JP5688368B2 - 混合気の点火装置およびそれを備えるエンジンおよびそのシリンダヘッドへの組立方法 - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２００８年１０月３日に出願された米国仮出願連続番号第６１／１０２，３９４号および２００９年６月８日に出願された米国仮出願連続番号第６１／１８５，０４０号の利益を主張し、そのいずれもその全体が引用により本願へ援用されている。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般的に、自動車用途などにおける混合気の点火に用いられる点火装置に関する。

２．関連技術
米国特許６，８８３，５０７には、コロナ放電混合気点火システムで用いられる点火装置が開示されている。該点火装置の発火端は、絶縁体を囲み、かつ、従来のスパークプラグと同様の態様で、内燃機関のシリンダヘッドのねじ切りしたスパークプラグソケットに点火装置をねじ留めするための雄ねじが形成された、外側金属シェルを有している。これらのねじ山は、さもなければ、点火装置およびエンジンの性能を向上するために、絶縁体などの点火装置のその他の機能的部品が占め得るであろう空間を占めている。さらに、これらのねじ山の形成には、追加の製造ステップが必要となるため、最終的に、点火装置を製造するコストが上がってしまう。

発明の概要
シリンダヘッドの開口に取付けられるように構成された内燃機関点火装置を提供する。点火装置は、突出端と端子端との間に延びる絶縁体を有し、電極が絶縁体に受入れられている。電極は、突出端から外側に延びて、シリンダボアで混合気を点火する。端子は、絶縁体に受入れられ、端子端から外側に延びる。端子は、電極と電気的に導通するように構成されている。金属シェルは、絶縁体の少なくとも一部を囲う。金属シェルには、シリンダブロックへの取付けのための雄ねじがない。接続ワイヤは、端子から絶縁体を離れて延び、電源と電気的に導通する。管は、絶縁体の端子端を受入れる下端を有する。管は、接続ワイヤの周りを下端に対向する上端まで延びる。管の下端は、シェルをシリンダヘッドの開口内に固定した関係で圧縮するように構成されている。

したがって、発明の一局面に従って構成された点火装置は、装着雄ねじがない発火端を有するため、これにより、絶縁体のサイズを大きくする、および／またはシリンダヘッドの開口のサイズを小さくすることができる。

発明の他の局面に従うと、装着フランジが、管の上端に固定されている。すなわち、装着フランジは、シリンダヘッドの装着表面に取付けて、同時に、点火装置をシリンダヘッドの開口内の肩に対して固定した関係で着座させるように構成されている。

発明の他の局面に従うと、接続ワイヤは、装着フランジに装着された回路基板と電気的に導通するように構成される。

発明の他の局面に従うと、カバーは回路基板を囲い、装着フランジに取付けられて、回路基板の周りに封止された環境を設ける。

発明の他の局面に従うと、フランジは、点火装置の封止された空間に不活性加圧充填ガスを導入するための充填開口を有する。

発明の他の局面に従うと、内燃機関が提供される。内燃機関は、上面から燃焼室まで延び、かつ、上面と燃焼室との間を径方向に延びる上側肩を有する点火装置開口を有するシリンダヘッドと、点火装置とを含む。点火装置は、突出端と端子端との間に延びる絶縁体を含む。電極は、絶縁体に受入れられ、突出端から外側に延びる。端子は、絶縁体に受入れられ、端子端から外側に延びる。端子は、電極と電気的に導通するように構成されている。金属シェルは、絶縁体の少なくとも一部を囲い、点火装置開口への取付けのための雄ねじがない。下端を有する管は、絶縁体の端子端を受入れ、下端に対向する上端まで延びる。装着フランジは、シリンダヘッドの上面に取付けられ、かつ、管の上端に取付けられる。装着フランジは、管の下端を圧縮してシェルと当接させ、シェルおよび絶縁体をシリンダヘッドの点火装置開口内に固定する。

発明の他の局面に従うと、点火装置をシリンダヘッドの点火装置開口内に取付ける方法が提供される。該方法は、点火装置に、少なくとも一部がシェルにより囲われた絶縁体を設けるステップと、点火装置を点火装置開口に配置するステップとを含む。次に、点火装置のシェルに点火装置開口の中心軸に沿って向けられる純粋に軸方向の圧縮力を加えて、圧縮力下で点火装置を点火装置開口内に固定するステップを含む。

発明のこれらおよび他の局面、特徴、および利点は、下記の本発明の好ましい実施形態およびベストモードの詳細な説明、添付の請求項および付随の図面と関連して考慮されると、より容易に理解されるであろう。

発明の一局面に従って構成された点火装置の断面図である。 おおむね図１に示す点火装置を上方から見た図である。 内燃機関内に組立てられた点火装置の断面図である。 発明の他の局面に従って構成された点火装置の部分断面図である。 発明の他の局面に従って構成された点火装置の部分断面図である。 発明の他の局面に従って構成された点火装置の部分断面図である。 発明の他の局面に従って構成された点火装置の部分断面図である。 発明に従って構成された点火装置を内燃機関内に取付けるための代替の機構を示す部分断面図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１には、発明の一局面に従って構成された点火装置１０が示されている。点火装置１０は、絶縁体１４と、絶縁体１４の突出端１８とも呼ばれる下端に受入れられ、かつ、そこから延びる電極１６とも呼ばれる電極ワイヤと、絶縁体１４の突出端１８がシェル２０の下端２１から突出するように、絶縁体１４の中央部を受入れてかつ囲む金属シェル２０と、絶縁体１４の上端２３に受入れられて、かつ、そこから外側に延びる端子２２とを有する、発火端アセンブリ１２を含む。接続ワイヤ２４は、端子２２と電気的に導通して取付けられた下端を有し、端子２２から電源（図示せず）と電気的に導通するように構成された上端２５まで延びる。シェル２０は、シェル２０の外部フランジ２８に軸方向の力を加えることによって、内燃機関のシリンダヘッド２６に固定されかつ保持される。ここでは、径方向に外側に延びるフランジ２８を押圧する金属管３０を介して、軸方向の力が加えられるように示されている。金属管３０は、溶接継手を介してなどして、たとえば、一方端３５で装着フランジ３４に取付けられ得る一方で、対向端３６が、シェルフランジ２８と圧縮状態で当接した状態で支持される。装着フランジ３４は、シリンダヘッド２６の上面２９に当接するように構成された平面状または実質的に平面状の装着表面３１を有する。したがって、点火装置１０は、点火装置１０をシリンダヘッド２６にねじ込まずにシリンダヘッド２６に固定されかつ維持されるため、製造および機能的利点が実現される。たとえば、これにより、シリンダブロック３３の燃焼室３２の中へ延びる突出端１８を含む絶縁体１４のサイズを大きくするか、シリンダヘッド２６の開口のサイズを小さくするか、またはその両方が可能になる。

接続ワイヤ２４は、フランジ３４の開口３６を通じて、端子２２から上側に管３０内を延び、かつ、フランジ３４上の介在絶縁パッド４０により装着された回路基板３８に電気的に導通して接続される。金属カバー４２は回路基板３８を囲い、溶接されるなどにより、たとえば、フランジ３４に取付けられて、カバー４２内および管３０内に封止された環境４４を設ける。電気端子４６は、回路基板３８に取付けられて、フランジ３４を通って径方向に外側に延びるコネクタ４８まで通り、外部に接続される。フランジ３４は、充填開口４９を有し、点火装置１０の封止された空間４４に不活性加圧充填ガスが導入され、その後、充填開口４９が密閉される。

点火装置１０の発火端１２は、燃焼室３２の中に延び、金属シェル２０は、若干の隙間嵌めで、中心軸４７に沿って、シリンダヘッド２６の点火装置開口５０を通って延び、シェル２０と開口５０との間に小さな環状ギャップ５１を設ける。図３の実施形態に示すように、金属シェル２０には、シリンダヘッド２６に装着するための装着雄ねじがなく、同様に、点火装置開口５０にも雌ねじがない。したがって、環状ギャップ５１は、フランジ２８から下端２１まで直接延びている。したがって、シェル２０とシリンダヘッド２６との間の唯一の係合は、管３０の下端５２がフランジ２８の上面５７に対して圧縮すると、フランジ２８の平面状または実質的に平面状の下部封止表面５５および点火装置開口５０の肩５４に沿って生じる。しかし、介在する封止ガスケットを封止表面５５と肩５４との間に配置することも可能であることが理解されるべきである。これにより、燃焼室３２に延びる突出端１８を含む絶縁体１４の直径を大きくする、および／または、開口５０の直径を小さくすることができる。装着ねじ山の代わりに、装着フランジ３４をシリンダヘッド２６に取付けることにより、装着表面３１をシリンダヘッド２６の上面２９に当接させ、また、管３０の下端５２をシェル２０の環状フランジ２８の上面５７と直接圧縮状態で当接させ、かつ、フランジ２８の下部封止表面５５を肩５４と直接圧縮状態で当接させることにより、シェル２０の環状フランジ２８を圧縮し、シリンダヘッド２６の開口５０の環状肩５４と封止状態で当接させるか、さもなければ、ガスケットを封止表面５５と肩５４との間に使用する場合には、下部封止表面５５と肩５４との間に圧縮封止力を動作可能に加える。したがって、管３０が開口５０を通って隙間嵌めで延び、管３０の周りに環状ギャップ５３を設ける。すなわち、管３０は、点火装置開口５０の中心軸４７に沿って向けられる純粋に軸方向の圧縮力を加えるために十分な長さを有し、組み立て中、シェルフランジ２８に対して管３０の下端５２を圧縮する。装着フランジ３４を容易にシリンダヘッド２６に締結して、シェル２０に純粋に軸方向に向けられる力を付与するために、装着フランジ３４に１つ以上の取付穴５６を設け、取付穴５６を通して締結具５８が受入れられて、点火装置１０をシリンダヘッド２６に、ねじ切りされていない発火端１２とは独立して装着する。締結具５８を所定のトルクに締付けると、所定の力許容限界内の純粋に軸方向に向けられる力がシェル２０に加えられることにより、点火装置１０が点火装置開口内５０に固定される。

発明の他の局面に従って構成された点火装置１１０の一部が図４に示されており、１０
０番台にした同じ参照番号を用いて同じ特徴を示している。点火装置１１０は、管１３０が、点火装置１１０の外側金属シェル１２０に対して、中心軸１４７に沿って純粋に軸方向に向けられる力を加えて、点火装置１１０をシリンダヘッド１２６の点火装置開口１５０内に固定しかつ維持する点において、上述の点火装置１０と同様である。点火装置１１０は、シェル１２０内に収容され、かつ、固定した関係で拘束されている絶縁体１１４を有する。すなわち、シェル１２０は、径方向に延びる肩６０と反転させたリップ６２との間で絶縁体１１４を拘束している。絶縁体１１４は、芯突出端１１８上の燃焼室１３２内の燃焼ガスにより加熱される。熱は、絶縁体１１４から小さな環状ギャップ１５１を横切り、シリンダヘッド１２６の中へ通る。小さなエアーギャップ１５１によって生じる熱バリアによって、また、ギャップ１５１が、シェル１２０のフランジ１２８からシェル１２０の下端１２１まで延びているため、熱の大部分が、絶縁体１１４、シェル１２０および絶縁体１１４内の中心電極１１６を通って、着座／封止エリア６４のシリンダヘッド１２６に流れ込む。着座／封止エリア６４は、シリンダヘッド１２６中の正方形または実質的に正方形の肩１５４およびシェル１２０のフランジ１２８を介して形成される。さらに、ガスケットシール材６６が、フランジ１２８と肩１５４との間に配置され、かつ圧縮されている。さらに、絶縁体１１４とシリンダヘッド１２６との間に気密封止を設けるために、かつ、燃焼ガスが封止エリア６４を直接流れるのを防ぐために、環状封止要素６８がシェル１２０の環状溝７０に受入れられる。すなわち、封止要素６８は、フランジ１２８とシェル１２０の遠端または下端１２１との間の、シェル１２０とシリンダヘッド１２６との間で圧縮される。それ以外は、点火装置１１０は、点火装置１０について上述したのと同じである。

発明の他の局面に従って構成された点火装置２１０の一部が図５に示されており、２００番台にした同じ参照番号を用いて同じ特徴を示している。点火装置２１０は、管２３０が、点火装置２１０の外側金属シェル２２０に対して、中心軸２４７に沿って純粋に軸方向に向けられる力を加えて、点火装置２１０をシリンダヘッド２２６の点火装置開口２５０内に固定しかつ維持する点において、上述の点火装置１０、１１０と同様である。しかし、シェル２２０は、完全に点火装置開口２５０を通って燃焼室２３２まで延びるのではなく、シェル２２０は、点火装置開口２５０中の環状の段付き下側肩７２近傍の下端２２１まで延びている。したがって、環状ギャップ２５１が燃焼室２３２近傍の絶縁体２１４の下部の周りに形成されている。すなわち、ギャップ２５１が下側肩７２で径方向に外側に段差を形成し、シェル２２０に沿って封止エリア２６４まで延びている。上記実施形態と同様に、環状封止要素２６８は、シェル２２０の環状溝２７０に受入れられる。すなわち、封止要素２６８は、フランジ２２８とシェル２２０の遠端または下端２２１との間の、シェル２２０とシリンダヘッド２２６との間で圧縮される。したがって、燃焼ガスからの熱は、シェル２２０に直接伝達されない。それ以外は、点火装置２１０は、点火装置１１０について上述した通りと同じである。

発明の他の局面に従って構成された点火装置３１０の一部が図６に示されており、３００番台にした同じ参照番号を用いて同じ特徴を示している。点火装置３１０は、管３３０が、点火装置３１０の外側金属シェル３２０に対して、中心軸３４７に沿って純粋に軸方向に向けられる力を加えて、点火装置３１０をシリンダヘッド３２６の点火装置開口３５０内に固定しかつ維持する点において、上述の点火装置１０、１１０、２１０と同様である。上述の点火装置２１０と比較して点火装置３１０が顕著に異なる点は、着座／封止エリア３６４が、シェル３２０の上側フランジ３２８とシリンダヘッド３２６の上側肩３５４との間ではなく、点火装置開口３５０の環状の段付き下側肩３７２とシェル３２０の下端３２１との間に形成されていることである。したがって、管３３０は、フランジ３２８を支持かつ圧縮して、シェル３２０の下端３２１を、下端３２１と下側肩３７２との間のガスケット３６６と圧縮されかつ封止された状態で係合させる。すなわち、フランジ３２８は、上側肩３５４から離間したままである。したがって、ガスケット３６６が、熱がシ
ェル３２０へ伝達されることを防ぐため、シェル３２０は燃焼ガスに晒されない。それ以外は、点火装置３１０は点火装置２１０について上述したのと同じである。

発明の他の局面に従って構成された点火装置４１０の一部が図７に示されており、４００番台にした同じ参照番号を用いて同じ特徴を示している。点火装置４１０は、管４３０が、点火装置４１０の外側金属シェル４２０に対して、中心軸４４７に沿って純粋に軸方向に向けられる力を加えて、点火装置４１０をシリンダヘッド４２６の点火装置開口４５０内に固定しかつ維持する点において、上述の点火装置１０、１１０、２１０、３１０と同様である。上述の点火装置３１０と比較して点火装置４１０が顕著に異なる点は、着座／封止エリア４６４が、点火装置開口４５０の環状のテーパ状または円錐状の下側肩４７２とシェル４２０のテーパ状下側肩７４との間に形成されていることである。すなわち、シェル４２０は、テーパ状肩７４を越えて燃焼室４３２近傍の下端４２１まで、より小さな直径で続いている。したがって、管４３０は、シェル４２０の上側フランジ４２８を支持かつ圧縮して、シェル４２０のテーパ状下側端４２１をシリンダヘッド４２６の下側肩４７２と圧縮されかつ着座した状態で係合させる。すなわち、フランジ４２８は、シリンダヘッド４２６の上側肩４５４から離間したままである。

発明の他の局面に従って構成された点火装置５１０の一部が図８に示されており、５００番台にした同じ参照番号を用いて同じ特徴を示している。点火装置５１０は、管５３０が、点火装置５１０の外側金属シェル５２０に対して、中心軸５４７に沿って純粋に軸方向に向けられる力を加えて、点火装置５１０をシリンダヘッド５２６の点火装置開口５５０内に固定しかつ維持する点において、上述の点火装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０と同様である。しかし、点火装置５１０は、上述の点火装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０と比較して、管５３０がシェル５２０に純粋に軸方向に向けられる力を加える態様において顕著に異なっている。管５３０は、その外壁７６上に、点火装置開口５５０の雌ねじを切った領域７８との螺合用に構成された、ねじ切りした領域を有する下端５５２を有する。ねじ切りした外壁７６は、下端５５２の近傍にあり、シェル５２０をシリンダヘッド５２６内に圧縮されかつ固定した状態で当接させるために十分な長さを有している（この実施形態では、図６および図７に示されるように、当接領域はシェル５２０の下部において生じるため、図示されていない。しかし、当接領域は、図３から図５の実施形態に示されるようなものであり得る）。したがって、絶縁体５１４がシェル５２０に収容された状態で、シェル５２０をシリンダヘッド点火装置開口５５０に配置すると、管５３０は、シェル５２０と螺合される。したがって、係合したねじ山内で軸方向および径方向の力が発生するが、シェル５２０に加えられる力は純粋に軸方向である。この管機構は、上述のいずれの実施形態にも採用することができることは理解されるべきである。それ以外は、点火装置５１０はおおむね上述と同様に機能する。

上記の教示に照らして、本発明の多くの修正例および変更例が可能なことは、明らかである。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲内であれば、具体的に記載されている以外の方法で実施されてもよいことは理解されるべきである。

Claims (22)

1. シリンダヘッドの開口に取付けられるように構成された内燃機関点火装置であって、
   突出端と端子端との間に延びる絶縁体と、
   前記絶縁体に受入れられ、前記突出端から外側に延びる電極と、
   前記絶縁体に受入れられ、前記端子端から外側に延び、かつ、前記電極と電気導通するように構成された端子と、
   前記絶縁体の少なくとも一部を囲み、かつ、シリンダブロックへの取付けのための雄ねじがない金属シェルと、
   前記絶縁体の前記端子端を受入れる下端を有し、かつ、前記下端に対向する上端まで延びる管とを備え、前記管の前記下端は、前記シェルをシリンダヘッドの開口内に固定位置に圧縮するように構成され、
   シリンダヘッドの上面に取付けられるように構成された装着表面を有する装着フランジをさらに備え、前記管の上端は、前記装着フランジに動作可能に取付けられ、
   前記装着フランジに取付けられたカバーをさらに備え、前記カバーは、前記カバー内および前記管内に封止された環境を設け、
   前記装着フランジに設けられた充填開口を介して、前記カバーにより封止された空間に不活性加圧充填ガスが導入されている、内燃機関点火装置。
2. 前記シェルは、径方向に外側に延びるフランジを有し、前記管の前記下端は、前記フランジに対して圧縮力を加えるように構成される、請求項１に記載の内燃機関点火装置。
3. 前記端子に取付けられた下端を有し、かつ、前記管を通って、電源と電気導通するように構成された上端まで延びるコネクタワイヤをさらに備える、請求項１に記載の内燃機関点火装置。
4. 前記装着フランジに取付けられた回路基板をさらに備え、前記回路基板は、前記コネクタワイヤの前記上端と電気導通するように構成される、請求項３に記載の内燃機関点火装置。
5. 上面から燃焼室まで延び、かつ、前記上面と前記燃焼室との間を径方向に延びる上側肩
   を有する点火装置開口を有するシリンダヘッドと、点火装置とを含む内燃機関であって、前記点火装置は、
   突出端と端子端との間に延びる絶縁体と、
   前記絶縁体に受入れられ、前記突出端から外側に延びる電極と、
   前記絶縁体に受入れられ、前記端子端から外側に延び、かつ、前記電極と電気導通するように構成される端子と、
   前記絶縁体の少なくとも一部を囲い、前記点火装置開口への取付けのための雄ねじがない金属シェルと、
   前記絶縁体の前記端子端を受入れる下端を有し、かつ、前記下端に対向する上端まで延びる管と、
   シリンダヘッドの前記上面に取付けられ、かつ、前記管の前記上端に取付けられる装着フランジとを備え、前記装着フランジは、前記管の前記下端を圧縮して前記シェルと当接させ、前記シェルおよび前記絶縁体をシリンダヘッドの前記点火装置開口内に固定し、
   前記装着フランジに取付けられたカバーをさらに備え、前記カバーは、前記カバー内および前記管内に封止された環境を設け、
   前記装着フランジに設けられた充填開口を介して、前記カバーにより封止された空間に不活性加圧充填ガスが導入されている、内燃機関。
6. 前記シェルは、径方向に外側に延びるフランジを有し、前記管の前記下端は、前記フランジに対して圧縮力を加えて、前記フランジを前記下端と前記上側肩との間で固定関係で圧縮する、請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記シェルは、前記上側肩と前記燃焼室との間に延びる、請求項６に記載の内燃機関。
8. 前記シェルは、前記フランジと前記下端との間の前記シェルの周りに形成された環状ギャップを有する下端まで延びる、請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記シェルは、前記燃焼室近傍まで延びる、請求項８に記載の内燃機関。
10. 前記シェルは、前記下端と前記フランジとの間に環状溝を有し、前記環状溝には、シール材が前記シリンダヘッドと封止状態で係合した状態で受入れられる、請求項９に記載の内燃機関。
11. 前記フランジは前記肩から離間している、請求項６に記載の内燃機関。
12. 前記点火装置開口は、前記上側肩と前記燃焼室との間で径方向に延びる下側肩を有する、請求項１１に記載の内燃機関。
13. 前記シェルは、前記径方向に延びる下側肩近傍の下端まで延びる、請求項１２に記載の内燃機関。
14. 前記フランジは、前記上側肩から離間しており、前記シェルの前記下端は、前記径方向に延びる下側肩と固定関係で圧縮される、請求項１３に記載の内燃機関。
15. 前記絶縁体は、前記絶縁体と前記シリンダヘッドとの間に環状ギャップが形成された状態で、前記下端を越えて延びる、請求項１３に記載の内燃機関。
16. 前記シェルの前記下端と前記径方向に延びる下側肩との間で軸方向に圧縮されたガスケットをさらに備える、請求項１５に記載の内燃機関。
17. 前記シェルは、前記下端と前記フランジとの間に環状溝を有し、前記環状溝には、シール材が、前記シリンダヘッドと封止状態で係合した状態で受入れられる、請求項１６に記載の内燃機関。
18. 前記シェルは下端まで延び、前記フランジと前記下端との間に径方向に延びる肩を有し、前記シェルの前記肩は、前記径方向に延びる下側肩と固定関係で圧縮される、請求項１２に記載の内燃機関。
19. 前記端子に取付けられた下端を有し、かつ、前記管を通って、電源と電気導通するように構成された上端まで延びるコネクタワイヤをさらに備える、請求項５に記載の内燃機関。
20. 前記装着フランジに取付けられた回路基板をさらに備え、前記回路基板は、前記コネクタワイヤの前記上端と電気導通するように構成される、請求項１９に記載の内燃機関。
21. 前記管は、前記点火装置開口内のねじ切りされた領域との螺合取付用に構成された、前記下端近傍にあるねじ切り領域を有する、請求項５に記載の内燃機関。
22. シリンダヘッドの上面に取付けられる装着フランジと、前記装着フランジに取付けられるカバーとを備えた点火装置をシリンダヘッドの点火装置開口内に組立てる方法であって、
    点火装置に、少なくとも一部がシェルにより囲われた絶縁体を設けるステップと、
    点火装置を点火装置開口に配置するステップと、
    点火装置のシェルに点火装置開口の中心軸に沿って向けられる純粋に軸方向の圧縮力を加えて、圧縮力下で点火装置を点火装置開口内に固定するステップと、
    点火装置に封止された空間を前記カバーにより形成するステップと、
    前記装着フランジに設けられた充填開口を介して、前記封止された空間に不活性加圧充填ガスを導入するステップとを含む、方法。

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