Une bougie d’allumage est composée d’une enveloppe, d’un isolant et du conducteur central. Elle traverse la paroi de la chambre de combustion et doit donc également assurer l’étanchéité de la chambre de combustion contre les pressions et les températures élevées sans se détériorer sur de longues périodes et une utilisation prolongée.
Les bougies d’allumage sont spécifiées par la taille, soit le filetage ou l’écrou (souvent appelé Euro), le type d’étanchéité (conique ou rondelle d’écrasement) et l’éclateur. Les tailles de filetage commun (écrou) en Europe sont de 10 mm (16 mm), 14 mm (21 mm ; parfois, 16 mm) et 18 mm (24 mm, parfois, 21 mm). Aux États-Unis, les tailles de filetage commun (écrou) sont de 10 mm (16 mm), 12 mm (14 mm, 16 mm ou 17,5 mm), 14 mm (16 mm, 20,63 mm) et 18 mm (20,63 mm).
Parties de la bougieEdit
BorneEdit
Le haut de la bougie d’allumage contient une borne pour se connecter au système d’allumage. Au cours des années, des variations dans la configuration de la borne ont été introduites par les fabricants. La construction exacte de la borne varie en fonction de l’utilisation de la bougie d’allumage. La plupart des fils de bougies d’allumage pour voitures particulières s’enclenchent sur la borne de la bougie, mais certains fils ont des connecteurs à œillet qui sont fixés sur la bougie sous un écrou. La configuration standard SAE à écrou solide non amovible est courante pour de nombreuses voitures et camions. Les bougies qui sont utilisées pour ces applications ont souvent l’extrémité de la borne qui sert à la fois d’écrou et de tige filetée fine, de sorte qu’elles peuvent être utilisées pour les deux types de connexion. Ce type de bougie possède un écrou ou une molette amovible, ce qui permet à ses utilisateurs de les fixer à deux types de culots de bougie différents. Certaines bougies d’allumage ont un filetage nu, ce qui est un type courant pour les motos et les VTT. Enfin, depuis très récemment, une cosse en forme de coupelle a été introduite, ce qui permet d’avoir un isolateur en céramique plus long dans le même espace confiné.
Édition de l’isolateur
La partie principale de l’isolateur est généralement faite d’alumine (Al2O3) frittée, un matériau céramique très dur à haute rigidité diélectrique, imprimé avec le nom du fabricant et des marques d’identification, puis vitrifié pour améliorer la résistance au suivi des étincelles en surface. Ses principales fonctions sont de fournir un support mécanique et une isolation électrique à l’électrode centrale, tout en offrant un trajet d’étincelle étendu pour la protection contre l’embrasement. Cette partie étendue, en particulier dans les moteurs dotés de bougies profondément encastrées, contribue à prolonger la borne au-dessus de la culasse de manière à la rendre plus facilement accessible.
Une autre caractéristique de l’alumine frittée est sa bonne conduction thermique – réduisant la tendance de l’isolateur à briller avec la chaleur et ainsi allumer le mélange prématurément.
RibsEdit
En allongeant la surface entre la borne haute tension et le boîtier métallique mis à la terre de la bougie, la forme physique des nervures fonctionne pour améliorer l’isolation électrique et empêcher l’énergie électrique de fuir le long de la surface de l’isolant, de la borne au boîtier métallique. Le chemin interrompu et plus long fait que l’électricité rencontre plus de résistance le long de la surface de la bougie, même en présence de saleté et d’humidité. Certaines bougies d’allumage sont fabriquées sans nervures ; les améliorations apportées à la rigidité diélectrique de l’isolant les rendent moins importantes.
Pointe de l’isolateurEdit
Sur les bougies d’allumage modernes (postérieures aux années 1930), la pointe de l’isolant qui dépasse dans la chambre de combustion est la même céramique d’oxyde d’aluminium fritté (alumine) que la partie supérieure, simplement non émaillée. Il est conçu pour résister à 650 °C (1 200 °F) et 60 kV.
Les anciennes bougies d’allumage, notamment dans les avions, utilisaient un isolant constitué de couches empilées de mica, compressées par la tension de l’électrode centrale.
Avec le développement de l’essence au plomb dans les années 1930, les dépôts de plomb sur le mica sont devenus un problème et ont réduit l’intervalle entre la nécessité de nettoyer la bougie. L’alumine frittée a été développée par Siemens en Allemagne pour contrer ce phénomène. L’alumine frittée est un matériau supérieur au mica ou à la porcelaine parce qu’elle est un relativement bon conducteur thermique pour une céramique, qu’elle conserve une bonne résistance mécanique et une bonne résistance aux chocs (thermiques) à des températures plus élevées, et que cette capacité à fonctionner à chaud lui permet de fonctionner à des températures « d’auto-nettoyage » sans dégradation rapide. Il permet également une construction simple d’une seule pièce, à faible coût mais avec une grande fiabilité mécanique. Les dimensions de l’isolateur et de l’âme du conducteur métallique déterminent la plage de température de la fiche. Les isolateurs courts sont généralement des bougies « plus froides », tandis que les bougies « plus chaudes » sont fabriquées avec un chemin allongé vers le corps métallique, bien que cela dépende également du noyau métallique thermoconducteur.
Joints
Parce que la bougie d’allumage scelle également la chambre de combustion du moteur lorsqu’elle est installée, des joints sont nécessaires pour garantir l’absence de fuite de la chambre de combustion. Les joints internes des bougies modernes sont constitués de poudre de verre/métal comprimée, mais les joints de style ancien étaient généralement réalisés par l’utilisation d’une brasure multicouche. Le joint externe est généralement une rondelle d’écrasement, mais certains fabricants utilisent la méthode moins coûteuse d’une interface conique et d’une simple compression pour tenter d’assurer l’étanchéité.
Edit
Le boîtier/coquille métallique (ou l’enveloppe, comme beaucoup l’appellent) de la bougie d’allumage résiste au couple de serrage de la bougie, sert à évacuer la chaleur de l’isolant et à la transmettre à la culasse, et sert de masse pour les étincelles passant de l’électrode centrale à l’électrode latérale. Les filets des bougies d’allumage sont roulés à froid pour éviter la fatigue due aux cycles thermiques. Il est important d’installer les bougies d’allumage avec la bonne « portée », ou longueur de filetage. La portée des bougies d’allumage peut varier de 0,095 à 2,649 cm (0,0375 à 1,043 in), notamment pour les applications automobiles et les petits moteurs. En outre, l’enveloppe d’une bougie d’allumage marine est un métal à double immersion, recouvert de zinc-chromate.
Electrode centraleEdit
L’électrode centrale est reliée à la borne par un fil interne et communément une résistance série en céramique pour réduire l’émission de bruit RF de l’étincelle. Les bougies d’allumage sans résistance, couramment vendues sans « R » dans la référence du type de bougie, sont dépourvues de cet élément afin de réduire les interférences électromagnétiques avec les radios et autres équipements sensibles. L’embout peut être constitué d’une combinaison de cuivre, de nickel-fer, de chrome ou de métaux nobles.
À la fin des années 1970, le développement des moteurs a atteint un stade où la plage de chaleur des bougies d’allumage classiques avec des électrodes centrales en alliage de nickel massif ne pouvait pas faire face à leurs exigences. Une bougie suffisamment froide pour répondre aux exigences de la conduite à grande vitesse ne serait pas en mesure de brûler les dépôts de carbone causés par les conditions urbaines de type stop-start, et s’encrasserait dans ces conditions, provoquant des ratés du moteur. De même, une bougie suffisamment chaude pour fonctionner sans problème en ville pouvait fondre lorsqu’elle était sollicitée pour une conduite prolongée à grande vitesse sur autoroute. La réponse à ce problème, imaginée par les fabricants de bougies d’allumage, a été d’utiliser un matériau différent et une conception différente pour l’électrode centrale qui serait capable de transporter la chaleur de la combustion loin de la pointe plus efficacement qu’un alliage de nickel solide. Le cuivre a été le matériau choisi pour cette tâche et une méthode de fabrication de l’électrode centrale en cuivre a été créée par Floform.
L’électrode centrale est généralement celle conçue pour éjecter les électrons (la cathode, c’est-à-dire la polarité négative par rapport au bloc moteur) car c’est normalement la partie la plus chaude de la bougie ; il est plus facile d’émettre des électrons à partir d’une surface chaude, en raison des mêmes lois physiques qui augmentent les émissions de vapeur à partir de surfaces chaudes (voir émission thermoionique). En outre, les électrons sont émis là où l’intensité du champ électrique est la plus grande, c’est-à-dire là où le rayon de courbure de la surface est le plus petit, à partir d’un point ou d’un bord pointu plutôt que d’une surface plane (voir décharge corona). L’utilisation de l’électrode latérale plus froide et plus émoussée comme électrode négative nécessite une tension jusqu’à 45 % plus élevée, c’est pourquoi peu de systèmes d’allumage, hormis les systèmes à étincelles perdues, sont conçus de cette manière. Les systèmes à étincelle perdue sollicitent davantage les bougies d’allumage car ils envoient alternativement des électrons dans les deux sens (de l’électrode de masse à l’électrode centrale, et pas seulement de l’électrode centrale à l’électrode de masse). Par conséquent, les véhicules équipés d’un tel système devraient avoir des métaux précieux sur les deux électrodes, et pas seulement sur l’électrode centrale, afin d’augmenter les intervalles de remplacement des services puisqu’ils usent le métal plus rapidement dans les deux directions, et pas seulement dans une seule.
Il serait plus facile de tirer des électrons à partir d’une électrode pointue, mais une électrode pointue s’éroderait après seulement quelques secondes. Au lieu de cela, les électrons émettent à partir des bords tranchants de l’extrémité de l’électrode ; à mesure que ces bords s’érodent, l’étincelle devient plus faible et moins fiable.
Il fut un temps où il était courant de retirer les bougies d’allumage, de nettoyer les dépôts sur les extrémités, soit manuellement, soit à l’aide d’un équipement de sablage spécialisé, et de limer l’extrémité de l’électrode pour rétablir les bords tranchants, mais cette pratique est devenue moins fréquente pour trois raisons :
- Le nettoyage avec des outils tels qu’une brosse métallique laisse des traces de métal sur l’isolant, ce qui peut fournir un faible chemin de conduction et donc affaiblir l’étincelle (augmentant les émissions).
- Les bougies sont si bon marché par rapport au coût de la main-d’œuvre, l’économie impose le remplacement, en particulier avec les bougies modernes à longue durée de vie.
- Les bougies en iridium et en platine qui ont une durée de vie plus longue que le cuivre sont devenues plus courantes.
Le développement d’électrodes haute température en métaux nobles (utilisant des métaux tels que l’yttrium, l’iridium, le tungstène ou le palladium, ainsi que le platine, l’argent ou l’or, de valeur relativement élevée) permet d’utiliser un fil central plus petit, dont les bords sont plus tranchants mais qui ne fondra pas ou ne se corrodera pas. Ces matériaux sont utilisés en raison de leur point de fusion élevé et de leur durabilité, et non en raison de leur conductivité électrique (qui n’est pas pertinente en série avec la résistance ou les fils de la fiche). L’électrode plus petite absorbe également moins de chaleur de l’étincelle et de l’énergie initiale de la flamme.
Les bougies d’allumage au polonium ont été commercialisées par Firestone de 1940 à 1953. Alors que la quantité de rayonnement des bougies était minuscule et ne constituait pas une menace pour le consommateur, les avantages de ces bougies ont rapidement diminué après environ un mois en raison de la courte demi-vie du polonium, et parce que l’accumulation sur les conducteurs bloquait le rayonnement qui améliorait les performances du moteur. La prémisse derrière la bougie d’allumage au polonium, ainsi que la bougie prototype au radium d’Alfred Matthew Hubbard qui l’a précédée, était que le rayonnement améliorerait l’ionisation du carburant dans le cylindre et permettrait ainsi à la bougie de s’allumer plus rapidement et plus efficacement.
Electrode latérale (masse, terre)Modification
L’électrode latérale (également connue sous le nom de « bande de masse ») est fabriquée en acier à haute teneur en nickel et est soudée ou forgée à chaud sur le côté de la coque métallique. L’électrode latérale est également très chaude, notamment sur les bouchons de nez projetés. Certaines conceptions ont prévu un noyau de cuivre pour cette électrode, afin d’augmenter la conduction de la chaleur. On peut également utiliser plusieurs électrodes latérales, de manière à ce qu’elles ne chevauchent pas l’électrode centrale. L’électrode de masse peut également se voir ajouter de petites pastilles de platine ou même d’iridium afin d’augmenter sa durée de vie.
Edit de l’écartement des bougies d’allumage
Les bougies d’allumage sont généralement conçues pour avoir un écartement qui peut être ajusté par le technicien qui installe la bougie, en pliant légèrement l’électrode de masse. La même bougie peut être spécifiée pour plusieurs moteurs différents, nécessitant un écartement différent pour chacun. Les bougies d’allumage des automobiles ont généralement un écartement compris entre 0,6 et 1,8 mm (0,024 et 0,071 in). L’écartement peut nécessiter un ajustement par rapport à l’écartement sorti de la boîte.
Une jauge d’écartement de bougie d’allumage est un disque à bord incliné, ou avec des fils ronds de diamètres précis, et est utilisée pour mesurer l’écartement. L’utilisation d’une jauge d’épaisseur avec des lames plates au lieu de fils ronds, comme c’est le cas pour les pointes de distributeur ou le jeu des soupapes, donnera des résultats erronés, en raison de la forme des électrodes de bougie. Les jauges les plus simples sont une collection de clés de différentes épaisseurs qui correspondent aux écartements souhaités et l’écartement est ajusté jusqu’à ce que la clé s’adapte parfaitement. Avec la technologie actuelle des moteurs, qui intègre universellement les systèmes d’allumage à semi-conducteurs et l’injection de carburant informatisée, les écartements utilisés sont en moyenne plus grands qu’à l’époque des carburateurs et des distributeurs à pointe de rupture, à tel point que les jauges de bougies d’allumage de cette époque ne peuvent pas toujours mesurer les écartements requis pour les voitures actuelles. Les véhicules utilisant du gaz naturel comprimé nécessitent généralement des écartements plus étroits que les véhicules utilisant de l’essence.
Le réglage de l’écartement peut être crucial pour le bon fonctionnement du moteur. Un écartement étroit peut donner une étincelle trop petite et trop faible pour enflammer efficacement le mélange carburant-air, mais la bougie s’allumera presque toujours à chaque cycle. Un écartement trop large peut empêcher l’étincelle de jaillir ou provoquer des ratés à haute vitesse, mais l’étincelle sera généralement puissante pour une combustion propre. Une étincelle qui ne parvient pas par intermittence à enflammer le mélange air-carburant peut ne pas être perceptible directement, mais se manifestera par une réduction de la puissance et du rendement énergétique du moteur.
Variations de la conception de baseEdit
Au fil des ans, des variations de la conception de base de la bougie d’allumage ont tenté de fournir soit un meilleur allumage, une durée de vie plus longue, ou les deux. Ces variations comprennent l’utilisation de deux, trois ou quatre électrodes de masse également espacées entourant l’électrode centrale. D’autres variantes comprennent l’utilisation d’une électrode centrale en retrait entourée par le filetage de la bougie, qui devient effectivement l’électrode de masse (voir « bougie à décharge de surface », ci-dessous). Il existe également l’utilisation d’une encoche en forme de V à l’extrémité de l’électrode de masse. Les électrodes de masse multiples offrent généralement une durée de vie plus longue, car lorsque l’écartement des étincelles s’élargit en raison de l’usure de la décharge électrique, l’étincelle se déplace vers une autre électrode de masse plus proche. L’inconvénient des électrodes de masse multiples est qu’un effet d’écran peut se produire dans la chambre de combustion du moteur, inhibant la face de la flamme lorsque le mélange air-carburant brûle. Cela peut entraîner une combustion moins efficace et une augmentation de la consommation de carburant. Elles sont également difficiles ou presque impossibles à ajuster à une autre taille d’écartement uniforme.
La bougie d’allumage à décharge de surfaceEdit
Un moteur à piston a une partie de la chambre de combustion qui est toujours hors de portée du piston ; et cette zone est l’endroit où se trouve la bougie d’allumage conventionnelle. Un moteur Wankel a une zone de combustion qui varie en permanence ; et la bougie d’allumage est inévitablement balayée par les joints d’extrémité. Il est clair que si une bougie d’allumage faisait saillie dans la chambre de combustion du Wankel, elle encrasserait l’embout rotatif ; et si la bougie était encastrée pour éviter cela, l’étincelle enfoncée pourrait entraîner une mauvaise combustion. Un nouveau type de bougie à « décharge de surface » a donc été développé pour le Wankel. Une telle bougie présente une face presque plate à la chambre de combustion. Une électrode centrale courte ne dépasse que très légèrement et le corps entier de la bougie, mis à la terre, sert d’électrode latérale. L’avantage est que la bougie se trouve juste en dessous du joint d’extrémité qui la recouvre, ce qui permet à l’étincelle d’atteindre le mélange air-carburant. L’écartement de la bougie reste constant pendant toute sa durée de vie et le trajet de l’étincelle varie continuellement (au lieu de passer du centre à l’électrode latérale comme dans une bougie classique). Alors qu’une électrode latérale classique peut (rarement, il est vrai) se détacher en cours d’utilisation et potentiellement endommager le moteur, cela est impossible avec une bougie à décharge de surface, car il n’y a rien à casser. Les bougies à décharge de surface ont été produites notamment par Denso, NGK, Champion et Bosch.
Scellage à la culasseEdit
La plupart des bougies d’allumage assurent l’étanchéité de la culasse à l’aide d’une rondelle métallique creuse ou pliée à usage unique qui est légèrement écrasée entre la surface plane de la culasse et celle de la bougie, juste au-dessus des filets. Certaines bougies d’allumage ont un siège conique qui n’utilise pas de rondelle. Le couple de serrage pour l’installation de ces bougies est censé être inférieur à celui d’une bougie à siège conique avec rondelle. Les bougies d’allumage à siège conique ne doivent jamais être installées dans des véhicules dont la culasse nécessite des rondelles, et vice versa. Sinon, il en résulterait une mauvaise étanchéité ou une portée incorrecte en raison d’un filetage qui ne s’insère pas correctement dans les têtes.
Projection de l’emboutEdit
La longueur de la partie filetée du bouchon doit être étroitement adaptée à l’épaisseur de la culasse. Si un bouchon s’étend trop loin dans la chambre de combustion, il peut être heurté par le piston et endommager le moteur de façon interne. De manière moins dramatique, si les filets de la bougie s’étendent dans la chambre de combustion, les arêtes vives des filets agissent comme des sources ponctuelles de chaleur qui peuvent provoquer un pré-allumage ; en outre, les dépôts qui se forment entre les filets exposés peuvent rendre difficile le retrait des bougies, voire endommager les filets des têtes en aluminium au cours du processus de retrait.
La saillie de la pointe dans la chambre affecte également les performances de la bougie, cependant ; plus l’éclateur est situé au centre, généralement, meilleure sera l’inflammation du mélange air-carburant, bien que les experts estiment que le processus est plus complexe et dépend de la forme de la chambre de combustion. D’autre part, si un moteur « brûle de l’huile », l’excès d’huile qui s’écoule dans la chambre de combustion a tendance à encrasser l’extrémité de la bougie et à inhiber l’étincelle ; dans de tels cas, une bougie dont la saillie est inférieure à celle que le moteur exigerait normalement recueille souvent moins d’encrassement et fonctionne mieux, plus longtemps. Des adaptateurs spéciaux « anti-salissures » sont vendus, qui s’insèrent entre la bougie et la culasse pour réduire la saillie de la bougie, justement pour cette raison, sur les moteurs plus anciens ayant de graves problèmes de combustion d’huile ; cela entraînera une moindre efficacité de l’allumage du mélange air-carburant, mais dans ces cas, cela a une moindre importance.