(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）近位部（１６）および、長手軸（２０）に対して円形断面を有し、遠位端（２２）で終了する遠位部（１８）を有する中心電極（１２）と、
（ｂ）複数の周辺電極（１４）であり、各周辺電極が下方部（２５）および上方部（２６）を有し、形状と寸法において実質的に同一であり、各上方部が、最遠位点（２８）に収束するように先細となっており、各最遠位点が、前記中心電極（１２）の前記遠位部の前記長手軸（２０）全体が配置されている中心面（３０）に配置され、その中心面に沿った各上方部（２６）の断面が、凸状外側および非凸状内側を画定し、各凸状外側が、複数の接平面（３８）に接する湾曲面（３６）を有するスパークプラグにおいて、
前記電極（１４）の上方部（２６）の各凸状外側の湾曲面（３６）の形状が、前記接平面すべてが、前記中心電極の前記遠位点の前記遠位端（２２）の点で、または、その上方で、前記中心電極（１２）の前記遠位部（１８）の前記長手軸（２０）と交差するとともに、前記各周辺電極（１４）の内側（３４）が各最遠位点（２８）近傍に平坦部分（３７）を規定する形状であることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記中心電極（１２）の前記遠位部（１８）が、約０．１２５インチ〜約０．２６５インチの直径を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項３】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記中心電極（１２）がドーム形の遠位端（２２）を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項４】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記複数の周辺電極（１４）の数が３〜１２の周辺電極であることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項５】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が正方形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項６】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が矩形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項７】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が一般的な楕円形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項８】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が円形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項９】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が、角が丸い一般的な正方形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１０】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が、角が丸い一般的な矩形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１１】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記下方部（２５）が、角が丸い一般的な三角形断面を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１２】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記周辺電極（１４）の各々の前記上方部（２６）が偏心円錐の形状を有することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１３】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記凸状外側（３２）が滑らかであることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のスパークプラグにおいて、前記凸状外側（３２）が円弧を形成することを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１５】
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記中心電極（１２）が絶縁体（４０）に囲まれており、前記中心電極（１２）の遠位端（２２）が、前記絶縁体（４０）の最遠位端の長手方向断面幅と実質的に等しい長手方向断面幅を有することを特徴とするスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年５月４日に出願された「内燃機関用イオン銃スパークプラグ」と題する仮特許出願第６１／２１５，３２９号明細書の利益を主張し、２０１０年５月３日、２００１年に出願された「スパークプラグ」と題する米国特許出願第１２／７７２，６８０号明細書からの優先権を主張し、その内容全体を参照によって本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、一般に内燃機関用スパークプラグに関する。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関用スパークプラグは１００年よりも長い間知られている。その期間の間、スパークプラグの設計はかなり改善されてきたが、さらにエンジン性能を高め、願わくは燃料消費率を低減するスパークプラグが引き続き必要とされている。
【０００４】
改善されたエンジン性能を生み出すスパークプラグの必要性は、特にレーシング業界において深刻であり、その業界では、エンジン性能のわずかな向上および／または、エンジン燃料消費のわずかな減少でさえ、勝敗の差を意味しうる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明はこの必要性を満たす。
【０００６】
本発明は、（ａ）近位部および、長手軸に対して円形断面を有し、遠位端で終了する遠位部を有する中心電極と、（ｂ）複数の周辺電極であり、各周辺電極が下方部および上方部を有し、形状と寸法において実質的に同一であり、各上方部が最遠位点を有し、各最遠位点が、中心電極の遠位部の長手軸全体が配置されている中心面に配置され、その中心面に沿った各上方部の断面が、凸状外側および非凸状内側を画定し、各凸状外側が、複数の接平面に接する湾曲面を有し、それら接平面すべてが、中心電極の遠位点の遠位端の点で、または、その上方で、中心電極の遠位部の長手軸と交差する周辺電極とを含むスパークプラグである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様ならびに利点は、以下の記述、添付の請求項および添付の図面を参照して、より理解されるだろう。
【０００８】
【図１】図１は、本発明の特徴を有するスパークプラグの斜視図である。
【図２】図２は、図１に示したスパークプラグの一端部の平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、線３−３に沿った、図２に示したスパークプラグの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、線３−３に沿った、図２に示したスパークプラグの代替断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明において使用可能な周辺電極の第１の下方部の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明において使用可能な周辺電極の第２の下方部の概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明において使用可能な周辺電極の第３の下方部の概略図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明において使用可能な周辺電極の第４の下方部の概略図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明において使用可能な周辺電極の第５の下方部の概略図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本発明において使用可能な周辺電極の第６の下方部の概略図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、本発明において使用可能な周辺電極の第７の下方部の概略図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、本発明において使用可能な周辺電極の第８の下方部の概略図である。
【図４Ｉ】図４Ｉは、図４Ｈに示した周辺電極の下方部の側面図である。
【図４Ｊ】図４Ｊは、本発明において使用可能な周辺電極の第９の下方部の概略図である。
【図４Ｋ】図４Ｋは、図４Ｊに示した周辺電極の下方部の側面図である。
【図４Ｌ】図４Ｌは、本発明において使用可能な周辺電極の第１０の下方部の概略図である。
【図４Ｍ】図４Ｍは、図４Ｌに示した周辺電極の下方部の側面図である。
【図４Ｎ】図４Ｎは、図４Ｌに示した周辺電極の下方部の代替側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の記載では、本発明の一実施形態およびその実施形態のいくつかの変形例を詳細に記述する。しかしながらこの記載は、発明をそれら特定の実施形態に限定するものとしては解釈されるべきではない。当業者は同様に多数の他の実施形態を認識するだろう。
【００１０】
本明細書で使用される場合、文脈上、別の意味を必要としない限り、用語「含む」ならびに、その用語の変形である「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ，ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含まれた（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」などは、他の追加物、構成要素、整数またはステップを排除することを意図しない。このように本明細書を通して文脈上、別の意味を必要としない限り、文言「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ，ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」は、排他的な意味の反対として包括的な意味、すなわち、「含むが、限定されない」という意味で解釈されるべきである。
【００１１】
図に示すように、本開示で特定されるすべての寸法は単に一例であり、限定しているとは意図されない。さらに、これらの図に示す大きさは、必ずしも縮尺通りではない。本開示に関して当業者が理解するように、本開示で開示されるあらゆる装置または装置の一部の実寸は、その使用目的によって決定される。
【００１２】
本発明は、並外れた性能を提供することができる内燃機関用スパークプラグ１０である。スパークプラグ１０は中心電極１２および複数の周辺電極１４を含む。本発明は図１〜３に示す。
【００１３】
中心電極１２は、近位部１６および遠位部１８を有する。遠位部１８は、長手軸２０に対して円形断面を有する。遠位部１８は遠位端２２で終了する。一実施形態では、中心電極１２の遠位端２２は、調和のとれた尖っていない形状にするためにドーム形である。製造を容易にするために、中心電極１２は典型的なスパークプラグと同様に円筒状である。
【００１４】
好ましい実施形態では、遠位部１８の直径は約０．１２５インチ〜約０．２６５インチである。遠位部１８のこの直径は、典型的なスパークプラグの場合よりも約２〜３倍大きい。中心電極１２はいくつかの理由により大きくする。１つの目的はスパーク安定性である。大きな電極はより多くのエネルギーを蓄えることによって、より多くの量の電気をスパークイベント時に放つ。第２の目的は、レーシングエンジンの場合のように、極端な燃焼圧の下でさえ、故障しない点火サイクル中に連続して急速なイオン移動を引き起こすことである。
【００１５】
複数の周辺電極１４は、その中心に中心電極１２が配置されている円を画定するように、中心電極１２の周りに互いから等距離で配置されている。周囲電極１４は典型的に、ねじ込み式ベースシリンダ２４と一体化されている。図面に示した実施形態では、複数の周辺電極１４は８つの周辺電極１４を構成している。すべての場合において、周辺電極１４の数が約３〜約１２であることが重要である。周辺電極１４の数が３未満または１２を超える場合、内燃機関における性能は著しく低下する。
【００１６】
周辺電極１４の各々は、形状および寸法において実質的に同一である。各周辺電極１４は、下方部２５および上方部２６を有する。上方部２６は最遠位点２８を有する。図１および２に示すように、周辺電極１４の各々の最遠位点２８は、比較的鋭くしうる。しかしながら、他の実施形態では、周辺電極１４の各々の最遠位点２８はより丸く、または平坦であってもよい。
【００１７】
図２に示すように、各最遠位点２８は、中心電極１２の遠位部１８の長手軸２０全体が配置されている中心面３０に配置されている。周辺電極１４の各々の各上方部２６の、その中心面３０に沿った断面は、凸状外側３２および非凸状内側３４を画定する。
【００１８】
図３Ａに示すように、各凸状外側３２は複数の接平面３８に接する湾曲面３６を有し、その接平面３８の全ては、中心電極１２の遠位点の遠位端２２の点で、またはその上方で、中心電極１２の遠位部１８の長手軸２０と交差する。典型的な実施形態では、凸状外側３２の湾曲面３６は滑らかであり、不連続性がないことが好ましい。
【００１９】
図３Ｂは、内側３４が最遠位点２８近くの小さい平坦部分３７を画定する以外は、図３Ａに示したものと同一の代替断面図を示す。
【００２０】
前述の設計によって、複数の周辺電極１４は、中心電極１２を向くために内側に弧を描いた尖った先を有する、曲げてループにしたフォークに似ている。
【００２１】
また図３に示すように、周辺電極１４は、ベークライト４０または他の適切な絶縁体の層によって、中心電極１２から電気的に絶縁されている。
【００２２】
図４Ａ〜４Ｍに示すように、周辺電極１４は様々な形状で提供することができる。図４Ａは、一般的な正方形断面を有する周辺電極１４の下方部２５の断面形状を示す。図４Ｂは、一般的な矩形断面を有する周辺電極１４の下方部２５を示す。図４Ｃは、一般的な楕円形状を有する周辺電極１４の下方部２５を示す。図４Ｄは、一般的な円形状を有する周辺電極１４の下方部２５を示す。図４Ｅは、一般的な正方形の形状を有するが角が丸い周辺電極１４の下方部２５を示す。図４Ｆは、一般的な矩形断面を有するが角が丸い周辺電極１４の下方部２５を示す。図４Ｇは、一般的な三角形断面を有する周辺電極１４の下方部２５を示す。
【００２３】
図４Ｈおよび４Ｉは、偏心円錐の形状を有する周辺電極１４の上方部２６を示す。同様に、図４Ｊおよび４Ｋは、代替の偏心円錐の形状を有する周辺電極１４の上方部２６を示す。
【００２４】
図４Ｌおよび４Ｍは、一般的な平坦な内側３４および外側３２を有する周辺電極１４の上方部２６を示し、その中心面３０に沿った断面では、内側３４は一般的な平坦面を有し、外側３２は円弧の形状を有する表面を有する。
【００２５】
図４Ｎは、内側３４がやや凹状である、図４Ｌに示した周辺電極１４の代替上方部２６の断面を示す。
【００２６】
典型的に、周辺電極１４の各々の最遠位点２８は、約０．０４インチ〜約０．０９５インチ、最も典型的には約０．０５インチ〜約０．０７インチの距離だけ中心電極１２から離して配置されている。
【００２７】
本発明のスパークプラグ１０の上記特有の設計によって、スパークプラグ１０は、点火源からの過剰エネルギーを利用して、燃焼室で入って来る空気／燃料と混合する急速なイオン移動を引き起こすことにより、馬力およびトルクの増大を含む、改善されたエンジン性能を提供することができる。噴射陰イオンは、点火直前、スパークイベント中および燃焼中に、燃焼室で空気燃料に混合される。イオンのこの噴射は、より多くの位置エネルギーを放出し、実際の燃焼イベントを遅くすることにより、燃料の燃焼特性を変える。この現象は、燃料のオクタンレベルを上げることに類似している。燃焼イベント中、イオンはチップを冷却する。このイベントにより、中心電極の周りに急速な循環的な流れが生じることがよくある。
【００２８】
この現象はさらに、本発明のスパークプラグは多数の特定の熱領域のうちの１つに対して設計する必要はないという点で有利である。ほとんどの用途については、１つの熱領域のみを必要とする。対照的に、従来のスパークプラグでは、異なる熱領域に対して１つとなる、２０もの異なる設計が必要とされる。
【００２９】
本発明における周辺電極の設計によって、陰イオンはコイルから流れる電荷から分離される。イオンは陰極の周囲に沿って移動し、遠位部で頂点に達する周辺電極の曲線に沿って勢いをつけ、次に、スパークプラズマが移動するように中心電極の方に向かう経路に噴射する。ピストンが圧縮／燃焼行程の上死点に近づくにつれ、燃焼室は高度に加圧されるようになる。この雰囲気中では、スパークプラズマは増幅され分割されるため、複数のスパークが様々な接地電極から放出される。別個の高エネルギー化されたスパーク核が３つも高圧試験中に観察された。
【００３０】
急速なイオン移動は中心電極に影響を与え、空気／燃料の電荷に広がり、スパークイベントの前、その間、およびその直後に、大量に前記電荷をイオン化する。このように、コイルによって提供される電荷を完全に十分に利用する。
【００３１】
本発明の使用で生じる別の現象は、移動しているイオンが中心電極の下、および絶縁体とベースシェルの内壁との間の空胴に圧力シールドを作ることである。この圧力シールドは、部分的に燃焼した燃料から炭素を離し、オイルが絶縁体およびベースシェルの内壁を汚染するのを防ぐため、起こりうるスパークの短絡が回避される。
【００３２】
点火後、急速なイオン移動は火炎面を冷却し、これにより燃焼イベントが遅くなる。この急速なイオン移動工程は、下降するピストン頂面にかかる圧力の持続時間を延長させる。また、この急速なイオン移動燃焼工程により、より完全な燃焼が確実になるため、未燃炭化水素のパーセンテージが低下する。
【００３３】
放出に関する別の肯定的な利益は、急速なイオン移動を冷却する態様により、ＮＯｘの上昇が抑えられることである。これは、より多くの炭化水素を燃焼させるために（そしてそのような、より高い熱は必ずより多くのＮＯｘを作り出す）、より高い熱領域を利用しなければならない従来のスパークプラグと対比される。
【００３４】
最後に、本発明の設計はまた、大きなスパークギャップを飛び越えることができる非常に強く安定したスパークを極端な燃焼圧の下で作り出し、それによって大幅に不点火を減らす。
【実施例】
【００３５】
高性能Ｖ−８テストエンジンを用いて、ダイノメータチャートを再現する。これらのテストは独立した設備によって行った。スパークプラグの変更を除いては、エンジンに変更も修正も行わなかった。
【００３６】
これらのチャートは、従来技術の典型的なレーシングスパークプラグと比較して、本発明のスパークプラグによって達成された馬力とトルクの増加を示す。
【００３７】
実施例１
本実施例では、テスト用エンジンは、８５０ｃｆｍのＨｏｌｌｙ製キャブレータおよび３８度のタイミングを備えた４２０立方インチのＦｏｒｄ製ＦＥエンジンであった。ストックスパークプラグは、ギャップが０．０４０インチに設定されたＡｕｔｏｌｉｔｅ製３９２４ストックプラグであった。本発明のスパークプラグは、ギャップが０．０５８インチの図１に示すような修正したＡｕｔｏｌｉｔｅ製３９２４ストックプラグであった。
0005600211.tif 000002
【００３８】
実施例２
テスト用エンジンは、８５０ｃｆｍのＨｏｌｌｙ製キャブレータおよび３８度のタイミングを備えた８１２立方インチのＦｏｒｄ製エンジンであった。ストックスパークプラグは、ギャップが０．４５インチに設定されたＡｕｔｏｌｉｔｅ製３９２４ストックプラグであった。本発明のスパークプラグは、ギャップが０．０６２インチの図１に示すような修正したＡｕｔｏｌｉｔｅ製３９２４ストックプラグであった。実施例２では、本発明のスパークプラグで２つのテストを実行した。
0005600211.tif 000003
【００３９】
このように本発明について記述してきたが、本明細書の先に記載したような、かつ、本明細書の以下に請求項によって記載するような本発明の範囲および公平な意味から逸脱することなく、多くの構造上の修正および適応を行ってもよいことは明らかである。
【図１】
0005600211.tif 000004
【図２】
0005600211.tif 000005
【図３Ａ】
0005600211.tif 000006
【図３Ｂ】
0005600211.tif 000007
【図４Ａ】
0005600211.tif 000008
【図４Ｂ】
0005600211.tif 000009
【図４Ｃ】
0005600211.tif 000010
【図４Ｄ】
0005600211.tif 000011
【図４Ｅ】
0005600211.tif 000012
【図４Ｆ】
0005600211.tif 000013
【図４Ｇ】
0005600211.tif 000014
【図４Ｈ】
0005600211.tif 000015
【図４Ｉ】
0005600211.tif 000016
【図４Ｊ】
0005600211.tif 000017
【図４Ｋ】
0005600211.tif 000018
【図４Ｌ】
0005600211.tif 000019
【図４Ｍ】
0005600211.tif 000020
【図４Ｎ】
0005600211.tif 000021