JP5926283B2

JP5926283B2 - 形状化された絶縁体を有するコロナ点火器

Info

Publication number: JP5926283B2
Application number: JP2013544722A
Authority: JP
Inventors: バローズ，ジョン・エイ; リコフスキー，ジェイムズ・ディ
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: EP2652848B1; US9041273B2; JP2014501432A; US20120181916A1; CN103262370B; KR20130139893A; CN103262370A; WO2012091920A1; EP2652848A1; KR101868424B1

Description

関連出願への相互参照
この出願は２０１０年１２月１４日に提出された米国仮出願連続番号６１／４２２，８３３の恩恵を主張する。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般に、無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離しコロナ放電をあたえるためのコロナ点火器、およびその点火器を形成する方法に関する。

２．先行技術の記載
コロナ放電点火システムは、中心電極が高い無線周波数電圧電位に帯電されて強い無線周波数電界を燃焼室において形成する点火器を含む。電界は燃焼室における燃料と空気との混合物の一部を電離させて絶縁破壊を開始させ、燃料と空気との混合物の燃焼を容易にする。電界は、好ましくは、燃料と空気との混合物が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも呼ばれるコロナ放電が生じるように、制御される。燃料と空気との混合物の電離された部分は火炎面を形成し、そして、それは次いで自己持続するようになり、燃料と空気との混合物の残りの部分を燃焼する。好ましくは、燃料と空気との混合物がすべての誘電特性を失わないように、電界は制御され、それによって、熱的プラズマおよび電気アークを、点火器の電極と、接地されたシリンダ壁、ピストン、または他の部分との間において形成するだろう。コロナ放電点火システムの一例は、Freenへの米国特許第６，８８３，５０７号に開示される。

コロナ点火器は、典型的には、導電性の材料で形成され、高い無線周波数電圧を受けて無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離しコロナ放電をあたえるための中心電極を含む。点火器は、さらに、金属材料から形成され、中心電極を受けて長手方向に上側シェル端部から下側シェル端部に延在するシェルを含む。絶縁材料から形成された絶縁体が、シェルに配置され、中心電極を取り囲む。コロナ放電点火システムの点火器は、中心電極の点火端部のすぐ近くに意図的に置かれた、接地された電極素子を含まない。むしろ、接地は、好ましくは、点火システムのシリンダ壁またはピストンによってあたえられる。コロナ点火器の一例は、LykowskiおよびHamptonへの米国特許出願公開第２０１０／００８３９４２号に開示される。

コロナ点火器の動作中において、中心電極が１００％の電圧のような最大の可能な正電圧にあり、シェルが０％の電圧のような最も低い可能な電圧で接地されるとき、電離されたガスが絶縁体とシェルとの間の隙間に形成される。ある条件の下では、非常に高い電界強度が隙間に存在する。電離されたガスの陰イオンは、典型的には、電圧電位勾配および電界を辿り、絶縁体の表面をわたって中心電極に至り、シェルから中心電極に導電経路を形成する。電離されたガスは、中心電極と絶縁体との間の隙間においても形成され、電荷、電圧および電流が反転される以外は、同一の状況が存在する。中心電極とシェルとの間の導電経路は望ましくない電力アークを形成し、残りのコロナ放電を消耗し得、それは点火の品質を落とし得る。

発明の概要
この発明の１つの局面は、無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離しコロナ放電をあたえるためのコロナ点火器を提供する。コロナ点火器は、導電性の材料から形成され、高い無線周波数電圧を受けて無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離しコロナ放電をあたえるための中心電極を含む。金属材料から形成されたシェルが、中心電極に沿って、および長手方向に上側シェル端部から下側シェル端部に延在する。絶縁材料から形成された絶縁体が、中心電極とシェルとの間に配置される。絶縁体は、中心電極に向いておらず、長手方向に絶縁体上側端部から絶縁体ノーズ端部に延在する絶縁体外側表面を含む。絶縁体外側表面は、中心電極に対して径方向に外方向に延在する分離を呈する。絶縁体は、さらに、径方向に中心電極から遠ざかるように延在する突起を含み、分離はシェルに面する突起のフランクである。

この発明の別の局面は、コロナ点火器を形成する方法を提供する。この方法は、絶縁材料から形成され、絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面と、対向する絶縁体外側表面とを含み、絶縁体内側表面および絶縁体外側表面は、各々、長手方向に絶縁体上側端部から絶縁体ノーズ端部に延在する、絶縁体を設けるステップを含む。絶縁体は、さらに、絶縁体ノーズ端部付近に絶縁体ノーズ領域を含むように設けられ、絶縁体ノーズ領域の絶縁体外側表面は、絶縁体ボアに対して径方向に外方向に延在する分離を呈する。絶縁体は、さらに、径方向に中心電極から遠ざかるように延在する突起を含み、分離は突起のフランクである。この方法は、次に、絶縁体ボアに、導電性の材料から形成された中心電極を配置するステップを含む。この方法は、さらに、金属材料から形成され、長手方向に下側シェル端部から上側シェル端部に延在するシェルボアを呈する内側シェル表面を含むシェルを設けるステップと、突起のフランクがシェルに面するように、絶縁体をシェルボアに配置するステップとを含む。

この発明の別の局面は、コロナ点火器を形成する方法を提供する。この方法は、絶縁材料から形成され、絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面と、対向する絶縁体外側表面とを含み、絶縁体内側表面および絶縁体外側表面は、各々、長手方向に絶縁体上側端部から絶縁体ノーズ端部に延在する、絶縁体を設けるステップを含む。絶縁体は、絶縁体ノーズ端部付近に絶縁体ノーズ領域を含む。絶縁体ノーズ領域の絶縁体外側表面は、絶縁体ボアに対して径方向に延在する分離を呈する。絶縁体は、さらに、径方向に中心電極から遠ざかるように延在する突起を含み、分離は突起のフランクである。この方法はさらに、絶縁体ボアに導電性の材料から形成された中心電極を配置するステップと、金属材料から形成され、長手方向に下側シェル端部から上側シェル端部に延在するシェルボアを呈する内側シェル表面を含むシェルを設けるステップと、突起のフランクがシェルに面するように、絶縁体をシェルボアに配置するステップとを含む。

この発明の他の利点は、添付の図面と関連して考えられたときに以下の詳細な記載への参照によって一層よく理解されるように、容易に十分に理解される。

この発明の１つの局面に従う、燃焼室に配置されたコロナ点火器の断面図である。図１のコロナ点火器の点火端部の拡大した断面図である。典型的な電位のパターンを示す図１のコロナ点火器の絶縁体の拡大した断面図である。図１の絶縁体の電界および電圧電位勾配のプロットである。典型的な電位のパターンを示すこの発明の別の実施例に従う絶縁体の拡大した断面図である。図３の絶縁体の電界および電圧電位勾配のプロットである。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の他の実施例に従う例示の絶縁体の断面図を含む。この発明の一実施例に従う、分離によってあたえられたフランクおよびフランク角を例示する。この発明の別の実施例に従う、分離によってあたえられたフランクおよびフランク角を例示する。典型的な電位のパターンを示す先行技術の絶縁体の拡大した断面図である。図７の先行技術絶縁体の電界および電圧電位勾配のプロットである。

詳細な記載
この発明の１つの局面は、コロナ放電点火システムのためのコロナ点火器２０を提供する。点火器２０は、高い無線周波数電圧を受けて無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物の一部を電離し内燃機関の燃焼室２６にコロナ放電２４をあたえるための中心電極２２を含む。コロナ点火器２０は、中心電極２２を受け、金属シェル３０によって取り囲まれる絶縁体２８を含む。絶縁体２８は、中心電極２２に対して径方向に外方向に延在する分離３４を呈する絶縁体外側表面３２を含む。分離３４は、シェル３０から絶縁体ノーズ端部５４に向かって移動する方向における絶縁体２８の局所的厚みｔにおける増大であり、それは典型的にはノッチまたは突起によってあたえられる。分離３４は、シェル３０と中心電極２２との間で、陽イオンおよび陰イオンを絶縁体２８から退ける。分離３４は、さらに、絶縁体外側表面３２に沿ってシェル３０と中心電極２２との間において電気的な経路の閉鎖を形成して、コロナ放電２４を保持し、シェル３０と中心電極２２との間の電力アークを防ぐ。

一実施例においては、図１において示されるように、コロナ点火器２０はシリンダヘッド３６に配置され、内燃機関のピストン３８から間隔を置かれる。シリンダヘッド３６、シリンダブロック４０およびピストン３８は、ともになって、燃料と空気との混合物を含むための燃焼室２６をあたえ、コロナ点火器２０は燃焼室２６内に延在する。

コロナ点火器２０の中心電極２２は、高い無線周波数電圧を受けるための電極端子端部４２から電極点火端部４４に長手方向に延在する電極中心軸ａ_ｅを有する。中心電極２２は、長手方向に電極端子端部４２から電極中心軸ａ_ｅに沿って電極点火端部４４に延在する、ニッケルまたはニッケル合金のような第１の導電性の材料から形成された電極本体部分４６を含む。点火器２０の動作中において、中心電極２２が高い無線周波数電圧を受けるとき、中心電極２２は、高電圧を、典型的には１，０００〜１００，０００ボルトを有する。

図１において示されるように、中心電極２２は、無線周波数電界を発して、燃焼室２６において燃料と空気との混合物の一部を電離しコロナ放電２４をあたえるために、電極点火端部４４に点火先端５０を含む。点火先端５０は、第２の導電性の材料から形成され、それも、高電圧を有する。１つの好ましい実施例においては、第２の導電性の材料は、元素周期表の第４〜１２族から選択される少なくとも１つの元素を含む。点火先端５０は先端直径Ｄ_ｔを有し、電極本体部分４６は電極直径Ｄ_ｅを有し、それらは、各々、電極中心軸ａ_ｅに垂直である。図１および図１Ａに示されるように、先端直径Ｄ_ｔは、典型的には、電極本体部分４６の電極直径Ｄ_ｅより大きい。

コロナ点火器２０の絶縁体２８は、環状に電極本体部分４６のまわりに、および電極本体部分４６に沿って長手方向に配置され、絶縁体上側端部５２から絶縁体ノーズ端部５４に延在する。絶縁体ノーズ端部５４は、電極点火端部４４に近接して、点火先端５０に当接する。絶縁体２８は、長手方向に電極中心軸ａ_ｅに沿って絶縁体上側端部５２から絶縁体ノーズ端部５４に延在する絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面５６を含む。絶縁体内側表面５６は中心電極２２に面し、絶縁体ボアは中心電極２２を受ける。図１Ａに示されるように、絶縁体内側表面５６および中心電極２２は、電極隙間６０をその間に呈する。絶縁体２８は、さらに、絶縁体内側表面５６に対向し、長手方向に電極中心軸ａ_ｅに沿って絶縁体上側端部５２から絶縁体ノーズ端部５４に延在し、シェル３０に向かって外方向に向き、中心電極２２の方を向いていない、絶縁体外側表面３２を含む。

絶縁体２８は、絶縁体内側表面５６から絶縁体外側表面３２に連続的に延在する絶縁材料からなる基材６２を含む。絶縁材料は、空気の比誘電率、つまり１より大きな比誘電率を有する。一実施例においては、絶縁材料はアルミナであり、約９の比誘電率を有する。別の実施例においては、絶縁材料は窒化ホウ素であり、約３．５の比誘電率を有する。さらに別の実施例においては、絶縁材料は窒化ケイ素であり、約６．０の比誘電率を有する。

図１に示されるように、絶縁体２８は、電極本体部分４６に沿って絶縁体上側端部５２から絶縁体ノーズ端部５４に向かって延在する絶縁体第１領域６４を含む。絶縁体第１領域６４は、長手方向の電極本体部分４６に概ね垂直に延在する絶縁体第１直径Ｄ_１を呈し、絶縁体中間領域６６は、絶縁体第１領域６４に近接し、絶縁体ノーズ端部５４に向かって延在する。絶縁体上側肩部６８は、径方向に外方向に絶縁体第１領域６４から絶縁体中間領域６６に延在する。絶縁体中間領域６６は、長手方向の電極本体部分４６に概ね垂直に延在する絶縁体中間直径Ｄ_ｍを呈し、それは絶縁体第１直径Ｄ_１より大きい。

絶縁体２８は、さらに、絶縁体中間領域６６に近接し、絶縁体ノーズ端部５４に向かって延在する、絶縁体第２領域７０を含む。絶縁体２８は、径方向に内方向に絶縁体中間領域６６から絶縁体第２領域７０に延在する絶縁体下側肩部７２を含む。絶縁体第２領域７０は、長手方向の電極本体部分４６に概ね垂直に延在する絶縁体第２直径Ｄ_２を呈し、それは、典型的には、絶縁体第１直径Ｄ_１と等しく、絶縁体中間直径Ｄ_ｍ未満である。

絶縁体２８は、絶縁体第２領域７０から絶縁体ノーズ端部５４に延在する絶縁体ノーズ領域７４を含む。絶縁体ノーズ領域７４は、長手方向の電極本体部分４６に概ね垂直に延在し、絶縁体ノーズ端部５４に先細りになる絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎを呈する。図１Ａに示されるように、絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎは典型的には絶縁体第２直径Ｄ_２未満であり、それは、さらに、絶縁体ノーズ端部５４においては点火先端５０の先端直径Ｄ未満である。しかしながら、代替の実施例においては、絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎは絶縁体第２直径Ｄ_２以上ある。絶縁体ノーズ領域７４は、さらに、下側シェル端部７６に近接した絶縁体第２領域７０から絶縁体ノーズ端部５４に長手方向に延在するノーズ長ｌを有する。

絶縁体ノーズ領域７４の絶縁体外側表面３２は、分離３４を呈し、それは望ましくないアーク放電を防ぎ、強固なコロナ放電２４を保持する。分離３４は径方向に外方向に中心電極２２から遠ざかるように延在し、シェル３０から絶縁体ノーズ端部５４に向かって移動する方向における絶縁体２８の局所的な厚みｔにおける増大である。絶縁体２８の局所的な厚みｔは、絶縁体２８に沿った１つの点における絶縁体内側表面５６と絶縁体外側表面３２との間の距離に等しい。分離３４は、典型的には、シェル３０に向かって向いているフランク８２、面または表面によってあたえられる。図１、図３および図５に示されるように、分離３４は、好ましくは、長手方向に、下側シェル端部７６と絶縁体ノーズ端部５４との間において配置される。一実施例においては、分離３４は、絶縁体ノーズ領域７４全体のまわりを周方向に延在する。別の実施例においては、分離３４は絶縁体２８の周囲の一部のまわりを延在する。絶縁体２８は、典型的には、１つの分離３４を含むが、複数の分離３４を含んでもよい。一実施例においては、絶縁体２８は、２つの分離３４を、１つが絶縁体２８の各対向する側上にある状態で含む。

分離３４は絶縁体の局所的な厚みｔにおける増大によってあたえられ、それは、典型的には、シェル３０から絶縁体ノーズ端部５４に向かって移動する方向における絶縁体２８のノーズ長ｌにわたる絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎにおける増大である。一実施例においては、分離３４は絶縁体の局所的な厚みｔにおける少なくとも１５％の増大によってあたえられ、その増大はノーズ長ｌの２５％未満にわたって生じる。絶縁体２８の局所的な厚みｔにおける増大の一例は、図１Ａに示され、絶縁体２８はｔ_１における第１の厚みからｔ_２における第２の厚みまで増大し、ｔ_１における局所的な厚みは、ｔ_２における局所的な厚みより少なくとも１５％大きい。別の実施例においては、分離３４は、少なくとも２５％、または少なくとも３０％、または少なくとも３５％の局所的な厚みｔにおける増大によってあたえられ、その増大はノーズ長ｌの２５％未満にわたって生じる。

図１に示されるように、分離３４は、ノッチの１つの面またはフランク８２によってあたえられてもよい。ノッチは、中心電極２２に向かって径方向に内方向に延在する。ノッチは下側シェル端部７６から間隔を置かれ、絶縁体２８の局所的な厚みｔにおける減少に少なくとも１５％の絶縁体２８の局所的な厚みｔにおける増大が続くことによってあたえられる。局所的な厚みｔにおける増大は、ノーズ長ｌの２５％未満にわたって生じる。この実施例においては、絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎは、下側シェル端部７６付近から分離３４へと減少し、分離３４付近で減少し、分離３４で増大し、分離３４から絶縁体ノーズ端部５４へと再び徐々に減少する。

別の実施例においては、分離３４は、図３において示されるように、径方向に外方向に中心電極２２から遠ざかるように燃焼室２６内に延在する突起の１つの面またはフランク８２によってあたえられる。突起は、さらに、下側シェル端部７６から間隔を置かれ、局所的な厚みｔにおける少なくとも１５％の増大に局所的な厚みｔにおける減少が続くことによってあたえられる。局所的な厚みｔにおける増大は、ノーズ長ｌの２５％未満にわたって生じる。この実施例においては、絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎは、下側シェル端部７６付近から分離３４へと減少し、分離３４で増大し、次いで分離３４から絶縁体ノーズ端部５４へと再び徐々に減少する。

分離３４はさまざまな設計、例えば図１、図３および図５に示される設計を含むことが可能である。図１および図３の実施例のようないくつかの実施例においては、絶縁体外側表面３２は、分離３４をあたえる滑らかなまたは湾曲した遷移７８を含む。たとえば、滑らかな遷移７８は、分離３４に近接して、分離３４に沿って、または分離３４と絶縁体外側表面３２の近接する領域との間に、あり得る。図１のノッチは、ノッチに近接した領域からの凸状遷移７８およびノッチに沿った凹状遷移７８によってあたえられる。図３の突起は、突起に近接した領域からの凹状遷移７８および突起に沿った凸状遷移７８によってあたえられる。

他の実施例においては、絶縁体外側表面３２は、分離３４をあたえる鋭いエッジ８０を含む。たとえば、鋭いエッジ８０は、分離３４に近接して、分離３４に沿って、または分離３４と絶縁体外側表面３２の近接する領域との間に、あり得る。図５Ａ〜図５Ｌの実施例においては、絶縁体外側表面３２は、分離３４と絶縁体外側表面３２の近接する領域との間において少なくとも１つの鋭いエッジ８０を含む。図５Ａ〜図５Ｌにおいて示されるように、分離３４をあたえるノッチまたは突起は、矩形の輪郭、三角形の輪郭、または凹状輪郭を絶縁体外側表面３２に沿って含むことが可能である。

一実施例においては、分離３４は、絶縁体外側表面３２に沿ったフランク８２である。フランク８２は、概ね下側シェル端部７６に向かって向いており、ノーズ長ｌの２５％未満にわたって絶縁体２８の局所的な厚みｔにおける少なくとも１５％の増大である。フランク８２は、好ましくは、フランク８２における等位線より大きいフランク角αを呈する。フランク角αを呈するフランク８２の例が、図６Ａおよび６Ｂに示される。フランク角αは、フランク８２が達成する最も急峻な角度である。それは、フランク８２の場合、最も大きな局所的な厚みｔでフランク８２と整列した仮想の線と、最も大きな局所的な厚みｔで電極中心軸ａ_ｅに平行な仮想の線との間の角度である。一実施例においては、フランク角αは少なくとも３０度または少なくとも４５度である。

一実施例においては、分離３４は、絶縁体ノーズ端部５４よりもシェル３０に近く配置される。別の実施例においては、分離３４は、シェル３０よりも絶縁体ノーズ端部５４にに近く配置される。さらに別の実施例においては、分離３４は、シェル３０および絶縁体ノーズ端部５４から等しく間隔を置かれる。絶縁体ノーズ領域７４は、典型的には、分離３４から絶縁体ノーズ端部５４に徐々に減少する。

一実施例においては、分離３４を含む絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎは、シェル３０のシェルボア直径Ｄ_ｓ未満である。これは、絶縁体ノーズ端部５４をシェル３０を通して挿入し、次いでシェル３０を絶縁体肩部６８および７２のまわりでクランプすることによって、点火器２０が形成されることを可能にする。別の実施例においては、分離３４を含む絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎはシェルボア直径Ｄ_ｓ以上であり、点火器２０は絶縁体上側端部５２をシェルボア直径Ｄ_ｓを通して挿入することによって形成することが可能である。

図１に示されるように、コロナ点火器２０は、絶縁体２８において受けられ、第１の端子端部８６で端子線（図示せず）に電気的に接続され、電源（図示せず）に電気的に接続されるための端子８４を含む。端子８４は導電性の材料から形成され、第１の端子端部８６で電源から高い無線周波数電圧を受けて、高い無線周波数電圧を第２の端子端部８８から中心電極２２に伝達する。第２の端子端部８８は、電極端子端部４２に電気的に接続される。導電性の材料から形成された封止層９０は、端子８４から中心電極２２にエネルギーをあたえるために、第２の端子端部８８と電極端子端部４２との間において配置され、第２の端子端部８８および電極端子端部４２を電気的に接続する。

図１に示されるように、シェル３０は、シリンダヘッド３６において、絶縁体２８のまわりに環状に配置される。シェル３０は内側シェル表面９２および対向するシェル外側表面９４を含み、シェル外側表面９４は絶縁体２８から外方向に向いている。一実施例においては、シェル外側表面９４は、シリンダヘッド３６の点火器スロット９８を係合し、点火器２０をシリンダヘッド３６に固定する複数個のねじ筋９６を含む。

シェル３０は、鋼のような金属材料から形成される。シェル３０は、長手方向に絶縁体２８に沿って上側シェル端部１００から下側シェル端部７６へと延在する。下側シェル端部７６は、絶縁体第２領域７０と絶縁体ノーズ領域７４との境界に配置され、絶縁体ノーズ領域７４は下側シェル端部７６より外方向に突出する。内側シェル表面９２は絶縁体２８に面し、長手方向に電極中心軸ａ_ｅに沿って上側シェル端部１００から下側シェル端部７６に延在し、絶縁体２８を受けるためのシェルボアを呈する。シェルボアは、長手方向の電極本体部分４６に概ね垂直に延在するシェルボア直径Ｄ_ｓを呈する。１つの好ましい実施例では、シェルボア直径Ｄ_ｓは、図１Ａに示されるように、絶縁体ノーズ直径Ｄ_ｎより大きい。内側シェル表面９２および絶縁体外側表面３２は、その間にシェル隙間１０４を呈する。シェルは、典型的には、絶縁体肩部６８、７２のまわりで曲げられ、シェル３０および絶縁体２８をともに固定する。

内燃機関適用例における点火器２０の動作中においては、高い無線周波数電圧は中心電極２２にあたえられ、中心電極２２は第１の電圧、典型的には１００〜１００，０００ボルトを有する。金属シェル３０は接地され、第１の電圧未満の第２の電圧を、典型的には０ボルトを有する。したがって、シェル隙間１０４は正負の電荷を有するイオンを含む電離されたガスで満たされる。電極隙間６０も、動作中において、電離されたガスで満たされる。したがって、電界および電圧電位勾配は、絶縁体外側表面３２に沿って、および基材６２を通って中心電極２２へと形成される。図１Ｂおよび図３はこの発明の２つの実施例に従う、絶縁体２８の或るセクションにおける典型的な電位のパターンを例示する。図２は、図１Ｂの絶縁体２８の電界および電圧電位勾配のプロットであり、図４は、図３の絶縁体２８の電界および電圧電位のプロットである。電界および電圧電位勾配は、中心電極２２およびシェル３０の形状および位置、ならびに絶縁体２８の誘電率および形状に依存する。

動作中において、例えば中心電極２２が１００％の電圧のような最大の可能な正電圧にあり、シェル３０が０％の電圧のような最も低い可能な電圧で接地される、電気的なサイクルにおける瞬間の間においては、シェル隙間１０４における陽イオンは、接地されたシェル３０に容易に通過することが可能である。シェル隙間１０４の陰イオンの一部は、燃焼室２６の周囲大気の陽イオンと結合するかもしれない。しかしながら、シェル隙間１０４における陰イオンの別の部分は、絶縁体外側表面３２にわたって中心電極２２の電極点火端部４４に向かって電圧電位勾配を辿る。陰イオンが中心電極２２に到着する前に、分離３４が陰イオンを絶縁体２８から遠ざけるように退けて、それらが絶縁体２８を取り囲む大気において陽イオンと結合することを可能にする。陰イオンは、分離３４に沿って、および分離３４を通りすぎるであろう、低減する電圧を有する絶縁体ノーズ領域７４に沿った領域に移動しない。したがって、分離３４は、陰イオンが中心電極２２に達して、典型的には望ましくない電力アークを形成し、電極点火端部４４でコロナ放電２４を消耗する、シェル３０から中心電極２２への導電経路を形成するのを防ぐ。絶縁体２８の分離３４は強固なコロナ放電２４を維持し、分離３４のない点火器と比較して、より高品質の点火をあたえる。

図２および図４は、この発明の絶縁体２８は第１の方向において絶縁体外側表面３２にわたって長手方向に下側シェル端部７６の付近から絶縁体ノーズ端部５４に向かって分離３４に到達するまで着実に連続的に増加する電圧を有することを例示するプロットを含む。次いで、絶縁体２８の電圧は第１の方向において分離３４で減少する。

絶縁体２８の電圧は、第１の方向において絶縁体外側表面３２にわたって長手方向に下側シェル端部７６の付近から絶縁体ノーズ端部５４に向かって分離３４に到達するまで整列された電圧電位勾配を呈する。分離３４は電圧電位勾配を反転させる。電圧電位勾配は分離３４で第２の方向、つまり第１の方向の逆に整列される。

高い無線周波数電圧が中心電極２２にあたえられる一方で、絶縁体２８は電界も有する。電界は、第１の方向において径方向に絶縁体外側表面３２から基材６２を通っておよび中心電極２２に向かって、ならびに長手方向に絶縁体外側表面３２にわたって下側シェル端部７６の付近から絶縁体ノーズ端部５４に向かって、整列される。絶縁体外側表面３２の電界が分離３４に到達すると、分離３４は電界を反転させる。次いで、電界は、分離３４で第２の方向、つまり第１の方向の逆において整列される。

同様に、電極隙間６０における陽イオンは、電圧電位勾配を、絶縁体外側表面３２にわたって、および基材６２を通って、シェル３０に向かって、電荷、電圧および電流が反転された状態で、辿る。分離３４は、さらに、陽イオンを絶縁体２８から遠ざけるように退けて、それらが絶縁体２８を取り囲む大気において陰イオンと結合することを可能にする。陽イオンは、分離３４に沿って、および分離３４を通りすぎるであろう、より高い電圧を有する絶縁体ノーズ領域７４に沿った領域に移動しない。分離３４は、陽イオンがシェル３０に達して、典型的には望ましくない電力アークを形成し、電極点火端部４４でコロナ放電２４を消耗する、中心電極２２からシェル３０への導電経路を形成するのを防ぐ。したがって、絶縁体２８の分離３４は強固なコロナ放電２４を維持し、分離３４のない点火器と比較して、より高品質の点火をあたえる。

比較のため、図７は、分離のない先行技術の絶縁体およびその絶縁体の典型的な電位を示す。図８は、図７の絶縁体の電界および電圧電位勾配のプロットである。絶縁体の電圧は、着実に連続的に、第１の方向において径方向に絶縁体外側表面から中心電極に向かって、および長手方向に絶縁体外側表面３２にわたって下側シェル端部の付近からノーズ端部に向かって、増加する。電圧電位勾配も中心電極に向かって増加し、電界は中心電極に向かって移動する。

この発明と異なり、シェル隙間の陰イオンの少なくとも一部は、電圧電位勾配および電界を絶縁体外側表面にわたって辿り、中心電極に達する。陰イオンはシェルから中心電極に導電経路を形成し、望ましくない電力アークを形成し、電極点火端部でコロナ放電を消耗する。したがって、先行技術の絶縁体は強固なコロナ放電を維持せず、この発明によってあたえられる程度に品質のよい点火をあたえない。

この発明の別の局面は、コロナ点火器２０を形成する方法を提供する。この方法は、絶縁材料から形成された絶縁体２８を設けるステップを含む。絶縁体２８は、絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面５６と、対向する絶縁体外側表面３２とを含み、それらは、各々、長手方向に絶縁体上側端部５２から絶縁体ノーズ端部５４に延在する。この方法は、さらに、絶縁体ノーズ領域７４において絶縁体ボアに対して径方向に延在する分離３４を設けるステップ、または分離３４を絶縁体ノーズ領域７４に沿って形成するステップを含む。

この方法は、さらに、導電性の材料から形成された中心電極２２と、金属材料から形成され、長手方向に下側シェル端部７６から上側シェル端部１００に延在するシェルボアを呈する内側シェル表面９２を含むシェル３０とを設けるステップを含む。

この方法は、次に、導電性の材料から形成された中心電極２２を絶縁体ボアにおいて絶縁体内側表面５６に沿って配置するステップを含む。次に、絶縁体２８がシェルボアに配置される。一実施例においては、シェルボアに絶縁体２８を配置するステップは、絶縁体２８を上側シェル端部１００からシェルボアを通して挿入し、絶縁体ノーズ領域７４が下側シェル端部７６を通過し、下側シェル端部７６の外方向に配置されるまで、絶縁体２８をシェルボアを通して摺動させるステップを含む。この方法は、次に、絶縁体２８をシェルボアに配置した後、シェル３０を絶縁体肩部６８および７２のまわりに形成するステップを含む。この形成ステップは、典型的には、図１に示されるように、シェル３０が絶縁体上側肩部６８上に載置されるように、上側シェル端部１００を変形し絶縁体上側肩部６８のまわりにクランプするステップを含む。

別の実施例においては、シェルボアに絶縁体２８を配置するステップは、絶縁体２８を下側シェル端部７６からシェルボアを通して挿入し、絶縁体２８をシェルボアを通して摺動させるステップを含む。代替的に、他の方法を用いて点火器２０を形成することも可能である。

明らかに、この発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、特許請求の範囲内において、具体的に記載された通り以外の他の態様で実施されてもよい。加えて、請求項における参照番号は単に便宜的なものであり、いかなる態様においても限定的に読まれるべきではない。

Claims

無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離し、コロナ放電（２４）をあたえるためのコロナ点火器（２０）であって、
導電性の材料から形成され、高い無線周波数電圧を受けて無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離し前記コロナ放電（２４）をあたえるための中心電極（２２）と、
金属材料から形成され、前記中心電極（２２）に沿って延在するシェル（３０）とを含み、
前記シェル（３０）は、長手方向に上側シェル端部（１００）から下側シェル端部（７６）に延在し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
絶縁材料から形成され、前記中心電極（２２）と前記シェル（３０）との間に配置された絶縁体（２８）を含み、
前記絶縁体（２８）は絶縁体外側表面（３２）を含み、前記絶縁体外側表面（３２）は、前記中心電極（２２）に向いておらず、長手方向に絶縁体上側端部（５２）から絶縁体ノーズ端部（５４）に延在し、前記中心電極（２２）に対して径方向に外方向に延在する分離（３４）を呈し、前記絶縁体（２８）は、径方向に前記中心電極（２２）から遠ざかるように延在する突起を含み、前記分離（３４）は前記シェル（３０）に面する前記突起のフランク（８２）である、コロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、前記中心電極（２２）に面する絶縁体内側表面（５６）と、前記絶縁体内側表面（５６）から前記絶縁体外側表面（３２）に延在する局所的な厚み（ｔ）とを有し、前記分離（３４）は、前記シェル（３０）から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に向かって移動する方向における前記局所的な厚み（ｔ）における増大である、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、前記下側シェル端部（７６）の付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に延在する絶縁体ノーズ領域（７４）を含み、前記絶縁体ノーズ領域（７４）は、前記分離（３４）を呈する、請求項２に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体ノーズ領域（７４）は、前記下側シェル端部（７６）の付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に延在するノーズ長（ｌ）を呈し、前記分離（３４）は、前記ノーズ長（ｌ）の２５％未満にわたる、前記局所的な厚み（ｔ）における少なくとも１５％の増大である、請求項３に記載のコロナ点火器（２０）。
前記分離（３４）は、前記ノーズ長（ｌ）の２５％未満にわたる、前記局所的な厚み（ｔ）における少なくとも２５％の増大である、請求項４に記載のコロナ点火器（２０）。
前記フランク（８２）は３０度より大きいフランク角（α）を呈する、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体外側表面（３２）は、前記分離（３４）をあたえる少なくとも１つの滑らかな遷移（７８）を含む、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体外側表面（３２）は、前記分離（３４）をあたえる少なくとも１つの鋭いエッジ（８０）を含む、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、前記中心電極（２２）に垂直に延在し、前記下側シェル端部（７６）の付近から前記分離（３４）に向かって徐々に減少し、前記分離（３４）で増大する絶縁体ノーズ直径（Ｄ_ｎ）を有する、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、第１の方向において径方向に前記絶縁体外側表面（３２）から前記中心電極（２２）に向かって、および長手方向に前記絶縁体外側表面（３２）にわたって前記下側シェル端部（７６）の付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に向かって前記分離（３４）へと増加し、前記第１の方向において前記分離（３４）で減少する電圧を有する、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、正であり、第１の方向において径方向に前記絶縁体外側表面（３２）から前記中心電極（２２）に向かって、および長手方向に前記絶縁体外側表面（３２）にわたって前記下側シェル端部（７６）の付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に向かって整列される電界を有し、前記分離（３４）は、電界が前記分離（３４）で前記第１の方向の逆の第２の方向に整列されるように、電界を反転させる、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記絶縁体（２８）は、第１の方向において径方向に前記絶縁体外側表面（３２）から前記中心電極（２２）に向かって、および長手方向に前記絶縁体外側表面（３２）にわたって前記下側シェル端部（７６）の付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に向かって整列される電圧電位勾配を有し、前記分離（３４）は、電圧電位勾配が前記分離（３４）で前記第１の方向の逆の第２の方向に整列されるように、電圧電位勾配を反転させる、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記シェル（３０）および前記絶縁体（２８）は、その間に陽イオンと陰イオンとを含む電離されたガスで満たされたシェル隙間（１０４）を呈し、複数個の前記陰イオンが、前記絶縁体外側表面（３２）に沿って、および前記絶縁材料を通って、前記分離（３４）に移動し、前記分離（３４）は前記陰イオンを退ける、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
前記中心電極（２２）および前記絶縁体（２８）は、その間に陽イオンと陰イオンとを含む電離されたガスで満たされた電極隙間（６０）を呈し、複数個の前記陽イオンが、前記絶縁体外側表面（３２）に沿って、および前記絶縁材料を通って、前記分離（３４）に移動し、前記分離（３４）は前記陽イオンを退ける、請求項１に記載のコロナ点火器（２０）。
コロナ点火器（２０）を形成する方法であって、
絶縁材料から形成され、絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面（５６）と、対向する絶縁体外側表面（３２）とを含み、前記絶縁体内側表面（５６）および前記絶縁体外側表面（３２）は、各々、長手方向に絶縁体上側端部（５２）から絶縁体ノーズ端部（５４）に延在する、絶縁体（２８）を設けるステップを含み、絶縁体（２８）は、絶縁体ノーズ端部（５４）付近に絶縁体ノーズ領域（７４）を含み、絶縁体ノーズ領域（７４）の絶縁体外側表面（３２）は、絶縁体ボアに対して径方向に延在する分離（３４）を呈し、絶縁体（２８）は、径方向に中心電極（２２）から遠ざかるように延在する突起を含み、分離（３４）は突起のフランク（８２）であり、前記方法はさらに、
絶縁体ボアに導電性の材料から形成された中心電極（２２）を配置するステップと、
金属材料から形成され、長手方向に下側シェル端部（７６）から上側シェル端部（１００）に延在するシェルボアを呈する内側シェル表面（９２）を含むシェル（３０）を設けるステップと、
突起のフランク（８２）がシェル（３０）に面するように、絶縁体（２８）をシェルボアに配置するステップとを含む、方法。
絶縁体（２８）をシェルボアに配置するステップは、分離（３４）を含む絶縁体ノーズ領域（７４）を、上側シェル端部（１００）からシェルボアに通して、下側シェル端部（７６）を通過させて、挿入するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
絶縁体（２８）をシェルボアに配置した後に絶縁体（２８）のまわりにシェル（３０）を形成するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離し、コロナ放電（２４）をあたえるためのコロナ点火器（２０）であって、
導電性の材料から形成され、高い無線周波数電圧を受けて無線周波数電界を発して、燃料と空気との混合物を電離し前記コロナ放電（２４）をあたえるための中心電極（２２）と、
金属材料から形成され、前記中心電極（２２）に沿って延在するシェル（３０）とを含み、
前記シェル（３０）は、長手方向に上側シェル端部（１００）から下側シェル端部（７６）に延在し、
前記シェル（３０）は、長手方向に前記上側シェル端部（１００）から前記下側シェル端部（７６）に延在するシェルボアを含み、
前記シェルボアはシェルボア直径（Ｄ _ｓ）を呈し、前記コロナ点火器（２０）はさらに、
絶縁材料から形成され、前記中心電極（２２）と前記シェル（３０）との間に配置された絶縁体（２８）を含み、
前記絶縁体（２８）は絶縁体外側表面（３２）を含み、前記絶縁体外側表面（３２）は、前記中心電極（２２）に向いておらず、長手方向に絶縁体上側端部（５２）から絶縁体ノーズ端部（５４）に延在し、
前記絶縁体（２８）は前記下側シェル端部（７６）付近から前記絶縁体ノーズ端部（５４）に延在する絶縁体ノーズ領域（７４）を含み、
前記絶縁体外側表面（３２）は前記絶縁体ノーズ領域（７４）に沿って分離（３４）を呈し、前記分離（３４）は、前記中心電極（２２）に対して径方向に外方向に延在し、
前記絶縁体ノーズ領域（７４）は絶縁体ノーズ直径（Ｄ _ｎ）を呈し、
前記シェルボア直径（Ｄ _ｓ）は前記絶縁体ノーズ直径（Ｄ _ｎ）より大きい、コロナ点火器（２０）。
前記絶縁体外側表面（３２）は、前記分離（３４）をあたえる少なくとも１つの滑らかな遷移（７８）を含む、請求項１８に記載のコロナ点火器（２０）。
コロナ点火器（２０）を形成する方法であって、
絶縁材料から形成され、絶縁体ボアを呈する絶縁体内側表面（５６）と、対向する絶縁体外側表面（３２）とを含み、前記絶縁体内側表面（５６）および前記絶縁体外側表面（３２）は、各々、長手方向に絶縁体上側端部（５２）から絶縁体ノーズ端部（５４）に延在する、絶縁体（２８）を設けるステップを含み、絶縁体（２８）は、絶縁体ノーズ端部（５４）付近に絶縁体ノーズ領域（７４）を含み、絶縁体ノーズ領域（７４）の絶縁体外側表面（３２）は、絶縁体ボアに対して径方向に延在する分離（３４）を呈し、前記方法はさらに、
絶縁体ボアに導電性の材料から形成された中心電極（２２）を配置するステップと、
金属材料から形成され、長手方向に下側シェル端部（７６）から上側シェル端部（１００）に延在するシェルボアを呈する内側シェル表面（９２）を含むシェル（３０）を設けるステップと、
分離（３４）を含む絶縁体ノーズ領域（７４）を、上側シェル端部（１００）からシェルボアに通して、下側シェル端部（７６）を通過させて挿入することによって、絶縁体（２８）をシェルボアに配置するステップとを含む、方法。