Brevet FR2531283A1 — publié le 19840203

n L'invention concerne un commutateur d'ionisation à auto-excitation des impulsions d'énergie à haute tension dans un système d'allumage de moteur à carburateur. Des pré-allumeurs d'ionisation utilisés dans le circuit à haute tension du système d'allumage d'un moteur à carburateur sont bien connus depuis le début de ce siècle, comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 992 168 et dans le brevct allemand no 253 594, etc Les solutions décrites dans ces brevets et celles venues jo par la suite ont pour but d'appliquer une tension de rupture élevée à des électrodes de bougies d'allumage La tension de rupture appliquée aux électrodes d'une bougie d'allumage dépend de nombreuses caractéristiques des circuits primaire (bas- se tension) et secondaire (haute tension), telles que le courant de coupure du circuit primaire, le coefficient de transformation de la bobine d'induction, l'inductance de l'enroulement primaire, la capacité des deux circuits et la résistance de shunt des bougies d'allumage. La résistance de shunt est due à des dépÈts se formant sur les isolateurs des bougies d'allumage En raison de leur conductivité électrique, ces dépôts constituent un shunt dans l'entrefer de la bougie, entraînant une perte de courant Cette perte peut être assez élevée pour entraîner une perte totale de la décharge entre les électrodes de la bou- gie d'allumage Certains constituants des dépôts formés sur les bougies d'allumage ne peuvent brûler dans les conditions normales de fonctionnement du moteur Seuls les composés de carbone et les composés organiques peuvent brûler, tandis que les oxydes de métaux lourds ont une telle stabilité chimique qu'aucun "auto-nettoyage" n'est possible La résistance électrique de ces dépôts est élevée à froid, s'étendant entre environ 500 et 10 000 Mfl, mais, une fois chauffés à la température de travail de la bougie d'allu- mage, la résistance peut être 10 000 fois plus faible. Lès interruptions de l'allumage affectent la puissance du mo- teur et la consommation de carburant Selon des données expérimentales, sur un moteur à six cylindres, la défaillance 2. d'une seule bougie d'allumage accroît de 25 % la consomma- tion de carburant Dans le cas o deux bougies d'allumage sont simultanément hors service, la consommation de carbu- rant s'élève d'environ 60 % Les conditions de travail des bougies d'allumage dans le moteur produisent un autre phénomène nuisible, à savoir l'érosion des électrodes des bougies d'allumage due à des décharges en arcs, provoquant un élargissement de l'entrefer des bougies. L'influence des phénomènes précités augmente pen- dant la période de travail de la bougie d'allumage et il arrive un moment o la tension développée par la bobine d'induction et réduite par la perte de courant ne peut pro- voquer une décharge disruptive dans l'intervalle élargi entre les lectrodes de la bou Lgie Cette dernière est alors défaillante. L'énergie demandée pour l'allumage dépend du régime de travail du moteur Lorsque le moteur est chaud, dans des conditions normales, le mélange de travail conte- nu dans les cylindres presente une température proche de la température d'auto-allumage et une très faible énergie d'allumage est demandée pour son inflammation D'autres régimes demandent une énergie d'allumage très élevée, A savoir un moteur froid (démarrage), une accélération sou- daine, la marche au ralenti Des mélanges aussi bien riches que pauvres demandent une énergie d'allumage élevée. Les problèmes mentionnés ci-dessus soulignent la nécessité de résoudre le problème posé pour obtenir une distribution des impulsions d'énergie à haute tension telle que l'on obtienne des étincelles fonctionnellement correctes dans toutes les conditions de travail du moteur, avec une érosion minimale des électrodes des bougies d'allumage, ce qui signifie une grande longévité, avec un entrefer cor- rectement réglé. Les dispositifs connus de pré-allumage n'ont pas résolu le problème mentionné Ceci concerne plus particuliè- rement l'érosion des électrodes des bougies d'allumage, lequel problème n'a pas été du tout abordé. En outre, les dispositifs connus de pré-alluma- ge présentent d'autres inconvénients, à savoir le problème du mélange gazeux, le problème d'évacuation des gaz, le pro- blème du "maintien" convenable de la tension de rupture et de la tension d'extinction de l'étincelle dans des limites appropriées, le problème du fonctionnement aux fréquences élevées, le problème de la dispersion de la matière de la cathode, le problème du vieillissement et des problèmes technologiques se posant lors de la production, ainsi que le coût élevé de cette production. L'invention a pour but de réaliser, dans les systèmes existants d'allumage du mélange, dans des moteurs à carburateur, par impulsions à haute tension, une distribu- tion des;impulsions d'énergie précitées, telles qu'une étincelle puissante soit obtenue, en particulier dans de mauvaises conditions de travail, entre les électrodes des bougies d'allumage, et que l'érosion des électrodes des bougies d'allumage soit en même temps limitée et prévenue. Ce but renferme deux contradictions, à savoir une plus faible érosion des électrodes des bougies d'allu- mage et la formation d'étincelles plus puissantes entre ces électrodes. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme possible de réalisation du dispositif selon l'i-nven- tion; et la figure 2 est un schéma montrant la connexion du dispositif selon l'invention avec l'installation en haute tension du système d'allumage d'un moteur à carbura- teur. Le corps 1 du dispositif selon l'invention est réalisé suivant une forme tubulaire, en une matière électro- isolante L'espace de travail ménagé à l'intérieurdu corps 1 est fermé par des électrodes métalliques, à savoir une 4. anode 3 et une cathode 4, espacées d'une distance x Un oeil métallique 2 à photons,se présentant sous la forme d'un min- ce anneau d'une épaisseur n, est fixé dans le corps,1, à l'intérieur de l'espace de travail, à une distance m de l'anode. Dans des formes de réalisation normales, la dis- tance m est comprise entre 0,2 et 1 mm, l'épaisseur N est comprise entre 0,1 et 0,5 mm et la distance x est comprise entre 1,5 et 3,5 mm L'espace fermé compris entre les élec- trodes est rempli d'air atmosphérique de composition nor- male La pression de départ de cet air est comprise entre 1 et 5 bars L'espace compris entre les électrodes est rempli d'un mélange spécial uniquement dans des cas particuliers. La surface cylindrique extérieure du corps 1 est recouverte d'un revêtement métallique 5 fixé ferme- ment, dont la longueur est très légèrement supérieure à la longueur intérieure totale des électrodes. Un drain 7 à haute tension, connecté à la catho- de 4, est également relié à l'électrode centrale CE d'une bougie d'allumage. L' anode 3 est reliée à une alimentation 6 en im- pulsions à haute tension par l'intermédiaire de la résistance propre R. Le revêtement métallique 5 est connecté à la terre M, de façon à former deux capacités, une capacité d'entrée Cl et une capacité de sortie C 2 La valeur de la capacité d'entrée Cl dépend de la longueur sur laquelle l'anode 3 s'étend dans le corps 1, et la valeur de la capaci- té de sortie C 2 dépend de la longueur sur laquelle la cathode 4 s'étend dans le corps 1. La description du fonctionnement des éléments et de l'ensemble du commutateur selon l'invention englobe la totalité du cycle caractérisitique des impulsions à haute tension du système d'allumage de moteur à carburateur. Lorsque des impulsions à haute tension attei- gnent la valeur demandée pour provoquer une décharge dis- ruptive entre les électrodes 3 et 4 du commutateur et entre les électrodes CE et ME de la bougie d'allumage, une déchar- , ge électrique s'amorce dans les deux allumeurs. De nombreuses examens ont montré que ce type de décharge électrique possède deux composantes, à savoir une composante capacitive et une composante inductive. La composante capacitive de l'étincelle correspond, en fait, à une décharge de l'énergie recueillie dans le circuit secon- daire Conformément à l'invention, la capacité d'entrée Cl et la capacité de sortie C 2 du commutateur selon l'invention font partie de ce circuit. La décharge capacitive se manifeste par une étin- celle bleue et brillante et par une explosion Le courant de départ de la décharge capacitive est compris entre quel- ques centaines et plus de mille ampères, et sa température k est d'environ 10 000 K Cette décharge est suivie d'oscilla- tions à haute fréquence comprises entre quelques M Hz et environ 10 M Hz et subsistant lors d'un cycle pendant une durée pouvant atteindre quelques millionièmes de seconde. Un amortissement d'oscillations électro-magné- tiques à haute fréquence, extérieur à l'espace de décharge, est réalisé par la résistance R de 6 d 12 k 0-e sur l'entrée 6 des impulsions à haute tension et, en ce qui concerne l'espace environnant, par le revêtement métallique 5 qui est connecté à la terre M et qui joue le rôle d'un blin- dage contre les parasites radio-électriques. La décharge en étincelle commence avant que la tension de l'impulsion atteigne sa valeur maximale Ceci explique que la décharge capacitive ne dépense que la partie de l'énergie magnétique recueillie dans la bobine d'induc- tion La partie restante de l'énergie est libérée par déchar- ge inductive, sous la forme d'une étincelle de couleur vio- lette-jaune pâle Cette partie de la décharge est appelée la "queue" de l'étincelle. La composante inductive du courant de décharge est comprise entre environ 10 et quelques centaines de m A, et la tension est comprise entre quelques centaines et quelques milliers de volts La durée de cette décharge est comprise dans un large intervalle de temps, s'étendant de 6. quelques microsecondes à quelques dixièmes de millisecon- de Entre autres, l'invention Dermet de raccourcir la "lqueue" de l'étincelle et, simultanément, d'accro tre l'éner- gie de la composante capacitive. Des recherches portant sur le processus d'inflam- mation ont montré qu'un accroissement de la vitesse de libé- ration de l'énergie de l'étincelle élève son aptitude à l'in- flammationi Ceci signifie que, avec la même quantité d'éner- gie libérée, la composante capacitive est plus efficace que la composante inductive. Un examen de l'objet de l'invention permet d'établir les constatations suivantes: Avec le commutateur d'énergie selon l'invention monté dans le circuit à haute tension du système d'alluma- ge, on modifie notablement les paramètres de rupture: courants de rupture atteignant, en pointe, des valeurs pouvant être quatre fois plus grandes; puissance de rupture atteignant, en pointe, des valeurs pouvant être 2,3 f is plus grandes; énergie électrique de la première demi-phase de la caractéristique de rupture U-I pouvant atteindre une valeur 3,3 fois plus grande; et intensité lumineuse moyenne relative pouvant être 3,8 fois plus grande. D'autres examens de l'objet de l'invention ont porté sur l'influence des paramètres améliorés de l'étincel- le sur les caractéristiques de travail du moteur Il est apparu que les conditions et les régimes de travail sui- vants du moteur bénéficient d'une influence positive de l'invention: faibles régimes de vitesse; faible charge et petites ouvertures du pa- pillon d'admission; travail avec un mélange pauvre, en particulier avec un mélange plus pauvre que le mélange optimal pour une consommation minimale de carburant; et travail avec un allumage ayant un retard 7. supérieur au retard optimal pour un régime de travail donné. Au cours de l'examen, il est apparu que l'in- fluence de l'invention était d'autant plus évidente que les conditions de travail-étaient plus éloignées des conditions optimales pour un régime donné Suivant l'éloignement par: rapport aux conditions optimales, l'économie a atteint jusqu'à 5 %. Les différentes pièces du commutateur d'énergie selon l'invention exécutent les fonctions importantes suivan- tes. l'oeil 2 à photons émet une avalanche initiale d'électrons qui provoquent une ionisation globale de l'es- pace entre les électrodes 3 et 4, avant la décharge disrup- tive; l'émission électronique de l'oeil 2 à photons est déclenchée par la tension élevée de l'impulsion, et sa durée dépend de cette dernière. Le changement de tension entre l'anode 3 et la cathode 4 est suivi d'un changement du champ électrique. Ce champ n'est pas homogène et il est concentré sur les arêtes vives des électrodes Cette concentration est parti- culièrement élevée sur le bord légèrement arrondi de la saillie cylindrique 3 a de l'anode L'oeil 2 à photons St placé à une distance relativement faible m de ce bord, l'ouverture de l'oeil présentant une arête vive de forme arrondie, ayant senseiblement le même diamètre que la saillie cylindrique 3 a de l'anode. Lorsque la tension de l'impulsion à haute tension s'élève jusqu'à une valeur proche de la valeur de prédécharge disruptive, la force du champ électrique appliqué à l'arête vive et circulaire de l'oeil à photons devient si grande qu'elle provoque d'abord une excitation, puis une ionisation des atomes de l'oeil à photons,et fina- lement une émission électronique automatique puissante - A ce moment, dansl'espace adjacent à l'arête vive cir- culaire du trou de l'oeil à photons, des atomes excités et. des électrons émis par l'oeil à photonsémettent des photons 8. à haute énergie dans tout l'espace environnant, produisant un très grand nombre d'électrons et d'ions initiaux qui se développent brusquement et aboutissent rapidement à une rup- ture diélectrique de l'espace compris entre les électrodes. La rupture diélectrique préparée et effectuée de cette maniè- re présente des caractéristiques qui lui sont propres. Le trajet de la rupture est homogène et de forte section. Le bombardement de la cathode 4 par des ions positifs est atténué, un plus grand nombre d'ions positifs, ayant des vitesses plus faibles, frappent la plus grande surface de la cathode De cette manière, on empêche la dispersion de la matière de la cathode, ainsi que son érosion, qui cons- tituent de graves problèmes dans les dispositifs connus de pré-allumage L'un des problèmes des dispositifs connus de pré-allumage est la perte de fonction avec le temps. Elle est due à la "disparition" du gaz par suite d'une adsorption et d'une réaction chimique avec la matière_ cathodique dispersée Etant donné que dans le dispositif selon l'invention, la dispersion de la matière cathodique est minimale, il est possible d'utiliser dans l'espace compris entre les électrodes même des gaz ayant une activité chimique plus grande et, surtout, l'air atmosphé- rique normal. Le commutateur selon l'invention redistribue de façon efficace l'énergie de la manière suivante la capacité d'entrée Cl collecte l'énergie tandis que la tension de l'impulsion à haute tension s'élè- ve, et cette dernière libère la même énergie en une courte durée, tandis qu'une décharge disruptive se produit dans l'entrefer de la bougie d'allumage; la capacité C 2 de sortie collecte l'énergie en même temps qu'une décharge disruptive se produit dans l'espace d'allumage du commutateur, et elle libère l'éner- gie en même temps qu'une décharge disruptive se produit dans l'entrefer de la bougie d'allumage; l'énergie électro-magnétiqiequi rayonne et qui est captée par-lerevêtement métallique 5 est libérée en même temps qu'une décharge disruptive se produit dans l'entrefer de la bougie d'allumage. Etant donné que la plus grande partie de l'éner- gie du commutateur selon l'invention prend une forme capa- citive, le processus de formation d'étincelles entre les électrodes de la bougie est caractérisé par un raccourcis- sement notable de la "queue" de l'étincelle, ce qui réduit sensiblement l'érosion des électrodes de la bougie. Dans les conditions normales de travail d'un moteur, l'énergie nécessaire à l'inflammation initiale du mélange est d'environ 3 m Ji Une étude portant sur le dispositif selon l'invention a établi que la quantité d'énergie électrique présente dans la première demi-période de la caractéris- tique U-I de la décharge disruptive est comprise entre 34 et 86 m J. il ressort de la description précédente que le dispositif selon l'invention permet d'améliorer nota- blement le fonctionnement et le rendement des moteurs à carburateur. La réalisat ion simple du dispositif selon l'invention permet sa production à bon marché, et sa faci- lité de montage autorise de larges applications. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au commutateur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 10. REVEND ICAT i ON 1 \ S 1 Corimutateur d'ionisation à auto-excitation des impulsions d'énergie à haute tension dans un système d'allumage de moteur à carburateur, caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 1) de forme tubulaire réalisé en matière électro-isolante et dans l'espace intérieur cylindrique duquel sont disposées une anode ( 3) et une cathode ( 4) à une distance x l'une de l'autre, tandis que l'espace fermé, compris entre ces Électrodes, est rempli d'air ou d'un mélange d'autres gaz, un oeil métallique à photons ( 2) étant placé à une distance m de l'anode ( 3), cet oeil étant de forme annulaire et ayant une épaisseur N et un trou central dont le diamètre est à peu près égal au diamètre d'une saillie cylindrique ( 3 a) de l'anode. 2 Commutateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le corps ( 1) comporte un revêtement métal- lique ( 5) l'entourant sur sa surface extérieure, ce revête- ment ( 5) étant d'une iongueur superieure à la longueur totale sur laquelle s'étendent l'anode ( 3) et la cathode ( 4). 3 Coirmutateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'anode ( 3) est reliée à une entrée ( 6) d'impulsions à haute tension et comprenant une résistance (R), et en ce que la cathode ( 4) est reliée à une sortie () à haute tension qui est connectée à une électrode centrale(CE) de bougie d'allumage, tandis que le revêtement métallique ( 5) est connecté-à la terre (M).