 의하여 구획되는 볼록 형상의 공동(60);

   상기 절연체(10)의 방사상 원주부를 둘러쌈으로써 상기 절연체(10)를 지지하는 금속 쉘(50,350); 및

   상기 금속 쉘(50,350)에 전기적으로 접속되기 위하여 상기 금속 쉘(50,350)에 결합되고, 상기 절연체(10)에 대하여 상기 선단측에 배치되며 상기 공동(60)과 스파크 플러그(200,300)의 외부 사이에 소통을 제공하기 위한 개구부(31)를 갖는 접지 전극(30,330)으로 이루어지며,

   플라즈마는 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30,330) 사이의 스파크 방전을 따라 상기 공동(60) 내에서 발생되며,

   상기 접지 전극(30,330)에 결합되는 상기 금속 쉘(350)의 결합부(365) 또는 상기 접지 전극(30,330) 중 적어도 하나는 상기 축 방향에서 상기 절연체(10)로부터 떨어져서 배치되며,

   상기 접지 전극(30,330)에 결합되는 상기 금속 쉘(350)의 결합부(365) 또는 상기 접지 전극(30,330) 중 적어도 하나와 상기 절연체(10) 사이의 유격 내에 제 1 패킹(270,370)이 배치되어 부착됨을 특징으로 하는

   플라즈마-젯 스파크 플러그(200,300).
5. 청구항 4에 있어서, 상기 절연체(10)는 선단측보다 직경이 큰 후단측을 가지는 절연체 단차부(14)로 이루어지며, 여기에서 상기 절연체 단차부는 상기 금속 쉘(50,350)의 선단측에 마련되는 끼움부(52)의 방사상 내측에 수용되는 상기 절연체(10)의 외측 원주면의 일부분 내에 형성되고,

   방사상 내측 방향으로 불룩한 상기 금속 쉘(50,350)의 금속 끼움 단차부(56)는 상기 금속 쉘(50,350)의 내측 원주면 내에 형성되어 상기 절연체 단차부(14)에 대향되며,

   제 2 패킹(80)은 상기 절연체 단차부(14)와 상기 금속 끼움 단차부(56) 사이에 배치되어 이에 부착되고,

   상기 제 2 패킹(80)의 경도는 상기 제 1 패킹(270,370)의 그것 보다 높게 됨을 특징으로 하는 플라즈마-젯 스파크 플러그(200,300).
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,

   다음의 관계식을 만족하며:

   0<a≤0.8[㎜] 및 0.1≤S≤10[㎣]

   여기에서 “a”는 상기 접지 전극(330)에 결합되는 상기 금속 쉘(350)의 결합부(365) 또는 상기 접지 전극(30,330) 중 적어도 어느 하나와 상기 절연체(10) 사이에서 상기 축 방향 유경의 치수이며; “S” 는 상기 공동(60)의 체적임을 특징 으로 하는 플라즈마-젯 스파크 플러그(200,300).
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 다음의 관계식을 만족하며:

   1.0≤G≤3.0[㎜]

   여기에서, “G”는 상기 축 방향에서 상기 중앙 전극(20)과 상기 접지 전극(30,330) 사이의 갭의 치수임을 특징으로 하는 플라즈마-젯 스파크 플러그(200,300).

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