Brevet FR2772924A1 — publié le 19990625

DISPOSITIF DE MESURE DE GRANDEURS ELECTRIOUES DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION La présente invention concerne un dispositif de mesure de grandeurs électriques dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne à allumage commandé. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de mesure de grandeurs électriques du type comportant au moins une antenne intégrée dans le culot de la bougie d'allumage. Par le brevet EP-A-197667, on connaît un dispositif assurant la mesure de grandeurs électriques au moyen d'une ou plusieurs antennes intégrées à la paroi d'une enceinte sous pression. Cette construction connue ne prend pas en compte les contraintes particulières liées à l'implantation de telles antennes dans une bougie d'allumage, et plus particulièrement la méthode d'installation et les risques liés à la présence d'une source de haute tension à proximité immédiate d'une antenne de mesure. La présente invention a donc pour objet un dispositif de mesure utilisant au moins une antenne venant se loger dans le culot d'une bougie d'allumage, dont la structure est telle qu'il ne compromet pas la tenue mécanique et thermique de la bougie et qu'il minimise les risques de perturbation du signal de mesure par les décharges à haute tension lors des allumages. Une bougie d'allumage est classiquement composée d'un culot dont le bas est exposé à une chambre de combustion, d'une électrode centrale débouchant au point d'allumage de ladite chambre de combustion et portée au moment voulu à une haute tension, d'un isolateur électrique entre ladite électrode centrale et ledit culot, de moyens de fixation dudit culot à la paroi de ladite chambre de combustion, de moyens de maintien en place de ladite électrode centrale par rapport audit isolateur et dudit isolateur par rapport audit culot, et de moyens garantissant l'étanchéité aux gaz entre d'une part ledit culot et ledit isolateur, et d'autre part entre ledit isolateur et ladite électrode centrale. Selon l'invention, le culot de la bougie est équipé d'au moins une antenne débouchant dans la chambre de combustion au bas dudit culot. L'antenne qui est faite d'un matériau conducteur de l'électricité pour recueillir des signaux électriques en provenance de la chambre de combustion, comporte un corps inséré dans le culot de la bougie et une tête en saillie hors du culot, les matériaux choisis pour réaliser la tête et le corps ainsi que leurs dimensions respectives sont déterminées pour favoriser les transferts thermiques entre la tête de l'antenne et le culot. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, l'antenne réalisée de façon monobloc, se compose d'une tête sensiblement sphérique et d'une tige droite et cylindrique dont le diamètre est au moins supérieur au rayon de la tête. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, la tige de l'antenne est entourée d'un tube en matériau électriquement isolant et conducteur thermique. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, la tige de l'antenne et le tube isolant sont fixés dans le logement correspondant du culot de la bougie au moyen d'un ciment à base d'alumine assurant tout à la fois l'étanchéité aux gaz de combustion et la conductivité thermique entre le corps de l'antenne et le culot. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, les matériaux constituant l'antenne, le tube isolant et le ciment de fixation sont choisis pour offrir des coefficients de dilatation thermique voisins garantissant ainsi la tenue mécanique du montage. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, le tube isolant entourant l'antenne est montée en appui contre d'une part le culot et d'autre part la tête de l'antenne, l'extrémité du tube isolant en appui contre la tête de l'antenne étant en saillie hors du culot de la bougie de façon à éviter tout contact entre la tête de l'antenne et le culot de la bougie. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, l'antenne est reliée à des appareils de mesure des grandeurs électriques par l'intermédiaire d'un fil électrique coopérant avec des moyens assurant la mise au même potentiel électrique du fil et de l'antenne. Selon une autre caractéristique du dispositif de mesure des grandeurs électriques objet de l'invention, l'extrémité du fil reliant l'antenne aux appareils de mesure est montée, côté antenne, dans un logement correspondant du culot de la bougie, la fixation du fil dans ce logement étant assurée par un ciment approprié tel qu'un ciment à base de résine synthétique ou encore de verre. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de modes de réalisation de l'invention, ces modes étant présentés à titre d'exemples non limitatifs en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente en coupe axiale une bougie d'allumage munie d'une antenne selon la présente invention la figure 2 représente en coupe axiale une partie d'un culot de bougie et le détail de l'installation dans celui-ci d'une antenne selon la présente invention la figure 3 représente en coupe axiale une variante du mode d'installation précité. Conformément aux figures, seuls les éléments indispensables à la compréhension de l'invention ont été figurés. Par ailleurs, pour faciliter la lecture des dessins, les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à l'autre. En se reportant sur la figure 1, on voit une bougie d'allumage 1 débouchant dans une chambre de combustion 5 d'un moteur à combustion interne. Cette bougie est classiquement constituée d'un culot 2, d'un isolateur électrique 7, et d'une électrode centrale 6. Le culot 2 est muni à sa périphérie d'un filetage 3 qui permet de bloquer par vissage la bougie dans un logement correspondant de la culasse 4 du moteur. Le culot 2 est muni d'une une galerie 13, laquelle est constituée d'un trou lisse lamé 14 et d'un trou lisse simple 16. Le trou lisse lamé 14 est percé parallèlement à l'axe longitudinal de la bougie 1, depuis la face inférieure 21 du culot 2 débouchant dans la chambre de combustion 5, le lamage donnant naissance à un épaulement 15 tourné vers le bas du culot 2. Le trou lisse simple 16 est lui percé dans un plan radial de la bougie 1, de façon à déboucher au fond du trou lisse lamé 14. Il est par ailleurs orienté de telle manière que sa sortie 20 sur la face supérieure du culot 2 est au moins aussi éloignée de la chambre de combustion 5 et de l'axe longitudinal de la bougie 1 que ne l'est le fond du trou lisse lamé 14. Une antenne 12, faite d'un matériau conducteur de l'électricité, est implantée dans le trou lisse lamé 14. L'antenne 12 est isolée électriquement du culot 2 par un tube isolant 17, lequel prend appui sur l'épaulement 15 du trou lisse lamé 14 et dépasse légèrement de la face inférieure 21 du culot 2. Le scellement, avec un bon contact thermique, de l'antenne 12 au tube isolant 17 et du tube isolant 17 au culot 2 est assurée respectivement grâce à un ciment 22a, 22b à base d'alumine, assurant une parfaite étanchéité aux gaz de combustion. L'antenne 12 est composée d'une part d'un corps 19 de section cylindrique, et d'autre part d'une tête 18 en saillie hors de la face inférieure du culot 2. La tête 18 sensiblement sphérique, ne présente pas d'arêtes vives de manière à éliminer l'accumulation de charges électriques par effet de bord, qui pourraient conduire, au moment de l'allumage, à engendrer un arc électrique entre l'électrode centrale 6 et la tête 18 de l'antenne 12, et non entre ladite électrode centrale et ledit culot comme souhaité. Le diamètre de la tête 18 est supérieur au diamètre interne du tube isolant 17, et la longueur du corps 19 est inférieure à celle du tube isolant 17, de telle sorte qu'une fois en place, la tête 18 de l'antenne 12 vienne en appui sur la face inférieure du tube isolant 17 sans que le corps en dépasse. Cette disposition empêche tout risque de contact entre la tête 18 de l'antenne et le culot 2 de la bougie et permet la parfaite résistance du montage aux pressions de combustion s'exerçant cycliquement sur la tête 18. Selon l'invention, les dimensions de ladite antenne 12 et notamment les dimensions relatives du corps 19 et de la tête 18, sont adaptées pour évacuer le plus rapidement possible les calories reçues lors des combustions et éviter la formation d'un point chaud susceptible de favoriser l'auto-allumage du mélange carburé. Pour ce faire, le diamètre de la tige est choisi le plus important possible, de préférence ce diamètre est au moins supérieur au rayon de la tête 18. Par ailleurs, les ciments de scellement 22a et 22b sont choisis de façon à être bons conducteurs de la chaleur, ce qui est le cas des ciments à base d'alumine, de façon à évacuer la chaleur de l'antenne 12 vers le culot 2. Les matériaux choisis respectivement pour réaliser l'antenne 12, le manchon isolant 17 et les ciments de scellement 22a, 22b présentent des coefficients de dilatation voisins pour garantir la tenu mécanique du montage. Le corps 19 comporte, à son extrémité opposée à la tête 18, un trou lisse borgne 23. Un fil électrique 25 d'un câble 24, dénudé à une de ses extrémités de sa gaine isolante 26 sur une longueur suffisante, emprunte le trou lisse simple 16 jusqu'à ce que le fil 25 pénètre dans le trou lisse borgne 23. Des moyens 27, telle qu'une soudure, assurent la fixation du fil 25 à l'antenne 12 de telle manière que la continuité électrique soit garantie avec une résistance de contact négligeable. Le fil 25 est fixé à son autre extrémité à une borne d'un connecteur électrique 29. Sur son trajet à l'extérieur du culot 2, la gaine isolante 26 est enveloppée d'une gaine électriquement conductrice 30, dont une extrémité est fixée au culot 2 par des moyens 31 qui garantissent la continuité électrique et offrent une résistance de contact négligeable. L'autre extrémité de la gaine conductrice 30 est fixée à une borne du connecteur 29 autre que celle reliée au fil 25. Le connecteur 29 permet ensuite le raccordement à un appareillage de mesure, ladite mesure étant effectuée entre lesdites bornes. La gaine conductrice 30 est éventuellement protégée par une gaine isolante 32. Cette gaine conductrice de l'électricité 30, fixée au culot 2 par des moyens garantissant la continuité électrique avec une résistance de contact négligeable et étant donc portée au même potentiel électrique que ledit culot, protège le fil électrique 25 de perturbations électromagnétiques en provenance de la bougie ou de l'environnement du dispositif de mesure. Le volume résiduel de la galerie 13, non occupé par le câble 24, l'antenne 12, le tube isolant 17 ou les moyens de fixation 22a, 22b, et 27, est rempli d'un ciment approprié formant bouchon 28, telle qu'une résine synthétique ou du verre fondu, assurant à la fois une tenue thermique adéquate, l'isolation électrique entre le culot 2 et le câble 24, et l'étanchéité aux gaz. Le dispositif qui vient d'être décrit peut être installé de la manière suivante. L'électrode centrale 6, l'isolateur électrique 7, et le culot 2 sont assemblés avec leurs moyens respectifs de fixation et d'étanchéité. La galerie 13 est percée. Le fil 25 est fixé sur l'antenne 12 par les moyens 27, lesquels sont par exemple une soudure à l'étain ou à l'argent. L'antenne 12 est ensuite fixée dans le tube isolant 17 par exemple au moyen d'une colle pour hautes températures à base d'alumine. L'ensemble ainsi formé est alors enfilé par le trou lisse lamé 14, extrémité libre du fil 25 en premier, jusqu'à l'arrivée du tube isolant 17 en butée sur l'épaulement 15, puis il est fixé au culot 2 par exemple au moyen d'une colle pour hautes températures à base d'alumine. Ensuite, le bouchon 28, constitué par exemple d'une coulée de résine époxy, est mis en place dans la galerie 13. La gaine conductrice 30, éventuellement entourée d'une gaine isolante 32, est glissée autour de la partie libre de la gaine isolante 26 et fixée au culot 2 par exemple au moyen d'une soudure à l'étain 31. Enfin, les extrémités libres du fil 25 et de la gaine conductrice 30 sont reliées à deux bornes du connecteur 29. En se reportant maintenant à la figure 3, l'on voit que l'on a représenté une variante de réalisation des moyens d'isolation électrique entre le fil 25 et le culot 2 au voisinage du trou lisse borgne 23. Selon cette variante de l'invention, le bouchon 28 est composé de deux couches superposées, lesdites couches offrant des températures maximales de service différentes, la première des deux couches étant appliquée entre l'antenne et le tube isolant avant que le tube isolant ne soit mis en place dans ledit trou lisse lamé. Une fois l'antenne 12 et le câble 24 mis en place dans le tube isolant 17 et fixés par les moyens 22a et 27, le volume résiduel à l'intérieur du tube isolant 17 est rempli par un bouchon 33 assurant d'une part l'isolation électrique entre le fil 25 et son environnement, et d'autre part l'étanchéité aux gaz entre le corps d'antenne 19 et le tube isolant 17. L'ensemble ainsi constitué est alors inséré dans le trou lisse lamé 14 et fixé par les moyens 22b, puis le bouchon 28, les gaines 30 et 32, et le connecteur 29 sont mis en place comme indiqué précédemment. Le mode d'installation de cette variante est identique à celui décrit précédemment, à ceci près que le bouchon 33 est mis en place après la fixation de l'antenne 12 dans le tube isolant 17 et avant la fixation du tube isolant 17 dans le culot 2. Le dispositif ainsi décrit permet d'intégrer une ou plusieurs antennes dans une même bougie d'allumage, sur lesquelles des signaux électriques caractéristiques du phénomène de combustion peuvent être acquis et transmis à un appareillage de mesure, comme par exemple les courants d'ionisation engendrés par les réactions chimiques à l'intérieur de la flamme. L'on peut ainsi déduire de ces mesures une série d'informations sur la combustion, comme par exemple l'évaluation de la qualité de la combustion ou (avec plusieurs antennes) la direction de propagation de la flamme à partir de la bougie, lesquelles sont utiles lors du développement de nouveaux moteurs. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS [1] Dispositif de mesure de grandeurs électriques dans une chambre de combustion (5) de moteur à combustion interne à allumage commandé caractérisé en ce qu'il comprend au moins une antenne (12) venant se loger dans le corps d'une bougie d'allumage (1), ladite antenne (12) comportant un corps (19) inséré dans le culot (2) de ladite bougie (1) et une tête (18) en saillie hors du culot (2), les matériaux choisis pour réaliser ladite tête (18) et ledit corps (19) ainsi que le dimensionnement respectif de ladite tête (18) et dudit corps (19) sont déterminés pour favoriser les transfert thermique entre la tête de l'antenne (18) et le culot (2). [2] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne réalisée de façon monobloc, se compose d'une tête (18) sensiblement sphérique et d'un corps formée par une tige (19) sensiblement cylindrique dont le diamètre est supérieure au rayon de la tête (18). [3] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le corps (19) de l'antenne (12) est entouré d'un tube (17) en matériau électriquement isolant et conducteur thermique. [4] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps (19) de l'antenne (12) et le tube isolant (17) sont fixés dans le logement (14) correspondant du culot (2) de la bougie (1) au moyen d'un ciment (22a, 22b) à base d'alumine assurant tout à la fois l'étanchéité aux gaz de combustion et la conductivité thermique entre le corps (19) de l'antenne (12) et le culot (2). [5] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon la revendication 4, caractérisé en ce que les matériaux constituant l'antenne (12), le tube isolant (17) et le ciment de fixation (22a, 22b) sont choisis pour offrir des coefficients de dilatation thermique voisins garantissant ainsi la tenue mécanique du montagne. [6] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le tube isolant (17) est monté en appui contre d'une part le culot (2) et d'autre part la tête (18) de l'antenne (12), l'extrémité du tube isolant (17) en appui contre la tête (18) de l'antenne (12) étant en saillie hors du culot d'une hauteur adaptée. [7] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'antenne (12) est reliée à un fil électrique (25) destiné à être connecté à des appareils de mesure desdites grandeurs électriques par l'intermédiaire de moyens (27) assurant la mise au même potentiel électrique dudit fil (25) et de ladite antenne (12). [8] Dispositif de mesure de grandeurs électriques selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité dudit fil (25) destinée à être reliée à l'antenne (12) est montée dans un logement correspondant (16) du culot (2) de la bougie (1), la fixation du fil (25) dans ce logement (16) étant assuré par un ciment approprié tel qu'un ciment à base de résine synthétique ou encore de verre.