(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希薄燃焼予燃焼室であって、
外面及び予燃焼室空間を密閉する内面と、
前記外面と前記内面との間を連通する１つ又は複数のノズルであって、吸入ゾーンを構成し、前記１つ又は複数のノズルの各々がノズルオフセットを含む、１つ又は複数のノズルと、
スロートを含む遷移ゾーンと、
スパークギャップ電極アセンブリを含む安定化ゾーンであって、
前記予燃焼室空間内に配置された一次電極と、
前記予燃焼室空間内に配置されかつ前記一次電極からずれて１つ又は複数の電極ギャップを形成する１つ又は複数の接地電極と、を含む安定化ゾーンと、
燃料吸気弁と、
前記希薄燃焼予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるように構成された取付機構と、を備え、
前記ノズルオフセットが約１ｍｍ〜約１０ｍｍであり、
前記吸入ゾーンの吸入径は約５ｍｍ〜約３０ｍｍであり、
前記希薄燃焼予燃焼室の最小径が前記吸入径であり、前記希薄燃焼予燃焼室の最大径が前記安定化ゾーンの径であり、
前記希薄燃焼予燃焼室の軸方向に規定される前記吸入ゾーンの吸入長は、前記軸方向に直交する方向に規定される前記吸入ゾーンの吸入径の約３倍〜約９倍であり、
前記軸方向に規定される前記遷移ゾーンの遷移長は前記吸入長の約０．２５倍〜約１．７５倍であり、
前記軸方向に規定される前記安定化ゾーンの安定化長は前記吸入長の約０．２５倍〜約２．５倍であり、
それによって、前記予燃焼室空間内で、前記軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動と、前記軸方向を中心として環状に延びる環状線を中心に渦輪パターンを形成する二次トロイド状渦巻運動と、を有する複合渦流パターンが発生させられる、希薄燃焼予燃焼室。
【請求項２】
前記取付機構が、前記シリンダヘッドの複数のめねじと取外し可能に係合するように構成された複数のおねじを含む、請求項１に記載の希薄燃焼予燃焼室。
【請求項３】
前記取付機構が、前記希薄燃焼予燃焼室を前記シリンダヘッドに締め付けるクランプを含む、請求項１に記載の希薄燃焼予燃焼室。
【請求項４】
前記複数のおねじが、スパークプラグの代わりに前記希薄燃焼予燃焼室が前記シリンダヘッドにねじ込まれるのを可能にするように、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズを含む、請求項２に記載の希薄燃焼予燃焼室。
【請求項５】
前記希薄燃焼予燃焼室内の混合気が、約１．２〜約２．０のラムダを有する均一な混合気分布を含む、請求項１に記載の希薄燃焼予燃焼室。
【請求項６】
前記複合渦流パターンの中心部に近接する燃焼イオン化センサをさらに含む、請求項１に記載の希薄燃焼予燃焼室。
【請求項７】
希薄燃焼方法であって、
予燃焼室を提供するステップであって、前記予燃焼室が、
外面及び予燃焼室空間を密閉する内面と、
前記外面と前記内面との間を連通する１つ又は複数のノズルであって、吸入ゾーンを構成し、前記１つ又は複数のノズルの各々がノズルオフセットを含む、１つ又は複数のノズルと、
スロートを含む遷移ゾーンと、
スパークギャップ電極アセンブリを含む安定化ゾーンであって、
前記予燃焼室空間内に配置された一次電極と、
前記予燃焼室空間内に配置されかつ前記一次電極からずれて１つ又は複数の電極ギャップを形成する１つ又は複数の接地電極と、を含む安定化ゾーンと、
燃料吸気弁と、を備える、ステップと、
前記予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるステップと、
少なくとも１つの燃料充填流を、前記燃料吸気弁を介して前記予燃焼室に導入するステップと、
前記１つ又は複数の電極ギャップのうちの少なくとも１つを横切ってスパークを導入して、混合気に点火するステップと、を含み、
前記ノズルオフセットが約１ｍｍ〜約１０ｍｍであり、
前記吸入ゾーンの吸入径は約５ｍｍ〜約３０ｍｍであり、
前記希薄燃焼予燃焼室の最小径が前記吸入径であり、前記希薄燃焼予燃焼室の最大径が前記安定化ゾーンの径であり、
前記予燃焼室の軸方向に規定される前記吸入ゾーンの吸入長は、前記軸方向に直交する方向に規定される前記吸入ゾーンの吸入径の約３倍〜約９倍であり、
前記軸方向に規定される前記遷移ゾーンの遷移長は前記吸入長の約０．２５倍〜約１．７５倍であり、
前記軸方向に規定される前記安定化ゾーンの安定化長は前記吸入長の約０．２５倍〜約２．５倍であり、
それによって、前記予燃焼室空間内で、前記軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動と、前記軸方向を中心として環状に延びる環状線を中心に渦輪パターンを形成する二次トロイド状渦巻運動と、を有する複合渦流パターンを発生させる、方法。
【請求項８】
前記渦輪パターンが、内側速度より低い外側速度を含み、それにより、火炎が前記渦輪パターン内に引き込まれ、励起され、加速された速度で成長する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複合渦流パターンの混合気内に引き込まれた潤滑油のいかなる液滴も、迅速に蒸発させかつ周囲の燃料と混合して、前記潤滑油の液滴の自己発火を防止するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記複合渦流パターンが、前記吸入ゾーンが比較的希薄なラムダであり前記安定化ゾーンが比較的濃厚なラムダである実質的に均一に分布した混合気を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記予燃焼室が、前記複合渦流パターンの中心部に近接して燃焼イオン化センサをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
濃厚ラムダ領域から希薄ラムダ領域に半径方向及び軸方向に火炎を漸進的に成長させて、複数の火炎ジェットが前記予燃焼室から出る前に前記予燃焼室において前記混合気の略完了した燃焼を達成するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
Ｉ．関連出願の相互参照
本出願は、「希薄燃焼予燃焼室（Lean Burn Pre-Combustion Chamber）」と題する２０１６年２月６日に出願された米国特許出願第６２／２９２，３０１号に対する優先権を主張する。上記特許出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
ＩＩ．発明の分野
本開示は、希薄燃焼（リーンバーン）予燃焼室のためのシステム及び方法に関し、より詳細には、天然ガスエンジンのＰＣＣ内で希薄混合気（ラムダ＝λ）の非常に効率的な火炎伝播を確実にするために一意の流体力学的（flow dynamic）方法及び結果としての予燃焼室を利用する、希薄燃焼予燃焼室に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＩＩ．発明の背景
予燃焼室（ＰＣＣ）点火は、希薄（リーン）限界を拡張し、内径の大きい（３６０ｍｍ〜５６０ｍｍ）天然ガスエンジンにおける燃焼の変動性を低減させる一般的な方法である。しかしながら、既存のＰＣＣ設計はすべて、「燃料過濃（リッチ）」燃焼状態で動作し、その結果、エンジン効率及びＮＯｘ排出の兼ね合いに関して燃焼性能が最適でなくなる。
【０００４】
ＩＶ．図面の簡単な説明
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ある実施形態に係る予燃焼室を示す。
【図２】ある実施形態に係る予燃焼室を示す。
【図３Ａ】ある実施形態に係るねじ込み予燃焼室を示す。
【図３Ｂ】ある実施形態に係るねじ込み予燃焼室を示す。
【図３Ｃ】ある実施形態に係る締付け予燃焼室を示す。
【図４Ａ】ある実施形態に係るさまざまなノズル角度のうちの１つを有する例示的な予燃焼室を示す。
【図４Ｂ】ある実施形態に係るさまざまなノズル角度のうちの１つを有する例示的な予燃焼室を示す。
【図５】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図６Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図６Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図７Ａ】ある実施形態に係るＪギャップ型スパークプラグを備えた希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図７Ｂ】ある実施形態に係るＪギャップ型スパークプラグを備えた希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図８Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気の流れパターンを示す。
【図８Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気の流れパターンを示す。
【図９Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気分布を示す。
【図９Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気分布を示す。
【図１０Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気の流れパターンを示す。
【図１０Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気分布を示す。
【図１１Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における火炎トーチを示す。
【図１１Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における火炎トーチを示す。
【図１２Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室におけるエンジンの図示熱効率（ＩＴＥ）に対する強力かつ一貫した火炎ジェットのプラスの影響を示す。
【図１２Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室におけるエンジンの図示熱効率（ＩＴＥ）に対する強力かつ一貫した火炎ジェットのプラスの影響を示す。
【図１３】ある実施形態に係る単一ノズルを備えた予燃焼室を示す。
【図１４】ある実施形態に係る複数のノズルを備えた予燃焼室を示す。
【図１５】ある実施形態に係る予燃焼室に対する数値流体力学（ＣＦＤ）結果を示す。
【図１６】ある実施形態に係る予燃焼室に対するラムダ分布を示す。
【図１７Ａ】ある実施形態に係る予燃焼室における混合気の流れパターンを示す。
【図１７Ｂ】ある実施形態に係る予燃焼室における混合気分布を示す。
【図１８】ある実施形態に係る予燃焼室に対する低乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を示す。
【図１９Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対する混合気の流れパターンを示す。
【図１９Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気の流れパターンを示す。
【図２０Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対するラムダ分布を示す。
【図２０Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室におけるラムダ分布を示す。
【図２１Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室を示す。
【図２１Ｂ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室を示す。
【図２１Ｃ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図２１Ｄ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【図２２Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室のノズル構成を示す。
【図２２Ｂ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室のノズル構成を示す。
【図２２Ｃ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室におけるノズル構成を示す。
【図２２Ｄ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室におけるノズル構成を示す。
【図２３Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の流速場を示す。
【図２３Ｂ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の流速場を示す。
【図２３Ｃ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の流速場を示す。
【図２３Ｄ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における流速場を示す。
【図２３Ｅ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における流速場を示す。
【図２３Ｆ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における流速場を示す。
【図２４Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対する混合気の乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を示す。
【図２４Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を示す。
【図２５Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の火炎ジェット運動量を示す。
【図２５Ｂ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の火炎ジェット運動量を示す。
【図２５Ｃ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における火炎ジェット運動量を示す。
【図２５Ｄ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における火炎ジェット運動量を示す。
【図２６】従来の予燃焼室及びある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室に対する改善された効率／排出を示す。
【図２７Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の流速場を示す。
【図２７Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における流速場を示す。
【図２８Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室の混合気分布を示す。
【図２８Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室における混合気分布を示す。
【図２９Ａ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図２９Ｂ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図２９Ｃ】ある実施形態に係る従来の予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図３０Ａ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図３０Ｂ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図３０Ｃ】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室に対する火炎面成長を示す。
【図３１】ある実施形態に係る希薄燃焼予燃焼室を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
Ｖ．詳細な説明
ある実施形態では、一意の流体力学的方法及び結果としての予燃焼室構造により、天然ガスエンジンのＰＣＣ内において希薄混合気（ラムダ＝λ）の非常に効率的な火炎伝播を確実にすることができる。希薄なラムダは、ＰＣＣに入れられる燃料の量を低減させることによって達成することができる。
【０００７】
ある実施形態では、希薄燃焼予燃焼室であって、予燃焼室空間（volume）を密閉する外面及び内面と、外面と内面との間を連通する１つ又は複数のノズルであって、各々がノズルオフセットを含む１つ又は複数のノズルと、スロートと、予燃焼空間内に配置された一次電極、及び予燃焼室空間内に配置されかつ一次電極からずれて１つ又は複数の電極ギャップを形成する１つ又は複数の接地電極を含むスパークギャップ電極アセンブリと、燃料吸気弁と、希薄燃焼予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるように構成された取付機構と、を備える希薄燃焼予燃焼室が開示される。取付機構は、シリンダヘッドの複数のめねじと取外し可能に係合するように構成された複数のおねじ、又は希薄燃焼予燃焼室をシリンダヘッドに締め付けるクランプを含むことができる。予燃焼室は、１つ又は複数のノズルを含む吸入ゾーンと、スロートを含む遷移ゾーンと、スパークギャップ電極アセンブリ及び燃料吸気弁を含む安定化ゾーンと、をさらに含むことができる。吸入ゾーンは高速向流を含むことができる。複数のおねじは、スパークプラグの代わりに予燃焼室がシリンダヘッドにねじ込まれるのを可能にするように、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズを含むことができる。ノズルオフセット及び吸入径は、予燃焼室空間において、軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動と、軸方向を中心とする渦輪パターンを形成する二次トロイド状渦巻運動とを有する複合渦流パターンを発生させるように構成することができる。渦輪は、内側速度より高い外側速度を含み、それにより、火炎が、渦輪内に引き込まれ、励起され、加速された速度で成長することができる。複合渦巻運動パターンに関与する潤滑油のいかなる液滴も、迅速に蒸発し、周囲の混合気と混合して、潤滑油の液滴の自己発火を防止することができる。複合渦巻運動パターンは、未燃焼燃料が１つ又は複数の火炎ジェットに先立って噴出されるのを防止し、それにより、濃混合気の燃焼を回避し、かつ高濃度のＮＯｘ及びＣＯの形成を回避するように構成することができる。複合渦巻運動パターンは、吸入ゾーンにおける比較的高い速度と安定化ゾーンにおける比較的低い速度とを含むことができる。複合渦巻運動パターンは、吸入ゾーンが比較的希薄なラムダであり安定化ゾーンが比較的濃厚なラムダである実質的に均一に分布した混合気を含むことができる。燃料吸気弁は、最大約７０％低い燃料流量を予燃焼室に送出して希薄混合気を達成するように構成された流量低減吸気弁を含むことができる。ノズルオフセットは、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの間であり得る。ノズルオフセットは、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例することができる。希薄燃焼予燃焼室は、約５ｍｍ〜約３０ｍｍの間の吸入径をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する吸入径をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、吸入径の約３倍〜約９倍の間の吸入長をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速���び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する吸入長をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、吸入長の約０．２５倍〜約１．７５倍の間の遷移長をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する遷移長をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、吸入長の約０．２５倍〜約２．５倍の間の安定化長をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する安定化長をさらに含むことができる。混合気は、速度が最大約３００ｍ／ｓの複合渦流を含むことができる。混合気は、最大２００ｍ／ｓの軸方向速度を含むことができる。混合気は、最大２００ｍ／ｓの軸方向速度を含むことができる。混合気は、ラムダが約１．２〜約２．０の間又は約１．６〜約１．９の間である均一な混合気分布を含むことができる。混合気は、安定化ゾーンにより濃厚な混合気があり吸入ゾーンにより希薄な混合気がある、約０．１〜約１．０の間のラムダの範囲の軸方向におけるラムダ層化を含むことができる。混合気は、約１００ｍ２／ｓ２〜約２００ｍ２／ｓ２の間の乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を含むことができ、１つ又は複数のノズルに向かってＴＫＥは高くなり、スパークギャップ電極アセンブリに向かってＴＫＥは低くなる。希薄燃焼予燃焼室は、複合渦流の中心部に近接して燃焼イオン化センサをさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、約２を超える最小径に対する最大径の比をさらに含むことができる。希薄燃焼予燃焼室は、約２を超える最大径に対する全長の比をさらに含むことができる。混合気は、半径方向及び軸方向に濃厚ラムダ領域から希薄ラムダ領域に漸進的な火炎成長をさらに含み、複数の火炎ジェットが予燃焼室を出る前に予燃焼室における混合気の略完了した燃焼を達成することができる。
【０００８】
ある実施形態では、希薄燃焼方法であって、予燃焼室を提供するステップであって、予燃焼室が、予燃焼室空間を密閉する外面及び内面と、外面と内面との間を連通する１つ又は複数のノズルであって、ノズルオフセット、スロート、予燃焼空間内に配置された一次電極、及び予燃焼室空間内に配置されかつ一次電極からずれて１つ又は複数の電極ギャップを形成する１つ又は複数の接地電極を含むスパークギャップ電極アセンブリと、燃料吸気弁とを含む、ステップと、予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるステップと、少なくとも１つの燃料充填流（fuel in-filling stream）を、燃料吸気弁を介して予燃焼室空間に導入するステップと、１つ又は複数の電極ギャップのうちの少なくとも１つを横切ってスパークを導入して、混合気に点火するステップとを含む方法が開示される。予燃焼室は、複数のおねじをさらに含むことができ、予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるステップは、シリンダヘッドの複数のめねじに複数のおねじをねじ込むことを含むことができる。予燃焼室をシリンダヘッドに取外し可能に取り付けるステップは、予燃焼室をシリンダヘッドに締め付けることを含むことができる。
【０００９】
予燃焼室は、１つ又は複数のノズルを含む吸入ゾーンと、スロートを含む遷移ゾーンと、スパークギャップ電極アセンブリ及び燃料吸気弁を含む安定化ゾーンとをさらに含むことができる。吸入ゾーンは、高速向流を含むことができる。複数のおねじは、スパークプラグの代わりに予燃焼室がシリンダヘッドにねじ込まれるのを可能にするように、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズを含むことができる。本方法は、予燃焼室空間内で、軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動と、軸方向を中心とする渦輪パターンを形成する第２トロイド状渦巻運動とを有する複合渦流パターンを発生させるステップをさらに含むことができる。渦輪は、内側速度より高い外側速度を含むことができ、それにより、火炎が、渦輪内に引き込まれ、励起され、加速された速度で成長する。本方法は、複合渦巻運動パターン混合気内に関与する潤滑油のいかなる液滴も、迅速に蒸発させかつ周囲の燃料と混合して、潤滑油の液滴の自己発火を防止するステップをさらに含む。複合渦巻運動パターンは、未燃焼燃料が１つ又は複数の火炎ジェットに先立って噴出されるのを防止し、それにより、濃混合気の燃焼を回避し、かつ高濃度のＮＯｘ及びＣＯの形成を回避することができる。複合渦巻運動パターンは、吸入ゾーンにおける比較的高い速度と安定化ゾーンにおける比較的低い速度とを含むことができる。複合渦巻運動パターンは、吸入ゾーンが比較的希薄なラムダであり安定化ゾーンが比較的濃厚なラムダである実質的に均一に分布した混合気を含むことができる。燃料吸気弁は、最大約７０％低い燃料流量を予燃焼室に送出して希薄混合気を達成するように構成された流量低減吸気弁を含むことができる。ノズルオフセットは、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの間であり得る。ノズルオフセットは、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例することができる。燃焼予燃焼室は、約５ｍｍ〜約３０ｍｍの間の吸入径をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する吸入径をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、吸入径の約３倍〜約９倍の間の吸入長をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する吸入長をさらに含むことができる。予燃焼室は、吸入長の約０．２５倍〜約１．７５倍の間の遷移長をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する遷移長をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、吸入長の約０．２５倍〜約２．５倍の間の安定化長をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び１つ又は複数の電荷密度のうちの少なくとも１つに比例する安定化長をさらに含むことができる。混合気は、速度が最大約３００ｍ／ｓの複合渦流を含むことができる。混合気は、最大２００ｍ／ｓの軸方向速度を含むことができる。混合気は、最大２００ｍ／ｓの���方向速度を含むことができる。混合気は、ラムダが約１．２〜約２．０の間又は約１．６〜約１．９の間である均一な混合気分布を含むことができる。混合気は、安定化ゾーンにより濃厚な混合気があり吸入ゾーンにより希薄な混合気がある、約０．１〜約１．０の間のラムダの範囲の軸方向におけるラムダ層化を含むことができる。混合気は、約１００ｍ２／ｓ２〜約２００ｍ２／ｓ２の間の乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を含むことができ、１つ又は複数のノズルに向かってＴＫＥは高くなり、スパークギャップ電極アセンブリに向かってＴＫＥは低くなる。燃焼予燃焼室は、複合渦流の中心部に近接して燃焼イオン化センサをさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、約２を超える最小径に対する最大径の比をさらに含むことができる。燃焼予燃焼室は、約２を超える最大径に対する全長の比をさらに含むことができる。本方法は、濃厚ラムダ領域から希薄ラムダ領域に半径方向及び軸方向に火炎を漸進的に成長させて、複数の火炎ジェットが予燃焼室から出る前に予燃焼室において混合気の略完了した燃焼を達成するステップをさらに含むことができる。
【００１０】
ＰＣＣは、主燃焼室（ＭＣＣ）容積のおよそ１％〜３％であり得る密閉空間を含むことができ、スパークプラグ及び燃料通路が、ＰＣＣ吐出口の反対側に位置している。こうした装置は、比較的小さい容積内で、確実に点火することができる濃混合気を生成することができ、その結果、高速火炎ジェット／トーチが予燃焼室から主燃焼室に出ていくことになり、それにより、希薄混合気の燃焼を促進する。こうした装置の例を図１に示す。（１０１）はスパークプラグであり、（１０２）は燃料通路であり、（１０３）は予燃焼室空間であり、（１０４）は、火炎トーチを発生させる吐出ノズルであり、（１０５）は２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズとすることができ、それにより、ＰＣＣをスパークプラグの代わりにシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００１１】
ＰＣＣの別の例を図２に示す。燃料吸気弁受け（２０５）及びスパークプラグ受け（２０６）がＰＣＣの頂部に並んで配置されており、ＰＣＣの全体的な配置は維持することができることが分かる。しかしながら、この場合、単一の吐出ノズルの代わりに複数の吐出ノズル（２０４）を用いることができる。これは、単一ノズル型に対する改良であり得るが、濃混合気が効率的に燃焼しかつ高出力火炎トーチを発生させる必要があるという制限が依然としてある可能性がある。この制限は、表面と容積との比が比較的高い可能性がある比較的小さい空間内で燃焼が発生し、比較的高い熱損失をもたらし、したがって火炎を消滅させる傾向が高くなるという事実による可能性がある。さらに、ノズルの領域において直径が大きいため、この種のＰＣＣは、スパークプラグの代わりにシリンダヘッドにねじ込むことができない。
【００１２】
図２を参照すると、ＰＣＣの全体的な構成は、効率的な希薄燃焼のために３つの臨界ゾーンに分割することができる。
・ノズルを含む、「吸入」ゾーン（２０３）として定義されるゾーン１。このゾーンは、圧縮段階中に主流体力学的パターンを規定することができる。
・スロートを含む、「遷移」ゾーン（２０２）として定義されるゾーン２。このゾーンは、高速流から低速流への遷移を規定することができる。
・燃料吸気弁及びスパークプラグを含む、安定化ゾーン（２０１）として定義されるゾーン３。
【００１３】
ある実施形態では、本発明によって提供される一意の流体力学的方法及び結果としての予燃焼室により、スパークプラグの代わりにシリンダヘッド内に直接ねじ込まれるように、２２ｍｍ又は７／８”ねじサイズ（６０５及び７０５）に適合されているという特徴を維持しながら、ＰＣＣにおいて希薄混合気の非常に効率的な燃焼を達成するように、流れ及び混合気分布を系統立てることが可能になる。
【００１４】
図３Ａ及び図３Ｂに示すようなある実施形態では、ねじ機構（３０１）を備えたねじ込みＰＣＣは、所定値のノズルオフセット（３０３）及び吸入径（３０２）を有することができ、それらの値は、軸流と結合された回転流を発生させ、軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動パターンと、軸方向を中心とする、渦輪パターンを形成する二次トロイド状渦巻運動パターンとを有する複合渦流パターンをもたらすのに好適であり得る。この種の流れは、ノズル（２０４）のゾーン１では比較的高い速度を有し、スパークプラグ（２０１）のゾーン３では比較的低い速度を有することができる。ある実施形態では、比較的静止した領域で発生した火炎は、その後、外側速度が内側速度より高い可能性がある渦輪内に引き込まれる可能性がある。この条件下で、火炎が励起される可能性があり、加速した速度で成長することができる。これによってまた、渦輪は熱損失の影響を受けにくくなり、したがって、渦内のエネルギーを保持することができる。結果として、より希薄な混合気の燃焼を非常に効率的に達成することができる。
【００１５】
図３Ｃに示すようなある実施形態では、希薄燃焼予燃焼室（３０４）は、スパークプラグ（３０６）を受け入れるように構成されたスリーブ（３０５）を組み込むことができる。スリーブは、希薄燃焼予燃焼室（３０４）内に燃料を入れる燃料通路（３０７）をさらに含むことができる。予燃焼室は、予燃焼室をシリンダヘッド（３０９）に取外し可能に取り付けるクランプ（３０８）と、燃焼ガスの漏れを防止するシール（３１０）とを含むことができる。
【００１６】
ある実施形態では、ゾーン３（２０１）に複合渦流パターンが存在することにより、この流れパターンに関与する潤滑油のいかなる液滴も、急速に蒸発し周囲と混合することができる。この特定の特徴により、高出力密度エンジンにおいて燃焼不安定性をもたらすことが知られている液滴の自己発火を防止することができる。さらに、ゾーン１（２０３）は、高乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）をもたらす高速向流を特徴とすることができる。この高ＴＫＥもまた、ＰＣＣに入る潤滑油液滴の迅速な蒸発及び混合を促進し、それにより、高出力密度エンジンにおいて燃焼不安定性をもたらすことが知られている液滴の自己発火を防止するのに役立つ。
【００１７】
ある実施形態では、ＰＣＣにおける混合気（ラムダ＝λ）は、スパークプラグゾーン３では濃厚なラムダで、ノズルゾーン１では希薄なラムダで均一に分散させることができる。これにより、ＰＣＣから火炎ジェットに先立って未燃焼燃料が噴出するのを防止することができ、それにより、高濃度のＮＯｘ及びＣＯの形成をもたらす可能性がある過度に濃厚な混合気の燃焼を回避することができる。
【００１８】
図４Ａ及び図４Ｂに示すある実施形態では、希薄燃焼ＰＣＣにおいて請求項に係る一意のかつ改善された流体力学を達成するために必要な、本発明の角度付きノズル（４０２）と、従来のＰＣＣの直線状ノズル（４０１）との間の比較を示す。希薄燃焼ＰＣＣのノズル領域の直径が比較的小さいため、２２ｍｍ又は７／８”ねじ（３０１）を用いて、従来のスパークプラグの代わりにシリンダヘッドに希薄燃焼ＰＣＣをねじ込むことができる。
【００１９】
ある実施形態では、ＰＣＣ内の安定した流速及びラムダ分布の結果として、図５に示すように、ＰＣＣの頂部で、燃料弁（５０１）とスパークプラグ（５０３）との間で、流速及び燃料濃度の変動がごくわずかである領域を達成することができる。この領域は、燃焼イオン化センサ（５０２）が、流速及び燃料濃度の変動からの雑音を実質的に低減させて確実かつ一貫した信号を発生させるために、理想的な位置を構成することができる。こうした信号を用いて、ＰＣＣに入れられる燃料の量を正確に制御することができ、したがって、エンジン効率を最大限にしかつＮＯｘ排出を低減させる、所望の狭い範囲内にＰＣＣの動作を維持することができる。ＰＣＣは、ノズル（５０４）及びねじ機構（５０５）をさらに含むことができる。
【００２０】
ある実施形態では、図６Ａ及び図６Ｂに、燃料弁（６０１）及び燃焼イオン化センサ（６０２）を含む希薄燃焼ＰＣＣが示されている。この場合、希薄燃焼ＰＣＣ用の点火源として、電極ギャップ（６０４）を有するラジアルギャップスパークプラグ（６０３）を使用することができることが分かる。ＰＣＣは、ノズル（６０６／６０７）をさらに含むことができる。図７Ａ及び図７Ｂは、燃料弁（７０１）及び燃焼イオン化センサ（７０２）を含む同じ概念を示すが、電極ギャップ（７０４）を有するＪギャップ型スパークプラグ（７０３）を使用する。ＰＣＣは、ノズル（７０６／７０７）をさらに含むことができる。スパークプラグ電極の設計が異なることにより、２つのＰＣＣにおける安定化ゾーン、遷移ゾーン及びノズル領域の形状が幾分か異なる可能性がある。いずれの実施形態にも、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（６０５及び７０５）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００２１】
ある実施形態では、数値流体力学（ＣＦＤ）を使用することができる。流速ベクトルを表す、図８Ａ及び図８Ｂに示すある実施形態では、ＰＣＣがある実施形態の教示にしたがって構成される場合、回転流（８０９／８１０／８１１）を軸流（８０７）と結合し、それにより、（図８Ｂに示す）軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動（８０９／８１０／８１１）と、軸方向を中心とする、強制渦輪（８０５）を形成する二次トロイド状渦巻運動とを有する、複合渦構造（８０４）をもたらすことができる。流速は、ノズルの領域の方が高く、スパークプラグ（８０３）、燃料弁（８０１）及び燃焼イオン化センサ（８０２）の領域の方が低い可能性がある。さらに、図９Ａ及び図９Ｂに示すある実施形態では、混合気分布（ラムダ＝λ）を均一に分布させることができ、燃料弁（９０１及び９１１）、燃焼イオン化センサ（９０２及び９１２）ならびに電極ギャップ（９０５）を有するスパークプラグ（９０４及び９１３）に近接して濃厚なラムダ（９０３）があることが分かる。ラムダは、領域（９０６）ではさらに高く、ノズル（９１０）の領域ではより希薄であり得る。いずれの実施形態にも、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（８０６及び９０７）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッド（８０８）にねじ込むことができる。
【００２２】
ある実施形態では、図１０Ａ及び図１０Ｂは、ラジアルギャップ（６０４）スパークプラグ（６０３）を有する希薄燃焼ＰＣＣからもたらされる流速及びラムダ分布を示す。ギャップ（１００１）及び（１００３）の表面全体を横切って、速度（１００２）及びラムダ（１００４）が非常に均一であり得ることが分かる。これらの状態により、一貫した火炎核成長を可能にすることができ、したがって、周期的変動を最小限にすることができる。
【００２３】
ある実施形態では、渦輪と組み合わされた流速及びラムダの一意の分布により、希薄ＰＣＣにおいて非常に効率的な燃焼を達成することができる。こうした実施形態では、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す燃焼ＣＦＤシミュレーションによって示すように、非常に安定しかつ強力な火炎ジェット又はトーチ（１１０６／１１０７）がノズルから主燃焼室内に出ていくことができる。これらの実施形態は、燃料弁（１１０１）、燃焼イオン化センサ（１１０２）、スパークプラグギャップ（１１０４）を有するスパークプラグ（１１０３）を含むことができる。これらの実施形態に、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（１１０５）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００２４】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すようなある実施形態では、強力かつ一貫した火炎ジェットは、エンジンの図示熱効率（ＩＴＥ）に対してプラスの効果を有することができる。異なる様式のスパークプラグ（すなわち、Ｊギャップ又はラジアルギャップ）によって、異なる燃焼圧力を達成することができることが分かる。しかしながら、使用されるスパークプラグのタイプに関わらず、ＰＣＣにおける非常に効率的な燃焼により、主燃焼室（ＭＣＣ）に非常に効率的な燃焼をもたらすことができ、それにより、４５％を超えるエンジンの図示熱効率（ＩＴＥ）をもたらすことができる。
【００２５】
図１３に、単一ノズルを備えた従来のＰＣＣの例を示し、従来のＰＣＣは、スパークプラグ（１３０１）、燃料通路（１３０２）、予燃焼室空間（１３０３）、火炎トーチを発生する吐出ノズル（１３０４）を含み、ねじ機構（１３０５）は、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズを有することができ、ＰＣＣがスパークプラグの代わりにシリンダヘッドにねじ込まれるのを可能にする。この種のＰＣＣの性能は、図１４に示す、燃料通路受け（１４０１）、スパークプラグ受け（１４０２）、予燃焼室空間（１４０３）及び吐出ノズル（１４０４）を含む多ノズルＰＣＣの性能より劣ることが分かった。この理由で、多ノズルＰＣＣは、ＰＣＣの最新技術とみなされ、ある実施形態の希薄燃焼ＰＣＣと比較するために使用される。
【００２６】
図１５に示すようなある実施形態では、従来のＰＣＣ構成に対するＣＦＤシミュレーション結果を示す。流速が非常に系統立っていない可能性があることが分かる。直交平面における比較的低速の領域（１５０１）に隣接して、下方向の比較的高速の領域（１５０２）があり、それに隣接して、上方向の比較的高速の領域（１５０３）がある可能性がある。
【００２７】
ラムダ分布もまた、非常に不均質である可能性があり、それは、図１５の従来のＰＣＣでは流れが一貫したパターンに従わないためであり得る。ある実施形態では、図１６は、ラムダが過度に濃厚な大きいポケット（１６０１）及び（１６０２）を有する、この種のＰＣＣにおけるラムダ分布を示し、それらのポケットでは、火炎伝播速度は著しく低下し、熱損失の増大、したがって効率の損失をもたらす。図１６は、ラムダがより希薄の領域（１６０３）も示す。
【００２８】
図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、スパークギャップにおいても、不均一な流速及びラムダ分布が存在する可能性がある。一方向における高速の領域（１７０３）は、速度が幾分か低くかつ反対方向である領域（１７０４）によって対照させることができることが分かる。同様に、スパークギャップ内に、過度に濃厚なラムダの大きいポケット（１７０１）及び過度に希薄なラムダの大きいポケット（１７０２）が存在する可能性があることが分かる。この状態により、ＰＣＣにおける燃焼プロセスにさらなる変動性が加わる可能性がある。
【００２９】
ある実施形態では、従来のＰＣＣにおいて、図１８に示すような低乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）を見出すことができる（１８０１及び１８０２）。低ＴＫＥは、ＰＣＣに低火炎伝播速度をもたらす可能性があり、それにより、熱損失が増大し火炎ジェット／トーチ運動量が低減することになる可能性がある。その結果、ＰＣＣの全体的な有効性が低くなる可能性がある。
【００３０】
ある実施形態、及び高度な数値流体力学（ＣＦＤ）の適切な使用において、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズのスパークプラグの代わりに、内径の大きい天然ガスエンジンのシリンダヘッド内にねじ込むように構成することができる、後付け可能な希薄燃焼予燃焼室（ＰＣＣ）を考案することができる。この新たなタイプのＰＣＣ構造は、ＰＣＣ内に希薄混合気（λ＝１．２〜２．０のラムダ範囲）の効率的な燃焼を維持することができる。こうした希薄混合気は、ＰＣＣに入れられる燃料の量を低減させることによって達成することができる。希薄燃焼ＰＣＣでの動作は、０．２５ｇ／ｂｈｐ−ｈｒを下回る非常に低いＮＯｘレベルを維持し、かつ変動係数（ＣＯＶ）が約２％未満である非常に低い燃焼変動性で、エンジンのブレーキ熱効率（ＢＴＥ）を著しく改善することができる。さらに、ある実施形態における流速及び混合気（ラムダ）分布が安定しかつ均一であることにより、信頼できる燃焼イオン化フィードバック制御信号を提供することができ、かつ最大効率及び最小ＮＯｘ及びＣＯ排出の狭い範囲内で本発明のＰＣＣを動作させることを可能にする、燃焼イオン化センサを使用することができる。
【００３１】
図１９Ａ及び図１９Ｂに示すようなある実施形態では、従来のＰＣＣの流体力学的特徴とある実施形態の希薄燃焼ＰＣＣの流体力学的特徴との比較を示す。従来のＰＣＣは、無秩序かつ不安定な流れ（１９０１、１９０２及び１９０３）を有する可能性があり、希薄燃焼ＰＣＣにおける流れは、直交渦（１９０７）、渦輪（１９０９）及び軸渦流パターン（１９１０）からなる系統立った流れを特徴とすることができる。また、図１９Ｂには、燃料吸入ポート（１９０４）とスパークプラグ（１９０６）との間の比較的静止したゾーンに位置するイオンセンサ（１９０５）も描かれている。図１９Ｂに示す他の特徴は、希薄燃焼ＰＣＣのシリンダヘッド（１９１１）における設置を可能にするねじ切り領域（１９０８）である。
【００３２】
同様に、希薄燃焼ＰＣＣと比較した従来のＰＣＣにおけるラムダ分布は、濃混合気の大きいポケット（２００１及び２００２）ならびに希薄混合気の大きい領域（２００３）により、はるかに多様である可能性がある。対照的に、燃料弁（２００４）、イオン化センサ（２００５）、及びスパークプラグギャップ（２００７）を有するスパークプラグ（２００６）を含む希薄燃焼ＰＣＣは、適度に濃厚な領域（２００８）及び適度に希薄な領域（２０１０）がある、非常に均一なラムダ分布を達成することができる。図２０Ｂは、シリンダヘッド（２００９）も示す。
【００３３】
図２１Ａ〜図２１Ｄに描くある実施形態では、従来のＰＣＣと希薄燃焼ＰＣＣとの構造的比較が示されている。燃料通路受け（２１００）、スパークプラグ受け（２１０１）、予燃焼室空間（２１０２）及び吐出ノズル（２１０３／２１０４）を含む従来のＰＣＣ（２１０２）とは異なり、希薄燃焼ＰＣＣは、角度付きノズル（２１１０、２１１１）、ねじ切り領域（２１０９）、及び電極ギャップ（２１０８）を有するスパークプラグ（２１０７）と燃料吸気弁（２１０５）との間に位置する燃焼イオン化センサ（２１０６）を有することが分かる。これらの実施形態に、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（２１０９）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００３４】
ある実施形態では、図２２Ａ〜図２２Ｄに、ノズルのより詳細な比較を示す。ノズル（２２０１／２２０２）を有する従来のＰＣＣとは異なり、希薄燃焼ＰＣＣは、希薄燃焼ＰＣＣにおける希薄混合気の効率的な燃焼に対して必要である可能性がある、軸流（１９１０）及び渦輪（１９０９）を含む複合渦流パターン（１９０７）を達成するために好適な、角度付きノズル（２２０３／２２０４）を有することができることが分かる。
【００３５】
図２３Ａ〜図２３Ｆに示すようなある実施形態では、スパークプラグギャップにおいて達成することができる流速場の比較を示す。従来のＰＣＣは非常に一貫性のない流れ（２３０１、２３０２、２３０４）を有する可能性があるが、希薄燃焼ＰＣＣは、非常に均一な流速の大きさ及び方向（２３０５、２３０６、２３０７）を有することができることが分かる。
【００３６】
図２４Ａ及び図２４Ｂに示すようなある実施形態では、希薄燃焼ＰＣＣによって達成される乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）のレベル（２４０８、２４０７）と比較した、従来のＰＣＣにおいて達成される乱流運動エネルギー（ＴＫＥ）のレベル（２４０１、２４０２）を示す。燃料弁（２４０３）、燃焼イオン化センサ（２４０４）、及びスパークプラグギャップ（２４０６）を有するスパークプラグ（２４０５）を含む希薄燃焼ＰＣＣによって達成されるＴＫＥは、複合渦流パターン（１９０７）の渦輪（１９０９）との相互作用のために、はるかに高くなる可能性があることが分かる。ＴＫＫが高くなることにより、燃焼効率が高くなる可能性がある。これらの実施形態に、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（２４０９）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００３７】
ある実施形態では、図２５Ａ〜図２５Ｄにおいて、ＰＣＣから現れる火炎ジェット運動に関して、従来のＰＣＣと比較した希薄燃焼ＰＣＣの優れた性能を示す。燃料弁（２５０３）、燃焼イオン化センサ（２５０４）、及びスパークプラグギャップ（２５０６）を有するスパークプラグ（２５０５）を含む希薄燃焼ＰＣＣの場合、火炎ジェット（２５０８、２５０９）は、従来のＰＣＣから現れる火炎ジェット（２５０１、２５０２）と比較してより一貫しかつはるかに大きくなる可能性がある。これらの実施形態に対して、２２ｍｍ×１．５又は７／８”−１８ねじサイズ（２５０７）を適合させることができ、それにより、従来のスパークプラグの代わりに希薄燃焼ＰＣＣをシリンダヘッドにねじ込むことができる。
【００３８】
ある実施形態では、火炎ジェットが大きくなりかつより一貫することにより、より優れた燃焼性能を達成することができる。図２６は、１パーセントポイント（４５％から４６％を超えるまで）を超えるような、改善された効率／排出（ＩＴＥ／ＮＯｘ）の兼ね合いを示す。
【００３９】
図２７Ａ及び図２７Ｂに示すある実施形態では、燃焼イオン化センサ位置における流速比較を示す。従来のＰＣＣ（図２７Ａ）の場合、速度ベクトルは異なる大きさ及び方向を有するため（２７０１、２７０２及び２７０３）、流速場は非常に系統立っていない可能性があることがわかる。これらの状態下では、燃焼イオン化センサからの信号は非常に雑音が多い可能性があり、燃焼プロセスに対する閉ループ制御を非常に信頼性の低いものとする可能性がある。一方、希薄燃焼ＰＣＣ（図２７Ｂ）の場合、速度ベクトルは同様の大きさ及び方向を有するため（２７０４、２７０５及び２７０６）、流速場は非常に系統立っている可能性がある。これらの状態下では、燃焼イオン化センサからの信号は、信号対雑音比が高く、非常に強力かつ一貫している可能性があり、燃焼プロセスに対する閉ループ制御を非常に信頼性の高いものとすることができる。
【００４０】
燃焼イオン化センサの位置における混合気分布に関して、図２８Ａに示すようなある実施形態では、従来のＰＣＣに対する混合気分布は、非常に濃厚な混合気の領域（２８０１、２８０２）及び非常に希薄な混合気の領域（２８０３）があって非常に多様である可能性がある。この状態により、著しい信号雑音を導入される可能性があり、燃焼プロセスの閉ループ制御が非常に信頼性の低いものとなる可能性がある。対照的に、希薄燃焼ＰＣＣによる混合気分布（図２８Ｂ）は、燃焼イオン化センサ（２８０５）の位置を含む予燃焼室を通して（２８０４、２８０５、２８０６及び２８０７）、非常に均一であり得る。これらの状態下で、燃焼イオン化センサ（２８０５）からの信号は、強力かつ一貫している可能性があり、高い信号対雑音比を有することができ、燃焼プロセスの閉ループ制御を非常に信頼性の高いものとすることができる。
【００４１】
ある実施形態では、希薄燃焼ＰＣＣの制御された流体力学は、燃料が燃焼する方法に対して著しい影響を与える可能性がある。図２９Ａ〜図２９Ｃに、従来のＰＣＣにおける火炎面成長を描く。火炎成長は、ＰＣＣの一方の側に極めてかたより（２９０１、２９０２、２９０３）、ＰＣＣ空間の部分燃焼をもたらす可能性があることが分かる。この状態下では、現れる火炎ジェットは同時でない可能性がある（２９０４）。
【００４２】
希薄燃焼ＰＣＣの場合、図３０Ａ及び図３０Ｂに示すように、火炎成長ははるかに均一であり得る。初期火炎面は、複合渦の効果により、中心に置くことができ（３００１）、高ＴＫＥによって加速されてノズルに向かって均一に成長することができる（３００２）。したがって、図３０Ｃに示すように、ＰＣＣ空間を完全に燃焼させることができ（３００３）、ノズルから同時の火炎ジェットが現れる（３００４）。
【００４３】
図３１に、希薄燃焼ＰＣのある実施形態を示す。所定の値のノズルオフセット（３０３）及び吸入径（３１０３）を有する希薄燃焼ＰＣＣは、軸流（３１０２）と結合された回転流を発生させることができ、その結果、軸方向に対して直交する平面における一次渦巻運動パターンと、軸方向を中心とする渦輪パターン（３１０１ｂ）を形成する二次トロイド状渦巻運動パターンとを有する複合渦流パターン（３１０３ａ及び３１０３ｂ）をもたらすことができる。渦輪（３１０１ｂ）は、内側速度より低い外側速度を有することができ、それにより、火炎は渦輪内に引き込まれ、励起されかつ加速された速度で成長する。複合渦流パターン（３１０１ａ及び３１０１ｂ）により、この流れパターンで現れる潤滑油のいかなる液滴も、迅速に蒸発しかつ周囲と混合することができ、それにより液滴の自己点火を防止することができる。スパークプラグ領域において混合気がより濃厚であって、ノズル領域に向かって混合気が希薄になるように、混合気を均一に分布させることができる。複合渦流パターン（３１０１ａ及び３１０１ｂ）の混合気分布により、火炎ジェットに先立って未燃焼燃料がＰＣＣから噴出するのを防止することができ、それにより濃混合気の燃焼が回避され、かつ、高濃度のＮＯｘ及びＣＯの形成を回避することができる。ねじ機構（３１０８）を有するねじ込みＰＣＣにより、Ｍ２２×１．５又は７／８”−１８ねじサイズのスパークプラグの代わりにねじ込みＰＣＣを設置することができる。流量低減燃料吸気弁（３１０９）は、ＰＣＣにおいて最大７０％低い燃料流量を送出して、希薄混合気状態を達成することができる。ＰＣＣの幾何学的構造は、以下のパラメータ範囲によって定義することができる。
ａ．ノズルオフセット（３０３）は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの間であり得る。
ｂ．吸入径又は内径（３１０３）は、約５ｍｍ〜約３０ｍｍの間であり得る。
ｃ．吸入長（３１０４）は、内径（３１０３）の３〜９倍の間であり得る。
ｄ．遷移長（３１０５）は、吸入長（３１０４）の０．２５〜１．７５倍の間であり得る。
ｅ．安定化長（３１０６）は、吸入長（３１０４）の０．２５〜２．５倍の間であり得る。
【００４４】
上述した幾何学的構造範囲は、エンジンシリンダ内径、ピストン速度、燃焼室流速及び電荷密度に対して比例関係を有することができる。上述した幾何学的構造範囲は、最大約３００ｍ／ｓの複合渦流速度（３１０１）、最大約２００ｍ／ｓの軸方向速度、ノズル（１９１０）に向かって高速になる流速、及びスパークプラグ（１９０７）における低速な流速、最大λ＝１．６〜１．９の均一な混合気分布（２００７、２００８及び２０１０）、スパークプラグ領域（２００７）において混合気がより濃厚であって、ノズル（２０１０）に向かって混合気が希薄になる、λ＝０．１〜１．０の範囲の軸方向におけるラムダ層化、ノズルに向かうほどＴＫＥが高く、スパークプラグに向かうほどＴＫＥが低くなる、約１００ｍ２／ｓ２から約２００ｍ２／ｓ２を超える範囲の高ＴＫＥ（２４０７、２４０８）をもたらすことができる。燃焼イオン化センサ（３１０７）は、速度及び混合気変動の範囲が最小限であり得る複合渦流場の中心部に近接して配置することができ、それにより、結果としてのイオン化信号の信号に対する雑音の比を低くすることができる。ＰＣＣの最小径（３１０３）に対する最大径（３１１０）の比は、２を超えることができる。全長＝（３１０４）＋（３１０５）＋（３１０６）を最大径（３１１０）で割った値として定義されるＰＣＣアスペクト比は、２を超えることができる。
【００４５】
上述した幾何学的構造範囲により、半径方向及び軸方向において（３００２）、濃厚ラムダ領域から希薄ラムダ領域への漸進的火炎成長（３００１）をもたらすことができ、それにより、火炎ジェットがＰＣＣから出る前にＰＣＣにおいて混合気の略完全な燃焼（３００３）を達成することができ、その結果、強力かつ同時の火炎ジェットをもたらすことができる。
【００４６】
本発明について、その具体的な実施形態に関して記載したが、当業者により、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができ、均等物に置き換えることができることが理解されるべきである。さらに、本発明の目的、趣旨及び範囲に対して、特定の状況、材料、組成物、方法、１つ又は複数の動作を適応させるように、多くの変更を行うことができる。こうした変更のすべてが、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるように意図されている。特に、本明細書で開示した方法は、特定の順序で行われる特定の動作に関して記載しているが、これらの動作は、本発明の教示から逸脱することなく、結合し、細分し、又は順序を変えて均等な方法を形成することができることが理解されよう。したがって、本明細書において特に指示がない限り、動作の順序及びグループ化は本発明を限定しない。
【符号の説明】
【００４７】
１０１  スパークプラグ
１０２  燃料通路
１０３  予燃焼室空間
１０４  吐出ノズル
１０５  ねじ
２０１  安定化ゾーン
２０２  遷移ゾーン
２０３  吸入ゾーン
２０４  吐出ノズル
２０５  燃料吸気弁受け
２０６  スパークプラグ受け
３０１  ねじ機構
３０２  吸入径
３０３  ノズルオフセット
３０４  希薄燃焼予燃焼室
３０５  スリーブ
３０６  スパークプラグ
３０７  燃料通路
３０８  クランプ
３０９  シリンダヘッド
３１０  シール
４０１  直線状ノズル
４０２  角度付きノズル
５０１  燃料弁
５０２  燃焼イオン化センサ
５０３  スパークプラグ
５０４  ノズル
５０５  ねじ機構
６０１  燃料弁
６０２  燃焼イオン化センサ
６０３  ラジアルギャップスパークプラグ
６０４  電極ギャップ
６０５  ねじ
６０６  ノズル
６０７  ノズル
７０１  燃料弁
７０２  燃焼イオン化センサ
７０３  Ｊギャップ型スパークプラグ
７０４  電極ギャップ
７０５  ねじ
７０６  ノズル
７０７  ノズル
８０１  燃料弁
８０２  燃焼イオン化センサ
８０３  スパークプラグ
８０４  複合渦構造
８０５  渦輪
８０６  ねじ
８０７  軸流
８０８  シリンダヘッド
８０９  回転流
８１０  回転流
８１１  回転流
９０１  燃料弁
９０２  燃焼イオン化センサ
９０３  濃厚なラムダ
９０４  スパークプラグ
９０５  電極ギャップ
９０６  領域
９０７  ねじ
９１０  ノズル
９１１  燃料弁
９１２  燃焼イオン化センサ
９１３  スパークプラグ
１００１  ギャップ
１００２  速度
１００３  ギャップ
１００４  ラムダ
１１０１  燃料弁
１１０２  燃焼イオン化センサ
１１０３  スパークプラグ
１１０４  スパークプラグギャップ
１１０５  ねじ
１１０６  火炎ジェット
１１０７  火炎ジェット
１３０１  スパークプラグ
１３０２  燃料通路
１３０３  予燃焼室空間
１３０４  吐出ノズル
１３０５  ねじ機構
１４０１  燃料通路受け
１４０２  スパークプラグ受け
１４０３  予燃焼室空間
１４０４  吐出ノズル
１５０１  領域
１５０２  領域
１５０３  領域
１６０１  ポケット
１６０２  ポケット
１６０３  領域
１７０１  ポケット
１７０２  ポケット
１７０３  領域
１７０４  領域
１８０１  低乱流運動エネルギー
１８０２  低乱流運動エネルギー
１９０１  流れ
１９０２  流れ
１９０３  流れ
１９０４  燃料吸入ポート
１９０５  イオンセンサ
１９０６  スパークプラグ
１９０７  直交渦
１９０８  ねじ切り領域
１９０９  渦輪
１９１０  軸渦流パターン
１９１１  シリンダヘッド
２００１  ポケット
２００２  ポケット
２００３  領域
２００４  燃料弁
２００５  イオン化センサ
２００６  スパークプラグ
２００７  スパークプラグギャップ
２００８  領域
２００９  シリンダヘッド
２０１０  領域
２１００  燃料通路受け
２１０１  スパークプラグ受け
２１０２  予燃焼室空間
２１０３  吐出ノズル
２１０４  吐出ノズル
２１０５  燃料吸気弁
２１０６  燃焼イオン化センサ
２１０７  スパークプラグ
２１０８  電極ギャップ
２１０９  ねじ切り領域
２１１０  角度付きノズル
２１１１  角度付きノズル
２２０１  ノズル
２２０２  ノズル
２２０３  角度付きノズル
２２０４  角度付きノズル
２３０１  流れ
２３０２  流れ
２３０４  流れ
２３０５  流れ
２３０６  流れ
２３０７  流れ
２４０１  乱流運動エネルギーのレベル
２４０２  乱流運動エネルギーのレベル
２４０３  燃料弁
２４０４  燃焼イオン化センサ
２４０５  スパークプラグ
２４０６  スパークプラグギャップ
２４０７  乱流運動エネルギーのレベル
２４０８  乱流運動エネルギーのレベル
２４０９  ねじ
２５０１  火炎ジェット
２５０２  火炎ジェット
２５０３  燃料弁
２５０４  燃焼イオン化センサ
２５０５  スパークプラグ
２５０６  スパークプラグギャップ
２５０７  ねじ
２５０８  火炎ジェット
２５０９  火炎ジェット
２７０１  領域
２７０２  領域
２７０３  領域
２７０４  領域
２７０５  燃焼イオン化センサ
２７０６  領域
２８０１  領域
２８０２  領域
２８０３  領域
２８０４  領域
２８０５  燃焼イオン化センサ
２８０６  領域
２８０７  領域
２９０１  火炎面
２９０２  火炎面
２９０３  火炎面
２９０４  火炎ジェット
３００１  火炎面
３００２  火炎面
３００３  火炎面
３００４  火炎ジェット
３１０１ａ  複合渦流パターン
３１０１ｂ  渦輪パターン
３１０２  軸流
３１０３  吸入径
３１０４  吸入長
３１０５  遷移長
３１０６  安定化長
３１０７  燃焼イオン化センサ
３１０８  ねじ機構
３１０９  流量低減燃料吸気弁
３１１０  ＰＣＣ最大径
【図１】
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【図２】
0006498223.tif 000003
【図３Ａ】
0006498223.tif 000004
【図３Ｂ】
0006498223.tif 000005
【図３Ｃ】
0006498223.tif 000006
【図４Ａ】
0006498223.tif 000007
【図４Ｂ】
0006498223.tif 000008
【図５】
0006498223.tif 000009
【図６Ａ】
0006498223.tif 000010
【図６Ｂ】
0006498223.tif 000011
【図７Ａ】
0006498223.tif 000012
【図７Ｂ】
0006498223.tif 000013
【図８Ａ】
0006498223.tif 000014
【図８Ｂ】
0006498223.tif 000015
【図９Ａ】
0006498223.tif 000016
【図９Ｂ】
0006498223.tif 000017
【図１０Ａ】
0006498223.tif 000018
【図１０Ｂ】
0006498223.tif 000019
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0006498223.tif 000026
【図１６】
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【図１７Ａ】
0006498223.tif 000028
【図１７Ｂ】
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【図１８】
0006498223.tif 000030
【図１９Ａ】
0006498223.tif 000031
【図１９Ｂ】
0006498223.tif 000032
【図２０Ａ】
0006498223.tif 000033
【図２０Ｂ】
0006498223.tif 000034
【図２１Ａ】
0006498223.tif 000035
【図２１Ｂ】
0006498223.tif 000036
【図２１Ｃ】
0006498223.tif 000037
【図２１Ｄ】
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【図２２Ａ】
0006498223.tif 000039
【図２２Ｂ】
0006498223.tif 000040
【図２２Ｃ】
0006498223.tif 000041
【図２２Ｄ】
0006498223.tif 000042
【図２３Ａ】
0006498223.tif 000043
【図２３Ｂ】
0006498223.tif 000044
【図２３Ｃ】
0006498223.tif 000045
【図２３Ｄ】
0006498223.tif 000046
【図２３Ｅ】
0006498223.tif 000047
【図２３Ｆ】
0006498223.tif 000048
【図２４Ａ】
0006498223.tif 000049
【図２４Ｂ】
0006498223.tif 000050
【図２５Ａ】
0006498223.tif 000051
【図２５Ｂ】
0006498223.tif 000052
【図２５Ｃ】
0006498223.tif 000053
【図２５Ｄ】
0006498223.tif 000054
【図２６】
0006498223.tif 000055
【図２７Ａ】
0006498223.tif 000056
【図２７Ｂ】
0006498223.tif 000057
【図２８Ａ】
0006498223.tif 000058
【図２８Ｂ】
0006498223.tif 000059
【図２９Ａ】
0006498223.tif 000060
【図２９Ｂ】
0006498223.tif 000061
【図２９Ｃ】
0006498223.tif 000062
【図３０Ａ】
0006498223.tif 000063
【図３０Ｂ】
0006498223.tif 000064
【図３０Ｃ】
0006498223.tif 000065
【図３１】
0006498223.tif 000066