Brevet FR2904155A1 — publié le 20080125

-1- Système d'allumage et moteur à combustion interne comportant un tel système d'allumage [0001] La présente invention concerne un système d'allumage, en particulier de moteur à combustion interne. [0002] Dans un moteur à combustion interne, les deux temps û 1) admission de gaz combustible et d'air / compression du mélange gazeux / inflammation du mélange, 2) combustion et détente du mélange / échappement û ou les quatre temps û 1) admission de gaz combustible et d'air, 2) compression du mélange gazeux / inflammation du mélange, 3) combustion et détente du mélange, 4) échappement û du cycle thermodynamique se déroulent successivement dans une seule et même enceinte, dite chambre de combustion. [0003] Les moteurs à combustion interne et à allumage commandé, classiquement utilisés pour les véhicules automobiles, comportent un dispositif d'allumage destiné à l'inflammation du mélange gazeux dans la chambre de combustion à l'aide d'une étincelle. [0004] De manière classique, le système d'allumage comprend une bougie d'allumage destinée à enflammer le mélange gazeux par production d'une étincelle électrique. Un arc électrique est produit entre les électrodes de la bougie par la décharge d'un circuit électrique, ce qui permet l'initiation de la combustion dans la zone proche de la bougie. Un noyau de flamme est créé par cette étincelle électrique et l'expansion de ce noyau provoque la combustion du reste du mélange gazeux. Cette étape constitue l'étape de combustion du cycle thermodynamique du moteur. La bougie est généralement insérée dans la chambre de combustion depuis la culasse de la chambre de combustion. [0005] Lors de l'allumage à l'aide d'une bougie automobile conventionnelle, de l'énergie est déposée dans le mélange gazeux sur un temps relativement long, de l'ordre de la milliseconde, à la suite d'un processus complexe. Le potentiel électrique entre les électrodes augmente jusqu'à une phase dite de claquage établissant un courant électrique entre les dites électrodes. Cette phase provoque l'ionisation des molécules de gaz du mélange combustible dans la zone des électrodes de la bougie. Le mélange devient alors rapidement conducteur ce qui explique le passage à l'arc donnant lieu à un fort courant et à une forte chute du potentiel électrique. Le plasma d'arc ainsi formé engendre alors un noyau de flamme qui initie la réaction de combustion dans la zone de la bougie. Avec un tel système d'allumage utilisant R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc 2904155 -2- une phase significative d'arc, une partie importante de l'énergie est perdue sous forme de chaleur, ce qui entraîne une perte d'efficacité du système. [0006] L'utilisation d'une bougie d'allumage électrique telle que décrite précédemment comporte en outre plusieurs inconvénients. 5 [0007] En particulier, l'utilisation d'un arc électrique entraîne à long terme une érosion des électrodes de la bougie. [0008] L'expansion du noyau de flamme est par ailleurs freinée, et peut même être interrompue, au début de sa propagation par des pertes thermiques vers les parois des électrodes de la bougie elle-même. De plus la vitesse d'expansion du noyau de flamme est 10 relativement faible, en raison du transfert d'énergie non optimal entre le système d'alimentation électrique et le mélange combustible. [00091 Pour remplacer le système conventionnel d'allumage par production d'un arc électrique, il a été proposé différents systèmes d'allumage. [0010] En particulier, il est connu par le document DE-A-196 38 787 d'utiliser un moyen 15 d'allumage, disposé dans la culasse et relié à une source d'énergie à haute fréquence qui est un générateur de micro-ondes. Le moyen d'allumage présente une électrode dans la chambre de combustion. Les ondes émises par la source d'énergie sont irradiées depuis l'électrode dans la chambre de combustion. La chambre de combustion, qui est métallique, joue le rôle de résonateur pour les ondes. Un plasma est formé dans la chambre de combustion. 20 [0011] Le document US-A-5 361 737 décrit un appareil pour fournir une source d'allumage pour les moteurs à combustion interne comprenant un oscillateur radiofréquence, un amplificateur et un résonateur coaxial à cavité dont une extrémité constitue l'électrode de décharge. Le résonateur est couplé à l'amplificateur pour générer une décharge Corona radiofréquence qui ionise le mélange pour créer un plasma au niveau de l'électrode. Le 25 résonateur peut être adapté à une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. [0012] L'inconvénient de ces systèmes à résonateur est qu'ils ne peuvent pas facilement être adaptés à la place des systèmes classiques d'allumage du fait de leur encombrement. D'autre part ils utilisent des circuits d'électronique de puissance complexe. [00131 I1 est connu par le document US-A-5 469 013 d'utiliser un générateur d'impulsions de 30 puissance pour produire des champs électriques pulsés pour des systèmes de traitement par plasma des gaz d'échappement pour automobiles. Le générateur d'impulsions comprend une R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc 2904155 -3- pluralité d'enroulements primaires dans un transformateur, et un générateur d'impulsions produisant une impulsion de commande dans ces noyaux primaires. L'inconvénient de ce générateur est qu'il est complexe et coûteux puisqu'il utilise des composants d'électronique de puissance. D'autre part l'application revendiquée concerne le post-traitement des gaz 5 d'échappement, et il n'a pas été utilisé pour l'allumage des moteurs. [0014] Le but de l'invention est de proposer un système d'allumage simple, capable d'allumer efficacement des mélanges gazeux combustibles très dilués. [0015] Ce but est atteint par un système d'allumage, destiné notamment à des moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles comportant une bougie d'allumage et un 10 circuit électrique propre à délivrer à la bougie une série d'impulsions électriques, la première de ces impulsions étant de préférence d'amplitude supérieure aux suivantes. [0016] L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne comprenant une chambre de combustion et un système d'allumage adapté à délivrer pour chaque cycle une série d'impulsions électriques dans la chambre de combustion. 15 [0017] Les avantages du système d'allumage selon l'invention sont nombreux. En particulier, ce système d'allumage permet : - une augmentation de la robustesse à la dilution du carburant (mélange pauvre) et à la dilution par des gaz re-circulés (EGR). Augmentation de la robustesse à l'utilisation de carburants à faible pouvoir calorifique (bio-fuels, gaz naturel) ; 20 - une augmentation du rendement énergétique de l'allumage ; - une réduction du délai d'allumage (délai entre l'allumage électrique et l'augmentation significative de pression due à la combustion) ; et, - une augmentation du volume d'allumage de sorte que le système permet de réduire les variations cycle à cycle d'une combustion à l'autre. 25 [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : [0019] Figure 1, une représentation schématique de la tension induite aux bornes de la bougie en fonction du temps dans le système d'allumage selon l'invention ; 30 [0020] Figure 2, une représentation schématique du système d'allumage selon l'invention ; R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc 2904155 -4- [0021] Figure 3, une courbe de la tension mesurée aux bornes de la bougie dans un mode de réalisation de l'invention. [0022] Le système d'allumage selon l'invention comprend une bougie d'allumage et un circuit électrique adapté à délivrer à la bougie une série de N (N>_1) impulsions électriques. 5 [0023] Le système d'allumage selon l'invention permet d'enflammer un mélange combustible de façon simple et peu coûteuse. [00241 En effet, chaque impulsion électrique permet l'ionisation des molécules de gaz situées à proximité des électrodes de la bougie. o Lorsque la tension de la première impulsion dépasse une certaine tension seuil dite de 10 claquage, un courant passe entre les électrodes de la bougie via les ions et électrons du mélange combustible situé entre Ies électrodes. L'impulsion étant limitée à une courte durée, la formation d'un arc électrique est évitée. L'inflammation du mélange a lieu si l'énergie transférée au mélange combustible par cette première impulsion est suffisante. Les impulsions suivantes, très rapprochées dans le temps, permettent 15 l'ionisation de molécules supplémentaires, ce qui permet une réduction supplémentaire du délai d'inflammation. o Lorsque la tension de la première impulsion est inférieure à la tension de claquage ou lorsque l'énergie transférée au gaz par cette première impulsion est insuffisante, les impulsions suivantes très rapprochées dans le temps vont entraîner au bout d'un 20 certain nombre d'impulsions, le claquage du milieu par accumulation d'espèces excitées (ions, électrons, ...) puis l'inflammation du mélange combustible se trouvant dans la chambre de combustion. [0025] La figure 1 est une représentation schématique de la tension induite aux bornes de la 25 bougie en fonction du temps dans le système d'allumage selon l'invention. [00261 La série d'impulsions 51, 52, ..., 5N comprend au moins une impulsion. La première impulsion 51. doit, soit permettre d'allumer le mélange, soit permettre de rendre le mélange combustible suffisamment ionisé pour qu'il soit sensible aux impulsions suivantes. Préférentiellement. l'amplitude de la première impulsion 51 est supérieure à celle des 30 impulsions suivantes 52, ..., 5N et est de préférence supérieure à une tension seuil de déclenchement du passage d'un courant entre deux bornes de la bougie. L'amplitude de toutes R:1Brevets\23400\27445--060721-demande FRdoc 2904155 -5- les impulsions à partir de la deuxième est par exemple ensuite sensiblement la même. L'intervalle de temps entre les impulsions doit être suffisamment court pour que les molécules ionisées lors d'une impulsion ne se désexcitent pas avant l'impulsion suivante. Cette succession d'impulsions permet au bout d'un certain nombre d'impulsions 5 l'inflammation du mélange combustible se trouvant dans la zone des électrodes de la bougie. [0027] Chaque impulsion 51, 52, ..., 5N comprend une montée 501, 502, ..., 50N en tension jusqu'à un maximum, un plateau 511, 512, ..., 51N à cette valeur maximum, puis une descente 521, 522, ..., 52N en tension. [0028] Le maximum 511, 512, ..., 51N de tension de chaque impulsion doit être de l'ordre de 10 grandeur des tensions de claquage dans un milieu combustible sous pression et température (typiquement quelques dizaines de kilovolts), et suffisant pour qu'une production significative d'espèces ionisée soit réalisée. [0029] Les durées de montée en tension 501, 502, ..., 50N et de descente 521, 522, ..., 52N en tension de chaque impulsion doivent être de préférence les plus courtes possible car l'on 15 souhaite éviter le passage à l'arc, et car le dépôt d'énergie pendant la descente n'est pas efficace et doit donc être minimisé. [0030] La figure 2 est une représentation schématique du système d'allumage selon l'invention. [0031] Le système d'allumage selon l'invention comprend une bougie d'allumage 4 alimentée 20 électriquement par un circuit électrique. Ce circuit comprend une alimentation 1 qui délivre une haute tension. De préférence, l'alimentation est une bobine d'allumage du type utilisé dans les systèmes d'allumage classiques par arc. Le circuit électrique comprend également, entre l'alimentation 1 et la bougie 4, un élément capacitif 3. Le circuit électrique comprend, en outre, une résistance 2 située entre l'alimentation 1 et l'élément capacitif 3. La bougie 4 25 comprend par ailleurs deux électrodes 40. [0032] Au début de la phase d'allumage, l'alimentation délivre une haute tension à l'élément capacitif 3. L'élément capacitif se charge pendant une durée qui dépend de la valeur de la résistance 2 et de sa propre capacité, jusqu'à ce que la tension aux bornes de la bougie 4 atteigne la tension de claquage du mélange combustible à enflammer. A partir de cette tension 30 de claquage, du courant commence à circuler entre les électrodes de la bougie, ce qui provoque la décharge de l'élément capacitif. Ensuite l'alimentation 1 reprend la charge de R:ABrevetsV23400\23445ù060721-demande FR.doc 2904155 -6- l'élément capacitif et le processus peut recommencer. Ainsi, la tension aux bornes de la bougie 4 est sensiblement en dents de scie. [0033] La tension de claquage dépend de la température et de la pression du mélange combustible à enflammer, ainsi que du degré d'ionisation du gaz. Le gaz est partiellement 5 ionisé après la première impulsion, ce qui explique que la tension des impulsions successives sont inférieures à celle de la première impulsion. [0034] L'élément capacitif 3 est un condensateur, et est adapté pour supporter des tensions importantes. L'élément capacitif peut être remplacé par un câble coaxial, c'est à dire un câble conducteur placé dans un câble cylindrique creux faisant office de masse, ces deux 10 conducteurs étant séparés par un isolant diélectrique. Ces éléments coaxiaux se comportent comme des capacités et des inductances distribuées sur la longueur du câble. Ce type de circuit est connu sous le nom de ligne de transmission, et permet un meilleur contrôle du courant. [0035] La résistance 2 est une résistance non distribuée. Une alternative pourrait être une 15 inductance saturable, pour mieux contrôler la mise en charge de l'élément capacitif 3. [0036] Au global le système délivre à la bougie une tension en fonction du temps qui est sous la forme d'une série d'impulsions 51, 52, ..., 5N. comme expliqué ci dessus. [0037] La figure 3 représente une courbe de la tension mesurée aux bornes de la bougie dans un mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, la tension est exprimée en valeurs 20 négatives. Sur le pic indicé i sur cette courbe, la pente de la descente 52i en tension est, comme expliqué plus haut, beaucoup plus raide que celle de la montée 50i en tension. [0038] Le système d'allumage selon l'invention permet ainsi d'alimenter la bougie en haute tension de façon à déclencher le passage d'un courant dans la bougie puis de faire chuter la tension rapidement. La puissance instantanée délivrée par chaque impulsion est de plusieurs 25 ordres de grandeurs supérieure (typiquement 105W=100000W) à celle produite par un système classique d'allumage par arc électrique (typiquement 10W), ce qui permet d'obtenir une température électronique plus élevée que dans un système classique d'allumage par arc électrique et d'augmenter considérablement l'efficacité de production d'espèces chimiques excitées dans le mélange combustible. La chute de tension permet d'éviter la formation d'une 30 étincelle due à un arc électrique entre les électrodes de la bougie, ce qui permet d'avoir un meilleur rendement énergétique de la transition plasma ù gaz que pour un système d'allumage classique par arc. La température atteinte par les électrodes de la bougie est inférieure à la R:ABrevets\23400\23445ù06072 1-demande FR.doc 2904155 -7-température atteinte lors de la formation d'un arc électrique, ce qui permet de ralentir l'érosion des électrodes. [00391 Notons que la période des impulsions est sensiblement égale à l'inverse du temps de recombinaison des espèces chimiques excitées du mélange combustible. De cette façon, on 5 évite que les molécules ionisées lors de la première impulsion se désexcitent entre deux impulsions successives. De plus, la période des impulsions est de préférence supérieure à la période nécessaire pour déclencher la formation d'un arc électrique entre les électrodes de la bougie 4. Ces caractéristiques permettent de maximiser le rendement énergétique. La période des impulsions est inférieure à 100 s. 10 [0040] L'amélioration du rendement énergétique a pour conséquences directes l'augmentation de la vitesse initiale d'expansion de la flamme. Le volume d'allumage peut ainsi être augmenté de façon significative à énergie électrique égale. Cela permet en particulier de réduire les délais d'allumage et la durée de combustion. [0041] La quantité d'énergie de chaque impulsion peut être estimée par 'h C U2 où C est la 15 capacité de l'élément capacitif et U la tension maximale respective de chaque impulsion. La succession d'impulsions permet de cumuler l'énergie nécessaire pour l'initiation de mélanges fortement dilués. [0042] L'amélioration du rendement énergétique permet également de brûler des mélanges combustibles plus pauvres en carburant, ce qui améliore la robustesse de l'allumage, et en 20 conséquence, permet de réduire le nombre de ratés d'allumage et donc la formation de polluants associés à ces ratés d'allumage. [0043] Prenons l'exemple d'un mélange propane/air dans un rapport stoechiométrique par rapport à la réaction d'oxydation dont la pression et la température initiale sont initialement de 1 bar et 300K respectivement. Avec un système d'allumage constitué conformément à 25 l'invention par : - une alimentation standard de bougie (tension de sortie 16 à 25kV ; énergie 50 à 60mJ) - une résistance 2 de 10kS, un câble coaxial 3 d'un mètre de long, d'impédance 100pF. [0044] Dans ces conditions, l'allumage de mélanges propane/air a pu être réalisé avec une 30 pression allant jusqu'à 6 bars, une dilution dans l'azote allant jusqu'à 50% et avec une configuration de bougie 4 classique. L'allumage de mélanges avec de tels niveaux de dilution R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc 2904155 -8- ne peut pas être obtenu avec des systèmes d'allumage commercialisés à la date de dépôt de la présente demande. [0045] Dans cet exemple, la tension de claquage d'un mélange propane/air stoechiométrique à pression et température initiales de 1 bar et 300K respectivement est d'environ de 5kVpour un 5 écartement des électrodes de lmm. L'amplitude de la première impulsion est donc de préférence supérieure à 5kV. De plus, les impulsions de haute tension sont appliquées à haute fréquence, supérieure à 10kHz. [00461 Ainsi, le système d'allumage selon l'invention est simple de conception et peu coûteux. De plus, il est peu encombrant et peut ainsi facilement être installé à la place d'un 10 système d'allumage classique puisqu'il suffit d'insérer une résistance et un élément capacitif entre l'alimentation et la bougie. [00471 Le système d'allumage selon l'invention est destiné à être utilisé dans un moteur à combustion interne comprenant une chambre de combustion. [00481 L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant une 15 chambre de combustion et le système d'allumage décrit ci-dessus. Le système d'allumage est alors adapté à délivrer une série d'impulsions électriques dans la chambre de combustion de façon à enflammer le mélange combustible présent dans la chambre de combustion. Grâce au système d'allumage qui est simple, peu coûteux et peu encombrant, le moteur n'est pas plus coûteux ni encombrant qu'un moteur classique mais il permet d'améliorer le rendement 20 énergétique de l'allumage ainsi que d'enflammer plus facilement des mélanges combustibles relativement pauvres en carburant. [00491 Le système d'allumage peut être utilisé dans des moteurs à combustion comprenant une chambre de combustion, tels que les moteurs à allumage commandé, et plus particulièrement les moteurs à injection directe ou les moteurs à combustion homogène 25 assistés par allumage. [00501 Le système d'allumage peut également être utilisé pour l'allumage des turboréacteurs, des statoréacteurs et superstatoréacteurs et des brûleurs industriels tels que les turbines à gaz, les chaudières, les fours, etc. R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc Revendications 1. Système d'allumage comprenant : Une bougie d'allumage Un circuit électrique adapté à délivrer à la bougie (4) une série d'impulsions (51, 52, ..., 5N) électriques. 2. Système d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première impulsion (51) est d'amplitude supérieure aux suivantes (52, ..., 5N). 3. Système d'allumage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension sous forme d'impulsions (51,52, ..., 5N) est de haute fréquence. 4. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'amplitude de la première impulsion (51) est au moins égale à 5kV. 5. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les impulsions (51, 52, ..., 5N) sont sensiblement périodiques. 6. Système d'allumage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la période des impulsions (51, 52, ..., 5N) est inférieure à 100 s. 7. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'amplitude de la première impulsion (51) est supérieure à une tension seuil, dite de claquage, de déclenchement du passage d'un courant entre deux bornes de la bougie (4). 8. Système d'allumage selon la revendication 7, caractérisé en ce que toutes les impulsions (52, ..., 5N) suivant la première ont une amplitude supérieure à la tension de claquage. 9. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend : un élément capacitif (3) une alimentation (1) adaptée à délivrer une tension à élément capacitif (3). R:ABrevetsV23400\23445--060721-demande FR.doc 2904155 -10- 10. Système d'allumage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément capacitif (3) est une capacité distribuée, à l'exemple d'un câble coaxial. 11. Système d'allumage selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend en outre une résistance (2) située entre l'alimentation (1) 5 et l'élément capacitif (3), la vitesse de charge de l'élément capacitif (3) étant fonction de la valeur de ladite résistance (2). 12. Système d'allumage selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la vitesse de décharge de l'élément capacitif (3) est plus rapide que sa vitesse de charge. 13. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la 10 bougie d'allumage (4) comprend deux électrodes (40). 14. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'alimentation (1) est une bobine d'allumage classique. 15. Moteur à combustion interne comprenant : une chambre de combustion, 15 le système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 14, ledit système d'allumage étant adapté à délivrer une série d'impulsions (51, 52, ..., 5N) électriques dans la chambre de combustion. R:ABrevets\23400\23445--060721-demande FR.doc