JP2018198209A

JP2018198209A - コロナ点火装置のための摩耗保護機構

Info

Publication number: JP2018198209A
Application number: JP2018131614A
Authority: JP
Inventors: バローズ，ジョン・エイ; a burrows John; ミクセル，クリスタファー; Mixell Kristapher
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN105164878A; CN105164878B; JP2016519391A; CN107453211A; US9945347B2; EP2973900A1; BR112015023085A2; KR20150129036A; WO2014145184A1; US20140261270A1; CN107453211B; JP6370877B2; EP3382831A1; BR112015023085A8; EP2973900B1

Abstract

【課題】コロナ点火装置の電極と、接地されたエンジン内部位の間で発生するアークによる、電極先端部の浸食や腐食損傷から電極を保護する。【解決手段】コロナ点火装置２０は、中心軸Ａに沿って延在する中心延長部材２２を有する電極と、中心延長部材から径方向外方に延在するクラウン３４とを含む。中心延長部材は、延長長さを有し、クラウンはクラウン長さを有する。延長部材がクラウンよりも密接してピストンに接近するように、延長長さはクラウン長さよりも長い。その上、クラウンの着火先端部の各々は、中心延長部材の第２の球半径よりも小さい第１の球半径を示す。したがって、アーキングが生じる場合、クラウンからではなく中心延長部材から生じる。そのため、クラウンの着火先端部は摩耗をあまり受けず、鋭いままである。その上、球半径の寸法により、コロナ放電は、中心延長部材からよりも着火先端部から生じる可能性が高い。【選択図】図１

Description

関連する出願の相互参照
本願は、２０１３年３月１５日付けで提出された米国仮特許出願番号第６１／７９９，１１７号の利益を主張し、その全内容を引用によって本明細書に援用する。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は概して、高周波電界を発して混合気をイオン化し、かつコロナ放電をもたらすためのコロナ点火装置、コロナ放電点火システム、およびそれを製造する方法に関する。

２．関連する技術
コロナ放電点火システムのコロナ点火装置は、電源から電圧を受取り、コロナを生じさせる電界を発して、内燃機関の燃料および空気の混合物をイオン化する。点火装置は、電極末端から電極着火端部まで長手方向に延在する電極を含む。絶縁体が中心電極に沿って配置され、シェルが絶縁体に沿って配置される。

電極末端は電源から電圧を受取り、電極着火端部は、コロナを生じさせる電界を発する。コロナ点火装置の電極は、電界を発するために着火端部においてクラウンも含み得る。電界は、少なくとも１つのストリーマと、典型的に、コロナを生じさせる複数のストリーマとを含む。空気および燃料の混合物は、電極着火端部から生成される高電界の全長に沿って点火される。コロナ点火装置の一例は、Ｌｙｋｏｗｓｋｉ他の米国仮特許出願公開番号ＵＳ２０１０／００８３９４２に開示されている。

理想的なコロナ点火システムでは、燃焼室内のコロナ点火装置の金属部分の腐食および／または侵食が小さい。なぜなら、コロナ放電は、従来のスパークの放電と関連付けられる高電流および高温を有していないからである。コロナ点火装置はクラウンの着火先端部に近接したいずれかの接地された電極要素を含まないが、いくつかの用途では、着火先端部に接近するエンジン部品は接地されている。したがって、コロナ点火装置と接地された部品との間で、アーキングとも称されるアーク生成を回避することは必ずしも可能ではない。アークが生じる場合、アーク生成と関連付けられる高電流および温度は、クラウンの着火先端部に何らかの侵食および／または腐食損傷を引起し得る。時間がたつにつれて、侵食および／または腐食損傷は、コロナ生成および燃焼の質を低下させ得る。

発明の一局面は、コロナを生じさせる電界を発するために中心軸に沿って延在する電極と、電極の周りに配置される電気的絶縁材料で形成され、絶縁体着火端部まで中心軸に沿って延在する絶縁体と、絶縁体の周りに配置された金属材料で形成されたシェルとを備えるコロナ点火装置を提供する。電極は、中心着火端部まで中心軸に沿って長手方向に延在する中心延長部材を含む。電極は、絶縁体着火端部の外方に配置されたクラウンも含む。クラウンは、中心延長部材の径方向外方に延在する少なくとも１つの分岐を含む。クラウンは、頂面から少なくとも１つの着火先端部まで中心軸に沿って延在する。クラウンは、頂面と少なくとも１つの着火先端部との間にクラウン長さを示し、中心延長部材は、クラウンの頂面から中心着火端部まで延在する延長長さを示す。クラウン長さおよび延長長さは、中心軸と平行である。中心延長部材によって示される延長長さは、クラウンによって示されるクラウン長さよりも長い。

発明の別の局面は、延長長さがクラウン長さよりも長いコロナ点火装置を含むコロナ放電点火システムを提供する。システムは、コロナ点火装置を収容するための開口部を示すシリンダヘッドと、シリンダヘッドに対向して配置され、その間に空間を示すピストンと、シリンダヘッドに接続され、ピストンを包囲するシリンダブロックとを含む。シリンダヘッド、シリンダブロックおよびピストンは、その間に燃焼室を示す。コロナ点火装置は、中心延長部材の中心着火端部およびクラウンが燃焼室に配置されるように、シリンダヘッドの開口部に位置する。

発明のさらに別の局面は、コロナ放電システムで使用されるコロナ点火装置を製造する方法を提供する。当該方法は、延長長さがクラウン長さよりも長くなるように中心延長部材を提供するステップを含む。

延長長さがクラウン長さよりも長い中心延長部材を含むコロナ点火装置は、中心延長部材のない比較のためのコロナ点火装置に対していくつかの利点を提供する。ピストンなどの接地された部品が中心延長部材の中心着火端部およびクラウンの着火先端部に接近した時、アークが生じる場合、クラウンの着火先端部と比較して、中心延長部材の延長長さ、接地された部品への近接、およびそれ故により高い電界強度により、ピストンと中心延長部材の中心着火端部との間に優先的に生じることになる。したがって、アーキングが生じる場合、クラウンの着火先端部に対する腐食および侵食損傷が減少される。

さらに、接地された部品がコロナ点火装置から遠い状況では、中心延長部材は、コロナストリーマをそれらが生じるにつれてはね返す傾向があり、それによって、より大きい容積のコロナ放電をもたらし、ピストンに接近しアークを生じさせるコロナ放電の傾向を減少させる。

図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、添付図面に関連して考慮されると以下の詳細な説明の参照によってよりよく理解されるようになるため、容易に認識されるであろう。

発明の１つの例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の一部分の断面図である。図１のコロナ点火装置のクラウンの底面図である。図１のコロナ点火装置の中心延長部材およびクラウンの拡大図である。第１の球半径を示す図１のコロナ点火装置のクラウンの着火先端部の拡大図である。第２の球半径を示す図１のコロナ点火装置の中心延長部材の中心着火端部の拡大図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。発明の他の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の部分の断面図である。コロナ点火装置がピストンから離間された時の、図１のコロナ点火装置を含むコロナ放電点火システムの断面図である。比較のためのコロナ点火装置が図１２Ａのコロナ点火装置と同じ距離だけピストンから離間された時の、本発明の中心延長部材のない比較のためのコロナ点火装置を含むコロナ点火システムの断面図である。コロナ点火装置がピストンに近い時の、図１のコロナ点火装置を含むコロナ点火システムの断面図である。比較のためのコロナ点火装置が図１３Ａのコロナ点火装置と同じ位置にある時の、図１２Ｂの比較のためのコロナ点火装置を含むコロナ点火システムの断面図である。コロナ点火装置がピストンから距離をおいて配置された時にコロナ放電をもたらす発明の別の例示的な実施形態に係るコロナ点火装置の有限要素解析法（ＦＥＡ）の図である。比較のためのコロナ点火装置がピストンから図１４Ａのコロナ点火装置と同じ距離をおいて配置された時にコロナ放電をもたらす比較のためのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。コロナ点火装置が典型的な点火の場所に配置された時にコロナ放電をもたらす図１４Ａのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。比較のためのコロナ点火装置が典型的な点火の場所に配置された時にコロナ放電をもたらす図１４Ｂの比較のためのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。コロナ点火装置がピストンに最も接近して配置された時の、かつコロナ点火装置の中心延長部材からアーキングが生じる図１４Ａのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。比較のためのコロナ点火装置がピストンから図１６Ａのコロナ点火装置と同じ距離をおいて配置された時の、かつ比較のためのコロナ点火装置のクラウンからアーキングが生じる図１４Ｂの比較のためのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。絶縁コーティングが中心延長部材に施された時の、図１４Ａのコロナ点火装置のＦＥＡの図である。ピストンおよびシリンダブロックからの様々な距離における球半径の範囲についてピーク電界を得るために用いることができる例示的なデータを含む図表である。ピストンおよびシリンダブロックからの様々な距離における球半径の範囲についてピーク電界をもたらすグラフである。

実施可能な実施形態の説明
図を参照して、同じ符号がいくつかの図にわたって対応する部分を示し、向上したコロナ放電２４および向上した燃焼性能を提供することが可能な中心延長部材２２を含むコロナ点火装置２０が概略的に示される。

図１に示されるように、コロナ点火装置２０は、コロナ放電２４を生じさせる電界を発するために中心軸Ａに沿って延在する電極を含む。従来のコロナ点火装置でのように、アルミナなどの電気的絶縁材料で形成された絶縁体２８が中心延長部材２２の周りに配置され、中心軸Ａに沿って絶縁体着火端部３０まで延在する。金属材料で形成されたシェル３２が絶縁体２８の周りに配置される。電極は、中心延長部材２２およびクラウン３４を含む。

電極のクラウン３４は、絶縁体着火端部３０の外方に配置される。クラウン３４は、中
心軸Ａおよび中心延長部材２２を包囲する。電極のクラウン３４は、中心延長部材２２の径方向外方に延在する少なくとも１つの分岐３６も含むが、典型的には、各々が中心軸Ａから径方向外方にかつ中心延長部材２２の径方向外方に延在する複数の分岐３６を含む。例示的な実施形態では、クラウン３４は、図１Ａに示されるように、中心軸Ａの周りに互いから等しい距離をおいて離間された４つの分岐３６を含む。分岐３６の各々は、コロナ放電２４を生じさせる電界を発するための着火先端部３８を示す。図１Ｂに最もよく示されるように、クラウン３４は、中心軸Ａに対して垂直に配置されたクラウン直径Ｄ_ｃを示す。クラウン直径Ｄ_ｃは、２つの対向する着火先端部３８の径方向に最も外側の点などの、互いに正反対に配置されたクラウン３４の２点の間の距離である。

図１Ｂにも示されるように、クラウン３４は、頂面４０から少なくとも１つの着火先端部３８まで中心軸Ａに沿って延在する。クラウン長さｌ_ｃは、したがって頂面４０と少なくとも１つの着火先端部３８との間に示される。図１Ｂに示されるように、クラウン長さｌ_ｃは中心軸Ａと平行であり、各々が中心軸Ａに対して垂直に延在する第１の面４２と第２の面４４との間の距離に等しい。第１の面４２は、クラウン３４の頂面４０の最上点に配置され、第２の面４４は最下の着火先端部３８の最下点に配置される。

クラウン３４の各分岐３６は、関連付けられた着火先端部３８に位置するかまたは隣接する少なくとも１つの第１の球半径ｒ_１も示す。図１Ｃは、クラウン３４の着火先端部３８における第１の球半径ｒ_１のうち２つを含む図１Ｂのクラウン３４の一部分を示す。表面に沿った特定の点における球半径は、当該特定の点において半径を有する球体から得られる。球半径は、三次元の、具体的にはｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った球体の半径である。

クラウン３４は、様々な異なる金属材料で形成することができる。１つの例示的な実施形態では、クラウン３４は、ニッケル、ニッケル合金、またはプラチナもしくはイリジウムなどの貴少金属（precious metal）で形成される。電極の中心延長部材２２により、クラウン３４の材料は耐摩耗性がより小さい材料で形成することができ、コロナ点火装置２０の動作中にアーキングが生じても腐食および侵食をあまり受けない。

電極の中心延長部材２２は、中心軸Ａに沿って中心着火端部４６まで長手方向に延在する。中心延長部材２２は、図１Ｂに最もよく示されるように、クラウン３４の頂面４０から中心着火端部４６まで延在する延長長さｌ_ｅを示す。延長長さｌ_ｅは、中心軸Ａと平行であり、中心軸Ａに対して垂直に延在する第１の面４２と第３の面４８との間の距離に等しい。第１の面４２は、クラウン３４の頂面４０の最上点に配置され、第３の面４８は、中心着火端部４６の最下点に配置される。中心延長部材２２によってもたらされる延長長さｌ_ｅは、クラウン長さｌ_ｃよりも長い。延長長さｌ_ｅにより、動作中に、中心延長部材２２は、クラウン３４の着火先端部３８よりも密接してピストンなどの接地された部品に接近する。したがって、コロナ点火装置２０の動作中にアーキングが生じる場合、アーキングは、クラウン３４の着火先端部３８からではなく、中心延長部材２２の中心着火端部４６から優先的に生じることになる。中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅは、電極によって生成されるコロナ放電２４の寸法を増大させることもできる。

中心延長部材２２は、中心着火端部４６に位置するかまたは隣接する少なくとも１つの第２の球半径ｒ_２を示す。図１Ｄは、中心着火端部４６における第２の球半径ｒ_２を示す。中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるまたは隣接する第２の球半径ｒ_２の各々は、クラウン３４の着火先端部３８に沿った第１の球半径ｒ_１の各々よりも小さい。換言すると、クラウン３４の着火先端部３８は、中心着火端部４６よりも鋭い。したがって、動作中に、クラウン３４の着火先端部３８において電界がより高く、コロナ放電２４は、中心延長部材２２からよりも着火先端部３８から生じる可能性が高く、これは最良の燃焼
性能のために好ましい。

図１Ｂに示されるように、中心延長部材２２は、中心軸Ａに対して垂直に配置される延長直径Ｄ_ｅを示す。延長直径Ｄ_ｅは中心軸Ａに沿って変動し得るが、クラウン３４と中心着火端部４６との間に位置する領域では、延長直径Ｄ_ｅはクラウン直径Ｄ_ｃよりも小さい。

図２〜図１１は、中心延長部材２２を含むコロナ点火装置２０の他の例示的な設計を例示する。当該設計は、特定のエンジン用途の要件を満たし、かつ最良の可能な熱性能をもたらすように選択され得る。各場合において、中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅはクラウン長さｌ_ｃよりも長い。また各実施形態では、中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるまたは隣接する第２の球半径ｒ_２の各々は、クラウン３４の着火先端部３８における第１の球半径ｒ_１の各々よりも大きい。図３Ａは、図３の設計の一部分の拡大図であり、中心延長部材３２２は比較的小さい第２の球半径ｒ_２を含むが、この第２の球半径ｒ_２は、クラウン３３４の第１の球半径ｒ_１よりも依然として大きい。各設計において、中心延長部材２２の延長直径Ｄ_ｅは、クラウン３４から中心着火端部４６に向かって移動する方向に減少するか、またはクラウン３４から中心着火端部４６に向かって移動する方向に増大することができる。その上、中心延長部材２２は対称的である必要はない。

中心延長部材２２を形成するために、ニッケル、銅、貴少金属、またはその合金などの様々な異なる材料を用いることができる。中心延長部材２２の部分も絶縁材料で形成することができる。中心延長部材２２は典型的に第１の材料で形成され、クラウン３４は典型的に第１の材料とは異なる第２の材料で形成される。中心延長部材２２を形成するために用いられる第１の材料は、クラウン３４を形成するために用いられる第２の材料よりも侵食および腐食に典型的に耐性がある。なぜなら中心延長部材２２は、アーキングが生じる場合、アークの高電流および温度に接する可能性がより高いからである。

図５、図９、図１０、および図１１に示されるように、中心延長部材２２は、本体部分５２および摩耗要素５４などの合わせて接合された複数の別個のピースで形成されることが多い。しかしながら、図２〜図１１に示される形状のいずれかは、単一のピースまたは合わせて接合された複数のピースを含み得る。たとえば、図５では、中心延長部材５２２は、互いに接続された本体部分５５２および摩耗要素５５４を含む。この実施形態では、摩耗要素５５４は本体部分５５２と共軸であるが、そうである必要はない。

各実施形態では、摩耗要素５４は中心着火端部４６を示す。したがって、摩耗要素５４は、良好な熱特性を有し、本体部分５２の材料よりも摩耗に対して耐性が大きい材料で典型的に形成される。一実施形態では、摩耗要素５４は、ニッケルベースの合金、貴金属（noble metal）、またはプラチナ、タングステン、もしくはイリジウムなどの貴少金属で
形成される。別の実施形態では、摩耗要素５４は、好ましくは比誘電率が２よりも大きく、より好ましくは８よりも大きい電気的絶縁材料、たとえばアルミナベースの材料で形成される。摩耗要素５４は、金属材料のコーティングまたは電気的絶縁材料のコーティングを含むこともできる。

摩耗要素５４は、いずれかの好適な手段、たとえばＰＶＤ、共押出し、または共焼結によって、中心延長部材２２の本体部分５２に塗布され得る。代替的に、摩耗要素５４は、ろう付けまたは同様のプロセスによって取付けられ得る。摩耗要素５４がコーティングである場合、コーティングは、メッキ、スプレー、焼結、または別の好適な方法によって施すことができる。本体部分５２の材料および摩耗要素５４の材料は、良好なボンディングをもたらし、わずかな間隙がなく、良好な熱接触をもたらし、かつたとえば熱膨脹差による問題を回避するように選択され、接合されるべきである。

図１０の実施形態では、アーク放電の効果によりよく抵抗するために、中心延長部材１０２２は、銅または銅合金で形成されたコア５６を含み、コア５６は、ニッケル合金で形成されたクラッディング５８によって包囲される。図１０の実施形態では、摩耗要素１０５４はクラッディング５８に取付けられ、中心着火端部１０４６を形成する。代替的に、ニッケル合金のクラッディング５８は中心着火端部１０４６を形成することができる。図１０に示されるように、コア５６はクラウン１０３４の頂面１０４０からコア着火端部８０まで延在するコア長さｌ_ｃｏｒｅを有することが好ましい。コア長さｌ_ｃｏｒｅは中心軸Ａと平行であり、各々が中心軸Ａに対して垂直に延在する第１の面４２と第４の面８２との間の距離に等しい。第４の面８２は、コア５６の最下点に配置される。好ましくは、コア長さｌ_ｃｏｒｅはクラウン長さｌ_ｃよりも長い。この場合、中心延長部材１０２２のクラッディング５８は依然として銅コア５６を保護する。この設計は、着火先端部１０３８の最高温度を著しく下げることができ、着火先端部１０３８および中心着火端部１０４６の寿命を延ばすことができる。

発明の別の局面は、図１２Ａおよび図１３Ａに示されるように、着火先端部３８における腐食および侵食を減少させるために中心延長部材２２を有するコロナ点火装置２０を含むコロナ放電点火システム６０を提供する。比較のために、図１２Ｂおよび図１３Ｂは、本発明の延長長さを含まない別の種類のコロナ点火装置２０′を有するシステムを示す。システム６０は、シリンダヘッド６２、シリンダブロック６４およびピストン５０などの従来の内燃機関に見られる部品を含む。ピストン５０は、シリンダヘッド６２に対向して配置され、その間に空間をもたらし、シリンダブロック６４は、シリンダヘッド６２に接続され、ピストン５０を包囲する。したがって、シリンダヘッド６２、シリンダブロック６４およびピストン５０は、その間に燃焼室６６を示す。

シリンダヘッド６２は、コロナ点火装置２０を収容するための開口部６８を示す。コロナ点火装置２０のシェル３２は、図１２および図１３に示されるように、シリンダヘッド６２に典型的に結合され、たとえばシリンダヘッド６２の開口部６８にねじ込まれる。ガスケット７０は、シェル３２とシリンダヘッド６２との間に典型的に配置される。コロナ点火装置２０は、電源（図示せず）から電力を受取るための端子７２を含むことができ、絶縁材料７４は、端子７２と電極との間に配置することができる。絶縁体２８の一部分と、中心着火端部４６および着火先端部３８とが燃焼室６６に配置される。微細な霧状のスプレー７８の形態の燃料を燃焼室６６内に送達するために、燃料噴射器７６もシリンダヘッド６２に収容される。

従来のコロナ点火システムでのように、動作中に、電力がコロナ点火装置２０に供給され、コロナ点火装置２０に向かって燃料が噴霧され、ピストン５０がシリンダブロック６４と共に往復運動し、シリンダヘッド６２およびコロナ点火装置２０に向かって、かつ離れる方に移動させる。図１２Ａでは、ピストン５０は、有意な距離だけコロナ点火装置２０から離間されている。コロナ放電２４は、クラウン３４の着火先端部３８から生じ、コロナ点火装置２０とピストン５０またはいずれかの他の接地された部品との間にはアーク生成は生じない。比較のためのコロナ点火装置２０′を有する図１２Ｂのシステム６０では、コロナ放電２４はアーク生成なしでも生成される。

しかし図１３Ａおよび図１３Ｂでは、ピストン５０がコロナ点火装置２０，２０′に接近し、アーキング２５が生じる。システム６０が図１３Ａなどの発明のコロナ点火装置２０を含む時、アーキング２５は、図１３Ｂの比較のためのコロナ点火装置２０′が用いられる時には生じるが、クラウン３４の着火先端部３８から生じない。より正確には、アーキング２５は、中心延長部分部材２２の中心着火端部４６から生じる。中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅは、アーキング２５を中心延長部材２２のみに限定する。クラウン３４の
着火先端部３８は、アーキング２５によって引起される高温にあまり晒されないことから、腐食および侵食をあまり受けない。したがって、着火先端部３８は鋭いままであり、将来の点火サイクル中に強いコロナ放電２４をもたらし続ける。

上述のように、本発明のコロナ点火装置２０の電極は、動作中にコロナ放電２４の寸法を増大させることもできる。図１４〜図１６は各々、電力がコロナ点火装置２０，２０′に供給される時の、発明のコロナ点火装置２０または比較のためのコロナ点火装置２０′の有限要素解析法（ＦＥＡ）を含む。ＦＥＡ画像のラインは、コロナ放電２４の最尤の方向および長さを示す。図１４Ａは、ピストン５０が中心着火端部４６および着火先端部３８から有意な距離をおいて離間される時の発明のコロナ点火装置２０および関連付けられたコロナ放電２４を示す。図１５Ａは、ピストン５０が典型的な点火の場所にある時の発明のコロナ点火装置２０および関連付けられたコロナ放電２４を示す。図１６Ａは、ピストン５０がコロナ点火装置２０に極めて近くなる時に発明のコロナ点火装置２０の中心着火端部４６から生じるアーキング２５を示す。比較のために、図１４Ｂ〜図１６Ｂは各々、ピストン５０が図１４Ａ〜図１６Ａと同じ位置にある時に比較のためのコロナ点火装置２０′によってもたらされるコロナ放電２４のＦＥＡを含む。

図１４Ａおよび１５Ａは、図１４Ｂおよび１５Ｂの比較のためのコロナ点火装置２０′に対して、ピストン５０がコロナ点火装置２０から離間されている時に本発明のコロナ点火装置２０がより強いコロナ放電２４をもたらすことを示す。中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅは、コロナストリーマをそれらが生じるにつれてはね返す傾向があり、したがって、より開かれた形状をもたらし、より大きい容積を与え、ピストン５０にぶつかる可能性が低い。その上、図１６Ａは、アーキング２５が生じる場合、アーキングは、クラウン３４の着火先端部３８からではなく、中心延長部材２２の中心着火端部４６から生じることになることを示す。これは、アーキング２５がクラウン３４′の着火先端部３８′から生じる図１６Ｂの比較のためのコロナ点火装置２０′に対する利点である。

図１７は、絶縁コーティングの形態の摩耗要素５４が中心延長部材２２の中心着火端部４６上に塗布される時の発明のコロナ点火装置２０のＦＥＡ解析である。この解析は、絶縁コーティングが、コロナ点火装置２０の動作または中心延長部材２２によってもたらされる利点に有害に影響しないことを示す。

発明の別の局面は、コロナ放電点火システム６０で使用されるコロナ点火装置２０を製造する方法を提供し、当該方法は、中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅがクラウン長さｌ_ｃよりも長くなるように中心延長部材２２を設けることを含む。

様々な技術を用いて、好ましい性能をもたらすために中心延長部材２２の適切な延長長さｌ_ｅを決定することができる。一実施形態では、当該方法はまず、（ａ）コロナ点火装置２０がシリンダヘッド６２に収容されるとシリンダブロック６４に最も近くなるクラウン３４の着火先端部３８を識別することを含む。次に、次いで方法は、（ｂ）ステップ（ａ）で識別された着火先端部３８からのシリンダブロック６４への距離が、ステップ（ａ）で識別された着火先端部３８からのピストン５０への距離に等しい場合のピストン５０の移動中の点を決定することを含む。ピストン５０がこの点に位置するかまたは着火先端部３８により近くなると、着火先端部３８とピストン５０との間でアーキングの可能性があるが、この可能性は中心延長部材２２によって軽減される。

当該方法は次に、（ｃ）電極に電力が提供され、ステップ（ａ）で識別された着火先端部３８がステップ（ｂ）で識別された点にある時に、中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるピーク電界がステップ（ａ）で識別された着火先端部３８におけるピーク電界以上となるように、中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅを選択することを含む。中心延長部
材２２の中心着火端部４６におけるピーク電界は、中心着火端部４６とピストン５０との間の距離、および中心着火端部４６とシリンダブロック６４との間の距離に依存する。当該方法は、中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅを調整して、動作中に中心延長部材２２の中心着火端部４６をシリンダブロック６４および／またはピストン５０からさらに遠く離間することも含むことができる。

当該方法は典型的に、ステップ（ｄ）動作中に、コロナ放電が着火先端部３８から優先的に生じるように、かつアーキングが発生する場合はピストン５０と中心延長部材２２の中心着火端部４６との間で優先的に生じることになるように、着火先端部３８の第１の球半径ｒ_１および中心着火端部４６の第２の球半径ｒ_２を選択することも含む。球半径ｒ_１，ｒ_２を選択するステップは、延長長さｌ_ｅを選択する前または後で行われることができる。球半径ｒ_１，ｒ_２を選択するステップは、クラウン３４の着火先端部３８における第１の球半径ｒ_１の各々が中心延長部材２２の第２の球半径ｒ_２よりも小さくなるように、クラウン３４の着火先端部３８の各々について第１の球半径ｒ_１を選択し、中心延長部材２２の中心着火端部４６について第２の球半径ｒ_２を選択することを含む。

球半径ｒ_１，ｒ_２は、好ましくは、電極に電力が提供され、クラウン３４の少なくとも１つの着火先端部３８および中心延長部材２２の中心着火端部４６がシリンダブロック６４およびピストン５０から離間され、かつコロナ放電２４が着火先端部３８からもたらされる時に、接地に最も近い着火先端部３８におけるピーク電界が中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるピーク電界よりも少なくとも２５％高くなるように選択される。これは、たとえば、図１８に示される形態のデータを用いることによって実現され得る。図１８の第１の列は、中心着火端部４６または着火先端部３８から接地へのミリメートル単位の距離であり、接地への間隙とも称される。第２の列はミリメートル単位の球半径であり、中心着火端部４６または着火先端部３８のいずれかの球半径であり得る。第３の列は、１ボルトが印加された時のメートル当たりのボルト単位のピーク電界である。図１８の値は例にすぎない。中心延長部材２２の中心着火端部４６の球半径ｒ_２と、着火先端部３８の球半径ｒ_１と、中心延長部材２２の延長長さｌ_ｅとの無限の関係は、図１８のデータに基づいて得ることができる。

図１９は、ピストン５０およびシリンダブロック６４からの様々な距離において約０．０５ｍｍから約１．１５ｍｍの範囲の球半径にピーク電界をもたらすグラフである。図１９は具体的には、着火先端部３８からピストン５０まで、およびシリンダブロック６４までの距離が０．２５４ｍｍ、０．５０８ｍｍ、１．２７ｍｍ、２．５４ｍｍ、５．０８ｍｍ、１２．７ｍｍ、２４．５ｍｍ、および５０．８ｍｍである時にピーク電界をもたらす。着火先端部３８におけるピーク電界は、より大きな距離においてのみ中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるピーク電界よりも２５％高いはずであるが、これは、０．２５４ｍｍではなく、より短い距離において、たとえば５０．８ｍｍにおいてのみ必要とされない。

ステップ（ｂ）で距離が識別され、球半径ｒ_１，ｒ_２がステップ（ｄ）で選択されると、当該方法は、（ｅ）ステップ（ｂ）で識別された距離においてステップ（ａ）で識別された着火先端部３８のピーク電界を決定することを典型的に含む。再び例として、このピーク電界を決定するために図１８のデータを用いることができる。１つの好ましい実施形態では、着火先端部３８は各々、ピストン５０から２５．４ｍｍの距離において２．５４ｍｍの球半径ｒ_１および３３０Ｖ／ｍのピーク電界を有する。当該方法は、すべての安全性および動作条件を満たすように球半径ｒ_１，ｒ_２を調整することをさらに含むことができる。

明らかに、上記の教示に照らして本発明の多くの修正および変形が可能であり、添付の
請求項の範囲内において具体的に記載された以外のやり方で実施され得る。

クラウン３４の各分岐３６は、関連付けられた着火先端部３８に位置するかまたは隣接する少なくとも１つの第１の球半径ｒ₁も示す。図１Ｃは、クラウン３４の着火先端部３８における第１の球半径ｒ₁のうち２つを含む図１Ｂのクラウン３４の一部分を示す。表面に沿った特定の点における球半径は、当該特定の点において半径を有する球体から得られる。球半径は、三次元の、具体的にはｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿った球体の半径である。図１Ｃにおいて、各半径ｒ ₁ は等しい。

中心延長部材２２は、中心着火端部４６に位置するかまたは隣接する少なくとも１つの第２の球半径ｒ₂を示す。図１Ｄは、中心着火端部４６における第２の球半径ｒ₂を示す。中心延長部材２２の中心着火端部４６におけるまたは隣接する第２の球半径ｒ₂の各々は、クラウン３４の着火先端部３８に沿った第１の球半径ｒ₁の各々よりも大きい。換言すると、クラウン３４の着火先端部３８は、中心着火端部４６よりも鋭い。したがって、動作中に、クラウン３４の着火先端部３８において電界がより高く、コロナ放電２４は、中心延長部材２２からよりも着火先端部３８から生じる可能性が高く、これは最良の燃焼性能のために好ましい。

図１４Ａおよび１５Ａは、図１４Ｂおよび１５Ｂの比較のためのコロナ点火装置２０′に対して、ピストン５０がコロナ点火装置２０から離間されている時に本発明のコロナ点火装置２０がより大量のコロナ放電２４をもたらすことを示す。中心延長部材２２の延長長さｌ_eは、コロナストリーマをそれらが生じるにつれてはね返す傾向があり、したがって、より開かれた形状をもたらし、より大きい容積を与え、ピストン５０にぶつかる可能性が低い。その上、図１６Ａは、アーキング２５が生じる場合、アーキングは、クラウン３４の着火先端部３８からではなく、中心延長部材２２の中心着火端部４６から生じることになることを示す。これは、アーキング２５がクラウン３４′の着火先端部３８′から生じる図１６Ｂの比較のためのコロナ点火装置２０′に対する利点である。

様々な技術を用いて、好ましい性能をもたらすために中心延長部材２２の適切な延長長さｌ_eを決定することができる。一実施形態では、当該方法はまず、（ａ）コロナ点火装置２０がシリンダヘッド６２に収容されるとシリンダブロック６４に最も近くなるクラウン３４の着火先端部３８を識別することを含む。次に、当該方法は、（ｂ）ステップ（ａ）で識別された着火先端部３８からのシリンダブロック６４への距離が、ステップ（ａ）で識別された着火先端部３８からのピストン５０への距離に等しい場合のピストン５０の移動中の点を決定することを含む。ピストン５０がこの点に位置するかまたは着火先端部３８により近くなると、着火先端部３８とピストン５０との間でアーキングの可能性があるが、この可能性は中心延長部材２２によって軽減される。

Claims

コロナ点火装置であって、
コロナ放電を生じさせる電界を発するために中心軸に沿って延在する電極を備え、
前記電極は、中心着火端部まで前記中心軸に沿って長手方向に延在する中心延長部材を含み、さらに、
前記電極の周りに配置される電気的絶縁材料で形成され、絶縁体着火端部まで前記中心軸に沿って延在する絶縁体と、
前記絶縁体の周りに配置された金属材料で形成されたシェルとを備え、
前記電極は、前記絶縁体着火端部の外方に配置されたクラウンを含み、
前記クラウンは、前記中心延長部材の径方向外方に延在する少なくとも１つの分岐を含み、
前記クラウンは、頂面から少なくとも１つの着火先端部まで前記中心軸に沿って延在し、
前記クラウンは、前記頂面と前記少なくとも１つの着火先端部との間にクラウン長さを示し、前記クラウン長さは前記中心軸と平行であり、
前記中心延長部材は、前記クラウンの前記頂面から前記中心着火端部まで延在する延長長さを示し、前記延長長さは前記中心軸と平行であり、
前記延長長さは前記クラウン長さよりも長い、コロナ点火装置。
前記クラウンは、前記着火先端部の各々において少なくとも１つの第１の球半径を示し、前記中心延長部材は、前記中心着火端部において少なくとも１つの第２の球半径を示し、前記第１の球半径の各々は前記第２の球半径の各々よりも小さい、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記クラウンは、各々が前記着火先端部の１つまで延在する複数の分岐を含み、前記着火先端部の各々は、各々が前記第２の球半径の各々よりも小さい前記第１の球半径のうち少なくとも１つを有する、請求項２に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は第１の材料で形成され、前記クラウンは前記第１の材料とは異なる第２の材料で形成され、前記第１の材料は、前記第２の材料よりも侵食および／または腐食に対する耐性がより大きい、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は、銅または銅合金で形成されたコアと、前記コアを包囲するニッケル合金で形成されたクラッディングとを含み、前記中心延長部材の前記クラッディングは前記中心着火端部を示す、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記コアは、前記クラウンの前記頂面からコア着火端部まで延在するコア長さを有し、前記コア長さは、前記クラウン長さよりも長い、請求項５に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は、合わせて接合された複数の別個のピースを含む、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は、互いに接続された本体部分および摩耗要素を含み、前記摩耗要素は、前記中心着火端部を示す、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記摩耗要素は、ニッケルベースの合金、貴金属（noble metal）、または貴少金属（precious metal）で形成される、請求項８に記載のコロナ点火装置。
前記摩耗要素はコーティングである、請求項８に記載のコロナ点火装置。
前記摩耗要素は、比誘電率が２よりも大きい電気的絶縁材料で形成される、請求項８に記載のコロナ点火装置。
前記クラウンは、前記中心軸に対して垂直に配置されたクラウン直径を示し、前記中心延長部材は、前記中心軸に対して垂直に配置された延長直径を示し、前記延長直径は前記クラウン直径よりも小さい、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は、前記中心軸に対して垂直に配置された延長直径を示し、前記延長直径は、前記クラウンから前記中心着火端部に向かって移動する方向に減少する、請求項１に記載のコロナ点火装置。
前記中心延長部材は、前記中心軸に対して垂直に配置された延長直径を示し、前記延長直径は、前記クラウンから前記中心着火端部に向かって移動する方向に増大する、請求項１に記載のコロナ点火装置。
コロナ放電点火システムであって、
コロナ点火装置を収容するための開口部を示すシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに対向して配置され、その間に空間を示すピストンと、
前記シリンダヘッドに接続され、前記ピストンを包囲するシリンダブロックとを備え、
前記シリンダヘッドおよび前記シリンダブロックおよび前記ピストンは、その間に燃焼室を示し、さらに、
前記シリンダヘッドの前記開口部に収容されるコロナ点火装置を備え、
前記コロナ点火装置は、前記シリンダヘッドに結合されたシェルを含み、
前記コロナ点火装置は、前記シェルによって包囲された電気的絶縁材料で形成され、中心軸に沿って絶縁体着火端部まで延在する絶縁体を含み、
前記コロナ点火装置は、前記絶縁体によって包囲され、コロナ放電を生じさせる電界を発するために前記中心軸に沿って前記燃焼室内に延在する電極を含み、
前記電極は、前記中心軸に沿って中心着火端部まで長手方向に延在する中心延長部材を含み、
前記電極は、前記絶縁体着火端部の外方に配置されたクラウンを含み、
前記中心延長部材の前記中心着火端部および前記クラウンは、前記燃焼室に配置され、
前記クラウンは、前記中心延長部材の径方向外方に延在する少なくとも１つの分岐を含み、
前記クラウンは、頂面から少なくとも１つの着火先端部まで延在し、
前記クラウンは、前記頂面と前記少なくとも１つの着火先端部との間にクラウン長さを示し、前記クラウン長さは前記中心軸と平行であり、
前記中心延長部材は、前記クラウンの前記頂面から前記中心着火端部まで延在する延長長さを示し、前記延長長さは前記中心軸と平行であり、
前記延長長さは前記クラウン長さよりも長い、コロナ放電点火システム。
コロナ放電システムで使用されるコロナ点火装置を製造する方法であって、前記コロナ点火装置は、
前記コロナ点火装置を収容するためのシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに向かってかつ前記シリンダヘッドから離れる方に移動するために前記シリンダヘッドに対向して配置されたピストンと、前記シリンダヘッドに接続され、前記シリンダヘッドおよびシリンダブロックおよび前記ピストンがその間に燃焼室を示すように前記ピストンを包囲する前記シリンダブロックとを含み、
前記コロナ点火装置は、シリンダヘッドに収容されたシェルと、前記シェルによって包囲された電気的絶縁材料で形成され、絶縁体着火端部まで中心軸に沿って延在する絶縁体
と、前記絶縁体によって包囲され、前記中心軸に沿って延在する電極とを含み、前記電極は、中心着火端部まで前記中心軸に沿って長手方向に延在する中心延長部材を含み、前記電極は、前記絶縁体着火端部の外方に配置されたクラウンを含み、前記クラウンは、前記中心延長部材の径方向外方に延在する少なくとも１つの分岐を含み、前記クラウンは、前記頂面から少なくとも１つの着火先端部まで延在し、前記クラウンは、前記頂面と前記少なくとも１つの着火先端部との間にクラウン長さを示し、前記クラウン長さは前記中心軸と平行であり、前記中心延長部材は、前記クラウンの前記頂面から前記中心着火端部まで延在する延長長さを示し、前記延長長さは前記中心軸と平行であり、
前記方法は、
前記中心延長部材の延長長さが前記クラウン長さよりも長くなるように前記中心延長部材を設けるステップを含む、方法。
前記延長長さが前記クラウン長さよりも長くなるように前記中心延長部材を設けるステップは、
（ａ）動作中に前記コロナ点火装置が前記シリンダヘッドに収容されると、前記シリンダブロックに最も近い前記クラウンの前記着火先端部を識別することと、
（ｂ）ステップ（ａ）で識別された前記着火先端部から前記シリンダブロックへの距離が、ステップ（ａ）で識別された前記着火先端部から前記ピストンへの距離に等しい点を前記ピストンの移動中に決定することと、
（ｃ）前記電極に電力が提供され、ステップ（ａ）で識別された前記着火先端部がステップ（ｂ）で識別された点にある時、前記中心延長部材の前記中心着火端部におけるピーク電界がステップ（ａ）で識別された前記着火先端部におけるピーク電界以上となるように前記中心延長部材の前記延長長さを選択することとを含む、請求項１６に記載の方法。
前記中心延長部材の前記延長長さを調整して、前記中心延長部材の前記中心着火端部を前記シリンダブロックおよび／または前記ピストンからさらに遠く離間することを含む請求項１７に記載の方法。
前記クラウンの前記着火先端部の各々は、少なくとも１つの第１の球半径を示し、前記中心延長部材の前記中心着火端部は、少なくとも１つの第２の球半径を示し、前記方法はさらに、
（ｄ）前記着火先端部の各々の前記少なくとも１つの第１の球半径が前記中心延長部材の前記少なくとも１つの第２の球半径の各々よりも小さくなるように、前記クラウンの前記着火先端部の各々について前記少なくとも１つの第１の球半径を選択し、前記中心延長部材の前記中心着火端部について前記少なくとも１つの第２の球半径を選択することを含む、請求項１７に記載の方法。
前記電極に電力が提供され、ステップ（ａ）で識別された前記着火先端部および前記中心延長部材の前記中心着火端部が前記シリンダブロックおよび前記ピストンから離間されている時、かつコロナ放電が前記クラウンからもたらされる時、ステップ（ｂ）で識別された点におけるステップ（ａ）で識別された前記着火先端部におけるピーク電界は、前記中心延長部材の前記中心着火端部におけるピーク電極界よりも少なくとも２５％高い、請求項１９に記載の方法。