(57)【要約】【課題】【解決手段】コンデンサを内蔵し、セミサーフェスギャップを備えたスパークプラグであって、コンデンサはセミサーフェスギャップで高インパルス放電を発生させ、高電圧および高電気放電により、ローレンツ力の明確な効果でスパークプラグの端部からスパークが軸方向に放出される。
2015507331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパークプラグであって、
中心電極と、
該中心電極を自身の端子の端部で少なくとも実質的に同心円状に包囲する固形絶縁体と、
該絶縁体を自身の端子の端部で少なくとも実質的に同心円状に包囲するエアギャップと、
該エアギャップを少なくとも実質的に同心円状に包囲する外部電極と、を含んでおり、
スパークギャップが前記中心電極と前記外部電極との間に形成されており、前記エアギャップと前記絶縁体の表面とを含んでおり、本スパークプラグは、
本スパークプラグ内に形成されたコンデンサをさらに含んでいることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
前記外部電極は１以上の隆起部を含んでいることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記コンデンサの外部プレートは前記外部電極に電気的に接続されており、前記固形絶縁体は該コンデンサの誘電体を形成することを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記コンデンサは２枚のプレートを含み、それらの少なくとも一方は導電性インクで形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記中心電極は前記コンデンサのプレートに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項６】
前記外部電極のいかなる部分も、前記中心電極主軸と軸方向で整合する通路を横断するように延出していないことを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記コンデンサのプレートに通電可能に連結された電気抵抗をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項８】
前記抵抗は、前記コンデンサの充電中に電流に抵抗するが、該コンデンサから前記スパークギャップへの電流には抵抗しないように電気的に接続されていることを特徴とする請求項７記載のスパークプラグ。
【請求項９】
スパークプラグであって、
本スパークプラグの内部に形成されているコンデンサと、
本スパークプラグの端子の端部に形成されており、固形絶縁体の表面とエアギャップを含んでいるスパークギャップと、
本スパークプラグの内部導電体に向かって内側には放射状に突出していない本スパークプラグの外部導電体の端子の端部と、
を含んでいることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１０】
負電極の前記端子の端部は、前記外部導電体の端子の端部に提供されている複数の隆起部を含んでいることを特徴とする請求項９記載のスパークプラグ。
【請求項１１】
前記複数の隆起部は少なくとも３つの隆起部を含んでいることを特徴とする請求項１０記載のスパークプラグ。
【請求項１２】
前記複数の隆起部は少なくとも５つの隆起部を含んでいることを特徴とする請求項９記載のスパークプラグ。
【請求項１３】
前記コンデンサの誘電体は本スパークプラグの絶縁体で形成されることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１４】
前記誘電体、前記絶縁体、および前記固形絶縁体は全て接続されており、全て１体の材料から形成されていることを特徴とする請求項１３記載のスパークプラグ。
【請求項１５】
燃料に点火する方法であって、
スパークプラグ内にコンデンサを形成するステップと、
該スパークプラグの使用時に形成されたスパークが内部導電体と外部導電体との間で放射状に延出し、固形絶縁体の表面を進み、エアギャップを進むように、セミサーフェススパークギャップを形成するステップと、
スパークを形成する電子流に作用する作用力の影響によって、該スパークプラグの運用時に形成されたスパークを該スパークプラグの端部から軸方向に放出するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１６】
スパークの放出ステップは、前記内部導電体と前記外部導電体との間の最も接近した距離の少なくとも１／２の長さを有する距離だけ、前記スパークプラグの端部から軸方向にスパークを放出するステップを含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
スパークの放出ステップは、前記内部導電体と前記外部導電体との間の最も接近した距離と少なくとも等しい長さを有する距離だけ、前記スパークプラグの端部から軸方向にスパークを放出するステップを含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記スパークプラグの絶縁体から前記コンデンサの誘電体を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
１体の同一材料から、前記スパークプラグの前記絶縁体、該スパークプラグの前記誘電体、およびスパークが移動する前記固形絶縁体を形成することを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記電子に対して作用する作用力はローレンツ力であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１２年１月２７日に出願されたルイス・Ｓ・キャミリ（本願発明者）の米国仮特許願第６１／５９１５６７「サーフェスギャップパルス型スパークプラグ」の優先権を主張する。
【０００２】
本発明の実施態様は一般的にスパークプラグに関する。そのスパークギャップ（スパーク間隙）の一部はサーフェスギャップ（表面間隙）を含み、一部はエアギャップ（空気間隙）を含んでおり、セミサーフェスギャップ（半表面間隙）を形成している。本発明の実施態様は、そこに組み込まれているコンデンサ(capacitor)を有したセミサーフェススパークプラグさらに含んでおり、従って、スパーク（火花）のストリーマ（放電）相で電流を増加させてスパークの強度を増強し、ローレンツ力によってスパークをスパークプラグから軸方向に放出させてエンジンシリンダー内に送り込む。スパーク強度の追加的増強は従来のスパークプラグの場合よりも大幅に大型化された火炎核を発生させ、燃料点火性能を向上させ、燃料の完全燃焼を促し、従来のスパークプラグの場合よりもエンジンの出力を増加させ、燃料効率を高める。
【背景技術】
【０００３】
典型的なスパークプラグ技術は１９５０年代にまで遡るが、近年、スパークプラグにさらに高い電気容量を提供するか、現存のスパークプラグと並列にコンデンサを取り付ける多様な試みが為されている。これらの設計はスパークの放電強度を増強するが、知られている設計は非効率であるか、構造が複雑であって高価格である。本発明は、コンデンサがセミサーフェスギャップを有したスパークプラグに組み入れられている単純で信頼性が高い方法および装置を提供する。
【０００４】
米国特許第３６８３２３２号、米国特許第１１４８１０６号、および米国特許第４７５１４３０号はスパーク強度を増強するためにコンデンサを活用することを説明している。放電の強度を決定するコンデンサの電気容量には一切言及しない。さらに、もしコンデンサが十分に大きな容量を備えているなら、点火用変圧器の出力部とスパークギャップの間の電圧降下はギャップイオン化およびスパーク発生を妨害し得る。
【０００５】
アームストロングの米国特許第３５９９０３０号はコンデンサ放電点火システムを採用するエンジンで運用されるサーフェスギャップスパークプラグを説明する。アームストロングは、高圧急速立上げ放電システムと共にサーフェスギャップデザインを利用することで実質的に全てのプラグ保守問題が回避できることを教示する。しかしアームストロング（特許）はセミサーフェスプラグの利用あるいはどのようにコンデンサをプラグに組み入れるかを教示せず、ましてや自動的に起動されるコンデンサは全く教示していない。電気抵抗はエアギャップを通過する場合よりも表面では小さいという理由と、アームストロングがサーフェスギャッププラグをただ教示するだけであるため、アーク（電弧）が発生される前にアームストロングが創出できる最大電圧は、アームストロングがスパークギャップの全部または少なくとも一部をエアギャップから形成した場合に可能であったであろう電圧よりも大幅に低い。さらにアームストロングが使用する絶縁体の表面はヒートシンクとして作用し、アーク端子から熱を引き離すので、アームストロングは、その外部電極での炭素蓄積に対処しなければならないことになる。さらにアームストロングのスパークギャップ全体は絶縁体の表面から形成されており、破壊電圧はエアギャップが使用されたとした場合よりも大幅に低いので、アームストロングのプラグのスパークのピーク電圧およびピーク電流のもまた低くなる。低い電圧と電流のため、アームストロングが関与するローレンツ力は、絶縁体の表面からスパークを発生させ、スパークプラグから放出し、空気／燃料混合物内に送り込むには十分ではない。
【０００６】
米国特許第４５４９１１４号は、補助ギャップをスパークプラグの本体に取り込むことによって主要スパークギャップのエネルギーを増強できると主張する。燃料送りとスパークタイミングを制御するために電子処理を活用する内燃機関スパーク点火式エンジンにおいて燃料の点火のために単体スパークプラグで２つのスパークギャップを使用すると、それら２つのスパークギャップにより発生するＥＭＩ／ＲＦＩが中央処理装置を不調にすることがあるため、エンジンの運用に対して致命的になることがある。
【０００７】
米国特許第５２７２４１５号では、コンデンサは非抵抗型スパークプラグに取り付けられていることが開示されている。静電容量は説明されておらず、どこにも非抵抗型スパークプラグによって発生する電磁気干渉および周波数干渉の記載はない。このことは、もしＥＭＩ／ＲＦＩに対する適切な遮断処置が施されていなければ中央処理装置が機能を停止したり、中央処理装置に永久的な損傷が引き起こされる可能性があることを意味する。
【０００８】
米国特許第５５１４３１４号は、スパークプラグの正電極と負電極の領域に磁界を印加することで火花のサイズを増大させることを開示する。この発明はまたモノリシックな電極、集積コイルおよびコンデンサを作り出すと主張するが、種々な電気部品を提供するモノリシックな導電通路の抵抗値は開示しない。電気部品の導電通路は適正な機能を提供する１．５から１．９Ω／ｍの抵抗値用に設計されている。サーメットインクに備わるセラミック材料の移動による導電通路の劣化は電気装置の効率と運用性を低下させる。加えて、モノリシックな部品の反対荷電された導電通路を分離する絶縁媒体の電圧ホールドオフにも一切言及がない。もしアルミナ８６％等の標準セラミック材料がスパークプラグ絶縁体に使用されるなら、誘電強度または電圧ホールドオフは２００Ｖ／ミルである。内燃スパーク点火式エンジンのスパークプラグの標準運用電圧幅は５ＫＶから２０ＫＶであり、最新モデルの自動車用点火機能ではピークが４０ＫＶである。これではモノリシックな電極、集積コイルおよびコンデンサをこのレベルの電圧に対して絶縁できないであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
いくつかの従来型セミサーフェスギャッププラグが知られてはいるが、そのようなプラグは、比較的に一定であるエンジン速度が維持される内燃機関では非常に限定された利用性を有するだけである。これはセミサーフェスギャッププラグが、機動的なエンジン速度が関与するエンジンで発生する故障に非常に弱いためである。大抵のエンジン、特に自動車エンジンは、幅広いエンジン速度にわたって型通りに運用されるので、知られたセミサーフェスギャッププラグは望ましい結果を提供できず、そのようなエンジンに採用することができなかった。パルス式セミサーフェスギャッププラグの１つの利点は、従来プラグよりも高いピーク電圧が達成可能であり、さらに大きな点火エネルギーを空気／燃料混合物に与えることができ、エンジン性能を高めることができることである。従って機動的な速度のエンジンで使用が可能なセミサーフェスギャッププラグの需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
コンデンサは並列に回路に接続されているため、利用時には点火パルスはスパークギャップとコンデンサとに同時的に適用される。スパークギャップの抵抗に打ち克つためにコイルは誘導的に電圧を上昇させるため、コンデンサの抵抗がスパークギャップの抵抗よりも小さいとエネルギーはコンデンサに蓄積される。イオン化によってスパークギャップの抵抗が克服されると、スパークギャップとコンデンサとの間に抵抗の逆転現象が発生し、コンデンサは蓄積されたエネルギーをスパークプラグで非常に急速に（典型的には約１ナノ秒から１０ナノ秒）放電し、電流をピークにしてスパークの強度をピークにする。
【００１１】
好適には、コンデンサはスパークギャップを破壊するのに必要とされる電圧レベルにまで荷電される。エンジン負荷が増加すると真空は減少し、スパークギャップの空気圧は増加する。圧力が増加するとスパークを破壊するのに必要とされる電圧は増加し、コンデンサにさらに高い電圧を印加させる。結果としての放電は高くなった強度値にまで頂点化される。好適にはコンデンサはコイルの電圧の上昇と同時に荷電されるので、タイミングに関する遅延は存在しない。結果としてプラグのセミサーフェスギャップで発生する強度が高められたスパークがスパークギャップにて絶縁体の表面から軸方向に放出され、スパークプラグの先端が到達するよりもさらに深くエンジンのシリンダー内に進入する。
【００１２】
本発明の目的、利点および新規な特徴、並びにその利用性は、添付図面を利用して以下で詳細に説明されており、本発明はその詳細な説明から当業技術者に明確に理解可能であり、あるいは本発明の実施によって学習されるであろう。本発明の目的および利点は「請求の範囲」に記載されている特徴およびそれらの組み合わせによって実現および達成されるであろう。
【００１３】
本発明の目的、利点および新規な特徴、並びにその利用性は、添付図面を利用して以下で詳細に説明されており、本発明はその詳細な説明から当業技術者に明確に理解可能であり、あるいは本発明の実施によって学習されるであろう。本発明の目的および利点は「請求の範囲」に記載されている特徴およびそれらの組み合わせによって実現および達成されるであろう。
【００１４】
本発明の１実施態様は、中央電極、その端子の端部で中央電極を少なくとも実質的に同心円状に包囲する固形絶縁体、その端子の端部で固形絶縁体を少なくとも実質的に同心円状に包囲するエアギャップ、エアギャップを少なくとも実質的に同心円状に包囲する外部電極を有したスパークプラグに関する。スパークギャップは中央電極と外部電極との間で形成され、エアギャップと絶縁体の表面を含む。スパークプラグはさらに、スパークプラグ内に形成されたコンデンサを含む。１実施態様では外部電極は、その端子の端部に配置できる１以上の隆起部を有することができる。オプションでは４以上の隆起部が存在でき、また別なオプションでは６以上の隆起部が存在できる。
【００１５】
１実施態様では、コンデンサの外部プレートは外部電極に電気的に接続されており、固形絶縁体はコンデンサの誘電体を形成する。オプションではコンデンサは２枚のプレートを含み、それらプレートの少なくとも一方は導電性インクで形成される。中央電極は電気的にコンデンサのプレートに接続できる。
【００１６】
１実施態様では、外部電極は中央電極の主軸に軸方向で整合した通路を横断する部分を一切有していない。オプションではスパークプラグはコンデンサのプレートに通信可能に連結された電気抵抗体も有することができる。コンデンサの荷電中に電流に抵抗するが、コンデンサからスパークギャップへの電流には抵抗しないよう抵抗体を電気的に接続することができる。
【００１７】
本発明の１実施態様は、スパークプラグ内に形成されたコンデンサ、およびスパークプラグの端子の端部に形成されたスパークギャップを有したスパークプラグにも関する。スパークギャップはエアギャップと固形絶縁体の表面とを含む。スパークプラグの外部導電体の端子の端部はスパークプラグの内部導電体の方向である内側に向かう放射状には突起しない。１実施態様では、誘電体、絶縁体および固形絶縁体は全て接続されており、全ては単体の材料から形成されている。
【００１８】
本発明の１実施態様は、スパークプラグ内にコンデンサを形成し、スパークプラグの運用中に形成されるスパークが内部導電体と外部導電体との間で放射状に放出され、固形絶縁体の表面を移動し、エアギャップを移動するようにセミサーフェススパークギャップを形成し、スパークプラグの運用中に形成されるスパークを、スパークを形成する電子流に作用する作用力の影響のため、スパークプラグの端部から軸方向に離れるように放出することを含んだ燃料点火方法にも関する。１実施態様では、この作用力はローレンツ力を含むことができる。
【００１９】
１実施態様では、スパークの放出は、内部導電体と外部導電体との間で最も近い距離の少なくとも１／２の長さを有する距離だけスパークプラグの端部から離れるように軸方向にスパークが放出されることを含むことができる。さらに好適には、スパークの放出は、内部導電体と外部導電体との間で最も近い距離の長さに少なくとも等しい長さの距離だけスパークプラグの端部から離れるように軸方向にスパークが放出されることを含むことができる。
【００２０】
本願に含まれ、本願の一部を構成する添付図面は本発明の１以上の実施例を図示しており、それらの説明と共に本発明の原理の説明に寄与する。これら図面は本発明の１以上の好適実施例を説明する目的のみに提供されており、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の１実施例による冠状負電極を有したサーフェスギャップスパークプラグの斜視図である。
【図２Ａ】本発明のセミサーフェスギャップスパークプラグの別実施例の断面図である。
【図２Ｂ】本発明のセミサーフェスギャップスパークプラグの別実施例の断面図である。
【図３】本発明の１実施例による冠状セミサーフェスギャップスパークプラグの端面図である。
【図４Ａ】本発明の１実施例によるスパークプラグの絶縁体に適用される導電性インクまたは別な導電性コーティングの適用によって形成されたコンデンサの負導電プレートおよび正導電プレートをそれぞれ図示する。
【図４Ｂ】本発明の１実施例によるスパークプラグの絶縁体に適用される導電性インクまたは別な導電性コーティングの適用によって形成されたコンデンサの負導電プレートおよび正導電プレートをそれぞれ図示する。
【図５】従来のスパークプラグと本発明の１実施例によるスパークプラグにおけるそれぞれの圧力グラフである。
【図６】従来のスパークプラグと本発明の１実施例によるスパークプラグにおけるそれぞれの圧力グラフである。
【図７Ａ】本発明の実施例によるスパークプラグの断面図と、その複数の端面形状を図示する。
【図７Ｂ】本発明の実施例によるスパークプラグの断面図と、その複数の端面形状を図示する。
【図７Ｃ】本発明の実施例によるスパークプラグの断面図と、その複数の端面形状を図示する。
【図７Ｄ】本発明の実施例によるスパークプラグの断面図と、その複数の端面形状を図示する。
【図８Ａ】従来のスパークプラグの試験結果（図８Ａと図８Ｂ）と、本発明の１実施例によるスパークプラグの試験結果（図８Ｃと図８Ｄ）を表すグラフである。
【図８Ｂ】従来のスパークプラグの試験結果（図８Ａと図８Ｂ）と、本発明の１実施例によるスパークプラグの試験結果（図８Ｃと図８Ｄ）を表すグラフである。
【図８Ｃ】従来のスパークプラグの試験結果（図８Ａと図８Ｂ）と、本発明の１実施例によるスパークプラグの試験結果（図８Ｃと図８Ｄ）を表すグラフである。
【図８Ｄ】従来のスパークプラグの試験結果（図８Ａと図８Ｂ）と、本発明の１実施例によるスパークプラグの試験結果（図８Ｃと図８Ｄ）を表すグラフである。
【図９】様々な従来のスパークプラグおよび本発明の１実施例によるスパークプラグによって提供されるピーク電流を比較するグラフである。
【図１０】本発明の１実施例によるスパークプラグのアーク（電弧）に作用するローレンツ力の影響を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の１実施例は、好適にはエアギャップとサーフェスギャップから形成されるスパークプラグを有した改良型スパークプラグであって、スパークプラグの内部に形成されたコンデンサを有しているスパークプラグに関する。
【００２３】
本明細書を通じて、用語“抵抗体”とは、少なくとも１０Ω／ｃｍの抵抗を有した任意の材料を含むものを意味する。
【００２４】
図１から図４Ｂに図示されているように、プラグ１０は、好適には内部導電体１４と負電極１５との間に存在する開状エア部分１２と絶縁体３０の端面で形成されたサーフェススパークプラグ１１を含んでいる。１実施例では、開状エア部分１２は好適には、スパークギャップ１１での絶縁体３０と負電極１５との間に配置された凹状領域で形成されている。オプションとして負電極１５は単に外部導電体１６の端部であるか、あるいは電極１５は外部導電体１６に電気的に接続されている別材料で形成できる。例えば、負電極１５は、腐食を減少させるように貴金属合金で形成でき、外部導電体１６に溶接または他の方法によって取り付けることができ、あるいは外部導電体１６の上に形成できる。外部導電体１６は好適には、接地されたエンジンブロック内に螺合された螺溝部分１８を介してエンジン回路と接触する。１実施例では内部導電体１４は好適には、抵抗体接続材料２２と２２’、抵抗体２４、導電体２６および接続柱体２８を含む。この実施例では、コンデンサは絶縁体３０、導電性コーティング３２および抵抗体２４の一部で形成されている。この実施例では、抵抗性がコンデンサの性能を決定するので、抵抗体２４で内部プレートの一部を形成することにより、及び／又は抵抗体の抵抗値を調節することにより、コンデンサの性能はオプション的に調節できる。オプションでは、接続材料２２および２２’は、好適には導電性フリット材料で形成でき、特に好適には銅材料を含む。別実施例では、図７Ａで明示するように抵抗体はコンデンサのプレートの形成には一切関与しない。その代わりに、導電性コーティング３２と３３は、図４Ａと図４Ｂで明示するように、好適にはコンデンサの導電プレートとして使用される。別実施例では、コンデンサの内部プレートは、導電性コーティング３３の全部あるいは一部の代わりに、最も近い絶縁体３０である導電性フリット１２２のそれら部分とガス密閉インサート１３０で形成できる。さらに別な実施例では、最も近い絶縁体３０である外部導電体１６の代わりに導電性コーティング３２の全体または一部が省略できる。図４Ａと図４Ｂでは、絶縁体３０の表面はダブルハッチングされており、導電性コーティング３２と３３の好適な適用領域を示している。導電性コーティング３２への接続は、好適には導電シール３４を介して外部導電体１６に対して実行される。導電シール３４は導電性コーティング３２で形成されるコンデンサプレートと外部導電体１６との間の電気接続を提供するばかりではなく、エンジン活用時に、加熱された気体を絶縁体３０と外部導電体１６との間で通過させない。導電シール３４は種々な材料から形成でき、非常に望ましい結果を提供するであろうが、導電シール３４は最も好適には銅材料を含む。
【００２５】
コンデンサの外部プレートは好適には、その上に配置される導電性コーティング３２によって形成される。オプションではコーティング３２は導電性インクを含むことができ、コーティング３２はオプションで、噴霧、パッドプリンティング、ローリング、ディッピング、ブラッシングまたは別な方法によって絶縁体３０の外側部分に被覆できる。１実施例では絶縁体３０の外径の一部は、柱体２８が存在する絶縁体３０の端部から、例えば約１２．５ｍｍのごとき所定の距離を除いて、さらに燃焼チャンバ内で露出されている絶縁体のその部分を除いて被覆されている。オプションでは導電性コーティング３２は銀または銀／プラチナ合金を含んでいる。
【００２６】
１実施例では、導電性コーティング３２が絶縁体３０に適用されると、それは信頼性が高くて制御可能な熱を伝達できる赤外線、天然ガス、プロパン、電気または他の熱源によって約７５０℃から約９００℃の温度に曝露される。絶縁体３０は好適には、導電性コーティング３２及び／又は３３の組成に応じて約１０分間から約６０分間以上の時間をかけて熱に曝露される。これで溶剤およびキャリア剤は揮発し、好適には分子的に金属を絶縁体３０の表面に接着させる。コーティング３２及び／又は３３が絶縁体３０に接着されると、プレートの抵抗性は純粋金属の抵抗性と同じになるか、実施的に同じになる。
【００２７】
絶縁体３０は好適には、電気抵抗性で、プラグ１０に望む結果を達成する能力を提供し、内燃点火の電圧に対して絶縁させるのに十分な誘電強度を備える好適な構造品質を提供するアルミナ、その他のセラミック誘導体、または他の材料で構成される。１実施例においてはコンデンサの外部プレートは絶縁体３０の外面に接着されており、内部プレートは絶縁体３０の内面の少なくとも一部に接着された導電プレートで形成されている。静電容量は絶縁体３０のこれら対面する表面の表面積を含む計算式を使用し、誘電率と厚みを考慮に入れて計算される。コンデンサの静電容量値は、プレートの形状および絶縁体３０の厚みと誘電率に応じて約１０ピコファラッドから１００ピコファラッドまでの幅がある。
【００２８】
図２Ａと図２Ｂとの比較により明示されるように、好適には導電体２６はその端子の端部に開口部３６を含む。オプションで開口部３６は、柱体２８の端部の端部分がそこに押し込み固定されるか、別形態で電気的および物理的に接続される滑らか及び／又は摩擦誘導面を含むことができる。オプションで開口部３６は、柱体２８を導電体２６の開口部３６内に螺合させるように柱体４０にも螺溝４０が提供できるよう、そこに形成された螺溝３８を有することができる。さらに別実施例では開口部３６は導電体２６内に短距離だけ延入することができ、柱体２８の一部をそこと係合させ、あるいは開口部３６は必要以上にさらに延出して柱体２８の一部を収容することができる。１実施例では１以上の追加の開口部４２が、導電体２６の一部を通って、少なくとも実質的に放射状に配置でき、最も好適には開口部３６と開口部４２との間で連動可能な接続を提供する構造で、それら開口部が互いに交差するような形態に配置できる。
【００２９】
１実施例では、導電体２６は好適には、接続材料２２’及び／又は抵抗体２４を導電体２６にロックさせる凹状領域３７または他の摩擦創出形状を含む。１実施例では、コンデンサの内部プレートの約７５％未満、好適には約５０％未満、さらに好適には約２５％未満が金属物質から製造される。本発明の１実施例では、コンデンサの内部プレートは約１０％未満の金属物質で形成される。１実施例では、コンデンサの内部プレートの少なくとも約１０％、好適には少なくとも約５０％、さらに好適には少なくとも約７５％が抵抗材料で形成される。１実施例では、コンデンサの内部プレートの少なくとも約９０％が抵抗材料で形成される。
【００３０】
図３で明示するように、開状エア部分１２と絶縁体端部３０を含んだスパークギャップ１１は好適には、内部導電体１４の端部周囲で同心円状に形成され、好適にはローレンツ力により長軸方向に延びるが、内部導電体１４と負電極１５との間でスパークが、好適には放射状に広がる。これは、スパークが内部導電体から軸方向にだけ延出する従来のスパークプラグのギャップとは異なるところである。オプションでは負電極１５は外部導電体１６の一部で形成できる（図２Ｂ参照）。しかしオプションでは負電極１５は、タングステン、シュワルツコフ、（ＰＭ１０００）、ニッケル、プラチナ、イリジウム、レニウム、それらの組み合わせ、およびそれらの合金等の外部導電体１６とは異なる材料及び／又は別々に形成できる。負電極１５が外部導電体１６とは別の材料で形成されるなら、負電極１５は特に好適には外部導電体１６に電気的および物理的に接続され、オプションではレーザ溶接、摩擦溶接、およびプレスフィット、雄／雌螺子、それらの組み合わせ、等々の物理固定手段を介して接続される。望ましい結果は少なくとも実質的に同心円状負電極を提供することで得られるが、負電極１５は異なる形状、例えば、冠状を有することもできる。オプションでは内部導電体１４及び／又は絶縁体３０は、軸方向に延出し、負電極１５からさらに離れるように突出することができる。あるいは負電極１５は内部導電体１４及び／又は絶縁体３０からさらに離れるように軸方向に延出することができる。オプションでは内部導電体１４の端部を形成するように使用が可能な、高温金属及び／又は合金のごとき別体の材料が使用できる。オプションでは内部導電体１４は、長さ方向とは異なる形状をその端部に有することができる。例えば内部導電体１４は球状先端部及び／又はディスク状先端部を有することができる。１実施例では外部導電体１６はスパークプラグの電極端方向にテーパできる。オプションでは１実施例において、外部導電体１６はプラグ１０の電極端で絶縁体３０に当接でき、開状エア部分１２は提供されない。よって開状エアギャップ１２が好適に提供されるが、１実施例では開状エアギャップ１２は提供されない。この実施例では絶縁体３０の端部面または別な固形絶縁体面は、好適には内部導電体１４と負電極１５との間でギャップ全体を形成する。別実施例では絶縁体３０は内部導電体１４の先端までの全長は延出せず、従ってスパークプラグ１１の全体は好適には開状エア部分１２によって形成される。
【００３１】
図７Ａは本発明の１実施例によるスパークプラグ１０の別実施例の本体部分１０５を図示する断面図である。オプションでは図７Ｂから図７Ｄに図示されている端部形状は全て従来のＪ形状電極（図７Ｂ）、冠形状セミサーフェスギャップ電極（図７Ｃ）または非冠状セミサーフェスギャップ電極（図７Ｄ）を有するプラグが本発明の１実施例によるスパークプラグ内に形成できるように本体部分１０５の端部に配置できる。さらに図７Ｅで明示するように、冠状セミサーフェスギャップ電極は少数の負電極のみを有するように提供できる。オプションでは１つのみの負電極が提供できる。あるいは、２つ、３つ、４つまたは５つのみの負電極が提供できる。１実施例では６以上の負電極が提供できる。１実施例では１以上の負電極は非均質形状を有することができ、それら１以上の負電極の端子の端部はそれら１以上の負電極の手前部分よりも大きい（図１０参照）。図７Ａで図示されているように、本体１０５は好適には前述のごとく絶縁体３０を含み、前述のようにその外面の少なくとも一部に適用された導電性コーティング３２（図４Ａ参照）を有している。導電性コーティング３２は好適にはコンデンサの負プレートを形成する。図４Ｂの断面図で明示するように、１実施例ではコンデンサの正プレート３３は、負のプレートコーティング３２が被膜されているので、絶縁体３０と実質的に同じ長さに沿って絶縁体３０の内面の少なくとも一部に適用された導電性コーティングにより形成される。よって絶縁体３０は好適にはコンデンサの誘電体を形成する。１実施例ではコンデンサの内部（正）プレートと外部（負）プレートの両方を形成する導電性コーティングは好適には導電性インクで形成される。オプションでは抵抗性フリット１３２はコンデンサの内部プレートの一部の形成には一切利用されない。しかし、抵抗性フリット１３２の全部または一部はコンデンサの内部プレートの一部の形成に使用される。１実施例では第１導電フリット１２２および第２導電フリット１３３は好適には導電フリット材料で形成され、最も好適には銅材料、銀材料、アマルガムまたはそれらの組み合わせを含んでいる。
【００３２】
ガスシール（気密）インサート１３０はいくつかの導電材料から形成できる。１実施例ではガスシールインサート１３０は最も好適には鋼材から形成される。抵抗性フリット１３２は好適には第１導電フリット１２２と第２導電フリット１３３との間には挟まれている。よって、導電フリット１２２と１３３は好適には、導電体２６、抵抗性フリット１３２、ガスシールインサート１３０および内部導電体１４の間の電気的および機械的接続を確実にするよう作用する。この実施例では、コンデンサの内部プレートの全部または一部は非抵抗性材料で形成されている。従ってこの抵抗性材料は、コンデンサを荷電する電流に抵抗するような回路位置に抵抗を提供するが、スパークギャップ１１を介したコンデンサの放電サイクル中には電流に抵抗しない。好適には本体部分１０５の残り部分はスパークプラグ１０の前述した実施例と一致している。
【００３３】
図８Ａと図８Ｂは従来のスパークプラグを使用した試験で得られた実際の測定値を示す。図８Ｃと図８Ｄは本発明の教示に従って構成されたスパークプラグで得られた実際の測定値を示す。図８Ａから図８Ｄで示されるように、グラフのＹ軸はスパークギャップ破壊電圧を表し、Ｘ軸は時間を表す。図示するように、スパークギャップ破壊電圧に事実上相違は存在せず、全スパーク現象時間にも事実上相違は存在しない。よって本発明の教示により構成されたプラグのコンデンサは、図９で明示するように、放電電流のピーク時にスパークのストリーマ相に影響を及ぼすだけである。
【００３４】
本発明の１実施例は点火の低電圧側ではなく点火システムの高電圧側にコンデンサを提供する。低電圧側は約１０００Ｖ未満の電圧であり、高電圧側は約１００００Ｖ以上、好適には約２５０００Ｖ以上の電圧である。１実施例では本発明のスパークプラグはコンデンサを有した点火回路との関連では使用されない。１実施例では従来のエンジン回路に接続されると、プラグ１０は少なくとも１ＭＷ、好適には少なくとも４ＭＷ、さらに好適には約５ＭＷのピーク電力を有するスパークを提供する。本発明の１実施例は、少なくとも１０００Ｗ、好適には少なくとも１０００００Ｗ、さらに好適には少なくとも１ＭＷ、さらに好適には約５ＭＷのピーク電圧を有する電気スパークを、機動的な速度のエンジンのスパークプラグのセミサーフェスギャップ形状のスパークギャップに提供することを含む。１実施例では本発明のスパークプラグは補助的均質荷電コンプレッション点火システムで使用できる。１実施例では、本発明のスパークプラグは強制セミ均質荷電コンプレッション点火システムで使用できる。図５と図６のグラフは、高出力プラグが従来のスパークプラグよりも燃料を良好に点火して燃焼することを示す。それらは短い燃焼時間であり、非常に希薄な混合物に点火することができ、エンジン設計者に燃料混合物でのＥＧＲ（排気ガス再循環）割合を増加させ、排気ガスを減少させ、燃費を向上させる能力を付与する。システムの当量比は化学量的燃料−酸化剤比（いわゆる“希釈”）と比較した燃料と酸化剤の混合比として定義される。Φ（ファイ）＝１．００であれば、混合物は化学量的であり、Φ＝０．９の場合は希薄混合物である。
【００３５】
本発明の実施例は機動的エンジン速度を必要とする利用形態に採用されるべく、セミサーフェスギャッププラグの使用において向上された結果を提供することができる。これはプラグ１０内に形成されたコンデンサによって提供される増強されたスパークが、大幅にパワーアップしているスパークを発生させるだけではなく、スパークをプラグ１０から少々跳躍させ、プラグ１０が置かれている燃焼チャンバ内にさらに少々突入させるからである。この増強されたスパーク強度と、スパークによって発生される高圧波と、少々突出するスパークの組み合わせは、さらに急速に発達する爆発を引き起こし、さらに速い燃焼時間を提供する。さらに速い燃焼時間は、従来のセミサーフェスギャップスパークプラグによる渦流よりも大幅に激しい渦流を提供する。この増強された渦流は２つのことを実行する。まず空気／燃料混合物でエンジンシリンダー内に突入しているスパークプラグの部分をさらに完全に包囲させ、増強された渦流でプラグのスパークギャップに堆積物および蓄積物を残らせない。
【００３６】
１実施例において、本発明のスパークプラグは機動的なエンジン速度条件で遭遇する非化学量的空気／燃料混合物に点火できる。軽負荷・低ＲＰＭから高負荷・高ＲＰＭの運用範囲、並びに全ての他の変更においては、従来のＪギャップスパーククプラグを有するパルス式プラグは約５ＫＶから約２５ＫＶの破壊電圧を招く。破壊電圧が高いほどコンデンサに蓄えられる放電エネルギーは高くなる。同一運用条件の下では、セミサーフェスギャップは破壊前に約２０ＫＶから約２８ＫＶを必要とする。よって全運用条件においては、セミサーフェスギャップは燃料供給にさらに多くのエネルギーを結合させることになろう。さらなる実施例では、プラグ１０は従来のＪギャッププラグよりも少なくシリンダー内に進入する。すなわちロータリエンジンや非常に高い圧縮が関与するレース用エンジンでは、プラグ１０はシリンダー内に少な目に進入し、ピストンヘッドのクレアランス問題を回避する。１実施例では、本発明の１実施例によるスパークプラグはスパークギャップ破壊電圧を変更しない。１実施例では、本発明の１実施例によるスパークプラグは点火タイミングを変更及び／又は緩和しない。１実施例では、本発明の１実施例によるスパークプラグは、セミサーフェスギャップを有しておらず、コンデンサを含まない従来のスパークプラグよりも大きな電気負荷を点火システムに加えない。１実施例では、本発明の１実施例によるスパークプラグは、スパーク時のドウェル時間または全体時間を変更しない。よって、本発明の実施例によるスパークプラグは従来のプラグよりも向上した燃料効率とエンジン性能とを提供し、エンジンキャリブレーションを変更することなく取り付けられる。
【００３７】
１実施例では、セミサーフェスプラグと高電圧パルス放電の組み合わせによって特に望ましい結果が得られる。これは、ローレンツ力によって引き起こされる電気スパークに対する効果によるものである。電気アークを形成する電子に対して発揮されるローレンツ力の大きさは式Ｆ＝ｑ［Ｅ＋（ｖ＊Ｂ）］（Ｆはローレンツ力、ｑは粒子電荷、Ｅは電界強度、ｖは粒子速度、Ｂは磁界強度）で得られる。この式で明確に確認できるように、パルス放電で創出される高電界（Ｅ）と高磁界（Ｂ）は、電気アークをスパークギャップに形成する電子に対して発揮されるローレンツ力を大きく増加させる。創出される磁界は電流強度に依存するため、本発明の１実施例によるスパークプラグのスパークに発揮されるローレンツ力は、スパークプラグに合体されるスパークプラグの放電中に送電される高電流の影響によってさらに増強される。１実施例では、スパークはスパークプラグの端部からローレンツ力、１以上の他の作用力またはそれらの組み合わせによって軸方向に放出される。
【００３８】
図１０はプラグ１０からアーク１５０を形成する電子に発揮される強力なローレンツ力の効果を示す図である。明示されているように、強力なローレンツ力はアーク１５０をスパークプラグの先端から軸方向に放出させ、エンジンのシリンダーの空気／燃料混合物内に進入させる。スパークプラグの先端、よって空気／燃料混合物の空間的中心にさらに近いところからのスパーク放出は、空気／燃料点火反応波を確実に空気／燃料混合物全体でさらに急速に移動させる。加えて、これで大幅に大きくなった火炎核を創出し、大幅に加速された（０％から５０％）燃焼混合物の質量分画燃焼を引き起こす。これにより、各点火サイクルでさらに完全な燃料燃焼だけでなく、高ピストン圧をさらに急速に展開させ、エンジントルクを増強し、エンジン馬力を増加させる。一方、サイドワイヤがＪ形状である従来のスパークギャップは、サイドワイヤが燃焼チャンバ内にさらに深く進入することを必要とする。スパークプラグは典型的にはエンジンクーラントが通過するのと同じ位置にてエンジンに設置されるので、燃料混合物内に進入するスパークプラグはヒートシンクとして機能する。これでスパークプラグは空気／燃料混合物から急速に熱を引き出し、反応を妨害する。Ｊ形状のサイドワイヤは成長する火炎核を包囲し、さらに妨害する。従って、このような従来形状のスパークギャップは、リーンバーンを妨害し、エンジンパワーを低下させ、燃料効率を引き下げる。
【００３９】
本発明の１実施例は、コンデンサ放電スパークを形成するのにスパークプラグと分離されたコンデンサを必要としない。１実施例では、スパークプラグは少なくとも実質的に正電極周囲に同心円状に配置された固形絶縁体部分と、少なくとも実質的にその固形絶縁体部分の周囲に同心円状に配置されたエアギャップ部分とから形成される。１実施例では、中央電極はプラグを介して延出しない。この実施例では、中央電極は部分的にスパークプラグの電極端内に延入するだけである。
【００４０】
本発明は特に好適実施例に関連させて詳細に解説されたが、他の実施形態でも同じ結果をもたらすことができる。本発明の変形および修正は専門家には自明であり、そのような変形や修正は「発明の範囲」に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月27日(2013.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパークプラグであって、
中心電極と、
固体材料で形成され、軸方向に配置された貫通孔を含み、該中心電極を自身の端子の端部で少なくとも実質的に同心円状に包囲する絶縁体と、
該絶縁体を自身の端子の端部で少なくとも実質的に同心円状に包囲する開状エア部分と、
該開状エア部分を少なくとも実質的に同心円状に包囲する外部電極と、を含んでおり、
スパークギャップが前記中心電極と前記外部電極との間に形成されており、前記開状エア部分と前記絶縁体の表面とを含んでおり、
前記絶縁体内部のフリット材料の間に挟持されたガス密閉インサートを含んでおり、本スパークプラグは、
本スパークプラグ内に形成されたコンデンサをさらに含んでいることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
前記外部電極は１以上の隆起部を含んでいることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記コンデンサの外部プレートは前記外部電極に電気的に接続されており、前記絶縁体は該コンデンサの誘電体を形成することを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記コンデンサは２枚のプレートを含み、それらの少なくとも一方は導電性インクで形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記中心電極は前記コンデンサのプレートに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項６】
前記外部電極のいかなる部分も、前記中心電極主軸と軸方向で整合する通路を横断するように延出していないことを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記コンデンサのプレートに通電可能に連結された電気抵抗をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項８】
前記抵抗は、前記コンデンサの充電中に電流に抵抗するが、該コンデンサから前記スパークギャップへの電流には抵抗しないように電気的に接続されていることを特徴とする請求項７記載のスパークプラグ。
【請求項９】
スパークプラグであって、
本スパークプラグの内部に形成されているコンデンサと、
本スパークプラグの端子の端部に形成されており、固形絶縁体の表面と開状エア部分を含んでいるスパークギャップと、
固体材料で形成され、軸方向に配置された貫通孔を含む絶縁体と、
前記絶縁体内部のフリット材料の間に挟持されたガス密閉インサートと、
本スパークプラグの内部導電体に向かって内側には放射状に突出していない本スパークプラグの外部導電体の端子の端部と、
を含んでいることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１０】
外部導電体の前記端子の端部は、該端部に提供されている複数の隆起部を含んでいることを特徴とする請求項９記載のスパークプラグ。
【請求項１１】
前記複数の隆起部は少なくとも３つの隆起部を含んでいることを特徴とする請求項１０記載のスパークプラグ。
【請求項１２】
前記複数の隆起部は少なくとも５つの隆起部を含んでいることを特徴とする請求項９記載のスパークプラグ。
【請求項１３】
前記コンデンサの誘電体は本スパークプラグの前記絶縁体で形成されることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項１４】
前記誘電体、および前記絶縁体は接続されており、１体の材料から形成されていることを特徴とする請求項１３記載のスパークプラグ。
【請求項１５】
方法であって、
スパークプラグ内でコンデンサを形成するステップと、
該スパークプラグの使用時に形成されたスパークが内部導電体と外部導電体との間で放射状に延出し、固形絶縁体の表面を進み、開状エア部分を進むように、セミサーフェススパークギャップを形成するステップと、
前記スパークプラグ内部のフリット材料の間にガス密閉インサートを挟持するステップと、
スパークを形成する電子流に作用する作用力の影響によって、該スパークプラグの運用時に形成されたスパークを該スパークプラグの端部から軸方向に放出するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１６】
スパークの放出ステップは、前記内部導電体と前記外部導電体との間の最も接近した距離の少なくとも１／２の長さを有する距離だけ、前記スパークプラグの端部から軸方向にスパークを放出するステップを含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
スパークの放出ステップは、前記内部導電体と前記外部導電体との間の最も接近した距離と少なくとも等しい長さを有する距離だけ、前記スパークプラグの端部から軸方向にスパークを放出するステップを含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記スパークプラグの絶縁体から前記コンデンサの誘電体を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
１体の同一材料から、前記スパークプラグの前記絶縁体、該スパークプラグの前記誘電体、およびスパークが移動する前記固形絶縁体を形成することを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記電子に対して作用する作用力はローレンツ力であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【国際調査報告】
2015507331.tif 000021
2015507331.tif 000022