Brevet FR2814288A1 — publié le 20020322

La présente invention est relative à un dispositif d'allumage du mélange combustible introduit dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, au moyen d'une bougie entre les électrodes de laquelle se produit une étincelle électrique provoquant l'ignition de ce mélange, cette bougie étant logée dans une capsule comportant un axe de révolution, fermée sur elle-même et faisant saillie dans la chambre de combustion du cylindre, cette capsule étant de plus munie d'orifices pour l'entrée du mélange à l'intérieur et la sortie de la flamme créée par son allumage, l'ensemble formé par la bougie et sa capsule étant généralement connu dans la technique sous le terme de bougie pré-chambre . Pour un tel dispositif, qui intègre une pré-chambre d'ignition du mélange combustible dans le cylindre d'un moteur, diverses réalisations sont connues, qui prévoient notamment un ensemble d'injection supplémentaire dans la capsule elle-même qui entoure la bougie, indépendant de celui qui amène le mélange combustible dans ce cylindre. Ces solutions sont cependant le plus souvent adoptées dans le cas de moteurs industriels de grande puissance où les cylindrées unitaires sont importantes et délimitent un espace libre suffisant pour contenir, non seulement la capsule et la bougie qu'elle entoure, mais les moyens nécessaires pour permettre l'arrivée dans le cylindre du mélange combustible et le dosage de celui-ci, ainsi qu'un dispositif de contrôle et de sécurité. Dans le cas de moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles, ces systèmes deviennent rapidement inadaptés, en particulier du fait de leur intégration dans le cylindre concerné, indépendamment des risques complémentaires de défaillance dûs à l'injection et à l'allumage du mélange combustible lui-même à l'intérieur de la capsule, même lorsque celle-ci est réalisée d'une seule pièce avec la bougie lors de la fabrication de ces composants. Notamment, la difficulté essentielle est d'obtenir, pendant la phase de compression dans le cylindre, par déplacement à l'intérieur de celui-ci du piston qu'il contient, une pénétration satisfaisante du mélange combustible dans la capsule afin de générer des conditions propres à permettre une initiation optimale de son allumage par la bougie, puis une propagation de la flamme ainsi obtenue vers la chambre de combustion dans le cylindre, à l'extérieur de la capsule, afin de provoquer l'explosion du mélange contenu dans cette chambre, avant que ne se produise l'échappement puis, en séquence, à nouveau l'admission et la compression du mélange. Un mode de réalisation particulier d'un dispositif d'allumage de ce genre est illustré par le brevet américain US-A-4 987 868, qui décrit un dispositif d'allumage où la capsule fermée qui contient la bougie est agencée de sorte que l'ignition du mélange combustible puisse être réalisée sans injection directe à l'intérieur de cette capsule. Toutefois, ce dispositif est plus spécialement adapté à un usage, non seulement dans des moteurs industriels de grande puissance du genre précité, mais qui utilisent un mélange combustible formé principalement d'air et d'un gaz plus léger que ce dernier, notamment à base de méthane. Dans cette réalisation, les orifices de passage du mélange combustible ménagés dans la paroi de la capsule qui contient la bougie sont aménagés de telle sorte qu'ils produisent un mouvement tourbillonnaire du gaz traversant ces orifices en direction des électrodes de la bougie, créant dans le flux de gaz injecté à grande vitesse au travers de ces orifices une composante tangentielle prépondérante. Notamment, l'orientation de ces orifices est déterminée de sorte que, en raison des différences de densité des composants du gaz combustible, l'air soit préférentiellement réparti à la périphérie de la capsule contre sa paroi interne, tandis que le gaz se concentre de façon plus importante au niveau de l'espace qui sépare les électrodes de la bougie en permettant une ignition plus sûre et plus efficace. En revanche, il s'avère qu'indépendamment des problèmes d'encombrement déjà mentionnés, un tel système n'est pas adapté dans le cas d'un moteur pour véhicule automobile qui utilise un mélange avec un carburant liquide, lequel nécessite, pour être allumé dans les meilleures conditions, à la fois que le liquide soit très finement pulvérisé et surtout d'être parfaitement homogénéisé. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'allumage pour moteur à injection à combustion interne de véhicule automobile, utilisant une bougie d'allumage logée dans une capsule fermée munie d'orifices d'admission du mélange combustible et de sortie de la flamme créée dans ce mélange par l'étincelle de la bougie, qui perfectionne les systèmes connus dans l'art antérieur, en particulier celui décrit dans le brevet américain précité, en modifiant fondamentalement les dispositions envisagées dans ce dernier en ce qui concerne la structure des orifices prévus dans la capsule et les effets créés par ceux-ci, pour obtenir une initiation de la flamme qui soit très sensiblement identique à elle-même à chaque cycle du moteur et une propagation rapide et constante de cette flamme dans la chambre de combustion du cylindre, même avec un mélange dont l'homogénéité n'est pas nécessairement optimale. Le dispositif selon l'invention permet notamment d'initier l'allumage du mélange combustible introduit dans la capsule de la bougie lors de la phase de compression, en procurant en permanence des conditions telles que la combustion de ce mélange à l'intérieur de la chambre du cylindre soit toujours complète et sûre, de manière à éliminer dans une large mesure des irrégularités cycliques qui créent une instabilité dans le fonctionnement du moteur, en particulier dans les zones de faible charge ou régime. A cet effet, le dispositif considéré, comportant une bougie d'allumage avec deux électrodes isolées l'une de l'autre, délimitant entre elles un espace inter-électrodes déterminé, cette bougie étant logée dans une capsule présentant un axe de révolution, fermée sur elle-même pour constituer un ensemble fixe monté à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur de véhicule automobile, cette capsule comprenant une pluralité d'orifices traversants ménagés dans sa surface et correspondant à des trous de perçage permettant le passage d'un mélange combustible préalablement injecté dans le cylindre lors d'une phase d'admission, au cours d'une phase de compression subséquente sous l'effet d'un piston mobile dans ce cylindre, puis la sortie en sens inverse d'une flamme créée par ignition du mélange par la bougie à l'intérieur de la capsule, réalisant l'allumage du mélange injecté dans la chambre de combustion, se caractérise en ce que les trous de la capsule sont cylindriques et présentent chacun un axe de perçage constituant une génératrice d'un cône commun à tous les trous, dont le sommet se situe sur l'axe de révolution de la capsule dans l'espace inter- électrodes de la bougie. Grâce à la forme cylindrique des trous de perçage et à la répartition de leurs axes selon un cône dont le sommet se situe sur l'axe de symétrie de la capsule, éliminant toute composante tangentielle dans l'écoulement créé, les flux formés avec les jets de mélange combustible introduits individuellement dans cette capsule à travers chacun de ces trous lors de la phase de compression, convergent en un point commun. La rencontre au sommet du cône dans l'espace inter- électrodes de ces flux élémentaires crée en ce point une turbulence optimale rendant le mélange parfaitement homogène, de sorte que l'étincelle produite entre les électrodes en assure l'ignition de façon sûre et efficace, la propagation de la flamme en sens inverse, notamment à la traversée des trous de la capsule pour venir allumer le mélange comprimé injecté et contenu dans la chambre de combustion, étant très notablement moins sensible aux conditions de régime et de charge du moteur. Dans tous les cas, le délai d'allumage dans la chambre est réduit, permettant de s'affranchir des conditions thermodynamiques imposées par la pression et la température du mélange, et aérodynamiques dues aux fluctuations éventuelles dans l'écoulement des flux à travers les orifices de passage à partir ou vers la chambre de combustion. De préférence, les trous traversants prévus dans la capsule sont répartis de façon régulière autour de son axe de révolution. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, ces trous sont au nombre de quatre et disposés selon quatre points deux à deux opposés par rapport à cet axe. En outre et selon une autre caractéristique du dispositif, l'angle au sommet du cône selon lequel sont disposés les axes des trous traversants de la capsule est choisi tel que ces axes ne rencontrent les parois du cylindre, du piston ou de la culasse dans la chambre de combustion qu'après un trajet aussi grand que possible, de manière à accroître la vitesse de combustion dans la chambre. Il en résulte pour la flamme une faculté améliorée d'allumage complet et efficace du mélange dans la chambre de combustion, pour tous les régimes de fonctionnement du moteur, procurant à celui-ci un meilleur rendement et donc une diminution de la consommation en carburant et une limitation sensible des émissions d'imbrûlés et de polluants lors de la phase d'échappement. De préférence, le diamètre des trous cylindriques est déterminé pour obtenir le meilleur compromis entre la pression d'admission du mélange liquide à l'intérieur de la capsule avec un écoulement rapide vers l'espace inter- électrodes de la bougie et les conditions d'échappement de la flamme lors de sa sortie ultérieure, après ignition de ce mélange. Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif, ce diamètre est compris entre 1 et 2,5 mm. De même, le volume interne de la capsule est suffisamment limité pour n'accepter qu'une quantité optimale mais réduite du mélange, apte à la fois à obtenir une meilleure homogénéisation de ce mélange et à créer une flamme d'allumage se propageant efficacement dans la chambre de combustion, ce volume étant au plus égal, selon une autre caractéristique de l'invention, à 2,5% du volume de cette chambre en position de point mort haut du piston. D'autres caractéristiques d'un dispositif d'allumage établi conformément à l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La Figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'une partie de la culasse d'un moteur à combustion interne, comprenant un dispositif d'allumage selon l'invention. - La Figure 2 est une vue en coupe d'une bougie dite pré-chambre , selon un premier mode de réalisation, illustrant la répartition des trous traversants prévus dans la capsule logeant cette bougie. - La Figure 3 est une vue en coupe et en élévation de la bougie illustrée sur la Figure 2, selon la ligne III-III de cette dernière. - Les Figures 4 et 5 sont des vues analogues à celles des Figures 2 et 3, relatives à un autre mode de réalisation, la coupe de la Figure 5 étant prise selon la ligne V-V de la Figure 4. Sur la Figure 1, la référence 1 désigne de façon très schématique une fraction de la culasse d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile, dont le détail de la réalisation importe peu à la présente invention de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le décrire ici. La culasse 1 comporte un conduit d'admission 2 pour un mélange combustible, notamment constitué d'un carburant liquide et d'air en proportions stoechiométriques adéquates, le carburant étant introduit dans le conduit 2 par un injecteur 3, en lui-même classique. Le conduit 2 est équipé d'une soupape d'admission 4 dont la tête s'appuie sur un siège 5 à l'extrémité du conduit, cette soupape étant soumise en permanence à l'action d'un ressort de rappel 6. La culasse comporte un conduit d'échappement 7 à l'intérieur duquel est montée une autre soupape 8, analogue à la soupape 4, avec un siège d'appui 9 et un ressort de rappel 10. Les conduits 2 et 7 débouchent dans un cylindre 11, dans lequel se déplace un piston 12, l'étanchéité de ce piston vis-à-vis de la paroi interne du cylindre 11 étant réalisée par des segments 13, également de façon bien connue dans la technique. Dans sa position de point mort haut, illustrée sur la Figure 1, le piston 12 dans le cylindre 11 délimite avec la culasse une chambre de combustion 14 qui, dans ce cas, présente un volume minimal, ce volume croissant avec le déplacement vers le bas sur la Figure du piston. Le mélange combustible provenant du conduit 2 est admis dans la chambre 14 lorsque la soupape 4 est ouverte, cette phase d'admission étant suivie dans le cycle normal de fonctionnement du moteur d'une phase de compression correspondant à la remontée du piston 12 et à la diminution correspondante du volume de la chambre 14. Conformément à l'invention, la culasse 1 comporte une bougie d'allumage 15, du type bougie pré-chambre , immobilisée par rapport à la culasse par tout moyen approprié, vissage ou autre, cette bougie qui fait saillie dans la chambre 14 réalisant dans celle-ci l'allumage du mélange combustible sensiblement à la fin de la phase de compression, pour passer à la phase d'explosion avec déplacement vers le bas du piston 12, avant que la soupape 8 ne s'ouvre, en permettant l'échappement des gaz brûlés. Les Figures 2 et 3 d'une part, 4 et 5 d'autre part, illustrent deux modes de réalisation de la bougie préchambre 15, les mêmes chiffres de référence ayant été repris pour désigner des organes semblables dans ces deux variantes. Sur ces figures, la référence 16 désigne une tige cylindrique axiale, en métal, constituant une des deux électrodes de la bougie 15, cette électrode étant noyée par construction dans un fourreau 17 en un matériau isolant approprié qui laisse libres ses extrémités, l'une pour relier l'électrode à un générateur de tension et permettre, à l'autre, la création de l'étincelle d'allumage. L'ensemble constitué par la tige 16 et le fourreau 17 est entouré par une capsule fermée 18, présentant un profil de révolution autour d'un axe de symétrie 19, cette capsule entourant extérieurement l'électrode axiale 16 et présentant à sa partie inférieure 20 une extension, dirigée vers l'intérieur de cette capsule et constituant la seconde électrode de la bougie. Dans l'exemple illustré sur les Figures 2 et 3, l'extension précitée est réalisée sous la forme d'un doigt 21, s'étendant selon la direction de l'axe 19 dans le prolongement et en regard de l'électrode axiale 16, les deux électrodes 16 et 21 délimitant entre elles un espace déterminé 22 dans lequel est produite une étincelle lorsque les deux électrodes sont mises sous tension à des potentiels différents. L'électrode 21 et la capsule 18 montée dans la culasse 1 sont notamment mises à la masse. La capsule 18 peut comporter dans sa surface externe un filetage 23, permettant d'assurer son immobilisation vis-à-vis de la culasse 1 du moteur, de telle sorte que son extrémité inférieure pénètre sur une hauteur suffisante dans la chambre de combustion 14, comme schématisé sur la Figure 1. Selon l'invention, la capsule 18 comprend, dans sa partie qui pénètre dans la chambre 14, une pluralité d'orifices de passage 24 entre cette chambre et l'intérieur de la capsule vers l'espace inter-électrodes 22, ces orifices 24 correspondant à des trous de perçage traversants 25, s'étendant à travers la paroi de la capsule 18 pour faire communiquer l'intérieur de celle-ci avec la chambre. Ces trous traversants 25 présentent un profil cylindrique, les axes 26 de ces trous étant inclinés et disposés selon les génératrices d'un cône commun dont le sommet 27 se trouve sensiblement au milieu de l'espace 22 entre les électrodes 16 et 21, sur l'axe de symétrie 19 de la capsule 18. Dans la variante illustrée sur les Figures 4 et 5, les dispositions mises en oeuvre sont identiques aux précédentes, sauf en ce qui concerne la seconde électrode, celle-ci, désignée par la référence 28, se présentant dans ce cas sous la forme d'une languette transversale dont l'extrémité latérale se trouve au droit de l'électrode axiale 16, de manière à délimiter avec celle-ci l'espace inter-électrodes 22. La mise en oeuvre du dispositif d'allumage considéré se déduit immédiatement de la description précédente. Dans la phase de compression, où le piston 12 remonte dans le cylindre 11, le mélange combustible provenant du conduit 2 et introduit dans la chambre de combustion 14 avant fermeture de la soupape d'admission 4, est forcé à l'intérieur de la capsule 18 de la bougie 15 à travers les trous traversants 25 par les orifices 24, selon des flux formés de jets élémentaires, disposés selon un cône commun et qui s'écoulent selon la direction des axes 26 pour venir converger simultanément au sommet 27 dans l'espace inter- électrodes 22. A cet endroit, le mélange est parfaitement homogénéisé, sans aucune composante tangentielle dans son déplacement. La production de l'étincelle entre les électrodes 16 et 21 (ou 28) provoque alors l'allumage du mélange et la création d'une flamme qui traverse en sens inverse les trous 25 et vient enflammer le mélange dans la chambre 14, en assurant une combustion efficace et améliorée de celuici, quel que soit le régime de fonctionnement du moteur. Dans tous les cas et selon une caractéristique avantageuse, l'orientation des trous traversants 25, qui détermine la valeur de l'angle au sommet 27 du cône selon lequel se répartissent les axes 26 de ces trous, est choisie de sorte que la flamme produite par l'étincelle entre les deux électrodes, qui s'échappe hors de la capsule 18 dans les conditions précitées pour allumer le mélange combustible dans la chambre 14, ait la plus grande longueur possible avant de rencontrer une paroi quelconque du cylindre 11, du piston 12 ou de la culasse 1, de manière à lui conserver dans la totalité de son trajet la meilleure efficacité. On réalise ainsi un dispositif d'allumage de conception très simple, particulièrement bien adapté à une utilisation avec des moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles, le montage des bougies pré-chambres préconisées ne présentant aucune difficulté, celles-ci pouvant en particulier être interchangées avec des bougies standard, en substituant ces dernières dans leurs logements de montage de la culasse. La fabrication de telles bougies ne soulève aucun problème, l'une des électrodes étant encapsulée et disposée en regard de l'autre. Le perçage des trous traversants et leur orientation peuvent être également aisément adaptés, en fonction de chaque condition d'utilisation. En particulier, le nombre des trous traversants, qui correspond à quatre dans les exemples décrits, pourrait être différent dans d'autres variantes, l'orientation des axes de ces trous pouvant également être modifiée. Il va donc de soi que l'invention ne se limite pas à ces exemples, mais embrasse également toutes ces autres variantes. REVENDICATIONS 1-Dispositif d'allumage, comportant une bougie d'allumage (15) avec deux électrodes (16,21, 28) isolées l'une de l'autre, délimitant entre elles un espace inter- électrodes déterminé (22), cette bougie étant logée dans une capsule (18) présentant un axe de révolution (19), fermée sur elle-même pour constituer un ensemble fixe monté à l'intérieur de la chambre de combustion (14) d'un cylindre (11) d'un moteur pour véhicule automobile, cette capsule comprenant une pluralité d'orifices traversants (24) ménagés dans sa surface et correspondant à des trous de perçage (25) permettant le passage d'un mélange combustible préalablement introduit dans le cylindre lors d'une phase d'admission, au cours d'une phase de compression subséquente sous l'effet d'un piston (12) mobile dans ce cylindre, puis la sortie en sens inverse d'une flamme créée par ignition du mélange par la bougie à l'intérieur de la capsule, réalisant l'allumage du mélange injecté dans la chambre de combustion (14), caractérisé en ce que les trous (25) de la capsule sont cylindriques et présentent chacun un axe de perçage (26) constituant une génératrice d'un cône commun à tous les trous, dont le sommet (27) se situe sur l'axe de révolution (19) de la capsule dans l'espace inter-électrodes (22) de la bougie (15). 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous traversants (25) prévus dans la capsule (18) sont répartis de façon régulière autour de son axe de révolution (19). 3-Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trous traversants (25) sont au nombre de quatre et disposés selon quatre points deux à deux opposés par rapport à l'axe de révolution (19) de la capsule (18). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle au sommet (27) du cône selon lequel sont disposés les axes (26) des trous traversants (25) de la capsule (18) est choisi tel que ces axes ne rencontrent les parois du cylindre (11), du piston (12) ou de la culasse (1) dans la chambre de combustion (14) qu'après un trajet aussi grand que possible. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diamètre des trous traversants (25) est compris entre 1 et 2,5 mm. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le volume interne de la capsule (18) est au plus égal à 2,5% du volume de la chambre de combustion (14) en position de point mort haut du piston (12).