Brevet FR2347803A1 — publié le 19771104

L'invention concerne un procédé d'agrandissement de létincelle d'une bougie d'allumage pour moteurs à combustion interne. On s'efforce depuis peu de faire fonctionner les moteurs utilisant le cycle Otto avec le plus grand excès d'air possible pour obtenir une combustion plus complète de carbu rant et rendre de ce irait les gaz d'échappement moins nocifs, On sait que le rapport théorique carburant-air pour lequel un mélange essence-air totalement en phase gazeuse et présentant une parfaite homogénéité pourrait encore s'enflammer, ne peut etre réalisé sur le plan pratique du fait surtout de la non-homogenéité du mélange introduit dans la chambre de combustion.On ne peut en effet, en particulier, réduire sans limite la teneur en carburant d'un mélange0 Lorsou'un mélange air-carburant très pauvre est utilisé dans un moteur, il arrive souvent qu'au moment où se produit l'étincelle d'allumage, il se trouve au voisinage immédiat de celle-ci des fractions de volume de chambre contenant un mélange trop pauvre et noninflammable alors quà côté, se situent des fractions de volume contenant un mélange inflammable. es conséquences en sont, indépendamment d'une marche irrégulière du moteur, des ratés d'allumage ainsi que l'augmentation de consommation et 1 'aug- mentation de la toxicité des gaz d'échappement qui leur sont liées, ceci bien que le rapport théorique air-carburant et avec lui la limite théorique des conditions d'allumage demeurent encore loin, avec le mélange pauvre précité, d'avoir été atteints. Pour obtenir avant tout une diminution ae l'émission d'oxyde nitrique en même temps qu'un taux réduit de CO et de GH dans ies gaz d'échappement et une consommation en carburant favorable, on s'effcrce cependant de façon incessante de rendre e moteurs propres à utiliser sans perdre leur fiabilité des mlanges air-carburant pauvres, c'est-à-dire de repousser la limite des ratées d'allumage vers les rapports air-carburant plus élevas.Dans cet ordre a'iaées, on a tenté d'améliorer par certaines eesutes, mais avec des succès divers, les systèmes d'allumage et plus particulièrement les bougies d'allumage. Mentionnons par exemple les systèmes d'allumage de grande puissance fournissant un courant d'allumage élevé et avec lesquels la durée de l'étincelle est plus longue, les systèmes d'allumage à multiétincelles comportant soit plusieurs bougies d'allumage (brevet DT-AS 2 312 948), soit l'émission par cycle d'allumage de plusieurs étincelles se suivant à intervalles très rapprochés, enfin les systèmes d'allumage à très haute tension et à distance entre électrodes agrandies et les systèmes d'allumage par flamme. Un point commun aux nombreuses mesures déjà introduites est l'espacement dans l'espace et/ou dans le temps de l'étincelle devant provoquer l'allumage du mélange. En ayant recours à cette mesure, on augmente la probabilité, même pour les mélanges pauvres non homogènes, qu'à chaque étincelle, meme composée de plusieurs étincelles individuelles, une quel- conque fraction inflammable du mélange soit allumée, à partir de laquelle puisse s'effectuer l'inflammation de la totalité du mélange existant dans la chambre de combustion. Sur une installation multiétincelles et lorsque la distance entre électrodes est agrandie, ce point technique est particulièrement évident. Un inconvénient des dispositifs d'allumage connus qui viennent d'être mentionnés est qu'une efficacité réelle ne peut être obtenus qu'en consentant des frais relativement élevés pouvant à peine entre acceptés au niveau de la diffusion comner ciale. L'objet de l'invention est d'améliorer les conditions d'allumage pour les mélanges particulièrement pauvres et de faire en sorte que ceux-ci soient enflammés avec des moyens techniques moins onéreux. L'invention résoud ce problème en prévoyant que l'étincelle se déploie au moins partiellement, sous l'action d' un champ magnétique agissant perpendiculairement à l'axe de l'éclateur, dans le sens perpendiculaire aux- lignes de forces du champ magnétique, et de préférence se déploie en ventail à la manière d'un voile. L'idée génrale de l'invention est 2'rnlr au moyen d'un champ mage tique l'allonOe2enQ dans l'espace de chaque étincelle, notamment dans le sens perpendiculaire au sens de déplacement des porteurs de charge dans l'étincelle et, indirectement et bien que dans des proportions limitées, d'augmenter la durée de déploiement de chaque étincelle. Les lignes de force du champ magnétique doivent former l'angle le plus grand possible avec les vecteurs de vitesse des porteurs de charge dans l'étincelle0 L'effet maximal est atteint lorsque les lignes de force du champ et les vecteurs de vitesse sont perpendiculaires.La force agissante est la force dite de Lorentz, que représente le produit vectoriel du vecteur vitesse et du vecteur densité du flux magnétique~. Dans l'étincelle électrique, les porteurs de charge sont pour l'essentiel des électrons et des ions positifs de divers degrés d1ionisation0 La vitesse des porteurs de charge est très différente suivant les diverses particules et, de plus, les représentants appartenant au même groupe de particules, les électrons par exemple, sont animés dtune vitesse nonhomogène en raison des différents phénomènes de chocs ayant lieu dans le plasma de l'étincelle. On est donc en présence de tout un spectre de vitesses Pour la raison qui vient d'être évoquée, les divers porteurs de charge sont soumis dans le champ magnétique à des forces de déviation différentes. Les particules se déplaçant à grande vitesse ne sont que légèrement déviées et suivent pratiquement des mêmes trajectoires qu'en l'absence de champ magnétique. Les particules lentes se déplacent par contre sur des trajectoires circulaires à petit rayon de courbure, un mouvement de translation se combinant d'ailleurs au mouvement circulaire du fait de l'action simultanée du champ électrique. Le fin canal de décharge s'ouvre alors pour former un "rideau". Avec des intensités de champ suffisamment élevées, on obtient de plus que le rideau soit "pressé" dans les zones où lXinter- valle entre électrode est plus grand, c'est-à-dire qu'une partie des porteurs de charge ne se déplacent plus sur la traåec- toire la plus courte d'une électrode à l'autre, mais sur des trajectoires courbes, le rideau devenant de ce fait un peu plus long. Tous les effets qui viennent d'être exposés conduisent à un élargissement très sensible de itétincelle à l'intérieur du mélange à enflammer, de sorte que même avec un mé- lange pauvre, les chances d'obtenir un allumage sûr croissent nettement. Indépendamment du genre de dispositif d'allumage utilisé, la probabilité d'obtenir un allumage sûr est beaucoup plus élevée lorsqu'un champ magnétique se combine de façon précise à l'étincelle.La bougie magnétique d'allumage proposée peut donc apporter une importante contribution à l'utilisation des mélanges pauvres, car elle permet l'appauvrissement du mélange air-carburant, donc une réduction du C02, et surtout une réduction des oxydes nitriques pour des caractéristiques d'hydrocarbures et de consommation pouvant être sensiblement meilleures0 La dépense à consentir pour la fabrication de l'aimant est relativement minime comparée aux prix de revient des autres procédés d'allumage évoqués plus haut, L'efficacité du champ magnétique ne dépend évidemment pas de la façon dont il est produit. On peut donc produire le champ par des bobines ou utiliser des aimants permanents.Il importe simplement de sélectionner des matériaux à utiliser du fait qu'ils doivent être soumis aux températures élevées régnant dans la culasse et dans la bougie0 Lorsque les aimants permanents sont utilisés, le matériau doit présenter un point de Curie suffisamment haut. Pour obtenir dans la zone de l'étIncelle le champ magnétique le plus élevé possible, les pales magnétiques doi- vent être rapprochés le plus possible. On doit par ailleurs veiller que dans la mesure du possible l'étincelle ne jaillisse pas sur un pôle, car l'efficacité du champ baisserait rapidement. Naturellement, dans certains cas où une dépense un peu plus élevée peut être consentie, le procédé d'allumage conforme à l'invention est combinable à un procédé déjà.connu, par exemple à un procédé d'allumage à multi-étincelles. Sur le plan du matériel à utiliser, l'invention pr- voit un système d'allumage par étincelle électrique des charges pratiquement gazeuses des chambres de combustion, système comportant d'une part une paire d'électrodes faisant saillie à l'intérieur de la cambre de combustion, électriauement isolée et constituant un dateur, d'autre part un dispositif envoyant aux électrodes des impulsions à haute tension. L'invention réalise ce système d'allumage en prévoyant la mise en place au voisinage des électrodes d'une paire de pales magnétiQues produisant un champ magnétique dont les lignes de forces soient perpendiculaires à l'axe de l'éclateur. Pour que l'Utincelle se déploie en éventail le plus largeze t possible et s'étende sur la plus grande zone possible de charges au voisinage des électrodes, il est utile que les extrémités des électrodes s'élargissent dans le sens per pendiculaire aux lignes de force du champ magnC-tique. Pour obtenir à chaque cycle d'allumage le même déploiement en éventail de la flamme, il est avantageux que la distance séparant les deux surfaces d'électrodes se faisant face s'élargisse perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique et dans la direction où se déploie l'étincelle, et de préférence vers la gauche (en regardant du pôle magnétique Sud vers le pôle magnétique Nord). Le début de la décharge a lieu alors à l'endroit correspondant à la distance minimale entre les électrodes ; l'ouverture en éventail peut ainsi s' ef- fectuer en direction de la zone où l'écartement des deux électrodes est le plus grand.On est ainsi assuré de ce que dans le sens où agit la force de Lorentz, se trouvent toujours des zones d'électrodes qui n'ont pas encore Ctê atteintes par 11 étincelle d'allumage et vers lesquelles le "r;ideau'!-peut s'étendre. Si le jaillissement primaire (avec des électrodes parallèles par exemple) se produisait fortuitement sur le bord d'électrode vers lequel est dirigé le vecteur-force magnétique, l'action au champ durant ce cycle d'allumage serait relativement réduite, car la décharge gazeuse serait repoussée dans une zone dans laquelle il n'y aurait plus d'électrodes et dans laquelle l'étincelle ne pourrait se produire correctement.Avec des électrodes parfaive ent parallèles, ce cas serait susceptible de se procure souvent, car le jaillissement primaire se répartirait sur toute la surface (phénomène dit de danse de 1 'étincelle). Rabitucliement, est prévue canes les systmes d'allumage du type pris pour base, une rouie dont une électrode est raccordée à un manchon fileté métallique et l'autre montée dans un isolant logé à l'intérieur du manchon fileté creux, cette seconde électrode étant concentrique à l'isolant. Avec ce type de bougie, l'idée générale de l'invention peut être réalisée en prévoyant que le manchon fileté soit fabriqué dans un matériau non ou peu magnétique et que les deuxp31es magnétiques soient glissés de l'extérieur entre l'isolant et la paroi interne du manchon fileté dans la zone des électrodes.Selon une conception débouchant vers une construction simple, les pôles magnétiques peuvent constituer les deux pièces d'un élément permanent fabriqué dans un matériau dont le point de Curie se situe au-dessus de la température maximale de fonctionnement de la bougie d'allumage. Lorsque l'on désire un champ magnétique particulièrement fort ou lorsque les températures de service dépassent les points de Curie maxi, des électro-aimants peuvent également être utilisés~O Dans ce qui suit, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide de différents exemples d'exécution illustrés par des figures.Celles-ci représentent : - Figure a : la disposition des électrodes et du pôle magnétique adoptée par l'invention pour agrandir une flamme d'allumage. - Figure 2 : la disposition d'une bougie d'allumage conforme à l'invention dans un moteur à combustion interne. - Figure 3 : un exemple d'exécution d'une bougie d'allumage à électro-aimant conforme à l'invention. - Figure 4 : une coupe de la bougie représentée à la figure 3, coupe faite dans le plan IV-IVo - Figure 5, un autre exemple d'exécution d'une bougie d'allumage à aimant permanent conforme à l'invention. Le moteur partiellement représenté en coupe à la fi- gure 2, présente un bloc cylindres 2 dont on aperçoit un fût de cylindre 1, un piston 3, la culasse 4 ainsi qu'une chambre de combustion 5, un canal d'admission 7, une soupape 9'admission 6 et une bougie d'allumage 8.Le système d'allumage comporte une batterie 9, un contacteur d'allumage 10 qui est dans sa position ferme lorsque le moteur tourne, un rupteur 12 actionné par une came Il ainsi qu'une bobine d'allumage 13 fonctionnant comme trarsformateur. Les impulsions électriques à haute tension produites à intervalles réguliers par la bobine sont srar.smises à l'électrode positive 15 qui traverse le manchon isolant 14 de la bougie et à l'électrode de masse 17 et au manchon fileté 16, la transmission s' effectuant aux périodes où doit jaillir l'étincelle allumant la charge de la chambre ae combustion.Les électrodes, qui sont placées à une distance détermine l'une de l'autre, constituent un éclateur 15/17. Perpendiculairement à l'axe de cet éclateur 15/17, est appliqué un champ magnétique produit entre deux piles 18 et 19 disposés dans la zone des électrodes. Du fait de la disposition réciproque de l'éclateur du champ magnétique, chaque particule de charge de l'étincelle est soumise à une force dite force de Lorentz égale au produit vectoriel de la vitesse de cette particule par la densité de flux magnétique. Cette force est à la fois perpendiculaire à la direction du courant et à celle du flux magnétique, laquelle obéit à la règle dite des trois doigts de la main droite : l'index matérialisant la direction du vecteur porteur de charge positive (donc la direction du courant électrique dans l'étincelle), le majeur la direction Nord-Sud des lignes du champ magnétique, le pouce symbolise le produit vectoriel des deux grandeurs précit-es, c'est-à-dire la direction de la force de Lorentz0 Sur la figure 1, le vecteur courant 20 est dirigé de l'électrode positive (15) à l'électrode négative (17) et le vecteur du champ magnétique Nord-ud 21 est orienté de gauche a droite. Le jaillissemet primaire de l'étincelle, d'abord en forme de jet, se déploie ensuite d'arrière en avant à la manière d'un éventail pendant la durée de la décharge pour former un rideau 23. Le vecteur-produit correspondant à la force de Lorents porte le repère 22. Pour que l'étIncelle d'allumage puisse s 1étaler le plus largement possible, les surfaces des électrodes se faisant face ont été élargies perpendiculairement à la direction 21 du champ magnétique (surfaces 15a et 17a)0 Ces deux surfaces d'électrodes ccnvergent l'une vers l'autre dans le sens opposé à la direction 22 dans laquelle s'exerce la force de Lorentz. L'étincelle initiale, qui jaillit toujours dans la zone où la distance entre électrodes est minimale, se produit, du fait de cette inclinaison réciproque des surfaces d'électrodes, à celle des extrémités d'électrodes située dans le sens opposé à celui de la force de Lorentz. Sur un exemple d'exécution d'une bougie d'allumage conforme à l'invention (figures 3 et 4), les deux pôles magnétiques 18 et 19 traversent la bougie entre l'isolant et le manchon fileté pour venir faire saillie à l'extérieur. Pour éviter un court-circuit magnétique, le manchon fileté est fabriqué en acier allié non-magnétique. L'isolant présente les évidements nécessaires au passage des pôles magnétiques (figure 4). La partie supérieure de la figure 3 représente des pièces décalées de 900 par rapport à la partie inférieure. Dans leur portion située hors du manchon fileté, les pôles magnétiques sont coudes et élargis et raccordés au noyau 24 d'une bobine d'excitation 25 équipée de bornes 26 et alimentée en courant continu. La bobine d'excitation pose certains problèmes quant à son installation, d'autant plus que dans la zone des bougies d'allumage, la place pouvant être réservée au montage d'autres composants est généralement très réduite0 Par ailleurs, l'emploi d'une bobine d'excitation empêche généralement l'utilisa- tion pour le montage et le démontage des bougies d'une clé à tube. Ces inconvénients peuvent être évités par l'emploi d'une bougie d'allumage équipée d'un aimant permanent, comme le montre l'exemple d'exécution représenté à la figure 5. Les deux pôles magnétiques 18 et 19 sont ici constitues par deux aimants permanents 18a et 18b de conformation spéciale disposés symétriquement ltun par rapport à l'autre. L'aimant 1Oa présente un pôle Sud '8 et un pôle Erord18',cependant que l'aimand î9a présente un pôle Nord 19 et un pôle Sud 19'. Les deux pales opposés 18' et 19' sont élargis et recourbe-s en demi-cercle, entourant ainsi à ac-ni l'isolant.Les deux pôles sont fixés l'un par ra-ort à l'autre par une bague frettée 27. Le maze au constituant les ainants 18a et 19a est choisi parmi les matériaux ne perdant pas leur capacité magnétique aux températures Intervenant dans la bougie d'allumage. Le champ magnétique produit dans la zone des électrodes e > t suffisant pour provoquer un déploiement d'étincelle les conforme a l'invention lorsqu'il atteint 0,3 tesla. C'est avec cette valeur auront té réalisés par la société demande- resse les premiers essais positifs. Les pâles magn--tiques peuvent aussi être incorporés a la culasse qui, la plupart du temps, est fabriquée en aluminium (par exemple par moulage) ; ce matériau non magnétique élimine les dangers d'un court-circuit. De plus, le niveau de temprature des aimants de cette catégorie est moins élevé que lorsqulils sont montés à l'intérieur des bougies. On pourrait utiliser des bougies d'allunage de type usuel ; la position en rotation convenable de la bougie-d'allumage par rapport aux piles magnétiques peut être obtenue par une bague d'étanchéité de souplesse appropriée. REVEXT.DICAllIOIsS 1) Procédé pour agrandir l'étincelle d'une bougie d'allumage pour moteurs à combustion interne, caractérisé par le fait que l'étincelle subit, de par la présence d'un champ magnétique agissant perpendiculairement à l'axe de l'clateur, un déploiement au moins partiel perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique et perpendiculairement à l'axe de 1' éclateur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étincelle s'ouvre en éventail à la manière d'un voile. 3) Système d'allumage par étincelle électrique des charges pratiquement gazeuses des chambres de combustion, comportant d'une part une paire d'électrodes faisant saillie à l'intérieur de la chambre de combustion, électriquement isolées l'une de l'autre et constituant un éclateur, d'autre part un dispositif envoyant aux électrodes des impulsions à haute tension, système pouvant en particulier utiliser le procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que dans la zone des électrodes (15, 17), est disposée une paire de pôles magnétiques (18, 19) engendrant un champ magnétique dont les lignes de force sont dirigées perpendiculairement à l'axe de l'éclateur (15, 17). 4) Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux électrodes (15, 17) sont élargies (15a, 17a) au voisinage de leurs extrémités perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique0 5) Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la distance séparant les surfaces d'électrodes (15a, 17a) se faisant face s'élargit perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique et dans la direction (22) dans laquelle se déploie l'étincelle, de préférence ves la gauche (en regardant du pâle magnétique Sud 18 vers le pâle magnétique Nord 19). 6) Système selon l'une des revendications de 3 à 5, comportant au moins une bougie d'allumage dont l'une des électrodes est raccordée à un manchon métallique fileté et l'autre disposée dans un manchon isolant monté à l'intérieur du manchon métallique creux, cette seconde électrode étant concentrique an manchon isolant précité, caractérisé par le fait que le manchon fileté (16) est fabriqué dans un matériau peu ou non magnétique et que les deux pôles magnétiques (18 et 19) sont amenés de l'extérieur dans la zone des électrodes (15, 17) entre l'isolant (14) et la paroi intérieure du manchon fileté (16). 7) Système selon l'une des revendications 3 à 5, comportant au moins une bougie d'allumage dont l'une des électrodes est raccordée à un manchon métallique fileté et l'autre disposée dans un manchon isolant monté à l'intérieur du manchon métallique creux, système utilisé sur un moteur à combustion ou l'élément assurant la fermeture de la chambre de combustion et servant de support à la bougie (la culasse en particulier) est fabriquée à partir d'un matériau non-magnéti aune, un alliage d'aluminium de préférence, caractérisé par le fait que les deux pôles magnrtiques traversent les parois de l'élément assurant la fermeture de la chambre de combustion dans la zone de la bougie d'allumage. 8) Système selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les pâlies magnétiques (18 et 19) font partie d'un aimant permanent (18a et 19a) de préférence en deux parties, aimant fabriqué dans un matériau dont le point de Curie se situe au-aessus de la température de fonctionnement maximale de la bougie d'allumage0 9) Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les pôles magnétiques (18 et 19) pont partie d'un électro-aimant (24, 15).