JP2016522866A - プラズマヘッダーガスケットおよびシステム - Google Patents

Abstract

内燃エンジンとともに使用するためのプラズマヘッダーガスケットは、エンジン中のピストン形シリンダに対応するガスケット中の開口の周辺に配置された電極を含む。電極は、燃焼効率を増加させるために、エンジンに合わせてプラズマスパークを生成する。プラズマスパークは、様々なタイプのエンジンおよび燃料と適合性のある点火放電をもたらす。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、エンジンブロックとエンジンヘッダー間の使用のためのガスケットに関する。ガスケットは、ピストン形シリンダに対応する開口部に配置された電極を含む。電極は、燃焼の効率を増加させるために、他の点火パラメーター、即ち、点火プラグまたは圧縮に合わせてスパークする（ｓｐａｒｋ）。

標準の内燃（ＩＣ）エンジンの基本操作は、燃料または燃焼工程のタイプ、シリンダの量、および所望の使用／機能性に基づいて、幾らか変わる。ガソリンなどの特定のタイプの燃料は、燃焼を開始するために点火プラグからなどのスパークを必要とする。ディーゼルなどの他のタイプの燃料は、空気の温度を上げるために圧縮を必要とするだけであり、これか結果的に、導入されたときにディーゼルの自然燃焼をもたらす。ディーゼルエンジンは、熱を加えて、冷間時のディーゼルエンジン中の燃焼を開始するために、グロープラグを含む。エンジンはまた、数例を挙げると、バイオディーゼル、液体天然ガス、液化石油ガス、圧縮天然ガスおよびエタノールなどの、代替燃料を使用するように設計されてもよい。これらのタイプの燃料のすべての燃焼は、通常、燃焼後に幾つかの残留物、未燃焼の燃料および他の成分を残す。

従来の２ストロークエンジンにおいて、オイルは、クランクケースに入る前に、燃料および空気と予め混合される。オイル／燃料／空気の混合物は、吸気中にピストンによって生成される真空によってクランクケースへと吸引される。オイル／燃料の混合物は、クランクケース中のシリンダ壁、クランクシャフトおよびコンロッド軸受のための潤滑を提供する。燃料は、その後、圧縮され、点火プラグによって点火されて、燃料を燃やす。ピストンは、その後、下方に押され、排気ガスは、ピストンが排気口を露出すると、シリンダを出ることが可能となる。ピストンの運動は、クランクケース中の残りのオイル／燃料を加圧し、追加の新しいオイル／燃料／空気がシリンダになだれ込むことを可能にし、それによって、残りの排気ガスを排気口から押し出す。プロセス自体が繰り返されると、推進力によってピストンは圧縮行程に戻る。４ストロークエンジンにおいて、クランクシャフトおよびコンロッド軸受のオイル潤滑は、燃料／空気の混合物とは別である。ここで、クランクケースは、主に空気とオイルで満たされている。別々のソースから燃料と空気を受け、混合するのは、吸気マニホルドである。吸気マニホルド中の燃料／空気の混合物は、燃焼チャンバーへと吸引され、ここで、該混合物は、点火プラグによって点火され、燃やされる。両方のタイプのエンジンは、燃料を消費するためにスパークを利用し、および燃焼チャンバー中に残留物、未燃焼の燃料および他の成分を残す。

したがって、ほとんどのタイプの燃料を燃やすほとんどのタイプのエンジン中の燃焼効率を増加させる、改善された点火システムがかなり必要とされている。そのような点火システムは、理想的に、改造設計用の既存の先行技術の点火システムと連動して機能する他に、独立型システムとして相手先商標製造会社（ｏｒｉｇｉｎａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ）に利用可能である。改善された点火システムは、エンジンと内燃エンジンのヘッダーブロックとの間で使い捨ての、およびガスケットのピストン形シリンダの開口に配置された電極を示すイグナイターを有する、プラズマヘッダーガスケットを含むべきである。マイクロプロセッサー制御ユニットおよびプラズマ増幅器は、プラズマスパーク（１回の放電当たり２００アンペア以上を生成するプラズマスパーク）を生成するために、先行技術の点火システムによって典型的に生成されるスパークを増大させる。本発明は、これらの必要性を満たし、さらなる関連する利点を提供する。

本発明は、先行技術のヘッダーガスケットに類似した、内燃エンジンのエンジンブロックとヘッダーブロックとの間の配置のために構成されたプラズマヘッダーガスケットに関する。プラズマヘッダーガスケットは、先行技術のヘッダーガスケットに類似した、内燃エンジンのエンジンブロック中のピストン形シリンダに対応する開口を有する積層基板を含む。１対の導体は、基板と関連付けられ、イグナイターに電気接続されている。イグナイターは、開口に配置される電極間隙を画定する１対の露出電極を含む。異なるタイプの電導性被覆材が、白金、ステンレススチール、他の貴金属、およびそれらの合金などの、電極に適用されてよい。

基板は、誘電体層を含み、１対の導体が、該誘電体層間に配置された導電性の回路トレースになっている。好ましくは、接続ブロックが、基板上に配置され、１対の導体に電気接続される。回路トレースは、イグナイターを接続ブロックに電気接続する。プラズマヘッダーガスケットはまた、開口に関連付けられ、基板に関連付けられる二次導体によって接続ブロックに電気接続された、温度センサーを含む。

プラズマヘッダーガスケットは、基板に関連付けられ、接続ブロックに電気接続された、複数の対の導体を含んでもよい。プラズマヘッダーガスケットはまた、複数のイグナイターを含んでもよく、その各々は、複数の対の導体の１つに電気接続される。複数のイグナイターの各々は、開口に配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含む。

積層基板は、複数の開口を有してよく、各開口は、エンジンブロック中の複数のピストン形シリンダの１つに対応している。複数の開口および複数のイグナイターを有することで、複数のイグナイターの各々は、複数の開口の１つに配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含む。そのような場合、複数のイグナイターの各々は、複数の対の導体のそれぞれの１つに一体となって電気接続される。

本発明のプラズマヘッダーガスケットシステムは、上に記載されるようなプラズマヘッダーガスケットを含み得、さらに、接続ブロックに電気接続されたマイクロプロセッサー制御ユニットを含み得る。マイクロプロセッサー制御ユニットは、ピストン形シリンダ中のピストンに合わせてイグナイターをスパークするようにプログラムされる。プラズマ増幅器は、イグナイターに電気接続され、マイクロプロセッサー制御ユニットによって制御可能である。マイクロプロセッサー制御ユニットがイグナイターをスパークするときに、プラズマ増幅器は、イグナイターを介してプラズマスパークを生成する。マイクロプロセッサー制御ユニットは、対応するピストン形シリンダにおいて燃焼の渦を作り出すために特定の開口のまわりで連続して複数のイグナイターをスパークするようにプログラムされてもよい。

本発明の他の機能および利点は、ほんの一例ではあるが本発明の原理を示す添付図面と合わせて得られる、以下のより詳細な説明から明らかとなる。

添付図面は本発明を例証する。

独創性のあるプラズマヘッダーガスケットを組み込む内燃エンジンの周囲を含む（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ）分解斜視図である。 本発明のプラズマヘッダーガスケットの分解斜視図である。 円２ａによって指定された図２のクローズアップ図である。 本発明のプラズマヘッダーガスケットの回路トレースを有する積層体（ｌａｍｉｎａｔｅｓ）の１つの斜視図である。 円３ａによって指定された領域の図３のクローズアップ図である。 本発明の独創性のあるプラズマヘッダーガスケットシステムの略図である。

例証目的で図面に示されるように、プラズマヘッダーガスケットに関する本発明は、全体的に参照符号１０によって言及される。図１では、プラズマヘッダーガスケット１０は、エンジンブロック１２とエンジンヘッダー１４の間に配置されるものとして例証されている。プラズマヘッダーガスケット１０は、エンジンブロック１２中の４つのピストン形シリンダ１８に対応する４つの開口１６を含んでよい。描写されていないが、当業者によって理解されるように、エンジンヘッダー１４中に対応するヘッダーシリンダがある。プラズマヘッダーガスケット１０はまた、エンジンヘッダー１４をエンジンブロック１２に固定するコネクター（図示せず）を収容するための複数のボルト開口２０を含む。

図１はまた、車両上のエンジン室と客室の間に存在するような、防火壁２２を例証している。マイクロプロセッサー制御ユニット２４が、好ましくは、防火壁２２に取り付けられ、プラズマヘッダーガスケット１０に電気接続される。点火コイル２６も、エンジン室に含まれ、マイクロプロセッサー制御ユニット２４に電気接続される。これらの構成要素の相互接続は、以下により詳細に記載される。

図１に描写されるエンジンは、典型的なディーゼルエンジンを描写するように意図される。しかしながら、本発明のプラズマヘッダーガスケット１０は、２ストロークまたは４ストロークのエンジンであろうと、他のタイプの内燃エンジンとの適合性があり得るか、あるいは燃焼する代替燃料、即ち、数例を挙げると、ガソリン、ディーゼル、バイオディーゼル、液体天然ガス、液化石油ガス、圧縮天然ガス、またはエタノールとの適合性があり得る。

図２は、本発明のプラズマヘッダーガスケット１０の分解図を例証している。プラズマヘッダーガスケット１０は、少なくとも上部積層体２８および下部積層体３０を含む積層構造である。１対の導体３２は、上部積層体２８または下部積層体３０のいずれかに配置される。これらの１対の導体３２は、典型的な電気接続において見られるような、正および負の電気通信路を提供するように構成されている。１対の導体３２の一端３２ａは、開口１６に配置されたイグナイター３４に接続される。図２ａのクローズアップで示されるように、イグナイター３４は、その周囲（ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ）から開口１６へと伸張し、開口１６中の電極間隙３８を画定する、１対の露出電極３６を有する。１対の導体３２の他端３２ｂは、積層体３０の縁部分３０ａに伸長し、ここでそれらは、接続ブロック４０に連結される。接続ブロック４０は、以下により詳細に記載されるプラズマヘッダーガスケットシステムの他の構成要素へのプラズマヘッダーガスケット１０の接続を促進する。

図３は、プラズマヘッダーガスケット１０の下部積層体３０の代替的な実施形態を例証している。本実施形態では、プラズマヘッダーガスケットは、６つの開口１６を含んでいる。先の実施形態では、プラズマヘッダーガスケット１０は、４つの開口１６を含んだ。エンジンブロック１２にピストン形シリンダ１８が存在し得るために、プラズマヘッダーガスケット１０が、任意数の開口１６とともに構成され得ることを、当業者は認識するだろう。したがって、１、２、３、４、６、８または任意数の開口１６を有するプラズマヘッダーガスケット１０が作り出されてもよい。

当業者また、プラズマヘッダーガスケット１０中の開口１６の各々が、各開口１６中の４つのイグナイター３４とともに例証されることを観察するだろう。当業者は、任意の単一の開口１６に関連付けられるイグナイター３４が、エンジンのサイズ及び／又は構成が許す限り、１つ以上のイグナイター３４を含み得ることを認識するだろう。単一の開口１６が複数のイグナイター３４を含むときに、特定の開口１６に関連付けられるイグナイター３４の各々は、好ましくは、単一の１対の導体３２または複数の対の導体３２のいずれかによって、接続ブロック４０中の単一の端末に一体となって接続される。代替的に、単一の開口１６に関連付けられる複数のイグナイター３４から実行される別の１対の導体３４が、各々、接続ブロック４０中の別の端末に接続されてもよいが、好ましくは、エンジンに合わせてほぼ同時にスパークするようにマイクロプロセッサー制御ユニット２４によって協調して制御される。さらに、単一の開口１６に関連付けられる複数のイグナイター３４は、任意の予め決められた順序でスパークするようにプログラムされてもよい。例えば、単一の開口１６中の複数のイグナイター３４は、対応するピストン形シリンダ１８中に燃焼の渦を作り出すために、開口１６の周辺で連続してスパークするようにプログラムされてもよい。

図３はさらに、各イグナイター３４の電極３６間に配置された温度センサー４２を例証している。図３ａは、クローズアップで、イグナイター３４、電極３６、間隙３８、およびセンサー４２を示している。温度センサー４２は、二次導体４４によって接続ブロック４０に接続されている。温度センサーは、ピストン形シリンダ１８中の燃焼の温度を検知し、報告する。この情報を受信すると、マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、さらに以下に記載されるように、各電極に対するプラズマスパークを不十分に（ｕｎｄｅｒ）又は過度に（ｏｖｅｒ）補うことによって、燃焼温度を調整するようにプログラムされ得る。１つの開口１６につき少なくとも１つの温度センサー４２があることが好ましい。
特定のピストン形シリンダ１８中のシリンダ圧力を測定するために、圧力センサーなどの他のセンサーが含まれてもよい。マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、これらの環境センサーのすべてからのデータを取得するように構成されている。マイクロプロセッサー制御ユニット２４はまた、エンジンのＲＰＭを認識するように、タコメーターセンサーへの接続部を有してもよい。

図４は、独創性のあるプラズマヘッダーガスケット１０を組み込むシステム４６を概略的に例証している。例証されるように、システム４６は、様々な数のピストン形シリンダを有するエンジン用に設計されてもよい。図４の右側は、４つのシリンダまたは６つのシリンダのいずれかを有する、およびエンジンヘッダー１４に対応する、エンジンブロック１２を交互に例証している。プラズマヘッダーガスケット１０は、エンジンブロック１２中のシリンダ数に依存する開口１６の対応する番号を有する。これらの代替的なプラズマヘッダーガスケット１０実施形態は、システム４６の残部への類似した接続部を有している。

システム４６は、エンジン室の防火壁２２上またはその近くに取り付けられたマイクロプロセッサー制御ユニット２４を含む。マイクロプロセッサー制御ユニットは、好ましくは、動的なエンジン制御装置（ＥＣＵ）モジュール４８、動的な点火（ＩＧＮ）モジュール５０および代替燃料プロセッサー５２を含む。システム４６は、点火システムとして、新しいエンジン、既存の点火システムと平行して機能させるための改造エンジン（ｒｅｔｒｏｆｉｔ）、または既存の点火システムの完全な代替としての改造エンジンに導入されてもよい。

既存のエンジンへの改造エンジンの場合には、マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、ＯＥＭ ＥＣＵ ５４、点火コイル２６、バッテリー５６、および適切な電気的アース５８を含む、既存の点火システムへとつなげられる。そのような改造システムでは、動的なＥＣＵモジュール４８および動的なＩＧＮモジュール５０は、既存の点火源、例えば、点火プラグまたは圧縮に合わせてプラズマヘッダーガスケット１０上のイグナイター３４をスパークするように、既存のＯＥＭ ＥＣＵ ５２および点火コイル２６と機能するようにプログラムされる。この構成の意図は、ピストン形シリンダ１８で生じる燃焼の効率を改善することである。

マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、その電気接続部６０を介してプラズマヘッダーガスケット１０からセンサーデータを受信する。電気接続部６０は、データ接続部６２を含み、それによって、マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、プラズマヘッダーガスケット１０およびその様々なセンサーによって測定され得る、温度、圧力および他のパラメーターのデータを受信する。ＲＰＭ接続部６４は、イグナイター３４のスパークをエンジンのタイミングと合わせる際のマイクロプロセッサー制御ユニット２４の助けとなるために、エンジン中の既存のタコメーターセンサーからのデータを受信する。スパーク接続部６６は、接続ブロック４０に電導性を提供し、これは順に、１対の導体３２を通ってイグナイター３４に渡される。

このスパーク接続部６６は、マイクロプロセッサー制御ユニットからの高圧電流を伝える。高圧電流は、イグナイター３４の電極間隙３８中でプラズマスパークを生成するように構成されている。先行技術の点火システムは、典型的に、汎用の点火システムの場合におよそ１５ミリアンペア、または複合のスパーク放電点火システムの場合に３０ミリアンペアのスパークを生成した。本発明のプラズマヘッダーガスケットシステム４６は、１回の放電当たりおよそ２００アンペアの電流を有するスパークを生成するように構成されている（典型的な先行技術の点火システムの電流の１万倍以上）。動的なＩＧＮモジュール５０は、点火システム４６によって供給された電流を増大させるように、および結果として燃焼効率の増加をもたらすより大きなスパークを生成するように設計されたプラズマ回路を含む、プラズマ電力モジュール６８を含む。

上に記載されるように、温度センサー４２は、ピストン形シリンダ１８中の燃焼の温度を測定する。センサー４２は、二次導体４４およびデータ接続部６２を介して信号をマイクロプロセッサー制御ユニット２４に送信する。マイクロプロセッサー制御ユニット２４は、ピストン形シリンダ１８中の点火の温度を増加または低下させるために、イグナイター３４中の放電電流を過度に又は不十分に補うように、プラズマ電力モジュール６８の出力を調節することができる。

前に示唆したように、独創性のあるシステム４６は、あらゆるタイプの、燃料を燃やす内燃エンジン、即ち、ガソリンまたはディーゼル、あるいは燃料の燃焼を必要とするあらゆる他のエンジン上に設置されてよい。システム４６は、ガソリンエンジンに設置される場合、ピストンの点火順序の確立に既存の配電器および点火コイル２６を使用することができる。システム４６は、ディーゼルエンジン上に設置される場合、点火順序をマイクロプロセッサー制御ユニット２４へと予めプログラムすることによってシミュレートする。マイクロプロセッサー制御ユニット２４に休止タイミングなど点火パラメーターでプログラムすることができる。そのようなプログラミングによって、既存の配電器またはローターがシステム４６に結合されることのない、シミュレートされた点火順序が可能となる。

プラズマヘッダーガスケットシステム４６を加えることで、ディーゼルエンジンは、燃焼のための圧縮に対する燃焼のためのスパークを必要とする他のタイプの燃料を燃やすように構成され得る。代替燃料プロセッサー５２は、これらの他のタイプの燃料での燃焼を開始するために必要なパラメーターとともにプログラムされ得る。プラズマヘッダーガスケットシステム４６はまた、圧縮によって開始された燃焼に加えてディーゼル燃料をより完全に燃焼するのに十分な温度を有しているプラズマスパークを生成し得る。プラズマヘッダーガスケット１０の厚さは、様々なエンジン中の圧縮比を変更するように調節されてよい。既存の点火プラグを備えるエンジンの場合には、プラズマヘッダーガスケット１０は、既存の点火プラグとともに、または既存の点火プラグの代わりに設置されてもよい。プラズマヘッダーガスケット１０はまた、既存のエンジンをエンジン室から除去することなく、その上に設置されてもよい。プラズマヘッダーガスケット１０の設置の間にエンジンヘッダー１４を除去する及び／又は取り替える必要があるだけかもしれない。

プラズマヘッダーガスケット１０上にイグナイター３４を加えることで、ピストン形シリンダ１８中でよりクリーンな燃焼をもたらす追加の点火源が導入される。このよりクリーンな燃焼は、燃焼から結果として生じる有害な排気を劇的に減少させる。この改善は、芝刈り機、リーフブロワー、船外機およびオートバイなどの、２ストロークエンジンにとって特に重要である。よりクリーンな燃焼はまた、排気システムを介して渡される燃焼からの微粒子を劇的に減少させる。

幾つかの実施形態が、例示目的で詳細に記載されているが、様々な変更が、本発明の範囲および精神から逸脱することなくなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項以外によって制限されない。

Claims (20)

1. プラズマヘッダーガスケットであって、該プラズマヘッダーガスケットが、
   エンジンブロック中のピストン形シリンダに対応する開口を有する、積層基板；
   基板に関連付けられる１対の導体；
   １対の導体に電気接続されたイグナイターであって、開口に配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含む、イグナイター、を含む、
   プラズマヘッダーガスケット。
2. 基板が、誘電体層を含み、１対の導体が、誘電体層間に配置された導電性の回路トレースを含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマヘッダーガスケット。
3. 基板上に配置され、１対の導体に電気接続された、接続ブロックをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマヘッダーガスケット。
4. 回路トレースが、イグナイターを接続ブロックに電気接続することを特徴とする、請求項３に記載のプラズマヘッダーガスケット。
5. 開口に関連付けられ、基板に関連付けられる二次導体によって接続ブロックに電気接続された、温度センサーをさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載のプラズマヘッダーガスケット。
6. 基板に関連付けられ、接続ブロックに電気接続された、複数の対の導体を含むことを特徴とする、請求項３に記載のプラズマヘッダーガスケット。
7. 各々が複数の対の導体の１つに電気接続された複数のイグナイターを含み、複数のイグナイターの各々が、開口に配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含むことを特徴とする、請求項６に記載のプラズマヘッダーガスケット。
8. 積層基板が、複数の開口を有し、各開口が、エンジンブロック中の複数のピストン形シリンダの１つに対応していることを特徴とする、請求項６に記載のプラズマヘッダーガスケット。
9. 各々が複数の対の導体の１つに電気接続された複数のイグナイターを含み、複数のイグナイターの各々が、複数の開口の１つに配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含むことを特徴とする、請求項８に記載のプラズマヘッダーガスケット。
10. 複数のイグナイターの各々が、複数の対の導体のそれぞれ１つと一体となって電気接続されることを特徴とする、請求項９に記載のプラズマヘッダーガスケット。
11. プラズマヘッダーガスケットシステムであって、該プラズマヘッダーガスケットシステムが、
    エンジンブロック中のピストン形シリンダに対応する開口を有する、積層基板；
    基板に関連付けられる１対の導体；
    １対の導体に電気接続されたイグナイターであって、開口に配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含む、イグナイター；
    基板上に配置され、１対の導体に電気接続された、接続ブロック；
    接続ブロックに電気接続されたマイクロプロセッサー制御ユニットであって、ピストン形シリンダ中のピストンに合わせてイグナイターをスパークするようにプログラムされる、マイクロプロセッサー制御ユニット；および
    イグナイターに電気接続され、マイクロプロセッサー制御ユニットによって制御可能な、プラズマ増幅器であって、マイクロプロセッサー制御ユニットがイグナイターをスパークするときに、イグナイターを介してプラズマスパークを生成する、プラズマ増幅器、を含む、
    プラズマヘッダーガスケットシステム。
12. 基板が、誘電体層を含み、１対の導体が、誘電体層間に積層された導電性の回路トレースを含むことを特徴とする、請求項１１に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
13. 回路トレースが、イグナイターを接続ブロックに電気接続することを特徴とする、請求項１２に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
14. 開口に関連付けられ、基板に関連付けられる二次導体によって接続ブロックに電気接続された、温度センサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
15. 基板に関連付けられ、接続ブロックに電気接続された、複数の対の導体を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
16. 各々が複数の対の導体の１つに電気接続された複数のイグナイターを含み、複数のイグナイターの各々が、開口に配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
17. 積層基板が、複数の開口を有し、各開口が、エンジンブロック中の複数のピストン形シリンダの１つに対応していることを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
18. 各々が複数の対の導体の１つに電気接続された複数のイグナイターを含み、複数のイグナイターの各々が、複数の開口の１つに配置された電極間隙を画定する１対の露出電極を含むことを特徴とする、請求項１７に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
19. 複数のイグナイターの各々が、複数の対の導体のそれぞれ１つと一体となって電気接続されることを特徴とする、請求項１８に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。
20. マイクロプロセッサー制御ユニットが、対応するピストン形シリンダにおいて燃焼の渦を作り出すために特定の開口のまわりで連続して複数のイグナイターをスパークするようにプログラムされることを特徴とする、請求項１９に記載のプラズマヘッダーガスケットシステム。

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