JP3838212B2

JP3838212B2 - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JP3838212B2
Application number: JP2003085714A
Authority: JP
Inventors: 昭彦亀島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: JP2003247721A

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、非酸化物からな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先端側１／２の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ＪＩＳＢ０６０１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

Claims

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、非酸化物からな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先端側１／２部分の表面粗度が十点平均粗さで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。
前記金属線は、コイル状であることを特徴とする請求項１記載のセラミックグロープラグ。
前記絶縁性セラミック絶縁体に埋設される前記発熱体及び前記電極は、０．４ｍｍ以上の深さにて埋設されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックグロープラグ。