JP3147501B2

JP3147501B2 - セラミックグロープラグの通電発熱装置

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Publication number: JP3147501B2
Application number: JP16702492A
Authority: JP
Inventors: 恵一竹島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 2001-03-19
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JPH05332241A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，エンジン始動時に急峻
な昇温カーブを有する熱サイクルに耐え，熱効率がよ
く，温度制御特性に優れたセラミックグロープラグの通
電発熱装置に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に，ディーゼルエンジンは始動性を向
上させる為に副燃焼室等にグロープラグを装着し，これ
に通電して赤熱し，室内に噴射される燃料の一部を燃焼
させて予熱する方法がとられている。該グロープラグは
始動時に急峻な昇温特性を有することが要求されると共
に，始動後も燃焼安定化の為のアフターグローとして，
比較的長時間使用されるため，その耐久性の向上が要望
されている。図５の上部図は，エンジンキーの操作手順
とグロープラグに要求される温度変化の一例を示すもの
である。

【０００３】この目的に対応する急速加熱型グロープラ
グとして，図７に示すように，高融点金属の線材からな
る発熱線（図示省略）をセラミック粉体中に埋設してな
るセラミックヒータ２９と，上記発熱線よりも大きい正
の抵抗温度係数をもつ線材を用いた直列抵抗体５０を，
上記発熱線に直列に接続した，自己制御型セラミックグ
ロープラグ１１が知られている（例えば実開昭６２−２
９５４８号参照）。

【０００４】即ち，図７に示すように，一般に自己制御
型セラミックグロープラグ１１は，ハウジング６の中に
セラミックヒーター２９，直列抵抗体５０及び通電用中
軸７を有し，それぞれが電気的に直列に接続されてい
る。通電用中軸７の端部はハーネス取付用ネジ７１によ
って，バッテリ（プラス電源）に接続され，一方ハウジ
ングのエンジン取付用ネジ部６１によってエンジンに接
地される。ハウジング６は発熱部取付材６２によって，
セラミックヒーター２９を把持すると共に，セラミック
ヒーター２９と電気的に接続されている。ハウジング６
と通電用中軸７とは絶縁ブッシュ６５によって絶縁され
ている。

【０００５】一方，上記自己制御型セラミックグロープ
ラグにおける直列抵抗体５０で消費する電力を無くする
ために，直列抵抗体５０を取り除き別に通電制御装置を
設けて，セラミックヒーターへ流す電流を，機械式のリ
レーを用いて，断続させて温度を制御する方法が知られ
ている（特開昭５８−７００６１，或いは特開昭５８−
１９５０７３号参照）。

【０００６】また，上記機械式リレーの代わりに，セラ
ミックヒーターへ通電する電流の断続を半導体スイッチ
ング素子によって行う方法もある（例えば実公昭６０−
３４７８６，特開昭５８−１３５７１，特開昭５４−５
１３７号参照）。なお，セラミックヒーター２９に埋設
される発熱線にはタングステンフィラメント等が用いら
れており，該発熱部を軸方向に垂直な面で切ったとき，
発熱線の全断面積に対する比率は１％弱程度である。

【０００７】

【解決しようとする課題】しかしながら，従来のセラミ
ックグロープラグにおいては次のような問題点がある。
即ち，グロープラグによる予熱の目標は，エンジンキー
をオンさせた後，始動（ＳＴ）操作したときのエンジン
の瞬時始動である。この目標のためには，エンジンキー
をオンさせた後のグロープラグの昇温特性は，８００℃
への昇温を２．０秒以下で達するような立ち上がり昇温
カーブが要求されている。

【０００８】しかし，高融点金属の線材からなる発熱線
をセラミック粉体中に埋設し焼結してなる従来のセラミ
ックヒーターにおいては，使用寿命としての耐久性の問
題から上記要求を満足することができなかった。即ち，
耐久性については５万サイクル程度の寿命が必要である
が，従来のセラミックヒーターにおいては，８００℃，
２秒間の立ち上がり昇温カーブで使用すると，約２万サ
イクル以下程度の寿命しかない。このため，５万サイク
ル以上の耐久性を達成するためには，８００℃まで４秒
程度という緩い立ち上がり昇温カーブに制限させざるを
得ないという問題があった。

【０００９】また，大きい正の抵抗温度係数をもつ直列
抵抗体を用いた，前記自己制御型セラミックグロープラ
グは，直列抵抗体で消費する電力はプラグ自体の加熱の
ために用いられるものではなく，その意味では無駄な電
力消費である。この直列抵抗体消費電力は，長時間続く
アフターグロー時においては，上記セラミックヒーター
の発熱線の消費電力に比して，約２倍に達することがあ
る。従って，省電力のためには上記直列抵抗体を用いな
い温度制御方式が望ましい。

【００１０】しかし，直列抵抗体を用いない通電制御装
置においては，機械式リレーによって電流を断続させる
方法は，リレー接点の寿命に問題がある。従って，この
方式では電流を断続させるサイクルを抑制する必要を生
じ，このためグロープラグの温度が脈動するという問題
があり，制御性に劣る。

【００１１】本発明は，上記従来技術の問題点に鑑み，
エンジン始動時の急峻な昇温カーブにも充分な耐久性を
有し，電力損失が少なく，かつ温度制御特性に優れたセ
ラミックグロープラグの通電発熱装置を提供しようとす
るものである。

【００１２】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，セラミッ
クグロープラグと該セラミックグロープラグに電力を供
給する通電制御装置とよりなり，セラミックグロープラ
グは，プラグハウジングの先端部に，セラミック発熱体
を絶縁性セラミックの内部に埋設してなる発熱部を有
し，上記セラミック発熱体は，セラミック発熱体の横断
面積Ｓが発熱部の全横断面積Ｔの２０〜６０％であり，
またセラミック発熱体及び絶縁性セラミックの熱線膨張
係数が３．０〜６．０×１０^-6／℃であり，一方，上記
通電制御装置は，発熱部の温度が所定温度範囲に入るよ
うに，オンオフデューティ比制御を行う出力用の半導体
スイッチング素子を有することを特徴とするセラミック
グロープラグの通電発熱装置にある。また，請求項２に
記載の発明は，プラグハウジングと，該プラグハウジン
グの先端部に配設されると共にセラミック発熱体を絶縁
性セラミックの内部に埋設してなる発熱部とを有し，上
記セラミック発熱体は，該セラミック発熱体の横断面積
Ｓが上記発熱部の全横断面積Ｔの２０〜６０％であり，
かつ上記セラミック発熱体及び上記絶縁性セラミックの
熱線膨張係数が３．０〜６．０×１０ ^-6 ／℃であること
を特徴とするセラミックグロープラグにある。

【００１３】また，以下の構成を採用することにより，
より好ましい構成とすることができる。即ち，上記セラ
ミックグロープラグの通電発熱装置は，セラミックグロ
ープラグと通電制御装置とからなる。セラミックグロー
プラグは一般に燃焼室に取付けたとき，燃焼室内に向か
って，ハウジングの先端を突出する構造を有する。

【００１４】該セラミックグロープラグは，上記プラグ
ハウジングの先端部に発熱部を有し，該発熱部はセラミ
ック発熱体を絶縁性セラミックの中に埋設してある。ま
た，発熱部は，その軸心を通る軸心に平行の面で切断し
たとき，セラミック発熱体はＵ字形の形状を有してお
り，そのＵ字部の両端は導線等を経由してそれぞれ正ま
たは負の電源に接続される。

【００１５】また，発熱部を軸心に垂直の面で切断した
とき，セラミック発熱体の面積は発熱部の全面積の２０
〜６０％の範囲にある。即ち，エンジンの瞬時始動特性
の面からは，２秒間で８００℃の昇温カーブが要求さ
れ，一方耐久性の面からは５万回以上の熱サイクル寿命
が要求される。この点から上記断面積は全面積の２０％
以上である必要がある。一方，セラミック発熱体は絶縁
性セラミックに埋設される。そのため，強度や加工性の
面から限界があり，上記断面積は全断面積の６０％以下
に抑制しなければならない。

【００１６】また，温度勾配を有する空間に並置される
セラミック発熱体と絶縁性セラミックとの間に働く熱応
力を小さくするためには，両部材間の熱膨張係数の差が
小さいことが望ましい。セラミックグロープラグでは一
般にＳｉ₃Ｎ₄をベースにしたセラミックが多く用いら
れており，これらのセラミックは１×１０^-5〜１×１０
^-6／℃程度の熱線膨張係数を有している。一方，セラミ
ック発熱体は適度の導電性が必要であり，他方絶縁性セ
ラミックは適度の絶縁性が必要である。これらの条件を
総合的に勘案すると，セラミック発熱体及び絶縁性セラ
ミックの熱線膨張率は３．０〜６．０×１０^-6／℃の範
囲とすることが必要である。

【００１７】一方，通電制御装置は，発熱部の温度を検
出して，発熱部の温度が所定値に入るようにフィードバ
ック制御を行う。通電制御装置は，その出力部に半導体
スイッチング素子を有し，該半導体スイッチング素子の
オンとオフとのデューティ比を変化させて発熱部の温度
を制御する。

【００１８】

【作用及び効果】請求項１及び２の発明においては，発
熱部は発熱体とそれを埋設する絶縁性セラミックとが共
にセラミックから構成されており，全断面積に対する発
熱体の断面積比率は，前記従来例の，金属線を用いた発
熱体の断面積比率に比べればはるかに大きい。このた
め，発熱体内部における空間的な温度分布は従来例に比
べて大幅に平準化され，空間的な温度勾配はゆるやかで
ある。

【００１９】そして，上記温度勾配のゆるやかさは，定
常的な温度状態の場合のみならず，過渡的な昇温過程に
おいても同様である。また，両部材の熱線膨張率も制限
されている。このためセラミック発熱体と絶縁性セラミ
ックの境界部をはじめとする発熱部内の熱応力が大幅に
低下し，発熱部の耐久性を向上させる。また，本発明の
通電発熱装置は，自己制御型セラミックグロープラグの
ように発熱体に直列に直列抵抗体を用いておらず，電子
化されている上に，出力部は半導体スイッチング素子を
用いている。従って電力の損失は極めて少ない。また，
機械式リレーを用いていないため通電制御装置は摩耗等
の心配がなく耐久性が高い。

【００２０】また，半導体スイッチング素子を用いてい
るから高速のスイッチング制御（オンオフデューティ比
制御）が可能であり，温度制御特性は極めて優れてい
る。従って，本発明によれば，エンジン始動時の急峻な
昇温カーブにも充分な耐久性を有し，電力損失が少な
く，温度制御特性に優れた，セラミックグロープラグの
通電発熱装置を提供することができる。

【００２１】

【実施例】

実施例１本発明の実施例にかかるセラミックグロープラグの通電
発熱装置について図１〜図５を用いて説明する。本例の
通電発熱装置は，図２に示すようにセラミックグロープ
ラグ１と通電制御装置８とによりなる。図２では，４個
のセラミックグロープラグ１からなる例である。上記セ
ラミックグロープラグ１は，図１，図３に示すように，
セラミック発熱体３を絶縁性セラミック４に埋設してな
る発熱部２を有する。上記セラミック発熱体３は，図３
に示すように，その縦断面形状がＵ字状である。

【００２２】また，本例においては，セラミック発熱体
３の横断面積Ｓ（上部発熱体３１の面積Ｓ１と下部発熱
体３２の面積Ｓ２の合計）は，発熱部２の全横断面積Ｔ
の約３８％である。また，セラミック発熱体３及び絶縁
性セラミック４の熱線膨張係数は，いずれも３．０〜
６．０×１０^-6／℃の範囲にある。通電制御装置８は，
図２に示すように，半導体スイッチング素子８１を有
し，コントローラ８２によって発熱部の温度が所定の温
度範囲に入るように，そのオンオフデューティ比制御を
行っている。なお，図２の符号８４は直流電源（バッテ
リ），８３はエンジンキースイッチを示す。

【００２３】上記について，更に詳説すれば，セラミッ
クグロープラグ１は，図１に示すように，ハウジング６
と発熱部２と通電用中軸７とを有する。ハウジング６と
通電用中軸７との間はガラスシール６４及び絶縁ブッシ
ュ６５によって絶縁され，ナット６６を締付けて固定さ
れている。通電用中軸７はネジ部７１を有し，該ネジ部
７１をバッテリからのハーネス（図示せず）を締付ける
ことにより，プラス電源に接続される。

【００２４】一方，ハウジング６はエンジン取付用ネジ
部６１を有し，エンジンに取付けられて接地される。ま
たハウジング６は発熱部取付材６２を有し，発熱部２を
挿入把持すると共に発熱部２のタングステン線５１の一
端５１１と電気的に接続されている。通電用中軸７と発
熱部２とはリード線５３によって接続される。リード線
５３の一端は，通電用中軸７の端部７２で接続され，リ
ード線５３の他端は発熱部２内に設けられているタング
ステン線５１の端部５２１と接続されている。

【００２５】発熱部２は，絶縁性セラミック４中に，セ
ラミック発熱体３とタングステン線５１，５２とを埋設
してなる。タングステン線５１，５２の一端はセラミッ
ク発熱体３の端部３１１，３２１と電気的に接続され，
他端は前記のようにリード線５３及びハウジングの発熱
部取付材６２と接続されている。

【００２６】本例の発熱部２は，図４に示すように，断
面外径ｃは３．５ｍｍであり，中径ｂは２．７ｍｍ，セ
ラミック発熱体３のＵ字部間隙ａは０．８ｍｍである。
従って，セラミック発熱体３の横断面積Ｓは，全横断面
積Ｔの約３８％である。

【００２７】セラミック発熱体３は，２５〜２７重量％
のＭｏ₅Ｓｉ₃と残部Ｓｉ₃Ｎ₄とからなる総重量１０
０％に対して，焼結助材として総重量に対して１〜１０
重量％のＡｌ₂Ｏ₃及びＹ₂Ｏ₃を配合したものであ
る。Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は約１０μであり，Ｍｏ₅Ｓ
ｉ₃の平均粒径は約１μである。

【００２８】一方，絶縁性セラミック４は，２０〜２２
重量％のＭｏＳｉ₂と残部Ｓｉ₃Ｎ₄とからなる総重量
１００％に対して，焼結助材を配合したものである。こ
の焼結助材は，上記セラミック発熱体の場合と同一のも
のを同量加えた。また，上記Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は約
０．７μで，ＭｏＳｉ₂の平均粒径は約１μである。セ
ラミック発熱体３の熱線膨張係数は３．８〜５．０×１
０^-6／℃，絶縁性セラミック４の熱線膨張係数は３．６
〜４．２×１０^-6／℃であり，タングステン線５１，５
２の熱線膨張係数は４．４×１０^-6／℃である。

【００２９】次に，本例の通電制御装置８は，図２示す
ように，出力部の半導体スイッチング素子８１とコント
ローラ８２とよりなる。コントローラ８２はセラミック
グロープラグ１の温度をその抵抗値の変化等により検出
し，半導体スイッチング素子８１のオンオフデューティ
比を変えて，セラミックグロープラグ１が図５に示すよ
うな所定の温度となるよう制御する。

【００３０】図５は標準的なエンジン始動サイクルにお
けるセラミックグロープラグ１の温度制御の経過を示す
ものである。図５の下段に示すように，エンジンキーが
オフ（ＯＦＦ）からオン（ＯＮ）に切換わると，所定温
度（ここでは１０００℃）までセラミックグロープラグ
の温度を急速に立上げ，クランキング（エンジンキーＳ
Ｔ）完了まで上記温度（１０００℃）に保持する。エン
ジンが始動した後のアフターグロー期間中は，上記温度
より若干低めの温度に制御する。アフターグロー期間
（数１０秒から１〜２分）後は，セラミックグロープラ
グへの通電を停止する。

【００３１】本例の半導体スイッチング素子８１には図
２に示すようにＭＯＳ−ＦＥＴを用いている。半導体ス
イッチング素子８１のスイッチング周波数としては，セ
ラミックグロープラグの温度脈動をなくすのに充分な周
波数であると共に，発生ノイズの抑制や電波障害の抑制
の問題も考慮して実験を行ない，１０〜３０Ｈ_Zを用い
た。

【００３２】次に本例の作用効果について述べる。本例
のセラミックグロープラグ１は，その発熱部２における
セラミック発熱体３の全体に占める相対的な面積比が従
来例に比べてはるかに大きく，またセラミック発熱体３
と絶縁性セラミック４の線膨張係数の差も従来例に比べ
て小さい。従って熱応力の発生自体が弱められると共
に，発生した熱応力が平準化するものと考えられる。こ
の結果，熱的ストレスが減少して耐久性が向上し，エン
ジンキーを入れたときの昇温カーブを従来より急峻にし
ても，充分な耐久性が得られる。

【００３３】また，本例では，従来例の自己制御型セラ
ミックグロープラグのように直列抵抗体を用いないので
消費電力が少なく，バッテリの負担を軽減できる。また
半導体スイッチング素子を用いているので，通電制御装
置のスイッチング周波数を上げて高速化できる上，耐久
性は極めて大である。

【００３４】また，スイッチング周波数を上げることに
よりキメ細かい温度制御が可能となり制御性が大幅に向
上する。更に半導体スイッチング素子としてＭＯＳ・Ｆ
ＥＴを用いているからパワートランジスタ等に比べてオ
ン抵抗が低く，また電流の検出も容易であり故障検出が
容易である。このように本例によれば，エンジン始動時
の急峻な昇温カーブを有する熱サイクルに耐え，省電力
形で，かつ温度制御特性のよいセラミックグロープラグ
の通電発熱装置を得ることができる。

【００３５】実施例２本例では，実施例１のセラミックグロープラグについ
て，その耐久性テストを行ない，これを下記の従来品と
の比較において示すものである。上記テストは，表１に
示す始動時昇温時間を種々に変えることにより行った。
例えば，テストナンバーＮ１は，４秒間で８００℃の昇
温を行ったものである。また，本例の実験データは，図
６に示すような熱サイクルカーブのくり返しに対する耐
久性の結果を示すものである。即ち，図６に示すよう
に，立上がりの昇温カーブの昇温時間ｔ₀を変化させ
て，実施例１のサンプルと従来例のサンプルについて，
それぞれ５万回のサイクルテストを行った。サンプル数
は各ケース毎に４個ずつを用いている。

【００３６】表１より知られるように，本発明では，大
幅な耐久性の改善が見られる。なお，従来例におけるサ
ンプルは，図１における発熱体に代えてタングステンフ
ィラメントからなる発熱線を絶縁性セラミック埋設して
なる発熱部を有するセラミックグロープラグである。タ
ングステンフィラメントの熱線膨張係数は４．４×１０
^-6／℃であり，絶縁性セラミックのそれは３．４×１０
^-6／℃である。また，タングステンフィラメントの線径
は０．２φであり，発熱部に占める断面積は０．６５％
である。

【００３７】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のセラミックグロープラグの断面図。

【図２】実施例１の通電発熱装置の全体説明図。

【図３】実施例１のセラミックグロープラグの発熱部縦
断面図。

【図４】実施例１のセラミックグロープラグの発熱部横
断面図。

【図５】実施例１のセラミックグロープラグの温度制御
カーブ説明図。

【図６】実施例２の耐久テストの熱サイクルカーブ。

【図７】従来の自己制御型セラミックグロープラグの断
面図。

【符号の説明】

１．．．セラミックグロープラグ，２．．．発熱部，３．．．発熱体，４．．．絶縁性セラミック，５１，５２．．．タングステン線，６．．．プラグハウジング，７．．．通電用中軸，８．．．通電制御装置，８１．．．半導体スイッチング素子，８２．．．コントローラ，８３．．．エンジンキースイッチ，

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02P 19/00 F02P 19/02 301 F23Q 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックグロープラグと該セラミック
グロープラグに電力を供給する通電制御装置とよりな
り，セラミックグロープラグは，プラグハウジングの先端部
に，セラミック発熱体を絶縁性セラミックの内部に埋設
してなる発熱部を有し，上記セラミック発熱体は，セラミック発熱体の横断面積
Ｓが発熱部の全横断面積Ｔの２０〜６０％であり，また
セラミック発熱体及び絶縁性セラミックの熱線膨張係数
が３．０〜６．０×１０^-6／℃であり，一方，上記通電制御装置は，発熱部の温度が所定温度範
囲に入るように，オンオフデューティ比制御を行う出力
用の半導体スイッチング素子を有することを特徴とする
セラミックグロープラグの通電発熱装置。
【請求項２】プラグハウジングと，該プラグハウジン
グの先端部に配設されると共にセラミック発熱体を絶縁
性セラミックの内部に埋設してなる発熱部とを有し，上記セラミック発熱体は，該セラミック発熱体の横断面
積Ｓが上記発熱部の全横断面積Ｔの２０〜６０％であ
り，かつ上記セラミック発熱体及び上記絶縁性セラミッ
クの熱線膨張係数が３．０〜６．０×１０ ^-6 ／℃である
ことを特徴とするセラミックグロープラグ。