KR20200068664A - ZrSiO₄ 상 비율이 증가한 점화 플러그 저항 요소 - Google Patents

ZrSiO₄ 상 비율이 증가한 점화 플러그 저항 요소 Download PDF

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Abstract

특히 청구항 제 1 항 내지 제 3 항에 따른 점화 플러그의 제조 방법은 - 절연체를 제공하는 단계, - ZrO2 및 SiO2를 함유하며 저항 재료를 형성하도록 설계된 재료 혼합물을 상기 절연체 내로 채우는 단계, - 상기 절연체 및 그 안에 함유된 재료 혼합물을 적어도 870℃의 온도(T)로 가열하여 상기 재료 혼합물에서 ZrO2 및 SiO2가 적어도 부분적으로 반응하여 ZrSiO4를 형성하게 하는 단계를 포함한다.

Description

ZrSiO₄ 상 비율이 증가한 점화 플러그 저항 요소
본 발명은 독립 청구항에 따른 점화 플러그 및 점화 플러그의 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날의 점화 플러그는 전극 마모를 줄이고 점화 플러그 및 내연 기관 내의 전자기 간섭(EMI)을 피하기 위해 1 내지 14 ㏀ 범위의 비저항을 갖는 저항 요소를 포함한다. 점화 플러그의 저항 요소는 일반적으로 점화 플러그 절연체의 내부에서 연결 볼트와 중심 전극 사이에 배치된다. 종종, 저항 요소는 다양한 전도성 입자와 탄소 또는 카본 블랙, ZrO2 및 붕규산 유리와 같은 비전도성 입자로 이루어진 재료 혼합물이다. 저항 요소의 비전기저항은 특히 재료 조성 및 재료 분포에 기인한다.
모든 저항에서와 마찬가지로 저항 요소는 저항 요소를 파괴하는 전류의 브레이크스루가 저항 요소에서 발생하기 전에, 저항 요소를 통해 흐를 수 있는 최대 전류 세기를 갖는다. 이 최대 전류 세기는 특히 저항 요소의 전기적 안정성에 대한 척도이며 점화 플러그의 수명에 결정적이다.
또한, 저항 요소는 시간이 지남에 따라 그리고 작동 시간이 증가함에 따라 노화되며, 저항 요소의 저항 값은 시간이 지남에 따라 증가한다. 따라서, 점화 플러그는 계속 작동하기 위해 더 높은 전압으로 작동되어야 한다. 작동 전압이 증가함에 따라, 연결 볼트 또는 중심 전극으로부터 절연체를 통해 하우징 내로의 전압 침투의 위험이 높아져, 절연체와 전체 점화 플러그가 파손된다. 따라서 저항 요소의 저항값의 장기 안정성은 저항 요소의 전기 안정성에 대한 척도이며, 점화 플러그의 수명에 결정적이다.
본 발명의 과제는 높은 전기 안정성을 갖는 개선된 저항 요소를 포함하는 상기 유형의 점화 플러그 및 상기 점화 플러그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 하우징; 하우징에 배치된 절연체; 상기 절연체 내에 배치된 중심 전극; 상기 절연체 내에 배치된 연결 볼트; 상기 절연체 내에 배치되고 상기 중심 전극과 상기 연결 볼트 사이에 공간적으로 배치되며 상기 중심 전극을 상기 연결 볼트에 전기적으로 연결하고 특히 ZrO2 및 SiO2를 함유하는 재료 혼합물로 이루어진 저항 재료를 함유하는 저항 요소; 및 하우징의 연소실 측 단부면에 배치되고 상기 중심 전극과 함께 스파크 갭을 형성하는 접지 전극을 포함하는 점화 플러그에 있어서, 본 발명에 따라 상기 저항 재료의 재료 혼합물이 ZrSiO4도 함유함으로써 해결된다.
제조 공정 동안, 절연체는 그 안에 포함된 저항 요소 또는 저항 재료와 함께 가열된다. 이 가열 과정 전에, 저항 재료는 ZrO2와 SiO2를 함유하고 ZrSi04를 함유하지 않는다. 예를 들어, 적어도 870℃의 온도로 가열함으로써, ZrO2로부터 Si02와 함께 ZrSi04로의 변환이 개시된다. 출원인의 테스트에 따르면, ZrSi04를 함유하는 저항 재료를 갖는 점화 플러그는 점화 플러그의 작동 동안 훨씬 더 높은 저항 안정성을 갖는 것으로 나타났다. ZrSi04 없는 저항 재료를 갖는 점화 플러그의 경우, 수백 시간 작동 후에 저항이 크게 변하므로, 점화 플러그 기능을 유지하려면 점화 플러그에 점점 더 높은 전압이 연결되어야 한다. 이로 인해, 상기 전압이 연결 볼트 또는 중심 전극으로부터 절연체를 통해 하우징 내로 침투하여 점화 플러그를 파괴할 위험이 커진다.
본 발명에 따른 점화 플러그는 이 문제를 갖지 않는데, 그 이유는 저항 재료 내의 ZrSi04로 인해, 저항 재료의 저항이 훨씬 더 안정적이고 수백 시간 작동 후에도 약간만 변하기 때문이며, 이로 인해 점화 플러그가 정상 전압으로 장시간 작동될 수 있다. 테스트를 위해, 본 발명에 따른 점화 플러그는 30kV의 전압, 250℃의 온도 및 100Hz의 펄스 주파수로 작동되었다.
다른 바람직한 실시 예들은 종속 청구항들에 제시된다.
출원인의 테스트에 따르면, 바람직한 효과는 변환율(q)이 적어도 40%일 때 특히 양호하게 나타났다:
Figure pct00001
상기 식에서, w(X)는 저항 재료 내의 재료 X의 비율(중량%)이며, X는 ZrSi04 또는 ZrO2이다.
변환율(q)이 적어도 50%이면 특히 바람직하다. 테스트에 따르면, 50-55%에서 변환율이 포화되고 더 높은 온도 또는 더 오랜 가열 시간에 의해서도 변환율이 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났다.
대안으로서 또는 추가로, 적어도 300 시간 작동 후 저항 재료의 상대 저항 변화는 50% 미만, 바람직하게는 35% 미만이다. 이상적으로는, 500 시간 작동 후 상대 저항 변화는 50% 미만이다.
일 개선 예에서, 저항 요소는 저항 재료 및 적어도 하나의 접촉 재료를 포함하는 층 시스템이다. 이 경우, 적어도 하나의 접촉 재료는 연결 볼트와 저항 재료 사이 또는 중심 전극과 저항 재료 사이에 공간적으로 배치되거나, 또는 2 개의 접촉 재료가 있는 경우, 제 1 접촉 재료는 연결 볼트와 저항 재료 사이에 공간적으로 배치되고 제 2 접촉 재료는 저항 재료와 중심 전극 사이에 공간적으로 배치된다.
본 발명의 다른 양태는 다음 단계를 포함하는 점화 플러그, 예를 들어 본 발명에 따른 점화 플러그의 제조 방법에 관한 것이다:
- 절연체를 제공하는 단계,
- ZrO2 및 SiO2를 함유하며 저항 재료를 형성하도록 설계된 재료 혼합물을 상기 절연체 내로 채우는 단계,
- 상기 절연체 및 그 안에 있는 재료 혼합물을 적어도 870℃의 온도(T)로 가열하여, 상기 재료 혼합물에서 ZrO2 및 SiO2가 적어도 부분적으로 반응하여 ZrSiO4를 형성하는 단계.
바람직하게는, 저항 재료용 재료 혼합물은 적어도 40%의 변환율(q)이 발생할 때까지 가열된다. 여기서 변환율(q)은 다음 식으로부터 얻어진다:
Figure pct00002
상기 식에서, w(X)는 저항 재료 내의 재료 X의 비율(중량%)이며, X는 ZrSi04 또는 ZrO2이다.
테스트에 따르면, 온도(T)는 바람직하게는 870℃ 내지 965℃의 범위인 것으로 나타났다. 870℃보다 낮은 온도에서는 30분 이상의 가열 시간에도 ZrSi04가 생성될 수 없었다. 965℃보다 높은 온도에서는 변환에 대한 추가의 바람직한 효과가 나타나지 않는다. 965℃에서, 30분 내에 이미 변환율(q)이 포화되었다.
본 발명에 따른 제조 방법의 일 개선 예에서, 저항 재료는 적어도 15분 그리고 특히 최대 60분의 시간 동안 적어도 870℃의 온도(T)로 유지되고, 온도(T)가 높아질수록, 시간이 짧아질 수 있다. 따라서, 절연체 내의 또는 상의 또는 점화 플러그의 다른 컴포넌트들이 너무 높게 가열되지 않아야 하는 경우 저항 재료를 낮은 온도에서 더 오래 가열하여 변환을 느리게 진행시킬지, 또는 더 짧은 시간 동안 더 높은 온도로 가열하여 변환을 가속시킬지에 대한 선택의 자유가 주어진다.
도 1은 점화 플러그의 실시 예를 도시하는 도면.
도 2는 샘플의 일정한 가열 시간 t = 30분 동안 온도(T)에 따른 변환율(q)을 도시하는 도면.
도 3은 온도 T = 890℃ 및 T = 950℃에 대한 가열 시간(t)에 따른 변환율(q)을 도시하는 도면.
도 4는 상이한 내구성 테스트 시간 후 상이한 샘플의 저항을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 점화 플러그의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 도면.
도 1은 점화 플러그(1)를 반 단면도로 도시한다. 점화 플러그(1)는 하우징(2)을 포함한다. 절연체(3)는 상기 하우징(2) 내로 삽입된다. 하우징(2) 및 절연체(3)는 각각 그 길이방향 축(X)을 따라 보어를 갖는다. 하우징(2)의 길이방향 축, 절연체(3)의 길이방향 축 및 점화 플러그(1)의 길이방향 축은 일치한다. 중심 전극(4)이 상기 절연체(3) 내로 삽입된다. 또한, 연결 볼트(8)는 절연체(3) 내로 연장된다. 연결 너트(9)는 연결 볼트(8) 상에 배치되며, 상기 연결 너트(9)를 통해 점화 플러그(1)가 여기에 도시되지 않은 전압원과 전기로 접촉될 수 있다. 연결 너트(9)는 점화 플러그(1)의 연소실 반대편 단부를 형성한다.
절연체(3) 내에서 중심 전극(4)과 연결 볼트(8) 사이에는 파나트(Panat)라고도 하는 저항 요소(7)가 있다. 저항 요소(7)는 중심 전극(4)을 연결 볼트(8)에 전기 전도 방식으로 연결한다. 저항 요소(7)는 예를 들어 제 1 접촉 재료(72a), 저항 재료(71) 및 제 2 접촉 재료(72b)로 이루어진 층 시스템으로서 구성된다. 저항 요소(7)의 층들은 재료 조성 및 그로부터 나타나는 전기 저항이 상이하다. 제 1 접촉 재료(72a)와 제 2 접촉 재료(72b)는 상이한 전기 저항 또는 동일한 전기 저항을 가질 수 있다. 저항 요소(7)는 단 하나의 층의 저항 재료 또는 상이한 재료 조성 및 저항을 가진 다수의 상이한 층의 저항 재료를 포함할 수 있다.
절연체(3)의 숄더가 하우징 내부면에 형성된 하우징 시트 상에 놓인다. 하우징 내부면과 절연체(3) 사이의 에어 갭을 밀봉하기 위해, 절연체 숄더와 하우징 시트 사이에 내부 시일(10)이 배치되며, 상기 시일은 절연체(3)가 하우징(2) 내에 고정될 때 소성 변형되어 에어 갭을 밀봉한다.
하우징(2)의 연소실 측 단부면 상에 접지 전극(5)이 전기 전도 방식으로 배치된다. 접지 전극(5)과 중심 전극(4)은 그들 사이에 점화 스파크가 발생되는 스파크 갭이 형성되도록 서로에 대해 배치된다.
하우징(2)은 샤프트를 포함한다. 이 샤프트 상에 다각체(21), 홈 및 나사산(22)이 형성된다. 나사산(22)은 점화 플러그(1)를 내연 기관 내로 조이는데 사용된다. 나사산(22)과 다각체(21) 사이에 외부 밀봉 요소(6)가 배치된다. 이 실시 예에서, 외부 밀봉 요소(6)는 폴딩 시일로서 설계된다. 대안으로서, 외부 밀봉 요소(6)는 완전 시일일 수 있다.
테스트 결과는 표 1에 요약되어 있다. 각각의 샘플은 하나의 점화 플러그에 해당한다. 모든 샘플의 저항 재료는 가열 전에 동일한 재료 조성을 갖는다. 저항요소 또는 저항 재료에만 해당하는, 즉 적절한 재료 조성을 갖는 샘플들에 대해 변환 테스트를 수행하는 것도 가능하다. 저항 재료는 초기 상태에서, 즉 가열 전, 그에 따라 가능한 변환 전에, Zr02, 및 SiO2 함유 유리를 함유한다. 유리의 다른 성분은 예를 들어 B2O3, CaO 및 Li2O이다. 저항 재료의 재료 조성의 다른 성분들은 예를 들어 탄소 또는 세라믹 입자, 예를 들어 Al2O3 또는 TiO2이다.
각각의 샘플은 특정 가열 시간(t) 동안 특정 온도(T)로 가열되었다. 그리고 나서, 다양한 재료 ZrO2 및 ZrSi04의 비율이 XRD-Rietveld 분석에 의해 결정되었다. 이로부터 변환율(q)이 결정되었다. 변환율(q)은 다음 식에 따라 계산된다:
Figure pct00003
상기 식에서, w(X)는 변환 후 재료 X의 비율(중량%)이며, X는 ZrSi04 또는 ZrO2이다.
표 1:
Figure pct00004
이 표의 결과는 도 2 및 도 3의 다음 다이어그램에 대한 데이터베이스이다.
도 2에서, 변환율(q; %)은 온도(T; ℃)에 따라 도시되어 있다. 각각의 데이터 포인트는 30분 동안 각각의 온도(T)로 가열되었던 샘플을 나타낸다. 파선은 퍼니스 온도(T), 변환율의 포화값(qsat) 및 피팅 파라미터(T0)를 가진 간단한 피팅 함수
Figure pct00005
를 사용하여 측정 데이터로부터 도출되는 이론적인 곡선이다. 이 다이어그램에서는 30분의 가열 시간(t) 동안, 변환율(q)이 약 920℃의 온도부터 50-55%의 포화로 이어짐을 알 수 있다.
도 3에는 2개의 샘플에 대한 변환율(q; %)이 가열 시간(t)에 따라 도시된 다이어그램이 도시되어 있다. 제 1 샘플(원)을 950℃로 가열되었다. 제 2 샘플(+기호)은 890℃로 가열되었다. 2 개의 샘플에 대해 상이한 시간 후에 변환율(q)이 전술한 바와 같이 결정되었다. 파선은 가열 시간(t), 변환율의 포화값(qsat) 및 피팅 파라미터(t0)를 가진 간단한 피팅 함수
Figure pct00006
를 사용하여 각각의 측정 데이터로부터 도출되는 이론적인 곡선이다. 이 다이어그램은 변환율(q)이 50-55%의 값에서 포화되는 결과를 보여준다. 또한 다이어그램은 상기 포화가 더 높은 온도에서 더 빨리 달성됨을 보여준다.
도 4는 특정 작동 시간(t) 후 점화 플러그의 저항을 비교 도시한다. 모든 점화 플러그는 내구성 테스트 시작 전에 R(t=0)=1.5㏀의 초기 저항(데이터 포인트 원)을 가졌다.
기준 점화 플러그(데이터 포인트 마름모) 및 그 저항 요소는 표 1의 샘플 H1에 따라 처리되었고 변환율 q=0%를 갖는다. 350 시간 이상 작동 후, 기준 점화 플러그의 저항은 R(350h)=13.7㏀였으며, 이는 813%의 상대 저항 변화(rW)에 상응한다.
상대 저항 변화(rW)는 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00007
상기 식에서, R(t=0)은 내구성 테스트 시작 전 점화 플러그의 저항이고 R(t)는 작동 시간(t) 후 동일한 점화 플러그의 저항이다.
새로운 점화 플러그(데이터 포인트 삼각형) 및 그 저항 요소는 표 1의 샘플 H3에 따라 처리되었고 변환율 q=50%를 갖는다. 각각의 데이터 포인트는 테스트 및 후속하는 저항 결정이 수행되는 점화 플러그이다. 이 새로운 점화 플러그 모두에 대한 상대 저항 변화는 50% 미만이다. rW=33%를 가진 최대 상대 저항 변화는 거의 450 시간 작동 후에 약 1㏀의 저항을 갖는 새로운 점화 플러그에 대해 발생한다.
도 5는 점화 플러그의 제조 방법(100)을 개략적으로 도시하는데, 절연체(3)의 제조 또는 저항 요소(7)를 위한 재료의 제조 및 혼합과 같은 점화 플러그(1)의 개별 컴포넌트를 제조하기 위한 개별 단계는 여기에 도시되어 있지 않다.
제 1 단계(103)에서, 점화 플러그의 절연체(3)가 제공된다. 제 2 단계(104)에서, 중심 전극은 절연체 내로 삽입된다. 제 3 단계(107)에서, 저항 요소(7)의 재료가 절연체 내로 채워진다. 선택적으로, 이 단계(107)는 3 개의 서브 단계로 이루어진다: 접촉 재료를 채우는 단계(1072b), 저항 재료를 채우는 단계(1071), 제 2 접촉 재료를 채우는 단계(1072a). 각각 채움 단계 후에 중간 단계로서 압축이 이루어질 수 있다. 후속 단계(108)에서, 연결 볼트(8)가 절연체 내로 삽입된다. 후속 단계(120)에서, 연결 볼트(8)와 절연체(3)는 함께 가압되고 동시에 가열된다. 저항 요소(7)의 재료도 가열되어, 이 단계(108)에서 저항 요소(7) 또는 저항 재료(71)에서 Zr02 및 Si02로부터 ZrSi04로의 변환이 발생한다. 온도는 적어도 870℃이다. 후속해서, 절연체가 하우징과 맞물려 결합되고 전극들이 서로 정렬되는 추가 단계(130)가 수행된다.
2: 하우징
3: 절연체
4: 중심 전극
5: 접지 전극
7: 저항 요소
8: 연결 볼트
71: 저항 재료

Claims (7)

  1. 점화 플러그(1)로서,
    - 하우징(2),
    - 상기 하우징(2)에 배치된 절연체(3),
    - 상기 절연체(3) 내에 배치된 중심 전극(4),
    - 상기 절연체(3) 내에 배치된 연결 볼트(8),
    - 상기 절연체(3) 내에 배치되고 상기 중심 전극(4)과 상기 연결 볼트(8) 사이에 공간적으로 배치되며 상기 중심 전극(4)을 상기 연결 볼트(8)에 전기적으로 연결하고 ZrO2 및 SiO2를 함유하는 재료 혼합물로 이루어진 저항 재료(71)를 함유하는 저항 요소(7), 및
    - 상기 하우징(2)의 연소실 측 단부면에 배치되고 상기 중심 전극(4)과 함께 스파크 갭을 형성하는 접지 전극(5)을 포함하는, 상기 점화 플러그(1)에 있어서,
    상기 저항 재료(71)의 상기 재료 혼합물이 ZrSiO4도 함유하는 것을 특징으로 하는, 점화 플러그(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 변환율(q)은 적어도 40%이고,
    Figure pct00008

    상기 식에서, w(X)는 상기 저항 재료(71) 내의 재료 X의 비율(중량%)인 것을 특징으로 하는, 점화 플러그(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저항 재료(71)는 300 시간 작동 후에 50% 미만의 상대 저항 변화를 갖는 것을 특징으로 하는, 점화 플러그(1).
  4. 특히 제 1 항 내지 제 3 항에 따른 점화 플러그의 제조 방법(100)에 있어서,
    - 절연체를 제공하는 단계(103),
    - ZrO2 및 SiO2를 함유하며 저항 재료(71)를 형성하도록 설계된 재료 혼합물을 상기 절연체(3) 내로 채우는 단계(107),
    - 상기 절연체(3) 및 그 안에 있는 재료 혼합물을 적어도 870℃의 온도로 가열하여, 상기 재료 혼합물에서 ZrO2 및 SiO2가 적어도 부분적으로 반응하여 ZrSiO4를 형성하는 단계(120)를 포함하는, 점화 플러그의 제조 방법(100).
  5. 제 4 항에 있어서, 변환율(q)은 적어도 40%이고,
    Figure pct00009

    상기 식에서, w(X)는 상기 저항 재료(71) 내의 재료 X의 비율(중량%)인 것을 특징으로 하는, 점화 플러그의 제조 방법(100).
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 온도(T)는 870℃ 내지 965℃의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 점화 플러그의 제조 방법(100).
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도(T)는 적어도 15분 그리고 특히 최대 60분의 시간 동안 유지되고, 상기 온도(T)가 높아질수록 상기 시간이 짧아질 수 있는 것을 특징으로 하는, 점화 플러그의 제조 방법(100).
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