Brevet FR2900688A1 — publié le 20071109

SYSTEME D'ALLUMAGE PAR DECHARGES ELECTRIQUES MULTI-SITES [0001] Le domaine technique de l'invention concerne l'allumage des moteurs à combustion interne, réalisé au moyen d'un arc électrique produit entre les électrodes d'une bougie placée dans une chambre de combustion. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un modèle spécifique de bougie permettant de délivrer une multitude d'arcs électriques à l'intérieur d'une même chambre de combustion. Pour une meilleure compréhension de la description, les termes arc électrique et étincelle sont équivalents, et les termes électrode positive et électrode négative désignent respectivement une électrode reliée à un générateur haute tension et une électrode reliée à la masse. [0002] Les bougies constituées par un seul couple d'électrodes entre lesquelles est appliquée une tension électrique pour produire un arc, existent déjà et ont fait l'objet de plusieurs brevets. Le fonctionnement de telles bougies fait apparaître un certain nombre d'inconvénients et de limitations parmi lesquels : - Des variations cycliques importantes du fait du caractère aléatoire du positionnement de l'arc électrique au sein de la chambre de combustion. -La nécessité d'appliquer une tension élevée entre deux électrodes éloignées l'une de l'autre, accélérant ainsi le processus d'érosion desdites électrodes, et tendant à diminuer la stabilité des cycles de combustion en raison de la grande taille de l'étincelle fortement dépendante des conditions locales d'écoulement. - Une dégradation des conditions d'allumage avec le temps, à cause d'un encrassement des électrodes dû à un dépôt de suie ou de carburant mal vaporisé. [0003] Les systèmes d'allumage selon l'invention mettent en oeuvre des bougies permettant de résoudre les problèmes précités. 4] La présente invention a pour objet un système d'allumage pour des moteurs de véhicule automobile à combustion interne, comprenant un circuit électrique et des bougies, chacune desdites bougies étant située dans une chambre de combustion dudit moteur et étant apte à initier la combustion du mélange constitué par l'air et le carburant situé dans ladite chambre. La principale caractéristique d'un système d'allumage selon l'invention est que chaque bougie possède une pluralité de sites d'émission d'étincelles. [0005] Avantageusement, les sites sont regroupés sur la bougie de manière à former une source d'arcs électriques continue et homogène. Par rapport aux bougies standard faisant intervenir un seul jeu d'électrodes permettant d'émettre une seule étincelle, le système selon l'invention assure une bonne homogénéisation de l'allumage dans la chambre de combustion en augmentant significativement la surface d'initiation de la combustion. En effet, ladite surface ne se limite plus à une seule étincelle, mais s'étend à une multitude d'arcs électriques répartis dans l'espace de manière à former une source énergétique étalée mais continue, dont la dimension caractéristique est le millimètre. Puisqu'il existe une pluralité de sites d'émission étalés spatialement, il n'est plus nécessaire d'avoir recours à des tensions de claquage élevées, comme il l'est généralement requis dans le cas d'une source ponctuelle, observée lors du fonctionnement d'une bougie standard. [0006] Avantageusement, lesdits sites comprennent chacun deux électrodes, l'une étant reliée à la masse et l'autre étant reliée à un générateur haute tension. Les tensions de claquage étant plus faibles que celle exigée dans le cas des bougies standard, l'écartement entre les deux électrodes d'un site apte à produire un arc électrique, est donc réduit. Le fait de fonctionner avec des tensions plus faibles ralentit le phénomène d'érosion desdites électrodes. [0007] Préférentiellement, l'écartement entre deux électrodes d'un même site est inférieur à 150 micromètres. De façon avantageuse, ledit écartement est de 100 micromètres. Ce faible écartement des électrodes donne lieu à la création d'arcs électriques de petite dimension et donc peu dépendants des conditions locales d'écoulement. [0008] De façon préférentielle, chaque site possède une électrode reliée à un même générateur haute tension. Toutes les électrodes reliées audit générateur sont montées en parallèle. [0009] De façon avantageuse, chaque site d'émission possède une électrode commune. [0010] Avantageusement, chaque site possède une électrode reliée à une même masse. [0011] Préférentiellement, chaque site possède une électrode reliée à la masse et qui est définie à partir d'une ouverture dans une piste conductrice. [0012] De façon préférentielle, chaque site possède une électrode allongée, reliée au générateur haute tension et couplée à une ouverture de la piste conductrice. Plus précisément, chaque ouverture traverse la piste conductrice et peut revêtir, par exemple, l'apparence d'un alésage circulaire ou d'une fente allongée. A chacune desdites ouvertures correspond une électrode positive allongée, située sur un axe de symétrie de l'ouverture. [0013] De façon avantageuse, le nombre de sites aptes à émettre un arc électrique est supérieur à cinquante, et, préférentiellement, est voisin de cent. Le nombre élevé de sites émetteurs sur une même bougie est réalisable au moyen d'un montage électronique approprié. [0014] L'invention porte également sur un moteur à combustion interne équipé d'un système d'allumage possédant les caractéristiques décrites ci-avant. L'unicité du générateur haute tension, l'électrode commune à tous les sites d'émission ainsi que l'unicité de la masse, sont autant d'éléments qui tendent vers une simplification 25 et un encombrement minimum des systèmes d'allumage selon l'invention. [0015] Les systèmes d'allumage selon l'invention présentent l'avantage de pouvoir continuer à fonctionner efficacement dans l'hypothèse où quelques sites d'émission d'étincelles seraient encrassés par de la suie ou tout autre matériau indésirable. De par cette continuité de fonctionnement, lesdits systèmes renforcent leur caractère de grande fiabilité. Les systèmes d'allumage selon l'invention présentent également l'avantage d'avoir une durée de vie accrue en raison du ralentissement du phénomène d'érosion. [0016] On donne ci-après une description détaillée de plusieurs modes de réalisation préférée d'un système d'allumage selon l'invention en se référant aux figures 1 à 9. La figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation préféré d'une 10 bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 2 est une vue du dessous de la bougie de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 4 est une vue du dessous de la bougie de la figure 3. 15 La figure 5 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 6 est une vue du dessous de la bougie de la figure 5. La figure 7 est une vue en perspective d'un quatrième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. 20 La figure 8 est une vue du dessous de la bougie de la figure 7. La figure 9 est une vue en perspective d'un cinquième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 10 est une vue en perspective d'un sixième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 11 est une vue en perspective d'un septième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 12 est une vue du dessous de la bougie de la figure 11. La figure 13 est une vue en perspective d'un huitième mode de réalisation préféré d'une bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 14 est une vue du dessous de la bougie de la figure 13. La figure 15 est une vue en perspective d'un neuvième mode de réalisation préféré d'une 10 bougie faisant partie d'un système d'allumage selon l'invention. La figure 16 est une vue du dessous de la bougie de la figure 15. [0017] En se référant aux figures 1 et 2, un premier mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention met en oeuvre une bougie 1 comprenant une tête 2, un corps 3 et une pluralité d'électrodes 4,5 négatives et positives dont la moitié 5 est reliée 15 à un générateur haute tension (non représenté) apte à délivrer un courant électrique de 20 kV, et l'autre moitié est reliée à la masse. La tête 2 de la bougie 1 a une forme sensiblement cylindrique et présente, à l'une de ses extrémités, un plot 6 relié à un circuit d'arrivée de courant électrique comprenant un générateur haute tension (non représenté), l'autre extrémité de ladite tête 2 étant prolongée par une extrémité du corps 3, lui-même de 20 forme sensiblement cylindrique. Ladite tête 2 et ledit corps 3 ont des sections profilées et présentent chacun le même axe de révolution. L'autre extrémité dudit corps 3 se termine par un promontoire 7 cylindrique de plus faible diamètre et centré, présentant une surface 8 circulaire plane de laquelle émergent huit électrodes positives 5 assimilables à des bâtonnets cylindriques, droits et parallèles entre eux. Lesdites électrodes 5 sont 25 équitablement réparties sur ladite surface 8, en étant régulièrement espacées autour d'un cercle. La tête 2 et le corps 3 comportent des parties internes conductrices connectées au plot 6 et aux électrodes positives 5, de sorte que ledit plot 6 et lesdites électrodes 5 sont en continuité électrique. Ainsi, un courant électrique de 20 kV délivré dans le plot 6, arrive aux électrodes 5. La bougie 1 comprend également huit électrodes 4 négatives connectées à la masse. Lesdites électrodes négatives 4 sont chacune représentées par une pièce en forme de L dont un segment 9 est parallèle aux électrodes positives 5 et en ayant une longueur plus importante, et l'autre segment 10 a une position radiale par rapport à l'axe longitudinal de révolution de la bougie 1. A chaque électrode positive 5 correspond une électrode négative 4 dont le segment radial 10 est placé au droit de ladite électrode positive 5 et l'autre segment 9 lui est parallèle. Ainsi, les segments radiaux 10 des électrodes négatives 4 convergent vers l'axe longitudinal de la bougie 1 sans être au contact les uns des autres. Les électrodes négatives 4 sont disposées en réseau et définissent une cage cylindrique contenant intégralement les électrodes positives 5. [0018] En se référant aux figures 3 et 4, un deuxième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie du premier mode de réalisation préféré décrit ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 14,15 de la bougie 11. En effet, ce deuxième mode de réalisation met en jeu une seule électrode positive 15 et huit électrodes négatives 14. L'électrode positive 15 a une forme cylindrique et prolonge le promontoire 17, ladite électrode 15 et ledit promontoire 17 ayant le même diamètre. Les électrodes négatives 14 sont chacune représentées par une pièce en forme de L dont un segment 19 est parallèle à l'électrode positive 15 et en ayant une longueur moins importante que celle du promontoire 17, et l'autre segment 20 est disposé suivant une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal de révolution de la bougie 11. Les électrodes négatives 14 définissent une cage cylindrique de laquelle émerge le promontoire 17 et donc l'électrode positive 15. Toutes les électrodes négatives 14 sont équidistantes de l'électrode positive 15. [0019] En se référant aux figures 5 et 6, un troisième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie du deuxième mode de réalisation préféré décrit ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 24,25. Le promontoire 27 possède sur sa surface circulaire plane 28 deux rangées de six électrodes positives 25 pointues et de forme conique. Les électrodes négatives 24 sont situées sur une piste conductrice 30 rectangulaire présentant deux rangées de six alésages 22, chacun desdits alésage 22 étant placé en position transversale par rapport à l'axe longitudinal de la bougie 21. La piste 30 est solidarisée à la bougie 21 au moyen d'une pièce support 23 et est positionnée précisément sur ladite bougie 21 de sorte que la pointe de chaque électrode positive 25 arrive tout juste au niveau de l'alésage 22 lui correspondant . Ainsi, les électrodes négatives 24 sont définies à la fois par la partie conductrice entourant chaque alésage 22 de la piste 30 et par la position centrale de chaque électrode positive 25 par rapport auxdits alésages 22. [0020] En se référant aux figures 7 et 8, un quatrième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie du troisième mode de réalisation préféré décrit ci avant, de par le fait que les électrodes positives 35 de la bougie 31, bien qu'étant toujours en position centrale par rapport aux alésages 22, sont éloignés de ceux-ci. [0021] En se référant à la figure 9, un cinquième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie des modes de réalisation préférés décrits ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 54,55 de la bougie 51. Le corps 3 de la bougie 51 se prolonge par deux bras cylindriques 56,57 et parallèles entre eux, dont les axes longitudinaux sont parallèles à celui de la bougie 51. Un bras 56 est connecté à un générateur haute tension et porte neuf électrodes positives 55 identiques, et l'autre bras est relié à la masse et porte neuf électrodes négatives 54 identiques. Toutes les électrodes 54,55 se présentent sous la forme d'aiguilles parallèles entre elles, et l'écartement entre deux électrodes 54,55 successives est le même sur chaque bras 56,57. L'implantation des électrodes 54,55 sur chaque bras 56,57 est telle que toutes les électrodes 54,55 se retrouvent les unes sous les autres en position alternée. Autrement dit, toutes les électrodes 54,55 sont alignées dans un même plan et, dans cet alignement, chaque électrode positive 55 est suivie d'une électrode négative 54. Les électrodes 54,55 de chaque bras ont des longueurs leur permettant de s'interpénétrer. Pour cet agencement spécifique, les écartements entre une électrode positive 55 et les deux électrodes négatives 54 qui l'entourent sont identiques et vice versa. [0022] En se référant à la figure 10, un sixième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie des modes de réalisation préférés décrits ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 64,65 de la bougie 61. Le promontoire 67 possède sur sa surface circulaire plane 68 et le long d'un diamètre, une rangée de cinq électrodes positives 65 alignées, régulièrement espacées et assimilables à des aiguilles cylindriques. Les électrodes négatives 64 sont situées sur une pièce conductrice 71 en forme de L, dont un segment 69 est parallèle aux électrodes positives 65 et l'autre segment 70 est disposé suivant une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal de la bougie 61. Ledit segment radial 70 porte cinq électrodes négatives 64 assimilables à des aiguilles cylindriques, alignées et régulièrement espacées. La pièce conductrice 71 est fixée à la bougie 61 de sorte que les électrodes négatives et positives 64,65 se retrouvent alignées dans un même plan , les unes sous les autres et en position alternée. La longueur des électrodes 64,65 est telle qu'il existe un espace entre les extrémités des électrodes positives 64 et les extrémités des électrodes négatives 65. [0023] En se référant aux figures 11 et 12, un septième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie du sixième mode de réalisation préféré décrit ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 74,75. Le corps 3 de la bougie 71 est prolongé par un bras cylindrique central 73 se terminant par une plate-forme 76 rectangulaire 77 sur laquelle sont disposées quatre rangées de six électrodes positives 75, assimilables à des aiguilles parallèles à l'axe longitudinal de la bougie 71. Les électrodes négatives 74 sont situées sur une piste conductrice 70 circulaire présentant quatre rangées de six alésages 72, chacun desdits alésages 72 étant placé en position transversale par rapport à l'axe longitudinal de la bougie 71. La piste 70 est solidarisée à la bougie 71 au moyen d'une pièce support 69 cylindrique et creuse, venant prolonger le corps 3 de la bougie 71 et entourant ledit bras 73. La piste 70 constitue une face circulaire plane obturant l'extrémité libre de la pièce support 69, ladite piste 70 étant positionnée sur ladite bougie 71 de sorte que chaque électrode positive 75 traverse l'alésage 22 lui correspondant. [0024] En se référant aux figures 13 et 14, un huitième mode de réalisation préféré d'un 30 système d'allumage selon l'invention se différencie du septième mode de réalisation préféré décrit ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 84,85. Le corps 3 de la bougie 81 est prolongé par un bras cylindrique central 83 présentant sur toute sa longueur huit électrodes positives 85 longitudinales, sous la forme d'ailettes rectangulaires, régulièrement espacées autour dudit bras 83 et dont les plans de surface sont radiaux. Une pièce cylindrique creuse 79 prolonge le corps 3 de la bougie 81 et entoure le bras 83 muni de ses électrodes 85. La pièce 79 possède sur sa surface latérale interne une série de huit protubérances 84 longitudinales, rectilignes et régulièrement espacées, matérialisant huit électrodes négatives 84. La pièce 79 est placée dans la bougie 81 de sorte que chaque protubérance 84 fait face à une électrode positive 85 du bras 83, l'écartement entre chaque électrode de polarité opposée étant constant. [0025] En se référant aux figures 15 et 16, un neuvième mode de réalisation préféré d'un système d'allumage selon l'invention se différencie du huitième mode de réalisation préféré décrit ci-avant, au niveau des caractéristiques des électrodes 94,95. Le corps 3 de la bougie 91 est prolongé par un bras 93 cylindrique présentant à son extrémité libre une plate-forme rectangulaire 96 sur laquelle sont disposées trois rangées de huit électrodes positives 95. Chacune desdites électrodes 95 a une forme en L, dont un segment 97 est parallèle à l'axe longitudinal de la bougie 91 et est relié à ladite plate-forme 96, et dont l'autre segment 98 est transversal par rapport audit axe. Une pièce cylindrique creuse 89 prolonge le corps 3 de la bougie 91 en entourant le bras 93, et se termine par une piste conductrice 90, circulaire et plane. La piste 90 comporte trois rangées de fentes 92 parallèles entre elles et traversant chacune, de par en par, ladite piste 90. La pièce cylindrique 89 est placée sur la bougie 91 de sorte que chaque segment transversal 98 des électrodes positives 95 vient se positionner au milieu de chaque fente 92 sans jamais être au contact du contour de ladite fente 92. Ainsi, les électrodes négatives 94 sont définies à la fois par la partie conductrice entourant chaque fente 92 de la piste 90 et par la position centrale de chaque électrode positive 95 par rapport auxdites fentes 92. [0026] Le mode de fonctionnement de tous les exemples de réalisation préférés de l'invention décrits ci-avant, est le même. Une tension de l'ordre de 20 kV est délivrée dans le plot 6 de la bougie 1, 11, 21, 31, 51, 61, 71, 81, 91 grâce à une bobine présentant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, insérée dans le circuit électrique d'allumage. Une tension est alors appliquée entre les électrodes positives 5, 15, 25, 35, 55, 65, 75, 85, 95 et les électrodes négatives 4, 14, 24, 54, 64, 74, 84, 94 qui leur correspondent, et, une fois la pression seuil de claquage atteinte, une multitude d'arcs électriques se forme entre lesdites électrodes de polarité opposée, permettant à l'énergie stockée dans le circuit électrique de se décharger. L'énergie ainsi produite, chauffe localement le gaz environnant, engendrant un noyau de flammes, lequel en se propageant, entraîne la combustion du mélange air/carburant dans toute la chambre de combustion. 15 REVENDICATIONS 1. Système d'allumage pour des moteurs de véhicule automobile à combustion interne, comprenant un circuit électrique et des bougies (1,11,21,31,51,61,71,81,91), chacune desdites bougies étant située dans une chambre de combustion dudit moteur et étant apte à initier la combustion du mélange constitué par l'air et le carburant situé dans ladite chambre, caractérisé en ce que chaque bougie (1,11,21,31,51,61, 71,81,91) possède une pluralité de sites d'émission d'étincelles. 2. Système d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sites sont regroupés sur la bougie (1,11,21,31,51,61,71,81,91) de manière à former une source d'arcs électriques continue et homogène. 3. Système d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits sites comprennent chacun deux électrodes, l'une (4,14,24,54, 64,74,84,94) étant reliée à la masse et l'autre (5,15,25,35,55,65,75,85,95) étant reliée à un générateur haute tension. 4. Système d'allumage selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque site possède une électrode (5,15,25,35,55,65,75,85,95) reliée à un même générateur haute tension. 5. Système d'allumage selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des sites possède une électrode (15) commune. 6. Système d'allumage selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'écartement entre deux électrodes d'un même site est inférieur à 150 micromètres. 7. Système d'allumage selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que chaque site possède une électrode (4,14,24,54,64,74,84,94) reliée à une même masse. 8. Système d'allumage selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque site possède une électrode (24) reliée à la masse et qui est définie à partir d'une ouverture (22,72,92) pratiquée dans une piste conductrice (30,70,90). 9. Système d'allumage selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque site 5 possède une électrode allongée (25,35,75,95), reliée au générateur haute tension et couplée à une ouverture (22,72,92) de la piste conductrice (30,70,90). 10. Système d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de sites aptes à émettre un arc électrique est supérieur à cinquante. 11. Moteur à combustion interne caractérisé en qu'il est équipé d'un système 10 d'allumage conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.