JP4076162B2 - 電気的に加熱可能なグロープラグおよび該電気的に加熱可能なグロープラグを製作する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、電気的に加熱可能なグロープラグおよび該電気的に加熱可能なグロープラグを製作する方法に関する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許第１９９２８０３７号明細書から既に公知である、内燃機関のための電気的に加熱可能なグロープラグは、端部側で閉じられた耐食性のグローチューブを有しており、このグローチューブは、電気的に非伝導性、つまり非導電性の突き固められた粉末から成る充填物を収容しており、この充填物内に電気的に伝導性、つまり導電性のコイルが埋入されている。コイルは発熱コイルを有している。発熱コイルは鉄・クロム・アルミニウム合金から成っている。発熱コイルの領域で、導電性のコイルはその表面を焼入れされる。これにより、コイルは圧縮行程中の機械的な負荷に、前損傷なしに耐えることができる。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１９７５６９８８号明細書から公知の、内燃機関のための電気的に加熱可能なグロープラグは、耐食性の金属被覆から成るグローシースを有している。グローシース内に、突き固められた粉末充填物が入れられている。この充填物内には導電性のコイルが埋入されている。コイルの寿命を高めるために、グローシース内に、突き固められた粉末充填物に含まれる酸素を結合するためのゲッター物質が設けられている。ゲッター物質は電気的に非伝導性の粒子の形で、突き固められた粉末充填物内に分配されていることができる。ゲッター物質は、複数の酸化数で酸化しコイル材料に比べて酸素に対して高い親和力を有しているような金属の金属酸化物またはシリコーンから成っていることができ、この場合、ゲッター物質は出発状態で、その第１の酸化数にある金属酸化物を含んでいる。
【０００４】
欧州特許出願公開第００７９３８５号明細書から公知の発熱エレメントでは、コイルはスリーブ内に配置されており、電気的に絶縁性の粉末内に埋入されている。粉末は０．１〜１０重量パーセントの酸化物を有しており、それによって、コイルの金属の成分の酸化を回避する。
【０００５】
本発明の利点
これに対して、独立請求項に記載された特徴を有する、電気的に加熱可能なグロープラグと、該電気的に加熱可能なグロープラグを製作する方法とが有する利点は、グローチューブ内に酸素ドナーが、発熱コイルの加熱前または加熱時に酸化アルミニウム層を発熱コイルの表面に形成するために設けられている点である。このようにして、空気がグローチューブ内に侵入した場合に、発熱コイルの周縁層に窒化物が形成されてしまうことが回避され、ひいては、電気的な抵抗の局所的な上昇と発熱コイルの早期の機能不全とが回避される。
【０００６】
別の利点は、合金からのアルミニウムの蒸発が著しく抑制され得る点である。
【０００７】
従属請求項に記載された手段により、独立請求項に記載された、電気的に加熱可能なグロープラグと、該電気的に加熱可能なグロープラグを製作する方法との有利な変化形および改良形が可能である。
【０００８】
それほど手間のかからない、酸素ドナーの供給の実現は、発熱コイルがグローチューブ内で第１の絶縁粉末内に埋入されていて、この第１の絶縁粉末が、酸素ドナーとして働く物質を有している場合に生じる。
【０００９】
特に有利には、酸素ドナーが、複数の酸化数で酸化することができてその最高の酸化数にある金属酸化物として形成されている。このような形式で、金属酸化物の酸素放出が促進される。
【００１０】
同じことが、酸化したセラミック粉末が、限定した条件下で酸素を欠陥形成により放出できる金属酸化物を有している場合に当てはまる。
【００１１】
有利には、酸素ドナーが酸素分子の形で圧力下でグローチューブ内に装填されている。このようにして、圧力によって酸素濃度がグローチューブ内で高められることができ、酸素分子によって、酸化アルミニウムを形成する発熱コイル表面での酸化が、このためにヒータ電流による発熱コイルの加熱を必要とせずに実現される。それによって、発熱コイルは既に最初の運転前に、つまりヒータ電流による最初の加熱前に、酸化物層によって窒化から保護され得る。
【００１２】
別の利点は、発熱コイルに接続された制御コイルが第２の絶縁粉末内に埋入され、この第２の絶縁粉末が可能な限り酸素ドナーを含んでいないかつ／または酸素の結合のためのゲッター物質を有している点である。それにより、制御コイルのために、保護する酸化物層が酸素ドナーの影響下で形成されない材料、例えばコバルト・鉄合金が例として挙げられるような材料を使用することができる。それにより、制御コイルの腐食が、可能な限り酸素ドナーを含んでいない第２の絶縁粉末を使用することにより回避されることができるか、または少なくとも著しく遅らせることができる。
【００１３】
第２の絶縁粉末内にゲッター物質を使用した場合、制御コイルの領域に存在する邪魔となる酸素分子を結合することができる。
【００１４】
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【００１５】
実施例の説明
図１では符号１が、内燃機関のためのシース形グロープラグとして形成されたグロープラグに付与されている。シース形グロープラグ１は、内燃機関のシリンダヘッドに螺入するためのねじ山４５を備えたプラグハウジング４０を有している。さらに、プラグハウジング４０は六角ナット状の六角形部分５０を有しており、六角形部分５０を介してシース形グロープラグもしくはプラグハウジング４０は、例えば六角スパナのようなねじり工具を用いてシリンダヘッド内に螺入またはシリンダヘッドから螺出されることができる。管形に形成されているプラグハウジング４０内にグローチューブ５が圧入されており、グローチューブ５は、燃焼室側で、つまりプラグハウジング４０の、六角形部分５０に対向して位置する端部で、プラグハウジング４０から突出している。グローチューブ５は燃焼室側でその端部が閉鎖されている。グローチューブ５の、そのように形成された燃焼室側の先端部５５近傍の領域２０において、グローチューブ５の横断面は本例のように減じられていることができる。ただし、このように横断面を減じることは必ずしも必要なわけではない。シース形グロープラグ１は、減じられた横断面の領域２０だけが燃焼室内に突入する。減じられた横断面の領域２０内に、グローチューブ５は発熱コイル１０を有しており、発熱コイル１０はグローチューブ５の、燃焼室側の先端部５５に溶接されている。発熱コイル１０には制御コイル６０が接続されており、制御コイル６０はグローチューブ５の、その横断面が減じられていない領域内に配置されている。グローチューブ５の、燃焼室から離間した側の端部で、制御コイル６０は端子ピン６５にコンタクトされており、端子ピン６５は車両バッテリのプラス極に接続可能である。プラグハウジング４０の、燃焼室から離間した側の開口部の方向で、グローチューブ５はまだプラグハウジング４０の内部でバイトンリング（Ｖｉｔｏｎｒｉｎｇ）７０もしくはフッ素ゴムリングにより外界の影響に対してシールされている。別のシールリング７５は、燃焼室から離間した側でプラグハウジング４０から突出した端子ピン６５をプラグハウジング４０に対してシールしている。シールリング７５に燃焼室から離間した側で接続している絶縁ディスク８０は、端子ピン６５をプラグハウジング４０から電気的に絶縁する働きをしており、それによって、端子ピン６５を電気的にプラグハウジング４０から絶縁しており、プラグハウジング４０の電位は車両質量体に等しい。リングナット８５は絶縁ディスク８０をプラグハウジング４０に対して押圧し、シールリング７５をプラグハウジング４０内に圧入している。
【００１６】
グローチューブ５は金属から形成されており、プラグハウジング４０内への圧入に基づいて、同じく車両質量体に等しい電位を有している。発熱コイル１０は制御コイル６０に接続点９０で溶接されている。
【００１７】
バイトンリング７０の機能は重要な意味を有している。それというのは、バイトンリング７０は柔らかい絶縁性の材料から成っており、それによって端子ピン６５を、制御コイル６０のコンタクト形成のためにグローチューブ５内に突入した端部において、プラグハウジング４０に対して電気的に絶縁性にシールするだけではなく、燃焼室から離間した側で開いたグローチューブ５内に空気が侵入してしまうことを防止しているからである。このシールは可能なかぎり信頼性の高いものであるべきである。
【００１８】
発熱コイル１０は例えば、アルミニウム成分を含有したフェライト系の鋼、例えば鉄・クロム・アルミニウム合金から成っている。制御コイルは例えば純粋なニッケル、または６〜１８重量パーセントのコバルトの成分を含有したコバルト・鉄合金から形成されていることができ、ポジティブな温度係数を有した調整抵抗器（Ｒｅｇｅｌｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）の機能を有している。
【００１９】
さらに、グローチューブ５内には、電気的に絶縁性であって、グローチューブ５のハンマリング後に突き固められた粉末充填２５，３０が設けられており、粉末充填２５，３０は、発熱コイル１０および制御コイル６０をグローチューブ５の内部に定置に収めて固定し、グローチューブ５に対して、グローチューブ５の先端部５５以外で電気的に絶縁する働きをしている。粉末充填として一般的には酸化マグネシウムが使用される。それ以外に、粉末充填は、グローチューブ５と発熱コイル１０もしくは制御コイル６０との間で熱を伝導する働きをしている。
【００２０】
発熱コイル１０の合金は通常、十分に酸素が提供されている場合、短時間で薄いＡｌ_２Ｏ_３層を形成することによって、以後の腐食から保護されている。しかし、この前提条件はシース形グロープラグ１の場合、一般的に起こる初期の酸素欠乏に基づいて提供されていない。シース形グロープラグをシリンダヘッドで使用する際に熱応力が周期的に発生して、シールリング７５およびバイトンリング７０にも関わらず、空気がグローチューブ５内に侵入してしまう。このことは、発熱コイル１０の材料の、酸素および窒素との同時的な反応を生ぜしめる。酸素が発熱コイル１０の表面に、保護する酸化アルミニウム層を形成するのに対して、窒素は内部の窒化に至らしめる。すなわち窒化アルミニウムが発熱コイル１０の材料内に形成される。結果として、発熱コイル１０の電気的な抵抗の局所的な上昇をもたらし、このことは、より高い電圧降下と、ひいては発熱コイル１０における、より大きな加熱とを結果として有することになって、発熱コイル１０の早期の機能不全に至らしめてしまう。
【００２１】
この理由から、絶縁粉末充填には、酸素ドナーもしくは酸素供与体（Ｓａｕｅｒｓｔｏｆｆｄｏｎａｔｏｒ）として働く物質が添加されており、この物質は高温時に酸素を放出し、それによって、発熱コイル１０上での、保護する酸化アルミニウム層の形成を促進する。これによって、空気がグローチューブ５内に侵入した場合に、発熱コイル１０の周縁層に窒化物が形成されてしまうことが回避される。この場合、酸化アルミニウム層は少なくとも部分的にすでに、１０００℃を越える温度が達成される、ヒータ電流（Ｈｅｉｚｓｔｒｏｍ）による発熱コイル１０の最初の加熱時に実現される。
【００２２】
制御コイル６０の材料がアルミニウム成分およびシリコーン成分を、ここで説明した例のように含有していない場合、この材料は、酸素ドナーから放出された酸素によって、保護する酸化物層を形成するのではなく腐食してしまう。このことは回避されるべきである。それゆえ、この場合、酸素ドナーとして働く物質は、グローチューブ５の先端部５５近傍の、発熱コイル１０が位置する領域２０内に存在する絶縁粉末充填にのみ添加されるべきである。つまり、酸素ドナーとして働く物質は発熱コイル１０の領域にのみ存在し、制御コイル６０の領域には存在すべきではない。この目的のために、シース形グロープラグ１の組み立て時に、まず最初に、酸素ドナーとして働く物質を有した絶縁粉末がグローチューブ５内に充填されることになるが、この充填は、発熱コイル１０が可能なかぎり完全にその中に埋め込まれていて、かつ制御コイル６０がグローチューブ５のハンマリング後にも、酸素ドナーとして働く物質と接触することがない程度に行われる。酸素ドナーとして働く物質を添加された絶縁粉末充填は、図１に符号２５で表示されており、以下、第１の絶縁粉末と呼ぶ。続いて、グローチューブ５内に充填されて制御コイル６０を埋入する絶縁粉末は本例では、酸素ドナーとして働く物質を含有しているべきではなく、例えば純粋な酸化マグネシウムから形成されているべきである。このようにして、酸化は発熱コイル１０の領域においてのみ助成されるので、発熱コイル１０の窒化も制御コイル６０の腐食も回避することができる。酸素ドナーとして働く物質を含有しない絶縁粉末は、図１に符号３０で表示されており、これを第二の絶縁粉末と呼ぶ。択一的にまたは付加的に、第二の絶縁粉末３０が、酸素を結合するためのゲッター物質、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、または例えばＦｅＯ、Ｔｉ_２Ｏ_３のような還元された金属酸化物を有していてよい。ゲッター物質が例えばＳｉ、Ｔｉ、Ａｌのような電気的に伝導性の物質である場合、第二の絶縁粉末３０は、例えばＭｇＯのような電気的に絶縁性の材料を、ゲッター物質に比べて著しく高い濃度で含有していなければならない。
【００２３】
酸素ドナーとして働く物質は例えば酸化したセラミック粉末として形成されていることができる。この場合、セラミック粉末は、複数の酸化数で酸化できる金属の金属酸化物であることができる。酸素の放出を容易にするために、この金属酸化物は出発状態において、その最高の酸化数にある。この場合、例えばＴｉＯ_２が酸素ドナーとして使われることができる。
【００２４】
別の可能性は、酸素ドナーとして、グローチューブ５の先端部５５近傍の領域２０において発熱コイル１０のアルミニウム成分によって与えられているような限定した条件下で酸素を放出し、その結果、当該の金属酸化物の結晶格子内に欠陥を不足した酸素原子によって生ぜしめる金属酸化物もしくは酸化したセラミック粉末が使用される。そのような酸素ドナーとして例えばＺｒＯ_２が選択され得る。
【００２５】
発熱コイル１０における酸化を加熱時に導入するために十分であるには、第１の絶縁粉末２５における、酸素ドナーとして働く物質の含有量は、既に約０．１重量パーセントから約２０重量パーセントまでの範囲にあり、第１の絶縁粉末２５の残りの成分は例えば酸化マグネシウムにより形成されていることができる。
【００２６】
図２に本発明によるグロープラグの第二の実施形態が示されており、図１に示されているのと同じ符号は同じエレメントを示している。図１に示した第１の実施形態とは異なり、図２に示した第二の実施例のグローチューブ５は、制御コイルではなく、酸化から保護された電子的な制御エレメント９５を有しており、この制御エレメント９５は例えば、温度センサと、検出された温度に関連した、発熱コイル１０に供給される電流のキーイング（Ｔａｓｔｕｎｇ）とを有していることができるが、ここでは詳細に説明する必要はない。制御コイルまたは制御エレメントを完全に省略してしまってもよい。さらに、第１の絶縁粉末２５と第二の絶縁粉末３０との代わりに、第３の絶縁粉末１５がグローチューブ５の全領域に設けられており、これは電気的に絶縁性の材料、例えば酸化マグネシウムから成っており、酸素ドナーは含有していない。発熱コイル１０は制御エレメント９５を介して端子ピン６５に接続されており、この際、制御エレメント９５も、過剰に強く加熱されないように、可能なかぎり燃焼室から離れて配置されていることができる。そこで、シース形グロープラグ１の最初の運転前にグローチューブ５内に開口３５が穿設されることが考えられ、この場合、開口３５は、発熱コイル１０を備えたグローチューブ５の先端部５５近傍の領域２０外に位置しているべきである。それというのは、この領域はその横断面減少に基づいて孔に対して非常に過敏であるかもしれないからである。しかしながら、グローチューブ５の先端部５５近傍の領域２０で安定性の問題が存在しないのであれば、孔３５をそこに、つまり直接に発熱コイル１０の領域に設けることも考えられる。この場合、開口３５が設けられるのは、発熱コイル１０および場合によっては制御エレメント９５がグローチューブ５の先端部５５近傍の領域２０内に挿入されて、グローチューブ５が第３の絶縁粉末１５で充填されてからのことである。その後で初めて開口３５がグローチューブ５に穿設される。それにより、開口３５を通って酸素分子が、コントロールされた分圧を有したガス雰囲気下でグローチューブ５内に装填される。このプロセスは例えば約１時間から約２０時間の間で持続でき、この際、この時間範囲の限界はその都度上方にも下方にもずらされることが可能である。引き続いて、孔によって形成された開口３５が再び閉鎖される。閉鎖は例えば溶接により実施される。コントロールされた分圧によって、酸素濃度がグローチューブ５内で高められる。分圧が高ければ高いほど、グローチューブ５内の酸素の濃度は高くなる。高い濃度の酸素により、とりわけ、純粋な酸素分子の存在により、発熱コイル１０の表面での酸化が加速されるので、内燃機関内でのシース形グロープラグ１の最初の運転前または運転時には既に、発熱コイル１０の不動態化が、発熱コイル１０の表面における薄いＡｌ_２Ｏ_３層の形成により、短い時間で実現され、この際にＡｌ_２Ｏ_３層は保護機能を働かせ、シース形グロープラグの運転中に少量の空気が侵入した際に、発熱コイル１０における窒化物の形成を回避する。このようにして、シース形グロープラグ１の寿命を高めることができる。この場合、このことは、シース形グロープラグ１の最初の運転開始前に、発熱コイル１０を予備酸化することによって得られる。グローチューブ５内に酸素を装填するための分圧を適当に予め設定することによって、かつ酸素をグローチューブ５内に装填する時間を適当に予め設定した場合に、その組成で決定される保護層が発熱コイル１０に生ぜしめられる。この保護層は本例では酸化アルミニウム層として形成されている。
【００２７】
グローチューブ５内にこのようにして装填される酸素が、グローチューブ５内で、発熱コイル１０を備えた領域外にも配分される場合、酸化及び腐食に弱い制御コイルの使用は、第二の実施例の場合には推奨されず、制御エレメント９５を用いて例示的に説明したような、耐酸化性かつ耐食性の制御エレメントの使用や、制御コイルまたは制御エレメントの省略が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電気的に加熱可能なグロープラグの第１の実施例を示す図である。
【図２】 本発明による電気的に加熱可能なグロープラグの第２の実施例を示す図である。

Claims (13)

1. 内燃機関のための電気的に加熱可能なグロープラグ（１）であって、端部側で閉じられたグローチューブ（５）が設けられており、該グローチューブ（５）内に導電性の発熱コイル（１０）が挿入されており、該発熱コイル（１０）が少なくとも部分的にアルミニウムから、特にアルミニウム・鉄・クロム合金から形成されている形式のものにおいて、グローチューブ（５）内に酸素ドナーが、発熱コイル（１０）の加熱前または加熱時に酸化アルミニウム層を発熱コイル（１０）の表面に形成するために設けられていることを特徴とする、電気的に加熱可能なグロープラグ。
2. 発熱コイル（１０）がグローチューブ（５）内で第１の絶縁粉末（２５）内に埋め込まれており、該第１の絶縁粉末（２５）が、酸素ドナーとして働く物質を有している、請求項１記載のグロープラグ（１）。
3. 前記物質が、酸化したセラミック粉末である、請求項２記載のグロープラグ（１）。
4. 前記セラミック粉末が、複数の酸化数で酸化できる金属の金属酸化物、特にＴｉＯ_２を有している、請求項３記載のグロープラグ（１）。
5. 前記金属酸化物が出発状態で、自己の最高の酸化数にある、請求項４記載のグロープラグ（１）。
6. 前記酸化したセラミック粉末が、限定した条件下で酸素を欠陥形成により放出できる金属酸化物、特にＺｒＯ_２を有している、請求項３から５までのいずれか１項記載のグロープラグ（１）。
7. 酸素ドナーとして働く物質の含有量が、第１の絶縁粉末（２５）の、約０．１重量パーセント〜約２０重量パーセントの範囲である、請求項２から６までのいずれか１項記載のグロープラグ（１）。
8. 酸素ドナーが酸素分子の形で、コントロールされた圧力を有したガス雰囲気下でグローチューブ（５）内に装填されている、請求項１記載のグロープラグ（１）。
9. 少なくとも部分的にアルミニウムから、特にアルミニウム・鉄・クロム合金から形成されている、導電性の発熱コイル（１０）を、端部側で閉じられたグローチューブ（５）内に挿入する、内燃機関のための、電気的に加熱可能なグロープラグ（１）を製作する方法において、グロープラグ（１）の運転前に酸素ドナーをグローチューブ（５）内に、発熱コイル（１０）の加熱前または加熱時に酸化アルミニウム層を発熱コイル（１０）の表面に形成するために設けることを特徴とする、電気的に加熱可能なグロープラグを製作する方法。
10. 発熱コイル（１０）をグローチューブ（５）の先端部の領域（２０）内に挿入した後に、第１の絶縁粉末（２５）をグローチューブ（５）内に充填し、該第１の絶縁粉末（２５）が、酸素ドナーとして働く物質を有しているので、発熱コイル（１０）を可能な限り完全に、この第１の絶縁粉末（２５）内に埋入するようにする、請求項９記載の方法。
11. 引き続いて、第２の絶縁粉末（３０）、特にＭｇＯをベースとする絶縁粉末をグローチューブ（５）内に充填し、該第２の絶縁粉末（３０）はできるだけ酸素ドナーを含有していないかつ／または酸素の結合のためのゲッター物質を有していて、該第２の絶縁粉末（３０）内に、発熱コイル（１０）に接続されていて特にコバルト・鉄合金から形成されている制御コイル（６０）を埋入する、請求項１０記載の方法。
12. 発熱コイル（１０）をグローチューブ（５）の先端部の領域（２０）に挿入し、かつグローチューブ（５）を第３の絶縁粉末（１５）で充填した後に、グローチューブ（５）に開口（３５）を穿設し、グローチューブ（５）の開口（３５）を通して酸素分子を、コントロールされた圧力を有したガス雰囲気下でグローチューブ（５）内に装填し、孔により形成された開口（３５）を引き続き再度、有利には溶接により閉鎖する、請求項９記載の方法。
13. 酸素分子を、予め定められた時間、有利には約１時間から約２０時間の間でグローチューブ（５）内に装填する、請求項１２記載の方法。

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