JP2009121807A - 減少されたヒーター間隔を有するセラミックグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】グロープラグの場合に、加熱素子を被覆するセラミック材料をよりいっそう厚手に形成させ、可使時間を上昇させることは、可能にする。
【解決手段】殊に、自己着火内燃機関を始動させるために、着火可能な燃料−空気混合物を含む、内燃機関の燃焼室中に係合する先端を有するグローピンを備えている、グロープラグであって、グローピン（１）が、セラミック材料から完成されかつ加熱素子（５）を備える外被（１１）を含むグロープラグに関する。この加熱素子（５）は、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコア（３）を取り囲んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載された、殊に自己着火内燃機関を始動させるためのグロープラグから出発する。

自己着火内燃機関の始動時には、内燃機関の燃焼室内での燃料−空気混合物の初期着火が必要とされる。このために、それぞれ燃焼室の壁面内に配置されているグロープラグが使用される。グロープラグは、着火すべき燃料−空気混合物と接触されるグローピンを含む。

通常、グローピンは、導電性セラミックから完成されている。この場合、グローピンは、定義された電気抵抗を有し、したがってグローピンと電圧源とを結合した場合には、グローピンを定義された温度に加熱する電流が流れる。この温度は、燃料−空気混合物を着火させるのに十分であるように選択される。

欧州特許出願公開第１７６８４５６号明細書の記載から、セラミック材料中に加熱素子が埋設されているグロープラグは、公知である。この加熱素子は、ｕ字形に構成されており、セラミック材料からなるコアを取り囲んでいる。加熱素子によって取り囲まれているコアの焼き切れを阻止するために、この加熱素子を十分な厚さに完成させることが必要とされる。一般に、グロープラグの幾何学的形状は、予め定められているので、この結果、加熱素子のセラミック外被は、よりいっそう僅かな厚さで形成されていなければならない。しかし、グロープラグは、エンジンルーム内で一般にオイルアッシュ腐蝕に晒されているので、セラミック材料は、退化する。この退化は、グロープラグの可使時間の減少をまねく。グロープラグの予め定められた幾何学的形状およびコアの必要とされる厚さのために、欧州特許出願公開第１７６８４５６号明細書の記載から公知のグロープラグの場合には、加熱素子を被覆するセラミック材料をよりいっそう厚手に形成させ、可使時間を上昇させることは、不可能である。
欧州特許出願公開第１７６８４５６号明細書

本発明は、グロープラグの場合に、加熱素子を被覆するセラミック材料をよりいっそう厚手に形成させ、可使時間を上昇させることは、可能にするという課題が課された。

本発明により形成されたグロープラグは、殊に、自己着火内燃機関を始動させるために、着火可能な燃料−空気混合物を含む、内燃機関の燃焼室中に係合する先端を有するグローピンを備えている。グローピンは、セラミック材料から完成されている外被を備え、および加熱素子を含む。この加熱素子は、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコアを取り囲んでいる。

少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さのために、加熱素子によって取り囲まれているコアを、公知技術水準から公知のグロープラグの場合に可能であるよりも少ない厚さで形成させることが可能である。それによって、加熱素子を取り囲む、グローピンの外被のためのセラミック材料をよりいっそう厚手に形成させることが可能になる。それによって、グロープラグの可使時間を延長させることができる。それというのも、オイルアッシュ腐蝕によるセラミック材料の分解は、よりいっそう厚手のためのグロープラグの使用不可能性を結果としてまねく損傷をよりいっそう後で生じるからである。

１つの好ましい実施態様において、コアのためのセラミック材料とグローピンの外被のためのセラミック材料とは、本質的に同じ熱膨張率を有する。本質的に同じ熱膨張率により、グロープラグの加熱の際にグローピンの外被のセラミック材料またはコアの材料が損傷されることは、回避される。これは、殊に、コアがグローピンの外被のセラミック材料より大きな熱膨張率を有する場合に可能になる。この場合、コアは、外被より強く膨脹し、このことは、外被の引き裂きをまねく。

コアのための材料としては、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素および窒化ケイ素が適しており、特に有利には、コアの材料としては、窒化アルミニウムである。窒化アルミニウムの利点は、約２０〜２５ｋＶ／ｍｍの高い焼き切れ強さであり、そのために、コアの直径は、極めて小さく選択されてよい。この場合、窒化アルミニウムの焼き切れ強さは、正確な組成および製造業者に依存する。即ち、例えば通常、自己着火内燃機関内で動作されるようなグロープラグの場合、コアの厚さは、０．６ｍｍで十分であり、この場合コアによる焼き切れは発生しない。更に、窒化アルミニウムの利点は、空気の遮断下での温度安定性である。窒化アルミニウムの融点は、約２０００℃である。しかし、温度安定性は、空気の遮断下でのみ与えられるので、窒化アルミニウムからなるコアに別のセラミック材料からなる外被を備えさせることが必要である。

本発明によれば、グロープラグのセラミック材料は、非酸化物セラミックである。通常、空気の存在下でも高い温度安定性を示すセラミックが使用される。グローピンのための非酸化物セラミックとしては、例えば窒化ケイ素または炭化ケイ素が適しており、特に有利には、グローピンのためのセラミック材料として、窒化ケイ素である。

グローピンのためのセラミック材料としての窒化ケイ素およびコアのためのセラミック材料としての窒化アルミニウムを使用することの利点は、これら双方のセラミックが約４．６×１０^-6Ｋ^-1の類似した熱膨張率を有することである。従って、これら２つのセラミックを組み合わせることにより、安定した長命のグロープラグを製造することができる。窒化アルミニウムは、窒化ケイ素より高い焼き切れ強さを有し、したがって窒化ケイ素からなるコアより僅かな厚さを有する窒化アルミニウムからなるコアを完成させることができるので、同じ外形寸法の場合に、加熱素子を包囲する外被のためのセラミック材料の厚さをよりいっそう厚手に調節することを可能にする。それによって、グロープラグの寿命は、増加することができる。それというのも、例えばオイルアッシュ腐蝕による退化に基づく窒化ケイ素の分解は、加熱素子が達成されるまで数時間を要するからである。

グロープラグの外被のためのセラミック材料として窒化ケイ素を使用することのもう１つの利点は、窒化ケイ素が空気の存在下でも約１４００℃の温度になるまで安定性であることである。更に、窒化ケイ素は、高い強度を示す。

グロープラグを加熱する加熱素子は、通常、ｕ字形で構成されている。ｕ字形で構成された加熱素子は、コアを取り囲み、およびその側でグローピンのセラミック材料によって取り囲まれている。

通常、加熱素子のための材料としては、炭化タングステン含有セラミックが使用される。

グローピンのセラミック材料による加熱素子の外被は、必要である。それというのも、殊に炭化タングステンは、加熱素子の成分として空気の存在下で空気酸素と反応し、それにより加熱素子の焼き切れが生じるであろうからである。この結果、グロープラグの修復不可能な故障をまねく。

本発明の実施態様において、コア中に１つの溝が形成されており、この溝中には、加熱素子が含まれている。この溝の利点は、コアの平らな表面が該表面上に含まれる加熱素子で保証されることである。それによって、寸法の正確さは、付加的に確保される。それというのも、加熱素子に相応する溝をグローピンのためのセラミック材料中に形成することは不要であるからである。

コアのためのセラミック材料としての窒化アルミニウムおよび前記コアを取り囲むグローピンのためのセラミック材料としての窒化ケイ素を使用する場合、グローピンのセラミック材料と前記材料によって取り囲まれたコアとの間には、コアの材料とグローピンの材料とを結合する境界層が形成される。それによって、コアと該コアを包囲するセラミック材料は、安定して互いに結合される。その上、境界層は、勾配材料として作用し、即ち、物質特性は、絶えずコアの材料から該コアを包囲するセラミック材料へ変化し、突然の変化は起こらない。コアのためのセラミック材料としての窒化アルミニウムおよびグローピンのためのセラミック材料としての窒化ケイ素を使用する場合には、一般に、取付中に系中へ導入される酸素含量のためにＳｉＡｌＯＮが形成される。このＳｉＡｌＯＮは、コアの窒化アルミニウムと該コアを包囲する窒化ケイ素との間に境界層を形成する。

更に、本発明は、本発明による形成されたグロープラグの製造法に関する。

グロープラグの製造のために、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコアと加熱素子とを、グローピンの外被のためのセラミック材料からなる少なくとも２つの成形部材によって取り囲む。コアと成形部材とからなるこの複合体は、焼結され、グロープラグに変わる。成形部材とコアとは、焼結によって互いに結合され、その結果、１つの安定した複合体が生じる。その上、コアとグローピンの外側スリーブを形成する成形部材との間には、境界層が形成され、その結果、勾配材料が生じ、この勾配材料によって、物質特性が突然に変化することが回避される。

本発明による方法の１つの実施態様において、加熱素子は、グローピンの外被のためのセラミック材料からなる成形部材上に印刷される。しかし、他の選択可能な方法で、加熱素子をコア上に印刷することも可能である。コア上またはグローピンのためのセラミック材料からなる成形部材上に印刷することにより、加熱素子の対向面の間の距離の減少は、完成工程中に回避されることが達成される。更に、加熱素子をコア中に形成されている溝中に印刷することは、好ましい。コア中の溝により、寸法の正確さは、前記したように付加的に確保される。

応力が発生することを回避させるために、コアと加熱素子とは、特に同時に焼結される。

本発明の実施態様は、図に示されており、以下の記載で詳細に説明される。

図１には、本発明により形成されたグローピンを示す断面が図示されている。

グロープラグの先端は、グローピン１と呼称され、この場合このグロープラグは、本明細書中では図示されていない内燃機関の燃焼室中に突入し、燃料−空気混合物の初期着火を達成させる。

本発明により形成されたグローピン１は、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコア３を含む。コア３のための材料としては、例えば窒化アルミニウム、窒化ケイ素および炭化ケイ素が適している。コア３のための材料として特に有利なのは、窒化アルミニウムである。本質的に純粋な窒化アルミニウムからなるコアと共に、コア３のための材料に、例えば希土類酸化物を添加することも可能である。適当な希土類酸化物は、例えばＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃ならびにＬａ、Ｎｄ、ＧｄおよびＳｃの酸化物である。希土類酸化物および／またはアルカリ金属酸化物の含量は、特に０〜１５質量％の範囲内にある。

コア３には、加熱素子５が接続している。加熱素子５は、一般に、ｕ字形に構成されており、および第１の肩部７および第２の肩部９を含み、これらの肩部は、互いに対向して配置されている。第１の肩部７と第２の肩部９は、コア３を取り囲み、該コア３によって互いに分離されている。コア３の高い焼き切れ強さのために、第１の肩部７から第２の肩部９への応力の移行または反対方向の応力の移行による短絡が生じることは、回避される。

加熱素子５は、１つの抵抗体であり、電圧の印加によって加熱される。加熱素子５のための材料は、通常、グローピン１が最短の時間で動作温度に加熱されることが可能になるように選択される。加熱素子５に適した材料は、例えば炭化タングステン含有セラミックである。

グロープラグを動作させるための加熱素子５の電圧供給は、導電体１３により行なわれ、この導電体は、加熱素子５と結合されている。導電体１３は、特にコア３を介して本明細書中には図示されていない電流接点に案内されている。導電体１３のための材料としては、全てのグロープラグの加熱を阻止するために僅かな電気抵抗を有し、かつ応力を回避させるために類似した熱膨脹係数のセラミックの１つを有する全ての任意の導電性材料が適している。加熱素子５が結合されている導電体１３に適した材料は、例えば炭化タングステンである。

炭化タングステンは、空気中に含有されている酸素に対して温度安定性ではないので、コア３および加熱素子５は、外被１１によって取り囲まれている。外被１１は、同様にセラミック材料から完成されている。この場合、外被１１のセラミック材料は、コア３のための材料とは別のものである。これは、例えば窒化アルミニウムの場合のように、コア３のための材料が空気に対して安定性ではない場合に必要とされる。外被１１のための材料としては、例えば窒化ケイ素または炭化ケイ素が適している。しかし、好ましいのは、窒化ケイ素である。

外被１１のための材料は、特に該材料が高い温度で空気に対して安定性であるように選択される。従って、これは、殊に必要である。それというのも、内燃機関の燃料室中には、燃料−空気混合物が含まれているからである。従って、グローピン１は、周囲空気に晒される。１つの実施態様において、例えば外被１１のためのセラミック材料がドーピングされていることは、可能である。これは、例えば希土類酸化物の添加によって行なうことができる。適当な希土類酸化物は、例えばＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃ならびにＬａ、Ｎｄ、ＧｄおよびＳｃの酸化物である。この場合、希土類酸化物は、共晶を減少させるための焼結添加剤として使用される。

１つの好ましい実施態様において、コア３は、窒化アルミニウムから完成されており、外被１１は、窒化ケイ素から完成されている。この材料の組合せの利点は、窒化アルミニウムと窒化ケイ素が約４．６×１０^-6Ｋ^-1の同様の熱膨張率を有することにある。本質的に同様の熱膨張率の利点は、加熱素子５による加熱の際にコアまたはグローピンの外被のよりいっそう大きな熱膨張率によって損傷が生じないことである。

コア３が窒化アルミニウムから完成され、外被１１が窒化ケイ素から完成される場合には、コア３と外被１１との境界面１５には、境界層１７が形成される。境界層１７は、本質的にＳｉＡｌＯＮを含有する。ＳｉＡｌＯＮ境界層１７は、殊にグローピン１の取付中に、コア３と外被１１との間の接触領域内に僅かな酸素含分が導入されることによって形成される。境界層１７は、同時に勾配材料として使用され、この勾配材料によって、材料特性の突然の変化は回避される。コア３と外被１１との間での材料特性の不断の移行が達成される。

図２は、本発明により構成されたグローピンを製造するための個々の部材を示す平面図である。

グローピン１を製造するために、コア３は、第１の成形部材１９および第２の成形部材２１によって取り囲まれている。しかし、コア３が第１の成形部材１９および第２の成形部材２１によって取り囲まれる前に、加熱素子５は、コア３または成形部材１９、２１上に設置されるかまたはコア３または成形部材１９、２１上に印刷され、それによって、この加熱素子は、コア３と外被１１を形成する成形部材１９、２１との間に収容される。

通常、最初に、コア３が製造される。これは、例えば射出成形または別の加圧成形技術によって行なうことができる。それによって、セラミックコア３の製造の際に最初に所謂生成形体が製造される。コア３の最終輪郭の確定は、生成形体に対して実施されることができる。

引続き、コア３は、加熱素子５と一緒に、外被１１を形成する成形部材１９、２１によって取り囲まれる。このために、成形部材１９、２１中には、コア３のネガ型に相当する切欠２３が形成されている。成形部材１９、２１は、特に半円形の断面を有し、したがって既に本質的に完成されたグローピン１の形状に相当している。しかし、他の選択可能な方法で、成形部材１９、２１を平行六面体の形で形成し、かつ接合することも可能である。コア３および加熱素子５の周囲で成形部材１９、２１を接合した後、成形部材１９、２１とコア３と加熱素子５とからなる複合体は、特に成形部材１９、２１を焼結させて外被１１に変えるために温度処理に掛けられる。温度処理の後、グローピン１の外面は、機械的加工による成形処理に掛けられ、グローピン１の最終的な形状を達成する。

加熱素子５は、特に炭化タングステンから完成され、成形部材１９、２１の接合前に第１の実施態様で成形部材１９、２１中の切欠２３上に印刷される。接合後、こうして貫通するｕ字形の加熱素子５がもたらされる。しかし、特に一部分は、生成形体として既に最終輪郭に近いように加工される。

しかし、好ましくは、加熱素子５をコア３上に印刷することも可能である。これは、第１の実施態様において、図３に図示されている。

コア３の寸法の正確さを保証するために、コア３は、最初に、例えば加圧成形される。加熱素子５は、コア３の生成形体上に印刷され、導電体１３と結合される。導電体１３は、例えばコア３上に印刷されてもよい。しかし、他の選択可能な方法で、コア３上に載置された導電体１３として、例えばセラミックに類似した熱膨張係数を有する線材を使用することも可能である。

射出成形または成形プレスによるコア３の製造と共に、複合体を、例えばスパークプラズマ焼結によって製造することも可能である。このスパークプラズマ焼結の場合には、高い処理圧力および温度を方向付けられた直流インパルスと組み合わせる。この場合、材料は、極めて強力に焼結活性化され、高い圧力ではあるが、比較的低い温度で完全な圧縮を行なうことができる。これは、ナノ結晶性およびミクロ結晶性の材料を製造する際に確実なプロセス制御を可能にする。

図４は、第２の実施態様におけるコア上に印刷された加熱素子を有するコアを示す略図である。

図４に図示された実施態様は、図３に図示された実施態様と、コア３中に先ず溝２５が形成されることによって区別される。加熱素子５は、溝２５内に印刷される。また、導電体１３は、溝２５内に挿入されるかまたは溝１３内に印刷される。溝２５の利点は、加熱素子５がコア３上に載置されず、それによって表面の上昇を生じることである。

それによって、なおいっそう良好な寸法の正確さを達成することができる。

加熱素子５を溝２５内に印刷した後、この溝は、例えばセラミック材料で閉鎖され、コア３の平らな表面２７が達成される。

本発明により形成されたグローピンを示す断面図。 グローピンを製造するためのグローピンのためのコアおよび成形部材を示す略図。 印刷された加熱素子を有するコアを示す略図。 コア中に形成された溝および印刷された加熱素子を有するコアを示す略図。

符号の説明

１ グローピン、 ３ コア、 ５ 加熱素子、 ７ 第１の肩部、 ９ 第２の肩部、 １１ 外被、 １３ 導電体、 １５ 境界面、 １７ ＳｉＡｌＯＮ境界層、 １９ 第１の成形部材、 ２１ 第２の成形部材、 ２３ 切欠、 ２５ 溝

Claims (13)

1. 殊に、自己着火内燃機関を始動させるために、着火可能な燃料−空気混合物を含む、内燃機関の燃焼室中に係合する先端を有するグローピンを備えている、グロープラグであって、グローピン（１）が、セラミック材料から完成されかつ加熱素子（５）を備える外被（１１）を含むグロープラグにおいて、この加熱素子（５）が、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコア（３）を取り囲んでいることを特徴とする、上記グロープラグ。
2. コア（３）の材料とグローピン（１）の外被（１１）のセラミック材料が本質的に同じ熱膨張率を有する、請求項１記載のグロープラグ。
3. コア（３）のための材料が窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、有利に窒化アルミニウムを含有する、請求項１または２記載のグロープラグ。
4. グローピン（１）の外被（１１）のセラミック材料が非酸化物セラミックを含む、請求項１から３までのいずれか１項に記載のグロープラグ。
5. 非酸化物セラミックが窒化ケイ素または炭化ケイ素、有利に窒化ケイ素を含む、請求項４記載のグロープラグ。
6. 加熱素子（５）がｕ字形に構成されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のグロープラグ。
7. 加熱素子（５）のための材料として、炭化タングステン含有セラミックを使用する、請求項１から６までのいずれか１項に記載のグロープラグ。
8. コア（３）中に溝（２５）が形成されており、この溝内に加熱素子（５）が含まれている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のグロープラグ。
9. グローピン（１）の外被（１１）のセラミック材料と該セラミック材料によって取り囲まれたコア（３）との間に境界層（１７）が形成されており、この境界層がコア（３）の材料と外被（１１）のセラミック材料との結合を形成している、請求項１から８までのいずれか１項に記載のグロープラグ。
10. 請求項１から８までのいずれか１項に記載のグロープラグの製造法において、少なくとも２０ｋＶ／ｍｍの焼き切れ強さを有する材料からなるコア（３）と加熱素子（５）とを、グローピン（１）の外被（１１）のためのセラミック材料からなる少なくとも２つの成形部材（１９、２１）によって取り囲み、コア（３）と成形部材（１９、２１）からなる複合体を焼結させ、グロープラグに変えることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のグロープラグの製造法。
11. 加熱素子（５）を成形部材（１９、２１）上に、グローピン（１）の外被（１１）のセラミック材料から印刷する、請求項１０記載の方法。
12. 加熱素子（５）をコア（３）上に印刷する、請求項１０記載の方法。
13. コア（３）中に溝（２５）を形成させ、この溝内に加熱素子（５）を印刷する、請求項１２記載の方法。

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