(57)【要約】  特定の実施形態においては、同等のエンジンパワー出力及び熱効率を維持しつつ、燃料式予燃焼室を備えたエンジンのＮＯｘレベルを低下させるために２段式予燃焼室が使用されてもよい。１以上の燃料供給点が第１予燃焼室段又は第２予燃焼室段のいずれかに配置されてもよい。第２予燃焼室段から出て主燃焼室に入る非常に高エネルギーの火炎ジェットを発生させる一方で、より低いレベルのＮＯｘ形成を特徴とするより効率的な全体的燃焼が２段式予燃焼室システムによって実現されてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、
前記第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、
前記第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、
前記第１予燃焼室容積内に配置され、前記一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む第１予燃焼室段と、
前記第２予燃焼室容積を囲む第２予燃焼室段であって、
前記第２予燃焼室容積と燃焼室容積との間に連通する１以上の第２段孔を含む、第２予燃焼室段と、を備える２段式予燃焼室。
【請求項２】
前記第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度が前記第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高い、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項３】
スパークが導入される前、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項２に記載の２段式予燃焼室。
【請求項４】
前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高い、請求項２に記載の２段式予燃焼室。
【請求項５】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積よりも小さい、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項６】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積の約５０％未満である、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項７】
前記第１予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに備える、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項８】
前記第２予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに備える、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項９】
前記１以上の第１段孔のそれぞれが第１段孔軸線を規定し、前記１以上の第２段孔のそれぞれが第２段孔軸線を規定し、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線がインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定する、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１０】
前記第１段孔及び前記第２段孔の前記インデックス角度、前記貫通角度及び前記回転オフセットが、前記第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高い前記第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度を生じさせるように選択される、請求項９に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１１】
第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、
前記第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、
前記第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、
前記第１予燃焼室容積内に配置され、前記一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む第１予燃焼室段と、
第２予燃焼室段であって、
前記第２予燃焼室容積を囲む外部表面及び内部表面と、
前記内部表面と前記外部表面との間に連通する１以上の第２段孔と、を含む第２予燃焼室段と、を備える２段式予燃焼室。
【請求項１２】
前記第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度が前記第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高い、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１３】
スパークが導入される前、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項１２に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１４】
前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高い、請求項１２に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１５】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積よりも小さい、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１６】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積の約５０％未満である、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１７】
前記第１予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに備える、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１８】
前記第２予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに備える、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項１９】
前記１以上の第１段孔のそれぞれが第１段孔軸線を規定し、前記１以上の第２段孔のそれぞれが第２段孔軸線を規定し、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線がインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定する、請求項１１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項２０】
前記第１段孔及び前記第２段孔の前記インデックス角度、前記貫通角度及び前記回転オフセットが、前記第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高い前記第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度を生じさせるように選択される、請求項１９に記載の２段式予燃焼室。
【請求項２１】
ガスエンジン内のＮＯｘレベルを低下させる方法であって、
第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、
前記第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、
前記第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、
前記第１予燃焼室容積内に配置され、前記一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む第１予燃焼室段と、
前記第２予燃焼室容積を囲む第２予燃焼室段であって、前記第２予燃焼室容積と燃焼室容積との間に連通する１以上の第２段孔を含む第２予燃焼室段と、を備える２段式予燃焼室を提供するステップと、
前記第１予燃焼室容積及び前記第２予燃焼室容積のうち選択した１つに１以上の燃料供給点を導入するステップと、
前記１以上の電極ギャップのうちの少なくとも１つにスパークを発生させて前記第１予燃焼室容積内の燃料空気混合物に点火するステップと、を含む方法。
【請求項２２】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積よりも小さい、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積の約５０％未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記１以上の燃料供給点が前記第１予燃焼室容積内に導入される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記１以上の燃料供給点が前記第２予燃焼室容積内に導入される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１予燃焼室容積が、第１燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を含み、前記第２予燃焼室容積が、第２燃料濃度を有する第２燃料空気混合物を含み、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記スパークを発生させる前、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高い、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記１以上の第１段孔のそれぞれが第１段孔軸線を規定し、前記１以上の第２段孔のそれぞれが第２段孔軸線を規定し、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線がインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１段孔及び前記第２段孔の前記インデックス角度、前記貫通角度及び前記回転オフセットが、前記第１予燃焼室容積内に、前記第２予燃焼室容積内の第２燃料空気混合物よりも高い燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を発生させるように選択される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ガスエンジン内のＮＯｘレベルを低下させる方法であって、
第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、
前記第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、
前記第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、
前記第１予燃焼室容積内に配置され、前記一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む第１予燃焼室段と、
第２予燃焼室段であって、
前記第２予燃焼室容積を囲む外部表面及び内部表面と、
前記内部表面と前記外部表面との間に連通する１以上の第２段孔と、を含む第２予燃焼室段と、を備える２段式予燃焼室を提供するステップと、
前記第１予燃焼室容積及び前記第２予燃焼室容積のうち選択した１つに１以上の燃料入充填流を導入するステップと、
前記１以上の電極ギャップのうちの少なくとも１つにスパークを発生させて前記第１予燃焼室容積内の燃料空気混合物に点火するステップと、を含む方法。
【請求項３２】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積よりも小さい、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１予燃焼室容積が前記第２予燃焼室容積の約５０％未満である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記１以上の燃料供給点が前記第１予燃焼室容積内に導入される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記１以上の燃料供給点が前記第２予燃焼室容積内に導入される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１予燃焼室容積が、第１燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を含み、前記第２予燃焼室容積が、第２燃料濃度を有する第２燃料空気混合物を含み、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記スパークを発生させる前、前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも高い、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１燃料濃度が前記第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高い、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記１以上の第１段孔のそれぞれが第１段孔軸線を規定し、前記１以上の第２段孔のそれぞれが第２段孔軸線を規定し、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線がインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定する、請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１段孔及び前記第２段孔の前記インデックス角度、前記貫通角度及び前記回転オフセットが、前記第１予燃焼室容積内に、前記第２予燃焼室容積内の第２燃料空気混合物よりも高い燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を発生させるように選択される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
電気作動式バルブを用いて２段式予燃焼室への燃料の供給を制御するための方法であって、
前記２段式予燃焼室内における所望の燃料分配を実現するため、エンジン位置に対し、供給される燃料の量及び前記燃料の量の供給のタイミングを調整するステップを含む方法。
【請求項４２】
前記燃料の量及び前記燃料供給のタイミングのうち少なくとも１つが１以上の前の動作サイクルに基づく閉フィードバックループを用いて調整され、かつ、前記フィードバックループが、前記２段式予燃焼室又は主燃焼室から得られたフィードバックを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
２段式予燃焼室内におけるスパーク放電事象の特徴を制御及び調整するための方法であって、
前記２段式予燃焼室内の燃料分配に基づきスパーク放電事象の前記特徴を調整するため、電子制御式点火システムを使用するステップを含む方法。
【請求項４４】
１以上の前の動作サイクルに基づく閉フィードバックループを用いて前記スパーク放電の前記特徴が調整され、前記フィードバックループが、前記２段式予燃焼室又は主燃焼室から得られたフィードバックを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１予燃焼室の全表面温度が、混合気組成及び前記エンジンが動作する燃焼平均有効圧のレベルにより求められる熱暴走点未満を維持するように、前記第１段予燃焼室に冷却を提供するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１段予燃焼室は受動予燃焼室スパークプラグを含み、前記受動予燃焼室スパークプラグは、受動予燃焼室スパークプラグの全表面温度が、混合気組成及びエンジンが動作する燃焼平均有効圧のレベルにより求められる熱暴走点未満を維持するように選択された熱価を有する、請求項１に記載の２段式予燃焼室。
【請求項４７】
混合気組成及び流動力学によって求められるように消炎を防止するため、かつ、炎伝播速度を促進するため、前記第２予燃焼室の全表面温度を維持するように前記第２段予燃焼室に冷却を提供するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「大口径ガスエンジン用２段式予燃焼室（Two−Stage Precombustion Chamber For Large Bore Gas Engines）」の発明の名称で２０１２年９月６日に出願された米国特許出願第６１／６９７，６２８号の優先権を主張する。同出願は、「ガスエンジンの予燃焼室スパークプラグの消炎及び自己点火を低減しつつ高出力の火炎ジェットを実現するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称で２０１２年９月１日に出願された米国特許出願第１３／６０２，１４８号、及び「ガスエンジンの予燃焼室スパークプラグの消炎及び自己点火を低減しつつ高出力の火炎ジェットを実現するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称で２０１２年９月１日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／５３５６８号に関連する。同両出願は、「ガスエンジンの予燃焼室スパークプラグの消炎及び自己点火を低減しつつ高出力の火炎ジェットを実現するための方法及び装置（Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines）」の発明の名称で２０１１年９月３日に出願された米国特許出願第６１／５７３，２９０号の優先権を主張する。同出願は、また、「予燃焼室点火システム（Prechamber Ignition System）」の発明の名称で２０１１年１２月３０日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／００２０１２号に関連する。同出願は、「高効率跳飛効果受動室スパークプラグ（High efficiency ricochet effect passive chamber spark plug）」の発明の名称で２０１０年１２月３１日に出願された米国特許出願第６１／４６０，３３７号の優先権を主張する。前述の各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】
本開示は、概して、２段式予燃焼室のためのシステム及び方法に関し、特に、燃料式予燃焼室ガスエンジンのＮＯｘ排出量を低減する２段式予燃焼室に関する。２段式予燃焼室はまた、従来の燃料式予燃焼室において使用される従来のスパークプラグを、受動予燃焼室スパークプラグと単に交換することによって実現されうる。
【背景技術】
【０００３】
２００ｍｍを超えるシリンダ口径直径を有する大型ガスエンジンでは、一般に、主燃焼室内における希薄空気／燃料混合物の炎伝播率を高めるために燃料供給式の過剰（rich）予燃焼室を使用する。この種のシステムの欠点は、燃料過剰予燃焼室で非常に多量のＮＯｘが発生し、主室で発生するＮＯｘが非常に少量であったとしても、合計量が法律で定められた量を依然上回ることである。
【０００４】
前述の技術的欠陥に対処する必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、第１予燃焼室段が、第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、第１予燃焼室容積内に配置され、一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む、第１予燃焼室段と、第２予燃焼室容積を囲む第２予燃焼室段であって、第２予燃焼室段が、第２予燃焼室容積と燃焼室容積との間に連通する１以上の第２段孔を含む第２予燃焼室段と、を含む２段式予燃焼室が開示される。第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度は第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高くてもよい。スパークが導入される前、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高くてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積よりも小さくてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積の約５０％未満であってもよい。２段式予燃焼室は、第１予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに含んでもよい。２段式予燃焼室は、第２予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに含んでもよい。１以上の第１段孔のそれぞれは第１段孔軸線を規定してもよく、１以上の第２段孔のそれぞれは第２段孔軸線を規定してもよく、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線はインデックス角度（index angle）、貫通角度（penetration angle）及び回転オフセット（rotational offset）を規定してもよい。第１段孔及び第２段孔のインデックス角度、貫通角度、回転オフセット、第１予燃焼室容積及びアスペクト比、第２予燃焼室容積及びアスペクト比、及び第１予燃焼室容積内における１以上のスパークギャップの位置は、第２燃料濃度よりも高い第１燃料濃度を生じさせるように選択されてもよい。第１段予燃焼室は受動予燃焼室スパークプラグを含んでもよく、受動予燃焼室スパークプラグは、受動予燃焼室スパークプラグの全表面温度が、混合気組成及びエンジンが動作する燃焼平均有効圧のレベルにより求められる熱暴走点未満を維持するように選択された熱価を有する。
【０００６】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、第１予燃焼室段が、第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、第１予燃焼室容積内に配置され、一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む、第１予燃焼室段と、第２予燃焼室容積を囲む外部表面及び内部表面と、内部表面と外部表面との間に連通する１以上の第２段孔と、を含む、第２予燃焼室段と、を含む２段式予燃焼室が開示される。第１予燃焼室容積内の第１燃料濃度は第２予燃焼室容積内の第２燃料濃度よりも高くてもよい。スパークが導入される前、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高くてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積よりも小さくてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積の約５０％未満であってもよい。２段式予燃焼室は、第１予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに含んでもよい。２段式予燃焼室は、第２予燃焼室容積内に燃料を導入するように構成された燃料供給点をさらに含んでもよい。１以上の第１段孔のそれぞれは第１段孔軸線を規定してもよく、１以上の第２段孔のそれぞれは第２段孔軸線を規定してもよく、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線はインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定してもよい。第１段孔及び第２段孔のインデックス角度、貫通角度、回転オフセット、第１予燃焼室容積及びアスペクト比、第２予燃焼室容積及びアスペクト比、及び第１予燃焼室容積内における１以上のスパークギャップの位置は、第２燃料濃度よりも高い第１燃料濃度を生じさせるように選択されてもよい。
【０００７】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、第１予燃焼室段が、第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、第１予燃焼室容積内に配置され、一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む、第１予燃焼室段と、第２予燃焼室容積を囲む第２予燃焼室段であって、第２予燃焼室段が、第２予燃焼室容積と燃焼室容積との間に連通する１以上の第２段孔を含む第２予燃焼室段と、を含む２段式予燃焼室を提供するステップと、第１予燃焼室容積及び第２予燃焼室容積のうち選択した１つに１以上の燃料入充填流（fuelin−filling streams）を導入するステップと、１以上の電極ギャップのうちの少なくとも１つにスパークを発生させて第１予燃焼室容積内の燃料空気混合物に点火するステップと、を含む、ガスエンジン内のＮＯｘレベルを低下させる方法が開示される。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積よりも小さくてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積の約５０％未満であってもよい。１以上の燃料入充填流は第１予燃焼室容積内に導入されてもよい。１以上の燃料入充填流は第２予燃焼室容積内に導入されてもよい。第１予燃焼室容積は、第１燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を含んでもよく、第２予燃焼室容積は、第２燃料濃度を有する第２燃料空気混合物を含んでもよく、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。スパークを発生させる前、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高くてもよい。１以上の第１段孔のそれぞれは第１段孔軸線を規定してもよく、１以上の第２段孔のそれぞれは第２段孔軸線を規定してもよく、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線はインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定してもよい。第１段孔及び第２段孔のインデックス角度、貫通角度、回転オフセット、第１予燃焼室容積及びアスペクト比、第２予燃焼室容積及びアスペクト比、及び第１予燃焼室容積内における１以上のスパークギャップの位置は、第１予燃焼室容積内に、第２予燃焼室容積内の第２燃料空気混合物よりも高い燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を発生させるように選択されてもよい。方法は、第１予燃焼室の全表面温度が、混合気組成及びエンジンが動作する燃焼平均有効圧のレベルにより求められる熱暴走点未満を維持するよう第１段予燃焼室に冷却を提供するステップをさらに含んでもよい。方法は、混合気組成及び流動力学によって求められるように消炎を防止するため、及び炎伝播速度を促進するため第２予燃焼室の全表面温度を維持するよう第２段予燃焼室に冷却を提供するステップをさらに含んでもよい。
【０００８】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室容積を囲む第１予燃焼室段であって、第１予燃焼室段が、第１予燃焼室容積と第２予燃焼室容積との間に連通する１以上の第１段孔と、第１予燃焼室容積内に配置された一次電極と、第１予燃焼室容積内に配置され、一次電極からオフセットして１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を含む、第１予燃焼室段と、第２予燃焼室容積を囲む外部表面及び内部表面と、内部表面と外部表面との間に連通する１以上の第２段孔と、を含む、第２予燃焼室段と、を含む２段式予燃焼室を提供するステップと、第１予燃焼室容積及び第２予燃焼室容積のうち選択した１つに１以上の燃料入充填流を導入するステップと、１以上の電極ギャップのうちの少なくとも１つにスパークを発生させて第１予燃焼室容積内の燃料空気混合物に点火するステップと、を含む、ガスエンジン内のＮＯｘレベルを低下させる方法が開示される。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積よりも小さくてもよい。第１予燃焼室容積は第２予燃焼室容積の約５０％未満であってもよい。１以上の燃料入充填流は第１予燃焼室容積内に導入されてもよい。１以上の燃料入充填流は第２予燃焼室容積内に導入されてもよい。第１予燃焼室容積は、第１燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を含んでもよく、第２予燃焼室容積は、第２燃料濃度を有する第２燃料空気混合物を含んでもよく、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。スパークを発生させる前、第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも高くてもよい。第１燃料濃度は第２燃料濃度よりも少なくとも約５％高くてもよい。１以上の第１段孔のそれぞれは第１段孔軸線を規定してもよく、１以上の第２段孔のそれぞれは第２段孔軸線を規定してもよく、各第１段孔軸線及び各第２段孔軸線はインデックス角度、貫通角度及び回転オフセットを規定してもよい。第１段孔及び第２段孔のインデックス角度、貫通角度、回転オフセット、第１予燃焼室容積及びアスペクト比、第２予燃焼室容積及びアスペクト比、別々の燃料供給、及び第１予燃焼室容積内における１以上のスパークギャップの位置は、第１予燃焼室容積内に、第２予燃焼室容積内の第２燃料空気混合物よりも高い燃料濃度を有する第１燃料空気混合物を発生させるように選択されてもよい。
【０００９】
特定の実施形態においては、２段式予燃焼室内における所望の燃料分配を達成するため、エンジン位置に対し、供給される燃料の量及びこの燃料の量の供給のタイミングを調整するステップを含む、電気作動式バルブを用いて２段式予燃焼室への燃料の供給を制御するための方法が開示される。燃料の量及び燃料供給のタイミングのうち少なくとも１つは、１以上の前の動作サイクルに基づく閉フィードバックループを用いて調整してもよく、フィードバックループは、２段式予燃焼室又は主燃焼室から得られたフィードバックを含む。
【００１０】
特定の実施形態においては、２段式予燃焼室内の燃料分配に基づきスパーク放電事象の特徴を調整するため電子制御式点火システムを使用するステップを含む、２段式予燃焼室内におけるスパーク放電事象の特徴を制御及び調整するための方法が開示される。スパーク放電の特徴は、１以上の前の動作サイクルに基づく閉フィードバックループを用いて調整してもよく、フィードバックループは、２段式予燃焼室又は主燃焼室から得られたフィードバックを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】特定の実施形態による２段式予燃焼室の２つの変形形態を示す。
【図２】従来のスパークプラグを備えた従来の予燃焼室と、特定の実施形態による受動予燃焼室スパークプラグを備えた２段式予燃焼室との間のＮＯｘ排出量の例示的な比較を示す。
【図３】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの特定の実施形態の総容積を示す。
【図４】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの特定の実施形態のギャップ前方の容積を示す。
【図５】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの特定の実施形態のギャップ後方の容積を示す。
【図６】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的な貫通角度を示す。
【図７】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的なインデックス角度を示す。
【図８】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的な回転オフセットを示す。
【図９】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的なパターン半径を示す。
【図１０】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、例示的な、受動予燃焼室スパークプラグの中心電極から予燃焼室天井までの距離を示す。
【図１１】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的なポート長さを示す。
【図１２】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、受動予燃焼室スパークプラグの例示的なポート直径を示す。
【図１３】特定の実施形態による２段式予燃焼室の第１段として使用されてもよい、例示的な受動予燃焼室スパークプラグの予燃焼室挿入深さを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
特定の実施形態においては、本明細書中に開示される２段式予燃焼室１００の概念を、燃料式予燃焼室とともに、同等のエンジンパワー出力及び熱効率を維持しつつエンジンのＮＯｘレベルを低下させるのに使用してもよい。
【００１３】
特定の実施形態は、より希薄な混合物を用いてより効果的な燃焼を実現してＮＯｘを低下させる方法及び構造を提供する。図１に示すような特定の実施形態においては、比較的小さな容積内において比較的燃料過剰な混合物１７０による第１段の燃焼１１０が行われ、比較的大きな容積において比較的燃料希薄な混合物１５０による第２段の燃焼１２０が行われるように従来の予燃焼室を変更してもよい。特定の実施形態においては、第２予燃焼室段１２０から出て主燃焼室１１０に入る非常に高エネルギーの火炎ジェット１４０を発生させる一方で、より低いレベルのＮＯｘ形成を特徴とするより効率的な全体的燃焼を２段式予燃焼室１００システムにより実現することができる。
【００１４】
特定の実施形態においては、２段式予燃焼室１００システムは、燃料式予燃焼室内において使用される従来のスパークプラグを受動予燃焼室スパークプラグと単に交換し、２段式予燃焼室１００システム内に第１段予燃焼室１１０を提供することによって実現することができる。
【００１５】
予燃焼室内において生成されるＮＯｘの量は主に空燃比及び反応物の量によって決定されてもよい。低い空燃比における反応物の量が減少するにつれて、形成されるＮＯｘの量は比例的に減少してもよい。特定の実施形態においては、２段式予燃焼により燃料過剰１７０段の容積を少なくとも２分の１に低減することができ、それによってＮＯｘ生成を約２分の１に低減する。特定の実施形態においては、火炎ジェットエネルギーもまた空燃比及び反応物の量により決定されてもよい。低い空燃比における反応物の量が減少するにつれて、火炎ジェットエネルギーもまた低減されてもよい。２段式予燃焼１００の特定の実施形態においては、比較的より希薄な混合物１５０を特徴とする第２予燃焼室段１２０は比較的燃料過剰１７０な第１予燃焼室１１０段から出る強力な火炎ジェット１４０により点火される。強力な火炎ジェット１４０による点火は、第２予燃焼室段１２０内におけるより希薄な混合物１５０の迅速な燃焼を生じさせてもよく、これにより、第２予燃焼室段１２０から高エネルギーの火炎ジェット１４０を発生させてもよい。これら高エネルギーの火炎ジェット１４０は、エンジン主燃焼室１２０内の希薄混合気１５０に点火し、従来の予燃焼室を用いたシステムと同等のエンジンパワー出力及び熱効率を維持する一方で、低い全体的ＮＯｘ排出量を実現してもよい。
【００１６】
図１に示すような特定の実施形態においては、第１予燃焼室段１１０の容積は第２予燃焼室段１２０の容積よりも大幅に小さくてもよい。第１予燃焼室段１１０の容積は第２予燃焼室段１２０の容積の約５０％未満であってもよい。
【００１７】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室段１１０又は第２予燃焼室段１２０のいずれかに、別個の燃料ラインによって直接燃料供給することができる。図１では、より高い燃料濃度はより濃い青で塗りつぶした色によって示される。特定の実施形態においては、図１の上２つの図に示すように第１予燃焼室段１１０が別個の燃料供給点１３０によって直接燃料供給される場合、図１の下２つの図に示すようによりも第２予燃焼室１２０段が別個の燃料供給点１３０によって直接燃料供給される場合よりも、第１予燃焼室１１０段内の第１燃料濃度がより過剰となる可能性がある。逆に、第２予燃焼室１２０段内の第２燃料濃度は、図１の下２つの図に示すようによりも第２予燃焼室１２０段が別個の燃料供給点１３０によって直接燃料供給される場合よりも、図１の上２つの図に示すように第１予燃焼室１１０段が別個の燃料供給点１３０によって直接燃料供給される場合に、より希薄になる可能性がある。第１予燃焼室１１０段又は第２予燃焼室１２０段のいずれかに直接燃料供給することにより、性能が従来の単段式予燃焼室に比べて向上する可能性がある。特定の実施形態においては、受動予燃焼室(ＰＰＣ：passive prechamber)スパークプラグを第１予燃焼室１１０段として使用してもよい。特定の実施形態においては、ＰＰＣスパークプラグとともに第１予燃焼室段１１０として燃料供給第２予燃焼室１２０段を使用してもよい。ＰＰＣスパークプラグの例示的な非限定的例は関連の米国特許出願第１３／６０２，１４８号及び国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／５３５６８号及び国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／００２０１２号に開示されており、これらは参照により本明細書中に組み込まれる。
【００１８】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室１１０段と第２予燃焼室１２０段と主燃焼室との間の連通は所定の相対的パターン及び角度を有する１以上の孔を介して行われてもよい。特定の実施形態においては、１以上の孔は、第１予燃焼室１１０段と第２予燃焼室１２０段との間を連通するための１以上の第１段孔１１５と、第２予燃焼室１２０段と主燃焼室との間を連通するための１以上の第２段孔１２５と、を含んでもよい。特定の実施形態においては、１以上の第１段孔１１５のそれぞれは第１段孔軸線１６０を規定してもよく、１以上の第２段孔１２５のそれぞれは第２段孔軸線１６０を規定してもよい。各第１段孔軸線１６０及び各第２段孔軸線１６０は、インデックス角度６１０、貫通角度６００及び回転オフセット６２０を規定してもよい。第１段孔１１５及び第２段孔１２５のインデックス角度６１０、貫通角度６００及び回転オフセット６２０は、第１予燃焼室１１０段内に、第２予燃焼室段１２０内の第２燃料濃度よりも高い第１燃料濃度を生じさせるように選択してもよい。特定の実施形態においては、２つの予燃焼室段の容積及びアスペクト比は、第１段予燃焼室１１０内における電極の位置、孔パターン、角度及び別々の燃料供給とともに、第１予燃焼室１１０段内に、第２予燃焼室１２０段内の第２燃料濃度よりも大幅に高い第１燃料濃度を形成するように選択してもよい。
【００１９】
図２は、ＰＰＣスパークプラグを備えた２段式予燃焼室システム１００により達成されたＮＯｘ排出量の低下を、従来のスパークプラグを備えた従来の予燃焼室と比較した例示的な結果を示す。図２に示す結果は、この非最適化システムにおいてエンジン熱効率を損なうことなくＮＯｘ排出量の低下を実現したことを示す。したがって、ＰＰＣスパークプラグを備える最適化された２段式予燃焼室システム１００が予燃焼室内のより希薄な混合物によって安定な動作を実現し、結果的に、０．５ｇ／ｂｈｐ−ｈｒレベルを大幅に下回る非常に低いＮＯｘ排出量が得られる可能性は高い。
【００２０】
特定の実施形態においては、第１予燃焼室１１０段内の第１燃料濃度及び第２予燃焼室１２０段内の第２燃料濃度を変更して第２燃料濃度よりも高い第１燃料濃度を得るため、図３〜図１３に示される物理的パラメータを単独で又は組み合わせて変更してもよい。
【００２１】
図３に示すように、総容積３００は、ポート／孔の容積を含めない予燃焼室スパークプラグ内部の空気の体積として定義されうる。
【００２２】
図４に示すように、ギャップ４００前方の容積は、ギャップの中心からエンドキャップまでの、ポート／孔の容積を含めない予燃焼室スパークプラグ内部の空気の体積として定義されうる。
【００２３】
図５に示すように、ギャップ５００後方の容積は、予燃焼室の後部にある可能性のある任意のポート／孔の容積を含めない、ギャップの中心と予燃焼室の後部との間の予燃焼室スパークプラグ内部の空気の体積として定義されうる。
【００２４】
図６に示すように、貫通角度６００は、予燃焼室スパークプラグの軸線１６０に垂直な面と、ポート／孔の中心線との間の角度として定義されうる。
【００２５】
図７に示すように、インデックス角度６１０は、予燃焼室スパークプラグの軸線１６０と、ポート上において、ポートの中心線が予燃焼室スパークプラグの前面に接触する位置を中心とした回転角として定義されうる。
【００２６】
図８に示すように、回転オフセット６２０は、予燃焼室スパークプラグの軸線１６０及びポート／孔の中心線との間の垂直距離(予燃焼室スパークプラグの前面において測定)として定義されうる。
【００２７】
図９に示すように、パターン半径６３０は、エンドキャップの前面において測定した、予燃焼室スパークプラグの軸線１６０からポート／孔の中心線までの垂直距離として定義されうる。
【００２８】
図１０に示すように、中心電極から予燃焼室天井までの距離６４０は、予燃焼室スパークプラグの軸線１６０に沿った、中心電極の上部からエンドキャップの内側までの距離として定義されうる。
【００２９】
図１１に示すように、ポート長さ６５０は、ポート／孔の中心線に沿ってエンドキャップの内側からエンドキャップの外側までを測定したポート／孔の長さとして定義されうる。
【００３０】
図１２に示すように、ポート直径６６０はポート／孔の直径として定義されうる。
【００３１】
図１３に示すように、予燃焼室挿入深さ６７０は、点火デッキ（firing deck）から予燃焼室スパークプラグの端部までの距離として定義されうる。示されるように、図９では、点火デッキはねじ山の端部にあると想定する。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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