Brevet FR2861509A1 — publié le 20050429

BOUGIE D'ALLUMAGE A EFFET DE SURFACE A ETINCELLE DIRIGEE. L'invention concerne une bougie d'allumage pour une culasse de moteur à combustion interne, destinée notamment à équiper un véhicule automobile. Elle concerne également une culasse pourvue d'une telle bougie. L'invention concerne plus particulièrement une bougie à effet de surface, c'est-à-dire utilisant les effets d'amplification du champ électrique au voisinage d'une surface isolante. Les propriétés des bougies à effet de surface sont connues pour permettre d'obtenir des étincelles de grande longueur, supérieure à 3 mm, au lieu de moins de 1 mm dans le cas des bougies classiques. La plupart des bougies à effet de surface présentent une symétrie de révolution, tel que décrit par exemple dans le document FR-2 792 374. Toutefois, en raison de cette symétrie, l'étincelle prend naissance aléatoirement n'importe où sur le pourtour de la bougie, ce qui présente des inconvénients dans la rencontre entre le mélange carburé et l'étincelle initiatrice de la combustion, la bougie elle-même masquant une partie de la chambre de combustion à l'étincelle. Le document FR-2 816 119 décrit une bougie à effet de surface permettant d'orienter l'étincelle radialement par rapport à l'axe de la bougie ce qui permet d'éviter que la bougie ne masque une partie de la chambre à l'étincelle. Un modèle de bougie de surface décrit dans ce document est représenté sur la figure 1. La bougie est conformée pour présenter une symétrie de révolution autour de son axe longitudinal. Elle comprend une électrode cylindrique 1 reliée électriquement à la masse, qui sert de culot métallique. Ce culot entoure une électrode haute tension 2 de forme cylindrique disposée en position centrale. L'électrode centrale 2 est isolée du culot 1 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 3 de forme sensiblement cylindrique. L'extrémité inférieure du manchon 3 présente une forme de collerette circulaire 4 de diamètre supérieur au reste du manchon. La collerette 4 coopère sur l'un de ses côtés avec une contre électrode 5 en forme de rondelle, qui peut être encastrée dans le manchon, son côté opposé présentant une surface 6 orientée vers la chambre de combustion. La partie extrême de l'électrode centrale 2 présente une forme évasée radialement 7 qui chapeaute le manchon 2861509 2 isolant 3. Le champ électrostatique au voisinage de la surface 6 est alors amplifié par la contre électrode 5 reliée à l'électrode de masse. Cette bougie est appelée bougie de surface à étincelle radiale dans la mesure où l'étincelle est créée sur la surface 6 de l'isolant, selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la bougie. Toutefois, la partie en forme de collerette 4 d'une telle bougie doit présenter une faible épaisseur pour permettre une bonne amplification du champ électrostatique à la surface de l'isolant et une tension de claquage faible. Cette faible épaisseur la fragilise, ce qui nécessite un montage précis et une faible tolérance de l'usinage des pièces pour éviter l'application de contraintes mécaniques sur la collerette. En raison de cette fragilité, un montage de la bougie directement dans le culot ou la culasse, lors de la fonderie de ces pièces, entraîne une rupture fréquente de la collerette lors de la fabrication ou une fragilisation pouvant entraîner la détérioration de la bougie ultérieurement. La durée de vie de ces bougies une fois intégrées à la culasse est donc nettement insuffisante. Il est en effet difficilement pensable d'avoir à changer la culasse en raison d'une bougie défectueuse. Une telle bougie présente également l'inconvénient de ne pouvoir diriger l'étincelle dans une direction prédéterminée, celle-ci pouvant prendre naissance n'importe où sur le pourtour de la bougie, et notamment dans une direction opposée au mélange air/carburant. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une bougie à effet de surface présentant une structure permettant de diriger l'étincelle dans au moins une direction prédéterminée tout en présentant une meilleure résistance mécanique de l'isolant. La bougie selon l'invention peut en outre être fabriquée à faible coût avec des tolérances plus élevées. La bougie selon l'invention est particulièrement bien adaptée à une utilisation intégrée à la culasse, sans toutefois s'y limiter. A cet effet, un premier objet de l'invention concerne une bougie d'allumage à effet de surface pour culasse de moteur à combustion interne, comportant une électrode centrale entourée d'un manchon isolant et une électrode de masse entourant le manchon, ladite électrode centrale et ledit manchon s'étendant dans une direction privilégiée D, ledit manchon se terminant du côté destiné à être dirigé vers la culasse par une face d'extrémité sensiblement plane le long de 2861509 3 laquelle une étincelle peut se propager et qui s'étend dans un plan P traversé par la direction D, ladite bougie étant caractérisée en ce que l'extrémité de l'électrode centrale fait saillie de ladite face d'extrémité du manchon et est pourvue d'au moins un ergot, chaque ergot s'étendant dans une direction distincte prédéterminée E sensiblement parallèle au plan P, et en ce qu'elle comprend au moins une contre- électrode de forme allongée insérée dans le manchon isolant et reliée à la masse, et dont une extrémité est localisée sensiblement à l'aplomb d'un ergot de l'électrode centrale, de manière à générer une amplification suffisante du champ électrique au niveau de l'extrémité dudit ergot pour faire jaillir et guider l'étincelle de ladite extrémité dudit ergot vers l'électrode de masse lors de l'application d'une haute tension à l'électrode centrale. Il est ainsi possible de diriger l'étincelle dans au moins une direction souhaitée tout en renforçant la résistance mécanique du manchon. Les contraintes sont en effet localisées autour de la contre-électrode dans une petite partie du manchon dont la résistance mécanique est ainsi augmentée et dont la durée de vie peut atteindre celle du véhicule, permettant son intégration définitive à la culasse. Dans une variante, ledit au moins un ergot est en contact avec ladite face d'extrémité du manchon afin de réduire la tension d'éclatement de la bougie. Dans une variante, l'électrode centrale est reliée à une borne de polarité positive, de sorte que c'est l'électrode de masse et non l'isolant ou l'électrode centrale, qui va s'user. Ce choix de polarité permet également de réduire sensiblement la tension de claquage. L'électrode de masse présentant un volume important par rapport à ces derniers, son usure n'affectera pas le fonctionnement de la bougie à long terme. Dans une variante, ladite au moins une contre-électrode est sensiblement en forme de barre ou de fil et/ou s'étend sensiblement parallèlement à un ergot. Cette configuration permet de faciliter son insertion dans le manchon de la bougie tout en réduisant encore les contraintes exercées par la contre-électrode sur le manchon environnant. Dans une variante, la partie du manchon portant ladite face d'extrémité est de forme asymétrique et/ou présente une section de dimensions plus faibles relativement au reste du manchon. Il est ainsi possible de réduire l'encombrement de la bougie, ce qui permet de la 2861509 4 loger plus facilement dans des culasses comportant de faibles volumes libres. Dans une variante, ledit au moins un ergot présente une forme allongée effilée en direction de son extrémité. Une telle forme permet de créer un effet de pointe favorisant la formation de l'étincelle à l'extrémité de l'ergot et limitant l'usure de cette dernière. Dans un mode de réalisation, la bougie comporte en outre un culot métallique, ladite contre-électrode étant conformée dans la matière qui constitue le culot, et ladite au moins une contre-électrode étant en contact avec, ou partiellement noyée dans ladite matière. Cette dernière variante permet d'améliorer le contact entre la contre-électrode et l'électrode de masse. Dans un autre mode de réalisation, la contre-électrode est directement conformée dans la matière qui constitue la culasse du moteur à combustion interne, et ladite au moins une contre-électrode étant en contact avec, ou partiellement noyée dans ladite matière. Un autre objet de l'invention concerne une culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile, comprenant au moins une bougie selon l'invention, la géométrie et/ou les dimensions de la section de ladite face d'extrémité de ladite au moins une bougie étant choisies en fonction du nombre et de l'emplacement de conduites d'injection d'air et/ou carburant présentes dans la culasse. Dans un autre mode de réalisation, la culasse comprend au moins une bougie selon l'invention, et chaque bougie d'allumage est orientée de manière à ce que la direction (E) d'au moins un ergot soit dirigée vers le mélange air/carburant, afin que l'étincelle se propage suivant la direction (E). L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une vue en coupe axiale d'une bougie de la figure 2 dans une culasse de moteur; 35 bougie à effet de surface à étincelle radiale selon l'art antérieur; la figure 2 représente une vue de face d'une bougie selon l'invention; la figure 3 représente une 2861509 5 - la figure 4 représente une vue en perspective d'une électrode centrale d'une bougie selon l'invention; - la figure 5 représente une vue en perspective d'une culasse de moteur comportant deux bougies selon l'invention. - Les figures 6, à 9 représentent des vues de dessous de culasses de moteur comportant une ou plusieurs bougies selon l'invention. Une bougie 10 selon l'invention est représentée sur les figures 2 et 3. Elle comporte une électrode centrale 11, sur laquelle sera appliquée une haute tension, entourée d'un manchon isolant 12 constitué d'une matière dont le coefficient diélectrique est supérieur à un, par exemple de la céramique. L'électrode 11 et le manchon 12 s'étendent dans une même direction privilégiée D. Sur la majeure partie de sa longueur, le manchon 12 présente une symétrie de révolution dont l'axe est confondu avec la direction D. A son extrémité inférieure, le manchon comporte une face d'extrémité 13 sensiblement plane, le long de laquelle l'étincelle peut se propager. Cette face d'extrémité 13 s'étend dans un plan P traversé par la direction D. Ce plan P est perpendiculaire au plan de la feuille des figures 2 et 3. Une fois la bougie insérée dans une culasse, ce plan est confondu ou sensiblement parallèle avec le dessous de la culasse. L'angle d'inclinaison entre le plan P et la direction D sera alors déterminé en fonction de l'inclinaison de la bougie par rapport au dessous de la culasse dans laquelle elle doit être insérée. Ainsi, pour certaines culasses, le peu de place disponible au-dessus de la culasse nécessite l'insertion inclinée de la bougie par rapport à l'axe de la culasse, la face d'extrémité 13 étant placée sensiblement dans le prolongement de la surface du dessous de la culasse. A proximité de sa face d'extrémité 13, le manchon 12 présente une partie de forme asymétrique 14. Cette partie asymétrique est par exemple obtenue en réalisant des échancrures 15 dans les parois latérales de la bougie. Dans le mode de réalisation des bougies représenté figures 2, 3 et 5 à 7, deux échancrures 15 sont réalisées, la section de la partie asymétrique 14 et la face d'extrémité 13 présentant alors sensiblement une forme de triangle aigu, le petit côté du triangle étant arrondi (figures 5 à 7). La section présente alors une surface plus 2861509 6 petite que le reste du manchon. Une telle réduction de la section du manchon présente l'avantage de réduire l'encombrement de la bougie et de faciliter son insertion dans une culasse. L'électrode centrale 11 présente une forme de tige cylindrique dont l'extrémité inférieure présente un ergot 16 qui fait saillie de la face d'extrémité 13 du manchon (figures 2 à 4). Cet ergot 16 s'étend dans une direction E sécante de la direction D. Il présente une forme effilée en direction de son extrémité libre de manière à limiter son usure. L'électrode centrale 11 est insérée dans le manchon, par exemple lors de sa fabrication, de sorte que l'ergot 16 soit plaqué contre la face d'extrémité 13 du manchon et s'étende ainsi sensiblement dans le même plan que celle-ci. Dans l'exemple, il est dirigé vers l'angle aigu de la face d'extrémité 13 en forme de triangle (figures 5 à 7). A proximité de sa face d'extrémité 13, le manchon isolant 12 comporte une contre-électrode 17 dont une extrémité est localisée sensiblement à l'aplomb de l'extrémité de l'ergot 16, et dont l'autre extrémité est reliée à une électrode de masse. Ainsi, la position de l'extrémité de cette électrode à l'aplomb de l'ergot permet la génération de l'étincelle à l'extrémité de l'ergot. Il n'est dès lors pas nécessaire que la contreélectrode 17 s'étende sur toute la périphérie du manchon, au contraire, il suffit qu'elle n'occupe qu'un faible volume du manchon, pourvu que son extrémité soit sensiblement à l'aplomb de l'extrémité de l'ergot. De préférence, afin de limiter les contraintes et de faciliter son insertion dans le manchon, la contre-électrode 17 présente une forme allongée de faibles dimensions par rapport à la section du manchon. Elle est par exemple symétrique, en forme de barre cylindrique ou de fil de faible diamètre s'étendant sensiblement parallèlement à l'ergot 16 à une distance d de ce dernier. Les dimensions de la contre-électrode sont choisies en fonction de l'encombrement et afin de réduire les contraintes mécaniques et d'améliorer la stabilité de l'étincelle. Son diamètre peut ainsi varier de quelques microns à quelques millimètres. De préférence, la distance d n'est pas trop élevée afin de limiter la tension de claquage, par exemple de l'ordre de 1,5 à 2 mm pour une tension de claquage de l'ordre de 18kV sous pression. La contre-électrode 17 peut être insérée dans le manchon 12 soit pendant la fabrication de celui-ci, par exemple par surmoulage dans le 2861509 7 matériau formant le manchon, soit après la fabrication en perçant un orifice dans la paroi du manchon apte à la recevoir. Les contraintes mécaniques sont alors localisées autour de la contre-électrode de faibles dimensions. Il est dès lors possible de réduire considérablement les dimensions de l'ergot 16 et de la contre-électrode 17, ce qui rend possible la réduction des dimensions de la partie inférieure 14 du manchon dont la forme peut désormais être choisie en fonction de la structure de la culasse. Dans les exemples représentés, l'électrode de masse est conformée dans le matériau de la culasse 18 du moteur reliée à la masse. Afin d'assurer un contact étroit entre la contre-électrode 17 et la culasse 18, une partie libre de la contre-électrode 17, saillant du manchon, est noyée dans le métal formant la culasse (figure 3). Cette configuration est par exemple obtenue en surmoulant la bougie dans le métal. On peut toutefois envisager d'autres modes de réalisation: l'extrémité de la contre-électrode 17, si elle présente une surface suffisante, peut par exemple affleurer la surface latérale du manchon 12 de la bougie, et venir en contact avec la culasse. Dans un autre mode de réalisation non représenté, l'électrode de masse peut être conformée en un culot métallique surmoulé sur la bougie, la contre-électrode 17 affleurant la surface du manchon venant en contact avec le culot relié à la masse, ou bien, une partie saillante de la contre-électrode étant noyée dans le métal du culot. La figure 5 représente une culasse 18 de moteur à combustion comportant deux bougies 10 selon l'invention. La culasse 18 est traversée par un conduit d'injection d'air 19 et un conduit d'injection de carburant 20 débouchant dans la chambre de combustion du moteur (non représentée). Chaque bougie 10 est placée dans la culasse 18 de sorte que la face d'extrémité 13 du manchon 12 débouche dans la chambre de combustion du moteur. Cette face d'extrémité 13 peut indifféremment faire saillie légèrement de la culasse ou être affleurante. L'orientation de la bougie dans la culasse est choisie de sorte que l'ergot 16 soit dirigé vers le jet de mélange air/carburant. Dans l'exemple représenté figure 5, les conduits 19, 20 et les bougies 10 sont répartis sur le pourtour de la culasse, les deux 2861509 8 conduits et les deux bougies se faisant face respectivement. Les ergots 16 respectifs des bougies sont dirigés l'un vers l'autre. Cette configuration est destinée notamment, sans toutefois s'y limiter, à un moteur de petite cylindrée à allumage commandé, pour lequel la fonction allumage est souvent difficile à résoudre en raison de l'encrassement dû aux défauts de carburation et aux remontées d'huile. Les bougies à effets de surface présentent en effet l'avantage de permettre la création d'étincelle même en cas d'encrassement, l'étincelle ayant en outre tendance à nettoyer la surface de l'isolant sur son passage en brûlant les dépôts. La forme de la section de l'extrémité de chaque bougie, c'est-à-dire la forme de la partie asymétrique 14 du manchon, est choisie de manière à ce que les épaisseurs de matière entre les bougies 10 et les conduits 19, 20 soient suffisantes pour assurer la robustesse de la culasse 18 tout en minimisant l'espace occupé par l'empreinte de la bougie. Lors de l'application d'une haute tension à l'électrode centrale 11, par l'intermédiaire d'un système d'allumage générateur de haute tension, le champ électrostatique maximal se situe dans l'espace qui sépare les extrémités de l'ergot 16 et de l'électrode de masse 17, de telle sorte que l'étincelle peut se former à l'extrémité de l'ergot 16. La présence de l'étincelle modifie l'architecture des lignes de champ électrostatiques de telle sorte qu'elle va se déplacer parallèlement à la contre-électrode 17 en s'éloignant de l'ergot 16, le long de la surface de la face d'extrémité 13. Si la contre-électrode 17 présente une section suffisamment faible, l'étincelle est stabilisée en direction et en position dans l'espace, ce qui lui permet d'occuper la même position dans la chambre de combustion à chaque allumage. De préférence, l'électrode centrale 11 est reliée à une borne de polarité positive, de sorte que lors de l'application de la haute tension, ce soit l'électrode de masse 18 et non l'électrode centrale 11 qui s'use. Les figures 6 à 9 représentent des exemples de configuration de culasses pour moteur comportant des conduits d'injection d'air et de carburant et des bougies selon l'invention. Les culasses sont représentées du côté de leur face dirigée vers la chambre de combustion. 2861509 9 La figure 6 représente une culasse à quatre soupapes par cylindre et cinq bougies 10, destinée, par exemple, à une injection indirecte de carburant. Deux conduits d'injection d'air 19 et deux conduits d'injection de carburant 20 sont répartis sur le pourtour de la culasse, quatre bougies 10 étant placées entre les quatre conduits à proximité de la périphérie de la culasse et une bougie 10 étant placée au centre de la culasse. Les ergots 16 des quatre bougies périphériques sont dirigés vers le centre de la culasse, tandis que celui de la bougie centrale est dirigé vers l'une des bougies périphériques. Cette configuration est particulièrement intéressante pour faire reculer les contraintes d'adaptation des taux de compression par rapport au cliquetis: le multi allumage permet d'obtenir cinq fronts de flamme qui atteignent la zone périphérique de la chambre de combustion plus rapidement que dans le cas d'un simple allumage central. La bougie centrale peut éventuellement être supprimée, l'allumage périphérique étant en général suffisant. Un exemple de système multi allumage pouvant être utilisé est par exemple décrit dans le document FR-2 792 374. Les échancrures 15 de l'extrémité des bougies périphériques ont une forme adaptée à une utilisation optimale de la surface projetée de la chambre. La bougie centrale peut présenter une symétrie de révolution classique en fonction de la place disponible. La figure 7 représente une culasse 18 similaire à celle de la figure 6, mais présentant en outre un injecteur central 21 pour l'injection directe de carburant. L'ergot de la bougie centrale est alors dirigé vers l'injecteur central 21. Cette bougie centrale peut également être supprimée pour des adaptations favorables des jets de l'injecteur 21. La figure 8 représente une configuration de culasse 18 pour une chambre de combustion à trois soupapes par cylindre et quatre bougies d'allumage. Deux conduits d'injection d'air 19 et un conduit d'injection de carburant 20 sont répartis régulièrement sur la périphérie de la culasse, trois bougies 10 étant réparties entre les conduits à proximité de la périphérie de la culasse, leur ergot 16 étant dirigé vers le centre de la culasse, une quatrième bougie centrale comportant trois ergots dirigés vers les trois bougies périphériques. La section de la face d'extrémité de la bougie présente une forme adaptée à l'encombrement, sensiblement en forme de triangle dont les pointes sont dirigées comme les ergots vers les bougies périphériques. Une, deux ou trois contre- 2861509 10 électrodes 17 peuvent alors être prévues selon les besoins. Cette configuration peut être utilisée pour un moteur à injection directe de carburant, elle est favorable aux petits alésages. La bougie selon l'invention peut être avantageusement utilisée pour une disposition classique de bougie centrale, pour une chambre de combustion à quatre soupapes par cylindre, tel que représenté sur la figure 9. La culasse présente deux conduits d'injection d'air 19 et deux conduits d'injection de carburant 20, la bougie 10 selon l'invention étant placée au centre de la culasse. La face d'extrémité de cette dernière présente alors une section en forme d'étoile à quatre branches, chaque branche étant dirigée entre deux conduits d'injection. Dans l'exemple représenté, l'électrode centrale de la bougie présente quatre ergots 16 dirigés chacun vers une pointe de la face d'extrémité. Ces quatre ergots peuvent être chacun associés à une contre-électrode 17, de sorte que l'étincelle éclate indifféremment dans l'une des quatre directions, ou bien, une, deux ou trois électrode(s) de masse peut(peuvent) être mise(s) en place pour privilégier une, deux ou trois direction(s) de propagation de l'étincelle. Bien entendu, d'autres configurations de bougies avec des orientations différentes des ergots peuvent être envisagées en fonction du moteur et de son environnement, afin de diriger l'étincelle au plus près du mélange air/ carburant. 2861509 11 REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage à effet de surface (10) pour culasse de moteur (18), comportant une électrode centrale (11) entourée d'un manchon isolant (12) et une électrode de masse (18) entourant le manchon, ladite électrode centrale et ledit manchon s'étendant dans une direction privilégiée (D), ledit manchon se terminant du côté destiné à être dirigé vers la culasse par une face d'extrémité (13) sensiblement plane le long de laquelle une étincelle peut se propager et qui s'étend dans un plan (P) traversé par la direction (D), caractérisée en ce que l'extrémité de ladite électrode centrale (11) fait saillie de ladite face d'extrémité du manchon et est pourvue d'au moins un ergot (16), chaque ergot (16) s'étendant dans une direction distincte prédéterminée (E) sensiblement parallèle au plan (P), et en ce qu'elle comprend au moins une contre-électrode (17) de forme allongée insérée dans le manchon isolant et reliée à la masse, et dont une extrémité est localisée sensiblement à l'aplomb d'un ergot (16) de l'électrode centrale, de manière à générer une amplification suffisante du champ électrique au niveau de l'extrémité dudit ergot pour faire jaillir et guider l'étincelle de ladite extrémité dudit ergot vers l'électrode de masse lors de l'application d'une haute tension à l'électrode centrale. 2. Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un ergot (16) est en contact avec ladite face d'extrémité (13) du manchon. 3. Bougie d'allumage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'électrode centrale (11) est reliée à une borne de polarité positive. 4. Bougie d'allumage selon des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite au moins une contre-électrode (17) est sensiblement en forme de barre ou de fil et/ou s'étend sensiblement parallèlement à un ergot. 5. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie du manchon (14) portant ladite face d'extrémité (13) est de forme asymétrique et/ou présente une section de dimensions plus faibles relativement au reste du manchon. 6. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit au moins un ergot (16) présente une forme allongée effilée en direction de son extrémité. 2861509 12 7. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la contre-électrode (17) est directement conformée dans la matière qui constitue la culasse du moteur à combustion interne, et ladite au moins une contre-électrode (17) étant en contact avec, ou partiellement noyée dans ladite matière. 8. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un culot métallique, ladite contre- électrode (17) étant conformée dans la matière qui constitue le culot, et ladite au moins une contre-électrode (17) étant en contact avec, ou partiellement noyée dans ladite matière. 9. Culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bougie (10) selon l'une des revendications 1 à 8, et en ce que la géométrie et/ou les dimensions de la section de ladite face d'extrémité (13) de ladite au moins une bougie sont choisies en fonction du nombre et de l'emplacement de conduites d'injection d'air (19) et/ou carburant (20) présentes dans la culasse. 10. Culasse pour moteur à combustion de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bougie (10) selon l'une des revendications 1 à 8, et en ce que chaque bougie d'allumage est orientée de manière à ce que la direction (E) d'au moins un ergot (16) soit dirigée vers le mélange air/carburant, afin que l'étincelle se propage suivant la direction (E).