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ALLIAGE POUR FABRIQUER LES ELEOTRODES DES BOUGIES
L'invention concerne les 'électrodes des bougies employées habituellement dans les moteurs à combustion interne, qui consistent essentiellement en une paire d'organes conducteurs séparés par un isolateur. Les extrémités de ces organes, appelées électrodes sont
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espacées de manière à former un intervalle à travers lequel on fait jaillir l'étincelle électrique pour allumer le mélange combustible.
L'une des principales difficultés rencontrées dans les bougies est le fait que le dépôt produit par la combustion des gaz sur les parties de la bougie entou- rées par les gaz, peut au bout d'un certain temps gê- ner 1'allumage. Le dépôt consiste dans différents sous- produits de la combustion, tels que le carbone, l'oxyde de fer, etc... aussi bien que quelquefois des composés spéciaux formés là où l'on emploie des carburants anti- choc.
Le dépôt s'accroît lorsqu'on utilise la bougie et, comme il est relativement bon conducteur, parallèle au chemin qui traverse l'intervalle compris entre les bougies, d'une conductibilité suffisamment grande pour que le courant traverse ce dépôt au lieu de franchir l'intervalle compris entre les électrodes. Il en ré- sulte que le moteur a des ratés, c'est-à-dire que cer- tains cylindres manquent de donner la poussée motrice parce qu'il ne jaillit aucune étincelle dans l'inter- valle pour allumer le mélange combustible.
Dans les dispositifs d'allumage actuels, le poten- tiel explosif est fourni par une bobine de Rhumkorff ou par une magnéto. Ces dispositifs sont nécessairement tels que le potentiel qu'il est possible d'obtenir tombe brusquement lorsque la conductibilité s'accroît le long du chemin constitué par le dépôt sur Isolateur Après une diminution initiale rapide, le potentiel diminue d'une manière plus progressive avec un accrois- sement de la conductibilité le longde ce chemin.
Comme résultat de cette caractéristique du dispositif d'allumage, il est évident qu'une bougie ayant un potentiel explosif élevé sera mise hors d'état de
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fonctionner beaucoup plus rapidement qu'une bougie ayant un faible potentiel explosif. Dans le cas d'un système d'allumage d'un type déterminé, dans un essai dans lequel des bougies ont été mises en fonctionne- ment dans des conditions identiques, on a trouvé que tandis que une bougie ayant un potentiel explosif de 8000 volts cessait de fonctionner lorsqu'il s'était seulement amassé sur l'isolateur un dépôt formant une fuite de trois mioromhos, une bougie ayant un poten- tiel explosif de 4000 volts continuait à fonctionner jusqu1à ce que la fuite atteigne une valeur de 20 micromhos.
Puisqu'il faudrait trois fois plus de temps pour produise sur une bougie un dépôt suffisant pour accrottre la condaatibilité de la fuite jusqu'à 20 micromhos que cela n'est nécessaire pour atteindre une valeur de trois micromhos, la bougie fonctionnant au voltage plus bas fournira un. service satisfaisant pendant une période de temps beaucoup plus longue que l'autre. L'importance d'utiliser les bougies à des potentiels peu élevés est évidente.
On savait jusqu'à présent que le potentiel explo- sif varie avec la longueur de l'intervalle d'air et la densité des gaz dans la chambre de combustion au mo- ment de l'allumage et avec la température des électro- des. On savait aussi que le potentiel explosif varie avec la forme des électrodes, mais on admettait uni- versellement que le potentiel explosif était complète- ment indépendant des matières employées dans la compo- sition des électrodes. Oependant, au cours d'essais d'un grand nombre de bougies de construction semblable avec le même intervalle entre les électrodes, la même densité des gaz et la même température des électrodes,
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on a noté des variations considérables dans le poten- tiel explosif qui ne pourraient, pas être expliquées d'une manière satisfaisante.
On savait également, par l'expérience acquise, que le potentiel nécessaire pour faire passer une étincelle entre les électrodes d'une bougie s'accroît progressi- vement avec le temps et l'usage et éventuellement de- vient plus élevé que le potentiel maximum produit par la bobine de Rhumkorff. Cet effet est accru au démarrage , par temps froid. Aucune explication satisfaisante de l'un des phénomènes ci-dessus n'était donnée, mais le fait subsistait que des bougies identique-s en apparence dans des conditions identiques,fonctionnaient sous des potentiels variant largement et que la même bougie, uti- lisée en apparence dans les mêmes conditions, nécessitait en apparence au bout d'un certain temps, un potentiel plue élevé pour produire l'étincelle.
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Les matière3habituellement des métaux, dont les électrodes de bougies ont toujours été faites, ont la pureté commerciale. Le métal de l'électrode est habituel- lement un alliage fait suivant une formule déterminée et, à l'analyse chimique, il montre seulement la présence des constituants choisis. On pensa cependant qu'il était possible que de grandes variations des potentiels ex- plosifs dans des bougies identiques en apparence et dans la même bougie après un certain temps d'utilisation étaient dues à la présence d'impuretés dans les électro- des, variant largement en quantité, mais toujours en traces tellement petites qu'elles échappent à l'analyse chimique .
D'après cela une étude de laboratoire poussée fut faite pour déterminer quel changement, s'il existe, a lieu dans la composition du fil métallique de l'électrode
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lorsque le potentiel explosif varie. A l'aide d'études therm&ioniques sous vide et à l'aide de l'analyse spectrale, on a trouvé que l'alliage standard des éleo- trodes de bougies comprenant approximativement 98 de nickel et 2 % de mariganèsee contenait des traces d'un grand nombre d'autres éléments et'qu'il se trou- vait fréquemment du magnésium parmi ceux-ci; que le magnésium quitte l'alliage à une vitesse plus grande que le nickel et que, lorsque le magnésium contenu dans L'alliage diminue en quantité, le' potentiel ex- plosif croit.
Pour contrôler cette conclusion, on fit des bougies ayant des électrodes contenant des pour- contages appréciables de magnésium au contraire des traces microscopiques qui 00 présentent souvent dans les alliages commerciauX. ',.I).1,.1X essais, ces bougies montraient des potentiels explosifs remarquablement plus bas.
De plus, lorsque le magnésium était ajouté en quantité suffisante, on a trouvé que la bougie pos- sédait la propriété n3gvotr un potentiel explosif remarquablement uniforme,, Par ce qui précèdes il y a lieu de penser que, aveC4.e temps dans une bougie .1'. ordinaire de même " - * différentes bougies fonc- tionnant dans les mêmes^7conditions, le potentiel ex- plosif varie de plus de 4000 volts, tandis qu'avec nos électrodes perfectionnées, la variation de poten- tiel explosif ne dépasse pas 500 volte. inexactitude Dans une vérification postérieure de 1'exactitude de nos conclusions,? nous avons trouvé que lorsque le magnésium était évapor ou enlevé des électrodes d'une autre manière, le Potentiel explosif croissait.
Ceci explique l'accroissement du potentiel explosif dans un emploi continu de la bougie. De plus, on a .. constaté que des bougies ayant des ratés avaient des constaté que de"
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électrodes (en alliage habituel) contenant des quanti- tés de magnésium insuffisantes ou nulles,
Après une recherche complète dans la direction indiquée, on a trouvé que la grande majorité des élé- ments appropriés pour l'emploi dans les bougies, lors- qu'ils sont utilisés dans les electrodes, fonctionnent sensiblement au même potentiel moyen, mais qu'il y a une classe déterminée d'élément caractérisés par le fait que, lorsqu'ils sont employés dans les électrodes des bougies, il réduisaient remarquablement les poten- tiels explosifs avec les effets désirables indiqués. Oes éléments sont caractérisée par une "fonction de travail* basse.
Par "fonction de travail. on entend le travail nécessaire pour enlever un électron de l'élément. La "fonction de travail" peut être déterminée par la mesure de l'émission thormôionique et de différentes autres manières. Les é-léments qui agissent de manière à ré- duire le potentiel explosif 'sont aussi en général ca- ractérisés par le fait qu'ils sont fortement électro- explosifs et contiennent les métaux alcalins et alcaline terreux.
Le groupe d'éléments dont il s'agit comprend le lithium, le sodium, le potassium, le rhubidium, le oessium le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum, et le radium.
A côté'de la basse "fonction de travail" il y a d'autres facteurs qui déterminent l'utilité de certains éléments dans le fonctionnement des électrodes de 'bougies,.
De préférence, ils devraient être capables d'être facile- ment alliés à d'autres éléments tels que le nickel et le manganèse au point de vue de la conductibilité électri- que et de la résistance à la chaleur et à la corrosion.
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Il est également important que les éléments ajoutés ne soient pas enlevés de la matière principale. En d'autres termes, il est important que la vitesse à laquelle l'élément ou les éléments de basse fonction de travail quittent l'alliage soit faible. Ceci donne la certitude que la bougie fonctionnera durant de longues périodes de temps au faible potentiel désiré.
Les recherches que l'on a faites jusqu'à ce jour montrent que parmi les éléments qu'il est 'le plus sou- haitable d'ajouter aux électrodes pour améliorer le fonctionnement des bougies sont les métaux alcalino- terreux, magnésium, strontium, calcium et barum. Le baryum est celui de ces éléments qui quitte l'électrode avec la vitesse la plus faible .lorsqu'il est utilisé avec l'alliage nickel manganèse mentionné ci-dessus.
Tandis que tous les autres éléments que l'on vient d'in- diquer quittent l'alliage en s'évaporant, plus rapidement que le nickel, la vitesse à laquelle le baryum quitte l'alliage n'est pas plus grande que celle du nickel.
Oette faible vitesse d'évaporation est probablement ce qui rend compte du fait que le baryum possède plus que les autres éléments la propriété de donner une très grande uniformité du potentiel explosif.
Lorsqu'un des éléments ci-dessus entre dans la composition d'une électrode en quantité même aussi fai- ble que un centième pour cent, il en résulte une très grande diminution du potentiel explosif qui s'élève à 25%; et en même temps la variation de potentiel entre les étincelles successives est fortement réduite En pratique, il est souhaitable d'employer un pourcentage plus important des éléments que celui indiqué ci-dessus pour la raison qu'il est difficile de distribuer unifor- mément,
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dans tout l'alliage une quantité de matière aussi petite ; et pour l'autre raison que la réduction da potentiel semble s'accroître avec la quantité de matière utilisée.
Comme conséquence, en pratique, il est préférable d'u- tiliser de plus grandes quantités de matières ajoutées lesquelles sont déterminées habituellement par des consi- dérations de fabrication et de prix.
Les résultats obtenus par l'emploi de ces matières dans les bougies peuvent être expliqués par la théorie de la transmission de l'électricité à travers les gaz par les électrons. D'après cette théorie, pour produire une étincelle, on produit entre les électrodes un cou- rant continu d'électrons. Pour déclencher ce courant, la présence d'un certain nombre d'ions libres dans l'inter- valle compris entre les électrodes est nécessaire. On trouve toujours de tels ions libres dans les gaz des récipients et à l'air libre. Le champ électrique en agis- sant sur ces ions accélère leur vitesse, et ces ions en se déplaçant vers les électrons rencontrent les molécules de gaz à une vitesse telle qu'il se forme d'autres ions libres du fait de leur rencontre.
De plus, les ions positifs qui rencontrent la cathode ou l'électrode néga- tive enlèvent de celle-ci les électrons qui traversent le gaz en se rendant sur l'anode. Ces électrons en tra- versant le gaz rencontrent des molécules de gaz et for- ment des ions libres et des électrons par la violence de leurs chocs.
Par suite de leur mobilité relativement élevée relativement aux ions libres, les électrons cons- tituent les principaux éléments de transport des charges électriques à travers le gaz entre les électrodes. L'in tensité de courant dépend principalement du nombre d'élec trons qui peuvent passer par seconde à travers le-gaz*
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et la vitesse de formation du courant dépend dans une large mesure du nombre d'électrons qui peuvent être enle- vés par seconde de la cathode.
A côté des rencontres des ions positifs avec la cathode, d'autres phénomènes agissent de manière à enlever les électrons ne l'élec- trode négative; l'action photo- électrique de la lumière engendrée dans l'intervalle compris entre les électrodes par le passage de charges électriques ou de la lumière provenant de sources extérieures à cet intervalle, l'émission thermiono d'électrons par la cathode par suite du fait que cette cathode est chauffée par les corps'environnants.ou par la chaleur engendrée par les ions positifa qui la rencontrent,, l'action du champ électrique qui enlève es électrons de la cathode.
Dans chacun de ces phénomène., l'énergie dissipée dans l'en- lèvement des électrons est proportionnée à la "fonction de travail" de la matière de l'électrode; le nombre d'électrons qui peuvent 6trc enlevés par seconde sera accru par l'addition à la matière de l'etrode de sub- stances ayant une "fonction de travail" faible par suite de la facilité relative avec laquelle les électrons sont enelvés de la matière de l'électrode. Si la vitesse d'en- lèvement des électrons est diminuée, l'augmentation ra- pide du potentiel explosif de la bobine de Rhumkorff portera ce potentiel à une valeur élevée avant que les électrons nécessaires soient disposibles pour transmettre un courant suffisant afin de limiter l'augmentation da potentiel.
L'addition dans la matière des électrodes de substandes ayant de faibles "fonctions de travail" réduira le potentiel explosif par suite de l'accroisse- ment qui en résulte de la vitesse avec laquelle le cou- tant croit sous l'action combinée de ceux des phénomènes indiqués ci-dessus qui entrent en jeu au moment Otèrfiin6 /1l/
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Ce qui précède est la meilleure explication du fonctionnement de ces éléments'dans l'état actuel des connaissances ; on doit remarquer que le caractère précis du phénomène appelé étincelle électrique n'est pas connu et que ce qui précède est à considérer comme une tentative d'explication et n'est pas de nature à limiter l'invention.
Il est évident que la classe d'éléments décrits fonctionnera de manière à produire le résultat voulu lorsqu'ils seront ajoutés aux électrodes de composi- tion variant largement; donc notre invention est éga- lement applicable aux électrodes non métalliques, telles que celles en graphite. Il est également évi- dent que l'invention est applicable aux bougies d'un type quelconque et en général aux organes d'allumage fonctionnant dans des conditions semblables.
Dans une forme préférée de l'invention, on em- ploie une électrode centrale entourée par un isolateur en porcelaine de la composition habituelle, l'isola- teur étant entouré par une ceinture portant une élec- trode extérieure. Une des électrodes ou mieux, les deux électrodes sont faites en un alliage comprenant un certain pourcentage de un ou plusieurs des éléments des groupes indiqués ci-dessus. Comme on l'a indiqué précédemment ce pourcentage peut descendre jusqu'à 0,01 pour cent, mais pour mesurer une répartition de l'élément dans toute lamatière on doit utiliser un pourcentage quelque peu plus grand. Les autres éléments d'une électrode peuvent être du cuivre, du fer, du gra- phite ou toute autre matière préférée.
Une composition d'électrode de bougie qui a donné d'excellents résultats à. la fois au point de vue du
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potentiel explosif et de l'uniformité de ce potentiel est donnée ci-deOsOus: Nickel ........... 98 % manganèse l Baryum ........... 0,1 fi Total .......... . 99.9 Pour obtenir l'alliage, les métaux purs sont fon- due ensemble de la manière habituelle, l'alliage fondu étant maintenu à une température assez haute pour qu'il soit liquide pendant un temps suffisant pous assurer un mélange intime.
Les bougies ayant des éléatrodes de la composition ci.-dessus fonctionneront à des potentials explosifs beaucoup plus faibles que les bougies de types identi- ques munies d'électrodes de la composition habituelle au nickel-manganèse. La variation du potentiel explo- sif à partir de sa valeur moyenne ne dépassera pas 4 ou 500 volts dans le vas de l'alliage habituel. Le po- tentiel explosif restera sensiblement constant pendant toute la durée de la bougie puisque le bary&m reste dans l'alliage aussi longtemps que le nickel; ceci ré- solvant le problème gênant que pose les ratés d'allumage sans raison apparente après une certaine durée de ser- vice des bougies L'invention est susceptible d'une large application et de nombreuses variations en pratique.
Les éléments dont on a parlé facilitent le passage de l'étincelle de la manière indiquée et on peut utiliser cette propriété d'une manière avantageuse dans des dispositifs variés servant à produire des étincelles autres que des bou- gies d'allumage et particulièrement pour les potentiels élevés. Au lieu d'incorporer des éléments ajoutés dans l'alliage, on peut les appliquer soue la forme d'une le
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couche par galvano-plastie etc... ou bien les électro- des peuvent être'composées entièrement de l'un ou de plusieurs des éléments indiqués. Evidemment il peut être désirable dans certains cas d'employer deux des éléments ou plus au lieu d'un comme dans le cas de l'alliage indiqué.
On a trouvé ainsi que l'on peut obtenir de bons résultats en employant ces éléments à l'état de combinaisons telles que les oxydes, hydro- oxydes, carbonates etc... ces combinaisons possédant également la propriété d'avoir des fonctions de tra- vail faibles et agissant de manière à réduire le poten- tiel explosif et à le maintenir uniforme; cee composés peuvent évidemment être employés seuls ou combinés à d'autres substances. Les spécialistes trouveront d'au- tres usages et d'autres modifications de l'invention.