JPH0133734B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、デイーゼルエンジンの副燃焼室また
は燃焼室内を予熱するために用いられるグロープ
ラグに関する。

一般に、デイーゼルエンジンは低温時の始動性
が悪いため、副燃焼室または燃焼室内にグロープ
ラグを設置し、これに電流を流して発熱させるこ
とにより、吸気温度を上昇させ、あるいは着火源
としてエンジンの始動性を向上させる方法が採用
されている。

そして、この種のグロープラグとして従来は、
耐熱金属製のシース内に耐熱絶縁粉末を充填して
たとえば鉄クロムまたはニツケルなどの一種材料
によるコイル状の発熱線を埋設した、いわゆるシ
ース型グロープラグと呼ばれる構造のものが用い
られ、上述した副熱焼室または燃焼室内で高温ガ
ス中にさらされることによる耐久性を保障してい
る。

しかしながら、このようなシース型グロープラ
グでは、シース等を介しての間接加熱であること
からグロープラグの昇温に時間がかかりすぎると
いう問題が生じている。すなわち、前記発熱線に
電流を流すことにより発生する熱は耐熱絶縁粉末
を経てシース側に伝達されるため、その赤熱まで
に時間がかかり、熱伝達効率の面で問題である。
そして、このようなグロープラグでは、その発熱
温度をたとえば800℃とするには数10秒の時間を
必要とし、その結果エンジンをすみやかに始動す
ることができないという欠点があつた。

このため、上述したシース、耐熱絶縁粉末等の
代りに、発熱線をセラミツク材中に埋設すること
により形成されたヒータ棒を用い、熱伝達効率を
向上させてなるグロープラグが提案されており、
従来のシース型に比べヒータ棒の発熱性に優れ、
加熱時に短時間で赤熱して温度立上り特性が向上
し、速熱型としてその性能をある程度発揮し得る
ものである。

しかしながら、このような利点を有するセラミ
ツクヒータ棒を用いてなるグロープラグにおいて
も、内部に埋設される発熱線が一種類であること
から、通電電流の制御などに若干の問題を生じて
いる。すなわち、この種のグロープラグにおい
て、加熱時における温度立上り特性を大幅に向上
させるためには、通電初期に大電流を流して発熱
線を急速に発熱させることが考えられるが、この
場合には発熱線の溶断を生じたりあるいは高熱に
よつてセラミツクヒータ棒に悪影響を及ぼす恐れ
があり、さらにバツテリ、電気回路側に悪影響を
及ぼし、またフユーズの切断等の問題があり、こ
れを防ぐための温度制御手段を発熱線への回路上
に新たに設けることが必要で、予熱装置全体のコ
ストの上昇を招くという問題を生じている。

特に、近年では、デイーゼルエンジンが一般乗
用車にも多く使用されるようになつており、ガソ
リンエンジンに対抗するうえで始動性がよいこと
が望まれ、速熱型のグロープラグに対しての要求
が大きいもので、上述した問題をも含めて考慮
し、簡易な構造により発熱特性に優れた速熱型グ
ロープラグの出現が要望されている。

このため、本発明者らは、この種のグロープラ
グにおいて発熱線などの材料の選定等を含む種々
の研究、開発を行なつた結果、通電直後に大電力
を供給して温度立上り特性を向上させるものとし
て、従来からシース型グロープラグでは知られて
いる抵抗温度係数の異なる二種類の材料によりそ
れぞれ形成された発熱体を用いてなる構造を、前
述したセラミツクヒータ棒に適用することを見出
した。

しかしながら、このような二種材料による発熱
体を用いたグロープラグにおいて、従来のもの
は、ある程度速熱型として機能する反面、製造が
面倒でコスト高となる割には発熱特性が良くない
のが現状であり、これをそのままセラミツクヒー
タ棒に適用するには問題の多いものであつた。

このため、本発明者らは、上述した二種材料に
よる発熱体を用いることによる利点を有効に活用
するため、種々研究、開発を行ない、従来のもの
は、二種類の発熱体の発熱部分が互いにあまりに
も近接して配設されているため熱影響を受けて通
電初期における大電力の通電時間が短くなる点に
注目した。

すなわち、この種従来のグロープラグでは、抵
抗温度係数の小さい発熱体を先端側に、かつ抵抗
温度係数の大きい発熱体を後端側に設け、この後
端側発熱体の温度変化による抵抗変動を利用して
通電直後において先端側発熱体に大電力を供給し
てその迅速な赤熱化を図つているが、両発熱体が
近接しているため後端側発熱体が先端側からの熱
影響によりあまりにも早く温度上昇し、これによ
り先端側への供給電流が制御されることになる。
そして、このような問題から発熱特性に欠け、速
熱型としての効果を発揮し得ない結果となるもの
であつた。

しかし、その一方において注意しなければなら
ないことは、抵抗素子としての後端側発熱体が、
加熱素子としての先端側発熱体から必要以上に離
れておればよいと言うものではなく、これら両発
熱体間の間隔が開き過ぎると、抵抗素子としての
後端側発熱体に必要な先端側への供給電流の制御
機能（つまり温度制御機能）が損なわれる結果と
なるもので、このような点を考慮しなければなら
ない。すなわち、このような二種材料による発熱
体を用いてなるグロープラグとしては、たとえば
特公昭45―11648号公報等に示すような構成によ
るものも従来から知られているが、この従来構造
では、抵抗素子を、発熱素子から充分に離間させ
た状態で硝子絶縁物内に埋設したり、発熱素子と
の間に硝子等による封じを設けることで、加熱素
子の急激な温度上昇に影響されないような構成と
しており、抵抗素子による温度制御機能が不充分
なものであつた。これを詳述すると、このような
抵抗素子が温度上昇する条件には、この抵抗素子
自身を流れる電流による自己発熱と、加熱素子か
らの熱伝達とがあるが、上述した従来構造では、
伝熱影響が最小限となるように構成されており、
しかもこの抵抗素子は温度上昇と共に抵抗値が
徐々に増大し自己発熱量も大きくなるような正の
抵抗温度係数の大きい材料で形成されるため、通
電開始時にはそれ自身の発熱は極僅かで、抵抗値
の変動特性も緩やかで、僅かづつしか大きくなら
ず、加熱素子側での発熱状態に応じた温度制御機
能を得ることはできない。勿論、これに対処する
には、この抵抗素子を、より小さい抵抗温度係数
をもつ材料で形成すればよいが、このような材料
では通電直後に加熱素子に対し大電流を供給する
にあたつて問題で、速熱化を達成するうえで障害
となつてしまう。特に、このような抵抗素子に必
要とされることは、加熱素子を迅速に発熱させる
とともに所要の温度状態で供給電流を制御するこ
とであり、上述した加熱素子からの熱影響をも利
用することが必要で、このような点をも考慮して
セラミツクヒータ棒を用いることにより速熱型と
しての機能を発揮させ得るグロープラグを得るた
めの何らかの対策を講じることが望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
で、二種類の発熱体を絶縁性セラミツク材からな
るセラミツクヒータ棒内に埋設するとともに、こ
れら両発熱体を、それぞれの発熱部間での熱伝導
を遅延させることができる程度の余裕をもつた１
〜４mmの間隔をおいて接続するという簡単な構成
によつて、先端側の発熱部からの後端側への熱影
響をある程度押え、通電初期において大電力を先
端側に有効に集中させてその迅速な赤熱化を図
り、これにより全体の温度立上り特性を大幅に向
上させることができ、しかも後端側発熱体のもつ
自己制御作用により先端側への通電電力を自動的
にかつ効率よく制御してその過加熱を防止し、安
定かつ速熱性に優れた発熱特性を得ることができ
る安価なデイーゼルエンジン用グロープラグを提
供するものである。

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳
細に説明する。

第１図ないし第３図は本発明に係るデイーゼル
エンジン用グロープラグの一実施例を示し、これ
らの図において、全体を符号１０で示すグロープ
ラグは、二種類の発熱体とそのリード部とからな
る低抗体１１を絶縁性セラミツク材中に埋設して
なるセラミツクヒータ棒１２と、このセラミツク
ヒータ棒１２を先端部において保持する略々管状
のホルダ１３を備え、このホルダ１３の後端部に
は合成樹脂材などからなる絶縁ブツシユ１４を介
して外部接続端子１５が嵌め込まれ、またこの外
部接続端子１５は前記ヒータ棒１２の後端部に多
芯金属導線１６を介して接続されている。

前記ヒータ棒１２は断面が略々楕円状を呈し、
前記抵抗体１１を金型内に保持した状態で充填さ
れるセラミツク粉末を加圧焼成することにより、
あるいは一対の生セラミツク棒の接合面に抵抗体
１１を挾持させた状態で圧縮焼結することなどに
よつて形成される。この場合、ヒータ棒１２の断
面形状を略々楕円状としたのは、円形に比べセラ
ミツク材の密度を向上させ、その強度、絶縁性お
よび熱伝導率をより効果的とするためである。な
お、上述したセラミツクヒータ棒１２の材質とし
ては、絶縁性、熱伝導率の優れたシリコン系非酸
化物、たとえばS1₃N₄のようなシリコン系窒化物
などが好ましい。特にS1₃N₄は高温強度において
金属材料、アルミナ等に比較して数段優れ、また
耐熱衝撃性にも優れており、さらに高温での電気
絶縁性、耐摩耗性、耐薬品性などにも優れてお
り、この種のグロープラグに要求される特性をほ
ぼ満足し得るものである。

なお、図中１７ａ，１７ｂはヒータ棒１２の長
手方向中央部外周と後端部外周およびその端面に
形成されたニツケルなどの金属をメタライズした
金属コーテイング層で、ヒータ棒１２内に埋設さ
れる抵抗体１１の両端、すなわち第３図に示す各
リード部１１ａ，１１ｂの端部を外部に電気的に
接続するために、各リード部１１ａ，１１ｂの棒
体外に露出する端部に接触してヒータ棒１２外部
に形成される。これはセラミツク材からなるヒー
タ棒１２には金属部材を直接溶接あるいはろう付
けすることができないためである。

そして、前記ヒータ棒１２の中央部にはヒータ
棒１２の外形状にほぼあわせた断面形状の孔１８
ａを有し前記ホルダ１３の先端部に保持固定され
る補強用の金属製パイプ１８が嵌合され、かつそ
の後端部側には前記導線１６を結線するための取
付片１９ａを有するターミナルキヤツプ１９が被
冠され、それぞれヒータ棒１２に対し銀ろう付け
などにより固着されている。

さて、本発明によれば、上述した構成によるグ
ロープラグにおいて、セラミツクヒータ棒１２内
に埋設される抵抗体１１を、第３図に示すような
状態で配列したところに特徴を有している。すな
わち、抵抗体１１は、前記ヒータ棒１２の先端部
で波状に屈曲形成された発熱部２０ａを有しかつ
その両端部２０ｂ，２０ｃが平行してヒータ棒１
２後端側に延設されてなる第１の発熱体２０と、
この第１の発熱体２０の両端部２０ｂ，２０ｃに
連設されヒータ棒１２の長手方向に沿つて後端側
に導びかれるとともに、上述したと同様に波状に
屈曲形成された発熱部２１ａ，２１ａを有する一
対の第２の発熱体２１，２１と、これら第２の発
熱体２１，２１のそれぞれに連設され一方はヒー
タ棒１２の直手方向中央部まで、他方はヒータ棒
１２の後端部まで延設された一対の板状リード部
１１ａ，１１ｂとから構成されている。そして、
前記第１の発熱体２０は抵抗温度係数の小さな導
電材料により、第２の発熱体２１は前記第１の発
熱体２０よりも抵抗温度係数の大きな導電材料に
より形成されている。この場合、これら両発熱体
２０，２１の材料はセラミツクヒータ棒１２の成
形時の加熱温度などによつて適宜選定される。

そして、上述したように両発熱体２０，２１の
材料を選定することにより、第２の発熱体２１
は、それ自身が発熱源として作用するばかりでな
く、前記第１の発熱体２０に対し、通電開始直後
においては大電力を供給し、かつ通電時間の経過
と共にその供給電力を減少させてグロープラグ自
身の飽和温度を低くおさえ、過加熱を防止する温
度制御手段としても作用する。すなわち、この第
２の発熱体２１は、第１の発熱体２０に比べて抵
抗温度係数の大きな材料で形成されていることか
ら、通電開始直後においては発熱が極めて小さい
ためその抵抗値は小さい。そして、通電時間の経
過と共に第１の発熱体２０の発熱部２０ａからの
伝熱とそれ自身の発熱部２１ａでの発熱とにより
順次に温度上昇し、この上昇温度に比例してその
抵抗値が増大し、第１の発熱体２０への供給電力
を制御する。

ここで、注目すべき点は、上述した第１の発熱
体２０と第２の発熱体２１とはそれぞれの発熱部
２０ａ，２１ａ間が一定の間隙をおいて対向する
とともにこの間隙内において熱伝達が必要最小限
となるような接続構造（本実施例では直線状端部
同士の重ね合わせ接合）により接続されているこ
とである。すなわち、第２の発熱部２１ａを、第
１の発熱部２０ａからの熱伝導を遅延させるため
の余裕をもつた間隙をおいて第１の発熱部２０ａ
に接続することにより、従来問題であつた第２の
発熱部２１ａに対する先端側の第１の発熱部２０
ａの熱影響に時間的間隔を保てるようにし、これ
により第２の発熱体２１による電流制御を時間的
に遅らせて第１の発熱体２０への大電流の通電時
間を延ばし、急速に赤熱させて温度立上り特性を
大幅に向上させるようにしている。

この場合、この間隙は、両発熱体２０，２１の
線経などを考慮して適切な値とすべきで、本実施
例のように波状の発熱部２０ａ，２１ａを有する
場合そのピツチよりも大きいことが望まれる。

なお、これら両発熱体２０，２１の発熱部２０
ａ，２１ａの形状は上述した波状に限定されるも
のではなく、種々変形例が考えられる。たとえば
第４図ａに示すように螺旋状としたり、同図ｂに
示す櫛歯状、さらに同図ｃに示す波状など、任意
の形状、幅などを採り得るもので、要は発熱部を
密にするように曲げ、屈曲、折曲げ形成すればよ
いものである。

また、第１の発熱体２０と第２の発熱体２１の
接続部は上述した間隙内において熱伝達が必要最
小限となるように接続されていればよく、第３図
および第４図ａ，ｂ，ｃに示すように両方の端部
を重ね合わせ、溶接するも、また第５図に示すよ
うに、一方を他方に巻き付けるようにするも、自
由である。この場合、この第２の発熱体２１のリ
ード部１１ａ，１１ｂへの接続も同様に処理され
ている。

このような構成によるセラミツクヒータ棒１２
を用いたグロープラグによれば、通電開始直後に
おいては、第２の発熱体２１の抵抗が小さいため
大電力が第１の発熱体２０に集中し、その供給電
力は第６図中ａで示す特性曲線から明らかなよう
に230wにも及び、迅速に発熱される。そして、
この第１の発熱体２０の発熱部２０ａからの熱影
響が第２の発熱体２１の発熱部２１ａに伝達され
抵抗が増大するまでに、間隙の存在により時間遅
れがあり、第１の発熱部２０ａに大電力が集中す
る時間が長くとれるため、この部分の速熱性が良
好となる。

一方、第２の発熱体２１の発熱部２１ａにおい
ても、同図中ｂで示される特性曲線から明らかな
ように、100w近い供給電力が加わり、これによ
り除々に発熱し、この発熱温度および第１の発熱
部２０ａからの熱影響に伴なつて抵抗値が増加す
る。そして、この抵抗値の変化に応じて電流が減
少し、第１の発熱体２０側への印加電圧が減少す
ると、第１の発熱体２０における供給電力は急速
に減少し、その発熱量が制限されて過加熱が防止
される。このときには、第２の発熱体２１はそれ
自身の発熱部２１ａのみで必要な発熱量を有し、
セラミツクヒータ棒１２は順次加熱されてエンジ
ン始動に必要な温度（通常800℃）まで温度上昇
する。

また、上述した二種類の発熱体２０，２１を埋
設した一般的なセラミツクヒータ棒１２を用いた
グロープラグの発熱特性の実測値を第７図に示し
ており、同図ａは間隙を０としたもの、同図ｂ〜
ｆはそれぞれ１mm〜５mmとした場合を示してい
る。そして、これらの特性図において、間隙を０
〜３mmとすることによつて、800℃に達する時間
が順次減少し、温度立上り特性が大幅に向上し、
それ以上はあまり変化しないことが確認される。
一方、間隙が大きくなると、その飽和温度が1200
℃以上にも及び、発熱体２０，２１の溶断等を招
く恐れも生じる。したがつて、上述した間隙は小
さすぎても、また大きすぎても問題で、この場合
１〜４mm程度が望ましく、特に２〜３mm程度が最
も好ましいことが明らかとなるであろう。

なお、本発明に係るデイーゼルエンジン用グロ
ープラグは前述した実施例構造に限定されるもの
ではなく、各部の構造、形状等を適宜変更するこ
とは自由である。

以上説明したように、本発明に係るデイーゼル
エンジン用グロープラグによれば、抵抗温度係数
の異なる二種材料からなる第１および第２の発熱
体をセラミツクヒータ棒内に埋設するとともに、
それぞれの発熱部を熱伝導を遅延させる１〜４mm
程度の間隙をおいて熱伝達が必要最小限となる状
態で接続するようにしたので、以下に列挙する優
れた効果がある。

(1) 第２の発熱体の発熱部の温度上昇に時間遅れ
を生じさせ、これにより通電初期において第１
の発熱体の発熱部に大電力を有効に集中させ、
迅速な赤熱化を図り、従来に比べて温度上昇特
性を大幅に向上させて速熱型としてのグロープ
ラグを得ることができ、その結果デイーゼルエ
ンジンの始動性を大幅に向上させることができ
る。

(2) 特に、両発熱体が熱伝達効率に優れたセラミ
ツクヒータ棒内に埋設されているため、ヒータ
棒の発熱性に優れ、速熱型としてその性能を充
分に発揮することができる。

(3) また、エンジン始動時においては、第２の発
熱体のもつ温度制御機能により、グロープラグ
全体の過加熱を防止できることから、従来のよ
うな溶断事故が生じるといつた恐れはなく、さ
らに別個に抵抗値検出装置、電圧降下抵抗等を
設けるといつた必要は全くない。

(4) また二種類の発熱体の発熱部を単に間隙をお
いて接続してセラミツクヒータ棒内に埋設する
だけでよいため、全体の構成が簡単で、その製
造も容易に行なえ、また動作上の信頼性が高
く、しかもコスト的に安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るデイーゼルエンジン用グ
ロープラグの一実施例を示す分解斜視図、第２図
ａ，ｂはその組立て状態を示す正面図および先端
側から見た側面図、第３図は本発明を特徴づける
セラミツクヒータ棒への抵抗体の埋設状態を示す
図、第４図ａ，ｂ，ｃおよび第５図はその変形例
を示す図、第６図および第７図ａないしｆは本発
明による動作を説明するための特性図である。 １０……グロープラグ、１１……抵抗体、１１
ａ，１１ｂ……リード部、１２……セラミツクヒ
ータ棒、１３……ホルダ、２０……第１の発熱
体、２０ａ……第１の発熱部、２１……第２の発
熱体、２１ａ……第２の発熱部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の発熱体と、この第１の発熱体に接続さ
   れかつ第１の発熱体よりも正の抵抗温度係数の大
   きな材料で形成された第２の発熱体とを有し、こ
   れら両発熱体を絶縁性、熱伝導率に優れたセラミ
   ツク材中に埋設することにより形成されるセラミ
   ツクヒータ棒を備えてなり、前記第２の発熱体の
   発熱部を、第１の発熱体の発熱部からの熱伝導を
   遅延させるために必要とされる１〜４mmの間隙を
   おいてヒータ棒内に埋設するとともに、この間隙
   内で必要最小限の熱伝達を許容するようにして第
   ２の発熱体を前記第１の発熱体側に接続したこと
   を特徴とするデイーゼルエンジン用グロープラ
   グ。