Brevet FR2953906A1 — publié le 20110617

Etat de la technique Le document DE 101 57 466 Al décrit une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement ainsi qu'un procédé d'obtention d'une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électri- quement. La bougie de préchauffage pouvant être chauffée électrique-ment renferme un tube incandescent fermé à une extrémité dans lequel est introduite un filament conducteur. Le filament conducteur est constitué d'un acier ferritique ayant une fraction d'aluminium, par exemple un alliage fer/chrome/aluminium. Le tube incandescent renferme en outre des donneurs d'oxygène pour former, avant ou pendant le chauffage du filament une couche d'oxyde d'aluminium sur la surface de celui-ci. Le filament est en outre noyé, dans le tube incandescent dans une première poudre isolante qui renferme un matériau ayant des propriétés de donneur d'oxygène. Ce matériau est par exemple constitué par une poudre céramique oxydée telle que TiO2 ; à la place du matériau ayant des propriétés de donneur d'oxygène, on peut par exemple également mettre en oeuvre de l'oxyde de magnésium. L'oxydation n'est ainsi assistée que dans la zone du filament, ce qui permet d'éviter une faible oxydation de celui-ci ainsi qu'une corrosion d'une hélice de ré- glage. La poudre isolante garantit en outre une liaison thermique entre le tube incandescent et le filament ou une hélice de régulation le cas échéant présente. Pour assister le démarrage à froid d'un moteur à combustion interne à autoallumage, on met en règle générale en oeuvre un sys- tème de préchauffage constitué de bougies crayons de préchauffage ainsi que d'un appareil de commande de la durée d'incandescence. Une configuration non optimum du système de préchauffage entraîne, dans le cas d'un moteur à combustion interne froid, une combustion incomplète ce qui provoque en réponse une forte augmenta- tion forte de l'émission ainsi qu'un fort développement des bruits. Pour garantir une combustion complète dans une phase de ralenti à froid, il est nécessaire dans la plupart des moteurs à combustion interne à démarrage à froid d'assister le préchauffage à une température d'au moins 1100° C. Ceci est en particulièrement inévitable pour les moteurs à combustion interne à autoallumage à faible compression actuels qui en 2 règle générale présentent un plus mauvais comportement au démarrage à froid ou au ralenti à froid. Ces moteurs à combustion interne à autoallumage nécessitent actuellement une température d'incandescence durable de 1100° C. Pour avoir une durée de vie suffisante, les tempéra- tures d'équilibre thermique pouvant actuellement être atteintes sont de l'ordre d'environ 1000°C pour les bougies crayons de préchauffage équipées de corps de chauffage métalliques et de l'ordre d'environ 1250°C dans le cas de corps de chauffage céramiques. Ainsi, on ne peut actuellement satisfaire aux exigences susmentionnées concernant une température de préchauffage durable de 1100° C, que par la mise en oeuvre de bougies onéreuses équipées d'un élément de chauffage en céramique, ce qui n'est pas souhaitable pour des raisons de prix de revient. La fabrication des bougies crayons de préchauffage mé- talliques décrites ci-dessus implique dans la pratique un grand nombre d'exigences techniques annexes. Ainsi, lors de cette fabrication, le dia-mètre du tube incandescent est réduit par plusieurs étapes d'emboutissage rotatifs, ce qui peut entraîner d'importantes modifications locales du filament suite aux sollicitations mécaniques de la poudre isolante sur celui-ci. Description de l'invention L'invention a pour objet de proposer une bougie de pré-chauffage pouvant être chauffée électriquement ainsi qu'un procédé de fabrication d'une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électri- quement permettent de résoudre au moins partiellement les problèmes des bougies de préchauffage connues et de leur procédé de fabrication. La bougie de préchauffage est en particulier adaptée à être mise en oeuvre dans un moteur à combustion interne, mais peut toutefois également être utilisée dans d'autres domaines. A cet effet, l'invention a pour objet une bougie de pré-chauffage pouvant être chauffée électriquement pour des moteurs à combustion interne comprenant un tube incandescent fermé qui renferme un filament électriquement conducteur, caractérisée en ce que le filament est noyé dans une poudre de remplissage qui renferme en tant qu'additifs des agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement. 3 L'invention propose également un procédé d'obtention d'une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement, caractérisé en ce que le remplissage du tube incandescent s'effectue avec une poudre de remplissage renfermant en tant qu'additifs des agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement. Conformément à l'invention, l'addition à de la poudre de remplissage pour une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement d'agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement est à la fois avantageuse lors de la fabrication et de l'utilisation de la bougie de préchauffage. On peut ainsi améliorer la coulabilité de la poudre de remplissage, ce qui entraîne une amélioration de la conduction thermique entre le filament électriquement conducteur et la paroi interne du tube incandescent par suite de l'augmentation de la densité de la poudre de remplissage. Conformément à l'invention, on peut en outre obtenir une augmentation de la résistance à la rupture du filament qui est sollicité par des températures élevées en présence de températures d'équilibre thermique usuellement atteintes de l'ordre d'environ 980° C. Cela permet d'atteindre une température d'équilibre thermique plus élevée de la bougie crayon de préchauffage, avec une résistance à la rup- ture restant à peu près similaire. L'obtention de la bougie de préchauffage conforme à l'invention est particulièrement simple en raison de procédés d'usage courant. Il n'est pas nécessaire d'effectuer des modifications importantes d'une réalisation en série ou du procédé d'obtention des bougies de préchauffage pouvant être chauffées électriquement dans la mesure où seule est modifiée la composition de la poudre de remplissage suite à l'addition d'agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement, et, que les autres conditions sont autant que possible non modifiées. De faibles quantités d'addition d'agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement augmentent la coulabilité de la poudre de rem-plissage, ce qui permet d'obtenir des densités à l'état non tassé notablement plus élevées après l'introduction de la poudre de charge dans le tube incandescent. Pour pouvoir obtenir une densité à l'état non tassé aussi élevée que possible lors de la fabrication des bougies de préchauf- fage, il était habituel de réduire le diamètre du tube incandescent par 4 plusieurs étapes d'emboutissage rotatif après l'introduction de la poudre de remplissage dans ce tube. En présence de rapports de réduction très élevés, on pouvait toutefois alors observer des pré-détériorations locales impor- tantes du filament ou d'une hélice de régulation par suite de l'action mécanique des particules du corps de remplissage. Par suite, un autre avantage de l'invention est lié au fait que la possibilité d'obtenir de plus importantes densités à l'état non tassé permet de diminuer le rapport de réduction du tube incandescent ce qui permet de réduire les pré-détériorations locales du filament ou d'une hélice de régulation. La va-leur nettement plus élevée de la densité à l'état non tassé après l'introduction de la poudre de remplissage permet d'obtenir la valeur cible nécessaire pour cette densité avec une dépense nettement plus faible lors du malaxage rotatif. En outre, la densité à l'état non tassé 15 peut être augmentée jusqu'à 50 %. Selon l'invention, la coulabilité de la poudre de remplis-sage qui est par exemple à base d'oxyde de magnésium est augmentée par addition d'un ou de plusieurs agent(s) d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement. Cet agent ainsi ajouté à de la poudre de remplissage d'une 20 bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement peut être un matériau organique et/ou minéral qui diminue l'adhérence entre les particules de la poudre de remplissage ou l'adhérence des particules de la poudre de remplissage sur les éléments de la bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, les agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement sont choisis dans le groupe formé par MgO, SiO2 et ZrO2 ou un mélange de ces composés et présentent une granulométrie moyenne située dans la plage de 7 nm à 40 nm. Les particules ainsi ajoutées se distinguent par une surface 30 d'adsorption très élevée, et peuvent se répartir de façon homogène sur des surfaces de grain de très grande dimension et en particulier des surfaces de grain très irrégulières. Les particules de dimension nanométrique font office de paliers de roulement microscopiques qui garantis-sent la présence d'un espace minimum entre les surfaces de grain 35 limitrophes et favorisent ainsi le glissement des particules les unes sur les autres. Dans la mesure où ces particules sont en outre chimique-ment inertes et ne réagissent pas avec la poudre de remplissage, leur utilisation en tant qu'agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement est sans inconvénients en ce qui concerne les températures de fonc- e tionnement très élevées à la partie interne des bougies de préchauffage pouvant être chauffées électriquement. Bien que la température de frittage, par exemple d'un dioxyde de silicium colloïdal, soit d'environ 800° C et ainsi largement inférieure à la température de fonctionnement du filament, l'influence d'une fraction pondérale très faible d'un tel composé sur les propriétés chimiques et physiques de la poudre de remplissage n'est pas critique. La teneur en additifs susmentionnés est en règle générale située dans une plage allant de 0,1 % en poids à 3,0 0/0 en poids de la poudre de remplissage. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'agent d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement est du dioxyde de silicium colloïdal ou pyrogéné. Le dioxyde de silicium colloïdal est par exemple disponible dans le commerce sous les dénominations Cabosil®, Aérosil®, Insulil®, Ludox®, Levasil®. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'additif est du dioxyde de magnésium (MgO sous la forme de nanopoudre). On utilise de façon particulière-ment préférentielle MgO en tant qu'agent d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement lorsque la poudre de remplissage est constituée de MgO. Dans ce cas, la composition chimique de la poudre de remplissage n'est pas modifiée. La poudre nanométrique de MgO est par exemple propo- sée dans le commerce par Strem Chemical, Inc. (USA ; Magnesium oxyde nanopowder) et Inframat Advanced Materials LLC (USA, Nano MgO Powder). Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les additifs sont choisis dans le groupe constitué par les acides gras de for- mule générale R1-COOH dans laquelle R1 représente un reste alkyle ou alkylène ramifié ou non ramifié ayant entre 7 à 25 atomes de carbone, ou un sel des acides gras répondant à cette formule générale, du talc, du polyéthylène glycol et des huiles végétales hydrogénées. Des acides gras ramifiés ou non ramifiés et saturés ou à insaturation simple ou multiple sont en règle générale adaptés. Des exemples typiques de tels 6 composés sont l'acide caproïque, l'acide caprylique, l'acide 2-éthylhexanoïque, l'acide caprique, l'acide laurique, l'acide isotridécanoïque, l'acide myristique, l'acide palmitique, l'acide palmoléique, l'acide stéarique, l'acide isostéarique, l'acide oléique, l'acide élaïdique, l'acide linolique, l'acide linoléique, et l'acide arachidonique ainsi que leurs sels ou mélanges techniques qui sont par exemple obtenus par la dissociation sous pression d'huiles et de graisses naturelles, par réduction d'aldéhydes par oxosynthèse de Roelen ou par dimérisation d'acides gras insaturés. L'acide stéarique et l'acide palmitique ou leurs sels sont particulièrement préférés. Description de la figure Les caractéristiques de la poudre de remplissage ainsi que du procédé conformes à l'invention seront décrites plus précisément en se référant à la figure annexée qui est un schéma représentant une bougie de préchauffage pouvant être chauffée électriquement. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure est un schéma de principe d'une bougie de pré-chauffage (bougie crayon de préchauffage) pouvant être chauffée électriquement. Cette bougie de préchauffage 10 comporte en tant qu'élément principal un corps de chauffage qui est introduit à force de façon étanche aux gaz dans un boîtier 20. De façon classique, le corps de chauffage comprend un tube incandescent 18 qui renferme un fila-ment 12 et une hélice de régulation 16, qui sont montés en série et noyés dans une poudre de remplissage comprimée 14. Le tube incandescent 18 est rendu étanche au moyen d'un élément d'étanchéité 22. Le courant alimentant la bougie de préchauffage 10 pouvant être chauffée électriquement passe dans un connecteur coaxial 30, un boulon de connexion 24, l'hélice de régulation 16, le filament 12, le tube incandes- cent 18 et le boîtier 20 qui est en règle générale connecté électriquement à la masse du véhicule. Entre le connecteur coaxial 30 et un élément d'étanchéité du boîtier 26, il est prévu un disque d'isolation 28 permettant l'isolation électrique du courant de préchauffage par rapport à la masse du véhi- 7 cule. L'élément d'étanchéité 26 permet d'isoler le boîtier 20 du milieu ambiant dans la zone du connecteur. Lorsque l'on applique le courant de préchauffage à la bougie de préchauffage 10 pouvant être chauffée électriquement, la plus grande partie de l'énergie est libérée dans le filament 12. Le maximum de température pouvant être atteint avec la bougie de préchauffage 10 est en règle générale situé dans la zone du filament 12. Ce filament 12 doit résister à une température élevée supérieure à 1200° C ainsi qu'à de très forts gradients de température (supérieurs à 500° C/s). Le choix du matériau dans lequel il est réalisé est par suite limité à des alliages conducteurs de la chaleur. De tels alliages se caractérisent par une température d'utilisation très élevée qui est située dans la plage située entre 1200° C à 1350° C, avec simultanément une capacité de charge électrique très élevée. Un exemple d'un tel alliage est l'alliage Kanthal AF (1.4765). L'addition des agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement susmentionnés permet d'augmenter la durée de vie du fi-lament 12 suite à l'amélioration de la coulabilité de la poudre de rem-plissage. On peut ainsi obtenir des densités à l'état non tassé nettement plus importantes après l'introduction de la poudre de remplissage 14 de sorte que la valeur cible nécessaire de cette densité puisse être obtenue de façon moins onéreuse. En outre, la conductibilité thermique entre le filament 12 et le tube incandescent 18 est augmentée de manière importante suite à l'augmentation de la densité de la poudre de remplis- sage. REVENDICATIONS1 °) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement pour des moteurs à combustion interne comprenant un tube incandescent fermé (18) qui renferme un filament (12) électriquement conduc- teur, caractérisée en ce que le filament (12) est noyé dans une poudre de remplissage (18) qui renferme en tant qu'additifs des agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement. 2°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs sont choisis dans le groupe formé par MgO, SiO2 et ZrO2 et présentent une granulométrie moyenne située dans la plage de 7 à 40 nm. 3°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la teneur en additifs est située dans la plage de 0,1 % à 3,0 % en poids de la poudre de remplissage (14). 4°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs sont constitués par du SiO2 colloïdal ou pyrogéné. 5°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs sont choisis dans le groupe formé par les acides gras répondant à la formule générale R1-COOH dans laquelle R1 représente un reste alkyle ou alkylène ramifié ou non ramifié ayant de 7 à 25 atomes 9 de carbone ou des sels d'acides gras répondant à cette formule générale, le talc, le polyéthylène glycol et les huiles végétales hydrogénées. 6°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les additifs sont choisis dans le groupe formé par l'acide stéarique et l'acide palmitique. 7°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que la teneur en additifs est située dans la plage de 0,25 % à 3,0 % en poids de la poudre de remplissage (14). 8°) Bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la poudre de remplissage (14) est obtenue à partir de MgO. 9°) Procédé d'obtention d'une bougie de préchauffage (10) pouvant être chauffée électriquement en particulier selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplissage du tube incandescent (18) s'effectue avec une poudre de remplissage (14) renfermant en tant qu'additifs des agents d'amélioration de l'aptitude à l'écoulement.30