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La présente invention concerne des bougies d'allumage pour des moteurs à combustion interne.
Il a toujours été extrêmement difficile, dans le fonctionnement des moteurs à combustion interne, de contrôler la propagation de la flamme dans les chambres de combustion de façon à obtenir la force motrice maximum sur les pistons pendant la partie convenable du cycle d'opérations. Un grand nombre d'efforts ont été faits pour résoudre ce problème, mais sans succès bien marqué.
La demanderesse a découvert que la plupart des difficultés du contrôle de la propagation de la flamme se produisent parce que les élec- trodes de bougie se court- circuitent par un film de substance conductrice sur les surfaces correspondantes,lequel réduit l'efficacité de l'étincelle ou même l'en empêche, amenant ainsi le système d'allumage à perdre le contrôle dudit allumage.De tels courts-circuits peuvent être causés, sui- vant la découverte de la demanderesse, par la vapeur d'eau se séparant de l'essence sous l'effet de la compression et de la chaleur, et cette vapeur d'eau est déposée sur la surface entre les électrodes, et également par des dépôts de carbone sur lesdites électrodes.
La tendance à un tel court-circuit et les effets nuisibles qui en résultent augmentent rapidement lorsque les compressions et les vitesses augmentent et lorsque la propor- tion des composants hautement volatiles du combustible est diminuée.
En utilisant une bougie d'allumage mettant en oeuvre des caracté- ristiques de l'invention, la demanderesse a découvert qu'elle peut réduire considérablement ou éliminer entièrement tout chemin de court-circuit entre deux électrodes et, de plus, en traitant convenablement le combustible, un contrôle de la propagation de la flamme du mélange combustible peut être obtenu d'une manière meilleure que précédemment et sans l'emploi de mélan- ges particuliers de combustibles.Cette invention permet l'emploi de combus- tibles qui étaient jusqu'à présent considérés comme inutilisables pour des moteurs à combustion interne.
L'un des principaux objets de l'invention est de prévoir une bou- gie d'allumage dans laquelle la tendance à la formation d'un chemin conduc- teur entre les électrodes, est réduite ou éliminée.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un moyen pour con- trôler automatiquement la propagation de la flamme dans un moteur à com- bustion interne, de façon à obtenir une efficacité plus élevée du moteur dans une gamme étendue de vitesses et de variations de charges.Cette gamme étant plus étendue que celle qu'on pouvait précédemment obtenir.
Un autre objet de l'invention est de prévoir des moyens pour traiter un mélange combustible dans une chambre de combustion et pour confi- ner ce mélange au voisinage des électrodes de bougies d'allumage d'une manière prédéterminée pendant la compression, de façon à fournir un re- tard dans le temps pour provoquer l'explosion, mais en même temps pour ob- tenir une propagation de la flamme plus rapide, sinon instantanée, pendant
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l'explosion elJe-même.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un moyen pour com- mander un moteur à combustion interne, grâce auquel le moteur fonctionne- ra à plus basse température et avec une tendance moindre à la formation de carbones dans le cylindre, et par conséquent avec une vie accrue pour les bougies, les valves et autres éléments associés.
L'invention a été représentée dans des exemples de réalisation dans les dessins ci-joints, dans lesquels:
La fig.1 est une vue en coupe en élévation latérale d'une bou- gie d'allumage mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention.
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La figo2 est une vue en plan de la bougie d'allumage montrée dans la fig.1 partiellement en coupe, celle-ci étant faite suivant la ligne 2-2 de la fig.1.
La figo3 est une vue en coupe en élévation latérale d'une partie d'une bougie d'allumage montrant une forme modifiée des électrodes, et
Les figso4,5 et 6 sont des vues en coupe schématiques de l'es- pace de combustion dans l'électrode et de la bougie d'allumage qui peut être utilisée pour illustrer les principes de la présente invention.
En se référant à la fig.l, la bougie d'allumage 1 possède une enveloppe métallique 2 constituée de façon à présenter deux diamètres dif- férents, le diamètre le plus petit forme l'extrémité cylindrique filetée 3, et la partie restante forme un réceptacle ouvert à l'extrémité 4.Un épau- lement 5 est formé entre les surfaces extérieures de ces deux parties,con- stituant un siège lorsque la bougie est vissée en place sur le bloc d'un moteur à combustion interne.
L'extrémité extérieure de l'enveloppe 4 est épaissie et possède à sa circonférence extérieure un écrou hexagonal 6 sur lequel une clef anglaise peut être appliquée pour visser la bougie en positiono
La paroi interne de l'enveloppe 2 possède trois parties de dia- mètre différent.La première partie 7 du plus grand diamètre a un diamètre suffisamment petit pour que le diamètre extérieur de l'enveloppe 4 puisse constituer l'enveloppe du réceptacle.Cette première partie de la paroi interne se termine sur un épaulement incliné 8 sur le bord intérieur duquel la seconde partie 9 du diamètre intermédiaire'commence.Cette partie 9 dé- finit une partie du compartiment intérieur (qui sera décrit plus loin) et est relativement courte;
elle se termine par un épaulement 10 sur le bord intérieur duquel la troisième partie 11 de la paroi interne commence.Cette partie est suffisamment petite dans son diamètre pour que l'extrémité file- tée 3 de l'enveloppe 2 puisse être suffisamment forte pour la bougie et puisse être chanfreinée à l'extrémité de la bougie pour fournir un meilleur accès à l'intérieur de ladite bougie.
La demanderesse préfère que l'enveloppe 2 soit constituée au moyen d'acier laminé à froid et recouvert de cuivre par un procédé convenable.Le recouvrement de cuivre aide au transfert de la chaleur et empêche l'oxyda- tion de l'acier.Il fournit aussi une surface avec laquelle un joint de cu- lasse peut coopérer pour fournir un joint à l'épreuve des gazo
L'isolateur 12 est monté dans l'enveloppe 1 et a une forme parti- culière.Il est préférablement constitué au moyen d'un matériau, tel que le verre, ayant une conductibilité Four la chaleur relativement élevée, bien que la porcelaine ou d'autres céramiques convenables puissent être utiliséesoLa demanderesse a obtenu de bons résultats avec un isolateur con- stitué de 78% d'oxyde d'aluminium, le:
reste étant. constitué par un liant de maté- riaux céramiques.La partie centrale 13 de l'isolateur 12 est sensiblement cylindrique et possède une extension tubulaire 14 qui se monte dans la se- conda partie 9 de l'enveloppe et est espacée de celle-ci pour former un com- partiment 15 qui fonctionne comme le "petit espace" désigné ci-dessus.La largeur de cet espace,dans l'exemple de réalisation préféré de l'invention, peut être de 0,375 mmoL'extrémité de l'extension tubulaire 14 est égale- ment espacée de l'épaulement 10 par une courte distance pour fournir une entrée à l'espace 15.Cette distance, dans l'exemple préféré de réalisa- tion,peut être de '0,
775 mmo
La demanderesse a découvert que la tendance pour occasionner un court-circuit entre les électrodes d'une bougie d'allumage peut être ré- duite en prolongeant l'isolateur au moyen d'une mince jupe cylindrique espacée de l'électrode centrale et de l'enveloppe métallique de la bougie.rar SUIT'eg
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la surface extérieure de l'extension tubulaire 14 est formée de façon à se conformer avec la surface intérieure de l'enveloppe, mais possède un certain jeu avec celle-ci, tel que mentionné ci-dessus.
L'extension 14 de l'isolateur est creuse et elle forme un espace ouvert 16 qui se prolonge sur une distance considérable dans la partie centrale 13.La surface intérieure de l'extension 14 formant l'espace 16 est préférablement conformée de façon à présenter différents diamètres, trois de ces diamètres étant montrés en 17, 18 et 19, connectés par des épaulements inclinés, ce qui augmente le chemin sur lequel cette surface interne fournit plus difficilement un passage pour un courant de court-circuit.
Une seconde extension 20 de l'isolateur, d'un diamètre un peu plus petit que la partie centrale 13, est formée de façon à constituer une unité avec l'extrémité opposée de la partie centrale, et forme l'extrémité extérieure de la bougie.Un trou axial 21 est prévu dans l'isolateur pour recevoir une tige métallique 22, dont une extrémité 23 forme l'électrode centrale d'allumage, et s'étend jusqu'à un point situé environ à mi- chemin de la troisième partie 11 de l'enveloppe 2.L'autre extrémité 24 de la tige fait projection au-delà de l'extrémité de l'extension 20 de l'iso- lateur et peut être pourvue de la tête terminale usuelle 25 à laquelle la connexion peut être faite à partir du distributeur.La tige 22 peut être filetée au voisinage de son extrémité extérieure, comme en 26, pour eng:
ger les filets formés dans le trou 21,et la tige, entre ces filets et l'extré- mité 23, peut être de diamètre inférieur .Lorsque l'isolateur est fait en verre, la demanderesse préfère fixer la tige en place pendant le processus de moulage, mais la tige peut être cimentée en place de la façon usuelle, si cela est désiré.
La surface extérieure de l'extension 20 est préférablement pourvue d'ondulations 27 pour augmenter la surface de celle-ci, si bien qu'une meilleure radiation de la chaleur peut être obtenue, et un chemin plus long en résulte entre la tige et l'enveloppe 2.
L'isolateur 12 est placé dans l'enveloppe 2 avec l'extrémité intérieure inclinée de la partie centrale 13 placée contre l'épaulement interne 8, une rondelle de métal mou convenable 28 étant prévue alors entre ceux-ci pour assurer une connexion à l'épreuve des gaz, et l'extrémité extérieure de l'enveloppe 4 peut être fermée par un écrou 29, une rondelle en métal mou 30 étant utilisée entre le bord intérieur de l'écrou et 1' extrémité inclinée extérieure de la partie 13 de l'isolateur.Cependant, l'écrou 29 peut être éliminé et l'extrémité extérieure de l'enveloppe peut être roulée sur l'extrémité extérieure de la partie 13 pour établir une connexion permanente.
L'extrémité 23 de la tige 22 peut être aplatie de façon à four- nir une plaque rectangulaire 31, juste suffisamment large pour être espacée de l'intérieur de la partie 11 de l'enveloppe 2, de façon à ce que l'étin- celle puisse sauter entre la plaque et l'intérieur de la partie 11.L'in- térieur de la partie 11 est préférablement fileté, comme en 32, de façon à ce que les extrémités du filet forment l'électrode de terre et que l'étin- celle soit libre de sauter entre un point quelconque sur les bords opposés de la plaque et l'extrémité du filet le plus voisin.Le bord en spirale du filet fournit ainsi un grand nombre de points de contact pour l'étin- celle, et toute usure provoquée par la chaleur et l'érosion est compensée par la distribution sur une surface extrêmement étendue.
Dans l'exemple préféré de réalisation qui a donné dans la pratique de bons résultats, la plaque 31 était constituée par l'aplatissement de la tige 22 jusqu'à ce que celle-ci ait atteint 0,275 cm. de largeur, et le
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trou dans la partie 11 avant l'amincissement était de 4,425 mmo de diamètre.
Lorsque la plaque est montée concentriquement avec l'enveloppe, l'espace était de 0,825 mmo entre chaque bord de la plaque et les extrémités voisines de filète Cependant, l'intervalle peut varier en pratique de 0,620 mm. à 1,25 mmo
Dans certains cas, la demanderesse préfère utiliser un type diffé- rent d'arrangement d'espace d'étincelle .Dans la fig.3, une barre 31a est soudée sur l'extrémité de la partie 3 de l'enveloppe et forme l'électrode de terre, tandis que l'extrémité de la tige 22a est espacée à une distance convenable de la barre pour fournir l'intervalle, la distance entre les filets 32 et la tige étant suffisante pour empêcher l'étincelle de sauter jusqu'aux filets.Dans cet arrangement, la seule fonction des filets est d'aider à l'effet de turbulence et de vaporisation.
En général, la demanderesse explique comme suit le fonctionnement de la bougie:
Pendant le mouvement de succion du piston, un mélange d'essence et d'air est amené dans le cylindre de la manière connue.En raison de la grande vitesse de l'air à travers le carburateur, ce mélange, comme il est bien connu,n'est pas complètement atomisé et, en conséquence, n'est pas uniforme, mais il passe dans le cylindre suivant des couches d'air et de divers mélanges d'air et de gaz.Pendant le mouvement de compression, une partie de ce mélange d'air et de gaz passe dans l'espace 16 et dans le compartiment 15-Ce mélange entre dans la bougie à travers l'extrémité file- tée 11 de l'enveloppe où il reçoit une action de turbulence par les irrégu- larités des surfaces, les filets 32 produisant un mouvement de tourbillon.
Une partie de ce mélange entre dans le compartiment 15 entre l'extrémité de l'extension 14 et l'épaulement 10 .En raison du fait que le mélange entre dans le compartiment à travers l'espace étroit entre l'extension 14 de 1' isolateur et l'enveloppe, le mélange dans le compartiment est soumis à une grande turbulence.En raison de l'arrangement particulier du compartiment 15 et de l'espace 16 ainsi que des parties associées, deux effets sont pro- duitsoD'abord, la friction sur les parois des diverses parties agit pour augmenter l'activité moléculaire et pour briser toutes gouttelettes de com- bustible existant dans le mélange, et cette action est aidée par la chaleur dans la partie 11 de l'enveloppe, la plaque d'électrode 31 et l'extension 14 de l'isolateur,
qui est suffisante pour vaporiser tout liquide venant en contact avec les parois, ce qui conduit à un mélange combustible plus complètement mélangé et plus parfait dans l'espace 16 et spécialement dans le compartiment 15-En second lieu, les surfaces sur lesquelles le combusti- ble passe, sont refroidies en vertu du fait qu'elles abandonnent leur cha- leur au mélange combustible qui passe alors à haute vitesse, et ceci con- duit à un fonctionnement de la bougie à une température plus basse.
La fonction de l'extension ou jupe 14 doit être particulièrement notée.Elle est suffisamment mince pour être chauffée à une température plus élevée que les parties environnantes, mais sa proximité avec l'enve- loppe métallique qui, à son tour, est au voisinage du réfrigérateur du moteur, l'empêche de devenir incandescente .Elle est ainsi maintenue à une température suffisante pour vaporiser tout liquide venant en contact avec elle et, de ce fait, augmente l'activité moléculaire du mélange, mais n' est pas suffisamment chauffée pour provoquer une explosion des gaz qui enlèverait le contrôle de l'ignition à l'étincelle.
Les filets 32, à l'extrémité restreinte de la bougie, sont éga- lement importants.Les extrémités des filets sont considérablement chauffees du fait de leur petite section transversale et elles agissent pour vapori- ser une grande partie des composants liquides du mélange combustible avant
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qu'ils n'atteignent l'intérieur de la bougie.Les filets sont également im- portants pour effectuer le mouvement de tourbillon mentionné ci-dessus.
A la fin du mouvement de compression, la chambre de combustion du moteur est remplie avec un mélange compressé d'air et d'une quantité plus ou moins grande'de combustible, non homogène, disposé en couches, tandis que le compartiment 15 et l'espace 16 qui, considérés ensemble, peuvent être désignés'! sous le nom "d'espace d'amorçage", sont remplis avec un mélange explosif bien plus parfait.
De façon à exposer ce que la demanderesse pense qu'il se produit pendant les périodes de compression et d'explosion, l'espace d'amorçage ou d'allumage, comme défini ci-dessus 15,16 a été représenté schématique- ment, dans les figures 4,5 et 6. La théorie suivante de fonctionnement a été développée après un grand nombre d'expériences et une étude approfondie des résultats obtenus.
A la fin de la période d'aspiration, un mélange entoure les électrodes comprenant l'espace d'allumage 15,16 tandis que des gaz brûlés demeurent dans l'espace d'allumage.Lorsque la période de compression commence, le mélange entourant les électrodes est forcé dans l'espace d'allu- mage 15,16.Ce mélange continue à se comprimer dans l'espace d'allumage 15,
16,le mélange passant sur les surfaces et à travers les ouvertures étroites et étant finalement divisé et vaporisé, comme déjà exposé.A la fin de la période de compression, la disposition du mélange combustible dans l'espace d'allumage 15,16, est comme indiqué en gros dans la fig.5.Certains gaz brûlés apparaissent dans la partie la plus interne de l'espace d'allumage 1516 tandis qu'au voisinage de ces gaz se trouve un mélange très haute- ment explosif,
et diverses gradations d'un mélange de ce mélange hautement explosif et du mélange combustible normal se trouveront disposées entre ce point où l'étincelle se produit entre le bord de la plaque 31 et les filets
32. Ainsi, le mélange explosif le plus parfait peut exister dans l'espace d'allumage 15,16, au voisinage de la ligne pointillée et en traits 33 ; unmélange légèrement plus pauvre peut s'étendre à partir de cette ligne jus- qu'à la ligne en pointillée et traits 34; un mélange encore plus pauvre peut s'étendre entre les lignes pointillées et en traits 34 et 35;
et, de façon analogue, les mélanges entre les lignes 35 et 36, entre les lignes 36 et 37, et entre les lignes 37 et 38, deviendront progressivement plus pauvres, tandis qu'à partir de la ligne 38 jusqu'au point où l'étincelle se produit, peut exister un mélange se rapprochant de très près du mélange normal se trouvant dans le reste de l'espace de combustion.
L'étincelle, se produisant à la fin ou avant la fin de la-période de compression, trouve la stratification du mélange de gaz, en gros, tel qu'indiqué.Elle allume le mélange , aux électrodes, et la flamme commen- ce à se propager au-delà des électrodes, dans toutes les directions.Cette combustion du mélange est relativement lente, et une période élémentaire de temps s'écoule avant que le bord du front de la flamme atteigne la ligne 38 dans l'espace d'allumage 15, 16 mais lorsque le front de la flamme s' approche de cette ligne,le taux de combustion augmente et le front de la flamme se déplace alors de plus en plus vite.Lorsque le front de la flamme passe au-delà de la ligne 38 dans les régions des mélanges de plus en plus parfaits,
elle atteint finalement un point où le taux de combustion devient sensiblement instantané.Bier que la demanderesse ne sache pas exactement où se trouve ce point, on peut supposer, pour le but de cet exposé, qu'il se trouve sur la ligne 35.A ce point, en conséquence, le mélange presque parfait est instantanément consummé, créant une telle expansion soudaine de gaz que la flamme, qu'il y ait ou non de la place pour se propager, est forcée en dehors de l'espace d'allumage 15,16, de façon analogue, à la flamme d'une
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torche de soufflerie, et dans tous les coins de la chambre à combustion, allumant le mélange qui s'y trouve, en des points qui n'auraient pas été normalement atteints à ce moment par l'expansion du front de la flammeo L'effet de "torche de soufflerie" ou flamme à compression,
provoque ainsi une combustion sensiblement instantanée du reste du mélange dans la cham- bre à combustion et lorsque la stratification des différents degrés du mélan- ge est correcte, une pression uniforme est appliquée sur le piston pendant la partie la plus effective de sa période de puissance, et la combustion du combustible est sensiblement complète, ce qui conduit à une augmenta- tion de l'efficacité du moteur.
Le choix dans le moment de la propagation de la flamme et la for- ce des gaz d'expansion contre le piston, doivent partir de zéro lorsque le piston quitte la position la plus interne, et ce moment augmente sinusoi- dalement jusqu'à un maximum lorsque le piston atteint sa mi-course et décroît sinusoldalement jusqu'à zéro, de nouveau, à la position la plus interne, Au moyen de la présente invention, la demanderesse se rapproche de cette condition le plus près possible, davantage qu'on n'a pu le faire aupara- vant, dans tous les moteurs dont elle a eu connaissance.
La force de l'explosion crée une pression extrêmement élevée dans la chambre de combustion, qui force les gaz non utilisés ou brûlés à entrer dans les crevasses les plus éloignées de l'espace d'allumage 15,160
Au moment convenable, à la fin de la période de puissance, la valve d'échappement s'ouvre et les gaz brûlés se précipitent hors de la chambre de combustion,, aidés par le piston qui commençait à se déplacer de nouveau dans le cylindre.Lorsque la valve d'échappement s'ouvre, la pression dans la chambre de combustion tombe bien au-dessous de la pression extrêmement élevée créée dans cette chambre par l'explosion.Etant donné que les gaz dans l'espace d'allumage 15,16, sont sous l'action de cette pression beaucoup plus élevée,
certains de ceux-ci seront forcés à travers l'espace entre l'extension 14 et l'épaulement 10 et la plaque 31 et les filets 32 dans la chambre de combustion.Ces gaz poussent les gaz brûlés hors de la partie la plus grande de 1.'espace d'allumage 15,16 et au-delà de la plaque d'élec- trode 31 et de la partie 11 de l'enveloppe, produisant de nouveau un effet de refroidissement sur les électrodes et les parties associées.De nouveau une turbulence est créée par la manière suivant laquelle les gaz émergent de l'espace d'allumage 15,16.Lorsque la valve d'échappement se ferme à la fin de la période d'échappement, le cycle est de nouveau prêt à être répété pour un autre déplacement d'aspiration de gaz.
Considérons maintenant ce qui se produira lorsque les conditions de charge et de vitesse du moteur varient.Si l'on suppose, pour une con- dition prédéterminée de charge et de vitesse, que la région dans l'espace de combustion 15,16 dans laquelle le front de flamme doit arriver avant que l'effet de "torche de soufflerie" ou de torche de compression soit obtenu- ce qui est représenté par la ligne 35 -, on supposera aussi que la charge est augmentée comme, par exemple, dans une automobile, lorsque celle-ci commence à monter une colline, et que cette condition n'est pas satisfaite par l'ouverture du papillon-valve d'admission pour fournir plus de combustible au moteur.Etant donné qu'une plus grande quantité de mélange combustible entre dans le cylindre lors de la période d'aspiration,
la compression dans le cylindre augmentera et on verra que les diverses gradations du mélange de combustible et d'air seront écrasées dans l'espace 15,16, si bien que maintenant les lignes 33 à 38 peuvent prendre les posi- tions indiquées dans la fig.4.Ainsi, il faudra un temps plus long pour que le front de la flamme, à partir de l'étincelle, atteigne la région de la ligne 35 et l'ignition est effectivement retardée, ce qui est le but recherché lorsque la charge est augmentée, comme cela est bien connue
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Si la charge décroît et qu'une quantité plus faible est admise par le papillon-valve,la compression est aussi diminuée, ce qui permet au mélange de combustible stratifié de s'étendre dans l'espace 15,16 avec le résultat que la ligne 35 est maintenant beaucoup plus près de l'étincelle, comme indiqué par exemple dans la fig.6,
ce qui requiert moins de temps pour que le front de la flamme l'atteigne et, de ce fait, avance effecti- vement l'ignition, ce qui est encore le but recherché pour cette condition.
Supposons, à nouveau que les conditions normales existent et qu' elles produisent l'effet indiqué dans la fig.5 et que la vitesse du mo- teur augmente. Ceci aura pour effet qu'une quantité moindre de mélange combustible entrera dans le cylindre,parce que le temps pour lui permettre d'entrer est moindre, et la compression diminuera en conséquence et les lignes 33 à 38 s'étaleront, amenant la ligne 35 plus près des électrodes, comme indiqué dans la figo6, ce qui effectivement avancera l'ignition et cela est encore le but recherché dans cette condition.
La diminution de la vitesse a un effet opposé, elle augmente la compression de nouveau et écrase le mélange stratifié dans l'espace, comme indiqué dans la fig.4, retardant ainsi l'ignition.
On verra que la position de la région critique du mélange combus- tible stratifié sera gouvernée par un certain nombre de facteurs.Ces fac- teurs sont :1) la compression normale dans le cylindre à la fin de la pério- de de compression; 2) la vitesse normale du moteur ; la dimension de 1' espace de combustion 15, 16; 4) la forme de l'espace de combustion 15,16; et 5) le caractère du mélange explosif admis dans l'espace de combustion
15, 16.
La forme et la dimension de l'espace 15, 16 et le caractère du mélange explosif admis dans l'espace peuvent être contrôlés pour n'importe quel moteur donné.La demanderesse a trouvé qu'une forme et une dimension convenables peuvent être déterminées par l'extrémité intérieure de la bou- gie d'allumage et par la configuration de l'isolateur, et la demanderesse a contrôlé le caractère du mélange admis en choisissant la dimension des ouvertures et la disposition du compartiment 15 et de l'espace 16.
Les meilleurs résultats ont été obtenus avec de l'essence"ordi- naire", c'est-à-dire de l'essence qui a été traitée avec du plomb tetrae- thyle ou des substances analogueso
Les résultats obtenus avec la présente invention sont frappants.
La demanderesse a découvert, après des essais répétés, que le nombre de kilomètres par litre d'essence pour toute voiture automobile peut être augmenté sensiblement par rapport à la consommation d'essence par kilomètre indiquée par le fabricant comme étant la consommation normale de la voiture.
En addition à l'augmentation de kilomètres par litre d'essence qui résulte de la mise en pratique de l'invention, d'autres résultats importants sont obtenus.Ceux-ci peuvent être énumérés comme suit : tation de la puissance et, en conséquence, augmentation de l'accélération; fonctionnement du moteur à température plus basse, et particulièrement fonctionnement des bougies d'allumage permettant une longue vie de celles-ci ; vitesse à vide pour le moteur beaucoup plus faible que celle que l'on obtient avec des bougies ordinaires; beaucoup moins de tendance au dépôt de carbone dans le cylindre ou autour des électrodes de la bougie étant donné que la combustion est sensiblement complète et, en conséquence, engorgement plus rare des bougies et des valves ; un meilleur démarrage lorsque le moteur est froid.
En addition à ces avantages, l'ensemble du moteur peut être établi
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pour comprendre l'invention avec le résultat que le taux de compression peut être augmenté; un déplacement plus long du piston peut être utilisé sans diminuer le nombre de tours par minute ; il n'y a pas de limites au dia- mètre du cylindre.Jusqu'ici, des moteurs à essence ont été limités à des diamètres de cylindre de l'ordre de six inchs , c'est-à-dire 6 X 2,54 = 15 cm.24; au-delà de ce diamètre, la combustion devient inefficienteoDe plus, un moteur établi conformément avec des caractéristiques de la présente invention, permet l'efficacité de ces moteurs de pouvoir être augmentée avec l'utilisation de diamètres plus grands que 6 inchs, soit 15 cm.24.
Egalement, un moteur établi conformément aux caractéristiques de la pré- sente invention permet l'emploi d'un système de refroidissement plus peit qu'il n'est nécessaire avec un moteur ordinaire, et un système d'allumage à plus faible puissance.
En raison du fait que l'augmentation de la puissance provoque une circulation plus rapide de l'air et de l'essence à travers le carburateur, il est désirable d'utiliser un carburateur spécialement établi qui tient compte de ce fait, de façon à obtenir les meilleurs résultats des bougies mettant en oeuvre les caractéristiques de l'invention.
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The present invention relates to spark plugs for internal combustion engines.
It has always been extremely difficult in the operation of internal combustion engines to control the spread of flame in the combustion chambers so as to obtain the maximum motive force on the pistons during the proper part of the operating cycle. A great deal of effort has been made to resolve this problem, but without much success.
Applicants have found that most of the difficulties in controlling flame spread occur because the spark plug electrodes short-circuit each other with a film of conductive substance on the corresponding surfaces which reduces the efficiency of the spark plug. spark or even prevents it from doing so, causing the ignition system to lose control of said ignition. Such short circuits may be caused, according to the applicant's discovery, by water vapor separating from it. gasoline under the effect of compression and heat, and this water vapor is deposited on the surface between the electrodes, and also by carbon deposits on said electrodes.
The tendency for such shorting and the resulting deleterious effects increase rapidly with increasing compressions and speeds and when the proportion of the highly volatile components of the fuel is decreased.
By using a spark plug embodying features of the invention, applicants have found that it can greatly reduce or completely eliminate any shorting path between two electrodes and, moreover, by properly treating the. fuel, control of the flame propagation of the fuel mixture can be obtained in a better manner than before and without the use of special fuel mixtures. This invention allows the use of fuels which were previously available. now considered unusable for internal combustion engines.
One of the main objects of the invention is to provide a spark plug in which the tendency to form a conductive path between the electrodes is reduced or eliminated.
Another object of the invention is to provide a means for automatically controlling the propagation of flame in an internal combustion engine, so as to obtain higher engine efficiency over a wide range of speeds and variations. This range is wider than that which could previously be obtained.
Another object of the invention is to provide means for treating a combustible mixture in a combustion chamber and for confining this mixture in the vicinity of the spark plug electrodes in a predetermined manner during compression, so as to provide a delay in time to cause the explosion, but at the same time to obtain a more rapid, if not instantaneous, propagation of the flame during
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the explosion itself.
Another object of the invention is to provide a means for controlling an internal combustion engine, whereby the engine will operate at a lower temperature and with less tendency to form carbon in the cylinder, and therefore with increased life for spark plugs, valves and other related items.
The invention has been shown in exemplary embodiments in the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a side elevational sectional view of a spark plug embodying features of the invention.
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Figo2 is a plan view of the spark plug shown in fig.1 partially in section, this being taken along line 2-2 of fig.1.
Figo3 is a side elevational sectional view of a portion of a spark plug showing a modified form of the electrodes, and
Figures4,5 and 6 are schematic sectional views of the combustion space in the electrode and the spark plug which may be used to illustrate the principles of the present invention.
Referring to Fig. 1, the spark plug 1 has a metal casing 2 made so as to have two different diameters, the smaller diameter forms the threaded cylindrical end 3, and the remaining part forms a receptacle open at end 4. A shoulder 5 is formed between the outer surfaces of these two parts, providing a seat when the spark plug is screwed into place on the block of an internal combustion engine.
The outer end of the casing 4 is thickened and has at its outer circumference a hexagonal nut 6 on which an adjustable wrench can be applied to screw the spark plug in position.
The inner wall of the casing 2 has three parts of different diameter. The first part 7 of the larger diameter has a diameter small enough that the outer diameter of the casing 4 can constitute the casing of the receptacle. part of the inner wall ends on an inclined shoulder 8 on the inner edge of which the second part 9 of the intermediate diameter begins. This part 9 defines part of the inner compartment (which will be described later) and is relatively short;
it ends with a shoulder 10 on the inner edge of which the third part 11 of the inner wall begins. This part is small enough in its diameter so that the threaded end 3 of the casing 2 can be strong enough for it. spark plug and can be chamfered at the end of the spark plug to provide better access to the interior of said spark plug.
Applicants prefer that the shell 2 be made of cold rolled steel and coated with copper by a suitable process. The copper coating assists heat transfer and prevents oxidation of the steel. also provides a surface with which a head gasket can cooperate to provide a gasket resistant to gasoline
The insulator 12 is mounted in the casing 1 and has a particular shape. It is preferably made by means of a material, such as glass, having a relatively high heat conductivity, although porcelain or 'other suitable ceramics can be used. The Applicant has obtained good results with an insulator consisting of 78% aluminum oxide, the:
rest being. consisting of a binder of ceramic materials. The central part 13 of the insulator 12 is substantially cylindrical and has a tubular extension 14 which mounts in the second part 9 of the casing and is spaced therefrom for form a compartment 15 which functions as the "small space" referred to above. The width of this space, in the preferred embodiment of the invention, may be 0.375 mmo The end of the tubular extension 14 is also spaced from the shoulder 10 by a short distance to provide an entrance to the space 15. This distance, in the preferred example embodiment, may be 0.
775 mmo
Applicants have discovered that the tendency to short circuit between the electrodes of a spark plug can be reduced by extending the insulator by means of a thin cylindrical skirt spaced from the center electrode and the core. 'metal casing of the candle.rar SUIT'eg
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the outer surface of the tubular extension 14 is formed to conform with the inner surface of the casing, but has some clearance therewith, as mentioned above.
The extension 14 of the insulator is hollow and forms an open space 16 which extends a considerable distance into the central portion 13. The inner surface of the extension 14 forming the space 16 is preferably shaped so as to present. different diameters, three of these diameters being shown at 17, 18 and 19, connected by inclined shoulders, which increases the path on which this internal surface more difficultly provides a passage for a short-circuit current.
A second extension 20 of the insulator, of a diameter somewhat smaller than the central part 13, is formed so as to constitute a unit with the opposite end of the central part, and forms the outer end of the spark plug. .An axial hole 21 is provided in the insulator to receive a metal rod 22, one end 23 of which forms the central ignition electrode, and extends to a point located approximately midway through the third part. 11 of the casing 2 The other end 24 of the rod projects beyond the end of the extension 20 of the isolator and may be provided with the usual terminal head 25 to which the connection can be made. be made from the distributor. The rod 22 can be threaded near its outer end, as in 26, for eng:
the threads formed in the hole 21, and the rod, between these threads and the end 23, may be of a smaller diameter. When the insulator is made of glass, the applicant prefers to fix the rod in place during the process. molding, but the rod can be cemented in place in the usual manner, if desired.
The outer surface of the extension 20 is preferably provided with corrugations 27 to increase the area thereof, so that better heat radiation can be obtained, and a longer path results between the rod and the rod. envelope 2.
The insulator 12 is placed in the casing 2 with the inclined inner end of the central part 13 placed against the inner shoulder 8, a suitable soft metal washer 28 then being provided between these to provide a connection to the. gas proof, and the outer end of the casing 4 can be closed by a nut 29, a soft metal washer 30 being used between the inner edge of the nut and the outer inclined end of part 13 of the gasket. Insulator, however, nut 29 can be removed and the outer end of the casing can be rolled over the outer end of part 13 to make a permanent connection.
The end 23 of the rod 22 may be flattened to provide a rectangular plate 31, just wide enough to be spaced from the inside of the part 11 of the casing 2, so that the - that can jump between the plate and the inside of part 11. The inside of part 11 is preferably threaded, as in 32, so that the ends of the thread form the earth electrode and that the spark is free to jump between any point on the opposite edges of the plate and the nearest end of the thread. The spiral edge of the thread thus provides a large number of contact points for the spark. that, and any wear caused by heat and erosion is compensated by the distribution over an extremely large area.
In the preferred embodiment, which has given good results in practice, the plate 31 was formed by the flattening of the rod 22 until the latter reached 0.275 cm. width, and the
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hole in part 11 before thinning was 4.425 mmo in diameter.
When the plate was mounted concentrically with the casing, the gap was 0.825mm between each edge of the plate and neighboring thread ends. However, the gap may vary in practice by 0.620mm. at 1.25 mmo
In some cases the Applicant prefers to use a different type of spark gap arrangement. In Fig. 3 a bar 31a is welded to the end of part 3 of the casing and forms the earth electrode, while the end of the rod 22a is spaced a suitable distance from the bar to provide the gap, the distance between the threads 32 and the rod being sufficient to prevent the spark from jumping to the threads In this arrangement, the sole function of the threads is to aid the effect of turbulence and vaporization.
In general, the applicant explains the operation of the spark plug as follows:
During the suction movement of the piston, a mixture of gasoline and air is fed into the cylinder in the known manner. Due to the high velocity of air through the carburetor, this mixture, as it is well known , is not completely atomized and, therefore, is not uniform, but passes through the cylinder following layers of air and various mixtures of air and gases.During the compression movement, part of this mixture of air and gas passes into space 16 and into compartment 15-This mixture enters the spark plug through the threaded end 11 of the casing where it receives a turbulent action by the irregularities. larities of the surfaces, the threads 32 producing a vortex movement.
Some of this mixture enters compartment 15 between the end of extension 14 and shoulder 10. Due to the fact that the mixture enters the compartment through the narrow space between extension 14 of 1 '. isolator and shell, the mixture in the compartment is subjected to great turbulence. Due to the particular arrangement of compartment 15 and space 16 as well as associated parts, two effects are produced: First, the friction on the walls of the various parts acts to increase molecular activity and to break up any fuel droplets existing in the mixture, and this action is aided by the heat in part 11 of the shell, the electrode plate. 31 and extension 14 of the insulator,
which is sufficient to vaporize any liquid coming in contact with the walls, resulting in a more completely mixed and more perfect combustible mixture in space 16 and especially in compartment 15-Second, the surfaces on which the fuel The spark is cooled by the fact that they give up their heat to the combustible mixture which then passes at high speed, and this results in the operation of the spark plug at a lower temperature.
The function of the extension or skirt 14 should be particularly noted. It is thin enough to be heated to a higher temperature than the surrounding parts, but its proximity to the metal casing which in turn is in the vicinity. of the engine refrigerator, prevents it from becoming glowing. It is thus maintained at a temperature sufficient to vaporize any liquid coming in contact with it and, therefore, increases the molecular activity of the mixture, but is not sufficiently heated to cause a gas explosion which would remove control of the spark ignition.
The threads 32, at the narrow end of the spark plug, are also important. The ends of the threads are considerably heated due to their small cross-section and act to vaporize much of the liquid components of the combustible mixture before
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so that they do not reach the inside of the spark plug. The threads are also important for performing the vortex motion mentioned above.
At the end of the compression movement, the combustion chamber of the engine is filled with a compressed mixture of air and a more or less large quantity of fuel, inhomogeneous, arranged in layers, while the compartment 15 and the 'space 16 which, taken together, can be designated'! under the name "boot space", are filled with a much more perfect explosive mixture.
In order to set out what the Applicant believes occurs during periods of compression and explosion, the priming or ignition space, as defined above 15,16 has been shown schematically, in Figures 4,5 and 6. The following theory of operation has been developed after a large number of experiments and a careful study of the results obtained.
At the end of the aspiration period, a mixture surrounds the electrodes comprising the ignition space 15,16 while burnt gases remain in the ignition space. When the compression period begins, the mixture surrounding the electrodes is forced into the ignition space 15,16. This mixture continues to compress in the ignition space 15,
16, the mixture passing over the surfaces and through the narrow openings and being finally divided and vaporized, as already stated. At the end of the compression period, the arrangement of the combustible mixture in the ignition space 15,16, is as shown roughly in fig. 5. Some burnt gases appear in the innermost part of the ignition space 1516 while in the vicinity of these gases there is a very highly explosive mixture,
and various gradations of a mixture of this highly explosive mixture and the normal combustible mixture will be disposed between that point where the spark occurs between the edge of the plate 31 and the threads
32. Thus, the most perfect explosive mixture can exist in the ignition space 15,16, in the vicinity of the dotted line and in lines 33; a slightly leaner mixture may extend from this line to the dotted line and lines 34; an even leaner mixture may extend between the dotted lines and the lines 34 and 35;
and, similarly, the mixtures between lines 35 and 36, between lines 36 and 37, and between lines 37 and 38, will become progressively leaner, while from line 38 to the point where l spark occurs, there may be a mixture very close to the normal mixture in the rest of the combustion space.
The spark, occurring at the end or before the end of the compression period, finds the stratification of the gas mixture, roughly as shown. It ignites the mixture, at the electrodes, and the flame begins. to propagate beyond the electrodes, in all directions. This combustion of the mixture is relatively slow, and an elementary period of time passes before the edge of the flame front reaches line 38 in the space of ignition 15, 16 but as the flame front approaches this line the burn rate increases and the flame front then moves faster and faster as the flame front moves past the line 38 in the regions of increasingly perfect mixtures,
it eventually reaches a point where the burn rate becomes substantially instantaneous. Although the Applicant does not know exactly where this point is, it may be assumed, for the purpose of this discussion, that it is on line 35.A at this point, as a result, the near-perfect mixture is instantly consumed, creating such a sudden expansion of gas that the flame, whether or not there is room to spread, is forced out of the ignition space. 15,16, similarly, to the flame of a
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blower torch, and in all corners of the combustion chamber, igniting the mixture therein, at points that would not have been normally reached at that time by the expansion of the flame front o The effect of "blower torch" or compression flame,
thus causes a substantially instantaneous combustion of the rest of the mixture in the combustion chamber and when the stratification of the different degrees of the mixture is correct, a uniform pressure is applied to the piston during the most effective part of its power period , and the combustion of the fuel is substantially complete, which leads to an increase in engine efficiency.
The choice in the moment of flame propagation and the force of the expansion gases against the piston, must start from zero when the piston leaves the innermost position, and this moment increases sinusoidally to a maximum when the piston reaches its mid-stroke and decreases sinusoldally to zero, again, at the innermost position, By means of the present invention, the Applicant approaches this condition as closely as possible, more than could not do it before, in all the engines of which it was aware.
The force of the explosion creates an extremely high pressure in the combustion chamber, which forces the unused or burnt gases to enter the crevices furthest from the ignition space 15,160
At the proper time, at the end of the power period, the exhaust valve opens and the burnt gases rush out of the combustion chamber, aided by the piston which begins to move back into the cylinder. When the exhaust valve opens, the pressure in the combustion chamber drops well below the extremely high pressure created in this chamber by the explosion, since the gases in the ignition space 15, 16, are under the action of this much higher pressure,
some of these will be forced through the space between extension 14 and shoulder 10 and plate 31 and threads 32 into the combustion chamber. These gases push the burnt gases out of the larger part of the combustion chamber. 1. The ignition space 15,16 and beyond the electrode plate 31 and part 11 of the casing, again producing a cooling effect on the electrodes and associated parts. turbulence is created by the way in which gases emerge from the ignition space 15,16 When the exhaust valve closes at the end of the exhaust period, the cycle is again ready to be repeated for another gas suction displacement.
Now consider what will happen when the conditions of load and speed of the engine vary, assuming, for a predetermined condition of load and speed, that the region in combustion space 15,16 in which the flame front must arrive before the "blower torch" or compression torch effect is achieved - which is represented by line 35 - it will also be assumed that the load is increased as, for example, in a automobile, when it starts to go up a hill, and this condition is not satisfied by opening the throttle-valve of admission to supply more fuel to the engine. Since a greater quantity of mixture fuel enters the cylinder during the suction period,
the compression in the cylinder will increase and it will be seen that the various gradations of the mixture of fuel and air will be crushed in the space 15,16, so that now lines 33 to 38 can take the positions shown in fig. .4. Thus, it will take a longer time for the flame front from the spark to reach the area of line 35 and the ignition is effectively delayed, which is the intended purpose when charging is increased, as is well known
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If the load decreases and a smaller amount is admitted by the throttle valve, the compression is also decreased, allowing the layered fuel mixture to expand into space 15,16 with the result that the line 35 is now much closer to the spark, as shown for example in fig. 6,
which requires less time for the flame front to reach it and, therefore, to actually advance the ignition, which is still the goal for this condition.
Suppose again that normal conditions exist and produce the effect shown in Fig. 5 and that the motor speed increases. This will have the effect that less of the combustible mixture will enter the cylinder, because the time for it to enter is less, and the compression will decrease accordingly and lines 33 to 38 will spread out, bringing up line 35 closer to the electrodes, as shown in figo6, which will actually advance the ignition and this is again the desired goal in this condition.
Decreasing the speed has the opposite effect, it increases the compression again and crushes the stratified mixture in space, as shown in fig. 4, thus retarding the ignition.
It will be seen that the position of the critical region of the layered fuel mixture will be governed by a number of factors. These factors are: 1) the normal compression in the cylinder at the end of the compression period; 2) normal engine speed; the size of the combustion space 15, 16; 4) the shape of the combustion space 15,16; and 5) the nature of the explosive mixture admitted into the combustion space
15, 16.
The shape and size of the space 15, 16 and the character of the explosive mixture admitted into the space can be controlled for any given engine. Applicants have found that a suitable shape and size can be determined by the inner end of the spark plug and by the configuration of the insulator, and the applicant has checked the character of the mixture admitted by choosing the size of the openings and the arrangement of compartment 15 and space 16.
The best results have been obtained with "regular" gasoline, that is, gasoline which has been treated with tetraethyl lead or the like.
The results obtained with the present invention are striking.
The Applicant has discovered, after repeated testing, that the number of kilometers per liter of gasoline for any motor vehicle can be increased significantly compared to the gasoline consumption per kilometer indicated by the manufacturer as being the normal consumption of the car. .
In addition to the increase in kilometers per liter of gasoline which results from the practice of the invention, other important results are obtained which can be enumerated as follows: tation of power and, accordingly , increased acceleration; operation of the engine at a lower temperature, and particularly operation of the spark plugs allowing a long life of these; idle speed for the engine much lower than that obtained with ordinary spark plugs; much less tendency to deposit carbon in the cylinder or around the electrodes of the spark plug since the combustion is substantially complete and, consequently, less clogging of the spark plugs and valves; better starting when the engine is cold.
In addition to these advantages, the entire motor can be established
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to understand the invention with the result that the compression ratio can be increased; a longer displacement of the piston can be used without reducing the number of revolutions per minute; there are no limits to the cylinder diameter. Until now, gasoline engines have been limited to cylinder diameters of the order of six inches, i.e. 6 X 2, 54 = 15cm. 24; beyond this diameter, the combustion becomes inefficient. In addition, an engine established in accordance with features of the present invention, allows the efficiency of these engines to be able to be increased with the use of diameters larger than 6 inches, i.e. 15 cm.24.
Also, an engine built in accordance with the features of the present invention allows the use of a cooling system that is smaller than necessary with an ordinary engine, and an ignition system at lower power.
Due to the fact that the increase in horsepower causes more rapid circulation of air and gasoline through the carburetor, it is desirable to use a specially designed carburetor which takes this fact into account, so as to obtain the best results from candles implementing the characteristics of the invention.