Brevet FR2858024A1 — publié le 20050128

I La présente invention se rapporte à un dispositif d'allumage d'un mélange air/carburant présent dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. De manière conventionnelle, un moteur à combustion interne à 5 allumage commandé nécessite un système d'allumage du mélange air/carburant se trouvant dans la chambre de combustion du moteur. Parmi les systèmes d'allumage connus, le plus courant comprend une bougie d'allumage qui crée une étincelle électrique dans la chambre de combustion à un moment prédéterminé du cycle de combustion. 10 L'étincelle électrique est produite en appliquant une tension électrique entre les deux électrodes de la bougie afin d'ioniser le milieu situé entre ses électrodes et permettre le passage d'un arc électrique. De manière connue, la tension nécessaire pour produire l'arc augmente en fonction de la composition du mélange et de sa pression. L'utilisation d'une bougie d'allumage présente néanmoins des inconvénients. Les points de fonctionnement moteur de forte charge requièrent, compte tenu de la forte pression du mélange situé dans la chambre de combustion, une forte tension aux bornes des électrodes de la bougie 20 pour pouvoir ioniser le milieu entre les électrodes et permettre le passage de l'arc électrique. En certains cas, lorsque la pression du mélange est très élevée, la tension est si importante qu'elle ne peut plus être assurée par la bobine du circuit d'allumage, provoquant ainsi des ratés d'allumage. La qualité de l'arc électrique peut varier selon la présence de points 25 d'encrassement sur les électrodes. De plus, I'aérodynamique interne peut également modifier la forme de l'arc électrique ce qui a pour conséquence de le rendre moins efficace et générer des instabilités du fonctionnement du moteur. D'autres dispositifs d'allumage de moteurs à combustion interne ont 30 été proposés. Le document US 4 493 297 décrit un système d'allumage comprenant un jet de plasma. Dans ce système, une puissante décharge électrique est créée dans une cavité afin de former une poche de gaz chaud ionisé. Le plasma ainsi formé est éjecté par un orifice s'ouvrant 35 dans la chambre de combustion et allume ainsi le mélange air/carburant s'y trouvant. Le document EP 0 913 897 décrit l'utilisation d'une électrode à décharge filamentaire, dans la chambre de combustion, pour allumer le mélange air/carburant du moteur. L'électrode est alimentée à partir d'une source haute fréquence. Toutefois, le système d'alimentation permettant la mise en oeuvre de ce type d'électrode n'est pas complètement décrit. La demanderesse s'est fixé comme objectif de fournir un dispositif d'allumage pour un moteur à combustion interne, qui est fiable et qui assure le bon fonctionnement du moteur. Aussi, la présente invention a trait à un dispositif d'allumage d'un mélange io air/carburant présent dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant une bougie d'allumage montée de façon que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur et comprenant une électrode destinée à créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion, et un circuit 15 d'alimentation électrique de la bougie caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend un multiplicateur de tension agencé pour créer au moins une impulsion électrique ayant une durée inférieure à 100ns. Ce type de dispositif d'allumage permet d'assurer l'allumage dans un volume plus important du mélange air-carburant présent dans la chambre 20 de combustion et ce afin d'améliorer le rendement du moteur. De préférence, le circuit d'alimentation crée une impulsion d'une tension d'environ 100kV. Avantageusement, le multiplicateur de tension comprend plusieurs câbles coaxiaux de longueur égale, chaque câble comprenant un 25 conducteur interne entouré d'un conducteur externe. De préférence, à une extrémité les câbles sont reliés en parallèle, tous les conducteurs internes des câbles étant reliés ensemble à la sortie de l'éclateur, les conducteurs externes des câbles sont reliés à la masse, et au côté opposé, les câbles étant reliés en série et reliés à la bougie et 30 à la masse. Le dispositif d'allumage proposé dans le cadre de cette invention repose sur l'allumage d'un mélange air-carburant en utilisant la phase transitoire de décharge plasma qui précède le passage à l'arc électrique. Dans cette phase transitoire de décharge, le plasma créé est hors équilibre thermique et hors équilibre chimique du type décharge filamentaire. Pour optimiser cette décharge, on utilise une alimentation électrique haute tension pulsée à front de montée de tension rapide. Ceci 5 permet de générer des électrons très énergétiques dans le gaz qui vont créer, par collisions avec les molécules du mélange, des radicaux et initier la combustion. Avec ce système d'allumage, l'énergie électrique injectée sert spécifiquement à créer des électrons énergétiques qui vont initier la chimie d'allumage. On évite la phase de chauffage du gaz présente dans I l'allumage par un arc électrique. La transition plasma/flamme est donc plus efficace si on utilise une décharge filamentaire énergétique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention vont maintenant être décrits de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés donnés à titre illustratif et non limitatif sur lesquels: - la Figure 1 est une section schématique d'un moteur à combustion interne muni d'un dispositif d'allumage selon l'invention; - la Figure 2A est une vue schématique en détail d'un élément de la figure 1; - la Figure 2B est une vue schématique en détail d'un élément de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation; - la Figure 3 est un schéma électrique d'un circuit permettant l'alimentation de l'élément des figures 2A et 2B; et - les Figures 4A et 4B représentent chacune la variation de la tension électrique d'une impulsion en fonction du temps. Comme représenté sur la Figure 1, un moteur à combustion interne, représenté généralement en 10, comprend au moins un piston 12 susceptible de se déplacer dans un cylindre 14. Une chambre de combustion 16 est délimitée dans le cylindre 14. Une bougie 18 est 30 montée de façon que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion 16, et comprend une électrode destinée à créer une décharge électrique à l'intérieur de cette chambre. La bougie 18 est représentée plus en détail sur la Figure 2A. La bougie 18 comprend un corps 20 sensiblement annulaire qui est destiné à être monté dans la paroi du moteur 10 au moyen d'un filetage 22. Une électrode 24 s'étendant généralement axialement à l'intérieur du corps 20 5 est monté dans le corps au moyen d'un tube en matériau diélectrique 26. Le tube et l'électrode font saillie au-delà du corps 20, seule l'extrémité 28 de l'électrode 24 dépassant à l'extérieur du matériau diélectrique. L'extrémité 28 de l'électrode 24 est effilée pour augmenter localement le champ électrique. Dans un deuxième mode de réalisation représenté sur la Figure 2B, l'électrode 24 est munie de plusieurs pointes 30, trois dans l'exemple illustré. De préférence, le rayon de courbure de la ou des pointes est inférieur à 1 mm et, avantageusement est de 50p. L'électrode de masse doit être distante de la pointe de l'électrode 24 15 d'au moins lmm et, avantageusement, est constituée par la paroi du cylindre du moteur ou par toute autre partie de la chambre de combustion. Selon l'invention, I'électrode 24 est alimentée par un circuit électrique destiné à fournir au moins une impulsion électrique de haute intensité et de courte durée comme il sera décrit ci-après. Comme représenté sur la Figure 3, un circuit électrique destiné à alimenter la bougie 18 comprend un transformateur 32 agencé pour charger une capacité C1 34 et un éclateur 36 qui sert à décharger la capacité 34 une fois que la tension aux bornes de celui-ci a atteint un niveau prédéterminé. Le circuit comprend de plus un multiplicateur de 25 tension, représenté généralement en 38, qui est agencé pour augmenter la tension de l'impulsion formée en sortie de l'éclateur 36 jusqu'à un niveau prédéterminé. Le primaire du transformateur 32 est chargé à partir de la tension provenant de la batterie du véhicule (non-représenté). Le temps de 30 charge du primaire conditionne la quantité d'énergie disponible (1/2Li2) dans le reste du circuit. Le primaire du transformateur est ensuite brusquement ouvert. Il se produit alors une montée en tension du secondaire du transformateur qui va charger la capacité 34. La capacité 34 est comprise entre 100 et 1000 pF. La tension maximale de charge est d'environ U=20-40kV en 10 à 1000 micro secondes. L'énergie stockée dans la capacité 34 est 1/2C1U2. A noter que ce processus de charge de la capacité 34 est relativement lent, comparé aux événements décrits par la suite. Une diode 40 évite les courants de retour sur le secondaire du s transformateur 32. A la fin de la phase de montée lente en tension, on atteint la tension de claquage de l'éclateur 36. La charge stockée dans la capacité 34 se décharge alors pendant une durée qui dépend, entre autres, de l'impédance de l'éclateur 36. Cette impédance est d'environ 40nH et est 10 en tout cas inférieure à 100nH. L'éclateur 36 est constitué de deux électrodes métalliques hémisphériques 42,44 placées dans une enceinte pressurisée 46. Cette enceinte 46 peut contenir de l'air ou de l'azote dans lequel une quantité ajustable de gaz électronégatif peut être ajouté, par exemple une quantité de SF6 se trouvant entre 0 et 20%. La tension de 15 claquage de l'éclateur 36 est ajustée en faisant varier la distance entre les deux électrodes 42,44, la pression dans l'enceinte 46 et la composition de mélange gazeux qu'elle contient. La tension de claquage étant fonction du produit pression*distance, et I'inductance de l'éclateur proportionnelle à la distance inter-électrodes, on privilégiera une distance inter-électrodes 20 relativement faible et une pression de fonctionnement élevée de 1 à 10 bars. Pour pouvoir augmenter la fréquence de fonctionnement de l'éclateur 36, un écoulement de gaz dans l'espace inter-électrodes est assuré par une turbine de circulation 52, permettant d'évacuer le gaz qui a 25 pu conserver une mémoire de la décharge précédente (espèces excitées ou ionisées). La tension de l'impulsion de tension obtenue en sortie de l'éclateur 36 est augmentée par le multiplicateur de tension 38 qui sera décrit plus en détail ci-après. Le multiplicateur de tension 38 comprend plusieurs 30 câbles coaxiaux 48 de longueur égale. Chaque câble coaxial comprend, de manière connue en soi, un conducteur interne entouré d'un conducteur externe et séparés par un isolant électrique. Dans l'exemple donné, quatre câbles sont utilisés, mais on peut avantageusement utiliser entre 2 et 10. Du côté de la sortie de l'éclateur 36, les câbles 48 sont reliés en 35 parallèle, c'est à dire que tous les conducteurs internes des câbles sont reliés ensemble à la sortie de l'éclateur. Les conducteurs externes des câbles 48 sont reliés à la masse. Du côté opposé, les câbles 48 sont reliés en série et reliés à la bougie 18. C'est à dire que le conducteur externe du premier câble 48a est relié à la masse et le conducteur interne du premier câble 48a est relié au conducteur externe du second câble 5 48b, puis le conducteur interne du second câble 48b est relié au conducteur externe du troisième câble 48c, etc., le conducteur interne du dernier câble étant relié à l'électrode 24. Pour éviter des retours d'ondes par l'extérieur des câbles, des ferrites 51 peuvent être placées autour des différents câbles 48. La longueur de chaque câble 48 est comprise entre 1 et 100 mètres, mais de préférence est d'environ 5 mètres. Le multiplicateur de tension créé par le montage des différents câbles permet d'augmenter la tension par un facteur de 2 à 5, notamment 3. Un générateur d'impulsion haute tension est une source importante 15 de pollution électromagnétique. Pour pouvoir utiliser ce type de générateur dans de bonnes conditions, il peut être nécessaire d'enfermer le générateur dans une enceinte de protection en métal conducteur, qui peut être constitué d'une grille avec une maille fine ( cage de Faraday ) qui est mise à la masse du véhicule. L'impulsion électrique haute tension ainsi générée produit à la pointe l'électrode 28 des décharges du type filamentaires très énergétiques ramifiées dans l'espace. Ceci permet une initiation multi-sites dans un volume important du mélange air-carburant dans la chambre de combustion. La configuration géométrique du dispositif d'allumage selon 25 I'invention ne confine pas le noyau initial de flamme et permet un développement plus rapide de la combustion. La sensibilité du système aux conditions locales de mélange et d'écoulement est fortement réduite. On peut augmenter le nombre de sites d'allumage en augmentant le nombre de pointes 30 à l'extrémité de l'électrode 24. Comme représentée sur la Figure 4A, I'impulsion électrique créé par le circuit d'alimentation a un front de montée en tension de durée Atrt inférieur à 20 ns et avantageusement de 10ns. La durée de l'impulsion At est inférieure à 100ns et dans tous les cas doit rester inférieure au temps de passage à l'arc du système d'allumage. De préférence le circuit d'alimentation crée une impulsion d'une tension maximale de 100kV. L'énergie électrique fournie au système d'allumage est de l'ordre de 100mJ et donc du même ordre de grandeur que l'énergie électrique fournie à une bougie classique. L'alimentation électrique peut alimenter la bougie plusieurs fois pendant un cycle moteur, comme représenté sur la figure 4B. Dans l'exemple la répétition des impulsions est régulière avec une période At1, correspondant à une fréquence f1. La fréquence f1 est avantageusement 10 de 1000Hz. Le but est de pouvoir augmenter l'apport total d'énergie sans passer par la phase d'arc électrique. Dans un cadre plus général, le dispositif d'allumage peut être activé pendant tout le cycle moteur. En évitant volontairement la phase d'arc on annule l'érosion des électrodes, ce qui permet d'étendre la durée de vie du système 15 d'allumage à la durée de vie du moteur. Le dispositif d'allumage selon l'invention permet de réduire sensiblement les ratées d'allumage du moteur et de réduire sa sensibilité à l'encrassement. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage d'un mélange air/carburant présent dans une 5 chambre de combustion (16) d'un moteur à combustion interne comprenant une bougie d'allumage (18) montée de façon que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion (14) du moteur et comprenant une électrode (24) destinée à créer une décharge électrique à l'intérieur de la chambre de combustion, et un 10 circuit d'alimentation électrique de la bougie (18) caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend un multiplicateur de tension (38) agencée pour créer au moins une impulsion électrique ayant une durée inférieure à 100ns. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit 15 d'alimentation crée une impulsion d'une tension d'environ 100kV. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce le multiplicateur de tension (38) comprend plusieurs câbles coaxiaux (48) de longueur égale. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le circuit 20 d'alimentation comprend de plus un éclateur agencé pour décharger la capacité lorsque sa tension a atteint un niveau prédéterminé. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'à une extrémité les câbles (48) sont reliés en parallèle, tous les conducteurs internes des câbles étant reliés ensemble à la sortie de l'éclateur, les 25 conducteurs externes des câbles (48) sont reliés à la masse, et au côté opposé, les câbles (48) étant reliés en série et reliés à la bougie (18) et à la masse. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend de plus un transformateur et 30 une capacité, le transformateur étant agencé pour charger la capacité.