Brevet FR3057113A1 — publié le 20180406

PROCEDE DE TEST D'UNE BOUGIE D'ALLUMAGE A SEMI-CONDUCTEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des bougies d'allumage à semi-conducteur équipant les turbomachines servant à la propulsion des aéronefs. L'invention concerne plus particulièrement un procédé destiné à tester une telle bougie d'allumage. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les bougies d'allumage à semi-conducteur sont largement utilisées pour initier la combustion du mélange d'air et de carburant au sein des chambres de combustion des turbomachines d'aéronef. Il s'agit de bougies comportant une électrode centrale, une électrode de masse entourant l'électrode centrale, et un élément semi-conducteur, de forme annulaire, interposé entre les deux électrodes. L'électrode de masse est électriquement et physiquement en contact avec cet élément semi-conducteur alors qu'il y a un petit entrefer de quelques dixièmes de millimètres entre l'électrode centrale et l'élément semiconducteur. Lorsque qu'une tension suffisante est appliquée entre les deux électrodes, l'air présent dans l'entrefer devient alors ionisé et contribue ainsi à la formation d'un arc électrique entre les deux électrodes. De par la polarisation surfacique du semi-conducteur, l'arc « adhère » au semi-conducteur indépendamment de la pression environnante. Les bougies d'allumage de ce type présentent ainsi l'avantage de pouvoir être alimentées sous des tensions relativement basses, typiquement de l'ordre de 3 kV. La tension requise pour l'alimentation d'une telle bougie est en outre indépendante de la pression interne de la chambre de combustion. 3057113 2 Lorsqu'une défaillance de démarrage est observée sur une turbomachine d'aéronef équipée d'une telle bougie d'allumage, cette dernière est retirée pour être remplacée. Toutefois, dans un souci d'économie, il est souhaitable de disposer d'un 5 procédé fiable permettant de déterminer avec un faible taux d'erreur le caractère opérationnel ou défectueux d'une telle bougie d'allumage, de manière à éviter la mise au rebut de bougies encore bonnes pour le service tout en évitant de remettre en service des bougies défectueuses. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème. Elle propose à cet effet un procédé de test d'une bougie d'allumage à semi-conducteur comprenant deux bornes et une tête comportant deux électrodes respectivement reliées aux deux bornes et séparées l'une de l'autre par un élément semi- 15 conducteur, le procédé comprenant : une étape consistant à déposer de l'eau sur la tête, entre les deux électrodes, de sorte que l'eau forme un ménisque recouvrant l'élément semi-conducteur, une étape consistant à appliquer entre la première borne et la deuxième borne une tension électrique égale à une tension de fonctionnement de la bougie d'allumage, 20 une étape consistant à identifier au moins une caractéristique d'arcs électriques induits entre les électrodes lors de l'application de la tension électrique, et - une étape consistant à déterminer le caractère opérationnel ou défectueux de la bougie d'allumage en fonction de la caractéristique des arcs électriques. Le procédé proposé consiste ainsi à faire claquer la bougie d'allumage 25 en présence d'une faible quantité d'eau sur sa tête. Après d'intenses recherches, les inventeurs se sont en effet aperçus qu'un tel test se révèle particulièrement efficace pour discriminer les bougies encore fonctionnelles des bougies défectueuses. De plus, l'utilisation d'eau dans le procédé de test proposé présente l'avantage de ne pas requérir 3057113 3 de précautions particulières pour garantir la sécurité des opérateurs et de ne pas occasionner de pollution de l'environnement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la première caractéristique est le nombre d'arcs électriques observés pendant un laps de temps 5 prédéterminé durant lequel est appliquée la tension électrique. En variante, la première caractéristique peut être la dispersion ou l'absence de dispersion du ménisque d'eau au bout d'une durée prédéterminée. En variante encore, les deux types de caractéristiques ci-dessus peuvent être identifiés de manière cumulative et utilisés pour déterminer le caractère 10 opérationnel ou défectueux de la bougie d'allumage. L'étape consistant à appliquer la tension électrique entre la première borne et la deuxième borne est de préférence mise en oeuvre au moyen d'un boitier d'allumage de turbomachine. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de test 15 comprend une étape de test préalable, mise en oeuvre avant l'étape consistant à déposer de l'eau sur la tête de la bougie d'allumage, et consistant à : - appliquer entre la première borne et la deuxième borne une tension électrique égale à la tension de fonctionnement de la bougie d'allumage, l'élément semi-conducteur étant exposé à l'air, 20 - identifier au moins une caractéristique d'arcs électriques induits entre les électrodes lors de l'application de la tension électrique, et - poursuivre ou arrêter le procédé de test en fonction de la caractéristique des arcs électriques. L'étape de test préalable permet de détecter les bougies d'allumage les 25 plus défectueuse et d'éviter la mise en oeuvre des étapes ultérieures du procédé de test pour ces bougies. La deuxième caractéristique est de préférence le nombre d'arcs électriques observés pendant un laps de temps prédéterminé durant lequel est appliquée la tension électrique. 3057113 4 Le procédé de test selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse au test de bougies d'allumage usagées, mais ce procédé peut également être utilisé pour tester des bougies d'allumage neuves, par exemple en sortie de chaîne de fabrication. 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en section axiale d'une bougie d'allumage à 10 semi-conducteur ; la figure 2 est un diagramme d'un procédé de test applicable à la bougie d'allumage de la figure 1 conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention ; les figures 3-5 illustrent une tête de la bougie d'allumage, respectivement au cours de différentes étapes du procédé de la figure 2. 15 Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La figure 1 illustre une bougie d'allumage 10 à semi-conducteur de type connu, comprenant de manière générale deux bornes 12, 14, et une tête 16 comportant 20 deux électrodes 18, 20 respectivement reliées aux deux bornes 12, 14 et séparées l'une de l'autre par un élément semi-conducteur 22 par exemple de type céramique semiconductrice. Plus précisément, la bougie d'allumage comporte un corps externe 30 creux s'étendant selon un axe 32, un corps intermédiaire 34 creux s'étendant selon l'axe 25 32, à l'intérieur du corps externe 30, et un corps interne 36 en forme générale de tige s'étendant selon l'axe 32, à l'intérieur du corps intermédiaire 34. De plus, l'élément semiconducteur 22 s'étend dans le prolongement du corps intermédiaire 34 et au contact de ce dernier, à l'intérieur du corps externe 30 et autour du corps interne 36. 3057113 5 Le corps externe 30 comporte une partie globalement cylindrique 40 présentant une première extrémité formant l'une des électrodes 18, dite « électrode de masse », une seconde extrémité 42 formant l'une des bornes 12, qui est ainsi reliée à l'électrode de masse 18, et une platine annulaire 44 de support de la bougie. Des bougies 5 d'autres types peuvent en variante comporter un filetage ou tout autre moyen permettant la fixation de la bougie dans un moteur. Par ailleurs, la borne 12 délimite extérieurement l'entrée d'un connecteur de la bougie d'allumage. Le corps interne 36 présente une première extrémité formant l'autre électrode 20, dite « électrode centrale », qui est entourée à distance par l'électrode de 10 masse 18, et une seconde extrémité opposée formant l'autre borne 14, qui est ainsi reliée à l'électrode centrale 20. Le corps intermédiaire 34 comporte une partie 50 en contact avec le corps interne 36, et une partie 52 agencée axialement au niveau et au-delà de la borne 14 formée par le corps interne 36 et présentant un diamètre intérieur élargi de manière à 15 ménager un espace entre cette partie 52 et la borne 14 et à délimiter ainsi extérieurement une partie de fond du connecteur de la bougie d'allumage. Les corps externe 30 et interne 36 sont réalisés en un matériau conducteur de l'électricité et apte à opérer sous de fortes températures, tel qu'un superalliage à base de nickel à faible fluage à haute température. Le corps intermédiaire 20 34 est réalisé en un matériau électriquement isolant de type céramique pour garantir l'isolation entre les électrodes 18 et 20. Comme expliqué ci-dessus, lorsque qu'une tension suffisante est appliquée aux bornes 12 et 14 d'une telle bougie d'allumage au sein d'une chambre de combustion de turbomachine, un faible courant électrique parcourt l'élément semi- 25 conducteur 22 et favorise l'ionisation du mélange d'air et de carburant près de la bougie, favorisant ainsi la formation d'arcs électriques 56 entre les deux électrodes 18 et 20. En fonctionnement, il est généralement souhaitable d'obtenir une série de tels arcs électriques. Par conséquent, une tension discontinue ou variable est appliquée aux bornes 12 et 14 de la bougie de manière à soumettre lesdites bornes par 3057113 6 intermittence à une tension d'un niveau suffisant pour déclencher une décharge électrique. Lorsqu'un problème de démarrage a été détecté sur une turbomachine en fonctionnement, la ou les bougies d'allumage équipant la turbomachine sont 5 démontées. La présente invention propose un procédé de test fiable permettant de déterminer si une telle bougie d'allumage 10 usagée est encore opérationnelle ou si au contraire la bougie d'allumage est à mettre au rebut. Le procédé de test selon l'invention comprend en particulier : 10 - une étape S1 consistant à déposer de l'eau sur la tête 16 de la bougie, entre les deux électrodes 18 et 20, de sorte que l'eau forme un ménisque 58 recouvrant l'élément semi-conducteur 22 (figures 2 et 4), - une étape S2 consistant à appliquer entre la première borne 12 et la deuxième borne 14 une tension électrique égale à une tension de fonctionnement de la bougie 15 d'allumage 10, par exemple au moyen d'un boitier d'allumage de turbomachine 60 (illustré très schématiquement sur les figures 3-5), - une étape S3 consistant à identifier au moins une première caractéristique d'arcs électriques 62 induits entre les électrodes 18, 20 lors de l'application de la tension électrique (figures 2 et 5), et 20 - une étape S4 consistant à déterminer le caractère opérationnel ou défectueux de la bougie d'allumage 10 en fonction de la première caractéristique des arcs électriques 62. La tension de fonctionnement de la bougie d'allumage 10 est typiquement d'amplitude égale à 3 kV. 25 Au moment de la mise en oeuvre de l'étape S2, l'eau peut être à l'état liquide ou à l'état gelé, en fonction des conditions de fonctionnement à simuler. Dans le cas d'eau gelée, la bougie d'allumage surmontée du ménisque d'eau est donc placée dans des conditions permettant le gel de l'eau, préalablement à la mise en oeuvre de l'étape S2. 3057113 7 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la première caractéristique précitée est le nombre d'arcs électriques 62 observés pendant un laps de temps prédéterminé. L'étape S4 consiste alors à comparer ce nombre à un nombre théorique calculé en fonction de la fréquence de la tension appliquée aux bornes 12, 14 5 de la bougie et de la durée du laps de temps considéré. De plus, la comparaison entre le nombre d'arcs électriques 62 observés et le nombre théorique consiste de préférence simplement à vérifier l'absence de ratés d'arcs électriques pendant le laps de temps prédéterminé. Dans le cas d'une bougie d'allumage opérationnelle, il est à noter que la 10 puissance des arcs électriques 62 est suffisante pour disperser le ménisque d'eau 58 dans les premières secondes d'application de la tension électrique (comme illustré schématiquement par les gouttelettes d'eau 64 sur la figure 5). Au contraire, cette puissance est en général insuffisante pour disperser le ménisque d'eau 58 lorsque la bougie d'allumage testée est inapte pour le service. 15 À cet égard, en variante, la première caractéristique des arcs électriques 62 identifiée au cours de l'étape S3 précitée peut être la dispersion ou l'absence de dispersion du ménisque d'eau 58 au bout d'une durée prédéterminée. Par ailleurs, la quantité d'eau déposée sur l'élément semi-conducteur 22 représente typiquement le volume de deux à trois gouttes, et est plus généralement 20 inférieure à 1 cm3. L'eau peut par exemple être déposée au moyen d'une pipette, ou par trempage de la tête 16 de la bougie dans un récipient contenant de l'eau. Le comptage des arcs électriques 62 peut par exemple être réalisé au moyen d'une fibre optique 66 placée à quelques centimètres en regard des électrodes 18 et 20 dans l'axe 32 de la bougie d'allumage 10, et d'un boitier électronique 68 25 convertissant la lumière produite par les arcs électriques en impulsions électriques et comptant ces dernières. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de test comporte une étape de test préalable SO (figures 2 et 3) mise en oeuvre avant l'étape S1 consistant à déposer de l'eau sur la tête 16. Cette étape de test préalable SO consiste à : 3057113 8 - appliquer entre la première borne 12 et la deuxième borne 14 une tension électrique égale à la tension de fonctionnement de la bougie d'allumage 10, l'élément semi-conducteur 22 étant exposé à l'air (sous-étape S0-A), - identifier au moins une deuxième caractéristique d'arcs électriques 70 induits 5 entre les électrodes 18, 20 lors de l'application de la tension électrique (sous-étape S0-B), et - poursuivre ou arrêter le procédé de test en fonction de la caractéristique des arcs électriques 70 (sous-étape S0-C). Ainsi, si la deuxième caractéristique des arcs électriques 70 diffère d'une 10 caractéristique attendue, le procédé de test est terminé et la bougie d'allumage est considérée comme défectueuse. En revanche, si la deuxième caractéristique des arcs électriques 70 est conforme à la caractéristique attendue, le procédé de test se poursuit par la mise en oeuvre des étapes S1 à S4. La deuxième caractéristique des arcs électriques 70 identifiée au cours 15 de l'étape de test préalable SO est de préférence de même type que la première caractéristique des arcs électriques 62 identifiée au cours de l'étape S3. Dans ce cas, l'étape de test préalable SO est similaire à l'enchaînement des étapes S1-S4, à cette différence près que l'élément semi-conducteur est exposé à l'air dans l'étape de test préalable SO. 20 L'étape de test préalable SO offre donc un moyen simple et rapide de détecter les bougies d'allumage les plus défectueuse et d'éviter la mise en oeuvre des étapes ultérieures du procédé de test pour ces bougies. Au contraire, les étapes ultérieures S1-S4 permettent une discrimination plus fine entre les bougies d'allumage opérationnelles et les bougies défectueuses, et permettent ainsi d'optimiser la fiabilité du 25 procédé de test. De plus, l'utilisation d'eau dans l'étape S1 offre l'avantage de ne pas requérir de dispositions contraignantes pour garantir la sécurité des opérateurs le mettant en oeuvre. Il est à noter que le procédé de test, décrit ci-dessus dans son application à des bougies d'allumage usagées, peut également trouver une application 3057113 9 dans la validation de bougies d'allumage non usagées avant commercialisation, c'est-à-dire avant leur première mise en service. REVENDICATIONS1. Procédé de test d'une bougie d'allumage (10) à semi-conducteur comprenant deux bornes (12, 14) et une tête (16) comportant deux électrodes (18, 20) respectivement reliées aux deux bornes et séparées l'une de l'autre par un élément semi- conducteur (22), le procédé comprenant : - une étape (S1) consistant à déposer de l'eau sur la tête (16), entre les deux électrodes (18, 20), de sorte que l'eau forme un ménisque d'eau (58) recouvrant l'élément semi-conducteur (22), - une étape (S2) consistant à appliquer entre la première borne (12) et la deuxième borne (14) une tension électrique égale à une tension de fonctionnement de la bougie d'allumage (10), - une étape (S3) consistant à identifier au moins une première caractéristique d'arcs électriques (62) induits entre les électrodes (18, 20) lors de l'application de la tension électrique, et - une étape (S4) consistant à déterminer le caractère opérationnel ou défectueux de la bougie d'allumage (10) en fonction de la première caractéristique des arcs électriques (62). 2. Procédé de test selon la revendication 1, dans lequel la première caractéristique est le nombre d'arcs électriques (62) observés pendant un laps de temps prédéterminé durant lequel est appliquée la tension électrique. 3. Procédé de test selon la revendication 1, dans lequel la première caractéristique est la dispersion ou l'absence de dispersion du ménisque d'eau (58) au bout d'une durée prédéterminée. 4. Procédé de test selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape (S2) consistant à appliquer la tension électrique entre la première 3057113 11 borne (12) et la deuxième borne (14) est mise en oeuvre au moyen d'un boitier d'allumage de turbomachine (68). 5. Procédé de test selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 5 comprenant une étape de test préalable (S0), mise en oeuvre avant l'étape (S1) consistant à déposer de l'eau sur la tête (16), et consistant à : - appliquer entre la première borne (12) et la deuxième borne (14) une tension électrique égale à la tension de fonctionnement de la bougie d'allumage (10), l'élément semi-conducteur (22) étant exposé à l'air, 10 - identifier au moins une deuxième caractéristique d'arcs électriques (70) induits entre les électrodes (18, 20) lors de l'application de la tension électrique, et - poursuivre ou arrêter le procédé de test en fonction de la deuxième caractéristique des arcs électriques (70). 15 6. Procédé de test selon la revendication 5, dans lequel la deuxième caractéristique est le nombre d'arcs électriques (70) observés pendant un laps de temps prédéterminé durant lequel est appliquée la tension électrique. 7. Procédé de test selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 20 dans lequel la bougie d'allumage (10) est une bougie usagée.