JP6014609B2 - エネルギ効率が改善されたコロナ点火器 - Google Patents
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Description
本願は、2011年2月22日に提出され、その内容の全体が引用によりこの明細書中に援用される出願連続番号第61/445,328号の利益を主張する。
1.発明の分野
この発明は、概して、燃焼室における燃料空気混合物に点火するための点火器に関し、より特定的には、コロナ点火器のエネルギ効率に関する。
コロナ放電点火システムの一例が、Freenに対する米国特許第6,883,507号に開示される。コロナ放電点火システムは、高周波電位に帯電された電極を備えたコロナ点火器を含む。他のタイプの点火システムの点火器と同様に、コロナ点火器は、磁気コアを囲んで電源から電極にエネルギを伝達する複数の巻線を備えた点火コイルを含む。コロナ点火器の点火コイルの一例を図4に示す。コロナ点火器は、第1の電圧でエネルギの供給を受け、典型的には第1の電圧よりも15〜50倍高い第2の電圧で電極にエネルギを伝達する。次いで、電極は、強い高周波電界を形成する。この高周波電界は、燃焼室における燃料と空気との混合物の一部のイオン化、および絶縁破壊の開始を引き起こし、燃料空気混合物の燃焼を促進する。電界は、好ましくは、燃料空気混合物が誘電特性を維持し、非熱プラズマとも称されるコロナ放電が引き起こされるように制御される。燃料空気混合物のうちのイオン化された部分は火炎前面を形成し、これは、次いで、自己持続するようになり、残りの燃料空気混合物を燃焼させる。
本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて考慮されると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に認識されるだろう。
本発明の一局面は、燃料空気混合物を含む燃焼室に配置され、放電をもたらして燃料空気混合物をイオン化し点火するための点火器20を含む点火システムを提供する。この明細書中に記載される点火システムは、図1に示されるように、コロナ点火器20を含むコロナ点火システムである。しかしながら、本発明はまた、他のタイプの点火器、たとえば、火花点火システム、マイクロ波点火システムまたは別のタイプの点火システムの点火器にも適用される。
Claims (17)
- 燃焼室における燃料空気混合物に点火するためのコロナ点火器(20)であって、
コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在し、第1の電圧でエネルギを受け、第1の電圧よりも高い第2の電圧でエネルギを伝達するためのコイル(24)を備え、
前記コイル(24)は、前記コイル中心軸(ac)を中心として円周方向に延在する複数の巻線(26)を含み、
前記巻線の各々は、隣接する複数の巻線の1つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記点火器(20)はさらに、
前記巻線(26)間において前記コイル中心軸(ac)に沿って配置される磁気コア(30)を備え、
前記磁気コア(30)は複数の個別部分(32)を含み、
前記個別部分(32)の各々は、コア間隙(34)によって、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)から軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コイル(24)は、第1の電圧でエネルギを受ける低電圧コイル端部(48)から第2の電圧でエネルギを受ける高電圧端部にまで長手方向に延在し、前記コイル(24)は、前記低電圧コイル端部(48)と前記高電圧コイル端部(50)との間にコイル長(l c )を呈し、前記磁気コア(30)は、前記低電圧コイル端部(48)に隣接する低電圧コア端部(70)から前記高電圧コイル端部(50)に隣接する高電圧コア端部(72)にまで延在し、前記磁気コア(30)の前記個別部分(32)を合わせると、前記低電圧コア端部(70)から前記高電圧コア端部(72)にまで延びるコア長(l m )となり、前記コア長(l m )は前記コイル長(l c )よりも長く、
前記点火器(20)はさらに、電気絶縁性の非磁性材料で作られ、前記磁気コア(30)から前記巻線(26)までの間隔に相当するフォーマ厚(t f )を呈するコイルフォーマ(62)を含み、
前記コイル長(l c )と前記コア長(l m )との間に長さの差(l d )があり、前記長さの差(l d )は前記フォーマ厚(t f )以上であり、
前記点火器(20)はさらに、前記コイルフォーマ(62)とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙(56)に配置されるコイル充填材(68)を備え、前記コイル充填材(68)により、前記巻線(26)の各々が前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材(68)は、少なくとも3kV/mmの絶縁耐力、少なくとも0.125W/m.Kの熱伝導率、および6未満の比誘電率を有する、点火器(20)。 - 非磁性材料から形成され、前記コア間隙(34)に配置される間隙充填材(78)を含み、前記個別部分(32)の各々は、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)からコア間隙(34)によって軸方向に間隔を空けて配置される、請求項1に記載の点火器(20)。
- 間隙充填材(78)は15以下の比透磁率を有する、請求項2に記載の点火器(20)。
- 前記個別部分(32)の各々は、底面(74)および上面(76)を含み、底面(74)および上面(76)の各々は平坦であり、前記個別部分(32)のうちの1つの個別部分(32)の前記底面(74)は、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)の上面(76)に面し、かつ前記上面(76)に対して平行である、請求項1に記載の点火器(20)。
- 前記コア間隙(34)の各々は、前記コア長(lm)の1%〜10%の間隙厚(tg)を呈する、請求項1に記載の点火器(20)。
- 前記コア間隙(34)の各々の前記間隙厚(tg)を合わせると、間隙厚の合計は前記コア長(lm)の25%以下となる、請求項5に記載の点火器(20)。
- 前記コイル充填材(68)により、前記巻線(26)の各々が前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)から長手方向に間隔を空けて配置される、請求項1に記載の点火器(20)。
- 複数の壁(38)を有するハウジング(36)を備え、前記複数の壁(38)は、それらの間に前記コイル(24)および前記磁気コア(30)収容するためのハウジング(36)体積を呈し、前記ハウジング(36)は、6未満の比誘電率を有し前記ハウジング(36)を満たす電気絶縁成分(44)を含む、請求項1に記載の点火器(20)。
- 電気絶縁性の非磁性材料から作られ、前記コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在するコイルフォーマ(62)を含み、前記コイルフォーマ(62)により、前記巻線(26)が前記コイル中心軸(ac)から間隔を空けて配置され、前記コイルフォーマ(62)は、前記巻線内面(58)に沿って延在するフォーマ外面(64)と、前記磁気コア(30)に係合するフォーマ内面(66)とを有する、請求項1に記載の点火器(20)。
- 前記コイル(24)は、少なくとも500マイクロヘンリーのインダクタンスを有し、前記磁気コアは少なくとも125の比透磁率を有する、請求項1に記載の点火器(20)。
- 前記コイル(24)は銅から形成され、前記磁気コア(30)は、フェライト材料または粉末状の鉄材料から形成される、請求項10に記載の点火器(20)。
- 前記コイル(24)に電気的に結合され、前記コイル(24)からエネルギを受けるための電極(28)を含む、請求項1に記載の点火器(20)。
- 燃焼室における燃料空気混合物に点火するためのコロナ点火器(20)であって、
コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在し、第1の電圧でエネルギを受け、第1の電圧よりも高い第2の電圧でエネルギを伝達するためのコイル(24)を備え、
前記コイル(24)は、前記コイル中心軸(ac)を中心として円周方向に延在する複数の巻線(26)を含み、
前記巻線の各々は、隣接する複数の巻線の1つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記点火器(20)はさらに、
前記巻線(26)間において前記コイル中心軸(ac)に沿って配置される磁気コア(30)を備え、
前記磁気コア(30)は複数の個別部分(32)を含み、
前記個別部分(32)の各々は、コア間隙(34)によって、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)から軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コイル(24)は、第1の電圧でエネルギを受ける低電圧コイル端部(48)から第2の電圧でエネルギを受ける高電圧端部にまで長手方向に延在し、前記コイル(24)は、前記低電圧コイル端部(48)と前記高電圧コイル端部(50)との間にコイル長(l c )を呈し、前記磁気コア(30)は、前記低電圧コイル端部(48)に隣接する低電圧コア端部(70)から前記高電圧コイル端部(50)に隣接する高電圧コア端部(72)にまで延在し、前記磁気コア(30)の前記個別部分(32)を合わせると、前記低電圧コア端部(70)から前記高電圧コア端部(72)にまで延びるコア長(l m )となり、前記コア長(l m )は前記コイル長(l c )よりも長く、
前記コイル長(l c )と前記コア長(l m )との間に長さの差(l d )があり、前記巻線(26)は、前記コイル中心軸(a c )に面する巻線内面(58)を含み、前記巻線内面(58)から前記コイル中心軸(a c )にまで延びる巻線内半径(r w )を呈し、前記長さの差(l d )は前記巻線内半径(r w )以上であり、
前記点火器(20)はさらに、電気絶縁材料で作られ、前記巻線(26)を前記磁気コア(30)から間隔を空けて配置するコイルフォーマ(62)を含み、
前記点火器(20)はさらに、前記コイルフォーマ(62)とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙(56)に配置されるコイル充填材(68)を備え、前記コイル充填材(68)により、前記巻線(26)の各々が前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材(68)は、少なくとも3kV/mmの絶縁耐力、少なくとも0.125W/m.Kの熱伝導率、および6未満の比誘電率を有する、点火器(20)。 - 燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電(22)をもたらすよう高周波電界を与えるためのコロナ点火器(20)であって、
複数の壁(38)を含むハウジング(36)を備え、前記複数の壁(38)の間にハウジング(36)体積を呈し、
前記壁(38)は、コイル中心軸(ac)に沿って配置され前記ハウジング(36)体積を介してエネルギを伝達することを可能にするための低電圧インレット(40)および高電圧アウトレット(42)を呈し、前記コロナ点火器(20)はさらに、
導電性材料からなり、前記ハウジング(36)を囲むシールド(46)と、
前記ハウジング(36)に配置され、第1の電圧でエネルギを受け、第1の電圧よりも少なくとも15倍高い第2の電圧でエネルギを伝達するためのコイル(24)とを備え、
前記コイル(24)は、前記低電圧インレット(40)に隣接し第1の電圧でエネルギを受けるための低電圧コイル端部(48)から、前記高電圧アウトレット(42)に隣接し第2の電圧でエネルギを伝達するための高電圧コイル端部(50)にまで、前記コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延びるコイル長(lc)を有し、
前記コイル(24)は、少なくとも500マイクロヘンリーのインダクタンスを有し、
前記コイル(24)は、前記コイル中心軸(ac)を中心として円周方向に、かつ前記コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在する複数の巻線(26)を含み、
前記巻線(26)の各々は、前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)と水平に位置合わせされ、前記隣接する巻線(26)から前記巻線(26)までの間隔に相当する巻き間隙(56)を呈し、
前記巻線(26)は、前記コイル中心軸(ac)に面する巻線内面(58)と、前記巻線内面(58)とは反対方向に面する巻線外面(60)とを呈し、
前記巻線(26)は、両側の前記巻線内面(58)間において、前記コイル中心軸(ac)を通過して前記コイル中心軸(ac)に対して垂直に延びる巻線内径(Dw)を呈し、
前記巻線(26)は、前記巻線内面(58)から前記巻線内径(Dw)に沿って前記コイル中心軸(ac)にまで延びる巻線内半径(rw)を呈し、
前記巻線(26)は、両側の前記巻線外面(60)間において、前記コイル中心軸(ac)を通過して前記コイル中心軸(ac)に対して垂直に延びる巻線外周(Pw)を呈し、
前記巻線(26)の各々は、前記巻線内面(58)から前記巻線外面(60)にまで延びる巻線厚(tw)を呈し、前記コロナ点火器(20)はさらに、
電源から前記コイル(24)の低電圧端部にエネルギを伝達するための低電圧コネクタ(52)と、
前記コイル(24)に電気的に結合され、前記コイル(24)からエネルギを受けるための電極(28)と、
前記コイル(24)および前記電極(28)を電気的に結合し、前記コイル(24)から前記電極(28)にエネルギを伝達する高電圧コネクタ(54)と、
電気絶縁性の非磁性材料から作られ、前記コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在するコイルフォーマ(62)とを備え、前記コイルフォーマ(62)により、前記巻線(26)が前記コイル中心軸(ac)から間隔を空けて配置され、
前記コイルフォーマ(62)は、前記巻線内面(58)に係合するフォーマ外面(64)と、前記フォーマ外面(64)とは反対方向であって前記コイル中心軸(ac)に向かって面し、前記コイル中心軸(ac)を中心として円周方向に延在するフォーマ内面(66)とを有し、
前記フォーマ内面(66)は前記コイル中心軸(ac)を通過して延びるフォーマ内径(Df)を呈し、
前記コイルフォーマ(62)は、前記フォーマ内面(66)と前記フォーマ外面(64)との間にフォーマ厚(tf)を呈し、前記コロナ点火器(20)はさらに、
前記コイルフォーマ(62)とは異なる電気絶縁材料から形成され、前記巻き間隙(56)に配置されるコイル充填材(68)を備え、前記コイル充填材(68)により、前記巻線(26)の各々が前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)から間隔を空けて配置され、
前記コイル充填材(68)は、少なくとも3kV/mmの絶縁耐力、少なくとも0.125W/m.Kの熱伝導率、および6未満の比誘電率を有し、前記コロナ点火器(20)はさらに、
磁性材料から形成され、前記コイル中心軸(ac)に沿って前記巻線(26)間に配置された磁気コア(30)を備え、
前記磁気コア(30)は、前記コイルフォーマ(62)に収容され、前記フォーマ内面(66)によって係合され、
前記磁性材料は少なくとも125の比透磁率を有し、
前記磁気コア(30)は、前記低電圧コイル端部(48)に隣接する低電圧コア端部(70)から、前記高電圧コイル端部(50)に隣接する高電圧コア端部(72)にまで、前記コイル中心軸(ac)に沿って軸方向に延びるコア長(lm)を有し、
前記磁気コア(30)は、前記コイル中心軸(ac)を中心として、前記フォーマ内面(66)に沿って連続的に、かつ前記フォーマ内径(Df)にわたって連続的に延在し、
前記磁気コア(30)は複数の個別部分(32)を含み、前記複数の個別部分(32)を合わせると前記コア長(lm)となり、
前記個別部分(32)の各々は、前記高電圧アウトレット(42)に面する底面(74)と、前記底面(74)とは反対方向であって前記低電圧インレット(40)に向かって面する上面(76)とを有し、
前記個別部分(32)のうちの1つの個別部分(32)の前記底面(74)は、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)の上面(76)に面し、かつ前記上面(76)に対して平行であり、
前記個別部分(32)の前記上面(76)および前記底面(74)は平坦であり、
前記個別部分(32)は、前記コイル中心軸(ac)に沿って互いから軸方向に十分に間隔を空けて配置され、
前記個別部分(32)の各々は、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)からコア間隙(34)によって軸方向に間隔を空けて配置され、
前記コア長(lm)は前記コイル長(lc)よりも長く、
前記コア長(lm)と前記コイル長(lc)との間に長さの差(ld)があり、
前記長さの差(ld)は前記フォーマ厚(tf)以上であり、
前記長さの差(ld)は前記巻線内半径(rw)以上であり、
前記コア間隙(34)の各々は、前記フォーマ内径(Df)にわたって連続的に延在し、
前記コア間隙(34)の各々は、前記コイル中心軸(ac)に沿って軸方向に延びる間隙厚(tg)を有し、
前記コア間隙(34)の各々の前記間隙厚(tg)は前記コア長(lm)の1〜10%であり、
すべての前記コア間隙(34)の前記間隙厚(tg)を合わせると、間隙厚の合計は前記コア長(lm)の25%以下となり、前記コロナ点火器(20)はさらに、
15以下の比透磁率を有する非磁性材料から形成され、前記コア間隙(34)に配置される間隙充填材(78)を備える、コロナ点火器(20)。 - 燃料空気混合物の一部をイオン化し、燃焼室においてコロナ放電(22)をもたらすよう高周波電界を与えるためのコロナ点火器(20)を形成する方法であって、
コイル中心軸(ac)に沿って長手方向に延在し、コイル中心軸(ac)を中心として円周方向に延在する複数の巻線(26)を含むコイル(24)を設けるステップを含み、前記巻線(26)の各々は、隣接する複数の巻線の1つから前記巻線までの間隔に相当する巻き間隙を呈し、前記コイル(24)は、前記低電圧コイル端部(48)と前記高電圧コイル端部(50)との間にコイル長(l c )を呈し、前記方法はさらに、
磁性材料から形成される磁気コア(30)の複数の個別部分(32)を、巻線(26)間においてコイル中心軸(ac)に沿って配置するステップを含み、前記磁気コア(30)は、前記低電圧コイル端部(48)に隣接する低電圧コア端部(70)から前記高電圧コイル端部(50)に隣接する高電圧コア端部(72)にまで延在し、
前記方法はさらに、磁気コア(30)の個別部分(32)の各々を、コア間隙(34)によって、前記個別部分(32)のうち隣接する個別部分(32)から軸方向に間隔を空けて配置するステップを含み、前記磁気コア(30)の前記個別部分(32)を合わせると、前記低電圧コア端部(70)から前記高電圧コア端部(72)にまで延びるコア長(l m )となり、前記コア長(l m )は前記コイル長(l c )よりも長く、前記コイル長(l c )と前記コア長(l m )との間に長さの差(l d )があり、
前記方法はさらに、電気絶縁性の非磁性材料で作られたコイルフォーマ(62)により前記巻線(26)を前記磁気コア(30)から間隔を空けて配置するステップを含み、前記コイルフォーマは、前記磁気コアから前記巻線までの間隔に相当するフォーマ厚(t f )を呈し、前記コイル長(l c )と前記コア長(l m )との間の前記長さの差(l d )は前記フォーマ厚(t f )以上であり、
前記方法はさらに、前記コイルフォーマ(62)とは異なる電気絶縁材料から形成されるコイル充填材(68)を前記巻き間隙(56)に配置し、前記コイル充填材(68)により、前記巻線(26)の各々を前記巻線(26)のうち隣接する巻線(26)から間隔を空けて配置するステップを含み、前記コイル充填材(68)は、少なくとも3kV/mmの絶縁耐力、少なくとも0.125W/m.Kの熱伝導率、および6未満の比誘電率を有する、方法。 - 非磁性材料から形成される間隙充填材(78)をコア間隙(34)に配置するステップを含む、請求項15に記載の方法。
- 電気絶縁性の非磁性材料で作られ、前記磁気コア(30)から前記巻線(26)までの間隔に相当するフォーマ厚(tf)を呈するコイルフォーマ(62)を含む、請求項13に記載の点火器(20)。
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