Brevet FR2845529A1 — publié le 20040409

BOUGIE D'ALLUMAGE A JOINT A CARACTERISTIQUES ELASTIQUES ET PLASTIQUES AMELIOREES La présente invention concerne une bougie d'allumage à joint à caractéristiques élastiques et plastiques améliorées pour assurer l'étanchéité entre une bougie d'allumage et un moteur d'automobile, un système de co-génération ou une pompe de compression de gaz. Une bougie d'allumage classique pour un moteur d'automobile, un système de co-génération ou une pompe de compression de gaz comprend globalement: un élément métallique cylindrique pourvu, sur sa surface extérieure, d'un filetage pour fixer la bougie d'allumage au moteur; une électrode centrale fixée à l'intérieur d'un isolant dans la bougie d'allumage; et une électrode de masse 15 (soudée à l'élément métallique cylindrique) disposée en regard de l'électrode centrale, qui forme un intervalle de décharge d'étincelle définissant une distance d'éclatement conjointement avec l'électrode de masse. La bougie d'allumage ci-dessus selon la technique antérieure est fixée à la culasse du moteur par un filetage femelle de la culasse et un filetage mâle 20 de l'élément métallique cylindrique de la bougie d'allumage. En outre, un joint est disposé autour de la surface extérieure de l'élément métallique cylindrique pour assurer l'étanchéité entre le moteur et l'élément métallique cylindrique, comme décrit, par exemple, dans JP 2000164318A et UM50-71635A (demande de modèle d'utilité japonais Sho 50-71635, 1975, ouverte à l'inspection Publique.) La bougie d'allumage selon la technique antérieure évoquée cidessus était en acier à faible teneur en carbone. Depuis peu, la force appliquée au joint s'est accrue, car la température de combustion a augmenté et les vibrations du moteur se sont accentuées du fait de la combustion en mélange pauvre et de la forte puissance. Aucune déformation plastique du joint ne doit survenir pendant que le moteur est en marche. Le joint a une partie courbée à faible rayon de courbure, qui est courbée par une force axiale exercée par le vissage de l'élément métallique de la bougie d'allumage dans la culasse. La force axiale est maintenue par une force élastique générée par la partie courbée de l'élément métallique en assurant de ce fait l'étanchéité entre la bougie d'allumage et le moteur. Cependant, à mesure que la force appliquée au joint augmente, une déformation plastique est progressivement provoquée, en réduisant de ce fait la 5 hauteur globale du joint mesurée au niveau de la section transversale dans la direction radiale et en réduisant la force élastique. Ainsi, la perte d'élasticité a pour conséquence que l'étanchéité entre la bougie d'allumage et le moteur devient insuffisante. Enfin, la perte d'élasticité risque éventuellement d'amener la bougie 10 d'allumage à se détacher du moteur. Ainsi, au premier abord, il peut sembler meilleur d'accroître la dureté du joint. Cependant, le joint a une élasticité limitée. Ainsi, un accroissement excessif de la résistance mécanique du joint visant à supprimer la perte d'élasticité rend difficile la déformation élastique du joint et est donc préjudiciable à ses 15 performances d'étanchéité. La présente invention vise à réaliser une bougie d'allumage à joint amélioré qui assure une étanchéité entre la bougie d'allumage et la culasse du moteur en se déformant par élasticité pendant le vissage de la bougie d'allumage dans une 20 culasse, et qui, en même temps, ne subisse pas facilement une déformation plastique pendant l'entraînement du moteur. Par conséquent, si nécessaire, des éléments autres que le joint peuvent être modifiés. La présente invention repose sur des expériences menées par les auteurs de l'invention avec des joints présentant un nombre varié de parties courbées 25 et d'une dureté variable. La bougie d'allumage selon la présente invention est pourvue d'un élément métallique cylindrique avec un filetage pour visser ledit élément métallique dans un moteur. Par ailleurs, une électrode centrale est fixée à l'intérieur dudit 30 élément métallique à travers un isolant. Par ailleurs, une électrode de masse est soudée audit élément métallique pour former un intervalle de décharge d'étincelle conjointement avec ladite électrode centrale. Le joint à caractéristiques élastiques et plastiques améliorées est disposé autour de la surface extérieure dudit élément métallique afin d'assurer l'étanchéité entre ledit élément métallique et le moteur. ' Le joint est caractérisé en ce qu'il est courbé en plusieurs endroits dans sa direction radiale. Les deux conditions pour assurer la propriété de contact étroit et pour supprimer la déformation plastique pendant le fonctionnement du moteur sont satisfaites simultanément par le joint d'une dureté Vickers supérieure ou égale à 200 et inférieure ou égale à 400. Les parties courbées peuvent être au nombre de deux dans la section transversale dans la direction radiale. Dans ce cas, le joint peut être en alliage de Fe à teneur en Cr supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 40% en poids. Par ailleurs, les parties courbées peuvent être au nombre de 3 dans la 15 section transversale dans la direction radiale. Dans ce cas, le joint peut être en alliage de Fe à teneur en Cr supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 20% en poids. La dureté Vickers (Hv) dépend de la teneur en Cr de l'alliage de Fe. Bien que la dureté Hv du joint du type courbé trois fois puisse être à peu près la 20 même que celle du joint du type courbé deux fois, elle peut de préférence être inférieure à celle du joint du type courbé deux fois, car le joint du type courbé trois fois acquiert une structure plus dure du fait du plus grand nombre de parties courbées. Par ailleurs, ceci est d au fait que le joint du type courbé trois fois ne s'incurve pas facilement en raison du plus grand nombre de parties courbées en 25 comparaison du joint du type courbé deux fois. Par ailleurs, l'épaisseur de la lame dudit joint peut de préférence être supérieure ou égale à 0,2 mm et inférieure ou égale à 0,4 mm. En effet, si l'épaisseur de la lame est inférieure à 0,2 mm, le joint devient trop facilement déformable, tandis que si l'épaisseur de la plaque est supérieure à 0,4 mm, le joint devient trop 30 difficilement déformable. Par ailleurs, il a été confirmé que le joint selon la présente invention convient pour un futur moteur susceptible de générer des vibrations supérieures à 10 G, bien que le moteur classique génère des vibrations inférieures à 10 G. Le résultat des expériences a démontré que la perte d'élasticité du joint selon la présente 35 invention est très faible jusqu'à 50 G. L'invention et nombre des avantages qui s'y attachent apparaîtront facilement plus clairement en référence à la description détaillée ciaprès, faite en considération des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue partielle en coupe transversale d'une bougie d'allumage SI comportant un joint à caractéristiques élastiques et plastiques améliorées selon la présente invention; les figures 2A et 2B sont des vues agrandies partielles en coupe transversale (dans la direction radiale) des deux types de joints annulaires 10 respectivement courbés deux fois et courbés trois fois; les figures 3A et 3B sont des vues agrandies partielles en coupe transversale (dans la direction radiale) des deux autres types de joints annulaires qui sont respectivement courbés une fois et courbés quatre fois; la figure 4 illustre une relation expérimentale entre la hauteur "ha du 15 joint après sa déformation élastique sous une charge de vissage donnée et la dureté Vickers du joint; la figure 5 représente une illustration servant à définir la perte d'élasticité Ah par la hauteur globale "h" après la déformation élastique sous la charge prescrite moins " h' " après la déformation plastique sous une charge 20 supplémentaire; la figure 6 illustre une relation expérimentale entre Ah et la dureté Vickers pour les types de joints courbés deux fois et trois fois lorsque le joint subit une déformation plastique sous une charge supérieure à 1 OG; la figure 7 illustre une relation expérimentale entre Ah et des 25 vibrations pour le joint selon la technique antérieure et le joint selon la présente invention; et les figures 8A à 8E sont des vues partielles en coupe transversale dans la direction radiale de variantes de forme des joints. En référence aux dessins, on va présenter la forme préférée de réalisation de la présente invention. La figure 1 est une vue partielle en coupe transversale d'une bougie d'allumage SI comportant un joint à caractéristiques élastiques et plastiques améliorées selon la présente invention. La bougie d'allumage Si est montée sur un moteur d'automobile en étant vissée dans un tavandage 101 réalisé dans la culasse 100 formant une chambre de combustion 102 du moteur. La bougie d'allumage Si comporte une enveloppe (élément 5 métallique cylindrique) 10. Sur la surface extérieure de l'élément métallique 10 sont présents un filetage lOa destiné à se visser dans la culasse 100 et un écrou lOb ou culot pour faire tourner l'élément métallique 10 pendant le vissage du filetage 1 Oa. Par ailleurs, à l'intérieur de l'élément métallique 10 est fixé un isolant 20, par exemple en céramique à base d'alumine A120 3. L'une et l'autre des extrémités 10 21 et 22 de l'isolant 20 font saillie respectivement à l'une et l'autre des extrémités 11 et 12 de l'élément métallique 10. Par ailleurs, une électrode centrale 30 est fixée dans un trou axial 23 de l'isolant 20. Par conséquent, l'électrode centrale 30 est électriquement isolée de l'élément métallique 10. L'électrode centrale 30 est un cylindre dont l'intérieur est en 15 matière métallique à grande conductivité thermique, par exemple Cu, et en même temps dont l'extérieur est en matière métallique très résistante à la chaleur, et résistante à la corrosion, par exemple un alliage de Ni. Par ailleurs, une première extrémité 31 de l'électrode centrale 30 s'étend jusqu'à et fait saillie depuis une première extrémité 21 de l'isolant 20, tandis 20 que l'autre extrémité 32 de l'électrode centrale 30 est électriquement connectée à une tige 35 faisant saillie à l'autre extrémité 22 de l'isolant 20. Ainsi, l'électrode centrale 30 peut être électriquement connectée à des fils extérieurs par l'intermédiaire de la tige 35. D'autre part, une électrode de masse 40 est en alliage de Ni, en 25 alliage de Fe ou en alliage de Co. Une première extrémité 41 de l'électrode de masse est soudée à la première extrémité 11 de l'élément métallique 10 et est incurvée aux abords de son point médian, s'étendant de ce fait vers l'électrode centrale 30 de telle manière que l'autre extrémité 42 de l'électrode de masse 40 est disposée en regard de la première extrémité 31 de l'électrode centrale 30. Par ailleurs, un bout 50 en métal noble, par exemple Pt ou Ir, peut être soudé à la première extrémité 31 de l'électrode centrale 30, tandis qu'un bout 60 de métal noble, par exemple Pt ou Ir, peut être soudé à l'autre extrémité 42 de l'électrode de masse 40. Ainsi, un intervalle de décharge 70 d'étincelle est formé entre le bout 50 et le bout 60. Un filetage mâle 10a de l'élément métallique 10 se visse dans un tarandage femelle 101 de la culasse 100 en faisant tourner l'écrou 1 Ob, en fixant de ce fait l'intervalle de décharge 70 d'étincelle dans une position requise dans la chambre de combustion. Par ailleurs, autour de la surface extérieure de l'élément métallique est disposé un joint annulaire 80 qui maintient une force de vissage en assurant ainsi l'étanchéité entre l'élément métallique 10 et la culasse 100 afin d'empêcher des fuites du gaz présent dans la chambre de combustion 102. Les figures 2A et 2B sont des vues agrandies partielles en coupe 10 transversale (dans la direction radiale) des deux types de joints annulaires 80 qui sont respectivement courbés deux fois et courbés trois fois. Le rayon de courbure des parties courbées 81 est réduit par la force axiale générée par le vissage. Autrement dit, le joint annulaire 80 est comprimé et déformé entre l'élément métallique 10 et la culasse 100 par la force axiale entretenue par une force 15 élastique générée par les parties courbées 81. La figure 2A représente un joint annulaire 80 en S courbé deux fois, tandis que la figure 2B représente un joint annulaire en S courbé trois fois, une première extrémité de la forme en S étant en outre courbée en S. Ces joints annulaires 80 assurent un contact étroit entre l'élément 20 métallique 10 et la culasse 100 et suppriment en même temps une déformation plastique, même si une force supérieure à la force classique leur est appliquée. On va maintenant expliquer des structures concrètes de ces joints annulaires 80. Tout d'abord, la dureté Vickers du joint annulaire 80 courbé deux 25 fois est supérieure ou égale à 200 et inférieure ou égale à 400. Dans ce cas, la dureté Vickers a une valeur Hv 0,5 définie par JIS:22244, la dureté étant mesurée sous une charge d'essai de 4,903 N dans le procédé d'essai de microdureté Vickers requis. Un alliage de Fe tel que SUS 304 ou SUS 301 dont la teneur en Cr est supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 40% en poids est 30 employé, conformément aux exigences de dureté indiquées plus haut. Bien que la dureté Hv 0,5 du joint du type courbé trois fois puisse être à peu près la même que celle du type courbé deux fois, elle peut de préférence être inférieure à celle du type courbé deux fois, car la structure du type courbé trois fois devient plus dure en raison du plus grand nombre de parties courbées. Par ailleurs, en effet, le type courbé trois fois ne s'incurve pas facilement en raison du plus grand nombre de parties courbées, en comparaison du type courbé deux fois. Par conséquent, un alliage de Fe tel que SUS 304 dont la teneur en Cr est supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 20% en poids est 5 employé pour le joint du type courbé trois fois, compte tenu du fait que la dureté augmente à mesure que s'accroît la teneur en Cr. Par ailleurs, l'épaisseur de la lame du joint du type courbé deux fois et du type courbé trois fois peut de préférence être supérieure ou égale à 0, 2 mm et inférieure ou égale à 0,4 mm. En effet, si l'épaisseur de la lame est inférieure à 0,2 10 mm, le joint devient trop facilement déformable tandis que si l'épaisseur de la lame est supérieure à 0,4 mm, il devient trop difficilement déformable. A l'aide de la bougie d'allumage St ainsi construite,une décharge est provoquée dans l'intervalle de décharge 70 d'étincelle, ce qui enflamme un mélange d'air et de carburant dans la chambre de combustion 102, provoque le développement 15 d'une amorce de flamme et brle le carburant. On va maintenant expliquer la raison pour laquelle on a employé les deux types de joints 80 évoqués plus haut. La raison a été confirmée expérimentalement en comparant les deux types évoqués plus haut avec un type courbé une fois représenté sur la figure 3A et 20 avec un type courbé quatre fois représenté sur la figure 3B. Les expériences comparatives sont réalisées pour les quatre types de joints 80, dans lesquels la valeur Hv 0,5 est supérieure ou égale à 100 et inférieure ou égale à 400 et l'épaisseur de la lame est de 0,3 mm. Tout d'abord, une capacité initiale de contact étroit (capacité de 25 contact étroit lorsque la bougie d'allumage est fixée à la culasse pour la première fois) a été examinée par la hauteur globale "h" après la déformation élastique résultant de la force axiale pendant le vissage du joint 80, comme représenté sur la figure 2A. La hauteur globale "h" est mesurée dans la direction de la force axiale (dans la direction axiale de la bougie d'allumage S 1). En général, la hauteur globale du joint 80 avant la déformation élastique (avant sa fixation à la culasse 100) est d'environ 2,2 mm. Le joint est comprimé et déformé par le vissage à bloc, ce qui réduit la hauteur globale du joint 80. Généralement, le couple de serrage est de 20 à 30 N m, ce qui 35 génère une force axiale d'environ 6 kN. A titre indicatif, les normes industrielles japonaises (JIS) recommandent que la hauteur globale "h" après la déformation élastique soit de préférence de 1,6 i 0, 4 mm sous l'effet d'un couple de vissage de 20 à30N m. La figure 4 illustre une relation expérimentale entre la hauteur 5 globale "h" après la déformation élastique et Hv 0,5 en ce qui concerne les quatre types de nombres de courbures des joints. Conformément à la recommandation précitée des JIS, le joint 80 peut assurer le contact étroit, si la hauteur globale "h" après la déformation élastique est comprise entre 1,2 et 2,0 mm. Comme représenté sur la figure 4, la hauteur globale "h" après la déformation élastique est susceptible d'augmenter, car le nombre de parties courbées est plus grand et la valeur de Hv 0,5 est accrue. Par ailleurs, il est entendu que "h" se situe dans les limites visées de 1,2 à 2,0 mm recommandées par les JIS, lorsque le nombre de parties courbées est de deux ou trois et que Hv 0,5 a une valeur de 150 à 15 400. Ensuite, la déformation plastique a été examinée expérimentalement par une différence Ah entre "h" après la déformation due au vissage et " h' après la déformation plastique sous l'effet d'une charge supplémentaire appliquée au joint 80, comme illustré sur la figure 5. La hauteur globale " h' " (après la déformation plastique) a été mesurée lorsque "h" (après la déformation plastique) était de 1,6 mm, puis le joint 80 a été comprimé par une charge supplémentaire de 9 kN, et la charge supplémentaire a été enfin annulée. Ainsi, Ah est égal à (1,6 - h'). Dans le cas présent, la charge de 9 kN est équivalente à la force 25 appliquée au joint 80 par des contraintes thermiques ou des vibrations pendant le fonctionnement du futur moteur à fortes vibrations dont il est supposé que les vibrations dépasseront 10 G. La figure 6 illustre une relation expérimentale entre Ah et Hv 0,5 pour les types courbés deux fois et courbés trois fois, dans les conditions de charge 30 évoquées ci-dessus. La valeur visée de Ah a été supposée être inférieure à 0,05 mm, car on sait que la force axiale résultant du vissage n'est pas difficile à réduire. Comme représenté sur la figure 6, il est entendu que la perte d'élasticité visée Ah inférieure à 0,05 mm peut être obtenue d'une manière sre si Hv 35 0,5 est supérieur ou égal à 200. Ainsi, la déformation plastique du joint 80 à Hv 0,5 supérieure ou égale à 200 est supprimée, même lorsqu'une force supérieure à la force classique est appliquée au joint 8 pendant le fonctionnement du moteur. Les deux conditions pour assurer le contact étroit et pour supprimer la déformation plastique sont satisfaites simultanément par un joint 80 courbé deux 5 ou trois fois, comme représenté sur la figure 4 avec Hv 0,5 supérieure ou égale à 200 et inférieur ou égal à 400, comme représenté sur la figure 6. Cependant, une valeur supérieure de Hv 0,5 ne convient pas pour courber le type à joint courbé trois fois. Par conséquent, un alliage de Fe à teneur en Cr supérieure à 20% en poids, par exemple SUS301, risque éventuellement de provoquer une fissure au niveau des 10 parties courbées ou risque de ne pas se courber facilement si on l'utilise pour le type de joint courbé trois fois. D'autre part, une matière à valeur Hv 0,5 plus faible telle qu'un alliage de Fe à teneur en Cr supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 20% en poids, par exemple SUS304, est acceptable pour le type de joint courbé 15 trois fois. Comme expliqué plus haut, le joint selon la présente invention peut assurer le contact étroit entre la bougie d'allumage et la culasse par la déformation élastique due au vissage initial à bloc et en même temps il subit à peine la déformation plastique, même si une force supérieure à la force classique lui est 20 appliquée. En réalité, comme représenté sur la figure 7, il a été confirmé que le joint selon la présente invention est efficace pour un moteur qui produit des vibrations supérieures à 10 G et qui exercent sur le joint une force supérieure à celle de moteurs classiques. La figure 7 illustre une relation expérimentale entre la perte d'élasticité Ah en mm et les vibrations en G, en ce qui concerne le type de joint courbé deux fois dans lequel la lame du joint elle-même a une épaisseur de 0,3 mm et est en SUS304 à valeur de Hv 0,5 de 350 pour le joint selon la présente invention. D'autre part, le joint selon la technique antérieure était du type courbé deux fois, la 30 lame elle-même du joint avait une épaisseur de 0,4 mm et était en acier à faible teneur en carbone à Hv 0,5 d'environ 150. Ah a été mesurée après dix heures de vibrations à 300 Hz à 1800C. Le résultat de l'expérience démontre que la perte d'élasticité Ah du joint selon la technique antérieure a été à peine observée au-dessous de 10 G mais qu'elle est devenue extrêmement supérieure à la valeur visée de Ah de 0,05 mm audessus de 10 G. D'autre part, la valeur Ah du joint selon la présente invention est restée inférieure à la valeur visée Ah de 0,05 mm jusqu'à 50 G, qui constituait la limite de capacité de mesure de l'appareil d'essai. La forme de la section transversale du joint ne se limite pas à celles des figures 2A, 2B, 3A et 3B. D'autres exemples du type courbé deux fois consistent en une forme en U dont une extrémité est courbée à l'intérieur de la forme en U comme représenté sur la figure 8A, et une forme en C représentée sur la figure 8B, 10 tandis que d'autres exemples du type courbé trois fois consistent en une forme en U dont les deux extrémités sont courbées à l'intérieur de la forme en U comme représenté sur la figure 8C, une forme en U dans laquelle une première extrémité est courbée vers l'intérieur et l'autre extrémité est courbée vers l'extérieur comme représenté sur la figure 8D, et une forme en U dont les deux extrémités sont courbées 15 vers l'extérieur comme représenté sur la figure 8E. 1i REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage (S1), caractérisée en ce qu'elle comprend: un élément métallique cylindrique (10) avec un filetage (10a) pour visser ledit élément métallique (10) dans un moteur; une électrode centrale (30) fixée à l'intérieur dudit élément métallique (10) à travers un isolant (20); une électrode de masse (40) soudée audit élément métallique (10) 10 pour former un intervalle de décharge (70) d'étincelle conjointement avec ladite électrode centrale (30); et un joint (80) disposé autour d'une surface extérieure dudit élément métallique (10) pour assurer l'étanchéité entre ledit élément métallique (10) et le moteur, ledit joint (80): étant courbé à deux endroits; et ayant une dureté Vickers supérieure ou égale à 200 ou inférieure ou égale à 400. 2. Bougie d'allumage (S1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit joint (80) est en alliage de Fe à teneur en Cr supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 40% en poids. 3. Bougie d'allumage (S1), caractérisée en ce qu'elle comprend: 25 un élément métallique cylindrique (10) avec un filetage (10Oa) pour visser ledit élément métallique (10) dans un moteur; une électrode centrale (30) fixée à l'intérieur dudit élément métallique (10) à travers un isolant (20); une électrode de masse (40) soudée audit élément métallique (10) 30 pour former un intervalle de décharge (70) d'étincelle conjointement avec ladite électrode centrale (30); et un joint (80) disposé autour d'une surface extérieure dudit élément métallique (10) pour assurer l'étanchéité entre ledit élément métallique (10) et le moteur, leditjoint (80): étant courbé en trois endroits; et étant en alliage de Fe à teneur en Cr supérieure ou égale à 15% en poids et inférieure ou égale à 20% en poids. 4. Bougie d'allumage (SI) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la lame dudit joint (80) a une épaisseur supérieure ou égale à 0,2 mm et inférieure ou égale à 0,4 mm. 5. Bougie d'allumage (Si) selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est utilisée dans un moteur qui génère des vibrations dépassant 10 G.