WO2001006609A1 - Bougie a effet de surface - Google Patents

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WO2001006609A1
WO2001006609A1 PCT/FR2000/002089 FR0002089W WO0106609A1 WO 2001006609 A1 WO2001006609 A1 WO 2001006609A1 FR 0002089 W FR0002089 W FR 0002089W WO 0106609 A1 WO0106609 A1 WO 0106609A1
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WO
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spark plug
base
collar
flange
plug according
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Application number
PCT/FR2000/002089
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English (en)
Inventor
André AGNERAY
Nicolas Delmas
Original Assignee
Renault
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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 technical field of surface effect spark plugs for internal combustion engine, intended in particular to equip a motor vehicle.
  • spark plugs equipping these spark-ignition engines operating in lean mixture are currently identical to those equipping traditional engines operating with stoichiometric carbide mixtures.
  • These ignition devices conventionally consist of a spark plug whose electrodes are more or less projected in the combustion chamber and of a high voltage electrical supply circuit, of the static or semi-static type, controlled by the computer. engine control electronics to trigger the spark at a predetermined time in the engine cycle depending on operating conditions.
  • Such ignition devices prove to be very difficult to develop when they equip engines with lean mixture and more particularly when they equip with direct injection engines.
  • the stratification of the mixture in the chamber is obtained by guiding the jet of fuel so that the latter meets the spark plug when it produces a spark.
  • the guidance of the jet can be obtained in different ways by combining aerodynamic phenomena with a particular shape of piston.
  • the surface effect candle makes it possible to increase the spatial length traversed by the spark compared to a candle classic without increasing the breakdown voltage. The probability of encountering the fuel cloud is therefore increased.
  • the passage of the spark over the insulating sleeve makes it possible to clean the latter of any carbon deposits linked to fouling.
  • the surface spark plug therefore proves to be a better solution for direct injection operation than a conventional spark plug.
  • the breakdown voltage of the surface spark plugs will then be lower the stronger the electric field is at this location.
  • the shape, length and thickness of the insulating sleeve play a role very important role, as described in the document FR 9904733, it is therefore important not to neglect the geometry of the flange located at the end of the base since it is its presence in the vicinity of the insulating sleeve which generates the local tightening of the electrostatic field lines. At the same time, its dimensions will have an immediate effect on its temperature and will therefore also act on the value of the breakdown voltage as we will see later. Finally, the type of high voltage applied to the candle also plays a fundamental role insofar as the phenomena of electronic avalanches will be very different according to the polarity.
  • the present invention therefore proposes to define a base geometry for surface effect candles making it possible to minimize the voltage requirements.
  • a surface effect spark plug for an internal combustion engine of the spark ignition type comprising a central electrode, supplied with high voltage by means of an ignition system, and a base, connected grounded, said electrode being separated from the end of the base, set back from said electrode, by an insulator, with a dielectric coefficient greater than one, allowing the progression of a spark on its surface between the central electrode and the base, said base comprising a body and an end in the form of a frustoconical or cylindrical flange, characterized in that the flange is connected to the body of the base by a connecting piece shaped to regulate the heat flows between the flange and the rest of the pellet.
  • the connecting piece is substantially annular and is in contact, on at least part of one of its faces, with the body of the base.
  • the collar defines with the surface of the insulator a radial clearance of a few tenths of a millimeter.
  • the collar extends along the insulating sleeve, defining with it a radial clearance of the order of a few tenths of a millimeter over its entire length.
  • the collar has a substantially constant thickness and less than 1 mm.
  • the collar has a length, L, of the order of 2 to 3 mm.
  • the end of the collar 101 has a beveled shape, the angle formed by the bevel being less than 45 °.
  • the end of the collar is in linear contact with the surface of the insulation.
  • At least part of the collar is in contact with the insulator, thus forming a plane connection with said insulator over a determined length L comact .
  • the central electrode is supplied with negative high voltage.
  • - Figure 1 is a cross-sectional view of the lower end of a surface effect candle according to a first embodiment of the present invention
  • - Figure 2 is a cross-sectional half-view of the candle Figure 1
  • FIG. 3 is a view in half cross-section of the previous spark plug on which the distribution of the equipotentials has been represented diagrammatically when a high voltage is applied to the central electrode
  • FIG. 4 represents the evolution of the module of the electrostatic field along the surface of the insulating sleeve of the spark plug shown in FIG. 2,
  • FIG. 5 schematically represents Paschen's law
  • FIG. 6 is a view similar to FIG. 2 describing a second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a view similar to Figure 2 describing a third embodiment of the present invention
  • - Figure 8 is a view similar to Figure 2 describing a fourth embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a view similar to Figure 2 describing a fifth embodiment of the present invention.
  • the head of the spark plug 110 intended to open into the combustion chamber formed in the lower wall of the cylinder head of the engine is shaped to have a symmetry of revolution around the longitudinal axis D of the spark plug.
  • the spark plug 110 includes a low-voltage cylindrical electrode which serves as a metal base 103 intended to be screwed into a recess produced in the cylinder head of the engine, and opening out inside the combustion chamber.
  • This base 103 surrounds a cylindrical high voltage electrode 106 disposed in the central position, intended to be connected to the high voltage generator ignition system.
  • the central electrode 106 is isolated from the base 103 by means of an insulating sleeve 100, made of a material whose dielectric coefficient is greater than one, for example of ceramic, and possibly of an obviously annular 102 called commonly dead volume.
  • This traditional 102 obviously on conventional candles is not at all necessary on surface effect candles, it nevertheless makes it possible to reduce the thermal stresses in the insulating sleeve 100.
  • the central electrode 106 and its insulating sleeve 100 protrudes outside the base 103 from a height 1.
  • This height 1 corresponds substantially to the length of the spark generated when a high voltage is applied to the central electrode 106 of the spark plug 110 and when the phenomenon of breakdown occurs between the central electrode 106 and the base 103 to ground.
  • the insulating sleeve 100 is of substantially cylindrical shape when it is inside the base 103, then it is of substantially converging conical shape when it projects out from the base 103.
  • the base 103 has a body 108 and an axial end shaped so as to form a connecting piece 107 supporting a folded flange 101 having a beveled edge extending in the immediate vicinity of the surface of the insulator 100.
  • the body 108 of the base may have at its end in contact with the connecting piece 107 a substantially cylindrical shape, of axis D, and of determined interior and exterior radius.
  • the connecting piece 107 is preferably substantially annular and coaxial with the body 108 of the base 103. It has internal and external radii which may be different from those of the end of the body 108 of the base 103, so that the area of the contact surface in the connecting piece 107 and the body 108 of the base 103 can be chosen precisely.
  • the connecting piece 107 supports on its face opposite the face in contact with the body 108 of the base 103 the flange 101.
  • the presence of the dielectric 100 creates an amplification of electrostatic field in the air in its vicinity, so that the a spark generated between the beveled edge of the flange 101 of the base 103 and the free end 104 of the central electrode 106 will propagate on the surface of the insulator 100, where the field in the air is strongest.
  • the free end 104 of the central electrode 106 is shaped to have a flared head of hemispherical shape against which abuts the insulating sleeve 100, which it caps.
  • the variations in thickness given by the conical shape of the insulator 100 between the base at the outlet of the base 103 and its flange 101 and the axial end 104 of the central electrode 106 are intended to allow a good heat dissipation from the end as well as a reduction of the electrostatic stresses in the insulation at the level of the flange 101, without penalizing the amplification of the field on the surface too much, which is all the greater as the thickness of the insulating sleeve 100 is weak.
  • FIG. 3 represents the half-view in section of the surface effect candle 110 of FIG. 2. We see the typical distribution of the equipotentials of the electrostatic field when a voltage is applied between the central electrode 106 and the base 103 .
  • the electrostatic field vectors are perpendicular to the equipotential lines and their modules are proportional to the density of the latter. In other words, in the case which is shown in FIG. 3, the electrostatic field is very large at the end of the flange 101 since this is where the equipotentials are most tightened. The first avalanche will therefore leave from this place.
  • FIG. 4 represents the evolution of the module of the electrostatic field vector along the insulating sleeve 100, between the points A and B shown in FIG. 2.
  • the voltage applied here to the central electrode 106 is 25 kV.
  • this avalanche will make it possible to ionize the air upstream and to create a charge of space which has a potential close to that of the flange 101 and which will therefore behave as an extension thereof.
  • the electric field is amplified upstream of the latter, and promotes the creation of new avalanches.
  • the phenomenon is self-sustaining until a conductive ionized channel is created up to the end 104 of the central electrode 106.
  • the critical point of the process is therefore at the level of the creation of the first avalanche , that is to say the departure of the avalanche front.
  • a thin flange thickness 101 of less than a millimeter located at a distance of a few tenths at most from the ceramic will produce a significant amplification of the electric field by promoting "peak effects" on the one hand, and in accentuating on the other hand the deviation of the equipotentials by the insulating sleeve 100.
  • boundary layer thermal in the vicinity of the flange 101.
  • the molecular density will tend to increase in its vicinity.
  • the local density will therefore be greater the lower the temperature.
  • the average free path between two molecules will therefore decrease in high density areas and the electric field will have to be greater in order to sufficiently accelerate the electrons between two consecutive shocks. That is to say that the greater the distance between two molecules, the less the field necessary for the creation of an avalanche will be important, because the electrons will have "more room” to accelerate.
  • the breakdown voltage is proportional to the distance, it is then possible to normalize the expression of the minimum breakdown voltage by expressing it as a function of the product (Pressure x Distance).
  • the amplification " of the field is therefore maximum in this direction.
  • the temperature effects also make it possible to understand why it will be preferable to use a negative high voltage on the central electrode 106 to reduce the voltage requirements in the transient operating points In this case, in fact, the first electrons which will be accelerated by the electrostatic field towards the flange can be taken outside the thermal boundary layer in a less dense medium. In addition, the emission of electron will then occur from the end of the central electrode 106 which will be much hotter than the collar 101, and therefore more capable of supplying electrons.
  • FIG. 2 which represents the first embodiment of the present invention, we have shown the various characteristic dimensions of the flange 101, of the connecting piece 107 and of the body 108 of the base 103, and their respective position relative to to the insulating sleeve 100 and the central electrode 106.
  • the collar 101 has, typically a frustoconical or cylindrical shape, and its free end, closest to the insulating sleeve 100, comprises a bevel.
  • the most important geometric parameters are:
  • the temperature of the flange 101 will strongly depend on L, S / h and e. If we want to give the collar 101 a low thermal inertia as well as an operating temperature on the engine higher than that of the rest of the base 103, we can play on the value of these four parameters by increasing for example the projected length L of the collar 101 and decreasing its thickness e and the heat exchange surface with the body 108 of the base 103 which depends on the ratio S / h.
  • the amplification and the orientation of the electric field depend mainly on the angle ⁇ , the length L, the thickness e and the distances d and d 'between the flange 101 and the insulating sleeve 100.
  • the end of the bevel of the collar 101 does not have too large a radius of curvature.
  • the distance d exceed a few tenths of a millimeter.
  • the refraction in the air of the equipotentials is also very sensitive at the projection L of the collar, at its thickness e, at the value of the angle ⁇ , and at the air thicknesses between the collar 101 and the insulating sleeve 100, d and d '.
  • a length L of less than 1 mm, thicknesses e, d, or too high or an angle ⁇ close to 90 ° would have the effect of "laying down" the equipotentials leaving the insulating sleeve 100.
  • this would go to meeting the desired goal which is to obtain an orientation of the field tangent to the surface of the insulating sleeve 100.
  • the angle ⁇ is chosen to be less than 45 °, the distance L of the order of 2 mm to 3 mm, and the thickness e less than 1 mm.
  • the flange 101 is shaped to run along the insulating sleeve 100 over the entire length L so that d and d 'are of the order of a few tenths of a millimeter. Given the influence of the dimensions of the flange 101 on both the electrostatic and thermal parameters, it is difficult to act independently on one of these two groups of parameters.
  • FIG. 6, representing a second embodiment of a candle 210 according to the invention is however an example of a solution making it possible to modify the temperature of the flange 201 without, however, significantly modifying the field distribution at its end.
  • the idea is indeed to vary the contact section between the connecting piece 207 and the body 208 of the base 203 by playing on the S / h ratio. This in order to increase or decrease the heat exchange by conduction, materialized by an arrow, between the flange 201 and the rest of the base 203.
  • FIG. 6 represents an extreme case where the connecting piece 207 and the end of the body 208 of the base 203 or the same external radius, this to maximize the heat fluxes.
  • FIG. 7 represents a third embodiment of a candle 310 of the base 303 which allows, while keeping the same geometry of the collar 301 as in the case of FIG. 2, to decrease the value of the electrostatic stresses in the insulating sleeve 300.
  • the flange 301 which brings the potential of the mass to a distance very close to the surface of the insulating sleeve 300, the latter is subjected, during the rise in tension of the spark plug 310, at electrostatic stresses much higher than those of a conventional spark plug.
  • the thickness of the insulating sleeve 300 is insufficient or if the breakdown voltage is high, the spark risks passing through the insulating sleeve 300 by piercing it.
  • the first consists in increasing the thicknesses d and of air between the flange 301 and the insulating sleeve 300.
  • the second consists in increasing the thickness of the insulating sleeve 300.
  • These two solutions have been shown in FIG. that it is preferable to play on the thickness of the insulating sleeve 300 rather than on the distances d and d 'between the insulating sleeve 300 and the flange 301 taking into account the fact that the latter must not exceed a few tenths as we have seen previously.
  • ceramic has a dielectric permittivity 8 times higher than that of air.
  • adding 0.1 mm of air is equivalent to adding 0.8 mm of ceramic thickness to the radius.
  • the direction of the field on the surface mainly depends on the spaces d and between the flange 301 and the insulating sleeve 300. In order not to modify the orientation of the field on the surface too much, it is therefore preferable to increase the thickness of insulating sleeve 300 while keeping distances d and small.
  • FIG. 8 represents a fourth embodiment of a candle 410 according to the present invention in which the space d between the insulating sleeve 400 and the flange 401 has been reduced to 0.
  • the insulating sleeve 400 has sufficient dielectric permittivity to withstand the electrostatic stresses generated by a linear contact with the end of the flange 401
  • this solution makes it possible, for a flange geometry 401 identical to FIG. 5, to straighten the equipotentials and therefore allow the maximum field vector to tangent a little more the surface of the insulator 400.
  • This embodiment of a spark plug 410 is therefore the optimal solution in terms of orientation of the field on the surface of the insulating sleeve 400, because, as we have seen previously, the direction of the maximum electrostatic field is all the more tangent to the surface of the insulating sleeve 400 as the spaces d and d 'between the collar 401 and the insulating sleeve 400 are small.
  • Figure 9 presents a fourth embodiment of a spark plug 410 according to the invention to which the collar 501 at the end of cap 502 has a circular inner cross-section which is in contact over a distance L or longer contacl with insulator 500 which is cylindrical in shape.
  • This solution makes it possible to maintain physical contact between the flange 501 and the insulator 500 (and therefore an optimal orientation of the field), even in the case of wear of the end of the flange 501.
  • the connecting piece, connecting the flange and the body of the base can it have a more complex geometric shape than an annular shape. It may be, for example, a frustoconical element whose base rests on the body of the base and whose top supports the flange.

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Abstract

Bougie d'allumage à effet de surface pour moteur à combustion interne du type à allumage commandé comprenant une électrode centrale (106), alimentée en haute tension par l'intermédiaire d'un système d'allumage, et un culot (103), relié à la masse, ladite électrode (106) étant séparée de l'extrémité du culot (103), situé en retrait de la dite électrode (106), par un isolant (100), à coefficient diélectrique supérieur à un, permettant la progression d'une étincelle sur sa surface entre l'électrode centrale (106) et le culot (103), ledit culot (103) comportant un corps (108) et une extrémité en forme de collerette (101), tronconique ou cylindrique, caractérisée en ce que la collerette (101) est reliée au corps (108) du culot (103) par une pièce de liaison (107) conformée pour réguler les flux thermiques entre la collerette (101) et le reste du culot (103).

Description

Bougie a effet de surface
La présente invention se rapporte au domaine technique des bougies d'allumage à effet de surface pour moteur à combustion interne, destiné notamment à équiper un véhicule automobile.
Pour satisfaire les normes de dépollution et pour réduire la consommation des moteurs à combustion interne, les constructeurs automobiles ont développé de nouveaux moteurs à allumage commandé aptes à fonctionner avec des mélanges carbures dits pauvres (lean burn), c'est-à-dire présentant un excès d'air par rapport à la quantité de carburant injectée. En particulier, les constructeurs ont développé des moteurs à injection directe pour lesquels l'alimentation en carburant se fait directement dans les chambres de combustion.
Les bougies d'allumage équipant ces moteurs à allumage commandé fonctionnant en mélange pauvre sont actuellement identiques à celles équipant les moteurs traditionnels fonctionnant avec des mélanges carbures stoechiométriques. Ces dispositifs d'allumage se composent classiquement d'une bougie dont les électrodes sont plus ou moins projetées dans la chambre de combustion et d'un circuit d'alimentation électrique en haute tension, de type statique ou semi-statique, piloté par le calculateur électronique de contrôle moteur pour déclencher l'étincelle à un instant prédéterminé du cycle moteur en fonction des conditions de fonctionnement.
De tels dispositifs d'allumage s'avèrent très difficiles à mettre au point lorsqu'ils équipent des moteurs à mélange pauvre et plus particulièrement lorsqu'ils équipent des moteurs à injection directe.
En effet, si un front de flamme peut se propager dans un mélange très pauvre (richesse inférieure à 0,3), l'initiation de la combustion quant à elle ne peut se produire que pour des richesses sensiblement supérieures (richesse supérieure à 0,7) et préférentiellement proches de la stoechiométrie (richesse 1). Ainsi, même si le mélange carburé présent dans une chambre de combustion est globalement pauvre, il s'avère nécessaire de maintenir au niveau de l'espace inter-électrodes une richesse suffisamment élevée pour permettre une bonne initiation de la combustion.
Par opposition à un mélange homogène où la richesse est la même en tout point de la chambre de combustion, on parle alors de mélange stratifié, ce qui signifie que la richesse décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la bougie.
Habituellement, la stratification du mélange dans la chambre est obtenue en guidant le jet de carburant de manière à ce que ce dernier rencontre la bougie au moment où celle-ci produit une étincelle. Le guidage du jet peut être obtenu de différentes manières en combinant des phénomènes aérodynamiques avec une forme particulière de piston.
Dans tous les cas, on est confronté au délicat problème de faire coïncider l'instant d'étincelle et la présence au voisinage de l'espace inter-électrodes d'un nuage de mélange air-carburant à une richesse voisine de 1, nuage en mouvement dans un environnement globalement pauvre. Par ailleurs, lors d'un fonctionnement en stratifié, le jet de carburant peut venir directement frapper sur la bougie et donc entraîner un encrassement plus ou moins prononcé de l'isolant. Cet encrassement favorise l'apparition de courants de fuites entre l'électrode centrale et la masse et affecte donc la génération des étincelles : l'étincelle étant court-circuitée par un chemin carboné de faible impédance qui limite la différence de potentiel entre les électrodes de la bougie.
Dans ce contexte, de nouvelles géométries de bougies sont apparues. Leur fonctionnement est basé sur la propagation d'une étincelle le long d'une surface isolante, généralement de la céramique, d'où leur nom de bougies à effet de surface ou à étincelle de surface. La demande de brevet FR 9904733 , non encore publiée, décrit la forme générale d'une bougie à effet de surface. Celle-ci est composée classiquement d'une électrode cylindrique basse tension, en contact avec la masse moteur, qui sert de culot métallique. Elle entoure une électrode centrale, dite haute tension terminée par une rondelle cylindrique en forme de champignon. L'électrode centrale, destinée à être reliée à une source de haute tension fournie par un allumage automobile, est séparée du culot par l'intermédiaire d'un manchon isolant et éventuellement par un évidemment annulaire. L'étincelle se propage entre les deux électrodes le long du manchon isolant. En utilisant les effets d'amplification du champ électrique dans l'air au voisinage de l'isolant qui entoure l'électrode centrale, la bougie à effet de surface permet d'augmenter la longueur spatiale parcourue par l'étincelle par rapport à une bougie classique sans augmenter pour autant la tension de claquage. La probabilité de rencontre avec le nuage de carburant est donc augmentée. Parallèlement, le passage de l'étincelle sur le manchon isolant permet de nettoyer celle-ci des éventuels dépôts de carbone liés à l'encrassement.
La bougie à étincelle de surface s'avère donc une solution mieux adaptée au fonctionnement en injection directe qu'une bougie classique.
Les différences entre ces deux concepts de bougie ne s'arrêtent cependant pas à la simple absence d'une ou plusieurs électrodes de masse saillantes dans la chambre et à l'ajout d'un chapeau à l'extrémité de l'électrode centrale. En effet, dans le cas d'une bougie de surface, l'amplification du champ en surface du manchon isolant lors de la montée en tension qui précède le claquage est maximale au niveau de l'extrémité du culot qui possède à cet endroit une forme de collerette rabattue à une distance proche (quelques dixièmes de millimètres) voire au contact de l'isolant. C'est en effet à cet endroit que les équipotentielles du champ électrostatique sont le plus resserrées. Les phénomènes d'avalanche électronique qui régissent la physique de l'étincelle apparaîtront donc toujours dans cette zone ou le champ électrostatique est plus de 10 fois supérieur au champ à l'extrémité de l'électrode centrale. Ceci reste vrai quelle que soit la polarité de la haute tension appliquée sur l'électrode centrale.
La tension de claquage des bougies de surface sera alors d'autant plus faible que le champ électrique sera fort à cet endroit.
Bien que la forme, la longueur et l'épaisseur du manchon isolant jouent un rôle très important, comme il est décrit dans le document FR 9904733, il ne faut donc surtout pas négliger la géométrie de la collerette située à l'extrémité du culot puisque c'est sa présence au voisinage du manchon isolant qui génère le resserrement local des lignes de champ électrostatique. Parallèlement, ses dimensions auront un effet immédiat sur sa température et agiront donc également sur la valeur de la tension de claquage comme nous le verrons plus loin. Enfin, le type de haute tension appliquée à la bougie joue aussi un rôle fondamental dans la mesure où les phénomènes d'avalanches électroniques seront très différents suivant la polarité. La présente invention se propose donc de définir une géométrie de culot pour les bougies à effet de surface permettant de minimiser les besoins en tension.
Dans ce but elle propose une bougie d'allumage à effet de surface pour moteur à combustion interne du type à allumage commandé comprenant une électrode centrale, alimentée en haute tension par l'intermédiaire d'un système d'allumage, et un culot, relié à la masse, ladite électrode étant séparée de l'extrémité du culot, situé en retrait de la dite électrode, par un isolant, à coefficient diélectrique supérieur à un, permettant la progression d'une étincelle sur sa surface entre l'électrode centrale et le culot, ledit culot comportant un corps et une extrémité en forme de collerette, tronconique ou cylindrique, caractérisée en ce que la collerette est reliée au corps du culot par une pièce de liaison conformée pour réguler les flux thermiques entre la collerette et le reste du culot.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la pièce de liaison est sensiblement annulaire et est en contact, sur au moins une partie de l'une de ses faces, avec le corps du culot.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la collerette définit avec la surface de l'isolant un jeu radial de quelques dixièmes de millimètre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la collerette s'étend le long du manchon isolant en définissant avec lui un jeu radial de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres sur toute sa longueur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la collerette possède une épaisseur sensiblement constante et inférieure à 1 mm.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la collerette présente une longueur, L, de l'ordre de 2 à 3 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité de la collerette 101 possède une forme biseautée, l'angle formé par le biseau étant inférieur à 45°.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité de la collerette est en contact linéique avec la surface de l'isolant.
Selon une autre caractéristique de l'invention, une partie au moins de la collerette est en contact avec l'isolant, formant ainsi une liaison plane avec ledit isolant sur une longueur Lcomact déterminée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'électrode centrale est alimentée en haute tension négative.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe transversale de l'extrémité inférieure d'une bougie à effet de surface selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue en demi-coupe transversale de la bougie de la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue en demi-coupe transversale de la bougie précédente sur laquelle ont été représentées schématiquement la répartition des équipotentielles lorsqu'une haute tension est appliquée sur l'électrode centrale,
- la figure 4 représente l'évolution du module du champ électrostatique le long de la surface du manchon isolant de la bougie représentée sur la figure 2,
- la figure 5 représente schématiquement la loi de Paschen, - la figure 6 est une vue similaire à la figure 2 décrivant un second mode de réalisation de la présente invention,
- la figure 7 est une vue similaire à la figure 2 décrivant un troisième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 8 est une vue similaire à la figure 2 décrivant un quatrième mode de réalisation de la présente invention,
- la figure 9 est une vue similaire à la figure 2 décrivant un cinquième mode de réalisation de la présente invention.
En se reportant sur la figure 1, on a décrit de façon schématique une bougie à effet de surface 110 objet de la présente invention. La tête de la bougie 110 destinée à déboucher dans la chambre de combustion ménagée dans la paroi inférieure de la culasse du moteur est conformée pour présenter une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal D de la bougie.
La bougie 110 comprend une électrode cylindrique basse tension qui sert de culot métallique 103 destiné à venir se visser dans un évidemment réalisé dans la culasse du moteur, et débouchant à l'intérieur de la chambre de combustion. Le culot
103 est donc destiné à venir en contact de la culasse du moteur et donc à être connecté électriquement à la masse.
Ce culot 103 entoure une électrode haute tension 106 cylindrique disposée en position centrale, destinée à être reliée au système d'allumage générateur de haute tension. L'électrode centrale 106 est isolée du culot 103 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 100, constituée d'une matière dont le coefficient diélectrique est supérieur à un, par exemple de la céramique, et éventuellement d'un évidemment annulaire 102 appelé communément volume mort. Cet évidemment 102 traditionnel sur les bougies classiques n'est nullement nécessaire sur les bougies à effet de surface, il permet toutefois de réduire les contraintes thermiques dans le manchon isolant 100.
L'électrode centrale 106 et son manchon isolant 100 débouche en saillie à l'extérieur du culot 103 d'une hauteur 1. Cette hauteur 1 correspond sensiblement à la longueur de l'étincelle générée lorsqu'une haute tension est appliquée sur l'électrode centrale 106 de la bougie 110 et que survient le phénomène de claquage entre l'électrode centrale 106 et le culot 103 à la masse. Le manchon isolant 100 est de forme sensiblement cylindrique lorsqu'il se trouve à l'intérieur du culot 103, puis il est de forme sensiblement conique convergente lors qu'il débouche en saillie hors du culot 103. Le culot 103 présente un corps 108 et une extrémité axiale conformée de façon à former une pièce de liaison 107 supportant une collerette rabattue 101 présentant un bord biseauté s'étendant à proximité immédiate de la surface de l'isolant 100.
Le corps 108 du culot peut présenter au niveau de son extrémité en contact avec la pièce de liaison 107 une forme sensiblement cylindrique, d'axe D, et de rayon intérieur et extérieur déterminés. La pièce de liaison 107 est, de préférence, sensiblement annulaire et coaxiale avec le corps 108 du culot 103. Elle présente des rayons intérieurs et extérieurs pouvant être différents de ceux de l'extrémité du corps 108 du culot 103, de façon à ce que l'aire de la surface de contact en la pièce de liaison 107 et le corps 108 du culot 103 puisse être choisie de façon précise. La pièce de liaison 107 supporte sur sa face opposée à la face en contact avec le corps 108 du culot 103 la collerette 101. La présence du diélectrique 100 crée une amplification de champ électrostatique dans l'air à son voisinage, si bien que l'étincelle générée entre le bord biseauté de la collerette 101 du culot 103 et l'extrémité libre 104 de l'électrode centrale 106 va se propager à la surface de l'isolant 100, là où le champ dans l'air est le plus fort.
Avec des tensions de claquage comprises entre 5 et 25 kV, et pour un culot 103, un manchon 100 et une électrode centrale 106 de diamètres respectifs 14 mm, 5.5 mm et 2.8 mm, il est ainsi possible d'obtenir des valeurs de 1 de l'ordre de 50 mm.
L'extrémité libre 104 de l'électrode centrale 106 est conformée pour présenter une tête évasée de forme hémisphérique contre laquelle vient en appui le manchon isolant 100, qu'elle chapeaute. Enfin, les variations d'épaisseur données par la forme conique de l'isolant 100 entre la base à la sortie du culot 103 et de sa collerette 101 et l'extrémité axiale 104 de l'électrode centrale 106, ont pour but de permettre une bonne évacuation de la chaleur depuis l'extrémité ainsi qu'une diminution des contraintes électrostatiques dans l'isolant au niveau de la collerette 101, sans trop pénaliser l'amplification du champ en surface, qui est d'autant plus forte que l'épaisseur du manchon isolant 100 est faible.
La formation d'une étincelle est toujours initiée par la mise en mouvement de quelques électrons soumis à un champ électrique intense. Durant la montée du potentiel sur l'électrode de la bougie, ce champ électrique augmente et, lorsqu'il est suffisant, les électrons, accélérés par les forces électrostatiques vont venir heurter des molécules de l'air. Celles-ci vont alors libérer un électron et un photon capables à leur tour d'ioniser d'autres molécules. Ces réactions en chaîne vont finir par ioniser l'espace inter électrode et créer ainsi un canal conducteur.
La figure 3 représente la demi-vue en coupe de la bougie à effet de surface 110 de la figure 2. On aperçoit la répartition type des équipotentielles du champ électrostatiques lorsque l'on applique une tension entre l'électrode centrale 106 et le culot 103.
Les vecteurs de champ électrostatique sont perpendiculaires aux lignes équipotentielles et leurs modules sont proportionnels à la densité de celles-ci. Autrement dit, dans le cas qui est représenté sur la figure 3, le champ électrostatique est très important à l'extrémité de la collerette 101 puisque c'est à cet endroit que les équipotentielles sont le plus resserrées. La première avalanche partira donc de cet endroit.
La figure 4 représente l'évolution du module du vecteur champ électrostatique le long du manchon isolant 100, entre les points A et B représentés sur la figure 2. La tension appliquée ici à l'électrode centrale 106 est de 25 kV.
Cette représentation permet de mettre en évidence les effets d'amplification du champ par la collerette 101. Le module du champ à l'extrémité 104 de l'électrode centrale 106 est 10 fois plus petit qu'au niveau de l'extrémité du culot 103. On comprend alors mieux pourquoi la première avalanche sera toujours initiée dans cette région.
Par la suite, cette avalanche va permettre d'ioniser l'air en amont et de créer une charge d'espace qui possède un potentiel proche de celui de la collerette 101 et qui va donc se comporter comme un prolongement de celle-ci.
Ainsi, au fur et à mesure de la propagation du front d'avalanches, le champ électrique est amplifié en amont de ce dernier, et favorise la création de nouvelles avalanches. Le phénomène s'auto-entretient jusqu'à ce qu'un canal ionisé conducteur soit créé jusqu'à l'extrémité 104 de l'électrode centrale 106. Le point critique du processus se situe donc au niveau de la création de la première avalanche, c'est-à-dire le départ du front d'avalanches.
Il est donc primordial de particulièrement soigner le dessin de la collerette 101 afin d'obtenir une amplification du champ la plus forte possible, et minimiser ainsi les besoins en tension. En particulier, une épaisseur de collerette 101 faible de moins d'un millimètre située à une distance de quelques dixièmes tout au plus de la céramique produira une amplification importante du champ électrique en favorisant les " effets de pointe " d'une part, et en accentuant d'autre part la déviation des équipotentielles par le manchon isolant 100.
Un autre point à ne pas négliger lors de la conception de la collerette est sa température, principalement pour deux raisons.
La pyrolyse des dépôts charbonneux dus à l'encrassement ne peut se faire que lorsque la température est supérieure à 450 °C environ. Le culot 103 étant relativement froid en fonctionnement, il est impératif de limiter les échanges thermiques avec ce dernier afin d'éviter que la collerette 101 ne s'encrasse trop durant le fonctionnement. De plus, la température de la collerette 101 peut jouer un rôle non négligeable sur la faculté du métal à libérer ou à absorber des électrons. En effet, en fonction de la polarité de la haute tension sur la collerette 101, les électrons seront émis ou au contraire absorbés par le métal.
La seconde raison quant à elle fait intervenir la notion de couche limite thermique au voisinage de la collerette 101. Lorsque celle-ci est froide par rapport à la température des gaz d'admission en fin de compression, la densité moléculaire va avoir tendance à augmenter à son voisinage. Pour une pression fixée, la densité locale sera donc d'autant plus importante que la température sera faible. Le libre parcours moyen entre deux molécules va donc diminuer dans les zones de forte densité et le champ électrique devra être plus important afin d'accélérer suffisamment les électrons entre deux chocs consécutifs. Cela revient à dire que plus la distance entre deux molécules sera importante, moins le champ nécessaire à la création d'une avalanche sera important, car les électrons auront " plus de place " pour accélérer.
Cette remarque reste évidemment vraie à condition de ne pas descendre à une densité trop faible en-dessous de laquelle le nombre de chocs n'est plus suffisant pour créer une avalanche. Cette condition, appelée minimum de Paschen est représenté sur la figure 5. Celle-ci met en évidence, pour une longueur donnée sur laquelle on souhaite créer une avalanche, l'existence d'une pression (et donc d'une densité) pour laquelle le champ homogène statistique nécessaire à la création d'une avalanche est minimal.
Ce résultat peut s'interpréter de la manière suivante : le champ statistique homogène nécessaire à la création d'une avalanche sur une distance donnée est d'autant plus élevé que la densité est importante, ce qui s'explique par la diminution du libre parcours moyen entre deux chocs. Il existe cependant une densité minimale en-dessous de laquelle le champ à appliquer doit augmenter afin de compenser le nombre insuffisant de molécules sur la distance considérée.
Etant donné que la tension de claquage est proportionnelle à la distance, il est alors possible de normer l'expression de la tension de claquage minimale en l'exprimant en fonction du produit (Pression x Distance).
Une autre approche consiste alors à considérer que pour une pression donnée, le minimum de Paschen permet de déduire la distance minimale sur laquelle il faut maintenir un champ constant pour créer une avalanche. Cette distance, porte le nom de libre parcours moyen d'ionisation. Ainsi, cette notion met en évidence la nécessité d'avoir un champ amplifié sur une longueur au moins égale au libre parcours moyen d'ionisation. Ce dernier, dont la valeur varie en fonction de la pression est de l'ordre de la centaine de microns. Pour réaliser une amplification optimale, il faut donc placer l'extrémité de la collerette le plus près possible de la céramique, et tangente à celle-ci. Dans ce cas en effet, l'orientation du vecteur champ électrique maximal est presque parallèle à la surface de l'isolant. L'amplification "du champ est donc maximale selon cette direction. Les effets de température permettent également de comprendre pourquoi il sera préférable d'utiliser une haute tension négative sur l'électrode centrale 106 pour diminuer les besoins en tension dans les points de fonctionnement transitoires du moteur. Dans ce cas en effet, les premiers électrons qui seront accélérés par le champ électrostatique vers la collerette pourront être prélevés en dehors de la couche limite thermique dans un milieu moins dense. De plus, l'émission d'électron se produira alors depuis l'extrémité de l'électrode centrale 106 qui sera beaucoup plus chaude que la collerette 101, et donc plus apte à fournir des électrons.
Lors de transitoires brusques du moteur depuis un point de fonctionnement froid vers un point de fonctionnement chaud, il est donc important, en plus d'utiliser une haute tension de polarité négative sur l'électrode centrale 106, de minimiser l'inertie thermique de la collerette 101 afin que celle-ci monte le plus rapidement possible en température et ne crée pas à son voisinage des gradients de densité trop importants. Sur la figure 2, qui représente le premier mode de réalisation de la présente invention, nous avons fait apparaître les différentes dimensions caractéristiques de la collerette 101, de la pièce de liaison 107 et du corps 108 du culot 103, et leur position respective par rapport au manchon isolant 100 et l'électrode centrale 106. La collerette 101 a, typiquement une forme tronconique ou cylindrique, et son extrémité libre, la plus proche du manchon isolant 100, comporte un biseau. Les paramètres géométriques les plus importants sont :
• La longueur projetée sur l'axe D de la collerette 101 : L. Cette longueur correspond à la hauteur du tronc de cône, ou du cylindre formé par la collerette 101. • L'épaisseur de la collerette 101 : e.
• L'angle du biseau à l'extrémité libre de la collerette 101 : α.
• La hauteur de contact entre la pièce de liaison 107 et le corps 108 du culot 103 : h.
• La distance entre le point extrême de la collerette 101 et le manchon isolant 100 : d.
• La distance entre la point situé à la base de la collerette 101 et le manchon isolant 100 : d'.
• L'épaisseur à l'extrémité du corps 108 du culot 103 : S.
La température de la collerette 101 dépendra fortement de L, S/h et e. Si l'on veut conférer à la collerette 101 une faible inertie thermique ainsi qu'une température de fonctionnement sur moteur supérieure à celle du reste du culot 103, on pourra jouer sur la valeur de ces quatre paramètres en augmentant par exemple la longueur L projetée de la collerette 101 et en diminuant son épaisseur e et la surface d'échange thermique avec le corps 108 du culot 103 qui dépend du rapport S/h.
L'amplification et l'orientation du champ électrique quant à elles dépendent majoritairement de l'angle α, de la longueur L, de l'épaisseur e et des distances d et d' entre la collerette 101 et le manchon isolant 100.
Afin de favoriser les effets de pointe qui permettent d'augmenter localement l'intensité du champ, il est important que l'extrémité du biseau de la collerette 101 ne possède pas un rayon de courbure trop important. Il ne faut pas non plus que la distance d excède quelques dixièmes de millimètres. Parallèlement, l'orientation des équipotentielles, représentées sur la figure 3, qui sortent du manchon isolant 100 conditionnent l'orientation du champ par rapport à la surface du manchon isolant 100. Or, la réfraction dans l'air des équipotentielles est également très sensible à la projection L de la collerette, à son épaisseur e, à la valeur de l'angle α, et aux épaisseurs d'air entre la collerette 101 et le manchon isolant 100, d et d'. Par exemple, une longueur L inférieure à 1 mm, des épaisseurs e, d, ou d' trop élevées ou un angle α proche de 90° auraient pour effet de " coucher " les équipotentielles sortant du manchon isolant 100. Or, ceci irait à rencontre du but recherché qui est d'obtenir une orientation du champ tangente à la surface du manchon isolant 100. De préférence, l'angle α est choisi inférieur à 45°, la distance L de l'ordre de 2 mm à 3 mm, et l'épaisseur e inférieure à 1 mm. Préférentiellement, la collerette 101 est conformée pour longer le manchon isolant 100 sur toute la longueur L de sorte que d et d' soient de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. Compte tenu de l'influence des dimensions de la collerette 101 à la fois sur les paramètres électrostatiques et thermiques, il est difficile d'agir indépendamment sur l'un de ces deux groupes de paramètres.
La figure 6, représentant un second mode de réalisation d'une bougie 210 selon l'invention, est cependant un exemple de solution permettant de modifier la température de la collerette 201 sans toutefois modifier de façon conséquente la répartition de champ à son extrémité. L'idée est en effet de faire varier la section de contact entre la pièce de liaison 207 et le corps 208 du culot 203 en jouant sur le rapport S/h. Ceci dans le but d'accroître ou de diminuer les échanges thermiques par conduction, matérialisés par une flèche, entre la collerette 201 et le reste du culot 203. La figure 6 représente un cas extrême ou la pièce de liaison 207 et le l'extrémité du corps 208 du culot 203 ou le même rayon extérieur, ceci de rendre maximum les flux thermiques.
La figure 7 représente un troisième mode de réalisation d'une bougie 310 du culot 303 qui permet, tout en gardant la même géométrie de collerette 301 que dans le cas de la figure 2, de diminuer la valeur des contraintes électrostatiques dans le manchon isolant 300. En effet, compte tenu de la géométrie particulière de la collerette 301 qui ramène le potentiel de la masse à une distance très proche de la surface du manchon isolant 300, ce dernier est soumis, lors de la montée en tension de la bougie 310, à des contraintes électrostatiques bien supérieures à celles d'une bougie classique. Ainsi, si l'épaisseur du manchon isolant 300 est insuffisante ou si la tension de claquage est élevée, l'étincelle risque de traverser le manchon isolant 300 en le perçant. Celui-ci ne peut plus alors jouer son rôle d'isolant et la bougie 310 devient inutilisable. Les "céramiques actuelles, qui sont des exemples de matériaux pouvant constituer le manchon isolant 310, peuvent résister à un champ électrique homogène de l'ordre de 12 kV pour un millimètre d'épaisseur et 20 kV pour 2 mm.
Pour diminuer les contraintes électrostatiques, il existe deux solutions. La première consiste à augmenter les épaisseurs d et d' d'air entre la collerette 301 et le manchon isolant 300. La seconde consiste à augmenter l'épaisseur du manchon isolant 300. Ces deux solutions ont été représentées sur la figure 7. Notons cependant qu'il est préférable de jouer sur l'épaisseur du manchon isolant 300 plutôt que sur les distance d et d' entre le manchon isolant 300 et la collerette 301 compte tenu du fait que ces dernières ne doivent pas excéder quelques dixièmes comme nous l'avons vu précédemment. En effet, la céramique possède une permittivité diélectrique 8 fois plus élevé que celle de l'air. En terme d'augmentation de la tension de claquage, ajouter 0.1 mm d'air équivaut à rajouter 0.8 mm d'épaisseur de céramique au rayon.
De plus, la direction du champ sur la surface dépend majoritairement des espaces d et d' entre la collerette 301 et le manchon isolant 300. Afin de ne pas trop modifier l'orientation du champ en surface, on préférera donc augmenter l'épaisseur du manchon isolant 300 tout en gardant des distances d et d' faibles.
La figure 8 représente un quatrième mode de réalisation d'une bougie 410 selon la présente invention dans lequel l'espace d entre le manchon isolant 400 et la collerette 401 a été réduit à 0. En supposant que le manchon isolant 400 possède une permittivité diélectrique suffisante pour supporter les contraintes électrostatiques générées par un contact linéique avec l'extrémité de la collerette 401, cette solution permet, pour une géométrie de collerette 401 identique à la figure 5 de redresser les équipotentielles et donc de permettre au vecteur champ maximal de tangenter un peu plus la surface de l'isolant 400. Ce mode de réalisation d'une bougie 410 est donc la solution optimale en terme d'orientation du champ sur la surface du manchon isolant 400, car, comme nous l'avons vu précédemment, la direction du champ électrostatique maximal est d'autant plus tangente à la surface du manchon isolant 400 que les espaces d et d' entre la collerette 401 et le manchon isolant 400 sont faibles.
La figure 9 propose un quatrième mode de réalisation d'une bougie 410 selon l'invention pour laquelle la collerette 501 à l'extrémité du culot 502 possède une section intérieure circulaire qui est en contact sur une distance Lcontacl plus ou moins longue avec l'isolant 500 qui est de forme cylindrique. Cette solution permet de conserver un contact physique entre la collerette 501 et l'isolant 500 (et donc une orientation optimale du champ), même dans le cas d'une usure de l'extrémité de la collerette 501.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titres d'exemples.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit.
Ainsi, la pièce de liaison, reliant la collerette et le corps du culot peut-elle présenter une forme géométrique plus complexe qu'une forme annulaire. Il peut s'agir, par exemple, d'un élément tronconique dont la base repose sur le corps du culot et dont le sommet supporte la collerette.

Claims

REVENDICATIONS:
1.Bougie d'allumage à effet de surface pour moteur à combustion interne du type à allumage commandé comprenant une électrode centrale (106), alimentée en haute tension par l'intermédiaire d'un système d'allumage, et un culot (103), relié à la masse, ladite électrode (106) étant séparée de l'extrémité du culot (103), situé en retrait de la dite électrode (106), par un isolant (100), à coefficient diélectrique supérieur à un, permettant la progression d'une étincelle sur sa surface entre l'électrode centrale (106) et le culot (103), ledit culot (103) comportant un corps (108) et une extrémité en forme de collerette (101), tronconique ou cylindrique, caractérisée en ce que la collerette (101) s'étend, sur au moins une partie de sa longueur, à proximité de l'isolant (100), et est reliée au corps (108) du culot (103) par une pièce de liaison (107) conformée pour réguler les flux thermiques entre la collerette (101) et le reste du culot (103).
2. Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de liaison (107) est sensiblement annulaire et est en contact, sur au moins une partie de l'une de ses faces, avec le corps (108) du culot (103).
3. Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'extrémité de la collerette (101) définit avec la surface de l'isolant (100) un jeu radial, d, de quelques dixièmes de millimètre.
4. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la collerette (101) s'étend le long du manchon isolant (100) en définissant avec lui un jeu radial de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres sur toute sa longueur, L.
5.Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la collerette (101) possède une épaisseur, e, sensiblement constante et inférieure à 1 mm.
6. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la collerette (101) présente une longueur, L, de l'ordre de 2 à 3 mm.
7. Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité de la collerette 101 possède une forme biseautée, l'angle formé par le biseau étant inférieur à 45°.
8. Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité de la collerette (401) est en contact linéique avec la surface de l'isolant (400).
9.Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la collerette (501) est en contact avec l'isolant (500), formant ainsi une liaison plane avec ledit isolant sur une longueur Lcontact déterminée.
10. Bougie d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'électrode centrale (106) est alimentée en haute tension négative.
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