Brevet FR2786036A1 — publié le 20000519

AMELIORATION DE LA COMBUSTION PAR BOUGIE ANTIPOLLUTION La présente invention concerne une bougie d'allumage destinée à tre utilisée dans moteur à combustion interne. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'électrode latéral cette bougie. Une bougie d'allumage est un élément important du système d'allumage et constitue l'élément qui est monté sur une chambre de combustion pour 1'allumage du mélange air-carburant à faire bruler. La bougie d'allumage comprend un corps extérieur fileté destiné à se visser dans la culasse, une électrode centrale et une électrode latérale qui définissent un intervalle d'étincelle, et un isolateur qui sert de manchon pour amener efficacement la haute tension de sa bome de branchement à l'intervalle d'étincelle exposé dans la chambre de combustion. Les points critiques d'allumage vont correspondre aux points difficiles pour la haute tension d'un coté, et aux points difficiles pour la combustion de l'autre. pour la haute tension, les difficultés viennent d'une très haute pression (fortes charge, et/ou faibles températures d'électrodes). Pour le début de la combustion, les difficultés peuvent venir d'une richesse trop extrme d'une dilution trop importante par la turbulence. Le cas qui associe les deux problèmes est le démarrage à froid. c'est un des cas les plus durs 1'allumage en effet, les premiers cycles se font en remplissage total (donc pression forte, pour une mme avance), en plus l'avance est faible pour ne pas inverser le sens de rotation moteur, et la température est basse (car le moteur n'a pas encore tourné), enfin la richesse dans le cylindre est souvent très basse avec un mouillage importante. La chaleur part des gaz chauds qui viennent de bruler, jusqu'à des températures de 2500 C. Le flux de chaleur pénètre par toutes les surfaces en contact avec ces gaz chauds, en particulier les pièces qui saillent comme les électrodes, le bec de céramique, et éventuellement le bord du culot. Les points les plus chauds sont donc les bouts les plus éloignés thermiquement de la culasse, comme les extrémités des électrodes (qui peuvent atteindre 750 à 800 C), mais plus encore, le bord de la céramique (qui est un peu moins conductrice que les métaux) et qui peut atteindre 800 à 900 C. Lorsque le moteur est à puissance maximale, les parois du cylindre dépassent rarement 350 C. La température du gaz ne dépend que de la position du piston. Au moment 1'allumage, elle varie de 150 à 420 C. L'étincelle a une phase de formation très rapide (avec des vitesses de l'ordre de plusieurs milliers de km/s). L'aérodynamique n'a alors pas d'effets directs sur l'allure de l'étincelle qui va suivre les lignes de champs les plus courtes. Cependant, une fois formée, elle est entraînée par l'air qui l'environne. En effet, les ions du canal conducteur ont des vitesse de diffusion faible devant les vitesse d'écoulement local (1 a 50 m/s). Si les turbulences sont faible, le champ de vitesse autour des électrodes est à peu prés constant, 1'étincelle se déforme en arc de cercle, puis en fer à cheval, elle s'allonge beaucoup (une dizaine de fois l'écartement), et s'éloigne des électrodes s'il n'y a pas de cisaillement. Prenant en compte les contraintes brièvement décrites ci-dessus l'ajout, d'une capsule soudée au culot de la bougie va éliminer une partie importante. des problèmes évoqués La bougie d'allumage pour système à double allumage décrite dans la présente invention a été inventée pour éliminer les substances nocives des gaz d'échappement du moteur. Une capsule en forme de"LT fig. lN (ll), dont le volume intérieur forme une chambre d'allumage fig. I N (8), est prévue afin d'améliorer 1'allumage. La capsule (1 I) comporte deux orifices fig. 2 N (9) a et (9) b de façon a ce que la chambre d'allumage (8) puisse communiquer avec la chambre de combustion principale du moteur. La surface intérieur de la capsule est traversée par deux barrettes fig. 2 N (6) et (7) qui sont positionnées à 90 I'une de l'autre. L'angle de coupure de ces barrettes se trouve exactement sous l'électrode central fig. I N (4), et forme l'électrode de terre. L'intervalle d'étincelle fig. 1 N (12) est défini par la surface de bout de l'électrode centrale (4) et la surface de croisement des barrettes. fig. IN (6) et (7). La barrette transversale fig. 2 N (6) a pour fonction de constituer un obstacle en vue de canaliser le flux du mélange de combustion formé d'essence et d'air contenu dans le cylindre traversant la capsule en forme de"U'. Le mélange ainsi dirigé frétant la surface de fond antérieure de la capsule et des barrettes récupère partiellement la chaleur stockée par la capsule et les barrettes lors de la combustion précédente et augmente sa température avant son passage entre les électrodes. Pour améliorer les turbulences favorables au réchauffement du mélange de combustion la hauteur de barrette fig. 3 N (6) diminue progressivement jusqu'au milieu. L'augmentation de la température du mélange combustible près de ltélectrode facilite 1'allumage surtout dans les cas d'utilisation d'un mélange pauvre, ou mal préparé. Selon le moteur et le mélange utilisés on peut multiplier le nombre de barrettes de façon à augmenter la récupération thermique. Dans le cas où la bougie n'est pas placée au centre de la chambre de combustion il faut prévoir les orifices qui dirigent la projection de la flamme parallèlement à la surface du piston, dans un angle différent de 180 (voir dessin N 4). Le nombre des orifices et leur taille dans la capsule doivent tre limités afin de garder la puissance de projection de flamme, déjà constituée. Pour les nouveaux types de chambre de combustion et de pistons il faut sélectionner la largeur des orifices et l'angle favorable pendant des essais spécifiques. L'angle de projection de la flamme est surtout très important pour le moteur à deux temps. Il est possible d'équiper la capsule avec une seule barrette fig. I N (6) ou (7) en fonction des performances préexistantes des moteurs, Pour diminuer la tension appliquée aux électrodes, il est prévu de laisser un espace libre à l'intersection des barrettes fig. l N (7) et (6) d'un mm maximum pour constituer un canon électronique où un canon à ions fig. IN (1) Le diamètre du trou du canon est à déterminer en fonction de 1'alliage composant la barrette afin de palier l'oxydation des parois On peut égaiement substituer au trou, une barrette fendue en son milieu de quelques dixièmes de millimètre (fig. 5). La barrette horizontale fig. l N (6) traverse la barrette transversale fig. IN (7) exactement au dessus de l'électrode centrale fig. l (4). La barrette horizontale peut remplir la fonction supplémentaire d'électrode de terre, au cas où l'arc est déplacé par le courant du mélange combustible. Les cavités constituées sont remplies par le combustible autour de l'électrode centrale et au fond intérieur de la capsule, combustible qui brute en seconde phase permettant d'obtenir une vitesse accrue du mélange allumé au moment de la sortie de la capsule. La propagation de la flamme dans la chambre de combustion a tendance à brûler d'abord près de la surface du cylindre. Cette forme de combustion permet de créer des turbulences qu'on ne peut obtenir dans un moteur à bas régime en raison des géométries de la chambre de combustion et du piston. L'invention est un procédé de production simultanée d'une décharge à étincelles, et la projection dirigée de flammes créant deux ou plusieurs foyers de combustion indépendants générés par une seule bougie d'allumage. On peut appeler ce système double allumage"monobougie" La fabrication de la capsule et la forme des barrettes pourront tre exécutés en une seule pièce sur une presse. Dans la deuxième phase de l'opération la capsule (I I) peut tre soudée au culot de la bougie. (2) Les contraintes du travail de la capsule sont moins sévères que pour l'électrode de terre en"L"ce qui permet d'utiliser le mme alliage de métal que le culot de la bougie, ou tout autre ne provoquant pas de différence de dilatation. La capsule permet d'échanger plus de chaleur avec le culot de la bougie par une plus grande surface de contact Seule la composition de la barrette d'électrode justifie le choix d'un alliage plus élaboré. RESULTAT DE TEST La bougie d'allumage dans sa première forme, a été soumise à un test de durabilité sur route pendant 30 heures. Des mesures de gaz d'échappement ont été effectuées sur banc d'essai dans la plage 1000 à 5000 tours/mn sans charge appliquée. Les résultats sont présentés aux figures 8 et 9 par des diagrammes montrant la différence de concentration de CO et CO puis HC (non brûlé) entre une bougie commercialisée et le prototype. LEGENDE DE FIGURES 1.. s 9 La liste descriptive les dessins 1 trou constituant le canon électronique à électrons ou à ions, 2 le culot de la bougie, 3 la céramique isolante, (4) d'électrode centrale, 5 1'angle de croisement de barrette (d'électrode de terre), 6 la barrette horizontale, 7 la barrette transversale, 8 la chambre de précombustion, 9a et 9b les orifices communiquant avec la chambre de combustion, 10 barrette fendu en son milieu, ! ! capsule Figure 1 ; coupe verticale la bougie. Figure 2, coupe horizontale AA de la capsule. Figure 3, coupe verticale CC de la capsule. Figure 4, coupe horizontale A, AI de la capsule la version"angle# 180 " Figure 5, coupe verticale B2B2 de la capsule la version"fente" Figure 6 ; coupe verticale B, B, de la capsule la version"trou traversant" Figure 7 ; coupe verticale B, B,. Figure 8, taux des particules non brûlées Figure 9, taux nocif de CO REVENDICATIONS 1) Bougie d'allumage munie d'une capsule en forme de"U"dont l'intérieur possède des orifices permettant la projection des flammes à !'extérieur de la bougie, caractérisé en ce que la capsule comprend des barrettes (6) et (7) perpendiculaires l'une par rapport à l'autre. Le point de croisement des barrettes constitue une d'électrode de terre placée exactement en face de l'électrode centrale. La disposition des orifices permet la projection des flammes en direction des parois du cylindre. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que la surface des barrettes placées dans la capsule constitue un échangeur de chaleur. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de la barrette (6) placée dans la capsule diminue progressivement jusqu'au point d'intersection des barrettes. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des barrettes peuvent prendre la forme droite ou courbe. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point d'intersection des barrettes (6) et (7) comporte un trou d'un diamètre d'au maximum 1 mm, constituant par sa conception un canon a électrons où à ions. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le trou de canon a électrons ou a ions peut traverser la barrette et la capsule. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le trou a la base du canon électronique ou a ions qui traverse la barrette communique par une fente avec les deux cotés de la barrette sans traverser la capsule.