Brevet FR2976133A1 — publié le 20121207

Bougie d'allumage comprenant une pièce isolante formée de deux matériaux de permittivité diélectrique différente [1] L'invention concerne une bougie d'allumage pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. [2] L'invention concerne notamment mais non exclusivement une bougie à plasma radiofréquence. [3] Une bougie à plasma radiofréquence comporte de manière classique une partie supérieure inductive et une partie inférieure capacitive. Par le terme « inférieure », on désigne la partie d'une bougie d'allumage destinée à être la plus proche de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne et par le terme « supérieure, la partie opposée de la bougie. [4] Classiquement, la partie capacitive d'une bougie à plasma radio fréquence est isolée électriquement au moyen d'une pièce en céramique de forme tubulaire montée dans un culot métallique assurant le maintien de la bougie dans la culasse du moteur. La pièce en céramique comporte, suivant son axe longitudinal, un évidement permettant le passage d'une électrode haute tension destinée à déboucher dans la chambre de combustion du moteur et assurer le départ de l'étincelle radiofréquence. [005] Avantageusement, les surfaces internes et externes de la pièce en céramique sont métallisées. [006] La métallisation des surfaces de la pièce en céramique a pour avantage d'éviter la polarisation électrostatique du diélectrique fluide plus ou moins visqueux, tel qu'une huile, un gel, ou plus simplement un gaz tel que par exemple de l'air ou de l'azote, disposé au niveau de l'interstice présent entre la pièce céramique et les éléments conducteurs (culot et électrode). Le diélectrique fluide présente en effet une permittivité diélectrique inférieure à celle de la pièce en céramique, soit de l'ordre de 1 à 3, la permittivité de la céramique étant comprise entre 7 et 10. Or, cette différence de permittivité, en l'absence de métallisation de la surface de la céramique, conduit à une polarisation excessive du diélectrique présent dans l'interstice et par conséquent, dans un premier temps son ionisation, puis ensuite sa rupture diélectrique, et enfin dans un troisième temps la destruction du diélectrique par des décharges électriques. [007] Cette métallisation a également pour avantage d'assurer un maintien mécanique de l'ensemble culot/pièce en céramique/électrode par l'emploi de techniques classiques de brasure céramique-métal. [008] Cette métallisation de la pièce en céramique présente cependant un certain nombre d'inconvénients. [009] L'un des inconvénients notamment est lié à la difficulté de déposer la couche métallique nécessaire sur les surfaces de la pièce en céramique, et en particulier dans l'évidement axial recevant l'électrode. En effet, les dimensions de cet évidement, de l'ordre de 1 à 3 millimètres pour le diamètre et de 30 à 50 millimètres pour la longueur, rendent difficile l'obtention d'une métallisation uniforme et imposent une pose manuelle. [0010] Un autre inconvénient est lié à la façon dont la couche métallique doit être terminée. En effet, afin d'éviter la création de zones d'amorce de décharge dans le diélectrique fluide, il convient d'arrêter la couche sur une arrête à angle droit. Or, l'analyse des pièces montre, et ce malgré les précautions prises, la présence systématique de rayons de courbure au niveau de ces arêtes lesquels induisent des amplifications locales du champ électrique et par conséquent créent des zones d'amorce de décharge dans le diélectrique fluide. [0011] L'invention vise à remédier à ces problèmes en proposant une bougie d'allumage pour moteur à combustion interne comprenant une pièce non métallisée assurant l'isolation de la partie capacitive de la bougie et préservant le fluide diélectrique présent entre la pièce isolante et les pièces métalliques environnantes (électrode centrale et culot) de toute polarisation excessive et donc ainsi résister aux phénomènes de claquage. [0012] A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose une bougie d'allumage destinée à équiper une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, pourvue d'une tête capacitive comprenant un corps de culot tubulaire, d'axe longitudinal, traversé longitudinalement par une électrode centrale, une pièce isolante entourant en partie au moins l'électrode centrale de manière à séparer l'électrode du corps de culot, et un isolant fluide présent entre la pièce isolante et le corps de culot d'une part et la pièce isolante et l'électrode d'autre part, la pièce isolante comprenant une première partie formée dans un matériau de permittivité diélectrique différente de celle de l'isolant fluide, la première partie étant surmontée d'une deuxième partie formée dans un matériau de permittivité diélectrique identique ou sensiblement proche de celle de l'isolant organique fluide. [0013] La pièce isolante ainsi configurée permet de s'affranchir d'une opération de métallisation tout en offrant i) une isolation de la partie capacitive de la bougie, ii) une limitation de l'accumulation ponctuelle de charges électriques et donc une amélioration de la résistance de l'isolant fluide aux phénomènes de claquage et iii) une résistance aux agressions chimiques et thermiques de la chambre de combustion dans laquelle la bougie est placée. [0014] Avantageusement, la première partie est placée au niveau de la portion d'extrémité du corps du culot destinée à être en contact avec la chambre de combustion, la deuxième partie s'étendant dans le corps du culot sur une hauteur au moins supérieure à la première partie. [0015] Avantageusement, l'une au moins des première et deuxième parties s'étend axialement au-delà du corps de culot. [0016] Avantageusement, la deuxième partie présente une empreinte apte à coopérer avec une empreinte de forme sensiblement complémentaire ménagée sur la première partie. [0017] Avantageusement, les empreintes des première et deuxième parties sont configurées de manière à former une surface de contact entre les première et deuxième parties limitant le cheminement possible d'une étincelle. [0018] Avantageusement, les première et deuxième parties sont couplées mécaniquement l'une à l'autre. [0019] Selon une variante de réalisation, les première et deuxième parties sont assemblées l'une à l'autre au moyen d'un matériau de brasure présentant une température de fusion supérieure à la température de brasure du matériau de la première partie sur le corps de culot. [0020] Il peut être prévu également une variante de réalisation selon laquelle la deuxième partie soit simplement posée sur la première partie. [0021] Avantageusement, le matériau de la deuxième partie est du silice. [0022] Avantageusement, le matériau de la première partie est de la céramique. [0023] Avantageusement, le corps de culot est métallique. [0024] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le corps de culot forme une électrode de masse. [0025] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'une bougie d'allumage pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 représente une vue de détail d'une bougie d'allumage selon un autre mode de réalisation ; - les figures 3 à 5 représentent des variantes de réalisation de la bougie d'allumage de la figure 2 ; et - la figure 6 représente une vue de détail d'une bougie d'allumage selon un autre mode de réalisation. [0026] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. [0027] Par ailleurs, on désigne par la suite par les termes « inférieure » ou « basse », la partie d'une bougie d'allumage destinée à être la plus proche de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne et par le terme « supérieure » ou « haute », la partie opposée de la bougie. [0028] En relation avec la figure 1, il est décrit une bougie d'allumage 1 pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Dans la présente invention, la bougie d'allumage 1 est avantageusement une bougie à plasma radio fréquence. [0029] De manière classique en soi, la bougie d'allumage comprend une partie inductive 2 et une partie capacitive, également appelé dans ce qui suit tête capacitive 3. [0030] La tête capacitive est la partie de la bougie qui est placée en contact avec les gaz dans la chambre de combustion dans lequel le plasma doit être formé. Elle comporte un corps de culot 4 conducteur, de section annulaire et d'axe longitudinal A, et une électrode centrale 5 traversant et s'étendant le long de l'axe longitudinal A du corps de culot 4. [0031] Avantageusement, le corps de culot 4 est métallique. Selon un mode de réalisation avantageux, le corps de culot 4 forme une électrode de masse (ou cathode). [0032] La tête capacitive 3 comporte en outre une pièce isolante électriquement 6 interposée entre l'électrode centrale 5 et le corps de culot 4. Plus particulièrement, la pièce isolante 6 présente une forme sensiblement tubulaire et un axe de symétrie commun avec celui du corps de culot 4. [0033] La pièce isolante 6 délimite, avec le corps de culot 4 et l'électrode centrale 5, des interstices remplis d'un isolant (ou diélectrique) fluide de complément mis en oeuvre lors de la réalisation de la bougie (non représenté). Avantageusement, le diélectrique fluide utilisé dans les bougies d'allumage à plasma radio fréquence a une permittivité diélectrique de l'ordre de 1 à 3. [0034] Selon l'invention, la pièce isolante 6 comprend deux parties distinctes de permittivité diélectrique différente. Ainsi, la pièce isolante 6 comprend une première partie 7 constituée d'un matériau de permittivité diélectrique plus différente que celle de l'isolant fluide, et une deuxième partie 8, surmontant la première partie 7, constituée d'un matériau de permittivité diélectrique identique ou sensiblement proche de celle de l'isolant organique fluide. [0035] Comme représenté sur les figures, la première partie 7 est placée dans le corps de culot 4 pour isoler la partie basse du corps du culot 4 de l'électrode 5 au niveau de sa partie basse, la deuxième partie 8 étant placée dans le corps de culot 4 de manière à isoler la partie haute du corps du culot 4 de l'électrode centrale 5. [0036] Dans le mode de réalisation décrit, l'électrode centrale 5 présente une portion en saillie par rapport à la pièce isolante 6 de manière à être en contact avec le mélange gazeux présent dans la chambre de combustion lorsque la bougie d'allumage est en place dans le moteur. Cette agencement de l'électrode permet en outre de réduire l'effet capacitif. [0037] Avantageusement, la pièce isolante 6 est formée d'une première partie 7 en céramique et d'une deuxième partie 8 en silice, ce dernier matériau présentant une permittivité diélectrique plus proche de celle de l'isolant fluide 7 utilisé dans les bougies d'allumage (ie. de l'ordre de 1 à 3). [0038] Par la suite, on désignera par partie en céramique 7 la première partie de la pièce isolante 6. Il est bien entendu évident que la description qui suit ne se limite pas à une première partie formée en céramique et que selon les mises en oeuvre, il pourra être envisagé d'autres matériaux que la céramique. De même, on désignera par partie en silice 8 la deuxième partie de la pièce isolante 6. Il est également évident que la description qui suit ne se limite pas à une première partie formée en silice et que selon les mises en oeuvre souhaitées, il pourra être envisagé d'autres matériaux que la silice. [0039] Afin d'éviter que le diélectrique fluide soit soumis à une polarisation excessive, la partie en céramique 7 présentera une faible épaisseur, de l'ordre du rayon du culot métallique 4. Néanmoins, la présence en partie basse de la tête capacitive 3 d'une partie en céramique reste indispensable car elle va permettre à la partie de la tête capacitive en contact avec les gaz présents à l'intérieur de la chambre de combustion de résister aux agressions chimiques et thermiques de cette dernière. En outre, la présence de céramique en partie basse permet d'assurer une parfaite étanchéité avec le corps de culot 4, étanchéité obtenue lors de la mise en oeuvre de brasure céramique-métal. [0040] Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la partie en silice 8 est simplement posée sur la pièce en céramique 7. Afin de limiter les cheminements possibles de l'étincelle, il est nécessaire d'assurer une bonne interface entre la partie en silice 8 et la partie en céramique 7. Pour ce faire, il est important de prévoir, pour chacune des parties, des surfaces de contact de faible rugosité et s'étendant dans un même plan lorsqu'elles sont disposées en regard l'une de l'autre. [0041] Il peut être prévu également un contact par emboîtement réciproque de la partie en silice 8 avec la partie en céramique 7, comme illustré sur les figures 2 à 5. Dans les modes de réalisation illustrés, la partie en silice 8 comporte une empreinte 80 apte à coopérer avec une empreinte de forme complémentaire 70 ménagée sur la première partie en céramique 7. Il est bien entendu évident que les empreintes 70, 80 présentées sur les figures 2 à 5 sont montrées à titre d'exemple non limitatif et que la forme des empreintes pourront être ajustées selon les matériaux utilisés et la réalisation souhaitée en terme de coût. [0042] Comme pour le contact plan/plan illustré sur la figure 1, il sera avantageux de prévoir des empreintes offrant des surfaces de contact limitant également le cheminement possible d'une étincelle. [0043] Il est bien entendu évident que les empreintes ne se limitent pas à celles représenté sur les figures 2 à 5 et que toute autre forme peut être envisagée sans pour autant sortie du cadre de l'invention. Cependant, et comme indiqué précédemment, la forme des empreintes sera liée à l'objectif général qui est d'augmenter la difficulté pour une étincelle de trouver un cheminement possible dans l'interface partie en céramique 7 / partie en silice 8. [0044] Selon une autre variante de réalisation illustré sur la figure 6, il peut être prévu un assemblage des première et deuxième parties 7, 8 l'une à l'autre suivant les techniques de « collage » céramique-silice. Cette variante de réalisation a pour avantage de solidariser les première et deuxième parties l'une à l'autre tout en évitant la formation d'une interface entre les deux pièces et ainsi de contrôler le cheminement de l'étincelle. [0045] Avantageusement, la brasure de la partie en céramique 7 et de la partie en silice 8 est réalisée par la mise en oeuvre d'un matériau de brasure 9 présentant une température de fusion supérieure à la température de brasure du matériau de la partie en céramique 7 sur le corps de culot. Cela a pour avantage de permettre que l'assemblage céramique /silice ne se désolidarise pas lors de l'opération de brasure pour assembler la partie en céramique dans le corps de culot 4 métallique. [0046] Parmi les matériaux de brasage possibles, il pourra être choisi le verre dont la température de fusion est inférieure à celle de la silice (environ 1600°C) et inférieure à la température de frittage de la céramique (environ 1450°C) et supérieure à la température de brasure de la céramique sur le corps de culot 4 métallique (température variable suivant la brasure). [0047] Ainsi, le remplacement d'une pièce isolante métallisée par une pièce isolante comprenant principalement une partie isolante électriquement ayant une permittivité diélectrique similaire à celle de l'isolant fluide permet d'assurer l'isolation de la partie capacitive de la bougie tout en préservant le fluide diélectrique présent entre la pièce isolante et les pièces métalliques environnantes (électrode centrale et culot) de toute polarisation excessive et donc assurant ainsi leur résistance aux phénomènes de claquage. [0048] Par ailleurs, l'absence de rupture dans la permittivité diélectrique dans la partie haute du culot, dans la zone ou le culot s'évase, permet d'adapter la forme en fonction d'autres contraintes, telles que la forme des lignes de champs ou la répartition des lignes équipotentielles. [0049] Cela conduit également, dans la configuration où la céramique et la silice sont collées, à l'obtention d'un couplage thermique entre les pièces particulièrement satisfaisant. Ce dernier point peut être mis à profit pour évacuer une partie de la chaleur de la pièce en céramique 7 vers la pièce en silice 8. Comme celle-ci baigne dans le fluide isolant, une forme favorisant une élimination des calories par convection du fluide pourra alors être privilégiée. [0050] L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l'invention sans pour autant sortir du cadre de l'invention.25 REVENDICATIONS1. Bougie d'allumage (1) destinée à équiper une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, pourvue d'une tête capacitive (3) comprenant un corps de culot (4) tubulaire, d'axe longitudinal (A), traversé longitudinalement par une électrode centrale (5), une pièce isolante (6) entourant en partie au moins l'électrode centrale (5) de manière à séparer l'électrode (5) du corps de culot (4), et un isolant fluide présent entre la pièce isolante (6) et le corps de culot (4) d'une part et la pièce isolante (6) et l'électrode (5) d'autre part, la pièce isolante (6) comprenant une première partie (7) formée dans un matériau de permittivité diélectrique différente de celle de l'isolant fluide, la première partie (7) étant surmontée d'une deuxième partie (8) formée dans un matériau de permittivité diélectrique identique ou sensiblement proche de celle de l'isolant organique fluide. 2. Bougie d'allumage (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie (7) est placée au niveau de la portion d'extrémité du corps du culot (4) destinée à être en contact avec la chambre de combustion, la deuxième partie (8) s'étendant dans le corps du culot (4) sur une hauteur au moins supérieure à la première partie. 3. Bougie d'allumage (1) selon revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'une au moins des parties (7, 8) s'étend axialement au-delà du corps de culot. 4. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième partie (8) présente une empreinte (80) apte à coopérer avec une empreinte (80) de forme sensiblement complémentaire ménagée sur la première partie (7). 5. Bougie d'allumage (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesempreintes des première et deuxième parties (7, 8) sont configurées de manière à former une surface de contact entre les première et deuxième parties limitant le cheminement possible d'une étincelle. 6. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les première et deuxième parties (7, 8) sont assemblées l'une à l'autre au moyen d'un matériau de brasure présentant une température de fusion supérieure à la température de brasure du matériau de la première partie (7) sur le corps de culot (4). 7. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau de la deuxième partie (8) est du silice. 8. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau de la première partie (7) est de la céramique. 9. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le corps de culot (4) est métallique. 10. Bougie d'allumage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le corps de culot (4) forme une électrode de masse.