CH681186A5

CH681186A5 -

Info

Publication number: CH681186A5
Application number: CH4043/89A
Authority: CH
Inventors: Jean-Paul Issartel
Original assignee: Battelle Memorial Institute
Priority date: 1989-11-09
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1993-01-29
Also published as: US5206484A; EP0427675B1; DE69006317T2; EP0427675A1; DE69006317D1; JPH03170724A

Description

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Description

La présente invention a pour objet une bougie d'allumage à incandescence destinée aux moteurs thermiques à compression élevée, par exemple les moteurs Diesel. Elle a également pour objet un procédé pour fabriquer de telles bougies.

On sait que pour assurer le démarrage à froid de tels moteurs, on utilise des bougies d'allumage à incandescence chauffées électriquement qu'il faut porter à leur température de fonctionnement (1000°C ou plus) avant de lancer le moteur. Ce préchauffage peut demander, suivant la température extérieure, de quelques secondes à quelques dizaines de secondes en raison de l'inertie thermique de l'élément chauffant de la bougie et on cherche évidemment à réduire ce délai en utilisant des courants de chauffe aussi intenses que possible ainsi que des systèmes d'auto-contrôle de ce courant lorsque la température nécessaire est atteinte afin de ne pas griller prématurément la bougie. Dans ces conditions les organes de la bougie sont soumis à des contraintes et chocs thermiques violents qui risquent de l'endommager prématurément.

Par ailleurs lorsque le moteur tourne, les effets de combustion du carburant dans le cylindre suivis de l'évacuation des gaz brûlés et du refroidissement instantané qui en résulte s'ajoutent à ceux du courant de chauffage et les oscillations thermiques auxquelles la bougie est soumise risquent de provoquer la fissuration et la dégradation de ses éléments, notamment si les coefficients d'expansion de ceux-ci sont mal adaptés les uns aux autres.

Ces problèmes sont évoqués dans le document US-A 4 742 209 (JIDOSHA-HITACHI) qui propose, afin de les résoudre, de réaliser en céramique aussi bien la portion électroconductrice de l'élément chauffant de la bougie que ses parties isolantes. Bien entendu, dans ce cas, la partie chauffante est réalisée en une céramique conductrice du courant électrique, tandis que l'isolant est réalisé en une céramique non conductrice. Pour ce faire, le document susmentionné préconise plus particulièrement la céramique dénommée SIALON qui, normalement isolante sans additifs, devient conductrice par incorporation d'une proportion de nitrure de titane. Dans une telle réalisation, le SIALON et le nitrure de titane sont liés l'un à l'autre par l'action, lors du frittage, d'additifs tels que Y2O3, AIN et AI2O3.

Le document US-A 4 742 209 propose encore d'autres types de céramiques pouvant convenir à la fabrication de telles bougies à incandescence, notamment celles pouvant résister aux températures de 1200°C. Parmi celles-ci sont citées les céramiques conductrices de type carbure, borure et nitrure, notamment SiC, et les céramiques isolantes telles que SÌ3N4, AIN ou AI2O3.

Quoique les structures décrites ci-dessus constituent un progrès vis-à-vis des réalisations antérieures comportant un filament incandescent noyé dans une matrice isolante et dont la montée en température laisse à désirer, elles ne sont pas exemptes de tous défauts, ceux-ci étant notamment liés aux différences de coefficients de dilatation des matériaux employés. Ainsi, par exemple, dans le cas cité plus haut, on constate que le facteur d'expansion thermique du TiN est de 9,35 x 10-6/°C (KIRR & OTHMER'S Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 15, 874) tandis que celui du SIALON n'est que de 3 x 10-6/°C (Ceramic Source 2 (1986), 229). De telles différences entre deux composants d'un mélange peuvent provoquer le développement de tensions internes non négligeables entre les composants de céramique et compromettre la solidité de la bougie à l'usage. Il est donc évident qu'une bougie dont le corps de chauffe comporte un élément électroconducteur dont les propriétés de dilatation sont voisines du support isolant auquel il est associé présenterait une fiabilité accrue en raison des faibles contraintes mécaniques auxquelles elle est soumise pendant son fonctionnement.

On a maintenant trouvé que pour remédier aux inconvénients susmentionnés des réalisations antérieures, on pouvait utiliser comme élément chauffant du corps de chauffe en céramique d'une bougie à incandescence des mélanges comprenant une phase de céramique de nature identique à celle qui constitue le ou les éléments isolants de la bougie et, dispersée de façon homogène dans celle-ci, une phase conductrice granulaire distincte dont les particules sont d'assez faibles dimensions pour que les tensions internes qui proviennent des différences de dilatation thermique entre la matière de la phase conductrice et celle de la phase isolante ne dépassent pas une certaine limite au delà de laquelle la solidité de l'ensemble pourrait être compromise. En effet, la variation des dimensions en valeur absolue d'un objet qu'on chauffe dépendent de sa taille; plus petites sont les particules conductrices, plus faible sera l'effort qu'elles exerceront en se dilatant à rencontre de la phase isolante dans laquelle elles sont noyées.

En tenant compte de ces considérations, on a réalisé la présente invention telle que définie aux revendications.

De manière pratique, pour des phases conductrices dont le coefficient d'expansion ne diffère pas de plus de trois à quatre fois de celui de la céramique isolante, des granules d'un diamètre de 5 [im ou moins conviennent. Cependant, comme des particules inférieures à 0,1 jim sont difficiles et onéreuses à fabriquer, on préfère les éviter pour des raisons de coût et mettre en œuvre des particules dont la taille dépasse cette limite inférieure. Les mélanges homogènes de céramique et d'une poudre métallique dispersée dans celle-ci sont dénommés cermets.

Parmi les phases de céramiques utilisables dans la présente invention, on peut citer l'Alumine, la Cor-diérite, la Mullite, la Zircone, le SÌ3N4 et l'AIN. Parmi les phases conductrices on peut citer Cr, Mo, Ni, Co et W, ces métaux résistant aux températures élevées de l'ordre de 1200 à 1600°C. On peut également utiliser des céramiques conductrices telles que TiN, TiC, SiC, M0SÌ2, WC, LaCr03, (La,Si)Mo03.

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Le tableau qui suit fournit des constantes de propriétés physiques de divers matériaux utilisables suivant l'invention, à savoir le coefficient d'expansion thermique (Exp.), en °C la température de fusion des métaux et celle maximale d'utilisation des céramiques, ainsi que la conductibilité thermique en W/M/°K de ces matériaux.

Matériaux

Exp. (x 10-6)

FCC)

Cond. (W/M/°K)

Co

12,5

1495

69

Cr

6,2

1875

67

Mo

5,1

2610

136

Ni

13,3

1453

83

Pd

11,6

1552

75

W

4,6

3387

167

S13N4

3,3

1200

15-43

SiAION

3,3-3,7

1200

20

T1O2

8,8

-

5

Zr02

5

2200

1,3

AI2O3

8

1700

24-34

AIN

5,3

1200

140

Céramique vitreuse

13

1000

1,3

On constate d'après ce qui précède que les céramiques ZrÛ2 et AI2O3 présentent des dilatations très voisines de celles des métaux Mo, W et Cr. En conséquence, les cermets réalisés à partir de tels couples sont soumis, à chaud, à de très faibles tensions internes même si les particules métalliques ont une taille relativement élevée de l'ordre de 500 jim.

De manière générale, pour assurer une conductivité électrique correspondant à une gamme utilisable pour les corps de chauffe des bougies à incandescence, la proportion pondérale de la poudre métallique dans le cermet est de l'ordre de 20 à 40%. Cependant, ces valeurs peuvent être outrepassées, la conductibilité électrique intrinsèque du cermet dépendant également de la taille moyenne des particules. En effet, plus les particules électroconductrices sont fines, plus la conductivité est élevée pour une concentration pondérale donnée.

De préférence, on utilise des céramiques et phases conductrices présentant des coefficients de dilatation dont le rapport est compris entre environ 0,5 et 1,5, notamment de l'alumine comme phase isolante et de la poudre de chrome en particules de 0,5 à 10 |xm comme phase conductrice, la proportion de chrome dans l'alumine pouvant varier entre environ 10 et 40% en poids. En effet, le coefficient de dilatation du chrome est d'environ 6 x 10_6/°C et celui de l'alumine de 8-8,5 x 10_6/°C. Le rapport entre les deux coefficients d'expansion est donc d'environ 0,7 et les exigences en matière de finesse des particules de poudre sont donc réduites.

Il est à remarquer que la matrice de céramique de la présente bougie n'est pas nécessairement une céramique pure. En effet, pour améliorer la conductibilité thermique de cette céramique, celle-ci peut contenir, dispersés dans sa masse, des additifs de haute conductibilité thermique. Comme tels, on peut citer des métaux en particules isolées électriquement les unes des autres ou des céramiques thermoconductrices mais ne conduisant pas ou peu le courant électrique.

Pour isoler les unes des autres au point de vue électrique ces particules métalliques, on peut soit les recouvrir préalablement d'une pellicule isolante ou seulement faiblement conductrice (une pellicule d'oxyde par exemple), soit les éloigner suffisamment les unes des autres pour qu'elles ne soient pas en contact. On a déjà noté à ce sujet que, pour un pourcentage donné en poids de particules métalliques dispersées dans la céramique, plus celles-ci sont grosses, moins elles sont proches les unes des autres et moins elles ont tendance à se toucher et à former ainsi un circuit électrique par contact. De manière pratique on constate que si on disperse par exemple 25% ou moins en volume de poudre de chrome en particules d'au moins environ 500 um en moyenne dans de l'alumine, celle-ci reste électriquement isolante; par contre, avec un pourcentage identique de particules inférieures à 5 um, elle devient conductrice de l'électricité. On a donc affaire à un cermet isolant électriquement dans le premier cas et à un cermet conducteur dans le second cas; par contre, les propriétés thermiques de ces deux cermets sont très voisines. En conséquence, un corps de chauffe de bougie comportant des éléments isolants et chauffants dont non seulement les coefficients de dilatation sont voisins, mais qui présentent des conductibilités thermiques voisines (c'est-à-dire qui montent simultanément en température) sont particulièrement favorables.

Il est bien entendu que les considérations qui précèdent s'appliquent aussi bien à la matrice céramique de l'élément conducteur de la présente bougie que de son élément isolant, la différence près que l'élé3

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ment conducteur ne peut évidemment pas contenir, outre les particules métalliques fines qui lui assurent sa conductivité électrique, des particules métalliques plus grosses (améliorant la conductibilité thermique de la céramique) qui ne seraient pas isolées électriquement les unes des autres; en effet, dans ce cas, les particules plus grosses seraient en contact électrique avec les particules fines et la résistance électrique de l'élément tomberait au dehors des normes désirées.

De manière générale, on préfère utiliser, pour augmenter les capacités thermiques de la matrice de céramique, des particules métalliques recouvertes d'une pellicule isolante ou tout au moins dont la conductivité est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle de la particule elle-même. Leur taille est alors de moindre importance. De manière générale, on peut, suivant cet aspect de l'invention, utiliser les mêmes métaux que ceux destinés à assurer la conductivité électrique de l'élément conducteur, à savoir les métaux oxydables tels que Co, Cr, Mo, Ni et W. Les poudres de ces métaux sont recouvertes alors préalablement d'une couche d'oxyde isolant ou peu conducteur par les moyens habituels, notamment par fluidisation à chaud dans un courant d'oxygène.

D'autres métaux, moins réfractaires mais très conducteurs thermiquement, par exemple Cu et Ag (coefficients 393 et 417, respectivement), sont également utilisables pour le but susmentionné à condition que les éléments réalisés en céramique ainsi modifiée ne soient pas soumis à de trop hautes températures; cela peut être ainsi le cas des éléments isolants de la bougie, mais seulement exceptionnellement des éléments conducteurs de celle-ci dont la température dépasse 1000°C en général.

L'invention est illustrée par des formes d'exécution de bougies à incandescence représentées au dessin.

La fig. 1 représente schématiquement en coupe une bougie suivant l'invention.

La fig. 2 en est un coupe suivant la ligne ll-ll de la fig. 1.

La fig. 3 est une coupe schématique d'une variante du corps de chauffe de la bougie de la fig. 1.

La fig. 4 est une coupe schématique d'une autre variante de corps de chauffe.

La bougie à incandescence représentée schématiquement la fig. 1 comprend essentiellement un corps de chauffe composé d'un élément conducteur 1 et d'un élément isolant 2, tous deux à base d'une céramique de nature unique, par exemple l'alumine. L'élément conducteur est un cermet d'alumine et de poudre de chrome de granulométrie 1-5 um au taux volumique de 20 à 40%. Le corps de chauffe, muni d'un fil de connexion 3, est serti dans une douille 4 filetée en 5, cette douille retenant également une tige axiale filetée 6 serrée par un joint annulaire 7 en matière isolante et munie, à l'extérieur de la douille 4, d'une rondelle isolante 8, d'un écrou 9 et d'un contre-écrou 10.

La fabrication d'une telle bougie est relativement simple, l'élément 1 en cermet électroconducteur est tout d'abord extrudé, puis coudé et ensuite introduit dans une matrice d'alumine constituant l'isolant 2 et cofritté avec celle-ci. La douille 4 est alors appliquée sur le corps de chauffe et sertie sur celui-ci de manière que la surface externe de cet élément 1 soit en contact électrique avec la paroi interne de la douille 4. L'assemblage des organes restants de la bougie est ensuite traditionnel.

Bien entendu, la céramique de l'isolant 2 utilisée dans cette forme d'exécution peut comprendre, en dispersion, un agent thermoconducteur destiné à augmenter sa conductibilité thermique et à réduire les écarts de coefficients de dilatation avec celui de l'élément chauffant 1 ; cet agent peut être de la poudre de chrome oxydée en surface.

La fig. 3 est une coupe schématique d'une autre forme d'exécution d'un corps de chauffe destiné à la bougie suivant l'invention. Ce corps de chauffe se compose d'un élément chauffant 11 en cermet et d'un élément isolant 12. On peut réaliser ce corps de chauffe en extrudant tout d'abord la portion axiale de l'élément 11, en recouvrant au trempé sa zone périphérique d'une couche de céramique et finalement en revêtant le tout, toujours au trempé, d'une couche de cermet conducteur y compris la face axiale, de manière à réaliser l'ensemble schématisé à la fig. 3. Après frittage, le montage du corps de chauffe dans la bougie se fait comme indiqué auparavant.

La fig. 4 représente schématiquement une autre forme d'exécution du corps de chauffe d'une bougie à incandescence.

Ce corps de chauffe comprend un cylindre 22 en céramique dont une extrémité est aveuglée par un bouchon 21 a en cermet, lequel est en contact avec un élément chauffant 21 qui tapisse les parois internes et externes du cylindre 22.

On réalise un tel corps de chauffe à partir d'un cylindre creux de céramique dans lequel on enfonce le corps 21 a puis qu'on revêt, au trempé, de la couche 21 au moyen d'un coulis de cermet.

Les exemples suivants illustrent l'invention.

Exemple 1

Dans cet exemple on se référé à la fig. 3 du dessin. Dans un récipient fermé en polyéthylène, on broie 24 heures les ingrédients suivants en présence de 1300 g de billes de silicate de zirconium.

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Poudre d'alumine (grannulométrie ~ 1 |im) 810 g

Phase vitreuse à 80% de SÌO2, le restant étant un mélange de 90 g MgO, CaO et Na20

Poudre de Cr (à moins de 1 % en poids d'Os) 679 g Tert.BuOH - éther de pétrole (1:1) 500 g Huile de poisson (dispersant) 22 g

Après broyage, on sépare les billes du mélange et on sèche celui-ci. A 500 g de cette poudre sèche, on ajoute dans un mélangeur DRAIS - IK3 150 g d'eau et 25 g de méthylcellulose (Methocell®, Dow Chemicals) et on agite sous pression réduite (120 Torr) jusqu'à formation d'une pâte homogène (60 mm).

On comprime la pâte ainsi obtenue sous 3T/cm2 afin de la compacter et d'éliminer les bulles, puis on ex-trude cette pâte dans une extrudeuse de manière à former un boudin d'un diamètre de 3 mm. On sèche ce boudin 24 heures à 120° à l'air.

Par ailleurs, on prépare une suspension au moyen de 70 g d'eau, 5 g de Methocell®, 90 g de poudre d'Al203 (granulométrie - 1 um), 10 g de la phase vitreuse utilisée pour mouler le boudin de cermet et 75,4 g de poudre de chrome dont la surface est revêtue d'une couche isolante ou faiblement conductrice, cette couche étant soit du Cr02 obtenu par oxydation des particules de chrome dans l'oxygène à chaud, soit par enrobage avec AI2O3.

On trempe le boudin dans cette suspension de façon à réaliser une couche 12 de matière isolante de 500 gm environ sur sa surface. Après séchage de cette couche, on met à nu ies faces axiales du boudin par meulage, puis on procède à la formation d'un nouveau revêtement 11, de cermet cette fois (100-200 um), par trempage dans une suspension contenant 90 g de poudre d'alumine, 10 g de phase vitreuse (telle qu'indiqué plus haut), 75,4 g de poudre de Cr conductrice (à moins de 1 pourcent en poids d'oxygène), 70 g d'eau et 5 g de Methocell®.

Après séchage et meulage d'une des faces axiales du boudin, on obtient un corps de chauffe conforme à celui de la fig. 3; après séchage, on le chauffe à 300°C (10°C/h) pour éliminer les matière organiques (liants). Puis on fritte ensuite à 1550°, 24 heures sous Argon Classe 48.

On monte ensuite le corps de chauffe dans une douille comme indiqué plus haut de façon à réaliser une bougie à incandescence qui, lors des essais pratiques, a fourni des résultats excellents de rapidité d'allumage et de longévité.

Exemple 2

On a procédé comme décrit dans l'exemple 1 à la différence que la partie isolante 12 a été réalisée en utilisant 20% en poids d'une poudre de chrome de granulométrie très supérieure (> 100 jim) à celle de la poudre de Cr conductrice de la zone conductrice 11. Cette version simplifiée a cependant fourni un corps de chauffe de propriétés satisfaisantes.

Exemple 3

Dans cet exemple, on se référé à la fig. 4.

On prépare une pâte pour extrusion comme indiqué à l'exemple 1 mais en remplaçant dans le mélange de poudre initial la poudre de chrome électroconductrice par une poudre de chrome à forte teneur en poids d'oxygène (5-10%).

On extrude cette pâte dans les conditions déjà indiquées en un cylindre creux 22 dont les diamètres externe et interne sont, respectivement, d'environ 8 et 6 mm (longueur 25-30 mm). On revêt ce cylindre au trempé dans une suspension de cermet (voir exemple 1) d'une couche 21 électroconductrice d'environ 200-300 |im (à sec), puis on obture une de ses extrémités par un bouchon 21a de pâte de cermet et, finalement, on meule cette extrémité afin de dégager la zone annulaire correspondante du cylindre isolant 22. Après avoir ménagé dans le bouchon 21 a un plot de connexion pour ultérieurement établir la connexion axiale du corps de chauffe ainsi réalisé, on procède à la pyrolyse de l'ensemble et à son frittage dans les conditions décrites à l'exemple 1.

On monte ensuite ce corps de chauffe dans une douille métallique et on procède à l'assemblage des éléments de la bougie comme indiqué auparavant.

Claims

Revendications

1. Bougie d'allumage à incandescence pour moteur Diesel dont le corps de chauffe, allongé, fait saillie dans une chambre de combustion dudit moteur et dont les éléments de base sont, d'une part, (a) un élément électro-conducteur relié par une de ses extrémités à une borne axiale postérieure de la bougie destinée à alimenter celle-ci en courant et, par son extrémité opposée, à une douille externe de la bougie vis5

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sée dans le moteur et, d'autre part, (b) un élément support en céramique isolante intégral avec l'élément conducteur et serti dans ladite douille, caractérisée en ce que l'élément conducteur (a) est constitué d'un cermet dont la matrice de céramique est de nature identique à celle de l'élément isolant (b) et contient, dispersée de façon homogène, une phase électroconductrice granulaire dont le coefficient de dilatation thermique ne diffère pas de plus de quatre fois de celui de la phase céramique isolante et dont les grains ou particules sont d'une taille suffisamment réduite pour que les tensions internes provoquées, lors du fonctionnement de la bougie, par la présence dans l'élément conducteur de phases de coefficients de dilatation différents soient inférieures à la pression de fissuration de la céramique.

2. Bougie suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport des coefficients de dilatation de la phase conductrice et de la céramique est compris entre 0,5 et 1,5 et que la taille des particules électroconductrices ne dépasse pas 50 um.

3. Bougie suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport des coefficients de dilatation de la phase conductrice et de la céramique est de 1 à 3 et que la taille des particules est comprise entre 0,1 et 5 um.

4. Bougie suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la phase conductrice est le chrome et la céramique de l'alumine.

5. Bougie suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la phase conductrice est choisie parmi Cr, Mo, Ni, W et Co et la phase céramique parmi AI2O3, Cordiérite, Mullite, Zircone, SÌ3N4, AIN et SiC.

6. Bougie suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément support (b) contient, en dispersion homogène, des additifs de conductibilité thermique élevée afin de rapprocher la conductibilité thermique de ce support de celle de l'élément conducteur chauffant (a).

7. Bougie suivant la revendication 6, caractérisée en ce que ces additifs sont choisis parmi Co, Cr, Mo, Ni et W en poudre, les particules de ceux-ci étant recouvertes d'une pellicule électriquement isolante ou peu conductrice.

8. Bougie suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la présence de ces additifs dans le support (b) rapproche également le coefficient de dilatation thermique de ce support de celui du cermet de l'élément chauffant (a).

9. Procédé de fabrication d'une bougie suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on extrude une pâte d'une composition de cermet afin de fournir l'élément conducteur (a) au moyen d'une poudre de cermet, que l'on incorpore l'élément (a) ainsi extrudé à l'élément (b) que l'on forme par moulage et pressage d'une poudre de céramique, puis que l'on cofritte les éléments (a) et (b) de manière à les rendre intégraux l'un avec l'autre.

10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'une partie au moins des éléments (a) et/ou (b) est réalisée au trempé dans une suspension de poudre de cermet ou de poudre de céramique.

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