JP5335769B2

JP5335769B2 - 点火装置

Info

Publication number: JP5335769B2
Application number: JP2010506679A
Authority: JP
Inventors: ベーラー，ジェフリー・ティー; ビロウ，マシュー・ビー; ヴァンダイン，エドワード・エイ
Original assignee: フラム・グループ・アイピー・エルエルシー
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-05-02
Also published as: US20080272683A1; KR20100016146A; EP2143182A4; WO2008137701A3; WO2008137701A2; US20120285409A1; US8053965B2; EP2143182A2; CN101689752A; EP2143182B1; JP2010526415A

Description

優先権の主張
本出願は、２００７年５月２日に出願された米国特許出願第６０／９１５６６８号の利益を主張するものであり、その内容は参照することにより本明細書に含まれる。

本発明の例示的な実施形態は、内燃エンジン用のスパークプラグまたは点火装置に関し、より詳細には、燃焼を開始し、燃焼の制御を円滑に行い、ディーゼルエンジン内でスート堆積物を焼却するためのスパークプラグ／点火装置に関する。

スートは、内燃エンジン、すなわちディーゼルエンジン内における燃料の不完全燃焼による一般的な副産物である。特に、従来の燃料は炭化水素から成り、それは完全燃焼した後、副産物として二酸化炭素と水のみを生成する。しかし通常、既知のエンジンは完全には効率的ではないため、内燃エンジン内で完全燃焼は生じない。さらに、完全燃焼するには希薄燃料−空気混合物を必要とするが、通常のエンジン条件では期待する性能を発揮するために濃厚な燃料−空気混合物が必要である。

さらに排ガス規制は、ディーゼルエンジンに対して、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）などの新しいエンジンの燃焼サイクル、および排ガス処理システムの使用を義務付けている。これらの新しい燃焼サイクルでは、燃焼の検出と制御のための新しい方法が必要となる。多くの従来の燃焼サイクルがやはり最良に作動するような、特定のエンジン負荷条件もあり得る。これらの条件に対して、スパークアシスト法は燃焼行程制御の１つの手段である。これはシリンダ内の燃焼の検出および燃焼の開始に対する要求を独自に組み合わせたものであり、高圧ディーゼルエンジンのシリンダ環境内で、点火装置としても、燃焼フィードバックおよび制御のためのイオンセンサとしても、良好に作動するように設計されたスパークプラグによって対応可能である。排ガス処理の別の態様においては、粒子フィルターを能動的に再生するためのさらに良好な方法が必要とされる。粒子フィルターの能動的再生のための１つの方法は、自己内蔵型燃焼器システムを設けて、排気ガスに熱エネルギーを加え、粒子フィルターの再生サイクルを開始することである。この燃焼システムは、腐食性で乱流状態のディーゼル排気環境において耐久性があり信頼性のある点火装置が必要となる。

さらに、燃料が噴射され点火される方式が異なるために、スートは通常、ガソリンエンジン内よりもディーゼルエンジン内に高い割合で蓄積する。特にガソリンエンジン内では、燃料は吸入行程中に噴射され、スパークによって点火される前に空気と完全に混合される。それに反して、ディーゼルエンジン内では燃料は圧縮行程中に噴射され、圧力によって自然に点火される。その点で、燃焼は未混合の燃料の境界で起こり、局所的なポケット部で濃厚な燃料−空気混合物が点火され、したがってスートを生成する。

スート堆積物は従来のスパークプラグの絶縁体先端上に蓄積し得る。絶縁体先端の露出表面は通常、未混合燃料の境界に、またはその近くに位置している。さらに絶縁体先端の露出表面は通常、側電極と中心電極の間のスパークギャップ内またはその周りには位置していない。特に通常のスパークプラグは、絶縁体先端を越えて突出している中心電極と、中心電極を越えて突出している側電極を含む。これらの原因により、スートは絶縁体先端に蓄積し焼却されないことがある。

従って、高いシリンダの圧力に対して従来のスパークプラグ設計よりも一層頑丈で、燃焼室または排気の腐食作用に耐性があり、スート蓄積に対して耐性のあるスパークプラグ／点火装置の設計を提供することが望まれる。

本発明の例示的な実施形態は、高エネルギー表面スパークを適用することによって運用性を維持するように構成された点火装置を提供し、また燃焼検出機能も提供する。
非限定的で例示的な本発明の実施形態による点火装置が提供され、本点火装置は、中心電極と、中心電極を囲んで配置された絶縁体と、絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、絶縁体は接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、中心電極の先端部分は絶縁体の先端部分を貫通してそれから突出するようにされた、接地シールドと、中心電極の先端部分と接地シールドの端部分との間に配置されたスパークギャップとを備える。

別の非限定的で例示的な本発明の実施形態による内燃エンジンの点火装置が提供され、本点火装置は、中心電極と、中心電極を囲んで配置された絶縁体と、絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、絶縁体は接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、中心電極の先端部分は絶縁体の先端部分を貫通してそれから突出するようにされた、接地シールドと、絶縁体の部分および接地シールドの部分を囲んで配置され、外側シェル部分で覆われた接地シールドの部分に近接して配置されたモータ座部分を有する外側シェル部分と、外側シェル部分に形成され、モータ座部分の上部に配置されたねじ部分と、中心電極の先端部分と接地シールドの端部分との間に配置されたスパークギャップとを備える。

別の非限定的で例示的な本発明の実施形態による内燃エンジン用の燃焼制御システムが提供され、本システムは中心電極と、中心電極を囲んで配置された絶縁体と、絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、絶縁体は接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、中心電極の先端部分は絶縁体の先端部分を貫通してそれから突出している、接地シールドと、中心電極の先端部分を囲んで配置されたイオン検出部分と、イオン検出部分の外周と接地シールドの端部分との間に配置されたスパークギャップと、中心電極に接続され、イオン検出部分に近接して存在するイオンの指標となるいくつかの信号を、中心電極を通してイオン検出部分から受信し、およびイオン検出部分へ送信するように構成された電子的制御ユニットとを備える。

上述の、およびその他の特徴と利点は、以下の詳細な説明、図面、および添付する特許請求の範囲により、当業者に認識され、理解されるであろう。
以下の詳細な実施形態の説明内に、単に例とするために、他の目的、特徴、利点、および詳細について、図面を参照して詳細な説明を記す。

本発明の非限定的で例示的な実施形態による点火装置の部分断面図である。図１の線２−２に沿った矢視図である。図の線３−３に沿った矢視図である。図１の部分の拡大図である。本発明の別の例示的な実施形態による点火装置の断面図である。図５の線６−６に沿った矢視図である。図５の点火装置の側面図である。本発明の例示的な実施形態による制御システムを概略的に例示する図である。

本発明の例示的な実施形態は、高圧縮エンジンの点火装置または点火装置／イオン検出に関する。本発明の例示的な実施形態は、米国特許第５，６９７，３３４号に関連しており、その内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。

例示的な実施形態により、添付図面に例示するように、スパークエネルギーがセラミック絶縁体の先端表面を越えて伝わることができ、それによって本発明の例示的な実施形態の点火装置を形成する、円筒形状側電極を有する「高ねじ（ｈｉｇｈｔｈｒｅａｄ）」スパークプラグが提供される。非限定的で例示的な実施形態において、側電極は高ニッケルまたはステンレス鋼合金で作られ、８ミリメートル（ｍｍ）あるいは１０ｍｍ、またはその間の任意の範囲の直径を有し、さらに８および１０ｍｍより大きいかまたはそれより小さい直径でもよい。上述の直径よりも大きいか小さい寸法であっても、本発明の例示的な実施形態の範囲内にあると考えられる。さらに、非限定的で例示的な本発明の実施形態による、中心電極の先端と側電極の間の距離は２ｍｍから１０ｍｍの範囲内にある。その上、中心電極のイオン検出性能を改善するために、中心電極先端の直径は金属ディスクを取り付けることによって増すことが可能である。

１つの例示的な実施形態により、絶縁体の先端上に形成されたスートを焼却するために、スパークプラグは、非導電性のセラミック絶縁体の先端に渡って十分に高いエネルギースパークを発生しなければならない。別の例示的な実施形態により、本明細書で説明される装置は中に点火装置が配置されている燃焼シリンダ内で、絶縁体先端に沿ってスパークを発し、かつイオン流を検出するように、イオン検出部分または環状ディスク部分を有する中心電極を使用する。しかし、独立して追加されたイオン検出部分を有さず、その代わりに点火装置が中心電極を有し、絶縁体を越えて突出している中心電極の先端をイオン検出部分にすることも想定できる。

図１から４を参照すると、高圧縮エンジンのための点火装置または点火装置／イオンセンサ１０が示されている。非限定的で例示的な実施形態による点火装置または点火装置／イオンセンサまたはスパークプラグ１０は、中心電極１２を囲んで配置された絶縁体１４の中心内腔１３内に配置された中心電極１２を含み、接地シールド１６は絶縁体１４を囲んで配置される。本発明の例示的な実施形態による絶縁体１４の先端部分１８は、接地シールド１６の端部分２０を越えて突出する。この先端部分１８は端部１９で終わる。さらに中心電極１２の先端部分２２は、先端部分１８の端部を超えて突出する。

したがって例示されているように、スパークギャップ２４は中心電極の先端部分から接地シールドに向かって延びる。スパークギャップは、また絶縁体１４の先端部分１８の表面２６に沿っても延びる。１つの例示的な実施形態において、表面２６に蓄積されたスートを「焼却（ｂｕｒｎｏｆｆ）」し、または除去するために、表面を加熱し蓄積したスートを焼き尽くすように、中心電極を通して高電圧がかけられる。

１つの非限定的で例示的な実施形態において、スパークギャップ２４は絶縁体の先端部分１８で画定された切頭円錐形状であり、この先端部分の外周は、中心電極の先端部分２２の端部１９と、接地シールド１６の端部分２０との間で末広がりになる。この点で、中心電極１２の先端部分２２から接地シールド１６の端部分２０までの間に、スパークプラグ１０は段階状の外側直径２８を有する。

図５に示すように、１つの非限定的で例示的な実施形態において、中心電極１２の先端部分２２と接地シールドの端部分２０との間の距離Ｄは、実質的に１．７ミリメートルから１０ミリメートルの間の範囲内にある。例えば、１つの例示的な実施形態において、距離Ｄは２．２３ミリメートルである。しかし所望によりこの距離は、上述の範囲の代わりにそれよりも大きく、または小さくすることが可能であると想定できる。

１つの例示的な実施形態において、接地シールド１６は、実質的に８ミリメートルから１０ミリメートルの間の範囲内の外径ＯＤを有する。外径ＯＤはこの範囲の代わりに、それよりも大きくまたは小さくすることが可能であると理解される。例えば接地シールド１６が実質的に６ミリメートルと８ミリメートルとの間の範囲内の外径または接地シールド１６が実質的に６ミリメートルと１０ミリメートルとの間の範囲内の外径を有するとすることができる。接地シールド１６の端部分２０は、中心電極１２の先端部分２２に向かって収束する切頭円錐形部分３０を有する。この非限定的で例示的な実施形態において、接地シールド１４はニッケル合金で作製される。しかし、所望により接地シールド１６はその代わりにステンレス鋼または様々な他の適切な材料で作製され得ると想定される。

接地シールド１６は、与えられた適用物の要求に応じ、その長さに沿って直線状であっても輪郭を有してもよい。同様に、絶縁体１４または絶縁体１４の先端部分１８も、与えられた適用物の要求に応じ、その長さに沿って直線状であっても輪郭を有してもよい。それらの輪郭部には、接地シールドまたは絶縁体の内側または外側部分の直径に関して１つまたは複数の変化を含んでよい。それらの輪郭部は、接地シールドまたは絶縁体の内側または外側部分に、それらの長さに沿って延在する１つまたは複数の傾斜面の輪郭を含んでもよい。１つの例示的な実施形態において、燃焼生成物質（例えば、スート）または他の物質の堆積物が、センサ内またはスパークプラグ１０内に入ることを制限し、または実質的に防止するように、絶縁体１４および接地シールド１６は、互いに対して位置決めされ、または輪郭を決められ、または方向を決められる。例えば図５に示すように、接地シールドは、接地シールドと絶縁体の間のギャップを閉止するために、内径および外径の漸次変化（例えば、スロープ）を含んでよい。同様に図４に示すように絶縁体も、接地シールドと絶縁体の間のギャップを閉止するために、外径の漸次変化を含んでよい。別の例において図１に示すように、接地シールド１６は、接地シールドと絶縁体との間のギャップを閉止するような形状としてよい。他の構成も可能である。

図６に示すような別の非限定的で例示的な実施形態において、中心電極１２もやはり中心電極の先端部分を囲むイオン検出部分３２を含む。本発明の例示的な実施形態により、イオン検出部分３２は、絶縁体の端部分から突出している先端部分を囲んで配置された環状ディスク部分である。もちろん別の構成のイオン検出部分も、本発明の例示的な実施形態の範囲にあると考えられる。例示的な実施形態により、かつイオン検出部分３２（例えば、ディスク部分または他の構成）が中心電極上に配置される場合は、スパークギャップ２４は、環状ディスク部分３２の外周３３と接地シールド１６の端部分２０の間に延在する。

本発明の例示的な実施形態により、イオン検出部分３２は点火装置の一部としてイオン検出手段を提供するために使用される。例示的な実施形態により、環状ディスク部分はニッケル合金で作製され、イオン検出手段は、図８に示す非限定的な実施形態の例のように、燃焼制御システム３４（「システム」）とともに使用されることが想定される。

この非限定的で例示的な実施形態において、接地シールド１６の端部分２０と、中心電極１２の環状ディスク部分３２の間の距離Ｄは約２．２３ミリメートルである。しかし距離Ｄは、２．２３ミリメートルよりも大きくても小さくてもよいことが想定できる。

ここで図８の概略図に戻ると、電子制御モジュール５０は、信号を受信しかつ点火装置に電圧を供給するために、点火装置に作動可能に接続されている。本モジュールは、独立したモジュールであるか、または点火制御モジュールの部分、またはエンジン制御モジュールの部分であってよい。電子モジュールは、制御モジュールのマイクロプロセッサ５４に命令されたとき、交流（ＡＣ）であるかまたは直流（ＤＣ）であるかに基づいて、制御された電圧信号を点火装置の電極に供給するために電源５２を有する。マイクロプロセッサは、電力を電極に供給するように電源に命令するとともに、電極先端に配置された環状ディスク部分またはイオン検出部分３２を通る電極からのイオン流信号をコンディションモジュール５６を通して受信する。マイクロプロセッサは、環状ディスク部分で検出されたイオン信号を分析し、燃焼安定性および非安定性の開始を決定するために、必要なステップを遂行するために必要な構成部品を含み、そしてインターフェースまたはバス５８を通してエンジン制御モジュールなどの他のモジュールと通信する。例示的な実施形態により、コンディションモジュール５６はライン６０を通して電極から信号を受信し、必要なフィルタリングまたは増幅を遂行する。

例示的な実施形態により、そして図１、５、および７に例示するように点火装置は、点火装置のモータ座部分６４の上方に配置されたねじ部分６２を有する。したがって、そして点火装置はエンジンまたは他の装置のねじの付いた開口部（図示せず）に固定されるので、それらの間で効果的な封止部を形成するように、ねじ部分６２は座部分をモータの座に押し付ける。

さらに点火装置１０は、ねじ部分とモータ座部分を含む第１の外側シェル部分７０を有し、第１の外側シェル部分には接地シールドの上部を囲んでモータ座部分が配置される。本発明の例示的な実施形態により、モータ座部分は図面に示すように６０度の角度を有するように構成される。もちろん別の構成も本発明の例示的な実施形態の範囲内にあると考えられる。

本発明について例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をすることが可能であり、その構成要素に均等物を置換することが可能であることを、当業者は理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように、多くの修正をすることが可能である。

したがって本発明は、本発明を実施するために想定される最良の形態として開示された具体的な実施形態に限定されることなく、本発明はその応用の範囲内にあるすべての実施形態を含むことになる、ということが意図される。

Claims

内燃エンジン用の点火装置において、
中心電極と、
前記中心電極を囲んで配置された絶縁体と、
前記絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、前記絶縁体は前記接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、前記中心電極の先端部分は前記絶縁体の前記先端部分を貫通してそれから突出している、接地シールドと、
前記中心電極の前記先端部分と前記接地シールドの前記端部分との間に配置されたスパークギャップとを備え、
前記スパークギャップが前記絶縁体の前記先端部分の外周に沿って延在し、前記外周が前記接地シールドの前記端部分を越えて延在し、
前記スパークギャップが、前記中心電極の前記先端部分から前記接地シールドの前記端部分に向かって末広がりになる切頭円錐形状を有し、
前記接地シールドがニッケル合金およびステンレス鋼合金のうちの１つで作製され、
前記点火装置が更に、
前記中心電極の前記先端部分に配置されるイオン検出部分を備え、前記中心電極の前記先端部分を囲んで配置された環状ディスク部分が前記イオン検出部分になっており、
前記スパークギャップが、前記イオン検出部分の外周と前記接地シールドの前記端部分との間に配置され、
前記点火装置は、円筒形状側電極を有する高ねじスパークプラグを有する、
点火装置。
前記絶縁体の前記先端部分の前記外周がさらに段階状の外径を有する、請求項１に記載の点火装置。
前記スパークギャップが、前記環状ディスク部分の外周と前記接地シールドの前記端部分との間に延在する、請求項１に記載の点火装置。
前記スパークギャップが前記絶縁体の前記先端部分の外周に沿って延在し、前記外周が前記接地シールドの端部を越えて延在する、請求項３に記載の点火装置。
前記接地シールドの前記端部分が、前記接地シールドの前記端部分を越えて延在する前記絶縁体の前記先端部分の外周に向かって収束する切頭円錐形部分を有するように構成され、前記接地シールドが６ミリメートルと８ミリメートルとの間の範囲内の外径を有する、請求項１から４のいずれかに記載の点火装置。
前記中心電極の前記先端部分と前記接地シールドの前記端部分との間の距離が、１．７ミリメートルと１０ミリメートルとの間の範囲内にある、請求項１から５のいずれかに記載の点火装置。
前記接地シールドが６ミリメートルと１０ミリメートルとの間の範囲内の外径を有する、請求項１から４および６のいずれかに記載の点火装置。
内燃エンジン用の点火装置において、
中心電極と、
前記中心電極を囲んで配置された絶縁体と、
前記絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、前記絶縁体は前記接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、前記中心電極の先端部分は前記絶縁体の前記先端部分を貫通してそれから突出している、接地シールドと、
前記絶縁体の部分および前記接地シールドの部分を覆うように配置された外側シェル部分であって、前記外側シェル部分で覆われた前記接地シールドの前記部分に近接して配置されたモータ座部分を有する外側シェル部分と、
前記外側シェル部分に形成され、前記モータ座部分の上部に配置されたねじ部分と、
前記中心電極の前記先端部分と前記接地シールドの前記端部分との間に配置されたスパークギャップとを備え、
前記スパークギャップが前記絶縁体の前記先端部分の外周に沿って延在し、前記外周が前記接地シールドの前記端部分を越えて延在し、
前記スパークギャップが、前記中心電極の前記先端部分から前記接地シールドの前記端部分に向かって末広がりになる切頭円錐形状を有し、
前記接地シールドがニッケル合金およびステンレス鋼合金のうちの１つで作製され、
前記点火装置が更に、
前記中心電極の前記先端部分に配置されるイオン検出部分を備え、前記中心電極の前記先端部分を囲んで配置された環状ディスク部分が前記イオン検出部分になっており、
前記スパークギャップが、前記イオン検出部分の外周と前記接地シールドの前記端部分との間に配置され、
前記点火装置は、円筒形状側電極を有する高ねじスパークプラグを有する、
点火装置。
内燃エンジン用の燃焼制御システムにおいて、
中心電極と、
前記中心電極を囲んで配置された絶縁体と、
前記絶縁体を囲んで配置された接地シールドであって、前記絶縁体は前記接地シールドの端部分を越えて突出する先端部分を有し、前記中心電極の先端部分は前記絶縁体の前記先端部分を貫通してそれから突出している、接地シールドと、
前記中心電極の前記先端部分を囲んで配置されたイオン検出部分と、
前記中心電極の前記先端部分と前記接地シールドの前記端部分との間に配置されたスパークギャップと、
前記中心電極に接続され、信号を、前記中心電極を通して前記イオン検出部分から受信し、および前記イオン検出部分へ送信するように構成された電子的制御ユニットであって、前記信号のいくつかは、前記イオン検出部分に近接して存在するイオンの指標となる電子的制御ユニットと、
を備え、
前記スパークギャップが前記絶縁体の前記先端部分の外周に沿って延在し、前記外周が前記接地シールドの前記端部分を越えて延在し、
前記スパークギャップが、前記中心電極の前記先端部分から前記接地シールドの前記端部分に向かって末広がりになる切頭円錐形状を有し、
前記接地シールドがニッケル合金およびステンレス鋼合金のうちの１つで作製され、
前記システムが更に、
前記中心電極の前記先端部分に配置されるイオン検出部分を備え、前記中心電極の前記先端部分を囲んで配置された環状ディスク部分が前記イオン検出部分になっており、
前記スパークギャップは、前記イオン検出部分の外周と前記接地シールドの前記端部分との間に配置され、
前記燃焼制御システムは、円筒形状側電極を有する高ねじスパークプラグを有する、
制御システム。
前記イオン検出部分が環状ディスクであり、前記スパークギャップが前記環状ディスク部分の外周と前記接地シールドの前記端部分との間に延在する、請求項９に記載の制御システム。
前記スパークギャップが、前記中心電極の前記先端部分から前記接地シールドの前記端部分に向けて末広がりの切頭円錐形状を有する、請求項９または１０に記載の制御システム。
前記絶縁体の前記先端部分の外周がさらに段階状の外径を有する、請求項９から１１のいずれかに記載の制御システム。
前記接地シールドがニッケル合金およびステンレス鋼合金のうちの１つで作製された、請求項９から１２のいずれかに記載の制御システム。
前記接地シールドの前記端部分が、前記接地シールドの前記端部分を越えて延在する前記絶縁体の前記先端部分の外周に向かって収束する切頭円錐形部分を有するように構成された、請求項９から１３のいずれかに記載の制御システム。
前記中心電極の前記先端部分と前記接地シールドの前記端部分との間の距離が、１．７ミリメートルと１０ミリメートルとの間の範囲内にある、請求項９から１４のいずれかに記載の制御システム。
前記接地シールドが８ミリメートルと１０ミリメートルとの間の範囲内の外径を有する、請求項９から１５のいずれかに記載の制御システム。