Brevet FR2844013A1 — publié le 20040305

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour allumer un mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne à l'aide d'une source d'énergie électrique à haute fréquence comprenant: une structure de guides d'ondes coaxiale dans laquelle est couplée l'énergie électrique à haute fréquence et qui pénètre avec une extrémité dans la chambre de combustion respective d'un cylindre à combustion interne, cette extrémité générant un plasma à micro-ondes par un potentiel de tension élevé. Etat de la technique L'allumage d'un tel mélange air-carburant avec une bougie d'allumage correspond à une situation classique dans des moteurs à combustion interne de véhicule automobile. Dans les systèmes d'allumage actuels, on alimente la bougie de manière inductive à l'aide d'une bobine 15 d'allumage recevant une tension électrique suffisamment élevée pour former une étincelle d'allumage à l'extrémité de la bougie dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne et produire l'allumage du mélange air-carburant. Pendant le fonctionnement d'une telle bougie d'allumage 20 connue, on peut avoir des tensions allant jusqu'à trente kilos volts et dans ces conditions les résidus du procédé de combustion tels que le noir de fumée, l'huile ou le charbon ainsi que les cendres de carburant et d'huile se déposent et ces produits peuvent dans certaines conditions thermiques être conducteurs électriques. Or, aux tensions électriques élevées, on ne 25 doit avoir ni de surtension ni de claquage au niveau de l'isolateur de la bougie d'allumage et la résistance électrique de l'isolateur ne doit pas changer même sous l'effet des températures élevées produites pendant la durée de vie de la bougie d'allumage. Par exemple, selon le document DE 198 52 652 A1, on con30 naît un dispositif d'allumage dans lequel l'allumage de ce mélange aircarburant se fait dans un moteur à combustion interne d'un véhicule en utilisant un résonateur de puissance, coaxial. La bobine d'allumage est remplacée par une source de micro-ondes suffisamment puissante par exemple une combinaison d'un générateur à haute fréquence et d'un am35 plificateur. En optimisant de manière géométrique le résonateur de puissance, coaxial, on aura alors pour l'intensité de champs nécessaire à l'allumage à l'extrémité ouverte du résonateur de lignes, analogue à une bougie, et entre les électrodes des bougies, un claquage de tension avec un chemin de plasma permettant d'assurer l'allumage. Un tel allumage à haute fréquence est décrit dans le document " SAE-paper 970071, Invertigation of a Radio Frequency Plasma Ig5 nitor for Possible Internal Combustion Engine Use ". Dans cet allumage à haute fréquence ou micro-ondes, sans utiliser la bobine d'allumage habituelle, on génère une haute tension à l'aide d'une alimentation faiblement ohmique à l'extrémité chaude d'une ligne de type k/4 d'un résonateur de lignes HF. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour point de départ un dispositif d'allumage d'un mélange air-carburant d'un moteur à combustion interne à l'aide d'une source d'énergie électrique à haute fréquence ayant une structure de guides d'ondes coaxiale du type défini ci-dessus. Selon 15 l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu' une extrémité de la structure de guides d'ondes coaxiale est réalisée comme broche d'allumage et sous l'application d'un potentiel de tension par une structure de champs pénétrant dans la chambre de combustion, on génère un plasma libre dans le mélange air-carburant, et - une extrémité de la structure de guides d'ondes, coaxiale tournée vers la chambre de combustion, est munie d'un joint d'étanchéité entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur ou le boîtier du dispositif, une rondelle d'étanchéité en matière diélectrique venant par sa surface extérieure cylindrique contre le boîtier cylindrique ou contre le 25 conducteur extérieur de la structure de guides d'ondes. Dans le nuage de plasma, libre entourant l'extrémité du conducteur intérieur, en saillie, il n'y aura pas de claquage de tension entre les électrodes libres de sorte qu'il n'y aura pas non plus de courant ionique. La structure de guides d'ondes, coaxiale est conçue de fa30 çon que pour une longueur d'ondes effective prédéfinie Xeff, de l'oscillation à haute fréquence, injectée, un résonateur de lignes donne sensiblement selon la relation (2n+1) * keff/4, avec n > O, et l'oscillation à haute fréquence sera injectée par exemple par effet capacitif inductif mixte ou couplé par un couplage d'ouverture. La longueur d'ondes efficace keff est 35 définie essentiellement par la forme donnée à l'extrémité du conducteur intérieur en saillie, par l'étanchéité du diélectrique ou par la mise en forme de l'ensemble du résonateur de lignes. Dans le mode réalisation selon l'invention, on établit l'intensité de champs nécessaire à l'allumage dans la chambre de combustion à l'extrémité ouverte du résonateur en forme de bougie d'allumage. Les avantages principaux d'une telle bougie d'allumage à 5 haute fréquence par rapport à l'utilisation d'une bougie classique résident principalement dans une économie de cot et de poids liée à la miniaturisation. Comme le dispositif selon l'invention est très largement indépendant de la capacité calorifique, cela permet en outre de réduire la multiplicité des types de produits se traduisant finalement par une éco10 nomie. Selon l'invention, l'extrémité de la structure de guides d'ondes, coaxiale tournée vers la chambre de combustion est munie d'un moyen d'étanchéité entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur ou le boîtier du dispositif. L'étanchéité est assurée avantageusement 15 par une rondelle d'étanchéité en une matière diélectrique appliquée par sa surface périphérique extérieure cylindrique avec ou sans intervalle d'air contre le boîtier cylindrique ou contre le conducteur extérieur de la structure de guides d'ondes. La rondelle d'étanchéité peut être munie de la manière la 20 plus simple d'au moins une variation de section dans la direction axiale, cette variation étant brusque ou continue de façon à arriver à une structure de champs, optimale générant un plasma libre. Le contour du conducteur extérieur ou du boîtier du conducteur intérieur est formé dans les zones d'application de la rondelle d'étanchéité suivant la section du con25 tour correspondant de la rondelle d'étanchéité. Grâce à une adaptation géométrique optimale du diamètre extérieur de la chambre du résonateur et de la broche d'allumage proprement dite comme parties du conducteur intérieur, appliquées contre le côté intérieur de la rondelle d'étanchéité, on peut diminuer de manière significative les maximums auxiliaires pertur30 bateurs, inévitables de l'intensité du champ par rapport aux maximums de consigne à l'extrémité de la broche d'allumage. D'une manière particulièrement avantageuse, la rondelle d'étanchéité a une forme conique à son extrémité tournée vers la chambre de combustion pour venir en appui contre le boîtier. Cette zone conique 35 sert au montage du centrage de la broche d'allumage et peut également être reliée par une liaison soudée à la rondelle d'étanchéité par exemple en matière céramique (A1203 ou AlNi). Elle peut également être réunie à l'enveloppe du boîtier par exemple en QST26 ou un alliage AlNi. Il est également avantageux que la rondelle d'étanchéité présente une forme plane à l'extrémité destinée à venir en appui contre le conducteur extérieur pour permettre d'appliquer ainsi la rondelle d'étanchéité par le manchon conducteur extérieur du résonateur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de principe d'un dispositif d'allumage à haute 10 fréquence d'un mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne ayant une structure de guides d'ondes coaxiale comme résonateur, - la figure 2 montre une réalisation selon l'invention de l'extrémité du résonateur avec une rondelle d'étanchéité venant dans la chambre de 15 combustion du moteur à combustion interne. Description d'un mode de réalisation La figure 1 montre un schéma de principe d'un dispositif pour réaliser un allumage à haute fréquence d'un mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne avec les composants d'une bougie 20 d'allumage à haute fréquence 1. On a de manière plus détaillée un générateur haute fréquence (HF) 2 et un amplificateur 3 que l'on peut éventuellement supprimer, générant des micro-ondes à des oscillations à haute fréquence. Schématiquement il s'agit d'un couplage inductif 4 des oscillations à haute fréquence dans une structure de guide d'ondes, coaxiale en 25 forme de résonateur 5 de type Xeff/4 comme composant principal de la bougie d'allumage à haute fréquence 1. Le résonateur coaxial 5 se compose d'un conducteur extérieur 6 et d'un conducteur intérieur 7. L'extrémité ouverte ou l'extrémité chaude 8 du résonateur 5 comporte un conducteur intérieur 7 en forme 30 de broche d'allumage 7a isolé par rapport au conducteur extérieur 6 et produisant l'allumage. Pour les oscillations à haute fréquence, l'autre extrémité du résonateur 5, dite froide, éloignée de la chambre de combustion constitue un court-circuit. Le diélectrique 10 entre le conducteur extérieur 6 et le con35 ducteur intérieur 7 se compose principalement d'air et d'une matière nonconductrice appropriée. Il est prévu un joint d'étanchéité 1 1 uniquement pour assurer l'étanchéité de l'extrémité ouverte 8 du résonateur 5 par rapport à la chambre de combustion. Le joint 1 1 est en une matière non- conductrice qui résiste aux températures régnant dans la chambre de combustion. Il s'agit par exemple d'une céramique. Les propriétés diélectriques de la matière de remplissage 10 ou du joint 11 sont définies avec les dimensions du résonateur 5. Cette bougie d'allumage à haute fréquence 1 utilise le principe du dépassement de champs dans un résonateur coaxial 5 de longueur (2n+ 1) * Xeff/4, relation dans laquelle n > O. Le signal à haute fréquence généré par une source micro-ondes suffisamment puissante comme générateur 2 ou éventuellement avec l'amplificateur 3, est injecté 10 par le couplage 4, par exemple de manière inductive, capacitive ou de façon combinée ou encore par un couplage d'ouverture dans le résonateur 5. La réalisation d'un noeud de tension entre le court-circuit 9 et une extension de tension à une extrémité ouverte 8 donne un champ excessif au niveau de la broche d'allumage 7a, aboutissant à un plasma libre comme 15 indiqué dans le préambule. Des composants principaux de l'invention apparaissent à la figure 2. Pour compenser la distorsion de champs ou l'atténuation du champ à la pointe du conducteur intérieur 7 ou de la broche d'allumage 7a produite par le joint 11 de l'extrémité ouverte 8 présentée à la figure 1, 20 on modifie la section d'une rondelle d'étanchéité 20 selon la figure 2 au niveau de l'extrémité ouverte 8 du résonateur 5 et on prévoit un intervalle d'air 21 entre l'enveloppe cylindrique de la rondelle d'étanchéité 20 et le boîtier ou corps 22 de la bougie d'allumage 1. Le contour de la rondelle d'étanchéité 22 est choisi pour 25 qu'à l'extrémité 8 de la bougie d'allumage, la rondelle d'étanchéité s'adapte avec un aplatissement conique contre le boîtier 22 de forme correspondante. L'intervalle 21 peut être fermé totalement ou partiellement par une soudure de la rondelle d'étanchéité 20 au boîtier 22 avec une soudure fluente 26. Par son autre côté 24, la rondelle d'étanchéité 20 est appliquée 30 à plat contre le conducteur extérieur 6 du résonateur 5. La broche d'allumage 7a est reliée par un ajustage de centrage 25 au conducteur intérieur 7 et la rondelle d'étanchéité 20 présente également un méplat conique 27 tourné vers la chambre du résonateur pour venir en appui contre un contour correspondant de la broche 35 d'allumage 7a. La détermination détaillée des dimensions géométriques de la rondelle d'étanchéité 20 et des parties de la bougie d'allumage 1 du résonateur 5 appliqué contre celles-ci dépendent des paramètres du système et de la matière de l'ensemble du dispositif. Le boîtier 22 est par exemple réalisé en acier (QST36) et la faible conductivité électrique ne joue aucun rôle car le conducteur extérieur 6 du résonateur de même que son conducteur intérieur 7 sont réalisés en une matière très bonne conductrice 5 (Cu ou alliage d'argent). La pointe d'allumage 7a peut être réalisée de manière préférentielle en une matière réfractaire ou résistant à la corrosion telle que par exemple NiAlSiYO.2 ou en platine. Comme matière pour la rondelle d'étanchéité on utilise principalement une céramique (A1203 ou AlNi), la rondelle d'étanchéité 20 10 et la pointe d'allumage 7a sont frittées, rétractées ou soudées aux pièces adjacentes et de manière préférentielle le conducteur intérieur 7 avec sa dimension la plus grande comporte une broche ajustée et la pointe d'allumage 7a avec ses dimensions les plus petites comporte un perçage d'ajustage. Selon une autre caractéristique intéressante la rondelle d'étanchéité 20 a une forme circulaire à son extrémité tournée vers la chambre du résonateur avec une cavité de section convexe. Selon un autre mode de réalisation la rondelle d'étanchéité est de forme circulaire par son extrémité du côté de la chambre de com20 bustion et elle comporte une cavité de section convexe. REVEND I CATIONS 1 ) Dispositif pour allumer un mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne à l'aide d'une source d'énergie électrique à haute fréquence comprenant: - une structure de guides d'ondes coaxiale (5) dans laquelle est couplée l'énergie électrique à haute fréquence et qui pénètre avec une extrémité (8) dans la chambre de combustion respective d'un cylindre à combustion interne, cette extrémité (8) générant un plasma à micro-ondes par un potentiel de tension élevé, caractérisé en ce que - une extrémité (8) de la structure de guides d'ondes coaxiale (5) est réalisée comme broche d'allumage (7a) et sous l'application d'un potentiel de tension par une structure de champs (22) pénétrant dans la chambre de combustion, on génère un plasma libre dans le mélange air15 carburant, et - une extrémité (8) de la structure de guides d'ondes (5), coaxiale tournée vers la chambre de combustion, est munie d'un joint d'étanchéité entre le conducteur intérieur (7, 7a) et le conducteur extérieur (6) ou le boîtier (22) du dispositif, une rondelle d'étanchéité (20) en matière diélec20 trique venant par sa surface extérieure cylindrique contre le boîtier cylindrique (22) ou contre le conducteur extérieur (6) de la structure de guides d'ondes (5). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) présente au moins une variation de section (23, 24) modifiée brusquement dans la direction axiale et/ou glissante, et qui donne une structure de champs optimale pour générer un plasma libre, et le contour du conducteur extérieur (6) ou du boîtier (22) et du conducteur intérieur (7, 7a) est réalisé dans les zones d'application du joint d'étanchéité (20) de façon à ce que sa section correspond au contour de la rondelle d'étanchéité (20). 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) présente une extrémité (8) tournée vers la chambre de combustion qui est de forme conique (23) pour venir en appui contre le boîtier (22). 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) est plane (24) à son extrémité du côté de la chambre du résonateur pour venir en appui contre le conducteur extérieur (6). ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) a une forme circulaire à son extrémité tournée vers la chambre du résonateur avec une cavité de section con15 vexe. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4ou 5, caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) est de forme circulaire par son extrémité 20 (8) du côté de la chambre de combustion et elle comporte une cavité de section convexe. 7 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) a une forme conique (26) à son extrémité tournée vers la chambre du résonateur pour venir en appui contre le conducteur intérieur (7, 7a). 8 ) Dispositif selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que - la rondelle d'étanchéité (20) est soudée, rétractée ou fixée d'une autre manière au boîtier (22). 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, 35 caractérisé en ce que - entre la rondelle d'étanchéité (20) et le boîtier cylindrique (22) on a en partie un intervalle d'air (21). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que - entre la rondelle d'étanchéité (20) et le boîtier cylindrique (22) on a au moins en partie une liaison soudée (26). 11 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le conducteur intérieur (7, 7a) est soudé, fretté ou fixé d'une autre manière sans laisser d'intervalle d'air dans la rondelle d'étanchéité (20) . 10