JPH0450488B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 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
グに関し、特に速熱型としての機能を発揮させる
とともに、その発熱特性を改善し長時間のアフタ
ーグロー化を達成し得る棒状ヒータを備えてなる
自己温度制御型グロープラグの改良に関する。

〔従来の技術〕

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
して用い、エンジンの始動性を向上させる方法が
採用されている。この種従来のグロープラグとし
ては、金属製シース内に耐熱絶縁粉末を充填し鉄
クルム、ニツケル等からなるコイル状発熱線を埋
設した、いわゆるシース型と呼ばれるものが一般
的であるが、それ以上にも特開昭57−41523号公
報等に示されるように、タングステン等による発
熱線をセラミツク材中に埋設した棒状ヒータを用
いてなるセラミツクヒータ型も知られている。そ
して、このセラミツクヒータ型では耐熱絶縁粉末
およびシースを介しての間接加熱であるシース型
に比べ、熱伝達効率を向上させ得るとともに発熱
特性の面でも優れ、加熱時に短時間で赤熱して温
度立上り特性を大幅に向上させ、速熱型としてあ
る程度の性能を発揮させ得るもので、近年盛んに
採用されるようになつている。

また、上述した発熱線への通電電力を自己制御
して発熱特性を大幅に改善しヒータ部分での過加
熱を防止し得る構成として、発熱線よりも正の抵
抗温度係数（PTC）の大きな材料にて形成した
抵抗体を、通電電力制御要素としてグロープラグ
内で発熱線と直列接続するようにした、いわゆる
二種材料による自己温度制御型グロープラグも、
たとえば特公昭45−11648号公報や特開昭54−
109538号公報等により従来既に提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前者のセラミツクヒータ型グロ
ープラグでは、その内部には従来のシース型と同
様に、単に一種類の発熱線が埋設されているだけ
であるため、通電電力の制御を行なううえで若干
の問題を生じている。すなわち、このようなセラ
ミツクヒータ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必要があ
るが、この場合に発熱線の溶断を生じたり、高熱
によつてセラミツクヒータに悪影響を及ぼす等の
虞れがあり、さらにバツテリ、電気回路側に対し
ても悪影響を及ぼし、ヒユーズの切断等の問題を
生じることもあり、これを防ぐための温度制御手
段を発熱線への回路上に別個に設けることが必要
で、その結果グロープラグを含めた予熱装置全体
のコスト高を招くものであつた。特に、このよう
なセラミツクヒータ型では、たとえば窒化ケイ素
などで形成したセラミツクヒータ内にタングステ
ン等による発熱線を埋設するようにしているが、
このヒータ内での温度分布が不均一となり易く、
耐熱強度等の信頼性の面で問題で、またコスト高
を招くといつた欠点もあり、何らかの対策を必要
とするものであつた。

また、後者の自己温度制御型グロープラグは、
上述したセラミツクヒータ型における問題点を解
決し得るものであるが、その制御機能等の信頼性
の面で若干の問題を生じるばかりでなく、前述し
たシース型と同様にセラミツク材を介しての間接
加熱であることから速熱性等の点でも問題で、ま
だまだ改善の余地が残されている。すなわち、こ
の種二種材料による自己温度制御型において、従
来は、電力制御用抵抗体を、ホルダ内に水ガラス
等の絶縁材を充填した状態で内設したり、シース
内で発熱線と直列接続したりする構造が一般的で
あるが、その構造が複雑で、組立作業が面倒かつ
煩雑であるばかりでなく、抵抗体を用いることに
よる制御効果を適切に働かせることが困難である
等の問題があつた。さらに、このような構成で
は、その温度上昇時間をたとえば、７秒以内に速
めることはできず、また最近の市場要求でもある
エンジン始動後における通電いわゆるアフターグ
ローの長時間化に伴ない、線材自体の劣化が問題
となつてきている。

特に、近年この種のグロープラグにあつては、
デイーゼルエンジンの始動性の向上やそのターボ
化の普及に伴なう使用条件の高温化に対する耐久
性、さらに予熱装置全体のコスト低減化と共に、
エンジン始動後において一定時間の間グロープラ
グに対し通電状態を維持することによりエンジン
内部での燃焼を円滑かつ適切に行なえるようにし
て、排気、騒音対策を図るという、いわゆるアフ
ターグロー方式を採用することに対しての要求が
大きく、しかもこのアフターグロー時間を可能な
限り長時間にすることが必要とされている。すな
わち、エンジン始動後においても、たとえば寒冷
地等にあつてはエンジンが冷えすぎており、エン
ジンが暖機状態になるまでには時間がかかるもの
で、さらにこの非暖機状態では、アイドリング時
の騒音が大きく、また不完全燃焼により白煙が生
じたり、エンストしたりするという排気、騒音等
の問題を生じるため、上述したアフターグロー等
が必要とされるものであつた。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した要請に応えるために、本発明に係る自
己温度制御型グロープラグは、中空状ホルダの先
端部に保持される棒状ヒータを、全体が棒状に形
成された正の抵抗温度係数の小さな導電性セラミ
ツク材からなる発熱部と、この発熱部の後端側外
周部に耐熱絶縁層を介して形成されかつその一部
が発熱部と電気的に接続されるとともにこの発熱
部よりも正の抵抗温度係数の大きな導電性セラミ
ツク材や金属材料等による導電性材料により形成
された制御部とによつて構成するようにしたもの
である。

〔作用〕

本発明によれば、導電性セラミツク材による棒
状発熱部とその後端部外周に形成された発熱部よ
りも正の抵抗温度係数の大きな導電性材料による
制御部とで一体的に構成されかつ発熱部がヒータ
表面に露呈しているため、ヒータ先端の迅速な赤
熱化が図れ、速熱型としての性能を発揮させ得る
とともに、それ自身の自己温度飽和性によりピー
ク温度および飽和温度を適切に制御し得るもので
ある。

〔実施例〕

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図および第２図は本発明に係る自己温度制
御型グロープラグの一実施例を示し、まず、第２
図において全体を符号１０で示す自己温度制御型
グロープラグの概略構成を簡単に説明すると、こ
のグロープラグ１０は、先端側が発熱体として機
能する棒状ヒータ１１と、このヒータ１１を先端
２において保持する略管状を呈する金属製ホルダ
１２とを備え、このホルダ１２後端部には合成樹
脂材などからなる絶縁ブツシユ１３を介して外部
接続端子１４が同心状に嵌合保持され、またこの
外部接続端子１４は、前記ヒータ１１の発熱部２
０に接続される後述する電極棒１５にフレキシブ
ルワイヤ等の金属導線１６を介して接続されてい
る。なお、図中１３ａは前記絶縁ブツシユ１３外
周部に一体的に嵌装され組付時においてかしめら
れるホルダ１２後端部による高加圧力にてその軸
線方向に座屈変形し絶縁ブツシユ１３をホルダ１
２側に所要の機械的強度で一体化し温度影響を受
けにくい構造とするための金属製パイプで、これ
は従来一般的な樹脂製絶縁ブツシユ１３のみでは
その外部の温度変化によつて膨張、収縮してホル
ダ１２に対して緩みを生じることから容易に理解
されよう。また、１７ａ，１７ｂ，１７ｃは前記
外部接続端子１４後端側のねじ部に螺合された絶
縁リング、固定用ナツト、および外部リード締付
け用ナツトで、図示せぬバツテリからのリード線
などをナツト１７ｂ，１７ｃ間で挟持することに
よりこの外部接続端子１４をバツテリ端子に電気
的に接続される。一方、前記ホルダ１２はその外
周部のねじ部１２ａがエンジンのシリンダヘツド
に形成されたねじ孔に螺合されることによつて電
気的にアース接続されると同時に、ヒータ１１の
先端を副燃焼室または燃焼室内に突出して配置さ
せるものである。

ここで、上述したヒータ１１に対し外部接続端
子１４を金属導線１６にて接続したのは、外部接
続端子１４に加わる種々の振動や締付けトルク等
の機械的外力からヒータ１１を強度的に保護する
ためで、この導線１６の材料としてはある程度の
柔軟性をもつものを用いるとよいものである。し
かし、必ずしもこのような構成に限定されず、上
述した金属導線１６を省略し、前記外部接続端子
１４と電極棒１５とを一体に形成する等の変形例
も考えられるものである。

さて、本発明によれば、上述した構成によるグ
ロープラグ１０において、ホルダ１２先端に保持
される棒状ヒータ１１を、第１図から明らかなよ
うに、全体が棒状に形成された正の抵抗温度係数
の小さな導電性セラミツク材からなる発熱部２０
と、この発熱部２０の後端側外周部に耐熱絶縁層
２２を介して形成されかつその一部が発熱部２０
と電気的に接続されるとともにこの発熱部２０よ
りも正の抵抗温度係数の大きな導電性材料により
形成された制御部２１とで構成するようにしたと
ころに特徴を有している。

すなわち、本発明によれば、従来のグロープラ
グでは発熱線をシース、セラミツク内に埋設して
なる内部発熱型であることから速熱型としての機
能に欠けるといつた問題を、発熱部２０をヒータ
１１の外表面に露呈させることで解決するととも
に、電力制御機能を有する制御部２１を発熱部２
０の後端側外周部に一体化し自己温度制御型とし
ての機能を持たせ、さらに全体の耐熱強度等の信
頼性を向上させ得るようにしたものである。そし
て、本発明による棒状ヒータ１１によれば、発熱
部２０はヒータ１１の表面に露呈すると同時にそ
の内部にまで延在しているもので、従来の内部発
熱型に比べ内外発熱型ということができ、その利
点は明らかであろう。

ここで、上述した棒状ヒータ１１を構成する発
熱部２０を形成する導電性セラミツク材として
は、高温状態（たとえば1400℃程度まで）でも性
能的に安定しており、耐熱衝撃性などに優れてな
る、いわゆるフアインセラミツクスと言われてい
るシリコン系等の非酸化物などが好ましく、たと
えばMoSi₂，WSi₂，RuO₂，SiC，LaCrO₃等が考
えられ、これらの材料の中から適宜選択すればよ
いものである。

また、上述した制御部２１は、上述した発熱部
２０と同様に導電性セラミツク材により形成して
もよいし、あるいはＷ，Mo，Pt，Ir，Rh，Cr，
Ta等といつた金属材料で形成してもよいことは
容易に理解されよう。要は、発熱部２０側の正の
抵抗温度係数が、制御部２１側の正の抵抗温度係
数よりも小さくなるような材料で設定すればよい
ものである。ここで、上述した制御部２１を金属
材料で形成する場合には、耐酸化性物質で形成す
ればよいが、その表面に耐酸化性物質で保護膜を
形成してもよいことは勿論である。さらに、この
制御部２１として金属材料を用いた場合には、発
熱部２０の正の抵抗温度係数を導電性セラミツク
材を用いた場合よりも大きく異ならしめることが
可能で、これによりこの制御部２１により電力制
御効果をより適切に作用させることが可能である
等といつた利点を奏することが可能である。

なお、上述した発熱部２０と制御部２１を形成
する材料としては、同一の導電性セラミツク材を
用いることも可能である。たとえばサイアロンに
対しTiNを添加すると、導電性を有すること
（いわゆる導電性サイアロン）が確認されており、
またそれ以上加えることにより抵抗値が連続的に
変化することが知られており、上述したTiNの
含有率を変えたものを適宜利用するようにしても
よいことは明らかであろう。さらに、上述した棒
状ヒータ１１を構成する発熱部２０と制御部２１
との容積等は、必要とされる抵抗比に応じて適宜
設定されるもので、自由に選択し得るものであ
る。

ここで、上述した本発明による棒状ヒータ１１
は、予め所定の成形状態にて準備された発熱部２
０形成体の後端部外周に対し、耐熱絶縁層２２を
コーテイングし、さらにその外側に制御部２１を
コーテイングすることにより一体化された状態で
成形されるものである。次で、前記制御部２１の
後端側外周部にホルダ１２側と接合される金属コ
ーテイング層２３を形成し、しかる後、前記発熱
部２０内に形成した電極差込み孔２０ａ内に電極
棒１５を嵌合して差込み、その先端部を前記発熱
部２０の先端側に電気的に接続するとよいもので
ある。この場合、上述した金属コーテイング層２
３は、ホルダ１２に対しこのヒータ１１を銀ろう
付け等で接合保持させるためのもので、その熱膨
張率を前記ヒータ１１側の導電性セラミツク材と
合せた材料を選定すればよく、また上述した耐熱
絶縁層２２、制御部２１および金属コーテイング
層２３の成形方法としては、溶射、CVD，
PVD、さらには真空蒸着等といつた方法を始め
その他既知の手法を採用すればよいものである。
さらに、上述した電極棒１５も同様にその熱膨張
率を導電性セラミツク材と合せることは勿論であ
る。なお、図中１５ａは前記電極棒１５の先端部
を残した先端側部分に嵌装され、この電極棒１５
と前記発熱部２０の後端側部分との間を絶縁する
絶縁コーテイング層で、これにより前記発熱部２
０の先端側は本実施例によれば外部接続端子１
４、金属導線１６、および電極棒１５を介してプ
ラス側に接続されることとなる。勿論、上述した
制御部２１は、その後端側の金属コーテイング層
２３を介してホルダ１２側に電気的に接続され、
これによりマイナス（アース）側に接続されるこ
とは容易に理解されよう。

また、本実施例では、棒状ヒータ１１はその断
面形状が略円形（発熱部２０先端は迅速な赤熱化
を図るために小径部として形成されている）とな
るように形成された丸棒状に形成した場合を示し
ており、これによりその成形加工やホルダ１２側
への組付けにあたつて容易である等といつた利点
を奏するものであるが、勿論これに限定されず、
楕円状、角形状等、種々の変形例が考えられるも
のである。

そして、上述したような棒状ヒータ１１によれ
ば、発熱部２０が直接ヒータ外表面に露呈してい
るため、従来のシース型やセラミツクヒータ型に
比べ速熱型としてその効果を発揮させ得るもので
ある。特に、このようなヒータ１１では、その先
端部分の迅速な赤熱化が可能であることから、エ
ンジンの始動性を大幅に向上させ、しかもその出
力を適切かつ良好なものとし得るものである。こ
こで、上述した実施例では、説明を省略したが、
棒状ヒータ１１の外表面に耐酸化性を有する保護
膜を蒸着等で形成するようにすれば、より大きな
耐久性等を期待し得るものである。

そして、上述したように発熱部２０と制御部２
１とを一体的に構成してなるヒータ１１を用いる
と、第３図に示すようなグロープラグ１０として
優れた特性を発揮し得るものである。すなわち、
本発明によるグロープラグ１０によれば、900℃
到達時間を、3.0秒、ピーク温度をその許容範囲
を1400℃以下としたうえで約1200℃、さらに飽和
温度を850℃とすることができることが実験によ
り確認されている。

以上の構成による自己温度制御型グロープラグ
１０において、外部接続端子１４から金属導線１
６、電極棒１５を介してヒータ１１の発熱部２
０、さらにはこの発熱部２０を介して制御部２１
側に電圧を印加すると、その通電初期にあつて
は、印加電圧は、発熱部２０、制御部２１間での
抵抗比において分圧され、その抵抗値の大なる発
熱部２０側に制御部２１側よりも大きな電圧が印
加され、制御部２１に対し相対的に大きな電力密
度となり、速熱性に優れているヒータ１１先端の
発熱部２０が急速に発熱されるものである。

また、通電開始から所定時間経過する間に制御
部２１側が徐々に発熱しこれに伴なつてその抵抗
値が増加すると、これら発熱部２０および制御部
２１間に加わる電圧が徐々に変化し、発熱部２０
側への印加電圧が制御されてこの発熱部２０側は
1200℃程度でピーク温度に達した後850℃程度で
飽和し、その過加熱が防止されることとなる。す
なわち、この時点での制御部２１側での抵抗値
は、発熱部２０側よりもかなり大きくなるもので
ある。そして、この制御部２１による制御機能に
より発熱部２０側に加わる電圧が所定値以下に制
限されるため、長時間に及ぶアフターグローを行
なう際において、その耐久性を充分保証し得るも
のである。

したがつて、このような構成によるグロープラ
グ１０によれば、正の抵抗温度係数の異なる導電
性セラミツク材などによつて一体的に構成された
発熱部２０および制御部２１からなる棒状ヒータ
１１を用いることによつて、その自己温度制御機
能により従来のようにヒータに対する回路上に制
御回路等を付設するといつた構成は不要となり、
これにより予熱装置全体のコスト低減化を図るう
えでその効果を発揮し得るものである。

なお、本発明は上述した実施例構造に限定され
ず、各部の形状、構造等を、適宜変形、変更する
ことは自由である。たとえば上述した実施例で
は、棒状ヒータ１１を構成する発熱部２０および
制御部２１に対し電圧を印加するにあたつて、発
熱部２０側にプラスを、制御部２１側にマイナス
を接続した場合を説明したが、本発明はこれに限
定されず、第４図に示すように、逆に接続しても
よいものであり、また、このような棒状ヒータ１
１の形状、構造や電極の接続構造としても種々の
変形例が考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る自己温度制
御型グロープラグによれば、ホルダ先端に保持さ
れる棒状ヒータを、全体が棒状に形成された正の
抵抗温度係数の小さな導電性セラミツク材からな
る発熱部と、この発熱部の後端側外周部に耐熱絶
縁層を介して形成されかつその一部が発熱部と電
気的に接続されるとともにこの発熱部よりも正の
抵抗温度係数の大きな導電性セラミツク材や金属
材料等による導電性材料により形成された制御部
とで構成するようにしたので、簡単かつ安価な構
成にもかかわらず、発熱部がヒータ外表面に露呈
し、しかもこれに一体的に連設された電力制御用
制御部の自己温度制御作用により、従来型に比べ
迅速かつ確実な先端赤熱化を達成し、速熱型とし
ての機能を高めることができ、また使用条件の高
温化に対する耐熱性をも有し、さらにエンジンの
始動性を大幅に向上させるとともに、オーバーシ
ユート特性等の発熱特性が大幅に改善され、エン
ジンの排気、騒音対策としての長時間のアフター
グローを可能とし、グロープラグとしての性能を
発揮させることが可能で、しかも全体の構造が簡
単でその組立性、さらに過酷な使用条件にも充分
に耐え得る耐熱強度、耐久性等に優れてなる等と
いつた種々優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る自己温度制御型グロープ
ラグの一実施例を示す要部拡大側面図、第２図は
本発明を適用した自己温度制御型グロープラグの
縦側断面図、第３図はその要部とする棒状ヒータ
の温度特性を示す特性図、第４図は本発明の別の
実施例を示す棒状ヒータの概略断面図である。 １０……自己温度制御型グロープラグ、１１…
…棒状ヒータ、１２……中空状ホルダ、１４……
外部接続端子、１５……電極棒、１５ａ……絶縁
コーテイング層、１６……金属導線、２０……発
熱部、２１……（電力制御用）制御部、２２……
耐熱絶縁層、２３……金属コーテイング層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端を外部に突出させた状態で中空状ホルダ
   の先端部に保持される棒状ヒータを備え、この棒
   状ヒータは、全体が棒状に形成された正の抵抗温
   度係数の小さな導電性セラミツク材からなる発熱
   部と、この発熱部の後端側外周部に耐熱絶縁層を
   介して形成されかつその一部が発熱部と電気的に
   接続されるとともにこの発熱部よりも正の抵抗温
   度係数の大きな導電性材料により形成された制御
   部とによつて構成されていることを特徴とする自
   己温度制御型グロープラグ。 ２ 制御部は、発熱部よりも正の抵抗温度係数の
   大きい導電性セラミツク材により形成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自
   己温度制御型グロープラグ。 ３ 制御部は、発熱部よりも正の抵抗温度係数の
   大きい金属材料により形成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の自己温度制御
   型グロープラグ。 ４ 棒状ヒータを構成する発熱部と制御部とは電
   気的に直列接続され、かつ前記発熱部に中空状ホ
   ルダの後端部に保持された外部接続端子が接続さ
   れるとともに、前記制御部がホルダ側に接続され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の自己温度制御型グロープラグ。