EP1202411A1 - Gliding discharge spark plug with radial spark - Google Patents
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- EP1202411A1 EP1202411A1 EP01402770A EP01402770A EP1202411A1 EP 1202411 A1 EP1202411 A1 EP 1202411A1 EP 01402770 A EP01402770 A EP 01402770A EP 01402770 A EP01402770 A EP 01402770A EP 1202411 A1 EP1202411 A1 EP 1202411A1
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- electrode
- spark
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- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T13/00—Sparking plugs
- H01T13/52—Sparking plugs characterised by a discharge along a surface
Definitions
- the present invention relates to the field spark plug technology for combustion engine internal, intended in particular to equip a vehicle automobile.
- the invention relates to a special geometry of spark plug surface, i.e. using amplification effects of the electric field in the vicinity of an insulating surface.
- spark plug geometries characterized in particular in that the spark is said to be creeping, that is to say that it spreads along the separating insulation the central electrode, to which is applied a high voltage, of the ground electrode, the so-called electrode cooperating with the base or sometimes even being directly conformed in the said base.
- the electrode mass can define with the surface of the insulation a obviously annular or, on the contrary, be directly in contact with said surface, but in any case, the ratio of the distances traveled by the spark in the air and on the insulation will have to remain very weak so that one could speak of surface sparks.
- An implementation solution then consists in use a counter electrode which extends into the insulation, facing the surface on which is created the spark.
- This electrode can be directly one of the two spark plug electrodes, as is the case with patent applications FR99 / 09473 and FR99 / 04733.
- the counter electrode may be integrated inside the ceramic, independently functional electrodes between which is applied high voltage, and cooperate electrically with one of said functional electrodes.
- the geometry of the candle presented is similar to that described in patent application FR99 / 07433 filed by the Applicant, and is characterized, inter alia, by a large length of spark which propagates over the surface of the dielectric 100, between the end 101 of the central electrode 102 and the collar 103 conformed to the end of the base 104.
- This candle can be called surface spark plug with longitudinal or axial spark in the extent to which said spark is created on the insulator, in a direction substantially parallel to the axis of the candle.
- this type of candle uses field amplification effects electric in the air in the vicinity of insulation 100 which surrounds the central electrode 102.
- the part cylindrical metallic collar 103 added at the end of the base 104, makes it possible to reinforce field amplification by a peak effect. So, when high voltage is applied at the central electrode 102, the amplification of the field along of the surface is maximum in the vicinity of the base and allows initiate a breakdown along said surface.
- the presence of the dielectric 100 creates a field amplification electrostatic in the air in its vicinity, and promotes progression of the electronic avalanche along the area.
- a first drawback of this type of geometry comes precisely from the fact that the path of the spark around the insulation is not clearly defined.
- the said insulator systematically masks a part of the room with spark.
- the distribution of sparks around the insulation being random, and the local dispersions of wealth in a cylinder that can sometimes be significant, there may be cases or the said spark is generated on part of the insulator around which wealth is not conducive upon initialization of combustion.
- This drawback is all the more annoying on engines operating in laminate mix, in which the fuel cloud at conditions close to stoichiometry is moving in a generally poor environment.
- the geometry electrodes of a surface effect candle generates very strong asymmetries in the distribution of electric field along the surface.
- the effects of tip, generated by the beveled shape of the collar, contribute to reinforce this asymmetry so that the electronic avalanche phenomena that govern the physics of the spark, will always be initiated in neighborhood of the aforementioned collar 103.
- the electrostatic field is more than 10 times greater than the field at the end 101 of the electrode central 102. The breakdown voltage of the surface spark plugs then the weaker the electric field will be strong there.
- the object of the present invention is to resolve the aforementioned problems, by proposing new architectures for surface spark plugs, substantially different from the already existing geometries presented above.
- the spark is created radially between the base and the central electrode along the surface of a insulator with a dielectric coefficient greater than one, and which separates the said base from the aforementioned central electrode.
- the counter electrode which generates a amplification of the electric field along the surface of the insulation extends perpendicular to the axis of the spark plug, parallel to the surface of the insulation on which is creates the spark.
- the quotient of the distance separating the said central electrode of said counter electrode by the relative permittivity of the insulation is substantially less than the length of the spark propagating in air along the surface.
- the central electrode has one end flared which extends along the surface of the insulation in with respect to the aforementioned counter electrode, the so-called end ending in a beveled shape forming a angle less than 45 degrees.
- the ground electrode can be directly conformed in the material which constitutes the cylinder head.
- Figure 1 allowed us to present the concept of surface discharge by referring to a geometry of already existing candle, as described for example in the patent application of the Applicant FR99 / 07433.
- This candle is shaped to present a symmetry of revolution about its longitudinal axis D. It is intended to be mounted on the cylinder head of an engine internal combustion.
- Said candle thus comprises an electrode cylindrical low voltage 204, which serves as a base metallic, intended to be screwed into a well of spark plug using a thread 205 shaped on its part exterior over a determined length.
- the 204 base is therefore intended to come into contact with the cylinder head by through the shoulder 207 and therefore to be connected electrically grounded.
- This base 204 surrounds a high voltage electrode 202, for example of cylindrical shape, arranged in position central, and therefore intended to be connected to the system high voltage generator ignition.
- the electrode central 202 is isolated from the base 204 via an insulating sleeve 200, made of an insulating material with dielectric coefficient greater than 1, for example from ceramic.
- Said insulating sleeve 200 is shaped substantially cylindrical and its lower end 208 is shaped so as to form a circular collar, larger in diameter than the rest of the sleeve, the so-called collar cooperating on one of its sides with a shoulder 212 formed in the base 204, while the opposite side has a surface 206 oriented towards the combustion chamber.
- Maintaining the insulating sleeve 200 in position is provided by the extreme part 201 of the central electrode 202, which has a flared shape, the so-called flared shape extending radially along the surface 206 of the sleeve insulating 200 above, and cooperates in support with said surface 206 over a determined length.
- the extreme part 201 of the central electrode which covers the sleeve insulating 200, also characterized by a shape beveled which forms, with the extreme surface 206 of the sleeve insulator 200, an angle less than 45 degree.
- the sharp edge thus shaped at the end of the cap 201 of the central electrode 202 contributes, thanks with advanced effects, to strengthen the electric field, already amplified at this point of the candle by the effects of aforementioned surface.
- the length thus defined between the end of the base 203 and the end of the larger diameter of the cap 201 corresponds substantially to the length of spark generated when high voltage is applied to the central electrode 202 of the spark plug, object of the present invention, and that the breakdown phenomenon, along the sleeve surface insulator 206 between the central electrode 202 and the base 204.
- said hat 201 conformed to the end of the central electrode 202 contributes according to this first embodiment, maintaining and sealing of the insulating sleeve 200 by means of tension applied to the opposite end 211, called upper end, of the central electrode 202 by through means of restraint that we will detail below.
- Figure 3 a view enlarged from the lower end of the candle presented in Figure 2.
- This view highlights the particular shape to give to the contact area between the cap 201 of the central electrode 202, the collar 208 of the insulating sleeve 200, and the shoulder 212 shaped on the pellet 204 in order to obtain both good tightness of the system once assembled, good resistance of the insulator to electrostatic stresses, and to avoid that the stressing efforts applied along the surface 215, by the cap 201 on the flange 208, under the action of the setting means aforementioned constraint will damage the said flange 208.
- a first point to respect in order to avoid the creation of local electrostatic stresses too important in the insulating sleeve 200, and make sure that the counter electrode does not have a sharp angle in look at the central electrode 202.
- a radius of connection 216 greater than 1 mm is conformed on the part of the shoulder 212 opposite the said the central electrode 202.
- the insulating material is ceramic, it is important to make sure that the flange 208 shaped at the end of the insulating sleeve 200 will not be subjected to bending stresses during assembly.
- the bending moment generated in the flange 208 by the means for stressing the electrode 202 will be minimal.
- cap 201 keeps the sleeve insulator 200, while ensuring the tightness of the device through surfaces 215 and 213, the so-called cooperating surfaces thanks to the stressing means that we mentioned above.
- the cap 201 is integrally connected to the electrode central 202, and mechanical retaining means 209 exert tensile forces on the upper end 211 of said electrode 202.
- the lower end 201 is kept in contact with the flange 208 along the surface 215, the so-called flange 208 then cooperates on its other side with the shoulder 212 shaped on the base 204.
- the assembly thus forms a perfectly integral, rigid and waterproof assembly up to pressures of several tens of bars, when the device which is the subject of the invention is mounted in the cylinder head of an engine.
- Said means of constraint 209 can be made for example using a cylindrical piece threaded, cooperating at the same time with a thread formed on the end 211 of the electrode 202, and also in support with the pellet 204, either directly or as it is presented, in Figure 2, through a part intermediate 210.
- Radial surface spark plug geometry as well described allows, in accordance with the definition given more top of a surface spark plug, generate a amplification of the electric field along the surface 206 of the insulator 200 which separates the central electrode 202 from the pellet 204.
- FIG. 4 represents a second mode of realization of a radial spark plug in which the counter electrode is no longer an integral part of the base 304 but is formed by an attached part which can be for example a conductive metal washer 312.
- said washer 312 cooperates electrically with the base 304 either by a direct physical contact, either via a capacitive link formed by a thin layer of air or insulation separating the said base 304 of said washer 312. In all cases, The washer 312 therefore has a substantially potential identical to that of base 304.
- the said washer 312 is inserted inside an obviously shaped the inside of the sleeve 300 and extends radially opposite of the surface 306 of the insulation, so as to allow amplification of the field on said surface, favoring thus the progression of a spark on the surface 306 supra.
- a shoulder 313, shaped in the base 304 allows sealing between said insulating sleeve 300 and the said base 304, by means of stressing 309 of the central electrode 302 similar to those presented upper.
- This second embodiment has the advantage compared to the first embodiment, exposed on the Figure 2, possibly allowing, as we have seen above, the installation of an electrical coupling capacitive between the counter electrode 312 and the base 304 connected to ground, so that the amplitude can be modulated of the electric field applied through the insulating sleeve 300.
- One solution for this is, for example, to drown the washer 312, constituting the counter electrode, at inside the insulating sleeve 300.
- another advantage of this second embodiment is to be able to act simply on the temperature of the insulating sleeve 300, by modifying the longitudinal position of the contact area 313 between the said insulating sleeve 300 and the base 304.
- a radial spark plug also has the advantage of generating maximum amplification of the field electric which is obtained at the outside diameter cap 201, shaped at the end of the electrode central 202. This point also represents in operating the hottest point of the candle, and, as we saw earlier, this goes in the direction a reduction in the voltage required for breakdown.
- the surface candle with radial spark is more suitable for integrating the cylinder head candle, made possible by aforementioned characteristics specific to candles surface, and in particular their longevity and robustness against fouling.
- the reduction in the size of the candle optimizes the shape of the water core, thus allowing better cooling of the cylinder head, in order to repel the appearance of rattling.
- Figures 5 and 6 and 7 show third, fourth and fifth embodiments of a candle radial spark surface according to the invention and which have the additional characteristic of being directly integrated into the cylinder head, and therefore not removable.
- FIG. 5 represents a central electrode 402, surrounded by an insulating sleeve 400, the assembly being integrated directly into the wall of a cylinder head 404.
- the cap 401 shaped at the end of the central electrode 402.
- the cap 401 partially extends along the surface 406 of the flange 408, while in the fourth mode of realization it is integrated into the said flange 408 of so as not to protrude from the surface 406.
- the geometry of the central electrode 402 and of 400 insulation is similar to that of a candle removable radial spark surface as shown in Figure 1. The difference is at the low voltage electrode.
- Said electrode, initially formed by the base dismountable is advantageously replaced according to this mode of production by metal 404 of the cylinder head.
- Cylinder head 404 is shaped to present a bore terminated by a shoulder 412 shaped directly into the material, so that the said material comes to cooperate with a insulation 400, said insulation having a nail shape inverted as previously described in Figure 2.
- the said shoulder 412 acts as a counter electrode and thus allows an amplification of the field to be generated electric on the surface 406 of the insulation 400.
- the end 403 of the bore formed in the cylinder head 404 has a form of step which limits the effect of the wear of the matter and generates a favorable turbulence at the start of the combustion.
- the shape of the insulating sleeve 400 is similar to that described in Figure 4.
- the against electrode 412 is formed by molding by the penetration of cast iron into the notch of the insulating sleeve 400, and the insulating sleeve 400 is maintained naturally by the material of the breech and no longer by the cap 401 formed on the end of the electrode 402.
- This embodiment therefore presents a solution advantageous in the case of direct integration into the pouring of the central electrode insulator assembly.
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte au domaine technique des bougies d'allumage pour moteur à combustion interne, destinées notamment à équiper un véhicule automobile.The present invention relates to the field spark plug technology for combustion engine internal, intended in particular to equip a vehicle automobile.
Plus particulièrement, l'invention concerne une géométrie particulière de bougie d'allumage à effet de surface, c'est-à-dire utilisant les effets d'amplification du champ électrique au voisinage d'une surface isolante.More particularly, the invention relates to a special geometry of spark plug surface, i.e. using amplification effects of the electric field in the vicinity of an insulating surface.
Un tel type de bougie est décrit par exemple dans le document FR 2 771 558 et les demandes de brevets, non encore publiées, FR 99/09473, et FR 99/04733 déposés par la Demanderesse ou encore le brevet EP0055658.Such a type of candle is described for example in document FR 2 771 558 and patent applications, not yet published, FR 99/09473, and FR 99/04733 filed by the Applicant or even patent EP0055658.
D'après ces brevets, on connaít plusieurs géométries de bougies d'allumage, caractérisées notamment en ce que l'étincelle est dite rampante, c'est-à-dire qu'elle se propage le long de l'isolant séparant l'électrode centrale, à laquelle est appliquée une haute tension, de l'électrode de masse, la dite électrode coopérant avec le culot ou étant même parfois directement conformée dans le dit culot.According to these patents, we know several spark plug geometries, characterized in particular in that the spark is said to be creeping, that is to say that it spreads along the separating insulation the central electrode, to which is applied a high voltage, of the ground electrode, the so-called electrode cooperating with the base or sometimes even being directly conformed in the said base.
Selon le mode de réalisation choisi, l'électrode de masse pourra définir avec la surface de l'isolant un évidemment annulaire ou, au contraire, être directement en contact avec la dite surface, mais dans tous les cas, le rapport des distances parcourue par l'étincelle, dans l'air et sur l'isolant devra rester très faible pour que l'on puisse parler d'étincelles de surface. Parallèlement, afin de bénéficier d'une amplification correcte du champ le long de l'isolant, il est nécessaire de générer une différence de potentiel la plus élevée possible entre la surface intérieure et extérieure du dit isolant, et ce tout le long du trajet de l'étincelle.Depending on the embodiment chosen, the electrode mass can define with the surface of the insulation a obviously annular or, on the contrary, be directly in contact with said surface, but in any case, the ratio of the distances traveled by the spark in the air and on the insulation will have to remain very weak so that one could speak of surface sparks. At the same time, in order to benefit from a correct amplification of the field along of the insulation, it is necessary to generate a difference the highest possible potential between the surface inside and outside of said insulator, all along of the spark path.
Une solution de réalisation consiste alors à utiliser une contre électrode qui s'étend dans l'isolant, en vis-à-vis de la surface sur laquelle est créée l'étincelle.An implementation solution then consists in use a counter electrode which extends into the insulation, facing the surface on which is created the spark.
Cette électrode peut être directement l'une des deux électrodes de la bougie, comme c'est le cas dans les demandes de brevets FR99/09473 et FR99/04733. Selon d'autres modes de réalisation, la contre électrode peut être intégrée à l'intérieur de la céramique, indépendamment des électrodes fonctionnelles entre lesquelles est appliquée la haute tension, et coopérer électriquement avec l'une des dites électrodes fonctionnelles. Là encore, on peut séparer les modes de réalisation suivant que la contre électrode précitée est en contact physique avec l'une des électrodes de la bougie ou, au contraire, séparée de cette dite électrode par une épaisseur de matériau isolant de manière à définir une liaison capacitive. C'est le cas de la bougie présentée dans le document FR 2 771 558.This electrode can be directly one of the two spark plug electrodes, as is the case with patent applications FR99 / 09473 and FR99 / 04733. according to other embodiments, the counter electrode may be integrated inside the ceramic, independently functional electrodes between which is applied high voltage, and cooperate electrically with one of said functional electrodes. Again, we can separate the embodiments depending on whether the counter the aforementioned electrode is in physical contact with one of the spark plug electrodes or, on the contrary, separate from this said electrode by a thickness of insulating material of so as to define a capacitive link. This is the case of the candle presented in document FR 2 771 558.
Dans tous les cas, on est confronté, lors de la réalisation d'une bougie à étincelle de surface, au délicat problème de réaliser une géométrie de bougie intégrant une contre électrode s'étendant au voisinage de l'isolant, tout en garantissant à la fois un encombrement, une résistance mécanique et diélectrique, et un comportement thermique compatibles avec les conditions rencontrées lors d'une implantation dans une culasse de véhicule automobile. In any case, we are confronted, during the creation of a delicate sparkle surface candle problem of making a candle geometry integrating a against electrode extending in the vicinity of the insulator, all by guaranteeing both space and resistance mechanical and dielectric, and thermal behavior compatible with the conditions encountered during a implantation in a cylinder head of a motor vehicle.
Compte tenu des contraintes précédentes, la plupart des bougies à étincelle de surface, telles que nous les avons décrites ci-dessus, se caractérisent par la présence d'une couche d'isolant à coefficient diélectrique supérieur à 1, de forme sensiblement cylindrique, plus ou moins projeté à l'intérieur de la chambre de combustion, le dit isolant séparant ainsi l'extrémité de l'électrode centrale de l'électrode de masse, conformée directement sur le culot situé en retrait.Given the above constraints, most surface spark plugs, such as we described above, are characterized by the presence an insulating layer with a higher dielectric coefficient to 1, of substantially cylindrical shape, more or less projected inside the combustion chamber, says insulator thus separating the end of the central electrode of the ground electrode, shaped directly on the base set back.
Sur la figure 1, nous avons représenté un modèle de bougie de surface tel que décrit ci-dessus.In Figure 1, we have shown a model of surface candle as described above.
La géométrie de la bougie présentée est similaire à
celle décrite dans la demande de brevet FR99/07433 déposée
par la Demanderesse, et se caractérise, entre autre, par
une forte longueur d'étincelle qui se propage sur la
surface du diélectrique 100, entre l'extrémité 101 de
l'électrode centrale 102 et la collerette 103 conformée à
l'extrémité du culot 104. Cette bougie peut être appelée
bougie de surface à étincelle longitudinale ou axiale dans
la mesure où la dite étincelle est créée sur l'isolant,
selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de la
bougie.The geometry of the candle presented is similar to
that described in patent application FR99 / 07433 filed
by the Applicant, and is characterized, inter alia, by
a large length of spark which propagates over the
surface of the dielectric 100, between the
La différence de géométrie avec une bougie
classique apparaít principalement au niveau de l'absence
d'électrode de masse saillante dans la chambre et à l'ajout
d'une rondelle 101, du diamètre de l'isolant, à l'extrémité
de l'électrode centrale 102, afin d'éviter une usure de la
céramique 100 sur son angle vif 105.The difference in geometry with a candle
classic appears mainly in the absence
protruding earth electrode in the chamber and adding
a
Comme nous l'avons vu précédemment, ce type de
bougie utilise les effets d'amplification du champ
électrique dans l'air au voisinage de l'isolant 100 qui
entoure l'électrode centrale 102. Parallèlement, la partie
métallique cylindrique en forme de collerette 103, ajoutée
à l'extrémité du culot 104, permet de renforcer
l'amplification de champ par un effet de pointe. Ainsi,
lorsqu'une haute tension est appliquée au niveau de
l'électrode centrale 102, l'amplification du champ le long
de la surface est maximale au voisinage du culot et permet
d'initier un claquage le long de ladite surface.As we saw earlier, this type of
candle uses field amplification effects
electric in the air in the vicinity of
Puis, l'étincelle se propage le long de l'isolant,
depuis la collerette 103 jusqu'à l'extrémité 101 de
l'électrode centrale. Durant ce processus, la présence du
diélectrique 100 créé une amplification de champ
électrostatique dans l'air à son voisinage, et favorise la
progression de l'avalanche électronique le long de la
surface.Then, the spark spreads along the insulation,
from the
Avec des tensions de claquage comprises entre 5 kV et 25 kV, il est ainsi possible d'obtenir des longueurs d'étincelle de l'ordre de 4 à 5 mm contre moins d'un millimètre avec une bougie classique. L'étincelle, ainsi générée, est parallèle à l'axe de la bougie. De plus, avec ce type de bougies, compte tenu de la symétrie du système, le claquage peut se produire n'importe où autour de l'isolant.With breakdown voltages between 5 kV and 25 kV, it is thus possible to obtain lengths 4 to 5 mm of spark against less than one millimeter with a classic candle. The spark, as well generated, is parallel to the axis of the candle. In addition, with this type of candles, given the symmetry of the system, the breakdown can happen anywhere around the insulation.
Un premier inconvénient de ce type de géométrie, où l'étincelle est générée longitudinalement dans le cylindre, provient justement du fait que le chemin de l'étincelle autour de l'isolant n'est pas clairement défini. Dans ce cas en effet, le dit isolant masque systématiquement une partie de la chambre à l'étincelle. La répartition des étincelles autour de l'isolant étant aléatoire, et les dispersions locales de richesses dans un cylindre pouvant parfois être non négligeables, il peut se produire des cas ou la dite étincelle est générée sur une partie de l'isolant autour de laquelle la richesse n'est pas propice à l'initialisation d'une combustion. Cet inconvénient est d'autant plus gênant sur les moteurs fonctionnant en mélange stratifiés, dans lesquels le nuage de carburant aux conditions proches de la stoechiométrie est en mouvement dans un environnement globalement pauvre.A first drawback of this type of geometry, where the spark is generated longitudinally in the cylinder, comes precisely from the fact that the path of the spark around the insulation is not clearly defined. In this case indeed, the said insulator systematically masks a part of the room with spark. The distribution of sparks around the insulation being random, and the local dispersions of wealth in a cylinder that can sometimes be significant, there may be cases or the said spark is generated on part of the insulator around which wealth is not conducive upon initialization of combustion. This drawback is all the more annoying on engines operating in laminate mix, in which the fuel cloud at conditions close to stoichiometry is moving in a generally poor environment.
Comme nous l'avons vu précédemment, la géométrie
des électrodes d'une bougie à effet de surface génère de
très fortes dissymétries au niveau de la répartition du
champ électrique le long de la surface. Les effets de
pointe, générés par la forme biseautée de la collerette,
contribuent à renforcer cette dissymétrie si bien que les
phénomènes d'avalanche électronique qui régissent la
physique de l'étincelle, seront toujours initiés au
voisinage de la collerette 103 précitée. A cet endroit en
effet, le champ électrostatique est plus de 10 fois
supérieur au champ à l'extrémité 101 de l'électrode
centrale 102. La tension de claquage des bougies de surface
sera alors d'autant plus faible que le champ électrique
sera fort à cet endroit.As we saw earlier, the geometry
electrodes of a surface effect candle generates
very strong asymmetries in the distribution of
electric field along the surface. The effects of
tip, generated by the beveled shape of the collar,
contribute to reinforce this asymmetry so that the
electronic avalanche phenomena that govern the
physics of the spark, will always be initiated in
neighborhood of the
Parallèlement, si l'on désire diminuer la tension de claquage d'une bougie, il est préférable de localiser l'amplification du champ sur le point le plus chaud de la dite bougie dans la mesure où la tension de claquage varie en raison inverse de la densité du gaz.At the same time, if you want to reduce the tension of smashing a candle, it is best to locate amplification of the field on the hottest point of the so-called spark plug insofar as the breakdown voltage varies because of the density of the gas.
Un autre inconvénient des bougies de surface à étincelle axiales provient donc du fait que l'amplification maximale du champ est réalisée sur un point relativement froid de la bougie comparé par exemple à l'extrémité de l'électrode centrale.Another disadvantage of surface candles axial spark therefore comes from the fact that the amplification maximum of the field is carried out on a relatively point candle cold compared for example to the end of the central electrode.
Enfin, il peut s'avérer intéressant dans certains cas d'orienter l'étincelle différemment dans la chambre de combustion.Finally, it can be interesting in some case of directing the spark differently in the chamber combustion.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes précités, en proposant de nouvelles architectures pour des bougies à étincelle de surface, sensiblement différentes des géométries déjà existantes présentées ci-dessus.The object of the present invention is to resolve the aforementioned problems, by proposing new architectures for surface spark plugs, substantially different from the already existing geometries presented above.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'étincelle est créée radialement entre le culot et l'électrode centrale le long de la surface d'un isolant a coefficient diélectrique supérieur à un, et qui sépare le dit culot de l'électrode centrale précitée.According to a particular embodiment of the present invention, the spark is created radially between the base and the central electrode along the surface of a insulator with a dielectric coefficient greater than one, and which separates the said base from the aforementioned central electrode.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, la contre électrode qui permet de générer une amplification du champ électrique le long de la surface de l'isolant s'étend perpendiculairement à l'axe de la bougie, parallèlement à la surface de l'isolant sur laquelle est créée l'étincelle.According to another characteristic of the present invention, the counter electrode which generates a amplification of the electric field along the surface of the insulation extends perpendicular to the axis of the spark plug, parallel to the surface of the insulation on which is creates the spark.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, le quotient de la distance séparant la dite électrode centrale de la dite contre-électrode par la permittivité relative de l'isolant est sensiblement inférieur à la longueur de l'étincelle se propageant dans l'air le long de la surface.According to another characteristic of the present invention, the quotient of the distance separating the said central electrode of said counter electrode by the relative permittivity of the insulation is substantially less than the length of the spark propagating in air along the surface.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'électrode centrale présente une extrémité évasée qui s'étend le long de la surface de l'isolant en vis-à-vis de la contre électrode précitée, la dite extrémité se terminant par une forme biseautée formant un angle inférieur à 45 degrés.According to another characteristic of the present invention, the central electrode has one end flared which extends along the surface of the insulation in with respect to the aforementioned counter electrode, the so-called end ending in a beveled shape forming a angle less than 45 degrees.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'électrode de masse, pourra être directement conformée dans la matière qui constitue la culasse.According to another characteristic of the present invention, the ground electrode, can be directly conformed in the material which constitutes the cylinder head.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une bougie à effet de surface selon l'art antérieur,
- la figure 2 est une vue en coupe transversale représentant un premier mode de réalisation d'une bougie à étincelle de surface radiale démontable, objet de la présente invention,
- la figure 3 est une vue en demi-coupe transversale représentant un agrandissement de la partie extrême de la bougie représentée sur la figure 2, de manière à faire apparaítre la forme particulière de la zone de contact entre l'isolant et le culot, ainsi que les rayons de courbures présents sur le culot et l'isolant,
- la figure 4 est une vue en coupe transversale représentant un second mode de réalisation d'une bougie à étincelle de surface radiale démontable, objet de la présente invention,
- la figure 5 est une vue en coupe transversale décrivant un troisième mode de réalisation pour une bougie à effet de surface radiale qui est directement intégrée à la culasse,
- la figure 6 est une vue similaire à la figure 5 et décrit un quatrième mode de réalisation pour une bougie à effet de surface radiale qui est directement intégrée à la culasse,
- la figure 7 est une vue similaire à la figure 5 et décrit un cinquième mode de réalisation pour une bougie à effet de surface radiale qui est directement intégrée à la culasse.
- FIG. 1 represents a surface effect candle according to the prior art,
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a spark plug with removable radial surface, object of the present invention,
- Figure 3 is a cross-sectional half view showing an enlargement of the end part of the spark plug shown in Figure 2, so as to show the particular shape of the contact zone between the insulator and the base, as well as the radii of curvature present on the base and the insulator,
- FIG. 4 is a cross-section view showing a second embodiment of a spark plug with a removable radial surface, object of the present invention,
- FIG. 5 is a cross-sectional view describing a third embodiment for a plug with a radial surface effect which is directly integrated into the cylinder head,
- FIG. 6 is a view similar to FIG. 5 and describes a fourth embodiment for a spark plug with a radial surface effect which is directly integrated into the cylinder head,
- Figure 7 is a view similar to Figure 5 and describes a fifth embodiment for a radial surface effect candle which is directly integrated into the cylinder head.
La figure 1 nous a permis de présenter le concept de décharge de surface en nous référant à une géométrie de bougie déjà existante, telle que décrite par exemple dans la demande de brevet de la Demanderesse FR99/07433.Figure 1 allowed us to present the concept of surface discharge by referring to a geometry of already existing candle, as described for example in the patent application of the Applicant FR99 / 07433.
Sur la figure 2, nous avons représenté un premier mode de réalisation de bougie à effet de surface à étincelle radiale, objet de la présente invention.In Figure 2, we have represented a first embodiment of surface effect candle radial spark, object of the present invention.
Cette bougie est conformée pour présenter une symétrie de révolution autour de son axe longitudinal D. Elle est destinée à être montée sur la culasse d'un moteur à combustion interne.This candle is shaped to present a symmetry of revolution about its longitudinal axis D. It is intended to be mounted on the cylinder head of an engine internal combustion.
La dite bougie comprend ainsi une électrode
cylindrique basse tension 204, qui sert de culot
métallique, destiné à venir se visser dans un puits de
bougie à l'aide d'un filetage 205 conformé sur sa partie
extérieure sur une longueur déterminée. Le culot 204 est
donc destiné à venir en contact avec la culasse par
l'intermédiaire de l'épaulement 207 et donc à être connecté
électriquement à la masse. Said candle thus comprises an electrode
cylindrical
Ce culot 204 entoure une électrode haute tension
202, par exemple de forme cylindrique, disposée en position
centrale, et destinée donc à être reliée au système
d'allumage générateur de haute tension. L'électrode
centrale 202 est isolée du culot 204 par l'intermédiaire
d'un manchon isolant 200, constitué d'un matériau isolant à
coefficient diélectrique supérieur à 1, par exemple de la
céramique.This
Le dit manchon isolant 200 est de forme
sensiblement cylindrique et son extrémité inférieure 208
est conformée de façon à former une collerette circulaire,
de diamètre supérieur à celui du reste du manchon, la dite
collerette coopérant sur l'un de ses coté avec un
épaulement 212 conformé dans le culot 204, alors que le
côté opposé présente une surface 206 orientée vers la
chambre de combustion.Said insulating
Le maintien en position du manchon isolant 200 est
assurée par la partie extrême 201 de l'électrode centrale
202, qui possède une forme évasée, la dite forme évasée
s'étendant radialement le long de la surface 206 du manchon
isolant 200 précitée, et coopère en appui avec la dite
surface 206 sur une longueur déterminée. La partie extrême
201 de l'électrode centrale, qui chapeaute le manchon
isolant 200, se caractérise également par une forme
biseautée qui forme, avec la surface extrême 206 du manchon
isolant 200, un angle inférieur à 45 degré.Maintaining the insulating
L'arête vive ainsi conformée à l'extrémité du
chapeau 201 de l'électrode centrale 202 contribue, grâce
aux effets de pointe, à renforcer le champ électrique, déjà
amplifié à cet endroit de la bougie par les effets de
surface précités. La longueur ainsi définie entre
l'extrémité du culot 203 et la partie extrême de plus grand
diamètre du chapeau 201, correspond sensiblement, à la
longueur de l'étincelle générée lorsqu'une haute tension
est appliquée sur l'électrode centrale 202 de la bougie,
objet de la présente invention, et que survient le
phénomène de claquage, le long de la surface du manchon
isolant 206 entre l'électrode centrale 202 et le culot 204.The sharp edge thus shaped at the end of the
Parallèlement, le dit chapeau 201 conformé à
l'extrémité de l'électrode centrale 202 contribue selon ce
premier mode de réalisation, au maintient et à l'étanchéité
du manchon isolant 200 par l'intermédiaire d'efforts de
tension appliqués à l'extrémité opposée 211, appelée
extrémité supérieure, de l'électrode centrale 202 par
l'intermédiaire de moyens de mise en contrainte que nous
détaillerons plus bas.At the same time, said
Nous avons représenté sur la figure 3 une vue
agrandie de l'extrémité inférieure de la bougie présentée
sur la figure 2. Cette vue permet de mettre en évidence la
forme particulière à donner à la zone de contact entre le
chapeau 201 de l'électrode centrale 202, la collerette 208
du manchon isolant 200, et l'épaulement 212 conformé sur le
culot 204 afin d'obtenir tout à la fois une bonne
étanchéité du système une fois assemblé, une bonne
résistance de l'isolant aux contraintes électrostatiques,
et d'éviter que les efforts de mise en contrainte appliqués
le long de la surface 215, par le chapeau 201 sur la
collerette 208, sous l'action des moyens de mise en
contrainte précités ne viennent endommager la dite
collerette 208.We have shown in Figure 3 a view
enlarged from the lower end of the candle presented
in Figure 2. This view highlights the
particular shape to give to the contact area between the
Un premier point à respecter, afin d'éviter la
création de contraintes électrostatiques locales trop
importantes dans le manchon isolant 200, et de s'assurer
que la contre électrode ne présente pas d'angle vif en
regard de l'électrode centrale 202. Pour cela, un rayon de
raccordement 216 supérieur à 1 mm est conformé sur la
partie de l'épaulement 212 en vis-à-vis de la dite
l'électrode centrale 202.A first point to respect, in order to avoid the
creation of local electrostatic stresses too
important in the insulating
Parallèlement, dans le cas ou le matériau isolant
est de la céramique, il est important de s'assurer que la
collerette 208 conformée à l'extrémité du manchon isolant
200 ne subira pas de contraintes de flexion au montage.At the same time, in the case where the insulating material
is ceramic, it is important to make sure that the
Pour cela, il est nécessaire que les zones d'appui
213 et 215, selon lesquelles la dite collerette coopère
d'une part avec l'épaulement 212 et d'autre part avec le
chapeau 201, soient le plus possible en vis-à-vis. Dans ce
cas, le moment de flexion généré dans la collerette 208 par
les moyens de mise en contrainte de l'électrode 202 sera
minimal. Pour que cette condition soit satisfaite, il sera
donc nécessaire de s'assurer que la zone de contact entre
la collerette 208 et l'épaulement 212 s'effectue le plus
près possible de l'axe central D de la bougie en
garantissant, lors de l'assemblage, de la présence d'un
léger jeu 214, par exemple de l'ordre de quelques dixièmes
de millimètres, entre la surface inférieure de la
collerette 208 au niveau de son plus grand diamètre et
l'épaulement 212 conformé dans le culot.For this, it is necessary that the
En se référant à nouveau à la figure 2, nous allons
voir comment le chapeau 201 permet de maintenir le manchon
isolant 200, tout en assurant l'étanchéité du dispositif
par l'intermédiaire des surfaces 215 et 213, les dites
surfaces coopérant grâce aux moyens de mise en contrainte
que nous avons évoqués plus haut. Referring again to Figure 2, we will
see how
Le chapeau 201 est lié solidairement à l'électrode
centrale 202, et des moyens de retenue mécanique 209
exercent des efforts de traction sur l'extrémité supérieure
211 de la dite électrode 202. Ainsi, lorsque sous l'action
des efforts de traction générés dans l'électrode 202,
l'extrémité inférieure 201 est maintenue en contact avec la
collerette 208 le long de la surface 215, la dite
collerette 208 coopère alors selon son autre coté avec
l'épaulement 212 conformé sur le culot 204.The
Une fois monté, l'ensemble forme ainsi un assemblage parfaitement solidaire, rigide et étanche jusqu'à des pressions de plusieurs dizaines de bars, lorsque le dispositif objet de l'invention est monté dans la culasse d'un moteur.Once assembled, the assembly thus forms a perfectly integral, rigid and waterproof assembly up to pressures of several tens of bars, when the device which is the subject of the invention is mounted in the cylinder head of an engine.
Les dits moyens de mise en contrainte 209 peuvent
être réalisés par exemple à l'aide d'une pièce cylindrique
filetée, coopérant à la fois avec un filetage conformé sur
l'extrémité 211 de l'électrode 202, et également en appui
avec le culot 204, soit directement, soit comme il est
présenté, sur la figure 2, par l'intermédiaire d'une pièce
intermédiaire 210.Said means of
La géométrie de bougie de surface radiale ainsi
décrite permet, conformément à la définition donnée plus
haut d'une bougie à étincelle de surface, de générer une
amplification du champ électrique le long de la surface 206
de l'isolant 200 qui sépare l'électrode centrale 202 du
culot 204.Radial surface spark plug geometry as well
described allows, in accordance with the definition given more
top of a surface spark plug, generate a
amplification of the electric field along the
La différence avec une géométrie connue de bougie à
effet de surface connue provient du fait que la contre
électrode, formée ici par le culot 204 lui-même, s'étend
perpendiculairement à l'axe D de la bougie, de manière à
permettre une amplification du champ, radialement le long
de la surface extrême 206 de l'isolant 200, en vis-à-vis
avec la chambre de combustion.The difference with a known candle geometry
known surface effect comes from the fact that the counter
electrode, formed here by the base 204 itself, extends
perpendicular to the axis D of the candle, so that
allow amplification of the field, radially along
of the
Cette géométrie particulière, où l'étincelle sera
générée perpendiculairement à l'axe D de la bougie, est
obtenue grâce à l'utilisation conjointe d'un épaulement 212
dans le culot 204, qui joue le rôle de contre électrode, et
à une forme globale de manchon isolant 200 adaptée à la
génération d'une étincelle radiale, par opposition aux
étincelles longitudinales ou axiales générées par les
bougies à étincelles de surface telles que nous les
connaissons au travers des demandes de brevets FR99/09473
ou FR99/04733, déposées par la Demanderesse.This particular geometry, where the spark will be
generated perpendicular to the axis D of the candle, is
obtained through the joint use of a
La figure 4 représente un deuxième mode de
réalisation d'une bougie à étincelle radiale dans laquelle
la contre électrode ne fait plus partie intégrante du culot
304 mais est formée par une pièce rapportée qui pourra être
par exemple une rondelle métallique conductrice 312.FIG. 4 represents a second mode of
realization of a radial spark plug in which
the counter electrode is no longer an integral part of the base
304 but is formed by an attached part which can be
for example a
Selon ce mode de réalisation, la dite rondelle 312
coopère électriquement avec le culot 304 soit par un
contact physique direct, soit par une liaison capacitive
formée par une fine couche d'air ou d'isolant séparant le
dit culot 304 de la dite rondelle 312. Dans tous les cas,
La rondelle 312 possède donc un potentiel sensiblement
identique à celui du culot 304.According to this embodiment, said
Selon ce même mode de réalisation, la dite rondelle
312 est insérée à l'intérieur d'un évidemment conformé à
l'intérieur de manchon 300 et s'étend radialement en vis-à-vis
de la surface 306 de l'isolant, de manière à permettre
une amplification du champ sur la dite surface, favorisant
ainsi la progression d'une étincelle sur la surface 306
précitée.According to this same embodiment, the said
Enfin, selon ce même mode de réalisation, un
épaulement 313, conformé dans le culot 304, permet de
réaliser l'étanchéité entre le dit manchon isolant 300 et
le dit culot 304, grâce à des moyens de mise en contrainte
309 de l'électrode centrale 302 similaires à ceux présentés
plus haut.Finally, according to this same embodiment, a
Ce deuxième mode de réalisation possède l'avantage
par rapport au premier mode de réalisation, exposé sur la
figure 2, de permettre éventuellement, comme nous l'avons
vu plus haut, la mise en place d'un couplage électrique
capacitif entre la contre électrode 312 et le culot 304
relié à la masse, de manière à pouvoir moduler l'amplitude
du champ électrique appliqué au travers du manchon isolant
300. Pour cela, une solution consiste, par exemple, à noyer
la rondelle 312, constituant la contre électrode, à
l'intérieur du manchon isolant 300.This second embodiment has the advantage
compared to the first embodiment, exposed on the
Figure 2, possibly allowing, as we have
seen above, the installation of an electrical coupling
capacitive between the
Parallèlement, un autre avantage de ce deuxième
mode de réalisation est de pouvoir agir simplement sur la
température du manchon isolant 300, en modifiant la
position longitudinale de la zone de contact 313 entre le
dit manchon isolant 300 et le culot 304.At the same time, another advantage of this second
embodiment is to be able to act simply on the
temperature of the insulating
Quel que soit le mode de réalisation choisi, on obtient, avec ce type de bougie à étincelle radiale, un avantage essentiel en ce que, quelle que soit la position de l'étincelle qui varie aléatoirement autour de la surface 206,306, le manchon isolant 200,300 ne masque plus la dite étincelle à une partie de la chambre, comme c'est le cas avec une bougie de surface à étincelle axiale.Whatever the embodiment chosen, we obtains, with this type of radial spark plug, a essential advantage in that whatever position of the spark which randomly varies around the surface 206.306, the insulating sleeve 200.300 no longer masks the said spark to part of the room, as it does with an axial spark plug.
Une bougie à étincelle radiale possède également
l'avantage de générer une amplification maximale du champ
électrique qui est obtenue au niveau du diamètre extérieur
du chapeau 201, conformé à l'extrémité de l'électrode
centrale 202. Ce point représente également en
fonctionnement le point le plus chaud de la bougie, et,
comme nous l'avons vu précédemment, ceci va dans le sens
d'une réduction de la tension nécessaire au claquage.A radial spark plug also has
the advantage of generating maximum amplification of the field
electric which is obtained at the
Avec une bougie à étincelle de surface radiale objet de l'invention, on conserve donc tous les avantages inhérents aux bougies de surface classiques longitudinales, à savoir une réduction de la tension de claquage pour une longueur d'étincelle donnée, une grande résistance à l'usure, une robustesse accrue à l'encrassement, une probabilité d'allumage accrue, tout en s'affranchissant des problèmes générés par la géométrie spécifique des dites bougies à étincelle longitudinales.With a radial surface spark plug subject of the invention, all the advantages are therefore retained inherent in traditional longitudinal surface candles, namely a reduction in the breakdown voltage for a given spark length, high resistance to wear, increased robustness to fouling, increased probability of ignition, while eliminating problems generated by the specific geometry of said longitudinal spark plugs.
De plus, de par sa conception, la bougie de surface à étincelle radiale se prête davantage à une intégration de la bougie à la culasse, rendue possible par les caractéristiques précitées spécifiques aux bougies de surface, et en particulier leur longévité et leur robustesse à l'encrassement.In addition, by design, the surface candle with radial spark is more suitable for integrating the cylinder head candle, made possible by aforementioned characteristics specific to candles surface, and in particular their longevity and robustness against fouling.
Une intégration d'une bougie non démontable à la culasse possède en effet de nombreux avantages, entre autre des gains en coût liés à la suppression du culot démontable ou encore l'augmentation des degrés de liberté sur l'architecture du haut moteur, rendus possibles par la suppression des passages de clef et la réduction de la taille de la bougie.Integration of a non-removable candle in the cylinder head has many advantages, among others cost savings related to the removal of the removable base or the increase in the degrees of freedom on the architecture of the high engine, made possible by the removal of key passages and reduction of size of the candle.
Particulièrement, en optimisant l'architecture de l'admission, on peut espérer ainsi améliorer le remplissage et la répartition cylindre à cylindre.In particular, by optimizing the architecture of admission, we can hope to improve the filling and cylinder-to-cylinder distribution.
Parallèlement, la réduction de la taille de la bougie permet une optimisation de la forme du noyau d'eau, permettant ainsi un meilleur refroidissement de la culasse, afin de repousser l'apparition du cliquetis.At the same time, the reduction in the size of the candle optimizes the shape of the water core, thus allowing better cooling of the cylinder head, in order to repel the appearance of rattling.
Enfin, une intégration à la culasse peut permettre d'envisager des bougies non axisymétrique.Finally, integration with the cylinder head can allow consider non-axisymmetric candles.
Les figures 5 et 6 et 7 représentent des troisième, quatrième et cinquième modes de réalisation d'une bougie de surface à étincelle radiale selon l'invention et qui présentent en plus la caractéristique d'être directement intégrée à la culasse, et, par ce fait, non démontable.Figures 5 and 6 and 7 show third, fourth and fifth embodiments of a candle radial spark surface according to the invention and which have the additional characteristic of being directly integrated into the cylinder head, and therefore not removable.
La figure 5 représente une électrode centrale 402,
entouré par un manchon isolant 400, l'ensemble étant
intégré directement dans la paroi d'une culasse 404.FIG. 5 represents a
La différence entre les modes de réalisation
décrits sur les figures 5 et 6 provient de la position du
chapeau 401, conformé à l'extrémité de l'électrode centrale
402. Dans le troisième mode de réalisation, le chapeau 401
s'étend partiellement le long de la surface 406 de la
collerette 408, tandis que dans le quatrième mode de
réalisation il est intégré à la dite collerette 408 de
manière à ne pas dépasser de la surface 406.The difference between the embodiments
described in Figures 5 and 6 comes from the position of the
Selon les modes de réalisations présentés sur les
figures 5 et 6, la géométrie de l'électrode centrale 402 et
de l'isolant 400 est similaire à celle d'une bougie de
surface à étincelle radiale démontable telle que présentée
sur la figure 1. La différence se situe au niveau de
l'électrode basse tension.According to the embodiments presented on the
FIGS. 5 and 6, the geometry of the
La dite électrode, initialement formée par le culot
démontable est avantageusement remplacée selon ce mode de
réalisation par le métal 404 de la culasse. La culasse 404
est conformée pour présenter un alésage terminé par un
épaulement 412 conformé directement dans la matière, de
manière à ce que la dite matière vienne coopérer avec un
isolant 400, le dit isolant possédant une forme de clou
inversé telle que décrite précédemment par la figure 2. Le
dit épaulement 412 joue le rôle de contre électrode et
permet ainsi de générer une amplification du champ
électrique sur la surface 406 de l'isolant 400.Said electrode, initially formed by the base
dismountable is advantageously replaced according to this mode of
production by
Selon ces modes de réalisation, l'extrémité 403 de
l'alésage conformé dans la culasse 404 possède une forme de
marche qui permet de limiter l'effet de l'usure de la
matière et génère une turbulence favorable au début de la
combustion.According to these embodiments, the
Selon le cinquième mode de réalisation représenté
sur la figure 7, la forme du manchon isolant 400 est
similaire à celle décrite dans la figure 4. Dans ce cas, la
contre électrode 412 est formée au moulage par la
pénétration de la fonte dans l'encoche du manchon isolant
400, et le maintien du manchon isolant 400 est assuré
naturellement par la matière de la culasse et non plus par
le chapeau 401 conformé sur l'extrémité de l'électrode 402. According to the fifth embodiment shown
in FIG. 7, the shape of the insulating
Ce mode de réalisation présente donc une solution avantageuse dans le cas d'une intégration directe à la coulée de l'ensemble isolant électrode centrale.This embodiment therefore presents a solution advantageous in the case of direct integration into the pouring of the central electrode insulator assembly.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and illustrated which have not been given as an example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles ci sont effectuées selon son esprit.On the contrary, the invention includes all technical equivalents of the means described and their combinations if these are done according to his mind.
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