JP3961847B2

JP3961847B2 - Glow plug

Info

Publication number: JP3961847B2
Application number: JP2002037871A
Authority: JP
Inventors: 郁也安藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003240240A; DE10306264A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室内を予熱して燃料の着火および燃焼を促進するためのグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第３１６０２２６号公報に記載のセラミックヒータは、通電により発熱するセラミック製の発熱体をセラミック製の基体（以下、支持体という）に埋設している。そして、支持体の材料として、セラミック成分に例えば金属珪化物を１〜３重量％添加したものを用いることにより、発熱体と支持体の線膨張係数の差を縮小して、耐熱性を向上させるようにしている。
【０００３】
また、特開２００１−１７６６４７号公報に記載のセラミックヒータは、通電により発熱するセラミック製の発熱体をセラミック製の基体（以下、支持体という）に埋設している。そして、発熱体の先端部と支持体の先端部との間の最短長さをＬ、支持体の外径をＤとしたとき、０．１１≦Ｌ／Ｄ≦０．３５、とすることにより、速熱性と耐熱性の両立を図るようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ディーゼルエンジンのグロープラグにおいては、速熱性と耐熱性（熱衝撃性）のさらなる向上が望まれている。
【０００５】
ここで、抵抗温度係数が小さい発熱体はその昇温速度が低いため、速熱性を向上させるには抵抗温度係数の大きな発熱体を用いることが有効である。しかし、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合、発熱体と支持体の温度差が大きくなり、熱衝撃によって割れが発生しやすくなる傾向となる。
【０００６】
すなわち、グロープラグのように燃料によってヒータが冷却される使用環境では、発熱体は温度低下してもその抵抗値が大きく低下して投入電流が大きく増加するため、発熱体の温度低下は少なく、従って燃料によって直接冷却される支持体との温度差が大きくなり、割れが発生しやすくなる。
【０００７】
そして、前者の公報に記載のセラミックヒータは、発熱体と支持体の線膨張係数の差が十分縮小されていないため、熱衝撃によって割れが発生するという問題があり、特に、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合にその問題が顕著になる。
【０００８】
一方、後者の公報に記載のセラミックヒータは、上記のＬ／Ｄが大きいため、換言すると発熱体の先端部肉厚が厚いため、発熱体と支持体の温度差が大きくなり、熱衝撃によって割れが発生するという問題があり、特に、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合その問題が顕著になる。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、セラミック製ヒータによりエンジンの燃焼室を予熱するグロープラグにおいて、速熱性と耐熱性を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、通電により発熱するセラミック製の発熱体（３３）がセラミック製の支持体（３５）に埋設されたヒータ（３０）を備え、ヒータ（３０）によりエンジンの燃焼室を予熱するグロープラグにおいて、発熱体（３３）の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体（３３）の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｒ２≧２であり、支持体（３５）のセラミックは、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２重量％含み、かつ支持体（３５）の線膨張係数が発熱体（３３）の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
これによると、Ｒ１／Ｒ２≧２とした抵抗温度係数の大きな発熱体を用いることにより速熱性を向上させることができ、また、支持体の線膨張係数を発熱体の線膨張係数よりも小さくすることにより、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合でも熱衝撃による割れを防止することができる。
【００１２】
さらに、支持体のセラミックに、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２重量％含ませることにより、支持体の線膨張係数を発熱体の線膨張係数に近づけることができ、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合でも熱衝撃による割れを確実に防止することができる。
【００１３】
特に、請求項３に記載の発明のように、炭化タングステンを主成分とし窒化珪素を含有させたセラミックにて形成された発熱体と組み合わせた場合に、支持体の線膨張係数と発熱体の線膨張係数との差が十分小さくなり、熱衝撃による割れを一層確実に防止することができる。
【００１４】
また、請求項１に記載の発明では、発熱体（３３）における燃焼室側の先端部と支持体（３５）における燃焼室側の先端部との間の最短長さをＬ、支持体（３５）の外径をＤとしたとき、０．０１≦Ｌ／Ｄ≦０．１であり、前記発熱体（３３）における前記燃焼室側の先端部と前記支持体（３５）における前記燃焼室側の先端部との間の最短長さＬは、０．０４ｍｍ≦Ｌ≦０．３ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
ここで、最短長さＬすなわち発熱体の先端部肉厚が薄すぎると強度不足により割れが発生し、発熱体の先端部肉厚が厚すぎると発熱体と支持体の温度差が大きくなり割れが発生する。そして、上記のＬ／Ｄの範囲は、本発明者が実験検討により見出したものであり、これによると、強度不足による割れ、および発熱体と支持体の温度差による割れを、防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明のように、窒化珪素を主成分とし、珪化モリブデンを含有するセラミックにて支持体を形成することができる。
【００１７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るグロープラグＧ１の全体構成を示す断面図であり、このグロープラグＧ１は、例えば、図示しない自動車の直噴式ディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドに取り付けられ、エンジンの燃焼室内を予熱してエンジン始動時ないしは始動後における燃料の着火および燃焼を促進するものとして適用される。
【００２０】
エンジンに取付可能な筒状のハウジング１０は、鉄系材料等の導電性材料からなり、このハウジング１０の一端１１と他端１２の間における外周面には、取付ネジ部１３およびネジ締め用のナット部１４が形成されている。
【００２１】
そして、グロープラグＧ１は、シリンダヘッドの穴部に形成された雌ネジ部（図示せず）に取付ネジ部１３が螺合されてシリンダヘッドに固定される。それにより、後述するヒータ３０の先端側が燃焼室に露出するようになっている。
【００２２】
ハウジング１０の内孔には、ステンレス等の耐熱・耐食性金属よりなる段付き円筒状のスリーブ２０が収納されている。このスリーブ２０は、その一端２１側がハウジング１０の一端１１から突出した状態で他端２２側がハウジング１０に挿入され、圧入や挿入部のロウ付け等により、スリーブ２０はハウジング１０に保持されている。
【００２３】
このスリーブ２０の内孔には、通電により発熱するセラミック製棒状のヒータ３０が収納されている。ヒータ３０は、その一端３１側がスリーブ２０の一端２１から突出し、且つ他端３２側がスリーブ２０の他端２２から突出した状態で、スリーブ２０に挿入されている。ここで、ヒータ３０は、挿入部のロウ付け等によりスリーブ２０に固定されて保持されている。
【００２４】
このヒータ３０は、通電により発熱する導電性セラミック製のＵ字状の発熱体３３と、この発熱体３３に電気的に接続され発熱体３３の通電を行うためのタングステン等よりなる一対のリード線３４と、発熱体３３およびリード線３４が埋設された絶縁性セラミック製の支持体３５とから構成されている。
【００２５】
また、ハウジング１０の内孔のうちハウジング１０の他端１２側には、切削および冷間鍛造により加工された炭素鋼よりなる棒状の中軸４０が収納されている。この中軸４０の一端４１側には、ステンレス等の導電性金属よりなる段付き円筒状のキャップ５０が嵌合されている。
【００２６】
そして、ヒータ３０の一方のリード線３４は、支持体３５から露出した部分にてキャップ５０にロウ付け等によって接続されることにより、中軸４０に電気的に接続されている。他方のリード線３４は、支持体３５から露出した部分にてスリーブ２０にロウ付け等によって接続されることにより、スリーブ２０を介してハウジング１０にアースされている。
【００２７】
また、中軸４０の他端４２側は、ハウジング１０の他端１２から突出しており、この突出部には、電源（図示せず）と電気的に接続された外部配線部材（図示せず）がネジ結合される端子ネジ部４３が形成されている。さらに、端子ネジ部４３には環状の絶縁ブッシュ４４よびナット４５が装着されている。中軸４０の他端４２側とハウジング１０の内孔との間には、中軸４０の保持・固定及び芯出しを行うための環状の絶縁性の溶着ガラス６０が介在している。
【００２８】
上記構成になるグロープラグＧ１は、シリンダヘッドに取り付けられ、端子ネジ部４３に上記した外部配線部材が組み付けられることにより、ハウジング１０およびシリンダヘッドをアース側として、電源から外部配線部材および中軸４０を介してヒータ３０へ通電可能となる。
【００２９】
次に、上記構成になるグロープラグＧ１について、本発明者が行った各種試験の結果を説明する。
【００３０】
まず、発熱体３３の抵抗変化率αを種々変えたものを用意し、それらについて、エンジン始動性（速熱性）を評価した。因みに、本明細書でいう抵抗変化率αは、発熱体３３の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体３３の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、α＝Ｒ１／Ｒ２である。
【００３１】
図２は、試験に供したグロープラグの抵抗変化率αおよび評価結果を示すもので、抵抗変化率αが１．５または１．８のグロープラグは、ヒータ３０の昇温速度が低いためエンジン始動性が悪く、抵抗変化率αが２．０以上のグロープラグは、ヒータ３０の昇温速度が高いためエンジン始動性が良好で、特に抵抗変化率αが３．０のグロープラグはエンジン始動性が極めて良好であった。
【００３２】
また、ヒータ３０が発熱している際に燃料によってヒータ３０が冷却されるため、発熱体３３の温度よりも支持体３５の温度が低くなり、抵抗変化率αが大きいグロープラグほど発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなる傾向であった。
【００３３】
そして、発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなると、熱衝撃によって割れが発生しやすくなるため、次に、抵抗変化率αが２．０以上のグロープラグについて、熱衝撃性を向上させるための検討を行った。
【００３４】
この検討に用いたグロープラグの発熱体３３のセラミックは、炭化タングステンを主成分とし窒化珪素を含有させたもので、具体的には、Ｓｉ₃Ｎ₄−７５ｗｔ％ＷＣである。なお、この発熱体３３の線膨張係数は、３．８×１０^-6／℃である。
【００３５】
また、支持体３５のセラミックは、窒化珪素を主成分とし、導電材としての金属珪化物、具体的には珪化モリブデンを含有させたもので、その珪化モリブデンの含有量を種々変えた試験品をそれぞれ４個用意し、それらについて、熱衝撃性および通電耐久特性を評価した。
【００３６】
熱衝撃性は、１２００℃から２０℃に急冷して評価した。通電耐久特性は、通電中のヒータ３０の最高温度が１４００℃になるような条件、具体的には、６分通電１分通電停止の条件で、それを１００００サイクル行って評価した。
【００３７】
図３は、この試験に供したグロープラグの、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量、支持体３５の線膨張係数、および評価結果を示すもので、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が３ｗｔ％のグロープラグは、熱衝撃性試験および通電耐久試験のいずれにおいても、４個中１個に割れが発生した。この割れの発生原因は、支持体３５の線膨張係数は発熱体３３の線膨張係数よりも小さいものの、支持体３５と発熱体３３の線膨張係数の差が大きすぎるためである。
【００３８】
また、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が２３ｗｔ％のグロープラグは、その線膨張係数は発熱体３３の線膨張係数と等しくなっているが、熱衝撃性試験において４個全てに割れが発生し、通電耐久試験において４個中２個に割れが発生した。
【００３９】
一方、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が、４ｗｔ％、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、または２２ｗｔ％の各グロープラグでは、熱衝撃性試験および通電耐久試験のいずれにおいても、割れは全く発生しなかった。
【００４０】
これらのグロープラグのように、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量を４ｗｔ％〜２２ｗｔ％とした場合、支持体３５の線膨張係数が発熱体３３の線膨張係数よりも小さく、しかも、支持体３５と発熱体３３の線膨張係数の差が十分小さくなるため、割れを防止することができる。従って、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量を４〜２２ｗｔ％にすることにより、速熱性を向上させつつ、熱衝撃による割れを防止することができる。
【００４１】
なお、上記試験品では、支持体３５のセラミックとして、窒化珪素に金属珪化物を含有させたものを用いたが、窒化珪素に、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２ｗｔ％含有させてもよい。
【００４２】
次に、熱衝撃による割れをより確実に防止するために、発熱体３３における燃焼室側の先端部と支持体３５における燃焼室側の先端部との間の最短長さＬ、すなわち発熱体３３の先端部の肉厚について、検討を行った。
【００４３】
この検討に用いたグロープラグは、抵抗変化率αが２．０以上、発熱体３３のセラミックはＳｉ₃Ｎ₄−７５ｗｔ％ＷＣ、支持体３５のセラミックはＳｉ₃Ｎ₄−１０ｗｔ％ＭｏＳｉ₂であり、最短長さＬおよび支持体３５の外径Ｄを種々変えた試験品をそれぞれ４個用意し、それらについて熱衝撃性を評価した。なお、熱衝撃性は、１４００℃から２０℃に急冷して評価した。
【００４４】
図４は、この試験に供したグロープラグの、最短長さＬ、支持体３５の外径Ｄ、最短長さＬと外径Ｄの寸法比（Ｌ／Ｄ）、および評価結果を示すものである。
【００４５】
図４に示すように、支持体３５の外径Ｄを４ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８の場合、熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３の場合、熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４６】
ここで、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８のグロープラグにおける割れの発生原因は、発熱体３３の肉厚が薄すぎることによる強度不足である。寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３ののグロープラグにおける割れの発生原因は、発熱体３３の肉厚が厚すぎて発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなるためである。
【００４７】
また、支持体３５の外径Ｄを３．５ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００９の場合、発熱体３３の強度不足により熱衝撃性試験において４個中１個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３の場合、発熱体３３と支持体３５の温度差大により熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４８】
また、支持体３５の外径Ｄを３ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８の場合、発熱体３３の強度不足により熱衝撃性試験において４個中１個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１７の場合、発熱体３３と支持体３５の温度差大により熱衝撃性試験において４個中３個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４９】
従って、寸法比Ｌ／Ｄを、０．０１≦Ｌ／Ｄ≦０．１、の範囲に設定することにより、強度不足による割れ、および発熱体３３と支持体３５の温度差による割れを、防止することができる。なお、ヒータ３０の破断強度の観点から、支持体３５の外径Ｄは２ｍｍ以上とするのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの全体構成を示す断面図である。
【図２】発熱体３３の抵抗変化率αを種々変えたときのエンジン始動性を評価した結果を示す図である。
【図３】支持体３５のセラミック中の導電材含有量を種々変えたときの熱衝撃性および通電耐久特性を評価した結果を示す図である。
【図４】最短長さＬおよび外径Ｄを種々変えたときの熱衝撃性を評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
３０…ヒータ、３３…発熱体、３５…支持体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow plug for preheating a combustion chamber of a diesel engine to promote fuel ignition and combustion.
[0002]
[Prior art]
In the ceramic heater described in Japanese Patent No. 3160226, a ceramic heating element that generates heat when energized is embedded in a ceramic base (hereinafter referred to as a support). And as a material of a support body, the difference of the linear expansion coefficient of a heat generating body and a support body is reduced by using what added 1 to 3 weight% of metal silicide to the ceramic component, and heat resistance is improved. I am doing so.
[0003]
In the ceramic heater described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-176647, a ceramic heating element that generates heat when energized is embedded in a ceramic base (hereinafter referred to as a support). And, when L is the shortest length between the tip of the heating element and the tip of the support, and D is the outer diameter of the support, 0.11 ≦ L / D ≦ 0.35 The aim is to achieve both rapid heat resistance and heat resistance.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, in the glow plug of a diesel engine, further improvement in quick heat resistance and heat resistance (thermal shock resistance) is desired.
[0005]
Here, since the heating element having a small resistance temperature coefficient has a low temperature rising rate, it is effective to use a heating element having a large resistance temperature coefficient in order to improve the rapid heating property. However, when a heating element having a large resistance temperature coefficient is used, the temperature difference between the heating element and the support increases, and cracking tends to occur due to thermal shock.
[0006]
That is, in a usage environment where the heater is cooled by fuel, such as a glow plug, the resistance value of the heating element greatly decreases and the input current increases greatly even if the temperature decreases. Therefore, the temperature difference from the support directly cooled by the fuel becomes large, and cracks are likely to occur.
[0007]
The ceramic heater described in the former publication has a problem that cracking occurs due to thermal shock because the difference in coefficient of linear expansion between the heating element and the support is not sufficiently reduced. The problem becomes significant when a heating element is used.
[0008]
On the other hand, since the ceramic heater described in the latter publication has a large L / D, in other words, the thickness of the tip of the heating element is thick, the temperature difference between the heating element and the support increases, and cracks occur due to thermal shock. In particular, when a heating element having a large resistance temperature coefficient is used, the problem becomes significant.
[0009]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to improve rapid heat resistance and heat resistance in a glow plug that preheats a combustion chamber of an engine with a ceramic heater.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a ceramic heating element (33) that generates heat when energized includes a heater (30) embedded in a ceramic support (35). 30) In the glow plug for preheating the combustion chamber of the engine, R1 / R2 when the resistance value at 1200 ° C. of the heating element (33) is R1 and the resistance value at 20 ° C. of the heating element (33) is R2. ≧ 2, the ceramic of the support (35) contains 4 to 22% by weight of at least one of metal silicide, metal carbide, metal boride and metal nitride, and of the support (35) The linear expansion coefficient is smaller than the linear expansion coefficient of the heating element (33).
[0011]
According to this, by using a heating element having a large resistance temperature coefficient with R1 / R2 ≧ 2, the rapid thermal performance can be improved, and the linear expansion coefficient of the support is made smaller than the linear expansion coefficient of the heating element. Thus, even when a heating element having a large temperature coefficient of resistance is used, cracking due to thermal shock can be prevented.
[0012]
Further, by including 4 to 22 wt% of at least one of metal silicide, metal carbide, metal boride and metal nitride in the ceramic of the support, the coefficient of linear expansion of the support can be reduced. The linear expansion coefficient can be approached, and even when a heating element having a large resistance temperature coefficient is used, cracking due to thermal shock can be reliably prevented.
[0013]
In particular, when combined with a heating element made of ceramic containing tungsten carbide as a main component and silicon nitride as in the invention described in claim 3 , the linear expansion coefficient of the support and the heating element line are combined. The difference from the expansion coefficient is sufficiently small, and cracking due to thermal shock can be more reliably prevented.
[0014]
In the first aspect of the present invention, the shortest length between the combustion chamber side tip of the heating element (33) and the combustion chamber side tip of the support (35) is L, and the support (35). ) Where D is 0.01 ≦ L / D ≦ 0.1 , the tip of the heating element (33) on the combustion chamber side and the combustion chamber side of the support (35). The shortest length L between the front end and the front end is 0.04 mm ≦ L ≦ 0.3 mm .
[0015]
Here, if the shortest length L, that is, the thickness of the tip of the heating element is too thin, cracking occurs due to insufficient strength, and if the thickness of the tip of the heating element is too thick, the temperature difference between the heating element and the support increases. Will occur. The above L / D range was found by the present inventors through experimental studies, and according to this, it is possible to prevent cracking due to insufficient strength and cracking due to a temperature difference between the heating element and the support. it can.
[0016]
As in the embodiment described in claim 2, the silicon nitride as a main component, it is possible to form the support a ceramic containing molybdenum silicide.
[0017]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below.
[0019]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a glow plug G1 according to an embodiment of the present invention. The glow plug G1 is attached to a cylinder head of a direct injection diesel engine (not shown), for example, and combustion of the engine This is applied to preheat the room and promote the ignition and combustion of the fuel at the time of starting the engine or after the start.
[0020]
A cylindrical housing 10 that can be attached to the engine is made of a conductive material such as an iron-based material. An outer peripheral surface between one end 11 and the other end 12 of the housing 10 is provided with an attachment screw portion 13 and a screw fastening. A nut portion 14 is formed.
[0021]
The glow plug G1 is fixed to the cylinder head by screwing the mounting screw portion 13 into a female screw portion (not shown) formed in the hole portion of the cylinder head. Thereby, the front end side of the heater 30 described later is exposed to the combustion chamber.
[0022]
A stepped cylindrical sleeve 20 made of a heat-resistant and corrosion-resistant metal such as stainless steel is housed in the inner hole of the housing 10. The sleeve 20 is inserted into the housing 10 with one end 21 projecting from the one end 11 of the housing 10, and the sleeve 20 is held in the housing 10 by press fitting or brazing of the insertion portion.
[0023]
A ceramic rod-like heater 30 that generates heat when energized is accommodated in the inner hole of the sleeve 20. The heater 30 is inserted into the sleeve 20 with one end 31 projecting from one end 21 of the sleeve 20 and the other end 32 projecting from the other end 22 of the sleeve 20. Here, the heater 30 is fixed and held on the sleeve 20 by brazing the insertion portion or the like.
[0024]
The heater 30 includes a U-shaped heating element 33 made of conductive ceramic that generates heat when energized, and a pair of lead wires made of tungsten or the like that is electrically connected to the heating element 33 and energizes the heating element 33. 34 and a support 35 made of an insulating ceramic in which the heating element 33 and the lead wire 34 are embedded.
[0025]
Further, a rod-shaped central shaft 40 made of carbon steel processed by cutting and cold forging is housed on the other end 12 side of the housing 10 in the inner hole of the housing 10. A stepped cylindrical cap 50 made of a conductive metal such as stainless steel is fitted to one end 41 side of the middle shaft 40.
[0026]
One lead wire 34 of the heater 30 is electrically connected to the center shaft 40 by being connected to the cap 50 by brazing or the like at a portion exposed from the support 35. The other lead wire 34 is grounded to the housing 10 via the sleeve 20 by being connected to the sleeve 20 by brazing or the like at a portion exposed from the support 35.
[0027]
Further, the other end 42 side of the middle shaft 40 protrudes from the other end 12 of the housing 10, and an external wiring member (not shown) electrically connected to a power source (not shown) is connected to the protruding portion. A terminal screw portion 43 to be screwed is formed. Further, an annular insulating bush 44 and a nut 45 are attached to the terminal screw portion 43. Between the other end 42 side of the middle shaft 40 and the inner hole of the housing 10, an annular insulating welded glass 60 for holding, fixing and centering the middle shaft 40 is interposed.
[0028]
The glow plug G1 having the above configuration is attached to the cylinder head, and the external wiring member is assembled to the terminal screw portion 43, so that the external wiring member and the central shaft 40 are connected from the power source with the housing 10 and the cylinder head as the ground side. The heater 30 can be energized.
[0029]
Next, the results of various tests conducted by the inventor for the glow plug G1 having the above-described configuration will be described.
[0030]
First, what changed resistance change rate (alpha) of the heat generating body 33 was prepared, and engine startability (rapid heat property) was evaluated about them. Incidentally, the resistance change rate α referred to in this specification is α = R1 / R2 where R1 is the resistance value of the heating element 33 at 1200 ° C. and R2 is the resistance value of the heating element 33 at 20 ° C.
[0031]
FIG. 2 shows the resistance change rate α of the glow plug subjected to the test and the evaluation results. A glow plug having a resistance change rate α of 1.5 or 1.8 has a low temperature rise rate of the heater 30 and is therefore an engine. Glow plugs with poor startability and a resistance change rate α of 2.0 or more have good engine startability due to the high heating rate of the heater 30, and in particular, glow plugs with a resistance change rate α of 3.0 start the engine The properties were extremely good.
[0032]
Further, since the heater 30 is cooled by the fuel when the heater 30 is generating heat, the temperature of the support 35 is lower than the temperature of the heating element 33, and the glow plug having a larger resistance change rate α is connected to the heating element 33. The temperature difference of the support 35 tended to increase.
[0033]
If the temperature difference between the heating element 33 and the support 35 becomes large, cracking is likely to occur due to thermal shock. Next, thermal shock resistance is improved for a glow plug having a resistance change rate α of 2.0 or more. We examined for that.
[0034]
The ceramic of the heat generating element 33 of the glow plug used in this study is composed of tungsten carbide as a main component and silicon nitride, and is specifically Si ₃ N ₄ -75 wt% WC. The heating element 33 has a linear expansion coefficient of 3.8 × 10 ⁻⁶ / ° C.
[0035]
In addition, the ceramic of the support 35 is composed of silicon nitride as a main component and contains a metal silicide as a conductive material, specifically, molybdenum silicide, and test products in which the content of molybdenum silicide is variously changed. Four of each were prepared, and thermal shock resistance and energization durability characteristics were evaluated.
[0036]
The thermal shock property was evaluated by quenching from 1200 ° C to 20 ° C. The energization durability characteristics were evaluated by performing 10,000 cycles under conditions such that the maximum temperature of the heater 30 during energization was 1400 ° C., specifically, under conditions of energization for 6 minutes and 1 minute.
[0037]
FIG. 3 shows the molybdenum silicide content of the ceramic of the support 35, the linear expansion coefficient of the support 35, and the evaluation results of the glow plug subjected to this test. The molybdenum silicide content of the ceramic of the support 35 is shown in FIG. In the glow plug of 3 wt%, one of the four cracks occurred in both the thermal shock test and the current durability test. The reason for the occurrence of this crack is that although the linear expansion coefficient of the support 35 is smaller than the linear expansion coefficient of the heating element 33, the difference between the linear expansion coefficients of the support 35 and the heating element 33 is too large.
[0038]
Further, the glow plug in which the ceramic content of the support 35 has a molybdenum silicide content of 23 wt% has a linear expansion coefficient equal to the linear expansion coefficient of the heating element 33, but all four cracks in the thermal shock test. And cracks occurred in 2 out of 4 in the current-carrying durability test.
[0039]
On the other hand, in each glow plug in which the molybdenum silicide content of the ceramic of the support 35 is 4 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, or 22 wt%, cracks are not observed in both the thermal shock test and the current durability test. It did not occur at all.
[0040]
As in these glow plugs, when the molybdenum silicide content of the ceramic of the support 35 is 4 wt% to 22 wt%, the linear expansion coefficient of the support 35 is smaller than the linear expansion coefficient of the heating element 33, and the support Since the difference in coefficient of linear expansion between the body 35 and the heating element 33 is sufficiently small, cracking can be prevented. Therefore, by setting the content of molybdenum silicide in the ceramic of the support 35 to 4 to 22 wt%, it is possible to prevent cracking due to thermal shock while improving rapid thermal performance.
[0041]
In the above test article, the ceramic of the support 35 used was a silicon nitride containing a metal silicide. Among the silicon nitride, a metal silicide, a metal carbide, a metal boride, and a metal nitride were used. 4 to 22 wt% of at least one of the above may be contained.
[0042]
Next, in order to more reliably prevent cracking due to thermal shock, the shortest length L between the tip of the heating element 33 on the combustion chamber side and the tip of the support 35 on the combustion chamber side, that is, the heating element 33. The thickness of the tip of each was examined.
[0043]
The glow plug used in this study has a resistance change rate α of 2.0 or more, the ceramic of the heating element 33 is Si ₃ N ₄ -75 wt% WC, and the ceramic of the support 35 is Si ₃ N ₄ -10 wt% MoSi ₂ . There were four test products with various changes in the shortest length L and the outer diameter D of the support 35, and thermal shock resistance was evaluated for them. The thermal shock property was evaluated by quenching from 1400 ° C. to 20 ° C.
[0044]
FIG. 4 shows the shortest length L, the outer diameter D of the support 35, the dimensional ratio (L / D) between the shortest length L and the outer diameter D, and the evaluation results of the glow plug used in this test. is there.
[0045]
As shown in FIG. 4, in the glow plug in which the outer diameter D of the support 35 is set to 4 mm, two of the four cracks occurred in the thermal shock test when the dimension ratio L / D = 0.008. When the dimension ratio L / D = 0.113, two of the four cracks occurred in the thermal shock test, and when the dimension ratio L / D = 0.01, the dimension ratio L / D = 0. In the case of 1, no cracking occurred.
[0046]
Here, the cause of the crack in the glow plug having the dimension ratio L / D = 0.008 is insufficient strength due to the thickness of the heating element 33 being too thin. The reason for the occurrence of cracks in the glow plug having the dimension ratio L / D = 0.113 is that the thickness of the heating element 33 is too thick and the temperature difference between the heating element 33 and the support 35 becomes large.
[0047]
Further, in the case of a glow plug in which the outer diameter D of the support 35 is set to 3.5 mm, when the dimensional ratio L / D = 0.09, the heat generating body 33 has insufficient strength, so that it becomes 1 in 4 in the thermal shock test. When cracks occur and the dimension ratio L / D = 0.113, two of the four cracks occur in the thermal shock test due to the large temperature difference between the heating element 33 and the support 35, and the dimension ratio L / D. = 0.01 and dimensional ratio L / D = 0.1, no cracks occurred.
[0048]
Further, in the glow plug in which the outer diameter D of the support 35 is set to 3 mm, when the dimensional ratio L / D = 0.008, one of the four cracks in the thermal shock test due to insufficient strength of the heating element 33. When the dimensional ratio L / D = 0.117, cracks occurred in three of the four in the thermal shock test due to the large temperature difference between the heating element 33 and the support 35, and the dimensional ratio L / D = 0. In the case of 0.01 and when the dimensional ratio L / D = 0.1, no cracks occurred.
[0049]
Therefore, by setting the dimensional ratio L / D in the range of 0.01 ≦ L / D ≦ 0.1, cracking due to insufficient strength and cracking due to the temperature difference between the heating element 33 and the support 35 can be prevented. can do. From the viewpoint of the breaking strength of the heater 30, the outer diameter D of the support 35 is desirably 2 mm or more.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of a glow plug according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the results of evaluating engine startability when the resistance change rate α of the heating element 33 is variously changed.
FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluating thermal shock resistance and current-carrying durability characteristics when the content of the conductive material in the ceramic of the support 35 is variously changed.
FIG. 4 is a diagram showing the results of evaluating thermal shock resistance when variously changing the shortest length L and the outer diameter D.
[Explanation of symbols]
30 ... heater, 33 ... heating element, 35 ... support.

Claims

In a glow plug in which a ceramic heating element (33) that generates heat by energization includes a heater (30) embedded in a ceramic support (35), and the heater (30) preheats the combustion chamber of the engine,
When the resistance value at 1200 ° C. of the heating element (33) is R1, and the resistance value at 20 ° C. of the heating element (33) is R2, R1 / R2 ≧ 2.
The ceramic of the support (35) contains 4 to 22% by weight of at least one of metal silicide, metal carbide, metal boride and metal nitride, and the linear expansion coefficient of the support (35). There rather smaller than the linear expansion coefficient of the heating element (33),
The shortest length between the combustion chamber side tip of the heating element (33) and the combustion chamber side tip of the support (35) is L, and the outer diameter of the support (35) is D. When 0.01 ≦ L / D ≦ 0.1,
The shortest length L between the combustion chamber side tip of the heating element (33) and the combustion chamber side tip of the support (35) is 0.04 mm ≦ L ≦ 0.3 mm. Glow plug characterized by that.

Said ceramic support (35) is a glow plug according to claim 1, characterized in that silicon nitride as a main component, containing a molybdenum silicide.

The glow plug according to claim 1 or 2 , wherein the ceramic of the heating element (33) contains tungsten carbide as a main component and silicon nitride.