JP2005509123A - シース形グロープラグにおけるプラグヒーター及びシース形グロープラグ - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用のシース形グロープラグ（５）において使用されるプラグヒーター（１）並びにシース形グロープラグ（５）の電気的特性及び機械的特性の改良に関わる。プラグヒーター（１）は、実質的に内位に位置する少なくとも１つの絶縁層（１０）と実質的に外位に位置する第１導体層（１５，１６）とを有し、しかも前記の両層（１０；１５，１６）はセラミック製の複合組織から成っている。前記プラグヒーター（１）は、同じくセラミック製の複合組織から成る第２導体層（２０）を有している。前記第２導体層（２０）は、プラグヒーター（１）の燃焼室寄り先端部（４０）の領域で前記第１導体層（１５，１６）と接合されている。前記第２導体層（２０）は、前記絶縁層（１０）の内部に延在している。

Description

【０００１】
技術分野：
本発明は、独立請求項１に記載した形式のシース形グロープラグにおけるプラグヒーター及び独立請求項１０に記載した形式のシース形グロープラグに関する。
【０００２】
背景技術：
ドイツ連邦共和国特許第１００５３３２７号明細書に基づいてすでに公知になっているディーゼルエンジン用のシース形グロープラグにおけるプラグヒーターは、実質的に内位に位置する少なくとも１つの絶縁層と、実質的に外位に位置する少なくとも１つの導体層とを有し、しかも前記の両層はセラミック製の複合組織から成っている。このようにして外位の導体層は、プラグヒーターの燃焼室寄り先端領域では、縦断面で見てＵ形の形状を有しているので、外位の導体層は、プラグヒーターの燃焼室寄り先端領域では絶縁層を包囲している。
【０００３】
発明の開示：
独立請求項１に記載した構成手段を具備した本発明のプラグヒーター及び独立請求項１０に記載した構成手段を具備した本発明のシース形グロープラグは、従来技術に対比して、プラグヒーターが、やはりセラミック製の複合組織から成る第２の導体層を有し、この第２導体層が、プラグヒーターの燃焼室寄り先端領域で第１導体層に接合されており、かつ第２導体層が絶縁層の内部に延在している点にある。このように導出部として、ひいては基準電位、例えば車体接地電位に接続するための第１導体層と、給電部として、ひいては使用電圧電位、例えば車両バッテリーの陽極に接続するための第２導体層が設けられている場合、前記基準電位に対するプラグヒーターの外的な電気絶縁を省くことが可能になる。第２導体層はその場合、プラグヒーターの燃焼室寄り先端領域を除いて絶縁層によって、すでに外部に対して電気的に絶縁されている。従ってプラグヒーターを外部に対して電気絶縁する絶縁層を設ける必要がなくなり、従って製作コストが削減される。従属請求項に列挙した構成手段によって、第１の独立請求項に記載したプラグヒーターの有利な構成と改良が可能である。
【０００４】
第１導体層は基準電位、特に車体接地電位に接続され、かつ第２導体層は使用電圧電位、特に車両バッテリーの陽極に接続されているのが特に有利である。このようにすれば、前述のようにプラグヒーターの外部に対する電気絶縁を省くことが可能になる。
【０００５】
第１導体層、第２導体層及び絶縁層は、横断面で見て実質的に回転対称形に配置されているのが特に有利である。このようにすればプラグヒーターの製造時に、加熱によって気体状物質が、各セラミック材料から分離され、絶縁層及び導体層の等方性収縮が実現される。
【０００６】
更にまた、内燃機関におけるプラグヒーターの運用に伴ってプラグヒーターが周期的に加熱／冷却される場合、絶縁層と導体層との異なった熱膨張に基因して熱的に誘発される機械的応力を、大幅に低下させることが可能になる。
【０００７】
また絶縁層と両導体層を実質的に回転対称形に配置することによって、プラグヒーターの真円性挙動が更に改善される。
【０００８】
要するにこのようにすれば、プラグヒーターの熱的及び機械的な負荷耐性が高められ、ひいてはプラグヒーターの堅牢性も高められる。
【０００９】
また絶縁層は横断面で見て、少なくとも１つの別の方向に比較してより大きな寸法を有する優先方向を有しているのが有利である。このようにすれば第１に、プラグヒーターの製造プロセスにおいて、特に絶縁層を第１導体層と接合する際の絶縁層の歪曲が充分に防止される。これによってプラグヒーターの機械的な堅牢性が高められる。更にまた電気抵抗が優先方向で高められるので、この方向では、第１導体層と第２導体層との間を流れる漏れ電流が少なくなる。
【００１０】
更にまた、第２導体層は横断面で見て、少なくとも１つの別の方向に比較してより大きな寸法を有する優先方向を有しているのが有利である。このように構成すれば、プラグヒーターの製造時、特に第２導体層を絶縁層と接合する際に、第２導体層の撓曲が充分に回避される。これによってプラグヒーターの機械的な堅牢性が同じく高められる。
【００１１】
また第１導体層は、プラグヒーターの燃焼室寄り先端部の領域では第１セラミック材料から成り、前記第１導体層はその他の領域では第２セラミック材料から成り、かつ前記第１セラミック材料は、前記第２セラミック材料よりも高い電気抵抗率を有しているのが有利である。このようにすれば第１導体層はプラグヒーターの燃焼室寄り先端部領域内では、燃焼室寄り先端部領域外部よりも高い電気抵抗を得ることができる。従ってプラグヒーターの加熱を、プラグヒーターの燃焼室寄り先端部領域に集中させることが可能になる。
【００１２】
この利点は、プラグヒーターの燃焼室寄り先端部の領域では、総横断面積における絶縁層の分担比率分が増大するのに対して、総横断面積における両導体層の分担比率分が減少している場合にも得られる。
【００１３】
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１４】
図１において符号５は、内燃機関、例えばディーゼルエンジンのシリンダヘッドに組込むためのシース形グロープラグを表わしている。該シース形グロープラグ５はプラグヒーター１を含んでいる。ケーシングにおけるプラグヒーター１の固定、或いは内燃機関のシリンダヘッドにおけるシース形グロープラグ５の固定に関わるシース形グロープラグ５のその他の構成要素は、概略図の故に図示されていない。図１ではプラグヒーター１はこの場合、縦断面図で示されている。プラグヒーター１は、実質的に内位に位置する絶縁層１０を有し、該絶縁層は、実質的に外位に位置する第１導体層１５，１６によって包囲されている一方、第２導体層２０を包囲している。従って該第２導体層２０は絶縁層１０の内部で延在している。この場合第１導体層１５，１６は管状に形成されており、かつ図２に示す通り、実質的に管形横断面を有している。第１導体層１５，１６によって包囲された絶縁層１０も管状に形成されており、かつ図２に示す通り、実質的に管形横断面を有している。絶縁層１０の内部にその場合、第２導体層２０が延在し、該第２導体層は絶縁層１０によって包囲されかつ円筒形に形成されているので、図２に示すように横断面で見れば、実質的に円形面を形成している。絶縁層１０から第２導体層２０を解放している、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域において、第２導体層２０は第１導体層１５，１６と導電結合されており、しかも第１導体層１５，１６は、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０において絶縁層１０と第２導体層２０とを、図１の縦断面図で見ればほぼＵ字形に包囲している。
【００１５】
第１導体層１５，１６、第２導体層２０及び絶縁層１０は夫々セラミック製の複合組織から成っている。絶縁層１０のために使用されるセラミック製の複合組織はその場合、導体層１５，１６，２０のために使用されるセラミック製の複合組織よりも著しく高い電気抵抗率を有している。このようにして第１導体層１５，１６と第２導体層２０との間の漏れ電流は、第１導体層１５，１６を第２導体層２０と結合しているプラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域を除けば、大幅に抑えられる。
【００１６】
ところで例えば第１導体層１５，１６は使用電圧電位３０、例えば車両バッテリーの陽極に、また第２導体層２０は基準電位２５、例えば車体接地電位に接続することもできる。この場合、第１導体層１５，１６はヒーター電流の導入部を表わし、また第２導体層２０はヒーター電流の導出部を表わすことになる。しかし図１に示したように、第２導体層２０を使用電圧電位３０に、また第１導体層１５，１６を基準電位２５に接続するのが特に有利である。この場合は第２導体層２０がヒーター電流の導入部であり、第１導体層１５，１６はヒーター電流の導出部である。導入部としての第２導体層２０はその場合すでに絶縁層１０によって外部に対して絶縁されている。第１導体層１５，１６は、いずれにしても基準電位２５に接続するために設けられているので、第１導体層が車体接地電位もしくは基準電位２５に接触することがあっても、何の問題もなく、従って第１導体層１５，１６を、もう一度外部に対して絶縁する必要はない。プラグヒーター１の直径はその場合、例えば３．３ｍｍであることができる。
【００１７】
プラグヒーター１の先端部４０の領域における電気抵抗を高めるためには、図１に示したように、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域において第１導体層１５，１６が第１セラミック材料１６から成るのに対して、第１導体層１５，１６はその他の領域では第２セラミック材料１５から成るようにすることができる。その場合第１セラミック材料１６は、プラグヒーター１の稼働中に発生する温度において、第２セラミック材料１５及び第２導体層２０よりも高い電気抵抗率を有している。第１セラミック材料１６はその場合、図１の縦断面図で見れば、絶縁層１０と第２導体層２０をＵ形状に包囲している。これによってプラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域における電気抵抗が増強されることによって、プラグヒーター１の加熱作用が、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域に集中され、従って可能な限り内燃機関の燃焼室内へシフトされることになる。これによって−２０°Ｃから１０００°Ｃへ昇温させるのに僅か２秒の加熱時間及び１２００°Ｃ以上の持続温度が実現される。
【００１８】
図１のＡ−Ａ断面線に沿って断面した、図２のプラグヒーター１の横断面図に基づいて判るように、プラグヒーター１の前記第１実施形態では、第１導体層１５，１６、絶縁層１０及び第２導体層２０は実質的に互いに共軸に配置されている。その場合、第１導体層１５，１６と絶縁層１０は夫々実質的に円環形横断面に形成されている。第２導体層２０は実質的に円形面の横断面形状を有している。従って横断面図で見れば、第１導体層１５，１６と第２導体層２０と絶縁層１０との実質的に回転対称形の配置構成が生じる。製作時にプラグヒーター１は加熱され、第１導体層１５，１６、絶縁層１０及び第２導体層２０から気体状物質が分離される。その結果、これらの層は収縮する。このような収縮は、プラグヒーター１が焼結プロセス、加熱プレスプロセス、ヒートアイソスタティックなプレスプロセス又は類似の方法によって製造される場合にも発生する。絶縁層１０はその場合、第１導体層１５，１６及び第２導体層２０とは相異した組成に基づいて、その都度前記の両導体層とは異なった挙動で収縮する。全層１０，１５，１６，２０の回転対称形配置に基づいて全層１０，１５，１６，２０は等方性収縮を行うので、収縮差に基づいて比較的僅かな機械的応力が生じる。
【００１９】
シリンダヘッド内でプラグヒーター１を運用する場合、プラグヒーター１の周期的な加熱と冷却が生じる。絶縁層１０用の材料が第１導体層１５，１６及び第２導体層２０の材料に対比して相異していることに基づいてその場合、第１導体層１５，１６及び第２導体層２０に対比して絶縁層１０の異なった熱膨張が生じる。その際に生じる熱的に誘発された機械的応力は、回転対称に基づいて著しく低減される。
【００２０】
プラグヒーター１の全層１０，１５，１６，２０を実質的に同心的かつ回転対称形に配置したことによって得られる更なる利点は、前記の層が正確な同心性を有せず、製作誤差に基づいてやや非同心性をもって配置されている場合でさえも、プラグヒーター１の真円性が改善されることである。
【００２１】
図２に示したようにプラグヒーター１の層１０，１５，１６，２０を実質的に回転対称形に配置した場合の利点は、絶縁層１０が製作誤差に基づいてやや非同心的に位置していても、プラグヒーター１の電気抵抗挙動に変化を生ぜしめないことである。それというのは第２導体層２０の横断面積も第１導体層１５，１６の横断面積も変化されないからである。
【００２２】
図１及び図２に示した第１実施例の場合と同一の構成要素には同一符号を付しして示した図３及び図４の第２実施例の場合、プラグヒーター１は図３ではやはり縦断面図で示されている。図４は、図３のＢ−Ｂ断面線に沿ったプラグヒーター１の横断面図である。
【００２３】
図３に示した第２実施例の場合も第１導体層１５，１６は、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域では第１セラミック材料１６から成り、その他の領域では第２セラミック材料１５から成っており、しかも第１セラミック材料１６は、第２セラミック材料１５よりも高い電気抵抗率を有している。択一的に、或いは図３に示したように付加的に、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域では、総横断面積における絶縁層１０の分担比率分が増大するのに対して、総横断面積における両導体層１５，１６，２０の分担比率分は減少するようにすることもできる。これを実現するために図３では、絶縁層１０と第２導体層２０の横断面積が等しいのに対して、第１導体層１５，１６の横断面積は、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域では、該燃焼室寄り先端部４０の方に減少するようになっている。その場合、絶縁層１０の横断面積は、図３に示したように一定であることができる。第２導体層２０の横断面積はその場合、図３に示したように、やはり一定であることができる。この場合、図３に示したように総横断面積は、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の方に向かって減少される。また択一的に、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の方に向かっての第１導体層１５，１６の横断面積減少化は、燃焼室寄り先端部４０の方に向かっての絶縁層１０の横断面積増大化に随伴するので、プラグヒーター１の総横断面積は、プラグヒーターの全長にわたって実質的に一定である。この手段の目的は、第２実施例の場合も同様に、プラグヒーター１の燃焼室寄り先端部４０の領域における電気抵抗を高めて、加熱出力を其処に集中するためである。
【００２４】
図３のＢ−Ｂ断面線に沿って断面した図４に示した横断面は、プラグヒーター１の横断面縮小領域外に位置してはいるが、質的には、燃焼室寄り先端部４０の領域における図３に示した横断面縮小領域についても該当する。第１導体層１５，１６、第２導体層２０及び絶縁層１０は、大体において互いに同心的ではあるが、もはや回転対称形には配置されていない。ここで重要な点は、第２実施形態の場合の絶縁層１０の横断面が、第１実施形態の場合の絶縁層１０に対比して、少なくとも１つの別の方向に比較してより大きな寸法を有する優先方向３５を有していることである。つまり図４では絶縁層１０が、プラグヒーター１の外縁にまで優先方向３５に拡張されているので、第１導体層１５，１６は、燃焼室寄り先端部４０の領域外で２分割されている。但し絶縁層１０は優先方向３５でプラグヒーター１の外縁に達するまで拡張されている必要はないので、第１導体層１５，１６の前記２分割は、必ずしも必要という訳ではない。絶縁層１０のために優先方向３５を使用することによって、プラグヒーター１の製造プロセスにおいて絶縁層１０を第１導体層１５，１６に接合する際に、絶縁層１０の屈撓を充分に回避することができるので、第１実施例で示した回転対称形の構成の場合よりもプラグヒーター１を特に機械的に堅牢に構成できるという利点が得られる。また図４では図示されてはいないが、第２導体層２０の横断面も、択一的に又は絶縁層１０に加えて、少なくとも１つの別の方向に比較して強く拡張された優先方向４５を有することもできる。このようにすれば、プラグヒーター１の製造において絶縁層１０と接合する際の第２導体層２０の撓曲も充分に回避される。この構成手段によっても、第１実施例に示した回転対称形の配置構成に比較して、プラグヒーター１の機械的堅牢性が高められる。プラグヒーター１の製造時に第２導体層２０及び絶縁層１０の撓曲を共に避けようとする場合には、絶縁層１０並びに第２導体層２０の横断面は、少なくとも１つの別の方向に比較して強く拡張された優先方向を有していなければならない。
【００２５】
図４に示したように絶縁層１０が優先方向３５を有している場合、この方向で電気絶縁作用が増強され、かつ第２導体層２０と第１導体層１５，１６との間における漏れ電流の生成が著しく低下される。
【００２６】
プラグヒーター１の成形は、低廉な大量生産法として射出成形法、トランスファー成形法、或いは泥しょう鋳込み法（鋳込み成形法）によって実現可能である。第１導体層１５，１６、第２導体層２０及び絶縁層１０のためには夫々、複合セラミックを使用することが可能であり、該複合セラミックは両導体層１５，１６，２０の場合には、導電性充填物質を有するマトリックスとして構成されている。これによって、より高い使用温度、より高い耐食性及びより長期の耐用寿命が実現される。
【００２７】
第１導体層１５，１６によって外位ヒーターを実現することによって、プラグヒーターの加熱時間が短縮され、かつ例えば−２０°Ｃの場合でも、いわば内燃機関の即時始動が実現される。第２導体層２０が、絶縁層１０によって絶縁されて使用電圧電位３０に接続されていることに基づいて、プラグヒーター１の外位の電気絶縁を省くことによって、製作費を削減することが可能である。プラグヒーター１の直径は例えば約３．３ｍｍにすることができる。本明細書で説明されたプラグヒーター１を備えたシース形グロープラグ５は、例えばシリンダヘッドのＭ８−ケーシングに装着される。
【００２８】
外位ヒーターが第１導体層１５，１６によって実現されることに基づいて、−２０°Ｃから出発して数秒以内に１０００°Ｃの温度に達し、かつ１２００°Ｃ以上の持続温度が得られる。すでに述べたように第１セラミック材料１６の抵抗が、第２セラミック材料１５の抵抗及び第２導体層２０の抵抗に対比して高められる場合、加熱時間を低減することが可能である。この手段によって持続温度の昇温も得られる。第２実施例の場合も第２導体層２０は、第１実施例の場合と同様に絶縁層１０の内部を案内されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施形態によるシース形グロープラグのプラグヒーターの縦断面図である。
【図２】
第１実施形態によるプラグヒーターの横断面図である。
【図３】
本発明の第２実施形態によるシース形グロープラグのプラグヒーターの縦断面図である。
【図４】
第２実施形態によるプラグヒーターの横断面図である。
【符号の説明】
１ プラグヒーター、 ５ シース形グロープラグ、 １０ 絶縁層、 １５ 第１導体層又は第２セラミック材料、 １６ 第１導体層又は第１セラミック材料、 ２０ 第２導体層、 ２５ 基準電位、 ３０ 使用電圧電位、 ３５ 優先方向、 ４０ 燃焼室寄り先端部、 ４５ 優先方向

Claims (10)

1. 内燃機関用のシース形グロープラグ（５）におけるプラグヒーター（１）であって、該プラグヒーター（１）が、実質的に内位に位置する少なくとも１つの絶縁層（１０）と実質的に外位に位置する第１導体層（１５，１６）とを備えており、前記の両層（１０；１５，１６）が、セラミック製の複合組織から成る形式のものにおいて、
   プラグヒーター（１）が、前記第１導体層（１５，１６）と同じくセラミック製の複合組織から成る第２導体層（２０）を備えており、該第２導体層（２０）が、プラグヒーター（１）の燃焼室寄り先端部（４０）の領域で前記第１導体層（１５，１６）と接合されており、前記第２導体層（２０）が、前記絶縁層（１０）の内部に延在していることを特徴とする、内燃機関用のシース形グロープラグにおけるプラグヒーター（１）。
2. 第１導体層（１５，１６）が、基準電位（２５）、特に車体接地電位に接続されており、第２導体層（２０）が、使用電圧電位（３０）、特に車両バッテリーの陽極に接続されている、請求項１記載のプラグヒーター（１）。
3. 第１導体層（１５，１６）、第２導体層（２０）及び絶縁層（１０）が、実質的に互いに共軸に配置されている、請求項１又は２記載のプラグヒーター（１）。
4. 第１導体層（１５，１６）、第２導体層（２０）及び絶縁層（１０）が、横断面で見て実質的に回転対称形に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
5. 第１導体層（１５，１６）及び絶縁層（１０）が、横断面で見て実質的に円環形に形成されており、第２導体層（２０）が、横断面で見て実質的に１つの円形面を形成している、請求項１から４までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
6. 絶縁層（１０）が、横断面で見て、少なくとも１つの別の方向に比較してより大きな寸法を有する優先方向（３５）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
7. 第２導体層（２０）が、横断面で見て、少なくとも１つの別の方向に比較してより大きな寸法を有する優先方向（４５）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
8. 第１導体層（１５，１６）が、プラグヒーター（１）の燃焼室寄り先端部（４０）の領域では第１セラミック材料（１６）から成り、前記第１導体層（１５，１６）が、その他の領域では第２セラミック材料（１５）から成り、前記第１セラミック材料（１６）が、前記第２セラミック材料（１５）よりも高い電気抵抗率を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
9. プラグヒーター（１）の燃焼室寄り先端部（４０）の領域では、総横断面積における絶縁層（１０）の分担比率分が増大するのに対して、総横断面積における両導体層（１５，１６；２０）の分担比率分が減少している、請求項１から８までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のプラグヒーター（１）を備えたシース形グロープラグ。

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