WO2006106267A1 - Bougie multi-etincelles a chambre ouverte - Google Patents

Bougie multi-etincelles a chambre ouverte Download PDF

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Nadim Malek
André AGNERAY
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    • 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
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap
    • 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 a spark plug for plasma generation, used in particular for igniting internal combustion engines by electric spark between the electrodes of a candle.
  • a radiofrequency spark plug of an internal combustion engine comprising two plasma generation electrodes separated by an insulator, one of the two electrodes may consist of all of the yoke and the base of the candle.
  • Plasma-generation spark plugs are high-frequency, multi-spark ignition systems capable of ensuring the ignition of spark ignition engines under the best conditions, while reducing pollutant emissions, especially in lean mixtures. They are subject to fouling, especially cold.
  • the present invention aims to adjust the thermal index of a multi-spark plug, so that it can quickly rise in temperature, without subsequent risk of pre-ignition.
  • the chamber is disposed between the base and the insulator.
  • the chamber may contain a dilation piece capable of opening or closing its inlet to hot gases.
  • FIG. 1 illustrates the state of the prior art
  • FIGS. 2, 3, 4A-4B and 5A-5B illustrate four embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a multi-spark spark plug 1 of known type, comprising two plasma generating electrodes 2, 3 separated by an insulator 4 made of a dielectric material such as a ceramic.
  • the two electrodes 2, 3 constitute respectively an outer cap 3 surrounding the insulator, and a central electrode 2, housed in a central bore of the insulator 4.
  • the base 3 conventionally has an external thread 3a for screwing the candle in the cylinder head of the engine.
  • carbon deposits disturb the operation of the candle, creating areas of current leakage. From a certain temperature, of the order of 400 ° C., the carbonaceous deposits are destroyed by pyrolysis.
  • the candle of FIG. 2 additionally has a dead volume 6 constituting an open chamber towards the outside.
  • the chamber 6 extends between the base 3 and the insulator 4.
  • the chamber may advantageously have a first tubular sector 6a connected to a second circular sector 6b open on the outside.
  • the walls of the chamber 6 may be metallized.
  • the layer, or metal sleeve 7, applied to the insulator, is then in direct contact with the hot gases, and particularly oxidants in lean mixture ("lean - AT -
  • This metal layer 7 may for example consist of a sleeve brazed to the ceramic, which will ensure the resistance thereof to the oxidizing gases.
  • the thickness of the sleeve may be a compromise between its resistance to thermochemical erosion, its thermal resistance and its cost of production. Indeed, if the sleeve is too thick, its thermal resistance will be too low, and the ceramic will not heat up enough to destroy the deposits by pyrolysis.
  • the material of the sleeve will also be chosen according to its conductivity and its coefficient of expansion, which must be compatible with that of the ceramic and the mechanical properties of the latter.
  • the metal layer may itself be protected by an inert deposition, a thin ceramic layer, or other metal deposit particularly resistant to oxidation, such as nickel.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the invention, according to which the chamber 6 is a simple tubular opening formed in the mass of the base 3.
  • the chamber no longer extends between the base and the insulator , as before, but constitutes a cut in the mass of the base.
  • the application of a metal layer 7 is imperative to avoid the formation of a plasma.
  • the metallization will be applied simply on the bonding interface between the ceramic 4 and the base 3, independently of the chamber 6.
  • FIGS. AA to 5B illustrate additional provisions making it possible to automatically adapt the behavior of the chamber to the temperature conditions of the candle, so as to further improve the "non-linear" setting of the thermal index of the candle, in particular to that it behaves like a very hot candle when the engine is still cold, and like a warm candle, when the engine is hot, especially under heavy load.
  • the chamber 6 may contain a dilation piece 8, 9 capable of opening or closing its inlet to hot gases.
  • the expansion chamber is contracted, and opens the passage to hot gases that provide a thermal flow accelerating the operation of the candle.
  • the room is expanded and closes the hot gas passage.
  • the candle reaches its thermal equilibrium at a lower temperature than if the chamber had remained open.
  • the expansion member 8 is a corrugated sleeve, one end is fixed and the other end carries a cylindrical flap 8a closing the inlet of the chamber 6 when the sleeve is expanded.
  • the expansion part 9 is a double wall sleeve containing a relatively low temperature fusible metal 9a: the expansion of the liquid metal 9a causes the sleeve 9 to swell, thus blocking the passage of the hot gases.

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Abstract

Bougie d'allumage radiofréquence (1) de moteur à combustion interne comprenant deux électrodes (2, 3) de génération de plasma séparées par un isolateur (4) qui constituent respectivement un culot extérieur (3) entourant l'isolateur et une électrode centrale (2) logée dans un perçage central de l'isolateur, caractérisée en ce qu'elle présente une ouverture profonde (6) sur toute la circonférence du culot (3), formant une chambre d'échanges thermiques à l'intérieur du culot de la bougie (1), ouverte sur l'extérieur.

Description

BOU6IE MULTT- ETINCELLES A CHAMBRE OUVERTE
La présente invention concerne une bougie de génération de plasma, utilisée notamment pour l'allumage de moteurs à combustion interne par étincelles électriques entre les électrodes d'une bougie.
Plus précisément, elle concerne une bougie d'allumage radiofréquence de moteur à combustion interne comprenant deux électrodes de génération de plasma séparées par un isolateur, une des deux électrodes pouvant être constituée de la totalité de la culasse et du culot de la bougie.
Les bougies à génération de plasma constituent des systèmes d'allumage multi-étincelles à haute fréquence, capables d'assurer dans les meilleures conditions l'allumage des moteurs à allumage commandé, tout en réduisant les émissions polluantes, notamment en mélange pauvre. Elles sont sujettes à l'encrassement, notamment à froid.
Comme toutes les bougies, elles sont caractérisées par un indice thermique. Cet indice prend en compte leur comportement thermique sur des points de fonctionnement moteur particuliers. Il traduit notamment leur capacité à supporter des températures suffisamment élevées pour éliminer l'encrassement par pyrolyse, sans faire de « pré-allumage ».
Par les publications FR 2859830, FR 2859869, et FR 2859831, on connaît une bougie multi-étincelles dite froide, car elle ne monte pas suffisamment vite en température pour éviter l'encrassement. Sur de telles bougies, on a constaté en effet l'accumulation d'un dépôt de carbone sur les électrodes, qui réduit significativement l'isolation nécessaire entre la pointe de l'électrode centrale et le culot. Avec une mauvaise isolation, l'alimentation haute tension de la bougie risque alors d'être insuffisante, pour pouvoir provoquer les nécessaires « claquages », déclencheurs d'étincelles.
Pour éviter la formation de dépôts carbonés, notamment à froid, sur l'électrode de la bougie exposée à l'atmosphère de la chambre de combustion, on peut chercher à augmenter la température de l'isolant, de manière à favoriser la destruction des dépôts par le phénomène de pyrolyse. Cette température dépend de la résistance thermique de l'ensemble de la bougie, y compris celle de l'isolant.
Les mesures prises habituellement pour augmenter la température de l'isolant trouvent leur limite dans l'apparition de « pré-allumage » sur les bougies, lorsqu'elles atteignent des températures trop élevées en fonctionnement.
La présente invention vise à régler l'indice thermique d'une bougie multi-étincelles, pour qu'elle puisse monter rapidement en température, sans risque ultérieur de pré-allumage.
Dans ce but, elle prévoit de ménager une ouverture profonde sur toute la circonférence du culot, cette ouverture formant une chambre d'échanges thermiques à l'intérieur du culot de la bougie, ouverte sur l'extérieur.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la chambre est disposée entre le culot et l'isolateur.
Conformément à l'invention, la chambre peut renfermer une pièce de dilatation capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds.
Les mesures proposées permettent de limiter le refroidissement de la céramique en phase de démarrage sans augmenter sa température de fonctionnement. On obtient ainsi un indice thermique non linéaire, qui correspond à un chauffage rapide de la bougie sans risque de pré-allumage à chaud. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation non limitatifs de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre l'état de la technique connu,
- les figures 2, 3, 4A-4B, et 5A-5B, illustrent quatre modes de réalisation de l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté une bougie multi-étincelles 1 de type connu, comprenant deux électrodes 2, 3, de génération de plasma séparées par un isolateur 4 en matériau diélectrique tel qu'une céramique. Les deux électrodes 2, 3 constituent respectivement un culot extérieur 3 entourant l'isolateur, et une électrode 2 centrale, logée dans un perçage central de l'isolateur 4. Le culot 3 présente de façon conventionnelle un filetage extérieur 3a permettant de visser la bougie dans la culasse du moteur. Comme indiqué précédemment, lorsque l'isolateur 4 r\'a pas atteint une température suffisante, des dépôts carbonés perturbent le fonctionnement de la bougie, en créant des zones de fuite de courant. A partir d'une certaine température, de l'ordre de 400 0C, les dépôts carbonés sont détruits par pyrolyse.
La bougie de la figure 2 présente en plus un volume mort 6, constituant une chambre ouverte vers l'extérieur. La chambre 6 s'étend entre le culot 3 et l'isolateur 4. Conformément au schéma, la chambre peut avantageusement présenter un premier secteur tubulaire 6a raccordé à un deuxième secteur circulaire 6b ouvert sur l'extérieur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, mise en évidence sur la figure 2, les parois de la chambre 6 peuvent être métallisées. La couche, ou manchon de métal 7, appliqué sur l'isolateur, se retrouve alors en contact direct avec les gaz chauds, et particulièrement oxydants en mélange pauvre (« lean - A -
burn »), de la chambre de combustion. La métallisation des parois de la chambre 6 permet en particulier d'empêcher la création d'un plasma entre la céramique de l'isolateur et le culot. Cette couche métallique 7 peut être par exemple constituée d'un manchon brasé sur la céramique, qui permettra d'assurer la résistance de celle-ci aux gaz oxydants. Dans la pratique, l'épaisseur du manchon pourra être un compromis entre sa tenue à l'érosion thermochimique, sa résistance thermique et son coût de réalisation. En effet, si le manchon est trop épais, sa résistance thermique sera trop faible, et la céramique ne s'échauffera pas assez pour détruire les dépôts par pyrolyse. Le matériau du manchon sera par ailleurs choisi en fonction de sa conductivité et de son coefficient de dilatation, qui doit être compatible avec celui de la céramique et les propriétés mécaniques de cette dernière. Enfin, sans sortir du cadre de l'invention, la couche métallique peut être elle-même être protégée par un dépôt inerte, une fine couche de céramique, ou un autre dépôt métallique particulièrement résistant à l'oxydation, comme le nickel.
La figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention, selon lequel la chambre 6 est une simple ouverture tubulaire ménagée dans la masse du culot 3. Dans ce cas, la chambre ne s'étend plus entre le culot et l'isolateur, comme précédemment, mais constitue une découpe dans la masse du culot. L'application d'une couche métallique 7 est impérative pour éviter la formation d'un plasma. Ici, la métallisation sera appliquée simplement sur l'interface de liaison entre la céramique 4 et le culot 3, indépendamment de la chambre 6.
Les figures AA à 5B illustrent des dispositions supplémentaires permettant d'adapter automatiquement le comportement de la chambre aux conditions de température de la bougie, de manière à améliorer encore le réglage « non linéaire » de l'indice thermique de la bougie, en particulier pour qu'elle se comporte comme une bougie très chaude lorsque le moteur est encore froid, et comme une bougie tiède, lorsque le moteur est chaud, particulièrement sous forte charge.
Comme indiqué sur ces figures, la chambre 6 peut renfermer une pièce de dilatation 8, 9 capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds. Lorsque la température est basse, la pièce de dilatation est contractée, et ouvre le passage aux gaz chauds qui fournissent un flux thermique accélérant le fonctionnement de la bougie. Une fois que la bougie a atteint sa température de fonctionnement, la pièce est dilatée et ferme le passage aux gaz chauds. Ainsi, la bougie atteint son équilibre thermique à une température plus basse que si la chambre était restée ouverte.
Sur les figures 4A et 4B, la pièce de dilatation 8 est un manchon ondulé, dont une extrémité est fixe et l'autre extrémité porte un volet cylindrique 8a fermant l'entrée de la chambre 6 lorsque le manchon est dilaté.
Sur les figures 5 A et 5B, la pièce de dilatation 9 est un manchon double paroi renfermant un métal 9a, fusible à température relativement basse : la dilatation du métal liquide 9a fait enfler le manchon 9, bloquant ainsi le passage des gaz chauds.
Ces deux dispositions ne sont pas limitatives, et on peut bien entendu envisager d'autres types d'obturateurs basés par exemple sur des collerettes faisant office de volets, ou sur l'utilisation d'alliages à mémoire de forme ou d'un bilame.
En conclusion, il faut souligner que l'ensemble des mesures proposées par l'invention, repose sur la création d'un espace libre, ou chambre ouverte, entre l'isolateur et le culot, qui permettent de régler l'indice thermique de la bougie, et plus particulièrement d'obtenir un indice thermique non linéraire. En outre la métallisation des parois de la chambre est particulièrement adaptée au fonctionnement en mélange pauvre, car elle protège la céramique contre les agents oxydants des gaz de combustion.

Claims

REVENDIC^TXONS
1. Bougie d'allumage radiofréquence (1) de moteur à combustion interne comprenant deux électrodes (2, 3) de génération de plasma séparées par un isolateur (4) qui constituent respectivement un culot extérieur (3) entourant l'isolateur et une électrode centrale (2) logée dans un perçage central de l'isolateur, caractérisé en ce qu'elle présente à l'intérieur du culot (3) de la bougie (1) une ouverture profonde (6) sur toute la circonférence du culot (3), formant une chambre d'échanges thermiques ouverte sur l'extérieur.
2. Bougie selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre est disposée entre le culot (3) et l'isolateur (4).
3. Bougie selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre (6) présente un premier secteur tubulaire (6a) raccordé à un deuxième secteur circulaire (6b) ouvert sur l'extérieur.
4. Bougie selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les parois de la chambre (6) sont métallisées.
5. Bougie selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre (6) est une simple ouverture tubulaire ménagée dans la masse du culot (3).
6. Bougie selon la revendication 5, caractérisée en ce que la face intérieure du culot (3) est métallisée.
7. Bougie selon la revendication 1 à 4 et 6, caractérisée en ce que la métallisation est obtenue par brasage sur la céramique, d'un manchon métallique (7) de faible épaisseur.
8. Bougie selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la métallisation (7) est protégée par un dépôt résistant aux atmosphères oxydantes à haute température. 9. Bougie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre (6) renferme une pièce de dilatation (8,
9) capable d'ouvrir ou de fermer son entrée aux gaz chauds.
10. Bougie selon la revendication 9, caractérisée en ce que la pièce de dilatation (8) est un manchon ondulé, dont une extrémité est fixe et l'autre extrémité porte un volet (8a) fermant l'entrée de la chambre (6) lorsque le manchon est dilaté.
11. Bougie selon la revendication 9, caractérisée en ce que la pièce de dilatation (9) est un manchon double paroi renfermant un métal (9a) fusible à température relativement basse, dont la dilatation fait enfler le manchon de manière à bloquer l'entrée des gaz chauds.
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