JP2014504783A - 磁気遮蔽を伴うコロナ点火器 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼チャンバ内に固定されるように構成されるコロナ点火器装置に関し、点火器装置の上端と下端との間に延在する筺体（４０）を含む。インダクタ巻線（５０）は、上端と下端との間の筺体（４０）に受けられ、筺体（４０）とインダクタ巻線（５０）との間に位置する磁気シールド（６１）は、点火器装置からの磁束の発散を防止する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１月１４日に出願された米国特許出願第１３／００６，５５５号の利益を主張するものであり、その内容の全体が引用によりここに援用される。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般に自動車の用途などにおいて空気／燃料混合物を点火するために使用される点火器に関する。

２．関連技術
従来のスパークプラグは、金属シェル内に部分的に配置されて端子端部に向けて軸方向に延在するセラミック絶縁体を一般に利用する。導電端子は、端子端部の中心ボア内に配置される。ここで、導電端子は、中心ボア内に配置される中心電極アセンブリの一部である。反対側／火花形成端部において、中心電極は絶縁体内に配置されており、シェル上に配置される接地電極とともに火花間隙を規定する露出火花面を有する。多種の端子、シェル、および電極の構成を収容するために、多くの異なる絶縁体構成が使用される。

米国特許第６，８８３，５０７号は、コロナ放電空気／燃料点火システムで使用される点火器を開示している。図１は、従来技術に係るコロナ放電点火システムを示す図である。フィードスルー絶縁体は、シリンダヘッド１９を介して燃焼チャンバ２５に抜け、電極１３を囲う。絶縁体は、金属シリンダである電極筺体１１内に固定される。電極筺体１１と電極１３との間の空間１５は、誘電気体または圧縮空気で満たされてもよい。制御電子機器は、一次コイルユニット７と、二次コイルユニット９と、電極筺体１１と、電極１３と、フィードスルー絶縁体とともに、空間１７に挿入され得る点火器５を形成する。点火器５は、稼働時にシリンダヘッド１９内にねじ込むことができる。

米国特許出願公開第２０１００１８７９９９号は、２つのプラズマ生成電極と、直列共振器と、遮蔽壁によって囲われた誘電コイルとを含む装置を開示している。図２は、従来技術に係るコロナ放電燃焼システムの構成部品を示す。従来技術に係るプラズマ生成システムにおいて使用されるスパークプラグ。スパークプラグ２９は、自動車の内燃機関１０５のシリンダヘッド３９に固定されてもよい。スパークプラグ２９は、エンジンのシリンダヘッドに設けられた凹部にねじ込まれることを意図した金属シェル３７として作用し、燃焼チャンバの内側に開放される、低電圧円筒電極を含む。電極は、絶縁スリーブによってシェル３７から絶縁される。絶縁スリーブは、たとえばセラミックなど、比誘電率が１より大きい材料からなる。スパークプラグは、誘電体１００を電極３７の一端から分離する間隙４１を有する。

スパークプラグ２９は、接地されて誘電コイル３３を囲うシールド３１も含む。このため、力線自体はシールド３１内に閉じられる。このため、シールド３１は、スパークプラグ２９の寄生性電磁放射を減少させる。コイル３３は、電極間に加えることを意図した無線周波励起を伴う強い電磁界を実際に発生させることができる。これらの磁界は、特に、車両に搭載されたシステムを妨害し得る、または放出基準で規定された閾値レベルを超え得る。シールド３１は、銅または銀など、導電性の高い非鉄金属からなるのが好ましい。特に、シールド３１として導電ループを使用することができる。コイル３３およびシールド３１は、エネルギの分散を引き起こす絶縁破壊またはコロナ放電のリスクをさらに減少させるために、１より大きい誘電係数、好ましくは良好な誘電強度を有する適切な誘電材料からなる絶縁スリーブ３５によって分離されるのが好ましい。上記のシールド３１を形成するために、スリーブ３５の外部表面を金属化してもよい。

本発明のある実施形態において、内燃機関の燃料／空気点火システムのための点火器アセンブリは、上方インダクタサブアセンブリを含み、上方インダクタサブアセンブリは、上端と下端との間に延在する管状筺体と、前記上端と前記下端との間の前記筺体内に受けられるインダクタ巻線と、前記筺体の前記上端に隣接する第１の電気コネクタと、前記筺体の前記下端に隣接する第２の電気コネクタとを有し、前記第１の電気コネクタは、前記インダクタ巻線を介して前記第２の電気コネクタと電気的に連通するように構成され、点火器アセンブリはさらに、セラミック絶縁体と前記セラミック絶縁体の少なくとも一部を囲う金属筺体とを有する下方発火端部アセンブリを含み、前記セラミック絶縁体は、端子端部と発火端部との間に延在し、電気端子が前記端子端部から延在して前記第２の電気コネクタと電気的に接触し、電極が前記発火端部から延在し、前記電極は、前記電気端子と電気的に連通するように構成され、点火器アセンブリはさらに、点火器アセンブリからの磁束の発散を防止するために筺体とインダクタ巻線との間に設置される磁気シールドを含む。

本発明の他の実施形態において、燃焼チャンバ内に固定されるように構成されるコロナ点火器装置は、点火器装置の上端と下端との間に延在する筺体と、前記上端と前記下端との間の前記筺体に受けられるインダクタ巻線と、点火器装置からの磁束の発散を防止するためにインダクタ巻線の周りに設置される磁気シールドとを含む。

本発明のある局面において、電磁干渉の放射を制限するために筺体を少なくとも部分的に囲う外部導電シールドが設けられる。

本発明の他の局面において、点火器アセンブリからの磁束の発散を防止するために、磁気シールドは、比較的高い透磁性と低い導電性とを有し、インダクタ巻線を包み込む。

本発明のさらに他の局面において、磁気シールドは、フェライトまたは適切な粉末状金属の材料である。

本発明のさらに他の局面において、磁気シールドは、５００ＫＨｚから５ＭＨｚの周波数範囲において損失が小さく、少なくとも渦電流の損失を制限する電気抵抗率を有する。

本発明のさらに他の局面において、インダクタ巻線は中心コアを囲い、中心コアは透磁性を有し、インダクタ巻線と少なくとも同じ長さを有し、磁気シールドは、中心コアと少なくとも同じ長さを有する。

本発明の他の局面において、磁気シールドは、インダクタ巻線の半径に少なくとも等しい距離だけ中心コアの端部を越えて延在する。

本発明のさらに他の局面において、空隙が磁気シールド材料または中心コアに導入される。

本発明のこれらおよび他の局面、特徴、および利点は、現時点での好ましい実施形態および最良の形態についての以下の詳細な説明、添付の請求項、および添付の図面と合わせて考慮することにより、より容易に理解される。

従来技術に係るコロナ放電点火システムを示す図である。 従来技術に係るコロナ放電燃焼システムの構成部品を示す図である。 本発明に係る点火器アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態に係る図３の点火器アセンブリの展開図である。 本発明の他の実施形態に係る図３の点火器アセンブリの展開図である。 内燃機関に設置された状態で示される図３の点火器アセンブリの断面図である。

好ましい実施形態についての詳細な説明
エンジンのプラグウェルに設置するためのマイクロ波または無線周波（ＲＦ）点火システムの点火器の現在の設計では、シールドまたは導電シリンダヘッドにリンクする磁束によってインダクタンスの大きな損失および減少が起こり、渦電流の大きな損失がもたらされる。これらの問題は、容易に回避できるものではなく、渦電流を減少させる工程によって磁気遮蔽も減少するため、磁界がエンジン構造内にさらに侵入することとなる。本発明は、点火器本体内に磁束を包含し、これによって非制御の渦電流およびインダクタンスの変化を消滅させる。

図３〜図６は、コロナ放電点火器アセンブリとして表され、以下でアセンブリ１０と称される、本発明の一局面に基づき構成された点火器アセンブリを示す。図３は、本発明に係る点火器アセンブリの断面図である。上方インダクタサブアセンブリ２４は、上端４２と下端４４との間の第１の軸Ａ′に沿って延在するプラスチックの管状筺体４０を含む。筺体４０は、ここでは、大きい直径の上方部分４６と、上方部分４６から直径の減少した下方部分４８とを有して示される。上方部分４６の大きさは、コイル５０とも称されるインダクタ巻線の所望の構成を受けるのに適した大きさに設定される。コイル５０は、中心コア５２の周りに巻かれ、筺体４０の上端４２に隣接する第１の電気コネクタ５４および筺体４０の下端４４に隣接する第２の電気コネクタ５６と電気的に連通する。筺体４０とコイル５０との間には、磁気シールド６１があり、図４および図５を参照して以下でより詳細に説明する。外部筺体４０は、外部導電シールド６３によって囲われる。当然のことながら、これらの図は実施形態を示すものであり、限定的なものではない。具体的には、当然ながら磁気シールドは筺体の内側にある必要はなく、遮電壁は筺体の外側にある必要はない。つまり、磁気シールド、遮電壁、および筺体は任意の順序であってもよい。

筺体４０は、高電圧を抑制するために、コイル５０および筺体４０の周囲を加圧ガスまたは樹脂６０のいずれかで満たされる。樹脂６０は、筺体４０の上方部分４６の任意の空隙も満たす、または実質的に満たす。当然ながら、筺体４０は、ここに記載されていない、空気を含む任意の他の材料または組成物で満たされてもよい。筺体４０とシリンダヘッドカバー３２（図６）との間の固定および封止の形成が容易となるように、重合体またはゴムのキャップ６２が、筺体４０の上端４２まわりを周方向に延在し、筺体４０から径方向外側に延在する環状の突起またはリブ６４を有して示される。

上方端子端部７６と下方発火端部７８との間に延在し、これらの間に中心通過経路８０を有する、伸長セラミック絶縁体７４を下方発火端部サブアセンブリ２６は含む。絶縁体７４は、径方向外側にそれぞれ延在する上方ショルダ８４と下方ショルダ８６とを提供する、大きい直径の中間部８２を有する。絶縁体７４は、発火端部７８に集束するテーパ状突出部８８を有する。電気端子９０は、中心通過経路８０内に受けられ、ボア５６の端子端部７６から自由端９１に延在する。自由端９１は、凸状で示され、上方インダクタサブアセンブリ２４の第２の電気コネクタ５６に対して旋回軸上で電気的に連通する。中心電極９２は、中心通過経路８０内で受けられ、発火端部７８から自由放電端９４に延在する。自由放電端９４は、点火器アセンブリ１０がシリンダヘッド１４（図６）内に設置された時に、エンジン１８（図６）の燃焼シリンダ２０内に突出する。端子９０と中心電極９２とは、互いに電気的に連通して構成されている。下方発火端部サブアセンブリ２６は、筺体またはシェル９８とも称される外側金属ジャケットをさらに含む。シェル９８は、固定された状態でセラミック絶縁体７４の少なくとも一部を囲う。

図４は、本発明の一実施形態に係る図３の点火器アセンブリを示す展開図である。透磁性が比較的高いが導電性の低い材料からなる外部層６１（外部磁気シールド）は、点火器本体１０からの相当量の磁束の発出を防止するように、点火器のインダクタの巻線５０を包み込む。これにより、磁束とシリンダヘッドなどの外部導電体（通常は金属）または任意の外部遮電部品とのリンクが防止される。この外部磁界を防止することにより、点火システムの性能を低下させる大きな非制御の損失またはインダクタンスの変化が起こる可能性が回避される。

図４を参照すると、インダクタ巻線５０は、中心コア５２を囲う電気絶縁ボビン上に作られる。当該技術において公知であって上記で説明したように、電気的絶縁および／または機械的支持および／または熱管理の恩恵をもたらすために、インダクタ巻線は、適切な材料で満たされ得る非磁性筺体４０内に設置される。このアセンブリは、エンジンシリンダヘッド１４内の空洞に少なくとも部分的に設置され、点火源（図示されない発火端部）へのアクセスをもたらすように設計される。アセンブリの周りには、電磁（ＥＭ）干渉の放射を制限するように設計された導電シールドまたは遮蔽壁６３を含んでもよい。外部磁気遮蔽シールド６１は、飽和の無い状態でインダクタ巻線５０の磁束を担持するのに十分に大きな断面積を有して含まれる。この材料は、ＭＮ−ＺＮもしくはＮＩ−ＺＮのフェライト、粉末状の鉄、または当該技術において既知の他のタイプなど、任意の適切な既知のタイプからなってもよい。この実施形態において、中心コア５２は、作成時は非磁性材料物質からなる。遮蔽材料は、５００Ｋｈｚから５Ｍｈｚの周波数範囲において損失が小さく、相当量の渦電量の損失を回避するのに十分に高い電気抵抗率を有するのが好ましい。磁束を点火器内に確実に封じ込めるために、外部磁気遮蔽壁６１は、少なくとも電気巻線と同じ長さであり、巻線５０の半径に少なくとも等しい距離だけ電気巻線の端部を越えて延在するのが好ましい。材料は、点火器の形状に応じて所望の最終インダクタンスをもたらすように選択された比誘電率を有してもよい。

より高いインダクタンスが必要な場合において、コア材料５２は、図５に示されるように、透磁性としてもよい。この場合において、中心コア５２が少なくとも巻線５０と同じ長さであると有利であり、外部磁気シールド６１は、コア５２と少なくとも同じ長さとすべきであり、巻線５０の半径に少なくとも等しい距離だけコア５２の端部を越えて延在するのが好ましい。中心コア５２は、磁気シールド６１と同じ材料である必要はない。

磁気回路のインダクタンスは、磁気シールド６１もしくは中心コア５２に空隙を導入する方法、または飽和を制御するために断面を小さくする方法など、通常の方法によってさらに制御されてもよい。外部磁気シールド６１に導入される任意の間隙は、外部シールド６１とインダクタ巻線５０とエンジン構造１４との間の間隙と比較すると小さい。

外部磁気シールド６１は、点火器からの損失を大きく減少させ、外部構成部品（たとえば、金属遮蔽壁またはシリンダヘッド構成部品）に対する感度を抑え、磁気性能及び電気性能が良好に制御された挙動を提供することができる。必然的に、この外部磁気遮蔽の方法は、たとえばインダクタがエンジンのプラグウェルの外に搭載される場合にインダクタのフォームファクタが異なるマイクロ波／無線周波（ＲＦ）点火システムにも有利に適用することができる。

図６に示されるように、アセンブリ１０は、内燃機関１８のエンジンブロック１６に接合されるように構成されたシリンダヘッド１４の点火器ボア１２内に搭載されるように構成されている。エンジンブロック１６は、ピストン（図示せず）が往復運動をする燃焼シリンダ２０を含む。エンジン１８は、複数のこのような燃焼シリンダ２０および関連するピストンを含んでもよい。点火器ボア１２は、真っ直ぐな軸に沿って延在するように構成することができる、または、望まれる場合、たとえば弁アセンブリ２３が受けられる燃焼シリンダ２０および／または弁ボア２１内に燃料／空気混合物を噴射するために燃料噴射ヘッド（図示せず）が受けられる燃料噴射器ボア１９などの他の隣接するエンジンの機構を回避することが望まれる場合などにおいては、複数の非平行な軸に沿って延在させてもよい。当然ながら、実際はこの実施形態は単なる例示であり、これに限定されるものではない。

法的基準に基づいて上の発明について説明した。このため、説明は実際には例示であって限定ではない。開示された実施形態の変形および変更は、当業者にとって明らかとなり得て、本発明の範囲内となる。このため、本発明の法的保護範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ判定される。

Claims (21)

1. 内燃機関の燃料／空気点火システムのための点火器アセンブリであって、
   インダクタサブアセンブリを備え、インダクタサブアセンブリは、上端と下端との間に延在する筺体と、前記上端と前記下端との間の前記筺体内に受けられるインダクタ巻線と、第１の電気コネクタと、第２の電気コネクタとを有し、前記第１の電気コネクタは、前記インダクタ巻線を介して前記第２の電気コネクタと電気的に連通するように構成され、点火器アセンブリはさらに、
   セラミック絶縁体と前記セラミック絶縁体の少なくとも一部を囲う金属筺体とを有する発火端部サブアセンブリを備え、前記セラミック絶縁体は、端子端部と発火端部との間に延在し、電気端子が前記端子端部に沿って延在して前記第２の電気コネクタと電気的に接触し、電極が前記発火端部において延在し、前記電極は、前記電気端子と電気的に連通するように構成され、点火器アセンブリはさらに、
   点火器アセンブリからの磁束の発散を防止するために前記インダクタ巻線に沿って設置される磁気シールドを備える、点火器アセンブリ。
2. 電磁干渉の放射を制限するために前記インダクタ巻線の周りに導電シールドをさらに備える、請求項１に記載の点火器アセンブリ。
3. 点火器アセンブリからの磁束の発散を防止するために、磁気シールドは、比較的高い透磁性と低い導電性とを有し、実質的にインダクタ巻線を包み込む、請求項１に記載の点火器アセンブリ。
4. 磁気シールドは、ＭＮ−ＺＮ、ＮＩ−ＺＮ、および粉末状の鉄のうちの少なくとも１つを含むフェライト材料である、請求項３に記載の点火器アセンブリ。
5. 磁気シールドは、５００ＫＨｚから５ＭＨｚの周波数範囲において損失が低く、少なくとも渦電流の損失を制限する電気抵抗率を有する、請求項３に記載の点火器アセンブリ。
6. インダクタ巻線は、中心コアを囲い、中心コアは、透磁性を有し、インダクタ巻線と少なくとも同じ長さを有し、磁気シールドは、中心コアと少なくとも同じ長さを有する、請求項１に記載の点火器アセンブリ。
7. 磁気シールドは、インダクタ巻線の半径に少なくとも等しい距離だけ中心コアの端部を越えて延在する、請求項６に記載の点火器アセンブリ。
8. １つ以上の間隙が磁気シールドおよび／またはコア材料に導入される、請求項６に記載の点火器アセンブリ。
9. 中心コアは、少なくとも１つの半径分だけ巻線よりも長い、請求項６に記載の点火器アセンブリ。
10. 中心コアが磁性を有する場合、磁気シールドは、１つの半径分だけ巻線または中心コアを越える、請求項６に記載の点火器アセンブリ。
11. 燃焼チャンバ内に固定されるように構成されるコロナ点火器装置であって、
    点火器装置の上端と下端との間に延在する筺体と、
    前記上端と前記下端との間の前記筺体に受けられるインダクタ巻線と、
    点火器装置からの磁束の発散を防止するためにインダクタ巻線の周りに設置される磁気シールドとを備える、コロナ点火器装置。
12. 電磁干渉の放射を制限するために前記インダクタ巻線の周りに導電シールドをさらに備える、請求項１１に記載の点火器装置。
13. 点火器アセンブリからの磁束の発散を防止するために、磁気シールドは、比較的高い透磁性と低い導電性をと有し、実質的にインダクタ巻線を包み込む、請求項１１に記載の点火器装置。
14. 磁気シールドはフェライト材料である、請求項１１に記載の点火器装置。
15. 磁気シールドは、５００ＫＨｚから５ＭＨｚの周波数範囲において損失が小さく、少なくとも渦電流の損失を制限する電気抵抗率を有する、請求項１１に記載の点火器装置。
16. インダクタ巻線は、中心コアを囲い、中心コアは、透磁性を有し、インダクタ巻線と少なくとも同じ長さを有し、磁気シールドは、中心コアと少なくとも同じ長さを有する、請求項１１に記載の点火器装置。
17. 磁気シールドは、インダクタ巻線の半径に少なくとも等しい距離だけ中心コアの端部を越えて延在する、請求項１６に記載の点火器装置。
18. １つ以上の間隙が磁気シールドおよび／またはコア材料に導入される、請求項１６に記載の点火器装置。
19. 中心コアは、少なくとも１つの半径分だけ巻線より長い、請求項１６に記載の点火器装置。
20. 中心コアが磁性を有する場合、磁気シールドは、１つの半径分だけ巻線または中心コアを越える、請求項１６に記載の点火器装置。
21. フェライト材料は、ＭＮ−ＺＮ、ＮＩ−ＺＮ、および粉末状の鉄のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の点火器装置。
    

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