Brevet FR2921765A1 — publié le 20090403

[1] La présente invention se propose d'être une bougie pour moteur à essence à allumage commandé, dont les caractéristiques favorisent la pertinence de l'étincelle. La bougie est la pièce mécanique transformant l'énergie électrique en arc électrique, primum moyens de l'inflammation du mélange. Cette bougie est alimentée en haute tension par le secondaire d'un transformateur, appelé également bobine, dont le primaire fonctionnant le plus souvent en 12 V, est en série avec un interrupteur mécanique ou électronique dont la coupure brusque et cyclique engendre l'étincelle. L'idée de relation entre le � design � des électrodes d'une bougie et ses performances s'exprime par la grande variété des styles proposés, toutes choses égales par ailleurs. Il existe depuis quelques temps des bougies à effet de surface ou à étincelles de surface. Ces bougies sont destinées, de par leur géométrie, à créer un champ électrique faisant parcourir à l'étincelle un chemin comprenant le manchon isolant de l'électrode centrale, ce qui aurait pour effet de débarrasser le manchon des dépôts carbonés, tel un jet d'eau à haute pression. La nature même des dépôts, justement carbonés, risque de court-circuiter le phénomène physique censé les faire disparaître : résistivité du carbone à 20 degrés : 1,3mS2 /cm. De plus, le temps imparti au phénomène de nettoyage est probablement trop court pour obtenir le résultat recherché, car nous n'avons plus affaire à un gaz, mais à un solide dont l'inertie thermique est nécessairement plus longue que pour un gaz. L'enthalpie d'évaporation : nickel : 374 KJ/mol platine : 469 KJ/mol carbone : 710 KJ/mol tungstène : 824,2KJ/mol Nickel et platine étaient des métaux utilisés dans les tubes électroniques pour leur bonne tenue aux températures élevées. Le meilleur moyen de combattre le phénomène de dépôts est encore de déclencher une ignition aussi parfaite que possible dés l'apparition de l'étincelle. Or, 2921765 [2] nous savons que, pour deux électrodes planes, une petite demi-sphère située sur l'une d'entre elles, dans l'espace inter-électrodes, multiplie le champ électrique par trois. Si cette même demi-sphère se transforme en demi-ellipsoïde pointu (c'est à dire présentant, ici, deux demi-sections elliptiques pointues), et pour un rapport grand-axe 5 sur petit-axe de l'ellipsoïde égal à trente, le champ électrique est multiplié par trois cents. C'est cet effet de pointe avec son � amplification � de champ électrique et son effet capteur d'étincelles qui interviennent dans le dispositif proposé. L'ellipsoïde étant une sphère déformée � sans à coups �, les lignes de champ s'établissent plus rapidement et plus uniformément dans le temps que pour des 10 électrodes planes. Elle favorise un champ électrique � focalisé � par resserrement local des lignes de champ électrostatique inter électrodes, et assure ainsi la préexistence de l'effet couronne permettant l'apparition d'étincelles survenant plus systématiquement au même endroit dans l'espace et, par l'effet de pointe que l'on peut accentuer selon le résultat voulu, la survenue d'arcs convergents qui en simulent un seul, intense, au lieu 15 d'arcs multiples dispersés, et faibles. Cette stabilité spatiale pour une même décharge électrique, et un seul point préférentiel de capture pour les étincelles, favorisent une élévation thermique rapide et intense du volume de mélange alentour, contribuant à la bonne inflammation de ce dernier. Focalisation et rapidité d'établissement du champ confinent, au 20 maximum à proximité des électrodes, l'extension de l'ionisation des composants et particules contenus dans le mélange. Cela minimise le risque que certaines formations, plus grosses que d'autres environnantes, ne viennent perturber intempestivement l'apparition de l'arc par modification des conditions locales : cela évite le pré-allumage. En effet, ce n'est pas l'ionisation d'un grand volume de gaz qui initie l'arc mais l'effet 25 d'avalanche. C'est donc l'effet d'avalanche ou effet couronne que l'on doit prioritairement favoriser. Le résultat est un meilleur contrôle du délai de déclenchement de l'étincelle par rapport à la fermeture du circuit haute tension ; avec à la clef un meilleur respect des paramètres prédéterminés. Cela est d'autant plus important que les mélanges actuels dits stratifiés (la richesse décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne [3] de la bougie) nécessitent une grande précision pour obtenir la simultanéité de la présence de l'étincelle et du passage au voisinage des électrodes du nuage de mélange lorsqu'il est proche des proportions stoechiométriques. _ L'homogénéité du mélange, près des électrodes, est préservée grâce à sa faible électrophorèse tridimensionnelle, elle même due à une faible ionisation des composants en présence, là encore grâce à � la focalisation � du champ électrique. Cela est d'autant plus important que les conditions stoechiométriques ne sont pas satisfaites (mélanges dits stratifiés utilisés par les moteurs actuels à injection). La quantité de produits carburés mal brûlés de début de combustion est moindre, ce qui diminue la quantité de monoxyde de carbone produit. La progression de l'accumulation de dépôts carbonés sur les électrodes est moindre également. Les courants de fuites sont réduits d'autant. La différence de potentiel inter-électrodes ne sera pas altérée au cours de la vie de la bougie ; les conditions prédéterminées sont maintenues. _ L'effet de pointe, par son � amplification � du champ électrique, permet soit une économie d `énergie électrique, soit à énergie électrique égale un arc beaucoup plus important par un écartement plus large des électrodes, et donc une meilleure interface arc-mélange. De plus, le concepteur peut, par le choix des courbures des électrodes, par le choix de l'espace qui les sépare ainsi que la détermination de la tension utilisée, obtenir un champ disruptif particulièrement efficace pour la mise à feux du mélange. _ L'ensemble des caractéristiques vues ci-dessus permet de dire que la � fenêtre temporelle � d'apparition de l'étincelle sera plus étroite. Cette plus grande stabilité temporelle que pour une bougie conventionnelle peut être avantageuse pour combattre le cliquetis. En effet, ce sont principalement les paramètres fixant l'instant d'allumage de la charge que l'on emploie pour faire disparaître ce phénomène destructeur à haut régime ; phénomène dû à l'auto inflammation de la partie de la charge imbrûlée qui est située en avant du front de flamme, et dont il résulte une vibration intense de la masse gazeuse : le cliquetis. Enfin, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répond à : [4] X= a* Cos(u)* Cos(v) Y= b* Cos(u)* Sin(v) Z= c* Sin(v) si b=0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, l'électrode conservera une grande partie de 5 ses qualités, tout en étant plus simple à produire industriellement, si a=b, on a un ellipsoïde de petite section circulaire. La présente invention, se propose de définir un principe de géométrie des électrodes permettant de bénéficier des avantages vus plus haut et comporte pour ce faire, selon une première caractéristique, deux électrodes dont l'une au moins présente 10 une extrémité demi-ellipsoïdale pointue (c'est à dire présentant deux demi-sections elliptiques pointues). Cette dernière a donc un grand, un moyen, et un petit axe. Le grand axe suit une disposition radiale par rapport au cylindre que représente le pas de vis de la bougie ; et est situé dans le plan le plus favorable dans l'espace par rapport à l'anode, pour que soit créé le champ électrique le plus intense possible: par exemple un 15 plan parallèle au siège de la bougie pour une anode conventionnelle cylindrique dont le sommet arrive au moins à hauteur du sommet du demi-ellipsoïde. Le moyen axe est parallèle au plan dans lequel se situe le siège de la bougie ; sauf si l'électrode de polarité opposée nécessite une disposition différente à cause de son champ électrique. Enfin, son sommet est dirigé vers cette même électrode de polarité opposée. 20 _ Il est possible de déterminer les courbes optimales que devra avoir le sommet de l'électrode du fait de son caractère demi-ellipsoïdal; ce qui permet d'affiner ou non les performances d'ignition ; par exemple, moyen et petit axe égaux. En cas de bougie à deux électrodes demi-ellipsoïdales: Les deux électrodes, anode et cathode, sont opposées par leur 25 sommet. Les grands axes de chaque électrode, radiaux, considérés comme deux demi-droites de même origine, délimitent une section angulaire pouvant aller de l'angle plat (le plus favorable à l'intensité du champ électrique) à l'angle droit. Les deux moyens axes sont parallèles entre eux. [5] Ainsi que vu plus haut, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répond à : X= a* Cos(u)*Cos(v) Y= b* Cos(u)*Sin(v) Z= c* Sin(v) si b=0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, si a=b, on a un ellipsoïde de petite section circulaire. Il est possible de multiplier les paires anode-cathode par une électrode centrale en forme d'étoile, dont chaque branche a son homologue en 10 périphérie selon les caractéristiques définies ci-dessus. En fonction de la réalisation, soit une bougie à deux électrodes demi-ellipsoïdales, considérons la partie filetée de la bougie comme étant un cylindre dont l'une des bases, de rayon R, se situe du côté des électrodes; ces dernières sont à sommet ellipsoïdal, et à disposition radiale sur le même rayon R de par leur grand axe (avec la 15 variante possible envisagée plus haut). Ces électrodes son opposées par leur extrémité, et le moyen axe de chaque demi-ellipsoïde est parallèle au siège de la bougie. Les deux demi-ellipsoïdes sont donc dans le même plan (sauf variante envisagée plus haut) et opposés par leur sommet. De plus, il est possible, du fait même de la caractéristique de l'électrode centrale, qui peut être rapportée, de la manufacturer sous la forme d'une 20 étoile à, par exemple, quatre branches, avec en vis à vis de chacune d'elle leur homologue périphérique. Ainsi, selon le mode de réalisation, cette bougie peut présenter plusieurs niveaux de sophistication : un model économique n'ayant qu'une seule électrode de type demi-ellipsoïdal, un model standard où les deux électrodes (anode et cathode) sont demi-ellipsoïdales; le model de luxe avec toujours le mêmes type 25 d'électrode, disposées en étoile au centre et leur homologue en périphérie, avec le nombre de branches déterminé par le fabricant. Cette bougie étant destinée à pouvoir remplacer les bougies existantes, ses caractéristiques physiques et électriques doivent être compatibles avec les modèles disponibles actuellement sur le marché. [6] Les dessins annexés illustrent l'invention dans une version à quatre paires d'électrodes : • La figure l représente de profil, le dispositif de l'invention. • La figure 2 représente le dispositif de l'invention de face côté électrodes, 5 l'axe CD étant perpendiculaire au plan de la feuille. • La figure 3 représente la bougie de profil, et en coupe à hauteur de l'axe A B, l'extrémité supportant les électrodes du dispositif. En référence à ces dessins, la bougie comporte un siège (6), un filetage (5) à l'extrémité duquel se situe une couronne (4) sur laquelle sont soudées les électrodes 10 demi-ellipsoïdales (1) et (2). L'électrode centrale (3) de même géométrie également, est fixée sur la tige centrale (7). Bien évidement, le mode de réalisation décrit ci- dessus n'est décrit qu'à titre d'exemple, l'invention comprenant tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons qui seraient effectuées selon esprit. Revendications 1. Dispositif pour créer un arc électrique pertinent d'ignition du mélange des moteurs à combustion interne du type à allumage commandé, caractérisé en ce qu'il présente au moins une électrode dont l'extrémité est à deux ou une section(s) demi-elliptique(s) pointue(s). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le grand axe du demi-ellipsoïde est radial par rapport au cylindre que représente la bougie. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ce grand axe est dans le plan le plus favorable dans l'espace par rapport à l'électrode de polarité opposée, pour que soit créé le champ électrique le plus intense possible. 10 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, le moyen axe du demi-ellipsoïde est parallèle au plan dans lequel est situé le siège de la bougie, sauf nécessité commandée par la forme de l'électrode de polarité opposée. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, la bougie peut avoir deux électrodes de type demi-ellipsoïdal, anode et cathode. 15 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que, anode et cathode ont leur extrémité qui s'opposent. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que, le grand axe de l'anode et celui de la cathode, radiaux, considérés comme deux demi-droites de même origine, délimitent une section angulaire pouvant aller de l'angle 20 plat à l'angle droit. 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyen-axes des demi-ellipsoïdes sont parallèles entre eux. 9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, soit les plans X, Y, Z, la surface de l'ellipsoïde répondant à : 25 X = a* Cos(u)* Cos(v) Y = b* Cos(u)* Sin(v) Z = c* Sin(v) 2921765 [8] Si b= 0, alors l'ellipsoïde devient une ellipse, l'électrode sera demi-elliptique ; et si a = b, l'électrode sera demi-ellipsoïdale à petite section circulaire.