JP4086764B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの予熱などに使用するグロープラグに関する。

一般にグロープラグは、先端側が閉じた筒状形態である発熱チューブの後端側内部に電極軸を臨ませ、前記発熱チューブの内部に発熱コイルを軸線方向に装填するヒータを備える（特許文献１参照）。また、発熱コイルは異なる材料で形成する第一コイルと第二コイルとし、該第一コイルの後端と該第二コイルの先端とを直列に結合し、該第一コイルの先端側を発熱チューブに、また、該第二コイルの後端側を電極軸に夫々接続する。そして、ヒータを主体金具に取り付け、該主体金具の外周面に形成されたネジ部により、ヒータ先端が燃焼室内に位置するようにディーゼルエンジンのブロックに取り付けて使用される。そして、前記発熱コイルに通電されることにより、ヒータが発熱し、所定時間経過後、ヒータの温度が飽和する。

しかし、実際のグロープラグの使用環境化においては、エンジン始動されると、燃焼噴霧やスワールなどの外的な要因により、燃焼室内に位置する発熱部が冷却される。発熱部が冷却されると発熱コイルの温度が下がり、発熱コイルの抵抗が減少し、電流変動を生じる。よって、発熱部の安定な発熱状態を得る（発熱コイルの温度を一定にする）には、発熱コイルの抵抗値変化をなるべく抑制することが重要となる。具体的には、抵抗が一定の範囲内に維持されるように、発熱コイルへの投入電力を、抵抗の目標値に対する現在の発熱コイルの抵抗値の変化量に応じて調整することで、発熱コイルの温度を一定にする制御方式を採用することができる（以下、このような制御方式を抵抗制御方式という。）。なお、ヒータの抵抗を一定の範囲内に維持させ、ヒータの発熱状態を安定化させることは、エンジンの始動性向上と、エミッション低減に有効に作用するため、重要な意味を持つ。

特公昭６１−６１０１３号公報 （第１頁）

抵抗制御方式においては、発熱コイルの温度変化に対する抵抗値変化の大小が性能の良否を左右する。例えば、特許文献１のようなグロープラグでは、先端側の抵抗体（第一コイル）よりも後端側の抵抗体（第二コイル）の方が正の抵抗温度係数が高いため、燃焼室内に位置する発熱部が急激に冷却された場合でも、燃焼室の内部深く位置する第一コイルの温度変化が第二コイルの温度変化より少ない。よって、第一コイルの抵抗値変化が第二コイルの抵抗値変化よりも少なく、これにより制御装置が温度変化を正確に読み取れないおそれがある。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、燃焼室内の温度変化に敏感に反応可能な抵抗値制御に適したグロープラグを提供することにある。

上記の目的を達成するため本発明は、請求項１に記載したように、先端側が閉じた筒状形態である発熱チューブの後端側内部に電極軸を臨ませ、前記発熱チューブの内部に発熱コイルを軸線方向に装填するヒータを備え、該発熱コイルを異なる材料で形成する第一コイルと第二コイルとし、該第一コイルの後端と該第二コイルの先端とを直列に結合し、該第一コイルの先端側を発熱チューブに、また、該第二コイルの後端側を電極軸に夫々接続してなるグロープラグであって、前記第一コイルを前記第二コイルより温度抵抗比の大きい材料で形成したグロープラグを提供する。

上記のように第一コイルは第二コイルより大きい温度抵抗比を持った材料で形成されているため、温度変化による抵抗値変化が第二コイルの抵抗値変化より大きいからグロープラグを制御する制御装置に温度変化の正確な情報を伝えることができる。特に本発明は、ヒータの先端側に第一コイルを配置したことにより、エンジンヘッドに装着した状態ではヒータの先端側が燃焼室の内部深くに位置するから、燃焼室内のスワール（渦状の空気の流れ）や燃料噴射などの影響による温度変化に敏感に反応する。なお、温度抵抗比とは、２０℃での電気抵抗Ｒ２０に対する１０００℃での電気抵抗Ｒ１０００の比 Ｒ１０００／Ｒ２０のことである。

前記第一コイルは、請求項２に記載したように、温度抵抗比が６以上である材料で形成するとよい。これにより第一コイルの温度変化に対する必要十分な感度が確保できる。

また、第二コイルは、請求項３に記載したように、温度抵抗比が３以下である材料で形成するとよい。そうした場合には、発熱コイルの温度上昇に伴う第二コイルの電気抵抗値の増加が緩やかになって第一コイルと第二コイルの抵抗差が短時間で拡大し、従って発熱チューブの先側に位置する第一コイルの発熱量が急速に増加する。また、仮に常温時に第一コイルの電気抵抗値より第二コイルの電気抵抗値の方が大きい設定であったとしても、第一コイルの電気抵抗値と第二コイルの電気抵抗値の大小が通電後短時間で逆転するから、昇温過程において第一コイルの急速昇温、すなわちヒータの先端側の急速昇温が可能になる。

また、前記発熱コイルは、請求項４に記載したように、第一コイルの常温時の電気抵抗値が第二コイルの常温時の電気抵抗値と同じか又はそれ以上になるように設定するのがよい。そうすることによりグロープラグに電圧を印加した当初からヒータの先端側にある第一コイルが後端側にある第二コイルと同じか又はそれ以上に発熱する。よって昇温過程においてヒータの先端側の急速昇温がより可能になる。

本発明の発熱コイルの第一コイルは第二コイルより大きい温度抵抗比を持った材料で出来ているため、温度変化による抵抗値変化が大きいからグロープラグを制御する制御装置に温度変化の正確な情報を伝えることができる。特に本発明は、発熱チューブの先側に第一コイルを配置したことにより、それがエンジンヘッドに装着した状態で燃焼室の内部深くに位置するから、燃焼室内のスワールや燃料噴射などの影響による温度変化に敏感に反応する。
よって本発明によれば、温度変化に敏感に反応可能であって抵抗値制御に適応可能なグロープラグが提供できる。

また、請求項２に記載した前記第一コイルは、温度抵抗比が６以上である材料で形成するようにしたため、温度変化に対する必要十分な感度が確保できる。

また、請求項３に記載した第二コイルは、温度抵抗比が３以下である材料で形成したため、発熱コイルの温度上昇に伴う第二コイルの電気抵抗値の増加が緩やかになって第一コイルと第二コイルの抵抗差が短時間で拡大し、従って発熱チューブの先側に位置する第一コイルの発熱量が急速に増加する。また、仮に常温時に第一コイルの電気抵抗値より第二コイルの電気抵抗値の方が大きい設定であったとしても、第一コイルの電気抵抗値と第二コイルの電気抵抗値の大小が通電後短時間で逆転するから、昇温過程において第一コイルの急速昇温、すなわちヒータの先端側の急速昇温が可能になる。

また、請求項４に記載した発熱コイルは、第一コイルの常温時の電気抵抗値が第二コイルの常温時の電気抵抗値と同じか又はそれ以上になるように設定したため、グロープラグに電圧を印加した当初からヒータの先端側にある第一コイルが後端側にある第二コイルと同じか又はそれ以上に発熱するから、昇温過程においてヒータの先端の急速昇温がより可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図１は使用状態を示す要部の断面図、図２は右半分を断面にして示すグロープラグの正面図である。

グロープラグ１は、図２に示したように、筒状の主体金具２と、主体金具２の先端に固着したヒータ１０から構成され、該ヒータ１０は発熱チューブ３と、主体金具２の中心を貫く棒状の電極軸４とから概略構成される。前記発熱チューブ３は先端が閉じた筒状形態であり、その中に例えばマグネシア粉末のような絶縁材が詰められている。一方、前記電極軸４は主体金具２の中心を通って発熱チューブ３の後端内部に臨んでおり、この電極軸４の先端と発熱チューブ３の筒先が発熱手段たる発熱コイル５を介して電気的に繋がっている。

その他、図２において符号６は前記主体金具２の上端の胴部外周に形成した六角ボルト形態の工具係合部、７はディーゼルエンジンのエンジンヘッド８に装着するために前記工具係合部６の下に形成したた雄ねじ、９は電極軸４の頂部に形成した電源ケーブル（図示せず）接続用のネジ部である。

なお、グロープラグ１の工具係合部６は上記のような六角ボルト形態に限定されるものではなく、多角形状等により形成してもよい。

しかして、本発明の要旨は発熱コイル５の特徴的な構成にある。すなわち、本発明の発熱コイル５は、図１に示したように異なる材料で形成した第一コイル５１と第二コイル５２を直列に結合（溶接）し、第一コイル５１を発熱チューブ３に、また、第二コイル５２を電極軸４に夫々接続してなる。

前記第一コイル５１は、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金（Ｃｏ：７２重量％、Ｆｅ：８重量％）、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ合金（Ｃｏ：７１重量％、Ｎｉ：２５重量％、Ｆｅ：４重量％）、Ｃｏ−Ｎｉ合金（Ｃｏ：６０重量％、Ｎｉ：４０重量％）、Ｎｉ−Ｆｅ合金（Ｎｉ：７０重量％、Ｆｅ：３０重量％）、Ｙ−Ｎｉ合金（Ｎｉ：９９.５重量％、Ｙ：０.５重量％）等の材料で出来ており、これらは何れも２０℃での電気抵抗Ｒ２０に対する１０００℃での電気抵抗Ｒ１０００の比（＝温度抵抗比）Ｒ１０００／Ｒ２０が６以上のものである。また、前記材料の常温（２０℃〜２５℃程度、以下同じ）での比抵抗はおよそ５〜２０μΩｃｍである。

一方、第二コイル５２は、例えばＮｉ−Ｃｒ合金（Ｎｉ：８０重量％、Ｃｒ：２０重量％）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（Ｆｅ：６７重量％、Ｃｒ：２６重量％、Ａｌ：７重量％）等の材料で出来ており、これらは２０℃での電気抵抗Ｒ２０に対する１０００℃での電気抵抗Ｒ１０００の比（＝温度抵抗比）Ｒ１０００／Ｒ２０が何れも３以下のものである。また、前記材料の常温での比抵抗はおよそ８０〜２００μΩｃｍである。

発熱コイル５全体の常温での電気抵抗値をＲ、第一コイル５１の常温での電気抵抗値をＲ１、第二コイル５２の常温での電気抵抗値をＲ２とすると、第一コイル５１と第二コイル５２は直列に繋がっているためＲ＝Ｒ１＋Ｒ２の関係にある。また、第一コイル５１と第二コイル５２の常温での電気抵抗値は、Ｒ１≧Ｒ２となるように設定する。

発熱コイル５全体の常温に求められる電気抵抗値Ｒは、常温時にグロープラグ１に電圧を印加したとき突入電流が過大になって制御装置（図示せず）への突入電流が過大にならない大きさを最低値として設定する。これは、常温時にグロープラグ１に電圧を印加したとき突入電流が過大になって制御装置の半導体（特にグロープラグの通電を制御する半導体スイッチ素子）を損傷することがあり、そのような過大な突入電流を制御装置に流れさせないようにするためである。なお、本発明においては、第二コイル５２は第一コイル５１より常温における比抵抗の大きい材料で形成している。これにより、制御装置の半導体に過大な突入電流が流れないようになり、制御装置が損傷することを抑制することができる。また、第二コイル５２は第一コイル５１より常温における比抵抗の大きい材料で形成したから、上記常温時に求められる電気抵抗値を得るのに必要な発熱コイル５の長さが、第一コイル単体で発熱コイルの全てを形成する場合に比べて遙かに短くすることができる。

本発明のグロープラグ１の発熱コイル５の好ましい仕様は次のとおりである。
(1) 材質
・第一コイル Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ合金（組成：Ｃｏ＝７１重量％；Ｎｉ＝２５重量％；Ｆｅ＝４重量％）
・第二コイル Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（組成：Ｆｅ＝６７重量％；Ｃｒ＝２６重量％；Ａｌ＝７重量％）
(2) 常温（２０℃）における比抵抗
・第一コイル １０μΩｃｍ
・第二コイル １６０μΩｃｍ
(3) 温度抵抗比 Ｒ１０００／Ｒ２０
・第一コイル ８.５
・第二コイル １
(4) コイル寸法
┃ 第一コイル ┃ 第二コイル
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・長さ ┃ Ｌ１＝７ｍｍ ┃ Ｌ２＝５ｍｍ
・巻数 ┃ １１巻 ┃ ２巻
・コイル直径 ┃ ２.０ｍｍ ┃ ２.０ｍｍ
・コイル線径 ┃ ０.２２５ｍｍ ┃ ０.３００ｍｍ
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(5) 常温（２０℃）における電気抵抗値
・発熱コイル（全体） Ｒ＝０.２５Ω
・第一コイル Ｒ１＝０.１３Ω
・第二コイル Ｒ２＝０.１２Ω

上記仕様の発熱コイル５を備えたグロープラグ１を試験用ブロックのプラグホールに装着し（図１参照）、風冷の有無による通電抵抗値の変化並びに抵抗値一定に制御した場合の風冷の有無による発熱コイル５の温度を測定した。その結果を図３（ａ）と図４に示す。また、比較例として従来のグロープラグを使って前記と同じ要領で、風冷の有無による通電抵抗値の変化並びに抵抗値一定に制御した場合の風冷の有無による発熱コイルの温度を測定し、その結果を図３（ｂ）と図４に示した。なお、使用した従来型グロープラグの発熱コイルの仕様は以下の通りである。
(1) 材質
・第一コイル Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（組成：Ｆｅ＝６７重量％；Ｃｒ＝２６重量％；Ａｌ＝７重量％）
・第二コイル Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ合金（組成：Ｃｏ＝７１重量％；Ｎｉ＝２５重量％；Ｆｅ＝４重量％）
(2) 常温（２０℃）における比抵抗
・第一コイル １６０μΩｃｍ
・第二コイル １０μΩｃｍ
(3) 温度抵抗比 Ｒ１０００／Ｒ２０
・第一コイル １
・第二コイル ８.５
(4) コイル寸法
┃ 第一コイル ┃ 第二コイル
━━━━━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━
・長さ ┃ Ｌ１＝３ｍｍ ┃ Ｌ２＝４ｍｍ
・巻数 ┃ １.５巻 ┃ ３巻
・コイル直径 ┃ ２.０ｍｍ ┃ ２.０ｍｍ
・コイル線径 ┃ ０.２５ｍｍ ┃ ０.２０ｍｍ
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図３（ａ），（ｂ）の結果によれば、本発明のグロープラグ１は、風冷の有無による通電抵抗値のバラツキが従来品に比べて少ないことが判る。また、図４の結果によれば、本発明のグロープラグ１は、抵抗値一定に制御した場合の風冷の有無による発熱コイル５の温度がほぼ一定で安定していることが判る。

使用状態を示す要部の断面図である。 右半分を断面にして示すグロープラグの正面図である。 （ａ），（ｂ）は風冷の有無による通電抵抗値の変化を示すグラフである。 抵抗値一定に制御した場合の風冷の有無による発熱コイルの温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１ …グロープラグ
３ …発熱チューブ
４ …電極軸
５ …発熱コイル
５１…第一コイル
５２…第二コイル
１０…ヒータ

Claims (4)

1. 先端側が閉じた筒状形態である発熱チューブの後端側内部に電極軸を臨ませ、前記発熱チューブの内部に発熱コイルを軸線方向に装填するヒータを備え、該発熱コイルを異なる材料で形成する第一コイルと第二コイルとし、該第一コイルの後端と該第二コイルの先端とを直列に結合し、該第一コイルの先端側を発熱チューブに、また、該第二コイルの後端側を電極軸に夫々接続してなるグロープラグであって、前記第一コイルを前記第二コイルより温度抵抗比の大きい材料で形成したことを特徴とするグロープラグ。
2. 前記第一コイルを温度抵抗比が６以上である材料で形成したことを特徴とする請求項１記載のグロープラグ。
3. 前記第二コイルを温度抵抗比が３以下である材料で形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のグロープラグ。
4. 前記発熱コイルは、第一コイルの常温時の電気抵抗値が第二コイルの常温時の電気抵抗値と同じか又はそれ以上になるように設定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のグロープラグ。

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