JP4567265B2 - セラミックシース形グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念で述べた形式の、ディーゼルエンジンのためのセラミックのシース形グロープラグを起点としている。例えばドイツ連邦共和国特許出願公開４０２８８５９第号明細書により、外側に位置するセラミックの発熱体を備えたシース形グロープラグが公知である。さらに、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第２９３７８８４号明細書により公知の金属製のシース形グロープラグでは、金属製のグロー巻線がサーモエレメントに溶接されている。この場合、シース形グロープラグの運転中に熱応力の作用により、各シリンダの温度が測定される。しかしながらセラミックの発熱エレメントを備えたシース形グロープラグでは金属製のグロー巻線が設けられていない。
【０００２】
ドイツ連邦共和国１９８４４３４７号明細書により、グローシースにコンタクトエレメントを介して電気的に接続されている接続エレメントを備えたシース形グロープラグが公知である。このコンタクトエレメントは、図１に示されているようにばねとして形成されている。
【０００３】
発明の効果
本発明の独立請求項に記載の特徴を有するセラミックシース形グロープラグは、グローシースの温度を測定することができるという利点を有している。セラミックシース形グロープラグにおいて、付加的な装置的な手間なしに、グローシースの温度を、グローシースの外面の選択された領域で直接的に測定することが初めて可能になる。温度の測定は、グローシース全体の容積に比して小さな選択された領域で行われる。これにより、大きな容積にわたって温度が分配されていることにより生じる、温度測定の際の誤差は減じることができる。さらに有利には、本発明によるシース形グロープラグでは、グローシースの選択された領域における発熱出力の集中が実現することができ、この場合、導電的な層の横断面は変わらないので、発熱出力の集中が行われるべき領域の表面は一定のままであり、従って相互作用面も一定に保たれる。さらに有利には、このような形式のセラミックの温度測定シース形グロープラグの製造は安価に行える。
【０００４】
第１の独立請求項に従属する請求項に記載の特徴により、独立請求項に記載されたセラミックシース形グロープラグの有利な構成および改良形が得られる。特に、シース形グロープラグの種々異なる領域のために使用されるセラミック材料を適当に選択することにより、発熱体の機械的な安定性が損なわれないことが保証される。測定された温度数値を制御装置によって処理することにより、グローシースの選択された領域において温度を調節することができる。さらに有利には、本発明によるシース形グロープラグは、発熱作用を満たした後で、パッシブ運転において温度センサとして使用される。これにより各シリンダにおいて燃焼が正確に行われているかが確認できる。有利には、このような情報に基づき、燃焼に関するパラメータに影響を与えることができる。
【０００５】
独立請求項１４の特徴を有する本発明によるセラミックシース形グロープラグは、先行技術に対して次のような利点を有している。即ち、出力横断面がより大きなことに基づき、コンタクトエレメントの材料が熱的に破壊されることなしに、比較的高い電流が伝達され得るという利点を有している。コンタクト材料の表面積が大きいことにより、良好な導熱性を可能になりさらに有利である。弾性的なばね成分により、熱膨張係数が異なることによる周囲の構成部分の熱的な摺動を補償できることが保証される。
【０００６】
請求項１４に従属する請求項に記載された手段により、独立請求項に記載のセラミックシース形グロープラグの有利な別の構成および改良形が得られる。この場合、有利には、コンタクトエレメントが、グラファイトまたは導電性のセラミックパウダとして形成されている。何故ならばこのような材料は耐食性があるからである。さらに有利には、材料の主成分がグラファイトまたは導電性のセラミックまたはメタルパウダであればよい。何故ならば、ほぼ同じ特性でありながら高価な材料を節約できるからである。さらに有利には、本発明によるコンタクトエレメントを備えたシース形グロープラグは、下記の形式および方法で製造される。何故ならば、このようにすれば、プラグケーシング内に存在する構成部分を、短絡しないように配置することができるからである。さらに構成部分が一方では緩むことなしに、他方ではばね弾性的なエレメントの大きな反力により破壊されることなしにプレス固定されることが保証される。
【０００７】
実施例の説明
図１には、本発明によるセラミックシース形グロープラグ１が縦断面図で概略的に示されている。このシース形グロープラグ１の燃焼室から離れた側の端部では、円形コネクタ２を介して電気的なコンタクトが行われている。円形コネクタ２はシール部材３によってプラグケーシング４から分離されており、円筒状の導体５に接続されている。プラグケーシング４における円筒状の導体５の位置固定は、メタルリング７と電気的に絶縁するセラミックスリーブ８とを介して行われる。円筒状の導体５はコンタクトピン１０（この場合、円筒状の導体５は構成部分におけるコンタクトピン１０と一体であってもよい）と、適当なコンタクトエレメント１２とを介して、セラミックグローシース１４に接続されている。前記コンタクトエレメント１２は、有利にはコンタクトばねとしてまたは導電的なパウダーパッケージとしてまたは有利にはグラファイトから成る弾性的なばね成分を有した導電的なタブレットとして形成されている。グロープラグの内側ではシールパッケージ１５によって燃焼室に対してシールされている。シールパッケージ１５は導電的な炭素化合物から成っている。しかしシールパッケージ１５は、金属、または炭素と金属の混合物、またはセラミックと金属の混合物から形成されていてもよい。グローシース１４はセラミック発熱層１８とセラミック給電層２０，２１とから成っている。両給電層２０，２１は発熱層１８によって接続されており、この発熱層１８と一緒に導電層を形成する。給電層２０，２１は任意の形状を有しており、発熱層１８も任意の形状を有していてよい。有利には導電層がＵ字形に形成されている。給電層２０，２１は、同様にセラミック材料から成る絶縁層２２によって分割されている。図１に示した実施例では、グローシース１４は、給電層２０，２１と発熱層１８とがグローシース１４の外側に配置されているように形成されている。しかしながら少なくとも給電層２０，２１を、グローシースの内側に配置し、さらに外側に位置するセラミック絶縁層によってカバーするように配置することもできる。プラグケーシングの内側では、セラミックグローシースがガラス層（図示せず）によって、シース形グロープラグのその他の構成部分４，８，１２，１５から絶縁されている。コンタクトエレメント１２と給電層２０との間の電気的なコンタクトを形成するために、ガラス層は個所２４で中断されている。ガラス層は同様に、給電層２１とプラグケーシング４との間の電気的なコンタクトをシールパッケージ１５を介して行うために個所２６でも中断されている。この実施例では有利な構成として発熱層１８がグローシースの先端に配置されている。しかしながら発熱層１８が導電層の別の個所に配置されていることも考えられる。発熱層１８は最も大きな発熱作用が得られる個所に配置されているのが望ましい。
【０００８】
図２には再び、セラミックの発熱部材を側方から見た図が示されている。図１に示したように、発熱層１８がグローシースの先端に位置している実施例が示されている。さらに給電層２０，２１と絶縁層２２とが示されている。この側方図では、給電層２０，２１と発熱層１８とから成る導電層がＵ字形形状を有している実施例が図示されている。
【０００９】
グローシースが燃焼室内での燃焼を補助するために加熱される運転状態は、アクティブ運転と称す。この場合、このような加熱は、内燃機関の始動時に、および有利には３分以上継続する後グロー位相で、および内燃機関の運転中に燃焼室の温度が著しく下がった場合の中間グロー位相で行われる。
【００１０】
本発明によるセラミックシース形グロープラグでは、発熱層１８の材料は、発熱層１８の絶対電気抵抗が、給電層２０，２１の絶対電気抵抗よりも大きいように選択される。（以下では、発熱とは、絶対電気抵抗を加えない抵抗の意味と解されたい。）給電層の間の横流を回避するために、絶縁層の抵抗は、発熱層１８の抵抗および給電層２０，２１の抵抗よりも著しく大きいように選択されている。
【００１１】
図３では、どの装置がシース形グロープラグ１に接続されているかが概略的に示されている。これはまず第１に、コンピュータユニットおよびメモリユニットを有したエンジン制御装置３０である。エンジン制御装置３０にはシース形グロープラグの、エンジンに依存したパラメータがメモリされる。これは例えば、エンジンの負荷および回転数に依存した抵抗温度特性マップであってよい。エンジン制御装置のメモリは、正確な燃焼のために単数または複数の温度基準値も有している。エンジン制御装置は燃焼に影響を与えるパラメータ、即ち例えば燃料の噴射継続時間、噴射開始時期、噴射終了時期などを制御する。制御装置３２は、エンジン制御装置によって設定された電圧を調節する。この電圧は、シース形グロープラグのために使用される電圧全体である。制御装置３２にはさらに、グローシースを介して流れる電流の強さを測定する電流測定装置が位置している。さらに制御装置３２は、メモリユニットおよびコンピュータユニットを有している。エンジン制御装置３０と制御装置３２とは１つの装置に統一されていてもよい。
【００１２】
図４では、シース形グロープラグにより生ぜしめられる抵抗が図解されている。値Ｒ２０を有する抵抗４１は、セラミック給電層２０の抵抗である。値Ｒ１を有する抵抗４３は、発熱層の抵抗を有している。値Ｒ２１を有する抵抗４５はセラミック給電層２１の抵抗を有している。さらにこれにその他の供給路および帰路の抵抗が加わるが、これら全ては抵抗Ｒ２０，Ｒ２１に比して小さいので考慮しない。これらのその他の抵抗は図４に示さない。抵抗４１，４３，４５は直列に接続されている。図４に基づく考察のために、場合によっては生じる横方向電流は考慮されない。従って全抵抗Ｒは、抵抗Ｒ２０とＲ１とＲ２１との和である。抵抗Ｒ１はこの場合、最大の被加数である。
【００１３】
エンジン制御装置３０によって、ここにメモリされているグローシースの特性マップと所望の温度に基づき、作用電圧が設定される。この作用電圧は制御装置３２によって調節される。抵抗４１，４３，４５の温度依存性に基づき、シース形グロープラグを介して、即ち抵抗Ｒを介して電流Ｉが発生し、この電流Ｉは制御装置３２で測定される。全抵抗Ｒ＝Ｒ２０＋Ｒ１＋Ｒ２１の温度依存性はこの場合主として、抵抗Ｒ１の温度依存性により生じる。何故ならばこの抵抗Ｒ１は最大の値を有しているからである。抵抗Ｒ２０，Ｒ１，Ｒ２１の温度依存性は、室温と約１４００℃の温度の間の、シース形グロープラグの全運転範囲にわたってほぼ一定である。燃焼室の温度はシース形グロープラグの運転範囲内にある。
【００１４】
測定された電流の強さＩは、メモリされた特性マップに基づき制御装置３２によって、抵抗Ｒ２０，Ｒ２１よりも著しく高い抵抗Ｒ１に基づき主として発熱層１８の温度から生ぜしめられる温度に換算される。この温度がエンジン制御装置３０に戻される。この場合、算出された温度に基づき、シース形グロープラグのための作用電圧が新たに設定される。
【００１５】
グローシースの発熱層１８の温度を別の方法で、例えばディスプレイに出力することもできる。さらに、例えばエンジン制御装置３０にメモリされた単数または複数の基準温度を考慮して算出された温度に基づき、燃焼の品質に関する推論をシリンダごとに導き出すこともできる。燃焼が正確に行われない場合は、制御装置によってシリンダごとに、燃焼過程に影響を与え、再び正確な燃焼を行わせるような措置を講じることもできる。これにより例えば、燃料の噴射継続時間、噴射開始時期、噴射圧などを変化させることができる。
【００１６】
別の実施例では、シース形グロープラグのパッシブ運転においても、即ち、シース形グロープラグがもはやアクティブ運転していない後グロー時間後に、燃焼室の温度を測定することができる。この場合、相応に低い作用電圧が設定され、アクティブ運転時と同様に、抵抗Ｒによって調節された電流Ｉが測定され、燃焼室の温度に相当する発熱領域の温度が推量される。アクティブ運転時と同様に、燃焼室の温度はシリンダごとに、エンジン制御装置内にメモリされた、正確な燃焼のための基準値と比較される。燃焼室の温度が、正確な燃焼のものと相応しない場合には、シース形グロープラグのアクティブ運転について説明したのと同様に、再び正確な燃焼を行うように措置を講じ、例えば燃料の噴射継続時間、噴射開始時間、噴射圧が変化される。
【００１７】
抵抗Ｒ２０，Ｒ１，Ｒ２１の値とその温度依存性は、
Ｒ＝ρ×ｌ／Ａ
であることにより、抵抗率ρの温度依存性により調節される。この場合、ｌは抵抗の長さを、Ａは横断面を表す。この場合、この温度依存性は、
ρ（Ｔ）＝ρ０（Ｔ０）×（１＋α（Ｔ）×（Ｔ−Ｔ０））
から算出される。
【００１８】
この場合、ρ（Ｔ）は温度Ｔの関数としての抵抗率を、ρ０は室温Ｔ０の場合の抵抗率を、α（Ｔ）は温度に依存している温度係数を表している。
【００１９】
抵抗Ｒ１とは異なる、導線の抵抗Ｒ２０，Ｒ２１の種々異なる温度依存性を得るために、発熱層１８の抵抗率を、発熱層１８のρ０が給電層２０，２１のρ０よりも大きいように選択することができる。しかしまたは、発熱層１８の温度係数αを、シース形グロープラグの運転範囲で、給電層２０，２１の温度係数αよりも大きく選択することもできる。また、シース形グロープラグの運転範囲の発熱層１８のρ０とαとを、給電層２０，２１のρ０とαよりも大きく選択することもできる。
【００２０】
有利な実施例では、発熱層１８と給電層２０，２１との複合体を、給電層２０，２１のρ０が、発熱層１８のρ０の少なくとも１／１０よりも小さいように選択することができる。発熱層１８の温度係数αと給電層２０，２１の温度係数αとはほぼ同じである。従ってシース形グロープラグの全運転範囲において、２０ケルビンの温度測定の正確性が実現される。
【００２１】
有利な実施例では、絶縁層２２の抵抗率は、シース形グロープラグの全運転範囲において、加熱層１８の抵抗率の少なくとも１０倍である。
【００２２】
有利な実施例では、発熱層と給電層と絶縁層とは、セラミックの複合体構造から成っている。この複合体構造は、化合物Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｙ_２Ｏ_３の少なくとも２つを有している。この複合体構造は、一段階または多段階の焼結プロセスによって得られる。これらの層の抵抗率はこの場合、有利には、ＭｏＳｉ_２の含有量及び／又はＭｏＳｉ_２の粒度により規定される。有利には給電層２０，２１のＭｏＳｉ_２含有量は、発熱層１８のＭｏＳｉ_２含有量よりも大きい。この場合、発熱層１８は絶縁層２２よりも高いＭｏＳｉ_２の含有量を有している。
【００２３】
別の実施例では、発熱層１８と、給電層２０，２１と、絶縁層２２とは、種々異なる充填材料の成分を有した複合前駆物質セラミックから成っている。この材料のマトリックスはこの場合、ポリシロキサン（Ρolysiloxanen）、ポリシルセスキオキサン(Ρolysilsequionxanen)、ポリシラン（Ρolysilanen）、ポリシラザン（Ρolysilazanen）から成っている。これらはホウ素またはアルミニウムによってドーピングすることができ、熱分解によって製造される。個々の層のために、化合物Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＣのうち少なくとも１つが充填材となっている。前述の複合体構造と同様に有利にはＭｏＳｉ_２の含有量及び／又はＭｏＳｉ_２の粒度が、各層の抵抗率を規定する。有利には、給電層２０，２１のＭｏＳｉ_２含有量は、発熱層１８のＭｏＳｉ_２含有量よりも高く調節されており、発熱層１８は、絶縁層２２よりも高いＭｏＳｉ_２含有量を有している。
【００２４】
絶縁層と、給電層と、発熱層との複合体は上記実施例では、その個々の給電層、発熱層、絶縁層の熱膨張係数及び、焼結プロセスもしくは熱分解プロセス中に生じる収縮が同じであるように選択されるので、グローシースにおいて亀裂は生じない。
【００２５】
図５には本発明の別の有利な実施例が、本発明のシース形グロープラグ１の概略的な縦断面図によって示されている。この場合、前述の図面で使用した同じ符号は同じ構成部分を示しており、ここで再度説明はしない。図１と同様に図５に示したシース形グロープラグは円形コネクタ２を有しており、この円形コネクタ２は円筒状の導体５と電気的にコンタクトされている。円筒状の導体５はコンタクトピン１０とコンタクトエレメント１２とを介してセラミックグローシース１４に電気的に接続されている。円筒状の導体５、コンタクトピン１０、コンタクトエレメント１２、セラミックグローシース１４は、この順序で相前後して図５に示したように、燃焼室の方向で配置されている。セラミックグローシース１４は図５に示した有利な構成では、燃焼室から離れた側の端部にピン１１を有している。このピン１１は、グローシース１４の延長部によって、燃焼室から離れた側の端部の方向で、セラミック給電層２０，２１と絶縁層２２とを円筒状に外方へ引き出すことにより形成されている。この場合、ピン１１は、燃焼室の方向で続いているグローシース１４の部分、フランジ１３よりも小さな外径を有している。さらにグローシース１４が燃焼室側の端部で発熱層１８を有している必要はない。有利な実施例では、両給電層２０，２１は、グローシース１４の燃焼室側の端部でしか、発熱層１８を介して接続されない。
【００２６】
円筒状の導体５とコンタクトピン１０とは一緒に接続エレメントを形成している。この接続エレメントは一体的に形成されててもよい。接続エレメントの燃焼室側の端部にはフランジが設けられており、このフランジはピン１１と協働してコンタクトエレメント１２をシース形グロープラグの軸線の方向で制限している。
【００２７】
導電的な粉体から成るタブレットから成るコンタクトエレメント１２は、有利にはグラファイトまたは金属粉または導電的なセラミックパウダから形成されている。別の有利な実施例では、導電的な粉体から成るタブレットが、少なくとも大部分がグラファイトまたは金属粉または導電的なセラミックパウダから成っていてもよい。コンタクトエレメント１２を導電的な粉体として形成することに基づき、コンタクトエレメント１２は、高い電流に熱的に破壊されることなしに耐え得るばね弾性的なコンタクトを保証する。粉体の表面積が大きいことにより、良好な熱伝導性が保証される。同じ理由から、良好な伝導性のもとでの僅かなコンタクト抵抗も実現できる。グラファイトとセラミック伝導的な材料とはさらに耐食性である。導電的な粉体から成るタブレットの弾性的なばね成分により、タブレットが、種々異なる熱膨張係数による構成部分の熱的な運動を補償する。
【００２８】
導電的な粉体から成るタブレットは側方からは円筒状の緊締スリーブ９によって制限されている。この緊定スリーブ９はこの場合、図１に示したセラミックスリーブ８の代わりに独立した構成部分として設けられている。緊定スリーブ９はセラミックスリーブ８と同様に絶縁的な構成部分として設けられており、有利な実施例ではセラミック材料から成っている。シース形グロープラグの製造時には、導電的な粉体から成るタブレットは、燃焼室から離れた側の端面における接続エレメントのフランジと、燃焼室側の端面におけるグローシース１４のピン１１と、緊定スリーブ９との間に堅固に押し込まれている。これらの不動の構成部分の間のプレス嵌めにより、特に、セラミックスリーブ８に緊定スリーブ９が堅固に固定されていることにより、即ちプレス高さが制限されていることにより、取り囲む緊定スリーブ９が、コンタクトエレメント１２のプレス固定に基づく大きすぎる内圧形成により裂断されることはない。導電的な粉体から成るタブレットの緊定により得られる、弾性的なばね成分の軸方向のプレロードは、熱膨張、シース形グロープラグの振動負荷時におけるずれ特性および振動負荷を補償することができる。
【００２９】
導電的な粉体から成るタブレットをコンタクトエレメント１２として有している図５のシース形グロープラグは次のように製造される。まず最初に、セラミックグローシース１４の燃焼室側の先端からシールパッケージ１５がセラミックグローシース１４上に案内され、これが複合体としてプラグケーシング４内に燃焼室から離れた側の端部から挿入される。次いで、コンタクトエレメント１２、緊定スリーブ９、接続エレメント５，１０、セラミックスリーブ８、メタルリング７が保持エレメント内に配置され、次いで同様に燃焼室から離れた側の端部からプラグケーシング４に挿入される。次いで、メタルリング７の、燃焼室から離れた側の端部に加えられる軸方向の力によって、プラグケーシング内に位置する構成部分がプレス固定される。特に、導電的な粉体から成るタブレットから形成されたコンタクトエレメント１２とシールパッケージ１５とがプレス固定される。この場合、コンタクトエレメント１２には、接続エレメント５，１０のコンタクトピン１０が完全に緊定スリーブ９内にプレス嵌めされ、セラミックスリーブ８の端面が緊定スリーブ９の端面に載置されるまで力が加えられればよい。導電的な粉体から成るタブレットのプレス固定によりさらに、タブレットの弾性的なばね成分にプレロードをかけられることを保証される。次いで、半径方向外側からプラグケーシング４に加えられる力によりメタルリング７はかしめ嵌めされる。次いでシール部材３と円形コネクタ２が組み付けられ、同様に半径方向外側からプラグケーシング４に加えられる力によりかしめ嵌められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるシース形グロープラグを示す縦断面図である。
【図２】 外側に位置するセラミック発熱体の前方部分を示す側方図である。
【図３】 制御装置を備えた本発明によるシース形グロープラグの配置図である。
【図４】 本発明によるセラミックシース形グロープラグと給電ラインとにおいて生じる抵抗を示す図である。
【図５】 本発明によるシース形グロープラグを示す縦断面図である。

Claims (2)

1. シース形グロープラグ（１）を製造するための方法であって、該シース形グロープラグ（１）は、セラミックのグローシース（１４）と、電流を供給するために働く接続エレメント（５，１０）とを有しており、該接続エレメント（５，１０）が、セラミックのグローシース（１４）にコンタクトエレメント（１２）を介して電気的に接続されていて、前記コンタクトエレメント（１２）が、導電性の粉体から成るタブレットとして形成されている形式のものにおいて、
   （イ）セラミックのグローシース（１４）の、燃焼室側の先端から、シールパッケージ（１５）をセラミックのグローシース（１４）上に挿入し、１つの複合体を形成し、この複合体をプラグケーシング（４）内に挿入し、
   （ロ）導電的な粉体から成るタブレットと、緊定スリーブ（９）と、接続エレメント（５，１０）と、セラミックスリーブ（８）と、メタルリング（７）とを保持部材内に配置し、これをプラグケーシング（４）内に挿入し、
   （ハ）プラグケーシング（４）内に存在する前記構成部分を、メタルリング（７）の、燃焼室から離れた側の端部に加えられる軸方向の力によってプレス固定し、
   （ニ）半径方向外側からプラグケーシング（４）に加えられる力によってメタルリング（７）をかしめ嵌めることを特徴とする、シース形グロープラグを製造するための方法。
2. 軸方向の力によって、プラグケーシング（４）内に存在する構成部分をプレス固定することにより、導電的な粉体から成るタブレットの弾性的なばね成分に対して軸方向のプレロードを付与する、請求項１記載の方法。

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