EP1949514A1 - Bougie d'allumage pour un moteur a combustion interne - Google Patents

Bougie d'allumage pour un moteur a combustion interne

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EP1949514A1
EP1949514A1 EP06831242A EP06831242A EP1949514A1 EP 1949514 A1 EP1949514 A1 EP 1949514A1 EP 06831242 A EP06831242 A EP 06831242A EP 06831242 A EP06831242 A EP 06831242A EP 1949514 A1 EP1949514 A1 EP 1949514A1
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central electrode
electrode
central
end portion
coating
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Marc Pariente
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Renault SAS
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39Selection of materials for electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/40Sparking plugs structurally combined with other devices
    • H01T13/44Sparking plugs structurally combined with other devices with transformers, e.g. for high-frequency ignition

Definitions

  • the invention relates to a plasma generator spark plug, used in particular for igniting internal combustion engines by electric spark.
  • the spark plug for the internal combustion engine of a motor vehicle of substantially cylindrical general shape, comprising: a substantially capacitive lower part comprising:
  • An electrically insulating block called an insulator interposed between the central electrode and the base, an essentially inductive upper part comprising: a central mandrel surrounded by a winding, of which a low end part surrounds a high end part of the central electrode
  • the publications FR2859830, FR2859569 and FR2859831 relate to such a multi-spark spark plug incorporating a series resonator.
  • the single coil winding of the winding ensures a high quality coefficient which is the ratio between the energy stored in the structure and the ohmic and dielectric losses. All the energy is stored in magnetic form and transferred to the essentially capacitive part. Furthermore, the low end portion of the coil surrounds the high end portion of the central electrode. This Electromagnetic overlap area induces eddy currents in the center electrode which have the effect of creating additional resistance and thus reducing the overvoltage coefficient of the winding-plug assembly.
  • the invention aims at reducing the electromagnetic energy dissipation induced by the eddy currents in the central electrode so as to optimize the properties of the spark plug, in particular a high overvoltage coefficient.
  • the invention proposes a candle of the type mentioned above, characterized in that the upper end portion of the central electrode comprises a coating of material which has an electrical conductivity greater than that of the material of the central electrode and which has no ferromagnetic properties.
  • the thickness of the coating is at least equal to the initial skin thickness of the central electrode.
  • the axial height of the coating is at least equal to the height of the high end portion of the central electrode.
  • FIG. 1 represents a schematic sectional view along the Z axis of a radiofrequency plasma candle according to the state of the art.
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view along the Z axis of a part of a radiofrequency plasma plug having a low end portion of the coil and a high end portion of the central electrode according to FIG. state of the art.
  • Figure 3 shows a sectional view of a central electrode according to the invention. Identical or similar elements are designated by the same reference numerals.
  • a spark plug 1 radiofrequency plasma generally substantially cylindrical shape of axis Z comprises mainly an essentially capacitive lower portion C and an upper essentially inductive portion I 1 parts C and I being substantially elongated shape, connected in series.
  • the substantially capacitive portion C comprises, in particular, a base 2 intended to be connected to the ground and surrounding a central electrode 3, substantially cylindrical, axis Z, acting as a high voltage electrode.
  • An electrically insulating block, called “insulator” 4 is placed between the base 2 and the central electrode 3.
  • the base 2 has, on the outer face of its lower part. the closest to the cylinder head of the internal combustion engine equipped with the spark plug 1, a form suitable for the introduction, maintenance and tightening of the spark plug 1 on the cylinder head (for example and without limitation, as shown in Figure 1: a thread).
  • the essentially inductive part I of the spark plug 1 has from inside to outside: a central mandrel 8, a winding 5, an insulator 7, an outer envelope 6.
  • the central mandrel 8 is generally cylindrical in shape with a circular section whose axis is substantially coincident with the axis Z of the candle 1. It is made of insulating and non-magnetic material.
  • the winding 5 is of cylindrical general shape with circular section. It consists of a wire of diameter D wound and forming contiguous turns 51 surrounding the central mandrel 8 from a first turn 51a to a last turn 51b, which constitute the two end turns 51a, 51b of the winding 5.
  • the first turn 51a is connected to the connector 12 and the last turn 51b is connected by appropriate means 14 to an inner end of the central electrode 3.
  • a low end portion 57 of the coil 5 surrounds a high end portion 31 of the center electrode 3 which is inserted into the mandrel 8.
  • insulator 7 which surrounds the winding 5 is of generally cylindrical shape. It can be chosen in different materials such as silicone.
  • the outer casing 6 is of generally cylindrical shape. It is connected to a mass and surrounds the winding 5.
  • the envelope 6 has an electromagnetic shielding function.
  • the envelope 6 may be chosen from a high-conductivity non-ferrous material such as copper.
  • the central electrode 3 comprises a coating 9.
  • the coating 9 is located axially on the upper end portion 31 of the central electrode 3.
  • coating 9 can be deposited for example by electrolysis.
  • the coating is characterized by an electrical conductivity greater than that of the material of the central electrode 3 and does not exhibit ferromagnetic properties.
  • the central electrode 3 may be chosen from nickel whose conductivity is 14.3 * 10 6 S / m (Siemens / meter) and the coating 9 may be chosen from silver whose electrical conductivity is 63 * 10 6 S / m.
  • the height H is at least equal to the height of the high end portion 31 of the central electrode 3.
  • the low end portion 57 of the coil 5 surrounding the high end portion 31 of the central electrode 3 is called the electromagnetic overlap zone A.
  • the latter A induces eddy currents in the central electrode 3.
  • the losses by Foucault current is proportional to the square of the frequency.
  • the skin thickness decreases in proportion to the square root of the permeability, frequency, electrical conductivity and size of the room. The thicker the piece in the plane perpendicular to the magnetic field than the skin thickness, the higher the induced currents will be.
  • the eddy currents being located in the skin thickness of the material of the central electrode 3, an embodiment of the invention provides a coating 9 which replaces this skin thickness. This coating 9 makes it possible to reduce the eddy currents and the skin thickness. In this way, the resistance of the central electrode 3 is decreased. The overvoltage coefficient is therefore increased and consequently the performance of the candle is improved.

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Abstract

Bougie d'allumage (1 ) pour le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, de forme générale sensiblement cylindrique, comportant : - une partie inférieure essentiellement capacitive (C) comportant : • deux électrodes coaxiales : une électrode interne d'axe (D) appelée électrode centrale (3) et une électrode externe appelée culot (2) entourant l'électrode centrale (3) • un bloc isolant électriquement, appelé isolant (4) interposé entre l'électrode centrale (3) et le culot (2), - une partie supérieure essentiellement inductive (I) comportant : • un mandrin (8) central entouré d'un bobinage (5), dont une partie d'extrémité basse (57) entoure une partie d'extrémité haute (31 ) de l'électrode centrale (3) • une enveloppe externe (6), • un isolant (7) interposé radialement entre l'enveloppe (6) et le bobinage (5) caractérisée en ce que la partie d'extrémité haute (31 ) de l'électrode centrale (3) comporte un revêtement (9) de matériau qui: - présente une conductivité électrique supérieure à celle du matériau de l'électrode centrale (3), - ne présente pas de propriétés ferromagnétiques.

Description

BOUGIE D'ALLUMAGE POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
L'invention concerne une bougie de génération de plasma, utilisée notamment pour l'allumage de moteurs à combustion interne par étincelles électriques.
La bougie d'allumage pour le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, de forme générale sensiblement cylindrique, comportant : - une partie inférieure essentiellement capacitive comportant :
• deux électrodes coaxiales : une électrode interne d'axe appelée électrode centrale (3) et une électrode externe appelée culot entourant l'électrode centrale
• un bloc isolant électriquement, appelé isolant interposé entre l'électrode centrale et le culot, une partie supérieure essentiellement inductive comportant : • un mandrin central entouré d'un bobinage, dont une partie d'extrémité basse entoure une partie d'extrémité haute de l'électrode centrale
• une enveloppe externe,
• un isolant interposé radialement entre l'enveloppe et le bobinage.
Les publications, FR2859830, FR2859569, FR2859831 concernent une telle bougie multi-étincelles intégrant un résonateur série. L'unique enroulement de spires du bobinage permet de garantir un coefficient de qualité élevé qui est le rapport entre l'énergie emmagasinée dans la structure et les pertes ohmiques et diélectriques. Toute l'énergie est donc stockée sous forme magnétique et transférée vers la partie essentiellement capacitive. Par ailleurs, la partie d'extrémité basse du bobinage entoure la partie d'extrémité haute de l'électrode centrale. Cette zone de recouvrement électromagnétique induit des courants de Foucault dans l'électrode centrale qui ont pour effet de créer une résistance supplémentaire et donc de réduire le coefficient de surtension de l'ensemble bobinage - bougie.
Afin de pallier ces inconvénients, l'invention vise à diminuer la dissipation d'énergie électromagnétique induite par les courants de Foucault dans l'électrode centrale de façon à optimiser les propriétés de la bougie en particulier un coefficient de surtension élevé. A cet effet, l'invention propose une bougie du type cité ci- dessus, caractérisé en ce que la partie d'extrémité haute de l'électrode centrale comporte un revêtement de matériau qui présente une conductivité électrique supérieure à celle du matériau de l'électrode centrale et qui ne présente pas de propriétés ferromagnétiques.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'épaisseur du revêtement est au moins égale à l'épaisseur de peau initiale de l'électrode centrale.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention , la hauteur axiale du revêtement est au moins égale à la hauteur de la partie d'extrémité haute de l'électrode centrale.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées.
La figure 1 représente une vue schématique en coupe selon l'axe Z d'une bougie à plasma radiofréquence selon l'état de la technique.
La figure 2 représente une vue schématique en coupe selon, l'axe Z d'une partie d'une bougie à plasma radiofréquence comportant une partie d'extrémité basse du bobinage et une partie d'extrémité haute de l'électrode centrale selon l'état de la technique.
La figure 3 représente une vue en coupe d'une électrode centrale selon l'invention. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence.
Telle que représentée à la figure 1 , une bougie à plasma radiofréquence 1 de forme générale sensiblement cylindrique d'axe Z comporte principalement une partie inférieure essentiellement capacitive C et une partie supérieure essentiellement inductive I1 les parties C et I étant de forme sensiblement allongée, connectées en série.
La partie essentiellement capacitive C comporte, notamment, un culot 2 destiné à être relié à la masse et entourant une électrode centrale 3, sensiblement cylindrique, d'axe Z, jouant le rôle d'électrode haute tension. Un bloc électriquement isolant, appelé « isolant » 4 est placé entre le culot 2 et l'électrode centrale 3. D'une manière bien connue dans l'état de la technique, le culot 2 présente, sur la face extérieure de sa partie inférieure la plus proche de la culasse du moteur à combustion interne équipé de la bougie 1 , une forme appropriée à la mise en place, au maintien et au serrage de la bougie 1 sur la culasse (par exemple et de manière non limitative, ainsi que représenté sur la figure 1 : un filetage). La partie essentiellement inductive I de la bougie 1 comporte de l'intérieur vers l'extérieur : un mandrin 8 central, un bobinage 5, un isolant 7, une enveloppe externe 6.
Le mandrin 8 central est de forme générale cylindrique à section circulaire dont l'axe est sensiblement confondu avec l'axe Z de la bougie 1. Il est réalisé en matériau isolant et amagnétique.
Le bobinage 5 est de forme générale cylindrique à section circulaire. Il est composé d'un fil de diamètre D enroulé et formant des spires 51 jointives entourant le mandrin 8 central depuis une première spire 51a jusqu'à une dernière spire 51 b, qui constituent les deux spires d'extrémité 51a, 51 b du bobinage 5. La première spire 51a est reliée au connecteur 12 et la dernière spire 51 b est reliée par des moyens appropriés 14 à une extrémité interne de l'électrode centrale 3. TeIIe que représentée à la figure 2, une partie d'extrémité basse 57 du bobinage 5 entoure une partie d'extrémité haute 31 de l'électrode centrale 3 qui est insérée dans le mandrin 8. Tel que représenté à la figure 1 , l'isolant 7 qui entoure le bobinage 5 est de forme générale cylindrique. Il peut être choisi dans différents matériaux tel que le silicone.
L'enveloppe externe 6 est de forme générale cylindrique. Elle est connectée à une masse et entoure le bobinage 5. L'enveloppe 6 a une fonction de blindage électromagnétique. L'enveloppe 6 peut être choisie dans un matériau non ferreux à conductivité élevée tel que le cuivre.
Tel que représenté à la figure 3, selon un mode de réalisation de l'invention, l'électrode centrale 3 comporte un revêtement 9. Le revêtement 9 est localisé axialement sur la partie d'extrémité haute 31 de l'électrode centrale 3. Ce revêtement 9 peut être déposé par exemple par électrolyse.
Le revêtement se caractérise par une conductivité électrique supérieure à celle du matériau de l'électrode centrale 3 et ne présente pas de propriétés ferromagnétiques. Par exemple, l'électrode centrale 3 peut être choisie en nickel dont la conductivité est 14,3 * 106 S/m (Siemens/mètre) et le revêtement 9 peut être choisi en argent dont la conductivité électrique est de 63 * 106 S/m.
Concernant les dimensions du revêtement 9, il se caractérise par : - une épaisseur E et
- une hauteur H.
L'épaisseur radiale E est au moins égale à l'épaisseur de peau d'une électrode centrale sans revêtement 9. Rappelons que l'épaisseur de peau est définie comme l'épaisseur dans le matériau considéré, au bout de laquelle les courants induits sont réduits d'un facteur " e " (avec ln(e)=1 ). L'épaisseur de peau peut être calculée avec l'équation ci-dessous : où :
• μ : perméabilité
• μ = μo.μr μr : perméabilité relative du matériau, μ0 : perméabilité dans le vide • σ (S/m) : conductivité électrique
• f (Hz) : fréquence en Hz
La hauteur H est au moins égale à la hauteur de la partie d'extrémité haute 31 de l'électrode centrale 3.
La partie d'extrémité basse 57 du bobinage 5 entourant la partie d'extrémité haute 31 de l'électrode centrale 3 est appelée zone de recouvrement électromagnétique A. Cette dernière A induit des courants de Foucault dans l'électrode centrale 3. Les pertes par courant de Foucault sont proportionnelles au carré de la fréquence. L'épaisseur de peau diminue proportionnellement à la racine carrée de la perméabilité, de la fréquence, de la conductivité électrique et de la dimension de la pièce concernée. Plus la pièce est épaisse dans le plan perpendiculaire au champ magnétique par rapport à l'épaisseur de peau, plus les courants induits seront élevés. Les courants de Foucault étant localisés dans l'épaisseur de peau du matériau de l'électrode centrale 3, un mode de réalisation de l'invention propose un revêtement 9 qui remplace cette épaisseur de peau. Ce revêtement 9 permet de réduire les courants de Foucault et l'épaisseur de peau. De cette façon, la résistance de l'électrode centrale 3 est diminuée. Le coefficient de surtension est donc augmenté et par conséquent les performances de la bougie sont améliorées.
Cette invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui a été donné à titre d'exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bougie d'allumage (1 ) pour le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, de forme générale sensiblement cylindrique, comportant :
- une partie inférieure essentiellement capacitive (C) comportant : deux électrodes coaxiales : une électrode interne d'axe (D) appelée électrode centrale (3) et une électrode externe appelée culot (2) entourant l'électrode centrale (3) un bloc isolant électriquement, appelé isolant (4) interposé entre l'électrode centrale (3) et le culot (2),
- une partie supérieure essentiellement inductive (I ) comportant : un mandrin (8) central entouré d'un bobinage (5), dont une partie d'extrémité basse (57) entoure une partie d'extrémité haute (31 ) de l'électrode centrale
(3) une enveloppe externe (6), un isolant (7) interposé radialement entre l'enveloppe (6) et le bobinage (5) caractérisée en ce que la partie d'extrémité haute (31) de l'électrode centrale (3) comporte un revêtement (9) de matériau qui:
- présente une conductivité électrique supérieure à celle du matériau de l'électrode centrale (3),
- ne présente pas de propriétés ferromagnétiques.
2. Bougie d'allumage (1 ) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'épaisseur radiale (E) du revêtement (9) est au moins égale à l'épaisseur de peau initiale de l'électrode centrale (3).
3. Bougie d'allumage (1 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la hauteur axiale (H) du revêtement (9) est au moins égale à la hauteur de la partie d'extrémité haute (31 ) de l'électrode centrale (3).
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