(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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）。
【請求項２】
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）。
【請求項３】
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）。
【請求項４】
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）。
【請求項５】
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）。
【請求項６】
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）。
【請求項７】
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）。
【請求項８】
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）。
【請求項９】
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）。
【請求項１０】
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）。
【請求項１１】
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）。
【請求項１２】
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）。
【請求項１３】
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）。
【請求項１４】
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）。
【請求項１５】
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）。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
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。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術
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。
【０００３】
コロナ点火装置は通常、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燃焼室内に放出することによって、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。電気絶縁材料で形成された絶縁体が中心電極を囲み、金属シェルの中に配置される。コロナ放電点火システムの点火装置は、中心電極の点火末端に近接して意図的に配置された接地の電極要素を一切含まない。代わりに、好ましくは、接地は点火システムのシリンダ壁またはピストンによって提供される。コロナ点火装置の例は、ＬｙｋｏｗｓｋｉおよびＨａｍｐｔｏｎによる米国特許出願公開第２０１０／００８３９４２号に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コロナ点火装置は、構成要素の間の隙間が小さなエアギャップ、たとえば、中心電極と絶縁体との間にエアギャップ、さらに絶縁体とシェルとの間にエアギャップを形成するように、組立てられてもよい。これらのギャップは、周囲の製造環境からの空気およびガスで充填され、作動中に燃焼室からのガスで充填される。コロナ点火装置の使用中において、中心電極にエネルギが供給されると、電位および電圧がエアギャップの全域で著しく降下する。この大幅な降下は、空気の低い比誘電率によるものである。
【０００５】
図１４は、エアギャップにおける高電圧降下がギャップにおいて電界強度のスパイクを引起し、それによりギャップ内の空気が電離され、点火装置の点火末端においてかなりのエネルギ損失を引起す傾向にあることを示している。また、ギャップ内の電離された空気は中心電極の点火末端に向かって移動する傾向があり、絶縁体からシェルまたはシリンダヘッドに亘る導電経路を形成し、中心電極の点火末端におけるコロナ放電の効果を低下させる。この絶縁体に亘る導電経路が構成要素の間にアーク放電を引起す可能性があり、それによって、中心電極の点火末端の発火性が低下させられ、大抵望ましくない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
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。
【０００７】
本発明の別の局面は、コロナ点火装置を含むコロナ点火システムを提供する。
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。
【発明の効果】
【０００８】
充填材は、周囲の製造環境および燃焼室からの空気およびガスがギャップの中に入らないようにすることにより、中心電極と絶縁体との間にまたは絶縁体とシェルとの間における電離ガスの形成を防ぎ、中心電極と絶縁体との間における電離ガスの形成および絶縁体とシェルとの間における電離ガスの形成の両者は、中心電極とシリンダヘッドとの間に導電性経路、コロナ放電、またはアーク放電を形成することができる。充填材はギャップ内の電離を防止し、エネルギがギャップを通って流れることを防止する。したがって、コロナ点火装置は、従来技術のコロナ点火装置に比べて、中心電極の点火末端においてより集中したコロナ放電およびよりロバストな点火を提供する。
【０００９】
添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照することにより理解されるように、この発明の他の利点は、簡単に理解できるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に従った燃焼室に配置されたコロナ点火装置の断面図である。
【図１Ａ】図１のコロナ点火装置に設けられた折返し領域の拡大断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に従った燃焼室に配置されたコロナ点火装置の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に従ったコロナ点火装置の一部を示す拡大図であって、充填されていない電極ギャップ、充填されたシェルギャップおよび関連した電圧および電界を示すグラフを示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態に従ったコロナ点火装置の一部を示す拡大図であって、充填された電極ギャップ、充填されたシェルギャップおよび関連した電圧および電界を示すグラフを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に従った絶縁体ノーズ領域の拡大図である。
【図５Ａ】図５の電極ギャップの拡大図である。
【図５Ｂ】図５のシェルギャップの拡大図である。
【図６】図５のシェルギャップの幾何学的形状の詳細を示す拡大図である。
【図７】本発明の実施形態に従ったシェルギャップの幾何学的形状例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に従ったシェルギャップの幾何学的形状例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に従ったシェルギャップの幾何学的形状例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に従ったシェルギャップの幾何学的形状例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に従った折返し領域の拡大図である。
【図１２】充填されていないエアギャップを含むコロナ点火装置の絶縁体ノーズ領域を示す図である。
【図１３】図１２のコロナ点火装置の一部を示す拡大図であって、充填されていない電極ギャップ、充填されていないシェルギャップおよび関連した電圧を示すグラフを示す図である。
【図１４】図１２のコロナ点火装置の一部を示す拡大図であって、充填されていない電極ギャップ、充填されていないシェルギャップおよび関連した電界を示すグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施可能な実施形態の詳細な説明
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。
【００１２】
このシステムの点火装置２０は、高周波の高電圧エネルギを受けて高周波の電界を発することによって、可燃性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を発生するための中心電極２２を含む。コロナ点火装置２０は、中心電極２２と絶縁体３２との間および絶縁体３２とシェル３６との間の隙間が小さなエアギャップを形成するように、組立てられる。組立方法において、まず、中心電極２２のヘッド３４が絶縁体３２のボアに沿って電極シート６６の上に位置し、中心電極２２の残り部分を絶縁体３２から離間するように、中心電極２２を絶縁体３２の中に挿入する。電極ギャップ２８が電極２２と絶縁体３２との間に設けられ、よって、電極２２と絶縁体３２との間に空気を流すことができる。１つの好ましい実施形態において、内部シール３８を用いて金属シェル３６から絶縁体３２を隔離するように、絶縁体３２をシェル３６に挿入する。シェルギャップ３０が絶縁体３２とシェル３６との間に連続して延在し、絶縁体３２とシェル３６との間に空気を流すことができる。次に、充填剤４０を用いてエアギャップ２８、３０を充填し、エアギャップ２８、３０の中でのコロナ放電２４の形成を防ぐ。
【００１３】
また、シェル３６は、シェル上端４４で折返しリップ４２を含む。折返しリップ４２は、絶縁体３２に向かって内側へ延在するとともに絶縁体３２の周りに環状に延在して、折返しリップ４２と絶縁体３２との間にシェルギャップ３０を形成する。図１１に示すように、１つの好ましい実施形態において、充填材４０は樹脂であり、折返しリップ４２の周りに射出成形され、シェルギャップ３０を充填することにより、折返し領域において絶縁体３２とシェル３６との間にコロナ放電２４が形成されることを防止する。
【００１４】
コロナ点火装置２０は通常、自動車または産業機械の内燃機関に使用される。図１に示すように、コロナ点火装置２０はシリンダブロック４６内に配置されている。このシリンダブロック４６は、シリンダ中心軸の周りで周方向に延在する側壁を有し、円筒状の空間を形成する。シリンダブロック４６の側壁は、上部開口を囲む上端を有し、この上端にはシリンダヘッド４８が配置され、上部開口を越えて延在する。ピストン５０は、内燃機関の運転中に側壁に沿ってスライドするように、円筒状の空間の中でシリンダブロック４６の側壁に沿って配置される。シリンダブロック４６とシリンダヘッド４８とピストン５０との間で燃焼室２６を形成するように、ピストン５０はシリンダヘッドから離間される。燃焼室２６には、コロナ点火装置２０により電離された可燃性燃料と空気との混合物が入っている。シリンダヘッド４８は点火装置２０を受入れるアクセスポートを含み、点火装置２０が燃焼室２６内に横方向に延在する。点火装置２０は、電源（図示せず）から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り、燃料と空気との混合物の一部を電離しコロナ放電２４を形成する。
【００１５】
点火装置２０の中心電極２２は、電極中心軸ａｅに沿って電極端子末端５２から電極点火末端５４まで長手方向に延在する。高周波の高交流電圧のエネルギは中心電極２２に印加され、電極端子末端５２はこの高周波の高交流電圧のエネルギを受ける。この高周波の高交流電圧のエネルギは通常、最大４０，０００ボルトの電圧、１アンペアより低い電流および０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有する。中心電極２２に印加された最高電圧は最大電圧と呼ばれる。電極２２は、ニッケルなどの導電性材料で形成された電極本体部５６を含む。電極本体部５６はまた、銅などの他の導電性材料で形成されたコアを含む。一実施形態において、電極２２を形成する材料は、１２００ｎΩ・ｍより低い電気抵抗率を有する。電極本体部５６は、電極中心軸ａｅに対して垂直である電極径Ｄｅを有する。電極本体部５６は、電極端子末端５２において電極ヘッド３４を含む。ヘッド３４は、電極本体部５６の残り部分の電極径Ｄｅより大きい電極径Ｄｅを有する。
【００１６】
１つの好ましい実施形態によれば、中心電極２２は、高周波の電界を発して空気と燃料との混合物の一部を電離し燃焼室２６の中でコロナ放電２４を提供するための電極点火末端５４に隣接かつ包囲する点火先端５８を含む。点火先端５８は、高温で優れた熱性能を具備する導電性材料、たとえば、元素周期表の第４族〜第１２族から選択された少なくとも１つの元素を含む材料で形成される。図１に示すように、点火先端５８は、電極本体部５６の電極径Ｄｅより大きい先端径Ｄｔを有する。
【００１７】
コロナ点火装置２０の絶縁体３２は、電極本体部５６の周囲に環状に配置されるとともに、縦方向に電極本体部５６に沿って配置される。絶縁体３２は、絶縁体上端６０から絶縁体ノーズ末端６２まで延在する。絶縁体ノーズ末端６２は、電極点火末端５４および電極２２の点火先端５８から離間されている。図５および図６は、本発明の２つの実施形態に係る絶縁体ノーズ末端６２の拡大図である。別の実施形態（図示せず）によれば、点火先端５８は絶縁体３２に当接して、両者の間には空間が存在しない。
【００１８】
絶縁体３２は、電気絶縁材料、通常はアルミナを含むセラミック材料で形成される。絶縁体３２は、中心電極２２およびシェル３６の導電率より小さい導電率を有する。一実施形態において、絶縁体３２は、１４〜２５ｋＶ／ｍｍの誘電強度を有する。絶縁体３２はまた、電荷を保持することができる比誘電率、通常は６〜１２の比誘電率を有する。一実施形態において、絶縁体３２は、２×１０−６／℃〜１０×１０−６／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。
【００１９】
絶縁体３２は絶縁体内面６４を含む。絶縁体内面６４は、電極本体部５６に面しており、電極中心軸ａｅに沿って絶縁体上端６０から絶縁体ノーズ末端６２まで長手方向に延在する。絶縁体内面６４は中心電極２２を受入れる絶縁体ボアを形成し、中心電極２２のヘッド３４を支持するための電極シート６６を含む。
【００２０】
中心電極２２の頭部３４が絶縁体３２のボアに沿って電極シート６６上に位置するまで、電極点火末端５４を絶縁体上端６０を通して絶縁体ボア内に挿入する。ヘッド３４より下方にある電極本体部５６の残り部分は絶縁体内面６４から離間され、その間に電極ギャップ２８を形成する。図５および図６において最もよく示されるように、コロナ点火装置２０は、電極点火末端５４および点火先端５８が絶縁体ノーズ末端６２の外側に配置されるように、組み立てられる。絶縁体ノーズ末端６２と点火先端５８とは両者の間に先端空間６８を形成して、周囲の空気が絶縁体ノーズ末端６２と点火先端５８との間に流れることを可能にする。
【００２１】
絶縁体内面６４と電極本体部５６との間の電極ギャップ２８は、電極本体部５６の周りに環状に連続して延在するとともに、電極本体部５６に沿って電極点火末端５４から拡大されたヘッド３４まで連続して延在する。一実施形態において、電極本体部５６は長さｌｅを有し、電極ギャップ２８は長さｌｅの少なくとも８０％に沿って長手方向に延在している。図５Ａに示すように、電極ギャップ２８は、電極中心軸ａｅに対して垂直でありながら、電極本体部５６から絶縁体３２まで径方向に延在する電極ギャップ幅ｗｅを有する。一実施形態において、電極ギャップ幅ｗｅは０．０２５ｍｍ〜０．２５ｍｍである。
【００２２】
電極ギャップ２８を充填する前に、電極ギャップ２８は絶縁体ノーズ末端６２において開放しており、先端空間６８と流体連通している。したがって、周囲環境からの空気が点火先端５８に沿って先端空間６８を通って、電極ギャップ２８に流入し、電極２２のヘッド３４に達することができる。充填材４０がなければ、電極ギャップ２８の全体は燃焼に暴露され、燃料と空気との混合物も、電極ギャップ２８を通って電極ヘッド３４まで流入することができるようになるであろう。
【００２３】
コロナ点火装置２０の絶縁体３２は、電極中心軸ａｅに沿って絶縁体上端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内面６４と対向する絶縁体外面７２を含む。絶縁体外面７２は、外側からシェル３６に面しており、中心電極２２から遠ざかる。１つの好ましい実施形態において、絶縁体３２は、シェル３６にしっかりとフィットし、効率的な製造工程を可能にするように設計される。
【００２４】
図１に示すように、絶縁体３２は、電極本体部５６に沿って絶縁体上端６０から絶縁体ノーズ末端６２に向かって延在する絶縁体第１領域７４を含む。絶縁体第１領域７４は、電極中心軸ａｅに対してほぼ垂直に延在する絶縁体第１直径Ｄ１を有する。絶縁体３２はまた、絶縁体ノーズ末端６２に向かって延在する絶縁体第１領域７４に隣接する絶縁体中間領域７６を含む。絶縁体中間領域７６はまた、電極中心軸ａｅにほぼ垂直に延在する絶縁体中間径Ｄｍを有する。絶縁体中間径Ｄｍは絶縁体第１直径Ｄ１より大きい。絶縁体上肩部７８が絶縁体第１領域７４から絶縁体中間領域７６まで径方向外側に延在する。
【００２５】
絶縁体３２はまた、絶縁体ノーズ末端６２に向かって延在する絶縁体中間領域７６に隣接する絶縁体第２領域８０を含む。絶縁体第２領域８０はまた、電極中心軸ａｅにほぼ垂直に延在する絶縁体第２径Ｄ２を有する。絶縁体第２径Ｄ２は絶縁体中間径Ｄｍより小さい。絶縁体下肩部８２が絶縁体中間領域７６から絶縁体第２領域８０まで径方向外側に延在する。
【００２６】
絶縁体３２はさらに、絶縁体第２領域８０から絶縁体ノーズ末端６２まで延在する絶縁体ノーズ領域８４を含む。絶縁体ノーズ領域８４は、電極中心軸ａｅにほぼ垂直に延在する絶縁体ノーズ径Ｄｎを有し、絶縁体ノーズ末端６２に向かってテーパされる。図２の実施形態において、絶縁体３２は、絶縁体第２領域８０から絶縁体ノーズ領域８４まで径方向内側に延在する絶縁体ノーズ肩部８６を含む。絶縁体ノーズ末端６２における絶縁体ノーズ径Ｄｎは、絶縁体第２径Ｄ２および点火先端５８の先端径Ｄｔより小さい。
【００２７】
図１および図２に示すように、コロナ点火装置２０は、導電性材料で形成され、絶縁体３２に収容される端子７０を含む。端子７０は、電源（図示せず）に電気的に接続されている端子線（図示せず）に電気的に接続される第１端子末端８８を含む。端子７０はまた、電極２２に電気的に接続している電極端子末端８９を含む。よって、端子７０は、電源から高周波の高電圧を受けてから電極２２にこの高周波の高電圧を伝送する。端子７０からこのエネルギを電極２２に伝達できるように、導電性材料で形成された導電性シール層９０が端子７０と電極２２との間に配置され、それらを電気的に接続する。
【００２８】
コロナ点火装置２０のシェル３６は絶縁体３２の周りに環状に配置されている。シェル３６は、鋼のような導電性金属材料で形成されている。一実施形態において、シェル３６は、１０００ｎΩ・ｍより低い電気抵抗率を有する。図１に示すように、シェル３６は、絶縁体３２に沿ってシェル上端４４からシェル下端９２まで長手方向に延在する。シェル３６はシェル内面９４を含む。シェル内面９４は、絶縁体外面７２に面しており、絶縁体第１領域７４から長手方向に延在し始め、絶縁体上肩部７８、絶縁体中間領域７６、絶縁体下肩部８２および絶縁体第２領域８０に沿って、絶縁体ノーズ領域８４に隣接するシェル下端９２まで延在する。シェル内面９４は、絶縁体３２を受入れるシェルボアを形成する。シェル内面９４はまた、シェルボアを横切って延在するシェル径Ｄｓを有する。シェル径Ｄｓは絶縁体ノーズ径Ｄｎより大きいので、絶縁体３２をシェルボアに挿入することができ、絶縁体ノーズ領域８４の少なくとも一部がシェル下端９２から外側へ突出する。
【００２９】
シェル内面９４は、絶縁体下肩部８２もしくは絶縁体ノーズ肩部８６またはその両方を支持するためのシェルシート９６を少なくとも１つ形成する。図１の実施形態において、シェル３６は、ツール受け部材９８に隣接して配置され、絶縁体下肩部８２を支持する１つのシェルシート９６を含む。図２の実施形態において、シェル３６は２つのシェルシート９６を含み、絶縁体ノーズ肩部８６を支持するために、その一方がツール受け部材９８に隣接して配置され、他方がシェル下端９２に隣接して配置される。
【００３０】
一実施形態において、コロナ点火装置２０は、シェル内面９４と絶縁体外面７２との間に配置された内部シール３８のうち少なくとも１つを含み、絶縁体３２がシェル３６に挿入されるときに絶縁体３２を支持する。内部シール３８はシェル内面９４から絶縁体外面７２を離間させ、両者の間にシェルギャップ３０を形成する。内部シール３８が使用されたときには、シェルギャップ３０は一般的に、シェル上端４４からシェル下端９２まで連続して延在する。図１に示すように、内部シール３８のうち１つが一般的に、絶縁体下肩部８２の絶縁体外面７２とツール受け部材９８に隣接するシェルシート９６のシェル内面９４との間に配置されている。図２の実施形態において、内部シール３８のうち１つがまた、絶縁体ノーズ肩部８６の絶縁体外面７２と絶縁体ノーズ領域８４に隣接するシェルシート９６のシェル内面９４との間に配置されている。図１および図２の実施形態において、内部シール３８のうち１つが絶縁体上肩部７８の絶縁体外面７２とシェル３６の折返しリップ４２のシェル内面９４との間に設けられている。内部シール３８は、支持を提供してシェル３６に対して絶縁体３２を適所に維持するように配置されている。
【００３１】
絶縁体３２は、シェルシート９６上に配置された内部シール３８上に載置されている。図１および図２の実施形態において、絶縁体外面７２とシェル内面９４との間にシェルギャップ３０が形成されるように、絶縁体３２の残り部分がシェル内面９４から離間される。シェルギャップ３０は、絶縁体３２の周りに環状に連続して延在するとともに、絶縁体外面７２に沿って絶縁体上肩部７８から絶縁体ノーズ領域８４まで連続して延在する。図１に示すように、シェル３６は長さｌｓを有し、シェルギャップ３０は一般的に、長さｌｓの少なくとも８０％に沿って長手方向に延在する。内部シール３８が使用されたときには、シェルギャップ３０はシェル３６の長さｌｓの１００％に沿って延在することができる。シェルギャップ３０はまた、電極中心軸ａｅに垂直であって、絶縁体外面７２からシェル内面９４まで径方向に延在するシェルギャップ幅ｗｓを有する。一実施形態において、シェルギャップ幅ｗｓは、０．０７５ｍｍ〜０．３００ｍｍである。シェル３６または絶縁体３２を変更することにより、シェルギャップ３０を電極点火末端５４の近傍まで広げることができる。広げた面積によりシェルギャップ３０を１ｍｍ以上に増大させることができる。
【００３２】
シェルギャップ３０はシェル下端９２において開放しており、よってシェルギャップ３０を充填する前に周囲環境からの空気がシェルギャップ３０に流れて、さらに絶縁体外面７２に沿って内部シール３８まで流れることができる。充填材４０がなければ、シェル下端９２またはシェル上端４４から内部シール３８までのシェルギャップ３０の全体は燃焼に暴露され、燃料と空気との混合物もシェルギャップ３０を通って内部シール３８に流れることができるようになるであろう。
【００３３】
代替的な実施形態において、絶縁体外面７２は、内部シール３８を介せずにシェルシート９６に載置される。この実施形態において、シェルギャップ３０をシェル上端４４とシェル下端９２との間に連続して配置せず、シェル上端４４のみにまたは絶縁体外面７２の特定部分のみに沿って配置してもよい。
【００３４】
シェル３６はまた、電極中心軸ａｅに沿ってシェル上端４４からシェル下端９２まで長手方向に延在しかつ絶縁体３２から遠ざかるシェル内面９４と対向するシェル外面１００を含む。シェル３６はツール受け部材９８を含む。ツール受け部材９８は製造者またはエンドユーザに使用されて、シリンダヘッド４８にコロナ点火装置２０を設置することができ、シリンダヘッド４８からコロナ点火装置２０を取外すこともできる。ツール受け部材９８は、絶縁体中間領域７６に沿って絶縁体上肩部７８から絶縁体下肩部８２まで延在する。ツール受け部材９８は、長手方向の電極本体部５６に概ね垂直に延在するツール厚さを有する。一実施形態において、シリンダヘッド４８と係合してシリンダヘッド４８および燃焼室２６に対して所望の位置にコロナ点火装置２０を維持するために、シェル３６はさらに絶縁体第２領域８０に沿ってねじ山を含む。
【００３５】
シェル３６の折返しリップ４２は、ツール受け部材９８から絶縁体中間領域７６の絶縁体外面７２に沿って長手方向に延在し始め、その後絶縁体上肩部７８に沿って絶縁体第１領域７４に隣接しているシェル上端４４まで内側へ延在する。折返しリップ４２は、絶縁体第１領域７４が折返しリップ４２から外側へ突出するように、絶縁体上肩部７８の周りに環状に延在する。折返しリップ４２に沿うシェル内面９４の一部が絶縁体中間領域７６と係合し、シェル３６を絶縁体３２に対して軸方向に移動しないように固定することを支援する。
【００３６】
シェルギャップ３０は通常、シェル３６から折返し領域における絶縁体３２までの間、およびシェル下端９２から上方の内部シール３８までの間に位置している。図１Ａにおいて最もよく示されるように、シェル３６の折返しリップ４２は、シェル内面９４と絶縁体第１領域７４の絶縁体外面７２に面するシェル外面１００との間にリップ面１０２を含む。折返しリップ４２は、シェル内面９４からシェル外面１００まで延在し、通常はツール厚さより小さいリップ厚さを有する。一実施形態において、リップ面１０２の全体は絶縁体外面７２と係合しており、シェルギャップ３０は折返しリップ４２に沿うシェル外面１００と絶縁体３２との間に配置されている。別の実施形態において、リップ面１０２はシェル外面１００から完全に離間されており、シェルギャップ３０はリップ面１０２と絶縁体３２との間に設けられている。図１１の実施形態において、リップ面１０２の一部が絶縁体外面７２と係合しており、シェルギャップ３０はリップ面１０２の一部と絶縁体３２との間に設けられている。
【００３７】
充填材４０を用いてシェルギャップ３０を充填する前に、シェルギャップ３０は折返し領域内のシェル上端４４において開放しており、よって周囲環境からの空気がシェルギャップに流れることができる。
【００３８】
充填材４０は、点火装置２０のギャップ２８、３０のうちの少なくとも一方に配置され、好ましくは電極ギャップ２８およびシェルギャップ３０の両方に配置される。充填材４０をシェル下端９２および折返し領域内のシェル上端４４におけるシェルギャップ３０に配置することができる。ギャップ３０におけるコロナ放電２４の形成を防止するために、充填材４０は電極ギャップ２８およびシェルギャップ３０の全域で連続して延在する。充填材４０は、中心電極２２と、絶縁体３２と、内部シール３８と、シェル３６と異なる別体の構成要素である。充填材４０は、周囲環境からの空気および他のガスを電極ギャップ２８およびシェルギャップ３０の全域から遮断する気密シールを提供する。
【００３９】
充填材４０は、電気絶縁性であってもよく、または導電性であってもよい。充填材４０は、単一の材料を含むことができ、コロナ点火装置２０の異なる領域に異なる材料を有するように複数の材料を含むことができる。コロナ点火装置２０の作動時に、最大４万ボルトの電圧、１アンペアより低い電流および０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有するエネルギが電極２２に供給されると、このエネルギはコロナ点火装置２０を通って充填材４０に流れる。充填材４０は、周波数５ＭＨｚ以下のエネルギを保持することができる。
【００４０】
一実施形態において、充填材４０は電気絶縁性であって、充填材４０と絶縁体３２との比誘電率の差が１０以下になるように、１〜６の比誘電率を有する。絶縁体３２と同様の誘電率を有する充填材４０が望まれる。別の実施形態において、充填材４０は電気絶縁性または導電性であって、充填材４０と絶縁体３２との熱膨張係数の差が１０×１０−６／℃以下になるように、２×１０−６／℃〜２０×１０−６／℃の熱膨張係数を有する。
【００４１】
充填材４０は、電極点火末端５４に隣接する電極ギャップ２８に配置され、電極本体部５６から電子絶縁体内面６４まで電極ギャップ幅ｗｅに亘って連続して延在する。一実施形態において、充填材４０は、電極本体部５６に沿って電極点火末端５４から電極２２のヘッド３４まで延在することによって、電極ギャップ２８の全体を充填する。別の実施形態において、充填材４０は、電極点火末端５４とヘッド３４との間にある電極本体部５６の一部に沿って連続して延在することによって、電極ギャップ２８の一部を充填する。たとえば、電極ギャップ２８は容積を有し、充填材４０は電極ギャップ２８の容積の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％を充填する。充填材４０は、電極２２の点火先端５８から離間されてもよく、電極２２の点火先端５８に接触してもよい。
【００４２】
充填材４０を用いて電極ギャップ２８を充填することは重要な利点を与える。図１２〜図１４の比較用のコロナ点火装置において、充填材４０がない場合、絶縁体３２の誘電率と電極ギャップ２８内の空気の誘電率との間には大差が存在する。したがって、電極ギャップ２８において電圧が急激に降下し、通常は中心電極２２から接地された金属シェル３６までの全電圧降下の１０〜２０％の範囲で減少する。電界が電極ギャップ２８において急激に増加する。充填されていない電極ギャップ２８の電界強度は通常、絶縁体３２の電界強度よりも５〜１０倍に高い。
【００４３】
本発明の充填材４０は、電極ギャップ２８における電界および電極ギャップ２８両端の電圧変化を低減する。一実施形態において、充填材４０は、中心電極２２に印加された最大電圧の５％を超えない範囲で電極ギャップ２８両端の電圧を減少する。充填された電極ギャップ２８両端の電圧降下は、中心電極２２から接地された金属シェル３０までの総電圧降下の５％を超えない。
【００４４】
充填材料４０はまた、電極ギャップ２８における電界スパイクを低減する。０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有するエネルギ流が中心電極２２に流れるとき、充填された電極ギャップ２８の電界強度は通常、絶縁体３２の電界強度の１倍以下である。図４に示すように、電圧は通常充填された電極ギャップ２８の両端で徐々に減少するが、ピーク電界は充填された電極ギャップ２８の全域で一定に保たれる。たとえば、０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有するエネルギ流が中心電極２２に流れるとき、充填材４０に隣接する電極本体部５６の一部および充填材４０に隣接する絶縁体３２の一部は各々電圧を有することになり、その電圧の差は、中心電極２２に印加された最大電圧の５％を超えず、または中心電極２２から接地された金属シェル３０までの総電圧降下の５％を超えない。
【００４５】
シェルギャップ３０も充填材４０により充填され、好ましくは、シェル下端９２およびシェル３６の上端に隣接する箇所で充填材４０により充填される。充填材４０は、絶縁体外面７２からシェル内面９４までのシェルギャップ幅ｗｓに亘って連続して延在する。一実施形態において、充填材４０は、内部シール３８の周りのシェル下端９２からシェル上端４４まで連続して延在するとともに、折返しリップ４２の周りに連続して延在することによって、シェルギャップ３０の全体を充填する。別の実施形態において、充填材４０は、絶縁体ノーズ領域８４と絶縁体上肩部７８との間にある絶縁体３２の一部に沿って延在するまたは折返しリップ４２に沿って延在することによって、シェルギャップ３０の一部を充填する。たとえば、シェルギャップ３０は容積を有し、充填材４０はシェルギャップ３０の容積の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％を充填する。
【００４６】
図１のコロナ点火装置２０は、シェルギャップ３０の異なる部分において異なる種類の充填材４０を有する。１つの充填材４０はシェル下端９２からシェル上端４４に向かって長手方向に延在するが、ツール受け部材９８から離れている。別の充填材４０は、隣接する第１の充填材４０から絶縁体下肩部８２における内部シール３８まで長手方向に延在する。第３の充填材４０は、絶縁体下肩部８２における内部シール３８から絶縁体上肩部７８における内部シール３８まで長手方向に延在する。第２と第３の充填材４０の間には小さな空間があってもよい。充填材は、上記領域におけるコロナ点火装置２０の特性に基づいて選択される。
【００４７】
図２のコロナ点火装置２０も、シェルギャップ３０の異なる部分において異なる種類の充填材を有する。１つの充填材４０はシェル下端９２から、シェルギャップ３０の絶縁体ノーズ肩部８６から離間された部分まで長手方向に延在する。別の充填材４０は、第１の充填材４０から絶縁体ノーズ肩部８６まで延在する。第３の充填材４０は、シェルシート９６から絶縁体上肩部７８における内部シール３８まで延在する。第２と第３の充填材４０の間には小さな空間があってもよい。
【００４８】
１つの好ましい実施形態において、シェルギャップ幅ｗｓはシェルギャップ３０に沿って長手方向に変化する。一実施形態において、図５〜図１０に示すように、シェル下端９２におけるシェルギャップ幅ｗｓは、シェルギャップ３０の他の部分より大きい。この設計によって、より多くの充填材４０をシェル下端９２に配置することができるようになり、製造上の利便性を提供し、充填材４０の耐久性を向上させる。
【００４９】
ある実施形態において、シェルギャップ３０は第１ギャップ領域１０４および第２ギャップ領域１０６を有し、第２ギャップ領域１０６のシェルギャップ幅ｗｓは第１ギャップ領域１０４のシェルギャップ幅ｗｓより大きい。図５および図６の実施形態において、第１ギャップ領域１０４のシェルギャップ幅ｗｓは、絶縁体下部肩部８２から絶縁体第２領域８０の一部に沿ってシェル下端９２から長手方向に離れた位置まで不変である。第２ギャップ領域１０６は、第１ギャップ領域１０４からシェル下端９２まで延在してもよく、不変であってもよい。シェルギャップ３０は第１ギャップ領域１０４と第２ギャップ領域１０６との間に中間ギャップ領域１０８を有してもよい。中間ギャップ領域１０８のシェルギャップ幅ｗｓは第１ギャップ領域１０４から第２ギャップ領域１０６まで徐々に増加する。代わりに、シェルギャップ幅ｗｓは第１ギャップ領域１０４から第２ギャップ領域１０６まで急激に増加してもよい。シェルギャップ３０の他の設計例は、図７〜図１０に示されている。
【００５０】
シェルギャップ３０の寸法は、絶縁体３２およびシェル３６の寸法によって決められる。図６に示すように、点火装置２０は、絶縁体半径ｒｉおよびシェル半径ｒｓを有し、半径ｒｉおよびｒｓのうち少なくとも１つが変化して変動するシェルギャップ幅ｗｓを形成する。絶縁体半径ｒｉは、電極中心軸ａｅから絶縁体外面７２まで延在する。シェル半径ｒｓは、電極中心軸ａｅからシェル内面９４まで延在する。絶縁体半径ｒｉおよびシェル半径ｒｓは、第１ギャップ領域１０４から第２ギャップ領域１０６まで不変であってもよく変化してもよい。通常、絶縁体半径ｒｉおよびシェル半径ｒｓは、第１ギャップ領域１０４において不変であり、第２ギャップ領域１０６において変化する。シェルギャップ幅ｗｓはシェル半径ｒｓと絶縁体半径ｒｉとの差に等しい。第２ギャップ領域１０６は、第１ギャップ領域１０４からシェル下端９２まで長手方向に延在するシェルギャップ長さｌｇ２を有する。一実施形態において、第２ギャップ領域１０６のシェルギャップ長さｌｇ２が５．０ｍｍ、絶縁体半径ｒｉが３．６８ｍｍ、第１ギャップ領域１０４のシェル半径ｒｓが３．７６ｍｍ、第２ギャップ領域１０６のシェル半径ｒｉが４．５３ｍｍ、第１ギャップ領域１０４のシェルギャップ幅ｗｓが０．０８ｍｍ、および第２ギャップ領域１０６のシェルギャップ幅ｗｓが０．８５ｍｍである。
【００５１】
図５〜図１０は、シェル下端９２におけるシェルギャップ３０の幾何学的形状例を示している。図５および図６の実施形態において、第２ギャップ領域１０６を形成するために、シェル半径ｒｓは徐々に増加して、その後増加した所からシェル下端９２まで不変となる。図７の実施形態において、第２ギャップ領域１０６を形成するために、絶縁体半径ｒｉは徐々に減少して、それによって増加した所から絶縁体ノーズ領域８４まで不変となる。図８の実施形態において、第２ギャップ領域１０６を形成するために、シェル半径ｒｓは急激に増加し、絶縁体半径ｒｉは徐々に増加する。その後、絶縁体半径ｒｉは増加した所から絶縁体ノーズ領域８４まで不変となり、シェル半径シェルｒｓは増加した所からシェル下端９２まで不変となる。図９の実施形態において、絶縁体半径ｒｉは急激に減少して、それによって増加した所から絶縁体ノーズ領域８４まで不変となる。図１０の実施形態において、第２ギャップ領域１０６を形成するために、絶縁体半径ｒｉは徐々に減少し、シェル半径ｒｓは徐々に増加する。その後、シェル半径ｒｓは増加した所からシェル下端９２まで不変となり、絶縁体半径ｒｉは増加した所から絶縁体ノーズ領域８４まで不変となる。
【００５２】
充填材４０を用いてシェルギャップ３０を充填することも重要な利点を与える。図１２〜図１４の比較用のコロナ点火装置において、充填材４０がない場合、絶縁体３２の誘電率とシェルギャップ３０内の空気の誘電率との間に大差が存在する。したがって、シェルギャップ３０において電圧が急激に降下し、通常中心電極２２から接地された金属シェル３６までの全電圧降下の１０〜２０％の範囲で減少する。電界強度がシェルギャップ３０において急激に増加する。充填されていないシェルギャップ３０の電界強度は、通常絶縁体３２の電界強度の５〜１０倍である。
【００５３】
充填材４０は、シェルギャップ３０における電界およびシェルギャップ３０両端の電圧変化を低減する。一実施形態において、充填材４０は、中心電極２２に印加された最大電圧の５％を超えない範囲でシェルギャップ３０両端の電圧を減少する。充填材４０は、中心電極２２に印加された最大電圧の５％を超えない範囲でシェルギャップ３０両端の電圧を減少する。充填されたシェルギャップ３０両端の電圧降下は、中心電極２２から接地された金属シェル３６までの総電圧降下の５％を超えない。
【００５４】
充填材料４０はまた、シェルギャップ３０における電界スパイクを低減する。０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有するエネルギ流が中心電極２２に流れるとき、充填されたシェルギャップ３０の電界強度は通常、絶縁体３２の電界強度の１倍以下である。図３および図４に示すように、電圧は通常シェルギャップ３０の両端で徐々に減少するが、ピーク電界はシェルギャップ３０の全域で一定に保たれる。たとえば、０．５〜５．０ＭＨｚの周波数を有するエネルギ流が中心電極２２に流れるとき、充填材４０に隣接する絶縁体３２の一部および充填材４０に隣接するシェル３６の一部は各々電圧を有することになり、その電圧の差は中心電極２２に印加された最大電圧の５％を超えず、または中心電極２２から接地された金属シェル３０までの総電圧降下の５％を超えない。
【００５５】
一実施形態において、充填材４０は電気絶縁性であって、絶縁体３２を電気的に隔離してエネルギ損失を低減し、導電性充填材４０よりわずかに良いエネルギ効率を提供する。一実施形態において、電気絶縁性充填材４０は、５〜１０ｋＶ／ｍｍの誘電強度を有する。充填材４０は、絶縁体３２の電気絶縁性材料と異なるが、絶縁体３２の電気絶縁性材料との互換性がある。電気絶縁性充填材４０の例は、プラスチック、樹脂、熱処理ガラス粉末、および少なくとも２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する高温アルミナ系接着剤などの接着剤を含む。
【００５６】
１つの好ましい実施形態において、図１１に示すように、充填材４０は樹脂であって、折返しリップ４２の周りに射出成形される。通常、この樹脂は１０〜３０ｋＶ／ｍｍの誘電強度および１．５〜２の比重を有する。射出成形樹脂の例としては、フェノール樹脂が挙げられる。射出成形樹脂の別の例としては、均一に分散したガラス繊維または均一に分散した鉱物繊維とガラス繊維の組合わせを含有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）熱可塑性ポリエステル樹脂、たとえばＲｙｎｉｔｅ（登録商標）が挙げられる。この成形された樹脂を用いてリップ面１０２と絶縁体第１領域７４の絶縁体外面７２との間のシェルギャップ３０を充填する。この成形された樹脂も絶縁体第１領域７４の絶縁体外面７２および折返しリップ４２のシェル外面１００に沿って延在する。
【００５７】
別の実施形態において、充填材４０は導電性である。導電性充填材４０の例は、クロムなど金属と、クロム合金、たとえばＫｏｖａｒのようなニッケル−コバルト鉄合金などの金属合金と、１８×１０−６／℃未満の熱膨張係数を有するステンレス鋼とを含む。一実施形態において、充填材４０は、ろう付け用または半田用金属である。さらに、導電性の金属粉末を添加した接着剤を用いてもよい。
【００５８】
コロナ点火装置２０はギャップ２８、３０のいずれか１つのみを充填材４０で充填することを必要とするが、ギャップ２８、３０の両方を充填することは特に有利である。図４に示すように、ギャップ２８、３０の両方が充填されると、コロナ点火装置２０において、中央電極２２から電極ギャップ２８までの電圧が不変となり、電極ギャップ２８から絶縁体３２までの電圧が徐々に減少し、シェルギャップ３０からシェル３６までの電圧が不変となる。さらに、電極２２の電界は、中心電極２２から電極ギャップ２８まで、電極ギャップ２８から絶縁体３２まで、シェルギャップ３０からシェル３６までにかけて一定に保たれる。
【００５９】
充填材４０は、電荷がギャップ２８、３０に拘束されることを防ぎ、電気がギャップ２８、３０に流れることを防ぐ。充填材４０は、燃焼室２６からの空気およびガスがギャップ２８、３０の中に入らないようにすることにより、電極２２とシェル３６との間または電極２２とシリンダヘッド４８との間の絶縁体に導電性経路およびアーク放電を形成し得る電離ガスの形成を防ぐ。したがって、コロナ点火装置２０は、従来技術のコロナ点火装置に比べて、点火先端５８においてより集中したコロナ放電２４およびよりロバストな点火を提供する。
【００６０】
本発明の別の局面は、コロナ点火装置２０を形成する方法を提供する。この方法はまず、中心電極２２、絶縁体３２およびシェル３６を準備するステップを含む。この方法はさらに、中心電極２２の電極点火末端７０を絶縁体上端６０を通して絶縁ボアに挿入するステップと、中心電極２２を間隔絶縁体ノーズ末端６２における絶縁体３２から離間してそれらの間に電極ギャップ２８を形成するステップとを含む。
【００６１】
上記方法は、絶縁体３２に中心電極２２を挿入した後、絶縁体３２をシェル上端４４を通してシェルボアに挿入するステップを含む。挿入ステップは、絶縁体ノーズ末端６２をシェル下端９２を通してスライドさせ、絶縁体３２をシェル３６から離間してそれらの間にシェルギャップ３０を形成するステップを含む。一実施形態において、この方法は、シェルボア内のシェルシート９６の上に内部シール３８を配置することを含み、離間ステップは絶縁体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。この方法はまた、絶縁体３２の周りにシェル３６を形成するステップを含む。一実施形態において、この方法は、内部シール３８を絶縁体上肩部７８上に配置するステップを含み、形成するステップは、折返しリップ４２を提供するために、内部シール３８の周りに径方向内側へシェル上端４４を絶縁体第１領域７４に向かって曲げるステップを含む。
【００６２】
上記方法は、シェル３６に絶縁体３２を挿入した後、充填材４０を用いてギャップ２８、３０のうちの少なくとも１つ、好ましくは電極ギャップ２８とシェルギャップ３０との両方を充填するステップを含む。充填するステップは、ポンプを用いて充填材４０を電極ギャップ２８およびシェルギャップ３０に注入するステップ、およびシェル上端４４におけるシェル３６の折返しリップ４２の周りに充填材４０を射出成形するステップを含んでもよい。
【００６３】
明らかに、本発明の多くの修正および変更が、上記の教示に照らして可能であり、そうでなければ添付の特許請求の範囲に従って具体的な説明された内容により実施することができる。また、特許請求の範囲における参照番号は、単に便宜上のものであって、決して限定的なものではないと理解すべきである。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図３】
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【図４】
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【図１３】
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【図１４】
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