KR20090033232A - 소직경/롱리치 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

길쭉한 세라믹 절연체(12)를 갖춘 스파크 플러그(10)는 다양한 전략적 위치에서 다양한 설계 피처를 포함한다. 적어도, 접지 전극(26)은 로그 전기 아킹(62)을 컨트롤하고, 접지 전극(26)과 접촉하는 면적의 증가로 인해, 부착 기술을 용이하게 하는 테를 두른 반구형 금속 스파킹 팁(56)과 함께 피팅된다. 다양한 피처의 스파크 플러그(10)는 스파크 플러그(10)의 물리적 치수가 기계적 강도 또는 성능을 희생하지 않고, 새로운 엔진의 현재의 요구를 충족시키기 위해 감소될 수 있도록 서로 협력한다.

스파크 플러그, 세라믹 절연체, 도전성 쉘, 중심 전극, 접지 전극, 노즈 영역, 최대 외경, 최소 외경, 내측 보어 직경, 공간적 관계.

Description

소직경/롱리치 스파크 플러그{SMALL DIAMETER/LONG REACH SPARK PLUG}

본 발명은 2006년 6월 19일에 출원된, "12mm X-Long Reach Spark Plug"란 제목의 미국가특허출원 제60/814,818호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명은 내연기관, 로 등을 위한 스파크 플러그에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 개선된 기계적 강도 및 유전 강도를 가진 스파크 플러그에 관한 것이다.

스파크 플러그는 내연기관 엔진, 로(furnace) 등의 연소 챔버 내로 뻗어 있고, 공기와 연료의 혼합기를 점화시키기 위한 스파크를 산출하는 디바이스이다. 엔진 기술은 최근에 더 작은 엔진으로 대체하는 것으로 발전하고 있다. 이러한 변화로 인해 스파크 플러그를 위해 제공되는 물리적 공간이 줄어들고 있다. 이와 동시에, 효율 향상을 위해 흡입 및 배출 밸브가 커지고 있다. 연소 효율은 또한 점화 시스템에 대한 전압 요구사항을 증가시키는 것을 의미한다. 이러한 요인 및 다른 요인들은 스파크 플러그의 더 우수한 성능을 요구하면서, 스파크 플러그의 물리적 크기를 가능한 더 작은 스케일로 촉구한다. 현재의 산업은 10~12mm 범위의 고성능 스파크 플러그를 요구하고 있으며, 이러한 크기는 앞으로 더 작아질 것으로 예상된다.

스파크 플러그의 크기를 줄이고자 할 때 특별한 고려사항은 얇은 섹션에서 세라믹 절연체의 감소된 유전용량으로부터 발생한다. 유전강도는 일반적으로 절연파괴를 일으키지 않고 그 재료에 인가될 수 있는 최대 전계로 정의된다. 그러므로, 세라믹 절연체의 얇은 단면은 차징된 중심 전극과 접지된 쉘 사이에 유전 파괴를 야기할 수 있다.

스파크 플러그의 크기를 줄이고자 할 때 다른 고려사항은 특히 세라믹 절연체 부분에서, 더 얇아진 단면으로부터 야기되는 기계적 강도의 감소이다. 감소된 기계적 강도가 문제가 되는 한 분야로 컴포넌트에 축방향으로 큰 부하 및 기계적 스트레스가 가해지는 스파크 플러그 제조 공정을 들 수 있다. 예를 들어, 절연체 내부에 내화성 시일을 설치할 때, 그리고 절연체 외부에 쉘을 크림핑할 때, 세라믹 재료는 큰 스트레스 및 압축 하중에 놓이게 된다. 이러한 사용전 단계, 및 다른 사용전 단계는 스파크 플러그를 높은 토크로 실린더 헤드에 설치하는 단계를 포함하고, 현대의 스파크 플러그에 가해지는 기계적 스트레스를 그 생산 한계까지 가져간다. 엔진 어플리케이션에서 사용중일 때, 스파크 플러그는 엔진 진동, 연소 힘, 열구배로 인한 기계적 스트레스를 더 받는다. 이러한 이유로, 스파크 플러그의 치수 감소는 그 컴포넌트의 스트레스 전달 한계를 실패 포인트로 푸시할 수 있다.

따라서, 소형화 노력를 기울이고 있는 현재의 일반적인, 매우 긴 리치의 스파크 플러그 설계에서서 나타나는 기계적 강도 및 유전 강도 제한을 다룰 수 있는 향상된 스파크 플러그에 대한 니드가 존재한다.

스파크 점화식 내연기관 엔진용 스파크 플러그가 제공된다. 스파크 플러그는 상부 터미널 끝부, 하부 노즈 끝부, 및 상기 터미널과 노즈 끝부 사이에 세로방향으로 뻗은 중앙통로를 갖춘 길쭉한 세라믹 절연체를 포함한다. 절연체는 터미널 끝부 부근에 일반적인 원형의 큰 숄더, 및 노드 끝부 부근에 일반적인 원형의 작은 숄더를 나타내는 외부면을 포함한다. 큰 숄더는 작은 숄더의 직경보다 큰 직경을 가진다. 도전성 쉘은 절연체의 적어도 일부분을 둘러싼다. 이 쉘은 적어도 하나의 접지 전극을 포함한다. 도전성 중심 전극이 중앙통로 내에 배치되고, 접지 전극 부근에 있는 노출된 스파킹 팁을 가진다. 절연체의 하부 노즈 끝부는 작은 숄더 부근에서 측정된 최대 외경, d(베이스), 및 중심 전극의 스파킹 팁 부근에서 측정된 최소 외경, d(팁)을 가진다. 셀은 절연체의 노즈 끝부를 둘러싸고, 아래의 식에 따른 공간적 관계를 형성하는 내측 보어 직경, ID(쉘)을 포함한다:

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본 출원인은 이러한 치수 관계에 따라 제조된 스파크 플러그가 스파크 플러그 성능을 실질적으로 강화하고, 특히 연소 영역 내의 공간의 경합으로 인해, 현재의 엔진 설계에서 소형화된 스파크 플러그가 사용되어야 하는 어플리케이션에 적합함을 알아 냈다.

본 발명의 이러한 피처 및 장점, 및 다른 피처 및 장점은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 고려할 때 더 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스파크 플러그의 단면도이고;

도 2는 접지 전극에 부착된 테를 두른 반구형 금속 스파킹 팁을 도시하는 스파크 갭 영역의 부분 확대된 도면이고;

도 3은 도 2와 유사하지만, 중심 전극이 또한 볼록한 돔형의 제2금속 스파킹 팁과 함께 제공되어 있는 대안의 실시예를 도시하는 도면이고;

도 4A-D는 귀금속 스파킹 팁 디자인을 가진, 또한 가지지 않는, 접지 전극 및 중심 전극 피처를 포함하는, 다양한 종래기술의 스파크 갭 구성을 도시하고;

도 5는 도 2와 유사하고, 중심 전극의 귀금속 팁에서부터 접지 전극의 테두리를 가진 반구형 금속 스파킹 팁까지 뻗은 원추형 스파킹 존을 도시하고;

도 6은 도 3와 유사하고, 중심 전극과 접지 전극의 마주하는 테두리를 가진 반구형 금속 스파킹 팁 사이로 뻗은 전체적으로 선형인, 또는 기둥형인 스파킹 존을 도시하고;

도 7은 이점쇄선으로 도시된 예시적인 옵션의 레이저 용접 기계와 함께, 도 2의 라인 7-7을 따라 일반적으로 취해진 확대된, 실제적 단면도이고;

도 8은 본 발명에 따른 테를 두른 반구형 금속 스파킹 팁을 포함하는 접지 전극의 부분적인 투시도이고;

도 9는 본 발명에 따른 스파크 플러그의 세라믹 절연체를 통해 세로로 취해진 단면도이고, 본 발명의 몇몇 형태에 중요한 다양한 치수적 관계를 나타내고;

도 9A는 트랜지션 길이 L(트랜지션)가 라운드형 및 필렛형 트랜지션 사이에서 측정된 기준 포인트를 강조한 절연체 트랜지션 면의 확대된 부분 도면이고;

도 10은 세라믹 절연체의 하반부의 부분적인 단면도이고, 본 발명의 몇몇 형 태에 중요한 추가적인 치수 관계를 나타내고;

도 11은 도 10의 라인 11-11을 따라 일반적으로 취해진 단면도이고; 그리고

도 12는 스파크 플러그의 아래의 스파킹 끝부의 확대된 부분 단면도이다.

도면을 참조하면, 몇몇 도면에 걸쳐 유사한 참조번호는 유사하거나 대응하는 부분을 나타내고, 본 발명에 따른 스파크 플러그는 도 1에서 (10)으로 일반적으로 도시되어 있다. 스파크 플러그(10)는 산화 알루미늄, 또는 특별한 유전 강도, 높은 기계적 강도, 높은 열전도성, 및 우수한 열충격 저항성을 가진 다른 적합한 재료로 이루어지는 것이 바람직한 일반적으로 (12)로 지시된, 튜브형 세라믹 절연체를 포함한다. 절연체(12)는 매우 높은 압력에서 몰딩 건조되고, 그 다음 높은 온도로 유리화(vitrification)를 위해 가마에서 가열된다. 절연체(12)는 (도시되지 않은) 고무 스파크 플러그 부트가 둘러싸는 부분적으로 노출된 상부 마스트 부(14)를 포함할 수 있는 외측면, 및 점화 시스템과 연결을 유지하기 위한 그립을 가진다. 노출된 마스트 부(14)는 스파크에 대한 추가적인 보호를 제공하기 위한, 그리고 고무 스파크 플러그 부트를 가진 그립을 개선하기 위한 일련의 립(16)을 포함할 수 있고, 또는 도 9에 도시된 바와 같이 매끈할 수도 있다. 절연체(12)는 일반적인 튜브형 구조이고, 중앙통로(18)를 포함하고, 상단부(20)와 하단부(22) 사이에 세로축으로 뻗어있다. 중앙통로(18)는 가변 단면적을 가지고, 일반적으로 말단 끝부(20)에서 또는 그 부근에서 가장 크고, 노즈 끝부(22)에서 또는 그 부근에서 가장 작다.

전기 도전성의, 바람직하게는 금속 쉘은 일반적으로 (24)로 지시된다. 쉘(24)은 절연체(12)의 아래 부분을 둘러싸고, 적어도 하나의 접지 전극(26)을 포함한다. 접지 전극(26)이 전통적인 단일 L형 스타일로 도시되어 있으나, 곧은 또는 굽은 구성의 복수의 접지 전극이 스파크 플러그(10)에 대한 의도된 어플리케이션에 따라 대체될 수도 있음을 이해해야 한다.

쉘(24)은 몸체 단면이 일반적인 튜브형이고, 절연체(12)의 작은 하부 숄더(68)에 대하여 프레싱 접촉에 견딜 수 있도록 조절된 내부의 하부 압축 프랜지(28)를 포함한다. 쉘(24)은 또한 절연체(12)의 큰 상부 숄더(66)에 대한 프레싱 접촉에 견디기 위해, 어셈블리 오퍼레이션 동안 크림핑되거나 형성된 상부 압축 플랜지(30)를 더 포함한다. 버클 존(32)은 절연체(12)에 대하여 고정된 위치에 쉘(24)을 홀딩하기 위해 상부 압축 플랜지(30)의 변형 동안, 또는 그 변형에 이어,압도하는 압축 힘의 영향으로 접힌다. 어셈블리된 스파크 플러그(10)의 구조적 무결성을 향상시키고, 기밀(gas-tight) 시일을 완성하기 위해, 가스켓, 시멘트, 또는 다른 시일링 컴파운드가 절연체(12)와 쉘(24) 사이에 삽입될 수 있다.

쉘(24)은 제거 및 설치 목적의 툴 수용 육각볼트(34)와 함께 제공된다. 육각볼트의 크기는 관련 어플리케이션에 대한 산업 표준에 따른다. 물론, 몇몇 어플리케이션은 레이싱 스파크 플러그 어플리케이션 및 다른 환경에서 알려진 바와 같은, 육각볼트가 아닌 다른 툴 수용 인터페이스를 필요로 할 수도 있다. 나사가공된 부분(36)은 금속 쉘(24)의 아래 부분에, 시트(38) 바로 아래에 형성된다. 시트(38)는 스파크 플러그(10)가 실린더 헤드 내에 설치되는 것에 대한 적합한 인터 페이스를 제공하기 위한 가스켓(39)과 쌍을 이룬다. 대안으로서, 시트(38)는 이러한 스타일의 스파크 플러그를 위해 설계된 실린더 헤드에 셀프-시일링 설치를 제공하기 위한 테이퍼와 함께 설계될 수 있다.

전기 도전성 터미널 스터드(40)는 절연체(12)의 중앙통로(18)에 부분적으로 설치되어 있고, 노출된 탑 포스트로부터 중앙통로(18) 아래 바닥 끝부의 내장된 부분까지 세로로 뻗어 있다. 탑 포스트는 (도시되지 않은) 점화선에 연결되고, 스파크 플러그(10)를 점화시키기 위해 필요한 일정한 고전압의 전기 방전을 수신한다.

도 1에 도시된 예에서, 터미널 스터드(40)의 바닥 끝부는 도전성 글래스 시일(42)에 내장되고, 합성 강화-시일 팩의 탑 층을 형성한다. 도전성 글래스 시일(42)은 저항층(44)에 터미널 스터드(40)의 바닥 끝부를 시일링하는 기능을 한다. 3층 강화-시일 팩의 중앙층을 포함하는, 이러한 저항층(44)은 전자기 간섭("EMI")을 줄이기 위한 주지된 임의의 적합한 컴포지션으로 만들어질 수 있다. 추천된 설치방법 및 사용된 점화 시스템의 타입에 따라, 이러한 저항층(44)은 보다 전통적인 저항-억제기로 기능하도록, 또는 대안으로써, 인덕티브-억제기로 기능하도록 설계될 수 있다. 저항층(44) 바로 아래에, 다른 도전성 글래스 시일(46)이 차단-시일 팩의 바닥 또는 아래층을 형성한다. 따라서, 점화 시스템으로부터의 전기는 터미널 스터드(40)의 바닥 끝부를 통해, 탑 층의 도전성 글래스 시일(42)까지, 저항층(44)을 통해, 하부의 도전성 글래스 시일 층(46)까지 흐른다.

도전성 중심 전극(48)은 중앙통로(18)에 부분적으로 배치되고, 하부 글래스 시일 층(46) 내로 삽입된 헤드에서부터 접지 전극(26) 부근의 스파킹 엔드(50)까지 세로로 뻗어 있다. 헤드는 중앙통로(18)의 넥크다운(necked-down) 섹션에 설치된다. 차단-시일 팩은 터미널 스터드(40)와 중앙 전극(48)을 전기적으로 상호연결하고, 동시에 연소가스 누설로부터 중앙통로(18)를 밀봉하고, 또한 스파크 플러그(10)로부터의 무선 주파수 잡음 방출을 차단한다. 그러나, 차단-시일 팩은 의도된 어플리케이션의 요구사항에 따라, 다른 패시브 또는 액티브 피처로 대체될 수 있다. 도시된 바와 같이, 중앙 전극(48)은 그 헤드와 스파킹 엔드(50) 사이에 연속적으로 방해되지 않고 뻗은 원피스 구조인 것이 바람직하다. 그러나, 다른 설계 배열이 사용될 수 있다.

제2금속 스파킹 팁(52)은 중심 전극(48)의 스파킹 끝부(50)에 위치한다. (임의의 혼동을 피하기 위해, "제1의" 금속 스파킹 팁은 이후에 접지 전극(26)과 관련지어 설명될 것임을 알아야 한다.) 제2금속 스파킹 팁(52)은 스파크 갭(54)에 걸친 전자 방출을 위한 스파킹 표면을 제공한다. 중심 전극(48)에 대한 제2금속 스파킹 팁(52)은 제한하진 않지만, 백금, 텅스텐, 로듐, 이트륨, 이리듐, 및 이들의 합금을 포함하는 임의의 공지된 귀금속 또는 고성능 합급으로 만들어진 와이어형, 또는 리벳형 구성의 루즈 피스 포메이션(loose piece formation), 및 후속 분리를 포함하는 임의의 주지된 기술에 따라 만들어질 수 있다. 실제로, 연소환경에서 우수한 부식 성능을 제공하는 임의의 재료는 제2금속 스파킹 팁(52)의 재료 컴포지션에 사용하기에 적합할 수 있다.

접지 전극(26)은 쉘(24) 부근의 앵커 끝부에서부터 스파킹 갭(54) 부근의 말단 끝부까지 뻗어 있다. 접지 전극(26)은 전형적인 사각 단면일 수 있고, 구리 코 어를 둘러싼 철 기반의 합금 자켓을 포함한다.

도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 일반적으로 (56)으로 지시된, (제1)금속 스파킹 팁은 접지 전극(26)의 말단 끝부에 부착되어 있고, 중심 전극(48)의 스파킹 끝부(50)와 마주한다. 즉, 금속 스파킹 팁(56)은 스파크 갭(54) 전체에 직접적으로 위치된다. 금속 스파킹 팁(56)은 그것이 테두리(60)에 의해 둘러싸인 볼록한 돔(58)을 나타내도록, 테두리를 가진 반구형 구조로 의도적으로 성형된다. 도 2에 프로파일처럼 도시된 바와 같이, 금속 스파킹 팁(56)의 형상은 계란 프라이와 유사할 수 있는데, 볼록한 돔 부분(58)은 계란 노른자를 나타내고, 테두리 부분(60)은 계란 흰자를 나타낸다. 바람직하게는, 테두리(60)는 일반적인 환형 구조를 가지지만, 비환형 구조 또한 가능하다. 이상적으로는, 필수적인 것은 아니지만, 볼록한 돔 부분(58)과 테두리(60)는 스파크 갭(54)의 중심을 교차하는 가상의 중심선을 따라 서로 일반적으로 나란하게 배열된다.

제2금속 스파킹 팁(52)과 함께, 접지 전극(26)에 대한 (제1)금속 스파킹 팁(56)은 제한하진 않지만, 백금, 텅스텐, 로듐, 이트륨, 이리듐, 및 이들의 합금을 포함하는 임의의 공지된 귀금속, 또는 고성능 합금으로 만들어진 버튼형 구조로의 루즈 피스 포메이션을 포함한, 임의의 주지된 기술에 따라 만들어질 수 있다. 추가적인 합금 엘리먼트는, 니켈, 크롬, 철, 카본, 망간, 실리콘, 구리, 알루미늄, 코발트, 레늄 등을 포함할 수 있으나, 이로 제한되지는 않는다. 실제로, 연소 환경에서 좋은 부식 및 오염 특성을 제공하는 임의의 재료가 금속 스파킹 팁(56)의 재료 컴포지션에 사용 적합할 수 있다.

도 3은 중심 전극(48)이 접지 전극(26)에 부착된 (제1의) 금속 스파킹 팁(56)과 실질적으로 유사한 테두리를 가진 반구형 구성을 가진 제2금속 스파킹 팁(52)과 함께 피팅되어 있는, 본 발명의 대안의 실시예를 보여준다.

도 4A-D는 접지 전극과 중심 전극 사이의 스파크 갭(54)에 대한 다양한 종래기술의 구성을 도시한다. 종래기술의 각각의 예에서, 접지 전극은 "GE"로 표시되고, 중심 전극은 "CE"로 표시된다. 도 4A는 중심 전극(CE) 및 접지 전극(GE) 모두 금속 스파킹 팁과 함께 피팅되지 않은 전형적인 스파크 갭(54)을 도시한다. 이러한 구성에서, 전위는 접지 전극의, 전형적으로 내구성있는, 열전달 목적의, 주로, 구리 코어를 가진 니켈기반 합금을 포함하는, 베이스 재료로 중심 전극(CE)을 통해 스파크 갭(54)의 "존"을 통해 전달된다. 즉, 중심 전극(CE)으로부터 접지 전극(GE)으로의 모든 전기적 아킹은 스파크 갭(54)에서 발생한다.

도 4B-D는 접지 전극(GE)이 넓은 또는 좁은 상대적 구성의 금속 스파킹 팁과 함께 피팅되어 있는 다양한 종래기술의 구성을 보여준다. 중심 전극(CE) 상의 마주한 금속 스파킹 팁은 접지 전극(GE) 상의 금속 스파킹 팁에 그 치수적 영향의 관점에서 매칭되거나 미스매칭될 수 있다. 모든 이러한 환경에서, 전기 아킹이 스파킹 팁의 귀금속 패드를 오버슈팅하고, 접지 전극(GE)의 베이스 재료에 직접 랜딩하는 것은 일반적이다. 이것은 로그 전기 아크(62)에 의해 알 수 있다. 로그 아크(62)는 연소 환경에서 일반적이고, 일정하지 않은 연소, 및 연소 효율의 측정가능한 감소를 야기한다. 점화 이벤트의 이러한 사이클-투-사이클 편차의 결과써, 자동자 운전자는 엔진이 거칠게 작동한다고 느끼거나, 그 성능이 일정하지 않다고 인식될 수 있다. 따라서, 로그 아크(62)는 매우 바람직하지 않다.

도 5 및 6은 접지 전극(26)에 피팅된 테두른 반구형 금속 스파킹 팁(56)을 도시한다. 제2금속 스파킹 팁(52)이 종래의 디자인 또는 변형된(52') 디자인인, 갭(54)에서의 노멀 스파크 아킹을, 볼록한 돔형 배열의 결과로서, 사이클마다 더욱 더 일정한 위치에서 발생하게 하는 방법이 이들 도면에 도시되어 있다. 물론, 보다 일정한 아크 위치는 그것이 보다 일정한 연소를 야기하므로 바람직하다. 점화 이벤트에서 낮은 사이클-투-사이클 편차는 엔진 평활도, 및 성능의 일관성을 향상시킨다. 로그 아크(62)는 평평한 플랜지형 테두리(60) 피처를 통해 뚜렷하게 컨트롤된다. 테두리(60)의 바깥 둘레에 의해 나타난 코너 프로파일로 인해, 로그 아크(62)는 귀금속 패드를 오버슈팅하는 경향이 작고, 금속 스파킹 팁(56)의 귀금속에 더욱 용이하게 끌어당겨진다. 또한, 이것은 사이클-투-사이클 기준으로 더욱 일정한 연소를 야기한다.

도 7은 금속 스파킹 팁(56)과 접지 전극(26)을 통해 직접적으로, 도 2의 라인 7-7을 따라 취해진 실질적으로 확대된 단면도이다. 이 단면도는 테두리 피처(60)의 또 다른 이점을 도시한다. 더욱 상세하게는, 테두리(60)는 접지 전극(26)과 직접 접촉하여 놓이는 추가적인 접촉면을 생성한다. 결과적으로, 금속 스파킹 팁(56)의 더 우수한 접착, 또는 고정이 달성될 수 있다. 당업자들은 금속 스파킹 팁(56)을 접지 전극(26)에 부착하는 다른 방법을 쉽게 알 수 있을 것이다. 도 7에서, 금속 스파킹 팁(56)의 아랫면과 접지 전극(26)의 윗면 사이의 분화구(crater)-형 인터페이스는 저항 용접형 오퍼레이션을 암시한다. 저항 용접은 금 속 스파킹 팁(56)과 접지 전극(26) 사이의 증가된 면대면 접촉 면적을 통해 향상되는 많은 가능한 기술 중 하나이다. 이점쇄선으로, 레이저 용접 디바이스(64)가 도시되어 있다. 테두리(60) 피처는 금속 스파킹 팁(56)의 외부 둘레 면역을 증가시키는 추가적인 이점을 가지고, 그러므로, 레이저 캡핑 오퍼레이션이 수행되는 경우에, 더 큰 용접 인더페이스가 존재한다. 유사한 장점은 고온 접착제, 기계적 고정 기술 등의 사용을 통해 실현된다.

도 8은 금속 스파킹 팁(56)을 투시도 형태로 도시한다. 금속 스파킹 팁(56)의 고유한 형상은 다양한 방법으로 형성될 수 있으나, 본 명세서에서는 가능한 방법 중 몇 가지만 언급한다. 한 예로써, 귀금속 와이어 조각이 스풀로부터 절단되고, 가열된 후, 특징적인 계란 프라이 형상으로 열간 성형(Hot-headed)될 수 있다. 대안으로써, 몰딩된 귀금속은 압연 공정, 주조 공정, 또는 임의의 다른 충분한 방법으로 성형될 수 있다.

절연체(12)의 다양한 구조 및 기하학적 구조는 결과적인 스파크 플러그 설계의 기계적 및 유전 특성을 강화하기 위해 본 명세서에 나열된 것을 조합하여, 또는 서로 독립적으로 사용될 수 있다. 절연체(12)의 형상 및 기하학적 설계의 변형과 함께, 쉘(24) 형상, 특히 절연체(12)의 하부 노즈 영역의 다양한 설계 변형이 또한 본 발명의 개선에 기여한다. 예를 들어, 특별한 장점은 절연체(12)의 큰 상부 숄더(66) 바로 아래에 제공된 비교적 좁은 트랜지션의 테이퍼 각을 통해 알 수 있다. 비교적 좁은 각은 압축 스트레스를 감소시키고, 밴딩 모멘트 하중을 낮춘다.

도 9및 9A는 전통적인 절연체 재료가 어셈블리 및 동작 중 절연체에 적용되 는 스트레스에는 견딜 수 있으면서, 작고, 비교적 얇은 사이즈로 제조될 수 있게 하는 절연체(12)를 위한 특히 유리한 기하학적 구성을 도시한다. 더욱 상세하게, 절연체(12)는 터미널 끝부(20) 부근에, 일반적인 원형의 큰 상부 숄더(66), 및 노즈 끝부(22) 부근에, 일반적인 원형의 작은 숄더(68)를 나타내는 절연체의 외부면과 함께 도시되어 있다. 쉘(24) 내에서 어셈블리 동안, 작은 숄더(68)는 하부 압축 플랜지(28)에 대하여 고정되고, 큰 숄더(66)는 쉘(24)의 상부 압축 플랜지(30)에 의해 프레싱된다. 그러므로, 큰 숄더(66)와 작은 숄더(68) 사이 영역의 절연체(12)에 매우 큰 압축력이 가해진다. 기계적으로, 스파크 플러그(10)의 크기가 작은 보어, 또는 촘촘한 설치의 엔진 공간에 피팅하기 위해 감소될 때, 쉘(24)의 내부에 절연체(12)를 고정하는 것이 매우 힘들게 될 수 있다. 예를 들어, 10-12밀리미터, 및 더 작은 범위의 스파크 플러그는 그 재료의 칼럼 강도가 단순히 쉘(24) 내에 기밀 시일을 형성하고 유지하기 위해 요구되는 압축 하중을 지지하지 못하는 한계를 축소시키는 절연체(12)의 물리적 치수를 요구한다.

도 9A는 트랜지션 길이 L(트랜지션)의 확대된 도면을 제공하고, 테이크오프 측정이 트랜지션 면 사이에서 이론적인 교차점에 의해 위치된다. 원뿔대 형으로 기울어진 트랜지션 면(78)은 라운드형(74), 그리고 필렛형(74) 트랜지션 사이에 뻗어 있다. 월뿔대 형의 테이퍼링 기하학적 배열은 트랜지션 면(78)에 대하여 바람직하지만, 다른 부드러운 곡선형 프로파일이 본 발명의 주요 피처를 희생하지 않고 허용가능할 수 있다.

어셈블리 및 동작 중은, 물론, 포메이션 및 점화 단계동안, 절연체(12)의 핸 들링 동안, 스파크 플러그(10)에 적용되는 압축 스트레스를 견딜 수 있도록 상당히 강한 기계적 강도를 가진 절연체(12)를 제공하는 특히 유리한 공간적 관계를 알게 되었다. 특히, 이러한 관계는 D1, D2, 및 트랜지션 길이 L(트랜지션) 사이에 형성된다. 바람직하게는 이러한 관계는 다음 식에 따라 표현된다:

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수용가능한 결과가 기하학적 관계의 범위 내에서 이루어진 제품을 통해 획득될 수 있으나, 본 출원인은 다음 식에 대한 범위를 좁힘으로써 훨씬 더 바람직한 결과가 획득될 수 있음을 알아냈다:

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차량용 엔진 어플리케이션에 따라 제조되는 스파크 플러그에 대하여, 본 출원인은 가장 바람직한 공간적 관계를 다음 식과 같이 더 한정하였다:

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다른 개선은 노즈 부와 쉘(24) 사이의 공극을 증가시키기 위해 절연체(12)의 노즈부의 두께를 줄임으로써 달성된다. 이 증가된 공극은 스파크 이벤트 동안, 그리고 연소 초기 동안 그 영역 내의 고압의 공기로 인해, 동작중인 스파크 플러그(10)의 유전 용량, 또는 유전 강도를 강화한다. 또한, 노즈 부의 두께를 줄임으로써, 스파크 트래킹에 대한 경향의 감소 또는 제거, 및 제2의 스파크 위치의 생성 이 실현된다.

추가적이며 선호하는 공간적 관계는 도 10-12에 대한 레퍼런스를 통해 획득될 수 있다. 여기서, 절연체(12)의 노즈부는 작은 숄더(68) 바로 아래에서 측정된 베이스 직경(d(베이스))을 가짐을 알 수 있다. 맞은편의, 또는 노즈부의 말단 끝부는 더 작은 외경(d(팁))을 가진다. 노즈부의 세로길이를 통해, 절연체(12)의 벽 두께는 더 큰 d(베이스) 측정값에서부터 더 작은 d(팁) 측정값까지 점점 가늘어진다. 접지된 쉘의 내경(ID(쉘))에 대한, 절연체 노즈부의 외경 사이의 치수 관계를 주의깊게 컨트롤함으로써, 감소된 스파크 트래킹(즉, 절연체 노드까지 도달하는 표면 전하)의 영역, 및 작은 직경의 스파크 플러그에서 아킹하는 경향을 제한하는 고유전율의 연소 가스를 위해 생성되는 공간의 증가하는 장점이 달성될 수 있음을 알아냈다. 더욱 상세하게는, 본 출원인은 특히 유리한 스파크 플러그 성능을 제공하는 다음의 공간적 관계를 알아냈다:

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차량용 엔진 어플리케이션에 따라 제조된 스파크 플러그에 대하여, 본 출원인은 가장 바람직한 공간적 관계를 더 한정하였고, 아래와 같다:

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또 다른 특히 이로운 관계는 가능한 크게 시일 영역의 절연체 두께, t(시일)를 컨트롤함으로써 달성될 수 있다. 이것은 이 영역에 더 큰 유전용량을 제공하기 위해 내경 1D(시일) 공간을 감소시킬 것을 요구할 수 있다.

도 12에서, 쉘(24)의 하부 압축 플랜지(28)는 절연체(12)의 숄더(68)와 접하여 도시되어 있다. 여기서, 하부 압축 플랜지(28)는 내부 둘레의 립(80)을 가진다. 이 립(80)은 압축 가스가 그 사이 공간을 차지하여, 스파크 플러그(10)의 유전 특성을 강화하도록, 절연체(12)로부터 충분히 떨어져 있다. 더욱 상세하게는, 고압축 연소 가스가 세라믹 절연체(12)의 유전용량보다 큰 유전용량을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 그러므로, 연소가스가 스파크 플러그(10)의, 접지된 쉘(24)이, 스파크 갭(54)을 제외하고, 차지 중앙 전극(48)에 가장 가까운, 이 영역을 차지할 수 있게 함으로써, 추가적인 유전용량은 매우 바람직하다.

본 명세서에 서술된 모든 피처는 중요하고, 기계적 강도 또는 스파킹 성능을 희생하지 않고 더 작은 기하학적 비율로 생산될 수 있는 스파크 플러그(10)에, 통합적으로, 기여한다.

첨부된 도면에 도시된, 그리고 상술된 바와 같은 본 발명은 종래기술의 스파크 플러그 설계에서 찾을 수 있는 기계적 및 유전강도 한계를 다루고, 새로운 엔진 설계에 의해 스파크 플러그에 놓여진 요구에 따라 발생하는 문제점을 다룬다. 본 스파크 플러그는 기계적 스트레스 증가를 줄이고, 방전 거리를 증가기키고, 그리고 본 설계를 통해 날카로운 코너의 제거를 위해 전기적 스트레스 필드를 줄인다. 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 상기 교시를 통해 가능함이 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 특정하게 상술된 것과 다르게 실시될 수도 있음을 이해해야 한다.

Claims (14)

1. 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그로서,

   상부 터미널 끝부, 하부 노즈 끝부, 및 상기 터미널 끝부와 상기 노즈 끝부 사이에 세로방향으로 뻗은 중앙통로를 갖춘 길쭉한 세라믹 절연체;

   적어도 하나의 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체의 적어도 일부분을 둘러싸는 도전성 쉘; 및

   상기 중앙통로 내에 설치되고, 상기 접지 전극 부근에 노출된 스파킹 팁을 갖춘 도전성 중심 전극을 포함하고,

   상기 절연체는 상기 터미널 끝부 부근에 전체적으로 원형인 큰 숄더, 및 상기 노즈 끝부 부근에 전체적으로 원형인 작은 숄더를 나타내는 외부면을 포함하고, 상기 큰 숄더는 상기 작은 숄더의 직경보다 큰 직경을 가지고;

   상기 절연체는 상기 노즈 끝부로부터 뻗어 있는 노즈 영역을 가지고 있고, 상기 노즈 영역은 상기 작은 숄더와 인접하게 측청된 최대 외경(d(베이스)), 및 상기 중심 전극의 상기 스파킹 팁과 인접하게 측정된 최소 외경(d(팁))을 가지고; 그리고

   상기 쉘은 상기 절연체의 상기 노즈 영역을 둘러싸는 내측 보어 직경(ID(쉘))을 포함하고, 공간적 관계는 아래의 식에 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그:

   

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2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체는 라운드형 트랜지션, 및 트랜지션 길이, L(트랜지션)의 필렛형 트랜지션으로부터의 공간을 더 포함하고, 상기 라운드형 트랜지션과 상기 필렛형 트랜지션은 모두 상이한 직경의 상기 큰 숄더, 및 상기 작은 숄더 사이에 세로방향으로 위치하고, 상기 라운드형 트랜지션은 메이저 직경(D2)을 가지고, 상기 필렛형 트랜지션은 마이너 직경(D1)을 가지고, 공간적 관계는 아래의 식에 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그:

   

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3. 제 2 항에 있어서, 상기 접지 전극의 상기 말단 끝부에 부착된 금속 스파킹 팁을 더 포함하고, 상기 스파킹 팁은 볼록한 돔, 및 상기 돔을 둘러싸는 테두리를 가지고 있고, 상기 테두리는 상기 접지 전극과 면대면 접촉하여 설치된 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 스파킹 팁의 상기 테두리는 전체적으로 환형인 구조를 가진 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플 러그.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 돔 및 상기 테두리는 가상의 중심축을 따라 서로 전체적으로 나란하게 배열된 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 쉘은 상기 큰 숄더와 상기 작은 숄더 사이에 상기 절연체를 압축 설치하기 위해, 상기 절연체의 상기 비교적 큰 숄더 및 작은 숄더와의 프레싱 접촉에 견디는 상부 및 하부 압축 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 하부 압축 플랜지는 내부 둘레의 립을 포함하고, 상기 립은 상기 절연체의 상기 하부 노즈 끝부로부터 떨어져 있어, 연소 가스가 그 사이 공간을 차지하고 그 내부의 유전 특성을 강화할 수 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
8. 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그로서,

   상부 터미널 끝부, 하부 노즈 끝부, 및 상기 터미널 끝부와 상기 노즈 끝부 사이에 세로방향으로 뻗은 중앙통로를 갖춘 길쭉한 세라믹 절연체;

   적어도 하나의 접지 전극을 포함하고, 상기 절연체의 적어도 일부분을 둘러 싸는 도전성 쉘; 및

   상기 중앙통로 내에 설치되고, 상기 접지 전극 부근에 노출된 스파킹 팁을 갖춘 도전성 중심 전극을 포함하고,

   상기 절연체는 상기 터미널 끝부 부근에 전체적으로 원형인 큰 숄더, 및 상기 노즈 끝부 부근에 전체적으로 원형인 작은 숄더를 나타내는 외부면을 포함하고, 상기 큰 숄더는 상기 작은 숄더의 직경보다 큰 직경을 가지고;

   상기 절연체는 상기 노즈 끝부로부터 뻗어 있는 노즈 영역을 가지고 있고, 상기 노즈 영역은 상기 작은 숄더와 인접하게 측청된 최대 외경(d(베이스)), 및 상기 중심 전극의 상기 스파킹 팁과 인접하게 측정된 최소 외경(d(팁))을 가지고; 그리고

   상기 쉘은 상기 절연체의 상기 노즈 영역을 둘러싸는 내측 보어 직경( ID(쉘))을 포함하고, 공간적 관계는 아래의 식에 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그:

   

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9. 제 8 항에 있어서, 상기 절연체는 라운드형 트랜지션, 및 트랜지션 길이, L(트랜지션)의 필렛형 트랜지션으로부터의 공간을 더 포함하고, 상기 라운드형 트랜지션과 상기 필렛형 트랜지션은 모두 상이한 직경의 상기 큰 숄더, 및 상기 작은 숄더 사이에 세로방향으로 위치하고, 상기 라운드형 트랜지션은 메이저 직경(D2)을 가지고, 상기 필렛형 트랜지션은 마이너 직경(D1)을 가지고, 공간적 관계는 아래의 식에 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그:

   

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10. 제 8 항에 있어서, 상기 접지 전극의 상기 말단 끝부에 부착된 금속 스파킹 팁을 더 포함하고, 상기 스파킹 팁은 볼록한 돔, 및 상기 돔을 둘러싸는 테두리를 가지고 있고, 상기 테두리는 상기 접지 전극과 면대면 접촉하여 설치된 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 스파킹 팁의 상기 테두리는 전체적으로 환형인 구조를 가진 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 돔 및 상기 테두리는 가상의 중심축을 따라 서로 전체적으로 나란하게 배열된 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
13. 제 8 항에 있어서, 상기 쉘은 상기 큰 숄더와 상기 작은 숄더 사이에 상기 절연체를 압축 설치하기 위해, 상기 절연체의 상기 비교적 큰 숄더 및 작은 숄더와의 프레싱 접촉에 견디는 상부 및 하부 압축 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.
14. 제 8 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 하부 압축 플랜지는 내부 둘레의 립을 포함하고, 상기 립은 상기 절연체의 상기 하부 노즈 끝부로부터 떨어져 있어, 연소 가스가 그 사이 공간을 차지하고 그 내부의 유전 특성을 강화할 수 있는 것을 특징으로 하는 스파크 점화식 연소 이벤트를 위한 스파크 플러그.

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