JP2011047641A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関における使用のための、セラミック製のヒータエレメントを含むグロープラグを提供する。
【解決手段】グロープラグ１１４は、セラミック製のヒータエレメント１１０、特にグローピン１１２を備え、セラミック製のヒータエレメント１１０は少なくとも１つの切欠き部１２０を有し、温度センサー１２４、特にサーモエレメント１２６は切欠き部１２０内に少なくとも部分的に受容され、温度センサーとセラミック製のヒータエレメントとは、素材結合により互いに結合され、セラミック製のヒータエレメントの少なくとも１つのセラミック成分を含む充填材１３０が用いられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、グロープラグ、特にディーゼルエンジン若しくは別の自己着火式の内燃機関のための低温始動用補助装置として用いられるシース形グロープラグに関する。

独国特許出願公開第１００３１８９３Ａ１号明細書に記載のディーゼルエンジン用のセラミック製のシース形グロープラグは、イオン電流センサーを有している。該シース形グロープラグに含まれるロッド状のセラミック製のヒータエレメントは、少なくとも１つの絶縁層と２つの給電層を有している。さらにイオン電流検出のための少なくとも１つの電極を設けてあり、該電極は導電性のセラミック材料から成っている。

グロープラグ、特にシース形グロープラグに、温度測定センサーを設けて、シース形グロープラグを温度測定形プラグとして構成することが、望ましい。このような構成により、シース形グロープラグの温度は、特殊な使用のための車両においても、テストスタンドにおいても長い測定サイクルにわたって測定することができるようになる。さらに、長時間作動試験の際のシース形グロープラグの温度の並列的な監視が、パイロメーター測定と共に、温度センサー、特にサーモエレメントの信号の評価によって可能である。このような目的のために、原理的には、グロープラグにおける溝を備えるヒータエレメント、例えばセラミック製のグローピンが用いられ、溝内に温度センサーが取り付けられることになる。しかしながらこの場合に、溝内における温度センサーの固定は厄介な問題である。

本発明は、窒化ケイ素から成るシース形グロープラグを、該シース形グロープラグに溝をフライス加工することにより、温度測定形プラグとして構成する試みをベースとしている。この場合に、サーモエレメントは、溝内にはめ込まれて、Al₂O₃製又はZrSiO₄製の接着剤を用いて固定されている。このように構成される温度測定形プラグは、研究のため並びに自動車における応用のために提供されるものである。サーモエレメントの固定のために用いられている上記接着剤は、ヒータエレメントの窒化ケイ素（Si₃N₄）のセラミックと極めて異なる膨張係数を有している。これによって接着剤材料の破壊が発生し、最終的には材料分裂が発生することになる。
独国特許出願公開第１００３１８９３Ａ１号明細書

従って、本発明に課題は、従来技術では明らかになっていない問題の解決のために、内燃機関における使用のための、セラミック製のヒータエレメント、特にグローピンを含むグロープラグを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の構成によれば、グロープラグ、特に内燃機関に用いられるグロープラグであって、セラミック製のヒータエレメント、特にグローピン、及び少なくとも１つの温度センサー、特に少なくとも１つのサーモエレメントを含んでおり、セラミック製のヒータエレメントは少なくとも１つの切欠き部を有しており、温度センサーは切欠き部内に少なくとも部分的に受容されており、温度センサーとセラミック製のヒータエレメントとは、素材結合により互いに結合されており、充填材が用いられており、該充填材はセラミック製のヒータエレメントのセラミック成分と同じ少なくとも１つのセラミック成分を含んでいる。

例えばセラミック製のヒータエレメントは、材料として窒化ケイ素（Si₃N₄）を含み若しくは完全に窒化ケイ素から成っている窒化ケイ素製のヒータエレメントであってよい。異なる実施の形態若しくは追加的な構成として、原理的には別のセラミック材料を用いることも可能である。

特に、ヒータエレメントはグローピンとして、つまりロッド状のエレメントとして形成することができる。グローピンは例えば、円形横断面若しくは環状横断面若しくは多角形横断面を有するシリンダー状の形状を有していてよい。原理的には他の幾何学形状も可能である。ヒータエレメントの構成については、例えば上記公知技術のものが参考にされる。

さらに、本発明に係るグロープラグは少なくとも１つの温度センサーを含んでいる。原理的には、従来技術において知られていてグロープラグで発生する標準的な温度、例えば１３００℃若しくは１５００℃までの白熱温度に耐えるあらゆる温度センサーを用いることができる。温度センサーとしては、例えば従来技術において知られる温度測定抵抗器を使用することができる。特に有利には、温度差によりゼーベック効果に基づき電圧を形成するようになっている互いに結合された互いに異なる金属を有するサーモエレメントが用いられる。異なる実施の形態若しくは追加的な構成として、他の種類の温度センサーを用いることも可能である。

セラミック製のヒータエレメントは少なくとも１つの切欠き部を有しており、この場合に温度センサーは切欠き部内に少なくとも部分的に受容されている。切欠き部は、セラミック製のヒータエレメントに設けられた少なくとも１つの溝及び／又はフライス加工部及び／又は面取り部及び／又は孔であってよい。切欠き部は、例えばグローピンの所定の区分に沿って延びる溝及び／又はフライス加工部、及び／又はグローピンの縦軸線（長手方向軸線）に沿って全長にわたって延びる溝及び／又はフライス加工部、及び／又はグローピンの先端内まで延びる溝及び／又はフライス加工部であってよい。他の種類の切欠き部、例えば他の形状の切欠き、例えば凹部及び／又は穿孔も原理的には可能である。簡単な製造及び、グローピンの縦軸線に沿って延びる大きな面積の観点から、溝が特に有利である。

温度センサーはセラミック製のヒータエレメントに素材結合により結合されており、この場合に、セラミック製のヒータエレメントに含まれるセラミック成分のうちの少なくとも１つを有する充填材が用いられている。有利には、充填材とセラミック製のヒータエレメントとは互いにほぼ同一の熱膨張係数を有している。この場合にほぼ同一の熱膨張係数とは、互いに２０％を超えない、有利には互いに５％を超えない、特に有利には互いに２％を超えない差内にある膨張係数を意味している。窒化ケイ素は標準的には２〜４・１０^-6Ｋ^-1の範囲の熱膨張係数を有している。

セラミック製のヒータエレメントは、前に述べてあるように、少なくとも部分的に窒化ケイ素（Si₃N₄）によって形成することができる。この場合に特に有利には、充填材は少なくとも部分的に窒化ケイ素から成っており、かつ又は窒化ケイ素を有している。

充填材は、特に、少なくとも１つのセラミック成分を有する接着剤の形で、例えば窒化ケイ素をベースとする接着剤の形で用いることができる。接着剤は、セラミック成分の他に、別の成分、例えば一回若しくは複数回の熱処理工程、特に焼結工程及び／又は最終結合工程で除去される結合剤及び／又は別の有機成分を含んでいてよい。このような構成により、溝は該溝内に温度センサーが収容された状態で、例えば注入工程及び／又は平滑化工程及び／又は接着剤の充填工程において充填材若しくは充填材の前駆体で満たされ、次いで、必要に応じて別の加工工程、例えば脱脂及び／又は焼結等の熱処理工程が行われる。

接着剤を用いることと異なり、或いは接着剤を用いることに加えて、適切な充填材を設けることができる。充填材は例えば化学気相生長法（ＣＶＤ）及び／又は物理気相生長法（ＰＶＤ）により設けることができる。

特に有利には充填材の粗面化のためにプラズマスプレープロセスが用いられる。プラズマスプレープロセスにおいて、主としてアークを用いてプラズマジェット、つまり電子ガス若しくはイオンガスが生成される。プラズマジェット内に粉末、例えばセラミック製の粉末が注入され、該粉末はプラズマジェット内で高いプラズ温度に基づき少なくとも部分的に溶融される。溶融された粉末はプラズマジェットによって、被覆すべきワークに吹き付けられて被着される。粉末としてセラミックス粉末若しくはセラミックス混合粉末を用いることができ、該セラミックス粉末若しくはセラミックス混合粉末は必要に応じて添加物、例えば有機質の添加物を含んでいてよい。

本明細書で用いている用語のプラズマスプレープロセスは、慣用のスプレー法、例えば火炎スプレー、爆発フレーム溶射、冷ガススプレー、アーク溶射、プラズマ転送アーク溶接やレーザースプレー等を含むものである。つまり、プラズマスプレープロセスは原理的に任意の熱スプレー法又は熱コーティング法を意味し、若しくは原理的に熱スプレー法又は熱コーティング法を含むものであり、プラズマスプレープロセスにおいて特に有利にはアークによりプラズマジェットが形成される。

特にプラズマスプレープロセスを用いる場合に、或いは別の被覆法若しくは塗布法で充填材を設ける場合に、充填材は、該充填材がグロープラグに設けられた後に多孔性勾配及び／又は密度勾配を有しているように形成されている。充填材の多孔性は、該充填材の表面領域で、該充填材の深くに位置する領域でよりも小さく形成され、及び／又は、充填材の密度は、該充填材の表面領域で、該充填材の深くに位置する領域でよりも高く形成されている。原理的には密度及び／又は多孔性は連続的に若しくは不連続に変化させることができる。

ヒータエレメントに対する、若しくは切欠き部の表面に対する充填材の接着性を高めるために、ヒータエレメント及び／又は切欠き部の表面を全体的若しくは部分的に粗面化し、かつ又はヒータエレメント及び／又は切欠き部の表面に全体的若しくは部分的に絶縁性の接着剤層を施すことができる。

粗面化のために、例えばサンドブラスト法及び／又はエッチング法及び／又はレーザー加工法を用いることができる。原理的には機械的な粗面化法を用いることができ、かつ又はこれらの粗面化法を組み合わせて用いることも可能である。絶縁性の接着剤層として、例えば無機質の中間層を用いることができ、例えばセラミック製の中間層を用いることができる。上記接着剤層の粗面化のために、該絶縁性の材料に適した種々の方法を用いることができ、例えばセラミックの被覆を、加圧及び／又は化学気相生長法及び／又は物理気相生長法により施すことができる。この場合にプラズマスプレー法を用いることも可能である。

グロープラグの製造のための本発明に係る方法によれば、少なくとも１つの切欠き部がグロープラグのセラミック製のヒータエレメントに設けられ、次いで少なくとも１つの温度センサーが切欠き部内に少なくとも部分的に受容される。度センサーとセラミック製のヒータエレメントとは、素材結合により互いに結合され、この場合に、セラミック製のヒータエレメントの少なくとも１つのセラミック成分を含んでいる充填材が用いられる。

本発明に係るグロープラグ及び本発明に係る方法は、従来技術のグロープラグ及び方法に対して多くの利点を有している。上記のグロープラグは研究にも車両における使用にも適している。

研究開発に際して、温度はパイロメーター測定と温度センサーの信号の評価を同時に行うことによって測定される。

温度センサー、特にサーモエレメントをプラズマスプレー生成の窒化ケイ素（Si₃N₄）によって固定することにより、類似の熱膨張係数を得ることができる。これにより、温度センサーを備えるグロープラグの耐用年数は著しく高められ、コストを節減することができ、かつ研究開発に際して極めて多くの見識を得ることができる。

グロープラグ温度は、グロープラグの診断及び／又は特にディーゼルエンジンの低温始動の際の機関制御の最適化のために用いられる。これにより有害物質の発生が抑えられる。

溝を有するグローピンの斜視図である。 取り付けられて固定されたサーモエレメントを含む溝に沿った断面図である。

図１は、グロープラグ１１４のグローピン１１２として形成されたセラミック製のヒータエレメント１１０の詳細を示している。グロープラグ１１４は、図１に一部分のみを示してあるケーシング１１６内に収容されている。グロープラグ１１４の機能及びグロープラグ１１４の詳細な種々の構成については、前述の公知技術、特に独国特許出願公開第１００３１８９３Ａ１号明細書に記載の内容が参考にされるものである。

グローピン１１２はほぼロッド状の形状を有していて、ケーシング１１６とは逆の側の丸味の付けられた先端１１８を有している。

図１に示してあるように、グロープラグ１１４には側面に、ケーシング１１６のところから延びる溝１２２の形の切欠き部１２０及び／又はフライス加工部が設けられている。

切欠き部１２０内には、図２の断面図から見て取れるように、例えばサーモエレメント１２６として形成された温度センサー１２４が配置されている。この場合に、１つ若しくは複数の接続接点部１２８が貫通案内部を経てケーシング１１６内に入り込んでいて、そこで適切に接続されるようになっている。

温度センサー１２４を切欠き部１２０内に受容した後に、切欠き部１２０は、少なくとも部分的に充填材１３０で満たされ、これにより、温度センサー１２４は素材結合によりセラミック製のヒータエレメント１１０に結合される。このために追加の工程、例えば１つ又は複数の熱処理工程、特に充填材１３０の硬化のための工程を設けることができる。

セラミック製のヒータエレメント１１０は、例えば窒化ケイ素製セラミックヒータである。この場合に有利には、充填材１３０自体は、少なくとも部分的に窒化ケイ素の充填物として形成され及び／又は窒化ケイ素を含んでいる。

切欠き部１２０の充填は例えばSi₃N₄をベースとする接着剤によって行うことができる。充填材１３０は、別の手段により、若しくは追加的に、ＣＶＤ法及び／又はＰＶＤ法を用いて設けられ、及び／又はプラズマスプレープロセスを用いて設けられてよい。充填材として窒化ケイ素を用いることは、特にセラミック製のヒータエレメント１１０が完全に若しくは部分的に窒化ケイ素によって形成されている場合に有利である。

切欠き部１２０内に充填材１３０を設ける方法として、プラズマスプレープロセスは特に有利である。プラズマスプレープロセスにおいては、充填材１３０の段階的な多孔性を形成することも可能である。この場合に充填材１３０は、例えば内側、つまりセラミック製のヒータエレメント１１０に向いた側で、表面領域１３２よりも高い多孔性を有することができる。これに対して、充填材１３０は表面領域１３２では内側よりも密に形成することができる。このような構成により、温度センサー１２４の材料とセラミック製のヒータエレメント１１０及び／又は充填材１３０の材料、例えば窒化ケイ素との間の熱膨張係数の差異を補償することができ、ひいては、グロープラグ１１４のより長い耐用年数を可能にすることができる。

先端１１８の領域における切欠き部１２０、例えば１つの孔を充填するためには、先端部の領域において材料分裂のおそれが側面領域におけるよりも著しく小さいので、すべての実施の形態でSi₃N₄製の接着剤を用いることができる。先端１８０の領域でもプラズマ被覆を可能にするために、セラミック製のヒータエレメント１１０の全ての側にフライス加工部が設けられてよい。

充填材１３０の接着性は、切欠き部１２０の表面を、例えばサンドブラスト、エッチング若しくはレーザーパターン成形法（レーザーによる凹凸パターンの成形）や類似の粗面化法を用いて粗面化することによって高めることができる。別の手段若しくは追加的な手段として、セラミック製のヒータエレメント１１０の表面に、それも切欠き部１２０の領域に絶縁性の粘着剤層を施すことも可能である。

１１０ ヒータエレメント、 １１２ グローピン、 １１４ グロープラグ、 １１６ ケーシング、 １１８ 先端、 １２０ 切欠き部、 １２４ 温度センサー、 １２６ サーモエレメント、 １２８ 接続接点部、 １３０ 充填材、 １３２ 表面領域

Claims (9)

1. グロープラグ（１１４）、特に内燃機関に用いられるグロープラグ（１１４）であって、セラミック製のヒータエレメント（１１０）、特にグローピン（１１２）、及び少なくとも１つの温度センサー（１２４）、特に少なくとも１つのサーモエレメント（１２６）を含んでおり、前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）は少なくとも１つの切欠き部（１２０）を有しており、前記温度センサー（１２４）は前記切欠き部（１２０）内に少なくとも部分的に受容されており、前記温度センサー（１２４）と前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）とは、素材結合により互いに結合されており、充填材（１３０）が用いられており、該充填材は前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）の少なくとも１つのセラミック成分を含んでいることを特徴とするグロープラグ。
2. 前記充填材（１３０）と前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）とは、ほぼ同一の熱膨張係数を有している請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）は少なくとも部分的に窒化ケイ素から成っており、かつ前記充填材（１３０）は少なくとも部分的に窒化ケイ素から成っている請求項１又は２に記載のグロープラグ。
4. 前記充填材（１３０）は、次に述べる１つ若しくは複数の材料、つまり、少なくとも１つのセラミック成分を有する接着剤、特に窒化ケイ素をベースとする接着剤、化学気相生長法及び／又は物理気相生長法により生成される充填材（１３０）、及びプラズマスプレープロセスにより生成される充填材（１３０）を含んでいる請求項１から３のいずれか１項に記載のグロープラグ。
5. 前記充填材（１３０）は、多孔性勾配及び／又は密度勾配を有している請求項１から４のいずれか１項に記載のグロープラグ。
6. 前記充填材（１３０）の多孔性は、該充填材（１３０）の表面領域（１３２）で、該充填材（１３０）の深くに位置する領域でよりも小さくなっている請求項１から５のいずれか１項に記載のグロープラグ。
7. 前記切欠き部（１２０）は、粗面化された及び／又は絶縁性の接着剤層により被覆された１つの表面（１３４）を有している請求項１から６のいずれか１項に記載のグロープラグ。
8. 前記切欠き部（１２０）は、前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）に設けられた少なくとも１つの溝（１２２）及び／又はフライス加工部を有し、特に前記ヒータエレメント（１１０）の先端（１１８）まで延びる溝（１２２）及び／又はフライス加工部及び／又は孔を有している請求項１から７のいずれか１項に記載のグロープラグ。
9. 特に先行の請求項に記載のグロープラグ（１１４）の製造のための方法であって、少なくとも１つの切欠き部（１２０）が前記グロープラグ（１１４）のセラミック製のヒータエレメント（１１０）に設けられ、次いで少なくとも１つの温度センサー（１２４）が前記切欠き部（１２０）内に少なくとも部分的に受容され、前記温度センサー（１２４）と前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）とは、素材結合により互いに結合され、前記セラミック製のヒータエレメント（１１０）の少なくとも１つのセラミック成分を含んでいる充填材（１３０）が用いられることを特徴とする、グロープラグの製造のための方法。

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