Brevet FR2861435A1 — publié le 20050429

L'invention concerne un dispositif d'allumage par étincelle d'un jet de carburant injecté dans une chambre de combustion, un moteur à injection directe équipé d'un tel dispositif, et un véhicule automobile équipé d'un tel moteur. Comme représenté sur la figure 1 du dessin annexé, un moteur M à combustion interne pour véhicule automobile mettant en oeuvre l'injection directe d'essence comporte classiquement, pour chaque piston du moteur, un injecteur de carburant 10, par exemple d'essence, à haute pression à l'intérieur d'une chambre de combustion 12 délimitée par une culasse 14 et un piston 16, une bougie 20, et des moyens de commande 30 de l'injecteur 10 et de la bougie 20, par l'intermédiaire de lignes de commande 30i et 30b, respectivement. L'injecteur 10 est alimenté en carburant à partir d'un réservoir de stockage 26 par l'intermédiaire d'un conduit 24. Le carburant est injecté par une buse 31 dans la chambre de combustion 12 selon un axe d'injection AA, sous la forme d'un jet 32 formé de gouttelettes et de vapeur. Le jet 32 est constitué d'une partie centrale 32c, ne comportant sensiblement que de la vapeur, mais dont la structure reste inconnue, délimitée en trait pointillé sur la figure 1, et d'une partie périphérique 32p, plus riche en gouttelettes de carburant. La bougie d'allumage 20, orientée selon un axe BB, est pourvue de première et deuxième électrodes, appelées électrode centrale 34 et électrode de masse 36, respectivement, dont des extrémités 34x et 36x sont en regard l'une de l'autre (voir figure 2) L'électrode de masse 36 est isolée de l'électrode centrale 34 par un manchon céramique 37 et soudée à un culot de bougie 38, lui-même destiné à être vissé sur la culasse 14. L'électrode de masse 36 s'étend axialement au delà de l'extrémité 34x de l'électrode centrale 34, puis comporte une portion courbée de manière que l'extrémité 36x soit sensiblement alignée selon l'axe BB avec l'extrémité 34x de l'électrode centrale 34. Les extrémités 34x et 36x en regard sont classiquement espacées l'une de l'autre d'une distance déterminée en fonction de l'énergie électrique délivrée par la bobine d'allumage, typiquement d'environ 1 mm. On appelle ci-après espace inter-électrodes 39 le volume séparant les extrémités 34x et 36x dans lequel un plasma est généré lors de la mise sous tension des électrodes 34 et 36. L'espace inter-électrodes 39 est délimité par des surfaces en regard 34h et 36h des extrémités 34x et 36x, respectivement, et par une surface fictive S joignant les limites de ces surfaces en regard (voir figure 3). Les électrodes 34 et 36 sont connectées électriquement, par des fils électriques 44 et 46, respectivement, aux bornes d'une source de tension électrique 50 apte à créer une différence de potentiel électrique suffisante pour provoquer dans l'espace inter-électrodes 39 l'apparition d'un plasma, puis d'une étincelle. En fonction notamment de la position du piston 16, les moyens de commande 30 déclenchent une injection de carburant et la production d'une étincelle, de manière que l'étincelle puisse allumer le jet de carburant, et ainsi générer l'énergie nécessaire à l'entraînement du piston 16. On distingue classiquement les injecteurs à basse pression et à haute pression. Les injecteurs à basse pression, tels que l'injecteur pneumatique mis en oeuvre dans le dispositif décrit dans EP 0 748 929, permettent de générer, à une pression d'injection inférieure à 50 bars, un jet de carburant sensiblement cylindrique. Les injecteurs à haute pression permettent quant à eux de générer, à une pression d'injection supérieure à 50 bars, un jet de carburant sensiblement conique. Avec les injecteurs à haute pression, le rendez-vous entre jet de carburant et étincelle est une difficulté encore imparfaitement surmontée, à l'origine de ratés de combustion. Cette difficulté explique, au moins en partie, que les moteurs à injection directe n'ont pas connu l'essor attendu. II existe donc un besoin pour un dispositif de production d'étincelles apte à supprimer, ou au moins limiter, les ratés de combustion. Le but de la présente invention est de répondre à ce besoin. Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un dispositif d'allumage comprenant une bougie comportant des première et deuxième électrodes aptes à générer dans un espace inter-électrodes, sous l'effet d'une différence de potentiel électrique, un plasma électrique puis une étincelle, un injecteur à haute pression apte à injecter selon un axe d'injection, par une buse d'injection, un jet de carburant dans une chambre de combustion. Ce dispositif est remarquable en ce que ledit espace inter-électrodes est disposé, au moins en partie, dans un cône d'injection fictif, orienté selon l'axe d'injection, dont le sommet est matérialisé par ladite buse, et présentant un angle au sommet compris entre 25 et 80 , de préférence compris entre 30 et 65 . Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, l'injecteur à haute pression peut ainsi souffler puissamment sur l'espace inter-électrodes de manière à déformer le volume du plasma produit dans l'espace inter-électrodes par la différence de potentiel électrique appliquée entre les électrodes. En conséquence, l'étincelle subséquente est plus longue et plus efficace. Le nombre de ratés de combustion en est donc réduit. Le dispositif selon l'invention comporte encore les caractéristiques 15 préférées suivantes: - Ledit espace inter-électrodes est disposé dans le trajet d'une partie centrale dudit jet de carburant dans laquelle ledit carburant est en phase vapeur. - Ladite bougie et ledit injecteur sont agencés de manière que ledit axe d'injection coupe ledit espace inter-électrodes, de préférence en son centre. Avantageusement, l'efficacité du soufflage en est accrue, le jet étant en effet plus puissant dans sa partie centrale à proximité de l'axe d'injection qu'à sa périphérie. Au moins une desdites électrodes, de préférence les deux dites électrodes, est (sont) agencée(s) de manière à ne pas couper ledit axe d'injection en amont dudit espace inter-électrodes. Avantageusement, on limite ainsi au maximum la protection de l'espace inter-électrodes par les électrodes. L'efficacité du soufflage en est améliorée. - Au moins une desdites électrodes, de préférence les deux dites électrodes, est (sont) agencée(s) de manière à ne pas couper ledit axe d'injection en aval dudit espace inter-électrodes. Avantageusement, on évite ainsi la formation de dépôts charbonneux sur les électrodes, dépôts susceptibles de provoquer un court-circuitage de l'étincelle. On limite également l'apparition d'une contre-pression en aval de l'espace interélectrodes, susceptible de dégrader l'efficacité du soufflage. Au moins une des première et deuxième surfaces desdites première et deuxième électrodes, 34h et 36 h respectivement, délimitant ledit espace inter-électrodes, s'étend sensiblement parallèlement audit axe d'injection (voir figure 3). L'axe d'injection ne coupe donc pas cette surface. De préférence, les deux dites première et deuxième surfaces sont orientées parallèlement audit axe d'injection. Avantageusement, l'exposition de l'espace inter-électrodes au jet est ainsi optimisée. Le flux de carburant et l'effet de souffle dans l'espace inter-électrodes sont donc maximaux. - Lesdites première et deuxième électrodes s'étendent, au moins dans ladite chambre de combustion, dans des premier et deuxième demi-espaces, respectivement, séparés par un plan contenant ledit axe d'injection. Avantageusement, cette disposition limite la présence d'obstacles au jet de carburant à proximité de l'axe d'injection, ce qui permet de limiter les perturbations du jet. Lesdites première et deuxième électrodes sont symétriques, au moins à proximité dudit espace inter-électrodes. Cette disposition permet de produire un jet plus homogène et plus facile à enflammer. - Le dispositif comporte des moyens de réglage d'une dimension dudit espace inter-électrodes. Avantageusement, la géométrie de l'espace interélectrodes peut ainsi être parfaitement adaptée à la position de l'axe d'injection afin de maximaliser le flux de carburant, en particulier le flux de carburant de la partie centrale du jet, traversant l'espace interélectrodes. - Le dispositif comporte des moyens détrompeurs de positionnement de ladite bougie. Avantageusement, les moyens détrompeurs permettent un montage rapide et simple apte à assurer un positionnement satisfaisant des électrodes par rapport à l'injecteur. L'invention concerne également un moteur à combustion interne à injection directe, remarquable en ce qu'il comporte un dispositif d'allumage par étincelle conforme à l'invention. L'invention concerne enfin un véhicule automobile pourvu d'un tel moteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure 1, précédemment décrite, est une représentation schématique d'un système d'injection directe d'un véhicule automobile selon la technique antérieure, - la figure 2, précédemment décrite, une représentation schématique d'une bougie classiquement utilisée dans un système d'injection directe, la figure 3, précédemment partiellement décrite, est une représentation schématique en perspective d'un détail de la figure 4, - les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques de premier et deuxième modes de réalisation du dispositif d'allumage selon l'invention. Dans les figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou analogues. Quand les organes analogues ont des structures sensiblement différentes, l'une des références est affectée d'un signe prime (') ou seconde ("). On se reporte à présent aux figures 4 et 5. Quand l'espace inter-électrodes 39 est localisé, au moins en partie, de préférence en totalité, dans un cône d'injection imaginaire C, représenté en trait interrompu, d'axe AA, d'angle au sommet a compris entre 25 et 80 , le sommet étant matérialisé par la buse 31 de l'injecteur 10, le jet de carburant 32 peut déformer efficacement le plasma, en particulier si l'espace inter-électrodes 39 est situé à proximité de l'axe d'injection AA, où les vitesses des particules sont les plus élevées, et si l'espace inter-électrodes 39 est bien exposé au flux de carburant incident. On appelle angle au sommet d'un cône l'angle entre deux génératrices diamétralement opposées de ce cône. De préférence, l'espace inter-électrodes 39 est coupé, de préférence sensiblement en son centre, par l'axe d'injection AA. On considère qu'en dehors du cône d'injection C, le souffle produit par l'injecteur est insuffisant pour obtenir une diminution sensible du nombre de ratés de combustion. La position de l'espace inter-électrodes 39 dans le cône d'injection présente encore l'avantage d'exposer l'espace inter-électrodes 39 à la partie la plus centrale du jet qui est la plus riche en phase vapeur de carburant, et donc la plus facile à enflammer. De préférence, la distance séparant la buse 31 de l'injecteur 10 et l'espace inter-électrodes 39 est déterminée de manière que les vitesses d'entraînement de la vapeur en amont de l'espace inter-électrodes 39 soient supérieures à 10 m/s environ. On considère que de telles valeurs de vitesses sont nécessaires pour que l'effet de souffle puisse déformer significativement le plasma. Le flux de carburant à travers l'espace inter-électrodes 39 est défini 10 comme la quantité massique de carburant traversant de part en part l'espace inter-électrodes 39 par seconde. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 4, une bougie 20' comporte des électrodes 34' et 36' de forme similaire aux électrodes 34 et 36 des bougies classiques, mais de préférence plus longues que celles-ci. Ainsi, de préférence, seules ces électrodes pénètrent profondément dans la chambre de combustion 12, ce qui permet de limiter les perturbations du jet de carburant 32 par les autres parties de la bougie 20'. De préférence, la bougie 20' occupe une position angulaire autour de son axe BB déterminée de manière à maximiser l'ouverture de l'espace interélectrodes 39 vers l'injecteur 10, c'est-à-dire à maximiser l'exposition de l'espace inter-électrodes 39 au jet 32, afin d'augmenter le flux de carburant à travers l'espace inter-électrodes 39. En particulier, il est préférable qu'aucune des électrodes 34' et 36' ne coupe l'axe d'injection AA, ni en amont, ni en aval de l'espace interélectrodes 39. A cet effet, des moyens détrompeurs, non représentés, sont de préférence prévus pour garantir un positionnement optimal aisé au moment du montage de la bougie 20'. Par moyens détrompeurs , on inclut des moyens de calage en position ou d'indexage facilitant le positionnement axial et/ou angulaire autour de l'axe BB de la bougie 20. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 5, les première et deuxième électrodes 34" et 36" sont, au moins à proximité de l'espace inter-électrodes 39, orientées sensiblement perpendiculairement à l'axe d'injection AA. De préférence, les première et deuxième électrodes 34" et 36", de préférence sensiblement rectilignes, s'étendent dans des premier et deuxième demi-espaces de la chambre de combustion, El et E2 respectivement, séparés par un plan P contenant l'axe d'injection AA. Avantageusement, quelle que soit la position angulaire des électrodes autour de leurs axes, l'espace inter-électrodes 39 reste découvert et peut être traversé de part en part par le jet de carburant 32, sans interposition d'une électrode. Les première et deuxième électrodes, 34" et 36" respectivement, sont indépendantes l'une de l'autre, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas rigidement reliées l'une à l'autre. De préférence, les surfaces 34"h et 36"h sont sensiblement parallèles l'une à l'autre et parallèles à l'axe AA. De préférence encore, la position axiale d'au moins une des électrodes 34" et 36" est réglable. Une électrode peut par exemple, comme représenté sur la figure 5, être vissée sur la culasse 14. La distance h séparant les surfaces 34"h et 36"h peut ainsi être réglée par simple vissage de ladite électrode. Avantageusement, l'écartement h des électrodes peut ainsi être modifié rapidement, avec précision. De préférence, la position axiale de chacune des deux électrodes 34" et 36" est réglable, ce qui permet en outre de positionner le centre de l'espace inter-électrodes 39 exactement sur l'axe d'injection AA. De préférence, des contre-écrous 54 et 56 sont prévus pour bloquer en position axiale les électrodes 34" et 36", respectivement, de manière à garantir la stabilité du réglage dans le temps. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant. Les moyens de commande 30 ordonnent une mise sous haute tension des électrodes. Il se crée alors un plasma dans l'espace inter-électrodes 39, dans lequel une étincelle apparaît. Peu avant l'apparition de l'étincelle, les moyens de commande 30 ordonnent l'injection de carburant par l'injecteur 10. Selon l'invention, le jet de carburant 32 est injecté vers l'espace inter-électrodes 39 de manière à provoquer un souffle puissant dans l'espace inter-électrodes 39, apte à déformer le volume occupé par le plasma. Quand l'étincelle apparaît, le plasma est suffisamment étiré pour que l'étincelle puisse s'étendre sur plusieurs millimètres. L'étincelle est donc beaucoup plus longue que celle produite classiquement. En effet, quand le jet de carburant 32 n'est pas orienté vers l'espace inter-électrodes 39, il ne perturbe sensiblement pas le plasma, et l'étincelle a typiquement une longueur inférieure à 1 mm. Selon l'invention, le souffle produit par l'injecteur 10 permet de produire une étincelle ayant une longueur supérieure à 2 mm dans le sens de l'écoulement, et ainsi d'augmenter de façon sensible son efficacité. Les ratés de combustion sont ainsi considérablement moins nombreux. La présente invention n'est cependant pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage, notamment pour un moteur (M) à injection directe d'un véhicule automobile, comportant une bougie (20) comportant des première (34' ;34") et deuxième (36' ;36") électrodes aptes à générer dans un espace inter-électrodes (39), sous l'effet d'une différence de potentiel électrique, un plasma électrique puis une étincelle, un injecteur à haute pression (10) apte à injecter selon un axe d'injection (AA), par une buse d'injection (31), un jet de carburant (32) dans une chambre de combustion (12), caractérisé en ce que ledit espace interélectrodes (39) est disposé, au moins en partie, dans un cône d'injection fictif (C), orienté selon ledit axe d'injection (AA), dont le sommet est matérialisé par ladite buse (31), et présentant un angle au sommet (a) compris entre 25 et 80 . 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cône d'injection (C ) présente un angle au sommet compris entre 30 et 65 . 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit espace inter-électrodes (39) est disposé dans le trajet d'une partie centrale (32c) dudit jet de carburant (32) dans laquelle ledit carburant est en phase vapeur. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite bougie (20) et ledit injecteur (10) sont agencés de manière que ledit axe d'injection (AA) coupe ledit espace inter-électrodes (39). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit axe d'injection (AA) passe sensiblement par le centre dudit espace inter-électrodes (39). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins une desdites électrodes (34' ;34" ;36' ;36") est agencée de manière à ne pas couper ledit axe d'injection (AA) en amont dudit espace inter-électrodes (39). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins une desdites électrodes (34' ;34" ;36' ;36") est disposée de manière à ne pas couper ledit axe d'injection (AA) en aval dudit espace inter-électrodes (39). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites première (34") et deuxième (36") électrodes s'étendent, au moins dans ladite chambre de combustion (12), dans des premier (El) et deuxième (E2) demi-espaces, respectivement, séparés par un plan (P) contenant ledit axe d'injection (AA). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites première (34") et deuxième (36") électrodes sont symétriques, au moins à proximité dudit espace inter-électrodes (39). 10.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une de première (34h) et deuxième (36h) surfaces desdites première (34' ;34") et deuxième (36' ;36") électrodes respectivement, délimitant ledit espace inter-électrodes (39), s'étend sensiblement parallèlement audit axe d'injection (AA). 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage d'une dimension (h) dudit espace inter-électrodes (39). 12.Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens détrompeurs de positionnement de ladite bougie (20). 13.Moteur à combustion interne à injection directe, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'allumage par étincelle conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 14.Véhicule automobile pourvu d'un moteur à combustion interne à injection 5 directe selon la revendication 13.