Brevet FR2918456A1 — publié le 20090109

DISPOSITIF DE MESURE DU COURANT D'IONISATION DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION La présente invention concerne un dispositif de mesure du courant d'ionisation dans une chambre de combustion. PRESENTATION GENERALE DE L'ART ANTERIEUR Afin de mieux maîtriser la combustion survenant dans les chambres de io combustion, notamment dans les chambres de combustion des moteurs à combustion interne, il est souhaitable de contrôler en temps réel plusieurs paramètres de flamme. De telles informations peuvent être fournies par la mesure d'un courant dit courant d'ionisation. 15 En effet, lors de la combustion d'un mélange carburé air/essence, la flamme contient des particules chargées électriquement et représentent ainsi un milieu conducteur dont la conductivité dépend du régime de combustion. Il est donc possible de contrôler les paramètres de combustion dans une chambre de combustion d'un moteur en mesurant la conductivité électrique de 20 la flamme. Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des sondes de mesure du courant d'ionisation permettant la mesure de l'ionisation locale de la flamme. Une telle sonde de mesure du courant d'ionisation comprend deux 25 électrodes débouchant dans la chambre de combustion et permettant la mesure du courant d'ionisation circulant entre les électrodes. Le document FR 2 772 922 propose d'utiliser les électrodes d'une bougie d'allumage pour la mesure du courant d'ionisation. Un inconvénient de ce type de dispositif de mesure est que la mesure du courant d'ionisation est perturbée par l'étincelle d'allumage générée par la bougie d'allumage pour initier la combustion dans la chambre de combustion du moteur. Pour pallier cet inconvénient, on a déjà proposé d'utiliser une sonde de mesure du courant d'ionisation séparée de la bougie d'allumage. Le document EP 0 982 495 propose une telle sonde de mesure du courant d'ionisation. Cette sonde comprend une première électrode constituée par une bougie de préchauffage, et une deuxième électrode constituée par les io parois de la chambre de combustion. Toutefois, étant donné que toutes les parois de la chambre de combustion représentent l'une des électrodes de la sonde, et font ainsi parti du circuit de mesure du courant d'ionisation, il devient difficile de faire une distinction entre : 15 -les informations locales de la flamme, et - les informations moyennes de la chambre de combustion. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif amélioré de mesure du courant d'ionisation dans une chambre de combustion. 20 PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet on prévoit selon l'invention un dispositif de mesure du courant d'ionisation dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, le dispositif comprenant une électrode centrale et une électrode périphérique, 25 les deux électrodes étant cylindriques coaxiales et isolées entre elles, le dispositif comprenant au moins un organe métallique relié électriquement à l'électrode périphérique ledit organe s'étendant dans la chambre de combustion sur une distance supérieure à une distance de coincement. On entend, dans le cadre de la présente invention, par distance de coincement, la distance de coincement de la flamme par rapport à la paroi de la chambre de combustion. Plus particulièrement, lors d'une combustion dans la chambre de combustion, la propagation de la flamme est ralentie par la paroi, au point de s'arrêter à une distance finie de celle-ci : la distance de coincement. Les électrodes centrale et périphérique du dispositif coopèrent avec des moyens de polarisation conformés pour polariser les électrodes et des moyens de mesure du courant d'ionisation. io Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif de mesure selon l'invention sont les suivants. Selon une première variante : o l'organe consiste en au moins une antenne reliée électriquement à l'électrode périphérique, 15 o l'antenne est en alliage à base de nickel (par exemple GB2211515), o l'antenne reliée électriquement à l'électrode périphérique est coudée, o l'antenne reliée électriquement à l'électrode périphérique est coudée de sorte qu'une portion de ladite antenne s'étend vers l'axe de révolution de l'électrode ou dans une direction opposée à l'axe de 20 révolution de l'électrode, Selon une deuxième variante, l'organe consiste en une (ou des) portion(s) de l'électrode périphérique s'étendant dans la chambre de combustion sur une distance supérieure à la distance de coincement. Dans tous les cas : 25 0 le dispositif peut être séparé de moyens d'allumage du moteur, o la tension de polarisation est choisie de sorte que la gaine cathodique est supérieure à la distance de coincement de la flamme. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend au moins un organe relié électriquement à l'électrode périphérique. Par exemple, le dispositif de mesure peut comprendre deux, trois, quatre,... organes. Ce (ou ces) organe(s) peut (peuvent) être une (des) lame(s) s'étendant vers l'axe de révolution de l'électrode. Ce(s) organe(s) peut (peuvent) également être en forme de U inversé, chaque organe étant connecté électriquement par ses deux extrémités à l'électrode périphérique. L'invention concerne également un moteur à combustion interne io comprenant un dispositif de mesure du courant d'ionisation tel que décrit précédemment. L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion tel que décrit ci-dessus. 15 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : 20 - les figures 1A, 2A, 3A, 4A sont des vues de dessus de différents modes de réalisation du dispositif de mesure du courant d'ionisation ; -la figure 1B, 2B, 3B, 4B sont des vues en coupe des différents modes de réalisation illustrés aux figures 1A à 4A ; 25 - la figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation du dispositif de mesure du courant d'ionisation. DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Le dispositif selon l'invention va maintenant être décrit plus en détail en référence aux figures 1A à 5. Les éléments équivalents représentés dans les différentes figures porteront les mêmes références numériques. En référence aux figures 1A et 1B, on a illustré un premier mode de réalisation du dispositif de mesure du courant d'ionisation selon l'invention. Ce dispositif est destiné à être disposé dans une culasse 1 d'une chambre de combustion 2. io Le dispositif comprend deux électrodes métalliques cylindriques 4, 5 : une électrode centrale 4 et une électrode périphérique 5. Les deux électrodes 4, 5 sont montées de manière coaxiale. L'électrode centrale 4 est située à l'intérieure de l'électrode périphérique 5. Ces deux électrodes 4, 5 sont isolées l'une de l'autre par un premier 15 cylindre diélectrique 6a. Les deux électrodes 4, 5 sont également isolées de la culasse 1 de la chambre de combustion 2 par un deuxième cylindre diélectrique 6b. La face de l'électrode périphérique 5 en regard de la chambre de combustion comprend au moins un organe métallique s'étendant vers 20 l'intérieur de la chambre de combustion 2. Chaque organe est solidaire mécaniquement et relié électriquement à l'électrode périphérique 5. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 1A et 1B, quatre organes sont reliés à l'électrode périphérique 5, chaque organe étant constitué par une antenne 7. 25 Les antennes 7 sont de faible diamètre par rapport au diamètre de l'électrode centrale 4. On entend, dans le cadre de la présente invention, par faible diamètre par rapport à l'électrode centrale , un diamètre au moins 10 fois inférieur au diamètre de l'électrode centrale 4. Les antennes sont constituées en un matériau métallique dont le point de fusion est élevé. Par exemple, le matériau constituant les antennes est un alliage à base de nickel (par exemple GB2211515). Comme illustré aux figures 1A et 1B, chaque antenne 7 reliée à l'électrode périphérique 5 est coudée de sorte qu'une portion de ladite antenne 7 s'étend vers l'axe de l'électrode 5 périphérique. Dans la variante illustrée aux figures 3A et 3B, chaque antenne 7 reliée à l'électrode périphérique 5 est coudée de sorte qu'une portion de ladite antenne 7 s'étend dans une direction opposée à l'axe de ladite électrode 5. io Ceci permet de limiter les perturbations des signaux mesurés par une diminution de la capacité parasite du dispositif. Les antennes 7 sont disposées de manière régulière. Dans le mode de réalisation des figures 1A et 1B, les antennes sont disposées tous les 90 de sorte que les portions coudées des quatre antennes forment une croix en vue 15 de dessus. Les électrodes centrale et périphérique 4, 5 sont reliées à des moyens polarisation et de mesure du courant d'ionisation. Plus précisément, l'électrode périphérique 5 est reliée à la borne positive d'une alimentation électrique 8, et l'électrode centrale 4 est reliée à la 20 borne négative de l'alimentation électrique 8 par l'intermédiaire d'une résistance 9. De cette manière, l'électrode centrale 4 est portée à un potentiel négatif par rapport à l'électrode périphérique 5. Ainsi, l'électrode périphérique 5 constitue l'anode et l'électrode centrale 4 constitue la cathode du dispositif de 25 mesure. La différence de potentielle entre les électrodes centrale et périphérique 4, 5 peut être maintenue par une alimentation électrique 8 continue ou variable alternativement. La résistance 9 permet de mesurer le courant électrique dans le circuit ainsi constitué (cathode 4 flamme antenne 7 anode 5 alimentation 8 résistance 9 cathode 4) et ainsi de déterminer le courant électrique d'ionisation. En effet, l'intensité du courant mesuré aux bornes de la résistance 9 est fonction de la conductivité électrique de la flamme qui est directement liée au régime de combustion. Ainsi, la résistance 9 fait partie des moyens de mesure du courant d'ionisation et l'alimentation électrique 8 fait partie des moyens de polarisation. Une particularité du dispositif selon l'invention est que l'organe relié io mécaniquement et électriquement à l'électrode périphérique 5 s'étend vers l'intérieur de la chambre de combustion 2 sur une distance supérieure à une distance de coincement 3. Cette caractéristique technique est commune à l'ensemble des modes de réalisation de l'invention. 15 La distance de coincement 3 correspond à la distance à laquelle la flamme s'arrête par rapport à la paroi de la chambre 2 lors d'une combustion. Cette distance de coincement 3 correspond à l'épaisseur de la couche limite thermique entourant la paroi de la chambre de combustion 2. La couche limite thermique est une couche limite turbulente dont la turbulence est 20 produite par des instabilités ayant pour origine des différences de températures et/ou de masses spécifiques de l'air. Dans cette couche, les échanges thermiques entre la flamme et l'air n'ont pas lieu. Le fait que l'organe (ou les organes) dépasse(nt) la couche limite thermique (i.e. s'étendent sur une distance supérieure à la distance de 25 coincement 3) permet d'assurer un bon contact électrique de la jonction cathode 4 flamme antenne 7 anode 5 au moment d'arrivée de la flamme au niveau du dispositif de mesure. En effet, le fait que l'organe (ou les organes) s'étende(nt) à l'intérieur de la chambre de combustion 2 sur une distance supérieure à la distance de coincement 3 permet, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, d'assurer un bonne échange thermique entre la flamme et l'organe (ou les organes) de sorte que ce(s) organe(s) chauffe(nt) à une température proche de celle de la flamme. Ceci permet de fournir une mesure stable et précise du courant électrique d'ionisation et améliore ainsi la mesure locale en temps réel de paramètres physiques dans la chambre de combustion 2. Avantageusement, la tension de polarisation appliquée entre les électrodes centrale 4 et périphérique 5 par l'alimentation électrique 8 via la io résistance 9 est suffisante pour que les ions positifs de la flamme soient attirés vers l'électrode centrale 4 (i.e. cathode) à travers la couche limite thermique. La distance minimale d'attraction, connue dans le métier sous le nom de gaine cathodique , est fonction de la tension de polarisation, du courant d'ionisation, et de la surface collectrice de la cathode. 15 Au vu de ce qui précède, la tension de polarisation est préférentiellement choisie de sorte que la gaine cathodique soit supérieure à la distance de coincement 3 de la flamme. Un exemple de mode de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention est le suivant. 20 L'électrode centrale 4 présente un diamètre de 5 millimètres. La tension appliquée aux deux électrodes 4, 5 est de 40 Volts. La résistance 9 présente une valeur de résistance électrique égale à 220 kilos ohms. Les antennes 7 sont en un alliage à base de nickel et présentent un diamètre de 0.2 millimètres et une hauteur de 5 millimètres par rapport à l'électrode centrale 4. 25 Dans une variante de réalisation illustrée aux figures 2A et 2B, les antennes 7 associées à l'électrode périphérique 5 sont des antennes archées. En d'autres termes, les antennes 7 ont une forme de U inversé, les deux extrémités de chaque antenne 7 étant mécaniquement solidaires et électriquement reliées à l'électrode périphérique 5. Ceci permet d'améliorer la rigidité et la solidité des antennes 7 reliées à l'électrode périphérique 5. Dans une autre variante de réalisation illustrée aux figures 4A et 4B, les antennes 7 mécaniquement solidaire et reliées électriquement à l'électrode périphérique 5 sont des lames. Ceci permet d'améliorer la rigidité et la solidité des antennes 7. Ceci permet également d'augmenter la surface de contact entre les antennes 7 et la flamme lors la combustion, et ainsi d'améliorer la mesure du courant d'ionisation. Dans une autre variante encore, les organes reliés à l'électrode io périphérique 5 consistent en une (ou des) portion(s) de l'électrode périphérique 5. Cette (ou ces) portion(s) s'étend(ent) dans la chambre de combustion 2 sur une distance supérieure à la distance de coincement 3. Avantageusement, on peut utiliser une bougie multi électrodes (reliée à une résistance et une alimentation électrique) en tant que sonde de mesure du courant d'ionisation. 15 Une telle bougie présente l'avantage d'être adaptée à une utilisation dans une chambre de combustion d'un moteur. Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont 20 destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée du dispositif de mesure de courant d'ionisation défini dans les revendications jointes. 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du courant d'ionisation dans une chambre de combustion (2) de moteur à combustion interne, le dispositif comprenant une électrode centrale (4) et une électrode périphérique (5), les deux électrodes (4, 5) étant cylindriques coaxiales et isolées entre elles, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un organe métallique relié électriquement à l'électrode périphérique (5), ledit organe s'étendant dans la chambre de io combustion sur une distance supérieure à une distance de coincement (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque organe consiste en une antenne (7) reliée électriquement à l'électrode périphérique (5). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque antenne (7) est en un alliage à base de nickel. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que 20 chaque antenne (7) reliée électriquement à l'électrode périphérique (5) est coudée. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque antenne (7) reliée à l'électrode périphérique (5) est coudée de sorte qu'une portion 25 de ladite antenne (7) s'étend vers l'axe de ladite électrode (5). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque antenne (7) reliée à l'électrode périphérique (5) est coudée de sorte qu'une portion 15Il de ladite antenne (7) s'étend dans une direction opposée à l'axe de ladite électrode (5). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque organe consiste en au moins une portion de l'électrode périphérique (5) s'étendant dans la chambre de combustion (2) sur une distance supérieure à la distance de coincement (3). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce io qu'il est séparé de moyens d'allumage du moteur. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de polarisation est choisie de sorte que la gaine cathodique est supérieure à la distance de coincement (3) de la flamme. 10. Moteur à combustion interne comprenant un dispositif de mesure du courant d'ionisation selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion selon la 20 revendication 10.