Brevet FR2649577A1 — publié le 19910111

La présente invention concerne un procédé pour générer un plasma. La présente invention concerne également un procédé pour produire de l'ozone. La présente invention concerne encore un procédé d'allumage pour moteurs à combustion interne, ainsi qu'un procédé de dépollution pour réduire le taux d'imbrtlés dans des gaz d'échappement d'appareils à combustion. La présente invention concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuve de ces procédés. On sait produire une étincelle entre deux électrodes métalliques à travers un gaz constitué par exemple d'un mélange de combustible et de comburant. L'étincelle ainsi produite est filiforme et elle n'affecte donc qu'un volume très réduit du gaz. Son efficacité, par exemple pour enflammer un mélange de combustible et de comburant, est donc réduite. Le but de l'invention est de produire des étincelles affectant un volume nettement accru du gaz environnant. L'idée inventive qui est à la base de l'invention consiste à utiliser pour l'une au moins des électrodes un revêtement céramique poreux dont certains au moins des pores renferment un corps électriquement conducteur, Il s'est avéré qu'ainsi l'étincelle s'élargit au voisinage du revêtement, en générant un plasma et en produisant, si le gaz environnant contient de l'oxygène, de l'ozone. L'effet obtenu est visible à l'oeil nu, l'étincelle prenant un diamètre de l'ordre de 1 mm à quelques mm au voisinage de la surface active définie par le revêtement. Ainsi, selon un premier aspect, le procédé pour générer un plasma est caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre deux électrodes dont l'une au moins a une surface active définie par un revêtement céramique dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique entre elles. Selon un second aspect de l'invention, le procédé pour produire de l'ozone est caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre, dans un gaz contenant de l'oxygène, deux électrodes dont l'une au moins a une surface active définie par un revêtement céramique dont les pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique entre elles. Suivant un troisième aspect de l'invention, le procédé d'allumage pour moteur à combustion est caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre dans une chambre de combustion du moteur deux électrodes dont l'une au moins a une surface active définie par un revêtement céramique dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique entre elles. Grâce au volume de l'étincelle ainsi formée, au plasma produit, et à l'ozone qui est également produite, l'invention permet une amélioration substantielle de la rapidité et de l'efficacité de l'inflammation du mélange. En effet, l'ozone est un excellent comburant. Selon un quatrième aspect de l'invention, le procédé de dépollution pour réduire le taux d'imbrûlés dans les gaz d'échappement d'appareils à combustion, notamment dans les gaz d'échappement produits par un moteur thermique, est caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre dans un trajet d'écoulement des gaz d'échappement deux électrodes dont l'une au moins a une surface active définie par un revêtement céramique dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique entre elles. La production d'ozone, grâce à l'oxygène libre résiduel ou grâce par exemple à une injection d'air dans l'échappement a pour conséquence une post-combustion des gaz d'échappement, réduisant ainsi le taux d'imbrûlés, à savoir hydrocarbures et monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement. Selon un cinquième aspect de l'invention, le dispositif pour la mise en oeuvre de l'un des procédés cidessus est caractérisé en ce qu'il comprend deux électrodes dont l'une au moins a une surface active définie par un revêtement céramique dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et des moyens pour raccorder ces électrodes aux bornes d'une source de tension produisant une différence de potentiel suffisante pour provoquer une décharge électrique entre elles. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ciaprès. Aux dessins annexé, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une expérience de production d'étincelles contre une surface isolante - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais concernant la production d'une étincelle dans le cadre d'un procédé selon l'invention ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 mais concernant un autre mode de production d'étincelles dans le cadre d'un procédé selon l'invention ; - la figure 4 est le schéma d'un dispositif d'allumage pour moteurs à combustion interne ; - la figure 5 est un graphique visualisant l'intensité du courant d'étincelle en fonction du temps dans le cadre d'un procédé selon l'invention ;; - les figures 6a, 6b, et 6c schématisent trois modes de production d'étincelles selon l'invention ; - les figures 7 et 8 sont des vues partielles de deux modes de réalisation de bougies d'allumage-mettant en oeuvre le procédé d'allumage selon l'invention ; et la figure 9 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne mettant en oeuvre le procédé de dépollution selon l'invention. Dans le mode de production d'étincelles schématisé à la figure 1, l'extrémité libre d'une électrode métallique l en forme de tige est placée en regard d'une surface sensiblement plane d'un revêtement électriquement isolant 2 porté par un support conducteur 3. Une différence de potentiel est établie entre l'électrode l et le support conducteur 3. Une étincelle filiforme 4 s'établit entre l'électrode l et la surface du revêtement isolant 2. Sur la surface de l'isolant, l'étincelle 4 forme des ramifications également filiformes 5. On aboutit ainsi à une certaine augmentation du volume concerné par l'étincelle. Toutefois, ce procédé n'est pas exploitable industriellement car après par exemple cent étincelles ainsi produites, l'isolant 2 finit par être percé à l'endroit où il reçoit l'étincelle filiforme 4, à la suite de quoi les ramifications 5 cessent de se former. Dans le procédé schématisé à la figure 2, qui correspond à l'invention, on retrouve ltélectrode l en forme de tige dont l'extrémité libre la, définie par le métal de l'électrode l, et qui est de forme pointue dans cet exemple, est dirigée perpendiculairement vers une électrode comprenant un support 3 électriquement conducteur et un revêtement qui définit la surface active plane de l'électrode. Toutefois, dans ce mode de réalisation, le revêtement, désigné par la référence 2', est un revêtement céramique poreux dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur et un corps électriquement isolant. Le revêtement céramique est de préférence du type alumino-siliceux dont la composition exacte, en particulier la proportion de silice, la proportion d'alumine et la proportion d'éventuels autres composants est définie de manière connue pour que le coefficient de dilatation thermique du revêtement corresponde sensiblement à celui du support métallique 3 de 1 'électrode. Ce revêtement peut être appliqué en une ou plusieurs couches sur le support 3 sous forme de barbotine, c'est-à-dire sous la forme d'une pâte délayée contenant le mélange de composants requis. Après chaque couche, on fait cuire le revêtement. Le revêtement cuit comporte des pores et on fait cristalliser dans ces pores le corps électriquement conducteur précité, par exemple un oxyde de zinc Pour appliquer l'oxyde de zinc, on le met en solution, on l'applique sous forme de solution puis on élimine le solvant pour laisser l'oxyde de zinc cristalliser dans les pores. De préférence, on inclut également dans les pores du revêtement un corps électriquement isolant, c'est-à-dire meilleur isolant que le revêtement lui-même. Comme corps électriquement isolant, on peut utliser un oxyde de chrome, par exemple obtenu par décomposition de l'acide chromique. Pour appliquer cet oxyde, on le met en solution, on l'applique sur le revêtement sous forme de solution, et on élimine le solvant pour laisser l'oxyde de#chrome cristalliser dans les pores du revêtement, Pour rationaliser l'application des deux oxydes, on peut appliquer l'oxyde de zinc sur une couche de revêtement, l'oxyde de chrome sur une couche suivante de revêtement, etc... Un revêtement convenant parfaitement pour la mise en oeuvre de la présente invention est décrit dans le US-A- 4 615 913. L'épaisseur du revêtement est par exemple de l'ordre du mm dans le cas du procédé de pose du revêtement expliqué plus haut. Lorsqu'on applique entre l'électrode l et le support 3 de l'autre électrode une différence de potentiel suffisante pour produire une étincelle, celle-ci prend sensiblement la forme représentée à la figure 2, et comporte en particulier une région filiforme 7 partant de l'extrémité la perpendiculairement vers le revêtement 2', puis une région volumique s'évasant en corolle 8 vers le revêtement 2' et ayant pour axe de symétrie sensiblement l'axe de la région 7. La région en corolle 8 a une hauteur H et un diamètre D qui sont tous deux de l'ordre de 2 à 8 mm lorsque la différence de potentiel appliquée est d'environ 50 kV. Les dimensions de la région 8 sont sensiblement indépendantes de l'écartement L entre l'électrode l et le revêtement 2'.Si cet écartement varie, c'est la longueur de la région 7 qui varie de façon correspondante. La région 8 de l'étincelle est constituée par un plasma, et on constate un dégagement d'ozone lorsque le gaz environnant les électrodes contient de l'oxygène libre. Ce qui vient d'être décrit est vrai quelle que soit la polarité de la différence de potentiel appliquée entre les électrodes l et 2' - 3. Dans l'exemple représenté à la figure 3, l'électrode 2'-3 est inchangée. Par contre, l'électrode l est remplacée par une plaque métallique 9 dont la face active est plane et parallèle à celle définie par le revêtement 2'. Quand on applique entre la plaque 9 et le plaque métallique 9 dont la face active est plane et apparaitre entre la plaque 9 et le revêtement 2' un grand nombre d'étincelles ressemblant à celles de la figure 2, c'est- & dire ayant une région filiforme 71, 74, 75 et une région en corolle 81, 84, 85 au contact du revêtement 2'. Les régions filiformes telles que 71, 74, 75 s'étendent depuis des points quelconques Ai, A2, A3, A4, A5, , An et les sommets des régions en corolle tels que 81, 84, 85. Ce procédé permet comme le précédent de produire du plasma dans les régions telles que 81, 84, 85, et également de produire de l'ozone si le gaz environnant contient de l'oxygène libre. Comme représenté à la figure 5, dans le cas où la différence de potentiel entre les deux électrodes est produite de manière très brève, par exemple par un système d'allumage du genre employé dans l'automobile, le courant d'étincelle a la forme d'une oscillation très rapidement amortie (plus rapidement amortie que dans les dispositifs d'allumage classiques). Dans l'exemple représenté à la figure 4, le circuit d'allumage comprend, en série entre les bornes d'une batterie d'accumulateurs 11, le primaire 13a d'une "bobine" d'allumage 13 (on sait que ce qu'il est convenu d'appeler "bobine d'allumage" est en fait un transformateur à très grand rapport de transformation), le trajet émetteur-collecteur d'un transistor 15, et un dispositif de rupture 17. La base du transistor 15 est reliée par une résistance 12 à la borne positive de la batterie 11, de même que l'extrémité du primaire 13a qui est opposée au transistor 15. Un dispositif d'absorption d'énergie 16, tel qu'un carbure de silicium (voir FR - A 2 401 500 et FR - A - 2 423 049), est monté entre le collecteur et l'émetteur du transistor 15 pour protéger ce dernier lors de l'ouverture du dispositif de rupture 17. Le secondaire 13b de la bobine d'allumage 13 a une borne reliée à la masse métallique 14 d'un moteur à combustion interne 18 et une borne reliée à l'électrode centrale isolée 1 d'une bougie d'allumage 19 (figure 7) dont un culot électriquement conducteur 19a est vissé dans la masse métallique 14. L'électrode 1 est retenue en position centrale à l'intérieur du culot 19a par une bague isolante 19b. Face à l'électrode centrale 1, la bougie 19 comporte le revêtement 21 de même nature que celui décrit en référence à la figure 2, déposé sur un support métallique 20 suspendu au culot 19a par des pattes électriquement conductrices 24a. Le support 20 a la forme d'une coupelle dont la concavité est tournée vers l'électrode 1 et, de même, la surface active du revêtement 21 a une forme de coupelle concave tournée vers l'extrémité libre de l'électrode 1. L'extrémité active de l'électrode 1 et la surface active du revetement 21 sont dans la chambre de combustion 26. De manière classique, l'extrémité lb de l'électrode 1 opposée à la chambre de combustion 26 sert au raccordement à l'une des bornes du secondaire 13b (le cas échéant par l'intermédiaire d'un distributeur d'allumage). Le filetage 19e du culot 19a constitue le moyen de raccordement de l'électrode 20-21 ave l'autre borne de l'enroulement 13b. Lorsque le dispositif de rupture 17 de la figure 4 s'ouvre, le courant à travers le primaire 13a est interrompu brusquement. Cette interruption entraîne le passage encore plus soudain du transistor 15 de l'état saturé à l'état bloqué. L'absorbeur d'énergie 16 absorbe l'énergie dangereuse au cas où une différence de potentiel excessive tendrait à s'établir entre l'émetteur et le collecteur du transistor 15 lors de la rupture. De manière classique, cette rupture provoque dans le secondaire 13b une forte tension induite, de plusieurs dizaines de kilovolts, qui provoque, entre les électrodes 1 et 20 - 21 de la figure 7 une étincelle 22 analogue à celle représentée à la figure 2. Les paramètres du circuit son~ choisis pour que la tension induite précitée soit aussi faible que possible pour produire l'étincelle sans produire d'oxydes d'azote. L'environnement gazeux des électrodes 1 et 20 21 est constitué par le mélange de combustible et de comburant qui a été admis dans la chambre de combustion 26 du moteur 18. En effet, ce mélange a accès aux électrodes par les ouvertures 19d laissées libres entre les pattes 24 L'étincelle 22 ou le plasma dense produit selon l'invention provoque l'inflammation du mélange combustiblecomburant de manière très efficace et rapide grâce à la génération de plasma et à la production d'ozone. Dans l'exemple représenté, le moteur 18 est du type semi-diesel qui, de manière#connue, a les caractéristiques de fonctionnement suivantes : injection d'un carburant tel que le gazole au moyen d'un injecteur 23 pendant le temps d'admission sous une pression de l'ordre de 30 à 40 bars (3 à 4 MPa) choisie pour assurer une bonne pulvérisation ; rapport volumétrique de compression de l'ordre de 16 à 17 ; allumage électrique. Les moteurs semi-diesel sont les moteurs ayant le meilleur rendement mais leur développement s'est heurté à la difficulté d'enflammer convenablement à des températures inférieures à leur point de détonation les carburants supportant des taux de compression de 16 à 17 : ces carburants sont généralement peu volatiles et ne forment pas un mélange intime avec le comburant. La qualité de l'allumage obtenu selon l'invention permet une telle inflammation. Dans les exemples représentés aux figures 6a à 6c, on montre trois formes possibles pour la surface active définie par le revêtement utilisé selon 1' invention. Dans l'exemple représenté à la figure 6a, on retrouve le cas de la figure 7, le revêtement 21 de l'électrode 20 a une surface active en forme de demisphère concave, qui favorise l'épanouissement en corolle de l'étincelle 22. Dans l'exemple représenté à la figure 6b, on retrouve le cas représenté à la figure 2, c'est-à-dire avec surface active du revêtement 2' plane et perpendiculaire à l'axe de l'électrode 1. Toutefois, l'électrode 1 a été rapprochée du revêtement à tel point que la région 7 de l'étincelle a pratiquement disparu. Dans l'exemple représenté à la figure 6c, l'électrode 40 a une forme semblable à l'électrode 1, et est coaxiale à l'électrode 1. Le revêtement 41 est formé sur l'extrémité sensiblement conique, dirigée vers l'électrode 1, de l'électrode 40. Entre ces deux électrodes se forme, sous une différence de potentiel appropriée, une étincelle volumique 42 qui coiffe sensiblement le revêtement 41. Si on écarte les deux électrodes 1, 40 l'une de l'autre, l'étincelle volumique 42 se raccorde à l'électrode 1 par une étincelle filiforme telle que 7 à la figure 2. Dans l'exemple représenté à la figure 8, la bougie 30 a un culot 31 vissé dans la masse métallique 14 d'un moteur tel que le moteur 18 de la figure'4, de manière à être en contact électrique avec ladite masse métallique. Le culot 31 est traversé axialement par une broche conductrice 32, isolée du culot 31 par une gaine isolante 33. Vers l'intérieur du moteur, la broche conductrice 32 est raccordée au centre d'une électrode 34 qui porte sur sa surface annulaire tournée vers le culot 31 un revêtement 36 de même nature que celui décrit en référence à la figure 2. Un revêtement similaire 37 est porté par la face du culot 31 tournée vers l'électrode 34. Les revêtements 36 et 37 sont écartés l'un de l'autre d'une distance, par exemple 1 mm, appropriée pour la formation d'étincelles lorsque le secondaire 13b établit une différence de potentiel entre le culot 31 et l'électrode 34. Il se forme alors entre les deux revêtements, tout autour de la gaine isolante 33, une série d'étincelles comprenant une région centrale filiforme 38 dont chaque extrémité est raccordée à deux régions en corolle 39 voisines l'une du revêtement 36 et l'autre du revêtement 37. On va maintenant décrire en référence à la figure 9 le procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique 61. La sortie du collecteur d'échappement 62 de ce moteur est raccordée à une chambre 63 dans laquelle débouche en sifflet, en 64, une entrée d'air 66 soumise à une pression dynamique captée à l'avant du véhicule. Un moyen d'insonorisation approprié peut être placé dans l'entrée d'air 66.Grâce à l'entrée en sifflet, l'air pénètre dans la chambre 63 malgré la pression pouvant régner dans celle-ci, au moins périodiquement. Juste en aval de l'entrée en sifflet 64 est placée une bougie 67 pouvant être du type décrit en référence à la figure 7 ou du type décrit en référence à la figure 8. Convenablement alimentée électriquement, cette bougie produit des étincelles qui produisent à leur tour du plasma et, grace à l'oxygène arrivant en 64, de l'ozone.Grâce aux propriétés très oxydantes de l'ozone, et à la puissance d'allumage des étincelles produites par la bougie 67, les résidus imbrtlés de la combustion dans le moteur 61 sont brûlés en aval de la bougie 67, ce qui réduit le taux de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures dans les gaz d'échappement émis par le véhicule ainsi équipé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que la forme des électrodes peut varier, la nature du revêtement peut être différente de celle décrite en détail dans la description, et les applications du procédé pour générer un plasma et pour produire de l'ozone ne sont pas limitées à celles décrites et représentées. En particulier, ces procédés pourraient être utilisés pour générer un plasma et de l'ozone dans la chambre de combustion des réacteurs pour l'aéronautique, pour y favoriser le processus de combustion. Une bougie d'allumage constituant un dispositif selon l'invention pourrait comporter une électrode centrale en forme de tige présentant le revêtement, et une électrode tubulaire crénelée à l'extrémité et comportant le revêtement sur face intérieure entre les crénelures. REVENDICATIONS 1. Procédé pour générer un plasma caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre deux électrodes (1, 2' - 3 ; 20, 21 ; 40, 41 ; 31, 37, 34, 46) dont l'une (2' - 3 ; 20 - 21 ; 40 - 41 ; 31, 37 ; 34, 36) au moins a une surface active définie par un revêtement céramique (2' ; 21 ; 41 ; 36, 37) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique (7, 8 ; 71, 74, 75 ; 81, 84, 85 ; 38, 39 ; 22 ; 42) entre elles. 2. Procédé pour produire de l'ozone, caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre dans un gaz contenant de l'oxygène deux électrodes (1, 2' - 3 ; 20, 21 ; 40, 41 ; 31, 37, 34, 46) dont l'une (2' - 3 ; 20 -21 ;40 - 41 ; 31, 37 ; 34, 36) au moins a une surface active définie par un revêtement céramique (2' ; 21 ; 41 ; 36,37) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de'potentiel propre à provoquer une décharge électrique (7, 8 ; 71, 74, 5 ; 81, 84, 85 ; 38, 39 ; 22 ; 42) entre elles. 3. Procédé d'allumage pour moteurs à combustion, caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre dans une chambre de combustion du moteur, deux électrodes (1, 2' - 3 ; 20, 21 ; 40, 41 ; 31, 37, 34, 46) dont l'une (2' - 3 ; 20 - 21 ; 40 - 41 ; .31, 37 ; 34, 36) au moins a une surface active définie par un revêtement céramique (2' ; 21 ; 41 ; 36, 37) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique (7, 8 ; 71, 74, 75 ; 81, 84, 85 ; 38, 39 ; 22 ; 42) entre elles 4.Procédé de dépollution pour réduire le taux d'imbrûlés dans deS gaz d'échappement d'appareils à combustion, notamment dans les gaz d'échappement produits par un moteur thermique (61), caractérisé en ce qu'on place en regard l'une de l'autre dans un trajet (63) d'écoulement des gaz d'échappement deux électrodes (1 ; 20 - 21 ; 31, 37 ; 34, 36) dont l'une (20 - 21 ; 31, 37 ; 34, 36) au moins a une surface active définie par un revêtement céramique (2' ; 36, 37) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et en ce qu'on établit entre ces électrodes une différence de potentiel propre à provoquer une décharge électrique (38, 39) entre elles. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on envoie de l'oxygène au voisinage des électrodes. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux électrodes (1, 2' - 3 ; 20 - 21 31, 37 ; 34, 36 ; 40, 41) dont l'une (2' - 3 ; 20 - 21 ; 31, 37 ; 34, 36) au moins a une surface active définie par un revêtement céramique (2', 21, 36, 37, 41) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur, et des moyens (lb, 19e) pour raccorder ces électrodes aux bornes d'une source de tension (11, 12, 13, 15 à 17) produisant une différence de potentiel suffisante pour provoquer une décharge électrique entre elles. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre électrode (1) est métallique. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrode revêtue (20 - 21) a une forme de coupelle concave. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre électrode a aussi une surface active définie par un revêtement céramique (37) dont des pores contiennent un corps électriquement conducteur. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux surfaces actives sont sensiblement planes et parallèles. 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le revêtement céramique est du type alumino-siliceux. 12. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que le corps électriquement conducteur est un oxyde métallique cristallisé, en particulier un oxyde de zinc. 13. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que des pores du revêtement céramique contiennent un corps isolant. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le corps isolant est un oxyde métallique critallisé, en particulier un oxyde de chrome.