JP2013503447A - プレチャンバスパークプラグ - Google Patents

Abstract

超希薄混合気及び／又は高いエンジンＢＭＥＰで作動するプレチャンバスパークプラグにおいて、スパークプラグの寿命を最大限に延ばす方法及び装置が提供される。放電エネルギをより広い面積にわたって広げ、スパークギャップへの燃料の集中を維持し、放電時のガスの静圧を制御し、安全電極温度に維持することにより、電極の侵食が軽減される。端部キャップの外縁孔によって生み出されるスワール（旋回）効果によりエネルギが広がり、その結果、電極での比較的エネルギの低い放電が実現する。発散（ダイバージェンス）するように構成された複数の電極が、高い作動圧でのスパーク電圧と点火に求められるエネルギとを低下させる。（複数の）電極で形成される流れ場によって、水分結露による電気短絡を防ぎ、失火を回避する。中心電極の絶縁体は、効果的な熱伝達経路を提供し、電極の過熱を防ぐ。複数の電極の後方の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積部を提供し、より確実な点火をもたらす。

Description

本発明はプレチャンバスパークプラグに関し、より詳細には、リーンバーンエンジン用のプレチャンバスパークプラグに関する。

天然ガス等の気体燃料で作動するエンジンには、一般に、希薄混合気が供給される。希薄混合気は、燃料に対して比較的に高い割合の空気を含む燃料混合気である。希薄混合気を用いると、失火、デトネーション（ノッキングの原因となる異常燃焼）、不完全燃焼及び燃費の低下を招くことが多い。こうした事態を招く要因の一つとして、従来のスパークプラグでは、作動中のエンジンのシリンダ内における希薄混合気の点火を効果的に行う能力が低いことが挙げられる。予燃焼チャンバを用いることにより、希薄混合気をより効果的に燃焼することができる。

プレチャンバ（即ち、予燃焼チャンバ）スパークプラグは燃焼室内で用いられ、典型的には天然ガスリーンバーンエンジン等のリーンバーンエンジンの希薄燃焼限界を高めるために用いられる。米国特許第５，５５４，９０８号に開示されるような公知のプレチャンバスパークプラグでは、スパークギャップが、典型的にはエンジンシリンダの排気量（行程容積）の３％未満の容積を有するキャビティに収められている。このキャビティの頂部がドーム状に設けられると共に、様々な接線方向の導入／放出孔を有する。エンジンの作動中、圧縮サイクルでエンジンのピストンが上方に移動する際、空気／燃料は導入孔を通じてプレチャンバ内へ押し込まれる。この孔の向き（配向）が、プレチャンバキャビティの内側のスワール（旋回）運動を作り出す。

空気と燃料との間の密度差がスワール旋回運動と共に、プレチャンバのキャビティ内部に燃料の層状化を引き起こす。スパークギャップを適切に配置すると、燃料リッチな領域で効果的な点火を達成できる。プレチャンバのキャビティ内における迅速な燃料の燃焼によって、エンジンの燃焼室内への貫通性が高い火炎噴流（ジェット）を発生させることができる。この火炎噴流は、燃料混合気が希薄なエンジンの燃焼室内において、より急速で再現性の高い火炎伝播を実現する可能性を提供する。

従来の技術が対処していない一つの課題は、超希薄空気／燃料混合気（空気過剰率λ＞１．７５）及び高ＢＭＥＰ（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：正味平均有効圧力）（＞１８バール）でのスパークプラグの作動である。このような作動条件では、スパークプラグの寿命が非常に短くなる傾向にある。その結果、高効率、高出力密度のガスエンジンの商品化は現実的ではなくなる。

従来の技術として記述されていないことは、特に超希薄空気／燃料混合気及び高ＢＭＥＰでも電極の侵食を最小限に抑えてスパークプラグの寿命を最大限に延ばす、プレチャンバキャビティと、吸気／排気孔と、電極の形状及び配置とに要求される特性及び構成である。また従来の技術では、短絡及びプラグ失火の原因となる、スパークプラグのプレチャンバ内部及び電極間での水分結露の問題にも対処していない。加えて従来の技術では、プラグ表面が過熱し、過早点火（プレイグニッション）を引き起こす問題にも対処していない。

本発明は、超希薄空気／燃料混合気及び高ＢＭＥＰで作動するエンジンに、このような特性及び構成を提供する。本発明の上記の利点及び他の利点、並びに本発明の更なる特徴は、本明細書に記載の説明から明らかとなるであろう。

本発明は、超希薄混合気及び／又は高いエンジンＢＭＥＰで作動するプレチャンバスパークプラグにおいて、スパークプラグの寿命を最大限に延ばす方法及び装置を提供する。電極の単位表面積あたりの放電エネルギをより広い面積にわたって広げ、スパークギャップへの燃料の集中を維持し、放電時のガスの静圧を制御し、電極温度を安全作動範囲内に維持することにより、電極の侵食を軽減する。

空気／燃料混合気中にスワール（旋回）パターンを創り出すことによって、放電エネルギをより大きな表面積にわたって広げる。一の実施の形態では、スパークプラグの端部キャップに設けられ、角度を付けて端部キャップに穿設された外縁孔によってスワールパターンが達成される。スワール（旋回）効果によって、スパーク（火花）の放電に作用する流れ場の力を発生させてアーク（放電）を移動させるので、その結果、電極での比較的エネルギの低い放電を実現し、それによって電極の侵食速度（侵食率）を低下させる。

複数のスパークプラグ電極は、大きさが変数（バリアブル）に設けられたスパークギャップを形成するように接地電極及び／又は中心電極の形状を設けることによって、変動する（バリアブル）構成に設けられる。大きさが変数に設けられたスパークギャップによって、高作動圧での点火に必要なスパーク（火花）電圧を低下させ、それによって、点火に必要なエネルギを低下させる。また、この変動する構成は、小さなギャップに効果的に燃料を集中させる、大きさが変数に設けられたスパークギャップの最小のギャップによって、希薄空燃比で作動するエンジンの点火を確実にする。

プレチャンバスパークプラグの中心電極は、プレチャンバのキャビティ内へ突出する。その結果、中心電極は、プレチャンバのキャビティ内の空気／燃料混合気の燃焼と、その結果生じる温度上昇とに曝される。中心電極のセラミック絶縁体は、効果的な熱伝達経路を提供して、過早点火（プレイグニッション）を引き起こす虞のある中心電極の過熱を防ぐように設計されている。

接地電極の後方の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積部を提供し、特に超希薄空気／燃料混合気で、より確実な点火を提供する。この容積部により、次の燃焼サイクルの空気／燃料混合気が予燃焼チャンバ内に引き込まれるとき、燃焼生成物を後方へ押し込むことが可能となる。この容積部は、超希薄空気／燃料混合気で効果的な点火を達成するような寸法に設定される。一の実施の形態では、スパークギャップの後方の容積とスパークプラグのプレチャンバの容積との比は、エンジンの燃焼室の容積とエンジンの排気量（行程容積）との比より大きく設けられる。

本発明の他の態様、目的及び利点は、添付図面を併せ見れば、以下の詳細な説明により更に明らかになるであろう。

図１は、本発明の教示に従うプレチャンバスパークプラグのスパークプラグの寿命を最大限に延ばすステップを全体的に示すフローチャートである。

図２は、本発明の教示に従うプレチャンバスパークプラグの斜視図である。

図３は、図２に示すプレチャンバスパークプラグの拡大図である。

図４は、図２に示すプレチャンバスパークプラグの部分的な断面図である。

図５ａは、本発明の教示に従う図２に示すプレチャンバスパークプラグの端部キャップの吸気孔を示す正面図である。

図５ｂは、図５ａに示す端部キャップの断面図である。

図６ａは、本発明の教示に従う一の実施の形態の発散する（ダイバージェント）電極の構成を有する接地電極の図４に示す６ａ、６ｂ線に沿う断面図である。

図６ｂは、本発明の教示に従う他の実施の形態の発散する（ダイバージェント）電極の構成を有する接地電極の図４に示す６ａ、６ｂ線に沿う断面図である。

図７は、図５ａ、図５ｂに示す吸気孔を有する図６ａに示す接地電極を更に拡大して示す断面図である。

図８は、他の実施の形態の図５ａ、図５ｂに示す吸気孔を有する接地電極を更に拡大して示す断面図である。

図９は、アダプタを用いて標準的なスパークプラグからプレチャンバスパークプラグを製造するステップを示すフローチャートである。

図１０は、プレチャンバスパークプラグを設けるためにアダプタで改造された標準的なスパークプラグの断面図である。

図１１は、僅かに突出する端部キャップを有するプレチャンバスパークプラグの断面図である。

図１２は、直交して設けられた吸気孔を有して突出する端部キャップを有するプレチャンバスパークプラグの断面図である。

図１３は、本発明の一の実施の形態による角度を付けて設けられた吸気孔を有するスワール（旋回）発生器の断面図である。

本発明は、ある好ましい実施の形態と関連付けて説明されるが、それら実施の形態に限定する意図はない。反対に、意図するところは、全ての代替物、変形、及び均等物を、特許請求の範囲に定義されているように本発明の精神と範囲の内に含まれるものとして、カバーすることである。

本発明の実施の形態は、超希薄混合気及び高いエンジンＢＭＥＰで作動するプレチャンバスパークプラグにおいて、スパークプラグの寿命を最大限に延ばす方法及び装置を提供する。

図１は、プレチャンバスパークプラグの運転寿命を最大限に延ばすステップを全体的に示すフローチャートである。ステップ１０２では、流れ場の力を発生させるための流路を提供する。本発明の一の実施の形態では、プレチャンバスパークプラグの予燃焼チャンバは、チャンバ内で流れ場の力が発生するような方法で空気燃料混合気を受け入れるように構成される。ステップ１０４では、予燃焼チャンバ内部での燃焼プロセスの結果生じた燃焼生成物のための容積部が提供される。本発明の一の実施の形態では、予燃焼チャンバ内部に燃焼生成物のための容積部を形成するように接地電極を位置決めする。ステップ１０６では、複数のスパークプラグ電極を発散（ダイバージェント）する構成で配置する。スパークプラグの寿命を最大限に延ばすために、ステップ１０８では、よりリッチな空気燃料混合気をスパークギャップ近傍に集中させるために適した流れ場を点火時に提供する。流れ場の特性は、エンジンのスパークタイミング及びプレチャンバスパークプラグの吸気／排気孔の構成によって導かれる。５乃至３０ｍ／秒程度（オーダ）の速い流れ場及び上死点前の２０乃至４０クランク角度程度（オーダ）の大きな進角量でのスパークタイミングが好適であるのは、ギャップでの静圧が低下し、よってスパーク（火花）絶縁破壊要求電圧が低下するからである。

ここで図２乃至図４を参照すると、図１に示す複数のステップと関連した構造を組み込んだプレチャンバスパークプラグ２００の一の実施の形態が示されている。スパークプラグは当該技術では周知なため、プレチャンバスパークプラグ２００の従来通りの部分について本明細書で詳細に説明する必要はない。スパークプラグ２００は、筒状のシェル２０２と、シェル２０２から先端部２０４が突出するようにシェル２０２内に嵌合された絶縁体とを含む。典型的にはシェル２０２は、低炭素鋼等の金属材料で作製される。中心電極２０６は絶縁体の内側に配設され、先端部２０４の所で一部分が絶縁体から突出するように設けられる。先端部２０４は、プレチャンバスパークプラグ２００内で空気／燃料混合気が燃焼している間に中心電極２０６からの熱伝達経路を提供するために用いられる。

従来の点火（スパーク）プラグでは、接地電極は、その一端を、例えば、溶接によってシェルに接合させ、他端を横方向に曲げて、その側面が中心電極２０６の先端部に面するようにして用いられる。従来の点火プラグとは異なり、本発明の接地電極２０８は円板形状に設けられ、中心電極２０６の端部２１０に近接して取り付けられる。大きさが変数（バリアブル）に設けられたスパークギャップ２１２は、接地電極２０８と中心電極２０６との間に形成される。接地電極２０８の配置はエンジン容積比に応じて定められる。エンジン容積比は、総シリンダ容積の主燃焼室の容積に対する比である。一の実施の形態では、総予燃焼チャンバ容積の、接地電極２０８の後方の容積（即ち、端部キャップ２１６とは反対側の容積）に対する比が、エンジン容積比より小さくなるように、予燃焼チャンバ内での接地電極２０８の配置を選択する。これを数式で以下のように表す：

ここで、Ｖ_ｐは総予燃焼チャンバ容積（２１８_１＋２１８_２）、Ｖ_ｇは接地電極２０８の後方の残存（燃焼生成物）のための容積（２１８_２）、Ｖ_ｔは総シリンダ容積（即ち、ピストンによる排気（行程）容積）、Ｖ_ｃは燃焼室の容積（即ち、空気燃料混合気を有するシリンダの容積）である。例えば、Ｖ_ｔ／Ｖ_ｃが１０程度（オーダ）の大きさであると仮定すると、Ｖ_ｐのＶ_ｇに対する比は１０未満となる。接地電極２０８の後方の容積は、（前回の燃焼サイクルの間に）予燃焼チャンバから排出されなかった残存する燃焼生成物のための容積部を提供する。残存する燃焼生成物は、空気燃料混合気の予燃焼チャンバ内への吸気の間に空気燃料混合気を希薄化する。

スパークプラグの温度は、総予燃焼チャンバ容積の関数であることに留意されたい。典型的には、プラグの温度は、容積が増加するにつれて、主としてチャンバ内で燃焼される燃料の質量が増えるために、上昇する（即ち、より熱くなる）。温度が上昇すると、過早点火（プレイグニッション）の可能性が生じる。しかしながら、一般的に燃焼性能が容積の増加と共に改善するのは、オリフィスから噴射（注入）される高温のガスが増加して、その結果、主燃焼室内への侵入（貫入）が増大し、噴流がより強くなって、燃焼を強化するからである。その結果、Ｖ_ｐのＶ_ｇに対する実際に使用される比は、エンジン特性及び所望の性能に基づいて定められる。例えば、あるエンジンでは、Ｖ_ｐ／Ｖ_ｇが５の方が、Ｖ_ｐ／Ｖ_ｇが３の場合よりも良好に作動する一方で、別のエンジンでは、Ｖ_ｐ／Ｖ_ｇが３の方が、Ｖ_ｐ／Ｖ_ｇが５の場合よりも良好に作動する。

従来の点火（スパーク）プラグとは異なり、シェル２０２は中心電極２０６の端部２１０を越えて延在する。ねじ切り部２１４がシェル２０２の外周面上に形成され、シェル２０２の一部がエンジン（図示せず）の燃焼室内へと延在するようプラグ２００をエンジンブロック上に取り付けるように設けられる。

端部キャップ（スワール発生器）２１６がシェル２０２を閉じることによって、予燃焼チャンバ２１８が形成される。予燃焼チャンバ２１８は、（接地）電極２０８の前方の点火可能容積部２１８_１と電極２０８の後方の残存（燃焼生成物）容積部２１８_２とから設けられる。ここで図５ａ及び図５ｂを参照すると、端部キャップ２１６は、作動中に新たな空気／燃料の充填口及び燃焼生成物の排出口となる穿孔２２０、２２２を含む。孔の面積及び有効流れ係数は、最適な「呼吸」効率を確保する大きさに設定する。例えば、孔の面積は、亜音速でのピストン運動中（例えば、ピストンが上死点を通過しているとき）に予燃焼チャンバ２１８の充填を可能とするのに十分な大きさに設けられると同時に、音速の排出ガス（即ち噴流）を供給するのに十分な小ささに設けられる。一の実施の形態では、熱伝達を最大限とし、過早点火（プレイグニッション）の可能性を最小限とする端部キャップ（スワール発生器）の構成とは、シリンダヘッドと「面一」に設ける構成である。燃焼室の構成及びシリンダヘッドの設計に応じて、僅かに突出するスワール発生器を効果的に構築することができる。

中心孔２２０は典型的には直線的（即ち、スパークプラグ２００の長手方向軸と平行）に設けられる。外縁孔２２２は角度を付けて設けられ（即ち、外縁孔２２２の中心軸（軸方向）がスパークプラグ２００の長手方向軸と交差しない）、排出ガス中にスワール（旋回）パターンを創り出す。ガス／燃料混合気のスワールは、作動中に発生するアーク（放電）を移動させるので、アーク（放電）のエネルギが接地電極２０８及び中心電極２０６のより大きな表面にわたって消散されることとなり、それによって接地電極２０８及び中心電極２０６の温度を低下させる。角度θ、α並びに距離Ｄ_１及びＤ_２は、ピストンストロークの速度等のエンジンの特性に基づいて選択される。一の実施の形態では、外縁孔２２２は、排出（即ち、主燃焼室での点火）中は外縁孔の流れを絞り（チョークし）、それによって、主たる流れ（主流）（即ち、高温ガスの排出）が中心孔２２０を通って発生する一方で、予燃焼チャンバ２１８へのガス吸入（吸気）中は十分な流れを供給してスワール（旋回）効果を与え、予燃焼チャンバ内でのガスの点火を支援するような寸法（大きさ）に設定される。スワール効果は、燃焼の安定性を改善し、適切な寸法設定では、過度に流れを制限してしまうことがない。角度を付けて設けられた孔２２２によって、以下に説明するように、スパーク（火花）放電に作用する流れ場の力が発生する。一の実施の形態では、角度を付けて設けられた孔２２２の直径は０．０６０インチであり、中心孔２２０の直径は０．０６５インチに設けられる。また、スパークギャップでの高い流速が、エンジン停止中に結露した水分を掃き出すという付加的な利点も提供する。

ここで図６ａ及び図６ｂを参照すると、（接地）電極２０８の形状は中心電極２０６に対して発散（ダイバージェント）する（放射状に分岐した）形状として設けられている。（接地）電極２０８の発散（ダイバージェンス）によって、アーク放電が伸ばされ、大きさが変数（バリアブル）に設けられたスパークギャップ２１２が得られる。例えば、図６ａでは、接地電極２０８が丸突起（ローブ）形状を有するので、スパークギャップ２１２は中心電極２０６に対して凹型となる。スパークギャップ２１２が部位２２４で最小のギャップ寸法を有し、スパークギャップ２１２が最小のギャップの両側で発散して（大きくなっている）ことが見てとれる。一の実施の形態では、ギャップの寸法は、高ＢＭＥＰでの作動における０．００５乃至０．０１０インチ程度（オーダ）の最小のギャップから０．０３０乃至０．０５０インチ程度（オーダ）の最大のギャップまでの範囲に設けられる。最小のギャップは更に小さく設けることもできるが、現在の製造公差では、コストの高い製造技法を用いずにギャップをどれほど小さくできるかには限りがあることに留意されたい。製造公差が極めて小さい場合での０．００５インチのギャップは十分に大きい。大きさが変数（バリアブル）に設けられたギャップ２１２は、高圧での要求スパーク（火花）電圧（即ち駆動電圧）を低下させるのに効果的である。加えて、大きさが変数（バリアブル）に設けられていることは希薄空燃比の条件で作動する場合に、より確実な点火を提供する。図６ｂはバリアブル（変動する）スパークギャップ２１２の代替の実施を示す。

前述のように、本発明は、スパーク（火花）放電に作用する流れ場の力を発生させてアーク（放電）を移動させ、はるかに大きな表面積上にスパーク（火花）のエネルギを分布させる。これは、接地電極２０８の上に重ね合わせた端部キャップ２１６の外縁孔２２２を示す図７で見てとれる。図示では、アーク３０２に作用する流れ場の力を矢印３００で表している。流れ場の力がなければ、アークは最小ギャップ部位２２４に集中するであろう。流れ場の力がある場合には、アークは移動し、アークと関連するエネルギは、符号３０４で示すように、より広い面積に分布される。図７に示すように、吸気／排気孔２２２の構成によって、主として矢印３００の方向に移動する流れ場を生じさせる。異なる構成を用いれば、流れ場は他の方向へも移動できる。吸気／排気孔２２２の構成は、点火時に流れ場がよりリッチな空気／燃料混合気をスパークギャップ２１２の近傍へ集中させ、作動を効果的とするように構成する。また、流れ場の特性は、吸気／排気孔２２２の構成に加えて、エンジンのスパークタイミングによっても決定されることに留意されたい。５乃至３０ｍ／秒程度（オーダ）の速い流れ場及び上死点前の２０乃至４０クランク角度程度（オーダ）の大きな進角量でのスパークタイミングは、スパークギャップ２１２での静圧を低下し、よってスパーク（火花）電圧の駆動要求電圧の低下をもたらす。図８は、接地電極２０８の他の実施の形態を示し、流れ場がアークに作用している状態を示す。中心電極２０６は円形ではなく矩形に設けられ、接地電極２０８は歯形状（即ち台形）に設けられていることに留意されたい。

前述の説明では、プレチャンバスパークプラグを単体（ワンピース）に設けられたシェル構成（図２参照）として説明した。シェルは、また、複合体（マルチピース）に設けられたシェル構成の形態としてもよい。例えば、標準的なスパークプラグの既存のシェルにアダプタを追加して、プレチャンバスパークプラグのシェルを形成することにより、標準的なスパークプラグをプレチャンバスパークプラグへ変換することができる。ここで図９及び図１０を参照すると、一の実施の形態では、アダプタ４５０を用いて、標準的なスパークプラグからプレチャンバスパークプラグを製造することができる。アダプタ４５０は、接地電極２０８及び端部キャップ２１６と嵌合すると共に、前述のようにＶ_ｐ／Ｖ_ｇを有するプレチャンバのキャビティ２１８を提供するような寸法（大きさ）に設定される。スパークプラグのシェル４５４上のねじ切り部４５２は、研削又はその他の作業（加工）によって除去される（ステップ４００）。アダプタ４５０の内径は、ねじ切り部４５２を除去したシェル４５４に対して、表面４５６が緩やかな焼嵌めを提供するように機械加工される（ステップ４０２）。一の実施の形態では、焼嵌め代は約０．００２インチ程度（オーダ）に設けられる。アダプタを予備加熱し、スパークプラグのシェル４５４上に滑り込ませる（ステップ４０４）。固定具を使って、スパークプラグのシェル４５４をアダプタ４５０に保持し、矢印で示すように、中心電極２０６からアダプタ４５０までの熱伝達経路のための適切な接触を確保する（図１０参照）。主たる熱伝達経路は、中心電極２０６から、絶縁体２０４を通り、テーパが設けられた座面４５８を出て、銅製のガスケット等のガスケットを経由してシリンダヘッド（不図示）へと入るように設けられる。熱伝達経路は、予燃焼チャンバ２１８内の空気／燃料混合気の点火による中心電極２０６の熱のための伝熱経路を提供し、スパークプラグの長寿命及び過早点火（プレイグニッション）の防止にとって重要である。アダプタ４５０は、溶接（符号４６０で示す）等によりスパークプラグのシェル４５４と一体化される（ステップ４０６）。溶接プロセスは典型的には、ＴＩＧ溶接としばしば呼ばれるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又は他の種類の溶接を用いて行われる。その他のろう付け等、摂氏３５０度で約２５００ｐｓｉに耐えることを可能とする技法であれば、それらの技法を用いてもよい。

アダプタ４５０を一体化した後、アダプタアセンブリを完成させる（ステップ４０８）。この完成には、予燃焼チャンバ２１８内に接地電極２０８を取り付けるステップと、端部キャップ２１６を取り付けるステップとが含まれる。中心電極の端部２１０を接地電極２０８と面一に設けるのであれば、端部２１０を機械加工してもよいことに留意されたい。一の実施の形態では、接地電極２０８を、一つ以上のシールつまりガスケット４６２を用いて内側の段部に当接させて保持するように設ける。また、接地電極２０８の両側において、接地電極２０８をシールつまりガスケットを用いて所定の位置に保持するように設けるものとしてもよい。代替として、アダプタ４５０の内径にねじ切りを行なって、接地電極をねじ切り部で所定の位置に保持するように設けるものとしてもよい。端部キャップ２１６をアダプタ４５０（又はシェル２０２）内に嵌合するように示しているが、端部キャップ２１６をアダプタ４５０（又はシェル２０２）に被せて嵌合してもよく、又はアダプタ４５０（又はシェル２０２）の外径と面一に設けてもよいことに留意されたい。

前述のように、燃焼室の構成及びシリンダヘッドの設計に応じて、僅かに突出したスワール発生器を構築することができる。ここで図１１を参照すると、代替の実施の形態では、シェル２０２（又はアダプタ４５０）の端部から僅かに突出したスワール発生器２１６’を示している。スワール発生器２１６’は、スワール発生器２１６に関して前述したように、中心孔２２０’と外縁孔２２２’とを有する。スワール発生器２１６’はシェル２０２に溶接、ろう付け等によって装着されている。

図１２は、本発明の一の実施の形態に係る、シェル２０２に装着されて突出したスワール発生器２３２を有するプレチャンバスパークプラグ２３０を示す。プレチャンバスパークプラグ２３０は、長手方向軸２３４を有する中心電極２０６を更に含む。前述の実施の形態のように、スワール発生器２３２を溶接、ろう付け等によってシェル２０２に装着してもよい。スワール発生器２３２は、複数の孔２３６を含み、それらは穿設して、即ち、スワール発生器２３２の側壁２３８に形成してもよい。

図１３は、側壁２３８の４つの吸気孔２４０と４本の孔軸２４２、２４４、２４６、２４８とを有するスワール発生器２３２の一の実施の形態を示す。本発明の他の実施の形態では、３つ以下又は５つ以上の吸気孔を有してもよい。吸気孔２４０は、各孔軸２４２乃至２４８が長手方向軸２３４に対して実質的に垂直となるように配置され、各孔軸２４２乃至２４８は、どの孔軸２４２乃至２４８も長手方向軸２３４と交差しないように角度を付けて設けられている。空気燃料混合気が予燃焼チャンバ２１８内に導入されると、角度を付けて設けられた吸気孔２４０が、予燃焼チャンバ２１８内の空気燃料混合気にスワール（旋回）効果を与える。吸気孔２４０の精確な配置（即ち、側壁２３８上）及び構成（例えば、直径、角度）は、予燃焼チャンバ２１８内部での所望の流れ場及び空気燃料分布に応じて定められる。本発明の一の実施の形態では、４本の孔軸２４２乃至２４８が、長手方向軸２３４に対して実質的に垂直な一の平面上に設けられている。他の実施の形態では、孔軸２４２が、孔軸２４６と実質的に平行に設けられ、孔軸２４４、２４８に対して実質的に垂直に設けられる。

以上、超希薄混合気及び高いエンジンＢＭＥＰで作動するプレチャンバスパークプラグにおいて、スパークプラグの寿命を最大限に延ばす方法及び装置が説明されたことが理解されるだろう。電極の侵食に影響を与える鍵となる要素は、電極の単位表面積あたりの放電エネルギ、スパークギャップへの燃料の集中、放電時のガスの静圧、及び電極温度を含む。放電エネルギは、端部キャップの外縁孔によって生み出されたスワール（旋回）効果によって、より大きな表面積にわたって広げられている。スワール効果によって、電極での比較的エネルギの低い放電が実現し、それが電極の侵食速度（侵食率）を低下させる。更にまた、発散（ダイバージェント）する電極ギャップで得られた速い流れ場によって、放電が発生する前に如何なる水分結露も確実に掃き出される。接地電極及び／又は中心電極の形状からもたらされた複数の電極の発散（ダイバージェント）する構成は、高作動圧でのスパーク（火花）電圧を低下させ、それによって点火に求められるエネルギを低下させると同時に、希薄空燃比でも確実な点火を提供する。中心電極のセラミック絶縁体の設計は、効果的な熱伝達経路を提供し、中心電極の過熱を防ぐ。接地電極の後方の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積部を提供し、高度な希薄空気／燃料混合気でのより確実な点火を提供する。

本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数及び複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」及び「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（即ち「〜を含むが限らない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されたかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明される全ての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例又は例示的な言い回し（例えば「等」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を、本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、本発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読めば、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で本発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正及び均等物を全て含む。更に、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、全ての変形における上記要素のいずれの組み合わせも本発明に包含される。

２００ プレチャンバスパークプラグ
２０２ シェル
２０４ 先端部（絶縁体）
２０６ 中心電極
２０８ 接地電極
２１０ 端部（中心電極）
２１２ スパークギャップ
２１４ ねじ切り部（シェル）
２１６ 端部キャップ（スワール発生器）
２１６’ 端部キャップ（スワール発生器）
２１８ 予燃焼チャンバ
２１８_１ 点火可能容積部
２１８_２ 残存（燃焼生成物）容積部
２２０ 中心孔（端部キャップ）
２２０’ 中心孔（端部キャップ）
２２２ 外縁孔（端部キャップ）
２２２’ 外縁孔（端部キャップ）
２２４ 最小ギャップ部位（スパークギャップ）
２３０ プレチャンバスパークプラグ
２３２ 端部キャップ（スワール発生器）
２３４ 長手方向軸（中心電極）
２３６ 外縁孔（端部キャップ）
２３８ 側壁（端部キャップ）
２４０ 吸気孔（外縁孔）
２４２ 孔軸（吸気孔）
２４４ 孔軸（吸気孔）
２４６ 孔軸（吸気孔）
２４８ 孔軸（吸気孔）
３００ 矢印（流れ場の力）
３０２ アーク（放電）
３０４ アーク（放電）
４５０ アダプタ
４５２ ねじ切り部（シェル）
４５４ シェル
４５８ 座面（アダプタ）
４６０ 溶接
４６２ ガスケット

Claims (14)

1. プレチャンバスパークプラグを製造する方法であって：
   金属製のシェルを提供するステップと；
   前記金属製のシェルの内部に複数の電極を発散する構成で配置するステップと；
   前記複数の電極のギャップの後方に、前回の点火サイクルからの燃焼生成物のための容積部を提供するステップと；
   電気アークに作用する非磁性的な流れ場の力を、前記電気アークを移動させるのに十分な力を有して、予燃焼チャンバの内部に発生させるように、複数の吸気孔を有する端部キャップを構成することによって、電気エネルギを、前記非磁性的な流れ場がない状態でエネルギが分布される電極の表面積よりも、大きな電極の表面積にわたって分布させるステップとを備え；
   前記端部キャップと前記金属製のシェルとが実質的に前記予燃焼チャンバを画成するように、前記端部キャップを前記金属製のシェルに取り付けるように構成され；
   前記複数の吸気孔の各々は、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸に対して実質的に垂直である孔軸を有するように構成される；
   方法。
2. 前記端部キャップは４つの前記吸気孔を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記４つの吸気孔の孔軸が前記プレチャンバスパークプラグの前記長手方向軸と交差しないように前記複数の吸気孔を構成するステップを更に備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記４つの孔軸は前記プレチャンバスパークプラグの前記長手方向軸と実質的に直交する一の平面内に配置されるように構成される、請求項２に記載の方法。
5. 前記４つの孔軸のいずれか一は、前記４つの孔軸の他の一と平行であり、前記４つの孔軸の更に他の二つの孔軸に対して垂直である、請求項４に記載の方法。
6. 前記端部キャップは、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸と平行な孔軸を有する吸気孔を更に有するように構成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記プレチャンバスパークプラグをエンジンに取り付けると、前記端部キャップが前記エンジンの燃焼室の内部に配置され得るように、前記金属製のシェル及び前記端部キャップの寸法を設定する、請求項１に記載の方法。
8. 前記複数の吸気孔は、前記予燃焼チャンバ内に５乃至３０メートル／秒の流れ場の速度を生じさせるように構成される、請求項１に記載の方法。
9. 前記複数の電極のギャップの後方に容積部を提供するステップは、前記複数の電極の内の少なくとも一方の過熱を防ぐために熱伝達経路を提供するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記金属製のシェルの内部に複数の電極を発散する構成で配置するステップは、０．００５乃至０．０１０インチの最小のスパークギャップを有するように前記複数の電極を配置するステップを有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記金属製のシェルの内部に複数の電極を発散する構成で配置するステップは、０．０３乃至０．０５インチの最大のスパークギャップを有するように前記複数の電極を配置するステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属製のシェルの内部に複数の電極を発散する構成で配置するステップは、前記金属製のシェルの内部に少なくとも１つの丸突起（ローブ）形状の電極を発散する構成で配置するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
13. 前記複数の電極の一としての中心電極と前記金属製のシェルとの間にセラミック絶縁体を提供するステップを更に備え、前記複数の電極のギャップの後方に燃焼生成物のための容積部を提供するステップは、前記複数の電極の一を熱伝達経路を提供するように前記セラミック絶縁体を構成するステップを有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記複数の電極のギャップの後方に容積部を提供するステップは、前記容積部の容積Ｖ_ｇを：
    

    

    によって提供するステップを有し；
    Ｖ_ｐは総予燃焼チャンバ容積であり、Ｖ_ｒはエンジン容積比である；
    請求項１に記載の方法。

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