KR20090019778A - 테이퍼진 발화 억제기 시일을 구비한 점화 플러그 - Google Patents

Abstract

내연기관의 스파크 점화용 점화 플러그(10)는 상부 터미널 스터드(46)와 하부 중앙 전극(60) 사이에 개재된 억제기 시일 팩(54)을 포함하고 있다. 상기 억제기 시일 팩(54)은 상기 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)를 둘러싸는 상층의 전도성 글래스(52)와, 중앙 전극(60)의 헤드(62)를 둘러싸는 하층의 글래스 시일 층(58)을 포함하고 있다. 레지스터 층(56)은 전도성 글래스의 층(52)과 층(58) 사이의 공간을 채운다. 상기 레지스터 층(56)은 그 상부에서 단면이 보다 큰 제 1 단면적(76)과 그 하부에서 단면이 보다 작은 제 2 단면적(78)을 갖는다. 보다 큰 단면 구역(76)과 보다 작은 단면 구역(78) 사이에서 점진적으로 변하는 천이부가 만들어지는, 직경이 감소하는 테이퍼(80)가 만들어진다. 이 직경이 감소하는 테이퍼(80)는 큰 쇼율더 구역(LS)에 위치하며, 이 구역은 필렛 가공부(26)에서의 이론적인 기준점(70)과 상부 시트(17)에서의 이론적인 기준점(68) 사이에서의 길이방향 치수로 형성된다. 억제기 시일 팩(54)은 여러 발화 재료이며 여기서 각각의 층(54, 56, 58)은 입상 재료로써 별도로 채워지고, 다져진 후 터미널 스터드(46)를 사용하여 냉간 가압된다. 이후 조립체가 노에서 가열된 후 꺼내어져 상기 터미널 스터드(46)는 억제기 시일 팩(54)을 최종 작동 조건으로 열간 가압하는데 사용된다. 상기 억제기 시일 팩(54)은 길이(SL)를 가지며, 이 길이는 중앙 전극 헤드 시트(62)와 하부 시트(19)의 이론적인 위치(72) 사이에서 길이방향 거리로 정의되는 양의 "A" 치수(+A)의 사용함으로써 최대가 된다.

스파크 점화, 점화 플러그, 하부 노우즈 단부, 세라믹 인슐레이터, 전도성 셸, 터미널 스터드, 중앙 전극, 억제기 시일 팩.

Description

테이퍼진 발화 억제기 시일을 구비한 점화 플러그{SPARK PLUG WITH TAPERED FIRED-IN SUPPRESSOR SEAL}

본 발명은 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부 터미널 스터드와 하부 중앙 전극 사이에서 발화 억제기 시일 팩을 구비한 점화 플러그에 관한 것이다.

점화 플러그는 공기와 연료의 혼합물을 점화하여 스파크를 발생시켜서 내연기관의 연소실로 퍼지게 하는 장치이다. 작동 중에, 대략 40,000볼트에 달하는 전자가 점화 플러그 중앙 전극을 통하여 가해져, 스파크가 중앙 전극과 마주하고 있는 접지 전극 사이의 갭에 가해진다.

무선 주파수 방해와 같이 알려진 전자방해(EMI)가 방전시에 스파크 갭 전역에 생성된다. 이것은 매우 짧은 주기의 고주파수와, 갭의 최초 파손시 및 재점화시 고전류 진폭에 의하여 야기된다. 이러한 EMI 또는 RFI는 엔터테인먼트 라디오, 양방향 라디오(2-way radio), 텔레비젼, 디지털 데이터 트랜스미션 또는 임의 타입의 전자 통신장치와 간섭할 수 있다. 예를 들면 라디오에 있어서, EMI 또는 RFI는 통상적으로 오디오에서의 "포핑(popping)" 노이즈로 알려져 있으며 이는 매번 점화 플러그 화염을 발생시킨다. 점화 EMI는 항상 방해가 되며 극단의 경우에서는 성능 및 안전과 관련하여 오작동을 일으킬 수 있다.

불꽃 점화식 엔진에 의해 방출된 EMI 레벨은 여러 방법에 의해 제어되거나 억제될 수 있다. 통상적으로, 점화 시스템 자체의 EMI 억제는 저항성 점화 플러그, 저항성 점화 리드(lead), 및 제 2 고전압 점화 회로에서의 유도 소자를 사용함으로써 달성된다. EMI를 억제하는데 사용되는 통상적인 타입의 레지스터/억제기 점화 플러그는 상부 터미널 스터드와 하부 중앙 전극 사이의 세라믹 인슐레이터 내에 배치된 내부 레지스터 소자를 포함한다. 내부 레지스터/억제기 점화 플러그 설계품이 잘 알려져 있지만, 예를 들어 소형 엔진등과 같은 것에 사용되는 것들 처럼 소형의 점화 플러그에서의 레지스터를 통합하는 능력에 실제로 해가되는 것을 알 수 있다. 자동차의 경우에 컴팩트한 엔진에 대한 현재의 추세는 성능 특성이 점차 향상되는 보다 소형의 점화 플러그에 대한 이슈를 더 포함하고 있다. 특히, 인슐레이터의 레지스터 안쪽에 필요한 상당히 큰 단면적은, 조립과 설치 동안에 종종 높은 스트레스를 받게 되는 인슐레이터의 영역에서 정밀하게 얇은 벽부를 생성함으로써, 세라믹 재료의 구조적 합치성을 약화시킨다. 이처럼 감소된 구조적 합치성은, 느슨한 입자성 레지스터 재료가 인슐레이터로 냉간 가압된 후 열간 가압되어 소위 "발화 억제기 시일(fired-in suppressor seal)" 팩을 생성할 때, 고려된다. 즉, 얇은 벽부는 특히 냉간 가압 작동 동안에 구부러지기 쉽다.

또한 얇은 부분에서의 인슐레이터의 유전체 용량이 감소되면 이러한 타입의 점화 플러그의 크기를 줄일 수 있다. 특히, 세라믹 인슐레이터 재료는 유전체이다. 유전체의 강도는 고장이나 전기 파괴(electrical puncture)를 일으키지 않고 도 재료에 가해질 수 있는 최대 전기장으로 통상적으로 정의된다. 따라서 얇은 단면의 세라믹 인슐레이터는 충전된 중앙 전극과 접지된 셸 사이의 유전체 파괴(dielectric puncture)를 초래할 수 있다.

이러한 문제점은 종래기술에 알려져 있으며 해결책이 2002년 4월 30일 Pollner에게 허여된 미국특허 제6,380,664호에 제시되어 있다. 이러한 종래기술의 구성품은 본 출원의 도 4에 도시되어 있다. 특히, 상기 특허문헌에 의하면 중앙 전극쪽으로의 단면적을 감소시키기 위하여, 테이퍼를 구비한 점화 플러그의 레지스터부가 형성되어 있다. 이러한 구성은 어느정도 장점이 되지만, 여전히 사용하는데 한계가 있다. 예를 들면, 상기 특허문헌에 의하면, 2부품의 중앙 전극 조립체가 필요하며, 상기 조립체는 귀금속으로 만들어지고 예비트림가공된 하부가 상부 접촉핀과 맞대기 접촉되어 유지된다. 맞대기 구성은 맞대기 접촉시 진동에 특히 민감하게 영향을 받는다. 또한, 상기 특허문헌의 접촉핀은 깨지기 쉽고 열간 가압 조립체 작동 동안에 휘어지기 쉽다. 더욱이, 중앙 전극의 단부가 인슐레이터의 코어 노우즈로부터 돌출한 길이는 시일내에서의 중앙 전극의 착좌 위치에 의해 정해진다. 상기 특허문헌의 실시예에 있어서, 돌출 길이는 하부 중앙 전극을 레지스터 팩의 시일부내에서가 아닌 코어 노우즈에서의 계단부 상에 착좌시킴으로써 제어된다. 따라서, 이러한 구성은 중앙 전극의 시일과 착좌에 관련된 합치성을 일으킨다. 또한 세라믹 인슐레이터를 통해 길이방향으로 뻗어있는 중앙 통로의 기하학적 복잡도도 증가시킨다. 이러한 설계품에서도 제조 복잡도가 증대된다. 또한, 상기 특허문헌에는 인슐레이터의 노우즈부에 있는 귀금속 중앙 전극과 금속 접촉 핀의 보다 큰 직경의 헤드 사이에서, 접촉부의 한 부분의 길이를 따라서 실링되는 것이 바람직하다고 기재되어 있다. 종래기술의 특허문헌에 의하면 접촉핀의 일부분의 길이부의 실링은 특히 가스밀봉 결합을 위한 붕소화(boronization), 알루미늄화(aluminization), 질화(nitration) 또는 규소화(siliconization)로써 코팅함으로써 이루어진다. 인슐레이터 내에 정밀한 금속 중앙 전극을 제 위치에서 소결하는 것도 고려된다. 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 접촉 핀 및/또는 중앙 전극에 가해지는 이렇게 특별한 코팅 공정은 노동 집약형이고 추가비용이 발생한다. 상기 특허문헌에서는 점화 플러그의 구조적 문제점에 따른 적당한 가스 가압 실링이 필요하다.

따라서, 세라믹 인슐레이터의 구조적 합치성과 유전도가 항상 유지되며 특히 점화 플러그 기하형상을 소형 엔진 등에서 최소화할 수 있는, 상부 터미널 스터드와 하부 중앙 전극 사이에서 점화 플러그의 인슐레이터 내부의 시일 팩과 레지스터를 통합하는 방법을 향상시킬 필요가 있다.

본원 발명은 불꽃 점화식 내연기관용 점화 플러그를 제공함으로써 종래기술의 단점을 극복하는 것이다. 본원 발명의 점화 플러그는 상부 터미널 단부, 하부 노우즈 단부, 및 상기 터미널 단부와 노우즈 단부 사이에서 길이방향으로 뻗어있는 중앙 통로를 구비한 세장형 세라믹 인슐레이터를 포함한다. 상기 인슐레이터는 터미널 단부에 근접한 대체로 원형의 큰 쇼울더와 노우즈 단부에 근접한 대체로 원형의 작은 쇼울더를 형성하는 외부면을 포함한다. 큰 쇼울더의 직경은 작은 쇼울더의 직경보다 더 크다. 필렛 가공부(filleted transition)는 인슐레이터의 외부면에서의 특징부로서, 큰 쇼울더와 작은 쇼울더의 직경부 사이에 만들어진다. 전도성 셸은 적어도 인슐레이터의 일부분을 둘러싼다. 셸은 적어도 하나의 접지 전극을 포함한다. 전도성 터미널 스터드는 중앙 통로에 부분적으로 배치되고 상부 포스트로부터 상기 중앙 통로내에 삽입된 바닥 단부까지 길이방향으로 뻗어있다. 전도성 중앙 전극은 중앙 통로에 부분적으로 배치되고 상기 중앙 통로내에 넣어져 있는 헤드와 접지 전극 근방의 노출 스파크 팁 사이에서 길이방향으로 뻗어있다. 중앙 전극의 헤드는 중앙 통로내의 터미널 스터드의 바닥 단부로부터 길이방향으로 이격되어 있다. 억제기 시일 팩은 중앙 통로에 배치되며, 중앙 통로를 실링하고 점화 플러그로부터의 무선 주파수 노이즈 배출을 억제하면서 터미널 스터드의 바닥 단부와 전기 접속하기 위하여 중앙 전극의 헤드를 접속시킨다. 억제기 시일 팩은 터미널 스터드의 바닥 단부에서의 제 1 단면적과 중앙 전극의 헤드에서의 제 2 단면적을 구비하고 있다. 제 1 단면적은 제 2 단면적보다 더 크다. 더욱이, 억제기 시일 팩은 보다 큰 제 1 단면적으로부터 보다 작은 제 2 단면적까지 점진적으로 천이하는, 직경이 감소하는 테이퍼를 포함한다. 직경이 감소하는 테이퍼는 터미널 스터드의 최상단부에 의해 경계를 이루고 최하단부는 필렛 가공부에 의해 경계를 이루는 중앙 통로의 영역에서 길이방향으로 배치된다.

터미널 스터드의 바닥 단부와 필렛 가공부 사이의 영역에서 직경이 감소하는 테이퍼를 위치시킴으로써, 본원 발명은 세라믹 인슐레이터의 구조적 합치성과 유전체의 최대 강도를 보장한다. 이것은 최대의 단면 두께를 갖는 인슐레이터의 영역에 억제기 시일 팩의 보다 큰 제 1 단면적을 제한함으로써 달성된다. 인슐레이터의 필렛 가공부는 상기 인슐레이터의 벽 두께가 작아지는 위치를 나타내므로, 본원 발명은 필렛 가공부 위의 억제기 시일 팩의 보다 큰 제 1 단면적을 형성한다는 장점을 갖는다. 게다가, 본 출원인은 억제기 시일 팩의 저항력이 있는 부분에 테이퍼를 위치시킴으로써, EMI 억제가 강화된다는 점을 알게 되었다. 실제, 테이퍼에 의한 단면적의 감소는 재료의 특성의 변경없이도 팩의 저항도를 효과적으로 증대시킨다. 따라서, 종래기술의 점화 플러그에서 알려진 단점이 극복된다.

도 1은 본 발명에 따른, 상부 터미널 스터드와, 필렛 가공부 상의 구역에 위치된 직경이 감소하는 테이퍼를 구비한 하부 중앙 전극 사이에 억제기 시일 팩을 통합하고 있는 점화 플러그 조립체의 단면도;

도 2A-2D는 층을 이룬 억제기 시일 팩에 적당한 입상 재료로써 중앙 통로를 충전하고, 각각의 층을 다져서, 터미널 스터드를 냉간 가압한 후 최종적으로 상기 터미널 스터드를 사용하여 적층된 팩을 열간 가압함으로써, 하부 중앙 전극과 상부 터미널 스터드 사이에 발화 억제기 시일 팩을 형성하는 순차적인 방법을 개략적으로 도시한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 점화 플러그의 하부에 대해 여러 치수를 도시한 단면도; 및

도 4는 도 3과 대비하기 위하여 여러 치수가 도시된, 종래 기술에 따른 점화 플러그의 하부의 단면도.

도면을 살펴보면, 동일한 부재번호는 여러 도면에 있어서, 동일하거나 대응되는 부분을 도시하고 있으며, 본 발명에 따른 점화 플러그는 도 1에서 부재번호 10으로 지시되었다. 점화 플러그(10)는 부재번호 12로 지시된 관형의 세라믹 인슐레이터로 이루어지며, 이러한 인슐레이터는 특정한 유전체 강도와, 높은 기계 강도와, 열 쇼크에 뛰어난 저항성을 갖는 산화 알루미늄 세라믹이나 다른 적당한 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 상기 인슐레이터(12)는 극압의 상태에서 성형되어 건조되며, 이후 고온에서 유리화(vitrification)되도록 노에서 소성된다(kiln-fired). 그러나, 당업자라면 인슐레이터(12)를 형성하는데 드라이 프레스 및 소결 방법 이외의 방법이 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 인슐레이터(12)는 본 발명의 출원인과 동일출원인이고 Knapp에게 1997년 10월 14일 허여된 미국특허문헌 제5,677,250호에 개시된 바와 같은, 납이 없는 재료를 갖는 노출부에 바람직하게 글레이즈(glaze)된 외부면을 구비하고 있다. 인슐레이터(12)는 부분적으로 노출된 상부 마스트부(14)를 포함하며 점화 시스템과 연결되어 사용되도록 이 마스트부를 고무 스파크 부트(도시 생략)가 둘러싸서 파지하고 있다. 상기 노출된 상부 마스트부(14)가 도 1에서 대체로 매끈한 표면으로 도시되었으나, 스파크나 제 2 전압의 "플래시오버(flash-over)"에 대한 보호를 향상시키고 고무 스파크 부트에 의한 파지를 더욱 향상시키기 위하여 다소 구식의 리브를 포함할 수 있다. 마스트부(14)의 바로 아래는 큰 쇼율더(16)이고 이로부터 인슐레이터(12)의 단면의 직경은 최대 폭으로 넓혀진다. 큰 쇼율더(16)는 대체로 환형의 상부 시트(17) 아래에 형성된 다. 상기 인슐레이터(12) 보다 아래에서, 작은 쇼율더(18)에 의해 인슐레이터 외경이 테이퍼진 노우즈부(20)로 감소된다. 작은 쇼율더(18)는 대체로 환형의 하부 시트(19)에서 종결된다. 노우즈 단부(22)는 인슐레이터(12)의 최하부를 형성하는 한편, 터미널 단부(24)는 마스트부(14)의 최상부에 형성된 인슐레이터(12)의 최상인 단부를 형성하고 이들은 서로 최대로 대향된다. 필렛 가공부(26)는 큰 쇼율더(16)와 작은 쇼율더(18) 사이에 형성된, 인슐레이터(12)의 외부 특징면이다. 필렛 가공부(26)는 보다 큰 쇼율더(16)에서의 보다 큰 인슐레이터 직경으로부터 작은 쇼율더(18)에서의 보다 작은 직경으로 완만하게 변한다.

인슐레이터(12)는 상부 터미널 단부(24)와 하부 노우즈 단부(22) 사이에서 길이방향으로 뻗어있는 중앙 통로(28)를 구비한 대체로 관형의 구성품이다 이 중앙 통로(28)는 가변적으로 터미널 단부(24)에서 또는 그 주위에서 단면이 최대가 되고 노우즈 단부(22)에서 또는 그 주위에서 단면이 최소가 된다.

전도성의, 바람직하게는 금속성의 셸이 부재번호 30으로 지시되었다. 상기 셸(30)은 인슐레이터(12)의 하부 구역을 둘러싸고 적어도 하나의 접지 전극(32)을 포함한다. 접지 전극(32)이 종래의 단일의 J형상의 스타일로 도시되었지만, 다중 접지 전극 또는 환형 접지 전극이거나, 점화 플러그(10)의 사용으로 대체될 수 있는 임의의 공지된 형상일 수 있음을 알 수 있을 것이다.

셸(30)은 그 몸체의 단면이 대체로 관형이며, 인슐레이터(12)의 하부 시트(19)에 대한 가압 접촉을 지탱하기 위해 내부의 하부 압축 플랜지(34)를 포함한다. 셸(30)은 인슐레이터(12)의 상부 시트(17)에 대한 가압 접촉을 지탱하기 위하 여 조립체 작동동안 내내 크림프되거나 변형되는 상부 압축 플랜지(36)를 더 포함한다. 버클 존(38, buckle zone)은 상부 압축 플랜지(36)의 변형 동안에 또는 그 변형에 이어서 과도한 압축력의 영향을 받아서 찌부러져서, 셸(30)이 인슐레이터(12)와 관계된 고정 위치에서 유지되게 한다. 개스킷, 시멘트, 또는 다른 실링 혼합물은 가스 기밀 시일을 완전하게 하고 조립된 점화 플러그(10)의 구조적 합치성을 향상시키는 결합 시점에서 인슐레이터(12)와 셸(30) 사이에서 개재될 수 있다. 따라서, 조립후에, 셸(30)은 상부 압축 플랜지(36)와 하부 압축 플랜지(34) 사이에서 인장을 유지하는 한편, 인슐레이터(12)는 상부 시트(17)와 하부 시트(19) 사이에서 압축을 유지한다. 이러한 구성에 의해 인슐레이터(12)와 셸(30) 사이에서 안정하게 가스 밀봉되어 영구 고정되게 된다. 비록 도 1에서 도시된 시일의 타입이 소위 "핫 로크(hot lock)" 타입일지라도, 당업자라면 대안의 여러 타입의 시일이 효과적으로 여러 경우에 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

셸(30)은 설치와 제거를 위하여 공구 수용 6각형부(40)를 더 포함한다. 6각형의 크기는 사용과 관련된 산업 표준에 따른다. 나사산이 형성된 부(42)가 시트(44) 바로 아래의 금속성 셸(30)의 하부에 형성되어 있다. 이 시트(44)는 이러한 스타일의 점화 플러그용으로 지정된 실린더 헤드에 정밀한 공차로 설치되도록 테이퍼지거나, 점화 플러그가 실린더 헤드에서 착좌하게 하는 적당한 인터페이스를 제공하도록 개스킷(도시 생략)이 제공될 수 있다.

전도성의 터미널 스터드(46)는 인슐레이터(12)의 중앙 통로에 부분적으로 배치되고 노출된 최상의 포스트(48)로부터 중앙 통로(28) 아래의 부분 경로에 삽입된 바닥 단부(50)까지 뻗어있다. 최상의 포스트(48)는 점화 와이어(도시 생략)와 연결되고 점화 플러그(10)를 점화하는데 필요한 정시 방전(timed discharges)의 높은 전압의 전력을 받아들인다.

터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)는 부재번호 54로 지시되고 최상층의 혼합의 억제기 시일 팩을 형성하는 전도성 글래스 시일(52)내에 삽입된다. 열간 가압동안에 글래스 유동을 위하여 적당한 공차를 확보하도록, 대략 0.005"의 반경방향 공차가 인슐레이터 벽부 주위에 제공된다. 전도성 글래스 시일(52)은 중앙 통로(28)내에서 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)를 시일하도록 작용하는 한편, 전기를 터미널 스터드(46)로부터 레지스터 층(56)까지 전도한다. 이러한 레지스터 층(56)은 3단의 억제기 시일 팩(54)의 중앙 층으로 이루어지며, 전자방해(EMI)를 감소시키는 것으로 알려진 임의의 적당한 혼합물로 만들어질 수 있다. 억제 글래스 시일은 가압될 때 적합한 저항을 보장하고 예상 사용 수명 내내 안정적인 저항을 제공하도록 적당한 비율의 글래스, 필러, 및 탄소/탄소질의 재료를 포함한다. 바람직하게 설치되고 상기 타입의 점화 시스템이 사용됨에 따라, 이러한 레지스터 층(56)은 보다 구식의 레지스터 억제기로 작동하도록 설계되거나 대안으로서 유도 억제기로서 작동하도록 설계된다. 레지스터 층(56) 바로 아래에, 또 다른 전도성 글래스 시일(58)이 억제기 시일 팩(54)의 바닥층이나 하부 층을 생성한다. 전도성 글래스는 산업상 잘 알려진 바와 같이, 질량이 대략 1:1 비율인 글래스와 구리금속 파우더의 혼합물로부터 만들어진다. 따라서, 전기는 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)로부터 상부 층 전도성 글래스 시일(52)과 레지스터 층(56)을 통하여 하부 전도성 글래스 시일 층(58)으로 흐르게 된다.

전도성 중앙 전극(60)은 중앙 통로(28)에 부분적으로 배치되고, 하부 글래스 시일 층(58)에서 둘러싸인 헤드(62)와 접지 전극(32) 근방의 노출 스파크 팁(64) 사이에서 길이방향으로 뻗어있다. 따라서, 중앙 전극(60)의 헤드(62)는 중앙 통로(28) 내에서 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)로부터 길이방향으로 이격된다. 억제기 시일 팩(54)은 터미널 스터드(46) 및 중앙 전극(60)과 전기 접속되는 한편, 중앙 통로(28)를 연소 가스가 누출되지 않게 실링하는 동시에 무선 주파수 노이즈가 점화 플러그(10)로부터 방출되지 않게 한다. 이와 같이, 중앙 전극(60)은 글래스 시일(58)에 삽입된 헤드(62)와 중앙 전극과 마주한 스파크 팁(64) 사이에서 연속으로 뻗어있고 중단되지 않는 단일의 구성품과 같은 단일품이 바람직하다. 스파크 팁(64)은 사용수명을 보강하기 위하여 정교하거나 고가의 금속 단부와 끼워맞춰질 수도 그렇지 않을 수도 있다. 본원 발명의 장점은 종래 기술의 설계품에서 요구되는 것처럼 중앙 전극(60)이 동질의 정교한 금속으로 전부 만들어질 필요가 없다는 것이다.

도 2A-2D를 살펴보면, 중앙 통로(28) 내에서 억제기 시일 팩(54)을 설치하기 위한 바람직한 방법이 개략적으로 도시되었다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 억제기 시일 팩(54)은 발화성 타입의 팩이며, 각각의 층(52, 56, 58)은 도 2A에 도시된 바와 같이 충전 작동 동안에 별도로 놓여진다. 특히, 소결된 인슐레이터(12)에는 도 2A에 도시된 바와 같이 중앙 전극(60)이 구비된다. 다음에, 하부 전도성 글래스 시일 층(58)으로 이루어진 입자성 재료가 측정된 양으로 중앙 전 극(60)의 헤드(62) 바로 위의 중앙 통로(28)에 주입된다. 이와 같이 대충 충전된 하부 글래스 시일 층(58)은 바람직하게 20kpsi 보다 더 큰 컴팩트한 압력으로 플런저(66)에 의하여 다져진다. 다져진 글래스 시일 층(58)에 측정된 량의 입자성 재료로 이루어진 레지스터 층(56)이 나란히 놓여지고, 이 레지스터 층은 일정한 밀도가 되도록 꽉 채워져 다져지며; 각각 충전한 이후에 레지스터 층(56)을 다지는 2개의 샷(shot)으로 전달하는게 바람직하다. 최종적으로, 입자성 전도 글래스 시일 재료는 측정된 양으로 레지스터 층의 최상부에 놓여지고, 최상층의 전도성 글래스 시일(52)을 이루게 된다. 최상층(52)은 도 2B에 도시된 바와 같이 특정 밀도로 다져진다.

일단 이러한 입자의 재료가 중앙 통로(28)에 놓여지면, 터미널 스터드(46)는 도 2C에 도시된 바와 같이 중앙 통로(28) 아래로 가압되어, 입자성 재료를 냉간 가압한다. 이때 반제품의 조립체가 이동되어 도 2D에 도시된 바와 같이 열간 가압 작동된다. 여기서, 냉간 가압된 억제기 시일 팩(54)과 함께 인슐레이터(12)는 입자성 재료(52, 56, 58)가 연하게 되고 녹게 되는 온도로 가열된다. 이 가열된 조립체는 노에서 꺼내지고, 터미널 스터드(46)는 완전 착좌되는 위치쪽으로 가압되며, 여기서 최상의 포스트(48)는 중앙 통로(28)에 대한 개구를 폐쇄한다. 이러한 작동에 있어서, 하부 전도성 글래스 시일 층(58)의 연질의 재료는 중앙 전극(60)의 헤드(62) 주위를 유동하고, 헤드(62)의 구역에 있는 중앙 통로(28)를 시일한다. 이와 같이, 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)는 전도성 글래스 시일(52)의 최상층 내에 완전하게 삽입되어, 상기 스터드를 제 위치에 고정시켜 중앙 통로(28)를 실링하고 연소 가스의 누출을 동시에 방지한다. 이와 같은 방법에 의하여, 억제기 시일 팩(54)은 무선 주파수 노이스 방출을 억제하고 중앙 통로(28)를 실링하여 연소가스의 누출을 방지하여 튼튼하고 경제적이고 효율적인 발화 타입의 재료로 형성될 수 있다.

도 3을 살펴보면, 점화 플러그(10)의 하부의 확대된 도면이 본 발명과 관련하여 여러 치수와 기하학적 형상으로 도시되었다. 이러한 치수 관계는 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)와 중앙 전극(60)의 헤드(62) 사이에서 길이방향 길이로 정의될 수 있는 유효 억제기 시일 팩 길이(SL)로 이루어진다. 일 실시예에 있어서, 시일 길이(SL)는 대략 0.50인치이나, 다른 길이로 될 수도 있다. 헤드의 두께(HT)는 중앙 전극 헤드(62)의 원통형 외부 벽부의 길이방향 치수로 정의될 수 있다. 바람직하게, 헤드 두께(HT)가 최소가 되어 길이가 더 길어지면, 억제기 시일 팩(54)에 보다 효과적이다. 바람직한 실시예로서 헤드 두께(HT)의 범위는 전형적으로 0.040-0.070인치이다. 만일 헤드 두께(HT)가 0.025"처럼 매우 얇다면, 실링이 불량하게 되고 시간 내내 바람직하지 못한 저항 변화가 발생된다.

헤드 간격(HC)은 헤드(62)의 외부 원통형 벽부와 중앙 통로(28)의 주위부 사이의 반경방향 공간 간격으로 정의될 수 있다. 전형적으로, 헤드 간격(HC)은 도 2C에 도시된 바와 같이 열간 가압 작동 동안에 양호한 유동을 향상시키고 하부 글래스 시일 층(58)의 충전을 위한 크기로 형성될 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 헤드 간격(HC)은 적어도 0.005인치이다.

다른 중요한 치수가 인슐레이터(12)의 외부 특징부에 적용된다. 예를 들면, 큰 쇼율더(16)가 마스트부(14)와 상한을 형성하는 상부 시트(17)의 경사진 표면과 하한을 형성하는 필렛 가공부(26) 사이의 이론적인 교차부(68)에 의하여 길이방향으로 위치된다. 특히, 필렛 가공부(26)는 큰 쇼울더(16)로부터 내측으로 테이퍼지는 외부면과 작은 쇼울더(18)를 형성하는 외부면의 대체로 일직선의 생크 형상부의 이론적인 교차부(70)에 의해 정의된다. 따라서 작은 쇼울더(18)는 하부 시트(19)의 테이퍼진 부와 노우즈부(20) 사이의 이론적인 교차부(72)와 필렛 가공부 기준점(70) 사이에 위치된다. 따라서, 큰 쇼울더부(LS, 큰 쇼울더(16)의 길이부를 나타냄)는 기준점(68)과 기준점(70) 사이의 길이방향 구역으로 정의되는 한편, 작은 쇼울더부(SS, 작은 쇼울더(18)의 길이부를 나타냄)는 기준점(70)과 기준점(72) 사이의 길이방향 구역으로 정의된다.

중앙 전극(62)은 중앙 통로(28)에 있는 내부 레지(74, internal ledge) 상의 바닥 에지에 착좌된다. 내부 레지(74)는 적당한 간극 이외에도 중앙 전극(60)의 일직선의 원통형 길이에 대체로 상당하는 보다 작은 직경부에 천이부를 만든다. 이러한 내부 레지(74)는 또한 억제기 시일 팩(54)의 최하의 도착지점 즉 베이스와 일치한다. 내부 레지(74)는 헤드(62)의 대응되게 형성된 아래면과 결합하도록 볼록한 또는 방사상의 프로파일로 형성되어 냉각 가압 작동 동안에 인슐레이터(12)의 재료에 과도한 스트레스가 유도되지 않게 시트를 타이트하게 실링한다(도 2C).

"A" 치수는 작은 쇼울더 기준점(72)과 내부 레지(74) 사이의 길이방향 측정치로서 정의되고 상기 내부 레지에 중앙 전극 헤드(62)의 바닥부가 착좌된다. 양의 "A" 치수(+A)는, 중앙 전극 헤드(62)가 작은 쇼울더 기준점(72)과 필렛 가공부 기준점(70) 사이에서 길이방향으로 배치될 때, 발생한다. 음의 "A" 치수(-A)는, 내부 레지(74)가 작은 쇼울더 기준점(72)과 인슐레이터(12)의 노우즈 단부(22) 사이에 위치될 때, 발생한다. 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 점화 플러그(10)가 양의 "A" 치수(+A)로 지시되었다. 이것은 도 4에 도시된 바와 같은 종래 기술의 설계품과 모순되나, "A" 치수는 음(-A)이다. 이 결과, 종래 기술의 인슐레이터는, 중앙 통로와 노우즈부 사이의 감소된 벽두께에 따라 냉간 가압 작동 동안에, 실질적으로 더 쉽게 부서지고 파손되기 더욱 쉽다.

본원 발명의 억제기 시일 팩(54)은, 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 터미널 스터드(46)의 바닥 단부(50)에서의 제 1 단면적(76)과 중앙 전극(60)의 헤드(62)에 인접한 제 2 단면적(78)으로 이루어진 테이퍼가 형성되어 있다. 제 1 단면적(76)의 직경은 터미널 스터드(46)의 직경보다 약간 더 크다. 이와 같이, 제 2 단면적(78)의 직경은 중앙 전극 헤드(62)의 직경보다 약간 더 크다. 도시된 바와 같이, 제 1 단면적(76)은 제 2 단면적(78)보다 더 크므로, 억제기 시일 팩(54)의 직경이 감소되게 하고, 인슐레이터(12)의 두께가 큰 쇼울더부(LS)로부터 작은 쇼울더부(SS)까지 감소됨에 따라 중앙 통로(28)의 직경도 따라서 감소된다. 직경이 감소하는 테이퍼(80)는 보다 큰 제 1 단면적(76)으로부터 보다 작은 제 2 단면적(78)으로 점진적으로 천이된다. 이 직경이 감소하는 테이퍼(80)는, 냉간 가압 작동 동안에 구성품에 가해진 부가 스트레스를 흡수하도록 가장 잘 위치된 인슐레이터의 구역에 상기 테이퍼가 놓여지도록, 길이방향으로 위치된다. 이 직경이 감소하는 테이퍼(80)의 정확한 위치는 특정 사용 조건에 적합하도록 조정될 수 있으나, 터미 널 스터드의 바닥 단부(50)에 의한 최대 상한 또는 그 한도로 경계가 형성되고 필렛 가공부(26)의 위치(70)에 의한 최대 하한 또는 그 한도로 경계가 형성된 구역으로 한정되는게 바람직하다. 따라서, 직경이 감소하는 테이퍼(80) 전체가 큰 쇼울더 부(LS) 내에 위치된다. 이러한 방법에 의하여, 보다 큰 제 1 단면적(76)은 작은 쇼울더 부(SS)와 관련된 보다 작은 직경의 인슐레이터(12) 구역으로 이동되지 않게 된다. 이 결과, 가장 취약한 구역에 있어서, 즉 헤드 두께(HT)의 영역에 있어서 인슐레이터(12)의 유전 특성을 최대화하고 구조적 합치성을 유지하기 위하여 인슐레이터(12)의 벽 두께는 일정하게 된다.

직경이 감소하는 테이퍼(80)의 기하학적 형상은 다양하나, 바람직한 실시예에서는 일직선의 원추형 측벽을 갖도록 도시되었다. 냉간 가압 작동 동안에 중앙 통로(28)상에 가해진 팽창력 때문에(도 2C), 직경이 감소하는 테이퍼(80)에는 일정한 경사의 테이퍼 각도(TA)가 제공되고, 이 테이퍼 각도는 도 3에 도시된 바와 같이 원추형 측벽과 수직 기준선 사이의 각도치로서 정의된다. 충전 작동 동안에(도 2A) 파우더가 양호하게 흘러 들어가고 냉간 가압 작동과 열간 가압 작동 동안에(도 2C 및 도 2D) 상기 파우더를 용이하게 꽉 채우기 위하여, 경사 테이퍼 각도가 60°나 그 보다 더 큰 각도로 설정되었다. 경사 테이퍼 각도는 충전 동안에 "자중 유동"을 촉진시켜서 충전과 채움을 향상시킨다. 또한 이것은 파우더가 정확하게 전달되도록 장치에 보다 큰 보어가 설계되어 제조를 간단하게 한다. 종래 기술의 작은 보어의 단점은 모든 파우더가 보어에 전달되는 것이 보장되도록 파우더 이송 장치와 이와 관련된 부품이 수정되어야 한다는 것이다. 본 발명에 의한 설계품은 이 러한 원인을 사전에 제거하는 것이다. 또한 경사 테이퍼 각도는 냉간 가압 동안에 플런저(66)와 터미널 스터드(46)의 안내를 돕는다.

인슐레이터(12) 강도와 유전체 특성을 최대화하는 것 이외에도, 테이퍼진 억제기 시일 팩(54)은 중앙 전극 헤드(62) 주위에 만들어진 시일의 가스-밀봉 특성을 강화시킨다. 보다 상세하게는, 도 2D에 도시된 바와 같이 열간 가압 작동 동안에 용융층(52, 56, 58)에 가해진 외력이 헤드 간격(HC)의 감소된 구역내에 집중된다. 이것은 헤드 간격(HC)의 틈 공간에서 내부 레지(74)에 대해 타이트하게, 용융된 하부 글래스 시일 층(58)이 고압의 힘을 받게 하여, 상기 레지에는 헤드(62)의 아래면이 착좌된다. 이로써, 중앙 통로(28)는 작동 중일때 연소가스를 영구적으로 시일한다.

테이퍼진 억제기 시일 팩(54)의 다른 장점은 보다 큰 직경과 이에 따라 보다 튼튼한 터미널 스터드(46)의 사용이 가능하다는 것이다. 소형 엔진의 경우도 포함한 여러 경우에 있어서, 소위 "코일-온-플러그(coil-on-plug)"의 설계가 사용되는 추세이며, 이러한 설계에서 중 점화 코일(heavy ignition coil)은 점화 플러그(10)의 최상부에서 직접적으로 지지된다. 이러한 중 점화 코일 설계에 의하면 터미널 스터드(46) 상에 상당히 큰 비틀림 스트레스가 가해지며, 이 스터드는 보다 큰 직경의 재료의 사용에 의하여 스트레스를 더욱 잘 견딜 수 있다. 잔디 및 정원 파우다 공구에서 사용되는 소형 엔진의 경우에 보다 튼튼한 터미널 스터드(46)를 통하여 보다 잘 견딜 수 있는 고주파수 진동장치가 유명하다. 테이퍼진 억제기 시일 팩(54)은 보다 취약한 소형의 쇼울더부(SS)와 노우즈부(20)에서 인슐레이터의 구조 적 합치성과 유전체의 특성에 손상을 가하지 않으면서 보다 큰 직경의 터미널 스터드(46)를 사용할 수 있게 한다. 또한 보다 큰 직경의 터미널 스터드(46)는 열간 가압 작동 동안에 보다 덜 구부러지는 경향이 있다. 종래 스타일의 소직경의 터미널 스터드는 이와 달리 열간 가압동안에 연질이 되고 구부러져서, 글래스 팩으로의 하중 전달과 인슐레이터의 스트레스를 감소시킨다.

분명한 것은, 본 발명에 대한 수정과 변경은 상기 기재한 범주내에서 가능하다는 것이다. 따라서 당업자라면 본원 발명이 첨부된 청구범위의 범주내에서 특정 실시예와 달리 실시될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그로서,

   상부 터미널 단부, 하부 노우즈 단부, 및 상기 터미널 단부와 상기 노우즈 단부 사이에서 길이방향으로 뻗어있는 중앙 통로를 갖는 세장형 세라믹 인슐레이터;

   상기 세장형 세라믹 인슐레이터의 적어도 일부분을 둘러싸고 있으며, 적어도 하나의 접지 전극을 포함하는 전도성 셸;

   상기 중앙 통로 내에 부분적으로 배치되어 있으며, 노출된 최상의 포스트로부터 상기 중앙 통로 내에 삽입된 바닥 단부까지 길이방향으로 뻗어있는 전도성 터미널 스터드;

   상기 중앙 통로에 부분적으로 배치되어 있으며, 상기 중앙 통로내에서 둘러싸이고 상기 중앙 통로 내에서 상기 터미널 스터드의 상기 바닥 단부로부터 길이방향으로 이격된 헤드와, 상기 접지 전극에 근접해 있는 노출 스파크 팁 사이에서 길이방향으로 뻗어있는 전도성 중앙 전극; 및

   상기 중앙 통로에 배치되어 있으며, 상기 중앙 통로를 실링하고 상기 점화 플러그로부터의 무선 주파수 노이스 방출을 억제하면서 상기 터미널 스터드의 상기 바닥 단부와 상기 중앙 전극의 상기 헤드 사이에서 전기를 전도하기 위해 상기 터미널 스터드의 상기 바닥 단부와 상기 중앙 전극의 상기 헤드를 전기 접속시키고, 상기 터미널 스터드의 상기 바닥 단부에서의 제 1 단면적과 상기 중앙 전극의 상기 헤드에서의 제 2 단면적을 갖는 억제기 시일 팩;을 포함하고 있고,

   상기 세장형 세라믹 인슐레이터는 상기 터미널 단부에 근접한 대체로 원형의 큰 쇼울더와 상기 노우즈 단부에 근접한 대체로 원형의 작은 쇼울더를 형성하는 외부면을 포함하고, 상기 큰 쇼울더의 직경은 상기 작은 쇼울더의 직경보다 더 크고, 상기 세장형 세라믹 인슐레이터는 상기 큰 쇼울더와 상기 작은 쇼울더의 서로 다른 직경부 사이에 필렛 가공부를 더 포함하고,

   상기 제 1 단면적은 상기 제 2 단면적보다 더 크며,

   상기 억제기 시일 팩은 상기 큰 제 1 단면적으로부터 상기 작은 제 2 단면적으로 점진적으로 천이되는, 직경이 감소하는 테이퍼를 포함하고, 상기 터미널 스터드의 최상단부는 상기 바닥 단부에 의해 경계를 이루고 최하단부는 상기 필렛 가공부에 의해 경계를 이루는 구역내에 상기 직경이 감소하는 테이퍼가 길이방향으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 셸은, 상기 인슐레이터를 상기 큰 쇼울더와 작은 쇼울더 사이에 압축시켜 배치시키기 위하여, 상기 인슐레이터의 상기 큰 쇼울더와 작은 쇼울더 각각과 가압 접촉 상태로 지탱하는 상부 압축 플랜지와 하부 압축 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 직경이 감소하는 테이퍼는 수직 기준선에 대하여 60°또는 그 보다 큰 각도로 경사진 대체로 원추형의 측벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 직경이 감소하는 테이퍼는 상기 큰 쇼울더와 상기 필렛 가공부 사이에 길이방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 불꽃 점화식 점화 플러그.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 억제기 시일은, 상기 터미널의 상기 바닥 단부 및 상기 중앙 전극의 상기 헤드와 각각 접촉하는 상부 전도성 글래스 단부 및 하부 전도성 글래스 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 억제기 시일은 상기 필렛 가공부와 상기 작은 쇼울더 사이에서 길이방향으로 배치된 베이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 통로는 상기 중앙 전극의 상기 헤드를 착좌시키기 위하여 내부 레지를 포함하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 내부 레지는 상기 작은 쇼율더와 상기 필렛 가공부 사이에서 길이방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 전극의 상기 헤드는 0.040인치 ~ 0.070인치 범위의 길이방향 헤드의 두께를 형성하는 대체로 원통형의 외벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 불꽃 점화식 내연기관의 점화 플러그.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 전극은 상기 헤드와 상기 헤드의 상기 스파크 팁 사이에서 뻗어있는 일체형 단일 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 스파크 점화용 점화 플러그.

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