Brevet FR2952501A1 — publié le 20110513

Domaine de l'invention La présente invention concerne une bougie de préchauffage, électrique pour des moteurs à combustion interne comportant un tube incandescent fermé logeant une spire de chauffage électroconductrice, fabriquée en un alliage FeCrAI. Etat de la technique Le document EP 101 57 466 Al décrit une bougie de préchauffage électrique (bougie de préchauffage à chauffage électrique) ainsi que son procédé de fabrication. La bougie de préchauffage électrique comporte un tube incandescent fermé à une extrémité et logeant une spire chauffante électroconductrice. La spire chauffante se compose au moins en partie d'aluminium, notamment d'un alliage fer - chrome - aluminium. Des donneurs d'oxygène sont prévus dans le tube incandescent pour former à la surface de la spire chauffante, une couche d'oxyde d'aluminium avant ou lors du chauffage de la spire. La spire chauffante est intégrée dans une première poudre isolante dans le tube incandescent ; cette première poudre isolante comporte une matière ayant des caractéristiques de donneur permanent d'oxygène. Il s'agit par exemple d'une poudre de céramique oxydante, par exemple une poudre de TiO2 ; à la place de la matière fonctionnant comme donneur d'oxygène, on peut utiliser par exemple également de l'oxyde de magnésium. Dans ces conditions, l'oxydation ne va être aidée qu'au niveau de la spire chauffante, ce qui permet d'éviter à la fois une oxydation trop faible de la spire chauffante et la corrosion de la spire de régulation. La poudre isolante qui, dans ce cas, est constituée par des matières ne contenant pas de donneurs d'oxygène, peut être une matière de donneurs pour lier l'oxygène tel que par exemple Si, Ti, Al ou encore des oxydes métalliques réduits. Pour aider le démarrage à froid d'un moteur à combustion interne à allumage non commandé, on utilise normalement des bougies de préchauffage ainsi que des systèmes de préchauffage composés d'un appareil de commande du temps de préchauffage. Si la configuration du système à incandescence n'est pas optimale, lorsque le moteur à combustion interne est froid, cela se traduit par une combustion incomplète, entraînant à son tour une forte 2 augmentation des émissions polluantes ou un très fort bruit de fonctionnement. Pour garantir une combustion complète au cours de la phase de fonctionnement à vide, à froid, dans la plupart des moteurs à combustion interne à allumage non commandé, il faut l'aide d'une incandescence à une température d'au moins 1100°C. Cela est vrai en particulier pour les moteurs à combustion interne à allumage non commandé, à taux compression trop bas, selon les constructions actuelles, et qui ont en général un plus mauvais comportement de fonctionnement à froid ou de démarrage à froid. Dans le cas de tels moteurs à combustion interne à allumage non commandé, il faut actuellement une température permanente d'incandescence de 1100°C. Les températures d'origine des bougies de préchauffage à incandescence que l'on peut atteindre tout en ayant une durée de vie suffisante, dans le cas de telles bougies à corps chauffant métallique, sont dans un ordre de grandeur d'environ 1000°C et la température des corps en matière céramique est d'environ 1200°C. Cela permet de respecter la condition citée ci-dessus d'une température d'incandescence permanente de 1100°C actuellement, seulement avec un type de bougie coûteux ayant un dispositif de chauffage en céramique, ce qui n'est pas souhaitable du point de vue du coût. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne une bougie de préchauffage électrique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la spire de chauffage est noyée dans une poudre de remplissage contenant des additifs de combinaison de Terres Rares ou d'éléments de Terres Rares. La bougie de préchauffage électrique selon l'invention optimise la composition de la poudre de remplissage d'une bougie de préchauffage (bougie crayon, en métal) à base d'oxyde de magnésium avec adjonction de composés de Terres Rares (composé TR) qui offre des avantages d'utilisation. La solution selon l'invention permet d'atteindre une température d'incandescence, maximale plus élevée et une température de post-incandescence plus élevée pour une bougie d'allumage en métal, pour une même durée de vie. En variante, on aura une durée de vie plus élevée dans les conditions d'utilisation actuelles 3 d'une bougie de préchauffage en métal sans nécessiter la mise en oeuvre d'un système coûteux de bougie avec un dispositif de chauffage en céramique. La bougie de préchauffage selon l'invention se caractérise en outre par une plus grande durée de vie de la spire chauffante sollicitée par des températures élevées, dans le cas de températures permanentes atteintes usuellement et qui sont de l'ordre de grandeur d'environ 980°C. On pourra atteindre une température permanente plus élevée avec la bougie de préchauffage pour une durée de vie sensiblement identique. Grâce à l'utilisation des procédés de fabrication usuels, la solution selon l'invention se met en oeuvre très simplement. Il ne faut aucune modification importante de la conception de série ni du procédé de fabrication de la bougie de préchauffage, métallique car la composition de la charge de poudre est modifiée et les conditions limites, extérieures restent pratiquement les mêmes. L'adjonction de faibles quantités d'éléments de Terres Rares (éléments TR) a une influence significative sur le comportement d'oxydation et les opérations de diffusion dans les alliages du conducteur chauffant. De tels éléments TR que l'on ajoute à la poudre de remplissage (charge de poudre) d'une bougie de préchauffage, sont des Terres Rares telles que par exemple Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, et Y. Comme la plupart des Terres Rares sont d'un coup très élevées, on utilise généralement les éléments Cer tels que l'Yttrium pour une fabrication en série. Selon la présente invention, on augmente la durée de vie de la spire chauffante en modifiant la composition de la poudre de remplissage. Grâce à l'adjonction de faibles quantités d'un composé contenant des Terres Rares, on peut d'une part compenser les gradients de concentration de l'élément de Terres Rares caractéristique dans la spire chauffante et, d'autre part dans la poudre de remplissage. Grâce à cette caractéristique, la diffusion des atomes de Terres Rares dans le corps chauffant sera réduite au minimum, voire bloquée. Comme conséquence, le taux de croissance de la couche d'oxyde à la surface de la spire chauffante reste pratiquement constant dans toute la durée de 4 vie de la bougie à incandescence et on évite que la couche d'oxyde se détache en éclatant. En outre, on ralentit le dégagement par diffusion vers l'extérieur, des éléments d'alliage tels que par exemple Al dans la poudre de remplissage et on bloque par exemple cette diffusion, ce qui diminue la variation des caractéristiques thermiques et électriques pendant la durée de vie. Vis-à-vis des alliages disponibles dans le commerce tels que par exemple l'alliage Kanthal AF, l'utilisation d'oxyde d'Yttrium Y203 comme additif de dopage dans une poudre de remplissage classique à base d'oxyde de magnésium MgO, est une solution avantageuse, à la fois pour des raisons techniques et des raisons économiques. Un mélange de poudre Y203-MgO se règle de préférence pour que la teneur en Yttrium pur du mélange soit aussi élevée que dans l'alliage chauffant utilisé, par exemple pour Kanthal AF, cela représente au moins 0,1 % au poids. A la place des éléments évoqués ci-dessus tels que Cer et Y, on peut également utiliser d'autres combinaisons de Terres Rares c'est-à-dire non seulement des oxydes, suivant le type d'application. En outre il n'est pas indispensable que l'additif de dopage de la poudre de remplissage soit réparti de manière homogène à l'intérieur du tube incandescent de la bougie de préchauffage. La répartition des combinaisons de Terres Rares dans la poudre de remplissage peut le cas échéant être choisie suivant le profil de concentration défini en fonction de l'application. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'une bougie de préchauffage électrique représenté dans l'unique figure annexée qui est une vue en coupe de principe de la bougie de préchauffage. Description des modes de réalisation de l'invention La figure unique montre la structure de principe d'une bougie de préchauffage selon l'invention. La bougie de préchauffage 10 comprend un élément intérieur comme corps chauffant pressé de manière étanche au gaz dans un boîtier 20. De manière générale, le corps chauffant comprend un tube à incandescence 18 entourant les composants en général branchés en série, à savoir la spire chauffante 12 et la spire de régulation 16, intégrées dans la poudre de remplissage 14, comprimée. L'étanchéité du tube à incandescence 18 se fait à l'aide d'un joint 22. Le 5 passage du courant dans la bougie de préchauffage 10 se fait par l'intermédiaire d'un connecteur rond 30, d'un goujon de branchement 24, de la spire de régulation 16, de la spire chauffante 12, du tube incandescent 18 ainsi que du boîtier 20 qui est en général relié électriquement à la masse du véhicule. Un disque isolant 28 est prévu entre le connecteur rond 30 et le joint de boîtier 26 ; ce disque isolant sert à l'isolation électrique du courant de préchauffage par rapport à la masse du véhicule. Un joint de boîtier (voir la référence 26) assure l'étanchéité du boîtier 20 dans la zone d'enfichage, contre les milieux environnants. Lorsqu'on applique le courant de préchauffage à la bougie de préchauffage 10, la plus grande partie de l'énergie est libérée à l'intérieur de la spire chauffante 12. La température maximale que la bougie de préchauffage 10 peut atteindre se situe en général dans la plage de la spire chauffante 12. La spire chauffante 12 doit résister à une contrainte de température élevée, supérieure à 1200°C et un gradient de température le plus élevé, à savoir supérieur à 500°C/s. Le choix des matériaux servant à la fabrication de la spire chauffante 12 se limite ainsi à des alliages de conducteurs chauffants. Ces alliages se caractérisent par une température d'utilisation très élevée située dans la plage comprise entre 1200°C et 1350°C, avec en même temps une très forte sollicitation électrique. Un exemple d'un tel alliage est l'alliage Kanthal AF (1.4765). Les alliages de conducteurs chauffants sans additif de Terres Rares, les vitesses de diffusion d'un élément d'alliage tel que par exemple Al dans l'alliage, vers la surface pour passer dans la poudre et dans les éléments de l'environnement tel que par exemple 02- de l'alliage sont relativement élevés. Dans le cas de l'oxydation, cela développe des micropores de l'ordre de grandeur compris entre 50 nm et 150 nm. L'effet le plus élevé non souhaité des micropores 42 est de risquer de faire éclater la couche protectrice d'oxyde qui se développe. 6 Au cas où l'on ajoute à l'alliage de la spire chauffante, de l'Yttrium, la structure de la couche oxydée est significativement plus stable. La formation de micropores 42 et ainsi la tendance à l'éclatement de la couche d'oxyde sont réduites de façon considérable pour la spire chauffante. Dans le cas d'un alliage d'Yttrium, les cations Y3+ font que dans ces conditions, le coefficient de diffusion Y3+ est beaucoup plus petit que le coefficient de diffusion des cations A13+ ou des anions 02- au niveau de la limite des grains ; cette barrière de diffusion supplémentaire réduit fortement, voire bloque, la diffusion équiaxiale des cations A13+ de l'intérieur vers l'extérieur et la diffusion en sens inverse des anions 02- de l'extérieur vers l'intérieur. La durée de vie de la spire chauffante 12 ainsi utilisée est augmentée de manière significative grâce à la solution proposée de l'invention consistant à modifier la poudre de remplissage ou charge 14. En ajoutant de faibles quantités des combinaisons de Terres Rares telles que par exemple Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, et Y, on peut adapter les concentrations des éléments de Terres Rares caractéristiques de la spire chauffante 12 et la concentration du même élément de Terres Rares dans la poudre de remplissage 14. Cela permet de minimiser la diffusion équiaxiale des anions 02- dans la direction perpendiculaire à la surface de la spire chauffante, dans la spire chauffante 12 et le dégagement d'éléments d'alliage qui sortent de la spire chauffante 12. En conséquence, le taux de croissance de la couche d'oxyde 40 à la surface de la spire chauffante 12 reste pratiquement constant sur toute la durée de vie de la bougie de préchauffage 10, et on évite ou on réduit fortement l'éclatement de la couche d'oxyde à cause du développement des micropores 42. En outre, l'élément d'alliage Y réduit la croissance des micropores. La couche d'oxyde 40 qui s'établit présente pour cette raison une structure mécanique beaucoup plus stable. Par rapport à l'alliage de conducteurs chauffants du commerce, à savoir le Kanthal AF, l'utilisation par exemple Y203 comme additif de dopage à de la poudre classique 12 à base d'oxyde de 7 magnésium MgO, est une solution intéressante tant du point de vue technique que du point de vue économique. Les procédés de mélange appropriés sont connus en soi. La concentration de Y2O3 dans le mélange de la poudre de remplissage 14, c'est-à-dire dans un mélange de poudre Y2O3-MgO, est de préférence réglée pour que la concentration d'Yttrium pur dans le mélange de poudre corresponde au moins à la concentration d'Yttrium dans la spire chauffante 12. A côté des éléments de Terres Rares Ce et Y évoqués ci-dessus, on peut également utiliser d'autres combinaisons de Terres Rares, non seulement des oxydes ainsi que d'autres éléments de Terres Rares non seulement de l'Yttrium, selon l'application. L'additif de dopage de la poudre de remplissage 14 c'est-à-dire des Terres Rares, des éléments de Terres Rares peuvent être répartis à l'intérieur du corps chauffant, c'est-à-dire au niveau du tube incandescent 18 entourant la spire chauffante 12, de façon à avoir un profil de concentration défini en fonction de chaque application. REVENDICATIONS1 °) Bougie de préchauffage, électrique (10) pour des moteurs à combustion interne comportant un tube incandescent (18) fermé, logeant une spire de chauffage (12) électroconductrice, fabriquée en un alliage FeCrAI, caractérisée en ce que la spire de chauffage (12) est noyée dans une poudre de remplissage (14) contenant des additifs de combinaison de Terres Rares ou d'éléments de Terres Rares. 2°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs sont choisis dans le groupe des Terres Rares : Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, et Y, et les combinaisons de Terres Rares. 3°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que des additifs sont choisis dans le groupe des oxydes des éléments suivants : Y, Zr, La, Ce, Hf, Ti, Nd. 4°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poudre de remplissage (14) est fabriquée à base de MgO. 5°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs des combinaisons de Terres Rares ou des éléments de Terres Rares constituent une barrière de diffusion dans une couche d'oxyde (40) et dans la spire chauffante (12). 6°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs de Terres Rares sont notamment l'Yttrium (Y) ou l'oxyde d'Yttrium (Y2O3) qui dans la couche d'oxyde sur la surface enveloppe de10 la spire chauffante (12) provoque le développement d'une structure lamellaire plus stable. 7°) Bougie de préchauffage électrique selon la revendication 1, 5 caractérisée en ce que la concentration de l'additif d'éléments de Terres Rares dans la poudre de remplissage (14) correspond au moins à la concentration de cet élément de Terres Rares de la matière de la spire chauffante. 10 8°) Procédé de remplissage d'une bougie de préchauffage électrique (10) selon une ou plusieurs revendications 1 à 7, caractérisé en ce que on fait le remplissage du tube incandescent (18) avec des additifs de combinaison de Terres Rares ou des éléments de Terres Rares dans la 15 poudre de remplissage avec un profil de concentration non homogène, notamment un profil de concentration non homogène dans la direction axiale. 20