Brevet FR2755546A1 — publié le 19980507

L'invention concerne une bougie d'allumage servant à produire une étincelle d'allumage, qui jaillit entre deux électrodes, et dans laquelle une électrode de masse est formée sur un boîtier de la bougie d'allumage qui entoure un corps isolant portant intérieurement une électrode centrale. Les bougies d'allumage possèdent deux électrodes, entre lesquelles jaillit, après l'application d'une tension d'allumage qui dépasse la tension de claquage électrique, une étincelle d'allumage qui enflamme un mélange gazeux combustible qui entoure l'électrode. Habituellement, une électrode de masse est formée sur un boîtier électriquement conducteur de la bougie d'allumage, qui entoure un corps isolant qui comporte intérieurement une électrode centrale. Dans des bougies d'allumage connues, l'électrode de masse s'étend dans une partie d'extrémité de forme cintrée, sur une faible distance d'environ 0,4 à 0,8 mm au-delà de l'électrode centrale. Lors de l'application de la tension d'allumage, une étincelle provoquant l'inflammation du mélange jaillit entre l'électrode centrale et l'électrode de masse. D'une manière conditionnée par la brève section de production de l'étincelle d'entre les électrodes, la bougie d'allumage connue peut enflammer de façon fiable uniquement des gaz combustibles formés d'une seule substance ainsi que des mélanges homogènes. Dans le cas d'un mélange hétérogène de gaz avec des différences locales de concentration, aucun allumage ne peut s'effectuer lorsque l'étincelle d'allumage jaillit dans un volume partiel du mélange avec un excès d'air et une quantité réduite des constituants combustibles. Les inconvénients de la courte section de production de l'étincelle entre les électrodes de bougies d'allumage usuelles se manifestent pendant le fonctionnement de moteurs à combustion interne à essence à injection directe en fonctionnement, avec stratification de la charge, du type révélé par exemple dans la demande de brevet allemand DE-OS 43 24 642 Al. Ici les électrodes de la bougie d'allumage pénètrent dans un cône de mélange possédant des gradients de concentration, qui diminuent vers l'extérieur, et qui est formé par un jet de carburant de forme conique produit par un injecteur. Au niveau des électrodes de la bougie d'allumage est présent, dans la zone extérieure du cône de mélange, un mélange inflammable, qui est cependant encore plus maigre que la composition du mélange à proximité de l'injecteur, ce qui a pour effet que lors de la combustion stratifiée ultérieure, on obtient des avantages du point de vue consommation et une émission plus faible de substances nocives du moteur à combustion interne. Des différences de configuration, imposées par la technique de fabrication, de la buse d'injecteur ou même des dépôts au fur et à mesure que la durée de fonctionnement du moteur à combustion interne augmente entraînent une possibilité d'étalement du jet de carburant, ce qui conduit, notamment dans la zone de l'enveloppe du cône de mélange, à des variations de la concentration. Si la concentration du mélange, qui est présent à l'instant d'allumage au niveau des électrodes, tombe au-dessous de la limite d'inflammabilité, l'étincelle d'allumage, qui jaillit entre les électrodes, ne peut pas déclencher le processus de combustion. De tels ratés d'allumage doivent être évités dans tous les cas en raison du fonctionnement irrégulier, qui en est la conséquence, ainsi que des émissions élevées de substances nocives du moteur à combustion interne. C'est pourquoi l'invention a pour but d'agencer la bougie d'allumage du type indiqué de manière que l'allumage de mélanges gazeux combustibles ayant des concentrations localement différentes soit amélioré. En outre l'invention a pour but de disposer la bougie d'allumage dans un moteur à combustion interne à essence, notamment un moteur à combustion interne pouvant fonctionner avec une stratification de la charge, de manière que le fonctionnement correct de ce moteur soit amélioré. Ce problème est résolu conformément à l'invention dans le cas d'une bougie d'allumage, par le fait que l'électrode centrale fait saillie au- delà de l'électrode de masse, dans la direction axiale, et dans le cas d'un moteur à combustion interne à essence, par le fait que pour chaque cylindre il est prévu une bougie d'allumage, qui est reliée à une culasse et dont les électrodes pénètrent dans une chambre de combustion située dans le cylindre et délimitée par la culasse et le piston, et occupent par conséquent une position dans laquelle elles pénètrent dans le mélange carburant-air qui peut être comprimé dans cette chambre par le piston. Si l'électrode centrale fait saillie au-delà de l'électrode de masse dans la direction axiale, on peut obtenir une longue section de formation de l'étincelle, conformément à la distance entre les électrodes. Les mélanges gazeux combustibles ayant des concentrations localement différentes peuvent être allumés de façon fiable étant donné que l'étincelle d'allumage, qui traverse le mélange le long du trajet, qui peut être défini de façon précise, entre les électrodes, rencontre de façon sûre au moins un volume partiel du mélange à l'intérieur des limites d'allumage. Le trajet de l'étincelle depuis l'électrode centrale jusqu'à l'électrode de masse s'étend au voisinage des parties de la bougie d'allumage, qui sont les plus fortement chauffées, ce qui a pour effet que l'inflammabilité de la partie du volume du mélange, située entre les électrodes, est améliorée en raison de la température accrue. On peut obtenir un trajet de l'étincelle qui est le plus allongé tout en étant contrôlé grâce au fait que le corps isolant s'étend, dans la direction axiale de l'électrode centrale, au moins aussi loin que l'électrode de masse sur le boîtier. L'étincelle d'allumage jaillit tout d'abord sur le corps isolant voisin, bien que ce dernier ne soit pas lui- même conducteur, en raison de sa masse et de la haute tension d'allumage et se déplace à partir de là jusqu'à l'électrode de masse. Par conséquent il se forme deux trajets partiels de l'étincelle, qui forment conjointement la section complète de parcours de l'étincelle entre les électrodes. Avantageusement le corps isolant est entouré par le boîtier de la bougie d'allumage en en étant séparé par une distance radiale, et en définissant une chambre ouverte en direction des électrodes, ce qui permet d'obtenir un échauffement plus intense du corps isolant et de l'électrode centrale enserrée dans ce corps. En outre la chambre a un effet d'isolation thermique et empêche un refroidissement du corps isolant par conduction thermique à travers le boîtier. La bougie d'allumage est utilisée de préférence pour l'inflammation de mélanges dans des moteurs à combustion interne à essence, auquel cas pour chaque cylindre, au moins une bougie d'allumage pénètre, par ses électrodes, dans la chambre de combustion et dans le mélange situé dans cette dernière. Le boîtier de la bougie d'allumage est relié de façon électriquement conductrice à la culasse, ce qui garantit, en dehors de la fixation en position, la dérivation de l'étincelle d'allumage. Si le moteur à combustion interne travaille avec une formation interne du mélange et une stratification de la charge, le mélange carburant/air hétérogène, qui est stratifié dans la chambre de combustion, peut être enflammé de facon fiable. Avantageusement, lors de chaque injection de carburant dans la chambre de combustion, au moins l'électrode centrale perce l'enveloppe extérieure d'un cône guidant le mélange. Dans le cas de l'injection réalisée par l'injecteur disposé dans la culasse, ce cône est défini par le jet conique de l'injecteur et comporte des valeurs X qui augmentent vers l'extérieur conformément à la stratification à partir du centre du cône, avec des concentrations de carburant maximales. Au niveau de l'enveloppe extérieure, la compensation du mélange se situe à l'intérieur des limites d'inflammation et, dans le cadre du fonctionnement avec une charge stratifiée, il apparaît localement en raison de la possibilité d'étalement du jet conique injecté, dans l'enveloppe extérieure du cône de mélange, une composition de mélange trop maigre, qui tombe au- dessous de la limite d'inflammation. Ces volumes partiels difficilement inflammables, qui présentent des valeurs X élevées, sont cependant de petite taille et lors de chaque processus d'inflammation, l'étincelle d'allumage, qui jaillit entre les électrodes, traverse sur le long trajet à l'intérieur de la bougie d'allumage, à partir d'une électrode centrale qui pénètre dans le cône de mélange, un volume partiel du mélange ayant des valeurs X se situant à l'intérieur des limites d'inflammation. Si, en raison de la disposition de la bougie d'allumage dans la culasse, l'électrode centrale s'étend dans le plan de symétrie du cône de mélange, le section de production d'étincelles entre les électrodes s'étend dans une zone de mélange dans lequel existe le gradient maximum possible de concentration, et la combustion stratifiée peut être déclenchée d'une manière extrêmement fiable par l'étincelle d'allumage. Selon une autre caractéristique de l'invention, le boîtier entoure le corps isolant à une certaine distance en définissant une chambre ouverte en direction des électrodes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps isolant s'étend, dans la direction axiale de l'électrode centrale, au moins aussi loin que l'électrode de masse. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bougie d'allumage est agencée avec une symétrie de révolution et porte un marquage servant à caractériser la position circonférentielle, qui peut être atteinte au moins par une extrémité de la bougie d'allumage située à l'opposé des électrodes. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne selon l'invention, dans le cas d'une injection de carburant dans la chambre de combustion, au moins l'électrode centrale pénètre, en traversant une enveloppe extérieure, à l'intérieur d'un cône de mélange, qui dans le cas du fonctionnement avec une charge stratifiée du moteur à combustion interne, est produit, dans le mélange avec l'air de combustion, à partir du carburant injecté selon un jet conique d'un injecteur disposé dans la culasse. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne selon l'invention, l'axe longitudinal de l'électrode centrale recoupe, par son prolongement en direction du centre de la chambre de combustion, un axe de symétrie du cône de mélange. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne selon l'invention, l'électrode centrale est plus proche de l'injecteur que ne l'est l'électrode de masse. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne selon l'invention, l'électrode de masse est située, dans la direction circonférentielle de l'enveloppe extérieure du cône de mélange, à distance de l'électrode centrale. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation donné à titre d'exemple. Aux dessins annexés: _ La figure 1 représente une vue schématique partiellement arrachée d'une bougie d'allumage; - la figure 2 montre une représentation en coupe, d'un moteur à combustion interne à essence, à injection directe, comportant une bougie d'allumage pour réaliser l'inflammation du mélange; et - la figure 3 représente une coupe du cône du mélange et la bougie d'allumage, qui pénètre dans le cône de mélange, prise suivant la ligne III-III sur la figure 2. La bougie d'allumage 1 représentée sur la figure 1 possède une électrode centrale 3 qui traverse un corps isolant 4. Le corps isolant 4 est entouré à distance, selon une disposition à symétrie de révolution par rapport à l'axe de l'électrode centrale 3 et avec formation d'une chambre 6 ouverte en direction de l'électrode centrale 3, par un boîtier 5, qui porte une électrode de masse 2 dans sa partie d'extrémité. L'électrode centrale 3 s'étend au- delà de l'électrode de masse 2, dans la direction axiale, sur une distance b, qui détermine l'étendue axiale d'une section de production d'étincelle 19 qui, après application d'une tension d'allumage aux électrodes 2, 3, produit une étincelle d'allumage qui faillit entre ces électrodes. Le corps isolant 4 se rétrécit en direction de l'électrode centrale 3 et fait saillie au-delà de l'électrode de masse 2. La masse du corps isolant 4 et les saletés, dépôts ou analogues, qui se forment sur la surface de ce corps, ont pour effet que l'étincelle d'allumage jaillit tout d'abord sur l'extrémité avant du corps isolant 4 et, à partir de là, sur une seconde section partielle de l'électrode masse 2. De ce fait l'ensemble de la section 19 de production de l'étincelle lors de la décharge disruptive s'étend suivant deux sections partielles de production de l'étincelle, à savoir une section qui s'étend de l'électrode centrale 3 jusqu'à la section d'extrémité du corps isolant 4 d'une part et à partir de là en direction de l'électrode de masse 2 d'autre part et, de cette manière, reste contrôlable en dépit de sa grande longueur. La bougie d'allumage 1 convient de ce fait notamment pour l'allumage de mélanges combustibles ayant des concentrations localement différentes, étant donné que, conformément à la longue section 19 de production de l'étincelle, l'étincelle d'allumage, qui jaillit entre les électrodes 2, 3, traverse des sections étendues du mélange à enflammer. En fonction de la distance axiale b et à la distance radiale a des électrodes 2, 3, la bougie d'allumage 1 dispose d'une section transversale étendue, qui accroît de ce fait la fiabilité de l'allumage de telle sorte que la présence d'un mélange inflammable uniquement dans une partie de la section 19 de production de l'étincelle suffit pour déclencher la combustion du mélange. La chaleur, qui apparaît lors de la combustion du mélange, est transférée à travers la chambre 6 au corps isolant céramique 4, auquel cas lorsque la température augmente, la capacité d'allumage de la bougie d'allumage 1 augmente. En outre, on s'efforce d'avoir une température élevée de l'électrode centrale et de la partie voisine du corps isolant 4 étant donné que des dépôts de carburant incomplètement brûlé se forment surtout sur des surfaces situées à une température inférieure. C'est pourquoi l'étendue axiale h du boîtier 5 et par conséquent de la chambre 6 pour le recouvrement le corps isolant 4 influe de façon essentielle sur les caractéristiques d'allumage de la bougie d'allumage 1. L'étendue h de la chambre 6 en recouvrement avec la partie d'extrémité du corps isolant 4, qui doit être chauffée pour l'isolation thermique, est par conséquent aussi longue que possible et est limitée géométriquement par la disposition de l'électrode de masse 2 pour l'obtention d'une longue section 19 de production de l'étincelle. Le diamètre d de l'électrode de masse 3 est faible de manière à empêcher un prélèvement de chaleur lors d'un contact avec le mélange qui est froid avant la combustion, par la faible masse de l'électrode. En particulier dans le cas de la formation d'un mélange avec un combustible liquide, avec le faible diamètre d, le refroidissement de l'électrode centrale 3 peut être limité par mouillage et évaporation. Pour l'utilisation avantageuse de la bougie d'allumage i pour l'inflammation de mélanges carburant/air dans des moteurs à combustion interne à essence, on propose que le diamètre d de l'électrode centrale 3 soit égal à 0,9 mm. La figure 2 représente un cylindre 13 dans lequel est disposé un piston alternatif 14 d'un moteur à combustion interne à essence, dans lequel une chambre de combustion 12 est délimitée par un fond 16 du piston et une culasse en forme de toit 8. Un injecteur 9 débouche sur l'axe de symétrie 18 du cylindre 3 et ce dans la partie sommitale de la culasse 8, dans la chambre de combustion 12, injecteur qui, dans le cas du fonctionnement du moteur à combustion interne 7 avec une charge stratifiée, injecte du carburant pendant la course de compression du piston 14. L'air de combustion, qui est nécessaire pour la formation intérieure du mélange, peut être envoyé dans la chambre de combustion 12 par un canal d'admission 15 qui traverse la culasse 8. Le carburant peut être injecté par l'injecteur 9 sous la forme d'un jet conique 10, ce qui a pour effet que le mélange carburant/air peut être préparé dans un cône 20 possédant des valeurs X qui diminuent vers l'extérieur, c'est-à-dire des conditions de mélange de plus en plus maigres, pour la combustion stratifiée. Des concentrations du mélange dans les limites d'allumage d'une gamme déterminée des valeurs À, sont situées dans une enveloppe extérieure 11 du cône 20 du mélange, auquel cas un mélange trop gras ayant des valeurs k faibles tombe au-dessous de la valeur inférieure d'inflammation, à l'intérieur du cône de mélange 20 et qu'à l'extérieur de l'enveloppe extérieure 11, le mélange plus maigre possédant des valeurs X élevées avec un excès d'air au-dessus de la bougie d'allumage est inflammable difficilement. En raison de la possibilité d'étalement du jet conique 10, il est possible qu'il se forme localement, dans l'enveloppe extérieure 11 du cône 20 du mélange, de petits volumes partiels du mélange dont les valeurs X sont situées à l'extérieur des limites d'inflammabilité. L'inflammation de cette charge stratifiée dans la chambre de combustion est réalisée au moyen d'une bougie d'allumage 1, telle qu'elle est représentée sur la figure 1. Le boîtier 5 de la bougie d'allumage 1 est relié à la culasse 8, les électrodes 2, 3 pénétrant dans la chambre de combustion 12. Le boîtier cylindrique 5 de la bougie d'allumage 1 peut porter de façon connue, pour sa liaison avec la culasse 8, un filetage, qui peut être vissé dans un taraudage correspondant formé dans la culasse 8. Le boîtier est constitué par un matériau électriquement conducteur, de préférence de l'acier, de sorte qu'une étincelle d'allumage, qui jaillit depuis l'électrode centrale 3 jusqu'à l'électrode de masse 2 formée sur le boîtier 5, est introduite par l'intermédiaire du filetage dans la culasse 8. Lors de la formation du mélange, l'électrode centrale perfore l'enveloppe extérieure 11 et pénètre à l'intérieur du cône 20 du mélange. Aussi bien l'électrode centrale 3 que le corps isolant 4 entourant l'électrode centrale font saillie dans la direction axiale, c'est-à-dire en direction du cône 20 du mélange, au-delà de l'électrode de masse 2. Après application de la tension d'allumage, une étincelle d'allumage jaillit de l'électrode centrale 3 en direction de l'électrode de masse 2 et traverse, sur sa longue section, au-dessus du corps isolant 4, une grande partie du cône 20 du mélange présentant des valeurs X différentes, dans la direction radiale. Même dans le cas de volumes partiels inflammables, présents localement dans l'enveloppe extérieure 11, une inflammation fiable de la charge dans la chambre de combustion est permise par la traversée de plusieurs volumes du mélange ayant des concentrations différentes. L'électrode centrale 3 est plus proche de l'injecteur 9 que ne l'est l'électrode de masse 2, ce qui a pour effet qu'en outre la zone, dans laquelle les particules de mélange du cône 20 du mélange ayant des valeurs X différentes sont atteintes, est étendue. La bougie d'allumage 1, qui est agencée avec une symétrie de révolution, porte un marquage servant à caractériser la position circonférentielle. Lors du montage de la bougie d'allumage 1 dans la culasse 8, le marquage peut être également détectée à partir de l'extrémité de la bougie d'allumage, qui est située en vis-à-vis des électrodes. La bougie d'allumage 1 peut par conséquent être amenée de façon simple dans la position de montage recherchée, dans laquelle l'électrode de masse 2 est située à l'opposé de l'injecteur 9. Dans la position avantageuse de montage de la bougie d'allumage 1, l'électrode de masse 2 est distante de l'électrode centrale 3, dans la direction circonférentielle de l'enveloppe extérieure 11 du cône 10 du mélange, comme cela est visible notamment sur la figure 3. La section 19 de production de l'étincelle, qui, après l'application d'une tension d'allumage, jaillit de l'électrode centrale 3 en direction de l'électrode de masse 2 en passant au-dessus du corps isolant 4, est de ce fait située dans un plan qui est perpendiculaire au plan du cylindre et également à la direction d'injection. Au-delà de l'avantage de la zone étendue d'obtention de valeurs X différentes dans la direction radiale du cône de mélange 20, cette disposition de l'électrode de masse 2 transversalement par rapport au cône 20 du mélange accroît la stabilité de charge de la section de développement d'étincelles. La chambre 6, qui est limitée par le boîtier 5 de la bougie d'allumage 1, favorise l'échauffement du corps isolant 4, qui est formé d'un matériau céramique et est protégé thermiquement par cette chambre. De ce fait, on peut obtenir, notamment au niveau de l'électrode centrale 3 et dans la partie d'extrémité du corps isolant 4, une température de fonctionnement qui empêche le dépôt de résidus de combustion dans ces zones de la bougie d'allumage 1, sous l'effet d'une combustion libre. En particulier, dans le fonctionnement d'un moteur à combustion interne à essence avec charge stratifiée, avec de telles températures dans la chambre de combustion, la bougie d'allumage 1 peut être encore chauffée par la chambre 6 à une température de fonctionnement, qui empêche de facon fiable la cokéfaction de la bougie d'allumage. L'électrode centrale, qui dans le cas de l'injection de carburant est mouillée par un carburant liquide et de ce fait est refroidie, est protégée de produits de cokéfaction nuisibles par l'atténuation de l'évacuation de chaleur. L'électrode centrale 3 doit être réalisée aussi mince que possible de manière à empêcher une évacuation de chaleur sous l'effet de la faible masse, et en outre de fournir une faible surface d'impact pour le mouillage par le jet de carburant injecté. Pour l'électrode centrale 3, on propose un diamètre de 0,9 mm. REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage (1) servant à produire une étincelle d'allumage, qui jaillit entre deux électrodes (2, 3), et dans laquelle une électrode de masse (2) est formée sur un boîtier (5) de la bougie d'allumage (1) qui entoure un corps isolant (4) portant intérieurement une électrode centrale (3), caractérisée en ce que l'électrode centrale (3) fait saillie au-delà de l'électrode de masse (2) dans une direction axiale. 2. Bougie d'allumage selon la revendications 1, caractérisée en ce que le boitier (5) entoure le corps isolant (4) à une certaine distance en définissant une chambre (6) ouverte en direction des électrodes (2, 3). 3. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le corps isolant (4) s'étend, dans la direction axiale de l'électrode centrale (3), au moins aussi loin que l'électrode de masse (2). 4. Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bougie d'allumage (1) est agencée avec une symétrie de révolution et porte un marquage servant à caractériser la position circonférentielle, qui peut être atteinte au moins par une extrémité de la bougie d'allumage (1) située à l'opposé des électrodes (2, 3). 5. Moteur à combustion interne à essence comportant une bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour chaque cylindre (13) il est prévu une bougie d'allumage (1), qui est reliée à une culasse (8) et dont les électrodes (2, 3) pénètrent dans une chambre de combustion (12) située dans le cylindre (13) et délimitée par la culasse (8) et le piston (14), et occupent par conséquent une position dans laquelle elles pénètrent dans le mélange carburant-air qui peut être comprimé dans cette chambre par le piston (14). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans le cas d'une injection de carburant dans la chambre de combustion (12), au moins l'électrode centrale (3) pénètre, en traversant une enveloppe extérieure (11), à l'intérieur d'un cône de mélange (20), qui dans le cas du fonctionnement avec une charge stratifiée du moteur à combustion interne (7), est produit, dans le mélange avec l'air de combustion, à partir du carburant injecté selon un jet conique (10) d'un injecteur (9) disposé dans la culasse (8). 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'axe longitudinal de l'électrode centrale (3) recoupe, par son prolongement en direction du centre de la chambre de combustion (12), un axe de symétrie (18) du cône de mélange (20). S15 8. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'électrode centrale (3) est plus proche de l'injecteur (9) que ne l'est l'électrode de masse (2). 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'électrode de masse (2) est située, dans la direction circonférentielle de l'enveloppe extérieure (11) du cône de mélange (20), à distance de l'électrode centrale (3).