(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱するセラミック製の発熱体（３３）がセラミック製の支持体（３５）に埋設されたヒータ（３０）を備え、前記ヒータ（３０）によりエンジンの燃焼室を予熱するグロープラグにおいて、
前記発熱体（３３）の１２００℃時の抵抗値をＲ１、前記発熱体（３３）の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｒ２≧２であり、
前記支持体（３５）のセラミックは、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２重量％含み、かつ前記支持体（３５）の線膨張係数が前記発熱体（３３）の線膨張係数よりも小さく、
前記発熱体（３３）における前記燃焼室側の先端部と前記支持体（３５）における前記燃焼室側の先端部との間の最短長さをＬ、前記支持体（３５）の外径をＤとしたとき、０．０１≦Ｌ／Ｄ≦０．１であり、
前記発熱体（３３）における前記燃焼室側の先端部と前記支持体（３５）における前記燃焼室側の先端部との間の最短長さＬは、０．０４ｍｍ≦Ｌ≦０．３ｍｍであることを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記支持体（３５）のセラミックは、窒化珪素を主成分とし、珪化モリブデンを含有することを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項３】
前記発熱体（３３）のセラミックは、炭化タングステンを主成分とし、窒化珪素を含有す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室内を予熱して燃料の着火および燃焼を促進するためのグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第３１６０２２６号公報に記載のセラミックヒータは、通電により発熱するセラミック製の発熱体をセラミック製の基体（以下、支持体という）に埋設している。そして、支持体の材料として、セラミック成分に例えば金属珪化物を１〜３重量％添加したものを用いることにより、発熱体と支持体の線膨張係数の差を縮小して、耐熱性を向上させるようにしている。
【０００３】
また、特開２００１−１７６６４７号公報に記載のセラミックヒータは、通電により発熱するセラミック製の発熱体をセラミック製の基体（以下、支持体という）に埋設している。そして、発熱体の先端部と支持体の先端部との間の最短長さをＬ、支持体の外径をＤとしたとき、０．１１≦Ｌ／Ｄ≦０．３５、とすることにより、速熱性と耐熱性の両立を図るようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ディーゼルエンジンのグロープラグにおいては、速熱性と耐熱性（熱衝撃性）のさらなる向上が望まれている。
【０００５】
ここで、抵抗温度係数が小さい発熱体はその昇温速度が低いため、速熱性を向上させるには抵抗温度係数の大きな発熱体を用いることが有効である。しかし、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合、発熱体と支持体の温度差が大きくなり、熱衝撃によって割れが発生しやすくなる傾向となる。
【０００６】
すなわち、グロープラグのように燃料によってヒータが冷却される使用環境では、発熱体は温度低下してもその抵抗値が大きく低下して投入電流が大きく増加するため、発熱体の温度低下は少なく、従って燃料によって直接冷却される支持体との温度差が大きくなり、割れが発生しやすくなる。
【０００７】
そして、前者の公報に記載のセラミックヒータは、発熱体と支持体の線膨張係数の差が十分縮小されていないため、熱衝撃によって割れが発生するという問題があり、特に、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合にその問題が顕著になる。
【０００８】
一方、後者の公報に記載のセラミックヒータは、上記のＬ／Ｄが大きいため、換言すると発熱体の先端部肉厚が厚いため、発熱体と支持体の温度差が大きくなり、熱衝撃によって割れが発生するという問題があり、特に、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合その問題が顕著になる。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、セラミック製ヒータによりエンジンの燃焼室を予熱するグロープラグにおいて、速熱性と耐熱性を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、通電により発熱するセラミック製の発熱体（３３）がセラミック製の支持体（３５）に埋設されたヒータ（３０）を備え、ヒータ（３０）によりエンジンの燃焼室を予熱するグロープラグにおいて、発熱体（３３）の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体（３３）の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｒ２≧２であり、支持体（３５）のセラミックは、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２重量％含み、かつ支持体（３５）の線膨張係数が発熱体（３３）の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
これによると、Ｒ１／Ｒ２≧２とした抵抗温度係数の大きな発熱体を用いることにより速熱性を向上させることができ、また、支持体の線膨張係数を発熱体の線膨張係数よりも小さくすることにより、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合でも熱衝撃による割れを防止することができる。
【００１２】
さらに、支持体のセラミックに、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２重量％含ませることにより、支持体の線膨張係数を発熱体の線膨張係数に近づけることができ、抵抗温度係数の大きな発熱体を用いた場合でも熱衝撃による割れを確実に防止することができる。
【００１３】
特に、請求項３に記載の発明のように、炭化タングステンを主成分とし窒化珪素を含有させたセラミックにて形成された発熱体と組み合わせた場合に、支持体の線膨張係数と発熱体の線膨張係数との差が十分小さくなり、熱衝撃による割れを一層確実に防止することができる。
【００１４】
また、請求項１に記載の発明では、発熱体（３３）における燃焼室側の先端部と支持体（３５）における燃焼室側の先端部との間の最短長さをＬ、支持体（３５）の外径をＤとしたとき、０．０１≦Ｌ／Ｄ≦０．１であり、前記発熱体（３３）における前記燃焼室側の先端部と前記支持体（３５）における前記燃焼室側の先端部との間の最短長さＬは、０．０４ｍｍ≦Ｌ≦０．３ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
ここで、最短長さＬすなわち発熱体の先端部肉厚が薄すぎると強度不足により割れが発生し、発熱体の先端部肉厚が厚すぎると発熱体と支持体の温度差が大きくなり割れが発生する。そして、上記のＬ／Ｄの範囲は、本発明者が実験検討により見出したものであり、これによると、強度不足による割れ、および発熱体と支持体の温度差による割れを、防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明のように、窒化珪素を主成分とし、珪化モリブデンを含有するセラミックにて支持体を形成することができる。
【００１７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係るグロープラグＧ１の全体構成を示す断面図であり、このグロープラグＧ１は、例えば、図示しない自動車の直噴式ディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドに取り付けられ、エンジンの燃焼室内を予熱してエンジン始動時ないしは始動後における燃料の着火および燃焼を促進するものとして適用される。
【００２０】
エンジンに取付可能な筒状のハウジング１０は、鉄系材料等の導電性材料からなり、このハウジング１０の一端１１と他端１２の間における外周面には、取付ネジ部１３およびネジ締め用のナット部１４が形成されている。
【００２１】
そして、グロープラグＧ１は、シリンダヘッドの穴部に形成された雌ネジ部（図示せず）に取付ネジ部１３が螺合されてシリンダヘッドに固定される。それにより、後述するヒータ３０の先端側が燃焼室に露出するようになっている。
【００２２】
ハウジング１０の内孔には、ステンレス等の耐熱・耐食性金属よりなる段付き円筒状のスリーブ２０が収納されている。このスリーブ２０は、その一端２１側がハウジング１０の一端１１から突出した状態で他端２２側がハウジング１０に挿入され、圧入や挿入部のロウ付け等により、スリーブ２０はハウジング１０に保持されている。
【００２３】
このスリーブ２０の内孔には、通電により発熱するセラミック製棒状のヒータ３０が収納されている。ヒータ３０は、その一端３１側がスリーブ２０の一端２１から突出し、且つ他端３２側がスリーブ２０の他端２２から突出した状態で、スリーブ２０に挿入されている。ここで、ヒータ３０は、挿入部のロウ付け等によりスリーブ２０に固定されて保持されている。
【００２４】
このヒータ３０は、通電により発熱する導電性セラミック製のＵ字状の発熱体３３と、この発熱体３３に電気的に接続され発熱体３３の通電を行うためのタングステン等よりなる一対のリード線３４と、発熱体３３およびリード線３４が埋設された絶縁性セラミック製の支持体３５とから構成されている。
【００２５】
また、ハウジング１０の内孔のうちハウジング１０の他端１２側には、切削および冷間鍛造により加工された炭素鋼よりなる棒状の中軸４０が収納されている。この中軸４０の一端４１側には、ステンレス等の導電性金属よりなる段付き円筒状のキャップ５０が嵌合されている。
【００２６】
そして、ヒータ３０の一方のリード線３４は、支持体３５から露出した部分にてキャップ５０にロウ付け等によって接続されることにより、中軸４０に電気的に接続されている。他方のリード線３４は、支持体３５から露出した部分にてスリーブ２０にロウ付け等によって接続されることにより、スリーブ２０を介してハウジング１０にアースされている。
【００２７】
また、中軸４０の他端４２側は、ハウジング１０の他端１２から突出しており、この突出部には、電源（図示せず）と電気的に接続された外部配線部材（図示せず）がネジ結合される端子ネジ部４３が形成されている。さらに、端子ネジ部４３には環状の絶縁ブッシュ４４よびナット４５が装着されている。中軸４０の他端４２側とハウジング１０の内孔との間には、中軸４０の保持・固定及び芯出しを行うための環状の絶縁性の溶着ガラス６０が介在している。
【００２８】
上記構成になるグロープラグＧ１は、シリンダヘッドに取り付けられ、端子ネジ部４３に上記した外部配線部材が組み付けられることにより、ハウジング１０およびシリンダヘッドをアース側として、電源から外部配線部材および中軸４０を介してヒータ３０へ通電可能となる。
【００２９】
次に、上記構成になるグロープラグＧ１について、本発明者が行った各種試験の結果を説明する。
【００３０】
まず、発熱体３３の抵抗変化率αを種々変えたものを用意し、それらについて、エンジン始動性（速熱性）を評価した。因みに、本明細書でいう抵抗変化率αは、発熱体３３の１２００℃時の抵抗値をＲ１、発熱体３３の２０℃時の抵抗値をＲ２としたとき、α＝Ｒ１／Ｒ２である。
【００３１】
図２は、試験に供したグロープラグの抵抗変化率αおよび評価結果を示すもので、抵抗変化率αが１．５または１．８のグロープラグは、ヒータ３０の昇温速度が低いためエンジン始動性が悪く、抵抗変化率αが２．０以上のグロープラグは、ヒータ３０の昇温速度が高いためエンジン始動性が良好で、特に抵抗変化率αが３．０のグロープラグはエンジン始動性が極めて良好であった。
【００３２】
また、ヒータ３０が発熱している際に燃料によってヒータ３０が冷却されるため、発熱体３３の温度よりも支持体３５の温度が低くなり、抵抗変化率αが大きいグロープラグほど発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなる傾向であった。
【００３３】
そして、発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなると、熱衝撃によって割れが発生しやすくなるため、次に、抵抗変化率αが２．０以上のグロープラグについて、熱衝撃性を向上させるための検討を行った。
【００３４】
この検討に用いたグロープラグの発熱体３３のセラミックは、炭化タングステンを主成分とし窒化珪素を含有させたもので、具体的には、Ｓｉ3Ｎ4−７５ｗｔ％ＷＣである。なお、この発熱体３３の線膨張係数は、３．８×１０-6／℃である。
【００３５】
また、支持体３５のセラミックは、窒化珪素を主成分とし、導電材としての金属珪化物、具体的には珪化モリブデンを含有させたもので、その珪化モリブデンの含有量を種々変えた試験品をそれぞれ４個用意し、それらについて、熱衝撃性および通電耐久特性を評価した。
【００３６】
熱衝撃性は、１２００℃から２０℃に急冷して評価した。通電耐久特性は、通電中のヒータ３０の最高温度が１４００℃になるような条件、具体的には、６分通電１分通電停止の条件で、それを１００００サイクル行って評価した。
【００３７】
図３は、この試験に供したグロープラグの、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量、支持体３５の線膨張係数、および評価結果を示すもので、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が３ｗｔ％のグロープラグは、熱衝撃性試験および通電耐久試験のいずれにおいても、４個中１個に割れが発生した。この割れの発生原因は、支持体３５の線膨張係数は発熱体３３の線膨張係数よりも小さいものの、支持体３５と発熱体３３の線膨張係数の差が大きすぎるためである。
【００３８】
また、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が２３ｗｔ％のグロープラグは、その線膨張係数は発熱体３３の線膨張係数と等しくなっているが、熱衝撃性試験において４個全てに割れが発生し、通電耐久試験において４個中２個に割れが発生した。
【００３９】
一方、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量が、４ｗｔ％、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、または２２ｗｔ％の各グロープラグでは、熱衝撃性試験および通電耐久試験のいずれにおいても、割れは全く発生しなかった。
【００４０】
これらのグロープラグのように、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量を４ｗｔ％〜２２ｗｔ％とした場合、支持体３５の線膨張係数が発熱体３３の線膨張係数よりも小さく、しかも、支持体３５と発熱体３３の線膨張係数の差が十分小さくなるため、割れを防止することができる。従って、支持体３５のセラミックの珪化モリブデン含有量を４〜２２ｗｔ％にすることにより、速熱性を向上させつつ、熱衝撃による割れを防止することができる。
【００４１】
なお、上記試験品では、支持体３５のセラミックとして、窒化珪素に金属珪化物を含有させたものを用いたが、窒化珪素に、金属珪化物、金属炭化物、金属ホウ化物および金属窒化物のうちの少なくとも１つ以上を４〜２２ｗｔ％含有させてもよい。
【００４２】
次に、熱衝撃による割れをより確実に防止するために、発熱体３３における燃焼室側の先端部と支持体３５における燃焼室側の先端部との間の最短長さＬ、すなわち発熱体３３の先端部の肉厚について、検討を行った。
【００４３】
この検討に用いたグロープラグは、抵抗変化率αが２．０以上、発熱体３３のセラミックはＳｉ3Ｎ4−７５ｗｔ％ＷＣ、支持体３５のセラミックはＳｉ3Ｎ4−１０ｗｔ％ＭｏＳｉ2であり、最短長さＬおよび支持体３５の外径Ｄを種々変えた試験品をそれぞれ４個用意し、それらについて熱衝撃性を評価した。なお、熱衝撃性は、１４００℃から２０℃に急冷して評価した。
【００４４】
図４は、この試験に供したグロープラグの、最短長さＬ、支持体３５の外径Ｄ、最短長さＬと外径Ｄの寸法比（Ｌ／Ｄ）、および評価結果を示すものである。
【００４５】
図４に示すように、支持体３５の外径Ｄを４ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８の場合、熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３の場合、熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４６】
ここで、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８のグロープラグにおける割れの発生原因は、発熱体３３の肉厚が薄すぎることによる強度不足である。寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３ののグロープラグにおける割れの発生原因は、発熱体３３の肉厚が厚すぎて発熱体３３と支持体３５の温度差が大きくなるためである。
【００４７】
また、支持体３５の外径Ｄを３．５ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００９の場合、発熱体３３の強度不足により熱衝撃性試験において４個中１個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１３の場合、発熱体３３と支持体３５の温度差大により熱衝撃性試験において４個中２個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４８】
また、支持体３５の外径Ｄを３ｍｍに設定したグロープラグでは、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．００８の場合、発熱体３３の強度不足により熱衝撃性試験において４個中１個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１１７の場合、発熱体３３と支持体３５の温度差大により熱衝撃性試験において４個中３個に割れが発生し、寸法比Ｌ／Ｄ＝０．０１の場合、および寸法比Ｌ／Ｄ＝０．１の場合、割れは全く発生しなかった。
【００４９】
従って、寸法比Ｌ／Ｄを、０．０１≦Ｌ／Ｄ≦０．１、の範囲に設定することにより、強度不足による割れ、および発熱体３３と支持体３５の温度差による割れを、防止することができる。なお、ヒータ３０の破断強度の観点から、支持体３５の外径Ｄは２ｍｍ以上とするのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの全体構成を示す断面図である。
【図２】発熱体３３の抵抗変化率αを種々変えたときのエンジン始動性を評価した結果を示す図である。
【図３】支持体３５のセラミック中の導電材含有量を種々変えたときの熱衝撃性および通電耐久特性を評価した結果を示す図である。
【図４】最短長さＬおよび外径Ｄを種々変えたときの熱衝撃性を評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
３０…ヒータ、３３…発熱体、３５…支持体。
【図１】
0003961847.tif 000002
【図２】
0003961847.tif 000003
【図３】
0003961847.tif 000004
【図４】
0003961847.tif 000005