Procédé de fabrication d'un dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, et dispositif d'allumage obtenu par ce procédé

Abstract

 Dispositif, appelé convecteur d'allumage, comportant, comme les bougies conventionnelles, un corps isolant (2) contenant une électrode centrale (3) et un culot métallique (4) dans lequel est fixé le corps isolant. L'électrode de masse des bougies conventionnelles est remplacée par une capsule circulaire (17) soudée à la base du culot, après avoir subi un traitement de chromisation dure. Le culot comporte un évidement annulaire (14) ménagé dans l'épaisseur de sa paroi, et est soudé au corps isolant en céramique (2) par brasage.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif d'allumage à plasma pour moteur à combustion interne, adapté en particulier pour l'allumage des mélanges pauvres et/ou hydrogénés et/ou activés par des catalyseurs, comportant un corps isolant dans lequel est ménagé un alésage central axial agencé pour recevoir une électrode centrale métallique axiale, un culot métallique comprenant un alésage central axial pour loger la partie inférieure dudit corps isolant et pour assurer la fixation du dispositif sur le bloc moteur.

[0002] Elle concerne également un dispositif d'allumage obtenu par ce procédé.

[0003] Les chercheurs se polarisent actuellement à vouloir étendre la plage de fonctionnement utile des moteurs d'automobiles à combustion interne vers des mélanges de carburants beaucoup plus pauvres, permettant une augmentation de rendement du moteur avec une consommation moindre, tout en diminuant les températures de combustion et réduisant de ce fait l'émission des NO . On a constaté qu'en-dessous d'un certain mélange pauvre, le rendement du moteur diminue, la proportion des ratés augmente de façon exponentielle, jusqu'à ce que la combustion disparaisse complètement. On pense qu'une des raisons de ces difficultés provient du fait que le rendement est limité par la vitesse de la flamme qui ralentit à mesure que le mélange s'appauvrit. On a tenté de remédier à ce problème, par exemple au moyen de techniques de brassage par turbulence et par la mise en place de points d'allumage multiples. Cependant, toutes ces conceptions exigent un certain degré de transformation des moteurs. D'une façon générale, les chercheurs se sont heurtés à la forme de la bougie conventionnelle.

[0004] L'examen du processus d'allumage, en tant que domaine susceptible d'amélioration, a permis de trouver que le moyen d'enflammer un mélange pauvre de façon plus fiable pourrait être atteint en augmentant l'énergie de décharge et/ou déplaçant le noyau d'allumage à travers la chambre de combustion à l'aide de forces électromagnétiques. Les premiers résultats montrent qu'un tel système pourrait être réalisé par le fait qu'un petit volume de mélange est ionisé, et porté à très haute température au moyen d'une décharge pulsée à haute énergie. Le volume de plasma enflammé est poussé dans la chambre de combustion principale par des forces d'auto-induction.

[0005] Cette idée a été appliquée sous un certain aspect dans le moteur HONDA Civic, qui nécessite une nouvelle culasse et une troisième soupape dans une préchambre de combustion où un faible volume de mélange riche est allumé, et agit sous la forme d'un chalumeau pour enflammer le mélange pauvre de la chambre principale. L'inconvénient de ce système est qu'il nécessite une transformation complète du moteur, qui doit être équipé d'une culasse spéciale.

[0006] La présente invention se propose de réaliser un dispositif d'allumage du type susmentionné, qui ne nécessite aucune modification fondamentale du moteur. Au contraire, le dispositif d'allumage selon l'invention conserve, dans son aspect le plus général, les formes et les dimensions extérieures d'une bougie conventionnelle comportant un corps isolant contenant une électrode centrale axiale, et fixé dans un culot fileté agencé pour fixer la bougie sur le bloc moteur et dissiper la chaleur du corps isolant.

[0007] Les bougies conventionnelles présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. Tous les techniciens de l'automobile, ainsi que les fabricants de bougies, savent et reconnaissent les anomalies obtenues avec les bougies conventionnelles qui sont en général fabriquées d'après des procédés anciens, qui consistent à sertir à chaud par moletage les différents composants de la bougie, le corps isolant et le culot. Cette technique provoque une pression très forte sur la céramique au niveau du joint d'étanchéité interne sur le bec de l'isolant. Ce joint d'étanchéité, en alliage à base de laiton et de cuivre, a une épaisseur de 0,10 mm avant le sertissage et un diamètre intérieur de 6 à 7 mm. Pendant l'opération de sertissage, ce joint s'écrase de moitié pour n'avoir plus qu'une épaisseur de 0,05 mm et une surface, après écrasement, de 15 à 18 mm². C'est par cette surface que se fait la dissipation calorifique en direction du culot métallique fixé à la culasse du moteur. Lors de l'opération de sertissage, l'isolant subit des tensions thermiques et mécaniques qui, sous l'effet des chocs thermiques successifs sur le moteur, peuvent provoquer une cassure au niveau du plan de joint. Cette anomalie est indécelable à froid au moment des contrôles de fabrication. Le même inconvénient se produit également sur l'électrode centrale au niveau de sa jonction d'étanchéité avec la vis interne terminale.

[0008] Les inconvénients dus à ces procédés de fabrication entraînent d'une part une perte importante au moment de la fabrication des bougies conventionnelles, et d'autre part une fiabilité réduite puisque certaines anomalies ne peuvent être décelées qu'après plusieurs heures de fonctionnement.

[0009] La présente invention se propose de supprimer les inconvénients précités, en réalisant un dispositif d'allumage permettant de réaliser un allumage à plasma des mélanges pauvres sans modification fondamentale du moteur, et en mettant au point des techniques de fabrication et d'assemblage de ce dispositif d'allumage qui peut être réalisé au moyen des composants fondamentaux des bougies conventionnelles.

[0010] Dans ce but, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on fixe l'électrode centrale métallique au corps isolant et le corps isolant au culot métallique au moyen d'une technique de brasage céramique-métal, en ce que l'on fabrique une capsule métallique de forme générale cylindrique comportant une cavité centrale formant chambre de précombustion et ayant une ouverture circulaire centrale sur chacune de ces faces planes, en ce que l'on fait subir à cette capsule un traitement de surface pour la rendre résistante aux hautes températures créées par le plasma, et en ce que l'on soude, par une technique de rapprochement sous effet Joule, ladite capsule préalablement traitée à l'extrémité inférieure du culot, de telle manière que l'ouverture circulaire supérieure, prévue dans l'une des faces planes de la capsule, soit concentrique à l'extrémité du corps isolant, et que l'extrémité libre de l'électrode centrale soit disposée sensiblement concentriquement par rapport à l'ouverture circulaire inférieure de l'autre face plane de la capsule.

[0011] Le dispositif d'allumage obtenu par ce procédé est caractérisé en ce que l'électrode centrale est brasée au corps isolant, en ce que le corps isolant est brasé au culot, et en ce que l'électrode de masse est constituée par une capsule métallique de forme générale cylindrique comportant une cavité centrale formant chambre de combustion et une ouverture circulaire centrale sur chacune de ses faces planes, cette capsule ayant préalablement subi un traitement de surface la rendant résistante aux hautes températures créées par le plasma, et étant fixée à l'extrémité inférieure du culot de telle façon que l'électrode centrale soit disposée dans la chambre de précombustion, sensiblement concentriquement par rapport à l'ouverture inférieure de sa face plane.

[0012] La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel :

La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation préférée d'un dispositif d'allumage selon l'invention;

la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale agrandie de la capsule formant chambre de précombustion, et

la figure 3 représente une vue de dessous agrandie de la capsule représentée par la figure 2.

[0013] En référence aux figures et en particulier à la figure 1, le dispositif d'allumage, appelé par la suite convecteur l, se compose essentiellement d'un corps isolant 2, d'une électrode centrale axiale 3 logée à l'intérieur du corps isolant 2, et d'un culot 4 qui contient la partie inférieure du corps isolant 2. L'électrode centrale se compose d'une section médiane 5 se présentant sous la forme d'une tige sensiblement cylindrique logée à l'intérieur d'un alésage cylindrique 6 du corps isolant 2. L'extrémité supérieure 7 est au moins partiellement filetée extérieurement pour permettre le vissage d'une olive de connexion. Au niveau de la jonction de l'extrémité 7 et de la section médiane 5, est fixé un capuchon 8 qui recouvre et protège la pointe supérieure du corps isolant 2. L'extrémité inférieure 9 de l'électrode centrale dépasse la pointe inférieure du corps isolant 2 et coopère avec l'électrode de masse pour créer l'étincelle, comme dans une bougie d'allumage conventionnelle.

[0014] L'électrode centrale est fixée au corps isolant par une technique de brasage qui sera décrite plus en détail ci-dessous, de telle manière que la brasure permettre de fixer l'électrode centrale au corps isolant à son point le plus froid, c'est-à-dire son extrémité supérieure et que l'étanchéité soit parfaitement assurée.

[0015] Comme dans une bougie conventionnelle, le culot 4 du convecteur représenté comporte un filetage destiné à fixer le convecteur au bloc moteur, pour constituer à la fois la liaison mécanique et le pont thermique destiné à dissiper la chaleur de l'isolant. Pour assurer une meilleure dissipation de la chaleur, on s'est servi d'une technique de brasage pour fixer le corps isolant 2 dans l'alésage central ménagé dans le culot 4. Le corps isolant 2 en céramique, réalisé avec précision, comporte des épaulements d'appui 11 et 12 qui coopèrent avec des épaulements correspondants ménagés dans le culot 4, pour assurer une assise précise du corps isolant à l'intérieur du culot. La technique de brasage consiste à métalliser préalablement la surface de la céramique au moyen d'une projection de poudre de molybdène et de manganèse. Elle consiste ensuite à glisser sur cette surface métallisée un tube en un alliage métallique, par exemple un alliage commercialisé sous le type Dilver, ayant de préférence un coefficient de dilatation intermédiaire entre ceux de la céramique et de l'acier du culot, et à introduire ces éléments préassemblés en position dans le culot. Le tube 13 entourera au moins partiellement la partie inférieure du corps isolant 2 et sera disposé en regard d'un évidement annulaire 14, ménagé dans la paroi du culot 4, pour permettre une déformation du tube 13. Pour effectuer le brasage proprement dit, on placera, autour du bec 15 du corps isolant 2, un jonc de brasage 16, par exemple en un alliage cuivre-argent, et on fera subir à l'ensemble un traitement thermique, en faisant traverser, au convecteur, un four à passage sous atmosphère réductrice à haute température, qui provoquera la fusion du jonc de brasage et sa remontée par capillarité entre le tube 13, le corps isolant 2 et le culot métallique 4.

[0016] Cette technique nouvelle supprime les chocs mécaniques du sertissage tel qu'il était réalisé dans le cadre de la fabrication des bougies classiques, et permet d'avoir une surface de brasage de l'ordre de 330 m , ce qui permet une dissipation beaucoup plus importante et accroît considérablement la polythermie du convecteur. Cette opération de brasage permet simultanément d'assurer l'étanchéité interne au niveau de l'électrode centrale et de la vis terminale. Il suffit pour cela de placer également des joncs de brasage 16a, 16b, pour que cette matière en fusion s'écoule le long de l'électrode centrale 5 et du capuchon 8 et assure le brasage de l'électrode centrale et du capuchon 8 sur le corps isolant 2.

[0017] Cette technique de fabrication permet de supprimer les efforts et chocs mécaniques dus au sertissage des bougies classiques., efforts et chocs qui peuvent entraîner des tensions non décelables à froid, mais susceptibles d'entraîner la rupture du corps isolant à la suite des chocs thermiques successifs qu'il subit au cours du fonctionnement du moteur à combustion interne.

[0018] L'extrémité inférieure du convecteur comporte une capsule 17, qui constitue l'électrode de masse de ce convecteur. Cette électrode de masse, qui sera décrite plus en détail en référence aux figures 2 et 3, est soudée au bord inférieur du culot 4, par une technique de soudure par rapprochement sous effet Joule.

[0019] En référence aux figures 2 et 3 qui représentent une forme de réalisation préférentielle de la capsule 17, cet élément est de préférence constitué par une pièce de forme générale cylindrique réalisée par décolletage, traitée au cours d'une opération de traitement de surface approprié, puis soudée sur le culot. La capsule 17 comporte une cavité centrale 18 communi_- quant avec deux ouvertures circulaires 19 et 20. L'ouverture supérieure 19 définit, avec la paroi latérale du corps cylindrique de la capsule 17, un bord 21 destiné à être fixé au bord annulaire inférieur du culot 4. L'ouverture inférieure 20 définit un bord annulaire 22 qui constitue le bord actif de l'électrode de masse du convecteur. Comme représenté de façon plus précise sur la figure 3, la capsule 17 comporte trois méplats 23, dans lesquels débouchent respectivement trois alésages. 24 qui communiquent avec la cavité intérieure 18.

[0020] Pour que la capsule 17-puisse résister aux hautes températures créées par le plasma, celle-ci subit un traitement de surface qui est de préférence un traitement de cémentation au chrome et en particulier un traitement de chromisation dure, qui permet d'obtenir une couche relativement fine formée de carbure de chrome d'une très grande dureté. A cet effet, on peut par exemple utiliser la technique mise au point par la société française Heurchrome ou tout autre traitement connu en soi, permettant d'obtenir une dureté et une résistance aux acides et aux autres agents corrosifs similaires.

[0021] Le convecteur décrit fonctionne de la façon suivante : au lieu d'une étincelle électrique jaillissant entre les électrodes d'une bougie conventionnelle pour allumer le mélange combustible, la bougie à convection ou convecteur, munie de sa capsule faisant office de préchambre de combustion, permet au mélange d'être préalablement compressé dans cette préchambre, d'être enflammé par une décharge électrique rotative ayant la forme d'un iris ionisant, provoquant le plasma qui active la réaction en chaîne de la combustion dans la chambre principale du cylindre moteur. Ceci entraîne une combustion plus vive et plus complète du mélange combustible, entraînant ainsi l'utilisation quasi intégrale du potentiel énergétique du carburant, -en réduisant les imbrûlés et en diminuant les gaz polluants (C0, NO_x, etc.) et surtout en réduisant la consommation de carburant.

[0022] Le brassage permanent des gaz au travers des tuyères, constituées par les ouvertures latérales 24 de la capsule de convection aussi bien à l'admission qu'à l'échappement, mêlées à la violence de l'explosion à l'intérieur de la chambre de précombustion, empêche la formation de dépôt de carbone et assure en permanence l'autonettoyage du bec de l'isolant en rendant pratiquement nul l'encrassement du convecteur. Ce phénomène se vérifie de façon particulièrement remarquable à faible allure en circulation urbaine et au ralenti. Un des avantages de la capsule de convection est qu'elle permet d'utiliser les composants des bougies conventionnelles à becs d'isolant proéminents, à l'extrémité du culot desquelles est soudée la capsule de convection remplaçant l'électrode de masse classique.

[0023] Pour permettre un centrage parfait de la capsule au moment de son soudage, on a recours à un petit tube centreur en alliage d'aluminium que l'on introduit dans l'ouverture 20 de la capsule (voir figure 2) et sur l'extrémité 9 (voir figure 1) de l'électrode centrale 3. Le diamètre intérieur du tube centreur correspond sensiblement au diamètre extérieur de l'extrémité 9 de l'électrode centrale, et son diamètre extérieur correspond sensiblement au diamètre intérieur de l'ouverture circulaire 20 de la capsule. En fait, l'épaisseur des parois du tube centreur est sensiblement égale à la différence des diamètres de l'ouverture 20 et de l'extrémité 9 de l'électrode centrale. De cette manière, la capsule est parfaitement positionnée pendant l'opération de soudage au moyen d'un tube réalisé en une matière qui ne risque pas de se souder, soit à la capsule, soit à l'électrode centrale.

[0024] Le dispositif d'allumage ou convecteur, dans lequel la dissipation calorifique est fortement améliorée, a l'avantage d'être polythermique. De ce fait, un seul convecteur, de par son élasticité thermique, peut remplacer avantageusement une gamme de bougies conventionnelles, dont chacune correspond à un faible éventail de thermicité.

[0025] Un système d'allumage, utilisant le dispositif d'allumage tel que décrit, peut être avantageusement complété par un générateur de courant à haute fréquence pulsée, dans le but de favoriser la formation d'un plasma.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un dispositif d'allumage à plasma pour moteur à combustion interne, adapté en particulier pour l'allumage des mélanges pauvres et/ou hydrogénés et/ou activés par des catalyseurs, comportant un corps isolant dans lequel est ménagé un alésage central axial agencé pour recevoir une électrode centrale métallique axiale, un culot métallique comprenant un alésage central axial pour loger la partie inférieure dudit corps isolant et pour assurer la fixation du dispositif sur le bloc moteur, caractérisé en ce que l'on fixe l'électrode centrale métallique au corps isolant et le corps isolant au culot métallique au moyen d'une technique de brasage céramique-métal, en ce que l'on fabrioue une capsule métallique de forme générale 't cylindrique comportant une cavité centrale formant chambre de précombustion et ayant une ouverture circulaire centrale sur chacune de ses faces planes, en ce que l'on fait subir à cette capsule un traitement de surface pour la rendre résistante aux hautes températures créées par le plasma, et en ce que l'on soude, par une technique de rapprochement sous effet Joule, ladite capsule préalablement traitée à l'extrémité inférieure du culot, de telle manière que l'ouverture circulaire supérieure, prévue dans l'une des faces planes de la capsule, soit concentrique à l'extrémité du corps isolant, et que l'extrémité libre de l'électrode centrale soit disposée sensiblement concentriquement par rapport à l'ouverture circulaire inférieure de l'autre face plane de la capsule.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brasage de la céramique et du métal comporte les étapes suivantes consistant : à métalliser la surface à braser de la céramique en revêtant cette dernière au moyen d'une couche de poudre de molybdène et de manganèse, à chemiser la surface traitée au moyen d'un tube en alliage métallique résistant aux hautes températures, le culot ayant été préalablement pourvu d'un évidement qui permet à ce tube de se déformer, disposé entre la paroi du culot et ledit tube en alliage, et à braser d'une part l'électrode centrale au corps isolant et d'autre part le corps isolant au culot, au moyen d'un jonc de brasage placé à la partie supérieure des parties à braser, en faisant séjourner ces éléments dans un four à passage sous atmosphère réductrice à une température suffisante pour provoquer la fusion du jonc de brasage et l'étalement de l'alliage par capillarité le long du tube métallique.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de la capsule consiste en une cémentation au chrome.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cémentation au chrome est une chromisation dure au carbure de chrome.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue la soudure de la capsule à l'extrémité inférieure du culot, après avoir positionné cette capsule avec précision au moyen d'un dispositif de centrage comportant une pièce tubulaire en un matériau non soudable à la capsule et au corps isolant, dont le diamètre intérieur correspond au diamètre extérieur de l'électrode centrale, et dont le diamètre extérieur correspond au diamètre de l'ouverture circulaire inférieure de la face plane inférieure de la capsule.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pièce tubulaire est un tronçon tubulaire en aluminium, dont l'épaisseur de la paroi correspond sensiblement à l'écart entre électrodes préconisé sur des bougies d'allumage concentionnelles.

7. Dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, obtenu par le procédé selon la revendication 1, comportant un corps isolant dans lequel est ménagé un alésage central axial agencé pour recevoir une électrode centrale métallique axiale, un culot métallique comprenant un alésage central axial pour loger la partie inférieure dudit corps isolant et pour assurer la fixation du dispositif sur le bloc moteur, caractérisé en ce que l'électrode centrale est brasée au corps isolant, en ce que le corps isolant est brasé au culot, et en ce que l'électrode de masse est constituée par une capsule métallique de forme générale cylindrique comportant une cavité centrale formant chambre de précombustion et une ouverture circulaire centrale sur chacune de ses faces planes, cette capsule ayant préalablement subi un traitement de surface la rendant résistante aux hautes températures créées par le plasma, et étant fixée à l'extrémité inférieure du . culot de telle façon que l'électrode centrale soit disposée dans la chambre de précombustion, sensiblement concentriquement par rapport à l'ouverture inférieure de sa face plane.

8. Dispositif d'allumage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la capsule comporte au moins une ouverture latérale débouchant dans la cavité centrale formant chambre de précombustion.

9. Dispositif d'allumage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la capsule comporte trois ouvertures formant tuyères latérales disposées sensiblement à 120 l'une de l'autre.

Dessins