KR20110119761A - 일체형 연소 센서를 구비한 스파크 플러그 및 그러한 스파크 플러그를 장착한 엔진 컴포넌트 - Google Patents

일체형 연소 센서를 구비한 스파크 플러그 및 그러한 스파크 플러그를 장착한 엔진 컴포넌트 Download PDF

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KR20110119761A
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KR1020117019857A
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존 에이. 버로우스
파울 틴웰
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페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
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Abstract

스파크 플러그 어셈블리는 상부 숄더 및 하부 숄더를 구비한 절연체, 및 외측면을 가지고 내측면에 의해 바운딩되는 캐비티를 구비한 금속 환형 외부 쉘을 포함한다. 내측면은 절연체의 하부 숄더와 마주하도록 안쪽으로 뻗어 있는 플랜지를 가진다. 외부 쉘은 근단 끝부 및 맞은편의 파스닝 끝부를 가진다. 파스닝 끝부는 바깥 나사가공된 영역, 및 플랜지와 인접하여 바깥쪽으로 뻗어 있는 환형 시일링 시트를 포함한다. 외부 쉘은 시일링 시트와 근단 끝부 사이에서 방사상으로 뻗어 있는 환형 숄더를 가진다. 근단 끝부는 절연체의 상부 숄더와 축방향으로 마주하는 턴오버를 가진다. 센서 어셈블리는 쉘의 숄더와 턴오버 사이에서 외부 쉘과 접하도록 수용된다. 센서 어셈블리는 절연체와 외부 쉘 사이의 상대적인 축방향 이동에 응답하여 신호를 전송하도록 반응한다.

Description

일체형 연소 센서를 구비한 스파크 플러그 및 그러한 스파크 플러그를 장착한 엔진 컴포넌트{SPARK PLUG WITH INTEGRAL COMBUSTION SENSOR AND ENGINE COMPONENT THEREWITH}
본 발명은 일반적으로 점화 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 내부 연소 센서를 구비한 스파크 플러그에 관한 것이다.
엔진의 사용중 실린더 보어 내부의 연소 압력을 감지하기 위해 스파크 플러그 어셈블리 내에 센서를 통합하는 것은 주지된 바이다. 연소 압력의 크기를 감지할 수 있게 함으로써, 엔진이 의도대로 작동하는지, 또는 수리가 필요한지 여부를 판정할 수 있다. 불행하게도, 현재의 일체형 센서 스파크 플러그 기술은 연소 가스 힘과 더불어 센서 상에 힘을 가하는 다양한 원치않는 영향으로 인해 연소 압력의 정밀한 측정을 제공하는 능력으로 제한된다. 일체형 센서에 가해지는 이러한 원치 않는 힘은 일반적으로 설치시, 그리고/또는 엔진이 동작하는 동안 발생한다. 따라서, 센서에 의해 획득된 압력 측정값은 연소 힘의 실제 정밀한 지시가 되지 못할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주지된 스파크 플러그 어셈블리(1)는 실린더 보어 내의 연소력을 감지하기 위한 일체형 센서(2)를 가진다. 어셈블리(1)는 금속 외부 쉘(4) 내에 고정된 세라믹 절연체(3)를 포함한다. 절연체(3)는 쉘(4)의 턴오버(5)와 내부 가스켓(6) 사이의 압축력에 의해 고정된다. 절연체(3)에 가해지는 압축력은 동작 상태 동안 가스켓(6)에 신뢰성 있는 밀봉을 제공하는 역할을 한다. 센서(2)는 쉘(4)의 외부 플랜지(7)와 육각 피팅(8) 사이의 압축력에 의해 유지된다. 그 작동에 있어서, 절연체(3)의 코어 노즈(9)에 가해지는 연소력은 절연체(3)를 실린더 보어로부터 위쪽으로 축방향으로 멀어지도록 밀고, 이때 이 힘의 일부는 쉘 턴오버(5)를 통해 쉘(4)로 전달된 후, 쉘(4)의 유연한 상단부(10)를 스트레칭시키는 역할을 한다. 유연한 상단부(10)가 스트레칭될 때, 센서(2)에 가해지는 압축력은 감소되고, 이는 실린더 보어 내의 연소력의 직접적인 상관관계로 해석된다. 그러나, 실린더 블록에 스파크 플러그 어셈블리를 설치하는 동안, 쉘(4)의 바깥 나사가공된 부분(11)과 외부 플랜지(7)의 바닥 밀봉 면 상의 가스켓 밀봉면(12) 사이에 인장력이 형성된다. 인장력의 크기는 타이트한 토크 허용오차의 결과로서, 그리고, 예컨대, 온도 변동 또는 실린더 헤드의 제어불가능한 변형으로 인해 정상적인 사용 동안 어셈블리마다 다를 수 있다. 인장력의 크기와 무관하게, 인장력은 제어불가능하고 알 수 없는 방식으로 턴오버(5)와 가스켓(6) 사이에서 절연체(3)를 압축하는 힘을 감소시키는 경향이 있다. 이와 마찬가지로, 유연한 부분(10)에 연소 동안 가해지는 장력은 감소되고, 이는 알 수 없고 제어 불가능한 방식으로 센서(2)에 적용되는 "조립시의" 프리로드 힘에 직접적으로 영향을 미친다. 그러므로, 연소 중 센서(2)에 의해 지시되는 힘의 크기는 실린더 보어 내부의 연소 압력의 정밀한 지시가 될 수 없다.
스파크 플러그 어셈블리는 상부 숄더 및 하부 숄더를 구비한 대체로 환형인 세라믹 절연체와, 외측면, 및 내측면에 의해 바운딩되는 중앙 캐비티를 가지는 금속 환형 외부 쉘을 포함한다. 쉘의 내측면은 절연체의 하부 숄더와 축방향으로 마주하도록 방사상 안쪽으로 뻗어 있는 플랜지를 가진다. 외부 쉘은 근단 끝부와 맞은편의 파스닝 끝부를 가진다. 파스닝 끝부는 바깥 나사가공된 영역, 및 플랜지와 인접한 나사가공된 영역으로부터 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있는 환형 시일링 시트를 가진다. 또한, 외부 쉘은 시일링 시트와 근단 끝부 사이로 방사상으로 뻗어 있는 환형 숄더를 가진다. 근단 끝부는 절연체의 상부 숄더와 축방향으로 마주하도록 캐비티를 향하여 방사상 안쪽으로 뻗어 있는 환형 턴오버를 가지고, 외부 쉘에 대한 절연체의 축방향 이동을 방지한다. 또한, 센서 어셈블리는 쉘의 숄더와 턴오버 사이에서 외부 쉘과 접하여 수용된다. 센서 어셈블리는 절연체와 외부 쉘 사이의 상대적인 축방향 이동에 응답하여 신호를 전송하도록 반응한다.
본 발명의 다른 형태에 따른, 내연기관 컴포넌트가 제공된다. 본 컴포넌트는 윗면, 아랫면, 및 윗면과 아랫면 사이로 뻗어 있는 개구를 가진 실린더 헤드를 포함한다. 이 개구는 아랫면과 인접한 감소된 직경 부분, 및 윗면과 인접한 증가된 직경 부분, 및 감소된 직경 부분과 증가된 직경 부분 사이로 뻗어 있는 시일링 시트를 포함한다. 또한, 본 컴포넌트는 개구 내에서 고정되도록 구성된 스파크 플러그 어셈블리를 포함한다. 스파크 플러그 어셈블리는 상부 숄더 및 하부 숄더를 구비한 대체로 환형인 세라믹 절연체, 근단 끝부와 맞은편의 파스닝 끝부 사이로 뻗어 있는 외측면을 가지고 내측면에 의해 바운딩된 중앙 캐비티를 가지는 금속 환형 외부 쉘을 포함한다. 내측면은 절연체의 하부 숄더와 축방향으로 마주하는 방사상으로 뻗은 플랜지를 가진다. 파스닝 끝부는 실린더 헤드의 감소된 직경 영역과 나사결합 하도록 구성된 바깥 나사가공된 영역, 및 나가사공된 영역과 인접하여 뻗어 있고 실린더 헤드의 시일링 시트와 축방향으로 마주하는 환형 시일링 시트를 포함한다. 환형 숄더는 시일링 시트와 근단 끝부 사이로 방사상으로 뻗어 있다. 근단 끝부는 절연체의 상부 숄더와 축방향으로 마주하는 환형 턴오버를 포함한다. 센서 어셈블리는 숄더와 턴오버 사이에서 외부 쉘에 대하여 수용된다. 센서 어셈블리는 절연체와 외부 쉘 사이의 상대적인 축방향 이동에 응답하여 신호를 전송하도록 반응한다.
본 발명의 이러한 형태, 특징, 및 장점, 및 다른 형태, 특징, 및 장점은 현재 바람직한 실시예의 상세한 설명과 최선의 모드, 첨부된 청구항, 및 첨부된 도면을 연관시켜 고려할 때 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 종래기술에 따라 구성된 스파크 플러그의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 형태에 따라 구성된 스파크 플러그의 부분적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른의 형태에 따라 구성된 스파크 플러그의 부분적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 형태에 따라 구성된 스파크 플러그의 부분적인 단면도이다.
도면을 더욱 상세하게 참조하면, 도 2는 본 발명의 하나의 현재의 바람직한 실시예에 따라 구성된 스파크 플러그 어셈블리(20)의 절반부를 도시한다. 어셈블리(20)는 환형 세라믹 절연체(22), 및 세라믹 절연체(22)의 적어도 일부분을 둘러싸는 금속 환형 쉘(24)을 포함한다. 접지 전극(26)이 쉘(24)에 동작적으로 부착되고, 중앙 전극 어셈블리(28)는 절연체(22)를 통해 뻗어 있는 길쭉한 몸체를 가지고, 중앙 전극 어셈블리(28)와 접지 전극(26)은 주지된 바와 같이 스파크 갭(29)을 제공한다. 대략적으로 윤곽이 그려진 센서 어셈블리(30)는 쉘(24)에 대하여 외부적으로 통합적으로 어셈블링되고, 스파크 플러그 어셈블리(20)가 위치하는 (도시되지 않은) 실린더 블록의 실린더 보어 내부의 연소 압력을 나타내도록 구성되어 진다. 스파크 플러그 어셈블리(20)는 센서 어셈블리(30)가 실린더 헤드(31)에 스파크 플러그 어셈블리(20)를 나사결합시키는 동안 형성되는 외부적 힘, 예컨대, 인장력, 및 온도 변화, 및/또는 실린더 헤드(31)의 제어되지 않은 변형에 의한 영향을 받지 않고, 각각의 실린더 보어 내의 연소 압력을 정밀하게 측정할 수 있도록 실린더 헤드(31)와 같은 본 명세서에 도시된 내연기관 컴포넌트에 부착하도록 구성된다.
전기 도전성인 금속 외부 쉘(24)은 다양한 코팅 및 코팅되지 않은 합금강을 포함한 임의의 적합한 금속으로 만들어질 수 있다. 쉘(24)은 배럴부(36)를 포함한 상부 단자 끝부(34)와 하부 파스닝 끝부(38) 사이로 뻗어 있는 대체로 환형인 외측면(32)을 가진 대체로 튜브형인 몸체를 가진다. 파스닝 끝부(38)는 실린더 헤드(31)의 연소 챔버 개구(42) 내부에서 나사 결합하도록 구성된 바깥 나사가공된 영역(40)을 포함하고, 이때 이 개구(42)는 (도시되지 않은) 엔진 블록 내부와의 접합하도록 구성되어 있는 실질적으로 평면인 아랫면(45)과 실질적으로 평면인 윗 면(43) 사이로 뻗어 있다. 개구(42)는 시일링 시트(112)와 아랫 평면(45) 사이로 뻗어 있는 감소된 직경 부분(47)을 가지고, 이 부분(47)은 쉘(24)의 나사가공된 영역(40)과 나사결합하도록 구성된 암 나사(49)를 가진다. 또한, 개구(42)는 시일링 시트(112)로부터 윗 평면(43)까지 뻗어 있는 증가된 직경 부분(51)을 가진다. 이 부분(51)은 쉘(24)과 느슨한 방사상 헐거운 끼워맞춤(clearance fit)을 위해 크기조절된 직경을 가진다. 쉘(24)은 환형의 대체로 평면인 윗면, 또는 숄더(46)를 제공하기 위해 배럴부(36)의 최하단부와 인접한 외측면(30)으로부터 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있는 환형 숄더 또는 플랜지(44)를 가진다. 플랜지(44)는 나사가공된 영역(40)으로부터 직경이 약간 크고, 플랜지(44)로부터 직경이 감소되는 곧은 실린더 부분(48)에 의해 나사가공된 영역(40)으로부터 축방향으로 이격된다. 실린더 부분(48)은 실린더 헤드(31)의 개구(42) 내부에서 방사상 헐거운 끼워맞춤을 위해 크기조절된다. 실린더 부분(48)은 나사가공된 영역(40)과 인접한 끝이 점점 가늘어지는 시일링 시트(50)를 제공하기 위해 원뿔형으로 모서리가공된 최하단의 환형 에지 또는 코너를 가지고, 여기서, 쉘(24)의 시일링 시트(50)는 실린더 헤드(31)의 시일링 시트(112)와의 밀봉 접합하도록 구성된다.
접지 전극(26)은 파스닝 끝부(38)에 부착되고, 일반적으로 사용되는 하나의 L-형 스타일을 가지는 부분으로 도시되어 있으나, 곧은, 굽은, 환형의, 바퀴형(trochoidal), 및 다른 구성의 복수의 접지 전극이 스파크 플러그 어셈블리(20)에 대하여 의도된 애플리케이션에 따라 대체될 수 있음을 이해해야 하며, 이는 2, 3, 및 4개의 접지 전극 구성을 포함하고, 이 전극들은 환형 링 및 특수한 스파킹 표면 구성을 달성하기 위해 사용되는 다른 구조에 의해 함께 결합된다.
외부 쉘(24)의 튜브형 쉘 몸체는 단자와 파스닝 끝부(34, 38) 사이로 쉘의 길이를 따라 뻗어 있는 열린 캐비티(54)를 제공하는 내측 벽 또는 면(52)을 포함한다. 내부의 하부 플랜지(56)는 외부의 시일링 시트(50)로부터 방사상으로 나란히, 또는 실질적으로 방사상 안쪽으로 하부 시일 면(57)을 제공하기 위해 외부 시일링 시트(50)와 인접한 내측 면(52)으로부터 방사상 안쪽으로 뻗어 있다. 내측면(52)은 절연체(22)의 증가된 직경 영역(81)을 수용하기 위해 단자 끝부(34)와 인접한 증가된 직경 영역(81)을 가지는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 환형 중간 플랜지 또는 숄더(60)는 증가된 직경 영역(58)으로부터 캐비티(54)의 감소된 직경 영역(62)까지 방사상 안쪽으로 뻗어 있다. 숄더(60)는 외부 플랜지(44)와 나란하거나, 또는 외부 플랜지(44)로부터 실질적으로 방사상 안쪽으로 나란하고, 여기서, 증가된 직경 부분(58)은 캐비티(54) 내의 절연체(22)와 축방향으로 마주하고 절연체(22)를 고정시키기 위해 방사상 안쪽으로 뻗어 있는 환형 턴오버(64)까지 실질적으로 곧은, 실린더형, 및 일정한 직경을 따라 숄더(60)로부터 위쪽으로 뻗어 있다. 쉘(24)은 또한 절연체(22)에 대하여 고정된 축방향 위치에 쉘(24)을 유지하고, 절연체(22)와 쉘(24) 사이에 기밀(gas-tight) 시일을 형성하기 위해, 버클 존(66)의 가열, 및 턴오버(64)의 변형에 이은 압도하는 축방향 압축력의 관련된 적용에 응답하여 축방향으로 방사상 바깥쪽으로 접히도록(collape) 설계되고 조절된 변형가능한 버클 존(66)을 포함할 수 있다. 가스켓, 시멘트, 또는 다른 패킹 또는 밀봉 컴포넌트도 기밀 시일을 보호하고, 스파크 플러그 어셈블리(20)의 구조적 무결성을 향상시키기 위해 절연체(22)와 쉘(24) 사이에 개재될 수 있다.
대부분의 스파크 플러그 쉘과 달리, 쉘(24)은 연소 챔버 개구 내에 스파크 플러그의 제거 및 설치를 위한 도구 수용 육면체 또는 다른 피처와 같은, 배럴부(36) 상에 부착 부를 포함하지 않는다. 배럴부(36)의 외측 면은 실질적으로 실린더형을 유지한다. 그보다는, 부착부는 아래에서 설명된 바와 같이 센서 어셈블리(30)에 통합된다.
특정한 절연 내력, 높은 기계적 강도, 높은 열 전도성, 우수한 열충격 저항성을 가진 산화 알루미늄 또는 다른 적합한 전기 절연성 재료를 포함할 수 있는 절연체(22)는 그린 상태의 세라믹 파우더로부터 프레스 몰딩되고, 세라믹 파우더를 농축 및 소결하기 위해 충분히 높은 온도에서 소결된다. 절연체(22)는 상부 단자 또는 근단 끝부(시야 밖)와, 하부의 코어 노즈 끝부 또는 말단 끝부(72) 사이로 뻗어 있는 환형 외측면(68)을 가진 길쭉한 몸체를 가진다. 절연체(22)는 단자 또는 근단 끝부와 인접한 상부 마스트 부분과 말단 끝부(72)와 인접한 하부 노즈 부분(78) 사이로 세로방향으로 뻗어 있고, 중앙 보어 또는 통로(74)를 포함하는 대체로 튜브형 또는 환형 구조이다. 중앙 통로(74)는 본 명세서에 도시된 바와 같이 다양한 단면 직경을 가지고, 예컨대, 단자 끝부에서 또는 그 부근에서 대체로 가장 큰 직경을 가지고, 코어 노즈 끝부(72)에서 또는 그 부근에서 가장 작은 직경을 가지고, 그로 인해 대체로 다양한 직경의 연속적인 시리즈의 튜브형 부분을 가진다. 이러한 부분은 중앙 전극 어셈블리(28)의 단자 스터드(80)의 커넥터 연장부를 둘러싸는 제1 절연체 부분(79)을 포함한다. 제1 절연체 부분(79)은 쉘(24)의 턴오버(64)와 프레싱 계합하는 최상부 또는 상부 제1 절연체 숄더(82)까지 트랜지션하고, 그 다음, 쉘(24)의 배럴부(36) 내에 하우징된 최대 직경 부분으로 본 명세서에서 표현된, 제1 절연체 부분의 직경보다 더 큰 증가된 직경을 가지는 제2 절연체 부분(81)까지 트랜지션한다. 제2 부분(81)은 제1 절연체 부분(83)까지, 중간 숄더(84)라고도 불리는 제2 숄더를 통해 트랜지션한다. 제3 절연체 부분(83)은 제2 절연체 부분(81)의 직경보다 작은 직경을 가지는 것이 바람직하고, 제1 절연체 부분(79)의 직경보다 작은 것이 일반적이다. 제3 절연체 부분(83)은 하부 절연체 숄더(86)라고도 불리는 제3 숄더를 통해 코어 노즈 부분(78)까지 트랜지션한다.
중앙 전극 어셈블리(28)는 임의의 적합한 형상을 가지는 중심 전극(88)을 포함하고, 제한하지 않는 예로서, 증가된 직경의 헤드(93) 및 하부 점화 끝부(92)까지 방사상 바깥쪽으로의 아치형 플레어 및 테이퍼를 가지는 상부 단자 끝부(90) 사이로 대체적으로 뻗어 있는 대체적으로 실린더형인 외측면을 가지는 몸체를 가지는 것으로 본 명세서에 표현되어 있다. 환형 헤드(93)는 절연체(22) 내부에 단자 끝부(90)를 시팅하고 시일링하는 것을 용이하게 하고, 점화 끝부(92)는 대체로 절연체(22)의 노즈 부(78)로부터 뻗어 있다. 중심 전극(88)은 다양한 Ni 및 Ni-기반의 합금과 같은, 스파크 플러그 제조 분야에 주지된, 임의의 적합한 도전체 재료로 구성될 수 있고, 예컨대, 또한 Cu 또는 Cu-기반의 합금 코어 위에 이러한 재료의 도금(clad)을 포함할 수 있다.
일체형 압력 센서 어셈블리(30)는 실린더 내부 압력의 변화에 의해 스파크 플러그 어셈블리(20) 내에 유도된 기계적 탄성 변형 에너지(elastic strain energy)를, 센서 어셈블리로부터 출력될 수 있고 그로 인해 추후 다양한 차량 제어 기능을 위해 사용되는 연소 이벤트에 대한 중요 정보를 제공할 수 있는 전기적 신호로 변환하기 위한 압력 트랜스듀서로서 동작하는 피에조-기반의 센서 어셈블리이다. 피에조 센서 어셈블리는 선택된 피에조 트랜스듀서에 따라, 센서 신호로서 가변적인 출력 전압을 산출하는 압전 센서 어셈블리, 또는 센서 신호로서 가변 저항을 산출하는 압전-저항식 센서 어셈블리일 수 있다.
피에조 센서 어셈블리(30)는 배럴 숄더 또는 플랜지 표면(46)과 접하고, 배럴부(36)를 따라 플랜지(44)로부터 윗쪽으로 뻗어 있다. 피에조 센서 어셈블리(30)는 하부 전극 컨택트(96), 피에조 트랜스듀서(98), 상부 전극 컨택트(100), 절연체(102), 및 상부 부싱(104)을 포함한다. 이러한 부재들은 나열된 순서로 배럴부(36)위에 놓여지고, 압축 어셈블리 프리로드의 적용에 의해 함께 동작적으로 결합되고, 용접 결합에 의해 배럴부(36)의 바깥 표면에 상부 부싱(104)을 고정함으로써 어셈블리 프리로드 하에서 함께 유지된다.
하부 전극 컨택트(96)는 하부 전극 컨택트(96)가 배럴부(36) 위에 놓음으로써 조립될 수 있도록 배럴부(36)의 외경보다 큰 내경을 가진 얇은 링 형태이다. 하부 전극 컨택트(96)의 외경은 그것이 배럴 숄더(46) 상에 남을 수 있도록, 배럴 숄더(46)과 연계하여(conjunction) 적절하게 크기조절된다. 이처럼, 하부 전극 컨택트(96)의 아랫면은 배럴 숄더(46)와 접하고, 윗면은 피에조 트랜스듀서(98)에 대한 기계적 시트 및 전기적 컨택트를 모두 제공한다. 배럴 숄더(46)는 어셈블리 프리로드에 응답하여 프라스틱적으로 변형되지 않도록 적절한 두께를 가진다. 하부 전극 컨택트(96)는 는 다양한 순수한 금속 및 합금을 포함하여 임의의 적합한 전기적 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 하부 전극 컨택트(96)는 제한하지 않는 예로서, 황동과 같은, 엔진 작동 환경에서 전기 컨택트로서의 특성에 대하여 쉽게 열화되지 않고, 이러한 환경에서 발생하는 것으로 주지된 고온 산화 및 부식 프로세스에 대한 저항력을 가지는 도전성 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
피에조 트랜스듀서(98)는 실린더형 링 또는 디스크 형태이다. 다양한 단면 구성이 가능하지만, 피에조 트랜스듀서(98)는 정방형 단면을 포함한 직방형 단면을 가질 수 있다. 피에조 트랜스듀서(98)는 센서 신호로서 가변 저항을 산출하도록 동작하는 압전저항식 트랜스듀서 또는 센서 신호로서 가변 출력 전압을 산출하도록 동작하는 압전식 트랜스듀서일 수 있다. 피에조 트랜스듀서(98)는 그것이 배럴부(36) 위에 놓음으로써 조립될 수 있도록 배럴부(36)의 외경 보다 큰 내경을 가진다. 또한, 내경은 제조 및 작동중에 배럴부(36)와 접촉하지 않도록 크기조절되고, 그로인해 트랜스듀서의 움직임과 관련된 마찰 손실을 피할 수 있다. 피에조 트랜스듀서(98)의 내경 및 외경은 피에조 트랜스듀서(98)의 아랫 면이 하부 전극 컨택트(96)의 윗면에 남아 있도록 하부 전극 컨택트(96)와 연계하여 적절하게 크기조절된다. 동일한 직경 관계는 피에조 트랜스듀서(98)의 윗면과 상부 전극 컨택트(100)의 아랫면 사이에 컨택트에 관하여 유효하다. 피에조 트랜스듀서(98)는 임의의 적합한 압전 또는 압전저항성 재료로 형성될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 피에조 트랜스듀서(98)는 피에조 세라믹으로 형성된 압전 트랜스듀서이다. 피에조 세라믹은 티탄산염, 니오브산염, 탄탈산염, 텅스텐산염, 또는 석영을 포함할 수 있다.
상부 전극 컨택트(100)는 상부 전극 컨택트(100)가 배럴부(36) 위에 놓음으로써 조립될 수 있도록, 배럴부(36)의 외경보다 큰 내경을 가진 L-자형 링 형태이다. 내경은 배럴부(36)의 바깥 면으로부터 이격되어 유지되고, 전기적으로 절연되도록 크기조절된다. 상부 전극 컨택트(100)의 외경은 상부 전극 컨택트(100)의 아랫면이 피에조 트랜스듀서(98)의 윗면을 덮을 수 있도록 피에조 트랜스듀서(98)의 윗면과 연계하여 적절하게 크기조절된다. 상부 전극 컨택트(100)는 다양한 순수한 금속 및 합금을 포함하는 임의의 적합한 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 상부 전극 컨택트(100)는 제한하지 않는 예로서, 황동과 같은, 엔진 작동 환경에서 전기 도전체로서의 특성에 대하여 쉽게 열화되지 않고, 이러한 환경에서 발생하는 것으로 주지된 고온 산화 및 부식 프로세스에 대한 저항력을 가지는 도전성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상부 전극 컨택트(100)의 아랫면은 피에조 트랜스듀서(98)에 대한 기계적 시트 및 전기적 컨택트를 모두 제공하기 위해 피에조 트랜스듀서(98)의 윗면과 접한다. 어셈블리의 전기적 신호 출력을 전송하기 위한 피에조 센서 어셈블리(30)와의 전기적 컨택트는 상부 전극 컨택트(100)를 통해 이루어지고, (도시되지 않은)신호 와이어와 적절한 전기적 접촉을 이루는 것이 바람직하다. 차폐된 동축 케이블과 같은, 임의의 적합한 형태의 전기적 컨택트가 사용될 수 있다.
절연체(102)는 모서리 가공된 실린더형 링 또는 디스크 형태이다. 다양한 단면 구성이 가능하지만, 절연체(102)는 평평한 아랫면, 및 볼록한 윗면을 가지거나, 또는 한 쌍의 작은 챔퍼(chamfer) 또는 맞은편의 원둘레 에지를 따른 반경을 가지는 것으로 도시된 적어도 하나의 챔퍼에 의해 절단된 윗면을 가지는 정방형 단면을 포함한 대체로 직방형 단면을 가질 수 있다. 챔퍼의 개수, 챔퍼의 길이, 및 챔퍼의 각도를 변경함으로써, 절연체(102)와 상부 부싱(104) 사이에 라인 컨택트가 보장될 수 있고, 라인 컨택트의 축이 방사상 안쪽 또는 바깥쪽으로, 원하는대로, 쉬프트될 수 있다. 한 점으로 모이는 챔퍼를 통해 라인 컨택트에 대한 컨택트를 제한함으로써, 열 팽창, 엘리먼트의 미스매치와 관련된 것을 포함하여, 센서의 엘리먼트와 연결된 방사상 힘의 적용은 감소될 수 있다. 또한, 축방향의 힘의 적용은 힘의 적용 위치는 물론 적용되는 힘의 크기에 대하여 더욱 정밀하게 제어될 수 있다. 접촉 면적을 줄임으로써, 연관된 컴포넌트에 그 표면을 통해 가해지는 힘의 불균일함 역시 감소된다. 절연체(102)는 상부 전극 컨택트(100)와 피에조 트랜스듀서(98)를 전기적으로 절연하도록 동작하는 임의의 전기적 절연 재료로 이루어질 수 있다. 절연체(102)는 또한 상부 전극 컨택트(100) 및 피에조 트랜스듀서(98)에 기계적 에너지를 전달하는 기계적 액츄에이터이고, 세라믹과 같은, 특히 압축에서, 엔진 작동 온도에서 높은 탄성 계수를 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 절연체(102)는 절연체(102)가 배럴부(306) 위에 놓여짐으로써 어셈블리될 수 있도록, 배럴부(36)의 외경보다 큰 직경을 가지고, 제조시 및 피에조 센서 어셈블리(30)의 작동중에 배럴부(36)와 접촉하지 않도록 크기조절되어, 절연체(102)의 축방향 이동과 관련된 마찰 손실을 피할 수 있다. 절연체(102)의 내경 및 외경은 상부 전극 컨택트(100)의 L-자형 레그 내에 피팅함과 동시에 상부 전극 컨택트(100)의 윗면에 절연체(102)의 아랫면이 남아 있을 수 있도록, 상부 전극 컨택트(100)와 연계하여 적절하게 크기조절된다. 절연체(102)의 높이는 상부 부싱(104)으로부터 상부 전극 컨택트(100)의 L-자형 레그의 전기 기계적 절연을 제공하기 위해 충분히 크다. 절연체(102)는 예컨대, 절연체(22)를 위해 사용된 것과 같은, 알루미나 기반의 세라믹과 같은 임의의 적합한 유전 재료로 형성될 수 있다.
상부 부싱(104)은 배럴부(36)의 바깥 면과 계합하고 용접된다. 피에조 센서 어셈블리(30)의 부재들은 절연체(102)의 윗면에 상부 부싱(104)으로부터 가해지는 압력에 의해 압축 프리로드 하에서 접촉되어 있다. 배럴부(36)에 상부 부싱(104)을 용접하는 것은 원하는 프리로드를 고정시킨다. 상부 부싱(104)은 상부 부싱(104)이 배럴부(36) 위에 놓음으로써 어셈블리될 수 있도록, 배럴부(36)의 외경보다 큰 내경을 가진 실린더형 링 형태이다. 상부 부싱(104)은 안쪽으로 뻗은 정렬 립(106)을 포함한다. 립(106)의 내경은 약간 뻑뻑한 맞춤(slight interference fit)을 형성하고, 상부 부싱(104)의 중심의 정렬을 돕기 위해 배럴부(36)의 외경보다 약간 작다. 상부 부싱(104)의 실린더형 링 형상은 부싱(104)의 중간부분의 안쪽 직경 상에 카운터보어의 통합에 의해 가늘어지는 얇은 부분(108)을 가진다. 얇은 부분(108)의 통합에 의해, 상부 부싱(104)의 신축적인 유연성이 증가되고, 상부 부싱(104)에 스프링과 같은 방사상 응답 특성을 제공한다. 상부 부싱(104)의 바깥 면은 헥스 또는 바이-헥스와 같은 적합한 스파크 플러그 부착 피처(110)를 가진다. 이 피처 크기는 관련된 스파크 플러그 애플리케이션에 대하여 이러한 타입의 산업 표준 도구 크기에 따르는 것이 바람직할 것이다. 물론, 몇몇 애플리케이션은 표준 스패너 렌치를 수용하기 위한 슬롯과 같은, 헥사곤 이외의 도구 수용 인터페이스 및 레이싱 스파크 플러그, 및 다른 애플리케이션 및 다른 환경에서 주지된 다른 피처를 필요로 할 수도 있다. 상부 부싱(104)은 또한 피에조 센서 어셈블리(30)로부터의 출력 신호를 엔진 컨트롤러 또는 엔진 진단 장치와 같은 신호 처리 장치로 전송하기 위해 사용되는 신호 케이블 및 (도시되지 않은) 커넥터의 부착을 위해 사용될 수 있는 러그(lug)를 포함할 수 있다. 대안으로서, 상부 부싱(104)은 또한 러그 없이 형성될 수도 있다. 상부 부싱(104)은 다양한 등급의 강(steel) 및 도금강을 포함한 임의의 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 그러나, 상부 부싱(104)은 강 보다 낮은 열 팽창 계수를 가지고, 엔진 동작 환경에서 강화된 성능을 가지는, 코바(Kovar)와 같은 세라믹 절연체 재료의 열 팽창 계수와 가능한 가깝고, 이러한 환경에서 발생하는 것으로 주지된 높은 온도의 산화 및 부식 프로세스에 대한 저항력을 가지는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 코바는 중량비로 대략 20% Ni, 17% Co, 0.30% Mn, 0.20% Si, 및 0.02% C 및 밸런스 Fe의 명목적 조성을 가지는 니켈-코발트-철 합금이다. 상부 부싱(104)의 아랫면은 절연체(102)의 윗면과 접하고, 절연체(102)에 대한 기계적 시트를 제공한다.
조립하는 동안, 피에조 센서 어셈블리(30)의 엘리먼트들은 대략 360lbs의 압축 프리로드를 받는 배럴부(36) 위에 놓여지고, 상부 부싱(104)은 원하는 조립 프리로드를 고정시키기 위해 배럴부(36)에 레이저 용접된다. 마감된 스파크 플러그 어셈블리(20)를 실린더 헤드(31)의 나사가공된 개구(42)에 부착하는 동안, 실린더 헤드(31)에 의해 스파크 플러그 어셈블리(20)에 가해지는 힘은 센서 어셈블리(30)의 조립 동안 트랜스듀서(98)에 가해지는 압축 프리로드의 임의의 유의미한 영향을 주지 않는다. 이는 플랜지(44)가 조립될 때 실린더 헤드(31)의 상부 평면(43)과 접촉하지 않고 이격되어 유지되기 때문이다. 그보다, 쉘(24)과 실린더 헤드(31) 사이의 시팅은 윗면과 아랫면(43, 45) 사이의 실린더 헤드(31)의 개구(42) 내에 형성된 감소된 직경의 환형 시일링 시트(112)와 쉘(24)의 시일링 시트(50) 사이의 실린더 헤드(31)에 내부적으로 발생한다.이러한 시팅 계합의 위치는 쉘(24)의 하부 플랜지(56)에 대하여 절연체(22)의 제3 또는 하부 숄더(86)가 시팅하는 위치와 매우 인접하고, 시일 가스켓(114)이 기밀 시일의 형성을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이, 실린더 헤드(31) 내의 시일링 시트(112)는 조립시 하부 플랜지(56)와 방사상으로 나란하게 또는 실질적으로 방사상으로 나란하게 구성된다. 또한, 시일링 시트(112)는 실린더 헤드(31)에 스파크 플러그 어셈블리(20)의 조립을 완료한 후, 쉘(24)의 플랜지(44)가 실린더 헤드의 윗면(43)으로부터 축방향으로 이격되어 유지됨을 보장하기 위해 실린더 헤드(31)의 윗면(43)으로부터 축방향으로 소정의 거리만큼 떨어져 형성된다. 이와 같이, 쉘(24)과 실린더 헤드(31) 사이에 가해지는 압축 로드, 및 절연체(22)의 하부 숄더(86)와 쉘(24)의 하부 플랜지(56) 사이에 가해지는 압축 로드는 서로 축방향으로 나란하거나 실질적으로 축방향으로 나란하고, 쉘(24)은 센서 어셈블리(30) 상에 로딩에 영향을 줄 수 있는 임의의 축방향의 뒤틀림으로부터 실질적으로 자유롭게 유지된다. 따라서, 사용중 센서 어셈블리(30)에 의해 전송되는 신호는 절연체(22)의 노즈 부(78)에 가해지는 압축 압력의 실제적이고 정밀한 지시이다. 센서 어셈블리(30)에 영향을 주는 것을 피하기 위해, 쉘(24)과 실린더 헤드(31) 사이에 가해지는 로드와, 절연체(22)와 쉘의 제3 숄더(86) 사이에 가해지는 로드의 상대적인 축방향 위치에 관하여 서술된 위치는 실질적으로 서로 인접한 것이 바람직하고, 쉘(24)과 실린더 헤드(31) 사이의 로드는 절연체(22)와 하부 숄더(86) 사이의 로드와 방사상으로 나란한 것이 더욱 바람직하다. 이는 스파크 플러그 어셈블리(2)를 실린더 헤드(31)의 개구(42)에 조립하는 동안 절연체(22)가 쉘(24)에 대하여 축방향으로 쉬프트하지 못하도록 유지한다.
도 3에서, 본 발명의 다른 형태에 따라 구성된 스파크 플러그 어셈블리(120)가 도시되어 있는데, 여기서 100 만큼 차이나는, 앞서 사용된 동일한 참조 번호가 앞서 서술된 것과 유사한 피처를 식별하기 위해 사용된다. 본 실시예에의 한가지 고유한 차이점은 어셈블리(12)가 쉘(124)과 실린더 헤드(131) 내의 개구(142) 사이에 배치된 진동 제어 부재(116)를 가진다는 것이다. 진동 제어 부재(116)는 쉘(124)과 실린더 헤드(131) 사이의 상대적인 축방향 이동을 가능하게 함과 동시에 방사 방향으로의 진동을 댐핑하는 것이 바람직하다. 진동 제어 부재(116)는, 예컨대, O-링 또는 그와 유사한 것, 스프링 와셔, 원뿔형 스프링, 또는 플렉시블 막을 포함한 임의의 적합한 신축성 재료로 이루어질 수 있다. 부재(116)의 위치 유지를 용이하게 하기 위해, 환형 홈(118)이 시일링 시트(151)와 플랜지(144) 사이에 쉘(124)의 외부 표면으로 뻗어 있고, 원한다면, 실린더 헤드(131)의 상부 평면(143)과 접촉하지 않고 유지되고, 홈(118)이 실린더 헤드(131)의 개구(142) 내에 형성될 수 있고, 시일은 실린더 헤드(131)의 홈 내에 배치된다. 그러므로, 시일 부재(116)는 실린더 헤드(131)와 시일링 및 진동 댐핑 계합을 위해 홈(118)으로부터 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있도록 홈(118) 내에 배치된다. 도 3에 적용된 몇몇 추가적인 참조번호는 다른 설명없이 유사한 피처를 나타낸다. 그외에, 스파크 플러그 어셈블리(120)는 앞서 서술한 것과 동일하다.
도 4에 본 발명의 다른 형태에 따라 구성된 스파크 플러그 어셈블리(220)가 도시되어 있는데, 여기서 200 만큼 차이나는, 앞서 사용된 동일한 참조번호가 앞서 서술된 것과 유사한 피처를 식별하기 위해 사용된다. 어셈블리(220)는 스파크 플러그 어셈블리(20)와 유사하지만, 외부 플랜지(244)는 실린더 헤드(231)의 개구(242) 내의 수용을 위한 실린더형 부분(248)의 전체 길이를 따라 뻗어 있고, 플랜지(244)는 상부 환형, 평면형 숄더(246)와 환형, 평면형 시일링 시트(250) 사이로 뻗어 있고, 숄더(246) 및 시일링 시트(20)는 서로 축방향으로 나란하고 평행하다. 앞서 서술된 시일링 시트(50)와 유사한 시일링 시트(250)는 절연체(222)의 아래 숄더(286)와 쉘(224) 내의 아래 내부 시일링 플랜지(256) 사이에 시일을 형성하는 시일 가스켓(214)과 실질적으로 방사상으로 나란하고 인접하다. 따라서, 앞서 서술한 바와 같이, 스파크 플러그 어셈블리를 개구(42)로 완전히 삽입한 후, 센서 어셈블리(230) 상에 "어셈블리된) 프리로드는 그대로 유지되고, 그로 인해 실린더 보어 내부의 연소 압력의 실제적이고 정밀한 지시를 제공한다. 스파크 플러그 어셈블리(120)와 함께, 진동 제어 가스켓(216)이 통합될 수 있다. 가스켓(216)은 쉘 플랜지(244)의 시일링 시트와 실린더 헤드(231)의 개구(242) 내의 시일링 시트(212) 사이에 배치되고, 가스켓(216)은 상기 서술한 바와 같이 기능한다.
도 2 및 3에 도시된 실시예는 대략 10mm 정도로 작은 직경을 가진 스파크 플러그와 같이 비교적 작은 스파크 플러그 구성에 잘 맞지만, 이러한 구성은 더 큰 직경의 스파크 플러그 어셈블리에도 동등하게 적합할 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 다양한 수정 및 변형이 앞선 교시를 통해 가능할 것임은 명백하다. 그러므로, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 본 발명은 특정하게 서술된 것과 다르게 실시될 수도 있음을 이해해야 한다.

Claims (18)

  1. 스파크 플러그 어셈블리로서,
    상부 숄더 및 하부 숄더를 구비한 대체로 환형인 세라믹 절연체;
    외측면, 및 내측면에 의해 바운딩된 중앙 캐비티를 구비한 금속 환형 외부 쉘; 및
    센서 어셈블리;를 포함하고,
    상기 내측면은 상기 절연체의 상기 하부 숄더와 축방향으로 마주하도록 방사형으로 안쪽으로 뻗어 있는 플랜지를 포함하고, 상기 외부 쉘은 근단 끝부, 및 반대편의 파스닝 끝부를 포함하고, 상기 파스닝 끝부는 바깥 나사 부분, 및 상기 플랜지와 인접한 상기 나사 부분으로부터 방사형으로 바깥방향으로 뻗어 있는 환형 시일링 시트를 포함하고, 상기 외부 쉘은 상기 시일링 시트와 상기 근단 끝부 사이에 방사형으로 뻗어 있는 환형 숄더를 포함하고, 상기 근단 끝부는 상기 캐비티를 향해 방사형으로 안쪽으로 뻗어 있는 환형 턴오버를 포함하고, 상기 턴오버는 상기 절연체의 상기 상부 숄더와 축방향으로 마주하고, 상기 외부 쉘에 대하여 상기 절연체의 축방향 이동을 방지하고,
    상기 센서 어셈블리는 상기 쉘과 상기 턴오버 사이에서 상기 외부 쉘에 접하여 수용되어 있고, 상기 절연체와 상기 외부 쉘 사이의 상대적 축방향 이동에 반응하여 신호를 전송하도록 반응하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 상기 플랜지와 실질적으로 방사형으로 나란한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 숄더는 상기 시일링 시트에 대하여 방사형으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 외측면은 상기 시일링 시트와 상기 쉘의 상기 숄더 사이에서 실질적으로 실린더형인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 상기 하부 숄더와 축방향으로 나란한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 외측면은 상기 시일링 시트와 상기 쉘의 상기 숄더 사이에 환형 홈을 가지고, 상기 홈에 수용되고 상기 외측면으로부터 방사형으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 시일을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 끝이 점점 가늘어지는 형상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 어셈블리.
  8. 내연기관 컴포넌트로서,
    윗면과 아랫면을 가지고, 상기 윗면과 상기 아랫면 사이로 뻗어 있는 개구를 포함하는 실린더 헤드; 및
    상기 개구 내에 고정되도록 구성된 스파크 플러그 어셈블리;를 포함하고,
    상기 개구는 상기 아랫면 부근에서 감소된 직경 영역을 가지고, 상기 윗면 부근에서 증가된 직경 영역을 가지고, 상기 감소된 직경 영역과 상기 증가된 직경 영역 사이로 뻗어 있는 시일링 시트를 포함하고,
    상기 스파크 플러그 어셈블리는
    상부 숄더 및 하부 숄더를 구비한 대체로 환형인 세라믹 절연체;
    내측면에 의해 바운딩되는 중앙 캐비티를 가지고, 근단 끝부와 반대편의 파스닝 끝부 사이로 뻗어 있는 외측면을 가지는 금속 환형 외부 쉘; 및
    센서 어셈블리;를 포함하고,
    상기 내측면은 상기 절연체의 상기 하부 숄더와 축방향으로 마주하는 방사형으로 뻗은 플랜지를 포함하고, 상기 파스닝 끝부는 상기 실린더 헤드의 상기 감소된 직경 영역과 나사 결합하도록 구성된 바깥 나사가공된 영역 및 상기 나사가공된 영역과 인접하게 뻗어 있고 상기 실린더 헤드의 상기 시일링 시트와 축방향으로 마주하는 환형 시일링 시트를 포함하고, 환형 숄더가 상기 시일링 시트와 상기 근단 끝부 사이에 방사상으로 뻗어 있고, 상기 근단 끝부는 상기 절연체의 상기 상부 숄더와 축방향으로 마주하는 환형 턴오버를 가지고,
    상기 센서 어셈블리는 상기 숄더와 상기 턴오버 사이에서 상기 외부 쉘과 접하여 수용되고, 상기 센서 어셈블리는 상기 절연체와 상기 외부 쉘 사이의 상대적 축방향 이동에 응답하여 신호를 전송하도록 응답하는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 상기 플랜지와 방사형으로 실질적으로 나란한 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 숄더는 상기 쉘의 상기 시일링 시트에 대하여 방사상 바깥으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 숄더는 상기 실린더 헤드의 상기 윗면 위로 적어도 부분적으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 숄더는 상기 시일링 시트가 서로 축방향으로 마주할 때, 상기 실린더 헤드의 상기 윗면으로부터 축방향으로 이격되어 유지되는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 상기 쉘의 상기 숄더와 축방향으로 나란한 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 외측면은 상기 쉘의 상기 시일링 시트와 상기 쉘의 상기 숄더 사이에서 실질적인 실린더형인 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 외측면은 상기 쉘의 상기 시일링 시트와 상기 쉘의 상기 숄더 사이에 환형 홈을 가지고, 상기 홈에 수용되는 상기 개구의 상기 증가된 직경 영역을 인게이징하도록 구성된 시일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 끝이 점점 가늘어지는 형상인 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 시일링 시트는 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
  18. 제 8 항에 있어서, 상기 쉘의 상기 외측면과 상기 실린더 헤드 내의 상기 개구의 상기 증가된 직경 영역 사이에 환형 갭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 컴포넌트.
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