KR20090125854A

KR20090125854A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20090125854A
Application number: KR1020097022896A
Authority: KR
Inventors: 아키라 스즈키; 도모아키 가토; 마모루 무사사; 지로 규노
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-12-07
Also published as: EP2190084A4; CN101682174A; JP4430724B2; EP2190084B1; CN101682174B; JP2009087925A; US20100117507A1; EP2190084A1; WO2009034989A1; KR101118401B1; US8531094B2

Abstract

본 발명에 의하면, 축선방향으로 연장되는 중심전극과, 축선방향으로 형성되는 축 구멍을 갖고 중심전극을 축 구멍내의 선단측에 유지하여 중심전극과 조립체를 구성하는 절연애자와, 조립체에서의 절연애자의 주위를 둘러싸서 유지하는 주체금구와, 일단부가 주체금구의 선단면에 접합되고, 타단부가 중심전극과의 사이에서 불꽃방전 갭을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그에 있어서, 축선방향에서, 주체금구의 선단면으로부터 선단측으로 돌출하는 절연애자의 길이를 H로 하고; 축선방향에서, 절연애자의 선단으로부터 후단측을 향하여 2mm의 범위내에 존재하는 절연애자의 체적을 Vc로 하고; 절연애자의 선단으로부터 2mm의 위치에서의 조립체의 축선방향과 직교하는 단면 부분의 20℃에서의 공기층을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Ra로 했을 때에, H>1mm, Vc≤17㎣, Ra≥1.0×10^-3m·K/W를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그가 제공된다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은, 내연기관에 조립 부착되어 혼합기(air-fuel mixture)에 점화를 행하기 위한 스파크 플러그에 관한 것이다.

종래, 내연기관에는 점화를 위한 스파크 플러그가 제공되어 있다. 일반적인 스파크 플러그는, 중심전극과, 그 중심전극을 축 구멍내에 유지하는 절연애자와, 이 절연애자의 지름 방향 주위를 둘러싸서 유지하는 부착금구(mount fitting)(주체금구)(metal shell)와, 일단부가 부착금구에 접합되고, 타단부가 중심전극과의 사이에서 불꽃방전 갭(spark gap)을 형성하는 접지전극을 구비하고 있고, 그 불꽃방전 갭으로 불꽃방전이 행하여지는 것에 의해서, 혼합기에 점화가 행하여진다.

근년, 엔진 고출력화를 위해서 엔진에 설치되는 엔진 흡기밸브(engine intake valve)나 배기밸브(exhaust valve)의 밸브지름의 확대나, 엔진 냉각계 engine cooling system)의 개선을 위해서 보다 큰 워터 자켓(water jacket)을 확보하는 것이 요구되고 있다. 이에 따라, 엔진에 설치되는 스파크 플러그의 설치 공간이 작아지도록, 스파크 플러그의 세경화가 요구되고 있다. 그러나, 스파크 플러그를 세경화하면, 절연애자와 부착금구 사이의 절연 거리가 좁아진다. 그 때문에, 스파크 플러그가, 정규의 불꽃방전 갭에서 방전하지 않고, 중심전극으로부터 절연애 자를 통하여 부착금구으로 비화(fly)하는, 소위 레이터럴 스파크(lateral spark)가 발생하기 쉬워진다. 게다가, 절연애자의 표면에 퇴적된 도전성의 카본 등이, 절연애자와 부착금구와의 사이의 절연성 저하를 초래하기 때문에, 그을린 상태 smoldering state)가 되면, 소위 리세스 스파크(recess spark)가 발생하기 쉬워진다. 이 경우, 절연애자의 선단 온도를 상승시키는 것에 의해서, 절연애자에 부착된 카본을 태워 없애(burning off), 그때마다 절연성을 확보할 필요가 있다.

따라서, 특허문헌 1에서는, 절연애자의 선단부에서의 절연애자와 중심전극과의 거리를 X, 부착금구 외부의 절연애자의 표면의 연면거리(creepage distance)를 Y, 부착금구로부터의 절연애자의 돌출량을 Y1, 포켓 빈틈(air pocket size)을 Z, 불꽃방전 갭의 크기를 G, 부착금구의 선단면에 대응하는 부위로부터, 부착금구의 내부에서 절연애자와 부착금구와의 거리가 불꽃방전 갭 G와 같은 부위까지 연장되는 절연애자의 표면의 길이를 W로 한 경우에, 이하의 조건: (X+0.3Y+Z)/G≥2, Y1 mm)≥1, W/Z≥4, 1.25≤Z(mm)≤1.55을 만족하는 스파크 플러그가 제안되어 있다. 이 스파크 플러그에서는, 구성부품간의 상기 각종 거리를 각각 규정하는 것에 의해서, 세경화된 스파크 플러그에 있어서도, 그을리지 않은 경우는 안정하게 정규의 불꽃방전 갭에 비화시켜, 그을려 레이터럴 스파크나 리세스 스파크 등의 연면(沿面)방전이 발생한 경우에도, 착화성을 확보할 수 있는 점이 뛰어나다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2005-116513호

그러나, 특허문헌 1에 기재된 스파크 플러그를, 직접분사 엔진(direct-injection engine) 등의 그을음이 발생하기 쉬운 엔진에 적용한 경우, 절연애자에 부착된 카본의 제거가 불충분하고, 정상적인 발화 성능을 얻을 수 있는 상태에까지 회복할 수 없다고 하는 문제점이 있었다. 따라서, 절연애자에 부착된 카본을 신속하게 때워 없애서, 그을린 상태로부터 정상적인 상태로 회복하여 착화성을 확보할 수 있는 기술이 기대되고 있었다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 절연애자의 온도를 신속하게 상승시키는 것에 의해서, 절연애자에 부착된 카본을 보다 신속하게 태워 없앨 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 축선방향으로 연장되는 중심전극; 축선방향으로 형성되는 축 구멍을 갖고, 중심전극을 축 구멍내의 선단측에 유지하여, 중심전극과 조립체를 구성하는 절연애자; 조립체에서의 절연애자의 주위를 둘러싸서 유지하는 주체금구; 및 일단부가 주체금구의 선단면에 접합되고, 타단부가 중심전극과의 사이에서 불꽃방전 갭을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그에 있어서, 축선방향에서, 주체금구의 선단면으로부터 선단측으로 돌출하는 절연애자의 길이를 H로 하고; 축선방향에서, 절연애자의 선단으로부터 후단측을 향하여 2mm의 범위내에 존재하는 절연애자의 체적을 Vc로 하고; 절연애자의 선단으로부터 2mm의 위치에서의 조립체의 축선방향에 직교하는 단면 부분의 20℃에서의 공기층(air space)을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Ra로 했을 때에, H≥1mm, Vc≤17㎣, Ra≥1.0×10^-3m·K/W를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그가 제공된다.

도 1은 본 실시형태에서의 스파크 플러그의 부분 단면도이다.

도 2는 본 실시형태에서의 스파크 플러그의 중심전극의 선단부 부근의 확대도이다.

도 3은 스파크 플러그의 축선방향에 있어서 절연애자의 선단으로부터 2 mm의 위치까지에 포함되는 부분의 선단측 체적을 도시하는 설명도이다.

도 4는 내구시험(durability test)의 결과를 도시하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관한 내연기관용 스파크 플러그(100)에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 스파크 플러그(100)의 축선(O) 방향을 도면에서의 상하 방향으로 하고, 아래쪽을 스파크 플러그(100)의 선단측, 위쪽을 후단측으로 하여 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서 '주성분'이란, 그 성분이, 함유되는 전체성분 중의 가장 함유량(질량%)이 높은 성분인 것을 말한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 스파크 플러그(100)는, 절연애자(10)와, 이 절연애자(10)를 유지하는 주체금구(50)와, 절연애자(10)내에 축선(O) 방향으로 유지 된 중심전극(20)과, 주체금구(50)의 선단면(57)에 기초부(32)가 용접되어 선단부 31)의 한쪽면이 중심전극(20)의 선단부(22)에 대향하는 접지전극(30)과, 절연애자 10)의 후단부에 설치된 단자 금구(terminal fitting)(40)를 구비하고 있다.

절연애자(10)는, 주지하는 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되고, 축 중심으로 축선(O) 방향에 형성된 축 구멍(12)이 형성된 통형상을 갖는다. 축선(O) 방향의 대략 중앙에는 바깥지름이 가장 큰 날밑부(flanged section)(19)가 형성되어 있고, 날밑부(19)보다 후단측(도 1에서의 위쪽)에는 후단측 몸통부(18)가 형성되고, 날밑부(19)보다 선단측(도 1에서의 아래쪽)에는 후단측 몸통부(18)보다 바깥지름 이 작은 선단측 몸통부(17)가 형성되고, 또한 그 선단측 몸통부(17)보다 선단측에는 선단측 몸통부(17)보다 바깥지름이 작은 다리부(leg section)(13)가 형성되어 있다. 다리부(13)는 선단측일수록 지름축소되고, 스파크 플러그(100)가 내연기관의 실린더 헤드(200)에 부착되었을 때에는, 그 연소실에 노출된다. 그리고, 다리부(13)와 선단측 몸통부(17)와의 사이는 단차부(15)로서 형성되어 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 절연애자(10)의 선단부(11)(다리부(13)의 선단부 위치)에는, 절연애자(10)의 외주면과 선단면이 이루는 능각 부분이 모따기되는 것에 의해, 자신의 바깥지름이 선단측일수록 지름축소된 모따기부(chamfered region)(14)가 형성되어 있다. 이 모따기부(14)는, 그 곡률 반지름을 0.3mm∼0.7mm(예를 들면, 0.5mm)로 R모따기에 의해 형성할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 선단부(11)에서의 절연애자(10)의 바깥지름(선단 바깥지름)을, 3.0mm∼4.3mm로 설정할 수 있다. 이 선단 바깥지름은, 선단부(11)에서의 절연애자(10)의 바깥지름이지만, 모따기부(14)에서의 바깥지름은 포함되지 않으며, 바람직하게는, (도 2에서 절연애자(10)의 모따기부(14)와 외주면 사이의 경계 위치 E1에 해당하는) 모따기부(14)의 후단의 위치에서 도시되는 절연애자(10)의 바깥지름이라고 좋다.

중심전극(20)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 합금으로 형성된 전극 모재(21)의 내부에, 전극 모재(21)보다 열전도성이 뛰어난 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심재(25)를 매설한 구조를 갖는 막대형상의 전극이다. 통상, 중심전극 (20)은, 바닥을 갖는 통형상으로 형성된 전극 모재(21)의 내부에 심재(25)를 채우고, 바닥측으로부터 압출 성형을 행하여 잡아 늘림으로써 제작되는 것이다. 심재 (25)는, 몸통부분에서는 대략 일정한 바깥지름을 이루지만, 선단측에서는 끝이 가는 형상으로 형성된다. 본 실시형태에서는, 중심전극(20)의 바깥지름이 2.3mm, 중심전극(20)의 바깥지름에 대한 심재(25)의 바깥지름의 비율이 70%가 되어 있다.

또한, 중심전극(20)의 선단부(22)는 절연애자(10)의 선단부(11)보다 돌출되어 있고, 선단측을 향하여 지름이 작아지도록 형성되어 있다. 중심전극(20)의 선단부(22)에는 자신의 바깥지름이 지름축소된 지름축소부(reduced diameter region) (23)가 형성되어 있고, 지름축소부(23)의 외주면과 절연애자(10)의 선단 부근의 축 구멍(12)의 내주면과의 사이에, 약간의 간극이 형성되어 있다. 이 간극의 축선(O) 방향의 깊이는, 0.8mm∼2.0mm(예를 들면, 1.0mm)로 설정할 수 있다. 또한, 중심전극(20)은 축 구멍(12)내를 후단측을 향하여 삽입되고, 시일체(seal member)(4) 및 세라믹 저항(3)(도 1 참조)을 경유하여, 후방(도 1에서의 상방)의 단자 금구(40)에 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 단자 금구(40)에는 고압 케이블(미도시)이 플러그 캡(plug cap)(도시 외)을 통하여 접속되고, 고전압이 인가되게 되어 있다. 여기서, 중심전극(20)을 절연애자(10)의 축 구멍(12)내에 유지해서 이루어지는 것을 조립체(60)(도 2 및 도 3 참조)로 한다.

중심전극(20)의 선단부(22)의 선단면에는, 내불꽃 소모성(spark wear resistance)을 향상하기 위해, Pt 또는 Ir을 주성분으로 하여, 직경이 1mm 이하(예를 들면, 0.6mm)의 귀금속 또는 귀금속 합금으로 이루어지는 전극 팁(90)(제 1 귀금속편)이 접합되어 있어도 좋다. 양자의 접합은, 레이저의 조사에 의해 양 재료가 녹아 서로 섞이는 것에 의해 전극 팁(90)과 중심전극(20)이 강고하게 접합되는 방식으로, 전극 팁(90)과 중심전극(20)의 선단부(22)와의 맞댐면의 바깥둘레 전체를 레이저 용접에 의해서 행하여지고 있다. .

접지전극(30)은 내부식성의 높은 금속으로 구성되고, 일례로서 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈 합금이 이용된다. 이 접지전극(30)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 자신의 길이방향의 횡단면이 대략 장방형을 가지고 있고, 기초부 (32)가 주체금구(50)의 선단면(57)에 용접에 의해 접합되고, 선단부(31)의 한쪽면측이 중심전극(20)의 선단부(22)에 대향하도록 굴곡되어 있고, 이에 따라, 이 접지전극(30)의 선단부(31)와 중심전극(20)의 선단부(22)와의 사이에, 불꽃방전 갭이 형성된다.

이 불꽃방전 갭이 형성되는 위치에는, Pt를 주성분으로 하고, Rh, Ir, Ni, 및 Ru 중 적어도 1종을 함유하는 귀금속 합금으로 이루어지는 전극 팁(91)(제 2 귀금속편)이 접지전극(30)의 선단부(31)의 한쪽면에 접합되고, 전극 팁(90,91) 사이에 불꽃방전 갭이 형성되어 있어도 좋다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 주체금구(50)는, 내연기관의 실린더 헤드(200)에 스파크 플러그(100)를 고정하기 위한 원통형상의 금구이며, 절연애자(10)를, 그 후단측 몸통부(18)의 일부로부터 다리부(13)에 걸친 부위를 둘러싸도록 하여 내부 에 유지하고 있다. 주체금구(50)는 저탄소강재로 형성되고, 스파크 플러그 렌치(미도시)를 끼워맞추는 공구 걸어맞춤부(tool engagement portion)(51)와, 내연기관의 상부에 설치된 실린더 헤드(200)의 부착나사구멍(201)에 나사식 맞춤하는 나사산이 형성된 부착나사부(52)를 구비하고 있다. 부착나사부(52)의 바깥지름은, 바람직하게는, JIS-B8031(1995)에 준거한 호칭지름(nominal diameter)으로 M10 이하가 된다.

또한, 주체금구(50)의 공구 걸어맞춤부(51)와 부착나사부(52)와의 사이에는, 플랜지상의 시일부(flanged seal portion)(54)가 형성되어 있다. 그리고, 부착나사부(52)와 시일부(54) 사이의 나사목(thread neck)(59)에는, 판체를 접어 구부려 고리 형상의 개스킷(5)이 형성되어 있다. 개스킷(5)은, 스파크 플러그(100)를 실린더 헤드(200)에 부착했을 때에, 시일부(54)의 베어링면(55)과 부착나사구멍(201)의 개구둘레가장자리부(205)와의 사이에서 찌부러 눌러 변형하여, 양자 사이를 밀봉함으로써, 부착나사구멍(201)을 통한 엔진내의 기밀 누설을 방지하기 위한 것이다.

주체금구(50)의 공구 걸어맞춤부(51)보다 후단측에는 얇은 두께의 가체부 (swage portion)(53)가 설치되고, 시일부(54)와 공구 걸어맞춤부(51)와의 사이에는, 가체부(53)와 같이 얇은 두께의 좌굴부(buckling portion)(58)가 설치되어 있다. 그리고, 공구 걸어맞춤부(51)로부터 가체부(53)에 걸친 주체금구(50)의 내주면과 절연애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 외주면과의 사이에는, 원고리 형상의 링부재(6,7)가 개재되어 있고, 또한 양 링부재(6,7) 사이에 탈크 분말(9)이 충전되어 있다. 가체부(53)를 내측으로 접어 구부리도록 하여 틀을 만드는 것에 의해, 링부 재(6,7) 및 탈크 분말(9)를 사이에 두고, 절연애자(10)가 주체금구(50)내에서 선단측을 향하여 눌러지고, 이에 의해 주체금구(50)의 안둘레에서 부착나사부(52)의 위치에 형성된 단차부(56)에, 고리 형상의 판패킹(plate packing)(8)을 사이에 두고, 절연애자(10)의 단차부(15)가 지지되며, 주체금구(50)와 절연애자(10)가 일체로 된다. 이 때, 주체금구(50)와 절연애자(10)와의 사이의 기밀성(gastightness)은, 판 패킹(8)에 의해서 유지되어, 연소가스의 유출이 방지된다. 또한, 좌굴부(58)는, 틀을 만들 때에, 압축력의 부가에 수반하여 바깥쪽을 향하여 휘어져 변형되도록 구성되어 있고, 탈크 분말(9)의 압축 스트로크(compression stroke)를 높여 주체금구 (50)내의 기밀성을 높이고 있다.

이러한 구조로 이루어지는 스파크 플러그(100)에서는, 절연애자(10)의 선단측의 표면에 카본이 부착되어 그을린 상태가 되면, 절연 저항치가 저하하고, 이그니션 코일(ignition coil)의 발생 전압이 더 저하한다. 그 발생 전압이 플러그의 요구 전압(불꽃 갭 사이에서 스파크하는 전압)보다 낮아지면 불꽃방전할 수 없게 된다. 이러한 실화(misfiring)를 방지하기 위해서는, 스파크 플러그는, 절연애자 (10)의 선단 온도를 약 450℃까지 상승시키고, 절연애자(10)에 부착된 카본을 태워 없애도록 구성되어 있다. 이러한 현상을 '자기 청정(self-cleaning)'이라고 부른다.

자기 청정을 신속하게 행하는 것에 의해서, 그을린 상태로부터 정상적인 발화 성능을 얻을 수 있는 상태로까지 스파크 플러그를 신속하게 회복시킬 수 있다. 자기 청정을 신속하게 행하기 위해서는, 절연애자(10)의 선단 온도를 신속하게 상 승시키는 것이 필요하다. 따라서, 절연애자(10)의 선단측의 온도상승 성능을 향상시키기 위해서, 절연애자(10)의 선단측의 돌출량, 체적 및 열저항치를 각각 후술하는 실시예 1, 2, 3에서 실증되는 최적치에 규정하고 있다. 이하, 각종 파라미터에 대해서, 도 2, 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 각종 파라미터의 최적치에 대해서는, 후술하는 실시예 1, 2, 3에서 실증된다.

우선, 주체금구(50)의 선단면(57)으로부터 축선(O) 방향 선단측으로 향하여 돌출한 절연애자(10)의 돌출량(길이)을 H(mm)로 한다. 이어서, 절연애자(10)의 선단으로부터 축선(O) 방향 후단측으로 2mm 떨어진 위치를 지나, 축선(O)과 직교하는 (2점쇄선 P-P로 그 단면을 나타낸) 평면(P)을 따라 조립체(60)를 절단했다고 상정하고, 그 때의 평면(P)으로 절단한 절연애자(10)의 선단측의 체적을 Vc(㎣)로 한다. 또한, 평면(P)으로 절단한 조립체(60)의 단면의 상온(20℃)에서의 공기층을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Ra(m·K/W)로 한다. 또한 고온(800℃)에서의 공기층을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Rb(m·K/W)로 한다.

열저항치는 재료를 통하여 열을 전달하기 어려운 정도를 표시하는 수치이다. 열저항치의 수치가 클수록 그 재료를 통하여 열을 전하기 어렵다. 열저항치의 수치가 작을수록 재료를 통하여 열을 전하기 쉽다. 예를 들면, 조립체(60)의 어느 단면에서 이러한 열저항치 R을 구하기 위해서, 절연애자(10)의 열전도율을 Ki으로 하고, 중심전극(20)의 전극 모재(21)(니켈 합금)의 열전도율을 Kn으로 하며, 중심전극(20)의 심재(25)(구리합금)의 열전도율을 각각 Kc로 한다. 또한 평면 P를 따른 절연애자(10)의 단면적, 중심전극(20)의 전극 모재(21)의 단면적, 및 중심전극(20) 의 심재(25)의 단면적을 각각 Si, Sn, 및 Sc로 하고; 평면(P)으로 절단된 단면에서의 절연애자(10)의 열저항치, 중심전극(20)의 전극 모재(21)의 열저항치, 및 중심전극(20)의 심재(25)의 열저항치를 각각 Ri, Rn, 및 Rc로 한다. 이 때, 조립체(60)를 평면(P)으로 절단한 단면에서의 단위길이당의 열저항치 R(m·K/W)은, 이하의 식에 의해서 유도할 수 있다.

1/R=(1/Ri)+(1/Rn)+(1/Rc)= KiSi+KnSn+KcSc

R=1/(KiSi+KnSn+KcSc)

본 실시형태에서는, 절연애자(10)의 돌출량(H), 절연애자(10)의 선단측 체적 Vc, 및 절연애자(10)의 선단으로부터 2mm의 위치의 단면에서의 열저항치 Ra가 각각, H≥1mm, Vc≤17㎣, Ra≥1.0×10^-3m·K/W를 만족시키도록 제어된다. 이것에 의해, 절연애자(10)에서의 열의 흐름이 최적이 되어, 절연애자(10)의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.

절연애자(10)의 돌출량(H)이 1mm 미만이 되면, 절연애자(10)의 선단 온도가 상승하기 어려워, 카본을 전부 태워 없앨 수 없다. 또한 카본이 절연애자(10)에 잔존해 버리므로, 중심전극(20)으로부터 절연애자(10)를 통하여 주체금구(50)에 비화하는 레이터럴 스파크나 리세스 스파크(방전 리크 현상)가 용이하게 발생해 버린다. 따라서, 스파크 플러그(100)는 충분한 성능을 얻을 수 없다. 돌출량(H)이 1mm 이상이면, 절연애자(10)의 온도를 보다 신속하게 상승시킬 수 있고, 이에 따라, 절연애자(10)에 부착된 카본을 신속하게 태워 없앨 수 있다. 레이터럴 스파크나 리세 스 스파크 등의 연면방전(creeping discharge)의 발생의 방지와 함께, 자동차 주행에 필요한 절연 저항의 확보에 높은 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 절연애자(10)의 선단측 체적 Vc가 17㎣를 넘어 버리면, 절연애자(10)의 선단 온도가 신속하게 상승하지 않아, 카본을 신속하게 태워 없앨 수 없다. 선단측 체적 Vc가 17㎣ 이하이면, 스파크 플러그(100)는, 절연애자(10)의 온도를 보다 신속하게 상승시킬 수 있어, 절연애자(10)에 부착된 카본을 신속하게 태워 없앨 수 있다. 따라서, 레이터럴 스파크나 리세스 스파크 등의 연면방전의 발생의 방지와 함께, 자동차 주행에 필요한 절연 저항의 확보에 높은 효과를 발휘할 수 있다.

특히, Vc≤12㎣를, 만족시키는 것이 바람직하다. 높은 열저항치 Ra를 유지하면서, 절연애자(10)의 선단측 체적 Vc를 12㎣이하로 줄이면, 그 절연애자(10)의 선단으로부터 2mm의 범위내에서의 온도상승 성능을, 더 높일 수 있다. 이것에 의해, 절연애자(10)에 카본 퇴적물(carbon deposit)이 생겨도, 더 신속하게 온도상승할 수 있어, 절연애자에 부착된 카본을 신속하게 태워 없애고, 오손 상태(fouling state)로부터 신속하게 회복할 수 있다. 이 때문에, 스파크 플러그(100)의 절연 저항치를 100MΩ 이상의 높은 상태로 유지할 수 있어, 양호한 주행성(drivability) (주행 성능)를 얻을 수 있다.

또한, Vc≥8㎣를 만족시키는 것이 바람직하다. 선단측 체적 Vc가 8㎣미만이 되면, 절연애자(10)의 선단부(11)에 있어서 지름 방향의 두께(벽 두께)가 얇아져, 절연애자(10)에 절연 관통(insulation failure)을 일으킬 우려가 있다. 절연애자 (10)의 선단측 체적 Vc를 8㎣이상으로 하는 것에 의해, 절연애자(10)의 선단으로부터 2mm의 범위내에서 충분한 벽 두께(지름 방향의 두께)를 확보할 수 있다. 이로 인해, 절연 관통이 생기기 어려울 것이다. 따라서, 스파크 플러그(100)의 절연 저항을 확보하여 양호한 주행성을 얻을 수 있다.

또한, 절연애자(10)의 선단으로부터 2mm의 위치의 단면에서의 상온하에서의 열저항치 Ra를 1.0×10^-3m·K/W 이상이면, 스파크 플러그(100)는, 절연애자(10)의 선단 온도를 신속하게 온도 상승시켜서 카본을 태워 없애, 스파크 플러그(100)의 절연 저항치를 엔진의 시동이 가능하게 되는 10MΩ 이상으로 유지할 수 있다.

절연애자(10)의 선단으로부터 2mm의 위치의 단면에서의 고온하에서의 열저항치 Rb는 1.0×10^-2m·K/W 이하로 해도 좋고, 더 바람직하게는, 0.8×10^-2m·K/W 이하로 해도 좋다. 절연애자(10)의 온도가 카본을 태워 없애는데 충분한 고온 영역에 있는 경우에는, 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W보다 높아지면, 충분한 열 방사(heat radiation)를 행하지 못하고, 중심전극(20)의 전극 팁(90)의 소모율이 높아져, 스파크 플러그(100)로서의 내구성(durability)이 급격하게 저하한다. 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W 이하이면, 중심전극(20)의 선단부(22)의 귀금속 팁(90)으로부터 부드러운 열 방사를 행하여, 내소모성을 확보할 수 있는 등, 스파크 플러그(100)에서의 내구성을 유지할 수 있다. 열저항치 Rb가 0.8×10^-2m·K/W 이하이면, 보다 부드 럽게 열 방사를 행할 수 있으므로, 스파크 플러그(100)에 있어서 뛰어난 내구성을 유지할 수 있다.

이와 같이, 각종 파라미터를 H≥1mm, Vc≤17㎣, Ra≥1.0×10^-3m·K/W로 규정함으로써, 절연애자(10)의 선단측의 온도상승 성능을 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 절연애자(10)의 선단 온도를 신속하게 상승시키고, 절연애자(10)의 선단측의 표면에 부착된 카본을 신속하게 태워 없앨 수 있다. 따라서, 절연애자(10)의 표면에 카본이 잔존하지 않고, 레이터럴 스파크나 리세스 스파크 등의 연면방전의 발생을 방지하여, 혼합기에의 정상적인 발화를 안정하게 확보할 수 있다.

Rb≤1.0×10^-2m·K/W(더 바람직하게는, Rb≤0.8×10^-2m·K/W)에 규정하는 것에 의해서, 중심전극(20)의 전극 팁(90)의 소모를 억제할 수 있는 내구성이 좋은 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

이러한 효과는, 주체금구(50)의 부착나사부(52)의 바깥지름이, JIS 규격에 준거한 호칭지름이고 M10 이하의 가는 지름의 스파크 플러그(100)에는 특히 유효하다. 스파크 플러그(100)는 가는 지름이면 일수록, 주체금구(50)와 절연애자(10) 사이의 간극(clearance)를 확보하는 것이 곤란하고, 절연애자(10)에 부착된 카본을 신속하게 제거하지 않으면, 용이하게 레이터럴 스파크나 리세스 스파크가 발생해 버리기 때문이다. 본 실시형태와 같이, 온도상승 성능을 높인 절연애자(10)를, 부착나사부(52)의 나사산의 바깥지름이 호칭지름이고 M10 이하의 가는 지름의 스파크 플러그(100)에 이용하면, 주체금구(50)의 안둘레와 절연애자(10)의 바깥둘레와의 사이의 간극이 좁아도, 자기 청정에 의해 절연애자(10)에 부착된 카본을 신속하게 태워 없앨 수 있다. 따라서, 중심전극(20)으로부터 절연애자(10)를 통하여 주체금구(50)에 비화하는 연면방전의 발생을 방지할 수 있으므로, 혼합기에의 정상적인 발화를 안정하게 확보할 수 있다.

또한, Vc≤12㎣으로 규정하는 것에 의해서, 스파크 플러그(100)의 절연 저항치를 100MΩ 이상으로 유지할 수 있다. 한편으로, Vc≥8㎣으로 규정하는 것에 의해서, 절연애자(10)의 선단부(11)에서의 지름 방향의 두께(벽 두께)를 확보하여, 절연 관통을 생기기 어렵게 할 수 있다.

또한, 절연애자(10)의 선단부(11)에, 자신의 바깥지름이 선단측일수록 지름축소된 모따기부(14)가 형성되어 있다. 그리고 중심전극(20)의 선단부(22)에는, 자신의 바깥지름이 지름축소된 지름축소부(23)가 형성되어 있다(도 2 참조). 이 지름축소부(23)에서의 중심전극(20)의 외주면과, 절연애자(10)의 선단 부근의 축 구멍 (12)의 내주면과의 사이에, 약간의 간극이 형성되어 있다. 이러한 구성에 있어서는, 중심전극(20)의 지름축소부(23)의 후단(도 2에서 위치 E2)에서 바깥지름이 불연속으로 변화하기 때문에 전계(electric field)가 집중하기 쉽다. 이 지름축소부의 후단에 대응하는 절연애자(10)의 두께가 얇으면, 절연애자(10)에 절연 관통이 생길 우려가 있다. 따라서, 바람직하게는, 지름축소부(23)의 후단(위치 E2)이 모따기부(14)의 후단(위치 E1)보다 후단측에 위치하는 것을 규정하고 있다. 또한, 모따기부(14)에 실시한 R모따기의 곡률 반지름을 0.3mm∼0.7mm로 하고, 간극의 축선(O) 방향의 깊이를 0.8∼2.0mm로 하고 있다. 이것에 의해, 지름축소부(23)의 후단(위치 E1)에 대응하는 절연애자(10)의 두께를 확보할 수 있고, 절연애자(10)의 절연 관통의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 중심전극(20)측의 전극 팁(90)의 재료로서, Pt 또는 Ir를 주성분으로 하여, 직경이 1mm 이하의 귀금속 또는 귀금속 합금을 이용하고 있다. 절연애자(10)의 선단측의 온도상승 성능을 향상시킨 본 실시형태의 스파크 플러그(100)에 있어서, 오손시에 절연애자(10)의 온도를 신속하게 상승시켜 자기 청정을 행하면, 중심전극(20)에는 높은 열부하가 걸리게 된다. 중심전극(20)의 선단부(22)에 융점이 높고 내불꽃 소모성이 높은 귀금속 또는 귀금속 합금으로 이루어지는 전극 팁(90)을 접합함으로써, 불꽃방전은 전극 팁(90)을 사이에 두고 행하여져, 높은 열부하가 걸려도 내불꽃 소모성을 확보할 수 있고, 뛰어난 내구성을 유지할 수 있다. 또한, 접지전극(30)측의 전극 팁(91)의 재료에도, 융점이 높고 내불꽃 소모성이 높은 귀금속 합금, 구체적으로는, Pt를 주성분으로 하고, Rh, Ir, Ni, 및 Ru중 적어도 1종을 함유하는 귀금속 합금을 이용함으로써, 불꽃방전에 의한 전극소모에 대해서 높은 내성을 얻을 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

실시예 1에서는, 절연애자(10)의 돌출량 H, 선단측 체적 Vc 및, 열저항치 Ra가, 스파크 플러그(100)의 절연 저항치에게 주는 영향을 조사하였다.

여기서, 열저항치 Ra의 조정 방법에는 2가지 있다. 하나는, 중심전극의 심재 의 재질이나 심재의 체적을 바꾸는 것에 의해서 조정하는 방법이다. 중심전극의 심재의 재질로서, 니켈, 니켈 합금, 또는 구리합금 등을 이용한다. 또 하나는, 절연애자의 재질을 바꾸는 것에 의해서 조정하는 방법으로, 절연애자의 재질로서, 알루미나 및 질화알루미늄 등을 이용한다. 본 실시예에서는, 열전도율 15∼170W/(K·m)의 알루미나 및 질화알루미늄을 사용하였다. 그리고, 중심전극의 심재의 재질 등을 조정하는 것에 의해서 열저항치 Ra를 조정하는 케이스 1과, 절연애자의 재질을 조정하는 것에 의해서 열저항치 Ra를 조정하는 케이스 2로 나누어 시험을 수행하였다. 이러한 2가지의 조정 방법의 차이가 시험 결과에게 주는 영향에 대해 조사하였다.

케이스 1, 2의 각각에 있어서, 절연애자(10)의 돌출량 H가 다른 5개의 시험구를 각각 설치하였다. 구체적으로는, 케이스 1에서는, 시험 그룹 1-1(돌출량 H=0mm), 시험 그룹 1-2(돌출량 H=1mm), 시험 그룹 1-3(돌출량 H=1.8mm), 시험 그룹1-4(돌출량 H=2.3mm), 시험 그룹 1-5(돌출량 H=3.8mm)를 각각 설정하였다. 한편, 케이스 2에서는, 시험 그룹 2-1 (돌출량 H=0mm), 시험 그룹 2-2(돌출량 H=1mm), 시험 그룹 2-3(돌출량 H=1.8mm), 시험 그룹 2-4(돌출량 H=2.3mm), 시험 그룹 2-5(돌출량 H=3.8mm)를 각각 설정하였다. 또한, 각 시험 그룹에 있어서, 6종류의 선단측 체적 Vc와 6종류의 열저항치 Ra와의 36가지의 조합을 설정하였다. 구체적으로는, 선단측 체적 Vc에 대해서는, 8㎣, 12㎣, 14.5㎣, 17㎣, 19㎣, 및 20㎣의 6종류를 설정하였다. 한편, 열저항치 Ra에 대해서는, 케이스 1에서는, 0.6, 0.8, 1.0, 2.0, 4.0, 및 6.0(×10^-3m·K/W)의 6종류를 설정하고, 케이스 2에서는, 0.6, 0.7, 0.8, 1.0, 1.2, 및 1.5(×10^-3m·K/W)의 6종류를 설정하였다.

그리고, 각 시험 그룹에서 정해진 돌출량 H와 선단측 체적 Vc와 열저항치 Ra를 만족시키는 절연애자를 각각 제작하였다. 그들 절연애자를 갖는 스파크 플러그를 각각 제작하였다. 본 실시예에서는, 스파크 플러그의 주체금구의 부착나사부의 바깥지름은, JIS B8031에 준거한 호칭지름으로 M10으로 조정하였다.

제작한 스파크 플러그는, JIS D1606에 규정되어 있는 그을림/오손 시험 (smoldering/fouling test)을 실시한 후, JIS B8031에 규정된 측정방법에 의해 절연 저항치(Ω)를 측정하였다. 평가는 10사이클 종료시의 절연 저항치로 행하여, A∼D의 4단계에서 평가하였다. 'A'는, 10사이클 종료시의 절연 저항치가 100MΩ 이상, 'B'는, 10사이클 종료시의 절연 저항치가 10MΩ 이상 100MΩ 미만, 'C'는, 10사이클 종료시의 절연 저항치가 10MΩ 미만, 'D'는, 도중 사이클로 엔진 시동 불량을 일으킨 것을 나타낸다. 한편, 절연 저항치가 높을수록, 절연애자의 선단 온도가 신속하게 상승하여, 절연애자에 부착된 카본이 신속하게 태워 없어져 있으므로, 온도상승 성능이 높다고 평가하였다. 이것과는 반대로, 절연 저항치가 낮을수록, 절연애자의 선단 온도가 신속하게 상승하지 않고, 절연애자에 카본이 잔존하고 있기 때문에, 온도상승 성능은 낮다고 평가하였다. 평가결과를 표 1∼10에 나타낸다.

한편, 본 평가시험의 샘플 제작에 있어서, 상기한 열저항치 Ra의 조정방법에서는, 절연애자의 선단측 체적 Vc와, 중심전극 및 절연애자에 이용되는 재질의 화 학적 성질 등과의 관계에 의해서, 열저항치 Ra를 조정할 수 있는 범위가 한정된다. 케이스 1과 케이스 2에서는, 열저항치 Ra의 조정 방법의 차이에 기인하여, 열저항치 Ra의 조정 범위가 다르다.

케이스 1에서는, 0.6×10^-3∼6.0×10^-3m·K/W까지의 범위에서 조정하였다. 또한, 선단측 체적 Vc가 12㎣ 이상이고, 열저항치 Ra가 6.0×10^-3m·K/W의 절연애자와, 선단측 체적 Vc가 20㎣이고, 열저항치 Ra가 4.0×10^-3m·K/W의 절연애자를 제작할 수 없었다. 그 때문에, 표 1 내지 표 5에서는, 이러한 조합에 해당하는 데이터가 없기 때문에 '-'로 하였다.

한편, 케이스 2에서는, 조정할 수 있는 범위가 케이스 1보다 좁고, 0.6×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W까지의 범위에서 조정하였다. 또한, 선단측 체적 Vc가 8∼14.5㎣이고, 열저항치 Ra가 0.6×10^-3m·K/W의 절연애자와, 선단측 체적 Vc가 8㎣이고, 열저항치 Ra가 0.7×10^-3m·K/W의 절연애자를 제작할 수 없었다. 그 때문에, 표 6 내지 표 10에서는, 이들 조합에 해당하는 데이터가 없기 때문에 '-'로 하였다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

[표 10]

표 1에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 1-1에서는, 절연애자의 선단측 체적 Vc 및 열저항치 Ra에 관계없이, 모든 샘플에 있어서 평가는 'D'였다.

표 2에 도시하는 바와 같이, 시험 그룹 1-2에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼6.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 1-2에서는, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내 이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼4.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였다. 또한 시험 그룹 1-2에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼14.5㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'이었다. 그리고 시험 그룹 1-2에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 1-3에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼6.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한, 시험 그룹 1-3에서는, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼4.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였다. 또한 시험 그룹 1-3에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/w의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 1-3에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 1-4에서도 시험 그룹 1-3의 결과와 같이, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼6.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼4.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였으며, 그리고 시험 그룹 1-4에서, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 1-4에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 5에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 1-5에서도 시험 그룹 1-3의 결과와 같이, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼6.0×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 1-5에서, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼4.0×10^-3m·K/W의 범위내가 갖는 샘플의 평가는 'B'였으며, 그리고 시험 그룹 1-5에서, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 1-5에서, 이것들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

시험 그룹 1-1에서는, 절연애자의 돌출량 H가 0mm이므로, 절연애자의 선단이 주체금구의 내측에 숨어 버리고 있다. 이 경우, 다음과 같이 가정할 수 있다. 절연애자에 있어서 연소실에 노출되는 부분이 적기 때문에, 절연애자의 선단 온도는 상승하기 어렵다. 따라서, 절연애자에 부착된 카본을 신속하게 태워 없앨 수 없고, 잔존해 버린다. 이 때문에, 리세스 스파크(방전 리크 현상)나 레이터럴 스파크가 용이하게 발생해 버려, 엔진의 시동 불량을 일으켰다고 추측된다.

시험 그룹 1-2에서는, 절연애자의 돌출량 H가 1mm이므로, 주체금구의 선단면으로부터 절연애자의 선단이 돌출되어 있다. 즉, 절연애자의 선단측이 연소실에 노출되므로, 절연애자의 선단 온도는 시험 그룹 1-1에 비해 상승하기 쉬워진다. 이 때문에 시험 그룹 1-1에 비해, 시험 그룹 1-2에서, 절연 저항치를 소정 레벨 이상으로 확보할 수 있는 샘플을 다수 얻을 수 있었다. 그 중에서도, 절연애자의 선단측 체적 Vc가 17㎣ 이하이고, 열저항치 Ra가 1.0×10m^-3m·K/W 이상(표 2의 'A'와 'B'에 해당하는 범위)이면, 절연 저항치를 적어도 10MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 더 바람직하게는, 절연애자의 선단측 체적 Vc가 12㎣이하이고, 또한 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W 이상(표 2 의 'A'에 해당하는 범위)이면, 절연 저항치를 적어도 100MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.

시험 그룹 1-3, 1-4, 및 1-5에서는, 시험 그룹 1-2와 거의 같은 결과를 얻을 수 있었다. 이 때문에 케이스 1에서는, 절연애자의 돌출량 H는 적어도 1mm 이상을 만족시키면 좋은 것을 알 수 있었다. 그러나, 절연애자의 돌출량이 극단적으로 길어지면, 절연애자에 있어서 연소실내에 노출되는 부분이 많아지므로, 절연애자가 너무 타는 경우가 있다. 또한 중심전극도 연소실내의 중심을 향하여 돌출되게 되므로, 중심전극의 전극 팁이 너무 고온이 되어서 소모되기 쉬워져 버린다. 또한, 후술하는 실시예 2의 내구시험의 결과로부터, 돌출량 H=1mm가, 돌출량 H=4mm보다 내구성이 높다. 따라서, 돌출량 H는, 자기 청정이 정상적으로 기능하는 1mm 정도로 규정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

표 6에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 2-1에서는, 절연애자의 선단측 체적 Vc 및 열저항치 Ra에 관계없이 모든 샘플에 있어서, 평가는 'D'였다.

표 7에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 2-2에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼12 ㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 2-2에서, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였다. 또한 시험 그룹 2-2에서, 선단측 체적 Vc가 8∼14.5㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 2-2에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 8에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 2-3에서는, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 2-3에서, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였다. 또한 시험 그룹 2-3에서, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 2-3에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 9에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 2-4는 시험 그룹 2-3의 결과와 같이, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 2-4에서, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘 플의 평가는 'B'였으며, 그리고 시험 그룹 2-4에서, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 2-4에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

표 10에 나타내는 바와 같이, 시험 그룹 2-5도 시험 그룹 2-3의 결과와 같이, 선단측 체적 Vc가 8∼12㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'A'였다. 또한 시험 그룹 2-5에서, 선단측 체적 Vc가 14.5∼17㎣의 범위내이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3∼1.5×10^-3m·K/W의 범위내의 샘플의 평가는 'B'였으며, 그리고 시험 그룹 2-5에서, 선단측 체적 Vc가 8∼17㎣의 범위내이고, 또한 열저항치 Ra가 0.8×10^-3m·K/W의 샘플의 평가는 'C'였다. 그리고 시험 그룹 2-5에서, 이들 이외의 샘플의 평가는 'D'였다.

시험 그룹 2-1에서는, 시험 그룹 1-1과 같이, 절연애자의 돌출량 H가 0mm이므로, 절연애자의 선단이 주체금구의 내측에 숨어 버려고 있다. 따라서, 절연애자에 부착된 카본을 신속하게 태워 없애지 못하고, 잔존해 버리기 때문에, 리세스 스파크(방전 리크 현상)나 레이터럴 스파크가 용이하게 발생해 버려, 엔진의 시동 불량을 일으켰다고 추측된다.

시험 그룹 2-2에서는, 시험 그룹 1-1과 같이, 절연애자의 돌출량 H가 1mm이므로, 주체금구의 선단면으로부터 절연애자의 선단이 돌출되어 있다. 즉, 절연애자의 선단측이 연소실에 노출되므로, 절연애자의 선단 온도는 시험 그룹 2-1에 비하 여 상승하기 쉬워진다. 이 때문에 시험 그룹 2-1에 비해, 시험 그룹 2-2에서, 절연 저항치를 확보할 수 있는 샘플을 다수 얻을 수 있었다. 그리고, 절연애자의 선단측 체적 Vc가 17㎣이하이고, 열저항치 Ra가 1.0×10^-3m·K/W 이상(표 7의 'A'와 'B'에 해당하는 범위)이면, 절연 저항치를 적어도 10MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 더 바람직하게는, 절연애자의 선단측 체적 Vc가 12㎣이하이고, 또한 열저항치 Ra가 1.0×10^-3m·K/W 이상(표 7의 'A'에 해당하는 범위)이면, 절연 저항치를 적어도 100MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.

시험 그룹 2-3, 2-4, 및 2-5에서는, 시험 그룹 2-2와 거의 같은 결과이다. 이 때문에 케이스 2에서는, 절연애자의 돌출량 H는 적어도 1mm 이상을 만족시키면 좋은 것을 알 수 있었다.

케이스 1과 케이스 2에서는, 열저항치 Ra의 조정 범위가 다르지만, 중복하는 범위에서는 거의 같은 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 열저항치 Ra는, 어느 조정 방법에서도, 1.0×10^-3m·K/W 이상의 범위내이면 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 이 때문에, 열저항치 Ra의 조정 방법의 차이가 평가 시험의 결과에게 주는 영향은 거의 없다고 생각된다.

이상으로부터, 각종 파라미터를 이하의 범위로 한정하는 것에 의해서, 그을림/오손 시험 후의 절연 저항치를 10MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.

H≥1mm

Vc≤17㎣

Ra≥1.0×10^-3m·K/W

또한, 절연애자의 선단측 체적 Vc를 12㎣이하로 더 한정하는 것에 의해서, 그을림/오손 시험 후의 절연 저항치를 100MΩ 이상으로 유지할 수 있는 것도 알 수 있었다.

(실시예 2)

실시예 2에서는, 고온하에서의 열저항치 Rb가 중심전극의 전극 팁의 내구성, 및 절연애자의 돌출량 H가 전극 팁의 소모율에게 주는 영향에 대해 조사하였다.

0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 및 1.4(×10^-2m·K/W)의 6종류의 열저항치 Rb와 1mm, 4mm의 2종류의 돌출량 H를 조합하여 이루어지는 12종류의 절연애자를 제작하였다. 그것들을 포함한 12종류의 스파크 플러그를 샘플로서 준비하였다. 한편, 열저항치 Rb의 조정은, 실시예 1의 케이스 2와 같이, 절연애자의 재질을 조정하는 것에 의해서 행하였다. 샘플로서 이용되는 스파크 플러그는 M10의 가는 지름의 것을 사용하였다. 또한, 각 스파크 플러그의 전극 팁에는 이리듐 합금 팁을 사용하였다. 그리고, 2000cc, 직렬 4기통 엔진으로, 5000RPM 및 W.O.T 조건에서, 100시간의 내구시험을 실시하였다. 그리고, 그 내구시험 후의 전극 팁의 소모율(%)을 산출하여, 스파크 플러그로서의 내구성을 평가하였다. 소모율은, 내구시험 전후에서의 전극 팁의 체적 감소의 비율(내구시험 전의 전극 팁 체적으로부터 내구시험 후의 전극 팁 체적을 공제한 것을 내구시험 전의 전극 팁 체적으로 나눈 것)로부터 산출하였다. 한편, 전극 팁의 체적은, 예를 들면, X선 CT장치 등에 의해 산출할 수 있다. 또한, 평가 기준으로서 종래품의 전극 팁의 소모율로 거의 같은 5%를 합격 라인으로 설정하였다. 평가 결과를 표 11 및 도 4에 도시한다.

[표 11]

	내구시험 후의 전극 팁 소모율(%)
Rb(×10^-2m·K/W)	돌출량: 1mm	돌출량: 4mm
0.4	1	1
0.6	2	2
0.8	3	3
1.0	5	5
1.2	35	39
1.4	55	59

표 11에 나타내는 바와 같이, 절연애자의 돌출량 H=1mm에서는, 열저항치 Rb가 0.4×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 1%이고, 열저항치 Rb가 0.6×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 2%이고, 열저항치 Rb가 0.8×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 3%이고, 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 5%이고, 열저항치 Rb가 1.2×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 35%이고, 열저항치 Rb가 1.4×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 55%이었다. 한편, 절연애자의 돌출량 H=4mm에서는, 표 11에 나타내는 바와 같이, 열저항치 Rb가 0.4×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 1%이고, 열저항치 Rb가 0.6×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 2%이고, 열저항치 Rb가 0.8×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁 의 소모율은 3%이고, 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 5%이고, 열저항치 Rb가 1.2×10m^-2·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 39%이고, 열저항치 Rb가 1.4×10m^-2m·K/W인 경우, 전극 팁의 소모율은 59%이었다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 돌출량 H가 1mm 또는 4mm의 어느 쪽에 있어서도, 열저항치 Rb가 0.4×10^-2∼1.0×10^-2m·K/W까지는, 소모율이 5% 이하의 범위내이었다. 그리고, 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W를 넘으면 전극 팁의 소모가 급격하게 진행되었기 때문에, 전극 팁의 소모율은 급격하게 상승하였다. 이 때문에 절연애자의 열저항치 Rb를 1.0×10^-2m·K/W 이하로 규정하면, 소모율을 5% 이하로 억제할 수 있으므로, 스파크 플러그로서의 내구성을 충분히 확보할 수 있다고 할 수 있다. 또한, 열저항치 Rb가 1.0×10^-2m·K/W를 넘으면, 돌출량 H=4mm의 샘플 쪽이, 돌출량 H=1mm의 샘플에 비하여, 소모율이 약간 높아졌다. 예를 들면, 열저항치 Rb가 1.2×10^-2m·K/W인 경우, 돌출량 H=1mm의 샘플에서는 전극 팁의 소모율은 35%이었지만, 돌출량 H=4mm의 샘플에서는 전극 팁의 소모율은 39%이었다. 이것은, 절연애자의 돌출량 H가 커진 것에 의해서, 중심전극의 전극 팁이 연소실내에 돌출되어, 전극 팁이 보다 고온이 되어 부하가 걸린 것이라고 추측된다.

실시예 2에서는, 가는 지름인 M10의 스파크 플러그를 샘플로서 이용했지만, M14의 부착나사부의 바깥지름을 갖는 스파크 플러그로 같은 내구시험을 행하였다. 이들 전극 팁의 소모율은 3%이었다. 즉, M10의 스파크 플러그에 있어서, M14의 스파크 플러그와 동등한 전극 팁의 소모율을 달성하기 위해서는, 표 11 및 도 4로부터, 열저항치 Rb를 0.8×10^-2m·K/W 이하로 하면 좋은 것을 알 수 있다.

이상으로부터, 열저항치 Rb를 0.8×10^-2m·K/W 이하로 규정하는 것에 의해서, 가는 지름인 M10의 스파크 플러그에 있어서도 M14의 스파크 플러그와 동등한 뛰어난 내구성을 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.

(실시예 3)

실시예 3에서는, 절연애자의 선단측 체적 Vc가 내전압 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.

6, 8, 12, 17, 19(㎣)의 5종류의 선단측 체적 Vc로 설정한 절연애자를 이용하여 스파크 플러그의 샘플을 제작하였다. 더 구체적으로, 바깥지름을 φ1.9∼φ2.3mm의 범위에서 다르게 하는 동시에, 바깥지름에 대한 심재(동심)의 바깥지름의 비율을 15%∼90%의 범위에서 다르게 한 중심전극과 선단에서의 바깥지름을 φ3.1∼φ4.3mm의 범위에서 다르게 한 절연애자를 적절히 조합하여 상기 5종류의 선단측 체적 Vc로 설정한 절연애자를 제작하였다. 여기서, 그것들을 포함한 스파크 플러그를 각 종류에 대해 10개씩 샘플로서 준비하였다. 그리고, 1600cc, 직렬 4기통 엔진으로, 5000RPM 및 W.O.T 조건에서, 1시간의 내구시험을 실시하였다. 그 내구시험 후에 절연애자의 선단부를 관찰하여, 절연 관통이 생기고 있는지 아닌지를 확인하였다. 평가는 선단측 체적 Vc가 다른 종류마다, A 또는 B의 2단계에서 행하였다. 'A'는, 선단측 체적 Vc가 동일한 10개의 샘플중, 절연 관통이 생긴 샘플이 1개도 없었던 것을 나타내고, 'B'는, 절연 관통이 생긴 샘플이 1개라도 있었던 것을 나타낸다. 평가 결과를 표 12에 나타낸다.

[표 12]

Vc(㎣)	6	8	12	17	19
평가	B	A	A	A	A

표 12에 나타내는 바와 같이, 선단측 체적 Vc가 6㎣의 샘플에서는, 절연 관통이 생긴 샘플이 발견되어, 'B'라고 평가되었다. 그러나, 선단측 체적 Vc가 8㎣이상의 샘플에서는, 어느 샘플에도 절연 관통이 발생하는 일 없이, 'A'라고 평가되었다. 'B'라고 평가된 선단측 체적 Vc가 6㎣의 샘플은, 절연애자의 선단부에서 충분한 체적을 확보하지 못하고, 지름방향의 두께(벽 두께)가 얇아진 것에 의해, 내구시험에서 절연 관통을 일으키는 결과가 되었다고 생각된다. 한편, 선단측 체적 Vc가 8㎣이상의 샘플이면, 절연애자의 선단부에서 충분한 체적을 확보할 수 있어, 내구시험에서 절연 관통을 일으키지 않는, 충분한 두께를 확보할 수 있는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 각종 파라미터를 규정하는 것에 의해서, 절연애자(10)의 선단측의 온도상승 성능을 향상시켜, 절연애자(10)에 부착된 카본을 잔존하지 않도록 신속하게 태워 없애서, 레이터럴 스파크 등의 연면방전의 발생을 방지할 수 있는 동시에, 정상적인 발화 성능에 필요한 절연 저항의 확보에도 높은 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명을 구체적인 실시예에 기초하여 설명해 왔지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형·변경을 포함하는 것이다. 예를 들면, 중심전극(20)을 구성하는 전극 모재(21)이나 심재(25)의 재질은, 상기 실시예에서, 각각, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 합금, 및 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 합금으로 이루어진다고 했지만, 그 외의 금속, 예컨대, 내불꽃 소모성이 뛰어난 금속(Fe합금 등) 및 전극 모재(21)보다 열전도성이 뛰어난 금속(Ag합금 등)의 조합일 수 있다. 또한, 전극 팁(90,91)은, 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두 없어도 좋다.

Claims

축선방향으로 연장되는 중심전극;

상기 축선방향으로 형성되는 축 구멍을 갖고, 상기 중심전극을 상기 축 구멍내의 선단측에 유지하여, 상기 중심전극과 조립체를 구성하는 절연애자;

상기 조립체에서의 상기 절연애자의 주위를 둘러싸서 유지하는 주체금구; 및

일단부가, 상기 주체금구의 선단면에 접합되고, 타단부가, 상기 중심전극과의 사이에서 불꽃방전 갭을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그에 있어서,

상기 축선방향에서, 상기 주체금구의 상기 선단면으로부터 선단측으로 돌출하는 상기 절연애자의 길이를 H로 하고; 상기 축선방향에서, 상기 절연애자의 선단으로부터 후단측을 향하여 2mm의 범위내에 존재하는 상기 절연애자의 체적을 Vc로 하고; 상기 절연애자의 선단으로부터 2mm의 위치에서의 상기 조립체의 상기 축선방향과 직교하는 단면 부분의 20℃에서의 공기층을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Ra로 했을 때에, H≥1mm, Vc≤17㎣, Ra≥1.0×10^-3m·K/W를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항에 있어서, Vc≤12㎣를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Vc≥8㎣를, 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 절연애자의 선단으로부터 2mm의 위치에서의 상기 조립체의 상기 축선방향과 직교하는 단면 부분의 800℃에서의 공기층을 제외한 단위길이당의 열저항치를 Rb로 했을 때에, Rb≤1.0×10^-2m·K/W를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 4 항에 있어서, Rb≤0.8×10^-2m·K/W를 만족시키는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 절연애자의 선단부에는, 자신의 바깥지름이 선단측일수록 지름축소된 모따기부가 형성되고; 상기 중심전극의 선단부에는, 자신의 바깥지름이 지름축소된 지름축소부가 형성되고, 상기 지름축소부의 후단은 상기 모따기부의 후단보다 후단측에 위치하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 주체금구는, 자신의 외주면에, 내연기관의 부착나사구멍에 나사식 맞춤하는 나사산이 형성된 부착나사 부를 갖고, 상기 부착나사부의 바깥지름은, JIS 규격에 준거한 호칭지름으로 M10 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 중심전극의 선단에 접합되어, Ir 또는 Pt를 주성분으로 하고, 직경이 1mm 이하의 제 1 귀금속편을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 접지전극의 타단부에서, 상기 중심전극과의 사이에 상기 불꽃방전 갭을 형성하는 위치에 접합되어, Pt를 주성분으로 하고, Rh, Ir, Ni, 및 Ru 중 적어도 1종을 함유하는 제 2 귀금속편을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.