JP3870454B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジン等の始動性を向上させるためのグロープラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平３−９９１２２号公報には、図８に示すようなグロープラグ１が提案されている。このグロープラグ１は、発熱体となる第１抵抗体４と、第１抵抗体４よりも正の抵抗温度係数の大きな第２抵抗体５とを、ヒータチューブ３に内蔵させたものである。これにより、グロープラグ１への通電直後において、第１抵抗体４に大電流を供給でき、第１抵抗体４を発熱させるとともに、所定時間経過後には、第２抵抗体５側での温度上昇により、第２抵抗体５の抵抗値を増大させて、第１抵抗体４への供給電力を減少させ、第１抵抗体４での過加熱による断線等を防止できる。
【０００３】
また、ヒータチューブ３のうち第１抵抗体４を内蔵する部位の径を、ヒータチューブ３のうち第２抵抗体５を内蔵する部位の径よりも小さくしている。これにより、第１抵抗体４近傍の熱容量を、第２抵抗体５近傍の熱容量に比べて小さくし、上記通電直後に第１抵抗体４を迅速に発熱させることができる。具体的には、通常のエンジン予熱時（例えば５秒程度）内に、グロープラグ１の先端部が通常必要とされる設定温度（例えば８００℃）に到達可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では、先端部が上記温度に到達した後もさらに温度上昇を続けて高温となり、最高温度が例えば１０５０℃程度となってしまう。ここで、上記予熱時での供給電圧は１２Ｖ程度であるが、予熱が終了してエンジンが始動されると、充電用発電機の発電電圧を所定電圧に制御するレギュレータの設定電圧が１４Ｖ程度となる。そして、この電圧が、上記高温な状態のグロープラグ１に供給されることにより、さらにグロープラグ１の抵抗体４、５の温度が上昇し、抵抗体４、５の酸化や断線等を招き、グロープラグ１の耐久性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、迅速な発熱性を保持しつつ、予熱後における温度上昇を抑制することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし３に記載の発明では、略筒状のハウジング（２）と、閉塞部（３ａ）側に小径部（３１）、開口部（３ｂ）側に大径部（３２）を備えた細長な略コップ形状であり、前記大径部（３２）が前記ハウジング（２）の一端（２ａ）側に内接固定されるヒータチューブ（３）と、前記ヒータチューブ（３）の内部に内蔵された抵抗体（４、５）とを備え、前記抵抗体（４、５）は、二つの直列接続された第１抵抗体（４）と第２抵抗体（５）のみからなり、
前記第１抵抗体（４）は前記ヒータチューブ（３）の前記小径部（３１）に内蔵され、前記第２抵抗体（５）は、前記第１抵抗体（４）を構成する材料よりも、正の抵抗温度係数の大きな材料から構成され、前記ヒータチューブ（３）の前記小径部（３１）から前記大径部（３２）に延在して内蔵されるとともに、前記第２抵抗体（５）の長さの１／２以上が前記小径部（３１）に内蔵されていることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、第１抵抗体（４）に加えて第２抵抗体（５）の熱容量も小さくでき、第２抵抗体（５）の昇温性、ひいては、第２抵抗体（５）の抵抗の上昇性を向上できる。この結果、第１抵抗体（４）への供給電力を早期に抑制でき、第１抵抗体（４）の温度を早期に抑制できるので、グロープラグ（１）の先端部が上記設定温度（例えば８００℃）に到達した後、さらに温度上昇を続けることを抑制できる。
【０００８】
よって、このグロープラグ（１）にたとえ１４Ｖ程度の電圧が供給されても、グロープラグ（１）が異常に高温となることを抑制でき、第１、第２抵抗体（４、５）の酸化や断線等を抑制できるので、グロープラグ（１）の耐久性に悪影響を及ぼす恐れを抑制できる。
なお、第１抵抗体（４）も小径部（３１）に内蔵されているため、第１抵抗体（４）の熱容量も従来と同様小さいものであり、上記通電直後に第１抵抗体（４）を迅速に発熱させることができる。
【０００９】
ここで、エンジンの燃焼室内に発生する爆発圧力等の影響により、ヒータチューブ（３）のうち、ハウジング（２）の一端（２ａ）側内周部に内接する部位（３４）を中心に、ヒータチューブ（３）の閉塞部（３ａ）側が径方向に移動するような力が加わる。これに対して本発明では、大径部（３２）がハウジング（２）に内接固定されているので、上記内接する部位（３４）近傍の強度を確保でき、グロープラグ（１）の使用時に、ヒータチューブ（３）の上記内接する部位（３４）近傍が曲がったり、折れたりする、といった恐れを抑制できる。
【００１０】
また、請求項１に記載の発明では、第２抵抗体（５）の長さの１／２以上が、ヒータチューブ（３）の小径部（３１）に内蔵されている。これによれば、予熱後における温度上昇を、従来技術に比べて効果的に抑制できることが、後述する実験により確認されている。
また、請求項２に記載の発明では、大径部（３２）の外径を、４．５ｍｍ〜６．０ｍｍとしている。これは、大径部（３２）の外径を４．５ｍｍよりも小さくすると、ヒータチューブ（３）の上記内接する部位（３４）の強度を確保できなくなる恐れがあるためである。また、大径部（３２）の外径を６．０ｍｍよりも大きくすると、グロープラグ（１）全体が大型となり、エンジン等への搭載性が悪化する恐れがあるためである。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明では、小径部（３１）の外径を、大径部（３２）の外径の０．６倍〜０．９倍としている。これは、小径部（３１）の外径を、大径部（３２）の外径の０．６倍よりも小さくすると、小径部（３１）が細すぎるため、小径部（３１）の製造が困難となるためである。
また、小径部（３１）の外径を、大径部（３２）の外径の０．９倍よりも大きくすると、小径部（３１）が十分に細くなく、第１、第２抵抗体（４、５）の熱容量を十分に小さくできなくなる恐れがあるためである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１に示す本発明のグロープラグ１は、ディーゼルエンジンの複数（例えば４気筒）のシリンダ（図示しない）にそれぞれ取り付けられており、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼を促進するためのものである。
【００１３】
このグロープラグ１は、中空筒状で、鉄系材料からなるハウジング２を備えており、このハウジング２には、グロープラグ１をシリンダに脱着可能に取り付けるためのネジ部２１が備えられている。このハウジング２の一端２ａ側には、細長なコップ形状のヒータチューブ３が、ろう接等により内接固定されている。このヒータチューブ３は、耐熱性および耐酸化性に優れる 導電材料（例えばステンレス材料）からなり、閉塞部３ａ側に小径部３１、開口部３ｂ側に、小径部３１よりも径大な大径部３２を一体に備えている。そして、ヒータチューブ３の閉塞部３ａ側が、ハウジング２の一端２ａ側から露出した状態で、ヒータチューブ３の大径部３２が、ハウジング２の一端２ａ側に内接固定されている。
【００１４】
また、ヒータチューブ３のうち、小径部３１と大径部３２との間には、小径部３１から大径部３２に向かって徐々に拡径するテーパ部３３が備えられている。このテーパ部３３は、製造上の理由から、大径部３２に対する傾斜角度が例えば１５°程度となるように形成されている。
ヒータチューブ３の内部には、コイル状の第１、第２抵抗体４、５が、ヒータチューブ３の軸方向に沿って設けられている。第１抵抗体４は、ヒータチューブ３の閉塞部３ａ側に内蔵され、第２抵抗体５は、第１抵抗体４よりも、ヒータチューブ３の開口部３ｂ側に内蔵されている。そして、第１抵抗体４、および、第２抵抗体５の少なくとも一部（第２抵抗体５の長さの３／４）が、小径部３１に内蔵されている。
【００１５】
また、第１抵抗体４の一端４１は、ヒータチューブ３の閉塞部３ａに電気的に接続され、第１抵抗体４の他端４２は、第２抵抗体５の一端５１に電気的に接続されている。第２抵抗体５の他端５２は、ハウジング２に内挿固定された中軸６の一端６１に電気的に接続されている。
中軸６の一端６１側、第１抵抗体４および第２抵抗体５は、ヒータチューブ３内において、耐熱性絶縁材料（例えばマグネシア等）からなる絶縁粉末体３０により埋設されている。これにより、中軸６の一端６１側、第１抵抗体４および第２抵抗体５が、ヒータチューブ３に対して絶縁的に配置される。
【００１６】
第１抵抗体４は、常温（２０℃）と１０００℃（予熱時におけるグロープラグ１の第１抵抗体４の温度）の抵抗変化率（１０００℃の抵抗値／２０℃の抵抗値）が、例えば１程度に小さな第１導電材料（例えば鉄クロム合金やニッケルクロム合金）からなり、第２抵抗体５は、上記抵抗変化率が、例えば５〜１４程度に大きな第２導電材料（例えばニッケル、低炭素鋼やコバルト鉄合金）からなる。なお、請求項でいう抵抗温度係数とは、横軸に温度、縦軸に抵抗値をプロットして得られるグラフの傾きのことである。よって、第２導電材料は、第１導電材料よりも、正の抵抗温度係数の大きな材料である。
【００１７】
第１抵抗体４と第２抵抗体５との接続部分には、プラズマアーク溶接により、第１抵抗体４および第２抵抗体５の溶融部４５が形成されている。この溶融部４５は、第１抵抗体４の他端４２側と第２抵抗体５の一端５１側とを重ね合わせた状態で、この重ね合わせ部位にプラズマアークを当てることにより形成されている。
【００１８】
また、中軸６の一端６１側は、ヒータチューブ３の開口部３ｂ側に挿入されており、中軸６の他端６２側は、フッ素ゴム等の絶縁弾性材料からなるＯリング７および樹脂製のブッシュ８を介してナット９を締めつけることにより、ハウジング２の他端２ｂ側に絶縁的に固定されている。
以下に、上記したグロープラグ１への通電制御回路の構成を説明する。
【００１９】
図２に示すように、複数本（例えば４本）のグロープラグ１が並列的に配置され、例えば１２Ｖのバッテリ電源（電力供給源）２０からの電圧が、リレー２０１を介して印加される。これにより、各グロープラグ１がそれぞれ発熱して予熱を開始し、エンジンの始動時において始動性を向上させるようになっている。
なお、このグロープラグ１はボディーアースとなっており、図中符号２０２はエンジンキースイッチ、２０３はタイマ機能を有する制御装置、２０４はエンジン冷却水温度センサ、２０５は始動タイミング表示部である。そして、キースイッチ２０２のＯＮにより、水温センサ２０４からの信号が制御装置２０３に入力される。
【００２０】
そして、この制御装置２０３の信号により、始動タイミング表示部２０５が点灯するとともに、リレー２０１が作動して、電源２０よりグロープラグ１に所定電圧（例えば１２Ｖ）が印加されて、このグロープラグ１が予熱を開始する。そして、キースイッチ２０２のＯＮ時から所定時間（例えば５秒）経過後、制御装置２０３の信号により、始動タイミング表示部２０５が消灯され、これにより予熱が終了したことを運転者に視認させ、運転者がエンジンを始動する。
【００２１】
ここで、水温センサ２０４により、エンジン冷却水の温度が、所望温度（例えば６０℃程度）より低いとき、さらにグロープラグ１への通電を続行し（アフターグロー）、エンジンの加熱を行なう。そして、エンジン冷却水の温度が上記所望温度程度となったとき、制御装置２０３の信号により、グロープラグ１への通電をＯＦＦする。上記アフターグローを行なうことにより、シリンダ内の混合気の燃焼を促進し、エンジンの振動や、排気ガス中の白煙の発生を抑制できる。なお、エンジン始動後は、レギュレータのはたらきにより、上記所定電圧よりも高い電圧（例えば１４Ｖ）がグロープラグ１に供給される。
【００２２】
そして、上記構成によれば、第１抵抗体４、および、第２抵抗体５の長さの３／４が、ヒータチューブ３の小径部３１に内蔵されているので、第１抵抗体４に加えて第２抵抗体５の熱容量も小さくでき、第２抵抗体５の昇温性、ひいては、第２抵抗体５の抵抗の上昇性を向上できる。この結果、第１抵抗体４への供給電力を早期に抑制でき、第１抵抗体４の温度を早期に抑制できるので、グロープラグ１の先端部が上記設定温度（例えば８００℃）に到達した後、さらに温度上昇を続けることを抑制できる。
【００２３】
よって、アフターグロー時において、上記所定電圧よりも高い電圧がグロープラグ１に供給されても、グロープラグ１が異常に高温となることを抑制でき、第１、第２抵抗体４、５の酸化や断線等を抑制できるので、グロープラグ１の耐久性に悪影響を及ぼす恐れを抑制できる。
なお、第１抵抗体４も小径部３１に内蔵されているため、第１抵抗体４の熱容量も従来と同様小さくでき、上記通電直後に第１抵抗体４を迅速に発熱させることができる。
【００２４】
以下に、上記グロープラグ１に関して、第２発熱体５と小径部３１との重なり長Ｌ1 を種々変化させた場合の、オーバーシュート温度および速熱性の変化を評価した実験について、その具体的内容および結果を説明する。なお、テーパ部３３は、小径部３１には含めない。
まず、第１抵抗体４を８０ｗｔ％Ｎｉ−２０ｗｔ％Ｃｒ合金、第２抵抗体５を９２ｗｔ％Ｃｏ−８ｗｔ％Ｆｅ合金から構成し、アッシー状態での第１、第２抵抗体４、５の線径を０．３５ｍｍ、第１抵抗体４の長さを６ｍｍ、外径を２．５ｍｍ、コイルピッチを０．６０ｍｍ、第２抵抗体５の長さＬ0 を２２ｍｍ、外径を２．５ｍｍ、コイルピッチを０．５０ｍｍ、小径部３１の外径を４．３ｍｍ、大径部３２の外径を５．０ｍｍとしている。なお、上記第１、第２抵抗体４、５の寸法、材質や、ヒータチューブ３の寸法、材質等の組合せにより、このグロープラグ１の飽和温度は９００℃に設定されている。
【００２５】
このようなグロープラグ１に関して、小径部３１の長さを変えることにより、第２抵抗体５と、ヒータチューブ３の小径部３１との重なり長さＬ1 を変化させ、重なり割合Ｌ1 ／Ｌ0 が０、１／４、１／２、３／４、１であるものを作製した。そして、これらのグロープラグ１に１１Ｖの電圧を印加したときの、ヒータチューブ３表面の、時間に対する温度変化を測定した。なお、この測定結果のうち、Ｌ1 ／Ｌ0 が０（従来品）、１／２（本発明品）のものを、図３に示すグラフに示す。
【００２６】
この測定結果から、オーバーシュート温度Ｔ（℃）と、電圧を印加してからグロープラグ１の先端部が８００℃に達するまでの時間ｔ（秒）とを読み取り、この結果より図４および図５に示すグラフ（グラフ中白丸で示す）を得た。なお、オーバーシュート温度Ｔとは、グロープラグ１の最高温度と飽和温度との差のことである。
【００２７】
また、上記実験において、小径部３１の外径を３．５ｍｍ、アッシー状態での第１、第２抵抗体４、５の線径を０．３０ｍｍに置き換えたグロープラグ１についても、Ｌ1 ／Ｌ0 が０、１／４、１／２、３／４、１であるものを作製して、上記実験と同様の実験を行い、その結果より、図４および図５に示すグラフ（グラフ中黒丸で示す）を得た。
【００２８】
そして、図４に示すグラフから、Ｌ1 ／Ｌ0 が０よりも大きければ、Ｌ1 ／Ｌ0 が０のものに比べて、オーバーシュート温度Ｔを低減できることがわかった。さらに、Ｌ1 ／Ｌ0 が１／２以上のものでは、Ｌ1 ／Ｌ0 が０のもの（従来品）よりも大幅にオーバーシュート温度Ｔを低減できることがわかった。
従って、Ｌ1 ／Ｌ0 を０よりも大きくする（つまり、第２抵抗体５の少なくとも一部を小径部３１に内蔵する）ことにより、グロープラグ１が異常に高温となることを抑制でき、第１、第２抵抗体４、５の酸化や断線等を抑制できる。よって、グロープラグ１の耐久性を確保できる。
【００２９】
また、図５に示すグラフから、全てのグロープラグ１に関して、通常の予熱時間である５秒以内に、８００℃に到達可能であることがわかった。つまり、第１抵抗体４を迅速に発熱させることができ、グロープラグ１の速熱性が確保されている。
（第２の実施形態）
図６に示すように、ハウジング２の一端２ａ側の内径が、その他端２ｂ側の内径よりも大きくなるように、ハウジング２の一端２ａ側には、薄肉部２２が設けられている。これにより、薄肉部２２とヒータチューブ３との間に、いわゆるポケット部１０が形成され、ヒータチューブ３のうち、ポケット部１０に対向する部位と、薄肉部２２との間に、熱伝導性の悪い空気が介在する。
【００３０】
よって、上記ポケット部１０に対向する部位の熱がハウジング２側へ逃げるのを抑制でき、大径部３２には、より熱がこもりやすくなるので、第２抵抗体５の昇温性、ひいては、第２抵抗体５の抵抗の上昇性を、より向上できる。従って、第１抵抗体４の温度をより早期に抑制でき、グロープラグ１の先端部が上記設定温度（例えば８００℃）に到達した後、さらに温度上昇を続けることをより抑制できる。なお、ヒータチューブ３のうち、ハウジング２の一端２ａ側内周部に内接する部位３４は、ポケット部１０の底面部となる。
【００３１】
（第３〜第５の実施形態）
第３〜第５の実施形態は、上記第１の実施形態における、第１抵抗体４と第２抵抗体５との接続部分の接続構造を変形したものである。まず、第３の実施形態では、図７（ａ）に示すように、第１抵抗体４の他端４２側と、第２抵抗体５の一端５１側とが、互いに接線的に重なり合うようになっており、この重なり部分の先端部を、プラズマアーク溶接にて固定したものである。
【００３２】
また、第４の実施形態では、図７（ｂ）に示すように、第１抵抗体４の他端４２側および第２抵抗体５の一端５１側が、軸方向に延びる形状になっている。そして、第１抵抗体４の他端４２側と第２抵抗体５の一端５１側とを重ね合わせた状態で、この重ね合わせ部分をプラズマアーク溶接にて固定したものである。ここで、第１抵抗体４および第２抵抗体５の長さは、コイルの巻き始めから巻きおわりまでの長さとし、軸方向に延びる部位Ａは、第１、第２抵抗体４、５の長さには含めない。
【００３３】
また、第５の実施形態では、図７（ｃ）に示すように、第１抵抗体４の他端４２側および第２抵抗体５の一端５１側が、軸方向に延びる形状になっている。そして、第１抵抗体４の他端４２側と第２抵抗体５の一端５１側とを重ね合わせた状態で、この重ね合わせ部分を、複数カ所（例えば３か所）レーザー溶接にて固定したものである。なお、図７（ａ）〜（ｃ）中符号４５は、第１抵抗体４と第２抵抗体５の溶融部を示している。
【００３４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、第１抵抗体４を、正の小さな抵抗変化率を有する導電材料から構成していたが、負の抵抗温度係数を有する導電材料から構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係わるグロープラグの全体構成を示す断面図、（ｂ）は、第１、第２抵抗体の接続部分の拡大図である。
【図２】グロープラグへの通電回路構成を示す図である。
【図３】本発明および従来技術のグロープラグの先端部の発熱温度特性を示すグラフである。
【図４】ヒータチューブの小径部と第２抵抗体との重なり割合Ｌ1 ／Ｌ0 を変化させた場合の、オーバーシュート温度の変化を示すグラフである。
【図５】ヒータチューブの小径部と第２抵抗体との重なり割合Ｌ1 ／Ｌ0 を変化させた場合の、グロープラグの先端部の速熱性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係わるグロープラグの全体構成を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３ないし第５の実施形態に係わる第１、第２抵抗体の接続部分の拡大図である。
【図８】従来技術に係わるグロープラグの全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…グロープラグ、２…ハウジング、３…ヒータチューブ、
３ａ…閉塞部、３ｂ…開口部、３１…小径部、３２…大径部、
４…第１抵抗体、５…第２抵抗体。

Claims (3)

1. 略筒状のハウジング（２）と、閉塞部（３ａ）側に小径部（３１）、開口部（３ｂ）側に大径部（３２）を備えた細長な略コップ形状であり、前記大径部（３２）が前記ハウジング（２）の一端（２ａ）側に内接固定されるヒータチューブ（３）と、前記ヒータチューブ（３）の内部に内蔵された抵抗体（４、５）とを備え、前記抵抗体（４、５）は、二つの直列接続された第１抵抗体（４）と第２抵抗体（５）のみからなり、
   前記第１抵抗体（４）は前記ヒータチューブ（３）の前記小径部（３１）に内蔵され、前記第２抵抗体（５）は、前記第１抵抗体（４）を構成する材料よりも、正の抵抗温度係数の大きな材料から構成され、前記ヒータチューブ（３）の前記小径部（３１）から前記大径部（３２）に延在して内蔵されるとともに、前記第２抵抗体（５）の長さの１／２以上が前記小径部（３１）に内蔵されていることを特徴とするグロープラグ。
2. 前記大径部（３２）の外径が、４．５ｍｍ〜６．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記小径部（３１）の外径が、前記大径部（３２）の外径の０．６倍〜０．９倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のグロープラグ。

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