Brevet FR2959071A1 — publié le 20111021

Bougie d'allumage équipée de moyens de prévention des courts- circuits La présente invention concerne une bougie 5 d'allumage, du type plasma à radiofréquence (RF), pour moteur à combustion interne. Plus précisément la bougie de l'invention est équipée de moyens permettant d'éviter les phénomènes de court-circuit. Pour augmenter les dimensions de l'étincelle produite lors de l'allumage, il est connu d'utiliser une bougie à plasma radiofréquence ayant une électrode centrale à extrémité pointue portée à haute tension et générant une étincelle multifilamentaire de très grande taille. Une telle bougie qui est décrite, par exemple, dans les FR 2 878 086, FR 2 886 776, FR 2 888 421, FR2 895 169 et FR 2 895 170,comporte : - un culot cylindrique d'axe principal formé dans un premier matériau électriquement conducteur, une électrode centrale formée dans un second matériau conducteur et s'étendant selon l'axe principal et, - un corps formé dans un matériau électriquement isolant, disposé entre ledit culot et ladite électrode, en présentant une face latérale interne de contact avec 25 l'électrode et au-delà de laquelle une portion d'extrémité de l'électrode fait saillie. Cependant, il a été observé qu'au fur et à mesure de l'utilisation de ces bougies, la taille de l'étincelle diminue progressivement. 30 Ce phénomène est dû au fait que la face externe du corps isolant qui est au contact du mélange gazeux carburé et de la flamme, s'encrasse avec les résidus de combustion. 10 15 20 En outre, une étincelle parasite apparaît sur la face externe encrassée entre l'électrode centrale et le culot de masse périphérique. En fonction du niveau d'encrassement, l'étincelle parasite peut, soit seulement consommer une partie de l'énergie disponible dans l'alimentation radiofréquence (RF) ce qui réduit néanmoins le volume de l'étincelle principale, soit provoquer un court-circuit qui bloque l'émission de l'étincelle principale. L'origine du problème réside dans le profil de la jonction entre la face externe du corps isolant et l'électrode centrale où les milieux diélectrique-métal-air sont en contact. Plus précisément, le corps présente un conduit central dans lequel est logée l'électrode centrale. Pour des raisons de fabrication industrielle, il est impossible de réaliser un conduit à bord vif de sorte que la face externe du corps diélectrique ne peut être orientée perpendiculairement à la paroi de l'électrode et présente alors une légère inclinaison ou une courbure. Il subsiste donc un faible espace libre où les lignes de champ électrostatique traversent un volume d'air dont la constante diélectrique est voisine de l'unité avant de rentrer dans le corps dont la constante diélectrique est plus élevée et de l'ordre de 7 à 9. Dans ces conditions, l'intensité du champ électrique se trouve renforcée dans la zone locale de jonction corps-électrode où le seuil d'ionisation de l'air s'avère être largement dépassé. En conséquence, la surface inclinée ou curviligne du corps isolant dans la zone de jonction génère une composante tangentielle du champ qui favorise la propagation d'un phénomène d'avalanche d'ionisation. Or, ce phénomène contribue à l'amorçage d'une étincelle parasite de surface entretenue par la présence d'une couche semi-conductrice de carbone liée à l'encrassement de la face externe du corps. Les bougies radiofréquence de l'art antérieur ont seulement cherché à réduire l'encrassement du corps. La présente invention a pour but de résoudre le problème technique exposé ci-dessus en intervenant sur l'origine du problème, c'est-à-dire, en visant à éviter le renforcement du champ électrique à la jonction entre la face externe du corps diélectrique et l'électrode centrale. Ce but est atteint, selon l'invention, au moyen d'une bougie dont le corps diélectrique comporte au moins une cavité annulaire d'axe central, ménagée sur sa face latérale de contact avec l'électrode de façon à modifier localement les lignes du champ électrostatique à la jonction entre la face externe du dit corps et l'électrode. Selon une caractéristique avantageuse, ladite cavité est pourvue d'au moins un élément métallique de garnissage s'étendant, au moins partiellement, le long de la face latérale interne du corps en contact avec l'électrode et dont le coefficient de dilatation thermique est voisin de celui du matériau diélectrique du dit corps. Selon une première variante de réalisation ledit 25 élément de garnissage est formé d'une couche métallique recouvrant la paroi interne de ladite cavité. De préférence, ledit élément métallique de garnissage est réalisé d'une seule pièce avec l'électrode. Selon une seconde variante de réalisation, ledit 30 corps est réalisé par frittage d'une composition de céramique autour de l'électrode portant ledit élément de garnissage. Selon une autre variante, ladite électrode est réalisée avec l'élément métallique de garnissage par coulée de métal in situ dans ladite cavité. Selon encore une autre variante, ledit élément 5 métallique de garnissage est rapporté par brasage. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit élément de garnissage est un alliage d'un ou plusieurs métaux choisis parmi le molybdène, le Tungstène, l'Invar et le Kovar. 10 Selon l'invention, il est aussi prévu que la jonction entre la face externe du corps et l'électrode présente une courbure convexe dont le rayon est inférieur ou égal à la moitié de la distance séparant ladite face de ladite cavité. De préférence, la paroi de ladite cavité a un profil semi-elliptique dont le demi petit axe est supérieur ou égal à trois fois le rayon de courbure de la jonction entre la face externe du corps et l'électrode et le demi grand axe est supérieur ou égal à six fois ledit rayon. La bougie d'allumage de l'invention permet de protéger les bougies radiofréquence de l'encrassement en agissant sur la cause même du phénomène. L'invention repose sur une atténuation du champ à la jonction entre la face externe du corps et l'électrode 25 obtenu par une modification de leur interface interne en contact. En conséquence, le fonctionnement et la fiabilité des bougies (RF) sont améliorés et leur durée de vie est notablement prolongée. 30 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés sur lesquels : 15 20 La figure 1 représente une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation de la bougie de l'invention en phase d'allumage. Les figures 2A et 2B représentent des vues de détail agrandies et en coupe respectivement d'une bougie RF selon l'art antérieur et selon l'invention avec les lignes de champ. Les figures 3A, 3B et 3C représentent des demi-vues de détail en coupe de trois variantes de réalisation de la 10 bougie de l'invention. La bougie radiofréquence 1 représentée sur la figure 1 a une structure coaxiale comprenant : - un culot cylindrique 2 d'axe principal X formé dans un premier matériau électriquement conducteur, 15 une électrode centrale 4 formée dans un second matériau conducteur et s'étendant selon l'axe central X et, - un corps 3 formé dans un matériau électriquement isolant (diélectrique), disposé entre le culot 2 et l'électrode 4. 20 Le corps 3 présente une face latérale interne 3b de contact avec une portion 4b de l'électrode et au-delà de laquelle une portion d'extrémité en pointe 4a de l'électrode 4 fait saillie. L'électrode 4 est portée à une haute tension RF et 25 est donc isolée par le corps 3 du culot 2 qui est, quant à lui, relié à la masse. Le corps 3 est en général réalisé en un matériau diélectrique tel qu'une céramique. Dans des conditions normales d'excitation 30 électrique RF, le diamètre A de l'étincelle à multi filaments 5 est de l'ordre du centimètre. La face externe 3a du corps 3 qui est plane sur la plus grande partie de sa surface est exposée au mélange gazeux carburé et à la flamme et est donc susceptible d'être encrassée par un dépôt de carbone. Les propriétés semi-conductrices de ce dépôt de surface entraînent un risque important de court-circuit entre le culot 2 et l'électrode 4. La figure 2A représente une vue de détail en coupe d'une bougie d'allumage RF traditionnelle. La jonction de la face externe 3a du corps diélectrique 3 avec l'électrode 4 a un profil incliné ou chanfreiné ou plus généralement, comme dans le mode de réalisation représenté, un profil curviligne avec un rayon de courbure R d'une centaine de microns (0,1 mm). Un tel profil délimite un espace vide restreint et confiné où règne un champ électrique très intense (de l'ordre de 3.107 V/m) favorisant l'apparition d'un mécanisme d'ionisation de l'air qui est susceptible de se propager le long de la courbe et de se prolonger le long de la face 3a en créant une étincelle parasite de surface. Ce phénomène parasite est d'autant plus probable que la face 3a est fortement exposée à la flamme et est progressivement recouverte d'une couche de carbone. La bougie représentée sur la figure 2B est modifiée, selon l'invention, par la réalisation, sur le corps 3, d'au moins une cavité annulaire 30 d'axe X. Cette cavité est ménagée sur la face latérale interne 3b du corps 3 assurant le contact avec l'électrode 4. La cavité 30 a pour fonction de modifier localement les lignes du champ électrostatique et, en particulier, à la jonction entre la face externe 3a du corps 3 et l'électrode 4 de façon à éviter l'augmentation du champ électrique dans cette zone et à prévenir l'amorçage de l'ionisation. La jonction entre la face externe 3a du corps 3 et l'électrode 4 présente ici une courbure convexe dont le rayon R est inférieur ou égal à la moitié de la distance (c) séparant la face 3a de la cavité 30. De préférence, la paroi de la cavité 30 a un profil semi-elliptique dont le demi petit axe (b) est supérieur ou égal à trois fois le rayon de courbure R de la jonction entre la face externe 3a du corps 3 et l'électrode 4 et le demi grand axe (a) est supérieur ou égal à six fois ledit rayon. La cavité 30 est pourvue d'au moins un élément métallique de garnissage 5 dont le coefficient de dilatation thermique est voisin de celui du matériau diélectrique du corps 3. L'élément métallique de garnissage 5 s'étend aussi 15 et, au moins partiellement, le long de la face latérale interne 3b du corps 3 en contact avec l'électrode 4 sous forme d'un revêtement 53 destiné à combler le faible espace intercalaire entre ces pièces. En effet, si l'espace intercalaire entre la face 20 latérale interne 3b du corps 3 et l'électrode 4 n'était pas hermétique, le mélange gazeux carburé serait alors susceptible de pénétrer dans cet espace et de venir en contact avec les parois à haute température avant de s'enflammer et de provoquer la rupture du corps 3. 25 En outre, le revêtement 53 est en contact électrique avec l'électrode 4 à l'intérieur de la bougie 1 de façon à ce que toute la surface interne du corps 3 soit équipotentielle avec l'électrode qui est sous haute tension. Les figures 3A à 3C représentent des variantes de 30 réalisation de la bougie de l'invention. Dans la variante de la figure 3A, l'élément de garnissage 5 est formé d'une couche métallique 50 recouvrant la paroi interne de la cavité 30 et se prolongeant de part et 10 d'autre de la cavité et le long de l'électrode 4 par le revêtement 53. La couche 50 et le revêtement 53 sont réalisés à partir d'alliages de Molybdène et/ou de Tungstène. Dans la variante de la figure 3B, au revêtement 53 est ajouté un second élément de garnissage 51 réalisé par remplissage de la cavité 30 avec un alliage métallique à base de Kovar et/ou d'Invar. L'assemblage est effectué par brasage afin d'assurer un bon contact entre les faces en regard respectives du corps 3 et de l'élément 51. Dans la variante de la figure 3C qui correspond à celle de la figure 2B, le second élément de garnissage 52 est réalisé d'une seule pièce avec l'électrode 4 et est lui-même pourvu d'un premier élément de garnissage sous forme du revêtement métallique 53. Dans ce cas, le corps 3 peut être réalisé par frittage d'une composition de céramique autour de l'électrode 4 portant l'élément métallique 5. Une alternative peut consister à réaliser directement, l'électrode 4 avec un élément métallique 52 par coulée de métal in situ dans le conduit central et la cavité 30 du corps 3. REVENDICATIONS1. Bougie d'allumage du type plasma à radiofréquence comprenant : un culot cylindrique (2) d'axe principal (X) formé dans un premier matériau électriquement conducteur, - une électrode centrale (4) formée dans un second matériau conducteur et s'étendant selon l'axe principal (X) et, un corps (3), formé dans un matériau diélectrique, disposé entre ledit culot (2) et ladite électrode (4), en présentant une face latérale interne (3b) de contact avec l'électrode et au-delà de laquelle une portion d'extrémité (4a) de l'électrode (4) fait saillie, 15 caractérisée en ce que ledit corps (3) comporte au moins une cavité annulaire (30) d'axe (X), ménagée sur sa face latérale (3b) de contact avec l'électrode (4) de façon à modifier localement les lignes du champ électrostatique à la jonction entre la face externe (3a) du dit corps et 20 l'électrode (4). 2. Bougie d'allumage selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite cavité (30) est pourvue d'au moins un élément de garnissage métallique (5, 50, 51, 52, 53) s'étendant au moins partiellement le long de la face latérale 25 interne (3b) du corps en contact avec l'électrode (4) et dont le coefficient de dilatation thermique est voisin de celui du matériau diélectrique du dit corps. 3. Bougie d'allumage selon la revendication 2 caractérisée en ce que ledit élément de garnissage (5) est 30 formé d'une couche métallique (50) recouvrant la paroi interne de ladite cavité (30). 10 4. Bougie d'allumage selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que ledit élément métallique de garnissage est réalisé d'une seule pièce avec l'électrode (4). 5. Bougie d'allumage selon la revendication 4 caractérisée en ce ledit corps (3) est réalisé par frittage d'une composition de céramique autour de l'électrode (4) portant ledit élément métallique. 6. Bougie d'allumage selon la revendication 4 caractérisée en ce que ladite électrode (4) est réalisée avec l'élément métallique de garnissage (5) par coulée de métal in situ dans ladite cavité (30). 7. Bougie d'allumage selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que ledit élément métallique de garnissage (5) est rapporté par brasage. 8. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisée en ce que ledit élément de garnissage (5) est un alliage d'un ou plusieurs métaux choisis parmi le Molybdène, le Tungstène, l'Invar et le Kovar. 9. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 2 à 8 caractérisée en ce que la jonction entre la face externe (3a) du corps (3) et l'électrode (4) présente une courbure convexe dont le rayon (R) est inférieur ou égal à la moitié de la distance (c) séparant ladite face de ladite cavité (30). 10. Bougie d'allumage selon la revendication 9 caractérisée en ce que la paroi de ladite cavité (30) a un profil semi-elliptique dont le demi petit axe (b) est supérieur ou égal à trois fois le rayon de courbure (R) de la jonction entre la face externe (3a) du corps et l'électrode et le demi grand axe (a) est supérieur ou égal à six fois ledit rayon (R).