Brevet FR2459563A1 — publié le 19810109

Bougie d'allumage à jet de plasma. La présente invention concerne une bougie d'allumage à jet de plasma pour un système d'allumage à jet de plasma et elle a trait, plus particulièrement, à une bougie d'allumage à jet de plasma qui est réalisée de manière à supprimer le-bruit provoqué par les impulsions des décharges. Dans les moteurs à combustion interne à allumage par étincelleg il est nécessaire que l'allumage soit assuré même dans une gamme de mélange aircarburant pauvre, et à ce sujet, on a apporté aux bougies d'allumagediverses sortes de perfection- nements que l'on considère affecter directement la capacité d'allumage. Pour augmenter les propriétés d'allumage du moteur à combustion interne à allumage par étincelle on a proposé un système d'allumage à jet de plasma qui utilise une multiplicité de bougies d'allumage dites à jet de plasma. Les bougies d'allumage connues à jet de plasma ont pour inconvénient qu'un bruit d'onde électromagnétique se produisant lors de la décharge génératrice d'étincelle est si fort qu'il perturbe les services d'émissions de télévision, les services d'émissions radiophoniques ou autres types de systèmes de radiocommunications. D'ailleurs, la création du bruit entraîne des erreurs de fonctionnement dans les circuits commandés électroniquement utilisés comme systèmes de commande du véhicule commeipar exemple, le système d'injection de carburant commandé électroniquement et le système de commande de patinage commandé électroniquement avec, pour conséquence, un danger pour la sécurité du trafic. Conformément à la présente invention, la demanderesse a créé une bougie d'allumage à jet de plasma qui comprend un isolant électrique comportant une cavité de décharge et une multiplicité d'électrodes communiquant avec la cavité de décharge pour former, à l'intérieur de la cavité de décharge, un éclateur, la multiplicité d'électrodes comprenant une électrode centrale reliée à un circuit formant une source électrique haute tension ainsi qu'un circuit formant une source électrique basse tension et une électrode périphérique reliée à la masse, l'électrode périphérique formant sensiblement la cavité de décharge et comportant une ouverture de passage de jet, au moins la partie d'au moins une desdites électrodes qui com- munique avec la cavité de décharge étant formée d'une matière choisie parmi un groupe comprenant une ferrite, un alliage de nickel. contenant au moins un des métaux silicium, aluminium et magnésium, et une céramique conductrice de l'électricité. Si l'alliage de nickel contient du silicium, la teneur en silicium est de 3 à 7%; si l'alliage de nickel contient de l'aluminium, la teneur en aluminium est de 2 à 10%; et si l'alliage de nickel contient du magnésium, la teneur en magnésium est de 1 à 15%. Si on utilise une céramique conductrice de l'électricité, on évite que l'extrémité de l'électrode fonde sous l'effet de la chaleur du gaz plasma et s'use à une allure rapide, ce qui permet une utilisation prolongée de la bougie d'allumage à jet de plasma. Il en est ainsi en raison du fait que la céramique conductrice de l'électricité est résistante à la chaleur. S'il est nécessaire que l'électrode ait une durée de vie utile prolongée, il faut qu'au moins la partie de l'électrode qui communique avec la cavité de décharge soit en une matière résistante à la chaleur, par exemple une céramique conductrice de l'électricité, un cermet conducteur de l'électricité, du tungstène, un alliage de tungstène, de manière à empêcher l'électrode de fondre sous l'effet de la chaleur du jet de plasma et de s'user à une allure rapide. La présente invention a pour objet de procurer une bougie d'allumage à jet de plasma qui supprime ou tout au moins réduit à un niveau bas acceptable la création du bruit électromagnétique. Les caractéristiques et avantages de la bougie d'allumage à jet de plasma selon la présente invention apparaîtront au cours de la description donnée ci-après en référence aux dessins an- nexés, sur lesquels la figure 1 est une vue latérale, partiellement en coupe, d'une bougie d'allumage à jet de plasma associée à un circuit formant une source électrique; la figure 2(A) est un graphique montrant des courbes du courant de décharge en fonction de la fréquence; la figure 2(B) est un tableau; la figure 3 est un graphique montrant des courbes d'in- tensité du champ électrique du bruit en fonction de la fréquence; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un premier mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma selon la présente invention; les figures 5(A) et 5(B) sont des vues en perspectives partielles de variantes d'une électrode centrale utilisée dans la bougie d'allumage à jet de plasma illustrée sur la figure 4; la figure 6 est une vue en coupe partielle d'un second mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma; la figure 7 est une représentation explicative du principe sur lequel est basée la présente invention; la figure 8(A) est une vue en coupe partielle d'un troisième mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma; la figure 8(B) est une vue similaire à la figure 8(A) et illustrant un quatrième mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma; la figure 9(A) est une vue latérale partielle, avec arrachement, montrant un cinquième mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma; la figure 9 (B) est une vue latérale de l'électrode centrale utilisée sur la figure 9(A); la figure 9 (C) est une vue de dessous de la bougie d'allumage de la figure 9(A); les figures 10(A) à (C) sont des vues latérales montrant des variantes d'une électrode centrale; et les figures ll(A) et (B) sont des vues similaires à la figure 9(B) et illustrant des variantes d'une électrode péri- phérique. Pour faciliter la compréhension de la présente invention, on va décrire une bougie d'allumage classique à jet de plasma en se référant à la figure 1. Sur la figure 1, on voit que la bougie d'allumage P à jet de plasma est munie d'une multiplicité d'électrodes comprenant une électrode centrale 1 et une élec- trode périphérique 2. Dans un isolateur électrique 3 est formé une cavité plate de décharge. L'électrode centrale 1 et l'électrode périphérique 2 communiquent avec la cavité de décharge 4 et forment, à l'intérieur de la cavité de décharge 4, un éclateur. On remarquera que l'éclateur est entouré par l'isolateur 3. L'isolateur 3 est en céramique. L'électrode périphérique 2 enferme sensiblement la cavité 4 de décharge et comporte une ouverture 5 de passage de jet à travers laquelle le gaz plasma engendré à l'intérieur de la cavité 4 de décharge est expulsé à l'extérieur de la cavité 4 de décharge dans le mélange air-carburant. L'électrode centrale 1 est en alliage de nickel contenant, comme élémentsd'addition, une très faible quantité de manganèse ou de barium ou de fer. Ces éléments d'addition ont pour effet de diminuer l'enamagement provoqué par la chaleur du jet de gaz plasma ainsi que par l'oxydation sous température élevée et par la corrosion chimique. Lorsque, pendant le fonctionnement, une étincelle jaillit entre l'électrode centrale 1 et l'électrode péri- phérique 2, un gaz plasma à forte énergie et sous température élevée est engendré dans la cavité 4 de décharge et la pression augmente dans la cavité 4 de décharge car la dilatation thermique du gaz plasma provoque une expulsion de ce gaz à travers ladite ouverture 5 jusqu'à l'extérieur de la cavité 4 de décharge, dans le mélange air-carburant, sous la forme d'un jet de gaz de forte énergie sous haute température en formant de nombreuses flammes ponctuelles dans le mélange air- carburant et en assurant un allumage sûr de ce mélange. A l'électrode centrale 1 de la bougie d'allumage P à jet de plasma, est relié un circuit 20 formant une source électrique. Ce circuit 20 formant source électrique comprend un circuit a formant une source électrique haute tension et un circuit b formant une source électrique basse tension. Le circuit 20a formant source électrique haute tension est sensiblement similaire à celui utilisé avec une bougie d'allumage ordinaire à étincelles et comprend une came 21 pouvant tourner en synchronisme avec la rotation du moteur, un bras de contact 22 et un jeu de contacts 22a, une bobine d'al- lumage 23 et une source électrique 24. Le circuit 20b formant source électrique basse tension est relié par l'intermédiaire d'une diode de commande 29 à l'électrode centrale 1 et est agencé de manière telle qu'il comprend une bobine 25 et un condensateur 26 reliés en série ainsi qu'un circuit-série formé d'une résistance 27 et d'une source électrique 28 et branché. en parallèle avec ledit condensateur 26. Avec ce mode de réalisation, quand le bras de contact 22 est actionné par la came 21 tournant en synchronisme avec la rotation du moteur de manière à ouvrir le jeu de contacts 22a, le courant électrique primaire traversant la bobine primaire 23a de la bobine d'allumage 23 est interrompu, ce qui induit une haute tension aux bornes d'une bobine secondaire 23b et produit une étincelle dans la cavité 4 de décharge entre l'électrode centrale 1 et l'électrode périphérique 2. L'iso- lation électrique de ladite cavité 4 de décharge est donc rompue, ce qui crée un état dans lequel une étincelle peut être engendrée avec une tension relativement faible, de sorte que la décharge de l'étincelle peut continuer avec un courant électrique continu relativement faible fourni par le circuit b formant source électrique basse tension. En d'autres termes, la charge électrique qui s'est emmagasinée dans le condensateur 26 par l'intermédiaire de la résistance 27 à partir de la source électrique 28 se décharge dans la cavité 4 de décharge à travers la diode de commande 29 et la bobine 25 en maintenant ainsi la décharge de l'étincelle tant que la charge électrique se décharge. Toutefois, cette bougie d'allumage à jet de plasma soulève le problème mentionné ci-dessus par le fait que le bruit de l'onde électromagnétique apparaissant lors de la décharge de l'étincelle est si fort qu'il perturbe les services de diffusion de télévision, les services de diffusion radio- phonique ainsi que les autres types de systèmes de radiocommu- nication. En outre, le bruit entraîne aussi des erreurs de fonctionnement dans les circuits commandés électriquement utilisés dans le véhicule comme systèmes de commande, tels que le système d'injection de carburant commandé éIectroniquement ou le système de commande de patinage commandé électroniquement, et il en résulte un danger pour la sécurité du trafic. La présente invention sera décrite ci-après en liaison avec les figures 2(A) à ll(C). En se référant aux figures 2(A) à 4, on va décrire un premier mode de réalisation d'une bougie d'allumage à jet de plasma selon la présente invention. Cette bougie d'allumage à jet de plasma est sensiblement la même, en ce qui concerne sa structure, que celle représentée sur la figure 1 sauf que l'électrode centrale 1 est en une matière choisie parmi le groupe comprenantune ferrite, un alliage de nickel qui contient au moins un des métaux silicium, aluminium et magnésium, et une céramique conductrice de l'électricité. Si on choisit l'alliage de nickel comme matière, il est préférable que la teneur en silicium soit de 3 à 7%, si l'alliage de nickel contient du silicium; la teneur en aluminium est de 2 à 10% si l'alliage de nickel contient de l'aluminium; la teneur en magnésium est de 1 à 15% si l'alliage de nickel contient du magnésium. Si la teneur est plus faible que la limite inférieure de chaque gamme mentionnée ci-dessus, l'efficacité de la sup- pression du bruit chute, tandis que si la teneur est plus grande que la limite supérieure de chaque gamme, l'alliage de nickel devient dur, de sorte qu'il est difficile à usiner et qu'il risque dese fissurer lorsqu'il est exposé à la chaleur et au froid pendant qu'il est utilisé. On remarquera que l'alliage de nickel contient une quantité relativement grande de silicium ou d'aluminium si l'on tient compte du fait que l'électrode centrale de la bougie d'allumage classique à jet de plasma telle qu'illustrée sur la figure 1, contient une très faible quantité d'éléments d'ad- dition tels que le manganèse ou le barium ou le fer. On va décrire ci-après la raison pour laquelle on choisit la matière mentionnée ci-dessus. On a mesuré en fonction de la fréquence l'intensité du champ électrique du bruit irradié d'un moteur à combustion interne à quatre cylindres présentant une cylindrée de 1800 cm et muni de bougies d'allumage à jet de plasma selon la présente invention. Le résultat est représenté par la courbe en traits pleins sur la figure 3. Sur cette figure 3, la courbe en traits interrompus montre le résultat obtenu par la mesure de l'inten- sité du champ électrique du bruit irradié par le même moteur équipé avec les bougies d'allumage classique.sà jet de plasma décrites à propos de la figure 1. Dans l'échelle de l'axe des ordonnées, un uV/m = OdB. Comme on peut le voir alors d'après la figure 3, la présente invention permet d'obtenir une réduction d'environ dB dans le champ électrique du bruit. Les inventeurs ont essayé de comprendre la raison théo- rique qui fait que l'on obtient une réduction remarquable de la tension de décharge et du courant de décharge. La description ci-après se rapporte à la figure 7. Si on considère le cas o l'on utilise de la ferrite, la raison réside dans le fait que la ferrite est un corps combiné brûlé de matièresisolantesde l'électricité et de particules conductrices de l'électricité. Dans ce cas, des ions s'accumulent sur les parties isolantes de l'électricité à l'intérieur de la surface de décharge de l'électrode. Ceci a pour effet de renforcer l'émission d'électronset l'ionisation entre es électrodes. Il en résulte qu'une réduction de la tension de décharge du courant de décharge a lieu. Si on considère le cas o l'on utilise l'alliage de nickel qui contient du silicium ou de l'aluminium ou du magnésium, la raison réside dans le fait que SiO2 ou A1202 ou MgO apparaît sur la surface de l'électrode. Ceci entraîne l'accumulation d'ions sur les parties isolantes de l'électricité à l'intérieur de la surface de décharge de l'électrode. Il s'ensuit une augmentation de l'émission d'électronsetde l'ionisation entre les électrodes. Il en résulte qu'une réduction de la tension de décharge du courant de décharge a lieu. En se référant aux figures 5(A) et 5(B), on voit que l'on y a représenté des variantes ou modifications dans la structure de l'électrode centrale. Sur la figure 5(A), la partie terminale libre la de l'électrode centrale 1 est formée de ladite matière et, sur la figure 5(B), la partie centrale lb de la partie terminale libre de l'électrode centrale 1 est formée de ladite matière. Une autre variante est représentée sur la figure 6 o une partie 2a délimitant l'ouverture de passage de jet de l'élec- trode périphérique est formée de ladite matière. Dans chacun des cas représentés sur les figures 5 (A), (B) et 6, on a obtenu le même effet que celui obtenu avec le mode de réalisation de la figure 4. La figure 8(A) représente un troisième mode de réalisation dans lequel la présente invention est appliquée à une bougie d'allumage à jet de plasma munie d'une troisième électrode 7, tandis que la figure 8(B) montre un quatrième mode de réalisation dans lequel la présente invention est appliquée à une bougie d'allumage à jet de plasma munie d'une électrode intermédiaire 8. La troisième électrode 7 est reliée à une seconde électrode 2 par l'intermédiaire d'une résistance 6 présentant une forte résistivité (voir figure 8 (A)). L'électrode inter- médiaire 8 est reliée à une seconde électrode 2 par l'inter- médiaire d'une résistance 6 présentant une forte résistivité (voir figure 8 (B)). Les structures des bougies d'allumage à jet de plasma illustrées sur-les figures 8(A) et 8(B) sont classiques. Selon la présente invention, la troisième électrode 7 et l'électrode intermédiaire 8 sont en une matière choisie parmi un groupe comprenant la ferrite, un alliage de nickel comprenant au moins un des métaux silicium., aluminium et magnésium, et une céramique conductrice de l'électricité. On a obtenu sensiblement le même résultat avec la bougie d'allumage à jet de plasma représentée sur la figure 8(A) ou 8(B) en ce qui concerne le courant de décharge en fonction de la fréquence (voir figure 2(A)) et le champ électrique du bruit en fonction de la fréquence (figure 3). On a donc obtenu aussi une réduction d'environ 20dB avec les modes de réalisation des figures 8 (A) et 8(B). Bien que dans les deux modes de réalisation des figures 8(A) et 8(B), la troisième électrode 7 et l'électrode inter- médiaire 8 soient formées uniquement de ladite matière, il est également possible que la partie de l'électrode 7 ou de l'électrode 8 qui communique avec la cavité de décharge soit seule formée de ladite matière. Dans le cas o une céramique conductrice de l'électricité est utilisée, il s'est avéré que l'électrode formée de cette céramique ne fond pas. Il en est ainsi en raison du fait que la céramique conductrice de l'électricité est résistante à la chaleur. En se référant aux figures 9(A) , 9(B) et 9(C), on voit que l'on y a représenté un cinquième mode de réalisation dans lequel la partie terminale la de l'électrode centrale 1 qui communique avec une cavité 4 de décharge et une partie marginale 2a délimitant une ouverture de passage de jet d'une électrode périphérique 2, sont formées d'une céramique conductrice de l'électricité. Comme on peut mieux le voir sur la figure 9(B), une électrode auxiliaire la en forme de tige, formée d'une céramique conductrice de l'électricité, est intégrée à l'élec- trode centrale 1 par frittage de manière à former la partie terminale communiquant avec la cavité 4 de décharge. Les autres matières appropriées résistant à la chaleur sont le cermet conducteur d'électricité, le tungstène ainsi que l'alliage de tungstène, c'est-à-dire un alliage fritté comprenant du tungstène et un autre métal. Un exemple d'une telle céramique conductrice de l'élec- tricité est un article formé par un procédé de compression sous hautestempératuresavec réaction à partir d'une matière principale qui contient environ 50% de BN et 50% de TiB La résistivité présentée par cette matière est faible et de l'ordre de ft.ft-cm, la température maximale admissible avec cette matière étant donc de 20000C de sorte que le point de fusion de cette matière est notablement élevé par rapport au point de fusion des matières classiques. Des exemples de l'alliage de tungstène comme matière sont l'alliage fritté de tungstène et d'argent ainsi que l'alliage fritté de tungstène et de cuivre. On forme ces alliages en mélangeant, sous pression, une poudre de tungstène avec une poudre d'argent ou une poudre de cuivre, puis en chauffant le tout, cet article étant facile à façonner. En se référant aux figures 10(A), (B) et (C), on voit que l'on y a représenté des variantes de l'électrode centrale. La figure 10(A) montre une électrode auxiliaire la qui a la forme d'une tige et qui comporte une partie lc de diamètre réduit disposée dans une fente lb que comporte une électrode centrale lA. La figure 10(B) montre une électrode auxiliaire la sur la forme d'une tige et qui comporte une extrémité conique ld adaptée pour être introduite dans un alésage que comporte une électrode centrale lb et pour être fixée à cette électrode à l'aide de goupilles le. La figure 10(C) montre une électrode auxiliaire la qui a la forme d'une tige et qui comporte une partie mâle filetée 1f adaptée pour se visser dans un trou taraudé lg que comporte une électrode oertrale 1C. Ces électrodes auxiliaires la sont formées d'une matière choisie parmi un groupe comprenant une ferrite, un alliage de nickel contenant au moins un des métaux silicium, aluminium, et magnésium, et une céramique conductrice de l'électricité ou encore une matière résistante à la chaleur comme un cermet conducteur de l'électricité ou du tungstène ou encore un alliage de tungstène. En se référant aux figures ll(A) et ll(B), on voit que l'on y a représenté des variantes de l'électrode périphérique 2, la figure ll(A) montrant une électrode auxiliaire cylindrique 2a comportant deux saillies. 2b, 2b, opposées et orientées vers l'intérieur, et la figure ll(B) montrant deux électrodes auxiliaires se présentant sousla forme de saillies 2c, 2c encastrées dans une électrode périphérique de manière à être exposées à une ouverture 5 de passage de jet. Ces électrodes auxiliaires 2a, 2b, 2c, sont formées par une matière choisie parmi un groupe comprenant une ferrite, un alliage de nickel comprenant au moins un des métaux silicium, aluminium et magnésium, et une céramique conductrice de l'élec- tricité, ou bien une matière résistante à la chaleur comme un cermet conducteur de l'électricité et le tungstène, ou encore un alliage de tungstène. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif, et que des variantes ou des modifications peuvent y être ap- portées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage à jet de plasma comprenant un isolateur électrique (3) dans lequel est formé une cavité (4) de décharge; et une pluralité d'électrodes communiquant avec ladite cavité de décharge de manière à former, à l'intérieur de ladite cavité de décharge, un éclateur; ladite pluralité d'électrodes comprenant une électrode centrale (1) reliée à un circuit (20a) formant une source électrique-haute tension et un circuit (20b) formant une source électrique basse tension, et une électrode périphérique (2) reliée à la masse,ladite électrode périphérique enfermant sensiblement ladite cavité de décharge et comportant une ouverture de passage de jet, la bougie d'allumage susvisée étant caractérisée par le fait qu'au moins une partie d'au moins une desdites électrodes est en une matière choisie parmi un groupe comprenant une ferrite, un alliage de nickel contenant au moins un des métaux silicium, aluminium et magnésium, et une céramique conductrice de l'électricité. 2. Bougie d'allumage A jet de plasma, caractérisée par le fait que si ledit alliage de nickel contient du silicium, la teneur en silicium est de 3 à 7%, si ledit alliage de nickel contient de l'aluminium, la teneur en aluminium est de 2 à 10%, et si ledit alliage de nickel contient du magnésium, la teneur en magnésium est de 1 à. 5 % 3. Bougie d'allumage à jet de plasma suivant la revendi- cation 1, caractérisée par e fait qu'au moins la partie précitée desdites électrodes oai communique avec ladite cavité de décharge est formée par une matière résistante à la chaleur et choisie parmi un groupe comprenant une céramique conductrice de l'élec- tricité, un cermet, du tungstène, et un alliage de tungstène.