Brevet FR2451648A1 — publié le 19801010

a présente invention se rapporte aux bougies d'ai- lumage de moteurs à combustion interne, et concerne plus particuliarement une bougie allumage comportant une électrode centrale améliore. Le fonctionnement régulier dlun moteur à combustion interne est lié directement à ltétat des bougies d'allumage qu'il oomporte. Ces bougies sont soumises à une chaleur intense (dans un moteur courant à quatre temps, les températures de flamme dépassent 1600 C} ainsi qu'à des pressions extrêmement éLevées destinées à mouvoir les pistons. De plus, les impulsions de tension destinées à enflammer le combustible peuvent parfois dépasser 30 000 Volts.Une bougie d'allumage doit non seulement résister à ces conditions pendant des milliers de kilomètres, mais en outre, ses caractéristiques de transfert thermique doivent être telles que pendant toute sa durée de vie, la chaleur puisse être dissipée de façon uniforme à partir de l'intervalle dtécla- tement afin déviter l'auto-allumage dont il pourrait résulter des dommages au moteur. En général, le trajet thermique entre l'extrémité de l'isolateur qui supporte ltélectrode centrale et son point de contact avec lue culot de montage d'une bougie sur la culasse détermine la température de fonctionnement de la bougie. La chaleur est transférée à la culasse afin d'éviter les températures excessives qui pourraient provoquer un auto-allumge et des détonations. Par ailleurs, la tem pérature de fonctionnement dtune bougie doit ventre maintenue suffisamment élevée pour éviter la carbonisation et les court-circuits éventuels de ltintervalle d'éclatement. Il y a donc lieu de tenir compte de la longueur du trajet thermique ainsi que de la conductibilité thermique des constituants d'une bougie d'allumage, pour la conception de cette bougie. En général, la température de fonctionnement de la bougie est d'autant plus élevée que le trajet thermique est plus long. Un autre facteur dont il faut tenir compte dans la conception d'une bougie est l'ef- fet de L'érosion et de la corrosion par les étincelles. En ce qui concerne le choix de la matière utilisée pour l'électrode centrale, différents critères concernant les performances sont considérés, comprenant la résistance à la corrosion et à l'érosion, la résistivité électrique et la conductibilité thermique, ainsi que des critères concernant la fabrication, comme la ductilité, la soudabilité, le prix et la disponibilité de la matière première. Il a été courant pendant de nombreuses années d'utiliser différents aciers spéciaux pour l'électrode centrale mais, étant donné que la corrosion pose de plus en plus de problèmes dans les moteurs de véhicules automobiles, ces alliages ont été supplantés par le nickel et des alliages de nickel et de chrome qui sont encore largement utilisés actuellement. Le nickel constitue le meilleur compromis aux critères cidessus dans le cas d'une électrode faite d'une seule couche de matière. Mais cette matière est plus conteuse que les aciers spéciaux et sa conductibilité thermique n'est pas aussi élevée que cela serait souhaitable. Parmi les différentes solutions qui ont été proposées pour accroître la conductibilité thermique de l'électrode centrale, il faut noter l'utilisation d'une matière de haute conductibilité, par exemple du cuivre, enfermée dans du nickel, de manière que la matière superficielle possède les caractéristiques souhaitables de résistance à la corrosion et à l'érosion tandis que le cuivre améliore le transfert thermique. Les brevets des Etats Unis d'Amérique N0 2 955 222, 3 144 576, 3 356 882, 3 803 892 et 3 857 145 décrivent des exemples de solutionsde ce genre.Mais cette disposition n'a pa;s été largement acceptée car les électrodes qui en résultent sont relativement conteuses à fabriquer et leurs caractéristiques de transfert thermique ne sont pas encore optimales. Dans les bougies d'allumage plus conteuses des aéronefs, qui sont soumises à des conditions plus sévères que dans les autres moteurs à combustion interne et pour lesquelles une plus grande fiabilité est souhaitable, il est connu de prévoir une gaine séparée de cuivre entourant l'électrode centrale, afin de remplir la fonction d'un dissipateur thermique. Cette disposition améliore les caractéristiques de transfert thermique de la bougie mais cette dernière est relativement conteuse à fabriquer car les tolérances dimensionnelles sur les diamètres de la gaine d'électrode et de l'isolant doivent titre maintenues très serrées afin d'obtenir un transfert thermique optimal, et d'autres opérations de fabrication sont indispensables pour assembler les pièces en position fixe dans la bougie. L'invention concerne donc une électrode centrale de bougie d'allumage de moteur à combustion interne possédant des caractéristiques de transfert thermique améliorées, tout en maintenant des caractéristiques acceptables de résistance à la corrosion et à l'érosion. L'invention concerne également une électrode de ce -genre peu conteuse, et facilement compatible avec les techniques actuelles de fabrication. En résumé, et selon l'invention, une électrode est constituée par une pièce composite comprenant une Sme de métal possédant les propriétés souhaitables de résistance à la corrosion et à l'érosion, de résistance électrique et autres, assemblée par liaison métallurgique avec une gaine de matière de très haute conductibilité thermique, par exemple en cuivre. La gaine est assemblée par liaison mé- tallurgique sur ltSme, par exemple en phase solide, afin d'optimiser le transfert thermique à la surface de contact entre la gaine et lime. Des configurations spécifiques de l'extrémité de l'électrode comprennent celle dans laquelle l'amie et la gaine ont la même longueur, celle dans laquelle la gaine ne s'étend que jusqu'à l'extrémité de l'isolateur, ainsi que autres configurations dans lesquelles une bague de matière, faite d'une seule pièce avec lXâme ou lui étant fixée, protège la gaine. Une protection supplémentaire contre l'érosion et la corrosion peut être apportée en recouvrant la gaine d'une mince couche de nickel ou de toute autre matière résistant à la corrosion. Dans certains modes de réalisation, la bague apparaissant sous la forme d'une têtes constitue la surface d'éclatement tandis que dans d'autres modes de réalisation, une surface d'éclatement séparée est prévue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexes, donnés uniquement à titre dexem- ples nullement limitatifs La figure 1 est une coupe longitudinale dtune bougie d'allumage comportant une électrode centrale selon l'in- vention, la figure 2 est une coupe longitudinale à plus grande échelle de l'électrode centrale de la figure 1, des figures 3 à 7 sont des coupes partielles à grande échelle de différentes configurations de l'extrémité de 1 électrode centrale, la figure 8 est une coupe partielle à grande échelle d'une électrode centrale partiellement formée, la figure 9 représente l'électrode de la figure 8 terminée, et la figure 10 est une vue similaire à celle de la figure 9 représentant une autre électrode terminée. Sur la figure 1, la référence numérique 10 désigne globalement une bougie d'allumage comportant une électrode centrale 12 selon ltinvention. La La bougie 10 comporte un isolateur 14 de forme générale cylindrique, en matière isolante, résistant à la chaleur, par exemple en céramique, avec un alésage 16 entre une extrémité de connexion 18 et une extrémité d'éclatement 20. L'alésage 16 est réalisé de préférence avec au moins deux rayons différents, comme représentés en 22 et 24, afin de former un siège 26 entre ces deux parties, recevant ltélectrode centrale 12 dans une position axiale déterminée. Une pièce de connexion 28 est placée dans la partie 22 de l'alésage 16 et sort de l'son lateur 14 afin de permettre la connexion avec le circuit électrique associé au moteur.La pièce de connexion 28 est connectée électriquement à l'électrode centrale 12 d'une manière courante, par exemple en plaçant une poudre mé- tallique, par exemple de fer dans un liant de verre formant également une liaison 29 conductrice de l'électri- cité et étanche aux gaz entre la pièce de connexion 28 et l'électrode centrale 12. Il est bien entendu que si cela est préféré, la pièce de connexion 2S et l'électrode centrale 12 peuvent ne faire qu'une seule pièce; mais le joint décrit ci-dessus est avantageux en ce qu'il évite les fuites à la oompression par le centre de la bougie d'allumage. L'isolateur 14 est placé dans un culot 30 de forme générale cylindrique, en matière conductrice de l'électri- cité et de la chaleur, par exemple en acier. Le culot 30 comporte un premier alésage relativement large 32 et un second alésage 34 plus petit qui sont reliés par un siège 36. L'isolateur 14 est placé sur un joint intérieur 38 disposé sur le siège 36. L'isolateur 14 comporte une collerette annulaire 40 entre l'extrémité de connexion et l'extrémité d'éclatement, coopérant avec une lèvre 42 du culot 30 rabattue au-dessus afin de maintenir l'isolateur 14 fermement appuyé. Unjeint 44 est placé de préférence entre la collerette 40 et la lèvre 42 afin d'éviter que des forces indues de chocs et de compression soient transférés à la céramique de l'isolateur 14. Le culot 30 est fileté en 46 pour permettre son montage sur la culasse du moteur.Une électrode latérale est solidaire du culot 30 par l'intermédiaire d'une partie en saillie 48 sur l'extrémité du culot, et repliée vers le centre de l'alésage 34 de manière à former un intervalle d'éclatement entre l'électrode 48 et l'élec- trode centrale 12. Comme le montre la figure 2 qui est une coupe longitudinale de l'électrode centrale 12, cette électrode est une pièce composite comprenant une ame 50 d'une matière qui répond particulièrement bien aux caractéristiques électriques et de résistance à la corrosion et à l'érosion souhaitables pour des électrodes de bougie d'allumage, par exemple en nickel ou en alliage de nickel, autour de laquelle est assemblée par liaison métallurgique une gaine 52 d'une matière de conductibilité thermique particulièrement bonne, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre. Un cuivre qui convient particulièrement à cet effet est le cuivrebonconducteur de l'électricité, exempt d'oxygène, ou pour une meilleure résistance à la corrosion, un alliage de cuivre bon conducteur de l'électricité et de la chaleur. Il faut noter que l'épaisseur de la gaine 52 est uniforme sur toute la longueur de l'électrode, de son extrémité 54 jusqu'à la tête 56. Une surface conique 58, par exemple formée par refoulement, peut s'appuyer contre le siège 26 de l'isolateur 14 afin de positionner axialement l'électro- de 12 de manière que son extrémité 54 sorte de l'extrémité 20 de l'isolateur d'une distance déterminée. Pour obtenir les caractéristiques voulues de transfert thermique de l'électrode composite, la gaine représente environ 10 à 65%, de préférence de 20 à 35?; de la section transversale de la partie principale de l'électrode, c'est à-dire entre l'extrémité 54 et la tette 56. L'électrode 12 est réalisée en assemblant par liaison métallurgique la gaine 52 sur llame 50 afin d'optimiser le transfert thermique par la surface de contact entre la gaine et 12âme. De préférence, la gaine 52 et lame 50 sont assemblées en phase solide, d'une manière bien connue. Par exemple, le brevet des Etats Unis dXAmérique NO 3 355 795 décrit le placage d' une bme métallique cylindrique avec des feuilles métalliques en forme de bandes, par leur passage dans des molettes rainurées de cintrage et de compression. Les molettes cintrent les bandes pour former des demi-cylindres et les assemblent entre eux et sur l'ie en phase solide, par compression. Pendant cette opération d'assemblage, des bavures en saillie radiale sont formées sur ensemble dtSme et de gaine. rJes molettes de compression du type décrit dans le Brevet précité, peuvent être utilisées pour cisailler ces bavures, par l'application d'une pression suffisante, ou un dispositif de coupe séparée peut entre utilisé éventuellement. Dans la plupart des cas, la section transversale de la matière composite ainsi obtenue est réduite jusqu'à un diamètre final d'environ 2,5 mm, ou légèrement moins. Différentes configurations de l'extrémité de l'élec- trode 12 peuvent convenir. Selon les figures 1 et 2, l'âme 50 et la gaine 52 sortent de la même longueur de l'extré- mité 20 de I'isolateur pour se terminer par une surface plane, sous forme d'extrémité d'électrode ou de surface d'éclatement 54.Cette configuration facilite le transfert de chaleur depuis la surface d1 éclatement vers les parties de l'isolateur 14 en contact avec l'électrode, ainsi que la dissipation de chaleur à partir de l'extrémité 20 de l'isolateur, permettant à la bougie de fonctionner à plus basse remperatule. il faut noter qu'une électrode compor- tant une gaine extérieure en nickel et une tarse de cuivre comme montré dans la technique anterieure mentionnée ci-dessus, doit comporter une couche de protection du suivre contre ltérosion. Autrement dit, si lSse de cuivre avait la mêr.le longueur que la gaine de nickel, exposant ainsi le cuivre aux gaz de combustion, le cuivre auraIt tendance à s'éroder en laissant un rebord de nickel dont la configuration augmenterait la température. Mais, dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, cet effet a réduit au minimum car c'est en fait le rebord qui est sujet à l'érosion. S'il y a lieu de reduire au minimum la corrosion ou l'érosion de la gaine de cuivre 52, il est souhaitable que seule l'âme 50 de l'électrode 12a sorte de l'extrémité 20 de l'isolateur, comme le montre la figure 3. La surface annulaire 60 de la gaine 52 est une surface de cuivre beaucoup plus petite exposée à 11 atmosphère corrosive de sorte que la corrosion ou l'érosion pouvant se produire, n'a qu'un effet minimal sur les changements du trajet thermique depuis ltextrémité de l'isolateur et l'extrémité de l'électrode vers la culasse. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation dans lequel la corrosion de la gaine de cuivre 52 est complètement éliminée gracie à une bague annulaire 62 en ni ckel ou en alliage de nickel sur l'électrode 12b, qui peut être fixée sur ltbme 50 par soudage, ou faite d'une seule pièce avec l'e 50 comme dans le cas de l'électrode 12c de la figure 5, sur l'extrémité de laquelle une collerette 64 en forme de bague est formée, par exemple par refoulement. il faut également noter que la surface extérieure radiale de la bague 62 ou de la collerette 64 peut affleurer avec l'extrémité 20 de l'isolateur (figure 4). ou se prolonger au-delà de cette extrémité 20 (figure 5) formant ainsi une protection effective de la gaine 52 contre la corrosion. Les figures 6 et 7 représentent également des électrodes avec une partie dtâme refoulée dans lesquelles la bague annulaire de protection et ltextrémité d'éclatement de l'électrode comporte des surfaces radiales qui sont co- planaires, assurant la protection contre la corrosion et l > érosion de la gaine de cuivre 52, le diamètre de l'extré- mité de l'électrode étant le mame que le diamètre extérieur de la gaine de cuivre 52 et la surface radiale de la gaine de cuivre affleurant à peu près l'extrémité de l'isolateur 20 (électrode 12d de la figure 6) ou étant en retrait par rapport à l'extrémité de l'isolateur 20 (électrode 12e de la figure 7). Une protection supplémentaire contre la corrosion et l'érosion de la gaine de cuivre 52 peut etre apportée en recouvrant la surface latérale de l'électrode 12 par une couche d'une matière qui résiste à la corrosion et à l'érosion. Cette couche peut protéger la gaine de cuivre sur toute sa longueur contre les gaz corrosifs à haute température, qui peuvent agir à la surface de contact entre l'élec- trode 12 et l'isolateur 14. Un revêtement de nickel est particulièrement efficace car il résiste à la diffusion dans le cuivre à haute température, bien que d'autres matières comme le chrome puissent assurer une protection correcte dans certaines applications. Selon la figure 8, un revêtement 54 est appliqué sur la surface latérale de la gaine de cuivre 52, par tout procédé approprié, par exemple par un procédé courant de galvanoplastie. Cela peut se faire d'une façon commode en un processus continu après que la gaine 52 a été fixée sur l'âme 50 et avant qu'elle soit coupée en longueurs individuelles d'électrodes. L'extrémité de la matière d'électrode est refoulée afin de former une partie d'extrémité élargie de ltAme de nickel 50. La matière en excès est éliminée mécaniquement, comme l'indiquent les traits pointillés 56 pour aboutir à la configuration de l'électrode 12f représentée-sur la figure 9.Quand la matière en excès a été éliminée le long des traits pointillés 56, un anneau de cuivre est exposé comme le montre la figure 9, et il peut être souhaitable de Le recouvrir d'un mince revêtement de nickel ou de matière similaire afin d'éviter la corrosion dans cité région limite. Comme le montre la figure 10, la matière d'électrode constituée par l'ame de nickel 50 et la gaine 52 peut entre refoulée pour obtenir la partie d'extrémité de nickel de plus grand diantre, et la matière en excès peut être éliminée avant l'application du rev8te,lent 54. Ce mode opératoire offre l'avantage de ne pas laisser un anneau de cuivre explose, comme mentionne ci-dessus. Pour une protection efficace, l'épaisseur du revete- ment doit être de l'ordre de 0,0025 à 0,075 mm. Bien entendu, le prix est d'autant plus élevé et les caractéristiques de conductibilité thermique de l'électrode sont dtautant moins bonnes que ltépaisseur du revêtement est plus grande. Pour un revêtement donné, la résistance à la corrosion et à l'érosion peut être optimisée, en augmentant la densité du revêtement. Cette densité du revêtement peut être accrue par des techniques courantes, par exemple par étirage à froid, laminage, martelage, etc. Chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus possède ses propres caractéristiques du trajet thermique mais tous présentent une surface de contact nettement accrue entre la matière d'électrode (âne) et la couche de dissipation thermique (gaine) ce qui améliore considérablement les caractéristiques de transfert thermique de l'électrode, par rapport aux électrodes de cuivre enrobées de nickel de la technique antérieure. Les différentes configurations d'extrémité d'électrode décrites ci-dessus présententt toute une variété de caractéristiques de sorte que des configurations différentes peuvent Autre adoptées quand les critères de sélection diffèrent eux-mêmes. Par exemple > le mode de réalisation des figures 1 et 2 offre des caractéristiques de transfert thermique particulièrement excellentes, mais la température spécifique de fonc tionnement de l'extrémité de ltélectrode-est relativement plus sujette à des variations que dans les autres modes de réaLisation, en raison de l'érosion de la gaine. Par contre, Si la aine de cuivre est en retrait par rapport à lex- trémité de l'isolateur pour recevoir une protection, l'ex- trémité de l'isolateur ainsi que l'extrémité de lélectro- de tendent à se maintenir à des températures plus élevées. I1 est bien évident que d'autres modifications peuvent titre apportées à l'électrode décrite ci-dessus sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Bougie d'allumage de moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comporte un isolateur (14) d'une matière isolante de l'électricité et résistant à la chaleur, comprenant des première et seconde extrémités (20, 18), un alésage (7e) entre lesdites première et seconde extrémités (20, 18), une électrode centrale (12) allongée, conductrice de ltéleetricité, placée dans l'alésage (16) et faisant saillie à la première extrémité (20) de î'isoîateur(l4), un culot (30) de forme générale tubulaire, en matière conductrice de l'électricité, destiné à supporter l'isolateur (14) et une partie (48) du culot (30) disposée à une distance déterminée de l'extrémité (54) de l'électrode centrale (12) en saillie, l'électrode centrale (12) étant constituée par une âme (50) dtun métal de bonne caractéristique de résistance à l'érosion et à la corrosion et d'une gaine (52) d'un métaL de conductibilité thermique plus élevée que celle de l'ame, (50) et fixée sur elle par liaison métallurgique. 2 - Bougie d' allumage selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'âme (50) de l'électrode centrale (12) fait saillie de la première extrémité (20) de l'isola- teur (14) d'une aistance supérieure à celle dont la gaine (52) fait saillie. 3 - Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première extrémité (20) de l'iso- lateur (14) se prolonge au-delà de la gaine (52), une pièce annulaire (ó2) de matière d'étanchéité étant disposée entre lXâme (50) et la première extrémité (20) de l'isolateur (14) protégeant ainsi la gaine (52) de l'environnement à la première extrémité (20) de l'isolateur (14). 4 - Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode centrale (12) comporte une tâte (56) et une partie d'extrémité (54) reliéespar une partie principale, la gaine (52) représentant environ îoe,t à 65/ó de la section transversale sur toute la longueur de la partie principale de l'électrode centrale-(12). 5 - Bougie d'allumage selon la revendication 4, carac térisée en ce que la gaine (52) représente environ 20 à 355' de la section transversale sur toute la longueur de la partie principale de l'électrode centrale (12). 6 - Bougie dlallumage selon la revendication 1, ca ractérisée en ce que la gaine (52) métallique est en cuivre de haute conductibilité électrique et exempt dloxye gène. 7 - Bougie d'allumage selon la revendication 6, caractérisée en ce que llame (50) est en alliage de nickel. 8 - Bougie d'allumage selon la revendication 6, caractérisée en ce que ltâme (50) est en nickel. 9 - Bougie d'allumage selon la revendication 3, caractérisée en ce que la matière d'étanchéité (62) est une matière contenant du nickel. 10 - Electrode de bougie d'allumage de moteur à combustion interne, caractérisée en ce qui elle comporte une pièce composite (12) constituée par une bne (50) dtun métal possédant de bonnes caractéristiques de résistance à l'érosion et à la corrosion par les étincelles, sur laquelle est fixée par liaison métallurgique une gaine extérieure (52) d'un métal dont la conductibilité thermique est plus élevée que celle de ltame (50),l'électrode comportant une tête (56) > une partie d'extrémité (54) et une partie principale, la toute (56) étant formée avec une collerette annulaire (58) destinée à faciliter le montage dans une pièce isolante de l'électricité, l & e (50) et la gaine (52) ayant des sections transversales uniformes sur toute la longueur de la partie principale, entre la tête (56) et la partie d'extrémité (54). 11 - Electrode selon la revendication 10, caractérisée en ce que la gaine (52) et l'âme (50) ont la m8me longueur. 12 - Bougie d'allumage selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pièce d'étanchéité (64) est faite dtune seule pièce avec ltSme (50). 13 - Bougie d'allumage selo n la revendication 3, caractérisée en ce que la pièce annulaire (64)comporte une surface périphérique dirigée axialement qui se trouve dans sa totalité à l'intérieur de la base de l'isolateur (14). 14 - Bougie d'allumage selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pièce annulaire (b4) comporte une surface périphérique dirigée axialement dcxnt une par- tie seulement se trouve à l'intérieur de la base de l'isolateur (14). 15 - Bougie d'allumage selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'ame (50) et la pièce annulaire (o4) ont des surfaces dirigées radialement dans un mime plan. 16 - Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de la gaine (52) est un alliage de cuivre de haute conductibilité électrique et thermique. 17 - Bougie d' allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce quelle comporte en outre un revate- ment (54) d'une matière résistant à la corrosion et à l'érosion disposée sur la surface extérieure de la gaine (52). 18 - Bougie d'allumage selon la revendication 17, caractérisée en ce que le revêtement (54) est en nickel, dtune épaisseur comprise entre 0,0025 mm et 0,075 mm. 19 - Electrode selon la revendication 10, caractérisée en ce quelle comporte outre un revêtement d'une matière résistant à la corrosion et à l'érosion disposée sur la surface extérieure de la gaine. 20 - Electrode selon la revendication 19, caractérisée en ce que le revêtement est en nickel d'une épaisseur comprise entre 0,0025 mm et 0,075 mm.