JPWO2016170874A1

JPWO2016170874A1 - グロープラグ

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Publication number: JPWO2016170874A1
Application number: JP2017514009A
Authority: JP
Inventors: 康夫豊島
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-10-19
Also published as: US20180112874A1; EP3287699A4; EP3287699A1; WO2016170874A1

Abstract

放熱性を高めて短期間での破損を抑制すること。内燃機関の燃焼室内に先端部が挿入されるヒータ（１１）と、ヒータの基端部を支持する筒体（１２）と、ヒータの加熱部を突出させた状態で、筒体を支持するハウジング（１４）と、ハウジング内に設けられ、燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ（１５）と、を備えるグロープラグ（１）であって、ハウジング内において、圧力センサと筒体との間に形成された圧力導入室（１４２）と、ハウジング及び筒体の少なくとも一方に形成され、燃焼室と圧力導入室とを連通する連通路（２１）と、を備える。

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用され、燃焼室内の圧力を検知する圧力センサを備えたグロープラグに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用され、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を検知する圧力センサを備えたグロープラグが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のグロープラグにおいて、通電により加熱されるヒータエレメントは、ハウジングに金属製のダイヤフラム等によって接続されて、ハウジング内に変位可能な状態で収容されており、燃焼室内の圧力変化によって、ヒータエレメントはハウジングの軸線方向に変位して、該変位が圧力センサに伝達され、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧として検知される。

特表２００８−５２５７５８号公報

しかしながら、上記のような圧力センサを備えるグロープラグでは、ヒータエレメントとハウジングとは、ダイヤフラムによって接続されているのみであり、ヒータエレメントから伝わってくる熱は、主に、薄いダイヤフラムを介した経路によりハウジング側に伝達される。したがって、ハウジングにヒータエレメントがロウ材により固定された一般的なグロープラグに比べて、ヒータエレメントからハウジングに伝わる熱の伝達効率が悪く、放熱性に優れないため、ヒータエレメントやハウジング内の温度が上昇しやすくなる。その結果、ヒータエレメントの発熱体の取り出し電極やロウ材の温度が限界温度を超えてしまい、ヒータエレメントにクラックが発生する等により、グロープラグが短期間で破損してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができるグロープラグを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の燃焼室内に先端部が挿入されるヒータと、前記ヒータの基端部を支持する筒体と、前記ヒータの加熱部を突出させた状態で、前記筒体を支持するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力センサと、を備えるグロープラグであって、前記ハウジング内において、前記圧力センサと前記筒体との間に形成された圧力導入室と、前記ハウジング及び前記筒体の少なくとも一方に形成され、前記燃焼室と前記圧力導入室とを連通する連通路と、を備えることを特徴とする。

また、前記連通路が、前記ハウジング及び前記筒体の少なくとも一方に形成された貫通孔であることが好ましい。

また、前記連通路が、前記ハウジングの内周面及び前記筒体の外周面の少なくとも一方に形成された溝であることが好ましい。

また、前記ハウジングの内周面及び前記筒体の外周面に形成された溝が互いに対向して貫通孔を形成することが好ましい。

また、前記連通路は、複数形成されていることが好ましい。

また、前記ヒータに接続された当該ヒータへ通電するケーブルは、前記圧力導入室の外部において前記ハウジングの外側に配線されていることが好ましい。

本発明によれば、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができる。

本発明の実施形態にかかるグロープラグの縦断面図である。本発明の実施形態にかかるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。本発明の実施形態にかかるグロープラグの製造方法を示す図である。本発明の他の実施形態にかかるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施形態をとり得る。

図１は、グロープラグの縦断面図である。図２は、図１において、ハウジングの先端付近を拡大視したグロープラグの縦断面図である。以下、横断面とは、グロープラグ１の長手方向の軸線に垂直な切断面をいい、縦断面とは、グロープラグ１の長手方向の軸線を含む切断面をいう。
図１、図２に示すように、グロープラグ１は、ヒータエレメント１０と、ハウジング１４と、圧力センサモジュール１５と、電子モジュール１６等を備えている。

（ヒータエレメント）
ヒータエレメント１０は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室内（予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室）に挿入されて、固定される。ヒータエレメント１０は、例えば、セラミックスから構成されている。なお、ヒータエレメント１０は、セラミックスに限らず、金属から構成されていてもよい。

図１、図２に示されるように、ヒータエレメント１０は、セラミックスヒータ１１と、金属製の外筒（筒体）１２と、リード部１３等を備えている。
セラミックスヒータ１１は、通電により加熱される部位であり、セラミックスヒータ１１には、その本体部を構成するセラミックス絶縁基体１１１の内部に、Ｕ字状に形成されたセラミックス発熱体１１２が埋設されている。このセラミックス発熱体１１２の両端側には、それぞれ金属リード１１３を介して正側電極１１４及び負側電極１１５が設けられている。負側電極１１５は、セラミックス絶縁基体１１１の外周面に取り出され、負側電極１１５を含むセラミックス絶縁基体１１１の外周面には、負極側メタライズ部１１６が形成されている。

セラミックスヒータ１１のうち、少なくとも負極側メタライズ部１１６は、外筒１２の一端側の内面に接合され、負側電極１１５は外筒１２に電気的に接続されている。外筒１２は、導電性及び熱伝導性を有する金属材料から形成されている。外筒１２は、その内径がセラミックスヒータ１１を挿入できる程度の大きさに形成されており、セラミックスヒータ１１を外筒１２に挿入した際に、外筒１２の内周面１２３とセラミックスヒータ１１の外周面１１８との間に僅かな隙間ができる程度に形成されている。
また、セラミックスヒータ１１と外筒１２との接合は、外筒１２内にセラミックスヒータ１１の負極側メタライズ部１１６を挿入、固定した状態で、ロウ付け等により行われる。すなわち、セラミックスヒータ１１の負極側メタライズ部１１６がロウ材によって外筒１２の内面に接合され、電気的に接続される。負極側メタライズ部１１６は、例えば、負極側メタライズ部１１６全体の重量に対して３０重量％以下の銅（Ｃｕ）と、１０重量％以下のチタン（Ｔｉ）を含有する銀ペーストによって形成される。

正側電極１１４は、セラミックス発熱体１１２が埋設されている先端側とは反対の基端側においてセラミックス絶縁基体１１１の外面に取り出されている。正側電極１１４を含むセラミックス絶縁基体１１１の後端面には正極側メタライズ部１１７が形成されている。この正極側メタライズ部１１７はロウ付け等によってリード部１３の先端面１３１に接合され、正側電極１１４とリード部１３とが電気的に接続されている。

ここで、セラミックス絶縁基体１１１の後端面には、面取加工部１１１ａが形成されている。これによって、セラミックス絶縁基体１１１とリード部１３の接合部の周囲において、セラミックス絶縁基体１１１と外筒１２との距離を稼ぐことができる。したがって、ロウ付けする場合において、ロウ材と外筒１２との絶縁性が高められ、絶縁破壊を低減することができるようになっている。

リード部１３は、セラミックスヒータ１１の正側電極１１４に電気的に接続されている。リード部１３は、グロープラグ１の作動時に高温かつ大きな電流（例えば４〜３０アンペア）が流れることから、その直径が例えば１ｍｍ未満のように小さすぎると、自己発熱も加わって、短時間で酸化するおそれがある。そのため、リード部１３は、例えば、セラミックス絶縁基体１１１の横断面積の２０％以上の横断面積を有する、比較的太い直径を有するリード棒として形成されている。
一方で、リード部１３の直径が大きすぎると、リード部１３と外筒１２との間の距離を十分に確保することができず、絶縁破壊を生じるおそれがある。よって、リード部１３の横断面積は、例えば、セラミックス絶縁基体１１１の横断面積の４０％以下であることが好ましい。また、リード部１３の長さは、リード部１３の直径の２倍以上の長さとすることが好ましい。

リード部１３は、電気伝導率が高い材料からなる。このような材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）、あるいはそれらの合金が挙げられる。また、低剛性であり電気伝導率が高い鉄合金や鋳鉄を用いてもよい。
なお、リード部１３には、耐熱性を改善するためにニッケル（Ｎｉ）メッキ等を施してもよく、耐酸化性を向上させるため、銀（Ａｇ）により被覆してもよい。

リード部１３は、圧力センサモジュール１５側まで導かれ、圧力センサモジュール１５側の後端部１３３において、保持部材１３４および位置決め部材１３５により外筒１２内に保持される。これにより、リード部１３と外筒１２の内周面１２３とが一定の距離に保たれるように、リード部１３の後端部１３３が位置決めされる。ここで、位置決め部材１３５は、外筒１２の内周面１２３に接するように設置されており、保持部材１３４を介してリード部１３を保持している。また、保持部材１３４は、後端部１３３側においてリード部１３の外周面１３６を覆うように形成されている。また、保持部材１３４は、リード部１３と電気的に接続されている。リード部１３は保持部材１３４を介して、外部接続端子としてのリードケーブル１３２と電気的に接続され、リードケーブル１３２によってグロープラグ１のハウジング１４から引き出される。リードケーブル１３２は、圧力導入室１４２内への露出を避けるため、圧力導入室１４２の外側、すなわち、外筒１２に囲まれているリード部１３の後端１３３側において、一旦外筒１２およびハウジング１４を貫いてそのハウジング１４の外周面に引き出されている。リードケーブル１３２は、後述する連通路２１が形成されていない箇所において、外筒１２及びハウジング１４を貫いている。すなわち、リードケーブル１３２は、外筒１２及びハウジング１４内において、連通路２１に重ならないように配線されている。ハウジング１４の外周面に引き出されたリードケーブル１３２は、圧力センサモジュール１５の後端部において、ハウジング１４の内周面に導かれるように配線されている。これにより、リードケーブル１３２から電流をセラミックスヒータ１１に供給することができる。

（ハウジング）
図１、図２に示されるように、ハウジング１４は、図示しないエンジンのシリンダヘッドへの取付金具であり、ヒータエレメント１０や圧力センサモジュール１５等を収容するものである。ハウジング１４は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング１４は、例えば、円筒状に形成されており、ヒータエレメント１０は、基端側が部分的にハウジング１４の内部に配置され、先端側がハウジング１４の先端１４５からハウジング１４の外側に突出した状態で、圧入によりハウジング１４内に固定されている。なお、ヒータエレメント１０は、ロウ付けによりハウジング１４の内周面に固定してもよい。ハウジング１４から突出したヒータエレメント１０の先端は、内燃機関の燃焼室内に挿入される。

ハウジング１４の内部には、ハウジング１４の先端１４５側にヒータエレメント１０の基端側が部分的に配置され、圧力導入室１４２を挟んで、ハウジング１４の後端１４６側にセンサモジュール１５が配置されている。圧力導入室１４２は、ハウジング１４の内部の、ヒータエレメント１０と圧力センサモジュール１５との間に設けられた空間である。ハウジング１４には、圧力導入室１４２と当該ハウジング１４の先端１４５にわたって軸線方向に延びて連通する連通路２１が形成されている。ハウジング１４の先端１４５が内燃機関の燃焼室内に挿入されることにより、燃焼室内の圧力は連通路２１を介して圧力導入室１４２に伝達されるので、圧力導入室１４２内の圧力は燃焼室内の圧力と等しくなる。これにより、圧力センサモジュール１５に面する圧力導入室１４２内の圧力を燃焼室内の圧力として、圧力センサモジュール１５により直接検出することができる構成となっている。

連通路２１は、ハウジング１４をその軸線方向沿って貫通する貫通孔として形成されており、横断面視円筒状のハウジング１４の周方向に沿ってほぼ等間隔に複数（例えば、５つ）形成されている。なお、連通路２１を形成する個数は、ハウジング１４の強度も考慮して適切な個数が設定される。連通路２１を複数形成することで圧力導入室１４２内の圧力をより早く内燃機関の燃焼室内の圧力にすることができる。

（圧力センサモジュール）
圧力センサモジュール１５は、ハウジング１４の後端１４６側に設けられている。圧力センサモジュール１５は、圧力センサ１５１と、センサケーブル１５２と、センサハウジング１５３とを備えている。圧力センサ１５１は、例えば圧電式のセンサ素子として構成することができる。この圧電式のセンサ素子は機械的な負荷を受けると電荷を発生させ、この電荷は圧力センサ１５１のコンタクト領域１５４，１５５において検出可能となっている。検出された電荷はセンサケーブル１５２によってグロープラグ１のハウジング１４から導出される。センサハウジング１５３は、圧力センサ１５１およびコンタクト領域１５４、１５５を収容しており、スリーブ１４４内に支持されている。圧力センサモジュール１５は、セラミックヒータ１１から遠い方の側のハウジング１４の後端１４６側において、ハウジング１４に内包されたスリーブ１４４によって支持されている。なお、スリーブ１４４と圧力導入室１４２との境目は、ＳＵＳ６３１等の析出硬化型ステンレス鋼のダイヤフラム３１により封止されている。

例えば、図２の例では、内燃機関の燃焼室内の圧力が圧力導入室１４２の圧力よりも高い場合には、ハウジング１４の開口部２２に向かって圧力が作用し（矢印Ｐ１）、この圧力により、連通路２１から圧力導入室１４２に向かって圧力が伝播し（矢印Ｐ２）、内燃機関の燃焼室内の圧力と実質的に同じになるまで圧力導入室１４２内の圧力が高まる。
この圧力導入室１４２の圧力は、圧力Ｐ３として、圧力センサ１５１に伝達される。この圧力センサ１５１は伝達された圧力に応じてセンサケーブル１５２を介して検出信号を導出し、この検出信号から、内燃機関の燃焼室内の圧力が測定される。

（電子モジュール）
電子モジュール１６は、接点ユニット１６１を有しており、接点ユニット１６１は、信号処理ユニット１６２を収容するための支持体１６３と、コネクタハウジング１６４とを備えている。接点ユニット１６１は、支持体１６３の圧力センサモジュール１５側の端面側１６５に、ヒータエレメント１０および圧力センサモジュール１５との接触接続のためのインターフェースを有している。インターフェースは、グロープラグ１のハウジング１４から引き出されたセンサケーブル１５２およびリードケーブル１３２を介して行われる。なお、接点ユニット１６１は、少なくとも部分的に、管状の電子モジュールハウジング１６６によって包囲されており、この場合、支持体１６３は完全に電子モジュールハウジング１６６によって包囲されている。また、電子モジュールハウジング１６６は部分的にコネクタハウジング１６４によって包囲されている。

＜グロープラグの製造方法＞
図３に基づいて、グロープラグ１の製造方法について説明する。
図３（ａ）に示すように、外筒１２の内部孔１２１内にセラミックスヒータ１１を挿入する。セラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７が外筒１２によって十分に覆われる所定の位置関係（図３（ｂ）参照）になるところまで、セラミックスヒータ１１を外筒１２内に挿入する。

次に、図３（ｂ）に示すように、セラミックスヒータ１１の面取加工部１１１ａ上にロウ材１７５を置く。また、リード部１３の先端面１３１を、セラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７上に置く。この際、正極側メタライズ部１１７とリード部１３との間には、面取加工部１１１ａ上に置かれたロウ材１７５とは別のロウ材１７６を置く。
次に、外筒１２、セラミックスヒータ１１、リード部１３を仮組みした状態で、このヒータエレメント１０を８００〜９００℃まで加熱する。これにより、セラミックスヒータ１１及び外筒１２、セラミックスヒータ１１及びリード部１３が、それぞれ同時にロウ付けされる。

次に、図３（ｃ）に示すように、圧力センサモジュール１５を内蔵したハウジング１４をヒータエレメント１０の後端側から所定の位置まで圧入し、ハウジング１４と外筒１２とを固定する。なお、ハウジング１４の内周面１４７と外筒１２の外周面１２４とを、ロウ材によりロウ付けすることで、ハウジング１４と外筒１２とを固定してもよい。

なお、ハウジング１４には、連通路２１が予め形成されている。連通路２１の形成方法としては、連通路２１を形成しようとする対象の材質、連通路２１の形状、大きさ、長さ等を総合的に考慮して適宜選択できるが、例えばドリルやレーザーカッター等による機械的な加工、エッチング処理等の化学的な加工が挙げられる。

最後に、図３（ｄ）に示すように、予め組み立てておいた電子モジュール１６を、ハウジング１４の後端部から接続し、これをもってグロープラグ１が組み立てられる。

＜実施形態の効果＞
上述した構成によれば、グロープラグ１は、内燃機関の燃焼室内とハウジング１４の圧力導入室１４２とを連通する連通路２１を有しているので、圧力導入室１４２の圧力変化から内燃機関の燃焼室内の圧力を直接検知することができる。このような構成を有するグロープラグ１は、ヒータエレメント１０をハウジング１４に対して変位可能な状態で取り付ける必要はないため、ヒータエレメント１０をハウジング１４に直接固定できる。これにより、ヒータエレメント１０とハウジング１４との接触面積を増やすことができ、ヒータエレメント１０から伝達される熱をハウジング１４に効率よく伝達でき、放熱性を高めて短期間での破損を抑制する。また、ヒータエレメント１０を変位させるためのダイヤフラムも不要となる。

グロープラグ１は、連通路２１を、ハウジング１４および外筒１２の少なくとも一方に形成された貫通孔とすることにより、ヒータエレメント１０とハウジング１４との接触面積をより増やすことができる。例えば、連通路２１が、ハウジング１４の内周面１４７や外筒１２の外周面１２４に形成された溝である場合、ヒータエレメント１０とハウジング１４との接合部には連通路２１があるため、部分的に外筒１２の外周面１２４とハウジング１４の内周面１４２とが接していない構成となる。しかし、連通路２１が、ハウジング１４および外筒１２の少なくとも一方に形成された貫通孔である場合には、ヒータエレメント１０とハウジング１４との接合部に連通路２１はないため、ヒータエレメント１０とハウジング１４との接合部では、外筒１２の外周面１２４とハウジング１４の内周面１４２とが全面で接する構成となり、ヒータエレメント１０からの放熱性をさらに高めることができる。

また、グロープラグ１は、連通路２１を、ハウジング１４の内周面１４７および外筒１２の外周面１２４の少なくとも一方に形成された溝とすることにより、連通路２１の形成を容易にできる。例えば、連通路２１が、ハウジング１４および外筒１２の少なくとも一方に形成された貫通孔である場合には、ハウジング１４や外筒１２の内部を加工するため、加工中の部位を確認することが困難である。しかし、連通路２１が、ハウジング１４の内周面１４７や外筒１２の外周面１２４に形成された溝である場合には、ハウジング１４または外筒１２の表面側から加工できるため、加工中の部位を確認しながら加工することが可能である。

＜変形例＞
以上説明したグロープラグは、本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、それぞれの実施形態は本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
例えば、連通路は、図２の連通路２１とは別の態様であってもよい。具体的には、図４（Ａ）に示すように、外筒１２に横断面視円形状で外筒１２の軸線方向に沿って延びる貫通孔状の連通路２１２を形成してもよい。また、図４（Ｂ）に示すように、ハウジング１４の内周面１４７に横断面視半円形状でハウジング１４の軸線方向に沿って延びる溝状の連通路２１３を形成してもよい。また、図４（Ｃ）に示すように、外筒１２の外周面１２４に横断面視半円形状で外筒１２の軸線方向に沿って延びる溝状の連通路２１４を形成してもよい。また、図４（Ｄ）に示すように、ハウジング１４の内周面１４７に形成した横断面視半円形状でハウジング１４の軸線方向に沿って延びる溝状の連通路２１３と、外筒１２の外周面１２４に形成した横断面視半円形状で外筒１２の軸線方向に沿って延びる溝状の連通路２１４とを、互いに対向させるようにハウジング１４及び外筒１２を位置決めして接合し、二つの溝２１３，２１４で一つの横断面視円形状の連通路２１５（貫通孔）としてもよい。
連通路２１を溝状に形成することで、貫通孔状に形成する場合に比べて加工工程をより簡易にすることができる。
なお、貫通孔及び溝は組み合わせて用いることもでき、ハウジング１４及び外筒１２の片方に形成してもよいし、両方に形成してもよい。また、図４（Ｄ）では、溝２１３と溝２１４は対向するように配置されているが、溝２１３と溝２１４とが対向しない組み合わせも可能である。

貫通孔状の連通路２１２としては、例えば図４（Ａ）に示されるような横断面が円形状のものの他、四角形状のもの等が挙げられる。
また、溝状の連通路２１３，２１４としては、例えば図４（Ｂ）、（Ｃ）に示されるような横断面が半円形状のものの他、Ｖ字型、Ｕ字型のもの等が挙げられる。

なお、ハウジング１４又は外筒１２において、連通路２１を形成する領域では、連通路２１を形成しない領域に比べて、肉厚に形成することが好ましい。これにより、連通路２１の形成が容易になると共に、ハウジング１４又は外筒１２の外径に対して比較的内径の大きな連通路２１を形成できる。また、連通路２１を形成しない領域においては、ハウジング１４又は外筒１２を肉薄にすることで、グロープラグ１の重量を軽量化でき、製造コストも低減できる。

Claims

内燃機関の燃焼室内に先端部が挿入されるヒータと、
前記ヒータの基端部を支持する筒体と、
前記ヒータの加熱部を突出させた状態で、前記筒体を支持するハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力センサと、を備えるグロープラグであって、
前記ハウジング内において、前記圧力センサと前記筒体との間に形成された圧力導入室と、
前記ハウジング及び前記筒体の少なくとも一方に形成され、前記燃焼室と前記圧力導入室とを連通する連通路と、
を備えることを特徴とするグロープラグ。
前記連通路が、前記ハウジング及び前記筒体の少なくとも一方に形成された貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
前記連通路が、前記ハウジングの内周面及び前記筒体の外周面の少なくとも一方に形成された溝であることを特徴とする請求項１または２に記載のグロープラグ。
前記ハウジングの内周面及び前記筒体の外周面に形成された溝が互いに対向して貫通孔を形成することを特徴とする請求項３に記載のグロープラグ。
前記連通路は、複数形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のグロープラグ。
前記ヒータに接続された当該ヒータへ通電するケーブルは、前記圧力導入室の外部において前記ハウジングの外側に配線されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のグロープラグ。