KR100219756B1 - Quick-heated type ceramic glow plug - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 단일 전극 리드선에 보충선을 병렬로 연결하고, 이 보충선의 금속 소재를 온도 저항계수가 큰 소재를 사용함으로써 단일 리드선을 사용한 것에 비해 초기 전압 인가시에 높은 전류를 흐르게 하고 안정발열시에는 비교적 낮은 전류를 흐르게 할 수 있는 디젤 엔진에 장착되는 급속 가열형 세라믹 글로우 플러그를 제공하기 위한 것이다.The present invention connects a supplementary wire in parallel to a conventional single electrode lead wire, and uses a material having a large temperature resistance coefficient for the metal material of the supplementary wire to allow a high current to flow at an initial voltage and stable heating when compared to a single lead wire. To provide a quick heating ceramic glow plug mounted to a diesel engine capable of flowing a relatively low current.
Description
본 발명은 디젤 엔진에 장착되는 급속 가열형 세라믹 글로우 플러그에 관한 것이다.The present invention relates to a quick heating ceramic glow plug mounted on a diesel engine.
일반적으로 디젤 엔진은 저온에서 시동성이 나쁘기 때문에 엔진 셀계시에 예연소실에 글로우 플러그를 장착하여, 글로우 플러그의 발열로 인해 연료의 일부를 예연소실에서 연소시켜 연소실에 유입되는 연료의 온도를 높이는데 사용된다.In general, since diesel engines have poor starting ability at low temperatures, a glow plug is installed in the pre-combustion chamber at the time of engine cell counting, and a part of the fuel is burned in the pre-combustion chamber due to the heat of the glow plug, thereby increasing the temperature of the fuel flowing into the combustion chamber. do.
기존의 글로우 플러그의 발열체팁은 금속을 소재로 사용하였는데 금속의 경우 내열성과 내산화성이 나쁘기 때문에 글로우 플러그의 발열 온도가 낮고, 발열 온도까지의 승온 시간이 많이 걸리게 되는 단점이 있다.The heating element tip of the conventional glow plug is made of metal, but in the case of metal, heat resistance and oxidation resistance are poor, so the heat generation temperature of the glow plug is low, and the heating time to the exothermic temperature takes a lot of disadvantages.
또한, 시동 후 아이들링시 히팅(애프터 글로우)이 불가능하여 불완전 연소가스의 배출로 공해 문제를 일으키게 된다. 이러한 문제로 금속에 비해 내열성 및 내산화성이 강한 세라믹과 고용점의 금속 발열선을 내장한 발열체팁을 사용함으로써 급속 승온이 가능하고 애프터 글로우가 가능한 세라믹 글로우 플러그의 사용이 증가하는 추세이다.In addition, heating (afterglow) is impossible during idling after starting, causing pollution problems due to the discharge of incomplete combustion gas. Due to these problems, the use of ceramic glow plugs capable of rapid temperature increase and afterglow can be increased by using ceramics having heat resistance and oxidation resistance that are stronger than metals and metal heating wires of solid solution points.
종래의 세라믹 글로우 플러그의 구조는 도 1과 같다.The structure of a conventional ceramic glow plug is shown in FIG.
발열선(11: W, Mo 등 고융점합금)이 매몰된 세라믹 발열체팁(12)을 연삭가공하여 노출된 발열선에 금속 전극(13)을 접합하고, 그 한쪽 끝에 전극 리드선(14)을 접합하여 전극용 볼트 등의 단자(16)를 통해 자동차 밧데리의 +극 터미날로 연결하고, 다른쪽 끝은 금속전극을 통해 하우징(17)에 연결되어 엔진 해드에 접지된 구조이다.The ceramic heating element tip 12 in which the heating wire 11 is embedded (a high melting point alloy such as W and Mo) is ground, and the metal electrode 13 is bonded to the exposed heating wire, and the electrode lead wire 14 is bonded to one end thereof. It is connected to the + pole terminal of the vehicle battery via the terminal 16, such as a bolt for the other, the other end is connected to the housing 17 through the metal electrode is grounded to the engine head.
일반적으로 세라믹 글로우 플러그에 밧데리 전압이 인가될 때(전압=11∼12V), 전류 및 발열 온도 곡선은 도 2와 같다. 전압 인가 직후 초기에는 높은 전류가 흐르며, 발열선의 발열로 인해 세라믹 표면의 온도가 증가하고, 전류값은 점차 감소하여 최종적인 전류는 일정한 값을 나타내며 안정적인 발열 상태를 유지하게 된다.In general, when the battery voltage is applied to the ceramic glow plug (voltage = 11 ~ 12V), the current and the heating temperature curve is shown in FIG. The high current flows immediately after the voltage is applied, the temperature of the ceramic surface increases due to the heating of the heating wire, the current value gradually decreases, and the final current shows a constant value and maintains a stable heating state.
이때 발열체팁에서의 표면 발열 온도는 발열선의 발열량에 비례하여 증가하는데 발열량은 전류값의 제곱에 비례하므로 결국 전류의 제어가 발열 온도를 조절하는데 매우 중요한 역할을 하게 된다. 글로우 플러그의 승온 속도는 통상900℃까지 승온하는데 걸리는 시간을 측정하여 성능 지표로 사용하는데 금속제 글로우 플러그의 경우는 15∼20초가 소요되며, 세라믹 글로우 플러그는 10초이내 승온되는 급속 승온의 특징을 가지고 있다.At this time, the surface heating temperature at the heating element tip increases in proportion to the heating value of the heating wire, and the heating value is proportional to the square of the current value, so control of the current plays a very important role in controlling the heating temperature. The temperature increase rate of the glow plug is generally used as a performance indicator by measuring the time it takes to heat up to 900 ° C. The metal glow plug takes 15 to 20 seconds, and the ceramic glow plug has the characteristic of rapid temperature rising within 10 seconds. have.
종래의 기술에서는 세라믹 글로우 플러그는 급속 승온을 위해 발열체팁의 세라믹 표면과 발열선과의 거리를 짧게 하여 세라믹 표면까지의 열전도 시간을 줄임으로써 승온 시간을 단축하는 것이 가능하였다. 그러나 발열선과 발열체팁과의 거리가 짧아지면 발열선의 매몰시 발열선의 위치, 성형방법 및 발열체팁 가공 시 가공 오차 등으로 인해 발열선이 세라믹 팁의 중앙에 위치하지 않고 치우치기 쉬워 도 3에서 도시한 것과 같이 L1≠L2, 즉 세라믹 표면으로 부터 발열선까지의 거리가 균일하지 않으므로 발열시 표면 온도의 구배가 존재하게 되어 균일한 발열온도를 갖는 세라믹 글로우 플러그의 제조가 불가능하였다.In the related art, the ceramic glow plug may shorten the temperature increase time by reducing the heat conduction time to the ceramic surface by shortening the distance between the ceramic surface of the heating element tip and the heating wire for rapid temperature increase. However, when the distance between the heating wire and the heating element tip is shortened, the heating line is easy to be displaced without being located at the center of the ceramic tip due to the position of the heating line when the heating wire is buried, the molding method, and the machining error during the heating of the heating element tip. Likewise, since L 1 ≠ L 2 , that is, the distance from the ceramic surface to the heating line is not uniform, there is a gradient of the surface temperature during the heating, and thus it is impossible to manufacture a ceramic glow plug having a uniform heating temperature.
또 다른 종래의 기술로서는 발열선 및 리드선의 저항을 낮게 하여 밧데리로부터 대전류를 흘리므로서 승온 시간을 단축시키는 기술을 사용하였는데, 이경우는 낮은 저항으로 인해 안정 발열시의 전류값도 높아져서 표면에서의 발열량이 증가하고, 결국 발열체팁의 표면 온도가 필요 이상으로 높게되므로서 세라믹과 발열선 그리고 금속 전극 등 기타 소재의 내구성을 보장받지 못하였다.Another conventional technique is to reduce the heating time by reducing the heating wires and lead wires so that a high current flows from the battery, thereby shortening the temperature rise time. As a result, the surface temperature of the heating element tip was higher than necessary, so that durability of ceramics, heating wires, and other materials such as metal electrodes was not guaranteed.
급속 승온에 따라 발생되는 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 도4b와 같이 기존의 전극 리드선에 보충선을 병렬로 연결하여, 이 보충선의 금속소재를 온도 저항 계수가 큰 소재로 사용함으로써 단일 리드선을 사용한 것에 비해 초기 전압 인가시에는 높은 전류를 흐르게 하고 안정 발열시에는 비교적 낮은전류를 흐르게 하는 방법을 사용하였다.In order to solve the problem caused by rapid temperature increase, in the present invention, as shown in FIG. 4B, a supplementary wire is connected in parallel to an existing electrode lead wire, and a single lead wire is used by using a metal material of the supplementary wire as a material having a large temperature resistance coefficient. Compared to the used one, a high current flows when the initial voltage is applied, and a relatively low current flows when the stable heat is generated.
도 1은 일반적인 세라믹 글로우 플러그 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a general ceramic glow plug.
도 2는 세라믹 글로우 플러그의 온도 및 발열 곡선을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing a temperature and a heating curve of a ceramic glow plug.
도 3은 세라믹 글로우 플러그에서 발열선과 세라믹 표면간의 치우침을 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the bias between the heating wire and the ceramic surface in the ceramic glow plug.
도 4a는 종래의 기술에서 단일 리드선을 사용한 경우의 회로도이다.4A is a circuit diagram when a single lead wire is used in the prior art.
도 4b는 본 발명에서 보충선을 추가한 경우의 회로도이다.4B is a circuit diagram when a supplementary line is added in the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 세라믹 글로우 플러그의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a ceramic glow plug according to the present invention.
11 ---- 발열선 12 ---- 세라믹 발열체 팁11 ---- heating wire 12 ---- ceramic heating element tips
13 ---- 금속전극 14 ---- 리드선13 ---- metal electrode 14 ---- lead wire
141---- 주리드선 142---- 보충선141 ---- Main lead line 142 ---- Supplementary line
16 ---- 단자 17 ---- 하우징16 ---- terminal 17 ---- housing
본 발명의 급속 가열형 세라믹 글로우 플러그는 질화급소 세라믹 발열체팁에 매립되어 있는 텅스텐 또는 텅스텐 합금 발열선의 노출된 한쪽 끝부위와 접합되어 있는 금속전극과 자동차 밧데리의 +극 터미널과 연결되어 있는 전극용 볼트의 단자를 연결하게 되는 전극리드선이 주리드선과 보충선으로 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.The fast heating type ceramic glow plug of the present invention is a metal electrode connected to an exposed end of a tungsten or tungsten alloy heating wire embedded in a nitriding ceramic heating element tip, and an electrode bolt connected to a positive electrode terminal of an automobile battery. The electrode lead wires connecting the terminals of the main lead wires and the supplementary wires are connected in parallel.
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 급속 가열형 세라믹 글로우 플러그는 첨부도면 중 도 5에 나타낸 바와 같이 텅스텐(W) 또는 텅스텐합금(W) 합금 발열선(11)을 내열성이 우수한 질화규소(Si3N4) 세라믹에 매립하고 소결하여 질화규소 세라믹 발열체팁(12)을 제조를 한 후 가공하여 텅스텐 발열선을 노출시켜 접합부로 하고, 전기를 통전시키기 위해 발열선(11) 노출부위의 한쪽끝은 금속전극(13)가 접합하여 관상형태의 하우징(17)에 연결하고, 다른쪽 끝은 주리드선(141)과 보충선(142)을 연결용 볼트 등의 단자(16)에 병렬로 연결시켜 자동차 밧데리의 +극 터미날에 연결시켜 제도를 한다.In the rapid heating type ceramic glow plug of the present invention, as shown in FIG. 5, a tungsten (W) or tungsten alloy (W) alloy heating wire 11 is embedded in silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramic having excellent heat resistance and sintered. To manufacture the silicon nitride ceramic heating element tip 12, and then process it to expose the tungsten heating wire to form a junction, and one end of the exposed portion of the heating wire 11 is joined by a metal electrode 13 to form a tubular shape in order to conduct electricity. It connects to the housing 17, and the other end connects the main lead wire 141 and the supplementary wire 142 to the terminals 16, such as a connection bolt in parallel, and connects it to the + pole terminal of the car battery. .
본 발명에서 사용하는 세라믹 발열체 팁(12)은 질화규소(Si3N4)를 주원료로 사용하고, 여기에 첨가제로서 알루미나(A12O3) 2내지 8중량% 이트리아(Y2O3) 4 내지 10중량%의 혼합분말을 몰드내에 넣고 권선된 텅스텐 또는 텅스텐 합금의 발열선(11)을 매몰시킨 후 일정량의 혼합분말을 넣어 성형하고, 이를 핫프레스 소결로에서 가열과 동시에 가압하여 소결 조건 1700 내지 1800℃의 온도와 150 내지 40㎏f/㎠의 압력하에서 소결처리하여 제조한다.The ceramic heating element tip 12 used in the present invention uses silicon nitride (Si 3 N 4 ) as a main raw material, and as an additive, alumina (A1 2 O 3 ) 2 to 8 wt% yttria (Y 2 O 3 ) 4 To 10% by weight of the mixed powder in the mold, and the heating wire 11 of the wound tungsten or tungsten alloy is buried, and then put into a predetermined amount of the mixed powder and molded, which is simultaneously pressurized with heating in a hot press sintering furnace 1700 ~ It is prepared by sintering at a temperature of 1800 ° C. and a pressure of 150 to 40 kgf / cm 2.
한편, 도 4a와 같이 단일 리드선을 사용한 종래의 경우에는 R(전체 저항)이 Al(발열선 저항)+R2(리드선 저항)이지만 본 발명에서와 같이 리드선을 2개 사용할 경우에 R은 이 되고On the other hand, when prior art with a single lead as shown in Figure 4a, the R (total resistance) A l (heating line resistance) + R 2 (a lead wire resistance) but R is is if two or use the lead as in the present invention
R3≫ R2일 때는When R 3 >> R 2
R = Al+ R2이 된다.R = A l + R 2
여기서, R2는 주리드선의 저항이고 R3는 보충선의 저항이다.Where R 2 is the resistance of the main lead wire and R 3 is the resistance of the supplementary wire.
주리드선(141)과 보충선(142)을 온도 저항 계수의 차가 큰 소재를 사용하게 되면, 예를 들어 보충선(142)의 온도 저항 계수가 주리드선(141)의 온도 저항계수보다 훨씬 크고, 저항값은 같게 소재의 굵기를 설계하면, 전압 인가 초기에 R2: R3이므로 R은 Al+ 1/2 R3가 된다. 그리고 전류가 인가됨에 따라 발열체팁의 발열에 의한 전극 리드선에의 전도열과 리드선의 자체 발열에 의한 저항 증가로 온도 저항 계수가 큰 보충선의 저항이 점차 커져 R3≫ R2이면 R은 Al+R2가된다.When the main lead wire 141 and the supplementary wire 142 are made of a material having a large difference in temperature resistance coefficient, for example, the temperature resistance coefficient of the supplementary wire 142 is much larger than the temperature resistance coefficient of the main lead wire 141, When the thickness of the material is designed to be the same, the resistance becomes R 2 : R 3 at the initial voltage application, so R becomes A l + 1/2 R 3 . And as the current applied to the conducted heat and temperature resistance is increased due to self-heating resistance coefficient is large supplementary line resistance of the lead wire of the electrode leads due to heat generation of the heating element tip gradually increased R 3 »is R 2 R is A l + R Becomes 2
따라서, 온도 저항 계수의 차가 큰, 바람직하게는 3배 이상 큰 주리드선(141)과 보충선(142)을 사용함으로써 발열 초기에는 R을 낮추어 대전류를 흘려줄 수가 있고, 발열후 안정 발열시에는 보충선의 저항 증가로 R을 높임으로써 전류값을 주리드선만을 사용하는 수준으로 낮출 수가 있다.Therefore, by using the main lead wire 141 and the supplementary wire 142 having a large difference in temperature resistance coefficient, preferably three times or more, it is possible to lower R at the initial stage of heat generation and allow a large current to flow therethrough. By increasing R by increasing the resistance of the wire, the current value can be reduced to the level using only the main lead wire.
즉, 보충선의 사용으로 초기에 대전류를 흘려 급속 승온을 도모하며, 안정 발열시에는 전체 저항을 주리드선의 저항 정도로 맞춤으로써 글로우 플러그 발열체팁 표면 온도를 낮추어 내구성을 보장할 수 있게 된다.That is, by using a supplementary wire, a large current is initially flowed to promote rapid temperature increase, and when the stable heat is generated, the total resistance is adjusted to the resistance of the main lead wire, thereby lowering the glow plug heating element tip surface temperature to ensure durability.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예1 내지7][Examples 1 to 7]
발열선으로는 99.9%의 텅스텐(W)을 사용하고, 발열선을 질화규소(Si3N4)분말내에 매몰하여 소결한 뒤 주리드선으로는 주원소의 함량이 90%이상이고 Cr, Mn 등이 소량 불순물로 첨가된 Cu, Ni 또는 Fe금속을 사용하였고, 보충선으로는 주원소 함량이 99%이상의 순수한 Ni, Co또는 Fe나 이들 간의 합금을 사용하여 발열선과 접합 세라믹 글로우플러그를 제조한 뒤 정전압 12V의 밧데리에 연결하여 전류 및 승온 속도를 측정하였다 주리드선 금속 소재의 저항값이 크게 증가하여 리드선으로 사용이 부적합하기 때문이었다.99.9% tungsten (W) is used as a heating wire, and heating wire is embedded in silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder and sintered, and main lead wire contains 90% or more of main element and small amount of impurities such as Cr and Mn. Cu, Ni or Fe metal was added. As a supplementary wire, a heating wire and a bonded ceramic glow plug were manufactured using pure Ni, Co or Fe or an alloy thereof having a main element content of 99% or more, and then a constant voltage of 12V was used. The current and the temperature increase rate were measured by connecting to the battery. This is because the resistance value of the main lead metal material was greatly increased, making it unsuitable for use as a lead wire.
한편 발열체팁의 내구성 테스트를 위하여 12V의 밧데리 전압을 1분간격으로 온/오프(on/off)를 10,000회 반복하여 실험을 행하였다. 실험에 사용된 소재의 온도 저항 계수값을 표 1에 나타내었다. Ni, Cu의 경우 주원소 함량 95%인 것이 순수한 Ni, Cu의 온도 저항 계수의 1/3정도였다. 실험에 사용된 발열선 및 전극리드선의 저항은 표 2와 같다.On the other hand, for the durability test of the heating element tip, the experiment was performed by repeatedly turning on / off 10,000 times at a battery voltage of 12V for 1 minute interval. Table 1 shows the temperature resistance coefficient values of the materials used in the experiment. In the case of Ni and Cu, 95% of the main element content was about one third of the temperature resistance coefficient of pure Ni and Cu. The resistance of the heating wire and the electrode lead wire used in the experiment is shown in Table 2.
(비교예1 내지6)(Comparative Examples 1 to 6)
실시예와 동일한 조건으로 하되 단, 보충선을 사용하지 않고 주리드선만을 사용하였고 주리드선의 저항은 실시예의 주리드선 저항(0,2Ω)과 동일하게 하였다.The conditions were the same as in the example, except that only the main lead wire was used without using the supplementary wire, and the resistance of the main lead wire was the same as the main lead wire resistance (0, 2Ω) of the example.
표 3에 실시예 및 비교예의 실험결과를 나타내었다. 주리드선의 금속 소재의 주성분함량이 95%이상인 실시예 1 과 2, 4 내지 7의 경우 전압 인가 1초후 전류가 약 24 내지 25A를 나타내어 비교예 1 내지 6의 전류값인 20A에 비해 높은 값을 나타낸 반면 30초후의 전류값은 9.5 내지 9.8A로 비교예의 전류값과 근사한 값을 나타내는 것으로 확인되었다.Table 3 shows the experimental results of the Examples and Comparative Examples. In Examples 1 and 2 and 4 to 7, in which the main component content of the metal material of the main lead wire is 95% or more, the current is about 24 to 25 A after 1 second of voltage application, and the value is higher than that of 20 A, which is the current value of Comparative Examples 1 to 6. On the other hand, the current value after 30 seconds was found to be close to the current value of the comparative example of 9.5 to 9.8A.
한편, 실시예 3의 경우 30초 후 전류값이 10A를 초과하여 내구 테스트 중에 단선되는 결과를 나타내었다. 이 결과로부터 온도 저항 계수의 차가 적을 경우 전류 감소 효과가 떨어짐을 알 수 있었다. 또한, 순수한 Ni, Fe, Cu만을 리드선으로 사용한 비교예 1 내지 3에서는 전압 인가시 30초후 전류값은 매우 낮은값을 나타났지만 전극 리드선의 저항이 빨리 증가하여 전극 리드선 부분의 발열로 리드선의 수명을 단축하는 현상을 나타내었다. 900℃까지의 승온 시간 측정결과를 보면 실시예 1 내지 7은 2.5 내지 3초로 비교예 1 내지 6의 7 내지 10초에 비해 급속 상온 특성을 보였다.On the other hand, in the case of Example 3, the current value exceeds 30A after 30 seconds, the result was disconnected during the endurance test. From this result, it can be seen that the effect of reducing the current decreases when the difference in the temperature resistance coefficient is small. In addition, in Comparative Examples 1 to 3 using only pure Ni, Fe, and Cu as the lead wires, the current value was very low after 30 seconds when the voltage was applied, but the resistance of the electrode lead wires increased rapidly, resulting in the heat generation of the lead wire portions, thereby extending the life of the lead wires. The phenomenon of shortening was shown. As a result of measuring the temperature increase time to 900 ° C, Examples 1 to 7 showed rapid room temperature characteristics compared to 7 to 10 seconds of Comparative Examples 1 to 6 in 2.5 to 3 seconds.
세라믹 글로우플러그의 +극 터미날에 연결되는 전극 리드선을 주리드선과 보충선으로 분리, 병렬로 연결하여 각각을 온도 저항 계수의 차가 큰 금속을 사용함으로써 전압 인가 초기에 높은 전류를 흘려주어 승온속도를 빠르게 하는 효과를 나타내며, 안정 발열시에는 보충선의 저항 증가로 단일 리드선을 사용했을때의 전류값 수준으로 낮추게 되어 급속 가열이 가능하면서도 내구 성능이 우수한 글로우 플러그의 제조가 가능하다.The electrode lead wire connected to the + pole terminal of the ceramic glow plug is separated into the main lead wire and the supplementary wire, and connected in parallel to each other by using a metal having a large difference in temperature resistance coefficient, so that a high current flows at the beginning of voltage application to increase the temperature increase rate. When stable heat is generated, the resistance of the supplementary wire is increased to lower the current value level when a single lead wire is used, so that a glow plug having excellent durability and excellent durability can be manufactured.
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20020614 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |