JP2018514905A - 中心電極と各種絶縁材料との間への半導電性スリーブの導入による高電圧接合部でのコロナ放電の抑制 - Google Patents
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Abstract
Description
本米国特許出願は、2015年3月26日に出願された米国仮特許出願第62/138,642号および2016年3月23日に出願された米国実用特許出願第15/077,615号の利益を主張し、これらの出願全体を本明細書に引用により援用する。
1.発明の分野
本発明は、概してコロナ点火アセンブリおよびこのコロナ点火アセンブリの製造方法に関する。
コロナ放電点火システムにおいて使用されるコロナ点火器アセンブリは一般的に、単一部品として着火端アセンブリに装着された点火コイルアセンブリを含む。着火端アセンブリは中心電極を含み、中心電極を高無線周波数電位に帯電させると、燃焼室に強い無線周波数電界が生じる。この電界により、燃焼室内の燃料と空気との混合物の一部が電離し絶縁破壊し始めることで、混合気の燃焼が促進される。好ましくは、電界は、混合気が誘電特性を保ちかつ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。混合気の電離部分が火炎前面を形成し、火炎前面は自己持続状態になり混合気の残りの部分を燃焼させる。また、好ましくは、電界は、混合気がすべての誘電特性を失わないように、制御される。誘電特性が失われると、熱プラズマおよび電気アークが、電極と、接地されているシリンダ壁、ピストン、または点火器の他の部分との間に生じる。
本発明の一局面は、コロナ点火器アセンブリを提供する。このコロナ点火器アセンブリは、点火コイルアセンブリと、ピーク電界をコロナ放電開始電圧未満に維持することができる着火端アセンブリとを備える。着火端アセンブリは、セラミック絶縁体で囲まれた点火器中心電極を含む。高電圧中心電極が点火器中心電極に接続されている。セラミック絶縁体と異なる材料で形成された高電圧絶縁体が高電圧中心電極を囲んでいる。半導電性スリーブが、径方向において、高電圧中心電極と絶縁体との間に配置され、軸方向において、隣接する絶縁体間の界面に沿って延在する。任意で、誘電コンプライアント絶縁体が、高電圧絶縁体と着火端アセンブリのセラミック絶縁体との間に配置される。この任意の誘電コンプライアント絶縁体がある場合は、半導電性スリーブも、径方向において、高電圧中心電極と誘電コンプライアント絶縁体との間に配置され、軸方向において、誘電コンプライアント絶縁体と隣接する絶縁体との間の界面に沿って延在する。
高無線周波数電圧を受け、無線周波数電界を燃料と気体との混合物を含む燃焼室に分布させてコロナ放電を生じさせるための、コロナ点火器アセンブリ20の概要が、図1に示されている。コロナ点火器アセンブリ20は、点火コイルアセンブリ22と、着火端アセンブリ24と、点火コイルアセンブリ22を着火端アセンブリ24に接続する、囲んでいる金属チューブ26とを含む。コロナ点火器アセンブリ20はまた、高電圧絶縁体28と、任意の誘電コンプライアント絶縁体30とを含み、これらは各々、金属チューブ26の内側において、点火コイルアセンブリ22と着火端アセンブリ24のセラミック絶縁体32との間に配置されている。高電圧中心電極62が、点火コイルアセンブリ22を着火端アセンブリ24に接続する。半導電性スリーブ76が、これらの異なる絶縁体28、30、32間の界面に沿って連続的に延在している。半導電性スリーブ76は、ピーク電界を弱め、高電圧中心電極62および隣接する絶縁体28、30、32に沿うエアギャップを満たすことにより、望ましくないコロナ放電を防止する。
D3:D2=0.107〜0.357
D1:D3=0.1〜2.0
この例示的な実施形態では、以下の比率を用いることで、電界ピークをできる限り低く、一般的にはコロナ放電開始電圧よりも低く保った。
D3(上側の部分):D2=0.180
D3(下側の部分):D2=0.286
D1:D3(上側の部分)=0.400
D1:D3(下側の部分)=0.250
表3は、電界の低減および種々の異なる直径比率との関係の例を示す。
Claims (20)
- コロナ点火アセンブリであって、
セラミック材料で形成された着火端絶縁体によって囲まれた点火器中心電極と、
前記点火器中心電極に接続された高電圧中心電極と、
前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なる絶縁材料で形成され前記高電圧中心電極を囲む高電圧絶縁体と、
半導電性材料で形成され、径方向における前記高電圧中心電極と前記着火端絶縁体との間、および、径方向における前記高電圧中心電極と前記高電圧絶縁体との間に配置された、スリーブとを備える、コロナ点火アセンブリ。 - 前記スリーブの前記半導電性材料はコンプライアント材料である、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記スリーブの前記コンプライアント材料はシリコーンゴムである、請求項2に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記スリーブの前記半導電性材料は導電性フィラーを含む、請求項2に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記導電性フィラーは炭素系材料である、請求項4に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記スリーブの抵抗率は0.5オーム/mm〜100オーム/mmである、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記スリーブは長手方向においてスリーブ上端からスリーブ下端まで延在し、前記スリーブは、前記スリーブ上端から前記スリーブ下端まで延びている領域内の、径方向において前記電極と前記絶縁体との間に位置するエアギャップを満たす、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記スリーブは上部分および下部分で形成されており、前記上部分および前記下部分は各々スリーブ外径およびスリーブ内径を有し、前記スリーブ外径は前記下部分の方が大きく、前記スリーブ内径は前記スリーブの下部分および前記スリーブの上部分において一定である、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記高電圧絶縁体の熱膨張係数(CLTE)は前記着火端絶縁体の熱膨張係数(CLTE)よりも大きい、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 長手方向において前記高電圧絶縁体の下壁から前記着火端絶縁体の端壁まで延在する誘電コンプライアント絶縁体を備え、前記スリーブは、長手方向において前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面にまたがって延在し、かつ、長手方向において前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面にまたがって延在する、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記誘電コンプライアント絶縁体の硬度(ショアA)は40〜80の範囲である、請求項10に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記高電圧絶縁体の上壁と点火コイルアセンブリとの間に配置された誘電コンプライアント絶縁体を備える、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記高電圧絶縁体の下壁は前記着火端絶縁体の端壁に接着性封止材によって接合され、前記スリーブは長手方向において前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間の前記接着性封止材にまたがって延在する、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 金属材料で形成され長手方向において前記絶縁体および前記スリーブに沿って延在しかつ前記絶縁体および前記スリーブを囲むチューブを備える、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。
- 前記高電圧中心電極は点火コイルアセンブリに接続され、
前記点火コイルアセンブリはエネルギを前記高電圧中心電極に送るためのコイル出力部材を含み、前記コイル出力部材はプラスチック材料で形成され、
金属シェルが前記着火端絶縁体を囲んでおり、
前記着火端絶縁体は前記点火器中心電極を前記金属シェルから隔離し、
前記点火器中心電極は、長手方向において前記中心軸に沿って端子端から着火端まで延在し、
電気端子が前記点火器中心電極の前記端子端に配置され、クラウンが前記点火器中心電極の前記着火端に配置され、
前記クラウンは、前記中心軸から径方向外向きに延在し無線周波数電界を分布させるための複数の分岐を含み、
前記着火端絶縁体は、アルミナで形成され、前記点火器中心電極を受けるためのボアを有し、
前記高電圧中心電極の下部分を前記着火端絶縁体の前記ボアが受け、前記高電圧中心電極の第2の部分は前記コイル出力部材まで延在し、
前記高電圧中心電極は導電性材料で形成され、
真鍮パックが前記着火端絶縁体の前記ボアの中に配置されて前記高電圧中心電極と前記電気端子とを電気的に接続し、
ばねが前記真鍮パックと前記高電圧中心電極との間に配置され、
前記高電圧絶縁体は、前記コイル出力部材に接続された高電圧絶縁体上壁から高電圧絶縁体下壁まで延在し、
前記高電圧絶縁体は、前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なるフッ素重合体で形成され、
前記高電圧絶縁体の熱膨張係数(CLTE)は前記セラミック材料の熱膨張係数(CLTE)よりも大きく、
誘電コンプライアント絶縁体が前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間で圧縮され、
前記誘電コンプライアント絶縁体は、ゴムおよびシリコンのうちの少なくとも一方で形成され、40〜80の範囲の硬度(ショアA)を有し、
前記誘電コンプライアント部材は、前記高電圧絶縁体下壁の形状および前記着火端絶縁体の前記端壁の形状に、係合しかつ一致し、
前記スリーブは、長手方向において前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面にまたがって延在し、
前記スリーブは、長手方向において前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面にまたがって延在し、
前記スリーブは、前記高電圧絶縁体のボアに配置されたスリーブ上端から、前記着火端絶縁体の前記ボアに配置されたスリーブ下端まで延在し、
前記スリーブ下端は前記真鍮パックの上に載っており、
前記スリーブは、径方向において前記高電圧中心電極から前記誘電コンプライアント絶縁体まで延在し、
金属チューブが、前記絶縁体を囲み、前記点火コイルアセンブリを前記金属シェルに接続し、
前記金属チューブはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成され、
前記半導電性スリーブは、シリコーンゴムで形成され、導電性フィラーを含み、前記導電性フィラーは炭素系材料であり、
前記半導電性スリーブの抵抗率は0.5オーム/mm〜100オーム/mmであり、
接着剤が、前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面に沿って、および/または前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面に沿って配置されて前記界面に沿うエアギャップを満たし、
前記接着剤は絶縁材料で形成される、請求項1に記載のコロナ点火アセンブリ。 - コロナ点火アセンブリの製造方法であって、
高電圧中心電極を点火器中心電極に接続するステップと、
半導電性材料で形成されたスリーブを前記高電圧中心電極の周りに配置するステップと、
着火端絶縁体を前記点火器中心電極と前記スリーブのスリーブ下端との周りに配置するステップとを含み、前記着火端絶縁体はセラミック材料で形成され、
高電圧絶縁体を前記高電圧中心電極と前記スリーブのスリーブ上端との周りに配置するステップを含み、前記高電圧絶縁体は、前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なる絶縁材料で形成されている、方法。 - 前記スリーブの前記半導電性材料はコンプライアント材料である、請求項16に記載の方法。
- 前記半導電性スリーブは、シリコーンゴムと、炭素系材料で形成された導電性フィラーとを含み、前記高電圧絶縁体は、フッ素重合体で形成されており、前記着火端絶縁体は、アルミナで形成されている、請求項17に記載の方法。
- 誘電コンプライアント絶縁体を前記高電圧中心電極の周りに配置するステップと、
前記誘電コンプライアント絶縁体を長手方向において前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間で圧縮するステップとを含む、請求項16に記載の方法。 - 金属チューブを前記絶縁体および前記スリーブの周りに配置するステップを含む、請求項16に記載の方法。
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