JPS6364690B2 - - 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
ラグを設け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
来から、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、
上述した副燃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証している。

しかしながら、上述した一種材料による発熱線
を用いたグロープラグでは、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、加熱時において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、その発熱温度はたとえば
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。

また、このような加熱時における温度立上り特
性を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あるいは高熱によ
るシースの破損などが生じ易く、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
必要となり、予熱装置全体のコストの上昇を招く
という問題があつた。

特に、近年では、デイーゼルエンジンが一般乗
用車に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。

このため、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改良が加え
られ、通電直後に大電流を供給して温度立上り特
性を向上させるものとして、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
を用いてなるグロープラグが、英国特許1376817
号公報や特開昭54−109538号公報などによつて既
に提案されている。

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、まだまだ改善の余地が残されて
いる。

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、開発を行なつた結果、従来
のものは、二種類の発熱体が互いにあまりにも近
接して配設されているため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の
熱影響を受けてその抵抗値が急激に大きくなり、
先端側発熱体に対しての通電初期における大電力
の供給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流を供給し
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グロープラグとして
の発熱特性に欠け、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戸発熱と、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
熱の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、このような点を考慮し、速
熱型として機能し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、２種類の螺旋状発熱体を用い、かつこれら両
発熱体の接続部でそれぞれのピツチ角が変化する
点の間に、先端側発熱体の巻線ピツチよりも３〜
12倍となる大きな間隙を設け、この間隙内におい
て両発熱体を接続するという簡単な構成によつ
て、先端側発熱体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流を先端側に有
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流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図および第２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、符号１はステンレススチール等
の耐熱金属材料からなるシース、２はこのシース
１を先端部において保持するハウジングで、この
ハウジング２の後端部には絶縁ブツシユ３を介し
て電極棒４が同心状に取付けられ、この電極棒４
の先端は前記シース１内に挿入されている。

そして、前記シース１の先端側内部空間には、
たとえば鉄クロムあるいはニツケルクロム合金な
どのように抵抗温度係数の小さい導電材料により
形成された第１の螺旋状発熱体５（以下第１の発
熱体という）が軸線方向に沿つて配設され、その
先端は前記シース１と電気的に接続されている。

また、前記シース１の後端側内部空間には、こ
の第１の発熱体５と連続して前記シース１の後端
側の電極棒４との間に、たとえばニツケル、また
はカーボン含有量が0.25％以下の低炭素鋼（以下
低炭素鋼という）等の抵抗温度係数の大きな導電
材料により形成された第２の螺旋状発熱体６（以
下第２の発熱体という）が配設され、さらにこれ
ら第１および第２の発熱体５，６はシース１内に
充填されたマグネシア等の耐熱絶縁粉末７により
埋設されている。

そして、この第２の発熱体６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５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６は、第
１の発熱体５に比べて抵抗温度係数の大きな材料
により形成され、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５からの伝熱
とそれ自身と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５への供給電力を制御する。

特に、このような第２の発熱体６としては、ニ
ツケルなどに比べて抵抗温度係数の充分に大きな
低炭素鋼を用いることが好ましく、第１の発熱体
５への供給電力を制御し、グロープラグの発熱特
性を向上させるうえで、その効果を発揮でき、し
かもコスト的に安価であるといつた利点がある。

さて、本発明によれば、上述した第１の発熱体
５と第２の発熱体６との直列接続部分で第１の発
熱体における後端側でのピツチ角が変化する点か
ら第２の発熱体６における先端側でのピツチ角が
変化する点までの間に、第２図からも明らかなよ
うに、第１の発熱体５を基準としてその巻線ピツ
チよりも大きな間隙を設け、この間隙内において
両発熱体５，６を接続するように構成している。
すなわち、このように両発熱体５，６間に一定の
間隙を設けることにより、従来問題であつた第２
の発熱体６に対する先端側の第１の発熱体５から
の熱伝達を、両発熱体５，６間の間隙中に存在す
る耐熱絶縁粉末７にて時間的間隔を保てるように
し、これにより第２の発熱体６による電流制御を
時間的に遅らせて第１の発熱体５への大電流の通
電時間を延ばし、この第１の発熱体５を急速に赤
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。

ここで注意すべき点は、この第１の発熱体５が
過加熱されない程度の適切な時間をおいて、第２
の発熱体６を自己発熱および第１の発熱体５から
の熱伝達により適切に温度上昇させ、これにより
増大する抵抗値により第１の発熱体５への供給電
流を制御し得るように、両発熱体５，６間の間隙
長さ、およびこの間隙内における両発熱体５，６
の接続構造である。

このため、本実施例によれば、第１および第２
の発熱体５，６内に貫通して配設されこれらを所
定個所に保持するセラミツク等の耐熱絶縁材料か
らなるガイド棒８を用いており、このガイド棒８
はシース１の先端部内側と電極棒４の先端部との
間でその軸線上に固定される。そして、このよう
なガイド棒８を用いれば、両発熱体５，６を所定
間隙に保つことが簡単かつ確実に行なえ、たとえ
発熱体として線径が細くあるいは材質がやわらか
い材料を用いたとしても所望の間隙を保つて発熱
特性の安定化を図ることが可能となる。また、こ
のようなガイド棒８を用いると、発熱体５，６の
シース１への組込み作業が簡単かつ確実となり、
さらに発熱体５，６とシース１とがシヨートして
シース１が溶断するといつた問題もなくなる。し
かし、両発熱体５，６がある程度剛性を有し、間
隙を保つて配設できる範囲内であれば、ガイド棒
８は必ずしも用いる必要はないことは言うまでも
ない。

なお、この間隙は、シース１の外径、両発熱体
５，６の線径により適切な値とすべきで、先端側
の第１の発熱体５を基準とし、その巻線ピツチを
Ｐとした場合に、３〜12Pであるとよいことが確
認されている。

また、両発熱体５，６は間隙内において熱伝達
が必要最小限となるようにして接続される。すな
わち、本実施例によれば、各発熱体５，６の最終
螺旋部５ａ，６ａでのピツチ角が変化する点から
それぞれ軸線方向に向つて延長された直線状端部
５ｂ，６ｂの端面を、両者の中間部において当接
させてプラズマアーク溶接などにより接続してい
る。しかし、各直線状端部５ｂ，６ｂを第３図に
示すように重ね合わせて接続してもよいし、さら
にその接続位置もこの間隙内であれば必ずしも中
央部に限定されない。また、上述した直線状接続
部は必ずしも軸線上に沿つている必要はなく軸線
方向に対し斜めに設けてもよく、しかもこの間隙
内において曲線あるいは螺旋状に接続することも
自由である。要するに、第１の発熱体５における
後端側でのピツチ角が変化する点から第２の発熱
体６における先端側でのピツチ角が変化する点ま
での間に、第１の発熱体５における巻線ピツチよ
りも３〜12倍となる大きな間隙を設けるととも
に、この間隙内において両発熱体５，６間の熱伝
達を、上述した条件を満足し得る程度に小さくし
て接続できるとよいものである。たとえば両発熱
体５，６におけるピツチ角が変化する点がガイド
棒８の周方向で同じ位相位置にあるときには、そ
の軸線方向に向う直線状部５ｂ，６ｂで単純に接
続するとよいが、ガイド棒８の周方向での位相が
ずれたりしているとき等においては、軸線方向に
所要の角度をもつて斜めに設けられた直線または
曲線、あるいは螺旋状の接続部で接続するとよい
ものである。ここで、第６図には、両発熱体５，
６のピツチ角が変化する点が、略々180度ずれて
位置され、かつそれぞれの点から螺旋部を介して
位相が揃えられた点同士を直線状部で５ｂ，６ｂ
で接続した場合を示している。

したがつて、このような構成によるグロープラ
グによれば、通電開始直後においては、第２の発
熱体６の抵抗が小さいため大電力が第１の発熱体
５に集中し、その供給電力は第４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５から
の熱影響が第２の発熱体６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の発熱体５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６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、これにより徐々に発熱し、
この発熱温度および第１の発熱体５側からの熱影
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
５への印加電圧が減少すると、第１の発熱体５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６はそれ自身のみで必要な発熱量を有
し、シース１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。

そして、このような本発明によるグロープラグ
の発熱特性を第５図中ｃで示しており、同図中ｄ
で示す従来のものに比べて温度立上り特性が大幅
に向上することが理解されよう。

ここで、本発明において、第１および第２の発
熱体５，６間の間隙を、３〜12Pとした理由を以
下に述べる。

すなわち、第６図に示すように、シース１の外
径寸法をDS、その肉厚をHS、ハウジング２から
突出するシース１の長さをLS、第１の発熱体５
のコイル径をDC、そのコイル長をLR、第２の発
熱体６のコイル長をLBとし、それぞれをDS＝
5.0mm、HS＝0.8mm、LS＝25mm、DC＝2.3mm、LR
＝３mm、LB＝７mmと設定するとともに、第１の
発熱体５として線径が0.35mm、巻数が５、巻線ピ
ツチＰが0.60mmの鉄クロム線材から形成されたも
の、第２の発熱体６として線径が0.38mm、巻数が
12、巻線ピツチＰが0.58mmの低炭素鋼材から形成
されたものを用いた場合における両発熱体５，６
間の間隙Ｇの変化に対応する特性図を第７図およ
び第８図に示している。

これを簡単に説明すると、第７図は両発熱体
５，６間の間隙GAP（MMおよびPITCH）に対
する各発熱温度の立ち上り時間TIME（SEC）を
示す特性図であつて、この特性図からエンジン始
動に必要な温度（通常800℃）に達する時間を速
くするためには、両発熱体５，６間の間隙Ｇが２
mm以上（約3.3P以上）であればよいことが確認さ
れる。一方、第８図は同じく両発熱体５，６間の
間隙GAP（MMおよびPITCH）に対する最大発
熱温度TEMPERATURE（℃）を示す特性図で
ある。そして、この特性図において、第１の発熱
体５の過加熱を防ぐためには、シース１表面の発
熱温度が1150℃未満である必要があることから、
間隙Ｇは７mm以下（約12P以下）でなければなら
ないことが確認される。勿論、これは上限値であ
り、実際に使用するためには、各部の耐久性等を
考慮してより小さな値とすることが望まれる。

したがつて、前述した条件に設定した場合にお
ける最適な間隙Ｇは２〜４mm（3P〜7P）である
ことが容易に理解されよう。そして、グロープラ
グの仕様変更により各部の寸法、ピツチ等が適宜
変更されたとしても、両発熱体５，６間の間隙Ｇ
が３〜12Pの範囲内であればよいことが実験によ
り確認されている。

第９図ないし第１１図は本発明に係るグロープ
ラグの他の実施例を示し、第１図および第２図と
同一部分あるいは相当する部分には同一番号を付
してその説明は省略する。

さて、本実施例によれば、第１および第２の発
熱体５，６間に形成される間隙内に位置するよう
にしてガイド棒８の軸線方向の一部には、両発熱
体５，６間の熱伝達を防ぐ遮熱用の大径部１０が
一体に設けられ、この大径部１０にはその両端側
を連通するように軸線方向に沿つて形成された直
線状の溝部１１が形成されている。そして、この
溝部１１内には両発熱体５，６の直線状端部５
ｂ，６ｂによる直線状接続部が係入されている。
しかし、この溝部１１およびこれに係入される両
発熱体５，６の接続部は前述した実施例と同様
に、軸線上に位置する必要はなく、また直線状で
ある必要もない。

このような大径部１０をガイド棒８に設ける構
成によれば、両発熱体５，６間での熱伝達を必要
最小限として第２の発熱体６による電流制御を遅
らし、第１の発熱体５への大電流の集中時間を長
くしてその迅速な赤熱化が図れ、しかもその時間
調整が精度よく安定して行なえるため、発熱特性
を大幅に向上させることが可能となる。そして、
上述した大径部１０の溝部１１内で両発熱体５，
６を接続するため、その作業が簡単かつ確実に行
なえ、また両発熱体５，６間での間隙を保つうえ
でも有利であるといつた利点がある。なお、両発
熱体５，６間の間隙は、大径部１０の存在を考慮
して適宜設定されることは言うまでもない。

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
体の直列接続部でそれぞれのピツチ角が変化する
点の間に、第１の発熱体の巻線ピツチよりも３〜
12倍となる大きな間隙を設け、この間隙内におい
て両発熱体を接続するようにしたので、以下に列
挙する優れた効果が得られる。

(1) 第２の発熱体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
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) また、エンジン始動時においては、第２の発
熱体自身の発熱温度および第１の発熱体からの
熱伝達によつて温度上昇される第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問題は生じることがな
い。

(3) さらに、単に間隙を設けるだけでよいため、
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。

(4) 特に、絶縁性のガイド棒を用い、さらにその
ガイド棒に大径部を設けることにより、安定し
た適正な発熱特性を得ることができ、しかも発
熱体の溶接などの接続作業を含む全体の組立作
業が簡単かつ確実に行なえる。

【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全体の概略構成の縦
断面図、第２図はその要部拡大断面図、第３図は
その変形例を示す図、第４図および第５図は本発
明による動作を説明するための特性図、第６図は
実験データを説明するためのグロープラグの要部
拡大断面図、第７図および第８図は間隙Ｇの変化
に対応する発熱温度の立上り時間、最大発熱温度
の関係を示す特性図、第９図は本発明の他の実施
例を示す全体の縦断面図、第１０図はその要部拡
大断面図、第１１図はその特徴とするガイド棒の
斜視図である。 １……シース、２……ハウジング、４……電極
棒、５……第１の発熱体、６……第２の発熱体、
５ｂ，６ｂ……直線状端部、８……ガイド棒、１
０……大径部、１１……溝部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の螺旋状発熱体と、この第１の螺旋状発
   熱体の後端側に対し先端側が直列に接続されかつ
   第１の螺旋状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の螺旋状発熱体と、こ
   れら両発熱体を被覆するシースとを備え、前記第
   １の螺旋状発熱体における後端側でのピツチ角が
   変化する点から第２の螺旋状発熱体における先端
   側でのピツチ角が変化する点までの間に、前記第
   １の螺旋状発熱体の巻線ピツチの３〜12倍の大き
   な間隙を設け、この間隙内において両発熱体を接
   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。 ２ 第１の螺旋状発熱体と第２の螺旋状発熱体と
   は、その間隙内において直線状部分で接続されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のデイーゼルエンジン用グロープラグ。 ３ 第２の螺旋状発熱体には低炭素鋼が用いられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載のデイーゼルエンジン用グロープ
   ラグ。 ４ 第１の螺旋状発熱体と、この第１の螺旋状発
   熱体の後端側に対し先端側が直列に接続されかつ
   第１の螺旋状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の螺旋状発熱体と、こ
   れら両発熱体内に貫通して配置された耐熱絶縁材
   料からなるガイド棒と、前記両発熱体を被覆する
   シースとを備え、前記第１の螺旋状発熱体におけ
   る後端側でのピツチ角が変化する点から第２の螺
   旋状発熱体における先端側でのピツチ角が変化す
   る点までの間に、前記第１の螺旋状発熱体の巻線
   ピツチの３〜12倍の大きな間隙を設け、かつこの
   間隙内に位置するようにして前記ガイド棒の軸線
   方向の一部に大径部を形成するとともに、この大
   径部の両端側を連通するように形成された溝部内
   に前記両発熱体の接続部を係入させたことを特徴
   とするデイーゼルエンジン用グロープラグ。 ５ ガイド棒の大径部にはその両端側を連通する
   直線状溝部が形成され、第１の螺旋状発熱体と第
   ２の螺旋状発熱体とは前記溝部内に係入する直線
   状接続部を有していることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載のデイーゼルエンジン用グロー
   プラグ。 ６ 第２の螺旋状発熱体には低炭素鋼が用いられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第４項ま
   たは第５項記載のデイーゼルエンジン用グロープ
   ラグ。