KR20040062621A - 펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터 및 펜슬형 글로플러그 - Google Patents

펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터 및 펜슬형 글로플러그 Download PDF

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자넬로랑
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Abstract

본 발명은 내연기관용 펜슬형 글로 플러그(5) 및 상기 펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터에 관한 것으로 보다 개선된 전기 및 기계적 특성을 갖는다. 플러그 히터(1)는 적어도 하나의 내부에 놓이는 절연층(10) 및 외부에 놓이는 제 1 도전층(15,16)을 갖고, 양 층(10;15,16)은 세라믹 접합부를 갖는다. 플러그 히터(1)는 마찬가지로 세라믹 접합부를 갖는 제 2 도전층(20)을 포함한다. 제 2 도전층(20)은 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에서 제 1 도전층(15,16)과 연결된다. 제 2 도전층(20)은 절연층(10)의 내부에서 연장된다.

Description

펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터 및 펜슬형 글로 플러그{Plug heater for a pencil-type glow plug and corresponding glow plug}
독일 특허 제 100 53 327 호에 디젤기관용 펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터가 이미 공지되어 있으며, 상기 플러그 히터는 내부에 있는 적어도 하나의 절연층 및 외부에 놓은 적어도 하나의 도전층을 갖고, 두 층은 세라믹 접합부를 포함한다. 이러한 방식으로 외부에 놓인 도전층은 플러그 히터의 연소실측 피크 영역의 종단면에 U-형태를 갖고, 따라서 외부에 놓인 도전층은 플러그 히터의 연소실측 피크 영역의 절연층을 감싼다.
본 발명은 종속 청구항의 전제부에 따른 펜슬형 글로 플러그 내의 플러그 히터 및 펜슬형 글로 플러그에 관한 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 펜슬형 글로 플러그의 플러그 히터를 통한 종단면도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 상기 플러그 히터의 횡단면도.
도 3은 제 2 실시예에 따른 펜슬형 글로 플러그의 플러그 히터를 통한 종단면도.
도 4는 제 2 실시예에 따른 플러그 히터를 통한 횡단면도.
독립 청구항의 특징을 포함하는 본 발명에 따른 플러그 히터 및 본 발명에 따른 펜슬형 글로 플러그는 플러그 히터가 두 개의 도전층을 포함하고, 상기 도전층도 세라믹 접합부를 포함하고, 플러그 히터의 연소실측 피크 영역의 제 2 도전층은 제 1 도전층과 연결되고, 제 2 도전층은 절연층의 내부에서 연장되는 장점을 갖는다. 이러한 방식으로 제 1 도전층이 배수라인으로서 기준 전위와 연결을 위해 그리고 제 2 도전층이 공급라인으로서 작동 전압 전위와 연결을 위해 예컨대 차량 배터리의 플러스극에 제공되는 경우, 기준 전위, 예컨대 차량접지에 대한 플러그 히터의 외부 전기 절연을 필요로 하지 않을 수 있다. 제 2 도전층이 플러그 히터의 연소실측 피크 영역을 제외한 절연층에 의해 외부로 전기 절연된다. 따라서 플러그 히터를 외부로 전기 절연하는 절연층을 필요로 하지 않을 수 있고, 제조 비용이 감소될 수 있다. 종속 청구항에 제시된 조치에 의해 청구항 제 1항에 따른 플러그 히터의 바람직한 개선이 가능하다.
제 1 도전층이 기준 전위, 특히 차량 접지에, 제 2 도전층이 기준 전위, 특히 차량 배터리의 플러스극에 접촉되는 경우 특히 바람직하다. 이러한 방식으로 기술된 바와 같이 플러그 히터의 외부 전기 절연을 필요로 하지 않을 수 있다.
제 1 도전층, 제 2 도전층 및 절연층의 횡단면이 회전 대칭으로 배치되는 경우 특히 바람직하다. 이러한 방식으로 가스 형태의 성분을 가열함으로써 각각의 세라믹 재료가 분리되는 플러그 히터의 제조시 절연층 및 도전층의 등방성 수축이 일어난다.
또한 내연기관 내에서 플러그 히터 작동시, 그리고 그와 관련하여 플러그 히터의 주기적인 가열과 냉각은 열에 의해 유도된 기계 전압이 절연층 및 도전층의 상이한 열팽창으로 인해 현저하게 감소된다.
실제로 절연층 및 양 도전층의 회전 대칭 구조는 플러그 히터의 진가동(true running)을 개선시킨다. 이러한 방식으로 플러그 히터의 열에 의한 그리고 기계적인 부하 수용 능력 및 수명이 연장된다.
절연층의 횡단면은 상기 절연층이 적어도 하나의 다른 방향에 비하여 길게 형성되는 우선 방향을 갖는 경우 바람직하다. 이러한 방식으로 플러그 히터의 제조시, 특히 절연층과 제 1 도전층의 연결시, 절연층의 휨이 계속적으로 방지된다. 따라서 플러그 히터의 기계적 견고성이 향상된다. 또한 전기 저항이 우선 방향으로 상승되므로, 제 1 및 제 2 도전층 사이에 상기 방향으로 보다 작은 누설 전류가 흐른다.
본 발명의 다른 장점은 제 2 도전층의 횡단면은 상기 도전층이 하나의 다른 방향에 비하여 길게 확대되는 우선 방향으로 갖는 것이다. 이러한 방식으로 플러그 히터의 제조 및 특히 제 2 도전층과 절연층의 연결시 제 2 도전층의 휨이 계속적으로 차단된다. 그럼으로써 마찬가지로 플러그 히터의 기계적 견고성이 향상된다.
플러그 히터의 연소실측 영역에 제 1 도전층은 제 1 세라믹 재료를 포함하고, 제 1 도전층은 제 2 세라믹 재료를 포함하고, 제 1 세라믹 재료는 제 2 세라믹 재료 보다 높은 비 전기 저항을 갖는 경우 바람직하다. 이러한 방식으로 플러그 히터의 연소실측 피크 영역의 제 1 도전층은 연소실측 피크 영역의 외부보다 높은 전기 저항이 실현될 수 있다. 따라서 플러그 히터의 가열은 플러그 히터의 연소실측 영역으로 집중될 수 있다.
상기 장점은 플러그 히터의 연소실측 피크 영역에서 전체 횡단면 중 절연층 부분이 확장되는 반면, 전체 횡단면 중 양 도전층 부분은 감소되는 경우 달성된다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되고 하기에서 상세히 설명된다.
도 1에서 내연기관, 특히 디젤기관의 실린더 헤드 내부에 조립하는 펜슬형 글로 플러그가 5로 표시된다. 펜슬형 글로 플러그(5)는 플러그 히터(1)를 포함한다. 예컨대 하우징 내부 또는 펜슬형 글로 플러그(5)를 내연기관의 실린더 내부에 고정하는 펜슬형 글로 플러그(5)의 다른 부품들은 상세히 도시되지 않는다. 도 1에 플러그 히터(1)가 종단면도로 도시된다. 플러그 히터(1)는 내부에 놓인 절연층(10)을 포함하고, 상기 절연층은 한편으로는 외부에 놓인 제 1 도전층(15,16)에 의해 둘러싸이고, 다른 한편으로는 제 2 도전층(20)에 의해 둘러싸인다. 제 2 도전층(20)은 절연층(10)의 내부에 연장된다. 따라서 제 1 도전층(15,16)은 관형으로 형성되고 도 2에 따라 관형의 횡단면을 갖는다. 제 1 도전층(15,16)에 의해 둘러싸인 절연층(10)도 관형으로 형성되고, 도 2에 따라 관형의 횡단면을 갖는다. 절연층(10)의 내부에 제 2 도전층이 연장되고, 상기 도전층은 절연층(10)에 의해 둘러싸이고 실린더형으로 형성되므로, 그것은 도 2에 따라 횡단면에 원형면을 형성한다. 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에서 제 2 도전층(20)이 제 1도전층(15,16)과 전기 도전에 의해 연결되고, 상기 영역에서 절연층(10)은 제 2 도전층(20)을 개방하고, 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에 있는 제 1 도전층(15,16)은 절연층(10) 및 제 2 도전층(20)의 도 1에 따른 횡단면을 대략 U형으로 둘러싼다.
제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 졀연층(10)은 각각 세라믹 접합부로 형성된다. 절연층(10)에 사용되는 세라믹 접합부는 도전층(15,16)에 사용된 세라믹 접합부 보다 현저히 향상된 비 전기 저항을 갖는다. 이러한 방식으로 제 1 도전층(15,16)과 제 2 도전층(20) 사이의 누설 전류가 제 1 도전층(15,16)이 제 2 도전층(20)과 연결된 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역을 제외하고 현저히 억제된다.
예컨대 제 1 도전층(15,16)은 작동 전압 전위(30), 예컨대 차량 배터리의 플러스극과 접속되고, 제 2 도전층(20)은 기준 전위(25), 예컨대 차량 접지와 접속될 수 있다. 이러한 경우에 제 1 도전층(15,16)은 공급관을, 제 2 도전층(20)은 가열 전류용 배출관을 형성한다. 특히 바람직하게 도 1에 따라 제 2 도전층(20)이 동작 전압 전위(3)와, 제 1 도전층(15,16)이 기준 전위(25)와 접속된다. 이러한 경우에 제 2 도전층(20)은 공급관으로서, 제 1 도전층(15,16)은 가열 전류용 배출관이다. 제 2 도전층(20)은 공급관으로서 이미 절연층(10)에 의해 외부로 절연된다. 제 1 도전층(15,16)은 기준 전위(25)에 연결하기 위해 제공되기 때문에 상기 도전층이 차량 접지와 또는 기준 전위(25)와 접속하더라도 관여하지 않으므로 제 1 도전층(15,16)은 한번 더 외부로 절연될 필요가 없다. 플러그 히터(1)의 직경은 예컨대 3.3 mm 이다.
플러그 히터(1)의 피크 영역의 전기 저항을 높이기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 도전층(15,16)은 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에 제 1 세라믹 재료(16)를 포함하고, 그와 반대로 제 1 도전층(15,16)은 제 2 세라믹 재료(15)를 포함한다. 따라서 제 1 세라믹 재료(16)는 플러그 히터(1)의 작동시 나타나는 온도에서 제 2 세라믹 재료(15) 및 제 2 도전층(20) 보다 높은 비 전기 저항을 갖는다. 제 1 세라믹 재료(16)는 절연층(10) 및 제 2 도전층(20)의 도 1에 따른 횡단면을 U 형으로 둘러싼다. 그렇게 구현된, 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역의 향상된 전기 저항에 의해 플러그 히터(1)의 가열이 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에 집중되고 내연기관의 연소실 내에서 가능한 멀리 이동된다. 따라서 -20 ℃ 내지 1000 ℃ 까지의 단기 가열 시간이 2s의 단위, 2000 ℃ 이상의 지속 온도에서 구현된다.
도 1에 도시된 단면 라인 A-A 을 따라 도 2에 따른 플러그 히터(1)의 횡단면에 의해 플러그 히터(1)의 상기 제 1 실시예에서 제 1 도전층(15,16), 절연층(10) 및 제 2 도전층(20)이 서로 동축으로 배치되어 있음을 알 수 있다. 따라서 제 1 도전층(15,16) 및 절연층(10)의 횡단면은 각각 링형으로 형성된다. 제 2 도전층(10)은 횡단면에 원형면 형태를 갖는다. 따라서 제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)의 횡단면에 회전 대칭 구조가 나타난다. 제조시 플러그 히터(1)가 가열되고 가스형태의 성분이 제 1 도전층(15,16), 절연층(10) 및 제 2 도전층(20)으로 부터 분리된다. 이것은 상기 층들을 수축시킨다. 플러그 히터(1)가 소결 공정, 가열 압착 공정, 열간등압 공정 또는 이와 유사한 방법을 이용하여 제조되는 경우 상기 수축이 나타난다. 절연층(10)은 제 1 도전층(15,16) 및 제 2 도전층(2)과 다른 화합물로 인해 각각 상기 두 도전층과 다르게 수축한다. 전체 층(10,15,16,20)의 회전 대칭 구조 때문에 전체 층(10,15,16,20)이 등방위 수축하므로 수축 차이로 인한 보다 작은 기계 전압이 발생된다.
플러그 히터(1)의 작동시 실린더 헤드 내에 플러그 히터(1)의 주기적인 가열과 냉각이 발생한다. 제 1 도전층(15,16) 및 제 2 도전층(20)과 다른 절연층(10)의 상이한 재료로 인해 제 1 도전층(15,16) 및 제 2 도전층(20)과 다른 절연층(10)의 상이한 열팽창이 발생한다. 동시에 형성되는, 열에 의해 유도된 기계적 전압은 회전 대칭 때문에 현저히 감소된다.
플러그 히터(1)의 층(10,15,16,20)의 동심의 회전 대칭적이 구조의 다른 장점은 층들이 정확히 동심으로가 아니라 제조 공차로 인해 약간 중심에서 벗어나 배치되는 경우 플러그 히터(1)의 진가동을 개선시키는데 있다.
도 2에 따른 플러그 히터(1)의 층(10,15,16,20)들의 회전 대칭 구조에서 제조 공차로 인해 약간 중심에서 벗어난 절연층(10)의 위치는 플러그 히터(1)의 전기 저항비의 변형을 일으키지 않는다. 왜냐하면 제 2 도전층(20)의 횡단면의 표면은 물론 제 1 도전층(15,16)의 횡단면의 표면도 변형되지 않기 때문이다.
도 1에 따른 실시예에서와 같은 동일한 부품은 동일한 부품 번호로 표시되는 도 3 및 4에 따른 제 2 실시예에서 도 3의 플러그 히터(1)의 종단면도가 도시된다. 도 4는 도 3에 도시된 단면선 B-B 를 따른 플러그 히터(1)의 횡단면을 도시한다.
도 3에 따른 제 2 실시예에서도 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역의 제 1 도전층(15,16)은 제 1 세라믹 재료(16) 및 제 2 세라믹 재료(15)를 포함하고, 제 1 세라믹 재료(16)는 제 2 세라믹 재료(15)보다 높은 비 전기 저항을 갖는다. 대안적으로 또는 도 3에 도시된 바와 같이 추가적으로 플러그 히터(1)의 연소실측 피크 영역에서 전체 횡단면 중 절연층(10)의 부분이 확대될 수 있는 반면, 전체 횡단면 중 양 도전층(15,16)의 부분은 축소될 수 있다. 이것은 도 3에 따라 절연층(10)의 횡단면 및 제 2 도전층(20)이 동일하고, 이에 반하여 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역의 제 1 도전층(15,16)은 연소실측 피크(40)를 향해 축소되도록 구현된다. 따라서 절연층(10)의 횡단면 면적은 도 3에 도시된 바와 같이 동일하다. 이러한 경우에 제 2 도전층(20)의 횡단면 면적은 도 3에 도시된 바와 같이 전체 횡단면이 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 쪽으로 축소된다. 대안적으로 제 1 도전층(15,16)의 횡단면이 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(4)를 향해 축소되는 것은 졀연층(10)의 횡단면 면적이 연소실측 피크(40)를 향해 확대되는 것과 관련되므로, 플러그 히터(1)의 전체 횡단면은 실제로 전체 길이에 걸쳐 동일하다. 상기 조치의 목적은 제 2 실시예에서와 같이 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역의 전기 저항을 상기 위치에서 가열 능력이 집중되도록 상승시키는 것이다.
도 4에 도시된 단면선 B-B를 따른 횡단면은 플러그 히터(1)의 횡축소부 영역 외부에 있지만, 연소실측 피크(40) 영역의 도 3에 도시된 횡축소부 영역에 질적으로 일치한다. 제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)은 실제로 동심으로 차례로 배치되긴 하지만 회전 대칭으로 배치되지 않는다. 이것은 제 2 실시예에서 절연층(10)이 제 1 실시예에서 절연층과 달리, 횡단면에 절연층이 적어도 하나의 다른 방향에 비하여 길게 확대되는 우선 방향(35)을 갖는 것에 기인한다. 따라서 도 4에 따라 절연층(10)이 우선 방향(35)으로 플러그 히터(1)의 외부 에지까지 확장되므로 제 1 도전층(15,16)은 연소실측 피크(40) 영역의 외부로 이등분된다. 그러나 절연층(10)은 우선 방향(35)으로 플러그 히터(1)의 에지까지 확장되어서는 안되므로, 제 1 도전층(15,16)의 언급된 이등분이 반드시 필요하지 않다. 절연층(10)의 우선 방향(35)이 이용됨으로써 플러그 히터(1)의 제조 과정에서 상기 절연층이 도전층(15,16)과 연결될 때 절연층(10)의 휨이 방지되므로, 플러그 히터(1) 전체가 제 1 실시예에 따른 회전 대칭 구조에서 보다 기계적으로 견고하게 형성될 수 있는 장점을 갖는다. 도 4에 도시되지 않았더라도 제 2 도전층(20)은 대안적으로 또는 절연층(10) 추가적으로 횡단면에 상기 절연층이 적어도 하나의 다른 방향에 비하여 길게 확대되는 우선 방향(45)을 갖는다. 이러한 방식으로 플러그 히터(1)를 제조하는 경우, 절연층(10)과 연결시 제 2 도전층(20)의 휨이 방지된다. 상기 조치에 의해 플러그 히터(1)의 기계적 견고함이 제 1 실시예에 따른 회전 대칭 구조에 비하여 개선된다. 플러그 히터(10)의 가열시 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)이 휘어지는 것이 방지되어야 하므로, 절연층(10)은 물론 제 2 도전층(20)도 횡단면에 상기 절연층이 적어도 하나의 다른 방향에 비하여 길게 확대되는 우선 방향을 갖는다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 절연층이 우선 방향을 가지면, 상기 방향으로 전기 절연 작용이 강해지고, 제 2 도전층(20)과 제 1 도전층(15,16)사이의 누설 전류의 형성이 현저히 감소될 수 있다.
플러그 히터(1)의 형상은 사출 성형 과정에 의해, 이송 성형에 의해 또는 저렴한 대량 생산 공정으로서 주입 성형에 의해 이루어질 수 있다. 제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)에 각각 양 도전층(15,16,20)의 경우에 도전성 충전제를 포함하는 메트릭스로 형성된 혼합 세라믹이 사용될 수 있다. 따라서 보다 높은 사용온도, 보다 높은 내식성 및 보다 긴 수명이 구현된다.
제 1 도전층(15,16)에 의해 외부에 위치하는 히터가 구현됨으로써 플러그 히터의 가열 시간이 단축되고 예컨대 -20 ℃ 에서 거의 내연기관과 동시 작동이 실시된다. 절연층(10)에 의해 절연되고 동작 전압 전위(30)와 연결된 제 2 도전층(20)으로 인해 플러그 히터(1)의 외부 전기 절연이 생략되면 제조 공정이 간단해 진다. 플러그 히터(1)의 직경은 예컨대 약 3.3 mm 이다. 여기에 소개된 플러그 히터(1)를 포함하는 펜슬형 글로 플러그(5)는 예컨대 실린더 헤드의 M8-하우징 내로 장착된다.
제 1 도전층(15,16)에 의해 구현된 외부에 위치하는 히터로 인해 -20 ℃ 부터 시작하여 수초 내에 1000 ℃ 의 온도 및 1200 ℃ 이상의 지속 온도가 달성된다. 따라서 상술하였듯이 제 1 세라믹 재료(16)의 저항은 제 2 세라믹 재료(16)의 저항 및 제 2 도전층(20)의 저항과 관련하여 상승되면 가열 시간이 감소된다. 상기 조치에 의해 지속 온도의 상승이 달성된다. 제 2 실시예에서도 제 1 실시예에서와 마찬가지로 제 2 도전층(20)이 절연층(10)의 내부에 안내된다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 내부에 놓이는 절연층(10) 및 외부에 놓이는 제 1 도전층(15,16)을 구비하고, 양 층(10;15,16)은 세라믹 접합부를 포함하는, 내연기관용 펜슬형 글로 플러그(5) 내의 플러그 히터(1)에 있어서,
    상기 플러그 히터(1)는 마찬가지로 세라믹 접합부를 포함하는 제 2 도전층(20)을 갖고, 제 2 도전층(20)은 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에서 제 1 도전층(15,16)과 연결되고, 제 2 도전층(20)은 절연층(10)의 내부에 연장되는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 도전층(15,16)은 기준 전위(25), 특히 차량 접지에 접속되고, 제 2 도전층(20)은 동작 전압 전위(30), 특히 차량 배터리의 플러스 극에 접속되는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)은 서로 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  4. 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 상기 제 1 도전층(15,16), 제 2 도전층(20) 및 절연층(10)의 횡단면이 회전 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 도전층(15,16) 및 절연층(10)의 횡단면은 링형으로 형성되고 제 2 도전층(20)의 횡단면은 원형면을 형성하는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  6. 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 상기 절연층(10)의 횡단면은 상기 절연층이 적어도 하나의 다른 방향에 비하여 길게 연장되는 우선 방향(35)을 갖는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  7. 제 1항, 2항, 3항 또는 6항에 있어서, 상기 제 2 도전층(20)의 횡단면은 상기 도전층이 적어도 하나의 방향에 비하여 길게 연장되는 우선 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 도전층(15,16)은 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에 제 1 세라믹 재료를 포함하고, 제 1 도전층(15,16)은 제 2 세라믹 재료를 포함하고, 제 1세라믹 재료(16)는 제 2 세라믹 재료(15) 보다 높은 비 전기 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플러그 히터(1)의 연소실측 피크(40) 영역에서 전체 횡단면 중 절연층(10)의 부분이 확대되는 반면, 전체 횡단면 중 양 도전층(15,16;20)의 부분은 감소되는 것을 특징으로 하는 플러그 히터.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한항에 따른 플러그 히터(1)를 포함하는 펜슬형 글로 플러그.
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