Le rôle des bougies d'allumage
La bougie d'allumage est un élément essentiel du système d'allumage d'un moteur à essence. Elle permet d'introduire une haute tension dans la chambre de combustion et de provoquer un arc électrique entre les électrodes, générant ainsi une étincelle et enflammant le mélange combustible dans le cylindre. Elle se compose principalement d'un écrou de connexion, d'un isolateur, d'une vis de fixation, d'une électrode centrale, d'électrodes latérales et d'un corps. Les électrodes latérales sont soudées au corps.
La bougie d'allumage, aussi appelée « injecteur », a pour fonction de libérer l'électricité pulsée à haute tension transmise par le fil haute tension (fil d'injection), de percer l'air entre les deux électrodes et de générer une étincelle électrique qui enflamme le mélange air-carburant dans le cylindre. Il existe différents types de bougies : bougies à électrodes saillantes, bougies à corps saillant, bougies à électrodes à siège, bougies à électrodes à face saillante, etc.
Les bougies d'allumage sont installées sur le côté ou le dessus du moteur. Autrefois, elles étaient reliées au distributeur par des câbles d'allumage. Depuis une dizaine d'années, la plupart des moteurs de petites voitures ont été modifiés : la bobine d'allumage est désormais directement connectée à la bougie. La tension de fonctionnement d'une bougie est d'au moins 10 000 V. Cette haute tension est produite par la bobine d'allumage à partir d'un courant de 12 V, puis transmise à la bougie.
Sous l'effet de la haute tension, l'air entre l'électrode centrale et l'électrode latérale de la bougie d'allumage s'ionise rapidement, formant des ions chargés positivement et des électrons libres chargés négativement. Lorsque la tension entre les électrodes atteint une certaine valeur, le nombre d'ions et d'électrons dans le gaz augmente de façon exponentielle, provoquant la perte des propriétés isolantes de l'air. Un canal de décharge se forme alors dans l'espace entre les électrodes, et un phénomène d'« claquage » se produit. À ce moment précis, le gaz forme un corps lumineux : l'étincelle. En se dilatant sous l'effet de la chaleur, elle produit un claquement sec. La température de cette étincelle électrique peut atteindre 2 000 à 3 000 degrés Celsius, ce qui est suffisant pour enflammer le mélange dans la chambre de combustion du cylindre.
Selon leur pouvoir calorifique, on distingue les bougies d'allumage froides et les bougies d'allumage chaudes. Selon les matériaux des électrodes, on trouve notamment les alliages de nickel, d'argent et de platine. Plus précisément, les types de bougies d'allumage se classent comme suit :
Bougie d'allumage quasi-type : sa jupe isolante est légèrement rentrée dans la face d'extrémité du boîtier, et l'électrode latérale se trouve à l'extérieur de cette face. C'est le type le plus répandu.
Bougie d'allumage à corps saillant : la jupe isolante, relativement longue, dépasse du boîtier. Elle présente l'avantage d'une forte absorption de chaleur et d'une bonne résistance à l'encrassement. De plus, elle peut être refroidie directement par l'air d'admission, ce qui abaisse sa température et réduit ainsi le risque d'allumage à chaud. Elle offre donc une large plage de fonctionnement.
Bougies d'allumage à électrodes : Leurs électrodes sont très fines. Elles se caractérisent par des étincelles puissantes, une bonne capacité d'allumage et garantissent un démarrage rapide et fiable du moteur, même par temps froid. Leur large plage thermique leur permet de s'adapter à diverses applications.
Siège de bougie : Son boîtier et son filetage sont de forme conique, ce qui lui permet de maintenir une bonne étanchéité sans joint, réduisant ainsi le volume de la bougie et étant plus avantageux pour la conception du moteur.
Bougies d'allumage polarisées : Elles possèdent généralement deux électrodes latérales ou plus. Leurs avantages résident dans la fiabilité de l'allumage et la faible fréquence de réglage de l'écartement. C'est pourquoi elles sont souvent utilisées dans certains moteurs à essence où les électrodes sont sujettes à l'érosion et où le réglage de l'écartement des bougies est difficilement accessible.
Bougie d'allumage à électrodes frontales : également connue sous le nom de bougie à électrodes frontales, c'est le type de bougie d'allumage le plus froid, et l'écart entre l'électrode centrale et la face d'extrémité du boîtier est concentrique.
Bougies d'allumage de type standard et de type saillant
La bougie d'allumage standard est une bougie à électrode unique dont l'extrémité de la jupe isolante est légèrement plus basse que la face filetée du corps. Elle adopte la structure d'allumage traditionnelle, très répandue sur les moteurs à soupapes latérales. Pour la distinguer du modèle à électrode saillante apparu ultérieurement, cette structure est appelée « modèle standard ».
La bougie d'allumage saillante a été initialement conçue pour les moteurs à soupapes en tête. Sa jupe isolante dépasse de l'extrémité filetée du corps de la bougie et s'étend dans la chambre de combustion. Elle absorbe une quantité importante de chaleur du mélange air-carburant, atteint une température de fonctionnement relativement élevée au régime de combustion et est ainsi protégée des contaminants. À haut régime, la position de la soupape en haut du piston dirige le flux d'air aspiré vers la jupe isolante, contribuant à son refroidissement. De ce fait, la température maximale n'augmente que faiblement, ce qui permet une plage de fonctionnement relativement étendue. Les bougies d'allumage saillantes ne conviennent pas aux moteurs à soupapes latérales, car le conduit d'admission comporte de nombreux coudes et le flux d'air y exerce un faible effet de refroidissement sur la jupe isolante.
Bougies d'allumage à un seul pôle et à plusieurs pôles
La bougie d'allumage traditionnelle à un seul pôle présente un inconvénient majeur : l'électrode latérale recouvre l'électrode centrale. Lors d'une décharge à haute tension entre les deux pôles, le mélange gazeux présent dans l'écartement des électrodes absorbe la chaleur de l'étincelle et s'active par ionisation pour former un noyau d'étincelle. Ce noyau se forme généralement près de l'électrode latérale. Durant cette phase, l'électrode latérale absorbe davantage de chaleur, un phénomène connu sous le nom d'« effet d'extinction de flamme ». Ceci réduit l'énergie de l'étincelle et diminue l'efficacité de l'extinction.
Ainsi, dans les années 1920, les bougies d'allumage tripolaires firent leur apparition. Comparé à l'électrode unique, l'écartement des électrodes multiples est constitué des sections transversales de plusieurs électrodes latérales (perforées en forme de trous ronds) et de la surface cylindrique de l'électrode centrale. Cet écartement latéral élimine l'inconvénient des électrodes latérales qui recouvrent l'électrode centrale, augmente l'« accessibilité » de l'étincelle, son énergie est plus élevée et elle pénètre plus facilement à l'intérieur du cylindre, ce qui contribue à améliorer la combustion du mélange et à réduire les émissions polluantes. Grâce aux multiples électrodes latérales qui offrent de multiples canaux d'étincelle, la durée de vie est prolongée et la fiabilité de l'allumage est renforcée. Il est important de préciser qu'au moment de la décharge, une seule électrode peut produire une étincelle ; il est impossible que plusieurs électrodes produisent une étincelle simultanément. L'observation du processus de décharge par photographie à haute vitesse le confirme.
Les lettres de suffixe (les lettres qui suivent la valeur calorifique) D, J et Q dans les modèles de bougies d'allumage domestiques représentent respectivement les bougies à double pôle, à triple pôle et à quatre pôles.
Bougies d'allumage à électrode en alliage à base de nickel et noyau de cuivre
Les exigences fondamentales pour les électrodes s'étendant dans la chambre de combustion sont la résistance à l'ablation (corrosion électrique et chimique) et une bonne conductivité thermique. Grâce aux progrès de la science des matériaux et des procédés de fabrication, les matériaux d'électrode ont évolué, passant du fer, du nickel, des alliages à base de nickel, des composites nickel-cuivre aux métaux précieux. L'alliage le plus couramment utilisé aujourd'hui est l'alliage à base de nickel. En général, les métaux purs présentent une meilleure conductivité thermique que les alliages, mais ils sont plus sensibles à la corrosion chimique induite par les gaz de combustion et les dépôts solides qu'ils forment. C'est pourquoi les électrodes sont généralement fabriquées à partir de matériaux à base de nickel auxquels on ajoute des éléments tels que le chrome, le manganèse et le silicium. Le chrome améliore la résistance à l'érosion électrique, tandis que le manganèse et le silicium renforcent la résistance à la corrosion chimique, notamment à l'oxyde de soufre, un composé extrêmement dangereux.
Bougies d'allumage de type courant et de type résistif
La bougie d'allumage, en tant que générateur d'étincelles, est une source d'interférences électromagnétiques continues à large bande. Depuis les années 1960, les pays du monde entier ont accéléré le développement des bougies d'allumage résistives afin de réduire les fortes interférences électromagnétiques générées par les étincelles sur le champ radio, de protéger les communications radio et de prévenir les dysfonctionnements des appareils électroniques embarqués. La Chine a également édicté une série de normes nationales obligatoires relatives à la compatibilité électromagnétique, imposant des restrictions strictes sur les caractéristiques d'interférences radio des équipements automobiles entraînés par des moteurs à allumage commandé. De ce fait, la demande en bougies d'allumage résistives a considérablement augmenté. Les bougies d'allumage résistives ne présentent aucune différence structurelle significative par rapport aux bougies classiques ; la seule différence réside dans le fait que le mastic conducteur à l'intérieur du corps isolant est remplacé par un mastic résistif.
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