JP2016522386A - 内側接触型セラミック製加熱要素を備えたシーズ型グロープラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関のコールドスタートアシストのための電気加熱可能なシーズ型グロープラグを提案する。【解決手段】受容部分（２）と、受容部分（２）内で保持され、プラス極（３１）とマイナス極（３２）とを備えたセラミック製加熱要素（３）と、プラス極（３１）と電気結合している導電性接続ピン（４）と、接続ピン（４）とプラス極（３１）との間に配置されている導電性結合要素（５）とを備えた電気加熱可能なシーズ型グロープラグ（１）。 【選択図】 図１

Description

本発明は、グロープラグまたはシーズ型グロープラグに関し、より正確に言えば、内燃機関のチャンバー内、たとえば空気圧縮型自己着火式ディーゼルエンジンの予燃焼室、渦流室、または燃焼室内に配置するためのセラミック製シーズ型グロープラグに関するものである。さらに本発明は、この種の本発明によるシーズ型グロープラグの製造方法にも関する。

最近の自動車および他の使用例では、ガソリン作動式内燃機関に比べて高い作用効率を提供するディーゼルエンジンが広く使用されてきている。しかしながらディーゼルエンジンは、始動過程の間にコールドスタートアシストを幾重にも必要とする。というのは、ディーゼルエンジンのコールドスタートの際、噴射されたディーゼル燃料を問題なく点火させることは通常不可能だからである。エンジンの低温作動またはその排ガス放射を改善するために、スタート後もシーズ型グロープラグが使用されることがある。さらに、異なる燃料品質が、圧縮される空気／ディーゼル混合気の着火性を低下させることがある。

上記の作用に対処するため、ディーゼルエンジンの燃焼室内には通常それぞれ少なくとも１つの電気加熱可能なシーズ型グロープラグがある。シーズ型グロープラグはＧＬＰ（英語の専門用語"glow plug"の略）とも呼ばれ、スタート段階でディーゼルエンジンを予熱するものである。シーズ型グロープラグは金属またはセラミックスから成る加熱要素を有することができ、グローペンシルとも呼ばれる。この種のシーズ型グロープラグは、さらに、灯油で作動するガスタービンおよび油加熱システムを始動する際のコールドスタートアシストとして広く使用される。たとえば特許文献１から知られているような、セラミック製グローペンシルを備えた公知のシーズ型グロープラグ、いわゆるセラミック製シーズ型グロープラグでは、グローペンシルが、通常は電気絶縁性セラミック材（たとえば窒化ケイ素）から成り、該電気絶縁性セラミック材には、高導電性供給導線と内側にある発熱導体とが埋設されていてよい。この場合、金属製シーズ型グロープラグとは異なり、発熱導体内で加熱機能と調整機能とが組み合わされている。セラミック製グローペンシルは金属管内に固定され、シーズ型グロープラグハウジング内に気密に圧入されている。通常、グローペンシルの一端に設けられる加熱導線の接点個所によって提供されるグローペンシルのプラス極の電気接触は、ワイヤーを介してセラミック製グローペンシルのプラス極と結合されている接続ピンによって行われ、グローペンシルのマイナス極の電気接触、すなわちエンジンブロックに対するアース接続は、グローペンシルの金属管とハウジングとを介して形成される。しかしながら、この公知のシーズ型グロープラグの接続ピンとグローペンシルのプラス極との前述のワイヤー結合は、煩雑な製造ステップを要求し、製造時にワイヤーが破断し、よってグロープラグが使用不能になることがある。この問題に対処するため、たとえば特許文献２から知られているような解決手段がすでに提案された。特許文献２からは、図２の概略断面図に示されているようなシーズ型グロープラグ９が読み取れる。シーズ型グロープラグ９は、基本的には、加熱要素９１と、たとえばシーズ型グロープラグの中心電極の形態で設けられている接続ピン９２と、ハウジング９３と、接触プラグ９４とから成っている。ここでプラス接触は、接続ピン９２により接触要素としてのグラファイトタブレット９５を介して加熱要素９１に対し行われ、そしてマイナス接触は、グラファイトから成るシーリングコンパウンド９６を介してハウジング９３に対し行われる。短絡を阻止するため、グラファイトタブレット９５と接続ピン９２とはセラミッククランプスリーブ９７と９８によってハウジング９３に対し絶縁されている。しかしながら、ハウジングに対するこの種の絶縁は付加的な構成部材と製造ステップとを要求し、このことはシーズ型グロープラグの製造コストに負の影響を与える。上記の問題に対処するため、シーズ型グロープラグのプラス接触を加熱要素と接続ピンとの間でグラファイトタブレットを用いて簡単に置換する試みがある。その例は特許文献３から読み取れ、グラファイトタブレットは、種々の大きさと実施態様で、シーズ型グロープラグハウジングの構成および区分化に依存して、加熱要素と接続ピンとの間に配置されている。その際グラファイトタブレットは、当該特許文献３から読み取れるどの実施態様でも、セラミックリングの形態の固定セラミック要素によって保持され、且つハウジングに対し絶縁される。

とりわけ上述したようなワイヤー接触による公知の解決手段は製造の点で煩雑であり、何度も蝋付けしなければならず、このことはシーズ型グロープラグの組立てを困難にし高価にさせる。同様に上述したようなグラファイトタブレットを用いた公知の解決手段では、エンジンに対するアース結合は常にプラグハウジングを介して行われる。この理由から、通常は金属から成っているハウジングに対するプラス経路全体を電気絶縁しなければならない。この目的のためには、このために特別に設けられてグラファイトタブレットをハウジング内に固定し且つハウジングに対して電気絶縁する１つまたは複数のセラミックスリーブまたはプラスチックスリーブを使用するのが通常である。

独国特許出願公開第１００２９００４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１００３０９２４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０４５２７３Ａ１号明細書

本発明によれば、請求項１の構成を備えた電気加熱可能なシーズ型グロープラグが提案され、好ましくはディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関のコールドスタートアシストのための電気加熱可能なシーズ型グロープラグが提案される。本発明の有利な更なる構成は、従属請求項の構成を特徴としている。

本発明の第１の観点によれば、本発明による電気加熱可能なシーズ型グロープラグは、受容部分と、該受容部分内で保持され、プラス極とマイナス極とを備えたセラミック製加熱要素と、プラス極と電気結合している導電性接続ピンと、接続ピンとプラス極との間に配置されている導電性結合要素とを含んでいる。この場合、少なくともプラス極と結合要素とは、加熱要素の繰り抜き部内に配置されている。受容部分は、通常は管状部材であり、好ましくは別個の部分として形成されているか、または、時にはシーズ型グロープラグのハウジングの一部分として形成されていてもよい支持管である。この場合、本発明によるシーズ型グロープラグのセラミック製加熱要素（グローペンシルともいう）は、上述した技術水準から公知なように、基本的には、通常は電気絶縁性セラミック材（たとえば窒化ケイ素）から成り、該電気絶縁性セラミック材には、高導電性供給導線と内側にある発熱導体とが埋設されていてよく、発熱導体に加熱機能と調整機能とが組み合わされている。プラス極は発熱導体の一端によって形成され、この一端は、ここでは技術水準とは異なり、本発明によれば繰り抜き部側へ露出している。そしてマイナス極は、発熱導体とグローペンシルの外側スリーブとの結合によって実現され、外側スリーブは、受容部分と、好ましくは金属から形成されているシーズ型グロープラグのハウジングとを介して、アース接続部としてのエンジンブロックと結合されている。

結合要素を加熱要素の繰り抜き部内に埋設することにより、すなわち該繰り抜き部内にあって該繰り抜き部の形状を結合要素の構成に対応させることができるプラス接触部に埋設することにより、結合要素を別個に固定することは無駄になる。さらに、セラミック製加熱要素の繰り抜き部内に結合要素を配置して保持することで、すでに導電性受容部分に対する絶縁が達成され、これによって受容部分と結合部材との間の付加的な絶縁部材を設けずに済む。この場合、結合要素が繰り抜き部内に完全に受容されているのが有利である。１実施態様では、本発明によるシーズ型グロープラグは、幅方向における繰り抜き部のディメンションが幅方向における結合要素のディメンションよりも大きいように形成されていてよく、すなわち加熱要素の長手軸線に対し垂直な繰り抜き部の幅方向の拡がりが、長手軸線に対し垂直な結合要素の幅方向の拡がりよりも大きいように、好ましくは１ないし２ｍｍの繰り抜き部の幅方向の拡がりディメンション範囲で大きいように形成されていてよい。これに伴い、結合要素が繰り抜き部内壁と接続ピンとの間に拡がることができ、よって拡大もしくは変形された結合要素の構成によって接続ピンと加熱要素のプラス極との間の電気結合が改善されることが達成できる。本発明によるシーズ型グロープラグの有利な実施態様では、結合要素はタブレット形状を有することができ、結合要素はさらに好ましくは弾性材料から成る。たとえば結合要素は圧縮成形物として構成されていてよく、および／または、通常のセラミック製造方法に従って製造された要素として構成されていてよい。この場合、伝導性のある結合要素は導電特性を有し、伝導性のある結合要素は、たとえば凝固形態の以下の材料のうちの１つまたは複数を含んでいてよく、すなわち金属粉、特に銀粉、伝導性セラミック粉、グラファイトを含んでいてよい。この場合、結合要素のための材料としてグラファイトを使用するのが有利である。巻回される金属編み物も同様に結合要素のための構成物として考えられ、金属は酸化しない。この種の金属の例としては銅、青銅、黄銅、鋼、ステンレス鋼、ニッケルが挙げられる。しかしながら、これとは択一的にまたはこれに加えて、他の適当な導電性材料の使用も可能である。

さらに好ましくは、接続ピンの燃焼室側端部は、もしくは、接続ピンと加熱要素のプラス極との間の電気接触を形成するために結合要素と結合している、接続ピンの燃焼室側部分は、少なくとも部分的に加熱要素の繰り抜き部内に設けられ、もしくは、その中に配置されている。さらに好ましくは、接続ピンは特に弾性のある結合要素のほうへ予め荷重されており、接続ピンは加熱要素の方向に圧入され、これによって結合要素は加熱要素と接続ピンとの間で押圧または圧縮されて締め付け固定されている。これにより、接続ピンと加熱要素のプラス極との接触が結合要素を介して継続的に維持できることが達成され、個々の部材間でのわずかなずれのために結合が破断することはない。接続ピンの前記一端を弾性のある結合要素とともに繰り抜き部内に配置する場合、結合要素は繰り抜き部内に配置されている接続ピンの前記一端のまわりに配分され、これに対して当接していてよい。さらに、結合要素もしくは接続ピンの予荷重は、受容部分の領域またはハウジングの領域で適当な処置によって保持されねばならないが、その場合種々の解決手段が考えられる。

さらに好ましくは、受容部分の内部にして接続ピンと受容部分との間には中空室がある。接続ピンを結合要素とともにセラミック製加熱要素の繰り抜き部の中に配置して保持することにより、通常は導電性のある受容部分に対するこれら部材の絶縁が達成され、これにより受容部分と接続ピンと結合部材との間に付加的な絶縁部材を設けずに済む。中空室は少なくとも部分的に材料で充填されていてよく、好ましくはたとえば酸化マグネシウムおよび／または酸化アルミニウムのようなセラミック粉で充填されていてよく、たとえば受容部分をロータリスエージングプロセスによって縮径することで、粉体を圧縮することができる。これによって圧縮された粉体は、接続ピンを受容部材の内部で支持し、これを受容部材に対し絶縁させる。さらに、本発明によるシーズ型グロープラグはさらにカバー部材を有していてよい。カバー部材は、セラミック粉を受容部分内で保持して、塵埃および湿気を侵入させないようにするために中空室を密閉するパッキンであってよい。これに加えてまたはこれとは択一的に、カバー部材は、接続ピンを受容部材に対し補助的に電気絶縁させ、機械的に支持する電気絶縁性スリーブの形態に置き換えてよい。

本発明の他の観点によれば、前述した電気加熱可能なシーズ型グロープラグの製造方法は、特に、接続ピンを結合要素に対し予め荷重させるステップを含んでいる。この場合、結合要素は加熱要素の繰り抜き部内に配置されており、加熱要素のプラス極と電気結合している。好ましくは、これに加えて、結合要素と結合している接続ピンの一端は、該接続ピンと加熱要素のプラス極との間に電気接触を形成するために、少なくとも部分的に加熱要素の繰り抜き部内に配置されている。個々の構成要素を作製するステップと、加熱要素を受容部分とともに案内するステップと、上述した構成要素ともども受容部分をシーズ型グロープラグのハウジング内に最終的に配置することとは、技術水準からすでに十分知られていることであり、したがってこれを前提とする。

本発明に従って実施されるシーズ型グロープラグには、上述した技術水準に比べ、結合要素を使用しているために、接続ピンとシーズ型グロープラグの加熱要素との間を接触させるためのワイヤーを使用せず、よってこれら部材間でワイヤーの蝋付けが不必要になり、これにより製造プロセス全体がコスト上好ましくなり、通常は困難で場合によっては欠陥が伴う組立てによる不良品が低減されるという利点がある。さらに、内側に接触部を備え、すなわちセラミック製加熱要素の内部に配置される結合部材と接続ピンの燃焼室側端部とを備えた本発明による解決手段により、付加的に設けられる接続ピンの保持部が少なくとも加熱要素側で回避されるとともに、たとえばセラミック製絶縁スリーブによって受容部分に対し接続ピンを別個に絶縁することが回避され、これによっても部材と組立てステップとが低減し、よって更なるコスト節減を得ることができる。

本発明の更なる利点と有利な実施態様は、以下の図面を用いた説明から明らかである。

本発明の有利な実施形態によるシーズ型グロープラグの一部分の概略横断面図である。 技術水準によるシーズ型グロープラグの概略横断面図である。

図１は、本発明によるシーズ型グロープラグ１の有利な１実施形態の前部部分の概略断面図である。本発明によるシーズ型グロープラグ１は、受容部分または支持管２と、加熱要素またはグローペンシル３と、接続ピン４と、結合部材またはグラファイトタブレット５と、パッキンディスク７とから成っている。支持管２内には、該支持管２の内周と接続ピン４の外周とパッキンディスク７との間に中空室６があり、該中空室はオプションでセラミック粉で充填されていてよく、セラミック粉とは、たとえばロータリスエージングプロセスによって支持管２の径を狭くすることで圧縮することができるような、たとえば酸化マグネシウムおよび／または酸化アルミニウムである。これによって圧縮された粉末は、金属製支持管２内での接続ピン４の配置と、支持管２の内壁に対する接続ピンの電気絶縁とを支援する。この場合、セラミック製グローペンシル３の接触部は、該グローペンシル３のプラス極３１が該グローペンシル３の繰り抜き部３３内にして該グローペンシルの燃焼室とは逆の側に設けられるように、いわゆる内側にあるプラス極接触部として設けられるように、設けられており、マイナス極３２は、オプションで被膜部として、グローペンシル３の、燃焼室とは逆の側に設けられており、マイナス極３２は支持管２の先細りになっている部分２１とダイレクトに接触している。このため、グローペンシル３は前記先細りになっている部分に圧入または蝋付けされており、オプションの被膜部はグローペンシル３と部分２１との間にある。支持管２の形状は、特に先細りになっている部分２１を支持管２の燃焼室側端部に設けることは、強制的なものではなく、支持管２の他のどのような横断面形状も考えられ、たとえば連続的に同じ径を持った筒状形状等が考えられる。

中心電極として作用する接続ピン４とグロー放電管３との間の接触は、接続ピン４とグロー放電管３との間に配置されるグラファイトタブレット５によって実現する。この場合グラファイトタブレット５は完全にグロー放電管３の繰り抜き部３３内にして該グロー放電管の燃焼室とは逆の側に配置もしくは収納されている。その際グローペンシル３のプラス極３１はグラファイトタブレット５とダイレクトに電気結合し、それに対して接続ピン４はグラファイトタブレット５とダイレクトに電気接触している。

プラス電気接触を可能な限り連続して維持するには、グラファイトタブレット５に電圧がなければならないが、この目的のため、この有利な実施形態では、グラファイトタブレット５には弾性がある。本発明によるシーズ型グロープラグ１の組立ての際、接続ピン４は支持管２の中へ圧入され、その結果完全に繰り抜き部３３内にあって弾性のあるグラファイトタブレット５は予め荷重されている。この配置の場合、接続ピン４の燃焼室側端部４１は同様に少なくとも部分的にグローペンシル３の繰り抜き部３３内にある。これにより、セラミック製グローペンシル３の燃焼室とは逆の側の端部は、支持管２に対する絶縁の用を成している。

図１に示したような有利な実施形態では、円形孔または袋穴の形状で燃焼室とは逆の側のグローペンシル面３４に設けられている繰り抜き部３３は、幅方向の拡がりが円形グラファイトタブレット５の外径よりも大きいような内径を備えている。この状況により、また繰り抜き部３３内での接続ピン４による弾性のあるグラファイトタブレット５の予荷重とともに、タブレット５のグラファイトはある程度接続ピン４の燃焼室側端部４１のまわりを環流することができ、もしくは、このまわりに配分されることができ、その結果接続ピン４とセラミック製グローペンシル３との間の結合部は弾性結合部として形成されている。これにより、たとえば、ディーゼルエンジン等で使用している間の本発明によるシーズ型グロープラグ１の振動を緩和することができ、しかも接続ピン４とグローペンシル３との間の接触を中断させたり悪化させたりすることがない。

さらに、本発明によるシーズ型グロープラグの有利な実施形態の中空室６は、塵埃および湿気を侵入させないようにするため、および／または、オプションのセラミック粉を受容部分内で保持するため、パッキンディスク７によって密封されていてよい。この場合、パッキンディスク７の外径部は支持管２の幅広部分２２の内径部と接触している。さらに、図１に示した実施形態の場合、パッキンディスク７は電気絶縁スリーブとして変形されており、その中央に繰り抜き部７１が設けられており、該繰り抜き部内に接続ピン４が支持されて配置されており、これにより接続ピン４は支持管２に対し補助的に電気絶縁されている。従って、接続ピン４と支持管２との間の１つまたは複数の補助的な絶縁要素を設けないで済む。

このように構成されたシーズ型グロープラグの使用分野として、上述した支持管配置の使用分野以外の他の使用分野が考えられ、たとえばフレックススタートシステムでのエタノール加熱器のような燃料加熱器、または、非絶縁加熱抵抗器が粉末パッケージ内に埋設されている各種形状の電気管状加熱体が考えられる。

１ シーズ型グロープラグ
２ 受容部分
３ 加熱要素
４ 接続ピン
５ 結合要素
６ 中空室
７ パッキンディスク（カバー部材）
３１ プラス極
３２ マイナス極
３３ 繰り抜き部
４１ 接続ピンの燃焼室側端部（接続ピンの一部分）

Claims (12)

1. 受容部分（２）と、該受容部分（２）内で保持され、プラス極（３１）とマイナス極（３２）とを備えたセラミック製加熱要素（３）と、前記プラス極（３１）と電気結合している導電性接続ピン（４）と、前記接続ピン（４）と前記プラス極（３１）との間に配置されている導電性結合要素（５）とを備えた電気加熱可能なシーズ型グロープラグ（１）において、
   少なくとも前記プラス極（３１）と前記結合要素（５）とが前記加熱要素（３）の繰り抜き部（３３）内に配置されている
   ことを特徴とするシーズ型グロープラグ。
2. 前記結合要素（５）は、
   完全に前記繰り抜き部（３３）内に受容されている
   請求項１に記載のシーズ型グロープラグ。
3. 前記接続ピン（４）の前記結合要素（５）と結合している部分（４１）が少なくとも部分的に前記繰り抜き部（３３）内に配置されている
   請求項１又は２に記載のシーズ型グロープラグ。
4. 幅方向における前記繰り抜き部（３３）のディメンションが幅方向における前記結合要素（５）のディメンションよりも大きい
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
5. 前記結合要素（５）がタブレット形状を有している
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
6. 前記結合要素（５）が金属編み物から成り、好ましくは該金属編み物が巻回されている
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
7. 前記結合要素（５）が弾性材料から成り、好ましくはグラファイトをベースにしている
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
8. 前記結合要素（５）が前記接続ピン（４）によって予荷重を受けている
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
9. 前記受容部分（２）内にして前記接続ピン（４）と前記受容部分（２）との間に中空室（６）がある
   上記請求項の何れか１項に記載のシーズ型グロープラグ。
10. 前記中空室（６）が少なくとも部分的に充填され、好ましくはセラミック粉で充填されている
    請求項９に記載のシーズ型グロープラグ。
11. さらにカバー部材（７）を備え、該カバー部材が前記中空室（６）を密閉し、好ましくは前記接続ピン（４）を前記受容部分（２）に対し電気絶縁して支持している、
    請求項９又は１０に記載のシーズ型グロープラグ。
12. 特に上記請求項の何れか１項に記載の電気加熱可能なシーズ型グロープラグの製造方法において、前記接続ピン（４）は前記結合要素（５）に対し予荷重を与える製造方法。

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