JP5860478B2 - コロナ点火装置、コロナ点火システムおよびコロナ点火装置の形成方法 - Google Patents
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Description
1.発明の分野
本発明は一般的に、高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電を発生するコロナ点火装置およびこのコロナ点火装置を形成する方法に関する。
コロナ放電点火システムは、交流の電圧および電流を供給して、高電位の電極と低電位の電極を素早く連続して反転させることにより、アークが形成されにくくなるようにして、コロナ放電の形成を増強する。このシステムは、高周波の高電圧電位に帯電させられ、燃焼室に強力な高周波電界を発生する中心電極を有するコロナ点火装置を含む。この電界は、燃焼室内の空気と燃料との混合物の一部の電離を引起し、絶縁破壊を開始することにより、空気と燃料との混合物の燃焼を促進する。好ましくは、電界は、空気と燃料との混合物の誘電特性が維持され、非熱プラズマとも呼ばれるコロナ放電が発生するように制御される。空気と燃料との混合物の電離された部分は火炎前面を形成して、その後火炎前面が自立となり、空気と燃料との混合物の残り部分を燃焼させる。好ましくは、電界は、空気と燃料との混合物がすべての誘電特性を失わないように制御される。空気と燃料との混合物がすべての誘電特性を失うと、電極と接地したシリンダ壁、ピストンまたは点火装置の他の部分との間に熱プラズマおよび電気アークが生成される。コロナ放電点火システムの例は、Freenに付与された米国特許第6883507号に開示されている。
本発明の一局面は、コロナ放電を発生するためのコロナ点火装置を提供する。コロナ点火装置は、導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電を発生するための中心電極を含む。この中心電極は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端から高周波の電界を発する電極点火末端まで延在する。絶縁体が電気絶縁性材料で形成され、中心電極の周りに配置され、絶縁体上端から電極端子末端を越えて絶縁体ノーズ末端まで長手方向に延在する。この絶縁体は絶縁体ノーズ末端で中心電極から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップを形成する。導電性金属材料で形成されたシェルが絶縁体の周りに配置され、シェル上端からシェル下端まで長手方向に延在する。このシェルはシェル末端のうち少なくとも1つに沿って絶縁体から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップを形成する。ギャップの中でのコロナ放電を防止するために、充填材がギャップのうち少なくとも1つの全域で連続して延在する。
本発明のさらなる別の局面は、コロナ点火装置を形成する方法を提供する。この方法は、絶縁体ボアの中に中心電極を挿入するステップと、絶縁体ノーズ末端で絶縁体から中心電極を離間して、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップを形成するステップとを含む。また、この方法は、シェルボアの中に絶縁体を挿入するステップと、絶縁体をシェルから離間して、絶縁体とシェルとの間にシェルギャップを形成するステップとを含む。さらに、この方法は、ギャップのうち少なくとも1つに充填材を充填するステップを含む。
図1に示すように、本発明の一局面は、コロナ放電点火システム用のコロナ点火装置20を提供する。このシステムは意図的に、アークの形成を抑制し、かつコロナを発生る強力な電界の生成を促進する電気ソースを提供する。コロナ放電点火装置の点火は、約1MHzで生じる複数の放電を含む。
Claims (19)
- コロナ放電(24)を発生するためのコロナ点火装置(20)であって、
導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電(24)を発生するための中心電極(22)を含み、
前記中心電極(22)は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端(52)から高周波の電界を発する電極点火末端(54)まで延在し、
前記中心電極(22)の周りに配置された電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から前記電極端子末端(52)を越えて絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体(32)を含み、
前記絶縁体(32)は前記絶縁体ノーズ末端(62)で前記中心電極(22)から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成し、
前記絶縁体(32)の周りに配置された導電性金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェル(36)を含み、
前記シェル(36)はシェル末端(44、92)のうち少なくとも1つに沿って前記絶縁体(32)から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップ(30)を形成し、
前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの中でのコロナ放電(24)を防止するために、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つの全域で連続して延在する充填材(40)を含み、
前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの両端の間に前記中心電極(22)から前記シェル(36)までの総電圧降下の5%を超えない範囲で変化する電圧を有し、周波数0.5〜5.0MHzのエネルギ流が前記中心電極(22)に流れるとき、前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つにおいて、前記絶縁体(32)の電極電界強度1倍以下の電界を有する、コロナ点火装置(20)。 - 前記充填材(40)は前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つを気密に密封する、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記シェル(36)から前記絶縁体(32)を離間して前記シェル上端(44)と前記シェル下端(92)との間に連続して延在する前記シェルギャップ(30)を形成するために、前記充填材(40)と異なる密封材料で形成された少なくとも1つの内部シール(38)が、前記シェル(36)の一部に沿って配置される、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は前記内部シール(38)の周りに配置される、請求項3に記載の点火装置(20)。
- コロナ放電(24)を発生するためのコロナ点火装置(20)であって、
導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電(24)を発生するための中心電極(22)を含み、
前記中心電極(22)は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端(52)から高周波の電界を発する電極点火末端(54)まで延在し、
前記中心電極(22)の周りに配置された電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から前記電極端子末端(52)を越えて絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体(32)を含み、
前記絶縁体(32)は前記絶縁体ノーズ末端(62)で前記中心電極(22)から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成し、
前記絶縁体(32)の周りに配置された導電性金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェル(36)を含み、
前記シェル(36)はシェル末端(44、92)のうち少なくとも1つに沿って前記絶縁体(32)から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップ(30)を形成し、
前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの中でのコロナ放電(24)を防止するために、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つの全域で連続して延在する充填材(40)を含み、
前記充填材(40)および前記絶縁体(32)は各々比誘電率を有し、前記充填材(40)の比誘電率と前記絶縁体(32)の比誘電率との差は10以下である、点火装置(20)。 - 前記充填材(40)および前記絶縁体(32)は各々熱膨張係数を有し、前記充填材(40)の熱膨張係数と前記絶縁体(32)の熱膨張係数との差は10×10−6/℃以下である、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)は容積を有し、前記充填材(40)は前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の容積の少なくとも50%を充填する、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は電気絶縁性である、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は、プラスチック、樹脂、ガラス粉末およびアルミナを含有する接着剤のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は導電性である、請求項1に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は、ニッケル−コバルト鉄合金、ステンレス鋼、クロム、および金属粉末を添加した接着剤のうち少なくとも1つを含む、請求項10に記載の点火装置(20)。
- 前記充填材(40)は前記電極ギャップ(28)の中に配置され、
電極本体部(56)は前記電極点火末端(54)から前記電極端子末端(52)までの長さ(le)を有し、前記電極ギャップ(28)は、前記長さ(le)の少なくとも90%に沿って延在し、かつ容積を有し、
前記充填材(40)は前記電極ギャップ(28)の容積の少なくとも50%を充填し、
前記中心電極(22)は、前記絶縁体ノーズ末端(62)から離間され、前記電極点火末端(54)に隣接しかつこれを包囲し、高周波の電界を発するための点火先端(58)を有し、
前記電極ギャップ(28)は、空気が前記点火先端(58)に沿って前記電極ギャップ(28)に流入するように、前記絶縁体ノーズ末端(62)で開放し、
前記電極ギャップ(28)は、前記電極本体部(56)の周りに環状に延在し、
前記電極ギャップ(28)は、前記電極の中心軸(ae)に垂直であって、前記電極本体部(56)から前記絶縁体(32)まで延在する電極ギャップ幅(we)を有し、
前記電極ギャップ幅(we)は0.025〜0.25mmであり、
前記充填材(40)に隣接する前記電極本体部(56)の一部が電圧を有し、前記充填材(40)に隣接する前記絶縁体(32)の一部が電圧を有し、周波数0.5〜5.0MHzのエネルギ流が前記中心電極(22)に流れるとき、これらの電圧の差が前記中心電極(22)から前記シェル(36)までの総電圧降下の5%を超えない、請求項1に記載の点火装置(20)。 - 前記充填材(40)は前記シェルギャップ(30)の中に配置され、
前記シェル(36)は前記シェル下端(92)から前記シェル上端(44)までの長さ(ls)を有し、前記シェルギャップ(30)は前記長さ(ls)の少なくとも50%に沿って延在し、かつ容積を有し、
前記充填材(40)は前記シェルギャップ(30)の容積の少なくとも50%を充填し、
前記シェルギャップ(30)は、空気が前記シェルギャップ(30)に沿って流れるように、前記シェル下端(92)および前記シェル上端(44)で開放し、
前記シェルギャップ(30)は、前記絶縁体(32)の周りに環状に延在し、
前記シェルギャップ(30)は、前記電極の中心軸(ae)に垂直であって、前記絶縁体(32)から前記シェル(36)まで延在するシェルギャップ幅(ws)を有し、
前記シェルギャップ幅(ws)は0.075〜0.30mmであり、
前記充填材(40)に隣接する前記絶縁体(32)の一部が電圧を有し、前記充填材(40)に隣接する前記シェル(36)の一部が電圧を有し、周波数0.5〜5.0MHzのエネルギ流が前記中心電極(22)に流れるとき、これらの電圧の差が前記中心電極(22)から前記シェル(36)までの総電圧降下の5%を超えない、請求項1に記載の点火装置(20)。 - コロナ放電(24)を発生するためのコロナ点火装置(20)であって、
導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電(24)を発生するための中心電極(22)を含み、
前記中心電極(22)は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端(52)から高周波の電界を発する電極点火末端(54)まで延在し、
前記中心電極(22)の周りに配置された電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から前記電極端子末端(52)を越えて絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体(32)を含み、
前記絶縁体(32)は前記絶縁体ノーズ末端(62)で前記中心電極(22)から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成し、
前記絶縁体(32)の周りに配置された導電性金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェル(36)を含み、
前記シェル(36)はシェル末端(44、92)のうち少なくとも1つに沿って前記絶縁体(32)から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップ(30)を形成し、
前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの中でのコロナ放電(24)を防止するために、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つの全域で連続して延在する充填材(40)を含み、
前記シェルギャップ(30)は前記シェル(36)から前記絶縁体(32)まで延在するシェルギャップ幅(ws)を有し、前記シェルギャップ幅(ws)は前記シェル下端(92)において最大であり、前記充填材(40)は前記シェル下端(92)における前記シェルギャップ(30)に配置される、点火装置(20)。 - コロナ放電(24)を発生するためのコロナ点火装置(20)であって、
導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離してコロナ放電(24)を発生するための中心電極(22)を含み、
前記中心電極(22)は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端(52)から高周波の電界を発する電極点火末端(54)まで延在し、
前記中心電極(22)の周りに配置された電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から前記電極端子末端(52)を越えて絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体(32)を含み、
前記絶縁体(32)は前記絶縁体ノーズ末端(62)で前記中心電極(22)から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成し、
前記絶縁体(32)の周りに配置された導電性金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェル(36)を含み、
前記シェル(36)はシェル末端(44、92)のうち少なくとも1つに沿って前記絶縁体(32)から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップ(30)を形成し、
前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの中でのコロナ放電(24)を防止するために、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つの全域で連続して延在する充填材(40)を含み、
前記シェル(36)は前記シェル上端(44)で前記絶縁体(32)から離間されて前記シェルギャップ(30)を形成し、前記充填材(40)は前記シェルギャップ(30)の周りに形成された樹脂成形体を含む、点火装置(20)。 - 内燃機関の燃焼室(26)内の空気と燃料との混合物の一部を電離してコロナ放電(24)を発生する高周波の電界を発生するためのコロナ点火システムであって、
燃焼室(26)を形成するシリンダブロック(46)とシリンダヘッド(48)とピストン(50)と、
前記燃焼室(26)に与えられた空気と燃料との混合物と、
前記シリンダヘッド(48)に配置され、横方向に前記燃焼室(26)の中に延在し、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物の一部を電離して前記コロナ放電(24)を形成する点火装置(20)とを含み、
前記点火装置(20)は、
導電性材料で形成され、高周波の高電圧を受けて高周波の電界を発することによって、空気と燃料との混合物を電離して前記コロナ放電(24)を発生するための中心電極(22)を有し、
前記中心電極(22)は、高周波の高電圧を受ける電極端子末端(52)から高周波の電界を発する電極点火末端(54)まで延在し、
前記中心電極(22)の周りに配置された電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から前記電極端子末端(52)を越えて絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体(32)を含み、
前記絶縁体(32)は前記絶縁体ノーズ末端(62)で前記中心電極(22)から離間され、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成し、
前記絶縁体(32)の周りに配置された導電性金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェル(36)を含み、
前記シェル(36)はシェル末端(44、92)のうち少なくとも1つに沿って前記絶縁体(32)から離間され、シェルと絶縁体との間にシェルギャップ(30)を形成し、
前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの中でのコロナ放電(24)を防止するために、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つの全域で連続して延在する充填材(40)を含み、
前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの両端の間に前記中心電極(22)から前記シェル(36)までの総電圧降下の5%を超えない範囲で変化する電圧を有し、周波数0.5〜5.0MHzのエネルギ流が前記中心電極(22)に流れるとき、前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つにおいて、前記絶縁体(32)の電極電界強度1倍以下の電界を有する、コロナ点火システム。 - コロナ点火装置(20)を形成する方法であって、
電気絶縁性材料で形成され、絶縁体上端(60)から絶縁体ノーズ末端(62)まで長手方向に延在する絶縁体ボアを形成する絶縁体(32)を準備するステップと、
絶縁体ボアの中に導電性材料で形成された中心電極(22)を挿入するステップと、
絶縁体ノーズ末端(62)で絶縁体(32)から中心電極(22)を離間して、絶縁体と中心電極との間に電極ギャップ(28)を形成するステップと、
金属材料で形成され、シェル上端(44)からシェル下端(92)まで長手方向に延在するシェルボアを形成するシェル(36)を準備するステップと、
シェルボアの中に絶縁体(32)を挿入するステップと、
絶縁体(32)をシェル(36)から離間して、絶縁体とシェルとの間にシェルギャップ(30)を形成するステップと、
電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)のうち少なくとも1つに充填材(40)を充填するステップとを含み、
前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つの両端の間に前記中心電極(22)から前記シェル(36)までの総電圧降下の5%を超えない範囲で変化する電圧を有し、周波数0.5〜5.0MHzのエネルギ流が前記中心電極(22)に流れるとき、前記充填材(40)は、前記電極ギャップおよび前記シェルギャップ(28、30)の少なくとも1つにおいて、前記絶縁体(32)の電極電界強度1倍以下の電界を有する、方法。 - 充填するステップは、シェル上端(44)でシェル(36)の周りに充填材(40)を射出成形するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- シェルボアの中のシェル(36)の上に内部シール(38)を配置するステップを含み、離間するステップは絶縁体(32)を内部シール(38)の上に配置してシェルギャップ(30)を形成するステップを含む、請求項17に記載の方法。
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