JP4288857B2

JP4288857B2 - グロープラグ

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Publication number: JP4288857B2
Application number: JP2001029971A
Authority: JP
Inventors: 郁也安藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002228153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先端部を細径化すべく発熱体に大径部と小径部とを設けたグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のグロープラグは、エンジンに取付可能な筒状のハウジングと、一端側をハウジングの一端から突出した状態で他端側をハウジングに挿入することによってハウジングに保持された筒状のスリーブと、一端側をスリーブの一端から突出した状態で他端側をスリーブに挿入することによってスリーブに保持されたセラミック製棒状の発熱体とを備える。ここで、各挿入部は圧入やロウ付け等により固定される。
【０００３】
このグロープラグは、突出した発熱体が燃焼室に向かうように、エンジンの取付用の穴（グローホール）に挿入されてネジ結合等により固定される。そして、発熱体へ通電することにより、発熱体が発熱し、この熱によって燃焼室内の燃料への着火が行われる。こうして、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼が促進される。
【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直噴化に伴い、エンジン側の制約から、グロープラグは長化、細径化の傾向にあり、それに伴って、上記グローホールの径の更なる細径化が必要となってきている。そのために、グロープラグの先端部（燃焼室側に位置する端部）である発熱体を、より細径化する必要が出てくる。
【０００５】
その場合、ハウジングの一端から突出する発熱体の全体を細くすることが最適であるが、カーボン固着等による強度低下が懸念される。例えば、上記グローホールにカーボンが固着すると、固着したカーボンを介してグロープラグにエンジン振動が直に加わるため、発熱体が細いとクラック発生や破損の恐れがある。
【０００６】
そのため、発熱体の先端部のみ細径化することが、一般に行われている。つまり、発熱体は、その途中部に段差部を有して先端部側を小径部、反対側を大径部としたものとなる。
【０００７】
しかしながら、このように段差部を有する発熱体とした場合、段差部には、発熱体の通電時等に発生する熱による熱応力が集中しやすく、この段差部から発熱体が破損する恐れが大きい。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、先端部を細径化すべく発熱体に大径部と小径部とを設けたグロープラグにおいて、発熱体の大径部と小径部との段差部に発生する熱応力の低減を可能とすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来のグロープラグでは、発熱体の段差部がスリーブから離れて露出しており、段差部の熱引き性が不十分であるため、段差部に大きな熱応力が発生しやすくなると考えた。本発明は、発熱体の段差部の熱引き性を向上させることに着目してなされたものである。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、エンジンに取付可能な筒状のハウジング（１０）と、一端（２１）側が前記ハウジングの一端（１１）から突出した状態で他端（２２）側が前記ハウジングに挿入されることによって前記ハウジングに保持された筒状のスリーブ（２０）と、一端（３１）側が前記スリーブの前記一端から突出した状態で他端（３２）側が前記スリーブに挿入されることによって前記スリーブに保持され、通電により発熱するセラミック製棒状の発熱体（３０）とを備えるグロープラグにおいて、前記発熱体は、途中部に段差部（３６）を有して前記一端側が小径部（３７）、前記他端側が大径部（３８）となっており、前記大径部の全てが前記スリーブ内に配置されており、前記段差部（３６）の全てが前記スリーブ（２０）内に配置されており、前記発熱体（３０）は、導電性セラミック製の発熱部（３３）と、この発熱部に電気的に接続され前記発熱部の通電を行うためのリード線（３４）とを備え、これら発熱部およびリード線が絶縁性セラミック製の絶縁体（３５）に埋設されてなるものであり、前記発熱部と前記リード線との接続部は、前記大径部（３８）に位置し且つ前記スリーブ（２０）内に位置しており、さらに、前記発熱体（３０）の前記発熱部（３３）がＵ字形状をなし、その曲がり部の幅が他の部位よりも狭くなっており、前記グロープラグに対して定格電圧を印加して前記発熱体（３０）を通電させ前記発熱体の温度が飽和した時における前記段差部（３６）の表面温度が５２０℃以下であることを特徴としている。
【００１１】
それによれば、発熱体において、大径部の全てをスリーブ内に配置させることにより、段差部の少なくとも一部がスリーブと接触する形となり、段差部はスリーブを介して放熱しやすくなる。そのため、本発明によれば、段差部の熱引き性が向上し、段差部の熱応力を低減することが可能となる。
【００１２】
また、本発明のように、段差部（３６）の全てをスリーブ（２０）内に配置するようにすれば、より高いレベルにて上記した本発明の効果を実現することができる。
【００１３】
また、本発明のように、発熱体（３０）が、導電性セラミック製の発熱部（３３）と、この発熱部に電気的に接続され発熱部の通電を行うためのリード線（３４）とを備え、これら発熱部およびリード線が絶縁性セラミック製の絶縁体（３５）に埋設されてなるものである場合、発熱部とリード線との接続部を、大径部（３８）に位置させ且つスリーブ（２０）内に位置させることが好ましい。
【００１４】
それにより、発熱部とリード線との接続部に発生する熱応力を低減することができ、熱応力による当該接続部の破損を抑制することができる。さらに、本発明では発熱体（３０）の発熱部（３３）を、Ｕ字形状をなし、その曲がり部の幅が他の部位よりも狭くなっているものとしている。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明のように、段差部（３６）の高さとしては０．０５ｍｍ以上であるものにできる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明のように、段差部（３６）をＲ形状またはテーパ形状であるものにすれば、強度的に好ましい。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明のように、小径部（３７）の径をＤ１、大径部（３８）の径をＤ２、段差部（３６）も含めた小径部の長さをＬ１としたとき、これら各寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｌ１は、単位をｍｍとして次の数式２にて示される関係を満足しているものにすれば、さらに、エンジンに搭載したときに加わる振動に対しても強いグロープラグを提供することができる。
【００１８】
［数２］
２≦Ｄ１≦３．５
３≦Ｄ２≦４
Ｌ１≦１５Ｄ１−２０
また、請求項４に記載の発明では、グロープラグに対して定格電圧を印加して発熱体（３０）を通電させ発熱体の温度が飽和した時における段差部（３６）の表面温度が５２０℃以下であることを特徴としている。
【００１９】
本発明者の実験検討によれば、上記表面温度が５２０℃以下であれば、請求項１の発明の効果を、より長期に渡って発揮させることができ、グロープラグの信頼性を更に高めることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
【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。図１は、本発明の実施形態に係るグロープラグＧ１の全体構成を示す縦断面図であり、図２は、このグロープラグＧ１をエンジンのエンジンヘッド９００に取り付けた状態を示す断面図、図３は、図１における発熱体３０の近傍を拡大して示す断面図である。
【００２２】
このグロープラグＧ１は、例えば、自動車の直噴式ディーゼルエンジンにおける複数（例えば４気筒）のエンジンヘッド９００に形成された取付用の穴部（グローホール）９０１にそれぞれ取り付けられ、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ものとして適用される。
【００２３】
１０は、エンジンに取付可能な筒状のハウジングであり、導電性材料（例えば、鉄系材料）からなる。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。
【００２４】
グロープラグＧ１は、図２に示す様に、ハウジング１０の一端１１側を燃焼室９０２側に位置させつつエンジンヘッド９００の穴部９０１に挿入され、穴部９０１に形成されたネジ部（図示せず）と取付ネジ部１３とが、ナット部１４を介してネジ結合される。それにより、グロープラグＧ１は、エンジンヘッド９００に脱着可能に取り付けられるようになっている。
【００２５】
ここで、ハウジング１０の一端１１はテーパ状となっており、取付状態において、エンジンヘッド９００の穴部９０１内の座面９０３に密着することにより、燃焼室９０２内の気密を保持するようになっている。
【００２６】
ハウジング１０は、例えば炭素鋼等を用い、その内面及び外面を冷間鍛造により加工形成した後、切削等によって取付ネジ部１３を形成することで作ることができる。また、取付ネジ部１３の寸法は、例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）に規格されたＭ８以下の寸法を採用することができる。
【００２７】
このハウジング１０の内孔には、耐熱・耐食性合金（例えばステンレス）等よりなる円筒状のスリーブ２０が収納されている。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に挿入されている。ここで、圧入や挿入部のロウ付け等により、ハウジング１０の内面とスリーブ２０の外面とは隙間無く固定され、スリーブ２０はハウジング１０に保持されている。
【００２８】
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発熱体３０が収納されている。発熱体３０は、その一端３１側がスリーブ２０の一端２１から突出した状態で他端３２側がスリーブ２０に挿入されている。ここで、挿入部のロウ付け等により、発熱体３０は、スリーブ２０に固定されて保持されている。
【００２９】
この発熱体３０は、導電性セラミック（例えば窒化珪素と珪化モリブデンを成分としたもの）製のＵ字状の発熱部３３と、この発熱部３３に電気的に接続され発熱部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とを備え、これら発熱部３３およびリード線３４が絶縁性セラミック（例えば窒化珪素を成分としたもの）製の絶縁体３５に埋設されてなる焼結体である。
【００３０】
また、発熱体３０は、途中部に段差部３６を有して一端３１側が小径部３７、他端３２側が大径部３８となっており、一端３１は球面形状となっている。ここで、図３に示す様に、小径部３７の径をＤ１、大径部３８の径をＤ２としたとき、（Ｄ２−Ｄ１）／２で示される段差部３６の高さは、小径部３７と大径部３８とを形成するために最低限０．０５ｍｍ以上としている。
【００３１】
ここにおいて、本実施形態では、発熱体３０の大径部３８の全てを、スリーブ２０内に配置したことを主たる特徴としている。特に、図示例のように、大径部３８および段差部３６の全てをスリーブ２０内に配置することが好ましい。
【００３２】
また、発熱体３０内にて、発熱部３３とリード線３４との接続部は、大径部３８に位置し且つスリーブ２０内に位置している。また、段差部３６は、図に示す様に、大径部３８から小径部３７に向かってなだらかに縮径するように、Ｒ形状となっていることが好ましい。なお、テーパ形状となっていてもよい。
【００３３】
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キャップリード５０が嵌合されている。
【００３４】
そして、発熱体３０の一方のリード線３４は、絶縁体３５から露出した部分にてキャップリード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、絶縁体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。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで、中軸４０の他端４２側とハウジング１０との間には、筒状の絶縁ブッシュ６０、中軸４０の保持・固定及び芯出しを行うための環状の溶着ガラス６２及びインシュレータ６４といった電気絶縁性部材が介在している。溶着ガラス６２及びインシュレータ６４は、端子ネジ部４３に設けられたナット４４により、絶縁ブッシュ６０を介して締め付け固定されている。
【００３７】
次に、上記構成に基づき、グロープラグＧ１の製造方法について具体的に述べる。発熱体３０は、特開２０００−１３０７５５号公報に記載されているように、ホットプレス等で成形し、さらに、研磨等で小径部３７、大径部３８、一端３１の球面を形成する。
【００３８】
次に、キャップリード５０を介して中軸４０と発熱体３０の一方のリード線３４とをロウ付け固定する。また、発熱体３０をスリーブ２０に挿入し、挿入部および他方のリード線３４とスリーブ２０とをロウ付け固定する。こうして、発熱体３０、中軸４０、スリーブ２０が一体化された一体化部材が出来上がる。
【００３９】
そして、上記一体化部材をハウジング１０へ挿入し、ハウジング１０とスリーブ２０との挿入部を、ロウ付け固定する。なお、この挿入部においては圧入による固定でも良い。
【００４０】
続いて、絶縁ブッシュ６０、溶着ガラス６２およびインシュレータ６４を中軸４０の回りに配しつつ、端子ネジ部４３に沿ってナット４４を締め付ける。なお、溶着ガラス６２は粉末状で投入され、加熱して溶着させる。こうして、図１に示すグロープラグＧ１が出来上がる。
【００４１】
このグロープラグＧ１は、上述の図２に示す様に、取付ネジ部１３を介してエンジンヘッド９００の穴部９０１にネジ結合されて取り付けられる。そして、発熱体３０の一端３１が、エンジンの燃焼室９０２に露出した状態になる。
【００４２】
また、グロープラグＧ１をエンジンヘッド９００に取り付けた状態で、端子ネジ部４３には、電源と電気的に接続された上記外部配線部材が端子用ナット（図示せず）を締め付ける等によって組み付けられる。これにより、ハウジング１０およびエンジンヘッド９００をアース側として、電源から外部配線部材、中軸４０を介して発熱体３０へ通電可能となる。
【００４３】
そして、グロープラグＧ１においては、発熱体３０へ通電することにより、発熱体３０の発熱部３３が発熱し、この熱によって燃焼室９０２内の燃料への着火が行われる。こうして、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼が促進される。
【００４４】
ところで、本実施形態によれば、途中部に段差部３６を有して一端３１側が小径部３７、他端３２側が大径部３８となっている発熱体３０において、大径部３８の全てをスリーブ２０内に配置したことを特徴としている。
【００４５】
それによれば、発熱体３０の大径部３８の全てをスリーブ２０内に配置させることにより、段差部３６の少なくとも一部がスリーブ２０と接触する形となり、段差部３６はスリーブ２０を介して放熱しやすくなる。そのため、段差部３６の熱引き性が向上し、段差部３６の熱応力を低減することが可能となる。
【００４６】
特に、図示例のように、段差部３６の全てをスリーブ２０内に配置するようにすれば、スリーブ２０を介した段差部３６の放熱をいっそう顕著にすることができ、段差部３６の熱引き性向上による熱応力低減効果をより高いレベルにて達成できるため、好ましい。
【００４７】
また、本実施形態によれば、発熱部３３とリード線３４との接続部を、大径部３８に位置させ且つスリーブ２０内に位置させることにより、発熱部３３とリード線３４との接続部に発生する熱応力を低減することができ、熱応力による当該接続部の破損を抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、発熱体３０の段差部３６をＲ形状またはテーパ形状であるものとしているため、この段差部３６の強度を比較的強いものとでき、好ましい。
【００４９】
また、上記小径部３７の径Ｄ１、大径部３８の径Ｄ２、さらには、段差部３６も含めた小径部３７の長さＬ１（図３参照）といった各寸法は、単位をｍｍとして次の数式３にて示される関係を満足するように設定することが好ましい。
【００５０】
【数３】
２≦Ｄ１≦３．５
３≦Ｄ２≦４
Ｌ１≦１５Ｄ１−２０
上記径Ｄ１、Ｄ２の下限値は、これよりも細いと実用上、強度的に不十分になることから決められ、上記径Ｄ１、Ｄ２の上限値は、グロープラグの細径化の要望によるものである。
【００５１】
また、長さＬ１を（１５Ｄ１−２０）ｍｍ以下とするのは、本発明者が行った実機振動試験（通電有り）により、発熱体３０の強度を調べた結果に基づくものである。その結果の一例を図４に示す。図４では、径Ｄ１と長さＬ１とを種々変えたものについて、５６．８時間（振動回数として、４×１０⁷回に相当）後に、発熱体３０が破断した場合を「×」、破断せずに異常無い場合を「○」としてプロットしてある。
【００５２】
図４中の近似線Ｓは、Ｌ１＝１５Ｄ１−２０で表せるが、図４からわかるように、近似線Ｓおよびそれよりも下側の範囲では、発熱体３０は振動に対して強度が確保されており、近似線Ｓよりも上側の範囲では、発熱体３０は振動に対して破断しやすい。
【００５３】
よって、長さＬ１を（１５Ｄ１−２０）ｍｍ以下とすれば、上記した段差部３６における熱応力低減の効果に加えて、実機（エンジン）に搭載したときに加わる振動（エンジン振動）に対しても強いグロープラグを提供することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、グロープラグＧ１に対して定格電圧を印加して発熱体３０を通電させ発熱体３０の温度が飽和した時における段差部３６の表面温度が５２０℃以下であることが好ましい。
【００５５】
これは、図５に示す様な、本発明者の行った通電試験の結果に基づくものである。通電試験は、図５（ａ）に示す通電パターンで行った。定格電圧（例えば１１Ｖ）をグロープラグＧ１に加え、段差部３６を含む小径部３７（つまり、上記長さＬ１の発熱体部分）の表面温度を飽和させる。
【００５６】
このとき、図５（ｂ）に示す様に、段差部３６の表面温度を４８０℃〜５５０℃と変える。これは、発熱体３０の形状や寸法等を、本実施形態の範囲内にて適宜設計変更することで可能である。例えば、段差部３６のスリーブ２０内への引っ込み度合を変えたりする等により可能である。
【００５７】
図５（ｂ）に示す様に、段差部３６の表面温度が５５０℃では、４０００回の通電サイクルで段差部３６にクラックが発生したが（判定×）、段差部３６の表面温度が５２０℃以下では、７０００回の通電サイクルまでも段差部３６にクラックが発生しなかった（判定○）。
【００５８】
従って、図５に示す結果から、グロープラグＧ１に対して定格電圧を印加して発熱体３０を通電させ発熱体３０の温度が飽和した時における段差部３６の表面温度が５２０℃以下（好ましくは５００℃以下）であれば、より長期に渡って段差部３６の熱応力低減効果を発揮させることができ、グロープラグの信頼性を更に高めることができる。
【００５９】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、Ｕ字形状の発熱体３０において、曲がり部の幅が他の部位よりも狭くなっている形状（図３参照）を採用しているが、参考例ではあるが、図６に示す様に、発熱体３０の全体に渡って幅の均一なＵ字形状を採用した場合にも、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【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縦断面図である。
【図２】図１に示すグロープラグをエンジンヘッドに取り付けた状態を示す断面図である。
【図３】図１における発熱体近傍を拡大して示す断面図である。
【図４】小径部の径Ｄ１と長さＬ１とを変えたときの振動に対する発熱体の強度を調べた結果を示す図である。
【図５】発熱体に対する通電試験の結果を示す図である。
【図６】発熱体の他の形状例を示す図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング、１１…ハウジングの一端、２０…スリーブ、
２１…スリーブの一端、２２…スリーブの他端、３０…発熱体、
３１…発熱体の一端、３２…発熱体の他端、３３…発熱部、３４…リード線、
３５…絶縁体、３６…段差部、３７…小径部、３８…大径部。

Claims

エンジンに取付可能な筒状のハウジング（１０）と、
一端（２１）側が前記ハウジングの一端（１１）から突出した状態で他端（２２）側が前記ハウジングに挿入されることによって前記ハウジングに保持された筒状のスリーブ（２０）と、
一端（３１）側が前記スリーブの前記一端から突出した状態で他端（３２）側が前記スリーブに挿入されることによって前記スリーブに保持され、通電により発熱するセラミック製棒状の発熱体（３０）とを備えるグロープラグにおいて、
前記発熱体は、途中部に段差部（３６）を有して前記一端側が小径部（３７）、前記他端側が大径部（３８）となっており、
前記大径部の全てが前記スリーブ内に配置されており、
前記段差部（３６）の全てが前記スリーブ（２０）内に配置されており、
前記発熱体（３０）は、導電性セラミック製の発熱部（３３）と、この発熱部に電気的
に接続され前記発熱部の通電を行うためのリード線（３４）とを備え、これら発熱部およびリード線が絶縁性セラミック製の絶縁体（３５）に埋設されてなるものであり、
前記発熱部と前記リード線との接続部は、前記大径部（３８）に位置し且つ前記スリーブ（２０）内に位置しており、
さらに、前記発熱体（３０）の前記発熱部（３３）がＵ字形状をなし、その曲がり部の幅が他の部位よりも狭くなっており、
前記グロープラグに対して定格電圧を印加して前記発熱体（３０）を通電させ前記発熱体の温度が飽和した時における前記段差部（３６）の表面温度が５２０℃以下であることを特徴とするグロープラグ。
前記段差部（３６）の高さは、０．０５ｍｍ以上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。
前記段差部（３６）は、Ｒ形状またはテーパ形状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。
前記小径部（３７）の径をＤ１、前記大径部（３８）の径をＤ２、前記段差部（３６）も含めた前記小径部の長さをＬ１としたとき、これら各寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｌ１は、単位をｍｍとして次の数式１
［数１］
２≦Ｄ１≦３．５
３≦Ｄ２≦４
Ｌ１≦１５Ｄ１−２０
にて示される関係を満足していることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。