JP6196695B2 - 燃料供給機能を有するプレチャンバスパークプラグにおけるスパーク点火火炎核流れの制御 - Google Patents

Description

本特許出願は、２０１１年３月８日に出願された同時係属中の米国特許出願第１３／０４２，５９９号の一部継続出願であり、２０１０年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／４１６，５８８号の恩典を請求し、その教示及び開示の全体を引用により本明細書に組み込む。

本発明は内燃エンジン用のスパークプラグに関し、特には、予燃焼チャンバ即ちプレチャンバを有する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、「化学的に正しい量」又は化学量論量（化学理論量）を超える余剰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、不完全燃焼等の燃焼不良及び燃費の低下を招くことが多く、燃焼の改善を図ろうとするとデトネーション（ノッキングの原因となる異常燃焼）を発生することが多く、又はスパークプラグの寿命を短縮する高エネルギスパーク（高エネルギ火花）の利用をもたらすことが多い。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かつ確実（安定的）に行う能力の低いことが挙げられる。予燃焼チャンバ即ちプレ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。

プレチャンバスパークプラグは、典型的には天然ガスリーンバーンエンジン（天然ガス希薄燃焼エンジン）又は自動車用リーンガソリンエンジン（自動車用希薄ガソリンエンジン）等のリーンバーンエンジン（希薄燃焼エンジン）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、エンジンシリンダの全排気量（全行程容積）の内、比較的小さな一部に相当する容積を有するキャビティ内に収められている。いくつかの実施の形態では、このキャビティの一部分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、燃料混合気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）により、プレチャンバのキャビティ（空隙）内側の燃料混合気及びプレチャンバを出る反応噴流（ジェット）の運動を決めることができる。

プレチャンバのキャビティ内における燃料混合気の燃焼率（バーンレート）が増大すると、エンジンの燃焼室内への貫通性がより高い火炎噴流（火炎ジェット）が発生する。燃料混合気が希薄であっても、この火炎噴流により、エンジンの燃焼室内におけるより急速で再現性の高い火炎伝播を実現するエンジンの能力が向上する。従来のプレチャンバスパークプラグの多くは、性能特性に再現性が無く、予測不可能なため、所望の変動係数（ＣＯＶ）の値を超える超過、及びラフネス（粗さ）の尺度上にある失火につながる。更に、従来のプレチャンバスパークプラグの多くは、製造上のばらつきによる影響を受けやすく、更なる変動係数（ＣＯＶ）の増大をもたらす燃焼ガスの掃気（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）が僅かであるという弱点に悩まされる。

内燃エンジンにおける新気の充填は、通常は、多くの点（例えば、当量比、乱流、温度、残留物質）でサイクル毎に非均質で再現性が無いものであるが、スパークプラグの設計で挑む課題の一つは、燃焼工程において再現性があって、制御可能な点火遅れ時間を実現するプラグを新たに創り出すことである。製造又は部品又はそれらの組み立てのばらつきの影響を比較的受け難いスパークプラグの実現も望ましい。

スパークプラグの設計で挑む他の課題は、スパークプラグの早期（ｐｒｅｍａｔｕｒｅ）の損耗である。通常、スパークプラグの早期の損耗の発生は、化学量論量（化学理論量）の混合気の高い燃焼温度に起因する。高いＢＭＥＰ（正味平均有効圧力）のエンジン用途におけるスパークプラグは、交換が必要になるまでの時間が８００乃至１０００時間しかないことは珍しくはない。これにより、予定外のエンジン停止（ダウンタイム）に至り、エンジンの運転者にとっては運転コストの増加につながる可能性がある。

本発明の複数の実施の形態では、高速の火炎噴流（火炎ジェット）を発生させると共に、ＣＯＶ（変動係数）が非常に低く長い作動寿命を有するスパークプラグを提供する。その利点は、ＮＯｘと燃料消費（又は燃費）との間の二律背反的な関係の改善につながる主燃焼室（メインチャンバ）におけるより高速の燃焼を実現するという点である。本発明の上記利点及び他の利点、並びに本発明の更なる特徴は、本明細書に記載の本発明の説明から明らかとなるであろう。

一の態様において、本発明の実施の形態は、シェルと、このシェルに取り付けられる端部キャップと、中心電極と、接地電極とを含むプレチャンバスパークプラグを提供する。更に、プレチャンバスパークプラグはシェル内に配設される絶縁体を含む。特定の実施の形態では、中心電極は、絶縁体に囲まれる第１の部分と、絶縁体からプレチャンバ内に延在する第２の部分とを有する。プレチャンバの容積はシェルと端部キャップとにより画成（ｄｅｆｉｎｅ）される。更なる実施の形態では、接地電極はシェルに取り付けられて設けられる。特定の実施の形態では、接地電極は、中心電極を囲むように間を隔てて配置されるインナーリング（内側のリング）と、シェルに取り付けられるアウターリング（外側のリング）と、インナーリング及びアウターリングを接続する複数のスポークとを含む。特定の実施の形態では、接地電極は筒形状に設けられ、この筒形状により、中央孔に流入して中心電極と接地電極との間のギャップを通過する流れ（第１の流れ）が、側部孔を介して流入する流れ（第２の流れ）に妨害されることが防止される。また、この筒形状により、外縁（周縁）部において接地電極の後側（外側）を通る側部孔の流れは、ギャップから流出するスパーク核（火花核）に合流するように方向付けられる。更に、中心電極は、中央孔からギャップを通過する流れの流線を改善する空気力学的形状に設けられる。

他の態様において、本発明の実施の形態は内燃エンジン内における燃焼を可能とする方法を提供する。この方法は、プレチャンバスパークプラグのプレチャンバ内で燃料混合気に点火するステップを含む。特定の実施の形態では、プレチャンバ内で燃料混合気に点火するステップは、第１のポートを提供して中心電極と接地電極との間のギャップ内への第１の量の燃料混合気の流れを許容するステップを含み、その主な逆流の方向はプレチャンバの前チャンバからの方向であり、更に、ギャップ内の燃料混合気に点火するステップを含み、その点火により火炎核を発生するように構成される。更に、本方法は、この火炎核をプレチャンバの後チャンバへ移動させるステップ、及び第２のポートを提供して前チャンバ内への第２の量の燃料混合気の流れ（横方向の流れ）を許容するステップを含み、この第２の量の燃料混合気は後チャンバへ流れて火炎核により点火されるように構成される。また、第２の流れは、方位角（角度方向）における均一性が向上するように、及びプレチャンバ内で燃焼を更に加速する乱流を発生するように、後チャンバ内に展開する火炎を方位角方向に拡げるように作用するスワール（渦巻き／旋回）を有してもよい。第１及び第２の量の燃料混合気を点火することにより、プレチャンバ内の圧力が上昇し、第１及び第２のポートから火炎噴流（火炎ジェット）を流出させる。ポート孔の大きさと角度とは、火炎噴流の速度と主燃焼室への貫通性を最大化するように最適化することにより、主燃焼室内における燃焼を強化することができる。孔の大きさにより流入する流れ及び流出する流れの両方を制御し、このため、エンジンに望ましい特定の点火遅れ時間、噴流速度、及び火炎噴流の貫通性、ひいては主燃焼室における燃焼率を実現するように最適化される。

更に他の態様において、本発明の複数の実施の形態は、シェルと、シェルに取り付けられる端部キャップとを含むプレチャンバスパークプラグを提供する。更に、プレチャンバスパークプラグはシェル内に配設された絶縁体を含む。特定の実施の形態では、中心電極は、絶縁体に囲まれる第１の部分と、絶縁体からプレチャンバ内に延在する第２の部分とを有する。プレチャンバはシェルと端部キャップとにより画成される。更なる実施の形態では、接地電極はシェルに取り付けられて設けられる。特定の実施の形態では、接地電極は、中心電極を囲むように間を隔てて配置されるインナーリングと、このインナーリングから径方向の外側へ突出してインナーリングを定位置に保持する複数のスポークとを含む。一の実施の形態では、各スポークの端部がシェルに取り付けられる。

更に、他の態様において、本発明の実施の形態は、プレチャンバスパークプラグを製造する方法を提供する。方法は、シェルに接地電極を取り付けるステップを含む。特定の実施の形態では、接地電極は筒状電極を備える。少なくとも一つの実施の形態では、この筒状電極は、中心電極を囲むように配置されるインナーリングを有する。

また、上記方法は、中心電極及び接地電極への貴金属（又は希少金属）の固着（取り付け）を含み、この貴金属がスパーク面を提供する。また、上記方法は製造工程を含み、それにより製造及び組み立ての間にギャップが精確に画成（ｄｅｆｉｎｅ）され、それにより製造後に再度ギャップを形成する必要性が減少するように、製造及び組み立て時にギャップ形成工具を用いて中心電極と接地電極との間にギャップを形成する。一の実施の形態では、このギャップ形成工具を中心電極と接地電極との間に挿入してから、接地電極をシェルへ最終的に取り付ける。これが、かかる工程の最終加熱ステップであるように構成すれば、上記ギャップは最良の状態に維持される。他の実施の形態では、スパークギャップは接地電極の取り付けの後に電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）、水噴流（水ジェット）、又は他の厳密で高精度な寸法公差（寸法許容差）を有するギャップを形成することができる適切な材料除去方法によって形成される。理想的な新たなプラグのギャップは０．１５ｍｍ乃至０．３０ｍｍの範囲に設けられる。

中心電極と軸線（中心軸線）が一致する筒状の接地電極の特定の構成（機構）では、流れがギャップを通過して接地電極の後側へ向かう条件を創り出すことができるが、このような構成は、スパークプラグのシェルを必要としないヘッド設計であって、シリンダヘッドのプレチャンバがスパークプラグのシェルの壁の代わりとなるようなヘッド設計を実現できる。更に、プレチャンバスパークプラグ又はシリンダヘッド装置内のプレチャンバのいずれかに燃料を加えることにより、希薄作動限界（希薄燃焼限界）を更に拡張してもよい。このような装置は「燃料供給機能を有する」装置と呼ぶことができる。

他の実施の形態において、プレチャンバスパークプラグは、シェルと、絶縁体と、中心電極と、接地電極とを備える。シェルは、複数の通気孔を含む。絶縁体は、シェル内に配設される。中心電極は絶縁体に囲まれ、シェルによって画成されたプレチャンバ内に延在するように設けられる。絶縁体は、中心電極の周りに中心電極と軸線が一致するように配設される。接地電極は絶縁体に取り付けられ、中心電極の遠位端を囲んで設けられる。接地電極は、中心電極を囲むように間を隔てて配置される筒状のリングを有し、中心電極の遠位端を越えて軸線方向に延在して、空気力学的にラムとして機能する形状を形成する径方向に偏倚した周方向の延長部を有する。

本発明の他の実施の形態は、いくつかのステップを備える内燃エンジンにおいて燃焼を可能とする方法を含む。燃料混合気はプレチャンバスパークプラグのプレチャンバ内において点火される。燃料混合気に点火するステップは、複数の通気孔を提供して燃料混合気の第１の流れをプレチャンバのスパークギャップ内へ流入させるステップと、燃料混合気に点火するステップとを備え、点火イベント（点火事象）が火炎核を生成するように構成される。次に、火炎核がプレチャンバの第１のステージに運ばれる。プレチャンバの第１のステージは、中心電極と、中心電極と軸線が一致する絶縁体に取り付けられた接地電極（絶縁体と一体に形成された接地電極）との間に配設されるキャビティによって画成され、キャビティは、再循環領域を形成することによって「保炎部」として機能する。火炎核を第１のステージに移動させた後、絶縁体に取り付けられた接地電極（絶縁体と一体に形成された接地電極）の外部に配設されたキャビティによって画成されるプレチャンバの第２のステージの全体に分散するように、燃料混合気の第２の流れが複数の通気孔からプレチャンバに供給される。最後に、火炎核が第１のステージから燃料混合気の第２の流れに点火する第２のステージに移動して、プレチャンバの全体に火炎を拡大させてプレチャンバ内の燃料の大部分を燃焼させ、大幅な（ｌａｒｇｅ）圧力上昇を生じさせ、その結果、火炎噴流が複数の通気孔から噴出するように構成される。

本発明の他の実施の形態では、プレチャンバスパークプラグは、シェルと、絶縁体と、中心電極と、接地電極とを備える。絶縁体は、シェル内に配設される。中心電極は、絶縁体に囲まれた第１の部分を有すると共に、絶縁体からシェルによって画成されたプレチャンバ内へと延在する第２の部分を有する。接地電極は絶縁体に取り付けられ、中心電極を囲むように間を隔てて配置されてスパークギャップを形成するインナーリングを備える。

他の実施の形態では、電気火花（電気スパーク）に代えて複数のギャップ表面の間の一の位置に焦点を合わせたレーザー光ビームを使用し、電子に代えて光子によってＡＦＲ（所定の空燃比ＡＦＲを有する混合気）を点火温度まで加熱して、火炎核を形成する。この実施の形態では、ギャップ領域内に光ビームを誘導して焦点を合わせる手段を含む。レーザービーム点火の利点は、シリンダの圧力条件の影響を受け難い（シリンダの圧力条件に対して感受性がきわめて低い）ことである。このことが、圧力が増大するほど、絶縁破壊及びスパーク（火花形成）を達成するために高い電圧が求められる電気スパーク（電気火花）と異なる点である。レーザー点火方法は、従来の電気点火システムの絶縁破壊電圧限界を超える圧力での点火を可能とする。

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。

本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本発明の複数の態様を例示し、記述と共に、本発明の原理の説明に資する。

図１は、本発明の一の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグの一部の断面図である。

図２は、本発明の一の実施の形態に従って構成された筒状電極の斜視図である。

図３は、本発明の一の実施の形態による第１及び第２の電極の表面リングの例示的な実施の形態を示す図である。

図４は、本発明の代替の実施の形態に従って構成された筒状電極の平面図である。

図５は、本発明の一の実施の形態による、基材上に第１の電極の表面リングを有する筒状電極の断面図である。

図６は、本発明の他の実施の形態に従って構成された筒状電極の斜視図である。

図７は、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグ用の端部キャップを端面より見る図である。

図８は、図７に示す端部キャップの断面図である。

図９は、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグの一部の断面図である。

図１０は、本発明の特定の実施の形態による大口径のピストンシリンダアセンブリ及びプレチャンバスパークプラグの断面図である。

図１１は、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグの断面図である。

図１２は、プレチャンバ内への燃料の流れを示す本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグの断面図である。

図１３は、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバ内に設けられた第２の燃料注入器の断面図である。

図１４は、本発明の特定の実施の形態による点火器／スパークプラグを有する組み合わされた気体吸気弁の断面図である。

図１５は、本発明の特定の実施の形態による点火器を有する組み合わされた気体吸気弁における点火器／スパークプラグの断面図である。

図１６は、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバのクレビス（間隙）の拡大断面図である。

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。

燃焼工程における点火遅れ時間を再現可能とし、制御可能とすれば、燃焼工程の更なる効率化及びスパークプラグの寿命の長期化につながる。この再現性及び制御の問題に対処するために、火炎核の拡大、点火遅れ時間、火炎噴流（火炎ジェット）、主燃焼室における燃焼率（バーンレート）を制御する筒状電極を組み込み、その結果エンジン性能を向上させるプレチャンバスパークプラグを開発した。遅れ時間とは、スパークから、燃焼がプレチャンバ、同様に主燃焼室内の圧力を増大させるに十分な体積変化を与えるまでの時間である。

図１は、本発明の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグ１００の一部の断面図である。プレチャンバスパークプラグ１００は、長手方向軸線１０１と、この長手方向軸線１０１に沿って延在し、更に絶縁体１０４から、後チャンバ１０６及び前チャンバ１０８に分割された予燃焼チャンバ内に延在する中心電極１０２とを有する。接地電極として機能する筒状電極１１０は、シェル１１２の内側に配設されている。本発明の複数の実施の形態において、シェル１１２は、高温曝露に耐える高強度の金属で設けられている。筒状電極１１０のディスク部１１４は、後チャンバ１０６と前チャンバ１０８とを分離するように設けられている。端部キャップ１１６は、スパークプラグ１００のプレチャンバの容積を端部において画成すると共に、前チャンバ１０８の境界を画成する。図１に示すように、本発明の特定の実施の形態では、シェル１１２の内側の表面１１８は、プレチャンバスパークプラグ１００の組み立てにおいて、筒状電極１１０を段状部分１２０上に着座させることができるように、段状部分１２０を有してもよい。

図２は、本発明の一の実施の形態に従って構成された、筒状電極１１０の斜視図である。筒状電極１１０は、この筒状接地電極１１０内に組み込まれるインナーリング（内側のリング）１３０とアウターリング（外側のリング）１３２とを有する。図２に示す実施の形態において、インナーリング１３０とアウターリング１３２とは３つのスポーク１３４により接続される。筒状電極１１０の中央部分におけるインナーリング１３０から延在しているのは、筒状のインナーリング又は速度制御筒１３６である。図１に示すように、本発明の特定の実施の形態において、この速度制御筒１３６は、ディスク部１１４から前チャンバ１０８内まで一方向に延在するように設けられる。中央開口１３８は、インナーリング１３０と速度制御筒１３６とを貫通して延在するように設けられる。

図２を更に参照して説明すると、本発明の一の実施の形態において、筒状電極１１０は、銅合金、ニッケル合金又は他の比較的高い導電性を有する金属で設けられている。特定の実施の形態では、インナーリング１３０の内面１４０には貴金属が固着又は堆積される。貴金属は、典型的には、スパークプラグの寿命の延長及び性能の向上を図るようにスパークプラグの電極上に用いられる。この場合に選択される貴金属は、高い融点、高い導電性、そして高い耐酸化性を有する。本発明の複数の実施の形態において、例えば、プラチナ（白金）又はその合金、ロジウム又はその合金、タングステン又はその合金、イリジウム又はその合金で設けられた第１の電極の表面リング１４２により、インナーリング１３０の内面１４０はライニング（表面処理）される。他の複数の代替の実施の形態では、インナーリング１３０の内面１４０はイリジウム‐ロジウム合金又はニッケル合金によりライニングされて設けられる。再び図１を参照すると、本発明の複数の特定の実施の形態では、第２の電極の表面リング１４４は第１の電極の表面リング１４２と同様又は類似の材料で設けられ、中心電極１０２の外面１４６に固着又は堆積される。

再び図２を参照すると、スポーク１３４は、製造を容易にするために縁部（エッジ）を直角として設けてもよく、又はスポーク１３４の間の空間を流れる気体の抵抗が減少するように曲面状の表面として設けてもよい。本発明の複数の他の代替の実施の形態では、インナーリング１３０とアウターリング１３２とを接続するスポークの数を増減して設けてもよい。本発明の他の代替の実施の形態では、筒状電極１１０は貴金属製の電極の表面リングを有して設けられない。例示の実施の形態では、筒状電極１１０の全体は、ニッケル合金等の単一材料で設けられる。

筒状電極１１０は実質的な単体として鋳造又は機械加工して設けられてもよいが、第１の電極の表面リングは、ある種の貴金属又は類似の適切な金属製の別体のリングで設けられてもよい。筒状電極１１０を、粉末金属を焼結、あるいは射出成形して製造することも考えられる。粉末金属を焼結するのではなく溶融する他の製造技術も考えられる。少なくとも一つの実施の形態では、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４を、例えば、任意の長さに切断してリングを形成できる円筒状又は矩形の棒材から製造する。他の代替の実施の形態では、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４を平板材から製造し、パンチプレスを用いて単体の平板材から多数の電極の表面リング１４２、１４４を打ち抜いて設ける。図３は、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４の例示の実施の形態を示す。ここで、２つの電極の表面リングは単一工程（１ショット）で打ち抜かれ、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４は３つのタブ１４８を介して取り付けられて設けられる。特定の実施の形態では、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４は、電極の表面リング１４２、１４４の間の正しい間隔が維持される位置で、タブ１４８により筒状電極１１０に組み付けられる。第１の電極の表面リング１４２が筒状電極１１０に取り付けられ、第２の電極の表面リング１４４が中心電極１０２に取り付けられた後、タブ１４８は取り除かれる。第１の電極の表面リング１４２は、製造、組み立て、取り付け、及び／又は熱膨張に適合するように１つ以上の半円状の部分に切り分けてもよい。

図４に筒状電極の他の実施の形態を示す。この実施の形態では、インナーリング１３０、アウターリング１３２、スポーク１３４、及び速度制御筒１３６は、筒状電極１１０と実質的に同一に設けられる。しかし、筒状電極１１１では、第２の電極の表面リング１４４が３つのタブ１５６により第１の電極の表面リング１４２に取り付けられて設けられる。このように、第１及び第２の電極の表面リング１４２、１４４の間の正しい間隔は、組み立てが完了するまで維持される。組み立て後、タブ１５６を、機械的に、又は電子ビームにより、又はウォータジェット（水噴流）により、又は類似の方法で取り除くことができる。しかし、特定の実施の形態では、タブ１５６を、例えば、筒状電極１１１や第２の電極の表面リング１４４で用いる材料よりも実質的に融点が低い材料で製造してもよい。このように設けると、筒状電極１１１のプレチャンバスパークプラグ１００への組み付けの後で、タブ１５６を燃焼又は溶融により取り除くことができる。

第１の電極の表面リング１４２を筒状電極１１０に取り付ける方法はいくつかある。本発明の特定の実施の形態では、筒状電極１１０を第１の電極表面リング１４２の周りに鋳造する。他の代替の実施の形態では、内面に貴金属層又は同様に適切な金属の層を固着した別体の金属リングを、筒状電極１１０のインナーリング１３０に組み付ける。

例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）又は化学的気相成長（ＣＶＤ）を利用して、電極の表面リングの材料を、粉末金属基材上へ堆積させることができる。例えば、粉末金属基材は中空円筒に設けられてもよく、電極の表面リングの材料をこの中空円筒の内面に堆積させてもよい。この円筒を輪切りにして、多数の第１の電極の表面リング１４２を得ることができる。小さい中空円筒の外側に同じ材料を堆積する場合、これを輪切りにして多数の第２の電極の表面リング１４４を得ることができる。このような方法で製造することにより、第１の電極の表面リング１４２は、筒状電極１１０の中央開口に挿入でき、定位置に溶接又はろう付けすることができる。図５は、例えば、ニッケル合金又は高導電性合金製の基材１４３に第１の電極の表面リング１４２を固着又は堆積させた筒状電極１１０の断面図である。特定の実施の形態では、溶接は１ヶ所又は数ヶ所でのタック溶接により行われ、材料毎に異なる熱膨張率に起因する相対的な移動を許容する。筒状電極１１０に貴金属を付加する上記方法を用いることにより、従来のプレチャンバスパークプラグで用いられた典型的な量よりも少ない貴金属でプレチャンバスパークプラグ１００を製造することができ、このため、多くの従来のプレチャンバスパークプラグよりも安価にプレチャンバスパークプラグ１００を製造できる。

更なる実施の形態では、筒状電極１１０を別々の構成部品から組み立ててもよい。図５に示す実施の形態では、別体に設けられたディスク部１１４と速度制御筒１３６とを有する筒状電極１１０の特定の実施の形態の断面図を示す。少なくとも一つの実施の形態では、速度制御筒１３６は、一端にノッチ部１５２を有し、このノッチ部はディスク部１１４の環状受容部１５４に圧入（プレス嵌め）される。更なる実施の形態では、環状受容部１５４は、これを定位置に保持する速度制御筒１３６のノッチ部１５２内に向けて内方にプレスされてもよい。更なる実施の形態では、ノッチ部１５２は環状突出部を含み、この環状突出部の外周周りに筒状電極１１０の環状受容部１５４の窪みが嵌合して、ディスク部１１４と速度制御筒１３６との間の取り付けをより良好にする。他の代替の実施の形態では、ノッチ部１５２は、環状受容部１５４の内側の表面に対応する形でねじ切り（加工）され、速度制御筒１３６をディスク部１１４に螺合できるように設けられている。

再び図１を参照すると、エンジンの作動中、燃料混合気は、エンジン（不図示）のメインシリンダから、端部キャップ１１６（図７及び図８参照）の中央孔１６２と、複数の外縁孔１６４（図７及び図８参照）とを通って、プレチャンバスパークプラグ１００の前チャンバ１０８に吸入される。中央孔１６２を通って吸入される燃料混合気は、速度制御筒１３６を通り、中心電極１０２と筒状電極１１０との間の、電気スパーク（電気火花）による点火が行われるスパークギャップへと流れる。燃料混合気の速度により、最初の火炎核が後チャンバ１０６内に移動される。

この第１の中央孔１６２を通過する流れの主要な機能は、この流れが残留物質レベルの低い新気／燃料で構成されていることにより果される。この第１の流れは、スパークギャップ領域に「均一に」入り込んで前回の燃焼イベント（燃焼事象）の残留物質をスパークギャップ領域から後方に押し出し、スパークギャップから残留物質を効果的にパージ（追放）してプレチャンバ内の残留物質を「制御」する。従来のプレチャンバスパークプラグにおいては、残留ガスは十分に又は全く「制御」されることはなく、スパーク（火花）発生時には、新気と残留物質との未知で制御されていない混合物が存在することとなる。これが従来のプレチャンバスパークプラグ内での点火毎の燃焼のばらつきの主因となっている。従って、本設計は、一意的（ユニーク）かつ最も効果的に残留物質を後方に（端部キャップから遠ざかる方向に）パージ（追放）し、「残留ガス制御」を通じて極めて低いＣＯＶ（変動係数）を実現するものであるといえる。

外縁孔１６４を通って吸入される燃料混合気は外縁孔１６４が持つ角度によりスワール（渦巻き／旋回）運動を行う。スワール運動を行う燃料混合気は、速度制御筒１３６の外側を通過し、後チャンバ１０６に向かって流れる。後チャンバ１０６において、燃料混合気は、中央孔からの流れに乗る火炎核により点火される。燃料混合気のスワール運動に起因して発生する乱流により、後チャンバ１０６内の燃料を主に消費すると共に後チャンバ１０６周りに拡がる火炎核が分配（分散）される。これにより、後チャンバ１０６から前チャンバ１０８へと燃料混合気の燃焼が進行する際に、より迅速に燃焼し、プレチャンバ内の圧力が急速に増大する。その結果、燃料混合気はより完全に燃焼するので、プレチャンバ内の圧力は増大する。これにより、高速の火炎噴流（火炎ジェット）が、中央孔１６２及び複数の外縁孔１６４を通過して、主燃焼室（不図示）内へ流入する。

このように、火炎核が後チャンバ１０６に流れることにより点火を遅らせる。燃焼工程は後チャンバ１０６において開始され、発生した火炎が主燃焼室内に放射される前に前チャンバ１０８を通過することとなる。点火遅れ時間を延長することで、より完全に燃焼が行われるので、この燃焼工程はより再現性が高く、変動が少ないため、典型的な従来のプレチャンバスパークプラグよりもＣＯＶ（変動係数）が低くなる。点火遅れの更なる利点は、点火遅れが無い場合よりも、シリンダの圧力が低いときに、燃焼サイクルの早い時点でスパークを開始できることである。シリンダの圧力が低いときにスパークを開始することにより、プレチャンバスパークプラグ１００の寿命が延びる。

更に、プレチャンバスパークプラグを構成する際に、筒状電極１１０の後方の後チャンバ１０６と筒状電極１１０の前方の前チャンバ１０８との容積を最適化して火炎核の拡大を制御することにより、点火遅れ時間を制御することができる。後チャンバ１０６の容積に対する前チャンバ１０８の容積の比が、中央孔１６２から流出する火炎噴流（火炎ジェット）の大きさと貫通性とを制御する。

図６は、本発明の実施の形態に従って構成された筒状電極１８０の斜視図である。筒状電極１８０は接地電極として機能し、この筒状電極１８０は、アウターリングを持たないことを除き、筒状電極１１０と同一に設けられている。筒状電極１８０は、中央開口１３８を有するインナーリング１３０を含む。このインナーリング１３０は径方向に延在して速度制御筒１３６を形成する。図６に示す実施の形態では、３つのスポーク１３４はインナーリング１３０の外面から径方向の外側に延在する。特定の実施の形態では、筒状電極１８０は、各スポーク１３４の端部１８２をシェル１１２に直接に取り付けることによりプレチャンバスパークプラグ１００に組み付けられる。取り付けは溶接又はろう付け等で行うことができる。

図７及び図８はそれぞれ、本発明の特定の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグ１００の端部キャップ１１６を端面より見る図及びその断面図である。特定の実施の形態では、端部キャップ１１６はカップ状に設けられ、シェル１１２の端部から僅かに突出して設けられる。端部キャップ１１６は、少なくとも一つの実施の形態では、プレチャンバスパークプラグ１００の長手方向軸線１０１上に中心を置く中央孔１６２を有する。中央孔１６２は、前チャンバ１０８内に流入する燃料混合気の流量（フローレート）を制御するように構成される。端部キャップ１１６は複数の外縁孔１６４を更に含む。これらの外縁孔１６４は、端部キャップ１１６の側壁１６６に穿孔するか、成形して設けてもよい。外縁孔１６４は、予燃焼チャンバ内で燃料混合気のスワール（渦巻き／旋回）運動を発生させるように構成される。本発明の一の実施の形態において、端部キャップ１１６は溶接、ろう付け等によりシェル１１２に取り付けられる。他の好ましい実施の形態では、端部キャップ１１６は平坦（シェルに対し垂直）に設けてもよく、及び／又は「Ｖ」字形状に設けてもよい。

図７及び図８は、側壁１６６に７つの外縁孔１６４と７つの外縁孔軸線１６８とを有する端部キャップ１１６の実施の形態を示す。図７では説明を容易にするために、１つの外縁孔軸線１６８のみを示す。図７は、外縁孔１６４の例示としてのスワール角度と、プレチャンバスパークプラグ１００の長手方向軸線１０１とを更に含む端部キャップ１１６を端面より見る図である。この図では、特定の実施の形態において、端部キャップ１１６がシェル１１２に組み付けられる際に存在するであろう位置に配置されている。図８は端部キャップ１１６の断面図であり、外縁孔１６４の例示としての貫通角度を示す図である。

端部キャップ１１６の他の実施の形態では、７つではない数の外縁孔１６４を有してもよい。外縁孔１６４は、どの外縁孔軸線１６８も長手方向軸線１０１と交わらないように角度を成すように設けられる。前述のように、図７に外縁孔１６４のスワール角度を示す。図７に示すように、スワール角度は、外縁孔軸線１６８と、端部キャップ１１６の中心から投影され、シリンダの端部との間に位置すると共に、対応する外縁孔１６４により画成される外縁孔軸線１６８上の点を通過する、放射線１６９との間の角度として画成される。

図７及び図８に示す実施の形態では、スワール角は４５度に設けられているが、他の複数の代替の実施の形態では、４５度以外の角度で設けられてもよい。図８は、外縁孔１６４の貫通角度を示す図である。図８に示すように、貫通角度は、外縁孔軸線１６８と長手方向軸線１０１又は長手方向軸線１０１に平行な線１７１との間の角度により画成される。エンジンの作動中、燃料混合気がプレチャンバの前チャンバ１０８内に導入されると、外縁孔１６４の成す角度により、プレチャンバ内の燃料混合気にスワール（渦巻き／旋回）効果が発生する。外縁孔１６４の厳密な位置（即ち、側壁１６６上の位置）及び構成（例えば、直径、角度）は予燃焼チャンバ内の所望の流れ場及び燃料混合気の分配（分布）を実現するように定められる。

図９は、本発明の実施の形態に従って構成されたプレチャンバスパークプラグ２００の断面図である。プレチャンバスパークプラグ２００は長手方向軸線２０１を有する。中心電極１０２は長手方向軸線２０１に沿って延在し、更に絶縁体１０４から後チャンバ１０６及び前チャンバ１０８に分割されたプレチャンバ内までに延在するように設けられる。筒状電極２１０はシェル１１２の内側に配設され、接地電極として機能する。筒状電極２１０のディスク部２１４は前チャンバ１０８から後チャンバ１０６を分離するように設けられる。端部キャップ１１６は、プレチャンバスパークプラグ２００の端部を画成すると共に、前チャンバ１０８の境界を画成する。本発明の特定の実施の形態では、シェル１１２の内側の表面１１８は、プレチャンバスパークプラグ２００の組み立てにおいて、筒状電極２１０を段状部分１２０上に着座させることができるように、段状部分１２０を有してもよい。

作動において、プレチャンバスパークプラグ２００は、前述のプレチャンバスパークプラグ１００の作動と同様に作動する。しかし、図９から分かるように、筒状のインナーリング又は速度制御筒２３６は前チャンバ１０８内と後チャンバ１０６内との両方に向かって軸線方向に延在して設けられる。速度制御筒２３６の長さを増加すること、即ち、後チャンバ１０６内に延在する部分を追加することにより、点火遅れ時間を更に延ばすことができる。この場合、点火遅れ時間は、速度制御筒の後方への延長部分の長さ及び速度制御筒２３６の後方への延長部分における流速により制御される。速度制御筒２３６における流速は中央ポート１６２を通る質量流量の関数である。速度制御筒２３６を延ばすことによる点火遅れ時間の延長により、プレチャンバスパークプラグ１００の場合よりも更に早期のスパーク開始が可能となる。シリンダ圧力が低い時点でのより早期のスパーク開始は、スパークプラグの寿命を延長する。このような設計により、貴金属を全く用いない中心電極及び接地電極を有するプレチャンバスパークプラグの製造が可能となる。これにより、材料コストを削減することができると共に、スパークプラグの実質的な製造及び組み立てを簡易化することができる。

図１０は、本発明の他の実施の形態によるプレチャンバスパークプラグアセンブリ３００の断面図である。プレチャンバスパークプラグアセンブリ３００は、大口径のピストンシリンダチャンバ３０２のヘッド位置（上端位置）にプレチャンバ３０４を含む。プレチャンバ３０４内には、大口径のピストンシリンダチャンバ３０２のヘッド位置にプレチャンバ３０４を有する構成に適したスパークプラグ３０６が設けられている。

図１１は、図１０に示すプレチャンバスパークプラグアセンブリ３００のプレチャンバ３０４の拡大断面図である。プレチャンバ３０４は、シェル３３４に囲まれており、一連（シリーズ）の通気孔３２４を有する端部キャップ３４０によってシリンダチャンバ３０２に連通されている。通気孔３２４によって燃料混合気がプレチャンバ３０４に入り、火炎がプレチャンバ３０４を出てシリンダアセンブリ（シリンダチャンバ）３０２内へと入ることができる。図１１に示す本発明の特定の実施の形態では、３つの通気孔３２４が示されているが、それより多く又は少なく通気孔３２４を設けることも考えられる。更に、通気孔３２４は、孔ではなくスロット（隙間）として形成することもできる。

プレチャンバ３０４は、長手方向軸線３０１と、長手方向軸線３０１に沿って軸線方向に予燃焼チャンバ３０４内に延在する中心電極３１０とを有する。中心電極３１０の遠位端では接地電極３０８が中心電極を囲んで設けられている。接地電極３０８は、絶縁体３１２に取り付けられて（絶縁体３１２と一体に設けられて）おり、絶縁体３１２は中心電極３１０を接地電極３０８から絶縁する。一部の実施の形態では、中心電極３１０は電源（不図示）に接続され、接地電極３０８は接続部（不図示）を介し、絶縁体３１２の内部を経由して電気的に接地されたシェル３３４に接地されている。

更に、接地電極３０８は、中心電極３１０の遠位端の周囲に円形の領域を形成し、スパークギャップ３１４を形成している。スパークギャップ３１４は、中心電極３１０の外面と、中心電極３１０を囲むように間を隔てて配置される、接地電極３０８の筒状のインナーリングとの間に位置する。絶縁体３１２は、スパークギャップ３１４の上方からプレチャンバ３０４の上端まで、中心電極３１０を囲んで軸線方向に延在して、速度制御筒を形成する。更に、スパークギャップ３１４の上方では、２つの側部孔３１８が絶縁体、即ち速度制御筒３１２に穿設されており、点火イベント（点火事象）の後に火炎核に空気を供給するように機能する。

中心電極３１０の周囲であって、しかし絶縁体３１２の内側の領域をプレチャンバ３０４の第１のステージ３２０と呼ぶ。第１のステージ３２０は、狭い空間への燃料の進入を制限し、点火イベント（点火事象）によって発生した火炎核を保護並びに制御して接地電極３０８及び中心電極３１０に過度の損傷を引き起こさないように機能する。本発明のこの特定の実施の形態では、絶縁体３１２には２つの側部孔３１８が設けられるものとして示されているが、それより多く又は少なく側部孔３１８を設けることも考えられる。

絶縁体３１２の外側でシェル３３４に囲まれた領域をプレチャンバ３０４の第２のステージ３２２と呼ぶ。第２のステージ３２２は、火炎核が通気孔３２４を出てシリンダチャンバ３０２に入る前に膨張を開始する場所として設けられる。

更に、接地電極３０８は、中心電極３１０よりもプレチャンバ３０４内に大きく延在している。図１１に示すように、接地電極３０８は、中心電極３１０の遠位端を越えて軸線方向に延在し、空気力学的ノーズコーン、即ち空気力学的ラム（ラム圧を発生する空気導入路）３１６を形成する径方向に偏倚した周方向の延長部を含む。空気力学的ラム３１６は、メインシリンダチャンバ（ピストンシリンダチャンバ）３０２からの蒸気の流れがプレチャンバ３０４内へと流入する際にその蒸気の流れを捕捉するように機能する。この捕捉される蒸気が、スパークギャップ３１４において点火される燃料混合気となる。

補足説明となるが、スパークギャップ３１４の（幅等の）寸法を変更することでスパークプラグの使用可能期間を延ばすことができる。スパークギャップの軸線方向の長さを延長すると、スパーク（火花）を発生させる表面積が拡大する。このため、中心電極３１０及び接地電極３０８を構成する材料が腐食してプラグ自体を修理又は交換しなければならなくなるまでの期間を長くすることができる。幅を広げるように設けることの欠点は、第１のステージが縮小して燃料の初期点火がより困難になることである。

図１２は、どのように燃焼が形成されるのか、並びにどのようにプレチャンバ３０４内で燃焼が管理されるのかについて、物理的に流れを説明する図である。まず、第１の燃料混合気がシリンダアセンブリ３０２から通気孔３２４を通ってプレチャンバ内に流入する。この流れは、関連するエンジンシステム（不図示）の圧縮行程中に生じるシリンダチャンバ３０２とプレチャンバ３０４との間の圧力差によって生じる。この流れは、第１の流れ３２８及び第２の流れ３３０でそれぞれ構成されている。プレチャンバ３０４に流入する際に、第１の流れ３２８及び第２の流れ３３０は前回の点火サイクルの残留燃料をスパークギャップ３１４の領域からプレチャンバ３０４の上端に向けてパージ（追放）する。これにより、スパークギャップ３１４及び第２のステージ３２２内の燃料が均一に分散した新しい燃料と入れ替わる。

更に、第２の流れ３３０はプレチャンバ３０４の第２のステージ３２２の周囲に均一に分散し、第１の流れ３２８は空気力学的ラム３１６によって捕捉される。空気力学的ラム３１６は、第１の流れ３２８をスパークギャップ３１４の周囲に集める。第１の流れ３２８がスパークギャップ内に流入する速度は、秒速１メートル乃至秒速１００メートルである。第１の流れ３２８の一部である燃料がスパークギャップ３１４の周囲に集まり、その結果、空気力学的ラム３１６内の領域と第１のステージ３２０の領域との間に圧力差が生じ、プレチャンバ３０４の第１のステージ３２０内に燃料が流入する。一部の実施の形態では、中心電極３１０の遠位端は第１の流れ３２８のスパークギャップ３１４内への流入を可能とするため平坦に設けられている。

更に、燃料が側部孔３１８を通って流れる。側部孔３１８は、中心軸線３０１に対して垂直とならないように角度方向に偏倚して設けられている。このように設けると、第２の流れ３３０からの燃料混合気が第１のステージ３２０に充満することを避けることができる。従って、空気力学的ラム３１６によって生じる圧力差が側部孔３１８によって阻害されることはない。

スパークギャップ３１４内でスパーク（火花）が発生すると、スパークギャップ３１４内の燃料が発火し、火炎核が形成される。前述の圧力差のため、火炎核はプレチャンバ３０４の第１のステージ３２０内へと移動する。第１のステージ３２０は大きさが比較的小さいため、火炎核は外部の環境から保護される。具体的には、火炎核は、上方に移動して中心電極３１０内に位置する切欠き３３２内に進入する。その後、切欠き３３２は接地電極３０８の後方に面する段部構造３３３へと火炎核を導く。第１の流れが第１のステージ３２０に流入すると、後方に面する段部３３３が再循環領域を形成し、その位置にある燃料の一部を捕捉する。そのため、火炎核は僅かに膨張し、同時にスパークギャップ３１４に流入する第１の流れによって消火されることが防止される。従って、切欠き３３２及び後方に面する段部３３３が火炎核をより高速の第１の流れ３２８から保護する保炎部を形成する。

更に、側部孔３１８は最低限の量の燃料のみを第１のステージ３２０に流入させるため、小さく保たれて設けられる。そのため、第１のステージ３２０内の温度は低く保たれ、接地電極３０８及び中心電極３１０の損傷は最小限に抑えられる。

第１のステージ３２０内で火炎核が成長し燃料を消費する際に、火炎核は側部孔３１８を出てプレチャンバ３０４の第２のステージ３２２内へと移動する。火炎核は第２の流れ３３０によって運ばれ、絶縁体３１２を包み込む。この時点で火炎核は拡張し第２のステージ３２２内の燃料を消費し始める。その後、火炎は膨張してプレチャンバ３０４内の圧力を大きく（ｇｒｅａｔｌｙ）増大させ、通気孔３２４から噴出してシリンダチャンバ３０２内へと流入し、シリンダチャンバ３０２内の燃料に着火する。

中心電極３１０の周囲における火炎核の流れを制御することにより、プレチャンバスパークプラグアセンブリ３００の使用可能期間を大きく（ｇｒｅａｔｌｙ）延ばすことができる。その理由は、保護されていない露出したスパークギャップを有する従来のシステムとは異なり、第１のステージ３２０が中心電極３１０を囲んで設けられ、中心電極３１０の周囲で小さな火炎核のみを燃焼させるからである。

図１３は、プレチャンバ３０４内に第２の燃料注入器３２６を含む本発明の一の実施の形態を示す図である。具体的には、第２の燃料注入器（燃料噴射器）３２６は、プレチャンバ３０４内に専ら燃料を注入（噴射）する。他の第１の燃料注入器（不図示）が、メインシリンダチャンバ３０２内に燃料を注入し、この燃料は通気孔３２４を通ってプレチャンバ３０４内に流入する。第２の燃料注入器３２６は、プレチャンバの混合気の燃料濃度を第１の注入によって通常得られる燃料濃度よりも高く（燃料リッチ／高燃料濃度混合気に）することができる。

通常、燃焼前のシリンダチャンバ３０２の燃空比（燃料の空気に対する比）は化学量論量（化学理論量）であり、換言すれば、シリンダチャンバ３０２内には燃焼前に等量の燃料と空気が存在する。従って、プレチャンバ３０４内の燃空比は、通気孔３２４を通過する流れのために化学量論量又はそれ未満（燃料リーン／低燃料濃度混合気）になる場合がある。第２の燃料注入器３２６が設けられたプレチャンバ３０４内に適切に燃料リッチな環境を保証するために、第２の燃料注入器３２６が燃空比を増大させる。通常、この燃空比の増大は主燃焼室から流入する燃料リーンな混合気を化学量論量にするために行われるものであり、換言すれば、燃焼前、プレチャンバ３０４に空気が存在しているときにプレチャンバに燃料を補給して主燃焼室（メインチャンバ）の燃空比の２倍以上の燃空比とすることも特殊なことではない。プレチャンバ３０４の燃空比を高めると、点火プロセス（工程）の進行に伴う温度はより高くなる。しかし、点火プロセスの進行に伴う温度がより高くなると、中心電極３１０及び接地電極３０８の使用可能期間は短くなる。この実施の形態では、燃料供給機能を有する（燃料リッチとされた）プレチャンバを、燃空比における燃料増加を最低限に抑えた、又は全く燃料増加させないリーンな状態で作動させる、即ち、プレチャンバ内の燃空比を主燃焼室（メインチャンバ）内のリーンな混合気に非常に近く、化学量論量（化学理論量）に達する燃空比における燃料リッチ状態からは可能な限り遠い状態とすることが可能である。このようにプレチャンバの燃空比の増大を抑えると、スパーク面及びその周辺における燃焼温度の低下につながり、スパークプラグの寿命を延ばすことになる。

図１４は、プレチャンバ４０４のシェル４１６と一体に形成されてスパークプラグ４００と組み合わされたガス吸入弁４０２を示す図である。図１４に示す特定の実施の形態では、３つの個別のガス吸入弁４０２ａ、４０２ｂ及び４０２ｃが設けられている。ガス吸入弁４０２ａ、４０２ｂ及び４０２ｃは、貯蔵チャンバ４３０からプレチャンバ４０４に燃料を供給する。図１３に関して説明したように、ガス吸入弁４０２は、プレチャンバ４０４内の燃料混合気のリッチ度を調整することを可能とする。更に、一部の実施の形態では、絶縁体４１４、中心電極４０６及び接地電極４０８を含むスパークプラグ４００は、スパークプラグ４００を迅速に交換できるようにガス吸入弁４０２の部分から取り外し可能に設けられる。

図１５は、図１４に示すプレチャンバ４０４の拡大図である。プレチャンバ４０４は、通気孔４１２を有する端部キャップ４４０によってエンジン（不図示）システムのシリンダに連通されている。前述の本発明の実施の形態と同様に、プレチャンバ４０４は、中心電極４０６、接地電極４０８、通気孔４１２、絶縁体４１４及びシェル４１６を含む。この実施の形態では、また、空気力学的ラム４２８が設けられている。更に、絶縁体は、側部孔、即ちスロット４１８を含む。側部孔３１８（図１１参照）と同様に、スロット（側部孔）４１８は、絶縁体４１４に接続された（絶縁体４１４と一体に設けられた）接地電極４０８と中心電極４０６との間に形成されたキャビティ（空隙）によって画成（ｄｅｆｉｎｅ）された第１のステージ４２０からの、そしてシェル４１６と絶縁体４１４に取り付けられた（絶縁体４１４と一体に設けられた）接地電極４０８との間のキャビティによって画成された第２のステージ４２２からのアクセス（連通）を提供する。

エンジンシステムの圧縮行程によって第１の圧力差が生じ、通気孔４１２を通してプレチャンバ４０４内へと秒速１メートル乃至秒速１００メートルの速度で後方に向けて端部キャップ４４０から離れる方向に燃料混合気が送り込まれる。混合気がプレチャンバ４０４内に流入すると、混合気が中心電極４０６と接地電極４０８との間に形成されたスパークギャップ４２４の周囲に集められる。スパークギャップ４２４の幅（ギャップ）が比較的小さいため、プレチャンバ４０４の第１のステージ４２０と第２のステージ４２２との間に第２の圧力差が生じることとなる。従って、スパークギャップ４２４でスパーク（火花）が発生すると、スパークによって形成された火炎核が第２の圧力差によって引き寄せられて第１のステージ４２０内に流入する燃料混合気に着火する。第１のステージ４２０は、その流れを遅くすると共に、中心電極４０６に形成された切欠き４２６と、接地電極４０８に形成された後方に面する段部４３２との間に形成される再循環領域を形成するように機能する面積拡大部を有する。再循環領域は燃料粒子を再循環ループ（再循環周回路）に取り込み、保炎部として効果的に作用する、即ちスパークギャップ４２４の領域から掃き出される（パージされる）火炎核が吹き消されることを防ぐ。この火炎核は、スロット（側部孔）４１８を通過して外に出て第２のステージ４２２内に入るまで第１のステージ４２０内の燃料を燃焼させる。第２のステージ４２２では、火炎核はプレチャンバ４０４内の燃料を消費して火炎へと成長する。これによりプレチャンバ４０４内の圧力が大きく（ｇｒｅａｔｌｙ）増大し、火炎を通気孔４１２から噴出させる。

火炎核をスパークギャップ領域から保炎部内に移動させることで、スパーク面の温度を低下させ、スパークプラグが損耗する主因である、高温酸化環境におけるスパーク面の高温酸化が抑制される。このように、スパーク（火花）発生後のスパークギャップ４２４からの高温の火炎核の移動は、スパーク面を拡大し、このためスパークプラグの寿命を延ばすことになる。

中央孔又は第１の孔として形成された通気孔４１２を通る流れの他の機能は、スパーク（火花）発生前の吸入期間中に筒状の接地電極４０８とスパーク領域とを冷却することである。というのは、吸入される新気の温度がプレチャンバ４０４内の残留ガスの温度よりも低いからである。これにより、スパークプラグ表面の寿命が更に延び、同時にプレチャンバ４０４内の表面温度を低下させ、温度は新気の自然発火温度未満に維持される。

前述の実施の形態と同様に、中心電極４０６の周囲における火炎核の流れを制御することにより、スパークプラグ４００の使用可能期間を大きく（ｇｒｅａｔｌｙ）延ばすことができる。その理由は、保護されていない露出したスパークギャップを有する従来のシステムとは異なり、第１のステージ４２０が中心電極４０６を囲んで設けられ、中心電極４０６の周囲で小さな火炎核のみを燃焼させるからである。

本発明の他の実施の形態では、図１６に示すように、セラミクス製の絶縁体５１２の外面とシェル５３４の内面との間でシェル５３４及び絶縁体５１２の基部又は根元５３８付近にクレビス（間隙）５３６が形成されている。クレビス５３６は、高温の残留燃料／ガスから低温のシェル領域への熱伝導を促進するように設計されている。シェル領域は、シリンダ（不図示）ヘッド（おそらくは水冷又は油冷）のねじ山との係合によって反対側が冷却される。クレビス５３６は容積に対する表面積の比が大きいため、残留ガスの冷却を促進し、残留ガスの反応性を「抑制（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）」する。

一の実施の形態では、クレビス（間隙）５３６の容積は、プレチャンバ５０４の容積の約１／５乃至１／１０になるように設計され、プレチャンバ５０４に残留ガスが充満していても、残留ガスがクレビス５３６内に圧縮されてエンジンの圧縮比（即ち、圧縮比ＣＲが１０：１のエンジンは圧縮中にプレチャンバ５０４のガスの容積を１／１０に減少する）によって許容される以上の空間を必要としないように設けられている。

更なる実施の形態では、残留ガスを冷却するクレビス（間隙）５３６の熱除去能力を更に高めるため、シェル５３４をクレビス５３６内に「螺合する」等の手段によってクレビス領域の表面積の拡大を図るものとしてもよい。

本明細書中で引用する公報、特許出願及び特許を含む全ての文献は、各文献を個々に、具体的に示し、引用して組み込むかのように、又、その全体を本明細書に記載するかのように、引用して組み込まれる。

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。
１． 第１の態様のプレチャンバスパークプラグは；
シェルと；
複数の通気孔を有する前記シェルの端部キャップと；
前記シェル内に配設された絶縁体と；
軸線が一致するように前記絶縁体によって囲まれた中心電極であって、前記シェル及び前記端部キャップによって画成されるプレチャンバ内に延在する、中心電極と；
前記絶縁体に取り付けられた接地電極であって、前記中心電極の遠位端を囲む、接地電極とを備え；
前記接地電極は；
前記中心電極を囲むように間を隔てて配置される筒状のインナーリングと；
前記中心電極の遠位端を超えて軸線方向に延在し、径方向に偏倚した周方向の延長部として形成された空気力学的ノーズコーンとを有する。
２． 第２の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記空気力学的ノーズコーンは前記接地電極に取り付けられ、前記接地電極は前記絶縁体に取り付けられて空気力学的ラムを形成する。
３． 第３の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記中心電極と前記絶縁体との間に形成されたキャビティによって画成される第１のステージを更に備える。
４． 第４の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３の態様において、前記絶縁体と前記シェルとの間のキャビティによって画成される第２のステージを更に備える。
５． 第５の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第４の態様において、前記絶縁体は少なくとも１つの側部孔を有し、前記側部孔は、前記第１のステージを前記第２のステージに連通させると共に、火炎核が前記第１のステージを出て前記第２のステージに入ることを可能とするように構成される。
６． 第６の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第５の態様において、前記少なくとも１つの通気孔は、前記通気孔の長手方向軸線が前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線に対して垂直でも平行でもなく、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線と交差しないように、角度を有して設けられる。
７． 第７の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記空気力学的ノーズコーンの形状は、燃料混合気が前記接地電極と前記中心電極との間の空間を通過して流れることを可能とするように構成されている。
８． 第８の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記複数の通気孔は、燃料混合気の第１の流れを秒速１メートル乃至秒速１００メートルの速度で前記空気力学的ノーズコーンへと導くように構成されている。
９． 第９の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第８の態様において、前記複数の通気孔は、前記プレチャンバ内に前記プレチャンバに対して旋回する前記燃料混合気の第２の流れを生じるように構成されている。
１０． 第１０の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第９の態様において、 前記複数の通気孔は、各前記通気孔の長手方向軸線が前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線に対して垂直でも平行でもなく、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線と交差しないように、角度を有して設けられている。
１１． 第１１の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記プレチャンバに前記プレチャンバの燃空比を高めるように構成された燃料注入ノズルを更に備える。
１２． 第１２の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記中心電極の表面及び前記接地電極の表面は、ニッケル合金、プラチナ合金及びイリジウム合金からなるグループの内から選択されるいずれか一を含んで設けられている。
１３． 第１３の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記中心電極の遠位端は平面として設けられている。
１４． 第１４の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１の態様において、前記絶縁体の外面と前記シェルの内面との間に形成されたクレビスを更に備える。
１５． 第１５の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１４の態様において、前記シェルの基部を更に備え、前記シェルは前記基部から延在し、前記クレビスは前記基部に近接して設けられている。
１６． 第１６の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第１４の態様において、前記クレビスによって画成される空間の容積が、前記プレチャンバの全容積の１／５乃至１／１０に設けられている。
１７． 第１７の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３の態様において、前記中心電極は切欠きを有し、前記接地電極は前記切欠き及び後方に面する段部を形成して前記第１のステージ内に保炎部を形成するように設けられている。
１８． 第１８の態様の内燃エンジンにおいて燃焼を可能とする方法は；
プレチャンバスパークプラグのプレチャンバ内において燃料混合気に点火するステップを備え；
前記プレチャンバ内において前記燃料混合気に点火するステップは；
複数の通気孔を提供して前記燃料混合気の第１の流れを前記プレチャンバのスパークギャップ内に流入させるステップと；
前記燃料混合気に点火するステップであって、点火イベントが火炎核を生成する、前記燃料混合気に点火するステップと；
前記火炎核を前記プレチャンバの第１のステージに運ぶステップであって、前記プレチャンバの第１のステージは中心電極と前記中心電極と軸線が一致する絶縁体に取り付けられた接地電極との間に配設されるキャビティにより画成される、前記火炎核を前記プレチャンバの第１のステージに運ぶステップと；
前記複数の通気孔から前記プレチャンバ内への前記燃料混合気の第２の流れを提供するステップであって、前記第２の流れが前記絶縁体に取り付けられた前記接地電極の外部に配設されたキャビティによって画成される前記プレチャンバの第２のステージの全体に分散する、前記複数の通気孔から前記プレチャンバ内への前記燃料混合気の第２の流れを提供するステップとを有し；
前記火炎核は前記第１のステージから前記第２のステージへ移動し；
前記燃料混合気の前記第２の流れに点火することにより前記複数の通気孔から火炎噴流が供給される。
１９． 第１９の態様の方法は、上記第１８の態様において、前記火炎核が前記絶縁体に形成された側部孔を通って前記第１のステージから前記第２のステージに移動する。
２０． 第２０の態様の方法は、上記第１８の態様において、前記第２の流れを提供するステップは、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線に平行でもなく垂直でもなく、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線と交差しない長手方向軸線を有する少なくとも１つの通気孔を提供するステップを有する。
２１． 第２１の態様の方法は、上記第１８の態様において、前記スパークギャップ内に流入する前記燃料混合気の前記第１の流れの速度が秒速１メートル乃至秒速１００メートルである。
２２． 第２２の態様の方法は、上記第１８の態様において、前記燃料混合気の前記第１の流れ及び前記第２の流れが前記スパークギャップに残留する燃料をパージする。
２３． 第２３の態様の方法は、上記第２１の態様において、前記第１の流れが前記スパークギャップ及び前記接地電極を冷却する。
２４． 第２４の態様の方法は、上記第１８の態様において；
前記プレチャンバ内に燃料注入ノズルを提供するステップと；
前記プレチャンバ内に燃料を注入することによって前記プレチャンバの燃空比を高めるステップとを更に備える。
２５． 第２５の態様の方法は、上記第１８の態様において、前記燃料混合気の前記第１の流れが、前記中心電極の遠位端を囲む空気力学的ラム内に流入する。
２６． 第２６の態様のプレチャンバスパークプラグは；
シェルと；
前記シェルに取り付けられた端部キャップと；
前記シェル内に配設された絶縁体と；
前記絶縁体から、前記シェルと前記端部キャップとによって画成されたプレチャンバ内に延在する中心電極と；
前記絶縁体に取り付けられた接地電極とを備え；
前記接地電極は、前記中心電極を囲むように間を隔てて配置されて前記中心電極との間にスパークギャップを形成するインナーリングを有する。
２７． 第２７の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第２６の態様において、前記シェルと一体に形成されたガス吸入弁を更に備え、前記ガス吸入弁が貯蔵チャンバからの燃料を前記シェル内に供給する。
２８． 第２８の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第２７の態様において、前記絶縁体、前記中心電極、及び前記接地電極は、前記ガス吸入弁及び前記シェルから取り外し可能に設けられている。
２９． 第２９の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第２６の態様において、前記端部キャップは、前記端部キャップをシリンダチャンバに連通するように構成された複数の通気孔を更に有する。
３０． 第３０の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第２９の態様において、前記絶縁体に取り付けられた前記接地電極の内面と前記中心電極の外面との間に空間を有するキャビティによって画成された前記プレチャンバの第１のステージを更に備える。
３１． 第３１の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３０の態様において、前記シェルの内面と前記絶縁体に取り付けられた前記接地電極の外面との間に空間を有するキャビティによって画成された前記プレチャンバの第２のステージを更に備える。
３２． 第３２の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３１の態様において、前記絶縁体は、前記第１のステージを前記第２のステージに連通する側部孔を更に有する。
３３． 第３３の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３２の態様において、前記複数の通気孔は、燃料混合気の第１の流れを前記スパークギャップ内へと導き、前記燃料混合気の第２の流れを前記プレチャンバの前記第２のステージ内に導くように構成されている。
３４． 第３４の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第３３の態様において、前記燃料混合気の前記第１の流れの速度が秒速１メートル乃至秒速１００メートルである。
３５． 第３５の態様のプレチャンバスパークプラグは、上記第２６の態様において、前記スパークギャップの軸線方向の長さを延長させることにより前記スパークギャップの使用可能期間を延ばすように構成されている。

１００ プレチャンバスパークプラグ
１０１ 長手方向軸線
１０２ 中心電極
１０４ 絶縁体
１０６ 後チャンバ（予燃焼チャンバ）
１０８ 前チャンバ（予燃焼チャンバ）
１１０ 筒状電極（接地電極）
１１１ 筒状電極（接地電極）
１１２ シェル
１１４ ディスク部（筒状電極）
１１６ 端部キャップ
１１８ 内側の表面（シェル）
１２０ 段状部分（シェル）
１３０ インナーリング（筒状電極）
１３２ アウターリング（筒状電極）
１３４ スポーク（筒状電極）
１３６ 速度制御筒（筒状電極）
１３８ 中央開口（筒状電極）
１４０ インナーリング内面（筒状電極）
１４２ 第１の電極の表面リング（筒状電極）
１４３ 基材（筒状電極）
１４４ 第２の電極の表面リング（中央電極）
１４６ 中心電極外面（中心電極）
１４８ タブ（電極の表面リング）
１５２ ノッチ部（速度制御筒）
１５４ 環状受容部（ディスク部）
１５６ タブ（電極の表面リング）
１６２ 中央孔（端部キャップ）
１６４ 外縁孔（端部キャップ）
１６６ 側壁（端部キャップ）
１６８ 外縁孔軸線（端部キャップ）
１６９ 放射線（端部キャップ）
１７１ 長手方向軸線との平行線（端部キャップ）
１８０ 筒状電極（接地電極）
１８２ 端部（スポーク）
２００ プレチャンバスパークプラグ
２０１ 長手方向軸線
２１０ 筒状電極（接地電極）
２１４ ディスク部（筒状電極）
２３６ 速度制御筒（筒状電極）
３００ プレチャンバスパークプラグアセンブリ
３０１ 長手方向軸線
３０２ ピストンシリンダチャンバ（メインシリンダチャンバ）
３０４ プレチャンバ
３０６ スパークプラグ
３０８ 接地電極
３１０ 中心電極
３１２ 絶縁体
３１４ スパークギャップ
３１６ 空気力学的ラム（空気力学的ノーズコーン）（延長部）
３１８ 側部孔（スロット）
３２０ 第１のステージ（プレチャンバ）
３２２ 第２のステージ（プレチャンバ）
３２４ 通気孔（端部キャップ）
３２６ 第２の燃料注入器
３２８ 第１の流れ
３３０ 第２の流れ
３３２ 切欠き（中心電極）
３３３ 段部構造（接地電極）
３３４ シェル
３４０ 端部キャップ
４００ スパークプラグ
４０２ ガス吸入弁
４０２ａ ガス吸入弁
４０２ｂ ガス吸入弁
４０２ｃ ガス吸入弁
４０４ プレチャンバ
４０６ 中心電極
４０８ 接地電極
４１２ 通気孔
４１４ 絶縁体
４１６ シェル
４１８ 側部孔（スロット）
４２０ 第１のステージ
４２２ 第２のステージ
４２４ スパークギャップ
４２６ 切欠き（中心電極）
４２８ 空気力学的ラム
４３０ 貯蔵チャンバ
４３２ 段部
４４０ 端部キャップ
５０４ プレチャンバ
５１２ 絶縁体
５３４ シェル
５３６ クレビス（間隙）
５３８ 基部（シェル、絶縁体）

Claims (16)

1. 第１の孔を通してプレチャンバスパークプラグのプレチャンバ内に燃料混合気の第１の流れを受け入れて、前記燃料混合気の第１の流れを前記プレチャンバのスパークギャップ内に流入させるステップと；
   前記燃料混合気に点火するステップであって、点火イベントが火炎核を生成する、前記燃料混合気に点火するステップと；
   前記火炎核を前記プレチャンバの第１のステージに運ぶステップであって、前記プレチャンバの第１のステージは接地電極と中心電極との間に配設されるキャビティにより画成される、前記火炎核を前記プレチャンバの第１のステージに運ぶステップと；
   第２の孔を通して前記プレチャンバ内へ前記燃料混合気の第２の流れを受け入れて、前記接地電極の外部に配設されたキャビティによって画成される前記プレチャンバの第２のステージの全体に前記第２の流れを分散するステップとを有し；
   前記火炎核は前記第１のステージから前記第２のステージへ移動し；
   前記燃料混合気の前記第２の流れに点火することにより前記第１の孔及び前記第２の孔から火炎噴流が供給される；
   内燃エンジンにおいて燃焼を可能とする方法。
2. 前記火炎核が絶縁体に形成された側部孔を通って前記第１のステージから前記第２のステージに移動する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の流れを受け入れるステップは、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線に平行でもなく垂直でもなく、前記プレチャンバスパークプラグの長手方向軸線と交差しない長手方向軸線を有する複数の第２の孔を通して前記プレチャンバに前記第２の流れを受け入れるステップを有する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記スパークギャップ内に流入する前記燃料混合気の前記第１の流れの速度が秒速１メートル乃至秒速１００メートルである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記燃料混合気の前記第１の流れが前記スパークギャップに残留する燃料をパージする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の流れが前記スパークギャップ及び前記接地電極を冷却する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記プレチャンバ内の燃料注入ノズルを介して前記プレチャンバ内に燃料を注入して前記プレチャンバの燃空比を高めるステップを更に備える；
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記燃料混合気の前記第１の流れが、前記中心電極の遠位端を囲む空気力学的ラム内に流入する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. プレチャンバを画成するプレチャンバハウジングと；
   前記プレチャンバ内に配設された絶縁体と；
   前記絶縁体から前記プレチャンバ内に延在する中心電極と；
   前記プレチャンバ内に設けられた接地電極とを備え；
   前記接地電極は、前記中心電極を囲むように間を隔てて配置されて前記中心電極との間にスパークギャップを形成するインナーリングを有し；
   前記接地電極の内面と前記中心電極の外面との間に空間を有するキャビティによって画成された前記プレチャンバの第１のステージを更に備える；
   プレチャンバスパークプラグ。
10. 前記プレチャンバハウジングと一体に形成されたガス吸入弁を更に備え、前記ガス吸入弁が貯蔵チャンバからの燃料を前記プレチャンバハウジング内に供給する、請求項９に記載のプレチャンバスパークプラグ。
11. 前記絶縁体、前記中心電極、及び前記接地電極は、前記ガス吸入弁及び前記プレチャンバハウジングから取り外し可能に設けられた、請求項１０に記載のプレチャンバスパークプラグ。
12. 端部キャップをシリンダチャンバに連通するように構成された、前記プレチャンバハウジングに形成された複数の孔を更に備える、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載のプレチャンバスパークプラグ。
13. 前記プレチャンバハウジングの内面と前記接地電極の外面との間に空間を有するキャビティによって画成された前記プレチャンバの第２のステージを更に備える、請求項９乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプレチャンバスパークプラグ。
14. 前記絶縁体は、前記第１のステージを前記第２のステージに連通する側部孔を更に有する、請求項１３に記載のプレチャンバスパークプラグ。
15. 前記プレチャンバハウジングに形成された複数の孔は、燃料混合気の第１の流れを前記スパークギャップ内へと導き、前記燃料混合気の第２の流れを前記プレチャンバの前記第２のステージ内に導くように構成された、請求項１３又は請求項１４に記載のプレチャンバスパークプラグ。
16. 前記燃料混合気の前記第１の流れの速度が秒速１メートル乃至秒速１００メートルである、請求項１５に記載のプレチャンバスパークプラグ。

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