(57)【要約】  超希薄混合および／または高めたエンジンＢＭＥＰで作動する予室点火プラグの点火プラグ寿命を最大化する方法および装置を提示する。放電エネルギーを、より広い表面積全体に広げ、火花ギャップへの燃料集中を維持し、放電中のガス静圧を制御し、そして安全な電極温度を維持することにより、電極腐食を軽減する。端部キャップの周辺孔により創り出される旋回効果を介してエネルギーが広がり、電極での低めの比エネルギー放電を生ずる。離間するよう構成された電極は、高い作動圧力での点火電圧および点火に必要なエネルギーを低下させる。電極で発生する流れ場により、水の凝縮による電気短絡が防止され、失火が回避される。中心電極の絶縁体は、効果的な熱伝達路を提供して電極過熱および過早点火を防ぐ。電極背後の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供し、更に信頼性の高い点火がもたらされる。
2008504649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予室点火プラグの寿命を延ばす方法であって：
前記予室点火プラグの点火放電に、点火アークを移動させるのに十分な力を有して作用する流れ場の力を発生することにより、点火エネルギーをより広い電極面上に分布させるステップを備える；
方法。
【請求項２】
一つ以上の電極を離間する構成で配置するステップを更に備える；
請求項１の方法。
【請求項３】
電極ギャップ背後に少なくとも一回の前回点火サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供するステップを更に備える；
請求項１の方法。
【請求項４】
前記流れ場の力を発生する通路を提供するステップを更に備える；
請求項１の方法。
【請求項５】
前記流れ場の力を発生する通路を提供する前記ステップが、前記予室点火プラグの端部キャップに、少なくとも一つの角度付通路を提供するステップを備える；
請求項４の方法。
【請求項６】
前記流れ場の力を発生する通路を提供する前記ステップが、空気と燃料との混合が少なくとも一つの角度付通路を通るようにするステップを含む；
請求項５の方法。
【請求項７】
一つ以上の電極の間の凝縮水が前記流れ場の力により掃き出されるように、前記離間する構成と前記角度付通路とが寸法決めされる；
請求項５の方法。
【請求項８】
予室点火プラグの寿命を延ばす方法であって：
前記予室点火プラグの電極を離間する構成で配置するステップを備える；
方法。
【請求項９】
少なくとも一回の前回点火サイクルからの燃焼生成物を収容するために容積を提供するステップを更に備える；
請求項８の方法。
【請求項１０】
前記予室点火プラグの点火放電に、点火アークを移動させるのに十分な力を有して作用する流れ場の力を発生することにより、点火エネルギーをより広い電極面上に分布させるステップを更に備える；
請求項８の方法。
【請求項１１】
前記電極を配置する前記ステップは、最小火花ギャップが０．１２７ないし０．２５４ｍｍの範囲の寸法を有するように前記電極を配置するステップを含む；
請求項８の方法。
【請求項１２】
前記電極を配置する前記ステップは、最大火花ギャップが０．７６２ないし１．２７ｍｍの範囲の寸法を有するように、前記電極を配置するステップを更に含む；
請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記電極を配置する前記ステップが、丸い突出形状の電極を提供するステップを含む；
請求項８の方法。
【請求項１４】
予室点火プラグの寿命を延長する方法であって：
少なくとも一回の前回点火サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供するステップを備える；
方法。
【請求項１５】
少なくとも一回の前回点火サイクルからの燃焼生成物のために容積を提供する前記ステップが、電極ギャップ背後に、前記燃焼生成物のための容積を提供するステップを備える；
請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記予室点火プラグが、中心電極と前記予室点火プラグの外殻との間にセラミック絶縁体を有し；
燃焼生成物のための容積を提供する前記ステップが、電極の過熱を最小化するように、かつ所望の容積が提供されるように、前記セラミック絶縁体を構成するステップを含む；
請求項１５の方法。
【請求項１７】
容積を提供する前記ステップが次式による容積を提供するステップを含む：
（式）容積＞Ｖｐｒｅｃｈａｍｖｅｒ／Ｖｒａｔｉｏ
ここで、Ｖｐｒｅｃｈａｍｖｅｒは前記予室点火プラグの前記予室容積の合計容積、Ｖｒａｔｉｏはエンジン容積比である；
請求項１４の方法。
【請求項１８】
前記予室点火プラグの点火放電に、点火アークを移動させるのに十分な力を有して作用する流れ場の力を発生することにより、点火エネルギーをより広い電極面上に分布させるステップを更に含む；
請求項１４の方法。
【請求項１９】
電極を離間する構成で配置するステップを更に備える；
請求項１４の方法。
【請求項２０】
予室点火プラグの寿命を延長する方法であって：
前記予室点火プラグの点火放電に、点火アークを移動させるのに十分な力を有して作用する流れ場の力を発生することにより、点火エネルギーをより広い電極面上に分布させるステップと；
電極を離間する構成で配置するステップと；
前記電極のギャップ背後に少なくとも一回の前回点火サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供するステップとを備える；
方法。
【請求項２１】
容積を提供する前記ステップが、熱伝達路を最小化し、かつ少なくとも一つの前記電極の過熱を防ぐ容積を提供するステップを備える；
請求項２０の方法。
【請求項２２】
前記電極を配置する前記ステップは、最小火花ギャップが０．１２７ないし０．２５４ｍｍの範囲の寸法を有するように前記電極を配置するステップを含むステップを含む；
請求項２０の方法。
【請求項２３】
前記電極を配置する前記ステップは、最大火花ギャップが０．７６２ないし１．２７ｍｍの範囲の寸法を有するように前記電極を配置するステップを更に含む；
請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記電極を配置する前記ステップが、丸い突出形状の電極を提供するステップを含む；
請求項２０の方法。
【請求項２５】
前記流れ場の力を発生する通路を提供するステップを更に備える；
請求項２０の方法。
【請求項２６】
前記流れ場の力を発生する通路を提供する前記ステップが、前記予室点火プラグの端部キャップに少なくとも一つの角度付通路を提供するステップを含む；
請求項２５の方法。
【請求項２７】
前記流れ場の力を発生する通路を提供する前記ステップが、空気と燃料の混合が前記少なくとも一つの角度付通路を通るようにするステップを備える；
請求項２６の方法。
【請求項２８】
一般的な点火プラグから予室点火プラグを創り出す方法であって：
前記一般的な点火プラグからねじ部を除去するステップと；
前記一般的な点火プラグの一般的な接地電極の少なくとも一部を除去するステップと；
前記一般的な点火プラグにアダプタを取り付けるステップと；
前記アダプタに端部キャップを取り付けるステップとを備える；
方法。
【請求項２９】
接地電極を前記アダプタ内に取り付け、火花ギャップが前記接地電極と前記一般的な点火プラグの中心電極との間に創り出されるようにするステップを更に備える；
請求項２８の方法。
【請求項３０】
前記アダプタが焼嵌めを提供し、
アダプタを取り付ける前記ステップが、前記アダプタを予熱するステップを含む；
請求項２８の方法。
【請求項３１】
前記アダプタを取り付ける前記ステップが、前記アダプタを前記一般的な点火プラグに溶接するステップを含む；
請求項２８の方法。
【請求項３２】
中心電極と；
予燃室を画成する金属外殻と；
前記中心電極と前記金属外殻との間に配置される絶縁体と；
前記金属外殻に取り付けられ、前記中心電極との関連において可変寸法の火花ギャップを画成するように形成される接地電極と；
前記金属外殻に取り付けられ、少なくとも一つの吸気ポートを有する端部キャップと
を備える；
予室点火プラグ。
【請求項３３】
前記予燃室が、ある合計容積を有し；
前記接地電極背後の容積が次式：
（式）容積＞Ｖｐｒｅｃｈａｍｖｅｒ／Ｖｒａｔｉｏ
ここで、Ｖｐｒｅｃｈａｍｖｅｒは合計容積、Ｖｒａｔｉｏはエンジン容積比である；
を満たすように、前記金属外殻が寸法決めされる；
請求項３２の予室点火プラグ。
【請求項３４】
前記接地電極が丸い突出形状である；
請求項３２の予室点火プラグ。
【請求項３５】
前記中心電極が軸方向の軸を画成し、前記少なくとも一つの吸気ポートが、前記中心電極に沿う軸方向の軸に対して角度が付いている少なくとも一つの周辺孔を備える；
請求項３２の予室点火プラグ。
【請求項３６】
前記少なくとも一つの吸気ポートが、中心孔を更に備える；
請求項３５の予室点火プラグ。
【請求項３７】
前記中心孔は前記軸方向の軸に平行か、前記軸方向の軸と一致するかのいずれかの軸を有する；
請求項３６の予室点火プラグ。
【請求項３８】
前記可変寸法の火花ギャップは、前記中心電極との関連において、０．１２７ないし０．２５４ｍｍの範囲の最小ギャップを有する；
請求項３２の予室点火プラグ。
【請求項３９】
前記可変寸法の火花ギャップは、前記中心電極との関連において、０．７６２ないし１．２７ｍｍの範囲の最大ギャップを有する；
請求項３８の予室点火プラグ。
【請求項４０】
前記絶縁体は、前記中心電極の過熱を防ぐ熱伝達路を提供する；
請求項３２の予室点火プラグ。
【請求項４１】
前記予室点火プラグをエンジン内に取り付けるとき、前記端部キャップを燃焼室内に配置するように前記金属外殻が寸法決めされる；
請求項３２の予室点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は予室点火プラグに関し、より詳細には希薄燃焼エンジン用予室点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス等の気体燃料で作動するエンジンは、比較的高い空燃比の空気と燃料の混合物である希薄燃料混合を供給されるのが普通である。希薄燃料混合は、失火（ミスファイア）、ノッキング（デトネーション）、不完全燃焼、および低燃費をもたらすことが多い。このような事象を招き得る一要因は、作動しているエンジンのシリンダ内希薄燃料混合を効果的に点火するには、従来の点火プラグでは能力が不足していることである。希薄燃料混合のもっと効果的な燃焼は予燃焼室を用いて達成できる。
【０００３】
予室（すなわち予燃焼室）点火プラグは予燃焼室内で用いられ、典型的には、天然ガス希薄燃焼エンジン等の希薄燃焼エンジンの希薄燃焼限界を改善するために用いられる。米国特許第５，５５４，９０８号で開示された予室点火プラグ等の既知の予室点火プラグでは、火花ギャップが、エンジンシリンダ排気量の典型的には３％未満の容積を有するキャビティに閉じ込められる。キャビティ上部はドーム形状をなし、様々な接線方向の吸／排気ポートを有する。作動中、圧縮サイクル時にエンジンピストンが上昇すると、空気／燃料が予室内の吸気ポートを通るようにする。ポートの配向が、予室キャビティ内に旋回運動を生み出す。
【０００４】
空気と燃料との間の密度差が旋回運動と共同して、予室キャビティ内に燃料の層状化を引き起こす。火花ギャップを適切に配置することより、燃料リッチ領域で効果的な点火を達成できる。予室キャビティ内での燃料の高速燃焼は、エンジン燃焼室内へよく浸透するジェット火炎を生ずる。このジェット火炎により、エンジン燃焼室内により希薄な空気／燃料混合で繰り返し可能でより急速な火炎伝搬を達成する能力が提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術が取り組んでいな一つの課題は、超希薄空気／燃料混合（ラムダ＞１．７５）および高ＢＭＥＰ（正味平均有効圧力）（＞１．８ＭＰａ（１８バール））での点火プラグの作動である。かかる作動条件において点火プラグ寿命は非常に短くなる傾向がある。結果として、高効率、大出力密度のガスエンジンの商用化は現実的ではない。
【０００６】
上記従来技術に説明されていないのは、特に超希薄空気／燃料混合および高ＢＭＥＰで電極腐食を最小化し点火プラグ寿命を最大化する、予室キャビティ、吸／排気ポート、電極の形状および配置に要求される属性および構成である。従来技術は、短絡およびプラグの失火の原因になる、点火プラグ予室内の電極間での水の凝縮の問題も扱っていない。更に、従来技術は、プラグ面が過熱し、過早点火（プレイグニッション）を生ずる問題についても取り組んでいない。
【０００７】
本発明は、超希薄空気／燃料混合および高ＢＭＥＰで作動するエンジンについてのこのような属性および構成を提供する。本発明のこれらの利点および他の利点、ならびに追加の発明の特徴は、ここで提供する本発明の説明から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超希薄混合および／または高めたエンジンＢＭＥＰで作動する予室点火プラグの点火プラグ寿命を最大化する方法および装置を提供する。電極の単位表面積当たりの放電エネルギーをより広い面積全体に広げ、火花ギャップ内での燃料の集中を維持し、放電時にガス静圧を制御し、そして電極温度を安全作動範囲内に維持することにより、電極腐食を軽減する。
【０００９】
空気／燃料混合内に旋回パターンが生じることにより、放電エネルギーは、より広い表面積へ広がる。一実施の形態では、旋回パターンは、点火プラグの端部キャップにある、端部キャップに角度を付けて穿孔した周辺孔により得られる。旋回の効果は、点火放電に作用する流れ場の力を発生させ、アークを移動させるので、電極での低めの比エネルギー放電をもたらし、よって電極腐食速度を減速させることになる。
【００１０】
点火プラグ電極は、可変寸法の火花ギャップを生成するよう接地電極および／または中心電極を形成することにより可変構成に配列される。可変寸法の火花ギャップにより、高圧作動での点火に必要な点火電圧を下げることができるので、点火に必要なエネルギーが低下する。この可変構成は、狭いギャップ内へ効果的に燃料を集中させる可変寸法の火花ギャップの最小ギャップにより、希薄空燃比で作動するエンジンの点火信頼性をもたらす。
【００１１】
予室点火プラグの中心電極は、予室キャビティ内へ突出している。その結果、中心電極は予室キャビティ内の空気／燃料混合の燃焼に、そしてその結果としての温度上昇に曝される。中心電極のセラミック絶縁体は、効果的な熱伝達路を提供することで、過早点火を生ずるおそれのある中心電極の過熱を防ぐよう設計される。
【００１２】
接地電極背後の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供するとともに、特に非常に希薄な空気／燃料混合で、信頼性がより高い点火を提供する。この容積により、別の燃焼サイクルの空気／燃料混合が予燃室に引き込まれるとき、燃焼生成物が後方へ押されることを可能にする。この容積は、非常に希薄な空気／燃料混合で、効果的な点火が達成されるように寸法が決められる。一実施の形態では、火花ギャップ背後の容積と点火プラグ予室容積との比は、エンジン燃焼室容積とエンジン排気量との比より大きい。
【００１３】
本発明の他の態様、目的、および利点は、付帯する図面と併せてみると、以下の詳細な説明から更に明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を特定の好適な実施の形態との関連で説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、付帯する請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲内に含まれるように、全ての代替、改変、および均等物を包含することを意図する。
【００１５】
本発明は、超希薄混合および高めたエンジンＢＭＥＰで作動する予室点火プラグの点火プラグ寿命を最大化する方法および装置を提供する。電極腐食に影響を及ぼす主要因には、電極単位表面積あたりの放電エネルギー、火花ギャップへの燃料集中、電気放電時のガス静圧、および電極温度が含まれる。
【００１６】
図１は、超希薄混合および高めたエンジンＢＭＥＰで作動する予室点火プラグの点火プラグ寿命を最大化するステップ全体を示す。最初に、ステップ全体を簡単に説明する。本明細書で用いるとき、超希薄混合は、少なくとも１．７５の空気過剰係数ラムダ（λ）を指し、λは次式により空燃比と関連している：
λ＝（実際の空燃比／化学量論的空燃比）
空気過剰係数λは、空燃比が、化学量論的混合を超え、または下回る量を示す。
【００１７】
図１に戻り、点火プラグ寿命を最大化するための一ステップ１０２は、流れ場の力を発生する通路を提供するステップである。流れ場の力は点火放電に作用して、作動中に発生するアークを移動させる。その結果、点火エネルギーをより広い電極表面上に分布して、単位面積あたりに放電される比エネルギーを低下する。電極で放電される比較的低い比エネルギーにより、電極腐食速度が下がる。作動条件によっては３０ｍ／秒程度の流れ場が要求されることがある。
【００１８】
点火プラグ寿命を最大化するための別のステップ１０４は、電極ギャップ領域の下方に十分な容積を提供して、作動中に前回サイクルからの燃焼生成物を収容するステップである。一実施の形態におけるこの容積は、点火プラグ予室容積にシリンダ容積比を乗じた値よりも大きい。この特徴により、非常に希薄な空燃比でも効果的な点火が可能になる。このステップと同時にまたは別に、熱伝達路を最適化（例えば最小化）して電極の過熱を防ぐのがよい。
【００１９】
点火プラグ寿命を最大化するための更なるステップ１０６は、０．１２７〜０．２５４ｍｍ（０．００５〜０．０１０インチ）程度の最小ギャップ、および０．７６２〜１．２７ｍｍ（０．０３〜０．０５インチ）程度の最大ギャップがあるような可変構成で電極を配置するステップである。可変寸法のギャップは、高ＢＭＥＰで点火絶縁破壊要求電圧を低下させる効果があり、また希薄空燃比で信頼性の高い点火が可能になる。
【００２０】
点火プラグ寿命を最大化するための更なるステップ１０８は、火花ギャップ近傍に、よりリッチな空気／燃料混合を集中するのに適した流れ場を点火時に提供するステップである。流れ場の特性は、エンジンの点火タイミングおよび予室点火プラグの吸気／排気ポートの構成により作り出される。５〜３０ｍ／秒程度の高い流れ場および上死点前の２０〜４０クランク角程度の大きな進角点火タイミングが好適である。というのは、ギャップでの静圧が低下するので、点火絶縁破壊要求電圧が低下するからである。
【００２１】
図２〜図４に転ずると、図１の各ステップと関連付けられた構造を具体化する予室点火プラグ２００の実施の形態が示されている。点火プラグは当該技術で周知なことから、予室点火プラグ２００の従来部分の詳細な説明をここで詳細に説明する必要はなかろう。点火プラグ２００は、円筒状外殻２０２と、先端部分２０４が外殻２０２から突出するように外殻２０２に嵌合された絶縁体とを含む。外殻２０２は、典型的には低炭素鋼等の金属材料で成形される。中心電極２０６は、先端部分２０４の一部分が絶縁体から突出するように絶縁体の内側に配置される。先端部分を用いて、予室点火プラグ２００内で空気／燃料混合が燃焼している間の中心電極２０６からの熱伝達路を提供する。
【００２２】
従来の点火プラグでは、接地電極は、一端を、例えば溶接により外殻に接合し、他端をその側面が中心電極２０６の先端部分に面するように、横方向に屈曲して用いる。従来の点火プラグとは異なり、本発明の接地電極２０８は円板形であり、中心電極２０６の一端２１０の近傍に取り付けられる。可変寸法の火花ギャップ２１２を、接地電極２０８と、中心電極２０６との間に形成する。接地電極２０８の配置は、エンジン容積比に依存する。エンジン容積比は、合計シリンダ容積の、主燃焼室容積に対する比である。一実施の形態では、予燃室内の接地電極２０８の配置は、予燃室の合計容積の、接地電極２０８背後の容積（すなわち、端部キャップ２１６の反対側の容積）に対する比が、エンジン容積比未満となるように選択する。式の形式でこれを書くと：
（式）  （Ｖp／Ｖg）＜（Ｖt／Ｖc）
ここで、Ｖpは合計予燃室容積（２１８1＋２１８2）、Ｖgは接地電極２０８背後の残りの容積（２１８2）、Ｖtは合計シリンダ容積（すなわち、ピストンにより排気される容積）、そしてＶcは燃焼室の容積（すなわち、空気／燃料混合を有するシリンダの容積）である。例えば、Ｖt／Ｖcが大きさで１０程度であると仮定すると、ＶpのＶgに対する比は１０未満にするのがよい。接地電極２０８の背後の容積は、予燃室から出なかった残りの燃焼生成物（前回の燃焼サイクルの間の）のための容積を提供する。残りの燃焼生成物は、予燃室への空気／燃料混合の吸入中に、空気／燃料混合を希薄化する。
【００２３】
注意すべきは、点火プラグ温度が合計予燃室容積の関数であるということである。プラグ温度は、主として室内で燃焼している燃料がより多量になるため、容積の増加に伴って上昇する（すなわち、熱くなる）のが典型的である。温度が上昇するので過早点火の可能性はある。しかし、容積の増加により燃焼性能が改善するのが一般的である。その理由は、オリフィスにて注入される高温ガスが増加し、それにより、燃焼を更に強化する、主燃焼室へのより多くの浸透と強い噴流を生む結果となるからである。結果的に、ＶpのＶgに対する実際に使用される比は、エンジン特性および所望性能に基づく。例えば、あるエンジンでは、Ｖp／Ｖgが５の方が、Ｖp／Ｖgが３の場合より良好に動作する一方、別のエンジンでは、Ｖp／Ｖgが３の方が、Ｖp／Ｖgが５の場合より良好に動作する。
【００２４】
従来の点火プラグとは違って、外殻２０２は接地電極２０６の端部２１０を越えて延在する。ねじ部分２１４が外殻２０２の外周面上に形成され、エンジン（不図示）の予燃焼室の中へ外殻２０２の部分が延在するように、エンジンブロック上へプラグ２００を取り付けるようになされている。
【００２５】
端部キャップ（旋回発生器）２１６は外殻２０２を閉じることで、予室キャビティ２１８を与える。予室キャビティ２１８は、電極２０８の前の点火可能容積２１８1と電極２０８の背後の残りの容積２１８2とからなる。図５（ａ）および図５（ｂ）に移ると、端部キャップ２１６は、作動中の新鮮な空気／燃料の充填および燃焼生成物の排出の入口となる穿孔２２０、２２２を含む。孔の面積および有効流れ係数の大きさを決めて最適な「呼吸」効率を確保にする。例えば、孔の面積は、亜音速ピストン運動中（例えば、ピストンが上死点を通って運動している時）は、予室キャビティ２１８を十分満たすことができるように大きくするのがよい一方、排出ガス（すなわち噴流）の音速速度を満足にもたらすには、小さくするのがよい。一実施の形態では、熱伝達を最大化し、過早点火の可能性を最小化する端部キャップ（旋回発生器）の構成は、シリンダヘッドと「同一平面」である。燃焼室構成およびシリンダヘッドの設計に応じて、僅かに突出する旋回発生器を構築すると効果的なことがある（図１１参照）。
【００２６】
中心孔２２０は典型的には真直（すなわち、点火プラグ２００の中心軸に平行）である。周辺孔２２２は排出ガスに旋回パターンを創り出すように角度が付けられている。ガス／燃料混合の旋回は、作動中に生ずるアークを移動させ、アークのエネルギーが接地電極２０８および中心電極２０６のより広い表面上で消散されるようにし、それにより接地電極２０８および中心電極２０６の温度を低下させる。角度θ、αならびに距離Ｄ1およびＤ2は、ピストンストロークの速度等のエンジン特性に基づいて選択する。周辺孔２２２は、一実施の形態では、排気（すなわち、主燃焼室の点火）中は周辺孔の流れを絞るような寸法にし、それにより主たる流れ（すなわち、高温ガスの排気）が、中心孔２２０を通って発生する一方、キャビティ２１８へのガスの取入中には、十分な流れを与えて予燃室内のガスの点火に役立つ旋回効果をもたらす。この旋回効果は、燃焼の安定性を改良し、適切な寸法にすれば、過剰な流れの制限を生ずることはない。角度付孔２２２は、以下に説明するように、点火放電に作用する流れ場の力を生み出す。一実施の形態では、角度付孔２２２の直径は１．５２４ｍｍ（０．０６０インチ）であり、中心孔２２０の直径は１．６５１ｍｍ（０．０６５インチ）である。火花ギャップでの高い流速により、エンジンが運転停止されている間に凝縮された水を掃き出すという付加的な利点も提供される。
【００２７】
図６（ａ）および図６（ｂ）に移ると、電極２０８の形状は中心電極２０６に関して離間するように形成される。電極２０８の離間はアーク放電の伸びと、可変寸法の火花ギャップ２１２とを生み出す。例えば、図６（ａ）で、接地電極が丸い突出形状を有することで、火花ギャップ２１２は中心電極２０６に対して凹型となる。火花ギャップ２１２が部位２２４で最小ギャップ寸法を有するとともに、火花ギャップ２１２が最小ギャップの両側で離間することが見てとれる。一実施の形態では、ギャップ寸法は、高ＢＭＥＰでの作動については、０．１２７〜０．２５４ｍｍ（０．００５〜０．０１０インチ）まで程度の最小ギャップ、０．７６２〜１．２７ｍｍ（０．０３０〜０．０５０インチ）程度の最大ギャップの範囲にある。注意すべきは、最小ギャップは更に狭くすることもできるであろうが、現行の製造上の許容値からして、コストの高い製造手法を用いずにギャップをどれだけ狭めることができるかということには限界がある。０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）のギャップは、製造許容値が最小であることで十分なほどに大きい。可変寸法のギャップ２１２は、高圧での点火要求電圧（すなわち駆動電圧）を下げる効果がある。更に、可変寸法は希薄空燃比条件で作動する間、より信頼性の高い点火を提供する。図６（ｂ）は可変火花ギャップ２１２の代替の実施を示す。
【００２８】
先に示したように、本発明は、点火放電に作用する流れ場の力を発生させて、アークを移動させ、ずっと広い表面積上に点火エネルギーを分布させる。これは、接地電極２０８上に重ねた端部キャップ２１６の周辺孔２２２を示す図７で見てとれる。アーク３０２に作用する、流れ場の力を矢印３００で表した図を示す。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。流れ場の力があれば、アークは移動し、アークと関係するエネルギーは、符号３０４で示す、より広い領域に分布する。図７に示すように、吸気／排気ポート２２２の構成は、主として矢印３００の方向に移動する流れ場を生み出す。別の構成を用いれば、流れ場は他の方向へ移動できる。吸／排気ポート２２２の構成は、流れ場が、点火時によりリッチな空気／燃料混合を火花ギャップ２１２近傍へ集中させ、よく作動するようにするのがよい。注意すべきは、吸／排気ポート２２２の構成に加えて、流れ場の特性もエンジン点火タイミングにより決定されるということである。５〜３０ｍ／秒程度の速い流れ場および上死点前の２０〜４０クランク角程度の大きな進角点火タイミングは、火花ギャップ２１２での静圧を下げ、点火電圧の駆動要求電圧を下げる。図８は、アーク上に作用する流れ場を伴う接地電極２０８の別の実施の形態を示す。注意すべきは、中心電極２０６の形が円形ではなく矩形であり、接地電極２０８は歯の形状である（すなわち台形である）。
【００２９】
上記の説明では、予室点火プラグを一体の外殻構造（図２を参照）として説明した。外殻は多部品による外殻構造の形をとってもよい。例えば、一般的な点火プラグの既存の外殻にアダプタを追加して、予室点火プラグの外殻を創り出すことにより、一般的な点火プラグを予室点火プラグへ変換できる。図９および図１０に転じると、一実施の形態では、アダプタ４５０を用いて、一般的な点火プラグから予室点火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および端部キャップ２１６に適合する寸法とされ、上記のようにしてＶp／Ｖgを有する予室キャビティ２１８を提供する。点火プラグ外殻４５４上のねじ部４５２は、研削または他の操作を通じて除去される（ステップ４００）。アダプタ４５０の内径は、ねじ部４５２を除去された外殻４５４に対し、表面４５６が緩やかに焼嵌められるように機械加工される（ステップ４０２）。一実施の形態では、焼嵌め代は略０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）程度である。アダプタを予熱し、点火プラグ外殻４５４上を滑り込ませる（ステップ４０４）。固定具を使って、点火プラグ外殻４５４をアダプタ４５０に保持し、矢印で示すような中心電極２０６からアダプタ４５０までの熱伝達路のための充分な接触を確保するのがよい（図１０参照）。主熱伝達路は、中心電極２０６から、絶縁体２０４を通り、テーパ付座４５８を出て、銅製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）に入る。熱伝達路は、予燃焼室２１８内の空気／燃料混合の点火による中心電極の熱のための通路を提供し、点火プラグの長寿命および過早点火の防止にとって重要である。アダプタ４５０は、溶接（符号４６０で示すように）またはその類により点火プラグ外殻４５４と一体化される（ステップ４０６）。溶接処理は、典型的には、ＴＩＧ溶接としばしば呼ばれることもあるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）または他の種類の溶接を用いて行う。３５０℃で略１７．２ＭＰａ（２５００ｐｓｉ）に耐えることができれば、ろう付け等の他の技法を用いてもよい。
【００３０】
アダプタ４５０を一体化した後、アダプタの組み立てを完成させる（ステップ４０８）。この組み立て完成には、キャビティ２１８内の接地電極２０８の取り付けおよび端部キャップ２１６の取り付けが含まれる。注意すべきは、端部２１０を接地電極２０８と面一にしなければならない場合、中心電極端部２１０を機械加工する必要があるということである。一実施の形態では、接地電極２０８は一つ以上のシールまたはガスケット４６２で内周の段部に接して保持される。接地電極２０８は、接地電極２０８の両側のシールまたはガスケットで定位置に保持してもよい。代替として、アダプタ４５０の内径にねじ部を設けて、接地電極をねじで定位置に保持してもよい。端部キャップ２１６をアダプタ４５０（または外殻２０２）内に取り付けるよう示しているが、注意すべきは、端部キャップ２１６はアダプタ４５０（または外殻２０２）に被せて取り付けてもよく、あるいはアダプタ４５０（または外殻２０２）の外径と面一であってもよいということである。
【００３１】
先に説明したように、僅かに突出した旋回発生器は、燃焼室構成およびシリンダヘッドの設計に応じて構築できる。図１１に移ると、代替の実施の形態における、外殻２０２（または、アダプタ４５０）の端部から僅かに突出した旋回発生器２１６'を示す。旋回発生器２１６'は、旋回発生器２１６に関して上記で説明したように、中心孔２２０'および周辺孔２２２'を有する。旋回発生器２１６'は、溶接、ろう付け、またはその類により外殻２０２へ取り付けられる。
【００３２】
上記説明から分かるように、超希薄混合および高めたエンジンＢＭＥＰで作動する予室点火プラグの点火プラグ寿命を最大化する方法および装置を説明してきた。電極腐食に影響を及ぼす主要因には、電極の単位表面積当たりの放電エネルギー、火花ギャップ内の燃料集中、電気放電時のガス静圧、および電極温度が含まれる。放電エネルギーは、端部キャップの周辺孔により生み出された旋回効果により、より広い表面積にわたって広がっている。旋回効果は、電極で低めの比エネルギー放電を生み出し、電極の腐食速度を下げる。更に、離間する電極ギャップで得られる速い流れ場により、電気放電が発生する前に、どんな水の凝縮も確実に掃き出される。接地電極および／または中心電極の形状の結果である離間する電極の構成は、高い作動圧力での点火電圧を低下させるので、点火に必要なエネルギーを低下させる一方、希薄空燃比で信頼性の高い点火を提供する。中心電極のためのセラミック絶縁体の設計により、効果的な熱伝達路をもたらして中心電極の過熱を防ぐ。接地電極背後の容積は、前回の燃焼サイクルからの燃焼生成物のための容積を提供するとともに、非常に希薄な空気／燃料混合で、ずっと信頼性の高い点火を提供する。
【００３３】
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、単数およ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」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」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すべての方法は、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または例示的な言い回し（例えば「など」）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、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。
【００３４】
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、上記説明を読んだ上で、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および均等物をすべて含む。さらに、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、すべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の教示による、予室点火プラグにおける点火プラグ寿命を最大化するために行われる全体ステップを示すフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の教示による、予室点火プラグの斜視図である。
【図３】図３は、図２の予室点火プラグの拡大図である。
【図４】図４は、図２の予室点火プラグの部分断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の教示による、吸気ポートを示す図２の予室点火プラグの端部キャップの正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の端部キャップの断面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の教示による、図４の線６ａ，６ｂ−６ａ，６ｂに沿う、離間する電極構成を有する接地電極の実施の形態の断面図であり、図６（ｂ）は、本発明の教示による、図４の線６ａ、６ｂ−６ａ、６ｂに沿う、離間する電極構成を有する接地電極の代替の実施の形態の断面図である。
【図７】図７は、接地電極上に重ねた、図５（ａ）、図５（ｂ）の吸気ポートを有する図６（ａ）の接地電極の断面図である。
【図８】図８は、接地電極上に重ねた、図５（ａ）、図５（ｂ）の吸気ポートを有する接地電極の代替実施の形態の断面図である。
【図９】図９は、アダプタを用いて一般的な点火プラグから予室点火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】図１０は、予室点火プラグを生成するようアダプタで修正した一般的な点火プラグの断面図である。
【図１１】図１１は、端部キャップが僅かに突出した予室点火プラグの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【国際調査報告】
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