Brevet FR2878086A1 — publié le 20060519

BOUGIE A PLASMA RADIOFREQUENCE La présente invention concerne, de façon générale, les bougies à plasma radiofréquence. Plus particulièrement, l'invention concerne une bougie d'allumage, dite plasma à radiofréquence, destinée à équiper une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, et comportant: - un culot annulaire d'axe principal D formé dans un premier matériau conducteur et possédant des première et seconde extrémités, et une surface circulaire extrême d'axe principal de symétrie D située à la première extrémité du culot; - une électrode centrale formée dans un second matériau conducteur, s'étendant le long de l'axe principal D et comportant une portion interne disposée à l'intérieur dudit culot annulaire et une portion externe disposée à l'extérieur dudit culot annulaire, à plus grande proximité de la première extrémité du culot que de la seconde; - une pièce isolante électriquement de forme annulaire s'étendant au moins autour de la portion interne de l'électrode centrale de façon à s'interposer entre le culot et l'électrode, cette pièce isolante ne recouvrant qu'une partie de la portion externe de l'électrode centrale de façon à ce que la partie de la portion externe non recouverte soit en contact avec un mélange gazeux environnant la bougie. L'allumage des moteurs à combustion interne essence, consistant à initier la combustion d'un mélange air-essence dans une chambre de combustion dudit moteur, est relativement bien maîtrisé dans les moteurs actuels. Toutefois, pour satisfaire les normes de pollution, les constructeurs automobiles ont développé des moteurs à allumage commandé aptes à fonctionner avec des mélanges carburés pauvres, c'est-à-dire présentant un excès d'air par rapport à la quantité de carburant injectée. L'allumage d'un mélange pauvre en carburant est toutefois difficiles à maîtriser. Pour cela, et afin d'augmenter la probabilité d'allumage réussi, il est nécessaire d'avoir des mélanges plus riches en carburant autour de la bougie au moment où l'étincelle se produit. Toujours pour augmenter la probabilité d'allumage du mélange par la bougie, de nouvelles bougies à étincelle de surface ont été développées afin de produire des étincelles plus grandes pour traiter le problème du rendez-vous spatio-temporel entre le mélange de carburant et l'étincelle. On allume ainsi un volume de mélange supérieur et la probabilité d'initiation de la combustion est alors très largement augmentée. De telles bougies sont notamment décrites dans les demandes de brevet FR97-14799, FR99-09473 et FR00-13821. De telles bougies génèrent des étincelles de tailles importantes à partir de différences de potentiel réduites. Les bougies à étincelles de surface présentent un diélectrique (pièce isolante) séparant les électrodes (une électrode étant le culot annulaire et l'autre électrode étant l'électrode centrale) dans la zone où la distance les séparant est la plus faible; on guide ainsi les étincelles formées entre les électrodes sur la surface du diélectrique. Ces bougies amplifient le champ inter-électrode à la surface du diélectrique. On charge pour cela progressivement les capacités élémentaires formées par le diélectrique et une électrode sous-jacente. Les bougies génèrent une étincelle se propageant le long de la surface de l'isolant dans les zones où le champ électrique dans l'air/mélange gazeux est le plus fort. Dans ce contexte, la présente invention à donc pour objet de fournir une bougie d'allumage qui une fois assemblée dans une chambre de combustion permette d'augmenter la probabilité d'allumage du mélange environnant la bougie. A cette fin, la bougie d'allumage de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisée en ce que la pièce isolante possède un épaulement annulaire occultant toute la surface circulaire extrême du culot par rapport à la partie non recouverte de l'électrode. Avec une telle bougie: - d'une part la distance séparant le culot de la bougie, de l'électrode centrale (en suivant un chemin passant à la surface de la pièce isolante) est particulièrement importante puisqu'il est supérieur à la dimension minimale de la surface circulaire extrême (c'est à dire le diamètre de cette surface circulaire) ; - et d'autre part l'électrode centrale et le culot sont séparés par la pièce isolante et ne sont donc pas en vis à vis l'un de l'autre. Ces deux raisons font que lorsque l'électrode et le culot sont alimentés pour créer entre eux une différence de potentiel électrique importante (généralement variant de 5kV à 35KV en valeurs crêtes absolues) aucun arc électrique ne peut apparaître entre la surface circulaire extrême de la bougie et l'électrode centrale. Plus généralement lorsque la bougie selon l'invention est assemblée dans une chambre de combustion de véhicule, avec la partie de l'électrode centrale non recouverte par l'isolant, disposée à l'intérieur de la chambre, et avec le culot assemblé dans l'épaisseur de la paroi de la chambre, aucun arc électrique ne peut se produire entre le culot et l'électrode centrale. En effet l'accès au culot en partant de la partie non recouverte de l'électrode centrale est empêché par la présence de l'isolant. Dans ces conditions, la bougie selon l'invention, lorsque soumise à une excitation radiofréquence, c'est à dire une tension alternative entre le culot et l'électrode centrale (par exemple ladite tension alternative étant supérieure à 5kV et ayant une fréquence supérieure à 1 MHz) forme un plasma ramifié à proximité de l'électrode centrale et non un arc électrique. Il est bien entendu que cette tension et fréquence donnée est adaptée pour créer un plasma dans un mélange gazeux présentant une densité molaire supérieure à 5*10-2 mol/L. Le terme plasma ou plasma ramifié utilisé par la suite désigne la génération simultanée d'au moins plusieurs lignes ou chemins d'ionisations dans un volume gazeux donné, leurs ramifications étant en outre omnidirectionnelles. Alors qu'un plasma de volume implique le réchauffement de tout le volume dans lequel il doit être généré, le plasma ramifié ne nécessite que le chauffage sur le trajet des étincelles formées. Ainsi, pour un volume donné, l'énergie requise pour un plasma ramifié rte. est nettement inférieure à celle requise par un plasma de volume. Le plasma ramifié généré grâce à la bougie selon l'invention est généré à distance de la pièce isolante, en direction des parois de la chambre qui sont en vis à vis de l'électrode centrale ce qui permet de réduire la probabilité de génération d'un arc avec le culot et permet corrélativement de réduire l'usure des électrodes. Par rapport à l'arc électrique, le plasma possède l'avantage de comporter un grand nombre de chemins d'ionisations ou d'étincelles dans un volume de gaz important situé autour de l'électrode centrale ce qui augmente la probabilité d'allumage du mélange contenant du comburant. Une différence entre un arc électrique et un plasma ramifié est que: l'arc est constitué d'une seule chaîne de molécules de gaz ionisées s'étendant directement entre les électrodes et permet de transférer des électrons d'une électrode vers l'autre pour réduire la différence de potentiel électrique existante entre ces électrodes mises sous tension alors que; - le plasma produit selon l'invention est un ensemble de multiples chaînes de molécules ionisées de gaz s'étendant de façon désordonnée autour de l'électrode excitatrice et issue de ladite électrode. Ces multiples chaînes permettent de transférer alternativement des électrons entre ladite électrode et l'air situé à proximité et réciproquement. La formation d'une étincelle est initiée par l'arrachement au milieu (mélange gazeux) de quelques électrons soumis à un champ électrique important. Lors de l'application d'une tension importante entre les électrodes, des électrons d'une électrode sont accélérés par les forces électrostatiques générées entre les électrodes et heurtent le mélange gazeux contenant de l'air. La portion de l'électrode qui subit le champ électrostatique le plus important (généralement un angle d'une électrode ou une pointe proche de l'autre électrode) constitue le lieu de départ de la première avalanche. Les molécules de l'air sont chauffées et libèrent un électron et un photon ionisant à leur tour d'autres molécules d'air. Ainsi, une réaction en chaîne ionise l'air lors de l'application d'une tension importante entre des électrodes séparées par un isolant. L'air ionisé autour de l'électrode centrale, possède un potentiel proche de cette électrode centrale et se comporte comme un prolongement de celleci. Lors de la propagation du front d'avalanche (nom donné à une vague de migration massive de charges électriques dans le mélange gazeux), le champ électrique est amplifié en amont du front et favorise la création de nouvelles avalanches. Ainsi le phénomène à tendance à s'autoentretenir pour créer autour de l'électrode centrale une masse gazeuse ionisée conductrice en direction des parois de la chambre. Comme précédemment précisé la bougie de l'invention est mise sous tension alternative ce qui permet de faire varier le potentiel existant entre l'électrode centrale et le culot/chambre, ce potentiel pouvant être inversé. A chaque alternance de potentiel/polarité, les électrons sont de plus en plus accélérés dans des sens inverses. Une onde de polarisation se propage ainsi de manière oscillatoire à la fréquence de l'excitation, récupérant à chaque période les charges déposées à la période précédente. Chaque alternance produit alors une propagation de l'onde plus importante que la précédente; il est ainsi possible avec la bougie de l'invention ainsi alimentée d'obtenir des amplitudes d'étincelles relativement importante avec des tensions entre électrode et culot relativement importantes. L'excitation radiofréquence d'une telle bougie permet de plus en évitant les arcs de supprimer les variations de tension de claquage entre des cycles successifs. On peut par exemple faire en sorte que la surface circulaire extrême du culot soit en appui contre une surface complémentaire d'appui de l'épaulement de la pièce isolante. Cette caractéristique permet de supprimer l'espace entre la pièce isolante et le culot, ainsi la chaleur liée à la présence d'une flamme déclenché par le plasma peut être dissipée vers le culot ce qui évite une surchauffe de la céramique. On peut également faire en sorte que la pièce isolante possède une épaisseur minimale située à l'intérieur dudit culot, et l'épaulement de la pièce isolante possède une épaisseur d'épaulement supérieure ou égale à la moitié de ladite épaisseur minimale. Cette caractéristique permet d'éviter que la jonction entre la partie non recouverte de l'électrode centrale et donc la jonction air/céramique/électrode centrale ne soit trop proche du culot. Si cette partie non recouverte de l'électrode ou plus précisément cette jonction se trouvait trop proche du culot elle pourrait constituer une zone d'émission d'étincelle de surface. Il est également possible de faire en sorte que le culot, la pièce isolante électriquement, et l'électrode centrale soient des pièces de révolution ayant pour axe de symétrie commun l'axe principal D. La précision de placement relatif des constituants de la bougie par rapport à un axe de symétrie commun permet de centrer le plasma ramifié autour de cet axe D et de l'électrode centrale, ce qui facilite la localisation de la zone de la chambre de combustion dans laquelle se produisent les étincelles. On peut également faire en sorte que le culot annulaire ait la forme d'un tube cylindrique comportant à la première extrémité du culot un chanfrein interne venant en contact avec la surface circulaire extrême, ce chanfrein interne étant en contact contre un chanfrein complémentaire formé sur une portion de la pièce isolante. Cet assemblage de la pièce isolante contre le culot à l'aide de chanfrein complémentaires permet de mieux répartir les contraintes mécaniques existantes entre culot et pièce isolante en réduisant, voir en supprimant complètement les angles vis du culot en contact contre la pièce isolante. Des contraintes mécaniques trop importantes ou mal réparties peuvent conduire à une rupture de la céramique et un endommagement de la bougie. Ainsi cette caractéristique de chanfreins complémentaires l'un de l'autre permet d'augmenter la longévité de la bougie et sa capacité de résistance aux hautes températures et variations de températures. Ce mode de réalisation permet également d'augmenter la surface de contact entre la pièce isolante et le culot ce qui facilite le transfert de chaleur de la pièce isolante vers le culot et permet d'éviter une surchauffe de cette pièce isolante. De façon optimale, afin de répartir les contraintes mécaniques entre la pièce isolante et le culot, le chanfrein interne à une section transversale, selon un plan parallèle à l'axe principal D, de forme arrondie. Il est également possible de faire en sorte que l'épaulement annulaire comporte une extrémité distante du culot annulaire à la périphérie extérieure de laquelle est réalisé un chanfrein périphérique arrondi, coaxial par rapport à l'axe principal D. Ce chanfrein périphérique réduit ou supprime la présence d'angle vif, à la périphérie extérieure de la pièce annulaire, au niveau de l'extrémité de l'épaulement annulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une bougie décrite dans les demandes de brevets français FR03-10766, FR03-10767, FR03-10768 déposées par la demanderesse et non encore publiées; les figures 2A, 2B et 2C représentent des modes de réalisation de la bougie selon l'invention. La bougie 1 de la figure 1 est une bougie développée par la demanderesse pour être utilisée comme bougie de génération de plasma. Cette bougie fait l'objet de demandes de brevets non encore publiées à la date de dépôt de la présente demande. Cette bougie comporte une électrode centrale 7 cylindrique d'axe de symétrie D dont une portion, dite portion interne est disposée à l'intérieur et à distance d'un culot annulaire 3 qui à la forme d'un tube cylindrique d'axe D. Une pièce isolante de forme annulaire est également disposée en partie à l'intérieur du culot annulaire, autour de l'électrode centrale, de manière à séparer le culot de l'électrode centrale 7. La pièce isolante, l'électrode centrale et le culot 3 sont des pièces de révolution axées selon l'axe D. L'électrode centrale 7 possède une partie non recouverte 16 c'est à dire non entourée par la pièce isolante électriquement 10 et non entourée par le culot 3, cette partie non recouverte 16 étant disposée à l'intérieur de la chambre 2 de combustion du moteur. Le culot 3 possède une surface circulaire externe en forme de disque plan perforé en son centre et ayant pour axe de symétrie l'axe D et étant disposé perpendiculairement à cet axe D. Le culot 3 possède une liaison avec la paroi de la chambre 2 qui est généralement un filetage du culot dans un trou pratiqué au travers de la paroi. Le culot de la bougie ainsi assemblée avec la paroi de la chambre 2 est donc à iso potentiel électrique avec cette paroi, c'est à dire à un potentiel électrique de masse. Lorsque l'électrode centrale est alimentée en tension alternative centrée autour du potentiel de masse, cette tension étant d'une fréquence comprise entre 1 et 10Mhz, les électrons situés à proximité de la pointe 17 de l'électrode centrale se déplacent soit de l'électrode vers les parois de la chambre en passant par le mélange gazeux entourant la chambre, soit du mélange gazeux vers l'électrode. Dans les deux cas, l'alternance électrique est telle qu'un électron n'a pas le temps de passer de l'électrode centrale à la paroi de la chambre. L'air peut être ainsi ionisé sans qu'il n'y ait de réelle décharge électrique entre les deux bornes électriques constituées par l'électrode centrale 7 et par la paroi de la chambre 2. Cette ionisation crée un plasma localisé autour de la pointe 17 de l'électrode centrale qui concentre les charges électriques en mouvement autour d'un faible volume d'échange. Toutefois il a été constaté qu'avec ce type d'électrode, des décharges électriques entre la pointe et le culot peuvent apparaître dans le domaine de fréquence compris entre 1MHz et 10MHz. Ces décharges partent du culot annulaire et se propagent le long de la pièce isolante en suivant l'axe de l'électrode centrale. Ce mode d'obtention de l'étincelle n'est pas souhaité car il maintient l'étincelle près de la pièce isolante et favorise ainsi le refroidissement de la flamme ainsi créée. Afin de palier à cet inconvénient, les bougies des 20 types présentés aux figures 2A, 2B, 2C ont été développées. Les bougies de ces figures possèdent l'ensemble des caractéristiques décrites pour la bougie en référence à la figure 1, mais possèdent en outre un épaulement 11 pratiqué sur la pièce isolante 10 et occultant la surface circulaire externe 6 du culot 3. Cet épaulement 11 augmente la distance, en passant par le mélange gazeux, entre l'électrode et le culot, permettant ainsi d'éviter la création d'arc entre l'électrode centrale 17 et le culot 3. Grâce à cette configuration les électrodes des figures 2A, 2B et 2C, une fois disposées avec la pointe à l'intérieur de la chambre 2 et alimentées en courant alternatif par un générateur de haute tension alternative, créent un plasma au niveau de leurs pointes 17. L'épaisseur minimale e de la pièce isolante est située à l'intérieur du culot 3 et son épaisseur maximale E est au niveau de l'épaulement 11. L'épaulement de la pièce isolante 10 de la figure 2A est un épaulement possédant en section longitudinale des angles droits qui peuvent créer des concentrations de charges et de contraintes mécaniques. Pour cela, les bougies des figures 2B et 2C possèdent au niveau de la première extrémité 4 de culot 3, un chanfrein interne 13. La pièce isolante 10 possède un chanfrein complémentaire 14 venant en contact contre le chanfrein interne 13. Cette surface de contact importante permet d'évacuer la chaleur de la pièce isolante vers le culot ce qui prolonge la durée de vie moyenne de la bougie. Egalement la bougie selon l'invention de la figure 2C possède un chanfrein périphérique arrondi 15 formé sur l'épaulement annulaire il, à l'endroit de l'épaulement qui est le plus éloigné axialement du culot 3. Cet épaulement permet d'éviter un angle droit au niveau de l'épaulement, sur le chemin passant par le mélange gazeux, entre la pointe 17 et le culot annulaire 3. Cet arrondi réduit le risque de création d'arc. Le premier et le second matériau conducteur qui sont les matériaux respectifs de l'électrode centrale et du culot 3 sont, selon un mode particulier de l'invention, identiques entre eux. Ces matériaux sont des matériaux métalliques tels que des alliages cuivrés. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'extrémité de l'électrode centrale 7 peut être constituée d'une âme en cuivre entourée d'une gaine en nickel. Le matériau d'isolation est préférentiellement une céramique présentant une tension de claquage supérieure à 2OKv/mm. REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage (1), dite plasma à radiofréquence, destinée à équiper une chambre de combustion (2) d'un moteur à combustion interne, et comportant: - un culot annulaire (3) d'axe principal D formé dans un premier matériau conducteur et possédant des première et seconde extrémités (4, 5), et une surface circulaire extrême (6) d'axe principal de symétrie D située à la première extrémité (4) du culot (3) ; - une électrode centrale (7) formée dans un second matériau conducteur, s'étendant le long de l'axe principal D et comportant une portion interne (8) disposée à l'intérieur dudit culot annulaire (3) et une portion externe (9) disposée à l'extérieur dudit culot annulaire (3), à plus grande proximité de la première extrémité (4) du culot que de la seconde (5) ; - une pièce isolante électriquement (10) de forme annulaire s'étendant au moins autour de la portion interne (8) de l'électrode centrale (7) de façon à s'interposer entre le culot (3) et l'électrode (7), cette pièce isolante (10) ne recouvrant qu'une partie de la portion externe (9) de l'électrode centrale (7) de façon à ce que la partie de la portion externe non recouverte (16) soit en contact avec un mélange gazeux environnant la bougie; caractérisée en ce que la pièce isolante (10) possède un épaulement annulaire (11) occultant toute la surface circulaire extrême (6) du culot par rapport à la partie non recouverte (16) de l'électrode (7). 2. Bougie (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface circulaire extrême (6) du culot est en appui contre une surface complémentaire d'appui (12) de l'épaulement (11) de la pièce isolante (10) . 3. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la pièce isolante (10) possède une épaisseur minimale (e) située à l'intérieur dudit culot (3), et l'épaulement (11) de la pièce isolante (10) possède une épaisseur d'épaulement (E) supérieure ou égale à la moitié de ladite épaisseur minimale (e). 4. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface circulaire extrême (6) a la forme d'un disque plan percé en son centre. 5. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le culot (1), la pièce isolante électriquement (10) , et l'électrode centrale (7) sont des pièces de révolution ayant pour axe de symétrie commun l'axe principal D. 6. Bougie (1) selon la revendication 5, caractérisée en ce que le culot annulaire (3) a la forme d'un tube cylindrique comportant à la première extrémité (4) du culot un chanfrein interne (13) venant en contact avec la surface circulaire extrême (6), ce chanfrein interne (13) étant en contact contre un chanfrein complémentaire (14) formé sur une portion de la pièce isolante (10). 7. Bougie (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le chanfrein interne (13) à une section transversale, selon un plan parallèle à l'axe principal D, de forme arrondie. 8. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que l'épaulement annulaire (11) comporte une extrémité distante du culot annulaire à la périphérie extérieure de laquelle est réalisé un chanfrein périphérique arrondi (15), coaxial par rapport à l'axe principal D. 9. Bougie (1) selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la partie non recouverte (16) de l'électrode comporte une pointe (17). 10. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la pièce 15 isolante est en céramique.