KR20100127236A - 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

절연체 상에 부착된 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있는 스파크 플러그가 제공된다. 이러한 스파크 플러그로써, 절연체(10) 선단측의 온도 상승 성능을 개선하기 위하여, 상기 절연체(10)의 돌출량(H)(㎜), 상기 절연체(10)의 선단측 부피(Vi)(㎣), 및 중앙 전극(20)의 선단측 부피(Vc)(㎣)를 각각 정의한다. 결과적으로, 상기 절연체(10)의 전압 저항 및 상기 중앙 전극(20)의 내구성을 유지하면서 상기 탄소 부착물의 회수 특성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 탄소 부착물의 회수 특성이 개선되므로, 상기 절연체(10)를 따라 상기 중앙 전극(20)으로부터 상기 금속쉘(50)까지 발생되는 사이드 스파크의 발생을 방지할 수 있고, 이에 공기-연료 혼합물의 적절한 점화를 안정되게 보장할 수 있게 된다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 공기-연료 혼합물을 점화하기 위하여 내연 엔진에 내장되는 스파크 플러그에 관한 것이다.

종래에, 점화용 스파크 플러그는 내연 엔진에 사용된다. 스파크 플러그는 일반적으로 중앙 전극; 축홀 내에 상기 중앙 전극을 지지하는 절연체; 상기 절연체의 방사상 둘레를 감싸 지지하는 금속쉘; 및 상기 금속쉘에 결합되는 일단부 및 나머지 단부를 갖는 접지 전극을 포함하며, 스파크 방전갭은 상기 나머지 단부와 상기 중앙 전극 사이에 형성된다. 또한, 상기 스파크 방전갭 내에 스파크 방전이 발생함에 따라, 공기-연료 혼합물을 점화가 이루어진다.

최근 수년 동안, 더욱 높은 엔진 출력을 위한 엔진에 제공되는 흡기 밸브 및 배기 밸브의 밸브 직경을 확대하고 또한 수냉 시스템을 개발하기 위하여 상기 엔진에 더욱 큰 워터 자켓을 확보할 필요가 있게 되었다. 엔진에 장착되는 스파크 플러그용 장착 공간이 작아지므로, 상기 스파크 플러그는 직경이 더욱 작게 될 필요가 있다. 그러나, 스파크 플러그는 직경이 더욱 작아지면, 상기 절연체와 상기 금속쉘 사이의 절연 거리가 좁아진다. 그 결과, 상기 스파크 플러그는 통상의 스파크 방전갭 내에서의 스파크 방전에 실패하게 되고, 상기 절연체를 따라 상기 중앙 전극으로부터 금속쉘까지 사이드 스파크(side spark)가 발생되기 쉽다. 더욱이, 건조한 부착물 상태에서, 섬락(flashover)이 발생되기 쉽다. 이는 상기 절연체의 표면 상에 침전되는 전기적으로 도전성인 탄소 등이 상기 절연체와 상기 금속쉘 사이의 절연 특성에 열화를 유발하기 때문이다. 이러한 경우, 상기 절연체의 선단 온도를 높임으로써 상기 절연체 상에 부착된 탄소를 태워서 제거하여 그때마다 절연 특성을 보장할 필요가 있다.

따라서, 예를 들면, 다음의 식을 만족하는 스파크 플러그가 제안된 바 있다: (X + 0.3Y + Z)/G ≥ 2, Y1(㎜) ≥ 1, W/Z ≥ 4, 및 1.25 ≤ Z(㎜) ≤ 1.55, 여기에서 (X)는 상기 절연체의 선단부에서 상기 절연체와 상기 중앙 전극 사이의 거리이며, (Y)는 상기 금속쉘 외부에서 상기 절연체의 표면의 연면 거리(creeping distance)이고, (Y1)은 상기 금속쉘로부터 상기 절연체의 돌출량이며, (Z)는 포켓 갭(pocket gap)이고, (G)는 스파크 방전갭의 거리이며, 그리고 (W)는 상기 금속쉘 내에서 상기 절연체와 상기 금속쉘 사이의 거리가 (G) 이하로 되는 일부분까지의 상기 절연체 표면 상의 길이이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이러한 스파크 플러그는, 상기 구성 부품 중에서 상술한 바의 다양한 거리들을 각각 정의함으로써, 직경이 감소된 스파크 플러그조차도 상기 스파크 플러그가 건조한 부착물이 아닐 때 스파크로 하여금 통상의 스파크 방전갭에 안정되게 방전될 수 있게 하고, 그리고 상기 스파크 플러그가 건조 부착물 및 사이드 스파크와 섬락과 같은 연면 방전(creeping discharge)이 발생된 경우에도 가연성을 보장할 수 있다는 것에 있어서 우수하다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 제2005-116513호 공보

그러나, 상기 스파크 플러그가 건조 부착물 및 연면 방전이 발생한 상태에서 점화가 가능하더라도, 특허문헌 1에 의한 스파크 플러그의 경우에서와 같이, 상기 절연체 상에 부착된 탄소가 즉시 태워져 제거되지 않는다면, 상기 절연체의 표면 상에 대량의 탄소가 부착되기 쉽다. 이러한 경우, 상기 탄소를 모두 태워 제거하기에는 상당한 시간이 소요되므로, 상기 절연체로부터 탄소를 완전히 제거할 수 없는 상황이 발생될 수도 있다. 이에, 적당한 점화 현상을 얻을 수 있는 상태로의 회복을 기대할 수 없다는 문제점이 있었다. 따라서, 예를 들면, 상기 절연체 상에 부착된 탄소를 태워서 제거함으로써 건조 부착물 상태를 적당한 상태로 신속히 회복시킬 수 있는 방법이 요구되어 왔다.

본 발명은 상술한 바의 문제점을 극복하고자 안출된 것으로서, 그의 목적은 상기 절연체 상에 부착된 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것이다.

상술한 바의 목적을 달성하기 위하여, 제 1 특징에 의한 본 발명의 스파크 플러그는: 축방향으로 연장되는 중앙 전극; 축방향으로 연장되는 축홀을 가지며 상기 축홀 내부의 선단측 상에 상기 중앙 전극을 지지하는 절연체; 상기 중앙 전극이 상기 절연체의 축홀 내에 지지되는 서브 어셈블리 내에서 상기 절연체의 둘레를 감싸 지지하기 위한 금속쉘; 및 상기 금속쉘에 결합된 일단부 및 또 하나의 단부로 이루어지며, 상기 또 하나의 단부와 상기 중앙 전극과의 사이에 스파크 방전갭이 형성되는 접지 전극으로 이루어지며: 여기에서, 다음의 식이 만족되고: H≥1.8㎜, 그리고, 다음의 식이 만족되며: 4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣; 2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣; 및 Vc/Vi ≤ 1.03, 여기에서, (H)는 축방향으로 상기 금속쉘의 선단면으로부터 그의 선단측을 향하여 돌출되는 상기 절연체의 길이이고; (Vi)는 축방향으로 상기 절연체의 선단으로부터 그의 후단쪽으로 1.5㎜의 범위에 해당하는 상기 절연체의 일부분의 부피이며; 그리고 (Vc)는 축방향으로 1.5㎜의 범위에 해당하는 상기 중앙 전극의 일부분의 부피임을 특징으로 한다.

제 1 특징에 의한 본 발명의 구성에 더하여, 제 2 특징에 의한 스파크 플러그에 있어서, 다음의 식이 만족된다: 4.22㎣ ≤ Vi ≤ 8.77㎣, 2.10㎣ ≤ Vc ≤ 5.36㎣, 그리고 Vc/Vi ≤ 0.84.

제 1 특징 또는 제 2 특징에 의한 본 발명의 구성에 더하여, 제 3 특징에 의한 스파크 플러그에 있어서, 상기 금속쉘은 그 외주면 상에 장착 나사부를 포함하며, 상기 장착 나사부는 내연 엔진의 장착 나사홀 내로 나사결합되도록 그의 상부에 형성된 스레드를 포함하며, 그리고 상기 장착 나사부의 외경은 공칭 직경이 M10 이하이다.

제 1 특징에 의한 본 발명의 스파크 플러그에 있어서, 다음의 식이 만족되고: H≥1.8㎜, 그리고, 다음의 식이 만족되므로: 4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣, 2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣, 및 Vc/Vi ≤ 1.03, 상기 절연체의 온도를 신속하게 상승시키는 것이 가능하다. 일반적으로, 상기 절연체의 부피(Vc)가 작을수록, 탄소 부착물에 대한 효과가 더 좋게 실현될 수 있다; 그러나, 상기 점화부 근처에서 상기 절연체의 온도가 상승되므로, 상기 절연체의 내구성이 열화된다. 본 발명에서는, 탄소 부착물의 회수 성능이 우수한 스파크 플러그를 사용함으로써, 엔진 내에서의 절연체의 내구성을 평가하고 중앙 전극의 내구성을 평가함으로써 (H,Vi,Vc 및 Vc/Vi)에 대한 최적의 수치를 발견하였다. 그 결과, 상기 절연체의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있으므로, 상기 절연체 상에 부착되는 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있다. 더욱이, 탄소가 신속하게 태워서 제거될수록, 사이드 스파크와 같은 연면 방전의 발생 방지 및 자동차 성능에 요구되는 절연 저항의 보장에 있어서 큰 장점이 발휘된다.

또한, 제 2 특징에 의한 본 발명의 스파크 플러그에 있어서, 제 1 특징에 정의된 수치 범위를 더욱 제한함으로써, 상기 절연체의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다. 따라서, 상기 절연체 상에 부착되는 탄소를 더욱 신속하게 태워서 제거할 수 있다.

또한, 제 3 특징에 의한 본 발명의 스파크 플러그에서는, 제 1 특징 또는 제 2 특징에 의한 본 발명의 장점에 더하여, 상술한 바와 같이, 온도 상승 성능이 증가된 절연체를 장착 나사부의 스레드의 외경이 공칭 직경에 있어서 M10을 초과하지 않는 감소된 직경의 스파크 플러그에 사용하면, 상기 금속쉘의 내주와 상기 절연체의 외주 사이의 공극이 좁을 때에도, 상기 절연체 상에 부착된 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 절연체를 따라 상기 중앙 전극으로부터 상기 금속쉘까지 발생되는 연면 방전의 발생을 방지할 수 있으므로, 공기-연료 혼합물의 적절한 점화를 안정되게 보장할 수 있다.

도 1은 스파크 플러그(100)의 부분적인 단면도
도 2는 상기 스파크 플러그(100)의 중앙 전극(20)의 선단부(22) 및 그 부근을 나타내는 확대도
도 3은 절연체(10)의 선단측 부피(Vi)의 위치 및 중앙 전극(20)의 선단측 부피(Vc)의 위치를 나타내는 다이어그램
도 4는 실시예 1의 시험 구간 1의 결과를 나타내는 표
도 5는 실시예 1의 시험 구간 2의 결과를 나타내는 표
도 6은 실시예 1의 시험 구간 3의 결과를 나타내는 표
도 7은 실시예 1의 시험 구간 4의 결과를 나타내는 표
도 8은 실시예 2의 결과를 나타내는 표
도 9는 실시예 3의 결과를 나타내는 표
도 10은 상기 실시예 3의 결과를 나타내는 그래프

이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 구체화하는 스파크 플러그의 일 실시예에 대하여 설명한다. 우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 일 예로서의 스파크 플러그의 구조에 대하여 설명한다. 도 1은 스파크 플러그(100)의 부분적인 단면도이고, 도 2는 상기 스파크 플러그(100)의 중앙 전극(20)의 선단부(22) 및 그 부근을 나타내는 확대도이다. 도 1에 있어서, 상기 스파크 플러그(100)의 축(O) 방향은 도면에서의 수직 방향이며, 하측은 상기 스파크 플러그(100)의 선단측이고, 상측은 그의 후단측인 것으로 가정하여 설명한다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 상기 스파크 플러그(100)는 절연체(10); 이 절연체(10)를 지지하는 금속쉘(50); 축(O) 방향으로 상기 절연체(10) 내에 지지되는 중앙 전극(20); 금속쉘(50)의 선단면(57)에 용접되는 베이스부(32)를 가지며, 그의 말단부(31)의 일 측표면이 상기 중앙 전극(20)의 선단부(22)에 대향되는 접지 전극(30); 및 상기 절연체(10)의 후단부 상에 제공되는 금속 단자(40)를 포함한다.

우선, 상기 절연체(10)에 대하여 설명한다. 주지된 바와 같이, 상기 절연체(10)는 알루미나 등을 소결함으로써 형성되며, 축(O) 방향으로 연장되는 축홀(12)이 축방향 중심에 형성된 원통형 형상을 갖는다. 최대 외경을 갖는 칼라부(19)는 축(O) 방향으로 실질적으로 중앙에 형성되고, 후단측 배럴부(18)는 그의 베이스 단부측(도 1에서 상측) 상에 형성된다. 상기 후단측 배럴부(18)보다 작은 외경을 갖는 선단측 배럴부(17)는 상기 칼라부(19)의 선단측(도 1에서 하측) 상에 형성된다. 또한, 상기 선단측 배럴부(17)보다 작은 외경을 갖는 길다란 다리부(13)는 상기 선단측 배럴부(17)보다 전방으로 형성된다. 상기 길다란 다리부(13)는 선단측을 향하여 점진적으로 감소되는 직경을 가지며, 상기 스파크 플러그(100)를 상기 내연 엔진의 엔진 헤드(200) 내에 장착할 때, 상기 길다란 다리부(13)는 그의 연소실 내부로 노출된다. 더욱이, 상기 길다란 다리부(13)와 상기 선단측 배럴부(17) 사이의 일부분은 단차부(15)로서 형성된다.

다음으로, 상기 중앙 전극(20)에 대하여 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 중앙 전극(20)은 니켈 또는 인코넬(Inconel, 상표명) 600 또는 601과 같이 니켈을 주성분으로 포함하는 합금으로 형성되는 전극 베이스 금속(21) 내에 코어 부재(25)가 매설된 구조를 갖는 로드형상 전극이며, 상기 코어 부재(25)는 상기 전극 베이스 금속(21)보다 열전도율이 더욱 좋은 구리 또는 구리를 주성분으로 포함하는 합금으로 형성된다. 일반적으로, 상기 중앙 전극(20)은 바닥이 있는 원통형 형상으로 형성되는 상기 전극 베이스 부재(21)의 내부에 상기 코어 부재(25)를 채워 넣고, 상기 전극 베이스재(21)를 바닥측으로부터 압출하여 늘림으로써 제작된다. 상기 코어 부재(25)는 그의 배럴부에 실질적으로 고정된 외경을 갖지만, 그의 선단측이 테이퍼진 형상으로 형성된다.

또한, 상기 중앙 전극(20)의 선단부(22)는 상기 절연체(10)의 선단부(11)로부터 돌출되며, 선단측을 향하여 직경이 감소되도록 형성된다. 스파크 마모 저항을 개선하기 위하여, 귀금속으로 형성되는 전극 팁(90)은 상기 선단부(22)의 선단면에 용접된다. 상기 두 부재는 상기 중앙 전극(20)의 선단부(22)와의 사이의 짝이 되는 표면들을 겨냥하면서 외주 주위로 레이저 용접을 수행함으로써 결합된다. 또한, 상기 두 가지 재료가 레이저 조사에 의하여 용융 및 혼합되므로, 상기 전극팁(90) 및 상기 중앙 전극(20)은 강하게 결합된다.

또한, 상기 중앙 전극(20)은 상기 축홀(12) 내에서 상기 후단측을 향하여 연장되며, 밀봉체(4) 및 세라믹 저항(3)을 통하여 후측(도 1의 상부)에서 상기 금속 단자(40)에 전기적으로 접속된다(도 1 참조). 상기 금속 단자(40)에는 플러그 캡(도시 생략)을 통하여 고압 케이블(도시 생략)이 연결되고, 이에 고전압이 인가된다. 여기에서, 상기 절연체(10)의 축홀(12) 내에 상기 중앙 전극(20)을 지지하는 서브어셈블리(subassembly)를 서브어셈블리(60)로 칭한다(도 2 및 도 3 참조).

다음으로, 상기 접지 전극(30)에 대하여 설명한다. 상기 접지 전극(30)은 높은 부식 저항력을 갖는 금속으로 형성되며, 일 예로서, 인코넬(상표명) 600 또는 601과 같은 니켈 합금이 이용된다. 이러한 접지 전극(30)에 있어서, 그의 길이 방향으로 일 평면은 실질적으로 직사각형인 단면 형상을 가지며, 그의 베이스부(32)는 상기 금속쉘(50)의 선단면(57)에 결합된다. 더욱이, 상기 접지 전극(30)의 말단부(31)는 그의 일측 단부측이 상기 중앙 전극(20)의 선단부(22)에 대향되도록 구부려진다.

다음으로, 상기 금속쉘(50)에 대하여 설명한다. 도 1에 나타낸 상기 금속쉘(50)은 상기 내연 엔진의 실린더 헤드(200) 내에 상기 스파크 플러그(100)를 고정시키기 위한 원통형 끼워맞춤구이다. 상기 금속쉘(50)은 상기 후단측 배럴부(18) 부분으로부터 상기 길다란 다리부(13)까지 연장되는 상기 절연체(10)의 일 부분을 감싸도록 그의 내부에 상기 절연체(10)를 지지한다. 상기 금속쉘(50)은 저탄소강 물질로 형성되며, 도시 생략한 스파크 플러그 렌치가 맞물림되는 도구 결합부(51), 및 상기 내연 엔진의 실린더 헤드(200)의 장착 나사홀(201) 내로 나사결합되도록 상부에 스레드가 형성된 장착 나사부(52)를 포함한다.

더욱이, 칼라형 밀봉부(54)는 상기 금속쉘(50)의 도구 결합부(51)와 장착 나사부(52) 사이에 형성된다. 판체를 구부림으로써 형성되는 환형 개스킷(5)은 상기 장착 나사부(52)와 상기 밀봉부(54) 사이의 스레드 목부(59) 상에 끼워맞춤된다. 상기 개스킷(5)은 상기 밀봉부(54)의 착좌 표면(55)과 상기 장착 나사홀(201)의 개방 원주 가장자리부(205) 사이에서 가압되어 눌려서 변형되어, 이들 사이의 갭을 밀봉함으로써, 상기 장착 나사홀(201)을 통하여 엔진 내의 기밀성이 실패되는 일을 방지하게 된다.

또한, 박벽의(thin-walled) 크림핑부(53)는 상기 금속쉘(50)의 도구 결합부(51) 후방에 제공되고, 상기 밀봉부(54)와 상기 도구 결합부(51) 사이에는 상기 크림핑부(53)와 마찬가지로 박벽으로 되는 버클링부(58)가 제공된다. 상기 도구 결합부(51)로부터 상기 크림핑부(53)까지 상기 금속쉘(50)의 내주면과 상기 절연체(10)의 후단측 배럴부(18)의 외주면과의 사이에는 환형 링부재(6,7)가 위치되고, 이들 링 부재(6,7) 사이에는 활석(9) 분말이 충진된다. 상기 크림핑부(53)를 내측으로 구부리는 방식으로 이를 크림핑함에 따라, 상기 절연체(10)는 상기 금속쉘(50) 내에서 상기 링 부재(6,7) 및 상기 활석(9)을 통하여 상기 선단측을 향하여 가압된다.

그 결과, 상기 절연체(10)의 단차부(15)는 환형 플레이트 패킹(8)을 통하여 상기 금속쉘(50)의 내주 상에서 상기 장착 나사부(52)의 위치에 형성되는 단차부(56)에 의하여 지지되므로, 상기 금속쉘(50) 및 상기 절연체(10)는 일체화된다. 이때에, 상기 금속쉘(50)과 상기 절연체(10) 사이의 기밀성이 상기 플레이트 패킹(8)에 의하여 유지됨에 따라, 연소 가스의 유출이 방지된다. 또한, 크림핑 시에, 상기 버클링부(58)는 압축력이 이에 인가됨에 따라 외측으로 변형되도록 조정되고, 상기 축 방향(O)으로 상기 활석(9)의 압축 길이를 증가시킴으로써, 상기 금속쉘(50) 내의 기밀성을 강화하게 된다.

상술한 바의 구조를 갖는 상기 스파크 플러그(100)로써, 탄소가 상기 절연체(10)의 선단측 상의 표면 상에 부착되어 건조 부착물 상태로 될 때, 절연 저항값은 감소되고, 점화 코일의 발생 전압이 감소된다. 발생된 전압이 상기 스파크 플러그에 요구되는 전압(상기 스파크 갭 내의 스파크 방전을 위한 전압)보다 낮아지게 되면, 스파크 방전이 실패되어, 착화 실패를 유발한다. 이러한 착화 실패를 방지하기 위하여, 상기 절연체(10)의 선단 온도는 약 450℃로 증가된다. 이는 상기 절연체(10) 상에 부착된 탄소를 태워서 제거하는 것을 가능하게 하므로, 착화 실패를 방지하는 것이 가능하다. 이러한 현상을 “자기 세정(self-cleaning)”으로 칭한다.

이러한 자기 세정을 신속하게 처리함으로써, 상기 건조 부착물 상태를 적절한 점화 성능을 얻을 수 있는 상태로 회복하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 자기 세정을 신속하게 처리하기 위해서는, 상기 절연체(10)의 선단 온도를 신속하게 증가시킬 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 절연체(10) 선단측의 온도 상승 성능을 개선하기 위하여, 상기 절연체(10)의 선단측의 돌출량(후술함, H), 상기 절연체(10)의 선단측의 부피(후술함, Vi), 및 상기 중앙 전극의 선단측의 부피(후술함, Vc)를 각각 정의한다.

다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 스파크 플러그(100)에 대하여 정의되는 파라미터에 대하여 설명한다. 도 3은 상기 절연체(10)의 선단측 부피(Vi)의 위치 및 상기 중앙 전극(20)의 선단측 부피(Vc)의 위치를 나타내는 다이어그램이다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 우선, 축(O) 방향으로 상기 금속쉘의 선단면(57)으로부터 그의 선단측을 향한 상기 절연체(10)의 돌출량(길이)은 (H)(㎜)로 설정한다. 축(O) 방향으로 상기 절연체(10)의 선단으로부터 상기 후단측으로 1.5㎜ 떨어진 위치를 지나며 상기 축(O)에 대하여 수직인 평면(P)(그의 단면을 2점 쇄선 P-P로 나타냄)을 가정한다. 상기 서브어셈블리는 이러한 평면(P)을 따라 절단된다. 이때에 상기 평면(P)을 따라 절단된 상기 절연체(10)의 선단측의 부피를 (Vi)(㎣)로 가정한다. 또한, 상기 평면(P)을 따라 절단된 상기 중앙 전극(20)의 선단측의 부피를 (Vc)(㎣)로 가정한다.

또한, 이들 파라미터를 아래의 수치 범위로 정의한다. 상기 수치 범위는 후술하는 다양한 테스트 결과로부터 도출된 것이다.

H≥1.8㎜

4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣

2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣

Vc/Vi ≤ 1.03

더욱 바람직하게는, 상기 파라미터는 아래의 수치 범위로 정의된다.:

H≥1.8㎜

4.22㎣ < Vi ≤ 8.77㎣

2.10㎣ ≤ Vc ≤ 5.36㎣

Vc/Vi ≤ 0.84

상기 파라미터는 상술한 바의 각각의 수치 범위에 의하여 정의되므로, 상기 절연체(10) 선단측의 온도 상승 성능을 개선하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 절연체의 돌출량(H)이 더욱 작을수록, 상기 연소실에 노출되는 부분이 더욱 작아지므로, 상기 절연체(10)의 선단 온도는 충분히 상승되지 않는다. 이러한 경우, 상기 절연체(10) 상에 부착되는 탄소는 신속하게 태워져 제거될 수 없다. 이러한 이유로, 정상적인 방전의 실패로 인하여 비정상적인 연소가 발생되는 비율이 높아진다. 따라서. 본 실시예에서, (H)는 1.8㎜ 이상으로 정의된다. 결과적으로, 상기 절연체(10)의 선단측이 상기 연소실에 충분히 노출되므로, 상기 절연체(10)의 선단 온도는 쉽게 상승된다. 그러므로, 상기 절연체(10)의 온도 상승 성능을 개선할 수 있다.

또한, 상기 절연체(10)의 선단측 부피(Vi)가 더욱 작을수록, 상기 선단 온도는 더욱 쉽게 상승하게 되어, 상기 절연체(10) 상에 부착되는 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있다. 그러나, 만일 (Vi)가 과도하게 작게 되면, 상기 절연체의 온도가 상기 점화부 주위에서 상승되므로, 상기 절연체가 관통 파괴를 겪게될 가능성이 있다. 한 편, 만일 상기 선단측 부피(Vi)가 과도하게 크게 되면, 상기 선단 온도가 상승하기 어렵게 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣(바람직하게는 8.77㎣)이 되도록 정의한다. 결과적으로, 상기 절연체(10)의 온도 상승 성능을 유지하고 상기 절연체(10)의 관통 파괴 문제를 방지하는 것이 가능하다.

또한, 만일 상기 중앙 전극(20)의 선단측 부피(Vc)가 과도하게 작게 되면, 상기 중앙 전극(20)의 선단부(22)에 용접되는 상기 전극팁(90)의 내구성이 심하게 열화된다. 따라서, 본 실시예에서는, 2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣(바람직하게는 5.36㎣)이 되도록 정의한다. 결과적으로, 상기 절연체(10)의 온도 상승 성능을 유지하고 상기 전극팁(90)의 내구성을 보유하는 것이 가능하다. 즉, 상기 전극팁(90)의 마모를 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 만일 온도 상승 성능이 증가된 상기 절연체 및 상기 중앙 전극을 상기 장착 나사부의 스레드의 외경이 공칭 직경에 있어서 M10을 초과하지 않는 감소된 직경의 스파크 플러그에 사용하면, 상기 금속쉘(50)의 내주와 상기 절연체(10)의 외주 사이의 공극이 좁을 때에도, 상기 절연체(10) 상에 부착된 탄소를 신속하게 태워서 제거할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 절연체를 따라 상기 중앙 전극(20)으로부터 상기 금속쉘(50)까지 발생되는 연면 방전의 발생을 방지할 수 있으므로, 공기-연료 혼합물의 적절한 점화를 안정되게 보장할 수 있다.

다음으로, 본 발명에서 정의된 각각의 파라미터의 수치 범위를 입증하기 위한 3가지의 평가 테스트에 대하여 설명한다. 실시예 1에서는, 탄소 부착물에 대한 회수 특성 테스트에 대하여 설명한다. 실시예 2에서는, 절연체의 내전압 테스트에 대하여 설명한다. 다음의 설명에서, 상기 절연체의 돌출량은 "H"로, 상기 절연체의 선단측 부피는 "Vi"으로, 그리고 상기 중앙 전극의 선단측 부피는 "Vc"로 줄여서 설명한다.

실시예 1

실시예 1에서, 상기 탄소 부착물의 회수 특성에 대하여 작용하는 (H,Vi, 및 Vc)의 효과를 검사하였다. 우선, 이 테스트에서, 상기 절연체의 (H)가 상이한 4개의 시험 구간을 제공하였다. 시험 구간 1에 대해서는 (H) = 0.8㎜을, 시험 구간 2에 대해서는 (H) = 1.8㎜을, 시험 구간 3에 대해서는 (H) = 2.8㎜을, 그리고 시험 구간 4에 대해서는 (H) = 3.8㎜을 설정하였다. 각 시험 구간에 대하여 설정된 (H)를 만족하며 (Vi, Vc)를 각각 적절히 변경한 다수개의 스파크 플러그를 상기 각각의 시험 구간에 대하여 각각 준비하였다.

다음으로, 테스트 조건에 대하여 설명한다. 우선, 100Ω의 절연 저항값을 갖는 스파크 플러그를 준비하기 위하여 JIS D 1606의 건조 부착물 테스트에 기초하여 스파크 플러그를 건조 오염(부착물)시켰다. 그리고 나서, 절연 저항값이 조정된 각각의 스파크 플러그를 벤치에서 엔진 내에 장착하였고, 3000rpm의 엔진 속도 및 -30MPa의 흡기압 조건 하에서 2분 동안 유지하였다. 이어서, 상기 엔진을 아이들 상태로 설정하였고, 사이드 스파크의 발생률을 30초 동안 측정하였다. 이 테스트에 사용된 엔진은 2L의 4-실린더 엔진이었다. 이러한 테스트 조건 하에서, 각 시험 구간에 대하여, 상술한 바의 스파크 플러그 표본을 평가하였다. 상기 평가는 사이드 스파크의 발생률에 기초하여 3단계로 수행하였다. 즉, 전혀 발생하지 않은 표본은 “○”로 평가하였고, 5% 미만의 표본은 “△”로, 그리고 5% 이상의 표본은 “X”로 평가하였다.

도 4를 참조하여 상기 시험 구간 1의 결과에 대하여 설명한다. 도 4는 실시예 1의 시험 구간 1의 결과를 나타내는 표이다. 상기 시험 구간 1에서, (H) = 0.8㎜이었고, (Vi)는 3.91 ~ 13.63㎣의 범위 이내에서 적절히 변경하였으며, (Vc)는 2.10 ~ 6.98㎣의 범위 이내에서 적절히 변경한 19개의 표본들(표본 번호 1-1 내지 1-19)을 평가하였다. 상기 표에 나타낸 바와 같이, 상기 19개의 표본 모두는 “X”로 평가되었다.

도 5를 참조하여 상기 시험 구간 2의 결과에 대하여 설명한다. 도 5는 실시예 1의 시험 구간 2의 결과를 나타내는 표이다. 상기 시험 구간 2에서, (H) = 1.8㎜이었고, (Vi)는 1.74 ~ 16.51㎣의 범위 내로 적절히 변경하였으며, (Vc)는 2.10 ~ 8.17㎣의 범위 이내로 적절히 변경한 22개의 표본들(표본 번호 2-1 내지 2-22)을 평가하였다. 상기 표에 나타낸 바와 같이, 상기 19개의 표본 모두는 “X”로 평가되었다. 상기 시험 구간 2의 결과를 나타내는 표에 있어서, 평가가 상이하였던 표본들의 비교를 용이하게 하기 위하여, 상기 표본들을 “X”로 평가된 표본들, “△”로 평가된 표본들, 및 “○”로 평가된 표본들의 순서대로 상부로부터 배열하였다.

상기 22개 표본들의 표에 나타낸 바와 같이, 8개의 표본들이 “△”로 평가되었고, 6개의 표본들이 “○”로 평가되었다. “○” 또는 “△”에 해당하는 표본들 각각의 파라미터 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 12.51(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 6.42(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.28 ~ 1.03(㎣)의 범위 이내이었다. “○”에만 해당하는 표본들 각각의 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 8.77(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 5.36(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.40 ~ 0.84(㎣)의 범위 이내이었다.

도 6을 참조하여 상기 시험 구간 3의 결과에 대하여 설명한다. 도 6은 실시예 1의 시험 구간 3의 결과를 나타낸다. 상기 시험 구간 3에서, (H) = 2.8㎜이었고, (Vi)는 4.02 ~ 13.63(㎣)의 범위 이내에서 적절히 변경하였으며, (Vc)는 2.10 ~ 6.98(㎣)의 범위 이내에서 적절히 변경한 13개의 표본들(표본 번호 3-1 내지 3-13)을 평가하였다. 상기 시험 구간 3의 결과를 나타내는 표에 있어서, 평가가 상이하였던 표본들의 비교를 용이하게 하기 위하여, 상기 표본들을 “X”로 평가된 표본들, “△”로 평가된 표본들, 및 “○”로 평가된 표본들의 순서대로 상부로부터 배열하였다.

상기 13 표본들의 표에 나타낸 바와 같이, 6개의 표본들이 “△”로 평가되었고, 4개의 표본들이 “○”로 평가되었다. “○” 또는 “△”에 해당하는 표본들 각각의 파라미터 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 12.51(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 6.42(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.28 ~ 1.03(㎣)의 범위 이내이었다. “○”에만 해당하는 표본들 각각의 파라미터 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 8.77(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 5.36(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.40 ~ 0.84(㎣)의 범위 이내이었다.

도 7을 참조하여 상기 시험 구간 4의 결과에 대하여 설명한다. 도 7은 실시예 1의 시험 구간 4의 결과를 나타낸다. 상기 시험 구간 4에서, (H) = 3.8㎜이었고, (Vi)는 4.02 ~ 13.63(㎣)의 범위 이내에서 적절히 변경하였으며, (Vc)는 2.10 ~ 6.98(㎣)의 범위 이내에서 적절히 변경한 13개의 표본들(표본 번호 4-1 내지 4-13)을 평가하였다. 상기 시험 구간 4의 결과를 나타내는 표에 있어서, 평가가 상이하였던 표본들의 비교를 용이하게 하기 위하여, 상기 표본들을 “X”로 평가된 표본들, “△”로 평가된 표본들, 및 “○”로 평가된 표본들의 순서대로 상부로부터 배열하였다.

상기 13 표본들의 표에 나타낸 바와 같이, 6개의 표본들이 “△”로 평가되었고, 4개의 표본들이 “○”로 평가되었다. “○” 또는 “△”에 해당하는 표본들 각각의 파라미터 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 12.51(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 6.42(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.28 ~ 1.03(㎣)의 범위 이내이었다. “○”에만 해당하는 표본들 각각의 파라미터 범위에 있어서, (Vi)는 4.02 ~ 8.77(㎣)의 범위 이내이었고, (Vc)는 2.10 ~ 5.36(㎣)의 범위 이내이었으며, 그리고 (Vc/Vi)는 0.40 ~ 0.84(㎣)의 범위 이내이었다.

다음으로, 실시예 1의 결과를 요약한다. 실시예 1의 시험 구간 1 내지 4 각각의 결과에서, “○” 및 “△”의 범위를 고려하면, (H,Vi,Vc, 및 Vc/Vi)는 아래의 수치 범위로 정의된다:

H≥1.8㎜

4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣

2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣

Vc/Vi ≤ 1.03

“○”의 범위만을 고려하면, 상기 파라미터는 아래의 수치 범위로 정의된다:

H≥1.8㎜

4.22㎣ < Vi ≤ 8.77㎣

2.10㎣ ≤ Vc ≤ 5.36㎣

Vc/Vi ≤ 0.84

실시예 2

실시예 2에서는, 실시예 1에 정의된 수치 범위로 절연체의 내전압 테스트를 수행하였다. 우선, 실시예 1에서의 부착물의 시간에 회수 특성이 우수하였던 (H) 및 (Vi) 각각의 범위를 만족하는 스파크 플러그를 표본으로서 제작하였다. 구체적으로 말하자면, (H)에 대하여 1.8, 2.8, 및 3.8의 3가지 종류를 설정함으로써, 그리고 (Vi)를 2.47 ~ 12.51(㎣)의 범위 이내에서 적절히 변경함으로써, 23개의 표본을 제작하였다. 상기 스파크 방전갭은 전극 마모를 고려하여 1.3㎜로 조정하였다.

다음으로, 테스트 조건에 대하여 설명한다. 엔진으로는 660cc 3-실린더의 과급기(turebocharged)를 장착한 엔진을 사용하였다. 테스트 패턴에 있어서, 상기 패턴을 아이들링(800rpm) 1분 및 전부하(wide open throttle) 3분으로 구성하였으며, 이 패턴을 10 시간 동안 반복하였다. 그리고 나서, 10 시간 이후에 각각의 표본에 대하여, 부착물 회수 특성을 평가하였고, 절연체의 전압 저항을 평가하였다. 상기 부착물의 회수 특성을 “○”, “△” 및 “X”로 평가하였다. 상기 절연체의 전압 저항에 있어서, 상기 절연체 내에 관통 파괴가 발생된 경우에는 “X”로 평가하고, 관통 파괴가 발생되지 않은 경우에는 “○”로 평가하였다.

다음으로, 도 8을 참조하여 내전압 테스트의 결과에 대하여 설명한다. 도 8은 실시예 2의 결과를 나타내는 표이다. 상기 부착물 회수 특성에 있어서, (H)와는 무관하게, (Vi)가 12.51이었던 3개의 표본들(표본 번호 21, 22, 및 23)은 각각 “△”이었고, 나머지 표본들은 모두 “○”이었으며, “X”인 표본은 없었다. 한 편, 상기 절연체의 관통 파괴 여부에 있어서는, (H)와 무관하게, (Vi)가 2,47 ~ 4.02(㎣)의 범위 이내로 되었던 표본들은 모두 “X”이었고, 반면에 (Vi)가 4.22 ~ 12.51(㎣)의 범위 이내로 되었던 표본들은 모두 “○”이었다.

다음으로, 실시예 2의 결과를 요약한다. 실시예 1에 정의된 수치 범위에 실시예 2의 결과를 반영하면, (Vi) = 4.02를 갖는 표본들에서 상기 절연체에 관통 파괴가 발생하였으므로, (Vi)는 적어도 4.02를 초과해야 한다. 따라서, 실시예 1에 정의된 (Vi)의 수치 범위는 아래와 같이 더욱 한정된다:

4.02㎣ < Vi ≤ 12.51(바람직하게는 8.77)㎣

실시예 3

실시예 3에서는, 상기 중앙 전극의 선단부에 용접된 상기 전급팁의 내구성에 대하여 작용하는 (Vc)의 효과를 검사하였다. 상기 전극팁의 내구성 테스트에 있어서, 엔진 내에 장착되는 스파크 플러그로써 100 시간의 내구성 테스트 이후 상기 전극팁의 잔류 비율을 계산하였다. 여기에서, 상기 용어 "잔류 비율"은 용융부를 포함하지 않는 상기 전극팁의 일 부분의 잔류 비율을 칭하는 것으로, 다음의 식에 의하여 계산하였다:

잔류 비율 = (내구성 테스트 이후의 전극팁의 부피) / (내구성 테스트 이전의 전극팁의 부피)

상기 용어 "전극팁의 부피"는 용융부를 포함하지 않는 상기 전극팁의 일부분의 부피를 칭한다.

다음으로, 테스트 조건에 대하여 설명한다. 상기 엔진으로서는, 2L 4-실린더 엔진을 사용하였다. 그리하여, 100 시간 동안의 전부하(WOT)(5000rpm)에서 지속적으로 내구성 테스트를 수행하였고, 내구성 테스트 이후의 전극팁의 잔류 비율을 계산하였다. 상기 전극팁으로서는, 2가지 유형, 즉, 이리듐(lr) 합금으로 된 것 한가지와 백금(Pt) 합금으로 된 또 한가지의 것을 연구하였다. 그리고나서, 이들 전극팁이 용접된 상기 중앙 전극의(Vc)을 0.64 ~ 8.17의 범위 이내에서 적절히 변경함으로써, 이리듐 합금제 전극팁이 각각 제공된 12개의 스파크 플러그 및 백금 합금제 전극팁이 각각 제공된 12개의 스파크 플러그를 표본으로서 제작하였다.

다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여 상기 내구성 테스트의 결과에 대하여 설명한다. 도 9는 실시예 3의 결과를 나타내는 표이며, 도 10은 상기 실시예 3의 결과를 나타내는 그래프이다. 우선, 상기 이리듐 합금제 전극팁에 대하여 먼저 논한다. (Vc)가 0.64㎣ ~ 1.52㎣이었던 범위에 있어서, 상기 잔류 비율은 22%으로부터 49%까지 점진적으로 증가되었다. 그리고나서, (Vc)가 1.52㎣을 초과하였을 때, 상기 잔류 비율이 급격히 증가하였고, 그리고 (Vc)가 1.79㎣이었을 때, 상기 잔류 비율이 단번에 90%까지 올랐다. 이어서, 상기 잔류 비율이 98%로 바뀌었다. 한편, 상기 백금 합금제 전극팁에 대해서도 비슷한 결과를 얻었다. 즉, (Vc)가 0.64㎣ ~ 1.52㎣이었던 범위에 있어서, 상기 잔류 비율은 56%으로부터 70%까지 점진적으로 증가되었다. 그리고 나서, (Vc)가 1.52㎣을 초과하였을 때, 상기 잔류 비율이 급격히 증가하였고, 그리고 (Vc)가 1.79㎣이었을 때, 상기 잔류 비율이 단번에 85%까지 올랐다. 이어서, 상기 잔류 비율이 93%로 바뀌었다.

다음으로, 실시예 3의 결과를 요약한다. 이리듐 합금 및 백금 합금으로 형성된 두 가지 전극팁에 있어서, 상기 전극팁의 잔류 비율은 (Vc)가 1.79㎣ 이상이었을 때 급격하게 높아졌다. 따라서, (Vc)가 1.79㎣ 이상이면, 상기 전극팁의 내구성은 보유가능하며, 그러므로 실시예 1에서 정의된 (Vc)의 수치 범위 중 하한값(Vc = 2.10㎣)은 이 조건을 만족한다는 것이 입증되었다.

앞서 말한 실시예 1 내지 실시예 3의 결과에 기초하여, (H,Vi,Vc, 및 Vc/Vi)가 다음의 수치 범위로 정의될 수 있음이 입증되었다:

H≥1.8㎜

4.02㎣ < Vi ≤ 12.51(바람직하게는 8.77)㎣

2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42(바람직하게는 5.36)㎣

Vc/Vi ≤ 1.03(바람직하게는 0.84)

(Vc/Vi)의 하한값은 (Vc)의 하한값 및 (Vi)의 하한값에 의하여 자동적으로 결정되는 값이다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 의한 상기 스파크 플러그(100)로써, 절연체(10)의 선단측의 온도 상승 성능을 개선하기 위하여, 상기 절연체(10)의 돌출량(H)(㎜), 상기 절연체(10)의 선단측 부피(Vi)(㎣), 및 상기 중앙 전극(20)의 선단측 부피(Vc)(㎣)를 각각 정의한다. 결과적으로, 상기 절연체(10)의 전압 저항 및 상기 중앙 전극(20) 내구성을 보유하면서 상기 탄소 부착물의 회수 특성을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 상기 탄소 부착물의 회수 특성이 개선되므로, 상기 절연체(10)를 따라 상기 중앙 전극(20)으로부터 상기 금속쉘(50)까지 발생되는 사이드 스파크의 발생을 방지하는 것이 가능하며, 따라서, 공기-연료 혼합물의 적절한 보장을 안정되게 보장하도록 할 수 있다.

거론한 필요도 없이, 본 발명에는 다양한 수정을 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 중앙 전극(20)을 구성하는 상기 전극 베이스 금속(21) 및 상기 코어 부재(25)의 재료가 각각 니켈 또는 주요 성분으로 니켈을 갖는 합금, 및 구리 또는 주요 성분으로 구리를 갖는 합금으로 형성되는 것으로 설명하였으나, 스파크 마모 저항이 우수한 금속(Fe 합금과 같은) 및 상기 전극 베이스 부재(21)보다 열전도율이 더욱 우수한 금속(Ag 합금과 같은)의 조합을 채택하면 기타의 금속을 사용할 수도 있다.

비록 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었으나, 본 발명의 요지 및 범위로부터 벗어나지 않는 다양한 변경 및 수정을 가할 수 있음은 당업자에게 있어서 자명하다.

본 출원은 2008년 3월 21일자 일본 특허 출원(일본국 특허출원 제2008-72731호)에 기초한 것으로, 그의 내용은 이에 참증으로 결부된다.

10 - 절연체 11 - 선단부
12 - 축홀 20 - 중앙 전극
22 - 선단부 30 - 접지 전극
50 - 금속쉘 57 - 선단면
60 - 서브어셈블리 90 - 전극팁
100 - 스파크 플러그 H - 절연체의 돌출량
Vi - 절연체의 선단측 부피 Vc - 중앙 전극의 선단측 부피

Claims (3)

1. 축방향으로 연장되는 중앙 전극;
   축방향으로 연장되는 축홀을 가지며 상기 축홀 내부의 선단측 상에 상기 중앙 전극을 지지하는 절연체;
   상기 중앙 전극이 상기 절연체의 축홀 내에 지지되는 서브 어셈블리 내에서 상기 절연체의 둘레를 감싸 지지하기 위한 금속쉘; 및
   상기 금속쉘에 결합된 일단부 및 또 하나의 단부로 이루어지며, 상기 또 하나의 단부와 상기 중앙 전극과의 사이에 스파크 방전갭이 형성되는 접지 전극으로 이루어지며:
   여기에서, 다음의 식이 만족되고:
   H≥1.8 ㎜,
   그리고, 다음의 식이 만족되며:
   4.02㎣ < Vi ≤ 12.51㎣
   2.10㎣ ≤ Vc ≤ 6.42㎣; 및
   Vc/Vi ≤ 1.03,
   여기에서,
   (H)는 축방향으로 상기 금속쉘의 선단면으로부터 그의 선단측을 향하여 돌출되는 상기 절연체의 길이이고;
   (Vi)는 축방향으로 상기 절연체의 선단으로부터 그의 후단쪽으로 1.5㎜의 범위에 해당하는 상기 절연체의 일부분의 부피이며; 그리고
   (Vc)는 축방향으로 1.5㎜의 범위에 해당하는 상기 중앙 전극의 일부분의 부피임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   다음의 식이 만족됨을 특징으로 하는 스파크 플러그:
   4.22㎣ ≤ Vi ≤ 8.77㎣
   2.10㎣ ≤ Vc ≤ 5.36㎣, 그리고
   Vc/Vi ≤ 0.84.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 금속쉘은 그의 외주면 상에 장착 나사부를 포함하며, 상기 장착 나사부는 내연 엔진의 장착 나사홀 내로 나사결합되도록 그의 상부에 형성된 스레드를 포함하며, 그리고
   상기 장착 나사부의 외경은 공칭 직경이 M10 이하임을 특징으로 하는 스파크 플러그.

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