Brevet FR2441738A1 — publié le 19800613

La présente invention se rapporte à un dispositif d'allumage pour une quantité de carburant chimiquement réactif se trouvant dans une chambre de combustion, en particulier à un dispositif d'allumage à répétition pour carburants liquides. Dans les dispositifs d'allumage connus pour mélanges gazeux explosifs ou mélanges liquides inflammables en vue de l'amorçage d'un processus de combustion continue, d'une explosion unique ou pour l'allumage à répétition de quantités de carburant injectées périodiquement dans la chambre de combustion, au moyen d'une étincelle d'allumage haute tension (par exemple dans les moteurs à essence) tout au moins une partie du dispositif d'allumage est placée à l'intérieur de la chambre de combustion et directement exposée aux effets chimiques, thermiques et de pression de la réaction du carburant, ce qui, en particulier lors de l'allumage de carburants très énergétiques dont la décomposition chimique du type explosif engendre des températures et des pressions très élevées, provoque lten- dommagement ou la destruction à brève échéance des dispositifs d'allumage à l'intérieur de la chambre de combustion, de sorte que l'ensemble du dispositif d'allumage se trouve dans l'incapacité de fonctionner. La présente invention a par conséquent pour objet de réaliser un dispositif d'allumage du type précité qui ne nécessite aucun élément ou composant installé à l'intérieur de la chambre de combustion et qui, sans endommagement ou destruction, garantit un allumage sûr et en particulier à répétion rapide, même de carburants très énergétiques. Ce résultat est atteint selon l'invention au moyen d'un dispositif d'allumage qui est caractérisé par le fait qu'à partir d'une source de rayonnement disposée à l'extérieur de la chambre de combustion, on envoie dans cette dernière une impulsion de rayonnement déclenchant la réaction du carburant et concentrée sur une région focale située à l'intérieur de la chambre de combustion, cette impulsion ayant des caractéristiques de rayonnement accordées au degré d'absorption du carburant. Dans le dispositif allumage selon l'invention, on amène l'énergie d'allumage à l'intérieur de la chambre de combustion par simple rayonnement et par l'absorption du rayonnement dans le carburant, on produit localement une densité d'énergie si élevée que la réaction du carburant s'y amorce avec la particularité suivante que par un choix judicieux des caractéristiques, donc de la nature et de la longueur d'onde du rayonnement, on obtient,en tenant compte de la capacité d'absorption du carburant et par la concentration de l'impulsion de rayonnement, un maximum distinct pour l'intensité de rayonnement absorbée par le carburant dans ou à proximité de la région focale.Du fait de ce mécanisme de fonctionnement spécial, l'allumage est amorcé à partir d'une zone partielle ponctuelle se trouvant à l'intérieur du carburant lui-meme et non pas à partir d'un corps étranger ou de la paroi de la chambre de combustion, et à cet effet, il suffit d'une impulsion de rayonnement relativement faible qui, lors de sa pénétration dans la chambre de combustion, a une intensité de rayonnement (encore) faible, si bien que la puissance de rayonnement en résultant est réduite dans cette zone d'entrée. Pour obtenir un maximum nettement défini de la densité d'énergie absorbée à l'intérieur du carburant, les caractéristiques du rayonnement sont, selon la nature du carburant à allumer, avantageusement choisies de façon qu'il se produise une absorption moyennement forte à faible du rayonnement dans le carburant.Comme l'intensité du rayonnement, comme déjà mentionné, est relativement faible dans la zone d'entrée du rayon, l'impulsion de rayonnement est de préférence irradiée par l'intermédiaire d'une section de parois, perméable au rayonnement, de la chambre de combustion et le dispositif de focalisation est disposé dans la zqne de la paroi de la chambre de combustion, ce qui, également pour des chambres de combustion non fermées de tous côtés, par exemple celles avec tuyères de poussée montées en aval, permet d'installer la source de rayonnement au voisinage immédiat de la chambre de combustion et ce, sans mesure de précautions particulières. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, pour l'allumage, on utilise des impulsions ondulatoires électromagnétiques, en particulier des impulsions laser dont la longueur d'onde est accordée au degré d'absorption du carburant. Ainsi pour le nitrate d'isopropyle ou un carburant ou combustible liquide ayant un degré d'absorption identique, on utiliseavantageusement, comme source de rayonnement, un laser à rubis doublé pour obtenir une absorption moyennement forte du rayonnement dans le carburant et par conséquent un maximum nettement accusé de l'intensité du rayonnement absorbé par le carburant dans la zone de la région focale.En pareil cas, il est recommandé de réaliser de construction simple la section traversée par le rayon de la paroi et de la façonner en même temps en forme de lentille convergente, dont l'indice de réfraction se situe avantageusement au voisinage de celui du carburant de façon que l'effet de focalisation provoqué par la lentille convergente soit sensiblement indépendant de la forme de la surface interne, côté chambre de combustion, de la lentille, ce qui peut être exploité pour renforcer l'ef- fet d'allumage par le fait que les ondes de pression partant du point d'amorçage sont reflétées par la surface interne de la lentille vers la zone d'allumage où, en plus de la grande intensité de rayonnement, il s'opère également une forte concentration de pression (un ventre d'amplitude de pression).Comme pour un degré d'absorption du carburant qui est moyennement fort vis-a-vis du rayonnement choisi, le maximum d'intensité du rayonnement absorbé et, par conséquent également le point d'amorçage se situent dans le sens du rayon, légèrement en amont de la région focale, la surface interne de la lentille a de préférence également un centre de courbure décalé en conséquence par rapport à la région focale. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'allumage selon l'invention; la figure 2 est un diagramme représentant l'intensité du rayonnement absorbé par le carburant en fonction de la profondeur de pénétration x pour quatre coefficients d'absorption différents du carburant. Le dispositif représenté sur la figure 1 sert à allumer un carburant ou combustible 4, par exemple du nitrate d'isopropyle, se trouvant dans une chambre de combustion 2, et contient une source de raypnnement sous la forme d'un dispositif laser 6 dont la substanèe active 8, par exemple un rubis, reçoit de l'énergie à partir d'une 'source de pompage optique 10. De ce fait, il se produit à l'intérieur du résonateur optique formé par les miroirs 12, 14 'une oscillation laser intensive et l'impulsion de rayonnement sort par le miroir 14. Une optique d'élargissement 16 produit un faisceau de rayons divergents. Ce faisceau est, par un dispositif de focalisation en forme de lentille convergente 18 formée par du quartz pur très résistant, concentré sur une région focale F, située à l'intérieur de la chambre de combustion 2.La lentille convergente 18 forme la partie traversée par le rayon de la paroi de la chambre de combustion et est, par un ajustement serré conique, inséré dans une douille 20 qui est vissée sur la chambre de combustion 2. Sur l'optique d'élargissement:16 et la face externe de la lentille convergente 18, sont appliqués de façon usuelle des revêtements antireflets 22 et 24. Comme l'indice de réfraction du quartz est en général très voisin de celui des carburants liquides, l'effet de focalisation de la lentille convergente 18 est sensiblement indépendant de la forme de sa surface interne 26 et celle-ci est meulée sphérique avec un centre de courbure M, la position de ce centre de courbure M par rapport à la région focale F étant choisie de façon que l'intensité du rayonnement absorbée par le carburant atteigne un maximum au centre de courbure M comme cela est expliqué ci-dessous.La zone d'amorçage de la réaction du carburant se situe donc au niveau du centre de courbure M, si bien que les ondes de pression qui en émanent sont, par la surface interne sphérique 26 de la lentille, à nouveau reflétées vers le centre de courbure M, où il se produit, en plus de la grande intensité de rayonnement, une concen tration de pression et par conséquent une amplification automatique de l'effet d'allumage provoqué par l'impulsion laser. Lors de l'analyse théorique et expérimentale, il s'est révélé que, pour un faisceau de rayons de sus dans un liquide absorbant optiquement homogène, la répartition locale, en première approximation, de la puissance de rayonnement p absorbée par le liquide en fonction de la profondeur de pénétration x d'un faisceau laser focalisé, pouvait s'écrire: formule dans laquelle J0 est l'intensité initiale au point x égale 0, et g la divergence du rayon. eion ie coerricient a aDsorptlon aetermlne par le carburant et la position, pouvant être modifiée par la conception de la lentille convergente 18, de la région focale F, on obtient les courbes représentées sur la figure 2 pour l'intensité J de la composante du rayonnement absorbée par le carburant liquide, rapportée à l'intensité initiale J0. En cas d'absorption très élevée, la loi de Beer s'applique sous sa forme presque intégrale comme l'indique la courbe I de la figure 2. Si le carburant liquide a un degré d'absorption plus faible (courbe II), la courbe de l'intensité jusqu'à la région focale n'est que très faiblement inclinée et retombe brusquement aux profondeurs de pénétration plus élevées x. Pour des valeurs d'absorption encore plus faibles du carburant liquide, par exemple à la limite inférieure de la zone d'absorption moyenne, on obtient par contre (courbe III), peu avant la région focale F, un maximum très raide P pour l'intensité de rayonnement absorbée. En cas de très faible absorption (courbe IV) l'énergie absorbée est faible partout, mais présente néanmoins un maximum distinct également dans la zone de la région focale. Comme le degré d'absorption du combustible est fonction de la longueur d'onde) la longueur d'onde de l'impulsion laser peut être établie de façon que, selon la courbe III, le maximum d'intensité souhaitée P et par conséquent une montée raide de température dans le carburant soient atteints dans une zone étroitement limitée à proximité de la région focale F.Comme cette zone qui représente le point d'amorçage de la réaction du carburant se situe, selon la courbe III, un peu devant le point focal F et que c'est là que se produisent les amplitudes de pression maximales, le centre de courbure M est également placé un peu devant la région focale F afin que la réfection des ondes de pression, provoquée par la configuration sphérique de la surface interne 26 de la lentille 18 et éventuellement d'autres sections de paroi de la chambre de combustion 2, soit également concentrée sur le point d'amor çage et amplifie l'action d'allumage de l'impulsion laser. Pour le nitrate d'isopropyle ou les carburants liquides ayant une capacité d'absorption identique, on obtient la courbe d'intensité recherchée selon la courbe III si la longueur d'onde de l'impulsion laser est égale à la double longueur d'onde de travail d'un cristal à rubis. C'est pour cette raison qu'entre les miroirs 12, 14 du résonateur, on a placé un élément optique non linéaire 28 pour doubler la fréquence laser, si bien que l'impulsion laser sort avec une longueur d'onde doublée par le miroir 14 du résonateur. Le dispositif d'allumage décrit peut toutefois être utilisé même dans les cas qui ne présentent aucun maximum d'intensité aussi élevé que celui représenté sur la courbe III. En cas de très grandes intensités laser, l'intensité du champ peut en effet, même dans le cas IV, devenir suffisamment grande dans la région focale F pour que le carburant liquide modifie ses caractéristiques optiques et absorbe subitement très vite. En raison de cet effet particulier, il se produit également dans ces cas une montée raide et localement limitée de l'intensité et par conséquent de la température dans le carburant, de sorte qu'assurément dans le cas IV, le point d'amorçage de la réaction du combustible et par conséquent également le centre de courbure M se situent dans la région focale F de la lentille convergente 18. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage pour une quantité de carburant chimiquement réactif se trouvant dans une chambre de combustion, en particulier dispositif d'allumage à répétition pour carburants liquides, caractérisé par le fait qu'à partir d'une source de rayonnement 6 disposée à l'extérieur de la chambre de combustion 2, on envoie dans cette dernière une impulsion de rayonnement déclenchant la réaction du carburant et concentrée sur une région focale F à l'intérieur de la chambre de combustion, cette impulsion ayant des caractéristiques de rayonnement accordées au degré d'absorption du carburant. 2. Dispositif d'allumage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les caractéristiques du rayonnement sont accordés à une absorption de rayonnement moyennement forte à faible dans le carburant. 3. Dispositif d'allumage selon la revendication 1 ou 2,caractérisé par le fait que l'impulsion de rayonnement est envoyée par une section de paroi de la chambre de combustion 2 avec une intensité de rayonnement relativement fable et que le dispositif 18 provoquant la focalisation est installé dans la zone de la paroi de la chambre de combustion. 4. Dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'impulsion de rayonnement est une impulsion ondulatoire électromagnétique ayant une longueur d'onde accordée au degré d'absorption du carburant. 5. Dispositif d'allumage selon la revendication 4, caractérise par le fait que l'impulsion de rayonnement est une impulsion laser. 6. Dispositif d'allumage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que pour du nitrate d'isopropyle ou un carburant liquide ayant un degré d'absorption identique, le laser 6 est un laser à rubis comportant un élément optique 28 pour doubler la longueur d'onde laser. 7. Dispositif d'allumage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que -la section de paroi, traversée par le rayon, de la chambre de combustion 2 est réalisée sous la forme d'une lentille convergente 18 pour la focalisation de l'impulsion de rayonnement. 8. Dispositif d'allumage selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la lentille convergente 18 présente à peu près le même indice de réfraction que le carburant. 9. Dispositif d'allumage selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la lentille convergente 18 sur sa paroi interne 26 est meulée concave en forme de sphère partielle de façon centrale par rapport à la région focale F. 10. Dispositif d'allumage selon les revendications 9 et 2, caractérisé par le fait que le centre de courbure M de la paroi interne 26 de la lentille convergente 18 est pta- cé légèrement devant la région focale F.