Brevet FR2886776A1 — publié le 20061208

ELECTRODE NOTAMMENT D'UNE BOUGIE D'ALLUMAGE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne une électrode, notamment d'une bougie 5 d'allumage de moteur à combustion interne, comportant un corps de forme générale allongée. Les bougies à générations de plasma constituent des systèmes d'allumage multi-étincelles à haute fréquence, capables d'assurer dans les meilleures conditions l'allumage des moteurs à r o allumage commandé, tout en réduisant les émissions polluantes, notamment en mélange pauvre. Par contre, elles sont sujettes à l'encrassement, notamment à froid. Comme toutes les bougies, elles sont caractérisées par un indice thermique. Cet indice thermique prend en compte leur comportement thermique sur des points de fonctionnement moteur particuliers. Il traduit notamment leur capacité à supporter des températures suffisamment élevées pour éliminer l'encrassement par pyrolyse, sans faire de pré- allumage . Par les publications FR2859830, FR2859869, FR2859831, on connaît une bougie multi-étincelles dite froide, car elle ne monte pas suffisamment vite en température pour éviter l'encrassement. Sur de telles bougies, on a constaté en effet l'accumulation d'un dépôt de carbone sur les électrodes, qui réduit significativement l'isolation nécessaire entre la pointe de l'électrode centrale et le culot. Avec une mauvaise isolation, l'alimentation haute tension de la bougie risque alors d'être insuffisante, pour pouvoir provoquer les nécessaires claquages , déclencheurs d'étincelles. Pour éviter la formation de dépôts carbonés, notamment à froid, sur l'isolateur de la bougie exposé à l'atmosphère de la chambre de combustion, on peut chercher à augmenter la température de l'isolant, de manière à favoriser la destruction des dépôts par le phénomène de pyrolyse, dont l'efficacité dépend de la résistance thermique de l'ensemble de la bougie, y compris celle de l'isolant. z Les mesures prises habituellement pour augmenter la température de l'isolant trouvent leur limite dans l'apparition de pré-allumage sur les bougies, lorsqu'elles atteignent des températures trop élevées en fonctionnement. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention vise à régler l'indice thermique d'une bougie multi-étincelles de façon à ce qu'elle se comporte comme une bougie très chaude lorsque le moteur est encore froid et qu'elle se comporte comme une bougie tiède lorsque le moteur est chaud. ia A cet effet, l'invention propose une électrode du type cité ci-dessus, caractérisé en ce qu'un tronçon du corps de l'électrode comporte une cavité dans laquelle est placée une quantité déterminée de matériau fusible de telle sorte que le volume de la quantité à l'état solide est inférieur à celui de la cavité et de telle is sorte que le volume de la quantité à l'état liquide est inférieure ou égal à celui de la cavité. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la cavité est une cavité fermée. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le corps est 20 cylindrique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le tronçon comportant la cavité est tubulaire de section annulaire circulaire. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le tronçon comportant la cavité comporte: - une première portion de forme tubulaire à section annulaire et - une seconde portion de forme tubulaire à section annulaire de plus grande largeur que celle de la section de la première portion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la première portion est de forme tubulaire à section annulaire circulaire et en ce que la seconde portion est de forme tubulaire à section annulaire circulaire de plus grand diamètre que celui de la section de la première portion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'électrode comporte une composante supérieure et une composante inférieure. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la composante supérieure est choisie dans un matériau conducteur thermique et la première portion est constituée par une partie de la composante supérieure et par une partie de la composante inférieure concentrique à une partie de la composante supérieure, la partie de la composante supérieure étant interposée entre la partie de la composante inférieure et la cavité. to Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le matériau fusible est un métal ou un eutectique de métaux. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, une bougie multiétincelles comportant un bloc électriquement isolant interposé entre deux électrodes coaxiales, dont une électrode externe et une électrode interne décrite précédemment. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le tronçon du corps comportant la cavité est disposé axialement à l'intérieur du bloc électriquement isolant de la bougie. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la bougie comporte une chambre annulaire agencée radialement entre l'électrode externe et le bloc électriquement isolant et la chambre est ouverte sur l'extérieur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les parois de la chambre de la bougie sont métallisées. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la bougie comporte une chambre annulaire agencée coaxialement dans l'électrode externe et la chambre est ouverte sur l'extérieur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la chambre renferme une pièce de dilatation capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds. ^'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées. La figure 1 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles connue dans l'état de la technique. La figure 2 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles comportant, dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme solide selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente une vue en coupe selon l'axe A-A' de l'électrode centrale de la figure 2 selon le premier mode de réalisation de l'invention. i0 La figure 4 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles comportant, dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme liquide selon le premier mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente une vue en coupe selon l'axe B-B' de l'électrode centrale de la figure 4 selon le premier mode de réalisation de l'invention de l'invention. La figure 6 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles comportant dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme solide selon un second mode de réalisation de l'invention. La figure 7 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles comportant dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme liquide et dilaté selon le second mode de réalisation de l'invention. La figure 8 représente une vue en coupe d'une bougie multiétincelles comportant dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme solide et comportant entre le culot et l'électrode centrale, un volume mort selon l'invention. La figure 9 représente une vue en coupe d'une bougie multi-étincelles comportant dans une cavité de l'électrode centrale, une quantité de matériau fusible sous forme solide selon l'invention. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Tel que représenté à la figure 1, une bougie muti-étincelles 1 de type connu, comporte deux électrodes de génération de plasma, une électrode interne 2, appelée électrode centrale et une électrode externe 3, appelée culot , séparées par un bloc électriquement isolant, appelé isolateur 4 choisi, par exemple, en céramique. Le culot 3 entoure l'isolateur 4 et l'électrode centrale 2 est logée dans un alésage central de l'isolateur 4. L'électrode centrale 2 est composée d'un corps 24 cylindrique d'axe D, d'une première extrémité libre à partir de w laquelle se forment des étincelles, appelée tête 22, d'une seconde extrémité 23 libre opposée de raccordement électrique. Le corps 24 comporte une partie disposée à l'intérieur et à distance du culot 3 annulaire, dite partie interne . Le culot 3 présente de façon conventionnelle un filetage extérieur permettant de visser la bougie dans la culasse du moteur. Tel que représentés aux figures 2, 3, 8 et 9 un tronçon 241 de la partie interne du corps 24 de l'électrode centrale 2 comporte une cavité 5 fermée. Dans la cavité 5, est placée une quantité 8 déterminée de matériau fusible. Le matériau fusible est choisi de telle sorte que le volume de la quantité 8 à l'état solide est inférieur à celui de la cavité 5 et de telle sorte que le volume de la quantité 8 à l'état liquide est inférieur ou égal à celui de la cavité 5. Le matériau fusible est choisi parmi des métaux tel que le 25 cadmium, l'indium, le thallium, le sélénium, le sodium,l'étain ou parmi des eutectiques de métaux. Ce système dépend de deux températures de transition: la température de fusion du matériau fusible et la température de contact pour laquelle la dilatation induit le contact du matériau sous forme liquide avec le matériau de l'électrode. La température de contact dépend du coefficient de dilatation du métal fusible à l'état liquide et du rapport entre le volume de ce métal sous forme liquide et le volume du vide à combler. C'est cette température qui détermine la principale cassure de conductivité. Selon un premier mode de réalisation, le tronçon 241 a une forme tubulaire à section annulaire circulaire. Dans le cas où la bougie 1 est à basse température, la quantité 8 de matériau est à l'état solide. Tel que représenté à la figure 2, la cavité 5 n'est pas complètement remplie. Tel que représenté à la figure 3, la section de conduction est alors limitée à la section de passage des parois 21 du tronçon 241 de l'électrode centrale 2. Dans ce cas pour évacuer une puissance thermique donnée de la tête 22 vers la seconde extrémité de l'électrode za centrale 2, la section de passage étant réduite aux sections de la paroi 21 du tronçon 241 de l'électrode centrale 2, le gradient de température entre la tête 22 (côté chambre de combustion) et la seconde extrémité 23 de l'électrode 2 est plus élevé. Ceci se traduit par une température de tête 22 d'électrode 2 plus élevée. La bougie is 1 se comporte alors comme une bougie chaude. Dans le cas où la température de la bougie 1 augmente, le matériau fond et se dilate de telle sorte que toute la surface interne 51 du tronçon 241 est en contact avec la quantité 8 du matériau, tel que représenté aux figures 4 et 5. La surface de conduction est alors accrue. Dans ce cas, pour évacuer une puissance thermique donnée de la tête 22 vers la seconde extrémité 23, la section de passage étant accrue, le gradient de température est réduit. Ceci se traduit par un refroidissement accru de la tête 22 d'électrode 2. La bougie 1 se comporte alors comme une bougie froide en limitant son échauffement. La bougie 1 est positionnée de telle façon qu'au démarrage du véhicule la position du matériau solidifié permet à la bougie de se comporter comme une bougie froide comme précédemment décrit. Selon un second mode de réalisation, l'électrode 2 cylindrique comporte deux composantes: une composante supérieure 25 et une composante inférieure 26. La composante supérieure 25 est choisie dans un matériau conducteur thermique tel que le cuivre de façon à évacuer une puissance thermique donnée de la tête 22 de l'électrode vers la seconde extrémité 23 de l'électrode centrale 2. La composante inférieure 26 est choisie dans un matériau de telle façon qu'elle résiste à l'oxydation. Par exemple, la composante 5 inférieure 26 peut être choisie en nickel. Le tronçon 241 comporte une première portion 241a de forme tubulaire à section annulaire circulaire et une seconde portion 241b de forme tubulaire à section annulaire circulaire de plus grand diamètre que celui de la section de la première portion 241a. 1a La première portion 241a joue le rôle d'un volume de sécurité pour éviter, en cas de dilatation excessive du métal, c'est-à-dire une cassure de l'électrode 2. La seconde portion 241 b est constituée par une partie de la composante supérieure 25 et par une partie de la composante 1s inférieure 26 concentrique à une portion de la partie de la composante supérieure 25, cette portion étant interposée entre la partie de la composante inférieure 26 et la cavité 5. La seconde portion 241 b est constituée par une partie de la composante inférieure 26. Dans le cas où la bougie 1 est à basse température, la quantité 8 de matériau est à l'état solide. Tel que représenté à la figure 6, la seconde portion 241b de la cavité 5 n'est pas complètement remplie. La section de conduction est alors limitée aux sections de la paroi 261 de la composante inférieure 26 de zs l'électrode 2. Dans ce cas pour évacuer une puissance thermique donnée de la tête 22 vers la seconde extrémité de l'électrode centrale 2, le gradient de température entre la tête 22 (côté chambre de combustion) et la seconde extrémité 23 de l'électrode 2 est plus élevé. Ceci se traduit par une température de tête 22 d'électrode 2 plus élevée. La bougie 1 se comporte alors comme une bougie chaude. Dans le cas où la température de la bougie 1 augmente, le matériau fond et se dilate de telle sorte que la seconde portion 241 b est complètement remplie et la première portion 241a est remplie en partie, tel que représenté à la figure 7. La section de conduction est alors accrue. Elle comporte les parois 261 de la composante inférieure 26 et les parois 251 de la composante supérieure 25 qui sont concentriques aux parois 261 de la composante inférieure 26. Dans ce cas, pour évacuer une puissance thermique donnée de la tête 22 vers la seconde extrémité 23, le gradient de température est réduit. Ceci se traduit par un refroidissement accru de la tête 22 d'électrode 2. La bougie 1 se comporte alors comme une bougie froide en limitant son échauffement. Io La bougie 1 est positionnée de telle façon qu'au démarrage du véhicule la position du matériau solidifié permet à la bougie de se comporter comme une bougie froide comme précédemment décrit. Selon une autre caractéristique de l'invention, tel que représenté à la figure 8, la bougie 1 peut, en plus, comporter un volume mort 6 constituant une chambre ouverte vers l'extérieur. La chambre peut s'étendre entre le culot 3 et l'isolateur 4 ou dans la masse de l'isolateur 4. Conformément au schéma, la chambre peut avantageusement présenter un premier secteur tubulaire 6a raccordé à un deuxième secteur circulaire 6b ouvert sur l'extérieur. Selon une autre caractéristique de l'invention, telle que représentée sur la figure 8, les parois de la chambre peuvent être métallisées. La couche, ou manchon de métal 7 appliqué sur l'isolateur 4 se retrouve alors en contact direct avec les gaz chauds, et particulièrement oxydants en mélange pauvre ( lean bure)) de la chambre de combustion. La métallisation des parois de la chambre 6 permet en particulier d'empêcher la création d'un plasma entre la céramique de l'isolateur 4 et le culot 3. Cette couche métallique 7 peut être par exemple constituée d'un manchon brasé sur la céramique, qui permettra d'assurer la résistance de celle-ci aux gaz oxydants. Dans la pratique l'épaisseur du manchon pourra être un compromis entre sa tenue à l'érosion thermochimique, sa résistance thermique et son coût de réalisation. En effet, si le manchon est trop épais, sa résistance thermique sera trop faible, et la céramique ne s'échauffera pas assez pour détruire les dépôts par pyrolyse. Le matériau du manchon sera par ailleurs choisi en fonction de sa conductivité et de son coefficient de dilatation qui doit être compatible avec celui de la céramique et les propriétés mécaniques de cette dernière. Enfin, sans sortir du cadre de l'invention, la couche métallique peut être elle-même protégée par un dépôt inerte, une fine couche de céramique, ou un autre dépôt métallique particulièrement résistant à l'oxydation, comme le nickel. Selon une autre caractéristique de l'invention, telle que représentée à la figure 9, la chambre 6 est une simple ouverture tubulaire aménagée dans la masse du culot 3. Dans ce cas, la chambre 6 constitue une découpe dans la masse du culot 3. L'application d'une couche métallique 7 peut être aussi très utile pour protéger la céramique contre les gaz oxydants. Ici, la métallisation sera appliquée simplement sur l'interface de liaison entre la is céramique 4 et le culot 3 indépendamment de la chambre 6. Selon une autre caractéristique de l'invention non représentée, la chambre peut renfermer une pièce de dilatation capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds. Cette pièce de dilatation peut être un manchon ondulé ou des collerettes faisant office de volets. L'ensemble de ces mesures proposées par l'invention permet de régler l'indice thermique de la bougie, et plus particulièrement d'obtenir un indice thermique non linéaire. Le mode de réalisation décrit ne limite pas l'invention à l'application des bougies multi-étincelles. L'invention peut être appliquée à d'autres types de bougies. - 10-REVENDICATIONS 1. Electrode (2), notamment d'une bougie (1) d'allumage de moteur à combustion interne, comportant un corps (24) de forme générale 5 allongée caractérisée en ce qu'un tronçon (241) du corps (24) de l'électrode (2) comporte une cavité (5) dans laquelle est placée une quantité (8) déterminée de matériau fusible de telle sorte que le volume de la quantité (8) à l'état solide est inférieur à celui de la cavité (5) et de io telle sorte que le volume de la quantité (8) à l'état liquide est inférieure ou égal à celui de la cavité (5). 2. Electrode (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité (5) est une cavité fermée. 3. Electrode (2) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le corps (24) est cylindrique. 4. Electrode (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisée en ce que le tronçon (241) comportant la cavité (5) est tubulaire de section annulaire circulaire. 5. Electrode (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le tronçon (241) comportant la cavité (5) 25 comporte: - une première portion (241a) de forme tubulaire à section annulaire et - une seconde portion (241 b) de forme tubulaire à section annulaire de plus grande largeur que celle de la section de la première portion 30 (241a). 6. Electrode (2) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la première portion (241a) est de forme tubulaire à section annulaire circulaire et en ce que la seconde portion (241 b) est de forme -l1tubulaire à section annulaire circulaire de plus grand diamètre que celui de la section de la première portion (241 a). 7. Electrode (2) selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, s caractérisée en ce que l'électrode (2) comporte une composante supérieure (25) et une composante inférieure (26). 8. Electrode (2) selon la revendication 7, caractérisée en ce que la composante supérieure (25) est choisie dans un matériau conducteur thermique et la première portion (241a) est constituée par une partie de la composante supérieure (25) et par une partie de la composante inférieure (26) concentrique à une partie de la composante supérieure (25) , la partie de la composante supérieure (25) étant interposée entre la partie de la composante inférieure (26) et la cavité (5). 9. Electrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau fusible est un métal ou un eutectique de métaux. 10. Bougie (1) mufti-étincelles comportant un bloc électriquement isolant (4) interposé entre deux électrodes coaxiales, dont une électrode externe (3) et une électrode interne (2) qui est réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Bougie (1) selon la revendication 10, caractérisée en ce que le tronçon (241) du corps (24) comportant la cavité (5) est disposé axialement à l'intérieur du bloc électriquement isolant (4). 12. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes I O à 11, caractérisé en ce que la bougie (1) comporte une chambre (6) annulaire agencée radialement entre l'électrode externe (3) et le bloc électriquement isolant (4) et la chambre (6) est ouverte sur l'extérieur. io - 1 2 - 13. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 à 12, caractérisé en ce que les parois de la chambre (6) sont métallisées. 14. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 à 11, caractérisé en ce que la bougie (1) comporte une chambre (6) annulaire agencée coaxialement dans l'électrode externe (3) et fa chambre (6) est ouverte sur l'extérieur. 15. Bougie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 à 14, caractérisé en ce que la chambre (6) renferme une pièce de dilatation capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds.