FR2921765A1 - Electric arc creating device for controlled-ignition internal combustion engine, has electrode whose end includes pointed semi-elliptical section, where axis of section is radial with respect to cylinder - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation

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  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

The device has an electrode whose end includes a pointed semi-elliptical section, where an axis of the section is radial with respect to a cylinder i.e. park plug. The spark plug has two semi-elliptical electrodes that are joined at a ring gear (4). A central electrode (3) is fixed on a central rod. A threading (5) has end at which the ring gear is provided.

Description

[1] La présente invention se propose d'être une bougie pour moteur à essence à allumage commandé, dont les caractéristiques favorisent la pertinence de l'étincelle. La bougie est la pièce mécanique transformant l'énergie électrique en arc électrique, primum moyens de l'inflammation du mélange. Cette bougie est alimentée en haute tension par le secondaire d'un transformateur, appelé également bobine, dont le primaire fonctionnant le plus souvent en 12 V, est en série avec un interrupteur mécanique ou électronique dont la coupure brusque et cyclique engendre l'étincelle. L'idée de relation entre le design des électrodes d'une bougie et ses performances s'exprime par la grande variété des styles proposés, toutes choses égales par ailleurs. Il existe depuis quelques temps des bougies à effet de surface ou à étincelles de surface. Ces bougies sont destinées, de par leur géométrie, à créer un champ électrique faisant parcourir à l'étincelle un chemin comprenant le manchon isolant de l'électrode centrale, ce qui aurait pour effet de débarrasser le manchon des dépôts carbonés, tel un jet d'eau à haute pression. La nature même des dépôts, justement carbonés, risque de court-circuiter le phénomène physique censé les faire disparaître : résistivité du carbone à 20 degrés : 1,3mS2 /cm. De plus, le temps imparti au phénomène de nettoyage est probablement trop court pour obtenir le résultat recherché, car nous n'avons plus affaire à un gaz, mais à un solide dont l'inertie thermique est nécessairement plus longue que pour un gaz. L'enthalpie d'évaporation : nickel : 374 KJ/mol platine : 469 KJ/mol carbone : 710 KJ/mol tungstène : 824,2KJ/mol Nickel et platine étaient des métaux utilisés dans les tubes électroniques pour leur bonne tenue aux températures élevées. Le meilleur moyen de combattre le phénomène de dépôts est encore de déclencher une ignition aussi parfaite que possible dés l'apparition de l'étincelle. Or, 2921765 [2] nous savons que, pour deux électrodes planes, une petite demi-sphère située sur l'une d'entre elles, dans l'espace inter-électrodes, multiplie le champ électrique par trois. Si cette même demi-sphère se transforme en demi-ellipsoïde pointu (c'est à dire présentant, ici, deux demi-sections elliptiques pointues), et pour un rapport grand-axe 5 sur petit-axe de l'ellipsoïde égal à trente, le champ électrique est multiplié par trois cents. C'est cet effet de pointe avec son amplification de champ électrique et son effet capteur d'étincelles qui interviennent dans le dispositif proposé. L'ellipsoïde étant une sphère déformée sans à coups , les lignes de champ s'établissent plus rapidement et plus uniformément dans le temps que pour des 10 électrodes planes. Elle favorise un champ électrique focalisé par resserrement local des lignes de champ électrostatique inter électrodes, et assure ainsi la préexistence de l'effet couronne permettant l'apparition d'étincelles survenant plus systématiquement au même endroit dans l'espace et, par l'effet de pointe que l'on peut accentuer selon le résultat voulu, la survenue d'arcs convergents qui en simulent un seul, intense, au lieu 15 d'arcs multiples dispersés, et faibles. Cette stabilité spatiale pour une même décharge électrique, et un seul point préférentiel de capture pour les étincelles, favorisent une élévation thermique rapide et intense du volume de mélange alentour, contribuant à la bonne inflammation de ce dernier. Focalisation et rapidité d'établissement du champ confinent, au 20 maximum à proximité des électrodes, l'extension de l'ionisation des composants et particules contenus dans le mélange. Cela minimise le risque que certaines formations, plus grosses que d'autres environnantes, ne viennent perturber intempestivement l'apparition de l'arc par modification des conditions locales : cela évite le pré-allumage. En effet, ce n'est pas l'ionisation d'un grand volume de gaz qui initie l'arc mais l'effet 25 d'avalanche. C'est donc l'effet d'avalanche ou effet couronne que l'on doit prioritairement favoriser. Le résultat est un meilleur contrôle du délai de déclenchement de l'étincelle par rapport à la fermeture du circuit haute tension ; avec à la clef un meilleur respect des paramètres prédéterminés. Cela est d'autant plus important que les mélanges actuels dits stratifiés (la richesse décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne [3] de la bougie) nécessitent une grande précision pour obtenir la simultanéité de la présence de l'étincelle et du passage au voisinage des électrodes du nuage de mélange lorsqu'il est proche des proportions stoechiométriques. _ L'homogénéité du mélange, près des électrodes, est préservée grâce à sa faible électrophorèse tridimensionnelle, elle même due à une faible ionisation des composants en présence, là encore grâce à la focalisation du champ électrique. Cela est d'autant plus important que les conditions stoechiométriques ne sont pas satisfaites (mélanges dits stratifiés utilisés par les moteurs actuels à injection). La quantité de produits carburés mal brûlés de début de combustion est moindre, ce qui diminue la quantité de monoxyde de carbone produit. La progression de l'accumulation de dépôts carbonés sur les électrodes est moindre également. Les courants de fuites sont réduits d'autant. La différence de potentiel inter-électrodes ne sera pas altérée au cours de la vie de la bougie ; les conditions prédéterminées sont maintenues. _ L'effet de pointe, par son amplification du champ électrique, permet soit une économie d `énergie électrique, soit à énergie électrique égale un arc beaucoup plus important par un écartement plus large des électrodes, et donc une meilleure interface arc-mélange. De plus, le concepteur peut, par le choix des courbures des électrodes, par le choix de l'espace qui les sépare ainsi que la détermination de la tension utilisée, obtenir un champ disruptif particulièrement efficace pour la mise à feux du mélange. _ L'ensemble des caractéristiques vues ci-dessus permet de dire que la fenêtre temporelle d'apparition de l'étincelle sera plus étroite. Cette plus grande stabilité temporelle que pour une bougie conventionnelle peut être avantageuse pour combattre le cliquetis. En effet, ce sont principalement les paramètres fixant l'instant d'allumage de la charge que l'on emploie pour faire disparaître ce phénomène destructeur à haut régime ; phénomène dû à l'auto inflammation de la partie de la charge imbrûlée qui est située en avant du front de flamme, et dont il résulte une vibration intense de la masse gazeuse : le cliquetis. Enfin, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répond à : [4] X= a* Cos(u)* Cos(v) Y= b* Cos(u)* Sin(v) Z= c* Sin(v) si b=0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, l'électrode conservera une grande partie de 5 ses qualités, tout en étant plus simple à produire industriellement, si a=b, on a un ellipsoïde de petite section circulaire. La présente invention, se propose de définir un principe de géométrie des électrodes permettant de bénéficier des avantages vus plus haut et comporte pour ce faire, selon une première caractéristique, deux électrodes dont l'une au moins présente 10 une extrémité demi-ellipsoïdale pointue (c'est à dire présentant deux demi-sections elliptiques pointues). Cette dernière a donc un grand, un moyen, et un petit axe. Le grand axe suit une disposition radiale par rapport au cylindre que représente le pas de vis de la bougie ; et est situé dans le plan le plus favorable dans l'espace par rapport à l'anode, pour que soit créé le champ électrique le plus intense possible: par exemple un 15 plan parallèle au siège de la bougie pour une anode conventionnelle cylindrique dont le sommet arrive au moins à hauteur du sommet du demi-ellipsoïde. Le moyen axe est parallèle au plan dans lequel se situe le siège de la bougie ; sauf si l'électrode de polarité opposée nécessite une disposition différente à cause de son champ électrique. Enfin, son sommet est dirigé vers cette même électrode de polarité opposée. 20 _ Il est possible de déterminer les courbes optimales que devra avoir le sommet de l'électrode du fait de son caractère demi-ellipsoïdal; ce qui permet d'affiner ou non les performances d'ignition ; par exemple, moyen et petit axe égaux. En cas de bougie à deux électrodes demi-ellipsoïdales: Les deux électrodes, anode et cathode, sont opposées par leur 25 sommet. Les grands axes de chaque électrode, radiaux, considérés comme deux demi-droites de même origine, délimitent une section angulaire pouvant aller de l'angle plat (le plus favorable à l'intensité du champ électrique) à l'angle droit. Les deux moyens axes sont parallèles entre eux. [5] Ainsi que vu plus haut, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répond à : X= a* Cos(u)*Cos(v) Y= b* Cos(u)*Sin(v) Z= c* Sin(v) si b=0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, si a=b, on a un ellipsoïde de petite section circulaire. Il est possible de multiplier les paires anode-cathode par une électrode centrale en forme d'étoile, dont chaque branche a son homologue en 10 périphérie selon les caractéristiques définies ci-dessus. En fonction de la réalisation, soit une bougie à deux électrodes demi-ellipsoïdales, considérons la partie filetée de la bougie comme étant un cylindre dont l'une des bases, de rayon R, se situe du côté des électrodes; ces dernières sont à sommet ellipsoïdal, et à disposition radiale sur le même rayon R de par leur grand axe (avec la 15 variante possible envisagée plus haut). Ces électrodes son opposées par leur extrémité, et le moyen axe de chaque demi-ellipsoïde est parallèle au siège de la bougie. Les deux demi-ellipsoïdes sont donc dans le même plan (sauf variante envisagée plus haut) et opposés par leur sommet. De plus, il est possible, du fait même de la caractéristique de l'électrode centrale, qui peut être rapportée, de la manufacturer sous la forme d'une 20 étoile à, par exemple, quatre branches, avec en vis à vis de chacune d'elle leur homologue périphérique. Ainsi, selon le mode de réalisation, cette bougie peut présenter plusieurs niveaux de sophistication : un model économique n'ayant qu'une seule électrode de type demi-ellipsoïdal, un model standard où les deux électrodes (anode et cathode) sont demi-ellipsoïdales; le model de luxe avec toujours le mêmes type 25 d'électrode, disposées en étoile au centre et leur homologue en périphérie, avec le nombre de branches déterminé par le fabricant. Cette bougie étant destinée à pouvoir remplacer les bougies existantes, ses caractéristiques physiques et électriques doivent être compatibles avec les modèles disponibles actuellement sur le marché. [6] Les dessins annexés illustrent l'invention dans une version à quatre paires d'électrodes : • La figure l représente de profil, le dispositif de l'invention. • La figure 2 représente le dispositif de l'invention de face côté électrodes, 5 l'axe CD étant perpendiculaire au plan de la feuille. • La figure 3 représente la bougie de profil, et en coupe à hauteur de l'axe A B, l'extrémité supportant les électrodes du dispositif. En référence à ces dessins, la bougie comporte un siège (6), un filetage (5) à l'extrémité duquel se situe une couronne (4) sur laquelle sont soudées les électrodes 10 demi-ellipsoïdales (1) et (2). L'électrode centrale (3) de même géométrie également, est fixée sur la tige centrale (7). Bien évidement, le mode de réalisation décrit ci- dessus n'est décrit qu'à titre d'exemple, l'invention comprenant tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons qui seraient effectuées selon esprit. [1] The present invention proposes to be a spark plug for spark ignition gasoline engine, the characteristics of which promote the relevance of the spark. The candle is the mechanical part transforming the electrical energy into an electric arc, primum means the ignition of the mixture. This spark plug is supplied with high voltage by the secondary of a transformer, also called coil, whose primary operating most often in 12 V, is in series with a mechanical or electronic switch whose abrupt and cyclic cut causes the spark. The idea of the relationship between the design of the electrodes of a candle and its performance is expressed by the wide variety of styles available, all things being equal. For some time there have been candles with surface effect or surface spark. These candles are designed, by their geometry, to create an electric field sparking a path comprising the insulating sleeve of the central electrode, which would have the effect of removing the sleeve of the carbonaceous deposits, such as a jet d water at high pressure. The very nature of deposits, precisely carbonaceous, may short-circuit the physical phenomenon supposed to remove them: carbon resistivity at 20 degrees: 1.3mS2 / cm. In addition, the time allotted to the cleaning phenomenon is probably too short to obtain the desired result, because we are no longer dealing with a gas, but with a solid whose thermal inertia is necessarily longer than for a gas. Evaporation enthalpy: nickel: 374 KJ / mol platinum: 469 KJ / mol carbon: 710 KJ / mol tungsten: 824.2KJ / mol Nickel and platinum were metals used in electronic tubes for their good behavior at high temperatures . The best way to combat the phenomenon of deposits is still to trigger an ignition as perfect as possible from the appearance of the spark. Now, 2921765 [2] we know that for two plane electrodes, a small hemisphere located on one of them, in the inter-electrode space, multiplies the electric field by three. If this same half-sphere is transformed into a pointed semi-ellipsoid (that is to say presenting, here, two pointed elliptical half-sections), and for a major-axis ratio on a small axis of the ellipsoid equal to thirty the electric field is multiplied by three hundred. It is this peak effect with its electric field amplification and its spark sensor effect that intervene in the proposed device. The ellipsoid being a smoothly deformed sphere, the field lines are established more rapidly and more uniformly in time than for planar electrodes. It favors a focused electric field by local tightening of the electrostatic field lines between electrodes, and thus ensures the pre-existence of the corona effect allowing the appearance of sparks occurring more systematically at the same place in space and, by the effect a peak that can be accentuated according to the desired result, the occurrence of convergent arcs which simulate a single, intense, instead of scattered multiple arcs, and weak. This spatial stability for the same electric discharge, and a single preferential point of capture for the sparks, favor a rapid and intense thermal elevation of the surrounding mixing volume, contributing to the good inflammation of the latter. Focusing and speed of setting up the field confines, as close as possible to the electrodes, the extension of the ionization of the components and particles contained in the mixture. This minimizes the risk that certain formations, larger than other surrounding, do not come to disturb the appearance of the arc by modifying local conditions: this avoids the pre-ignition. Indeed, it is not the ionization of a large volume of gas that initiates the arc but the avalanche effect. It is therefore the avalanche effect or crown effect that we must prioritize. The result is a better control of the spark initiation delay compared to the closing of the high voltage circuit; with the key a better respect of the predetermined parameters. This is all the more important as the current so-called stratified mixtures (the richness decreases as one moves away [3] from the candle) require a great precision to obtain the simultaneity of the presence of the spark and passage in the vicinity of the electrodes of the mixing cloud when close to the stoichiometric proportions. The homogeneity of the mixture, close to the electrodes, is preserved thanks to its weak three-dimensional electrophoresis, itself due to low ionization of the components in the presence, again thanks to the focusing of the electric field. This is all the more important as the stoichiometric conditions are not satisfied (so-called stratified mixtures used by the current injection engines). The amount of burnt fuel burned at the beginning of combustion is lower, which decreases the amount of carbon monoxide produced. The progression of the accumulation of carbonaceous deposits on the electrodes is also less. Leakage currents are reduced accordingly. The inter-electrode potential difference will not be impaired during the life of the candle; the predetermined conditions are maintained. The peak effect, by its amplification of the electric field, allows either a saving of electrical energy, or electrical energy equals a much larger arc by a wider spacing of the electrodes, and therefore a better arc-mixing interface. Moreover, the designer can, by the choice of the curvatures of the electrodes, by the choice of the space which separates them as well as the determination of the voltage used, to obtain a particularly effective disruptive field for the firing of the mixture. The set of characteristics seen above makes it possible to say that the time window of appearance of the spark will be narrower. This greater temporal stability than for a conventional candle can be advantageous for combating rattling. Indeed, it is mainly the parameters setting the moment of ignition of the charge that is used to remove this high-speed destructive phenomenon; phenomenon due to the self-ignition of the part of the unburnt charge which is situated in front of the flame front, and of which it results an intense vibration of the gaseous mass: the rattling. Finally, the X, Y, Z planes, the surface of the ellipsoid responds to: [4] X = a * Cos (u) * Cos (v) Y = b * Cos (u) * Sin (v) Z = c * Sin (v) if b = 0, then the ellipsoid becomes an ellipse, the electrode will retain a large part of its qualities, while being simpler to produce industrially, if a = b, we have an ellipsoid small circular section. The present invention proposes to define a principle of geometry of the electrodes making it possible to benefit from the advantages seen above and, to this end, comprises, according to a first characteristic, two electrodes of which at least one has a pointed semi-ellipsoidal end ( that is, presenting two pointed elliptical half-sections). The latter therefore has a big, a means, and a small axis. The major axis follows a radial arrangement with respect to the cylinder that represents the thread of the candle; and is located in the most favorable plane in space with respect to the anode, to create the most intense electric field possible: for example a plane parallel to the seat of the candle for a conventional cylindrical anode whose summit reaches at least at the top of the half-ellipsoid. The middle axis is parallel to the plane in which the seat of the candle is located; unless the electrode of opposite polarity requires a different arrangement because of its electric field. Finally, its summit is directed towards this same electrode of opposite polarity. It is possible to determine the optimum curves that the top of the electrode will have because of its half-ellipsoidal nature; which allows to refine or not the ignition performance; for example, average and small axis equal. In case of candle with two half-ellipsoidal electrodes: The two electrodes, anode and cathode, are opposed by their apex. The major axes of each electrode, radial, considered as two half-lines of the same origin, delimit an angular section ranging from the flat angle (the most favorable to the intensity of the electric field) to the right angle. The two axes are parallel to each other. [5] As seen above, the X, Y, Z planes, the surface of the ellipsoid corresponds to: X = a * Cos (u) * Cos (v) Y = b * Cos (u) * Sin (v) Z = c * Sin (v) if b = 0, then the ellipsoid becomes an ellipse, if a = b, we have an ellipsoid of small circular section. It is possible to multiply the anode-cathode pairs by a central star-shaped electrode, each branch of which has its counterpart periphery according to the characteristics defined above. Depending on the embodiment, either a half-ellipsoidal two-electrode spark plug, consider the threaded portion of the spark plug as being a cylinder of which one of the bases, of radius R, is on the electrode side; these latter have an ellipsoidal top, and radial arrangement on the same radius R by their major axis (with the possible variant envisaged above). These electrodes are opposed by their end, and the middle axis of each half-ellipsoid is parallel to the seat of the candle. The two half-ellipsoids are therefore in the same plane (except variant considered above) and opposed by their top. In addition, it is possible, by the very fact of the characteristic of the central electrode, which can be reported, to manufacture it in the form of a star with, for example, four branches, with respect to each from her their peripheral counterpart. Thus, according to the embodiment, this candle can have several levels of sophistication: an economic model having only one half-ellipsoidal type electrode, a standard model where the two electrodes (anode and cathode) are half-ellipsoidal ; the luxury model with always the same type of electrode, arranged in a star in the center and their counterpart at the periphery, with the number of branches determined by the manufacturer. As this candle is intended to replace existing candles, its physical and electrical characteristics must be compatible with the models currently available on the market. [6] The accompanying drawings illustrate the invention in a version with four pairs of electrodes: • Figure 1 represents in profile, the device of the invention. FIG. 2 shows the device of the invention on the electrodeside side, the axis CD being perpendicular to the plane of the sheet. • Figure 3 shows the profile candle, and in section at the axis A B, the end supporting the electrodes of the device. With reference to these drawings, the candle comprises a seat (6), a thread (5) at the end of which is a ring (4) on which are welded the half-ellipsoidal electrodes 10 (1) and (2). The central electrode (3) of the same geometry also is fixed on the central rod (7). Obviously, the embodiment described above is only described by way of example, the invention comprising all the technical equivalents of the means described and their combinations which would be carried out according to the spirit.

Claims (9)

Revendicationsclaims 1. Dispositif pour créer un arc électrique pertinent d'ignition du mélange des moteurs à combustion interne du type à allumage commandé, caractérisé en ce qu'il présente au moins une électrode dont l'extrémité est à deux ou une section(s) demi-elliptique(s) pointue(s). 1. Device for creating a relevant electric arc ignition of the mixture of internal combustion engines of the spark ignition type, characterized in that it has at least one electrode whose end is two or a section (s) half -elliptical (s) pointed (s). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le grand axe du demi-ellipsoïde est radial par rapport au cylindre que représente la bougie. 2. Device according to claim 1 characterized in that the major axis of the half-ellipsoid is radial with respect to the cylinder that represents the candle. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ce grand axe est dans le plan le plus favorable dans l'espace par rapport à l'électrode de polarité opposée, pour que soit créé le champ électrique le plus intense possible. 10 3. Device according to claim 2 characterized in that this major axis is in the most favorable plane in space relative to the opposite polarity electrode, so that is created the most intense electric field possible. 10 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, le moyen axe du demi-ellipsoïde est parallèle au plan dans lequel est situé le siège de la bougie, sauf nécessité commandée par la forme de l'électrode de polarité opposée. 4. Device according to claim 1 characterized in that the middle axis of the half-ellipsoid is parallel to the plane in which is located the seat of the candle, unless necessary controlled by the shape of the opposite polarity electrode. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, la bougie peut avoir deux électrodes de type demi-ellipsoïdal, anode et cathode. 15 5. Device according to claim 1 characterized in that the candle may have two half-ellipsoidal type electrodes, anode and cathode. 15 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que, anode et cathode ont leur extrémité qui s'opposent. 6. Device according to claim 5 characterized in that anode and cathode have their ends which are opposed. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que, le grand axe de l'anode et celui de la cathode, radiaux, considérés comme deux demi-droites de même origine, délimitent une section angulaire pouvant aller de l'angle 20 plat à l'angle droit. 7. Device according to claims 5 and 6 characterized in that, the major axis of the anode and that of the cathode, radial, considered as two half-lines of the same origin, define an angular section that can go from the angle 20 flat at the right angle. 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyen-axes des demi-ellipsoïdes sont parallèles entre eux. 8. Device according to claim 5 characterized in that the axis means of the half-ellipsoids are parallel to each other. 9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répondant à : 25 X = a* Cos(u)* Cos(v) Y = b* Cos(u)* Sin(v) Z = c* Sin(v) 2921765 [8] Si b= 0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, l'électrode sera demi-elliptique ; et si a = b, l'électrode sera demi-ellipsoïdale à petite section circulaire. 9. Device according to claim 1 characterized in that, either the planes X, Y, Z, the surface of the ellipsoid corresponding to: X = a * Cos (u) * Cos (v) Y = b * Cos ( u) * Sin (v) Z = c * Sin (v) 2921765 [8] If b = 0, then the ellipsoid becomes an ellipse, the electrode will be half-elliptical; and if a = b, the electrode will be half-ellipsoidal with a small circular section.
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