JP5719600B2 - メタルグロープラグ - Google Patents

Description

この発明は、メタルグロープラグに関し、さらに詳しくは、細径化及び／又は長尺化された主体金具を備えていても、また過剰に締付けられた状態にあってもシースヒータの保持状態を維持できるメタルグロープラグに関する。

燃料を主燃焼室に直接噴射する直噴ディーゼルエンジンに用いられるグロープラグは、その主体金具のネジ部がシリンダヘッドに形成された取付孔に締付けられて、ヒータ先端部が主燃焼室に配置されると共に、主体金具の先端部端面がシリンダヘッドの取付孔内に設けられた段差部に圧接して主燃焼室内の気密性が確保されるように、シリンダヘッドに装着される。

ディーゼルエンジンに用いられるグロープラグには、金属製のシース内に発熱抵抗体（発熱コイルとも称する。）、所望により制御抵抗体（制御コイルとも称する。）等を内蔵するシースヒータが装着された所謂メタルグロープラグ、セラミックで形成されたセラミックヒータが装着された所謂セラミックグロープラグ等が挙げられる。セラミックグロープラグは一般にセラミックヒータを保持するヒータ保持部材が主体金具に溶接等によって接合されているのに対して、メタルグロープラグはロウ付け等の固定方法よりも生産性に優れていること等から一般的にシースヒータが主体金具に圧入されて保持されている（例えば、特許文献１の図５〜図７参照。）。

メタルグロープラグの一例として特許文献１に記載されたディーゼルエンジン用グロープラグが挙げられる。このディーゼルエンジン用グロープラグは、具体的には、「円筒状ハウジングの先端部側に、シースの後部側を圧入してヒータを固定したディーゼルエンジン用グロープラグにおいて、前記シースのハウジング内に圧入される部分よりも後方側に、この圧入部よりも小径の部分を形成したことを特徴とする」（特許文献１）。

特開２００４−１０１０８５号公報

ところで、近年の直噴ディーゼルエンジンは、十分な強度を確保するためにシリンダヘッドが厚肉化されることがあり、また排ガス規制等に対応するためにディーゼルエンジンが多弁化される傾向にあるから、このような直噴ディーゼルエンジンに用いられるグロープラグには主体金具の長尺化、さらには主体金具の細径化が求められる。このような要求に応えるグロープラグは長尺化及び細径化によって主体金具自体の強度が低下するから、グロープラグを過剰な締め付け圧で取付孔に締付けられると主体金具は変形しやすくなる。

一般にヒータ保持部材でセラミックヒータを保持するセラミックグロープラグにおいては過剰な締め付けで主体金具が変形したとしてもセラミックヒータが主体金具から脱落することは想定しにくい。前述の如く、セラミックヒータを保持する保持部材は主体金具に溶接等により接合されているためである。ところが、メタルグロープラグはシースヒータが主体金具に圧入されて保持されているから、過剰な締め付けで主体金具、特にシースヒータを保持する保持部が変形すると、シースヒータの保持状態が変化し、燃焼ガスが抜けて燃焼サイクルに異常を起こし、最悪の場合にはシースヒータが主体金具から脱落するというメタルグロープラグに特有かつ重大な問題が生じることがある。

特に、特許文献１のディーゼルエンジン用グロープラグのように「円筒状ハウジングの内部孔を全長に亘り同一の内径とする」と（特許文献１の請求項２等）、円筒状ハウジングが全体的かつ均等に変形して前記の特有かつ重大な問題が発生しやすくなる。

この発明は、細径化及び／又は長尺化された主体金具を備えていても、また過剰に締付けられた状態にあってもシースヒータの保持状態を維持できるメタルグロープラグを提供することを目的とする。

この発明は、シースヒータと、このシースヒータを保持する保持部を有する胴部、この胴部の一端縁に連設され、外周面にネジが形成されたネジ部及び軸孔を有する主体金具とを備えて成るメタルグロープラグであって、前記主体金具は前記胴部の外周面に開口する凹部が形成された肉薄部を有し、前記肉薄部は、前記胴部のうち前記軸孔内に配置された中軸の細径部に対面する部分に配置されていることを特徴とする。

この発明に係るメタルグロープラグは、胴部の外周面に開口する凹部が形成された肉薄部を有する主体金具を備えているから、この主体金具がたとえ細径化及び／又は長尺化されていても、また、過剰に締付けられた状態にあっても、締め付け応力が前記肉薄部に集中して肉薄部を変形させることで分散され、保持部を変形させるほどの締め付け応力は保持部に伝達されない。したがって、この発明に係るメタルグロープラグは、細径化及び／又は長尺化された主体金具を備えていても、また過剰に締付けられた状態にあってもシースヒータの保持状態を維持できる。
また、この発明に係るメタルグロープラグは、肉薄部は胴部のうち主体金具の軸孔内に配置された中軸の細径部に対面する部分に配置されているから、主体金具内に配置された中軸等との短絡を防止できると共にシースヒータを保持する保持部に締め付け応力殆どを伝達させずシースヒータの保持状態を維持できる。

図１は、この発明に係るメタルグロープラグの一例を示す概略図であり、図１（ａ）はこの発明に係るメタルグロープラグの一例を示す概略正面図であり、図１（ｂ）はこの発明に係るメタルグロープラグの一例を示す概略断面図であり、図１（ｃ）はこの発明に係るメタルグロープラグの先端部の拡大図である。 図２は、この発明に係るメタルグロープラグにおける肉薄部を説明する説明図である。

この発明に係るメタルグロープラグは、シースヒータと、このシースヒータを保持する保持部を有する胴部、胴部の一端縁に連設され、外周面にネジが形成されたネジ部及び軸孔を有する主体金具とを備えていればよく、主体金具の肉薄部以外の構成は公知のメタルグロープラグの種々の構成を適用できる。したがって、この発明のメタルグロープラグはシースヒータと主体金具との他に他の部材例えば中軸を備えていてもよい。

この発明に係るメタルグロープラグは、主体金具における胴部の外周面に開口する凹部が形成された肉薄部を主体金具が有していることを特徴とする。このように、主体金具の胴部に肉薄部が形成されていると、締め付け応力が肉薄部を変形させることで分散され、シースヒータの保持状態を維持できる。

この発明において、肉薄部は主体金具の胴部に配置すなわち形成されていればこの発明の目的を達成できる。この肉薄部は、主体金具内に配置された中軸等との短絡を防止できると共にシースヒータを保持する保持部に締め付け応力殆どを伝達させずシースヒータの保持状態を維持できる点で、胴部のうち主体金具の軸孔内に配置された中軸の細径部に対面する部分に配置されているのが好ましく、シースヒータの保持状態を高度に維持できる点で、主体金具の胴部のうち保持部とネジ部との間に配置されているのがさらに好ましく、主体金具の胴部のうちネジ部に近接して配置されているのがより一層好ましく、ネジ部に隣接すなわちネジ部直下に配置されているのが特に好ましい。

この発明において、肉薄部は、主体金具における胴部の外周面に開口する凹部が形成又は切削されることで肉厚が薄肉化されている。このように胴部の外周側に凹部が形成され、肉薄部の壁部が胴部の内周側に配置されていると、締め付け応力が集中した肉薄部は、その内径引いては胴部の内径が小さくなる主体金具の内側すなわち軸孔内に膨出するように変形するから、シースヒータの保持状態を維持できる。肉薄部は、例えば、胴部の外周側を、好ましくは周方向に沿って、切削又は切欠して凹部を形成することで、形成される。したがって、凹部は胴部の外周面に開口すると共に底部を有している。グロープラグの軸線に沿う切断面における凹部の断面形状は、特に限定されず、例えば、平坦な底面を有する矩形（図２（ａ）参照。）、円弧状の底部を有する矩形（図１及び図２（ｂ）参照。）、円弧状（図２（ｃ）参照。）、等が挙げられる。これらの中でも円弧状の底部を有する矩形（図１及び図２（ｂ））及び円弧状（図２（ｃ））であるのが肉薄部を主体金具の内側に変形させやすくなる点で好ましい。胴部を側方から見たときの凹部の形状は周方向に沿う直線状又は帯状、円形、楕円形等が挙げられるが、直線状又は帯状であるのが形成しやすく、均一に変形する点で好ましい。

この発明において、肉薄部は主体金具の胴部の周方向に一巡する環状肉薄部、胴部の周方向に不連続に配置された複数の円弧状肉薄部等が挙げられる。換言すると、凹部は主体金具の胴部の周方向に一巡する環状凹部、胴部の周方向に不連続に配置された複数の円弧状凹部等が挙げられる。肉薄部が円弧状肉薄部である場合は、軸線が変化することなく主体金具が変形する点で、複数の円弧状肉薄部は、グロープラグの軸線に垂直な断面において回転対称性を有するように配置されているのが好ましく、例えば、軸線の周りにｎ回回転対称性を有するように配置されているのが好ましい。より具体的には、複数の円弧状肉薄部は、前記断面において軸線の周りに、１８０度回転したときにもとの配置状態と一致する２回回転対称性を有する２つの円弧状肉薄部、１２０度回転したときにもとの配置状態と一致する３回回転対称性を有する３つの円弧状肉薄部、９０度回転したときにもとの配置状態と一致する４回回転対称性を有する４つの円弧状肉薄部等が挙げられる。この発明において、肉薄部は環状肉薄部であるのが形成のしやすさ、均一性等の点で好ましい。

この発明において、肉薄部は、グロープラグの軸線方向に沿って主体金具の胴部に１以上配置されていればこの発明の目的を達成できる。肉薄部は、グロープラグの用途及び寸法、締め付け圧、主体金具の材質、寸法及び強度等に応じて適宜の個数が配置されればよく、１つが配置されても複数が配置されてもよい。ここで、肉薄部の個数は、肉薄部が円弧状肉薄部である場合は軸線方向における同一の垂直平面内に配置された複数の円弧状肉薄部を１組として１つと数える。

肉薄部の厚さ、すなわち凹部の深さは、主体金具の強度を確保できる範囲で、かつ、肉薄部が変形したときに中軸等と短絡しない程度の変形量となる範囲で、主体金具の材質及び寸法、中軸の寸法等を考慮して適宜に決定される。一例として凹部の深さは０．０５ｍｍ以上を例示できる。また、グロープラグの軸線方向における肉薄部の幅も、主体金具の強度を確保できる範囲で、かつ、肉薄部が変形したときに中軸等と短絡しない程度の変形量となる範囲で、主体金具の材質及び寸法、中軸の寸法等を考慮して適宜に決定される。なお、凹部が円弧状の底部を有している場合には肉薄部の厚さが小さくなりすぎるので凹部の幅を前記範囲内で比較的大きく設定するのがよい。

このような肉薄部を有する主体金具を備えたこの発明に係るメタルグロープラグは、主体金具がたとえ細径化及び／又は長尺化されていても、また、過剰に締付けられた状態にあっても、締め付け応力が前記肉薄部に集中して肉薄部を変形させることで分散され、保持部を変形させるほどの締め付け応力は保持部に伝達されない。したがって、この発明に係るメタルグロープラグは、細径化及び／又は長尺化された主体金具を備えていても、また過剰に締付けられた状態にあってもシースヒータの保持状態を維持できる。

このように、この発明に係るメタルグロープラグは、過剰に締付けられたときの締め付け応力が保持部にほとんど伝達されないから、従来のメタルグロープラグに要求される保持部の強度向上は必ずしも必要ではなく、グロープラグの設計自由度が高くなる。例えば、この発明に係るメタルグロープラグにおいては、従来のメタルグロープラグのように主体金具に生産性を犠牲にし得る肉厚すなわち小径にされた保持部を軸孔に形成することなく、主体金具に生産しやすい同一内径の軸孔を形成してもよく、生産性、低コストを実現できる。

この発明に係るメタルグロープラグの一例としてのメタルグロープラグを、図面を参照して、説明する。このメタルグロープラグ１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、シースヒータ４と、このシースヒータ４を保持する保持部１５を有する胴部１１、この胴部１１の一端縁に連設され、外周面にネジが形成されたネジ部１２及び軸孔１４を有する主体金具３と、軸孔１４内に配置され、一端部がシースヒータ４に接続された中軸２４とを備えている。なお、図１（ｂ）にはメタルグロープラグ１の軸線に沿って切断されたメタルグロープラグ１の切断面が示されている。

主体金具３は、肉薄部１６を有し、所定の領域における内径が同一の軸孔１４を有していること以外はメタルグロープラグの公知の主体金具と基本的に同様に形成されており、具体的には、軸線Ｃ１に沿って一方向に胴部１１、ネジ部１２及び工具係合部１３が連設され、軸線Ｃ１方向に貫通する軸孔１４を有している。胴部１１は一方向に延在する管状体であり、その内部にシースヒータ４が圧入されて保持されるように、シースヒータ４の外径よりも僅かに小さな内径を有している。胴部１１はその先端に外径が先端に向かって徐々に減少する先端部１７を有している。先端部１７の外周面はメタルグロープラグ１をシリンダヘッドに取付けたときにシリンダヘッドの取付孔における段差に圧接するテーパシート面１７ａとなっている。ネジ部１２は胴部１１の一端縁に連設され、胴部１１よりも大きな外径を有している。ネジ部１２の外周面にはシリンダヘッドの取付孔に螺合するネジが形成されている。工具係合部１３はネジ部１２の一端縁に連設され、トルクレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状工具に係合する形状及び寸法を有している。この主体金具３は、胴部１１、ネジ部１２及び工具係合部１３がこの順で一方向に連設され、外径が胴部１１、ネジ部１２及び工具係合部１３の順に大きくなっているから、胴部１１は小径部、ネジ部１２は中径部、工具係合部１３は大径部と称することもできる。

胴部１１の肉薄部１６は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、胴部１１の外周面に開口する共に円弧状の底部を有する環状凹部１６ａが形成されることでその肉厚が胴部１１の周方向全周にわたって薄肉化された環状肉薄部がネジ部１２に隣接して１つ配置されている。この環状肉薄部１６において環状凹部１６ａの深さ及び環状肉薄部１６の幅は前記範囲内に設定されている。

主体金具３において、胴部１１は小径であってその肉厚がネジ部１２等よりも薄いから、メタルグロープラグ１の締め付け時に発生する軸線方向の応力又はねじれ方向の応力に対する耐力すなわち強度が小さく、ネジ部１２等に比較するとメタルグロープラグ１の締め付け時に変形しやすいが、胴部１１は環状肉薄部１６が優先的に変形して環状肉薄部１６以外の胴部１１はほとんど変形しない。

このように主体金具３は過剰に締付けによって環状肉薄部以外はほとんど変形しないから、主体金具３として、生産性及びコストに優れる、胴部１１、好ましくはテーパシート面１７ａを有する胴部１１、ネジ部１２及び工具係合部１３が連接され一体的に形成された主体金具３を採用することができ、グロープラグ１は一体的に形成された主体金具３を備えている。

この主体金具３は、所定の領域における内径が同一の軸孔１４を有している。具体的には、図１（ｂ）によく示されるように、この軸孔１４は、主体金具３の一端縁すなわち先端部１７から他端縁すなわち工具係合部１３まで貫通しており、先端部１７に形成された内周面１４ａ、胴部１１からネジ部１２を経由して工具係合部１３の途中まで形成された同径孔１４ｂ、及び、工具係合部１３の端部側に中軸２４を固定するＯリング２５等が嵌め込まれる大径孔１４ｃを有している。内周面１４ａはその内径が胴部１１に向かって徐々に減少しており、シースヒータ４の軸孔１４への挿入を案内する案内内周面１４ａとして機能する。大径孔１４ｃはその内径が同径孔１４ｂよりも一般的に大きく、自身に嵌め込まれるＯリング２５等と共に中軸２４を主体金具３に固定する。同径孔１４ｂは、シースヒータ４及び非接触状態で中軸２４が内挿され、シースヒータ４を保持する保持部１５を有している。この保持部１５は胴部１１に形成された軸孔１４すなわち同径孔１４ｂの先端部１７側にあり、その領域は圧入されるシースヒータ４の大径部２３に接触する領域である。したがって、主体金具３における保持部１５はシースヒータ４の大径部２３の軸線長さに応じてその位置及び領域が決定される。

ここで、メタルグロープラグ１は環状肉薄部１６が形成された主体金具３を備えているから、過剰な締め付けによる主体金具３の変形は環状肉薄部１６で選択的に生じ、環状肉薄部１６が形成されていない胴部１１ではほとんど生じることがなく、その結果、シースヒータ４を保持する保持部１５を従来のメタルグロープラグのように肉厚すなわち小径にしてその強度を確保しなくてもシースヒータ４の脱落という特有かつ重大な問題は生じない。すなわち、メタルグロープラグ１は、軸孔１４の内径が同一でかつ細径化及び／又は長尺化された主体金具３を備えていてもシースヒータ４の保持状態を維持できる。したがって、シースヒータ４の脱落という特有かつ重大な問題があるメタルグロープラグにおいても、この発明によれば、主体金具３の保持部１５を保持部１５以外の同径孔１４ｂと同一の内径にすることができ、内周面１４ａ及び大径孔１４ｃを除く部分である同径孔１４ｂ全体を同一の内径にすることができる。この軸孔１４は、同径孔１４ｂ全体が同一の内径を有している必要はなく、少なくとも、案内内周面１４ａの胴部１１側端縁からネジ部１２にわたって、すなわち胴部１１及びネジ部１２に形成された軸孔が同一の内径を有していればよい。同径孔１４ｂの内径は中軸の太径部２４ｂよりも大きく、かつシースヒータ４、特に大径部２３の外径よりもわずかに小さく設定されている。

このように、同径孔１４ｂの内径を一定にすることができると、従来のメタルグロープラグのように肉厚の保持部を形成する必要がないから、軸孔調製が容易で切粉の残存もなく、主体金具３引いてはメタルグロープラグ１の生産性向上及びコスト削減に大きく貢献すると共に、シースヒータ４の脱落させることなく主体金具３に装着されたシースヒータ４と主体金具３との同軸度を高めてメタルグロープラグとしての機能を十分に発揮させることができる。

この主体金具３は、装着されるシリンダヘッドに適合するように適宜の寸法に設定される。例えば、細径化が求められる場合には胴部１１は肉厚が１ｍｍ未満となるＭ８以下の細径にすることもできる。また、長尺化が求められる場合には胴部１１は２０ｍｍ以上の軸線長さにすることもできる。さらに、細径化と長尺化とが求められる場合には胴部１１はＭ８以下の細径でかつ２０ｍｍ以上の軸線長さにすることもできる。

シースヒータ４は、先端が閉じた金属製の筒状シース２１であり、後述する中軸２４と軸線Ｃ１方向に一体化されてヒータとして機能し、メタルグロープラグの公知のシースヒータと基本的に同様に形成されている。具体的には、シース２１は、先端側に小径部２２と後端側に小径部２２より径の大きな大径部２３とを有している。このシース２１の内部には、図示しない、発熱コイル、制御コイル等の発熱抵抗体が所定の状態で封入されている。大径部２３は胴部１１の同径孔１４ｂに圧入保持されて、シース２１が主体金具３の胴部１１から突出した状態に保持されている。

中軸２４は、メタルグロープラグの公知の通電端子としての中軸と基本的に同様であり、シースヒータ４に電気的に接続されている。この中軸２４は、その先端側が細径にされた細径部２４ａと、細径部２４ａに連設された太径部２４ｂとを有する金属製の中実棒状体に形成されている。そして、中軸２４は、主体金具３の軸孔１４に挿通され、細径部２４ａが少なくとも胴部１１内に配置され、太径部２４ｂがネジ部１２の一部及び工具係合部１３内に配置されると共に工具係合部１３から突出している。細径部２４ａの先端はシース２１内に挿入されて制御コイルの後端と電気的に接続されている。中軸２４は、ゴム製等のＯリング２５、樹脂製等の絶縁ブッシュ２６、押さえリング２７及び通電用ナット２８がこの順序で中軸２４に嵌め込まれて工具係合部１３に固定されている。

この発明に係るグロープラグは公知の方法で製造することができる。例えば、主体金具３、シースヒータ４及び中軸２４等を公知の方法で作製し、これらを組み立てることで製造できる。

この発明に係るグロープラグの主体金具は、例えば、棒材又は線材等を公知の成形加工、鍛造加工、押出加工等及び例えば抜き打ち加工等によって軸孔、胴部、ネジ部及び工具係合部を有する金具原体を作製し、次いで、この金具原体に切削、研磨等によって肉薄部を形成すると共に転造加工等によってネジ部にネジを形成して、作製される。次いで、主体金具の軸孔にシースヒータを圧入して装着し、工具係合部に形成された大径部にＯリング等を嵌め込んでシースヒータに電気的に接続されるように中軸を主体金具に固定して、メタルグロープラグが製造される。

この発明に係るグロープラグは前記例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において種々の変更が可能である。例えば、グロープラグ１は環状肉薄部１６を１つ有しているが、この発明において肉薄部は前記したように種々の態様を採用できる。

グロープラグ１の主体金具３は同径孔１４ｂを有し、この同径孔１４ｂの一部がシースヒータ４を保持する保持部１５として機能するが、この発明において、主体金具は内周面に環状に突出する保持部を有し、この保持部がシースヒータを保持してもよい。

１ メタルグロープラグ
３ 主体金具
４ シースヒータ
１１ 胴部
１２ ネジ部
１３ 工具係合部
１４ 軸孔
１４ａ 内周面（案内内周面）
１４ｂ 同径孔
１４ｃ 大径孔
１５ 保持部
１６ 肉薄部（環状肉薄部）
１６ａ 環状凹部
１７ 先端部
１７ａ テーパシート面
２１ シース
２２ 小径部
２３ 大径部
２４ 中軸
２４ａ 細径部
２４ｂ 太径部
２５ Ｏリング
２６ 絶縁ブッシュ
２７ 押さえリング
２８ 通電用ナット
Ｃ１ 軸線

Claims (6)

1. シースヒータと、前記シースヒータを保持する保持部を有する胴部、前記胴部の一端縁に連設され、外周面にネジが形成されたネジ部及び軸孔を有する主体金具とを備えて成るメタルグロープラグであって、
   前記主体金具は、前記胴部の外周面に開口する凹部が形成された肉薄部を有し、
   前記肉薄部は、前記胴部のうち前記軸孔内に配置された中軸の細径部に対面する部分に配置されていることを特徴とするメタルグロープラグ。
2. 前記肉薄部は、前記胴部のうち前記保持部と前記ネジ部との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のメタルグロープラグ。
3. 前記肉薄部は、前記胴部のうち前記ネジ部に近接して配置されていることを特徴とする請求項２に記載のメタルグロープラグ。
4. 前記肉薄部は、前記胴部の軸線方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタルグロープラグ。
5. 前記肉薄部は、前記胴部の周方向に一巡する環状肉薄部、又は、前記周方向に不連続に配置された複数の円弧状肉薄部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のメタルグロープラグ。
6. 前記軸孔は、前記シースヒータの挿入を案内する案内内周面の前記胴部側端縁から前記ネジ部にわたって同一の内径を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のメタルグロープラグ。

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