FR2943739A1 - Procede d'allumage d'un melange de comburant pour moteur thermique - Google Patents

Abstract

Procédé d'allumage d'un mélange de comburant et de carburant (1) dans une chambre de combustion (2) d'un moteur thermique à l'aide d'une bougie d'allumage (3) disposée de manière à déboucher dans ladite chambre de combustion du moteur (3), le procédé comprenant une première étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un premier signal électrique alternatif de fréquence supérieure 1 MHz (4). Le procédé comprend une seconde étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un second signal électrique alternatif de fréquence supérieure 1 MHz (5), cette seconde étape étant postérieure à la première étape et espacée dans le temps par rapport à la première étape d'un délai d'espacement (6) .

Description

PROCEDE D'ALLUMAGE D'UN MELANGE DE COMBURANT POUR MOTEUR THERMIQUE La présente invention concerne, de façon générale, un 5 procédé d'allumage pour moteur thermique. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'allumage d'un mélange de comburant et de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur thermique à l'aide d'une bougie d'allumage radiofréquence générant une étincelle 10 ramifiée depuis la pointe d'une électrode, la bougie étant disposée de manière à déboucher dans ladite chambre de combustion du moteur, le procédé comprenant une première étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un premier signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz. 15 Ce type de procédé d'allumage réalisé en alimentant au moins une bougie à l'aide d'un signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz est connu sous le nom de procédé d'allumage radiofréquence. Un but recherché par la présente invention est 20 d'améliorer le volume de mélange enflammé et aussi de réduire les inflammations de mélange ratées malgré l'alimentation électrique de la bougie. A cette fin, le procédé d'allumage de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne 25 le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend une seconde étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un second signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz, cette seconde étape étant postérieure à la première étape et étant 30 espacée dans le temps par rapport à la première étape d'un délai d'espacement. L'étincelle produite par la bougie lorsqu'elle est alimentée avec un signal électrique de fréquence supérieure à 1 MHz a une forme qui se ramifie dans le mélange et comporte généralement plusieurs branches. L'étincelle comporte plusieurs portions dont le diamètre va en décroissant en allant de l'origine de l'étincelle (c'est-à-dire à l'endroit où se déclenche l'étincelle) vers ses extrémités (l'endroit où l'étincelle cesse de s'étendre). Il a été remarqué que la température de l'étincelle varie le long de l'étincelle et décroit avec le diamètre des portions d'étincelles. La flamme dans le mélange est initiée aux endroits les plus chauds du mélange, c'est-à-dire au niveau des portions d'étincelle qui ont les diamètres les plus importants. Il a également été constaté que lorsque deux étincelles sont déclenchées consécutivement et préalablement à l'inflammation du mélange, la seconde étincelle se produit sensiblement au même endroit que la première étincelle tout en ayant moins de ramifications. Ainsi, le mélange est préchauffé au voisinage des étincelles produites grâce à la première étape, puis grâce à la seconde étape, produisant des étincelles moins ramifiées, l'élévation de température se poursuit au delà de la température obtenue grâce à la première étape et cela jusqu'à initier la combustion. Le volume de mélange où s'initie la combustion provoquée par la seconde étape est donc supérieur au volume de mélange qui serait enflammé via la seule première étape. Ainsi l'inflammation du mélange présent dans la chambre de combustion est initiée par au moins deux signaux distincts de fréquences respectives supérieures à 1 MHz qui génèrent respectivement au moins deux d'étincelles radiofréquence. Grâce à l'invention le volume de mélange enflammé est supérieur à ce qu'il serait si l'inflammation n'était initiée que par un seul signal électrique. L'invention permet donc de réduire le nombre de ratés d'allumage et le volume de carburant imbrûlé tout en augmentant la vitesse de propagation de flamme dans la chambre.

On peut également faire en sorte que ledit délai d'espacement entre les première et seconde étapes soit inférieur à 10 fois la durée de la première étape et préférentiellement inférieur à 5 fois la durée de la première étape. Cette caractéristique limite le délai entre les deux signaux d'alimentation de la bougie de manière à minimiser le risque de refroidissement du mélange préchauffé par la première étincelle, ce qui est une condition améliorant la taille du volume de mélange enflammé. On peut également faire en sorte que le délai d'espacement entre les première et seconde étapes soit supérieur à la durée de la première étape. Il a été remarqué que cette condition de délai minimum entre les deux étapes/étincelles permet de réduire le nombre de ramifications de la seconde étincelle par rapport à la première étincelle. Permettant ainsi un allongement des ramifications et un accroissement du diamètre moyen des ramifications de la seconde étincelle par rapport à la première étincelle. Ce diamètre moyen est calculé sur la longueur d'une branche d'étincelle donnée. On peut également faire en sorte que le délai d'espacement entre les première et seconde étapes soit compris entre 1 et 5 fois la durée de la première étape.

Avec un tel délai d'espacement des première et seconde étapes, on a remarqué que l'on obtient un volume de mélange enflammé maximum et cela étant vrai pour divers mélanges comburant/carburant plus ou moins riches. On peut également faire en sorte que lesdits premier 30 et second signaux aient des fréquences respectives préférentiellement supérieures à 1 MHz Avec de tels niveaux de fréquences il est plus aisé d'entretenir une étincelle sur toute la durée de l'alimentation de la bougie permettant ainsi un échauffement optimum du mélange par la première étape d'alimentation puis un allumage d'un volume important de mélange grâce à la seconde étape d'alimentation de la bougie. Dès lors, le front de flammes se propage des filaments de l'étincelle générée par la seconde étape d'alimentation de la bougie en allant vers les parois de la chambre de combustion dans laquelle débouche la bougie. On peut également faire en sorte que chacun des dits premier et second signaux électriques ait des paramètres propres que sont l'amplitude de tension du signal U, la fréquence du signal électrique alternatif F, la durée totale du signal D, et que l'un au moins des paramètres de l'un au moins des dits premier et second signaux soit déterminé lors d'une étape préalable aux dites première et seconde étapes en fonction de paramètres déterminant la combustion, ces paramètres déterminant la combustion étant mesurés et/ou estimés et comprenant au moins une pression dans la chambre de combustion P, une température T représentative de la température à l'intérieur de la chambre, la richesse du mélange de carburant et de comburant, et un taux de gaz brûlés présent dans le mélange. Le fait de déterminer l'un au moins des paramètres de l'un au moins des premier et second signaux en fonction de caractéristiques de fonctionnement du moteur thermique (pression, température, richesse de carburant) permet d'adapter la nature de l'étincelle produite lors de la première et/ou de la seconde étape en fonction des conditions régnant dans la chambre ce qui permet d'optimiser les conditions d'allumage.

On peut également faire en sorte que la durée de la première étape soit comprise entre 150 et. 250 las, que la durée de la seconde étape soit comprise entre 1.50 et X50 ps et que ledit délai d'espacement entre les première et seconde étapes soit compris entre 250 et 750 ps.

Pour la compréhension de l'invention, le premier signal est émis durant toute la première étape et uniquement durant cette première étape. De même le second signal est émis durant toute la seconde étape et uniquement durant cette seconde étape. Avec ces durées des première et seconde étapes et du délai d'espacement entre les première et seconde étapes, on a constaté que le temps de formation du noyau de front de flamme dans la chambre de combustion est d'environ 2000 lis, ce qui est particulièrement rapide et cela tout en augmentant le taux d'allumages réussi. L'invention porte également sur un système d'allumage d'un mélange de comburant et de carburant pour moteur thermique comprenant un générateur de courant et au moins une bougie d'allumage reliée au dit générateur, ledit générateur étant adapté à générer un premier signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz et un second signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz. Le système de l'invention est caractérisé en ce que ledit générateur est adapté à espacer dans le temps lesdits premier et second signaux électrique alternatif d'un délai d'espacement et est adapté à la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Les premier et second signaux générés par le générateur de courant sont tels qu'ils permettent la génération, via la bougie ainsi alimentée, d'étincelles espacées entre elles du délai temporel d'espacement prédéterminé. Ainsi le système de l'invention présente les mêmes avantages que ceux décrits en relation avec le procédé de l'invention. L'invention porte également sur un moteur thermique comprenant une chambre de combustion et le système d'allumage précité.

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 une vue d'une pointe de bougie du système selon l'invention et permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et des zones respectives << a et b présentant les zones d'inflammation sans le procédé de l'invention (zone a ) et avec le procédé de l'invention (zone b ), la zone b étant plus importante que la zone a ; - la figure 2 présente une courbe temporelle d'alimentation de la bougie avec en abscisse le temps et en ordonnée l'intensité du signal d'alimentation de la bougie, lesdits premier et second signaux d'alimentation électrique de la bougie ainsi que le délai d'espacement entre ces signaux sont représentés sur cette figure 2, qui décrit donc le phasage de signaux nécessaire pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention ; - la figure 3 présente le détail d'un des signaux représentés sur la figure 2, ce signal pouvant être le premier ou le second signal car ces signaux sont, dans ce mode particulier de réalisation, identiques entre eux ; - la figure 4a présente une étincelle émise lorsque la bougie reçoit un premier signal d'alimentation de fréquence élevée supérieure à 1 MHz, en l'occurrence ce premier signal est ici de 5 MHz ; - la figure 4b présente une étincelle émise lorsque la bougie reçoit un second signal d'alimentation de fréquence élevée supérieure à 1 MHz, en l'occurrence ce second signal est ici de 5 MHz, cette étincelle de la figure 4b est moins ramifiée que celle de la figure 4a et à une amplitude et une largeur de branche d'étincelle supérieures à ce qu'elles sont sur la figure 4a ; - la figure 5a représente la zone de flamme initiée par une seule étincelle radiofréquence RF comme c'est le cas dans l'art antérieur (Figure 4a) ; - la figure 5b représente la zone de flamme initiée avec le procédé selon l'invention qui génère deux étincelles radiofréquence RF consécutives (Figure 4b) et espacées entre elles dans le temps, on constate que cette zone de flamme de la figure 5b est largement plus étendue que celle de la figure 5a.

Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un procédé d'allumage d'un mélange de comburant et de carburant dans une chambre de combustion à l'aide d'une bougie ainsi que le système d'allumage 10 permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et un moteur incluant ce système.

La figure 1 représente une bougie d'allumage 3 reliée au générateur G qui est adapté à délivrer des premier et second signaux électriques alternatifs 4, 5 de fréquences supérieures ou égales à 1 MHz pendant une durée d'au moins 150ps, ces signaux étant espacés l'un de l'autre d'un délai 6 compris entre 200 et 600 fis. Ce phasage des signaux est représenté sur la courbe 2 où l'on voit le premier signal 4 d'alimentation de bougie 3 émis durant une première étape 4 suivi d'un délai sans signal 6, lui-même immédiatement suivi d'un second signal 5 émis durant la seconde étape 5.

Comme on peut le constater sur la figure 1 : - la courbe A représente la température d'étincelle lorsque la bougie 3 est alimentée avec uniquement un premier signal 4 ; et la courbe B représente la température d'étincelle lorsque la bougie 3 est alimentée via le second signal 5 postérieurement au premier signal 6 et dans un délai d'espacement de signaux 6 donné. Le délai d'espacement de signaux doit être ajusté lors de la mise au point du système en fonction de caractéristiques de fonctionnement du moteur thermique afin d'adapter la nature de l'étincelle produite aux conditions régnant dans la chambre ce qu permet ' optimiser les: conditions d'allumage. La durée d'espacement 6 entre les premier et second signaux est choisie pour être supérieure à au moins une fois la durée du premier signal (c'est-à-dire la durée de la première étape 4), en l'occurrence, cette durée d'espacement 6 et ici de 1500 ps soit 3.3 fois supérieur à la durée du premier signal 4 (c'est-à-dire 150 ps).

La ligne horizontale en pointillés de la figure 1 représente un seuil de température minimum nécessaire à l'inflammation. Pour que le mélange s'enflamme, il faut donc que ce mélange se trouve chauffé par l'étincelle à une température supérieure au seuil de température d'inflammation. Ainsi, dans le cas où la bougie est alimentée via le premier signal, la zone d'inflammation possible est d'une longueur maximale a largement plus faible que la longueur b définissant la zone d'inflammation possible lorsque la bougie est alimentée avec le second signal postérieur au premier. Ainsi la zone d'inflammation durant le second signal est largement supérieure à la zone d'inflammation durant le premier signal, ce qui permet d'accélérer la vitesse de propagation de flamme dans la chambre et réduire les imbrûlés et ratés d'allumage. Cette augmentation de la zone potentielle d'inflammation résulte : - du fait que l'étincelle 9 de la seconde étape 5 (visible sur la figure 4b déclenchée 500 ps après celle de la figure 4a générée lors de la première étape) est plus longue et moins ramifiée que l'étincelle 7 de la première étape 4 ; et - du fait que l'étincelle 9 de la seconde étape 5 (figure 4b) a un diamètre moyen de branche supérieur au diamètre moyen de branche de l'étincelle 7 de la première étape 4 (figure 4a) ; et - du fait que la température T dans la zone d'étincelle de la seconde étape 5 est supérieure à la température T dans la zone d'étincelle de la première étape 4. En conséquence, et comme le confirment les figures 5a et 5b, la zone d'inflammation de mélange 8 ( 8 représentant le volume de mélange enflammé) dans la chambre de combustion 2 est plus étendue en utilisant le procédé selon l'invention, avec deux signaux d'alimentation de bougie haute fréquence successifs et espacés l'un de l'autre d'un délai minimum donné (figure 5b) que la zone d'inflammation résultant d'un seul signal (figure 5a). Enfin, comme le montre la figure 3 un signal donné (premier ou second signal émis lors de la première ou seconde étape 4, 5) a une tension alternative U de pointe de bougie (de fréquence F) dont l'amplitude va en augmentant en partant du début de l'étape d'alimentation de bougie jusqu'à atteindre une tension maximale. Cette première partie X d'augmentation d'amplitude de tension U correspond à la partie de formation de filaments d'étincelle. Puis après avoir atteint ce maximum la tension U se réduit jusqu'à se stabiliser à un seuil donné, cette seconde partie Y du signal correspond à la période de montée en température des filaments de l'étincelle. Le signal est émis sur une durée D qui correspond à la durée de l'étape d'alimentation de bougie 3.

Pour améliorer le procédé selon l'invention, ces paramètres de signal U, F et D de chacun des premier et/ou second signaux peuvent être prédéterminés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur que sont la pression P et/ou la température T dans la chambre 2 et /ou la richesse du mélange enflammé 8.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1) Procédé d'allumage d'un mélange de comburant et de carburant (1) dans une chambre de combustion (2) d'un moteur thermique à l'aide d'une bougie d'allumage (3) radiofréquence générant une étincelle ramifiée depuis la pointe d'une électrode, la bougie étant disposée de manière à déboucher dans ladite chambre de combustion du moteur (2), le procédé comprenant une première étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un premier signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz (4), caractérisé en ce qu'il comprend une seconde étape d'alimentation de ladite bougie à l'aide d'un second signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz (5), cette seconde étape étant postérieure à la première étape et espacée dans le temps par rapport à la première étape d'un délai d'espacement (6).
2. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit délai d'espacement (6) entre les première et seconde étapes est inférieur à 10 fois la durée de la première étape et préférentiellement inférieur à 5 fois la durée de la première étape.
3. 3) Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le délai d'espacement (6) entre les première et seconde étapes est supérieur à la durée 25 de la première étape.
4. 4) Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le délai d'espacement (6) entre les première et seconde étapes est compris entre 1 et 5 fois la durée de la première étape. 30
5. 5) Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des dits premier et second signaux électriques (4, 5) a des paramètres propres que sont l'amplitude de tension du signal (U), la fréquence du signal électrique alternatif (F), la durée totale dusignal (D), et en ce que l'un au moins des paramètres de l'un au moins des dits premier et second signaux (4, 5) est déterminé lors d'une étape préalable aux dites première et seconde étapes en fonction de paramètres déterminant la combustion, ces paramètres déterminant la combustion étant mesurés et/ou estimés et comprenant au moins une pression dans la chambre de combustion (P), une température (T) représentative de la température à l'intérieur de la chambre (2), la richesse du mélange de carburant et de comburant, et un taux de gaz brûlés présent dans le mélange.
6. 6) Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de la première étape est comprise entre 150 et 250 us et en ce que la durée de la seconde étape est comprise entre 150 et 250 ps et en ce que ledit délai d'espacement entre les première et seconde étapes est compris entre 250 et 750 ps.
7. 7) Système d'allumage (10) d'un mélange de comburant et de carburant pour moteur thermique comprenant un générateur de courant (G) et au moins une bougie d'allumage (3) reliée au dit générateur (G), ledit générateur (G) étant adapté à générer un premier signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz (4) et un second signal électrique alternatif de fréquence supérieure à 1 MHz (5), caractérisé en ce que ledit générateur (G) est adapté à espacer dans le temps lesdits premier et second signaux électrique alternatif (4, 5) d'un délai d'espacement et est adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6.
8. 8) Moteur thermique comprenant une chambre de combustion et le système d'allumage (10) selon la revendication 8.
9. 9) Moteur thermique comprenant une chambre de combustion et le système d'allumage (10) selon la revendication 8.