JP2015533983A - スパークプラグ性能及び耐久性を改善する時変スパーク電流量 - Google Patents

Abstract

ある実施形態において、時変スパーク電流点火システムは、従来のスパーク点火システムと比較して、スパークプラグの点火性能及び耐久性を改善するために適用され得る。２つの興味のある性能パラメータは、スパークプラグ寿命（耐久性）及びスパークプラグ点火性である。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、火炎核が電極ギャップ内を移動している間に火炎核の消炎を引き起こさずに、できるだけ低いスパーク電流振幅を印加することによって、及び／又は、スパーク／火炎核がスパークプラグギャップを通過できるようにするほど十分に長い期間のスパーク電流を印加することによって、延ばすことができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために、十分に高いスパーク電流振幅を印加することによって、及び／又は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するほど長い間スパーク電流を印加することによって、改善することができる。【選択図】なし

Description

本出願は、２０１２年９月１７日に出願された「スパークプラグ性能及び耐久性を改善する時変スパーク電流量（Time-varying Spark Current Magnitude to Improve Spark Plug Performance and Durability）」の発明の名称の米国特許出願第６１／７０２，０３６号の優先権を主張し、かつ、（１）２０１３年９月６日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室（Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines）」の発明の名称の米国特許出願第１４／０２０，７７０号及び２０１３年９月６日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室（Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines）」の発明の名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／５８６３５号（両出願は、２０１２年９月６日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室（Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines）」の発明の名称の米国特許出願第６１／６９７，６２８号の優先権を主張する）と、（２）２０１２年９月１日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称の米国特許出願第１３／６０２，１４８号、及び２０１２年９月１日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／５３５６８号（両出願は、２０１１年９月３日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称の米国特許出願第６１／５７３，２９０号の優先権を主張する）と、（３）２０１３年６月２５日に出願された「予燃焼室点火システム（Prechamber Ignition System）」の発明の名称の米国特許出願第１３／９９７，６８０号（米国特許出願第１３／９９７，６８０号は、２０１１年１２月３０日に出願された「予燃焼室点火システム（Prechamber Ignition System）」の発明の名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／００２０１２号の優先権を主張し、その国際特許出願は、２０１０年１２月３１日に出願された「高効率跳飛効果受動燃焼室スパークプラグ（High efficiency ricochet effect passive chamber spark plug）」の発明の名称の米国特許出願第６１／４６０，３３７号の優先権を主張する）と、（４）２０１３年３月１２日に出願された「活性排気予燃焼室（Active Scavenge Prechamber）」の発明の名称の米国特許出願第６１／７７８，２６６号と、に関する。前述の特許出願のそれぞれにおける全体が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、スパークプラグ性能及び耐久性を改善するために、スパーク電流を経時的に変化させるためのシステム及び方法に関する。

工業用スパークプラグのメーカによって利用される様々な異なる電極ギャップ型が存在する。より良好な点火性（より少ない消炎）を主張するものもあり、改善された耐久性（プラグ寿命）を主張するものもある。多くの高エネルギーシステムが、点火要件を満たし得るが、この性能を達成するための設計トレードオフは、スパークプラグ寿命に否定的な影響を有する可能性がある。

前述の欠陥に取り組む必要性が当該技術分野には存在する。

図１ａ〜図１ｃは、ある実施形態に従って、小さな表面積対体積率を備えたスパークプラグにおける例示的なＭＳＰ（マルチトーチスパークプラグ）型スパークギャップを示す。 図２ａ〜図２ｃは、ある実施形態に従って、小さな表面積対体積率を備えた例示的な二重バー型スパークプラグを示す。 図３ａ〜図３ｃは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な環状型スパークプラグを示す。 図４ａ〜図４ｃは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な環状型スパークプラグを示す。 図５ａ〜図５ｃは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な３プロング型スパークプラグを示す。 図６は、ある実施形態に従って、例示的なスパークプラグギャップ設計用の火炎核成長シーケンスを示す。 図７ａは、ある実施形態に従って、例示的な３プロング型スパークプラグを示す。図７ｂは、ある実施形態に従って、２つの異なるギャップサイズ０．０１０”及び０．０１６”を備えた図７ａのスパークプラグ型用の火炎核成長シーケンスを示す。 図８は、ある実施形態に従って、２つの異なるギャップサイズ０．０１０”及び０．０１６”を備えた図７ａのスパークプラグ型用の火炎核成長シーケンスを示す。 図９は、ある実施形態に従って、典型的なＣＰＵ９５（低エネルギー）スパーク放電波形を示す。 図１０は、ある実施形態に従って、３プロングスパークプラグのフローフィールド分析を示す。 図１１は、ある実施形態に従って、３プロングスパークプラグのλ分布を示す。 図１２は、ある実施形態に従って、ＤＥＩＳ高エネルギースパーク最適化波形を示す。 図１３は、ある実施形態に従って時変電流を示す。 図１４ａ〜図１４ｂは、かなり減少するスパーク電流を有する従来の点火システムを示す。 図１５は、ある実施形態に従って、時変スパーク電流点火システム及び結果としてのスパーク移動を示す。 図１６は、ある実施形態に従って、時変スパーク電流を用いた火炎核成長を示す。 図１７は、ある実施形態に従って、従来のスパーク放電を用いた火炎核成長を示す。 図１８は、従来のスパーク電流を用いるある実施形態に従って、時変スパーク電流及び従来のスパーク電流を用いる燃焼圧力曲線を比較するチャートを示す。 図１９は、時変スパーク電流及び従来のスパーク電流を比較してスパーク破壊電圧対スパークプラグ耐久性を示す。 図２０ａ〜図２０ｃは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えたスパークギャップの例を示す。

ある実施形態において、スパーク電流を変化させる方法であって、１以上の電極ギャップを形成するために、主電極及び主電極からオフセットされた１以上の接地電極を含むスパークプラグを提供することと、内燃機関の燃焼室内に主電極及び１以上の接地電極を配置するようにスパークプラグを配置することと、１以上の電極ギャップを通して燃料空気混合気のフローを導入することと、燃料空気混合気を点火するために、１以上の電極ギャップの少なくとも１つにわたってスパーク電流を導入することと、スパークチャネルを成長させるためにスパーク電流を増加させることと、を含む方法が開示される。スパーク電流を増加させるステップは、スパーク電流を漸進的に増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、スパーク移動の増加率とほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいてスパーク電流を増加させることを含んでもよい。フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、１以上の電極ギャップの少なくとも１つの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。主電極及び１以上の接地電極は、約３．０ｍｍ^−１より大きな電極表面積対電極ギャップ体積率を定義してもよい。１以上の電極ギャップは、燃料空気混合気のほぼ均一なフローを含んでもよい。ほぼ均一なフローは、約３ｍ／ｓの最低速度を有してもよい。方法は、電極表面温度を判定すること、及び電極表面温度に応じてスパーク電流量を調整することをさらに含んでもよい。方法は、燃焼室における圧力増加を判定すること、及び圧力増加が所定の閾値を超える場合にスパーク電流の印加を打ち切ることをさらに含んでもよい。方法は、電極ギャップにおける火炎核成長を判定すること、火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、スパーク電流の印加を打ち切ることをさらに含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、約１５０ｍＡ未満の開始から約１５０ｍＡを超えるまでスパーク電流を増加させること、１以上の電極ギャップにおいて約３ｍ／ｓ未満のフロー速度を生成することを含んでもよく、１以上の電極ギャップは、約３ｍｍ^−１より大きな表面積対体積率を含む。

ある実施形態において、予燃焼室スパークプラグであって、予燃焼室容積を囲む外面及び内面と、予燃焼室容積に燃料空気混合気を導入するための、外面と内面との間を通じる１以上の孔部と、予燃焼室容積内に配置された主電極と、１以上の電極ギャップにわたって時変スパーク電流を導入するように構成された１以上の電極ギャップを形成するために、予燃焼室容積内に配置され、かつ、主電極からオフセットされた１以上の接地電極と、を含む予燃焼室スパークプラグが開示される。時変スパーク電流は、漸進的に増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、空気又は燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含んでもよい。フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよい。時変スパーク電流は、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、電極スパークギャップの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で増加してもよい。主電極及び１以上の接地電極は、約３．０ｍｍ^−１より大きな電極ギャップ表面積対体積率を定義してもよい。予燃焼室スパークプラグは、１以上の電極スパークギャップを通るほぼ均一な燃料空気混合気フローをさらに含んでもよい。ほぼ均一なフローは、約３ｍ／ｓの最低速度を有してもよい。時変スパーク電流は、１以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気フローの速度の大きさに少なくとも部分的に基づく時間、及び電極ギャップ表面積対体積率と共に変化してもよい。時変スパーク電流は、約１５０ｍＡ未満で始まっても良く、且つ約１５０ｍＡ超、１以上の電極ギャップにおける約３ｍ／ｓ未満のフロー速度、及び３ｍｍ^−１を超える電極ギャップ表面積対体積率で終了してもよい。時変スパーク電流量は、電極表面温度に応じて調整されてもよい。スパーク電流は、圧力増加が所定の閾値を超える場合に、打ち切られるように構成されてもよい。スパーク電流は、火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、打ち切られるように構成されてもよい。

本出願のために、「漸進的に」は、電流量増加率が、フロー運動量に起因するスパーク移動増加率に比例することを意味し、フロー運動量は、スパークに作用するフロー質量密度×フロー速度として定義されてもよい。例えば、限定するわけではないが、スパーク移動率が一定である場合に、電流量の増加は、ゼロであってもよい。例えば、限定するわけではないが、スパーク移動率が２倍になる場合に、電流量もまた２倍になってもよい。

ある実施形態において、フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよく、フロー運動量は、フロー質量密度×フロー速度として定義されてもよい。ある実施形態において、スパーク電流量における増加は、フロー運動量の増加に比例してもよい。例えば、限定するわけではないが、フロー運動量が一定である場合に、電流量もまた一定であってもよい。例えば、限定するわけではないが、フロー運動量が２倍になる場合に、電流量もまた２倍になってもよい。

ある実施形態において、幾何学的特性は、限定するわけではないが、スパークが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動を含んでもよい。ある実施形態において、スパーク電流の増加は、スパークが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動に比例してもよい。例えば、限定するわけではないが、表面積対体積率が、スパークが移動する距離の全体を通して一定である場合に、電流量の増加は、ゼロであってもよい。例えば、限定するわけではないが、表面積対体積率が、スパークが移動する距離にわたって２倍になる場合に、電流量もまた２倍になってもよい。

ある実施形態において、スパークプラグ性能は、従来のスパークプラグ設計と比較して性能及び耐久性を改善するために、時変スパーク電流を印加することによって改善することができる。興味のある２つの性能パラメータは、スパークプラグ寿命及びスパークプラグ点火性である。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、火炎核がスパークプラグギャップ内を移動している間に、火炎核の消炎を引き起こさずに、できるだけ低いスパーク電流振幅を印加することによって延ばすことができる。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、スパーク／火炎核がスパークプラグギャップを通過できるようにする十分に長い期間のスパーク電流を印加することによって、延ばすことができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために十分に高いスパーク電流振幅を印加することによって改善することができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために十分に長い期間にわたってスパーク電流を印加することによって、改善することができる。

ある実施形態において、電極形状にかかわらず、点火性に影響する重要な要因は、表面積対体積率（Ｓ／Ｖ）であり、それは、電極表面積と前記表面間に制限されるギャップ体積との間の比率として定義される。ある実施形態において、同じ火炎核サイズに関し、電極の表面に対する熱損失は、表面のサイズと比例して増加する。以下は、電極ギャップ、それらのＳ／Ｖ、及びそれらが結局はどのように火炎核伝搬に影響するかの幾つかの例である。ある実施形態において、Ｓ／Ｖは、それが４ｍｍ^−１以下である場合に、小さいと見なされてもよい。

ある実施形態において、図１ａ〜図１ｃの画像は、スパークプラグにおけるＭＳＰ（マルチトーチスパークプラグ）１００型スパークギャップ用のＳ／Ｖを示す。スパークプラグの幾何学的形状は、シェルが接地電極１２０として働くので、この場合に示されている。画像で分かるように、中心電極１１０は、非常に小さく、シェルへスパークする。この幾何学的形状は、小さなＳ／Ｖ（約４ｍｍ^−１）を有するものとして分類することができる。ある実施形態において、低Ｓ／Ｖ電極の幾何学的形状を有する別の例示的なスパークプラグは、約１．２ｍｍ^−１Ｓ／Ｖを備え、図２ａ〜図２ｃで示されているような、主電極２１０及び二重バー形状接地電極２２０を含む二重バー２００型スパークギャップである。

ある実施形態において、大きな電極Ｓ／Ｖを備えた電極ギャップの例は、限定するわけではないが、図３ａ〜図３ｃの環状型ギャップ３００、図４ａ〜図４ｃの特定のＪギャップタイプ型スパークプラグ４００、及び図５ａ〜図５ｃの３プロング型ギャップ５００を含んでもよい。図３ａ〜図３ｃは、主電極３１０及び環状接地電極３２０を表す。図４ａ〜図４ｃは、主電極４１０及びＪ形接地電極４２０を示す。図５ａ〜図５ｃは、主電極５１０及びプロング型接地電極５２０を表す。Densoによって特許を取得されたこのＪギャップはまた、ギャップのＳ／Ｖを減少させる際の助けとなるカソード（高電圧又は主電極）上の十字溝を有する。

図６に示されているようなある実施形態において、二重バー型電極２００及びＪギャップ４００の燃焼シミュレーションは、各設計のＳ／Ｖ比率が火炎核成長を支配することを確認する結果をもたらす。図６は、２つの異なるＳ／Ｖ比率プラグ設計用の火炎核成長シーケンスの比較を提供する。両方のプラグ用のスパークタイミング及びスパークエネルギーは、同じである。予想通りに、より小さなＳ／Ｖ比率（この場合には二重バー２００）を備えた設計の火炎核は、より急速に成長する。何故なら、それが、より少ない熱損失を有し、そのエネルギーのより多くが、火炎伝搬の方へ行くことができるからである。

ある実施形態において、図６に示されているシーケンスで得られた結果が、フローフィールドにもＳ／Ｖ以外の要因によっても影響されなかったことをさらに証明するために、同じプラグ型のギャップサイズを変更することによって調査が実行された。これは、実際にプラグのＳ／Ｖを変更する。このシミュレーション用に選択されたプラグは、３プロング５００型だった。図７ａ〜図７ｂ及び図８に示されているのは、２つの異なるギャップサイズ０．０１０”及び０．０１６”用の、同じスパークエネルギーを用いた火炎核５３０成長のシーケンスである。大きなＳ／Ｖ（７．８ｍｍ^−１、小さなギャップ）は、電極に対してより高い熱損失を有し、より遅い火炎成長及びギャップから出るより小さな火炎核５３０サイズに帰着する。他方において、より大きなギャップサイズ（Ｓ／Ｖ＝４．９ｍｍ^−１）は、熱損失を低減し、火炎核５３０成長率を改善し、より大きな火炎核５３０サイズがギャップから出ることができるようにした。

ある実施形態において、最適化用の一般的な基準は、フローフィールド速度用のスパーク波形、λ分布及び電極ギャップ設計を調整することを含んでもよい。ある実施形態において、スパーク波形は、ある点火性及び電極腐食基準を満たすように選択されてもよく、その基準は、点火性（性能）／プラグ寿命トレードオフと呼ばれてもよい。

ある実施形態において、点火性基準に関し、初期火炎核は、熱損失を最小化し、及び従って、消炎を最小化するために、ギャップ内を十分に素早く移動してもよい。これを達成するために、必要な空気力学的抵抗特性を提供するような適切なスパークサイズと同様に適切なフローフィールドが存在してもよい。ある実施形態において、スパークエネルギー送出率は、火炎核から電極表面への熱損失を相殺してもよい。

多くの高エネルギーシステムが、上記の点火性要件を満たすことが可能だが、この性能を達成するための設計トレードオフは、スパークプラグ寿命に否定的な影響を及ぼす可能性がある。ある実施形態において、スパーク最適化のために、スパークにおいて送出されるエネルギー率は、一貫した火炎核を生成するために十分に高くてもよい。ある実施形態において、スパークにおいて送出されるどんな過剰エネルギーも、どんな利益も提供せずに、プラグ寿命に否定的に影響する可能性がある。

ある実施形態において、特定の用途用のスパーク波形を最適化する例示的なプロセスが表示される。ある実施形態において、電極の摩耗率を損なうことなく、より薄い空気燃料比動作で燃焼安定性を増加させるスパーク波形を開発することが望ましい。ある実施形態において、図９の波形が用いられてもよく、その波形は、標準ＣＰＵ９５（低エネルギー）スパーク放電であってもよい。ある実施形態において、十分な移動時間（長い期間）を備えたより高いエネルギーが、所望の特性を満たす。プログラム可能な高エネルギーＤＥＩＳが、必要なスパーク波形を生成するために用いられてもよい。

ある実施形態において、その用途に用いられるスパークプラグの電極ギャップのフローフィールドは、波形の形状を決定するために研究されてもよい。ある実施形態において、３プロング型ギャップ５００が用いられてもよい。ＣＦＤシミュレーションが、特定の用途に特有のエンジンの幾何学的形状及びセッティングを用いて実行されてもよい。３つの異なるギャップ用のフローフィールドが、図１０に示されている。それらは、上記で論じられたシミュレーション結果において観察されたものに似ている可能性がある。フローは、大きさと方向の両方において各接地電極に対して変化する。

ある実施形態において、各電極ギャップ用のλ分布の検査は、図１１に示されているような３つの全てのギャップにおける比較的類似の分布を示してもよい。ある実施形態において、火炎核成長変動は、ほぼ、電極ギャップのフローフィールドの関数であってもよい。

ある実施形態において、波形は、それが、約１〜５ｍ／ｓの大きさを有するフローフィールドを備えて移動する十分に大きなスパークを生成するように、調整されてもよい。ある実施形態において、スパーク波形は、電極表面の距離を移動するほど十分に長くてもよい。火炎核がコアノーズの方へ移動し得るある実施形態において、混合気分布は、消炎を防ぐほど十分に豊富であってもよい。火炎核は、他のスパーク位置よりもゆっくり成長してもよいが、しかしこれは、この用途に特有の選択されたプラグ及びフローフィールドに固有であってもよい。

ある実施形態において、図１２に示されている波形が用いられてもよい。それは、上記で概説した要件に基づいた特定の用途にとって最適な波形であり得る。電流振幅は、フローと共に移動する大直径のプラズマ柱を生成するほど十分に高くてもよい（１００〜３００ｍＡ）。持続時間は、スパークを包み込む火炎核が電極ギャップから出られるようにするほど十分に長くてもよい（１２５０μｓ）。ある実施形態において、エネルギー送出プロファイルは、電極腐食摩耗（プラグ寿命）を損ねることなく、火炎核成長を保持するようなものであってもよい。

ある実施形態において、スパーク放電は、一貫した火炎核成長を生成するように変化させることができる。ある実施形態において、スパーク波形最適化プロセスは、下記のステップに従ってもよい。
ａ．用途の要件及び制約を定義するステップ。
ｂ．電極ギャップのフローフィールド及びλ分布を調査するステップ。
ｃ．フローフィールド及び混合気分布の要件を満たすようにスパークを調整するために、プログラム可能な高エネルギーＤＣ点火システムを用いるステップ。
ｄ．点火性／プラグ寿命トレードオフを最適化するスパーク波形を設計するステップ。

ある実施形態において、スパーク電流は、図１３に示されているような経時的に変化させてもよい。スパーク開始１３１０後に、スパーク電流は、約５００〜６００μｓにわたって、約１００ｍＡのスパーク電流まで直線的に増加させることができ、約１００ｍＡのポイントで、スパーク電流における増加率を増加させることができる。１３２０で示されているように、火炎核は、最初にギャップ内を移動し、次に、火炎核がギャップの端に達した場合に、スパークは、１３３０で示されているようにギャップの外部に延びる。灰色のバー１３４０によって示されているように、ひとたび火炎核成長が始まると、スパーク電流の増加率は、低減されてもよい。当業者は、様々な時変スパーク電流プロファイルが、本発明の範囲から逸脱せずに可能であることを理解されよう。

図１４ａ〜図１４ｂに示されているように、従来の点火システムは、かなり減少するスパーク電流を有する。例えば、図１４ａに示されているように、従来の点火システムは、スパーク開始時に１００ｍＡで頂点に達し、その後、２００μｓ内にゼロに直線的に減少するスパーク電流プロファイルを有する可能性がある。スパーク１４１０は、主電極１４２０と接地電極１４３０との間で生成されてもよいが、しかしスパークは、低電流及び短い放電期間故に、電極ギャップに沿って移動しない可能性がある。図１４ｂは、スパーク電流がゼロに戻ってスパークが停止する前に、１５０ｍＡのわずかにより高いピーク電流及び約３００μｓのスパーク期間を備えた別の従来のスパーク電流プロファイルを表示する。スパーク１４１０は、主電極１４２０と接地電極１４３０との間でＴ_１に生成されてもよいが、しかしスパーク１４１０は、不十分な電流及び放電期間故に、Ｔ_１（黄色）からＴ_２（オレンジ色）までの制限された移動を有する可能性がある。

ある実施形態において、時変スパーク電流点火システムを、スパークプラグ性能を向上させるために用いることができる。時変スパーク電流点火システムは、従来のスパークプラグと共に、又は２０１２年９月１日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称の同時係属中の米国特許出願第１３／６０２，１４８号、２０１３年６月２５日に出願された「予燃焼室点火システム（Prechamber Ignition System）」の発明の名称の米国特許出願第１３／９９７，６８０号、及び２０１３年３月１２日に出願された「活性排気予燃焼室（Active Scavenge Prechamber）」の発明の名称の米国特許出願第６１／７７８，２６６号（これらの出願の全ては、その全体において参照により本明細書に組み込まれる）に説明されているような予燃焼室スパークプラグと共に、用いられてもよい。図１５に示されているように、時変スパーク電流は、示されているような長期間にわたるスパーク電流における連続的な増加故に移動する効率的なスパークを生成し得るかなり増加するスパーク電流を有してもよい。ある実施形態において、スパーク１５１０は、主電極１５２０と接地電極１５３０との間で生成され、かつ、図示のようにＴ_１（黄色）からＴ_２（オレンジ色）へ、Ｔ３（赤色）へと移動してもよい。

図１６に示されているようなある実施形態において、時変スパーク電流プロファイルの使用は、実質的により小さな火炎核１７１０の成長に帰着する、図１７に示されているような従来のスパーク放電と比較して、はるかに強い火炎核１６１０の成長を生成し得る。

図１８に示されているようなある実施形態において、時変スパーク電流プロファイルの使用は、図１８の領域１８１０に示されているような安定して効率的な燃焼に帰着し得るのに対して、従来のスパーク電流プロファイルの使用は、図１８の領域１８２０に示されているような不安定で非効率的な燃焼に帰着する可能性がある。

図１９に示されているようなある実施形態において、緑の点線１９１０によって表されている時変スパーク電流プロファイルの使用は、スパーク（又はアーク）移動故に、より低い電極ギャップ成長率を示し得る。対照的に、赤の点線１９２０によって表されている従来のスパーク電流プロファイルは、静止アーク（又はスパーク）故に、高い電極ギャップ成長率を有し得る。その結果、時変スパーク電流プロファイルの使用は、図１９に示されているように、著しく向上されたスパークプラグ耐久性に帰着し得る。当業者は、スパーク又はアーク移動の文脈において、用語スパーク又はアークが、交換可能であることを理解されよう。

当業者は、前述のシステム及び方法が、限定するわけではないが、図２０ａ〜図２０ｃで示されている大きな表面積対体積率構成を含む様々なスパークギャップ構成と共に使用可能であることを理解されよう。

上記の説明が多くの詳細を含み、かつ、ある例示的な実施形態が、説明されて添付の図面に図示されたが、かかる実施形態が、広範な本発明の単に実例であり、本発明の限定ではないこと、及び本発明が、図示され説明された特定の構造及び配置に限定されないことが、理解されるべきである。何故なら、上記で言及したように、様々な他の修正形態が、当業者に思い浮かぶからである。本発明は、本明細書で開示された異なる種類及び／又は実施形態からの要素の任意の組み合わせ又は副組み合わせを含む。

本発明が、その特定の実施形態に関連して説明されたが、様々な変更が行われ得、均等物が、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに代用され得ることが、当業者によって理解されるべきである。さらに、特定の状況、材料、物質の組成、方法、動作を本発明の目的、趣旨及び範囲に適合させるために、多くの修正が行われてもよい。全てのかかる修正形態は、本明細書に添付される特許請求の範囲内になるように意図されている。特に、本明細書で開示される方法は、特定の順序で実行される特定の動作に関連して説明されているが、これらの動作が、本発明の教示から逸脱せずに等価な方法を形成するために、組み合わされ、細分され、又は整理し直されてもよいことが理解されよう。従って、本明細書において特に指示されない限り、動作の順序及びグループ分けは、本発明の限定ではない。

Claims (31)

1. スパーク電流を変化させる方法であって、
   １以上の電極ギャップを形成するために、主電極と、前記主電極からオフセットされた１以上の接地電極と、を含むスパークプラグを提供するステップと、
   内燃機関の燃焼室内に前記主電極及び１以上の接地電極を配置するように前記スパークプラグを配置するステップと、
   前記１以上の電極ギャップを通して燃料空気混合気のフローを導入するステップと、
   前記燃料空気混合気を点火するために、前記１以上の電極ギャップの少なくとも１つにわたってスパーク電流を導入するステップと、
   スパークチャネルを成長させるために前記スパーク電流を増加させるステップと、を含む方法。
2. 前記スパーク電流を増加させるステップが、前記スパーク電流を漸進的に増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記スパーク電流を増加させるステップが、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記スパーク電流を増加させるステップが、燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記フロー特性がフロー運動量における変動を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記スパーク電流を増加させるステップが、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記スパーク電流を増加させるステップが、前記１以上の電極ギャップの少なくとも１つの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記スパーク電流を増加させるステップが、前記スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記主電極及び前記１以上の接地電極が、約３．０ｍｍ^−１より大きな電極表面積対電極ギャップ体積率を定義する、請求項１に記載の方法。
10. 前記１以上の電極ギャップが、燃料空気混合気のほぼ均一なフローを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記ほぼ均一なフローが、約３ｍ／ｓの最低速度を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 電極表面温度を判定するステップと、
    前記電極表面温度に応じて前記スパーク電流量を調整するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記燃焼室における圧力増加を判定するステップと、
    前記圧力増加が所定の閾値を超える場合に、前記スパーク電流の印加を打ち切るステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記電極ギャップにおける火炎核成長を判定するステップと、
    前記火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、前記スパーク電流の印加を打ち切るステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記スパーク電流を増加させるステップが、約１５０ｍＡ未満の開始から約１５０ｍＡを超えるまで前記スパーク電流を増加させ、前記１以上の電極ギャップにおいて約３ｍ／ｓ未満のフロー速度を生成するステップを含み、前記１以上の電極ギャップが、約３ｍｍ^−１より大きな表面積対体積率を含む、請求項１に記載の方法。
16. 予燃焼室容積を囲む外面及び内面と、
    燃料空気混合気を前記予燃焼室容積に導入するために、前記外面と前記内面との間に通じる１以上の孔部と、
    前記予燃焼室容積内に配置された主電極と、
    １以上の電極ギャップにわたって時変スパーク電流を導入するように構成された前記１以上の電極ギャップを形成するために、前記予燃焼室容積内に配置され、かつ、前記主電極からオフセットされた１以上の接地電極と、を備える予燃焼室スパークプラグ。
17. 前記時変スパーク電流が、漸進的に増加するスパーク電流を含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
18. 前記時変スパーク電流が、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
19. 前記時変スパーク電流が、空気又は燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
20. 前記フロー特性が、フロー運動量における変動を含む、請求項１９に記載の予燃焼室スパークプラグ。
21. 前記時変スパーク電流が、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
22. 前記時変スパーク電流が、前記電極スパークギャップの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
23. 前記時変スパーク電流が、前記スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で増加する、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
24. 前記主電極及び前記１以上の接地電極が、約３．０ｍｍ^−１を超える電極ギャップ表面積対体積率を定義する、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
25. 前記１以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気のほぼ均一なフローをさらに含む、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
26. 前記ほぼ均一なフローが、約３ｍ／ｓの最低速度を有する、請求項２５に記載の予燃焼室スパークプラグ。
27. 前記時変スパーク電流が、前記１以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気のフローの速度の大きさに少なくとも部分的に基づいた時間、及び電極ギャップ表面積対体積率と共に変化する、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
28. 前記時変スパーク電流が、約１５０ｍＡ未満で始まり、かつ、約１５０ｍＡを超えて終了し、前記１以上の電極ギャップにおけるフロー速度が約３ｍ／ｓ未満であり、電極ギャップ表面積対体積率が約３ｍｍ^−１より大きい、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
29. 前記時変スパーク電流の大きさが前記電極表面温度に応じて調整される、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
30. 前記スパーク電流が、前記圧力増加が所定の閾値を超える場合に打ち切られるように構成される、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。
31. 前記スパーク電流が、前記火炎核成長が所定の閾値を超える場合に打ち切られるように構成される、請求項１６に記載の予燃焼室スパークプラグ。

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