JP4605735B2 - シーズ形グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、制御機器とグロープラグとからなる自己着火式内燃機関のためのグローシステムにおいて用いられている、シーズ形グロープラグに関している。グロープラグは、例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE-OS 28 02 625 明細書から公知である。そのようなシーズ形グロープラグは、管状の金属性ケーシングからなっており、そのケーシング外周にはねじが切られており、そのねじを用いて当該シーズ形グロープラグがシリンダにねじ込まれる。このシーズ形グロープラグのケーシングの燃焼室側端部では、ケーシングから突出するグローパイプが取り囲まれており、そのためこのグローパイプがエンジンに組込まれたシーズ形グロープラグのもとで燃焼室内に突出する。グローパイプ内には、加熱装置が設けられており、この加熱装置の燃焼室側は、アース接続のためにグローパイプの遮蔽された底部と接触し、燃焼室から離れた側は、コンタクトピンを介して供給電圧源と接触している。さらにセラミック製のグロープラグも公知であり、この場合は、燃焼室内に突出している部分がセラミックからなっている。公知のグローシステムでは、加熱装置に通電される電流が余熱時間制御機器によって制御機器内のスイッチ（リレー、パワートランジスタ）を介してオン・オフされている。
【０００２】
発明の利点
請求項１の特徴部分に記載のシーズ形グロープラグは、公知の装置に対して次のような利点を有している。すなわちグロー電流のオン・オフのためのスイッチがシーズ形グロープラグのケーシング内に集積化されていることである。このスイッチは個々のプラグの電流のみを切換えるだけなので、比較的小型に構成できる。プラグのねじ山近傍への配置とそれに伴うシリンダヘッドとの良好な結合とによって始動前の冷えたエンジンのもとでのプラグの作動も、あるいは暖機フェーズにおける良好な冷却も保証される。比較的長いエンジンブレーキ動作中の中間余熱のもとでもプラグねじ山における温度はエンジンの冷却水を介して確実に制限される。
【０００３】
従属請求項に記載されている手段によれば、本発明によるシーズ形グロープラグの別の有利な実施例および改善例が可能となる。シーズ形グロープラグに対する分厚い断面のハーネスに関するコストは大幅に削減される。パワースイッチングデバイスを用いるならば、集積回路製品（例えばスマート・パワー・チップ）が組み込め、このことも総体的に必要となる電気的な線路の数の低減につながる。別個の余熱時間制御機器は、場合によっては完全に省くこともあるいはコンパクトな構造形態にまとめることも可能である。シーズ形グロープラグのケーシング内へ起動制御部を集積化すれば、さらに余熱温度を直接現場から検出して評価することも可能となる。それにより、非常に迅速にかつ可及的に良好に作動条件の変化に反応することができる。結局余熱時間制御機器が余熱温度の制御を保証するならば、シーズ形グロープラグの中で制御巻線（これはその正の抵抗係数に基づいて余熱温度が許容不能な値にまで達することを防いでいる）を省略することが可能となる。さらなる利点は、スイッチング手段として半導体チップを用いることによって得られる。シーズ形グロープラグのケーシング内に組込むことによってこのチップは、外部の影響から十分に保護することができる。そのためシーズ形グロープラグ内への半導体スイッチの組込みの際には、トランジスタケースを省くことができ、これもコストの低減につながる。
【０００４】
図面
本発明の実施例は図面に示されており、以下の明細書で詳細に説明される。これらの図面中、
図１は、本発明によるシーズ形グロープラグの第１の実施例を示したものであり、
図２は、第２の実施例を示したものであり、
図３は、第３の実施例を示したものであり、
図４は、第４の実施例を示したものであり、
図５は、第５の実施レオを示したものであり、
図６と図８は、本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体の本発明による装置構成をブロック回路図で示したものであり、
図７と図９は、本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図であり、
図１０は、本発明によるシーズ形グロープラグの第６の実施例を示したものである。
【０００５】
実施例の説明
図１から図５には、それぞれ断面図で自己着火式内燃機関のためのシーズ形グロープラグが示されている。この場合基本構造は、図１から図５の全ての実施例において同じである。そのため基本的な構造に関しては一度だけ説明する。本発明による集積化されたスイッチングユニットの図１から図５において異なっている構成は、それぞれの図面に基づいて直接説明する。
【０００６】
図１から図５によるシーズ形グロープラグの基本構造は、管状の金属性ケーシング１０からなっている。この金属ケーシングの長手孔部内にグローパイプ１１がその長手方向で密閉された部材と共に設けられている。このグローパイプ１１は、燃焼室側端部で密閉されたグローチューブ１２からなっており、その中では軸方向に加熱装置が延在している。この加熱装置は、燃焼室側に配置されているヒータコイル１４と、燃焼室から離れている側に配置されている制御コイル１５からなっている。公知の加熱コイルはここでは簡素化の理由から抵抗として示されている。この加熱装置は、絶縁材料１６の中に埋込まれており、それによってグローチューブ１２の壁面から絶縁されている。このようなシーズ形グロープラグの構造と作用形式は既に十分に、冒頭に述べたような従来技術から公知であるのでここでの詳細な説明は省く。機能的にはこのグローチューブ１２は、ヒータコイル１４と共に燃焼室内に突出している加熱素子を表わしている。ケーシング１０は、絶縁材料１６および制御コイル１５と共に電気的なエネルギの燃焼室内への導入のための電気的導入部を表わしている。図１から図５においてはシーズ形グロープラグの同じ基本構造から出発しているので、同じ構成要素には同じ参照番号が付されている。
【０００７】
図１による本発明によるシーズ形グロープラグの場合では、ケーシング１０内に燃焼室とは離れている側にケーシングに入ったスイッチングユニット３００が配設されている。このスイッチングユニット３００内には、スイッチが設けられており、このスイッチによって加熱装置１３を流れる電流通流のオン・オフが行われる。このスイッチングユニット３００は、プラグコンタクト３０１を介してリード導体１９に接続されている。それらを介して供給電圧とここには図示していない制御機器からの信号が供給される。この場合重要なのは、ケーシング１０の内部では半導体回路の使用に適した温度に保たれることである。このことは、このケーシングが内燃機関のシリンダ壁部を通る循環系にさらされ、この種のシリンダが通常は冷却水によって冷却されていることによって得られる。つまりこのケーシングはこのようなシリンダの壁部に直接接触しているので、このケーシング自体もその内部と共に冷却されるからである。それにより、本発明によるスイッチのための半導体回路がこのケーシング領域ないしその内部空間に適用可能となる。
【０００８】
制御コイル１５のコンタクトは、燃焼室から離れた側で金属性の接続エレメント１２０によって行われる。図１では、この種の金属性接続要素１２０が、当該プラムの燃焼室とは離れている側で接続用リード導体１９の方向に向けて平坦な領域を有している様子が示されている。この平坦領域の上に当該スイッチングユニット３００が配置されている。このスイッチングユニットは、金属性の伝導層、例えばはんだや伝導性接着剤などを用いて接続エレメント１２０の平坦面に接続される。図１による例では、スイッチングユニット３００が簡素にトランジスタからなっており、これはその下方側に金属性のドレイン端子と２つの接続コンタクト３０１を有し、この２つのコンタクトがトランジスタのソースとゲートに接続される。純粋なトランジスタの側からみれば、もちろん半導体スイッチ（トランジスタ）と"集積"回路とのあらゆる組合せも適用可能である。パックされている構成素子の利点は、この構成素子がグロープラグの製造の際に特に簡単に処置できることにある。
【０００９】
図２には、第２の実施例が示されており、この第２の実施例では、前記スイッチングユニットが。カプセル化されていないシリコンチップ３０２で構成されている。このシリコンチップ３０２は、絶縁層３０４の上に設けられており、そのためこのシリコンチップの下方側が接続エレメント１２０の平坦領域に対して電気的に絶縁された状態になっている。リード導体１９への接続は、ボンディングワイヤ３０３によって形成されている。このボンディングワイヤ３０３によってシリコンチップ３０２の表面と接続エレメント１２０との電気的な接続が同じように形成されている。ここで有利なのは、非カプセル形のシリコン素子が通常はパック形の構成素子に比べて安価で所要スペースも僅かしか必要とせず、さらにグロープラグのケーシング自体もシリコンチップ３０２のためのパッキングに十分なことである。
【００１０】
図３には本発明によるグロープラグのさらに別の実施例が示されている。ここでの接続エレメント１２０は、既に図１のところで説明したように、制御コイル１５とのコンタクトのための丸い部分と、後方に向けて平坦になっている部分とを有するように構成されており、この平坦な部分に図３に示されているようにケーシングなしの半導体チップ３０２が被着されている。リード導体１９とのコンタクトは、ここでもボンディングワイヤ３０３によって行われており、これらは一方で半導体チップ３０２の表面に固定されており、それによってリード導体１９との接続を形成できるようにしている。金属性の接続エレメント１２０との電気的なコンタクトは、次のようにして簡単に行われている。すなわち半導体チップ３０２の裏側を当該金属性接続エレメント１２０の後方に向けて平坦になっている領域上に直接被着させることによって行われている。この半導体チップ３０２は、パワートランジスタを含んでおり、このドレイン端子が半導体チップ３０２の裏側を形成している。
【００１１】
図４の実施例と図３の実施例との違いは、リード導体１９の終端部分が半導体チップ３０２の表面に直接固定できるように構成されている点である。このことは例えば次のようにして行われてもよい。すなわちリード導体１９の終端部分を薄い薄板として構成し、それを相応の球状のはんだ３０５によって半導体チップ３０２の表面に直接はんだ付けできるようにしてもよい。
【００１２】
図５では、完全に回転対称でかつ燃焼室から離れた側に全く平坦な側方を有している接続エレメント１２０が用いられている。この平坦な側方には、半導体チップ３０２が被着されており、それによってここでも半導体チップ３０２の下方側と接続エレメント１２０との間の電気的なコンタクトが形成されている。この半導体チップ３０２の表側も、球状のはんだ３０５がリード導体１９とのコンタクトのために用いられている。
【００１３】
図６には、制御機器６０とグロープラグ６１からなるグロシステムの全体がブロック回路図で示されている。この制御機器６０はここではシーズ形グロープラグ６１と、共通の線路１９を用いて接続されている。さらにこれらのグロープラグは、さらなる線路１９を介して給電端子２００とも接続されてる。
【００１４】
図７は、図６によるシーズ形グロープラグの等価回路図である。スイッチ７０の一方の端子は給電端子２００に接続されており、他方の側は、制御コイル１５およびヒータコイル１４と直列にアース端子２０１に接続されている。このスイッチ７０は、相応の線路を介して起動制御回路７３によって開閉されている。この場合起動制御回路７３は、線路１９を介して制御機器６０から相応の信号を受取る。さらにこの起動制御回路７３は、給電端子２００からバッテリ電流を受取る。
【００１５】
図６からもわかるように、全てのプラグは、線路１９を介して制御機器６０に接続されている。相応に形成されたビット列や周波数信号などを介して制御機器６０からは、たとえこれらのプラグが共通のハーネスで接続されていてもこれらのグロープラグを個別の作動状態においてもしくは診断が望まれる時にはいつでも個別に起動制御できる。但しノーマルモードではグロープラグは通常は全て共通に起動制御される。
【００１６】
図１から図７において説明したシーズ形グロープラグは、３つの電気的な端子を有しており、この場合アース端子２０１が通常はケーシング１０によって実現されている。給電端子２００は、電流の供給に使用され、この電流はスイッチ７０を介して加熱のための電気的なエネルギを供給する。スイッチ７０の切替状態は、結局第３の電気的な端子を介して決定される。通常は、市販のｐチャネルまたはｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴがスイッチ７０に対して使用可能である。起動制御回路７３とスイッチ７０は、半導体チップ上に集積化される。
【００１７】
制御機器６０とシーズ形グロープラグ６１の間の接続線路１９は、グロープラグ６１から制御機器６０への情報のフィードバックに対しても用いられる。制御回路７３は、相応に多くの知識情報との交換が可能である。すなわち、起動制御回路７３は、個々のシーズ形グロープラグからの所定の情報が制御機器６０に戻されるように伝送される状態でなければならない。この機能は、例えば診断目的のためだけでも活動化可能でなければならない。すなわち特別な作動状態において、制御機器によって捉えられる機能に関する個々のシーズ形グロープラグ６１の個々の問合せが行われる。
【００１８】
図８には制御機器６０とシーズ形グロープラグ６１とのさらなる接続回路例が示されている。このケースでは、シーズ形グロープラグ６１は、唯１つの端子だけを有しており、その端子を用いてそれらが線路１９を介して制御機器６０に接続されている。制御機器６０は、線路１９を介してグロープラグ６１の作動に必要な作動エネルギを提供する。切替のための制御信号は、付加的に線路１９上で変調される。この場合スイッチ７０も評価回路７３も接続線路に接続される。それにより線路１９には常にシーズ形グロープラグの作動に十分な電圧レベルが印加される。この場合付加的な電圧パルスによって起動制御回路７３は、ここにおいてスイッチ７０が操作されるべきことを識別する。このことは例えばビット列または周波数信号によって評価回路７３から識別されるように行われてもよい。簡単な例によれば、通常の電圧レベルに比較的高い周波数の信号が重畳される。これが起動制御回路７３によって識別され、スイッチ７０の閉成が促される。
【００１９】
図９には、さらに別の有利な実施例が示されており、この実施例では線路１９を介して端子２００からは作動電圧がそして制御機器６０からは制御信号が供給されている。回路ユニット７３は、ここでは制御機器から６０制御信号を受取り、給電電圧を端子２００から受取る。スイッチ７０は、ここでは給電電圧端子２００と、ヒータコイル１４と、アース端子２０１に直列に配置されている。これまでの実施例との相違は、制御コイルの使用が省かれていることでありここではヒータコイル１４のみが設けられている。制御コイルの機能は、所定の加熱周期に従ってヒータコイル１４を流れる電流通流の制限にある。このことは制御コイルに対して、その抵抗値が温度の上昇と共に高まる材料を選定することによって行われる。インテリジェンス起動制御回路７３の本来の加熱素子近傍への直接の配置によっては、制御コイルの機能がこの起動制御回路７３によって受け継がれる。その際半導体チップ上には、シーズ形グロープラグの温度を測定する温度測定素子が配設可能である。半導体チップの箇所におけるシーズ形グロープラグの温度は、グロープラグ先端の温度に依存する。そのため半導体チップにおいて測定された温度によってグロープラグ先端の温度が推論可能である。シーズ形グロープラグの温度のさらなる検出の可能性は、加熱パイプの温度の測定にある。加熱パイプの温度は、加熱抵抗が温度依存性の抵抗を有している場合に測定可能である。それにより加熱素子の抵抗の測定によってグロープラグの温度が検出できる。さらに加熱素子の領域に配設可能なその他の温度感応形の測定素子が設けられてもよい。その際に起動制御回路は、測定された温度に依存してヒータコイル１４を流れる電流通流を制限できるように構成される。このことは、例えばパルス変調によって行われてもよい。すなわち起動制御回路７３が温度経過に依存してスイッチ７０を開閉し、所望の温度にヒータコイル１４を設定調整する。この手段によれば、グロープラグの構造が決定的に簡素化できる。温度測定の代わりに、加熱コイルを流れる通流電流、加熱コイルを流れる通流電流と時間との積分、加熱コイルの抵抗またはその他の間接的な手法によってグロープラグの温度を推論してもよい。これらの手法は技術的には同等である。
【００２０】
図１０には、本発明によるシーズ形グロープラグのさらなる構成例が示されており、この場合この図１０ではいわゆるセラミック製のシーズ形グロープラグが示されている。この種のセラミック製シーズ形グロープラグでは、グローパイプ１１が第１と第２の伝導性セラミック層５０１，５０２からなっている。これらの層の間には絶縁性のセラミック層５０３が配設されている。グローパイプ１１の先端では、これらの第１及び第２の伝導性セラミック層５０１，５０２が先細の先端領域５０４と相互に接続されている。それによりセラミック伝導層５０１から先細の先端領域５０４を介して第２のセラミック伝導層５０２への通電が可能となる。このグローパイプ１１も燃焼室から離れた側でケーシング１０によって支持されている。図１０において識別されるように、第１のセラミック伝導層５０１はケーシング１０内をさらに右方向に延在し、その右側領域においてチップ３０２が被着されている。このチップはボンディングワイヤ３０３によってリード導体１９と接続されている。このチップ３０２にも縦形トランジスタが配設されており、これがチップ３０２の上側からチップ３０２の下側への通電を可能にしている。それによりこのチップ３０２を介して電流が第１の伝導層５０１に給電可能となる。ここではセラミック層全体の表面が、薄いガラス層で覆われており、シリコンチップ３０２の下方領域とコンタクト領域５０５（これは第２のセラミック伝導層５０２とケーシング１０の間の電気的なコンタクトを形成している）だけが除外されている。セラミック製シーズ形グロープラグの製造に利用される技術に基づいてこのプラグは、特にシリコンチップの収容に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるシーズ形グロープラグの第１の実施例を示した図である。
【図２】 本発明の第２実施例を示した図である。
【図３】 本発明の第３実施例を示した図である。
【図４】 本発明の第４実施例を示した図である。
【図５】 本発明の第５実施例を示した図である。
【図６】 本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体の本発明による装置構成をブロック回路図で示したものである。
【図７】 本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図である。
【図８】 本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体の本発明による装置構成をブロック回路図で示したものである。
【図９】 本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図である。
【図１０】 本発明によるシーズ形グロープラグの第６の実施例を示したものである。

Claims (9)

1. 自己着火式内燃機関のためのシーズ形グロープラグであって、
   内燃機関の燃焼室内へ突出している電気的な加熱装置と、
   ケーシング（１０）とを有し、
   前記加熱装置は、燃焼室側に配置されているヒータコイル（１４）と燃焼室から離れている側に配置されている制御コイル（１５）からなっており、
   前記ケーシング（１０）によって前記加熱装置のための加熱電流が開口部を通って燃焼室内に導入され、さらに、
   ケーシング（１０）の領域に、スイッチ（７０）を備えたスイッチングユニット（３００）が設けられており、前記スイッチの開閉によって加熱電流が制御可能である、シーズ形グロープラグにおいて、
   前記制御コイル（１５）のコンタクト接続が、燃焼室から離れている側において金属性接続要素（１２０）によって行われており、該金属性接続要素（１２０）は燃焼室から離れている側において平坦な領域を有しており、該平坦な領域に前記スイッチングユニット（３００）が配設されていることを特徴とする、シーズ形グロープラグ。
2. 前記ケーシング（１０）の領域において、前記スイッチングユニット（３００）のための起動制御回路（７３）が設けられており、該起動制御回路（７３）によって前記スイッチ（７０）の開閉のための信号が形成される、請求項１記載のシーズ形グロープラグ。
3. ２つのリード導体（１９）が設けられており、第１のリード導体（１９）は、加熱電流のための供給電圧源に対する端子に接続可能であり、第２のリード導体（１９）は、前記起動制御回路（７３）に接続されており、さらに該第２のリード導体（１９）を介して前記起動制御回路（７３）のための制御信号が印加可能である、請求項２記載のシーズ形グロープラグ。
4. 前記一方のリード導体（１９）に対して入力側が設けられており、該入力側はスイッチ（７０）と起動制御回路（７３）に接続されており、該入力側を介して作動電圧と同時に起動制御回路（７３）のための制御信号も印加可能である、請求項２記載のシーズ形グロープラグ。
5. 前記起動制御回路（７３）は、加熱素子の温度を検出するための手段を含んでおり、該手段の信号に依存して加熱電流が制御される、請求項２から４いずれか１項記載のシーズ形グロープラグ。
6. 前記加熱装置は、金属性もしくはセラミック製のグローパイプ（１１）として構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のシーズ形グロープラグ。
7. 前記グローパイプ（１１）は、ケーシング（１０）を用いて燃焼室の開口部に固定可能である、請求項６記載のシーズ形グロープラグ。
8. 前記スイッチ（７０）と起動制御回路（７３）は、１つのチップに集積化されている、請求項７記載のシーズ形グロープラグ。
9. 前記チップは、包装なしでケーシング（１０）内に設けられている、請求項８記載のシーズ形グロープラグ。

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