JP3589684B2 - Ceramic glow plug - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関に始動補助装置として用いられているセラミックグロープラグに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンなどに始動補助装置として用いられているセラミックグロープラグは、大きく分けて2種類が提案されている。
1つは、発熱体としてコイル状のタングステン線を用い、発熱体に対して電極を電気的に結合し、絶縁性セラミック体に埋設したセラミックヒータを具えたものである。もう1つは、発熱体として、導電性セラミックまたは、金属と絶縁物等の粉末を混合したものを用い、発熱体に対して電極を電気的に結合し、絶縁性セラミック絶縁体に埋設したセラミックヒータを具えたものである。
【0003】
上記2種類のセラミックヒータのうち、発熱体としてタングステン線を用いたセラミックヒータは、タングステン線と絶縁性セラミックの線膨張係数の差による熱応力のため、内燃機関に装着して使用時にセラミックヒータが破損する場合があり、特開昭59−84025号公報に示されるように、コイル状のタングステン線の外接円の径とセラミックヒータの外径の比を規定しているものがある。しかし、発熱体として導電性セラミックまたは、金属と絶縁物等の粉末を混合したものを用いたものは、使用材料の選定により、絶縁性セラミックとの線膨張係数の合わせ込みが可能であり、熱応力に対して大きな配慮をはらう必要がない。
【0004】
上記のセラミックヒータの絶縁性セラミック絶縁体は窒化珪素等の非酸化物セラミックを主成分としている。しかしながら、近年のセラミックグロープラグに対する長寿命化の動向により、エンジン内ガスによる腐食雰囲気下で、高温及び冷熱の繰り返しの長時間使用に伴い、絶縁性セラミックが腐食を受け、順次消失する不具合が見受けられるようになってきている。例えば、導電部材として、導電性セラミックまたは、金属と絶縁物の粉末を混合したものを用いたセラミックヒータに於いては、エンジンでの長時間の使用で導電部材が露出する不具合が見受けられることがある。導電部材は絶縁性セラミック絶縁体に比べ、耐熱耐食性に劣るため、表面に露出すると、燃焼ガスによる腐食(酸化)を受け、最悪の場合には抵抗値が上昇し、ついには機能しなくなってしまう恐れがある。その対策として、特開昭63−297925号公報に示されるように、セラミックヒータの表面にアルミナのコーティング層を形成したものが提案されている。しかし、特開昭63−297925号公報にも示されているが、セラミックヒータの絶縁性セラミック絶縁体は、一般に窒化珪素からなり、アルミナとの線膨張係数の差が大きく、エンジンの高出力化の中で燃焼温度が上昇している近年では、線膨張係数の差による熱応力の一層の上昇のため、アルミナのコーティング層にクラックが発生し、ついには脱落してしまうこともある。そのため、早急にセラミックヒータの絶縁性セラミック絶縁体の腐食を低減する技術が必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、長時間の使用においても、絶縁性セラミック絶縁体の腐食消失によって発熱体が露出しない耐久性の高いセラミックヒータを備えたセラミックグロープラグを提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明においては、保持手段と、該保持手段の一端側から突出するとともに、前記保持手段により保持されるセラミックヒータと、前記保持手段の他端側から突出するとともに、前記セラミックヒータと金属線を介して電気的に導通するように前記保持手段に保持される中軸とからなるセラミックグロープラグにおいて、
前記セラミックヒータが、窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック絶縁体と、該絶縁性セラミック絶縁体に埋設され、導電性セラミックからなる発熱体と、少なくとも一部が前記絶縁性セラミック絶縁体に埋設され、前記発熱体と直接接続される電極とからなり、前記セラミックヒータの前記保持手段の一端側から突出した表面の全部分の表面粗度が十点平均表面粗さで10μm以下であるセラミックグロープラグを提供するものである。
【0007】
【作用】
上記の如く構成したことにより、深さの深い表面傷を除去できた。その結果、より大きな応力集中によってより腐食が進行し易い状況を作り出していた原因を除去できたことから、絶縁性セラミック絶縁体の腐食進行を抑制できる。
【0008】
【発明の効果】
上述の如き作用により、絶縁性セラミック絶縁体の腐食進行が抑制されたために、前記絶縁性セラミック絶縁体の腐食消失が抑制される。それにより、発熱体の露出しない耐久性の高いセラミックヒータを具えたセラミックプラグを提供できる。
【0009】
【実施例】
(第1実施例)
発明者は、腐食の進行について種々検討するうちにセラミックヒータの表面粗さと腐食の進行の関係に重要性を見出し鋭意研究した。研究の結果、絶縁性セラミック絶縁体の表面の腐食消失は、特に、燃料噴霧にさらされる部分で多いが、燃料噴霧にさらされる部分も均一に絶縁性セラミック絶縁体が腐食消失するのではなく、表面の非常に小さな凹部での腐食消失が多いという特徴を明らかにできた。又、さらに凹部の深さの影響を検討した結果、凹部の深さが深いほど、腐食消失が多いことが判明した。この凹部の深さと腐食消失の関係を考察するに、導電部材として例えば導電性セラミックまたは、金属と絶縁物等の粉末を混合したものを用いたものは、使用材料の選定により、線膨張係数の合わせ込みが比較的容易であるとはいえ、常温から高温までの全使用温度域での完全な線膨張係数の合わせ込みは困難である。従って、高温及び冷熱の繰り返し環境下で、値は小さいが線膨張係数の差によってる熱応力が発生する。又、前記凹部が切り欠き部に相当し、凹部の底に応力集中がおこり、腐食が進行し易い状況にあったと考えられる。従って、凹部の深いものは大きな切り欠きとなり、応力集中がより大きく、より腐食が進行し易いと考えられる。
【0010】
しかしながら、セラミックヒータの表面を凹凸無い表面粗さ0μmにすることは不可能であるため、以上の考察を踏まえて、エンジンでの使用において凹部での応力集中による腐食が進行しにくい表面の微小な凹凸の大きさ、即ち、表面粗さの影響を検討するために種々なる試作物を作製した。
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
【0011】
図1は本発明の保持手段をなす中空パイプ3に保持されたセラミックヒータ2の実施例を示す断面図である。前記セラミックヒータ2は円形断面を有する棒状の窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック絶縁体12の先端内部に、U字形状をなす導電部材よりなる発熱体11と、該発熱体11に電気的に結合されたタングステンよりなる一対の電極13、14とが埋設されて構成されている。前記電極14の端部14aが露出する前記セラミックヒータ2の側面2aにはニッケルメッキが施されており、又、前記セラミックヒータ2を保持するために金属の前記中空パイプ3が前記セラミックヒータ2を包含するようにロウ付け固定されている。さらに電極13の端部13aが露出する前記セラミックヒータ2の端部2bにはニッケルメッキが施されており、コイル状の金属線5がロウ付け固定されている。
【0012】
図2は本発明のセラミックヒータ2をセラミックグロープラグ1に組付けた例を示す断面図である。前記中空パイプ3の外周に、エンジンへの取付けネジ4aを有する筒状の保持手段をなす金属ハウジング4の一端がロウ付けによって接合されている。そして、コイル状の前記金属線5の一端は中軸6に溶接されている。そしてこの中軸6は、前記中軸6の端子ネジ部6aを介して図示しない電源と電気的に導通連続されている。なお、前記中軸6と金属ハウジング4の他端側との間はガラスシール7および絶縁ブッシュ8により絶縁され、ナット9を締付けて固定されている。このような構成にすることにより、図示していない電源から前記中軸6、前記金属線5、前記電極13、前記発熱体11、前記電極14、前記中空パイプ3、前記ハウジング4を介して、図示しないエンジンブロックへ電気的にアースされて電力供給手段を構成している。
【0013】
ここで、前記セラミックヒータ2の前記中空パイプ3から裸出している部分の十点平均表面粗さを、2.5μmから25μmまで種々なるものを作製した(表面粗さはJIS B 0601に従う)。
以下、本発明の効果を表す試験結果について示す。
先ず、凹部の深さと腐食の進行状況について前記絶縁性セラミック絶縁体12を窒化珪素を主成分とした前記セラミックヒータ2の前記セラミックグロープラグ1にて試験した。試験は、2000ccディーゼルエンジンで、高温腐食および、凹部での熱応力が発生しやすいよう冷熱試験を行った。条件は前記セラミックグロープラグ1の通電をOFFの状態で、高温条件としてW.O.T4000rpmで2分、低温条件としてアイドリングで2分を1サイクルとして、300サイクル(20時間)運転した。その後、前記セラミックヒータ2を取り出し、樹脂に埋め込み断面観察した。その例を図3に示す。図3より、表面は全面腐食しているが、特に、凹部の深い部分の腐食が顕著であることが分かる。凸部の先端部も若干腐食が大きいが、燃焼の熱影響によりホットスポットになりやすいためであると考えられるが、凸部は表面粗さに関係無く腐食が進んでいる。
【0014】
以上の試験結果をもとに、表面粗さと耐久性の関係について試験した。試験は、4〜25μm表面粗さを有し、又、前記絶縁性セラミック絶縁体12として窒化珪素を主成分にしたφ3.5mmの前記セラミックヒータ2にて実施した。又、近年要求される車両寿命20万Km相当分の厳しい熱負荷を与えるため、上記図3と同じ条件で7500サイクル(500時間)運転した。試験後、前記セラミックヒータ2の最も腐食消失の多い部分の径を測定し、その半径の差を腐食消失量として求めた。前記セラミックヒータ2の最も腐食消失の多い部分はエンジンからの熱負荷が大きい先端側の1/2の部分に集中していた。金属パイプ側は金属パイプへの熱伝導のため先端側に比べ温度が低く腐食も先端側より軽微である。その結果を図4に示す。図4より、表面粗さが約10μm以下のものは最大0.4mm程度の腐食消失量であるが、約10μm以上になると腐食消失量が増大することが分かる。本試験結果を考察するに、表面粗さが小さく、線膨張係数差による熱応力の凹部での応力集中が小さいものでも、エンジンでの高温および冷熱の繰り返し下において、最大0.4mm程度の腐食消失が認められ、これは、前記セラミックヒータ2の表面状態に関係無く、窒化珪素を主成分にしたセラミックヒータの耐熱耐久性であると考えられる。表面粗さが約10μm以上の腐食消失量は、前記セラミックヒータ12の耐熱耐久性による腐食消失量以上になるが、これは、前記セラミックヒータの耐熱耐久性による腐食消失量0.4mmの他に、エンジンでの高温および冷熱の繰り返し下において、線膨張係数差による熱応力の凹部の切り欠き効果により応力集中が起こり、凹部の深い部分で腐食の進行速度が速く、腐食と消失を繰り返すため、長時間の使用後も腐食層を除いた実質の表面粗さは大きく変化しないものと考えられる。
【0015】
以上、図4の結果により、前記セラミックヒータ2の十点平均表面粗さを10μm以下にし、かつ、導電部材の埋設深さを0.4mm以上にすることによって前記絶縁性セラミック絶縁体12の腐食消失による発熱体の露出を防止できる。これにより、長寿命なセラミックグロープラグを提供することができる。
尚、前記絶縁性セラミック絶縁体12を窒化珪素を主成分としたセラミックとしたが、酸化腐食する非酸化物セラミックであっても同様に効奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセラミックヒータの実施例を示す断面図である。
【図2】本発明のセラミックヒータを用いたセラミックグロープラグの実施例を示す断面図である。
【図3】セラミックヒータの腐食状態を示す拡大模式図である。
【図4】エンジン試験後の腐食消失量を表した図である。
【符号の説明】
1 セラミックグロープラグ
2 セラミックヒータ
2a セラミックヒータ側面
2b セラミックヒータ端部
2c セラミックヒータ突出部
3 中空パイプ
4 ハウジング
4a 取付けネジ部
5 金属線
6 中軸
6a 端子ネジ部
7 ガラスシール
8 絶縁ブッシュ
9 ナット
11 発熱体
12 絶縁性セラミック絶縁体
13 電極
13a 電極端部
14 電極
14a 電極端部
3,4 保持手段
3,4,5,6,13,13a,14,14a 電力供給手段[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a ceramic glow plug used as a starting assist device in an internal combustion engine such as a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, two types of ceramic glow plugs used as a start-up assist device in a diesel engine or the like have been roughly classified.
One is a type in which a coil-shaped tungsten wire is used as a heating element, an electrode is electrically coupled to the heating element, and a ceramic heater embedded in an insulating ceramic body is provided. The other is to use a conductive ceramic or a mixture of powder of metal and insulator as the heating element, electrically connect the electrodes to the heating element, and embed the ceramic in the insulating ceramic insulator. It is equipped with a heater.
[0003]
Of the above two types of ceramic heaters, a ceramic heater using a tungsten wire as a heating element has a thermal stress caused by a difference in linear expansion coefficient between the tungsten wire and the insulating ceramic. In some cases, the coil heater may be damaged and the ratio of the diameter of the circumscribed circle of the coiled tungsten wire to the outer diameter of the ceramic heater is specified as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-84025. However, for the heating element using conductive ceramic or a mixture of powder of metal and insulating material, the linear expansion coefficient of the insulating ceramic can be adjusted by selecting the material to be used. There is no need to take great care for stress.
[0004]
The insulating ceramic insulator of the above-described ceramic heater is mainly composed of a non-oxide ceramic such as silicon nitride. However, with the recent trend of extending the life of ceramic glow plugs, there is a problem that the insulating ceramics are corroded and gradually disappear in a corrosive atmosphere caused by gas in the engine and with repeated use of high and low temperatures for a long time. It is becoming possible. For example, in a ceramic heater using a conductive ceramic or a mixture of a metal and an insulating powder as a conductive member, a problem that the conductive member is exposed after prolonged use in an engine may be observed. is there. Since the conductive member is inferior in heat resistance and corrosion resistance as compared with the insulating ceramic insulator, if it is exposed on the surface, it is subject to corrosion (oxidation) by a combustion gas, and in the worst case, the resistance value increases and finally stops functioning. There is fear. As a countermeasure, a ceramic heater having an alumina coating layer formed on the surface thereof has been proposed as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-297925. However, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-297925, the insulating ceramic insulator of the ceramic heater is generally made of silicon nitride, has a large difference in linear expansion coefficient from alumina, and has a high engine output. In recent years, the combustion temperature has risen, and cracks may occur in the alumina coating layer due to the further increase in thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient, and the alumina coating layer may eventually fall off. Therefore, there is a need for a technique for quickly reducing the corrosion of the insulating ceramic insulator of the ceramic heater.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a ceramic glow plug including a highly durable ceramic heater in which a heating element is not exposed due to corrosion disappearance of an insulating ceramic insulator even when used for a long time.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, the holding means, the ceramic heater protruding from one end of the holding means, and the ceramic heater held by the holding means, and the ceramic heater and the metal protruding from the other end of the holding means A ceramic glow plug comprising a center shaft held by the holding means so as to be electrically conducted through a wire;
The ceramic heater includes an insulating ceramic insulator containing silicon nitride as a main component, a heating element embedded in the insulating ceramic insulator and made of conductive ceramic, and at least a part embedded in the insulating ceramic insulator. A ceramic glow comprising an electrode directly connected to the heating element, wherein the surface roughness of the entire surface of the ceramic heater protruding from one end of the holding means has a ten-point average surface roughness of 10 μm or less. It provides a plug.
[0007]
[Action]
With the above configuration, a deep surface flaw can be removed. As a result, it is possible to eliminate the cause of the situation where the corrosion is more likely to progress due to the higher stress concentration, so that the progress of the corrosion of the insulating ceramic insulator can be suppressed.
[0008]
【The invention's effect】
By the above-described action, the progress of corrosion of the insulating ceramic insulator is suppressed, and thus the disappearance of corrosion of the insulating ceramic insulator is suppressed. This makes it possible to provide a ceramic plug having a highly durable ceramic heater in which the heating element is not exposed.
[0009]
【Example】
(First embodiment)
The inventor has conducted various studies on the progress of corrosion and found out the importance of the relationship between the surface roughness of the ceramic heater and the progress of corrosion. As a result of research, the corrosion disappearance of the surface of the insulating ceramic insulator is particularly large in the part exposed to the fuel spray, but the part exposed to the fuel spray is not uniform but also the corrosion of the insulating ceramic insulator. The feature that corrosion disappears very much in the very small concave part of the surface was clarified. Further, as a result of further studying the influence of the depth of the concave portion, it was found that the deeper the concave portion, the more corrosion disappearance. Considering the relationship between the depth of the recess and the disappearance of corrosion, for example, a conductive member made of a mixture of conductive ceramic or powder of a metal and an insulator is used as a conductive member. Although the adjustment is relatively easy, it is difficult to completely adjust the coefficient of linear expansion in the entire operating temperature range from room temperature to high temperature. Therefore, in a repetitive environment of high and low temperatures, a small value, but a thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient is generated. Further, it is considered that the recesses corresponded to the notches, and stress concentration occurred at the bottom of the recesses, so that corrosion was likely to progress. Therefore, it is considered that a deep recess has a large notch, and the stress concentration is greater, and the corrosion is more likely to proceed.
[0010]
However, since it is impossible to make the surface of the ceramic heater to have a surface roughness of 0 μm without unevenness, in consideration of the above considerations, a minute surface on which corrosion due to stress concentration in a concave portion does not easily progress in use in an engine is considered. Various prototypes were produced in order to examine the size of the irregularities, that is, the influence of the surface roughness.
Hereinafter, the present invention will be described based on an embodiment shown in the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a
[0012]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example in which the
[0013]
Here, the
Hereinafter, test results showing the effects of the present invention will be described.
First, the depth of the concave portion and the progress of corrosion were tested on the insulating
[0014]
Based on the above test results, the relationship between the surface roughness and the durability was tested. The test was performed using the
[0015]
As described above, according to the results of FIG. 4, the corrosion of the insulating
Although the insulating
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a ceramic heater according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of a ceramic glow plug using the ceramic heater of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged schematic view showing a corroded state of the ceramic heater.
FIG. 4 is a diagram showing the amount of corrosion disappearance after an engine test.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (3)
前記セラミックヒータが、窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミック絶縁体と、該絶縁性セラミック絶縁体に埋設され、導電性セラミックからなる発熱体と、少なくとも一部が前記絶縁性セラミック絶縁体に埋設され、前記発熱体と直接接続される電極とからなり、前記セラミックヒータの前記保持手段の一端側から突出した表面の全部分の表面粗度が十点平均表面粗さで10μm以下であることを特徴とするセラミックグロープラグ。A holding means, a ceramic heater protruding from one end side of the holding means, and being held by the holding means; and a ceramic heater projecting from the other end side of the holding means, and electrically connected to the ceramic heater via a metal wire. A ceramic glow plug consisting of a central shaft held by the holding means so as to conduct,
The ceramic heater includes an insulating ceramic insulator containing silicon nitride as a main component, a heating element embedded in the insulating ceramic insulator and made of conductive ceramic, and at least a part embedded in the insulating ceramic insulator. And the electrode is directly connected to the heating element, and the surface roughness of the entire surface of the ceramic heater protruding from one end of the holding means is 10 μm or less in ten-point average surface roughness. Features a ceramic glow plug.
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