MOTEUR A COMBUSTION ET PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR A

COMBUSTION

La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de l'inflammation de mélange carburant/comburant dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne.

Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur à combustion interne comprenant : - un générateur de courant impulsionnel ; au moins une électrode dotée d'au moins une pointe ;

- un moyen de pilotage de l'alimentation électrique de ladite électrode par ledit générateur ; et - une chambre de combustion dans laquelle est positionnée la pointe de ladite électrode, cette pointe étant éloignée de la paroi interne de la chambre d'une distance minimale d' éloignement (D) .

L' invention concerne également un procédé de commande d'un moteur à combustion interne comprenant :

- un générateur de courant impulsionnel ; au moins une électrode dotée d'au moins une pointe ;

- un moyen de pilotage de l'alimentation électrique de ladite électrode par ledit générateur ; et une chambre de combustion dans laquelle est positionnée la pointe de ladite électrode, cette pointe étant éloignée de la paroi interne de la chambre d'une distance minimale d' éloignement (D) ; - un piston monté coulissant dans la chambre entre une position de point mort haut et une position de point mort bas.

II est fréquent que des combustions a l' intérieur d'une chambre de combustion ne soient pas phasees aux moments les plus opportuns pour optimiser le fonctionnement d'un moteur. Une dispersion de l'instant d'inflammation d'un cycle a l'autre ou d'un régime moteur a un autre peut nuire au rendement du moteur et peut favoriser la génération de polluants ou d' imbrûles.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un moteur et un procède permettant de mieux contrôler l'instant de l'inflammation du mélange comburant/carburant dans la chambre de combustion.

A cette fin, le moteur de l'invention, par ailleurs conforme a la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérise en ce que le générateur de courant et l'électrode sont adaptes pour que la puissance volumique (R) générée lors de l'alimentation de ladite électrode soit inférieure a 10 puissance 5 watts par centimètre cube, cette puissance volumique (R) étant égale a la puissance d'alimentation électrique (Pmax) de ladite électrode divisée par la distance minimale (D) d' eloignement élevée au cube.

A cette même fin, le procède de commande de l'invention, par ailleurs conforme a la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérise en ce qu'on admet un mélange de comburant et de carburant dans la chambre de combustion et lors du passage du piston de sa position de point mort bas vers sa position de point mort haut, préalablement a l'arrivée du piston au point mort haut, on génère un courant impulsionnel d'alimentation de ladite électrode tel que la puissance volumique générée

lors de l'alimentation de ladite électrode soit inférieure à 10 puissance 5 watts par centimètre cube, cette puissance volumique étant calculée en divisant la puissance d'alimentation électrique de ladite électrode par la distance minimale d' éloignement élevée au cube.

Pour la compréhension de l'invention il est à noter que la « distance minimale d' éloignement D » est la plus petite distance mesurable en ligne droite entre la pointe de l'électrode de la bougie et la paroi de la chambre et sans intersection avec un élément de cette bougie. Cette distance minimale est donc le chemin le plus court existant entre la pointe de l'électrode de la bougie et l'électrode de masse formée par la paroi de chambre. Si une décharge électrique devait se produire entre la pointe de cette électrode et la paroi de la chambre, la longueur minimale de l'arc électrique formé par cette décharge serait alors égale à cette distance minimale D.

Ainsi le risque d'apparition d'une décharge électrique est déterminé par la distance minimale D et la puissance d'alimentation de l'électrode ou encore par la puissance volumique fonction de la puissance d'alimentation et de cette distance minimale D.

A ce sujet voir la vue de détail à gauche de la figure 1 qui représente une vue de côté agrandie de la chambre et de la bougie représentées sur la figure 1. La distance minimale D précitée est visible sur la vue de côte agrandie ainsi que sur la figure 1. Il est à noter que la bougie comporte une seule électrode pointue qui est isolée électriquement de la paroi interne de chambre. Préférentiellement, cette paroi interne constitue une électrode de masse.

Pour la compréhension de la présente invention, il est à noter que la puissance d'alimentation notée par la suite Pmax est la puissance moyenne, c'est-à-dire la valeur moyenne de la puissance électrique délivrée à l'électrode sur une durée ininterrompue d'alimentation de cette électrode.

En d'autres termes le générateur et la bougie sont adaptes pour que la puissance volumique par la suite notée R définie par R = Pmax/D ³ soit telle que R<10 ⁵ Watts/cm3.

Grâce à un tel dimensionnement du générateur et de l'électrode on est certain que lors de l'alimentation de l'électrode on obtient une ionisation de l'air entourant l'électrode sans que la température de cet air ne dépasse un seuil d'inflammation du mélange comburant/carburant. Cette ionisation locale sans inflammation du mélange est utilisée pour générer des radicaux libres tels que de l'ozone et/ou des espèces hydrocarbures intermédiaires produits par l'ionisation. II en résulte une stratification du mélange contenu dans la chambre avec des zones plus ou moins riches en air ionise et en radicaux libres

Grâce à cette stratification chimique, on constate que le moment d'auto-inflammation du mélange peut être déterminé avec une plus grande précision, ce qui permet d'éviter une trop grande dispersion du moment d'auto allumage .

Il est constaté que l'auto inflammation du mélange comburant/carburant se déclenche de façon privilégiée à l'endroit de la strate contenant les radicaux libres et/ou les espèces hydrocarbures produits par l'ionisation

lorsque les conditions de pression et de températures dans la chambre sont attentes.

Préférentiellement l'invention est appliquée sur des moteurs de type HCCI, c'est-à-dire des moteurs dont la combustion n'est pas initiée par une bougie d'allumage, mais dont la combustion est auto initiée lorsque les seules conditions de pression, de température et de composition de mélange dans la chambre sont reunies. Sur ce type de moteur à auto inflammation, l'ionisation du mélange par alimentation de l'électrode, permet de préparer l'auto inflammation en créant des zones privilégiées d'auto inflammation, sans pour autant que ce soit l'alimentation de l'électrode qui déclenche cette inflammation. En effet sur ce type de moteur, l'auto inflammation peut avoir lieu alors que l'électrode n'est plus alimentée.

La création de telles zones/strates privilégiées d'auto inflammation par modification locale des propriétés chimiques du mélange permet d'éviter le danger d'une combustion brutale en masse dans la chambre de combustion.

L'alimentation de l'électrode avec un faible niveau de puissance électrique est également économe énergetiquement par rapport à une alimentation avec une forte puissance électrique.

On peut par exemple faire en sorte que la puissance volumique générée lors de l'alimentation de ladite électrode soit inférieure à 10 puissance 4 watts par centimètre cube. Ce mode de réalisation permet de définir une plage de puissance volumique pour laquelle on est certain qu'aucune auto inflammation ne peut être déclenchée par

l'ionisation, au moment de cette ionisation, l'auto inflammation n' intervenant que postérieurement, une fois que la pression dans la chambre a augmentée du fait de la remontée du piston vers le point mort haut du moteur. Ainsi l'auto inflammation n'est pas initiée par l'électrode mais est initiée par les conditions de pression et de température ce qui améliore la qualité de la combustion.

On peut par exemple faire en sorte que la puissance volumique R générée lors de l'alimentation de ladite électrode soit comprise entre 10 puissance 2 et 10 puissance 4 watts par centimètre cube.

Ce mode de réalisation permet de définir une plage pour laquelle on est certain qu'aucune auto inflammation ne peut être déclenchée par l'ionisation seule, et pour laquelle on est certain que le niveau d' ionisation est suffisant pour réduire les dispersions d' autoallumage de manière significative.

On peut par exemple faire en sorte que le générateur de courant impulsionnel soit adapté pour générer un courant mono-impulsionnel.

Ce mode de réalisation facilite la mise au point de l'alimentation électrique du moteur car seule la puissance transmise et la vitesse de décharge sont à définir.

On peut par exemple faire en sorte que le générateur de courant impulsionnel soit adapté pour générer un courant alternatif.

Ce mode de réalisation alternatif du précédent permet une ionisation du mélange sur une période plus longue que dans le mode de réalisation mono impulsionnel,

ce qui favorise la création de strates ionisées de volume plus important.

Dans ce mode de réalisation le générateur de courant impulsionnel est préférentiellement adapté pour générer un courant alternatif de fréquence comprise entre 1 et 10 Mégahertz et préférentiellement comprise entre 1 et 5 Mégahertz. Ce choix de fréquence apparaît souhaitable pour améliorer la quantité d'espèces radicalaires produites. En référence au procède de l'invention précité, on peut faire en sorte de créer les conditions d'auto inflammation du mélange de comburant et de carburant en augmentant la pression dans ladite chambre de combustion par le déplacement du piston vers sa position de point mort haut et préalablement à l'auto inflammation dudit mélange on fait en sorte d'interrompre l'alimentation de ladite électrode en courant impulsionnel.

Ce mode de réalisation permet d'éviter que l'inflammation ne soit initiée par l'électrode, cette inflammation se déclenchant d'elle-même dès que les conditions de pression et de température dans la chambre sont atteintes.

Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé de l'invention on fait en sorte que la durée d'alimentation en courant impulsionnel de l'électrode soit comprise entre 1 et 20 millisecondes. Cette durée correspond au temps nécessaire pour générer suffisamment de radicaux libre et permettre un autoallumage repetable dans le temps. Toujours selon le procédé de l'invention, on peut faire en sorte que le courant impulsionnel d'alimentation de l'électrode soit un courant mono impulsionnel ou soit

un courant radio fréquence de fréquence comprise entre 1 et 5 Mégahertz.

Pour la mise en œuvre du moteur et du procédé de l'invention, la puissance volumique R générée par le générateur autour de l'électrode est telle que la température autour de l'électrode au moment de l'ionisation est inférieure à 800° Kelvin et préférentiellement inférieure à 500° Kelvin. Cette caractéristique évite que l'alimentation de l'électrode soit la cause de l'inflammation.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, a titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexes, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe d'une chambre de combustion d'un moteur selon l'invention ; la figure 2 représente trois types d'électrodes pouvant convenir pour la mise en œuvre de l'invention ; la figure 3 représente deux types de courants d'alimentation électrique pouvant convenir pour l'alimentation de l'électrode d'un moteur de 1' invention ; la figure 4 représente des courbes d'évolution de pressions dans une chambre de combustion d'un moteur de l'art antérieur, chaque courbe de cette figure correspond à un cycle moteur propre, la superposition de ces courbes sur un même graphique met en évidence la dispersion dans le temps des moments d' autoallumage entre les différents cycles moteur ; la figure 5 représente un graphique similaire à celui de la figure 4 mais dont les mesures d'évolution de

pression sont effectuées sur un moteur selon l'invention, ce graphique mettant en évidence la réduction de la dispersion d' autoallumage .

Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un moteur à combustion interne tel que celui représenté sur la figure 1. Ce moteur comporte une chambre de combustion 1 dans laquelle coulisse un piston mobile entre un point mort haut dans lequel le volume de la chambre est minimum et un point mort bas dans lequel le volume de la chambre est maximum. Ce moteur comporte une seule électrode pointue dont la pointe est disposée à l'intérieur de la chambre à une distance D de la paroi interne de la chambre. Cette distance D est la distance minimale

(mesurée en ligne droite et sans obstacle) existant entre la pointe de l'électrode et la paroi, cette distance est un facteur déterminant de la puissance électrique maximale admissible par l'électrode sans que cette énergie électrique ne se décharge sur la paroi de la chambre . L'électrode 5 est sélectivement alimentée par un générateur de courant impulsionnel 6 en fonction d'une commande générée par un moyen de pilotage 7.

L'électrode métallique 5 est pointue et est isolée électriquement par un corps céramique de la paroi de la chambre de combustion 1 aussi appelée culasse. Lorsqu' alimentée par le générateur de courant avec une tension de 20 a 30 kV, l'électrode provoque la formation d'une décharge couronne aussi connu sous le terme de décharge « corona » associée ou non a une décharge homogène connue sous le terme de décharge « glow » 8 pour décharge incandescente. Ce type de décharge apparaît lorsque la puissance volumétrique d'alimentation

électrique est inférieure à 10 puissance 5 watts par centimètre cube. Il est a noter que cette puissance volumique R est égale à la puissance moyenne d'alimentation électrique Pmax de ladite électrode 5 divisée par la distance minimale D d' éloignement élevée au cube. Cette décharge modifie la composition chimique du gaz en réalisant un craquage partiel de ce gaz dans une zone limitée a quelques millimètres, voir à 1 ou deux centimètres autour de la pointe de l'électrode. Préférentiellement, tant pour le moteur que pour le procédé de l'invention, on fait en sorte que l'alimentation de l'électrode permettant ce craquage partiel ait lieu après que les soupapes 3 et 4 du moteur soient fermées et peu avant le début de la compression ou durant cette compression.

On fait en sorte que l'énergie ou puissance d'alimentation de l'électrode soit choisie par le moyen de pilotage 7 qui est un calculateur, cette puissance étant variable en fonction du régime du moteur. Préférentiellement la durée de l'alimentation est choisie pour être comprise entre 1 et 20 millisecondes. Le craquage partiel ainsi réalise produit de radicaux libres et/ou des espèces hydrocarbures intermédiaires initialement au niveau de la zone 8 près de la pointe de l'électrode 5. Lors de la compression, les turbulences qui sont de préférence de type spirale (aussi connu sous le terme anglais « swirl ») élargissent la zone de stratification 9 qui contient les produits du craquage partiel . Lors du passage du piston de son point mort bas à son point mort haut et postérieurement à l'alimentation électrique de l'électrode qui a permis le craquage, la

pression dans la chambre augmente jusqu'à déclencher l'auto inflammation du mélange air/carburant. Ce déclenchement se fait en particulier dans les zones contenant des radicaux libres et/ou espèces hydrocarbures intermédiaires.

Les figures 2a, 2b et 2c présentent trois types d'électrodes ayant respectivement une, deux ou quatre pointes, chacune de ces électrodes étant adaptées pour former l'électrode du moteur selon l'invention et pour mettre en œuvre le procédé de l'invention. On s'est aperçu qu'il est préférable qu'une électrode ne compte pas plus de quatre pointes afin de favoriser la qualité de la décharge.

Préférentiellement on fait en sorte que la ou les pointes de chaque électrode comporte (nt) un rayon de courbure de pointe compris entre 10 et 100 μm.

Chacune de ces électrodes peut être alimentée de façon mono impulsionnelle avec un courant électrique du type de celui de la figure 3a ou avec un courant multi impulsionnel avec un courant électrique alternatif de fréquence 1 et 5 Mégahertz. Dans chacun des cas on fait en sorte de limiter la puissance d'alimentation, en dessous d'un niveau qui risquerait générer une inflammation prématurée et au dessus d'un niveau permettant le craquage partiel.

Pour cela la puissance volumique d'alimentation de ladite électrode doit être comprise entre 10 puissance 2 et 10 puissance 4 watts par centimètre cube et la durée de cette alimentation entre 1 et 20 ms . Les figures 4 et 5 montrent chacune des exemples d'évolutions de pression dans des chambres de combustion

de moteur pour des portions de cycles moteur ou se produisent les auto-inflammations.

Pour chaque courbe de pression donnée on note l'évolution de la pression dans la chambre 1 en fonction du temps, cette chambre contenant un mélange propane/air de richesse 0.5. La première montée de la pression est due à la compression, c'est à dire au déplacement du piston de son point mort bas a son point mort haut.

La deuxième montée de pression décalée dans le temps par rapport a la première correspond a l'auto inflammation du mélange.

Sur la figure 4 qui présente le fonctionnement d'un moteur de l'art antérieur on constate que le délai entre la début de la première montée en pression (vers 100 millisecondes) et le début de la seconde montée en pression est variable en fonction des cycles et une disparité de pratiquement 100 ms peut être constatée entre un cycle à auto inflammation précoce et un cycle à auto inflammation tardive. Par contre sur la figure 5 qui représente le fonctionnement d'un moteur selon l'invention et fonctionnant selon le procède de l'invention on constate que la distorsion du délai d'allumage entre différents cycles est pratiquement nulle. Il est ainsi plus facile d'anticiper le moment de l'auto inflammation d'un cycle moteur à un autre en réalisant un craquage partiel par alimentation de l'électrode avec une puissance réduite préalablement à l'auto inflammation.