(57)【要約】【課題】半径流及び軸流を引き起こすプレチャンバスパークプラグのプレチャンバ空間内での燃料−空気充填流の回転流を実現する。【解決手段】プレチャンバスパークプラグは、特定の燃焼性能特性を得るために、所定のアスペクト比及び穴パターンを有するプレチャンバを有することができる。アスペクト比及び穴パターンは、プレチャンバ空間内に燃料−空気充填流の回転流れを誘起することができる。混合気の回転流は、アスペクト比及び穴パターンにより、半径流及び軸流の両方の特徴を有することができる。軸流の特徴として、回転流の周縁近くの第１軸方向と、回転流の中心近くの逆方向の第２軸方向と、を挙げることができる。アスペクト比及び穴パターンの変更によって、回転流、半径流、及び軸流を調整して、広範なスパークギャップ形状に対応した特定の燃焼性能特性を得ることができる。【選択図】図１５
2016148336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側面、及び、プレチャンバ空間を取り囲む内側面を含むプレチャンバと、
前記外側面と前記内側面とを接続して前記プレチャンバ空間に混合気を導入する１以上の穴であって、当該１以上の穴の各々が、前記プレチャンバ空間内で前記混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を備える、１以上の穴と、
前記プレチャンバ空間内に配置された主電極と、
前記プレチャンバ空間内に配置され、１以上の電極ギャップを形成するために前記主電極からずれた１以上の接地電極と、を備える予燃焼室。
【請求項２】
前記混合気の前記螺旋流パターンは、中心及び周縁を含み、前記中心の近くよりも前記周縁の近くで大きな速度を有する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３】
前記螺旋流パターンは、中心及び周縁を含み、前記周縁の近くよりも前記中心の近くで大きな速度を有する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項４】
前記穴軸は、前記プレチャンバ空間内で前記混合気の軸流パターンを形成するための侵入角をさらに規定する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項５】
前記軸流パターンは、火炎核を前記１以上の穴の１以上に向かってほぼ前方向に展開させるために、前記主電極の近くでほぼ軸方向に作用するほぼ均一な速度流動場を有する、請求項４に記載の予燃焼室。
【請求項６】
前記軸流パターンは、前記プレチャンバの周縁近くの第１軸流パターンと、前記プレチャンバの中心近くの第２軸流パターンと、を備える、請求項４に記載の予燃焼室。
【請求項７】
前記第２軸流パターンは前記第１軸流パターンに対してほぼ逆方向である、請求項６に記載の予燃焼室。
【請求項８】
前記１以上の穴の第１穴の前記割出角は約０°〜約１２０°である、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項９】
各前記１以上の穴の前記回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１０】
各前記１以上の穴の前記侵入角は約１０°〜約７５°である、請求項４に記載の予燃焼室。
【請求項１１】
前記１以上の穴は、内側穴軸を有する１以上の内側穴と、外側穴軸を有する１以上の外側穴と、を備え、各内側穴軸及び各外側穴軸は、割出角、侵入角及び回転方向のずれを規定する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１２】
前記１以上の内側穴は、前記１以上の外側穴よりも前記プレチャンバの中心長手軸の近くに配置される、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１３】
前記１以上の内側穴の第１内側穴の割出角は約０°〜約１２０°である、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１４】
前記１以上の外側穴の第１外側穴の割出角は約０°〜約１２０°である、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１５】
各前記１以上の内側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１６】
各前記１以上の外側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１７】
各前記１以上の内側穴の侵入角は約１０°〜約７５°である、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１８】
各前記１以上の外側穴の侵入角は約０°〜約９０°である、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１９】
各前記１以上の内側穴のパターン半径は約２ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項２０】
各前記１以上の外側穴のパターン半径は約３ｍｍ〜約５ｍｍである、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項２１】
前記プレチャンバ空間は、前記主電極の上面の上の上部部分と、前記主電極の前記上面の下の底部部分と、を備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項２２】
前記底部部分は、スパークの導入前の自己発火を防止するために、残留ガスの混合及び冷却を可能にするように構成される、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２３】
前記底部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有する、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２４】
前記底部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有する、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２５】
前記上部部分は、点火性の混合気を保持することにより、スパークの導入時に、前記１以上の穴の１以上から１以上の火炎ジェットを発生させることを可能にするように構成される、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２６】
前記上部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有する、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２７】
前記上部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有する、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２８】
前記上部部分は、１を超えるアスペクト比を有し、前記底部部分は、約１のアスペクト比を有する、請求項２１に記載の予燃焼室。
【請求項２９】
前記１以上の接地電極は前記主電極から半径方向にずれている、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３０】
前記１以上の接地電極は前記主電極から軸方向にずれている、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３１】
前記プレチャンバ空間の周縁の近くの燃料濃度は前記混合気の平均燃料濃度よりも高い、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３２】
前記燃料濃度は、前記１以上の穴の近くで、前記混合気の前記平均燃料濃度よりも高い、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３３】
前記１以上の電極ギャップの近くの前記燃料濃度は、点火遅延を延ばすために、前記混合気の前記平均燃料濃度よりも低い、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３４】
高運動量の火炎ジェットを発生させる方法であって、
外側面、及び、プレチャンバ空間を取り囲む内側面と、
前記外側面と前記内側面とを接続して前記プレチャンバ空間に混合気を導入する１以上の穴であって、当該１以上の穴の各々が、前記プレチャンバ空間内で前記混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を備える、１以上の穴と、
前記プレチャンバ空間内に配置された主電極と、
前記プレチャンバ空間内に配置され、１以上の電極ギャップを形成するために前記主電極からずれた１以上の接地電極と、を備えるプレチャンバを用意することと、
前記プレチャンバの中心長手軸のまわりに螺旋流パターンを形成する１以上の燃料−空気充填流を前記１以上の穴から前記プレチャンバ空間に導入することと、
前記混合気に点火するために、前記１以上の電極ギャップの少なくとも１つを横断するスパークを導入することと、を含む方法。
【請求項３５】
前記螺旋流パターンは、中心及び周縁を含み、前記中心の近くよりも前記周縁の近くで大きな速度を有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記螺旋流パターンは、中心及び周縁を含み、前記周縁の近くよりも前記中心の近くで大きな速度を有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記１以上の燃料−空気充填流は前記プレチャンバ内に軸流パターンを形成する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記軸流パターンは、火炎核を前記１以上の穴の１以上に向かってほぼ前方向に展開させるために、前記主電極の近くでほぼ軸方向に作用するほぼ均一な速度流動場を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記軸流パターンは、前記プレチャンバの周縁近くの第１軸流パターンと、前記プレチャンバの中心近くの第２軸流パターンと、を備える、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２軸流パターンは前記第１軸流パターンに対してほぼ逆方向である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記１以上の穴の第１穴の前記割出角は約０°〜約１２０°である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
各前記１以上の穴の前記回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
前記穴軸は、前記プレチャンバ空間内で前記混合気の前方向流を引き起こすための侵入角をさらに規定する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４４】
各前記１以上の穴の前記侵入角は約１０°〜約７５°である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記１以上の穴は、内側穴軸を含む１以上の内側穴と、外側穴軸を含む１以上の外側穴と、を備え、各内側穴軸及び各外側穴軸は、割出角、侵入角及び回転方向のずれを規定する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４６】
前記１以上の内側穴は、前記１以上の外側穴よりも前記プレチャンバの前記中心長手軸の近くに配置される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記１以上の内側穴の第１内側穴の割出角は約０°〜約１２０°である、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記１以上の外側穴の第１外側穴の割出角は約０°〜約１２０°である、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
各前記１以上の内側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
各前記１以上の外側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
前記侵入角は、前記プレチャンバ空間で前記混合気の前記前方向流を引き起こすように設定される、請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
各前記１以上の内側穴の侵入角は約１０°〜約７５°である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
各前記１以上の外側穴の侵入角は約０°〜約９０°である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
各前記１以上の内側穴のパターン半径は約２ｍｍ〜約１０ｍｍである、請求項４５に記載の方法。
【請求項５５】
各前記１以上の外側穴のパターン半径は約３ｍｍ〜約５ｍｍである、請求項４５に記載の方法。
【請求項５６】
前記プレチャンバ空間は、前記主電極の上面の上の上部部分と、前記主電極の前記上面の下の底部部分と、を備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項５７】
前記底部部分は、前記スパークの導入前の自己発火を防止するために、残留ガスの混合及び冷却を可能にするように構成される、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記底部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記底部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記上部部分は、点火性の混合気を保持することにより、前記スパークの導入時に、前記穴の１以上から１以上の火炎ジェットを発生させることを可能にするように構成される、請求項５６に記載の方法。
【請求項６１】
前記上部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項６２】
前記上部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項６３】
前記上部部分は、１を超えるアスペクト比を有し、前記底部部分は、約１のアスペクト比を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項６４】
前記１以上の接地電極は前記主電極から半径方向にずれている、請求項３４に記載の方法。
【請求項６５】
前記１以上の接地電極は前記主電極から軸方向にずれている、請求項３４に記載の方法。
【請求項６６】
前記プレチャンバ空間の周縁の近くの燃料濃度は、前記混合気の平均燃料濃度よりも高い、請求項３４に記載の方法。
【請求項６７】
前記燃料濃度は、前記１以上の穴の近くで、前記混合気の前記平均燃料濃度よりも高い、請求項３４に記載の方法。
【請求項６８】
前記１以上の電極ギャップの近くの前記燃料濃度は、点火遅延を延ばすために、前記混合気の前記平均燃料濃度よりも低い、請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、「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号に対する優先権を主張するものである。本願はまた、「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号に対する優先権を主張して「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号にも関連している。前述の各特許出願の全体が、参照により、本開示と一貫性のある範囲で本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本開示は、概して、半径流及び軸流を引き起こすプレチャンバスパークプラグのプレチャンバ空間内での燃料−空気充填流の回転流を実現するために、火花ギャップジオメトリに関して調整可能なプレチャンバジオメトリのアスペクト比及び穴パターンに関し、より詳細には、回転流の周縁近くの第１軸方向と、回転流の中心に近づく逆方向の第２軸方向とをとる軸流に関し、この軸流は、半径方向及び軸方向の両方の空気−燃料比の階層化を示して特定の燃焼性能特性を付与することができる。
【背景技術】
【０００３】
従来のガスエンジン用プレチャンバスパークプラグは、燃料分布、流動場の一様性、及びスパークプラグのプレチャンバ内部での残留ガスの混合を特に考慮することなく、単にプレチャンバにおいて燃焼を行うことだけを目的とすることがある。このことは、望ましくない点火遅延、消炎傾向の高まり、及び自己発火をもたらし、さらには、発生した火炎ジェットが弱まることがあり、その結果として、ガスエンジンの主燃焼室の混合気の燃焼性能が不十分なものになる。
【０００４】
天然ガスなどのガス燃料で動作するエンジンには、酸化剤対燃料比が比較的高い希薄燃料混合物が供給されることがある。従来のプレチャンバスパークプラグは、希薄燃焼エンジンの希薄可燃限界を上げるために使用され得る。一例として、米国特許第７，９２２，５５１号は、端部キャップの周縁穴によって引き起こされた旋回流効果を通じて、放電エネルギをより広い表面積に対して拡散させることによって電極の腐食を抑えるプレチャンバスパークプラグを説明している。
【０００５】
しかしながら、一般に、希薄燃焼エンジンで従来のプレチャンバスパークプラグを使用することにより、特に、米国特許第７，９２２，５５１号に記載されているように、以下のようないくつかの未解決の欠点が残る。第１に、従来のプレチャンバスパークプラグは、スパークプラグの火花ギャップ領域において燃料を十分に濃縮しない予燃焼室を有することがある。そのような場合に、火花ギャップ領域内の流動場力は無秩序状態になり、極めて低流動場又は極めて高流動場のいずれかの状態の領域を生じさせることがある。これは、火炎核が高流動場力によって極めて急速に成長するために、点火遅延が非常に短くなるか、又は、消炎面から火炎核を遠ざける流動場力がないために火炎核が消えるかのいずれかをもたらすことがある。第２に、従来のプレチャンバスパークプラグは、消炎面の近くで火炎核の形成を促進するか、又は、消炎面に向かって火炎の成長を促すことがある。第３に、プレチャンバの構成が、プレチャンバの内部又はプレチャンバの内側面の温度を十分に下げるために充填流を残留ガスと混合せず、その結果、燃料−酸化剤混合物が自己発火することがある。第４に、プレチャンバの構成のために、希薄燃料混合物を用いて十分に速い燃焼速度を得ることができず、火炎ジェットの主燃焼室への展開が、より速い燃焼速度と比較して勢いの劣ったものとなる。
【０００６】
前述の技術的欠陥に対処する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
特定の実施形態において、外側面及びプレチャンバ空間を取り囲む内側面を含むプレチャンバと、プレチャンバ空間に混合気を導入するために外側面と内側面との間を接続する１以上の穴であって、１以上の穴の各々が、プレチャンバ空間内で混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を含む、１以上の穴と、プレチャンバ空間内に配置された主電極と、プレチャンバ空間内に配置され、１以上の電極ギャップを形成するように主電極からずれた１以上の接地電極と、を含む予燃焼室が開示される。混合気の螺旋流パターンは、中心及び周縁を含んでよく、中心の近くよりも周縁の近くで大きな速度を有し得る。螺旋流パターンは、中心及び周縁を含んでよく、周縁の近くよりも中心の近くで大きな速度を有し得る。穴軸は、プレチャンバ空間で混合気の軸流パターンを形成するための侵入角をさらに規定してよい。軸流パターンは、火炎核を１以上の穴の１以上に向かってほぼ前方向に展開させるために、電極の近くでほぼ軸方向に作用するほぼ均一な速度流動場を含んでよい。軸流パターンは、プレチャンバの周縁近くの第１軸流パターンと、プレチャンバの中心近くの第２軸流パターンと、を含んでよい。第２軸流パターンは第１軸流パターンに対してほぼ逆方向であってよい。１以上の穴の第１穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の各穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。穴軸は、プレチャンバ空間で混合気の前方向流を引き起こすための侵入角をさらに規定してよい。１以上の各穴の侵入角は約１０°〜約７５°であってよい。１以上の穴は１以上の内側穴及び１以上の外側穴を含んでよい。１以上の内側穴は、１以上の外側穴よりもプレチャンバの中心長手軸の近くに配置されてよい。１以上の内側穴の第１内側穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の外側穴の第１外側穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の各内側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。１以上の各外側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであてよい。穴軸は、プレチャンバ空間で混合気の前方向流を引き起こすための侵入角をさらに規定してよい。１以上の各内側穴の侵入角は約１０°〜約７５°であってよい。１以上の各外側穴の侵入角は約１０°〜約９０°であってよい。１以上の各内側穴のパターン半径は約２ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。１以上の各外側穴のパターン半径は約３ｍｍ〜約５ｍｍであってよい。プレチャンバ空間は、主電極の上面の上の上部部分と、主電極の上面の下の底部部分と、を含んでよい。底部部分は、スパークの導入前の自己発火を防止するために、残留ガスの混合及び冷却を可能にするように構成されてよい。底部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有してよい。底部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有してよい。上部部分は、スパークの導入時に、１以上の穴の１以上から１以上の火炎ジェットを発生させるために、十分な点火性の混合気を保持することを可能にするように構成されてよい。上部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有してよい。上部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有してよい。上部部分は、１より大きなアスペクト比を有してよく、底部部分は、約１のアスペクト比を有してよい。１以上の接地電極は主電極から半径方向にずれてよい。１以上の接地電極は主電極から軸方向にずれてよい。プレチャンバ空間の周縁近くの燃料濃度は混合気の平均燃料濃度よりも高くてよい。燃料濃度は、１以上の穴の近くで、混合気の平均燃料濃度よりも高くてよい。１以上の電極ギャップ近くの燃料濃度は、点火遅延を延ばすために、混合気の平均燃料濃度よりも低くてよい。
【０００８】
特定の実施形態において、外側面及びプレチャンバ空間を取り囲む内側面と、混合気をプレチャンバ空間に導入するために外側面と内側面とを接続する１以上の穴であって、当該１以上の穴の各々が、プレチャンバ空間内で混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を含む、１以上の穴と、プレチャンバ空間内に配置された主電極と、プレチャンバ空間内に配置され、１以上の電極ギャップを形成するように主電極からずれた１以上の接地電極と、を含むプレチャンバを用意することと、プレチャンバの中心長手軸のまわりに螺旋流パターンを形成する１以上の燃料−空気充填流を１以上の穴からプレチャンバ空間に導入することと、混合気に点火するために、１以上の電極ギャップの少なくとも１つを横断するスパークを導入することと、を含む、高運動量の火炎ジェットを発生させる方法が開示される。螺旋流パターンは、中心及び周縁を含んでよく、中心の近くよりも周縁の近くで大きな速度を有してよい。螺旋流パターンは、中心及び周縁を含んでよく、周縁の近くよりも中心の近くで大きな速度を有してよい。１以上の燃料−空気充填流はプレチャンバ内で軸流パターンを形成する。軸流パターンは、火炎核を１以上の穴の１以上に向かってほぼ前方向に展開させるために、電極の近くでほぼ軸方向に作用するほぼ均一な速度流動場を含んでよい。軸流パターンは、プレチャンバの周縁近くの第１軸流パターンと、プレチャンバの中心近くの第２軸流パターンと、を含んでよい。第２軸流パターンは第１軸流パターンに対してほぼ逆方向であってよい。１以上の穴の第１穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の各穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。穴軸は、プレチャンバ空間で混合気の前方向流を引き起こすための侵入角をさらに規定してよい。１以上の各穴の侵入角は約１０°〜約７５°であってよい。１以上の穴は、１以上の内側穴及び１以上の外側穴を含んでよい。１以上の内側穴は、１以上の外側穴よりもプレチャンバの中心長手軸の近くに配置されてよい。１以上の内側穴の第１内側穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の外側穴の第１外側穴の割出角は約０°〜約１２０°であってよい。１以上の各内側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。１以上の各外側穴の回転方向のずれは約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。穴軸は、プレチャンバ空間で混合気の前方向流を引き起こすための侵入角をさらに規定してよい。１以上の各内側穴の侵入角は約１０°〜約７５°であってよい。１以上の各外側穴の侵入角は約１０°〜約９０°であってよい。１以上の各内側穴のパターン半径は約２ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。１以上の各外側穴のパターン半径は約３ｍｍ〜約５ｍｍであってよい。プレチャンバ空間は、主電極の上面の上の上部部分と、主電極の上面の下の底部部分と、を含んでよい。底部部分は、スパークの導入前の自己発火を防止するために、残留ガスの混合及び冷却を可能にするように構成されてよい。底部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有してよい。底部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有してよい。上部部分は、スパークの導入時に、１以上の穴から１以上の火炎ジェットを発生させるために、十分な点火性の混合気を保持することを可能にするように構成されてよい。上部部分は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有してよい。上部部分は約０．５〜約３のアスペクト比を有してよい。上部部分は、１より大きなアスペクト比を有してよく、底部部分は約１のアスペクト比を有してよい。１以上の接地電極は、主電極から半径方向にずれてよい。１以上の接地電極は、主電極から軸方向にずれてよい。プレチャンバ空間の周縁近くの燃料濃度は、混合気の平均燃料濃度よりも高くてよい。燃料濃度は、１以上の穴の近くで、混合気の平均燃料濃度よりも高くてよい。１以上の電極ギャップ近くの燃料濃度は、点火遅延を延ばすために、混合気の平均燃料濃度よりも低くてよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】特定の実施形態に係るプレチャンバを示す。
【図２】特定の実施形態に係る、図１のＡ−Ａ断面に沿った断面図である。
【図３】特定の実施形態に係るプレチャンバを示す。
【図４】特定の実施形態に係る、図３の断面３１０の拡大図である。
【図５】特定の実施形態に係るプレチャンバを示す。
【図６】特定の実施形態に係る、図５の断面５１０の拡大図である。
【図７】特定の実施形態に係るプレチャンバを示す。
【図８】特定の実施形態に係る、図７のＡ−Ａ断面に沿った断面図８００である。
【図９】特定の実施形態に係る燃料濃度を示す、軸方向電極を有するプレチャンバ９００を示す。
【図１０】特定の実施形態に係る燃料濃度を示す、横方向電極を有するプレチャンバ１０００を示す。
【図１１】特定の実施形態に係る、複数の軸方向電極を有するプレチャンバ１１００の一部分を示す。
【図１２】特定の実施形態に係る、複数の軸方向電極を有するプレチャンバ１１００の一部分を示す。
【図１３】特定の実施形態に係る、複数の軸方向電極を有するプレチャンバ１１００の一部分を示す。
【図１４】特定の実施形態に係るプレチャンバの上面図である。
【図１５】特定の実施形態に係る、複数の軸方向電極を有するプレチャンバの側面図である。
【図１６】特定の実施形態に係るプレチャンバの上面図を示す。
【図１７】特定の実施形態に係るプレチャンバの側面図を示す。
【図１８】特定の実施形態に係る、軸方向電極を有するプレチャンバの側面図である。
【図１９】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの側面図である。
【図２０】特定の実施形態に係る、軸方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２１】特定の実施形態に係る、軸方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２２】特定の実施形態に係る、軸方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２３】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２４】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２５】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２６】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの側面図である。
【図２７】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２８】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図２９】特定の実施形態に係る、横方向電極を有するプレチャンバの一部分を示す。
【図３０】特定の実施形態に係るプレチャンバの側面図である。
【図３１】特定の実施形態に係るプレチャンバの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
特定の実施形態では、プレチャンバスパークプラグは、従来のプレチャンバスパークプラグと比較して、消炎及び自己発火を抑制し、同時発生の高出力火炎ジェットと、主燃焼室での混合気の高速燃焼とともに、点火遅延又は燃焼の開始を制御可能にするように構築される。
【００１１】
特定の実施形態では、予燃焼室は、不点火及び事前点火（例えば、スパーク事象の前に起こる混合物の自己発火）の発生に対して大きな安全マージンを維持しながら、予燃焼室から出現する高運動量の火炎ジェットを発生させることができる。
【００１２】
特定の実施形態では、特定の燃焼性能特性を得るために、スパークギャップ形状との所定の関係において変えることができるプレチャンバ形状のアスペクト比及び穴パターンを有するプレチャンバスパークプラグが開示される。
【００１３】
特定の実施形態では、特定の燃焼性能特性を得るために、スパークギャップ形状に対応して変えることができるプレチャンバ形状のアスペクト比及び穴パターンを前もって定める方法が提供される。
【００１４】
特定の実施形態では、長さ−直径比が実質的に１．０より大きな形状アスペクト比を有する上部プレチャンバ部分を有する燃焼室が設けられ、長さ−直径比が約１．０の形状アスペクト比を有する底部プレチャンバ部分をさらに設けることができる。
【００１５】
特定の実施形態では、プレチャンバ空間内に燃料−空気充填流の回転流れを発生させる助けとなるプレチャンバ形状のアスペクト比及び穴パターンが付与され、回転流は、回転流の周縁近くの第１軸方向と、回転流の中心近くの第２逆方向軸流とを発生させることができ、半径方向及び軸方向の空気−燃料比が階層化された流動場をさらに発生させることができる半径流及び軸流を有する。
【００１６】
特定の実施形態では、プレチャンバの内側面の近くの方で速度が速く、プレチャンバの中心長手軸の近くの方で速度が遅い、プレチャンバの中心長手軸のまわりの混合気の回転流が発生する。
【００１７】
特定の実施形態では、プレチャンバの内側面の近くの方で混合気が濃厚で、プレチャンバの中心長手軸の近くの方で混合気が希薄な、プレチャンバ内の混合気の回転パターンが形成される。
【００１８】
プレチャンバスパークプラグは、特定の燃焼性能特性を得るために、所定のアスペクト比及び穴パターンを有するプレチャンバを有することができる。アスペクト比及び穴パターンは、プレチャンバ空間内に燃料−空気充填流による回転流を誘起することができる。混合気の回転流は、アスペクト比及び穴パターンに基づく半径流及び軸流の両方の特徴を有することができる。軸流の特徴として、回転流の周縁近くの第１軸方向と、回転流の中心近くの逆方向の第２軸方向と、を挙げることができる。半径流及び軸流の特徴として、半径方向の空気燃料比の階層化及び／又は軸方向の空気燃料比の階層化をさらに挙げることができる。アスペクト比及び穴パターンを変えることで、回転流、半径流及び軸流を調整して、広範なスパークギャップ形状に対応した特定の燃焼性能特性を得ることができる。
【００１９】
図面及び説明は、従来のプレチャンバスパークプラグと比較して、特定のスパークギャップ形状に対応して、より高出力の火炎ジェットと、主燃焼室における混合気の高速燃焼とを達成するプレチャンバ形状のアスペクト比及び穴パターンの特定の説明例を提示している。しかしながら、説明例は、多数の様々なスパークギャップ形状に関して限定することを意図するものではなく、多数の様々なスパークギャップ形状については、対応する多数の様々な所定のプレチャンバ形状アスペクト比及び穴パターンによって対処することができ、及び／又は、説明例は、速度半径流及び軸流の方向及び大きさ、並びにプレチャンバ空間内及びスパークギャップでの空気燃料比の階層化などを含む、本明細書で説明する半径流及び軸流の特徴を付与する燃料−空気充填流の回転流れを実現する。
【００２０】
特定の実施形態において、図１は、プレチャンバ空間１２０を囲むプレチャンバ壁１１０を有するプレチャンバ１００を示している。プレチャンバスパークプラグは、プレチャンバ空間１２０内に配置可能な電極１３０を含むことができる。特定の実施形態において、図２は、プレチャンバ空間１２０内の回転流パターン２１０を含む、図１のＡ−Ａ断面に沿った断面図２００を示している。燃焼室空間１２０の所与の任意の地点での回転流の速度が、回転流パターン２１０の矢印の方向及び長さで示されている。プレチャンバ空間１２０内の速度流動場は、（例えば、図１のＡ−Ａ断面に沿った）横平面内で概ね回転性であってよい。特定の実施形態では、プレチャンバスパークプラグには、プレチャンバ壁１１０を有するプレチャンバ１００を設けることができる。プレチャンバ壁１１０は、外側面２２０と、電極１３０を配置することができるプレチャンバ空間１２０を取り囲む内側面２３０と、を含むことができる。
【００２１】
図３に示すように、プレチャンバ１００は部分断面３１０を含むことができる。図４は、プレチャンバ空間１２０の図３の部分断面３１０の拡大図４００を示し、この拡大図４００では、計算流体力学（ＣＦＤ）解析により、プレチャンバ空間１２０内の混合気充填流９３０（図９）の軸流速度の方向及び大きさが明示されている。図５に示すように、プレチャンバ１００は部分断面５１０を含むことができる。図６は、プレチャンバ空間１２０の図５の部分断面５１０の拡大図を示し、この拡大図では、ＣＦＤ解析により、プレチャンバ空間１２０内の混合気充填流９３０の軸流速度の方向及び大きさが明示されている。見て分かるように、第１方向の軸流４１０は、回転流パターン２１０の周縁２４０の近くの回転流パターン２１０から得ることができ、逆方向の第２方向の軸流４２０は、回転流パターン２１０の中心２５０の近くの回転流パターン２１０から得ることができる。特定の実施形態では、プレチャンバ１００は、電極１３０を含む領域のほぼ軸方向に作用し、それにより、火炎核を穴３２０に向かってほぼ前方向に展開させる、実質的に一様な速度流動場を含むことができる。特定の実施形態では、図４に示す軸方向面内の速度流動場は、中心が逆方向流の両方向性であってよい。この種の流れにより、火炎前部は、螺旋動作で穴３２０に向かって前方向に中心２５０から周縁２４０に進み、さらに中心２５０に戻ることができる。
【００２２】
図７及び図８に示す特定の実施形態では、プレチャンバ１００は、燃料の層化をもたらすように構成することができる。燃料の層化を特定の実施形態の速度流動場と組み合わせることで、予燃焼室での火炎核成長の制御が、ひいては、主燃焼室（図示せず）内の点火遅延又は燃焼の開始及び火炎燃焼速度の制御が可能になる。図８〜１０において、プラス記号８２０は燃料濃度を表し、より高い燃料濃度は、所与の領域で、より多くのプラス記号８２０で示されている。特定の実施形態では、火炎核成長速度を抑制するために、ひいては、主燃焼室での点火遅延を延ばし、燃焼の開始を遅らせるために、図８に示すように、中心電極１３０の近くで燃料濃度をより低くすることができる。特定の実施形態では、予燃焼室空間１２０の周縁２４０で、及び、図９に示すように、穴３２０に向かって、燃料濃度８１０をより高くすることができる。
【００２３】
図９に示す特定の実施形態では、電極１３０及び軸方向接地電極９１０は、スパークギャップ９２０を画定することができる。代替として、図１０に示すように、電極１３０及び横方向接地電極１０１０は、スパークギャップ１０２０を形成することができる。当技術分野又はそれ以外で公知のように、スパークギャップは、多数の様々な形状を任意にとることができるので、これらの図は単なる例示である。本発明の範囲から逸脱することなく、電極１３０は接地電極として機能することができ、軸方向電極９１０又は横方向電極１０１０は、スパークギャップ９２０又はスパークギャップ１０２０にスパークを発生させるために、接地電極１３０よりも高い電圧を有することができる。プレチャンバ壁１１０の外側面２２０と内側面２３０との間に配置された穴３２０は、対応する複数の混合気充填流９３０をプレチャンバ空間１２０に送ることができる。プレチャンバ１００、複数の穴３２０、及びプレチャンバ空間１２０は、プレチャンバ空間１２０内に燃料−空気充填流９３０の回転流動場２１０（図２）を実現するように構成することができ、回転流動場２１０は、本明細書でさらに説明するように、半径流及び軸流の特徴を含むことができる。図９及び図１０に示す特定の実施形態では、予燃焼室空間１２０の周縁２４０で、及び穴３２０に向かって、予燃焼室空間１２０の他の部分に見られる燃料濃度９５０よりも高い燃料濃度９４０を達成することができる。
【００２４】
図１１〜図１３に示す特定の実施形態では、全予燃焼室空間１１１０は、電極の前方の空間１２１０と電極の後ろの空間１３１０とに細分することができる。特定の実施形態では、全予燃焼室空間１１１０は約５００ｍｍ３〜約６０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の前方の空間１２１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の後ろの空間１３１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。
【００２５】
図１４に示す特定の実施形態では、プレチャンバスパークプラグは、外側面１４５０のまわりに周方向に離間した関係で配置された複数の穴１４２０を有する略円筒形状のプレチャンバ壁１４１０を有するプレチャンバ１４００を設けることができ、対応する複数の混合気流１４３０は、プレチャンバ壁１４１０を貫通する複数の穴１４２０に流入し、複数の穴１４２０からプレチャンバ空間１４４０に出て行く。１つの中心穴１４７０は、外側面１４５０とプレチャンバ１４００の上面に近い内側面１４６０との間に配置することができる。各複数の穴１４２０と中心穴１４７０とは、本明細書でさらに説明するように、プレチャンバ空間１２０内に半径流及び軸流の特徴を有する回転流パターン４１０が得られるように、複数の混合気流１４３０をプレチャンバ空間１２０に相応して送ることができる。
【００２６】
図１５に示す特定の実施形態では、予燃焼室１５００は、中心穴長さ１５２０を有する中心穴１５１０を含むことができる。特定の実施形態では、中心穴長さは約１ｍｍ〜約１３ｍｍであってよい。特定の実施形態では、中心電極１３０からの予燃焼室天井距離（「Ｌ」）１５３０は約５ｍｍ〜約８５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、予燃焼室内径（「Ｄ」）１５４０は約４ｍｍ〜約３５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、シリンダヘッド点火デッキ１５６０から予燃焼室１５００の上面１５７０までの予燃焼室挿入深さ１５５０は約０ｍｍ〜約２５ｍｍであってよい。
【００２７】
図１４及び図１６に示す特定の実施形態では、各複数の穴１４２０は、対応する複数の混合気充填流を内側面１４６０の周辺でプレチャンバ空間１２０に送って、プレチャンバ１４００の中心長手軸のまわりに回転が生じるような混合気充填流１４３０の回転流パターン２１０（図２）がプレチャンバ空間１２０内で得られるように、プレチャンバ壁１４１０の外側面１４５０と内側面１４６０との間を斜めに繋いで配置することができる。
【００２８】
特定の実施形態では、穴１４２０の数量は約１個〜約１２個であってよい。穴１４２０の直径１４９０は約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍであってよい。中心穴１４７０の直径１４８０は約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍであってよい。各穴１４２０は、パターン半径１６１０、基準１６４０から測定した割出角１６２０、及び回転方向ずれ１６３０を規定することができる。特定の実施形態では、パターン半径１６１０は約２ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。特定の実施形態では、第１穴の割出角１６２０は約０°〜約１２０°であってよい。特定の実施形態では回転方向のずれ１６３０は、約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。
【００２９】
図１７に示す特定の実施形態では、各穴１４２０は侵入角１７１０を規定することができる。特定の実施形態では、侵入角１７１０は約１０°〜約７５°であってよい。
【００３０】
当業者には分かるように、プレチャンバ１６００及び複数の穴１４２０の所定の構成は、回転流パターン２１０での混合気充填流１４３０の速度が、回転流パターン２１０の周縁２４０の近くの方で速く、回転流パターン２１０の中心２５０の近くの方で遅い回転流パターン２１０を実現できるが、本発明はそれに限定されず、回転流パターン２１０での混合気充填流１４３０の速度は、プレチャンバ壁１４１０に配置された複数の穴１４２０の１以上の構成及び角度を変えることで調整されて、例えば、回転流パターン２１０の中心２５０の方で速度が速く、周縁２４０の方で遅い、又はそれらの並び替え及び組み合わせの他の回転流を得ることができる。
【００３１】
図１８に示す特定の実施形態では、軸方向電極９１０を備えた予燃焼室１８００は、中心穴長さ１８２０を有する中心穴１８１０を含むことができる。特定の実施形態では、中心穴長さは約１ｍｍ〜約１３ｍｍであってよい。特定の実施形態では、中心電極１３０からの予燃焼室天井距離（「Ｌ」）１８３０は約５ｍｍ〜約８５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、予燃焼室内径（「Ｄ」）１８４０は約４ｍｍ〜約３５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、シリンダヘッド点火デッキ１８６０から予燃焼室１８００の上面１８７０までの予燃焼室挿入深さ１８５０は約０ｍｍ〜約２５ｍｍであってよい。
【００３２】
図１９に示す特定の実施形態では、横方向電極１０１０を備えた予燃焼室１９００は、中心穴長さ１８２０を有する中心穴１８１０を含むことができる。特定の実施形態では、中心穴長さは約１ｍｍ〜約１３ｍｍであってよい。特定の実施形態では、中心電極１３０からの予燃焼室天井距離（「Ｌ」）１８３０は約５ｍｍ〜約８５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、予燃焼室内径（「Ｄ」）１８４０は約４ｍｍ〜約３５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、シリンダヘッド点火デッキ１８６０から予燃焼室１８００の上面１８７０までの予燃焼室挿入深さ１８５０は約０ｍｍ〜約２５ｍｍであってよい。
【００３３】
特定の実施形態では、アスペクト比（「Ｌ／Ｄ」）は、予燃焼室内径（「Ｄ」）１８４０に対する天井距離（「Ｌ」）１８３０の比として定義することができる。特定の実施形態では、アスペクト比は約０．５〜約３であってよい。特定の実施形態では、（Ｄ）１８４０に対する（Ｌ）１８３０の比として定義される、中心電極の上のプレチャンバ空間の上部部分の上部アスペクト比と、（「ＤＢ」）１８９０に対する（「ＬＢ」）１８８０の比として定義される、中心電極の上部より下のプレチャンバ空間の底部部分の底部アスペクト比との２つのアスペクト比を考えることができる。特定の実施形態では、上部アスペクト比は約０．５〜約３であってよい。特定の実施形態では、上部アスペクト比は約１より大きくてよく、底部アスペクト比は約１であってよい。
【００３４】
図２０〜図２２に示す特定の実施形態では、予燃焼室２０００は、図示するように、中心電極１３０及び軸方向電極９１０を含むことができる。全予燃焼室空間２０１０は、電極の前の空間２１１０と電極の後ろの空間２２１０とに細分することができる。特定の実施形態では、全予燃焼室空間２０１０は約５００ｍｍ３〜約６０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の前の空間２１１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の後ろの空間２２１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。
【００３５】
図２３〜図２５に示す特定の実施形態では、予燃焼室２３００は、図示するように、中心電極１３０及び横方向電極１０１０を含むことができる。全予燃焼室空間２３１０は、電極の前の空間２４１０と電極の後ろの空間２５１０とに細分することができる。特定の実施形態では、全予燃焼室空間２３１０は約５００ｍｍ３〜約６０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の前の空間２４１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の後ろの空間２５１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。
【００３６】
図２６に示す特定の実施形態では、予燃焼室２６００は、ｊ−ギャップ電極２６１０及び中心電極２６２０を含むことができる。特定の実施形態では、中心電極２６２０からの予燃焼室天井距離（「Ｌ」）２６３０は約５ｍｍ〜約８５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、予燃焼室内径（「Ｄ」）２６４０は約４ｍｍ〜約３５ｍｍであってよい。特定の実施形態では、シリンダヘッド点火デッキ２６６０から予燃焼室２６００の上面２６７０までの予燃焼室挿入深さ２６５０は約０ｍｍ〜約２５ｍｍであってよい。１つの非限定的実施形態では、（Ｌ）２６３０は約６．７１ｍｍとすることができ、（Ｄ）は、約１１ｍｍとすることができ、アスペクト比Ｌ／Ｄは約０．６１であってよい。特定の実施形態では、予燃焼室２６００は、１以上の内側穴２６８０及び１以上の外側穴２６９０を含むことができる。１以上の内側穴２６８０は、１以上の外側穴２６９０よりも予燃焼室２６００の中心長手軸の近くに配置することができる。
【００３７】
図２７〜図２９に示す特定の実施形態では、予燃焼室２７００は、図示するように、中心電極２６２０及び横方向電極２６１０を含むことができる。全予燃焼室空間２７１０は、電極の前の空間２８１０と電極の後ろの空間２９１０とに細分することができる。特定の実施形態では、全予燃焼室空間２７１０は約５００ｍｍ３〜約６０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の前の空間２８１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。特定の実施形態では、電極の後ろの空間２９１０は約２５０ｍｍ３〜約３０００ｍｍ３の容積を有することができる。
【００３８】
図３０及び図３１に示す特定の実施形態では、プレチャンバスパークプラグには、プレチャンバ壁３１１０を有するプレチャンバ３０００を設けることができる。特定の実施形態では、プレチャンバ３０００は、対応する複数の混合気流３０３０が中を通って流入できる１以上の内側穴３０１０を含むことができる。特定の実施形態では、プレチャンバ３０００は、対応する複数の混合気流３０３０が中を通って流入できる１以上の外側穴３０２０を含むことができる。各１以上の内側穴３０１０及び各１以上の外側穴３０２０は、本明細書でさらに説明するように、プレチャンバ空間１２０内に半径流及び軸流の特徴を有する回転流パターン２１０（図２）が得られるように、混合気流３０３０をプレチャンバ空間１２０に相応して送ることができる。
【００３９】
図３０及び図３１に示す特定の実施形態では、各１以上の内側穴３０１０及び各１以上の外側穴３０２０は、対応する混合気充填流を内側面２３０の周辺でプレチャンバ空間１２０に送って、プレチャンバ３０００の中心長手軸のまわりに回転が生じるような混合気充填流の回転流パターン２１０がプレチャンバ空間１２０内で得られるように、プレチャンバ壁３１１０の外側面２２０と内側面２３０との間を斜めに繋いで配置することができる。
【００４０】
特定の実施形態では、内側穴３０１０の数量は約１個〜約１２個であってよい。内側穴３０１０の直径は約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍであってよい。特定の実施形態では、外側穴３０２０の数量は約１個〜約１２個であってよい。外側穴３０２０の直径は約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍであってよい。各内側穴３０１０及び外側穴３０２０は、パターン半径３０４０、基準３１４０から測定した割出角３１２０、及び回転方向ずれ３１３０を規定することができる。特定の実施形態では、内側穴３０１０のパターン半径３０４０は約２ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。特定の実施形態では、第１内側穴３０１０の割出角３１２０は約０°〜約１２０°であってよい。特定の実施形態では、内側穴３０１０の回転方向のずれ３１３０は約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。特定の実施形態では、外側穴３０２０のパターン半径３０４０は約２ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。特定の実施形態では、第１外側穴３０２０の割出角３１２０は約０°〜約１２０°であってよい。特定の実施形態では、外側穴３０２０の回転方向のずれ３１３０は約０ｍｍ〜約１０ｍｍであってよい。
【００４１】
図３０及び図３１に示す特定の実施形態では、各内側穴３０１０及び外側穴３０２０は侵入角３０５０を規定することができる。特定の実施形態では、侵入角３０５０は内側穴３０１０に対して約１０°〜約７５°であってよい。特定の実施形態では、侵入角３０５０は外側穴３０２０に対して約０°〜約９０°であってよい。
【００４２】
ここで、プレチャンバ空間１２０の側断面図を示す図９〜図１０を主に参照すると、空気燃料比の軸方向の階層化を回転流パターン２１０（図２）で達成できることが分かる。示した特定の非限定的な実施形態に関して、空気燃料比は、プレチャンバ壁１１０の複数の穴３２０及び内側面２３０の近くでより濃厚であり（領域が暗くなるほど燃料の量が多い）、プレチャンバ空間１２０の中心の近く、及び電極１３０の近くでより希薄である。
【００４３】
特定の実施形態では、回転流パターン２１０内の回転流の速度の方向及び大きさと、回転流パターン２１０内の第１方向の軸流４１０及び逆方向の第２方向の軸流４２０の速度の大きさと、プレチャンバ空間１２０内の空気燃料比の半径方向及び軸方向の階層化とは、所定の燃焼性能特性を達成するために、プレチャンバ３０００の形状と内側穴３０１０及び／又は外側穴３０２０の角度との変更を通じて調整することができる。
【００４４】
１つの説明のための非限定的な例として、電極の前の空間２８１０内の回転流動パターン２１０の周縁２４０での混合気の速度は１０ｍ／ｓより大きくてよい。電極の後ろの空間２９１０の周縁２５０での混合気の速度は５ｍ／ｓより大きくてよい。スパークギャップ２７２０での混合気速度は５ｍ／ｓより大きく、ほぼ均一であり得る。スパークギャップ２７２０での逆方向の第２方向の軸流４２０の速度は５ｍ／ｓであり、実質的に均一であり得る。
【００４５】
ただし、半径流及び軸流の速度の大きさは、限定することを意図されるのではなくて、プレチャンバ形状のアスペクト比及び穴パターンの所定の組み合わせから得ることができる速度の例である。例えば、複数の穴は、略円筒形のプレチャンバ壁のまわりで円周方向に等間隔に離間して配置することができる。１つの中心穴は、対応する空気−燃料充填流の軸方向入り口を形成するために、プレチャンバ壁の上部に配置することができる。内側及び外側の穴が、対応する空気−燃料充填流の軸方向入り口を形成することもできる。当然のことながら、プレチャンバの形状に加えて、複数の穴の寸法関係、角度、及び位置を変えて、上記に説明し、図示した半径流及び軸流に関する、回転流パターン内の速度の方向、大きさ、及び空気燃料比を調整することができる。穴の角度は、底部円筒部分の内側面、上部円筒部分の内側面、電極構造体、電極ギャップ、又はスパークプラグ構造体の１以上に向けることができる。長さ対直径、穴角度、穴の数量、穴寸法、穴形状、及び穴位置のすべての可能な組み合わせは、特定のスパークギャップ形状に対応したプレチャンバの混合気の所望のパターン及び速度を得るためのプレチャンバ形状の構成に包含される。したがって、任意で所与のスパークギャップ形状及び燃焼性能要求に対して、点火遅延を所望のものとし、消炎及び自己発火傾向を抑制すると共に、高出力の火炎ジェットを得ることができるプレチャンバ形状のアスペクト比及び穴構成の特定の組み合わせがある。
【００４６】
プレチャンバ壁の内側面の周辺近くへの燃料−空気充填流の指向性をもった送出により、ガスエンジンの圧縮行程時にプレチャンバのプレチャンバ空間内に燃料−空気充填流の回転流れを生じさせることができる。この回転流動場は、サイクルを通して持続することができて、プレチャンバ空間内のガスが点火された場合に、火炎がプレチャンバ空間全体に急速に広がり、結果として、プレチャンバ内で再現可能な燃焼事象が引き起こされ、複数の穴から高出力の火炎ジェットが発生して、ガスエンジンのシリンダ内の混合気の急速な燃焼を誘起する。
【００４７】
前述から容易に分かるように、本発明の基本概念は、様々な方法で具現化することができる。本発明は、最良のモードを含めて、プレチャンバ空間内に燃料−空気充填流の回転流れを生じさせるように構成された発明のプレチャンバスパークプラグの多数で様々な実施形態を包含する。
【００４８】
従って、説明することで開示した、又は本願に添付の図又は表で示した本発明の特定の実施形態又は要素は、限定することを意図されるのではなくて、むしろ、本発明によって包括的に包含される多数の様々な実施形態、又は本発明の任意で特定の要素に関連して包含される等価物の例である。さらに、本発明の単一の実施形態又は要素の特定の説明は、可能なすべての実施形態又は要素について明示的に説明することはできず、多くの代替案は、説明及び図によって暗黙的に開示されている。
【００４９】
当然のことながら、装置の各要素又は方法の各ステップは、装置表現又は方法表現で説明することができる。そのような表現は、本発明が権利を与えられた、暗黙的に広い適用範囲を明示するのが望ましい場合に置き換えることができる。単なる一例として、当然のことながら、方法のすべてのステップは、作用、その作用を行う手段として、又はその作用を引き起こす要素として開示することができる。同様に、装置の各要素は、物理的要素、又はその物理的要素が容易にする作用として開示することができる。単なる一例として、「スパーク」に関する開示は、明示的に説明されていようといまいと、「スパークすること」の作用に関する開示を包含すると理解すべきであり、反対に、「スパークすること」の作用について実際に開示する場合、そのような開示は、「スパーク」に関する開示及び「スパークするための手段」に関する開示でさえ包含すると理解すべきである。各要素又はステップに対するそのような代替表現は、説明に明示的に含まれると理解されたい。
【００５０】
本明細書におけるすべての数値は、明示的に示されていようといまいと、「およそ」という用語で修正されると考えられる。本発明において、範囲は、「およそ」の１つの特定の値から「およそ」の別の特定の値までとして表すことができる。そのような範囲が表された場合、別の実施形態も、１つの特定の値から他の特定の値までを含む。終点による数的範囲の記述には、その範囲内に包含されるすべての数値が含まれる。１〜５の数的範囲には、例えば、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、５などが含まれる。さらに、各範囲の終点は、他方の終点に関連しても、他方の終点とは無関係でも有効であるのは当然のことである。「およそ」を先行させて使用して、値が近似値として表される場合、特定の値が別の実施形態を形成するのは当然のことである。「およそ」という用語は、一般的に、当業者が、列挙した数値と同等であると、又は同じ機能若しくは結果を有すると考える数値の範囲を指す。
【００５１】
さらに、本発明において、「単数の」構成要素とは、別途限定されない限り、１以上のその構成要素を指す。したがって、「単数形を表す」用語と、「１以上の」及び「少なくとも１つの」という用語とは、本明細書において区別なく使用することができる。
【００５２】
以上より、出願人（一人又は複数人）は、少なくとも、ｉ）本明細書で開示及び説明した各プレチャンバスパークプラグ、ｉｉ）開示及び説明した関連する方法、ｉｉｉ）各これらの装置及び方法の同様な、等価の、さらには暗示された変形型、ｉｖ）図示されるか、開示されるか、又は説明された各機能を果たすこれらの代替の実施形態、ｖ）図示した各機能を果たし、開示及び説明した機能を果たすことが暗示された代替の構造及び方法、ｖｉ）別々の独立した発明として示した各特徴、構成要素、及びステップ、ｖｉｉ）開示した様々なシステム又は構成要素によって拡張される用途、ｖｉｉｉ）結果として、そのようなシステム又は構成要素によって生成された生成物、ｉｘ）添付の例のいずれかを参照して上記に概ね説明した方法及び装置、ｘ）開示した前出の要素の様々な組み合わせ、及び並び替え、を請求項で主張すると理解されたい。
【００５３】
本特許出願の背景項は、本発明が属する努力傾注分野について説明している。この項はまた、本発明が誘発された技術の状態についての情報、問題、又は懸念を説明するのに役立つ特定の米国特許、特許出願、出版物、又は特許請求された発明の主題の換言を組み込む、又は含むことができる。本明細書に引用された、又は組み込まれた任意の米国特許、特許出願、出版物、報告書、又は他の情報が、本発明に対する先行技術として認められると解釈されるか、理解されるか、又はみなされることを意図するものではない。
【００５４】
本明細書に添付した請求項は、存在する場合に、参照により本発明のこの説明の一部として本明細書に援用され、出願人は、請求項又は請求項の任意の要素若しくは構成要素のいずれか、又はすべてに対応するさらなる説明として、そのように援用されるかかる請求項の内容のすべて、又は一部を使用する権利を明確に保有し、さらに、出願人は、本出願によって、あるいは任意のその後の出願、又は本出願の継続、分割、若しくは一部継続出願によって保護が求められる事項を明らかにするために、あるいは任意の国若しくは条約の特許法、規則、若しくは規定の利益を得るか、これらに従った手数料を削減するか、又はこれらを遵守するために、必要に応じて、かかる請求項又は請求項の任意の要素若しくは構成要素の援用された内容の任意の一部又はすべてを請求項に移す、又は逆を行う権利を明確に保有し、参照により援用されるかかる内容は、本願の任意の次の継続、分割、又は一部継続出願、あるいは本願の再発行又は拡張を含む本願の全係属中に存続するものとする。
【００５５】
本明細書に添付した請求項は、存在する場合に、数を限定した本発明の実施形態の境界について説明することをさらに意図され、本発明の最も広範な実施形態、又は特許請求することができる本発明の実施形態を完全に列挙したものと解釈すべきでない。出願人は、上記の説明に基づき、さらなる請求項を任意の継続、分割、又は一部継続出願、あるいは同様の出願の一部として作成する権利を放棄しない。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年2月12日(2016.2.12)
【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】
外側面、及び、プレチャンバ空間を取り囲む内側面を備えるプレチャンバと、
前記プレチャンバ空間内に混合気を導入するための前記外側面及び前記内側面の間を接続する１以上の穴であって、前記１以上の穴の各々が、半径方向成分と、接線方向成分と、前記接線方向成分及び前記半径方向成分よりも大きい軸方向成分と、を含む前記プレチャンバ空間内の前記混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を備える、１以上の穴と、を備え、
前記プレチャンバは、スパークプラグを取り外し可能に又は取り外せないように受け入れるように構成され、前記スパークプラグは、主電極と、前記プレチャンバ空間内に配置されて前記主電極からずれて１以上の電極ギャップを形成し、前記１以上の電極ギャップが前記プレチャンバ空間内に配置されるようにする１以上の接地電極と、を備える、予燃焼室。
【請求項２】
前記プレチャンバは、前記スパークプラグを取り外し可能に受け入れるように構成される、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項３】
前記プレチャンバは、前記スパークプラグを取り外せないように受け入れるように構成される、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項４】
前記１以上の接地電極は、前記プレチャンバ空間内に配置されて前記主電極から半径方向にずれて単一の電極ギャップを形成する単一の接地電極を備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項５】
前記プレチャンバは、前記スパークプラグ上で第２の複数のねじ山に取り外し可能に係合して前記プレチャンバに前記スパークプラグを取り外し可能に取り付けるための第１の複数のねじ山をさらに備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項６】
前記プレチャンバは、エンジンシリンダヘッドに取り外せないように固定される、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項７】
前記電極ギャップは、前記プレチャンバの底部部分の近くにある、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項８】
前記主電極及び前記接地電極は、実質的に均一な流れの速度の大きさ及び方向を生成するように構成された形状を備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項９】
前記電極ギャップ及び前記１以上の穴は、前記プレチャンバ空間内で実質的に均一な混合気及び流速の分布を生成するように構成された形状を備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１０】
前記主電極は第１プレート面を備え、前記接地電極は第２プレート面を備え、前記第１プレート面及び前記第２プレート面は、互いに実質的に平行に配置されて半径方向の電極ギャップを形成する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１１】
前記穴軸は、前記プレチャンバ空間内の前記混合気の軸流パターンを形成するための侵入角をさらに規定する、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１２】
前記軸流パターンは、前記主電極の近くで実質的に軸方向に作用して前記穴に向かって実質的に前方向に火炎核を展開させる実質的に均一な速度流動場を備える、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１３】
前記軸流パターンは、前記プレチャンバの周縁の近くの第１軸流パターンと、前記プレチャンバの中心の近くの第２軸流パターンと、を備える、請求項１１に記載の予燃焼室。
【請求項１４】
前記第２軸流パターンは、前記第１軸流パターンとは実質的に逆方向である、請求項１３に記載の予燃焼室。
【請求項１５】
前記プレチャンバ空間は、前記主電極の上面の上の上部部分と、前記主電極の前記上面の下の底部部分と、を備える、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１６】
前記電極ギャップの近くの燃料の濃度は、点火遅延を延ばすために、前記混合気の平均燃料濃度よりも低い、請求項１に記載の予燃焼室。
【請求項１７】
高運動量の火炎ジェットを生成する方法であって、
プレチャンバを提供するステップであって、前記プレチャンバは、
外側面、及び、プレチャンバ空間を取り囲む内側面と、
前記プレチャンバ空間内に混合気を導入するための前記外側面及び前記内側面の間を接続する１以上の穴であって、前記１以上の穴の各々が、半径方向成分と、接線方向成分と、前記接線方向成分及び前記半径方向成分よりも大きい軸方向成分と、を含む前記プレチャンバ空間内の前記混合気の螺旋流パターンを形成するための割出角及び回転方向のずれを規定する穴軸を備える、１以上の穴と、を備える、ステップと、
スパークプラグを提供するステップであって、前記スパークプラグは、
主電極と、
前記主電極から半径方向にずれて１以上の電極ギャップを形成する１以上の接地電極と、を備える、ステップと、
前記１以上の電極ギャップが前記プレチャンバ空間内に配置されるように前記プレチャンバに前記スパークプラグを取り付けるステップと、
前記穴を通じて前記プレチャンバ空間に燃料−空気充填ストリームを導入するステップであって、前記燃料−空気充填ストリームは、前記プレチャンバの中心長手軸を中心に螺旋流パターンを形成する、ステップと、
前記１以上の電極ギャップを横断するスパークを導入して前記混合気に点火するステップと、を含む方法。
【請求項１８】
前記スパークプラグを取り付けるステップは、前記プレチャンバに前記スパークプラグを取り外し可能に取り付けるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記スパークプラグを取り付けるステップは、前記プレチャンバに前記スパークプラグを取り外せないように取り付けるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記プレチャンバは第１の複数のねじ山をさらに備え、
前記スパークプラグは、前記第１の複数のねじに係合する第２の複数のねじ山を備え、
前記プレチャンバに前記スパークプラグを取り外し可能に取り付けるステップは、前記第１の複数のねじ山に前記第２の複数のねじ山をねじ込むステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
エンジンシリンダヘッドに前記プレチャンバ空間を取り外せないように固定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記主電極及び前記接地電極は、実質的に均一な流れの速度の大きさ及び方向を生成するように構成された形状を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記電極ギャップ及び前記１以上の穴は、前記プレチャンバ空間内に実質的に均一な混合気を生成するように構成された形状を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記主電極は第１プレート面を備え、前記１以上の接地電極は第２プレート面を備え、前記第１プレート面及び前記第２プレート面は、互いに実質的に平行に配置されて電極ギャップを形成する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料−空気充填ストリームは前記プレチャンバ内に軸流パターンを形成する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記軸流パターンは、前記主電極の近くで実質的に軸方向に作用して前記穴に向かって実質的に前方向に火炎核を展開させる実質的に均一な速度流動場を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料−空気充填ストリームは、前記プレチャンバに第１軸流パターン及び第２軸流パターンを形成し、前記第２軸流パターンは前記第１軸流パターンに対して実質的に逆方向である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記穴軸は、前記プレチャンバ空間内で前記混合気の前方向流を形成するための侵入角をさらに規定する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記プレチャンバ空間は、前記主電極の上面の上の上部部分と、前記主電極の前記上面の下の底部部分と、を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記底部部分は、残留ガスの混合及び冷却を可能にしてスパークの導入前の自動発火を防止するように構成される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記電極ギャップの近くの燃料の濃度は、点火遅延を延ばすために、前記混合気の平均燃料濃度よりも低い、請求項１７に記載の方法。
【外国語明細書】
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