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EP2526595B1 - Bougie, systeme d'allumage, moteur et procede d'allumage pour le moteur - Google Patents

Bougie, systeme d'allumage, moteur et procede d'allumage pour le moteur Download PDF

Info

Publication number
EP2526595B1
EP2526595B1 EP11704661.5A EP11704661A EP2526595B1 EP 2526595 B1 EP2526595 B1 EP 2526595B1 EP 11704661 A EP11704661 A EP 11704661A EP 2526595 B1 EP2526595 B1 EP 2526595B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark plug
engine
une
spike
excitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP11704661.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2526595A1 (fr
Inventor
Maxime Makarov
Xavier Jaffrezic
André AGNERAY
Nadim Malek
Marc Pariente
Franck Deloraine
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP2526595A1 publication Critical patent/EP2526595A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2526595B1 publication Critical patent/EP2526595B1/fr
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap

Definitions

  • the invention relates to a spark plug for a confined gaseous medium present, for example, in a motor vehicle and, in particular, in an internal combustion engine disposed on the motor vehicle.
  • the electrode 5 ionizes the gaseous medium 2 when the series resonator 7 delivers at output terminal 72 an overvoltage V equal to or less than 30KV AC.
  • Such a candle 1 is known to those skilled in the art as shown, for example, in the French patent application. FR 2,859,830 .
  • the latter describes an internal combustion engine having a cylinder head, a piston and a cylinder which form between them a combustion chamber.
  • the known spark plug 1 is actuated by excitation means which supply alternating current to the series resonator via the power supply terminal 70.
  • the known spark plug 1 is used to ignite the confined gaseous medium which is contained in the combustion chamber.
  • the candle according to the invention is able to generate, from the first head of the tip, at least one branched multifilament spark in the gaseous environment.
  • This branched multifilament spark comprises a plurality of filaments which occupy a volume in the extension of the longitudinal axis outside the first head.
  • the filaments can ignite the gaseous medium confined almost instantly volumetrically, that is to say, in several places at once, which contributes to increase the spark efficiency of the candle according to the invention.
  • the filaments have temperatures ranging from about 1000 ° C to about 1500 ° C. This tends to increase the ignition reliability of the gaseous medium confined by the candle according to the invention.
  • the invention relates to an ignition system comprising at least one spark plug according to the invention and to excitation means adapted to supply, via the power supply terminal, the AC series series resonator. excitation.
  • the figure 1 represents a known candle described in the French patent application FR 2,859,830 and already commented on above. As a result, it is not described below.
  • the series resonator 7 has the more compact geometry.
  • the distance between the inductive coil 73 and the tip 6 is reduced, which contributes, for the inductance given by the inductive coil 73, to reducing the capacitance 74 of the series resonator 7.
  • the latter has an inversely proportional natural frequency F, for the inductance given by the inductive winding 73, to the square root of the capacitor 74. Consequently, the reduction of the capacitance 74 is reflected, for the given inductance of the winding.
  • the compact geometry of the series resonator 7 with the inductive winding 73 housed in the outer envelope 3 makes it possible, for the inductance given by the inductive winding 73, to increase the natural frequency F of the series resonator 7 and, therefore, its overvoltage coefficient.
  • the compact geometry of the series resonator 7 tends to reduce the power consumption of the spark plug 1.
  • the lower voltage of the alternating excitation current at the power supply terminal 70 of the series resonator 7 contributes to reducing risks of electrical losses in electrical circuits upstream of the spark plug 1.
  • the distance between the inductive winding 73 and the tip 6 is between 2 cm and 6 cm.
  • the selective overvoltage V at the output terminal 72 is equal to or less than 30 KV AC.
  • the tip 6 has at its end 60 opposite the outlet 31 of the outer casing 3 at least a first head 61 having a first radius R 1 of curvature equal to or less than 250 ⁇ m.
  • the resonator 7 series has the natural frequency F between 3 MHz and 10 MHz.
  • the candle 1 is able to generate at least one branched multifilament spark 600 generated from the first head 61 of the tip 6 and comprising a plurality of filaments 601 occupying a volume ⁇ in the extension of the longitudinal axis AB outside the first head 61.
  • the volume ⁇ occupied by the filaments 601 can be inserted into a cone ⁇ (preferably in a cone of revolution with an axis of revolution coinciding with, for example, the longitudinal axis AB) having an opening angle ⁇ of cone ⁇ less than 180 ° ( ⁇ ⁇ 180 °) and a vertex M coincides with the first head 61.
  • the filaments 601 can ignite the gaseous medium 2 confined almost instantaneously volumetrically, that is to say, in several places at once, which increases the effectiveness of the ignition by the candle 1 and helps to smother detonations (breakdowns) that can accompany the ignition.
  • the filaments 601 have temperatures ranging from about 1000 ° C to about 1500 ° C. This tends to increase the ignition reliability of the gaseous medium 2 confined by the candle 1.
  • the axial distance L1 between the inductive winding 73 (lower end 730) and the free end 60 of the tip 6 between 2 cm and 6 cm contributes to making the resonator 7 series and, in fine, the outer envelope 3 (and , therefore, the candle 1 as a whole) more compact.
  • the ratio between the height H and the transverse dimension L of the tip 6 is between 4.5 and 5.5.
  • the height H can be between about 5 mm and about 12 mm (5 mm ⁇ H ⁇ 12 mm); the transverse dimension L (diameter) can be between about 1 mm and about 5 mm (1 mm ⁇ H ⁇ 5 mm).
  • the first head 61 is disposed axially on the tip 6.
  • the latter has at its end 60 opposite the outlet 31 of the outer casing 3 at least a second head 62 having a second radius R 2 of equal or lower curvature at 250 ⁇ m and / or disposed laterally to the axis AB, (approximately) two-thirds of the height H of the tip 6 from the insulator 4, the first and the second heads 61, 62 being spaced apart from one another. another of an angle ⁇ between 45 ° and 90 °.
  • the invention relates to an ignition system 10 comprising at least one candle 1 according to the invention and excitation means 8 adapted to supply, via the power supply terminal 70, the series resonator 7 AC excitation.
  • the duration ⁇ of excitation of the series resonator 7 by the excitation means 8 is between 20 ⁇ s and 2.10 3 ⁇ s: 20 ⁇ s ⁇ ⁇ ⁇ 20 ms.
  • the rise speed ⁇ of the amplitude of the selective overvoltage V delivered by the series resonator 7 to the output terminal 72 is between 2.5 * 10 9 V / s and 5.0 * 10 9 V / s: 2 , 5 * 10 9 V / s ⁇ ⁇ ⁇ 5.0 * 10 9 V / s.
  • the rise time T of the amplitude of the selective overvoltage V delivered by the series resonator 7 to the output terminal 72 is between 10 ⁇ s and 20 ⁇ s: 10 ⁇ s ⁇ T ⁇ 20 ⁇ s.
  • the series resonator 7 has a narrower resonance peak around its resonant frequency. Therefore, any dielectric disturbance around the tip 61 due, for example, to the production by the spark plug 1 (and, therefore, by the ignition system 10) of the branched multifilament spark 600, removes almost immediately the the resonator 7's natural frequency F series of its resonant frequency at which it is controlled.
  • the selective overvoltage V delivered by the series resonator 7 to the output terminal 72 and thus on the tip 61 is immediately reduced, which prevents any spatial extension of the filaments 601 of the branched multifilament spark 600, especially in the prolongation of the longitudinal axis AB.
  • this self-regulating mechanism it is possible to adjust (by attributing the quality coefficient predefined to the candle 1 during its manufacture), the volume ⁇ occupied by the filaments 601 (and, in particular, the extent of the 600 branched multifilament spark in the extension of the longitudinal axis AB) without resorting to complex systems for the real-time management of the selective overvoltage V at the output terminal 72 of the candle 1.
  • the mastery of the Spatial extent of the filaments 601 in the extension of the longitudinal axis AB outside the spark plug 1 ensures the controlled ignition of the gaseous medium 2 confined by the ignition system 10.
  • the reduced linear dimensions of the series resonator 7 make the spark plug 1 (and, therefore, the ignition system 10) more compact and thus contribute to decluttering the engine 9 and making it lighter. These measures ultimately contribute to increasing the efficiency of the engine 9 by providing equal power for a lower weight of the latter to meet the increasingly stringent requirements of anti-pollution standards. In addition, this makes it easier to mount the spark plug 1 (and, therefore, the ignition system 10) on the engine 9.
  • the connecting channel 95 can be arranged in the cylinder head 90, and at least the piston 91 is connected to the ground terminal 71.
  • the spark plug 1 (and, therefore, the ignition system 10) can be mounted on the cylinder head 90 almost without encumbering the latter.
  • This meets an industrial need for miniaturization of 9 engines to make them comply with anti-pollution standards more stringent. Binding the piston 91 to the ground terminal 71 makes it possible to orient the induced electric field E in a preferred manner, for example, along the longitudinal axis AB, directly in the combustion chamber 94, without calling upon any other specific electrical means (for example, without using any other specific electrode disposed at a distance from the tip 6).
  • the absence of said specific electrical means contributes to make the spark plug 1 (and, therefore, the ignition system 10) more compact and to de-clutter the cylinder head 90. Therefore, the spark plug 1 (and, therefore, the ignition system 10) is better adapted to the cylinder heads 90 (and ultimately to the engines 9) of small sizes.
  • the piston 91 and the tip 6 are, along the axis AB, spaced from each other by at least 0.5 cm, as illustrated with the aid of FIG. a threshold difference referenced ⁇ between the piston 91 and the first head 61 of the tip 6 on the figure 3 : ⁇ ⁇ 0.5 cm. This should be checked under all circumstances of engine operation.
  • This mode of operation contributes to increasing the quality coefficient of the series resonator 7 and, as already mentioned above, to make self-regulating the mechanism for maintaining the second discharge (regime specific to the third zone III on the figure 5 ) without resorting to complex systems for the real-time management of the selective overvoltage V at the output terminal 72 of the candle 1.
  • This contributes ultimately to further control the ignition of the gaseous medium 2 confined by the candle 1 according to the invention (and, consequently, by the ignition system 10 according to the invention).
  • the ignition process comprises, during a compression cycle C of the motor 9, at least two stages of delivering the selective overvoltage V by the series resonator 7 to the output terminal 72.
  • This operating mode contributes to reliability of the ignition by the spark plug 1 according to the invention (and, consequently, by the ignition system 10 according to the invention) of the gaseous medium 2 confined (air-fuel mixture) in the combustion chamber 94 of the engine 9 regardless of the operating mode of the latter and, in particular, during a cold start of said engine 9 .

Landscapes

  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • L'invention concerne une bougie d'allumage pour un milieu gazeux confiné présent, par exemple, dans un véhicule automobile et, en particulier, dans un moteur à combustion interne disposé sur le véhicule automobile.
  • Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, une bougie 1 illustrée sur la figure 1 et adaptée à enflammer un milieu gazeux confiné, la bougie 1 présentant un axe longitudinal AB et comprenant :
    • ▪ une enveloppe externe 3 allongée selon l'axe (AB), présentant une première et une seconde extrémités 30,31 opposées axialement (appelées fréquemment ci-après respectivement « entrée » et « sortie ») et assurant une fonction de fixation de la bougie dans le milieu gazeux 2,
    • ▪ un isolateur 4,
    • ▪ une électrode 5 comportant une pointe 6 dépassant axialement de l'isolateur vers la seconde extrémité (31) de l'enveloppe externe 3,
    • ▪ un résonateur série 7 comportant un bobinage inductif 73 interposé entre une borne d'alimentation 70 en courant alternatif d'excitation et une borne de sortie 72, le résonateur série présente une fréquence propre (F) comprise entre 3 MHz et 10 MHz,
  • L'électrode 5 ionise le milieu gazeux 2 lorsque le résonateur 7 série délivre à la borne de sortie 72 une surtension V, égale ou inférieure à 30KV en courant alternatif.
  • Le résonateur série comporte en outre favorablement :
    • ∘ comme borne de sortie, un borne confondue avec l'électrode 5 à pointe 6, et/ou
    • ∘ une borne de masse 71 isolée électriquement de la borne d'alimentation 70 et confondue avec l'enveloppe externe 3,
    • ∘ une capacité 74 disposée en série avec le bobinage inductif 73 entre la borne de sortie 72 et la borne de masse 71.
  • Une telle bougie 1 est connue de l'homme du métier comme le montre, par exemple, la demande de brevet français FR 2 859 830 . Cette dernière décrit un moteur à combustion interne comportant une culasse, un piston et un cylindre qui forment entre eux une chambre de combustion. La bougie 1 connue est actionnée par des moyens d'excitation qui alimentent en courant alternatif le résonateur série via la borne d'alimentation 70. La bougie 1 connue est utilisée pour allumer le milieu gazeux confiné qui est contenu dans la chambre de combustion..
  • Pour faire face aux contraintes de plus en plus strictes des normes antipollution, il s'avère pertinent de maîtriser davantage l'allumage du milieu gazeux confiné contenu dans la chambre de combustion. De ce fait, un compromis délicat doit être réalisé entre, d'une part, la surtension sélective de plus en plus élevée (délivrée par l'électrode 5 à pointe 6 pour faciliter l'allumage du milieu gazeux confiné), et, d'autre part, de préserver le moteur contre un court-circuit entre l'électrode 5 à pointe 6 et le piston ou la culasse pouvant endommager ce dernier et rendre le moteur inopérant.
  • La présente invention, qui s'appuie sur cette observation originale, a principalement pour but de proposer une bougie visant au moins à réduire l'une au moins des limitations précédemment évoquées. A cette fin, la bougie, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que les caractéristiques suivantes sont vérifiées :
    • la distance axiale (L1, fig.2) entre le bobinage inductif et une extrémité libre de la pointe est comprise entre 2 cm et 6 cm,
    • ladite extrémité libre comporte au moins une première tête présentant un rayon de courbure (R1) égal ou inférieur à 250 µm.
  • Grâce à ces agencements, la bougie selon l'invention est apte à générer, depuis la première tête de la pointe, au moins une étincelle multifilamentaire ramifiée dans le milieu gazeux confiné. Cette étincelle multifilamentaire ramifiée comprend une pluralité des filaments qui occupent un volume dans le prolongement de l'axe longitudinal à l'extérieur de la première tête. Les filaments permettent d'enflammer le milieu gazeux confiné quasi instantanément de manière volumique, c'est-à-dire, dans plusieurs endroits à la fois, ce qui contribue à augmenter l'efficacité d'allumage par la bougie selon l'invention. En outre, les filaments présentent des températures qui varient entre environ 1000°C et environ 1500°C. Cela tend à augmenter la fiabilité d'allumage du milieu gazeux confiné par la bougie selon l'invention.
  • Selon un deuxième de ses aspects, l'invention concerne un système d'allumage comportant au moins une bougie selon l'invention et des moyens d'excitation adaptés à alimenter, via la borne d'alimentation, le résonateur série en courant alternatif d'excitation.
  • Selon un troisième de ses aspects, l'invention concerne un moteur à combustion interne comportant :
    • ▪ une culasse, un piston et un cylindre adaptés à former une enveloppe interne d'une chambre de combustion, et
    • ▪ un canal de liaison agencé dans l'enveloppe interne et adapté à lier la chambre de combustion avec l'extérieur du moteur,
    ledit moteur utilisant le système d'allumage selon l'invention où le milieu gazeux confiné est contenu dans la chambre de combustion et où l'enveloppe externe est logée dans le canal de liaison.
  • Selon un quatrième de ses aspects, l'invention concerne un procédé d'allumage d'un mélange gazeux confiné, par le système d'allumage selon l'invention, dans le moteur à combustion interne selon l'invention. Le procédé d'allumage comporte :
    • ▪ une étape d'excitation du résonateur série par les moyens d'excitation pendant une durée d'excitation comprise entre 20 µs et 2.103 µs (20 ms), et
    • ▪ une étape de montée de l'amplitude de la surtension sélective délivrée par le résonateur série à la borne de sortie avec une vitesse de montée comprise entre 2,5*109 V/s et 5,0*109 V/s, pendant un temps de montée compris entre 10 µs et 20 µs.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 représente de manière schématique en vue simplifiée en coupe longitudinale une bougie connue décrite dans la demande de brevet français FR 2 859 830 adaptée à être installée dans un moteur à combustion interne,
    • la figure 2 représente de manière schématique en vue simplifiée en coupe longitudinale un système d'allumage selon l'invention équipé d'une bougie selon l'invention installée dans un moteur à combustion interne selon l'invention,
    • la figure 3 représente de manière schématique en vue simplifiée agrandie une pointe (comportant une première tête) de la bougie illustrée sur la figure 2 présentant une décharge du type « couronne avec au moins une étincelle multifilamentaire ramifiée » produite, à proximité immédiate de la pointe (de la première tête de la pointe), dans un milieu gazeux confiné contenu dans une chambre de combustion du moteur, à distance du piston du moteur,
    • la figure 4 représente de manière schématique en vue simplifiée partielle de côté un mode de réalisation de la bougie selon l'invention dont la pointe comporte une première, une deuxième et une troisième têtes,
    • la figure 5 représente de manière schématique une courbe de tension entre deux électrodes disposé à distance l'un de l'autre dans le milieu gazeux confiné, en fonction de courant entre ces électrodes, ladite courbe de tension illustrant plusieurs régimes de fonctionnement possible de la bougie selon l'invention,
    • la figure 6 représente de manière schématique une succession des étapes d'une variante de procédé d'allumage selon l'invention.
  • La figure 1 représente une bougie connue décrite dans la demande de brevet français FR 2 859 830 et déjà commentée ci-dessus. De ce fait, elle n'est décrite ci-dessous.
  • Comme annoncé précédemment et illustré sur les figures 2-6, l'invention concerne une bougie 1 adaptée à enflammer un milieu gazeux 2 confiné. La bougie 1 présente un axe longitudinal AB et comprend :
    • ▪ une enveloppe externe 3 (par exemple, formé par un manchon) allongée selon l'axe AB et présentant une entrée 30 et une sortie 31 frontales opposées axialement l'une à l'autre, l'enveloppe externe 3 assurant une fonction de fixation de la bougie 1 dans le milieu gazeux 2 confiné,
    • ▪ un isolateur 4 constitué en matériau électriquement isolant disposé axialement dans l'enveloppe externe 3 et adapté à boucher la sortie 31 de l'enveloppe externe 3,
    • ▪ une électrode 5 à pointe 6 isolée électriquement de l'enveloppe externe 3, l'électrode 5 traversant axialement l'isolateur 4 et comportant une pointe 6 dépassant axialement l'enveloppe externe 3 du côté de la sortie 31 de l'enveloppe externe 3,
    • ▪ un résonateur 7 série comportant :
      • ∘ une borne d'alimentation 70 en courant alternatif d'excitation,
      • ∘ une borne de sortie 72 confondue avec l'électrode 5 à pointe 6, et
      • ∘ un bobinage inductif 73 (qui présente une inductance donnée) logé dans l'enveloppe externe 3 entre la borne de sortie 72 et la borne d'alimentation 70.
      • ∘ une borne de masse 71 isolée électriquement de la borne d'alimentation 70 et confondue avec l'enveloppe externe 3,
      • ∘ une capacité 74 disposée en série avec le bobinage inductif 73 entre la borne de sortie 72 et la borne de masse 71.
    L'électrode 5 à pointe 6 est adaptée à ioniser, par un champ électrique induit E, le milieu gazeux 2 confiné lorsque le résonateur 7 série délivre à sa borne de sortie 72 une surtension sélective V.
  • Le rapport entre, d'une part, la surtension sélective V à la borne de sortie 72 du résonateur 7 série et, d'autre part, la tension du courant alternatif d'excitation à la borne d'alimentation 70 du résonateur 7 série, définie le coefficient de surtension du résonateur 7 série. Plus le coefficient de surtension est élevé pour le courant alternatif d'excitation donné, plus le résonateur 7 série est efficace car il permet d'obtenir la surtension V plus forte avec le courant alternatif d'excitation donné ce qui contribue in fine à baisser la consommation électrique de la bougie 1.
  • Grâce au bobinage inductif 73 (qui présente une inductance donnée) logé dans l'enveloppe externe 3, le résonateur 7 série présente la géométrie plus compacte. En particulier, on réduit la distance entre le bobinage inductif 73 et la pointe 6 ce qui contribue, pour l'inductance donnée du bobinage inductif 73, à diminuer la capacité 74 du résonateur 7 série. Or, ce dernier présente une fréquence propre F inversement proportionnelle, pour l'inductance donnée du bobinage inductif 73, à la racine carrée de la capacité 74. Par conséquent, la réduction de la capacité 74 se traduit, pour l'inductance donnée du bobinage inductif 73, par l'augmentation de la fréquence propre F du résonateur 7 série et, in fine, par l'augmentation du coefficient de surtension du résonateur 7 série. En conclusion, la géométrie compacte du résonateur 7 série avec le bobinage inductif 73 logé dans l'enveloppe externe 3 permet, pour l'inductance donnée du bobinage inductif 73, d'augmenter la fréquence propre F du résonateur 7 série et, donc, son coefficient de surtension. En d'autres termes, la géométrie compacte du résonateur 7 série tend à réduire la consommation électrique de la bougie 1. En plus, la tension moindre du courant alternatif d'excitation à la borne d'alimentation 70 du résonateur 7 série contribue à réduire des risques de pertes électriques dans des circuits électriques en amont de la bougie 1.
  • Selon l'invention, la distance entre le bobinage inductif 73 et la pointe 6 est comprise entre 2 cm et 6 cm. La surtension sélective V à la borne de sortie 72 est égale ou inférieure à 30 KV en courant alternatif. La pointe 6 comporte à son extrémité 60 opposée à la sortie 31 de l'enveloppe externe 3 au moins une première tête 61 présentant un premier rayon R1 de courbure égal ou inférieur à 250 µm. Le résonateur 7 série présente la fréquence propre F comprise entre 3 MHz et 10 MHz.
  • Grâce à ces agencements, la bougie 1 est apte à générer au moins une étincelle 600 multifilamentaire ramifiée générée depuis la première tête 61 de la pointe 6 et comprenant une pluralité des filaments 601 qui occupent un volume θ dans le prolongement de l'axe longitudinal AB à l'extérieur de la première tête 61. Comme illustré sur la figure 3, le volume θ occupé par les filaments 601 peut être inséré dans un cône ϕ (de préférence, dans un cône de révolution avec un axe de révolution coïncidant avec, par exemple, l'axe longitudinal AB) présentant un angle d'ouverture β du cône ϕ inférieur à 180° (β < 180°) et un sommet M confondu avec la première tête 61. Les filaments 601 permettent d'enflammer le milieu gazeux 2 confiné quasi instantanément de manière volumique, c'est-à-dire, dans plusieurs endroits à la fois, ce qui augmente l'efficacité de l'allumage par la bougie 1 et contribue à étouffer des détonations (claquages) pouvant accompagner l'allumage. En outre, les filaments 601 présentent des températures qui varient entre environ 1000°C et environ 1500°C. Cela tend à augmenter la fiabilité d'allumage du milieu gazeux 2 confiné par la bougie 1.
  • La distance axiale L1 entre le bobinage inductif 73 (extrémité inférieure 730) et l'extrémité libre 60 de la pointe 6 comprise entre 2 cm et 6 cm contribue à rendre le résonateur 7 série et, in fine, l'enveloppe externe 3 (et, par conséquent, la bougie 1 dans son ensemble) plus compacts.
  • L'allumage du milieu gazeux 2 confiné par l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée est facilité davantage lorsque le premier de coubure R1 est, de préférence, compris entre 50 µm et 250 µm : 50 µm ≤R1 ≤ 250 µm, et, en particulier, lorsque le premier rayon R1 est égal à 100 µm : R1 = 100 µm.
  • En outre, ces agencements contribuent à réduire :
    • ▪ l'érosion de l'électrode 5 et, notamment, de sa pointe 6, lors du fonctionnement de la bougie 1, et
    • ▪ la surtension sélective V à la sortie du résonateur 7 série nécessaire pour la production par la bougie 1 de l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée.
  • Comme illustré sur la figure 4, la pointe 6 est de forme tronconique présentant :
    • ▪ à sa base 610, une dimension transversale L en section (typiquement un diamètre, pour une sa base cylindrique), et
    • ▪ une hauteur H mesurée, selon l'axe (AB), entre ladite extrémité libre 60 et la base 610 (ici au niveau de l'extrémité inférieure de l'isolateur 4 ),
  • Le rapport entre la hauteur H et la dimension transversale L de la pointe 6 est compris entre 4,5 et 5,5. Par exemple, la hauteur H peut être comprise entre environ 5 mm et environ 12 mm (5 mm ≤ H ≤ 12 mm) ; la dimension transversale L (diamètre) peut être comprise entre environ 1 mm et environ 5 mm (1 mm ≤ H ≤ 5 mm).
  • Ces agencements contribuent à réduire :
    • ▪ l'érosion de l'électrode 5 et, notamment, de sa pointe 6, lors du fonctionnement de la bougie 1, et
    • ▪ la surtension sélective V à la sortie du résonateur 7 série nécessaire pour la production par la bougie 1 de l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée.
  • De préférence, la première tête 61 est disposée axialement sur la pointe 6. Cette dernière comporte à son extrémité 60 opposée à la sortie 31 de l'enveloppe externe 3 au moins une deuxième tête 62 présentant un deuxième rayon R2 de courbure égal ou inférieur à 250 µm et/ou disposée latéralement à l'axe AB, (environ) aux deux tiers de la hauteur H de la pointe 6 depuis l'isolateur 4, la première et la deuxième têtes 61, 62 étant écartées l'une de l'autre d'un angle α compris entre 45° et 90°.
  • Grâce à ces agencements, il est possible d'augmenter davantage le volume θ occupé par les filaments 601 ce qui in fine tend à améliorer la fiabilité d'allumage du milieu gazeux 2 confiné par l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée de la bougie 1 en fonctionnement, en particulier lors d'un démarrage à froid.
  • Selon un deuxième de ses aspects (figure 2), l'invention concerne un système d'allumage 10 comportant au moins une bougie 1 selon l'invention et des moyens d'excitation 8 adaptés à alimenter, via la borne d'alimentation 70, le résonateur 7 série en courant alternatif d'excitation.
  • Ces agencements contribuent à contrôler davantage l'allumage du milieu gazeux 2 confiné.
  • De préférence, la durée τ d'excitation du résonateur 7 série par les moyens d'excitation 8 est comprise entre 20 µs et 2.103 µs : 20 µs ≤ τ ≤ 20 ms. La vitesse ψ de montée de l'amplitude de la surtension sélective V délivrée par le résonateur 7 série à la borne de sortie 72 est comprise entre 2,5*109 V/s et 5,0*109 V/s : 2,5*109 V/s ≤ ψ ≤ 5,0*109 V/s. Le temps T de montée de l'amplitude de la surtension sélective V délivrée par le résonateur 7 série à la borne de sortie 72 est comprise entre 10 µs et 20 µs : 10 µs ≤ T ≤ 20 µs.
  • Ces agencements contribuent à augmenter un coefficient de qualité du résonateur 7 série. De ce fait, le résonateur 7 série présente, autour de sa fréquence de résonance, un pic de résonance plus étroit. Par conséquent, toute perturbation diélectrique autour de la pointe 61 due, par exemple, à la production par la bougie 1 (et, par conséquent, par le système d'allumage 10) de l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée, fait éloigner quasi immédiatement la fréquence propre F du résonateur 7 série de sa fréquence de résonance à laquelle il est piloté. De ce fait, la surtension sélective V délivrée par le résonateur 7 série à la borne de sortie 72 et, donc, sur la pointe 61, se trouve aussitôt diminuée ce qui empêche toute extension spatiale des filaments 601 de l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée, en particulier dans le prolongement de l'axe longitudinal AB. Grâce à ce mécanisme autorégulateur, il est possible d'ajuster (en attribuant le coefficient de qualité prédéfini à la bougie 1 lors de sa fabrication), le volume θ occupé par les filaments 601 (et, en particulier, l'étendue de l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée dans le prolongement de l'axe longitudinal AB) sans faire appel à des systèmes complexes visant la gestion en temps réel de la surtension sélective V à la borne de sortie 72 de la bougie 1. Or, la maîtrise de l'étendue spatiale des filaments 601 dans le prolongement de l'axe longitudinal AB à l'extérieur de la bougie 1 assure l'allumage contrôlé du milieu gazeux 2 confiné par le système d'allumage 10.
  • Selon un troisième de ses aspects, l'invention concerne un moteur 9 à combustion interne comportant :
    • ▪ une culasse 90, un piston 91 et un cylindre 92 adaptés à former une enveloppe interne 93 d'une chambre de combustion 94, et
    • ▪ un canal 95 de liaison agencé dans l'enveloppe interne 93 et adapté à lier la chambre de combustion 94 avec l'extérieur 96 du moteur 9,
    ledit moteur 9 utilisant le système d'allumage 10 selon l'invention où le milieu gazeux 2 confiné est contenu dans la chambre de combustion 94 et où l'enveloppe externe 3 de la bougie 1 est logée dans le canal 95 de liaison. De préférence, l'enveloppe externe 3 et le canal 95 de liaison présentent chacun un filetage. Ainsi, l'enveloppe externe 3 peut être vissée dans le canal 95 de liaison.
  • Les dimensions linéaires réduites du résonateur 7 série rendent la bougie 1 (et, par conséquent, le système d'allumage 10) plus compacte et contribuent de ce fait à désencombrer le moteur 9 et à le rendre plus léger. Ces mesures contribuent in fine à augmenter un rendement du moteur 9 en assurant une puissance égale pour un poids inférieur de ce dernier pour faire face aux contraintes de plus en plus strictes des normes antipollution. En outre, cela rend plus aisé le montage de la bougie 1 (et, par conséquent, du système d'allumage 10) sur le moteur 9.
  • Avantageusement, le canal 95 de liaison peut être agencé dans la culasse 90, et au moins le piston 91 est lié à la borne de masse 71.
  • Grâce au canal 95 de liaison agencé dans la culasse 90, la bougie 1 (et, par conséquent, le système d'allumage 10) peut être montée sur la culasse 90 quasiment sans encombrer cette dernière. Cela répond à un besoin industriel de miniaturisation des moteurs 9 pour les rendre conformes aux normes antipollution de plus en strictes. Le fait de lier le piston 91 à la borne de masse 71 permet d'orienter le champ électrique induit E de manière privilégiée, par exemple, le long de l'axe longitudinal AB, directement dans chambre de combustion 94, sans faire appel à aucun autre moyen électrique spécifique (par exemple, sans utiliser aucune autre électrode spécifique disposée à distance de la pointe 6). Or, l'absence dudit moyen électrique spécifique contribue à rendre la bougie 1 (et, par conséquent, le système d'allumage 10) plus compacte et à désencombrer la culasse 90. Par conséquent, la bougie 1 (et, par conséquent, le système d'allumage 10) est mieux adaptée aux culasses 90 (et, in fine, aux moteurs 9) de petites tailles.
  • De préférence, le piston 91 et la pointe 6 (extrémité libre 60), sont, le long de l'axe AB, écartés l'un de l'autre d'au moins 0,5 cm, comme illustré à l'aide d'un écart-seuil référencé λ entre le piston 91 et la première tête 61 de la pointe 6 sur la figure 3 : λ ≥ 0,5 cm. Ceci devrait être vérifié en toutes circonstances de fonctionnement du moteur.
  • Les avantages procurés par ces agencements sont commentés ci-après à l'aide de la figure 5 qui illustre un exemple d'une courbe U de tension entre deux électrodes, par exemple, entre la pointe 6 de la bougie 1 et le piston 91, disposées à distance λ l'une de l'autre dans le milieu gazeux 2 confiné, par exemple, dans un mélange air-carburant, en fonction de courant entre ces électrodes 6, 91 (figure 3). Ladite courbe U présente :
    • ▪ une première zone I observée entre les références O et IS2, propre à l'absence de toute décharge entre deux électrodes,
    • ▪ une deuxième zone II observée entre les références IS2 et C propre à la première décharge du type « couronne électrostatique » entre la pointe 6 de la bougie 1 et le piston 91. La première décharge ionise milieu gazeux 2 confiné qui peut, de ce fait, s'allumer. Cependant, la température d'environ quelques centaines de degrés Celsius (par exemple, environ 600°C) du milieu gazeux 2 confiné observée lors la première décharge entre la pointe 6 de la bougie 1 et le piston 91, est insuffisante en tant que telle pour produire l'allumage certain du milieu gazeux 2 confiné avec une fiabilité prédéfinie. C'est pourquoi l'allumage du milieu gazeux 2 confiné à l'aide de la première décharge n'est pas satisfaisant,
    • ▪ une troisième zone III observée entre les références C et IS1, propre à la deuxième décharge du type « couronne présentant au moins une étincelle multifilamentaire ramifiée » (comme celle référencée 600 sur les figures 2-3) qui évolue dans un volume borné (comme celui référencé θ sur la figure 3) à proximité immédiate de l'un des deux électrodes, à distance de l'autre des deux électrodes, et
    • ▪ une quatrième zone IV observée entre les références IS1 et Y, propre à une troisième décharge du type « arc électrique de nature sensiblement monofilamentaire, non ramifié », la deuxième décharge étant produite entre lesdites électrodes liées entre elles lors de la deuxième décharge par ledit arc électrique.
  • Grâce à l'écart-seuil axial λ entre l'extrémité libre 60 de la pointe 6 de la bougie 1 et le piston 91 supérieur à 0,5 cm, la bougie 1 au cours de son fonctionnement présente uniquement la deuxième décharge, propre à la troisième zone III sur la figure 5, avec l'étincelle 600 multifilamentaire ramifiée qui évolue dans le volume θ à proximité immédiate de la pointe 61 de sorte que les filaments 601 restent confinés dans ledit volume θ, à distance δ du piston 91. Ainsi, il est possible d'enflammer le milieu gazeux 2 confiné (tel que le mélange air-carburant présent dans la chambre de combustion 94) quasi instantanément de manière volumique sans produire des détonations (cliquetis) pouvant altérer le moteur 9 (et, en particulier, fragiliser la culasse 90 et/ou le piston 91, et/ou le cylindre 92), ni endommager le piston 91 par les filaments 601 présentant la température entre environ 1000°C et environ 1500°C. Cette dernière est a priori suffisante en tant que telle pour produire l'allumage certain (avec la fiabilité prédéfinie) du milieu gazeux 2 confiné. En d'autres termes, l'écart-seuil λ entre la pointe 6 de la bougie 1 et le piston 91 supérieur à 0,5 cm permet d'éviter a priori à la bougie 1 (et, par conséquent, au système d'allumage 10 et, plus généralement, au moteur 9) de fonctionner :
    • ▪ soit sans décharge (première zone I sur la figure 5) ce qui est insatisfaisant car rend le moteur 9 inopérant,
    • ▪ soit avec la première décharge (deuxième zone II sur la figure 5) qui ne permet pas d'allumer le milieu gazeux 2 confiné avec la fiabilité prédéfinie (notamment lors du démarrage du moteur 9 à froid) au moins à cause la température insuffisante (par exemple, d'environ 600°C) en tant que telle du milieu gazeux 2 confiné. Cela conduit, entre autres, à une usure accélérée du moteur 9 ce qui est insatisfaisant,
    • ▪ soit avec la troisième décharge (quatrième zone IV sur la figure 5) avec l'arc électrique (court-circuit) entre la pointe 61 et le piston 91 ce qui est aussi insatisfaisant. En effet, la troisième décharge n'assure pas l'allumage certain du milieu gazeux 2 confiné notamment lors du démarrage du moteur 9 à froid : la nature sensiblement monofilamentaire, non ramifié de l'arc électrique ne permet de chauffer un volume (du milieu gazeux 2 confiné) suffisant pour enflammer à froid ledit milieu gazeux 2 confiné. En plus, même lorsque le milieu gazeux 2 confiné est suffisamment chauffé lors des régimes de fonctionnement du moteur 9 autres que celui du démarrage à froid, l'arc électrique monofilamentaire non ramifié issu de la troisième décharge tend à allumer le milieu gazeux 2 confiné de manière non volumique mais uniquement dans le voisinage immédiat de l'arc. Enfin, la troisième décharge conduit à terme à une érosion certaine du piston 91 par l'arc électrique (court-circuit) ce qui rend le moteur 9 inopérant.
  • Selon un quatrième de ses aspects, l'invention concerne un procédé d'allumage Z d'un mélange gazeux 2 confiné, par le système d'allumage 10 selon l'invention, dans le moteur 9 à combustion interne selon l'invention. Le procédé d'allumage comporte (figure 6) :
    • ▪ au moins une étape de montée Z1 de l'amplitude de la surtension sélective V délivrée par le résonateur 7 série à la borne de sortie 72 avec une vitesse ψ de montée comprise entre 2,5*109 V/s et 5,0*109 V/s : 2,5*109 V/s ≤ ψ ≤ 5,0*109 V/s, pendant un temps T de montée compris entre 10 µs et 20 µs : 10 µs ≤ T ≤ 20 µs, et
    • ▪ au moins une étape d'excitation Z2 du résonateur 7 série par les moyens d'excitation 8 pendant une durée τ d'excitation comprise entre 20 µs et 2.103 µs : 20 µs ≤ τ ≤ 20 ms.
  • Ce mode de fonctionnement contribue à augmenter le coefficient de qualité du résonateur 7 série et, comme déjà évoqué ci-dessus, à rendre autorégulé le mécanisme de maintien de la deuxième décharge (régime propre à la troisième zone III sur la figure 5) sans faire appel à des systèmes complexes visant la gestion en temps réel de la surtension sélective V à la borne de sortie 72 de la bougie 1. Cela contribue in fine à contrôler davantage l'allumage du milieu gazeux 2 confiné par la bougie 1 selon l'invention (et, par conséquent, par le système d'allumage 10 selon l'invention).
  • De préférence, le procédé d'allumage comporte, pendant un cycle de compression C du moteur 9, au moins deux étapes de délivrance de la surtension sélective V par le résonateur 7 série sur la borne de sortie 72.
  • Ce mode de fonctionnement contribue à fiabiliser l'allumage par la bougie 1 selon l'invention (et, par conséquent, par le système d'allumage 10 selon l'invention) du milieu gazeux 2 confiné (mélange air-carburant) dans la chambre de combustion 94 du moteur 9 quel que soit le régime de fonctionnement de ce dernier et, en particulier, lors d'un démarrage à froid dudit moteur 9.

Claims (11)

  1. Bougie (1) adaptée à enflammer un milieu gazeux (2), la bougie (1) présentant un axe longitudinal (AB) et comprenant :
    ▪ une enveloppe externe (3) allongée selon l'axe (AB), présentant une première et une seconde extrémités (30,31) opposées axialement et assurant une fonction de fixation de la bougie (1) dans le milieu gazeux (2),
    ▪ un isolateur (4),
    ▪ une électrode (5) comportant une pointe (6) dépassant axialement de l'isolateur (4) vers la seconde extrémité (31) de l'enveloppe externe (3),
    ▪ un résonateur série (7) comportant un bobinage inductif (73) interposé entre une borne d'alimentation (70) en courant alternatif d'excitation et une borne de sortie (72), le résonateur (7) série présentant une fréquence propre (F) comprise entre 3 MHz et 10 MHz,
    l'électrode (5) ionisant le milieu gazeux (2) lorsque le résonateur (7) série délivre à la borne de sortie (72) une surtension (V), égale ou inférieure à 30 KV en courant alternatif,
    caractérisée en ce que les caractéristiques suivantes sont vérifiées :
    - la distance axiale (L1) entre le bobinage inductif (73) et une extrémité libre (60) de la pointe (6) est comprise entre 2 cm et 6 cm,
    - ladite extrémité libre (60) comporte au moins une première tête (61) présentant un rayon (R1) de courbure égal ou inférieur à 250 µm.
  2. Bougie (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe (6) est de forme tronconique.
  3. Bougie (1) selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la pointe (6) présente :
    ▪ à sa base (610), une dimension transversale (L) en section, et
    ▪ une hauteur (H) mesurée, selon l'axe (AB), entre ladite extrémité libre (60) et la base (610),
    le rapport entre la hauteur (H) et ladite dimension transversale (L) étant compris entre 4,5 et 5,5.
  4. Bougie (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première tête (61) est disposée axialement sur la pointe (6), laquelle comporte au moins une deuxième tête (62) disposée latéralement à l'axe (AB), la première et la deuxième têtes (61,62) étant écartées l'une de l'autre d'un angle (α) compris entre 45° et 90°.
  5. Bougie (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la deuxième tête (62) présente un rayon de courbure (R2) égal ou inférieur à 250 µm et/ou est disposée environ aux deux tiers de la hauteur (H) de la pointe (6) depuis l'isolateur (4).
  6. Système d'allumage (10) comportant au moins une bougie (1) selon l'une des revendications précédentes et des moyens d'excitation (8) alimentant, via la borne d'alimentation (70), le résonateur (7) série en courant alternatif d'excitation.
  7. Moteur (9) à combustion interne comportant :
    ▪ une culasse (90), un piston (91) et un cylindre (92) adaptés à former une enveloppe interne (93) d'une chambre de combustion (94), et
    ▪ un canal (95) agencé dans l'enveloppe interne (93),
    ledit moteur (9) utilisant le système d'allumage (10) selon la revendication 6 où le milieu gazeux (2) est contenu dans la chambre de combustion (94) et où la bougie (1) est logée dans le canal (95).
  8. Moteur (9) à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que le canal (95) de liaison est agencé dans la culasse (90), et en ce que le piston (91) est lié à une borne de masse (71).
  9. Moteur (9) à combustion interne selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le piston (91) et la pointe (6) sont écartés l'un de l'autre d'au moins 0,5 cm, en toutes circonstances de fonctionnement du moteur.
  10. Procédé d'allumage (Z) d'un mélange gazeux (2), par une bougie selon l'une des revendications 1 à 5, ou par le système d'allumage (10) selon la revendication 6, dans le moteur (9) à combustion interne selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte :
    ▪ une étape (Z1) de montée de l'amplitude de la surtension (V) délivrée par le résonateur (7) série à la borne de sortie (72) avec une vitesse (ψ) de montée comprise entre 2,5*109 V/s et 5,0*109 V/s, pendant un temps (T) de montée compris entre 10 µs et 20 µs et,
    ▪ une étape d'excitation (Z2) du résonateur (7) série pendant une durée (τ) d'excitation comprise entre 20 µs et 2.103 µs.
  11. Procédé d'allumage (Z) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, pendant un cycle de compression (C) du moteur, au moins deux étapes de délivrance de la surtension (V) par le résonateur (7) série sur la borne de sortie (72).
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