JP2014501431A - 非対称な着火を有するコロナ点火装置 - Google Patents

非対称な着火を有するコロナ点火装置 Download PDF

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Abstract

コロナ放電(24)を与えるコロナ点火システムは、電極中心軸(a)に関して非対称の着火先端部(28)を備えた電極(26)を有する点火装置(20)を含んでいる。着火先端部(28)は、燃料噴射装置(42)に面する第1表面領域(A)を含み、これはシリンダブロック(32)に面する第2表面領域(A)より大きい。第1表面領域(A)は尖った端部を有する突出部(60)を示し、第2表面領域(A)は円状の外向き表面(62)を示す。したがって、第1表面領域(A)から発せられた高周波電界は、燃料スプレーの外側縁(30)の可燃性領域内に健全なコロナ放電(24)を提供する。第2表面領域(A)からは電界が発せられず、第2表面領域(A)とシリンダブロック(32)との間にパワーアーク放電が起こらない。

Description

この出願は、2011年12月14日に提出された米国仮出願番号第61/422,849号の利益を主張する。
この発明は、一般的に非熱的プラズマを発する点火装置を含むコロナ放電点火システムに関し、より特定的には点火装置の着火先端部に関する。
コロナ放電点火システムの一例は、Freenに与えられた米国特許第6,883,507号に開示されている。コロナ放電点火システムは、高周波電位に充電されて燃焼室内に強い高周波電界を生じる電極を備えた点火装置を含んでいる。その電界は、燃焼室内の燃料と空気の混合物の一部をイオン化させて誘電破壊を開始させ、燃料空気混合物の燃焼を促進させる。電界は、燃料空気混合物が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも言及されるコロナ放電が生じるように、好ましく制御される。燃料空気混合物のイオン化された部分は火炎前面を形成し、そしてこれが自立して、燃料空気混合物の残りの部分を燃焼させる。好ましくは、電界は燃料空気混合物が誘電特性の全てを喪失しないようにも制御され、そのような全喪失は熱的プラズマを生じさせて、シリンダ壁、ピストン、または点火装置の他の部分と電極との間にパワーアーク放電として言及される電気的アークを生じさせるであろう。
コロナ放電点火システムの点火装置は、典型的には、高周波電圧を受ける電極端子端部から電極着火端部まで電極中心軸に沿って長手方向に延在する電極本体を有する電極を含んでいる。電極は、高周波電界を発する電極着火端部に近接して着火先端部を含み得る。その着火先端部は、電極中心軸に関して対称的である。コロナ放電点火システムの点火装置は、着火先端部にごく近接して接地された何らの電極要素をも含まない。むしろ、接地は、内燃エンジンのシリンダ壁またはピストンによって与えられる。対称的な着火先端部を備えたコロナ点火装置の一例は、LykowskiとHamptonによる米国特許出願公開第US2010/0083942号に開示されている。
内燃エンジンシステム、特に、ガソリン直接点火システムのような非均一燃焼システムにおいて、燃料空気混合物に対する点火源の配置は健全な燃焼に重要である。或るエンジン応用においては、燃料はスプレーとして燃焼室へ供給されるが、そのスプレーは通常は直接点火するには燃料リッチであり過ぎて、燃料が燃焼室内の空気と混合するスプレーの外側縁のみが燃焼可能であり得る。したがって、点火装置は、燃料スプレーの外側縁に対して所定の位置に着火先端部が配置されるように、燃料噴射器から離されなければならない。点火装置は、燃料スプレーに起因する浸食と腐食を防ぐためにも、燃料スプレーから離されることが好ましい。しかし、点火装置がシリンダ壁またはピストンに近過ぎれば、シリンダ壁またはピストンと着火先端部との間にパワーアーク放電が起こり得て、それはコロナ放電を排除して燃焼に対する弊害となるであろう。さらに、燃料噴射器はしばしば燃焼室内の中心位置から移動させることがでず、このことがシステム設計をさらに複雑化させる。
本発明の一つの態様は、燃料空気混合物の一部をイオン化させてコロナ放電を生じるように、高周波電圧を受けて高周波電界を発する点火装置を提供する。点火装置は、高周波電圧を受ける電極端子端部から電極着火端部まで電極中心軸に沿って長手方向に延在する電極本体部分を含む電極を備えている。電極はまた、高周波電界を発する電極着火端部に近接して着火先端部をも含んでいる。この着火先端部は、電極中心軸に関して非対称である。
本発明のもう一つの態様は、点火装置を形成する方法を提供する。この方法は、電極端子端部から電極着火端部へ電極中心軸に沿って延在する電極本体部分を与えるステップを含んでいる。次にこの方法は、着火端部に近接してかつ電極中心軸に関して非対称に着火先端部を電極本体部分に配置することを含んでいる。
本発明のさらにもう一つの態様は、燃料空気混合物の一部をイオン化する高周波電界を与えるコロナ点火システムを含み、内燃エンジンの燃焼室内の燃料空気混合物を点火するコロナ放電を提供する。そのコロナ点火システムは、或る空間を円周状に囲んで延在するシリンダブロックと、そのシリンダブロックを横切って延在するシリンダヘッドとを含んでいる。ピストンがシリンダブロック内でシリンダヘッドから隔てられて配置され、それらの間に燃焼室を形成する。燃料噴射器が、燃焼室内に延在し、燃焼室内へ燃料をスプレーする。非対称な着火先端部を備えた点火装置が、燃焼室内へ延在し、燃料噴射器とシリンダブロックとの間に配置される。点火装置は、高周波電圧を受けて、燃料空気混合物をイオン化してコロナ放電を形成する高周波電界を発する。
本発明のさらにもう一つの態様は、コロナ点火システムを形成する方法を提供する。この方法は、空間を囲って延在するシリンダブロックと、そのシリンダブロックを横切って延在するシリンダヘッドとを提供することを含む。次にこの方法は、シリンダブロック内にピストンを配置して、シリンダヘッドからピストンを隔てて、それらの間に燃焼室を提供することを含む。方法は、燃焼室内へ燃料噴射器を配置して、燃焼室内へ燃料をスプレーすることを含む。方法はさらに、点火装置を設けて、燃焼室内にその点火装置を配置して高周波電圧を受けて高周波電界を発し、そして燃料空気混合物をイオン化してコロナ放電を形成することを含む。点火装置を設けるステップは、電極端子端部から電極着火端部へ長手方向に延在する電極本体部分を与えることによって電極を形成することを含む。また、点火装置を設けるステップは、電極着火端部に近接してかつ電極中心軸に関して非対称に着火先端部を電極本体部分に配置することを含む。燃焼室内に点火装置を配置するステップは、燃料噴射器とシリンダブロックとの間に点火装置を配置することを含む。
非対称の着火先端部を含む本発明のコロナ点火装置は、対称の着火先端部を含むコロナ点火装置のような他の設計のものに比べて多くの有利性を提供する。この点火装置は、コロナ放電が点火のための最適位置に形成されて他の位置では形成されないように、燃料噴射器とシリンダブロックに関して所定の位置に配置され得る。例えば、非対称の着火先端部のうちで大きな表面積を有して高い電界強度を生じる部分が燃料スプレーに近く配置され得る一方で、小さな表面積を有して低い電界強度を生じる着火先端部の部分はシリンダブロックに近く配置される。したがって、高周波電界は、コロナ放電が最適に燃料スプレーの外側縁に形成されるように、燃料スプレーに近接する表面領域のみから発せられる。非対称の着火先端部はまた、その着火先端部とシリンダブロックとの間のパワーアーク放電を防止する。したがって、本発明のコロナ点火装置は、対称の着火先端部または他の設計を含むコロナ点火装置に比べて、改善された性能を提供する。
本発明の点火装置は、ガソリン直接噴射システムのような不均一な点火システムにおいて特に有益である。非対称の着火先端部は、燃料噴射器が燃焼室内で中央に維持されるべき場合に、特に有利である。この点火装置は、浸食と腐食を減ずるように燃料スプレーから離され得て、かつ着火先端部とシリンダブロックとの間に有害なパワーアーク放電を招くことなくシリンダブロックに近づけられ得る。さらに、非対称の着火先端部はシリンダヘッドと平行にまたはそこから離れるように突出するコロナ放電を生じるように配置され得るので、点火装置はシリンダヘッドに近づきかつ燃料スプレーから離れるように移動させられ得る。本発明のもう一つの有利性は、改善されたエネルギ効率である。なぜならば、コロナ放電はそれが有効に点火を生じ得る場所のみに生成されるからである。
本発明の他の優位性は、以下の詳細な説明が添付の図面と関連してよりよく理解されることによって、容易に評価され得るであろう。
本発明の一態様による点火装置を含むコロナ点火システムの断面図である。 図1中の点火装置の断面図であって、影付された第1の表面領域を備えている。 図1中の点火装置の着火先端部の上面図であって、影付された第1の表面領域を備えている。 図1中の点火装置の断面図であって、影付された第2の表面領域を備えている。 図1中の点火装置の着火先端部の上面図であって、影付された第2の表面領域を備えている。 本発明のもう一つの実施例による着火先端部の側面図である。 図4Aの着火先端部の上面図である。 本発明のさらにもう一つの実施例による着火先端部の側面図である。 図5Aの着火先端部の上面図である。 本発明のさらにもう一つの実施例による着火先端部の側面図である。 図6Aの着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 本発明の他の実施例による着火先端部の上面図である。 図1から図3中の着火先端部の拡大された上面図である。
本発明の一態様は、図1に示されているように、内燃エンジンの燃焼室22内に配置された点火装置20を含むコロナ点火システムを提供する。コロナ点火装置20は、燃料空気混合物の一部をイオン化させる高周波電界を発して、燃焼室22内にコロナ放電24を生じる。コロナ点火システムの点火装置20は、図1に示されているように、非対称の着火先端部28を備えた電極26を含んでいる。非対称の着火先端部28は、点火に最適の位置で好ましくは燃料が空気と混ざるところである燃料スプレーの外側縁30のみにコロナ放電24が形成されることを可能にする。したがって、コロナ点火システムの点火装置20は、パワーアーク放電の防止および改善されたエネルギ効率を含む多くの利益を提供する。
コロナ点火システムは、典型的には、自動車の内燃エンジン内に組入れられる。図1に示されているように、そのシステムは、シリンダ中心軸aの周りで円周状に延在して円筒形状を有する空間を提供する側壁34を有するシリンダブロック32を含んでいる。その側壁34は、円筒状空間に沿って、最上部開口を囲む最上端部36まで上方に延在している。この最上端部36上にはシリンダヘッド38が配置され、これはシリンダブロック32の最上部開口を横切って延在している。
内燃エンジンの作動中に側壁34に沿って摺動するように、シリンダブロック32の側壁34に沿って円筒状空間内にピストン40が配置されている。ピストン40はシリンダヘッド38から隔てられているので、シリンダブロック32、シリンダヘッド38およびピストン40は、全体として、それらの間に燃焼室22を提供する。
シリンダヘッド38の噴射器穴44内には燃料噴射器42が配置され、これは燃焼室22内へ横断して延在している。燃料噴射器42は、典型的には微細に霧状化されたスプレーの形態で、燃焼室22内へ燃料を提供する。一実施例では、燃料噴射器42によって与えられた燃料スプレーは、図1に示されているように、円錐形状を形成する外側縁30を現す。燃料噴射器42は、典型的にはシリンダ内で中央に位置決めされ、シリンダ中心軸aに沿って長手方向に延在している。しかし、燃料噴射器42は代替的に空気ガイドまたは壁ガイドされてもよく、燃料噴射器42の位置は燃焼システムのタイプに依存して変化し得る。多くの内燃エンジンの応用においては、燃料噴射器42はシリンダブロック32に関して中央に位置決めされなければならず、燃料噴射器42を移動させることは不可能である。
シリンダヘッド38は、コロナ点火装置20を受入れるために、燃料噴射器42とシリンダブロック32との間に点火装置穴46をも含んでいる。点火装置20は、シリンダ中心軸aに関して平行にまたは或る角度で燃焼室22内へ延在し得る。点火装置20は、高周波電圧を受けて、燃料空気混合物の一部をイオン化させる高周波電界を発してコロナ放電24を形成する。
点火装置20の正確な位置は、燃焼システムに依存して変化する。点火装置20の位置は、米国特許出願公開第2010/0083942号に開示された整列方法または他の方法によって定められ得る。点火装置20は、シリンダブロック32、燃料噴射器42、シリンダヘッド38、およびピストン40に関して予め定められた位置に配置され、燃焼に最適な位置にコロナ放電24が形成されることを可能にする。例えば、点火装置20は、燃料噴射器42、シリンダブロック32およびピストン40から予め定められた距離に配置され得て、燃料噴射器42、シリンダヘッド38およびシリンダブロック32に関して予め定められた角度で配置され得る。点火装置20はまた、燃料スプレーの外側縁30に関して予め定められた位置に配置される。例えば、点火装置20は、着火先端部28が燃料スプレーの外側縁に近接した最適位置に配置されかつ点火装置20の他の部分が燃料スプレーによって形成される厳しい環境から遠く隔てられるように、図1に示されているように、燃料噴射器42に関して約30度の角度で配置され得る。
図2Aと図3Aに示されているように、点火装置20の電極26は、高周波電圧を受ける電極端子端部48から電極着火端部50へ長手方向に延在する電極中心軸aを有している。電極26は、電極端子端部48から電極着火端部50へ電極中心軸aに沿って長手方向に延在する第1の導電性材料で形成された電極本体部分52を含んでいる。一実施例では、電極本体部分52の第1の導電性材料は、ニッケルまたはニッケル合金を含んでいる。電極本体部分52は、電極中心軸aに対して垂直な電極直径Dを有している。図2Aと図3Aに示されているように、電極本体部分52は、電極中心軸aに関して対称的である。電極本体部分52はまた、図2Bと図3Bに示されているように、電極中心軸aを通って長手方向に延在する仮想平面54に関しても対称的である。平面54は、図1の燃料噴射器42に面する噴射器側56と、その反対側であって図1のシリンダブロック32の側壁34に面する壁側58を有している。
コロナ点火システムの電極26は、燃焼室22内の燃料空気混合物の一部をイオン化させる高周波電界を発するために電極着火端部50に近接してそれを囲む着火先端部28を含み、コロナ放電24を提供する。着火先端部28は、第2の導電性材料で形成されており、好ましくは元素周期表の4-12族から選択された少なくとも一つの元素を含む。着火先端部28は典型的には先端直径Dを有し、これは電極本体部分52の電極直径Dより大きい。
点火装置20の着火先端部28は、シリンダブロック32、燃料噴射器42、シリンダヘッド38、およびピストン40に関して予め定められた位置に配置され、コロナ放電24が燃料のための最適位置に形成されることを可能にする。例えば、着火先端部28は、燃料噴射器42、シリンダブロック32、シリンダヘッド38、およびピストン40から予め定められた距離に配置されかつ燃料噴射器42、シリンダブロック32、シリンダヘッド38、およびピストン40に関して予め定められた角度で配置され得る。着火先端部28はまた、燃料スプレーの外側縁30に関して予め定められた位置に配置される。好ましい一実施例では、着火先端部28は、図1に示されているように、コロナ放電24が燃料スプレーの外側縁30に形成されるように、燃料スプレーに近接して配置される。燃料噴射器42と燃料スプレーに関して着火先端部28の位置を決定するために、米国特許出願公開第2010/0083942号の方法または他の方法が用いられ得る。着火先端部28は非対称であるので、点火装置20は、先行技術のコロナ点火システムに比べて、着火先端部28とシリンダブロック32との間にパワーアーク放電を生じることなく、シリンダブロック32の側壁34に近接して配置され得る。したがって、点火装置20の大部分は燃料スプレーから遠く隔てられ得て、燃料スプレーによって生ぜられる厳しい環境による浸食と腐食の影響を受けにくい。
着火先端部28は電極本体部分52に関して非対称であるので、コロナ放電24は点火のための最適位置に形成され得る。図2Bと図3Bに示されているように、電極中心軸aを通って長手方向に延在する平面54に関して、非対称の着火先端部28は平面54の噴射器側56に第1の表面領域Aを現し、中心平面54の反対側の壁側58に第2の表面領域Aを現す。表面領域A、Aは、燃焼室に露出された着火先端部28の全ての外向き表面の全領域を含み、上面、下面および側面を含む。一実施例では、着火先端部28の第1の表面領域Aは全体として燃料噴射器42に向かって面して外側へ延びており、着火先端部28の第2の表面領域Aは全体としてシリンダブロック32に向かって面しているが外側へ延びてはいない。着火先端部28が平面54に関して非対称になるように、着火先端部28の第1の表面領域Aは、着火先端部28の第2の表面領域Aより大きい。図2Aと図2Bは一実施例による着火先端部28を示していて第1の表面領域の一部が影付されており、図3Aと図3Bは影付された第2の表面領域Aの一部とともに同じ着火先端部28を示していている。着火先端部28の表面領域A、Aは、当該技術分野で知られている任意の表面領域測定技術によって決定され得る。
好ましい一実施例では、燃焼室22の最適領域内にコロナ放電24が形成され得るように、コロナ点火システムの燃料噴射器42に面する第1の表面領域Aから発せられた高周波電界は、シリンダブロック32に面する第2の表面領域Aから発せられた高周波電界より強い。例えば、好ましい一実施例では、コロナ放電24が燃料スプレー内または燃料スプレーの外側縁30に沿った可燃領域内で最適に形成されるように、電界は第1の表面領域Aから発せられて、第2の表面領域Aからの電界放射はない。したがって、コロナ点火システムは燃料空気混合物の強い燃焼を提供し、着火先端部28の第2の表面領域Aとシリンダブロック32との間において燃焼を妨げるであろうパワーアーク放電を生じない。
着火先端部28の表面領域A、Aから発せられる電界の強度は、部分的に中心軸aeからの距離に依存する。図2Bに示されているように、第1の表面領域Aは電極中心軸aから離れる第1の距離dまで延在し、第2の表面領域Aは電極中心軸aから離れる第2の距離dまで延在している。好ましくは、第1の距離dは第2の距離dより大きい。その大きな距離は、シリンダブロック32に面する第2の表面領域Aに比べて、燃料噴射器42に面する第1の表面領域Aから発せられる強い高周波電界を提供する助けとなる。
着火先端部28の設計は変化し得て、着火先端部28の複数例が図1から図8に開示されている。一実施例では、第1の表面領域Aは第2の表面領域Aに比べて少なくとも2倍大きく、または少なくとも3倍大きく、または少なくとも4倍大きく、または4倍より大きい。図4から図6の実施例のように、数個の実施例では、着火先端部28、典型的には影付された第1の表面領域Aは、電極本体部分52から離れるように延在して第1の表面領域Aの一部を現す少なくとも一つの突出部60を含んでいる。一実施例では、着火先端部28の第1と第2の表面領域A、Aの両方が少なくとも一つの突出部または複数の突出部60を現し、第1の表面領域Aは第2の表面領域Aより多い突出部を現す。着火先端部28の突出部60は、好ましくは電極26の本体部分から外向きおよび下向きに離れるように延在する。図1の実施例では、点火装置20は、着火先端部28の突出部60が燃料スプレーに向かって延在するように配置される。
第1の表面領域Aの突出部60は好ましくは尖った端部を含み、高周波電界の放射と最適位置のコロナ放電24を促進する。第1の表面領域Aと異なって、第2の表面領域Aは、好ましくは少ないまたは尖ってない端部を含み、そして高周波電界の放射を防ぐとともに、第2表面領域Aとシリンダブロック32との間のパワーアーク放電を防止する。第2の表面領域Aの不可避の端部のいずれも、好ましくは実際上できるだけ丸められる。図2B、3B、4B、5B、および6Bに示されているように、着火先端部28は、尖った端部がなくて第2の表面領域Aの一部を現す外向き表面62を含んでいる。
着火先端部28の特定点の鋭さは、球状半径rで規定され得る。図8に示されているように、着火先端部28の表面領域A、Aの一つに沿った一特定点における球状半径rは、その特定点において半径rを有する仮想の三次元球を用いて決定される。その球状半径rは、三次元の球の半径である。0から0.010インチの球状半径rは、鋭い端部として述べられ得る。
図8は、図1−3の着火先端部28の部分で現された球状半径r、rを示している。影付された第1の表面領域Aの一部を形成する突出部60は、第2の表面領域Aの外側表面62で現される球状半径rより小さな球状半径rを示す。したがって、第1の表面領域Aの小さな球状半径rに起因して、第1の表面領域Aから発せられる高周波電界は、第2の表面領域Aから発せられる高周波電界より大きい。好ましい一実施例では、第2の表面領域Aを現す外向きの表面62は丸型である。
図2と3において最もよく示されているように、着火先端部28は電極中心軸aおよびこの電極中心軸aに沿って延在する平面54に関して非対称である。一実施例では、着火先端部28はそれ自体に関して対称的であるが、着火先端部28が電極中心軸aに関して非対称になるように電極本体部分52へ非対称に配置される。図7の上面図は種々の可能な着火先端部28を図解しており、これらは単に例示であって、本発明の可能な設計を限定するものではない。一実施例では、着火先端部28は四辺形状を示す。
さらにもう一つの実施例では、図4−6に示されているように、着火先端部28は分岐しており、または第1の表面領域Aと第2の表面領域Aを現す複数の分割部分64を含む。図4A、5Aおよび6Aは分岐した着火先端部28の側面図を示し、図4B、5Bおよび6Bは同じ着火先端部28の上面図を示す。着火先端部28は、二つの分割部分64を含んでもよく、または非対称の着火先端部を一緒に形成する複数の分割部分64を含んでもよい。一実施例では、図4Aに示されているように、着火先端部28は、その着火先端部28と電極26とがそれらの間に90度の角度を形成するように、電極本体部分52に関して垂直に配置される。もう一つの実施例では、図5Aと6Aに示されているように、着火先端部28は、その着火先端部28と電極26とがそれらの間に90度以外の角度を形成するように、電極本体部分52に関して或る角度で配置される。
本発明のもう一つの態様は、点火装置20を形成する方法を提供する。この方法は、電極端子端部48から電極着火端部50へ電極中心軸aに沿って長手方向に延在する電極本体部分52を設けるステップを含む。設けられた電極本体部分52は、電極中心軸aに関して対称的である。次に方法は、着火先端部28が電極中心軸aに関して非対称になるように、着火端部50に近接して電極本体部分52へ着火先端部28を配置することを含む。
コロナ点火システムの点火装置20は、コロナ点火装置20内で典型的に見られる絶縁体66、端子68、導電性シール層70、およびシェル72のような他の要素を含んでいる。絶縁体66は、シリンダヘッド38内において、電極本体部分52の周囲で長手方向の管状に配置されている。図1に示されているように、絶縁体66は、電極着火端部50と着火先端部28が絶縁体下端部76の外側へ配置されるように、電極着火端部50から隔てられた絶縁体下端部76へ絶縁体上端部74から延在している。絶縁体66は、アルミナのような電気的絶縁材料で形成された母相を含んでいる。電気的絶縁材料は、電荷を保持し得る誘電率を有している。その絶縁材料はまた、電極本体部分52および着火先端部28の導電率より低い導電率を有している。
一実施例では、絶縁体66はシリンダヘッド38内に配置されていて、絶縁体上端部74から絶縁体下端部76へ延在する絶縁体本体領域78を含んでいる。絶縁体本体領域78は、長手方向の電極本体部分52に対して概略垂直な絶縁体本体直径Dを示す。絶縁体66はまた、絶縁体本体領域78から絶縁体下端部76へ延在する絶縁体ノーズ領域80をも含んでいる。絶縁体ノーズ領域80は、長手方向の電極本体部分52に対して概略垂直でかつ絶縁体下端部76へ先細になっている絶縁体ノーズ直径Dを示す。図2Aと図3Aに示されているように、絶縁体ノーズ直径Dは、絶縁体本体直径Dより小さい。絶縁体本体領域78はシリンダヘッド38内に配置されていて燃焼室22内へ露出されていないが、絶縁体ノーズ領域80は燃焼室22内へ延在している。一実施例では、絶縁体ノーズ領域80は、図5Aに示されているように、シリンダヘッド38に関して予め定められた角度で配置されている。もう一つの実施例では、絶縁体ノーズ領域80は、図4Aと6Aに示されているように、シリンダヘッド38に対して垂直に延在している。
絶縁体本体領域78は典型的にはシリンダヘッド38に点火装置20を固定するシェル72によって包まれており、絶縁体ノーズ領域80は燃焼室22内へシェル72から外側に延在している。絶縁体66とシェル72は、典型的には図1−6に示されているように、電極中心軸aおよび互いに対して長手方向に整列した中心軸を含んでいる。
絶縁体66は、コロナ放電24が最適位置に形成され得るように、燃料噴射器42、燃料スプレー、シリンダヘッド38、およびシリンダブロック32に関して予め定められた位置に配置される。着火先端部28が非対称であるので、点火装置20は、着火先端部28とシリンダブロック32との間にパワーアーク放電を招くことなく、先行技術のコロナ点火システムの点火装置に比べて、シリンダブロック32の側壁34に近く配置され得る。したがって、点火装置20の絶縁体66は、燃料噴射器42から遠く離され得て、燃料噴射器42の周囲の厳しい環境による浸食と腐食の影響を受けにくい。
図1に示されているように、点火装置20はまた、絶縁体66内に受け入れられた導電材料で形成された端子68をも含んでいる。端子68は、電源(図示せず)へ電気的に接続された端子ワイヤ(図示せず)へ電気的に接続された第1の端子端部82を含んでいる。第1の端子端部82は電源から高周波電圧を受けて、第2の端子端部84を通して電極26へ高周波電圧を伝達する。端子68は、導電材料で形成された導電性シール層70によって、電極端子端部48へ電気的に接続されている。導電性シール層70は、端子68から電極26へエネルギを提供するために、第2端子端部84と電極端子端部48との間に配置されてそれらを電気的に接続する。
点火装置20のシェル72は、シリンダヘッド38内で絶縁体66の周りに環状に配置された金属材料で形成されている。シェル72は、図1、2Aおよび3Aに示されているように、絶縁体ノーズ領域80がシェル下端部88の外側へ突出するように、シェル上端部86からシェル下端部88へ絶縁体66に沿って長手方向に延在している。シェル72は、シリンダヘッド38の点火装置穴46と係合してシリンダヘッド38へ点火装置20を固定する複数のねじ山を含み得る。
本発明のもう一つの態様は、コロナ点火システムを形成する方法を提供する。この方法は、円筒状の空間の周りに円周状に延在するシリンダブロック32を設けることと、そのシリンダブロック32を横切ってシリンダヘッド38を延在させることを含む。次に方法は、シリンダブロック32内にピストン40を配置することと、シリンダヘッド38からピストンを隔ててそれらの間に燃焼室22を設けることを含む。方法はさらに、燃焼室22内へ燃料をスプレーするために、燃焼室22内に燃料噴射器42を配置することを含む。
次に方法は、点火装置20を設けて、燃料空気混合物をイオン化してコロナ放電24を形成するために、高周波電圧を受けて高周波電界を発する点火装置20を燃焼室22内に配置することを含む。点火装置を設けるステップは、電極端子端部48から電極着火端部50へ電極中心軸aに沿って長手方向に延在しかつ電極中心軸aに関して対称的な電極本体部分52を設けることによって電極26を形成することを含む。点火装置20を設けるステップはまた、着火先端部28が電極中心軸aに関して非対称になるように、電極着火端部50に近接して電極本体部分52に着火先端部28を配置することを含む。燃焼室22内に着火先端部28を配置するステップは、燃料噴射器42とシリンダブロック32との間に点火装置20を配置することを含む。一実施例では、方法は、燃料噴射器42とシリンダブロック32とに関して予め定められた位置に着火先端部28を配置することを含む。もう一つの実施例では、方法は、燃料噴射器42とシリンダブロック32とに関して予め定められた角度で着火先端部28を配置することを含む。
コロナ点火システムの作動中において、点火装置20の電極26は高周波電位に充電されて、燃焼室22内に高周波電界を生成する。その電界は、燃焼室22内の燃料空気混合物が誘電特性を保つように制御される。電極26は、燃焼室22内の燃料空気混合物の一部をイオン化させるように、コロナを形成するイオンの多重流れを含む非熱的プラズマを発する。
非対称の着火先端部28を備えた本発明のコロナ点火システムは、特にガソリン直接噴射システムのような不均一な燃焼システムにおいて、非対称な着火先端部28を備えていないような異なる設計を有する他のコロナ点火システムに比べて多くの利益を提供する。非対称な着火先端部28は、燃料空気混合物の健全な燃焼を生じる最適配置された点火源を提供し得る。非対称な着火先端部28はシリンダヘッド38と平行にまたは離れるように突出するコロナ放電24を生じるように配置され得るので、点火装置20は燃料スプレーによる浸食と腐食を軽減するように燃料スプレーから離れてシリンダヘッド38近くに移動され得る。点火装置20はまた、有害なパワーアーク放電を生じることなく、燃料スプレーから離れてシリンダブロック32近くに移動され得る。本発明はまた、対称的な着火先端部または他の設計を備えた点火装置を含むシステムより効率的にエネルギを使用する。好ましくは、電界放射とコロナ放電24は着火先端部28のうちで燃料スプレーに面する側のみに形成され、着火先端部28の両側に形成される場合よりも有用に点火を生じ、両側の場合には電界放射のかなりの量が点火に寄与しなくて浪費のエネルギとなるであろう。
明らかに、本発明の多くの部分的修正および変更が上記の教示に照らして可能であり、添付の特許請求の範囲内において、具体的に述べられた以外の実施が可能であろう。これらの先行する既述は、発明の新規性が有用性を発揮する任意の組合せをカバーすると解釈されるべきである。さらに、特許請求の範囲における参照番号は、単に参考のためであって、如何なる意味においても限定するものと読まれるべきではない。

Claims (27)

  1. 燃料空気混合物の一部をイオン化してコロナ放電(24)を生じるように高周波電圧を受けて高周波電界を発する点火装置(20)であって、
    高周波電圧を受けるための電極端子端部(48)から電極着火端部(50)へ電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する電極本体部分(52)を含む電極(26)を備え、
    前記電極(26)は、高周波電界を発するための着火先端部(28)を電極着火端部(50)に近接して含み、
    前記着火先端部(28)は、前記電極中心軸(a)に関して非対称である、点火装置。
  2. 前記着火先端部(28)は、前記電極中心軸(a)を通って長手方向に沿って延在する平面(54)に関して非対称である、請求項1に記載の点火装置。
  3. 前記着火先端部(28)は、前記平面(54)の一方側の第1表面領域(A)と前記平面(54)の対向側の第2表面領域(A)を現し、前記第1表面領域(A)は前記第2表面領域(A)より大きい、請求項2に記載の点火装置。
  4. 前記第1表面領域(A)は、前記第2表面領域(A)より少なくとも2倍大きい、請求項3に記載の点火装置。
  5. 前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は0インチと0.010インチの間の第1球面半径(r)を示し、前記着火先端部(28)の前記第2表面領域(A)は前記第1球面半径(r)より大きな第2球面半径(r)を示す、請求項3に記載の点火装置。
  6. 前記着火先端部(28)の前記表面領域(A,A)は複数の突出部(60)を現し、前記第1表面領域(A)は前記第2表面領域(A)より多い突出部(60)を現す、請求項3に記載の点火装置。
  7. 前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は前記電極中心軸(a)から離れる第1距離(d)まで延在し、前記着火先端部(28)の前記第2表面領域(A)は前記電極中心軸(a)から離れる第2距離(d)まで延在し、前記第1距離(d)は前記第2距離(d)より大きい、請求項3に記載の点火装置。
  8. 前記電極本体部分(52)は、前記電極中心軸(a)を通って長手方向に沿って延在する前記平面(54)に関して対称的である、請求項2に記載の点火装置。
  9. 前記電極本体部分(52)は、前記電極中心軸(a)に関して対称的である、請求項1に記載の点火装置。
  10. 前記着火先端部(28)は、それ自身に関して対称的であり、前記電極中心軸(a)に関して非対称である、請求項1に記載の点火装置。
  11. 前記着火先端部(28)は、複数の分割部分(64)を含む、請求項1に記載の点火装置。
  12. 前記電極本体部分(52)は前記電極中心軸(a)に垂直な電極直径(D)を有し、前記着火先端部(28)は前記電極直径(D)より大きな先端直径(D)を有している、請求項1に記載の点火装置。
  13. 内燃エンジンの燃焼室(22)内で燃料空気混合物の一部をイオン化して燃料空気混合物に点火するコロナ放電(24)を生じる高周波電界を与えるコロナ点火システムであって、
    空間の周りで円周状に延在するシリンダブロック(32)と、
    前記シリンダブロック(32)を横切って延在するシリンダヘッド(38)と、
    前記シリンダブロック(32)内で前記シリンダヘッド(38)から隔てられて配置されてそれらの間に燃焼室(22)を与えるピストン(40)と、
    前記燃焼室(22)内へ延在していて前記燃焼室内へ燃料をスプレーするための燃料噴射器(42)と、
    前記燃料空気混合物をイオン化してコロナ放電(24)を形成するように高周波電圧を受けて高周波電界を発するために前記燃焼室(22)内へ延在する点火装置(20)とを備え、
    前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)と前記シリンダブロック(32)との間に配置されており、
    高周波電圧を受ける電極端子端部(48)から電極着火端部(50)へ電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する電極本体部分(52)を含む電極(26)をさらに備え、
    前記電極(26)は高周波電界を発するために前記電極着火端部(50)に近接する着火先端部(28)を含み、
    前記着火先端部(28)は前記電極中心軸(a)に関して非対称である、コロナ点火システム。
  14. 前記着火先端部(28)は前記電極中心軸(a)を通って長手方向に沿って延在する平面(54)に関して非対称であり、前記平面(54)は全体として前記燃料噴射器(42)に向いて面する噴射器側(56)と全体として前記シリンダブロック(32)に向いて面する対向壁側(58)を有している、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  15. 前記着火先端部(28)は前記平面(54)の前記噴射器側(56)の第1表面領域(A)と前記平面(54)の前記対向壁側(58)の第2表面領域(A)を現し、前記第1表面領域(A)は全体として前記燃料噴射器(42)に向いて面し、前記第2表面領域(A)は全体として前記シリンダブロック(32)に向いて面し、前記第1表面領域(A)は前記第2表面領域(A)より大きい、請求項14に記載のコロナ点火システム。
  16. 前記第1表面領域(A)は、前記第2表面領域(A)より少なくとも2倍大きい、請求項15に記載のコロナ点火システム。
  17. 前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は第1球面半径(r)を有する突出部(60)を現し、前記着火先端部(28)の第2表面領域(A)は第2球面半径(r)示す外向き表面(62)を形成し、前記第1表面領域(A)から発せられる高周波電界が前記第2表面領域(A)から発せられる高周波電界より大きくなるように前記第1球面半径(r)は前記第2球面半径(r)より小さい、請求項15に記載のコロナ点火システム。
  18. 前記電極本体部分(52)は、前記電極中心軸(a)に関して対称的である、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  19. 前記着火先端部(28)は前記燃料噴射器(42)と前記燃料スプレーとに関して予め定められた位置に配置され、前記コロナ放電(24)は前記着火先端部(28)と前記シリンダブロック(32)との間でなくて前記点火装置(20)と前記燃料噴射器(42)との間に形成される、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  20. 前記燃料スプレーは外側縁(30)を有し、前記着火先端部(28)は前記外側縁(30)から予め定められた距離に配置される、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  21. 前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)、前記ピストン(40)および前記シリンダブロック(32)から予め定められた距離に配置される、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  22. 前記燃料噴射器(42)は前記シリンダブロック(32)と平行に配置され、前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)および前記シリンダブロック(32)に関して予め定められた角度で配置される、請求項13に記載のコロナ点火システム。
  23. 内燃エンジンの燃焼室(22)内で燃料空気混合物の一部をイオン化してコロナ放電(24)を生じる高周波電界を与えるコロナ点火システムであって、
    シリンダー中心軸(a)の周りで円周状に延在する側壁(34)を有して円筒形状を有する空間を与えるシリンダブロック(32)を備え、
    前記側壁(34)は前記シリンダー中心軸(a)から予め定められた距離に配置されており、
    前記側壁(34)は上部開口を囲む上端部(36)を有し、
    前記シリンダブロック(32)の前記上部開口を横切って延在して前記上端部(36)上に配置されたシリンダヘッド(38)と。
    内燃エンジンの作動中に前記側壁(34)に沿って摺動するように前記シリンダブロック(32)の前記円筒状空間内で前記側壁(34)に沿って配置されたピストン(40)とをさらに備え、
    前記ピストン(40)は前記シリンダヘッド(38)から隔てられており、
    前記シリンダブロック(32)、前記シリンダヘッド(38)および前記ピストン(40)はそれらの間に燃焼室(22)を提供し、
    前記燃焼室(22)内へ燃料をスプレーするために前記シリンダヘッド(38)内に配置されて前記燃焼室(22)内へ横切って延在する燃料噴射器(42)をさらに備え、前記燃料は微細に霧状化されたスプレーの形態であり、前記燃料スプレーは円錐形状を現す外側縁(30)を有し、
    前記シリンダヘッド(38)は前記燃料噴射器(42)を受ける噴射器穴(44)を与え、
    前記燃料噴射器(42)は前記シリンダー中心軸(a)に沿って長手方向に延在しており、
    前記燃料空気混合物の一部をイオン化してコロナ放電(24)を形成するように高周波電圧を受けて高周波電界を発するために前記シリンダヘッド(38)内に配置されて前記燃焼室(22)内へ横切って延在する点火装置(20)をさらに備え、
    前記シリンダヘッド(38)は前記点火装置(20)を受ける点火装置穴(46)を与え、
    前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)と前記シリンダブロック(32)との間に配置されており、
    前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)、前記シリンダブロック(32)および前記ピストン(40)から予め定められた距離に配置され、
    前記点火装置(20)は前記燃料噴射器(42)、前記シリンダヘッド(38)、前記シリンダブロック(32)および前記ピストン(40)に関して予め定められた角度で配置され、
    前記点火装置(20)は前記燃料スプレーの前記外側縁(30)に関して予め定められた位置に配置され、
    前記点火装置(20)は高周波電圧を受ける電極端子端部(48)から電極着火端部(50)へ電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する電極中心軸(a)を有する電極(26)を含み、
    前記電極(26)は前記電極端子端部(48)から前記電極着火端部(50)へ前記電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する第1導電性材料で形成された電極本体部分(52)を含み、
    前記電極本体部分(52)の前記第1導電性材料はニッケルを含み、
    前記電極本体部分(52)は前記電極中心軸(a)に垂直な電極直径(D)を有し、
    前記電極本体部分(52)は前記電極中心軸(a)に関してかつ前記電極中心軸(a)を通って長手方向に延在する平面(54)に関して対称的であり、前記平面(54)は全体として前記燃料噴射器(42)に向いて面する噴射器側(56)と全体として前記シリンダブロック(32)の前記側壁(34)に向いて面する対向壁側(58)とを有しており、
    前記電極(26)は前記燃焼室(22)内の前記燃料空気混合物の一部をイオン化して前記燃焼室(22)内の前記燃料スプレーの前記外側縁(30)に前記コロナ放電(24)を与えるように高周波電界を発するために前記電極着火端部(50)に近接してそれを囲う着火先端部(28)を含み、
    前記着火端部(28)は第2導電性材料で形成されており、
    前記第2導電性材料は元素周期表の4−12族から選択された少なくとも一つの元素を含み、
    前記着火先端部(28)は前記電極本体部分(52)の前記電極直径(D)より大きな先端直径(D)を有し、
    前記着火先端部(28)は前記燃料噴射器(42)、前記シリンダブロック(32)、前記シリンダヘッド(38)、および前記ピストン(40)から予め定められた距離に配置され、
    前記着火先端部(28)は前記燃料噴射器(42)、前記シリンダブロック(32)、前記シリンダヘッド(38)、および前記ピストン(40)に関して予め定められた角度で配置され、
    前記着火先端部(28)は前記燃料スプレーの前記外側縁(30)に関して予め定められた位置に配置され、
    前記着火先端部(28)は前記電極本体部分(52)に関して非対称であり、
    前記着火先端部(28)は前記平面(54)の前記噴射器側(56)の第1表面領域(A)と前記平面(54)の前記対向壁側(58)の第2表面領域(A)を現し、前記第1表面領域(A)は全体として前記燃料噴射器(42)向かって面して外側へ延在し、前記第2表面領域(A)は全体として前記シリンダブロック(32)に向かって面しているが外側へ延びてはおらず、
    前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は、前記着火先端部(28)が前記平面(54)に関して非対称になるように、前記着火先端部(28)の前記第2表面領域(A)より大きく、
    前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は、前記燃料スプレーの前記外側縁(30)に前記コロナ放電(24)を形成するように、前記燃料噴射器(42)および前記燃料スプレーの前記外側縁(30)から予め定められた距離に配置され、
    前記第1表面領域(A)は前記第2表面領域(A)より少なくとも2倍以上大きく、
    前記着火先端部(28)の前記第1表面領域(A)は0インチと0.010インチの間の第1球面半径(r)を示し、前記着火先端部(28)の前記第2表面領域(A)は前記第1球面半径(r)より大きな第2球面半径(r)を示し、
    前記シリンダヘッド(38)内において前記電極本体部分(52)の周りで管状に長手方向に沿って配置された絶縁体(66)をさらに備え、これは前記電極(26)の前記電極着火端部(50)および前記着火先端部(28)から隔てられた絶縁体下端部(76)へ絶縁体上端部(74)から延在し、前記電極着火端部(50)と前記着火先端部(28)は前記絶縁体下端部(76)の外側へ配置され、
    前記絶縁体(66)は電気的絶縁材料で形成された母相を含み、
    前記電気的絶縁材料はアルミナを含み、
    前記電気的絶縁材料は電荷を保持し得る誘電率を有し、
    前記電気的絶縁材料は前記電極本体部分(52)および前記着火先端部(28)の前記導電性材料の導電率より小さな導電率を有し、
    前記絶縁材料(66)は、前記シリンダヘッド(38)内に配置されかつ前記絶縁体上端部(74)から前記絶縁体下端部(76)に向けて延在する絶縁体本体領域(78)を含み、
    前記絶縁体本体領域(78)は、前記長手方向の電極本体部分(52)に対して概略垂直な絶縁体本体直径(D)を示し、
    前記絶縁体本体領域(78)は前記燃焼室(22)へ露出されておらず、
    前記絶縁体(66)は、前記燃焼室(22)内に配置されかつ前記絶縁体本体領域(78)から前記絶縁体下端部(76)へ延在する絶縁体ノーズ領域(80)を含み、
    前記絶縁体ノーズ領域(80)は、前記長手方向の電極本体部分(52)に対して概略垂直な絶縁体ノーズ直径(D)を示しかつ前記絶縁体下端部(76)へ先細になっており、
    前記絶縁体ノーズ直径(D)は前記絶縁体本体直径(D)より小さく、
    端子ワイヤへ電気的に接続されて電源へ電気的に接続されるために前記絶縁体内に収容された端子(68)をさらに備え、これは電源から高周波電圧を受けて前記電極(26)へ高周波電圧を伝達するための前記電極(26)と電気的に通じており、
    前記端子(68)は、第1端子端部(82)から、前記電極端子端部(48)へ電気的に接続された第2端子端部(84)へ延在しており、
    前記端子(68)は導電性材料で形成されており、
    前記端子(68)から前記電極(26)へエネルギを与えるために前記端子(68)の前記第2端子端部(84)と前記電極端子端部(48)との間に配置されてそれらを電気的に接続する導電性シール層(70)をさらに備え、
    前記導電性シール層(70)は導電性材料で形成されており、
    前記シリンダヘッド(38)内において前記絶縁材料(66)の周りで管状に配置されたシェル(72)をさらに備え、
    前記シェル(72)は前記絶縁体(66)に沿ってシェル上端部(86)からシェル下端部(88)へ長手方向に延在し、前記絶縁体ノーズ領域(80)は前記シェル下端部(88)から外側へ突出しており、
    前記シェル(72)は、前記シリンダヘッド(38)の前記噴射器穴(44)に係合する複数のねじ山を含んでいて、前記シリンダヘッド(38)へ前記点火装置(20)を固定し、
    前記シェル(72)は金属材料で形成されている、コロナ点火システム。
  24. 燃料空気混合物の一部をイオン化してコロナ放電(24)を与えるために高周波電圧を受けて高周波電界を発する点火装置(20)を形成する方法であって、
    電極端子端部(48)から電極着火端部(50)へ電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する電極本体部分(52)を設けるステップと、
    前記電極着火端部(50)に近接しかつ前記電極中心軸(a)に関して非対称に着火先端部(28)を前記電極本体部分(52)へ配置するステップを含む、方法。
  25. 内燃エンジンの燃焼室(22)内で燃料空気混合物の一部をイオン化して燃料空気混合物に点火するコロナ放電(24)を与えるように高周波電界生じるためのコロナ点火システムを形成する方法であって、
    空間の周りに延在するシリンダブロック(32)を設け、
    前記シリンダブロック(32)を横切ってシリンダヘッド(38)を延在させ、
    前記シリンダブロック(32)内で前記シリンダヘッド(38)から隔ててピストン(40)を配置して、それらの間に燃焼室(22)を設け、
    前記燃焼室(22)内へ燃料をスプレーするために前記燃焼室(22)内へ燃料噴射器(42)を配置し、
    点火装置(20)を設けて、燃料空気混合物をイオン化してコロナ放電(24)を形成するように高周波電圧を受けて高周波電界を発するために前記点火装置(20)を前記燃焼室(22)内へ配置し、
    前記点火装置(20)を配置するステップは、電極端子端部(48)から電極着火端部(50)へ電極中心軸(a)に沿って長手方向に延在する電極本体部分(52)を設けて、前記電極着火端部(50)に近接しかつ前記電極中心軸(a)に関して非対称に着火先端部(28)を前記電極本体部分(52)へ配置することによって電極(26)を形成することを含み、
    前記点火装置(20)を配置するステップは、前記燃料噴射器(42)と前記シリンダブロック(32)との間に点火装置(20)を配置することを含む、方法。
  26. 前記燃料噴射器(42)と前記シリンダブロック(32)とに関して予め定められた位置に前記着火先端部(28)を配置することを含む、請求項25に記載の方法。
  27. 前記燃料噴射器(42)と前記シリンダブロック(32)とに関して予め定められた角度で前記着火先端部(28)を配置することを含む、請求項25に記載の方法。
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