Brevet FR2855849A1 — publié le 20041210

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, et, plus particulièrement à un tel dispositif qui permet de rendre plus performant une bougie d'allumage de construction conventionnelle utilisée dans un tel moteur. De manière conventionnelle, un moteur à combustion interne à allumage commandé nécessite un système d'allumage du mélange air/carburant se trouvant dans la chambre de combustion du moteur. Par les systèmes d'allumage connus, le plus courant comprend une bougie io d'allumage qui crée une étincelle électrique dans la chambre de combustion à un moment prédéterminé du cycle de combustion. 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 15 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 requiert, 20 compte tenu de la forte pression du mélange situé dans la chambre de combustion, une forte tension aux bornes des électrodes de la bougie 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 nécessaire peut être tellement importante qu'elle 25 ne peut plus être assurée par la bobine du circuit d'allumage, provoquant ainsi des ratés d'allumage. La position de l'arc électrique peut varier selon la présence de points d'encrassement sur les électrodes. De plus, la présence d'effets d'aérodynamique interne peut également modifier la forme de l'arc 30 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 été proposés. Le document US 6 053 140 décrit l'utilisation d'un faisceau laser, 35 introduit dans la chambre de combustion, pour allumer le mélange air/carburant du moteur. Le point d'allumage est défini par le point de focalisation du faisceau. Ce type de système d'allumage présente néanmoins l'inconvénient de nécessiter une forte puissance du laser afin de pouvoir provoquer l'allumage du mélange, ce qui rend le laser encombrant. Le document US 4 493 297 décrit un système d'allumage comprenant un jet de plasma. Dans ce système, une puissante décharge 5 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 dans la chambre de combustion et allume ainsi le mélange air/carburant s'y trouvant. Ce type de système d'allumage présente un inconvénient qui est dû à la forte énergie dépensée lors de la décharge de plasma qui est à io l'origine d'une usure prématurée des électrodes de la cavité. La demanderesse s'est fixé comme objectif de fournir un dispositif d'allumage qui est fiable et qui assure le bon fonctionnement du moteur et qui permet de réduire la capacité du circuit d'allumage électronique du i5 moteur. Aussi, la présente invention a trait à un dispositif d'allumage d'un mélange air/carburant présent dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant une bougie d'allumage montée de façon 20 que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur et comprenant des électrodes destinées à contenir un arc électrique caractérisé en ce qu'il comprend une source d'au moins un faisceau laser montée dans le moteur, le faisceau laser étant orienté afin d'atteindre les électrodes de la bougie. Ce type de dispositif d'allumage permet d'assurer l'allumage du mélange tout en nécessitant une tension moindre dans le circuit d'allumage électronique. De préférence, la source comporte une fibre optique qui 30 communique à son extrémité libre avec la chambre de combustion. Avantageusement, la fibre optique comprend, à son extrémité libre, une lentille agencée pour orienter le faisceau laser sur les électrodes de la bougie. 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 dispositif d'allumage selon l'invention; - la Figure 2 est une vue schématique en détail d'un élément de la figure 1; - la Figure 3 est une section schématique d'un dispositif d'allumage selon un deuxième mode de réalisation; et - la Figure 4 est une section schématique analogue à celle de la Figure 3 selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Comme représenté sur la Figure 1, un dispositif d'allumage d'un mélange air/carburant présent dans une chambre de combustion 15 comprend une bougie 10 monté dans une paroi 12 d'un moteur à combustion interne (nonreprésenté) afin de faire saillie dans la chambre de combustion 14 du moteur. La bougie 10 comporte des électrodes 16 et 18 entre lesquelles, lorsqu'une tension suffisante est appliquée, est créée une étincelle. De manière conventionnelle, une étincelle apparaît entre 20 deux électrodes quand le champ électrostatique généré par la tension entre les électrodes atteint une valeur critique qui est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de kV/cm. L'air est alors ionisé et le courant peut traverser l'espace entre les électrodes. Selon l'invention, afin de réduire la tension nécessaire à l'apparition 25 de l'étincelle, le dispositif d'allumage comprend une source d'un faisceau laser qui est dirigé entre les électrodes 16 et 18. La source 20 du faisceau laser, disposé à proximité de la bougie 10, est reliée à celle-ci par une fibre optique 22 qui communique à son extrémité libre avec la chambre de combustion 14. Dans le mode de réalisation de la Figure 1, la fibre 30 optique 22 s'étend de manière axiale à l'intérieur de la partie inférieure de la bougie 10 et comporte à son extrémité libre une lentille 24 montée dans la bougie 10. Comme représentée plus en détail sur la Figure 2, la lentille 24 est agencée pour orienter le faisceau laser entre les électrodes 16 et 18. Ce faisceau laser est un rayonnement électromagnétique qui se caractérise par un champ électrostatique EIaser' L'orientation, c'est à dire la polarisation, du champ électrostatique Exuer est imposée afin qu'elle soit colinéaire avec le champ électrostatique Eélectrodes généré par la tension 5 appliquée entre les électrodes 16 et 18. Ainsi les deux champs s'additionnent pour atteindre la valeur critique de champ électrostatique Eétincele suivant la relation suivante: Elaser + Eliectrodes =Eetincelle A cet instant, le milieu qui sépare les deux électrodes 16 et 18 10 s'ionise et l'étincelle se créé à cet endroit. La focalisation du faisceau est un point important dans le sens o le champ électrique lasierest proportionnel à la densité de puissance du faisceau. Ce champ est donc le plus puissant au point o le faisceau a la section la plus faible. En outre, la zone de champ électrostatique intense 15 au point de focalisation permet de définir un espace le plus probable au passage de l'étincelle et permet ainsi d'assurer la fonction de contrôle de la position de passage de l'étincelle ainsi que son maintien face à des efforts aérodynamiques qui ont pour effet bien connu de déformer l'étincelle et ainsi de la rendre probablement moins efficace dans sa 20 fonction d'allumage. Un deuxième mode de réalisation est représenté sur la Figure 3. Ce mode diffère de celui de la Figure 1 en ce que la bougie 10 est montée dans la paroi 12 du moteur au moyen d'une collerette 26 qui est sensiblement annulaire et comporte des filetages interne et externe 25 permettant de recevoir la bougie 10 et monter la collerette dans la paroi 12. La fibre optique 22 passe par la collerette 26, la lentille 24 étant montée dans la collerette 26. La bougie 10, dans ce mode de réalisation, comporte une électrode centrale 16' et une électrode radiale 18' afin de créer une ouverture entre celles-ci qui s'étend sensiblement selon l'axe de 30 la bougie. La lentille 24 oriente le faisceau laser sur l'espace entre les deux électrodes 16' et 18'. Cette construction permet de retirer la bougie du moteur sans avoir à démonter l'ensemble source 20 et fibre optique 22. Un troisième mode de réalisation est représenté sur la Figure 4. Ce mode diffère de celui de la Figure 3 en ce que la bougie 10 est montée directement dans la paroi 12 du moteur, la fibre optique 22 passant à travers la paroi pour s'ouvrir à proximité des électrodes 16' et 18' de la 5 bougie. Une lentille 24, montée à l'extrémité de la fibre optique 22 oriente le faisceau laser vers l'espace entre les deux électrodes. La distance de focalisation de la lentille est courte, par exemple de l'ordre de quelques millimètres. De préférence la section de focalisation, située entre les électrodes 16 et 18 est de l'ordre du millimètre carré. La 10 lentille 24 peut être formée de quartz ou de saphir ou de tout autre matériau transparent à la longueur d'onde du laser et susceptible de résister aux conditions de température et de pression régnant dans la chambre de combustion. Une lentille 24 en quartz convient lorsque le faisceau laser a une longueur d'onde située dans la zone visible ou ultra 15 violet. La source laser 20 est agencé afin d'émettre une pulsation ayant une durée équivalente à environ 1 de rotation du moteur. A une vitesse de révolution de l'ordre de 6000 tour/min, cette période correspond à une durée de 27,8 micro secondes. De préférence, la durée de la pulsation 20 émise par la source laser se situe entre 10 et 50 micro secondes. L'énergie de chaque impulsion est de préférence supérieure à 50mJ. Le dispositif d'allumage selon l'invention présente de nombreux avantages. Grâce à la contribution du champ électrostatique du laser, la création de l'étincelle entre les électrodes de bougie d'allumage est plus 25 efficace. En effet, la tension à appliquer aux bornes des électrodes de la bougie pour créer l'arc électrique est plus faible. Ceci permet de revoir à la baisse la capacité du circuit d'allumage, et notamment des bobines ou d'améliorer l'allumage sur les points de fonctionnement moteur à fortes charges. Cette baisse de capacité se situe entre 0 et 50% selon les 30 caractéristiques de fonctionnement du moteur. Ainsi, en créant un passage favorisé pour l'étincelle, le dispositif selon l'invention permet de contrôler le point de passage de l'étincelle et d'assurer son maintien face à des efforts aérodynamiques, ce qui permet de stabiliser le point d'allumage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage d'un mélange air/carburant présent dans une 5 chambre de combustion (14) d'un moteur à combustion interne comprenant une bougie d'allumage (10) montée de façon que son extrémité fasse saillie à l'intérieur de la chambre de combustion (14) du moteur et comprenant des électrodes (16, 18; 16', 18') destinées à contenir un arc électrique caractérisé en ce qu'il comprend une source (20) d'au moins un faisceau laser montée dans le moteur, le faisceau laser étant orienté afin d'atteindre les électrodes (16, 18; 16', 18') de la bougie (10). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce la source (20) comporte une fibre optique (22) qui communique à son extrémité libre avec la chambre de combustion (14). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce la fibre optique (22) comprend, à son extrémité libre, une lentille (24) agencée pour orienter le faisceau laser sur les électrodes (16, 18; 16', 18') de la bougie (10). 4. Dispositif selon l'une des revendications I à 3 caractérisé en ce la fibre optique (22) s'étend à l'intérieur de la bougie (10). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce la bougie (10) est montée dans une paroi (12) du moteur au moyen d'une collerette (26), la fibre optique (22) passant par la collerette (26), la 25 lentille (24) étant montée dans la collerette (26). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce la bougie (10) est montée dans une paroi (12) du moteur, la fibre optique (22) passant par cette paroi (12), la lentille (24) étant montée dans la paroi (12).